裝甲車輛傳動裝置試驗臺無損連接制動系統研究

李勝軍，李金亮，史寒冰，方國震

（內蒙古第一機械集團股份有限公司計量檢測中心，內蒙古包頭 014030）

0 引言

裝甲車輛傳動裝置是將液力元件、液壓元件、變速機構、轉向機構等部件功能集成實現動力的傳遞，以改變車輛的行駛狀態，是實現裝甲車輛快速機動的核心部件［1-3］。近年來，為了適應國家戰略和軍事轉型需要，對裝甲車輛的傳動裝置提出了越來越高的技術要求［4-5］。為了保證裝甲車輛整車的可靠性，傳動裝置在裝車之前必須在傳動裝置試驗臺上開展各項性能測試［6］，其中輸入輸出功率（與轉矩和轉速的乘積成正比）是考核傳動裝置性能的重要技術指標［7-8］。

然而，目前正在執行的裝甲車輛傳動裝置試驗臺校準技術規程JJF（軍工）50-2014《試驗臺用轉矩轉速測量系統原位校準規范》，已經無法滿足在大轉矩3500～30000 N·m條件下對傳動軸輸入輸出功率的校準要求，不能形成有效的量值溯源，影響了傳動裝置性能試驗數據的準確性［9］。而且，由于傳動試驗臺存在轉矩大、試驗空間狹小、難拆卸等問題，只有在現場對整套系統進行原位綜合校準，與實際工況保持一致，使得傳感器在標定時和試驗時有著相同的受力和工作條件，才能保證校準的準確性。因此，設計一套能夠形成有效的量值溯源的裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉矩原位校準系統具有重要的工程意義。

裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉矩原位校準系統主要由現場純扭轉大轉矩動力輸出裝置、無損連接制動系統和標準扭矩傳感器三部分組成。其中無損連接制動系統需要和傳動裝置試驗臺的輸出軸連接，不僅要滿足現場狹小空間，而且必須在承受現場純扭轉大轉矩動力輸出裝置輸出的大轉矩時將傳動軸抱緊制動，且不能損傷傳動軸，有效保證動力輸出值與測量值的一致性。由此可見，無損連接制動系統的優劣直接關系著裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉矩原位校準系統的準確性。因此，本文將重點對無損連接制動系統展開研究，設計一套與輸出轉矩相匹配的現場無損制動系統，利用標準扭矩傳感器，完成試驗臺在系統固性不變、使用條件不變的情況下轉矩的原位校準，實現量值的有效溯源，為裝甲車輛傳動裝置的性能指標、參數試驗驗證、質量檢驗提供有效的計量保證。

1 無損連接制動系統的工作原理與結構設計

1.1 工作原理

裝甲車輛傳動裝置試驗臺由加載電機、輸出軸、轉矩轉速傳感器和被測傳動裝置組成。

為了保證在加載電機、輸出軸、被校轉矩轉速傳感器和聯軸器等設備固定不動的前提下實現對試驗臺的原位校準，需要在輸出軸上加入無損連接制動裝置，利用該裝置與傳動軸間的摩擦力提供反向扭矩，將受扭傳動軸抱緊。然后，在被測傳動裝置的位置上反向串接標準扭矩傳感器和大轉矩動力輸出裝置。最后，通過動力輸出裝置輸出扭矩，同時讀取標準扭矩傳感器和被校轉矩轉速傳感器的數值，實現對試驗臺的原位校準。試驗臺轉矩原位校準原理如圖1所示。

圖1 試驗臺轉矩原位校準原理Fig.1 Schematic diagram of torque in-situ calibration for test bench

1.2 結構設計

根據無損連接制動系統工作原理及現場條件，確定整套系統設計的總體目標是：1）抱緊力值大，制動能力強，且不能對傳動軸造成損傷；2）適合現場狹小空間使用，體積小、重量輕，方便移動和固定；3）適用于不同試驗臺，不同高度、不同直徑輸出軸的抱緊和制動；4）安裝方便，操作簡單，安全可靠。從系統設計的總體目標出發，綜合考慮系統的結構穩定性和使用安全性等多方面因素，確定了雙臂結構無損連接制動系統的設計方案，如圖2所示。

圖2 雙臂結構無損連接制動系統Fig.2 Nondestructive connection brake system with two-armstructure

雙臂結構無損連接制動系統由抱緊和制動兩部分組成。抱緊部分由上抱緊臂、下抱緊臂和抱緊螺栓組成，通過擰緊抱緊螺栓，將傳動軸抱緊。制動部分由制動螺栓和液壓裝置組成，當傳動軸承受純扭轉大轉矩動力輸出裝置輸出的標準轉矩時，無損連接制動系統產生反向轉矩將傳動軸抱緊制動。無損連接制動系統通過安裝在抱緊螺栓下面的墊片傳感器的示值調整抱緊螺栓的擰緊力，同時根據加載扭矩的大小調整液壓裝置的位置，能夠使傳動軸的抱緊力與加載扭矩相匹配，盡可能減小對傳動軸的損傷，實現了抱緊力的精準控制，達到無損連接制動的目的。

2 無損連接制動系統設計計算與選型分析

2.1 抱緊臂材料選擇

為防止抱緊臂在大力值抱緊時損傷傳動軸，抱緊裝置的材料硬度應遠低于傳動軸的硬度。通過查閱試驗臺資料可知，傳動軸材料為35CrMo合金結構鋼，硬度為HRC40～45。因此，選用硬度值低、性價比高的Q235普通碳素結構鋼作為抱緊臂材料。

2.2 下抱緊臂長度方向尺寸設計

下抱緊臂既要和上抱緊臂連接，抱緊傳動軸，又要與制動部件連接承受拉、壓力，是裝置的重要部件，且適合于現場狹小空間使用，應優先確定。通過對型號為CH1000傳動箱試驗臺現場測量可知，傳動軸直徑Φ=為240mm，軸長L為300 mm，距地面高度H為800 mm，最大轉矩為30000 N·m。據此設計下抱緊臂尺寸如圖3所示。

圖3 下抱緊臂長度方向尺寸Fig.3 Length dimension of lower holding arm

2.3 制動部分液壓裝置規格確定

根據下抱緊臂長度方向尺寸，對其進行受力分析，如圖4所示。

圖4 制動部分受力分析Fig.4 Force analysisof the braking part

根據靜力學定律［10-11］，當施加載荷平衡時

式中：∑F為平衡狀態下受力總和，N；∑M為剛體力矩總和，N·m；

通過分析圖5得出

式中：F拉為螺栓承擔的拉力，N；F壓為液壓裝置承擔的壓力，N。

求解

根據式

可以求得m為2470 kg。

因此，壓向液壓裝置選用5t量程即可。

2.4 制動螺栓的型號/規格確定

制動螺栓選用性能等級為6.9級的螺栓［12］，螺栓的抗拉強度σ為

屈強比為0.9，公稱屈服強度σs為

根據壓強公式

螺栓的最小截面積S為

螺栓截面積As公式為［12］

式中：As為螺紋的應力截面積，mm2；d2為螺紋中徑的基本尺寸，mm；d3為螺紋小徑d1減去螺紋原始三角高度（H）的1/6的值，mm。

式中：H為螺紋原始三角形高度（H=0.866025P），mm；P為螺距，mm；d1為螺紋小徑的基本尺寸，mm。

將螺栓的最小橫截面帶入，可以計算出螺紋小徑d1與螺紋中徑d2之和為

如果選用M16螺栓，M16螺栓小徑為13.8 mm，M16螺栓中徑為14.7 mm，中徑與小徑之和遠大于15.2 mm。計算結果表明，選用M16螺栓可以滿足承壓裝置使用要求。

2.5 抱緊螺栓的型號/規格選用

抱緊螺栓的型號規格，決定著抱緊力的大小，關系著上下抱緊臂的寬度和墊片傳感器的選型。根據國家相關標準要求［13］，在施加不同擰緊力時，抱緊臂對主軸的抱緊力計算公式為

式中：Nv為滑移載荷，kN；nf為摩擦面面數；μ為抗滑移系數；為高強度螺栓預緊力之和，kN。

鋼的抗滑移系數μ=0.4，摩擦面面數nf=2，試件一側螺栓數量m=2，10.9級M24的螺栓預緊力為250 kN，液壓裝置的壓力可達500 kN，則高強度螺栓預緊力之和為

由此可得

故螺栓預緊時，Nv=400 kN；液壓裝置預緊時，Nv=800 kN。

以傳動軸直徑150 mm為例，若利用高強度螺栓預緊，則滑移轉矩Mv=400kN×75mm=30000N·m。若轉矩值超出30000 N·m的范圍，可采用液壓裝置抱緊，此時的最大滑移轉矩可增大至60000 N·m。

在施扭時，輸出軸轉矩通過制動裝置轉化成拉力和壓力的輸出（一端壓力，另一端拉力），壓力端通過液壓裝置承壓，拉力端通過螺栓承拉。液壓裝置和螺栓均固定在槽鋼上，力臂為0.5 m，螺栓和液壓裝置承受的拉壓力在60 kN左右。

通過分析可知，10.9級M18螺栓擰緊力為200 kN時，即可承受30000 N·m的轉矩將傳動軸抱緊。因此，選用10.9級M18的抱緊螺栓。

2.6 墊片傳感器的型號/規格選用

為了達到精準控制和實時監測抱緊力的目的，實現在滿足制動要求的同時不損傷傳動軸，專門設計了帶有墊片傳感器的抱緊螺栓。墊片傳感器在無損連接制動系統中的安裝位置如圖5所示。10.9級M18的螺栓擰緊力為200 kN，考慮到墊片傳感器的承壓、過載和安裝［14-16］，則選用內徑為20 mm，最大試驗力為300 kN的墊片傳感器，如圖6所示。

圖5 無損連接制動系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of the nondestructive connection brake device

圖6 墊片傳感器Fig.6 Gasket transducer

3 無損連接制動系統驗證試驗

為實現對抱緊力的精準控制，確定裝置承載扭矩值與預緊力值之間的關系，使用測量范圍為3000～30000 N·m，準確度為0.3%的靜校試驗臺對工藝軸進行模擬試驗。試驗方法為：

首先，將工藝軸的一端通過花鍵與靜校試驗臺加載端連接，另一端通過抱緊螺栓、墊片傳感器與上、下抱緊臂連接，擰緊抱緊螺栓抱緊傳動軸。將制動螺栓和液壓裝置與下抱緊臂連接。全部連接固定好后，將墊片傳感器與顯示儀表連接，接通電源。然后，調整靜校試驗臺加載臂至水平，將墊片傳感器指示儀表調至零點。將擰緊力矩從50 N·m依次增加至500 N·m擰緊抱緊螺栓，并通過墊片傳感器讀取抱緊力，同時利用砝碼、臂桿將加載扭矩逐漸從500 N·m增加至18000 N·m，保持5 min。最后，拆開抱緊裝置，卸下砝碼。此過程重復進行多次，試驗結果見表1。

通過試驗驗證發現，使用如表1所示的預緊力，結果“未打滑”表示可將傳動軸抱緊制動，而且通過粗糙度儀和探傷儀檢測，工藝軸的外觀和內部結構完好，即實現了無損連接制動。圖7所示為工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預緊力之間的對應關系。從圖中可以看出，在滿足制動要求且不損傷傳動軸的情況下，工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預緊力之間滿足如下關系，即y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2。其中，y表示抱緊螺栓預緊力，x表示工藝軸加載扭矩。根據這一關系式，可以通過計算獲得傳動軸在任意加載扭矩下實現無損連接制動所需要的抱緊螺栓預緊力。

圖7 加載扭矩和預緊力間的對應關系Fig.7 Correlation between loading torque and pretightening force

表1 現場試驗結果Tab.1 Field test results

4 結論與展望

本文設計的無損連接制動系統，抱緊力值大，制動能力強，可實現在小于30000 N·m加載條件下對傳動軸的無損連接制動，適合現場狹小空間使用，操作簡單、安全可靠。同時，通過現場試驗驗證建立了擰緊力和標準扭矩之間的對應關系（y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2），實現了抱緊力的精準控制，達到了無損連接制動的目的。通過本項技術研究，解決了裝甲車輛傳動裝置試驗臺原位校準難題，為傳動裝置的性能指標、參數試驗驗證、質量檢驗提供了有效的計量保證，對新一代裝甲車輛的設計、研制具有十分重要的意義。