【摘 要】以冲压型铜合金触点汽车油位传感器摩擦副的力特性为研究对象，分析了摩擦副力特性相互关联的两个方面：有效接触体积、接触正压力。在此基础上，对二者进行了设计与优化。结果表明，力特性的优化设计是提高冲压型触点传感器使用寿命的重要途径。
【关键词】汽车 油位传感器 冲压 铜合金触点 摩擦副 力特性 优化 寿命
电位计式汽车油位传感器广泛应用于汽车燃油供给系统。使用寿命是其关键的技术指标之一。优化触点形状、选择适宜的表面粗糙度、优化表面硬度等。以上诸方面的研究对提高其使用寿命均进行了有益的探索。笔者认为，通过冲压型触点接触副的力特性的设计优化，可以提高其使用寿命。接触副的力特性反映在两个相互关联的层面：其一、电刷触点与导带的接触正压力。其二、电刷触点或导带可参与磨损并损耗的体积，姑且称之为接触体积。本文将以冲压型铜合金触点油位传感器为例，围绕接触副力特性的这两个方面展开。
一、冲压型油位传感器接触副的构成
冲压型油位传感器的接触副由电刷触点和烧结在厚膜电阻片上的导带构成，电刷触点是接触副或者摩擦副的动件，厚膜电阻片上的导带是静件。电刷触点与电阻片导带的接触部位，通过直接冲压成型的方式获得。
二、力特性的设计与优化
（一）接触体积设计与优化
冲压型触点典型失效模式为冲压触点接触部位过度磨损引致的断裂。提高电刷接触部位的可供磨损体积，是避免断裂失效有效途径之一。然而，孤立谈论接触体积实际意义并不大，接触体积的设计需要在接触体积、传感器的分辨率、接触面形状和电阻片导带固有特性间寻求平衡。如图1和图2所示，电刷簧片的厚度、电刷触点与导带的接触长度、电刷触点部分外轮廓面半径、不考虑分辨率因素情形下电刷与导带接触部位允许的最大接触宽度、考虑分辨率因素允许的最大接触宽度和导带烧结厚度是影响决断的几个主要因素。另：和分别用于表示不考虑分辨率情形下的接触体积和考虑分辨率情形下的接触体积，即：图中用剖面线标示区域。事实上，远小于。
接触体积和电刷触点轮廓半径的关系如图3所示。趋势曲线显示，通过增大半径，可以显著提高接触体积，且单调递增、梯度较大。对接触体积而言，在小于3mm之前比较明显，越过此点后，改善幅度近乎停滞。考虑到长期使用过程中仍需确保传感器的分辨率，接触体积的分析更具价值。综合考虑接触体积和导带最小残余厚度和传感器的分辨率，将触点的外轮廓半径限定在3～4mm区间范围内适宜。
（二）摩擦副正压力设计与优化
1.正压力与传感器使用寿命
适宜的触点正压力，一方面允许触点或导带有一定的磨损量，抑制接触电阻；另一方面能够有效避免磨穿现象。
正压力的设计应权衡以上影响因素。
2.正压力设计
接触副的物理模型可简化为：外轮廓面为圆柱面的电刷触点和厚膜电阻片导带平面的接触。两者的接触区域是一矩形区域。理论接触区域的宽度可由公式1计算求得。
三、实验验证
（一）样件触点正压力分布状况。样本数量为10的试作件样品进行触点正压力测试，正压力分布在25g±5g间。与设计基本吻合。
（二）使用寿命验证。对接触副进行了干磨损和湿磨损试验。寿命实验后，磨损量不超过簧片厚度的40%。因此，接触副的正压力和有效磨损体积设计适宜。
（三）道路实车验证。3万公里综合路况的道路实车实验后，传感器的寿命指标满足使用要求。
四、结论
实验室实验和道路实车验证的结果表明：冲压型铜合金触点油位传感器接触副的力特性优化，是提高其使用寿命的重要途径。冲压成型触点与传统的铆钉触点等有类似的拓扑结构，对于非冲压成型的接触副的设计也有一定的借鉴意义。另外，在方案的实施过程中，电刷触点的磨损量多数比较接近，但同时也出现了个别磨损较为严重的现象，因此，后续需要就加工工艺和材料均质性对磨损状况的影响作进一步的分析、研究。最后，如何通过磨损体积数据的变化定量分析使用寿命的发展趋势等课题还有待进一步深入探讨。
参考文献：
[1]M.R. Sridhar， M. M.Yovanovich. Constriction resistance of sphere/flat contacts： theory and experiment [J]. ASME Journal of Heat Transfer. Vol 118， No. 1， pp. 202-205， 1996.
[2]Robert J. May， Dewey M. Sims Jr. Stress analysis of fuel level sending units for smearing [J]. Chrysler corporation supplier development， October 12， 1998， revision #4.
[3]韩忠， 卢柯. 纯铜纳米晶表面摩擦磨损性能研究[J]. 中国科学G辑：物理学 力学 天文学， 第38卷第11期：1477-1487页， 2008.
[4]黄见秋， 黄庆安. 表面粘连效应对接触式微开关接触电阻的影响[J]. 半导体学报. 第26卷第6期，2005年6月， 1229-1233页.
