王健，黎建濤，范圍廣，張亭亭，楊嘯

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司,河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽(yáng) 471039；4.萬(wàn)向集團(tuán)公司 技術(shù)中心，杭州 311215)

輪轂軸承在汽車(chē)非直線(xiàn)行駛過(guò)程中(即在一定的側(cè)向加速度下處于轉(zhuǎn)彎狀態(tài))會(huì)受到外部載荷形成的力矩作用[1]。力矩剛性是角剛度的另一種表述，是輪轂軸承重要的性能指標(biāo)，輪轂軸承的力矩剛性顯著影響著汽車(chē)的行駛舒適性、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性以及安全性，因此汽車(chē)制造商對(duì)此要求非常嚴(yán)格[2]。

隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，輪轂軸承單元力矩剛性的試驗(yàn)研究也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。為了進(jìn)一步提高輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，為輪轂軸承單元的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、理論分析以及裝車(chē)配套應(yīng)用提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)參考，開(kāi)發(fā)了一種汽車(chē)輪轂軸承單元力矩剛性試驗(yàn)機(jī)，介紹了其主體設(shè)計(jì)以及軸承試驗(yàn)情況。

1 主要技術(shù)參數(shù)及功能要求

試驗(yàn)機(jī)可試驗(yàn)軸承內(nèi)徑范圍為20～70 mm；最大徑向載荷10 kN，最大軸向載荷15 kN；加載力臂調(diào)節(jié)范圍為徑向100～250 mm，軸向220～350 mm(輪胎半徑)；最大相對(duì)傾角測(cè)量范圍為2°，測(cè)量精度小于等于0.005°；試驗(yàn)機(jī)采用氣動(dòng)加載方式，手動(dòng)調(diào)節(jié)載荷，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試徑向載荷、軸向載荷、位移等信號(hào)并自動(dòng)計(jì)算剛度值，計(jì)算機(jī)還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及調(diào)用功能。

2 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)由機(jī)械主體、氣動(dòng)加載系統(tǒng)、電氣測(cè)控系統(tǒng)3部分組成。

2.1 機(jī)械主體

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪轂軸承單元固定安裝在機(jī)械主體的工作臺(tái)上，由氣動(dòng)加載系統(tǒng)的2個(gè)加載氣缸分別施加一定的徑向、軸向力矩載荷，輪轂軸承單元在力矩載荷的作用下產(chǎn)生的位移變形由高精度位移傳感器測(cè)得。

1—徑向氣缸；2—杠桿；3—徑向滑塊；4—徑向拉力傳感器；5—調(diào)節(jié)絲套；6—試驗(yàn)頭組件； 7—軸向滑塊；8—軸向拉力傳感器；9—工作臺(tái)；10—軸向氣缸；11—調(diào)節(jié)導(dǎo)軌；12—床身

2.1.1 試驗(yàn)頭

試驗(yàn)頭是試驗(yàn)機(jī)的核心部件，用來(lái)完成試驗(yàn)軸承、加載裝置以及傳感器的安裝和連接。試驗(yàn)頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)軸承通過(guò)芯軸預(yù)緊，內(nèi)圈凸緣安裝在固定底座上，外圈通過(guò)加載體與徑向、軸向加載裝置相連，在圖示同一切面的8個(gè)測(cè)點(diǎn)位置(A，A′，B，B′，C，C′，D，D′)分別安裝1個(gè)位移傳感器，用于測(cè)試軸承在受力時(shí)各點(diǎn)的相對(duì)位移變化量，并將測(cè)試信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析。

1—固定底座；2—試驗(yàn)軸承；3—預(yù)緊芯軸；4—傳感器支架；5—位移傳感器；6—加載體；7—加載臂

2.1.2 測(cè)試原理

輪轂軸承單元的力矩剛性定義為輪轂凸緣相對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)凸緣的傾斜角(相對(duì)傾斜角)，是輪轂主軸的傾斜角、軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾斜角以及外圈凸緣的傾斜角之和[3]。

輪轂軸承的力矩剛性分析一般是在對(duì)輪轂軸承施加徑向載荷和軸向力矩載荷條件下，通過(guò)測(cè)試與計(jì)算輪轂凸緣相對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)凸緣的傾斜角完成。

基座的相對(duì)傾斜角為

θB=arctan(SB′-SB)/λB′B，

輪轂凸緣的相對(duì)傾斜角為

θS=arctan(SC′-SC)/λC′C-θB，

軸承本身的相對(duì)傾斜角為

θA=arctan(SA′-SA)/λA′A-θS-θB，

轉(zhuǎn)向節(jié)凸緣(外圈凸緣)的傾斜角為

θK=arctan(SD′-SD)/λD′D-θS-θA-θB，

則輪轂軸承的力矩角剛度為

式中：SA，SB，SC，SD，SA′，SB′，SC′，SD′分別為各測(cè)點(diǎn)位置上的位移變化量；λA′A，λB′B，λC′C，λD′D分別為各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)間的距離；Fa為軸向載荷；R為加載半徑，相當(dāng)于輪胎半徑。

2.2 氣動(dòng)加載系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)采用氣動(dòng)加載方式，氣源為壓力P≥0.6 MPa的潔凈空氣，由過(guò)濾器過(guò)濾凈化后分2路分別進(jìn)入軸向、徑向減壓閥。手動(dòng)調(diào)節(jié)減壓閥，通過(guò)控制輸出氣壓控制軸向氣缸和徑向氣缸的輸出，從而向軸承施加徑向、軸向載荷。加載系統(tǒng)由換向閥控制氣缸的進(jìn)退，由單向節(jié)流閥控制氣缸的動(dòng)作速度，保證加載穩(wěn)定準(zhǔn)確。

1—?dú)庠矗?—過(guò)濾器；3—減壓閥；4—壓力表；5—換向閥；6—軸向氣缸；7—節(jié)流閥；8—消聲器；9—徑向氣缸；10—拉壓力傳感器

2.3 電氣測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)電氣測(cè)控系統(tǒng)由電控柜、傳感器及其變送器、工控機(jī)及軟件程序等組成。

電氣測(cè)控系統(tǒng)原理如圖4所示，位移傳感器經(jīng)位移變送器將位移形變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，力傳感器經(jīng)力變送器將受力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。8路位移電信號(hào)和2路力電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示采樣數(shù)值及計(jì)算結(jié)果。

圖4 電氣測(cè)控系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)機(jī)測(cè)試程序主界面如圖5所示，采用C++Builder編制，用于實(shí)時(shí)顯示并記錄測(cè)試過(guò)程中的徑向載荷、軸向載荷以及各測(cè)點(diǎn)變形位移量的數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算出各傾角值和力矩剛度值并繪制出曲線(xiàn)，最后根據(jù)人工設(shè)定的剛度限值給出合格判定。

圖5 軟件程序主界面

3 試驗(yàn)情況

對(duì)某型號(hào)輪轂軸承單元進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)軸承外形結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示。

圖6 某型號(hào)輪轂軸承單元

試驗(yàn)條件為：輪轂軸承單元預(yù)緊力320 N，徑向載荷3 800 N,軸向力臂320 mm(輪胎半徑)，逐步施加軸向載荷至15 000 N，分段測(cè)試計(jì)算。

試驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試、計(jì)算出各相對(duì)傾斜角及力矩角剛度值，自動(dòng)生成并保存數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

從圖中可以看出，各相對(duì)傾角變化與所施加的載荷基本成線(xiàn)性關(guān)系，與理論設(shè)計(jì)相符。輪轂軸承單元在最小加載力矩600 N·m時(shí)角剛度值為271.6 kN·m/rad，在最大加載力矩4 800 N·m時(shí)角剛度值為527.2 kN·m/rad，平均角剛度值為445.1 kN·m/rad，滿(mǎn)足該型號(hào)軸承廠家規(guī)定的250～550 kN·m/rad力矩角剛度限值要求。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試運(yùn)行，試驗(yàn)機(jī)加載平穩(wěn)、工作可靠，載荷、位移等信號(hào)測(cè)試準(zhǔn)確，并能根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)直接計(jì)算出軸承力矩剛度值，測(cè)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相符，說(shuō)明試驗(yàn)機(jī)滿(mǎn)足汽車(chē)輪轂軸承單元的力矩剛性試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了汽車(chē)輪轂軸承單元力矩剛性試驗(yàn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)原理，并通過(guò)某型號(hào)輪轂軸承單元的裝機(jī)試驗(yàn)考核了試驗(yàn)機(jī)在穩(wěn)態(tài)加載下的信號(hào)測(cè)試能力及可靠性。試驗(yàn)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)合理，電氣測(cè)控系統(tǒng)原理正確、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行安全穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)界面清晰、操作方便、功能齊全?？蔀槠?chē)輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)及裝機(jī)使用提供真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以供參考。