裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)研究

李勝軍，李金亮，史寒冰，方國(guó)震

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司計(jì)量檢測(cè)中心，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

裝甲車輛傳動(dòng)裝置是將液力元件、液壓元件、變速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等部件功能集成實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，以改變車輛的行駛狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)裝甲車輛快速機(jī)動(dòng)的核心部件［1-3］。近年來(lái)，為了適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略和軍事轉(zhuǎn)型需要，對(duì)裝甲車輛的傳動(dòng)裝置提出了越來(lái)越高的技術(shù)要求［4-5］。為了保證裝甲車輛整車的可靠性，傳動(dòng)裝置在裝車之前必須在傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展各項(xiàng)性能測(cè)試［6］，其中輸入輸出功率（與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積成正比）是考核傳動(dòng)裝置性能的重要技術(shù)指標(biāo)［7-8］。

然而，目前正在執(zhí)行的裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)程JJF（軍工）50-2014《試驗(yàn)臺(tái)用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)原位校準(zhǔn)規(guī)范》，已經(jīng)無(wú)法滿足在大轉(zhuǎn)矩3500～30000 N·m條件下對(duì)傳動(dòng)軸輸入輸出功率的校準(zhǔn)要求，不能形成有效的量值溯源，影響了傳動(dòng)裝置性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［9］。而且，由于傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)存在轉(zhuǎn)矩大、試驗(yàn)空間狹小、難拆卸等問(wèn)題，只有在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行原位綜合校準(zhǔn)，與實(shí)際工況保持一致，使得傳感器在標(biāo)定時(shí)和試驗(yàn)時(shí)有著相同的受力和工作條件，才能保證校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)一套能夠形成有效的量值溯源的裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)大轉(zhuǎn)矩原位校準(zhǔn)系統(tǒng)具有重要的工程意義。

裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)大轉(zhuǎn)矩原位校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出裝置、無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器三部分組成。其中無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)需要和傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)的輸出軸連接，不僅要滿足現(xiàn)場(chǎng)狹小空間，而且必須在承受現(xiàn)場(chǎng)純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出裝置輸出的大轉(zhuǎn)矩時(shí)將傳動(dòng)軸抱緊制動(dòng)，且不能損傷傳動(dòng)軸，有效保證動(dòng)力輸出值與測(cè)量值的一致性。由此可見(jiàn)，無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系著裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)大轉(zhuǎn)矩原位校準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，本文將重點(diǎn)對(duì)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)一套與輸出轉(zhuǎn)矩相匹配的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損制動(dòng)系統(tǒng)，利用標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，完成試驗(yàn)臺(tái)在系統(tǒng)固性不變、使用條件不變的情況下轉(zhuǎn)矩的原位校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)量值的有效溯源，為裝甲車輛傳動(dòng)裝置的性能指標(biāo)、參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量檢驗(yàn)提供有效的計(jì)量保證。

1 無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)由加載電機(jī)、輸出軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和被測(cè)傳動(dòng)裝置組成。

為了保證在加載電機(jī)、輸出軸、被校轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和聯(lián)軸器等設(shè)備固定不動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的原位校準(zhǔn)，需要在輸出軸上加入無(wú)損連接制動(dòng)裝置，利用該裝置與傳動(dòng)軸間的摩擦力提供反向扭矩，將受扭傳動(dòng)軸抱緊。然后，在被測(cè)傳動(dòng)裝置的位置上反向串接標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出裝置。最后，通過(guò)動(dòng)力輸出裝置輸出扭矩，同時(shí)讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和被校轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的原位校準(zhǔn)。試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩原位校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)矩原位校準(zhǔn)原理Fig.1 Schematic diagram of torque in-situ calibration for test bench

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)工作原理及現(xiàn)場(chǎng)條件，確定整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是：1）抱緊力值大，制動(dòng)能力強(qiáng)，且不能對(duì)傳動(dòng)軸造成損傷；2）適合現(xiàn)場(chǎng)狹小空間使用，體積小、重量輕，方便移動(dòng)和固定；3）適用于不同試驗(yàn)臺(tái)，不同高度、不同直徑輸出軸的抱緊和制動(dòng)；4）安裝方便，操作簡(jiǎn)單，安全可靠。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全性等多方面因素，確定了雙臂結(jié)構(gòu)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

圖2 雙臂結(jié)構(gòu)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Nondestructive connection brake system with two-armstructure

雙臂結(jié)構(gòu)無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)由抱緊和制動(dòng)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(guò)擰緊抱緊螺栓，將傳動(dòng)軸抱緊。制動(dòng)部分由制動(dòng)螺栓和液壓裝置組成，當(dāng)傳動(dòng)軸承受純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力輸出裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩將傳動(dòng)軸抱緊制動(dòng)。無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)安裝在抱緊螺栓下面的墊片傳感器的示值調(diào)整抱緊螺栓的擰緊力，同時(shí)根據(jù)加載扭矩的大小調(diào)整液壓裝置的位置，能夠使傳動(dòng)軸的抱緊力與加載扭矩相匹配，盡可能減小對(duì)傳動(dòng)軸的損傷，實(shí)現(xiàn)了抱緊力的精準(zhǔn)控制，達(dá)到無(wú)損連接制動(dòng)的目的。

2 無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)損傷傳動(dòng)軸，抱緊裝置的材料硬度應(yīng)遠(yuǎn)低于傳動(dòng)軸的硬度。通過(guò)查閱試驗(yàn)臺(tái)資料可知，傳動(dòng)軸材料為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度為HRC40～45。因此，選用硬度值低、性價(jià)比高的Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼作為抱緊臂材料。

2.2 下抱緊臂長(zhǎng)度方向尺寸設(shè)計(jì)

下抱緊臂既要和上抱緊臂連接，抱緊傳動(dòng)軸，又要與制動(dòng)部件連接承受拉、壓力，是裝置的重要部件，且適合于現(xiàn)場(chǎng)狹小空間使用，應(yīng)優(yōu)先確定。通過(guò)對(duì)型號(hào)為CH1000傳動(dòng)箱試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量可知，傳動(dòng)軸直徑Φ=為240mm，軸長(zhǎng)L為300 mm，距地面高度H為800 mm，最大轉(zhuǎn)矩為30000 N·m。據(jù)此設(shè)計(jì)下抱緊臂尺寸如圖3所示。

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

2.3 制動(dòng)部分液壓裝置規(guī)格確定

根據(jù)下抱緊臂長(zhǎng)度方向尺寸，對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 制動(dòng)部分受力分析Fig.4 Force analysisof the braking part

根據(jù)靜力學(xué)定律［10-11］，當(dāng)施加載荷平衡時(shí)

式中：∑F為平衡狀態(tài)下受力總和，N；∑M為剛體力矩總和，N·m；

通過(guò)分析圖5得出

式中：F拉為螺栓承擔(dān)的拉力，N；F壓為液壓裝置承擔(dān)的壓力，N。

求解

根據(jù)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(dòng)螺栓的型號(hào)/規(guī)格確定

制動(dòng)螺栓選用性能等級(jí)為6.9級(jí)的螺栓［12］，螺栓的抗拉強(qiáng)度σ為

屈強(qiáng)比為0.9，公稱屈服強(qiáng)度σs為

根據(jù)壓強(qiáng)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(yīng)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(jì)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(yuǎn)大于15.2 mm。計(jì)算結(jié)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(hào)/規(guī)格選用

抱緊螺栓的型號(hào)規(guī)格，決定著抱緊力的大小，關(guān)系著上下抱緊臂的寬度和墊片傳感器的選型。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求［13］，在施加不同擰緊力時(shí)，抱緊臂對(duì)主軸的抱緊力計(jì)算公式為

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

鋼的抗滑移系數(shù)μ=0.4，摩擦面面數(shù)nf=2，試件一側(cè)螺栓數(shù)量m=2，10.9級(jí)M24的螺栓預(yù)緊力為250 kN，液壓裝置的壓力可達(dá)500 kN，則高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力之和為

由此可得

故螺栓預(yù)緊時(shí)，Nv=400 kN；液壓裝置預(yù)緊時(shí)，Nv=800 kN。

以傳動(dòng)軸直徑150 mm為例，若利用高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊，則滑移轉(zhuǎn)矩Mv=400kN×75mm=30000N·m。若轉(zhuǎn)矩值超出30000 N·m的范圍，可采用液壓裝置抱緊，此時(shí)的最大滑移轉(zhuǎn)矩可增大至60000 N·m。

在施扭時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)矩通過(guò)制動(dòng)裝置轉(zhuǎn)化成拉力和壓力的輸出（一端壓力，另一端拉力），壓力端通過(guò)液壓裝置承壓，拉力端通過(guò)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(guò)分析可知，10.9級(jí)M18螺栓擰緊力為200 kN時(shí)，即可承受30000 N·m的轉(zhuǎn)矩將傳動(dòng)軸抱緊。因此，選用10.9級(jí)M18的抱緊螺栓。

2.6 墊片傳感器的型號(hào)/規(guī)格選用

為了達(dá)到精準(zhǔn)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抱緊力的目的，實(shí)現(xiàn)在滿足制動(dòng)要求的同時(shí)不損傷傳動(dòng)軸，專門設(shè)計(jì)了帶有墊片傳感器的抱緊螺栓。墊片傳感器在無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)中的安裝位置如圖5所示。10.9級(jí)M18的螺栓擰緊力為200 kN，考慮到墊片傳感器的承壓、過(guò)載和安裝［14-16］，則選用內(nèi)徑為20 mm，最大試驗(yàn)力為300 kN的墊片傳感器，如圖6所示。

圖5 無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)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(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)抱緊力的精準(zhǔn)控制，確定裝置承載扭矩值與預(yù)緊力值之間的關(guān)系，使用測(cè)量范圍為3000～30000 N·m，準(zhǔn)確度為0.3%的靜校試驗(yàn)臺(tái)對(duì)工藝軸進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：

首先，將工藝軸的一端通過(guò)花鍵與靜校試驗(yàn)臺(tái)加載端連接，另一端通過(guò)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(dòng)軸。將制動(dòng)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(diào)整靜校試驗(yàn)臺(tái)加載臂至水平，將墊片傳感器指示儀表調(diào)至零點(diǎn)。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(guò)墊片傳感器讀取抱緊力，同時(shí)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(kāi)抱緊裝置，卸下砝碼。此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行多次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，使用如表1所示的預(yù)緊力，結(jié)果“未打滑”表示可將傳動(dòng)軸抱緊制動(dòng)，而且通過(guò)粗糙度儀和探傷儀檢測(cè)，工藝軸的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，即實(shí)現(xiàn)了無(wú)損連接制動(dòng)。圖7所示為工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預(yù)緊力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，在滿足制動(dòng)要求且不損傷傳動(dòng)軸的情況下，工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預(yù)緊力之間滿足如下關(guān)系，即y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2。其中，y表示抱緊螺栓預(yù)緊力，x表示工藝軸加載扭矩。根據(jù)這一關(guān)系式，可以通過(guò)計(jì)算獲得傳動(dòng)軸在任意加載扭矩下實(shí)現(xiàn)無(wú)損連接制動(dòng)所需要的抱緊螺栓預(yù)緊力。

圖7 加載扭矩和預(yù)緊力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correlation between loading torque and pretightening force

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Field test results

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)的無(wú)損連接制動(dòng)系統(tǒng)，抱緊力值大，制動(dòng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在小于30000 N·m加載條件下對(duì)傳動(dòng)軸的無(wú)損連接制動(dòng)，適合現(xiàn)場(chǎng)狹小空間使用，操作簡(jiǎn)單、安全可靠。同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證建立了擰緊力和標(biāo)準(zhǔn)扭矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2），實(shí)現(xiàn)了抱緊力的精準(zhǔn)控制，達(dá)到了無(wú)損連接制動(dòng)的目的。通過(guò)本項(xiàng)技術(shù)研究，解決了裝甲車輛傳動(dòng)裝置試驗(yàn)臺(tái)原位校準(zhǔn)難題，為傳動(dòng)裝置的性能指標(biāo)、參數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量檢驗(yàn)提供了有效的計(jì)量保證，對(duì)新一代裝甲車輛的設(shè)計(jì)、研制具有十分重要的意義。