□ 王國(guó)輝 □ 雷良育,2 □ 荊家寶 □ 胡 峰

1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 浙江臨安 311300 2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司 杭州 311232

1 設(shè)計(jì)背景

汽車(chē)輪轂軸承為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)提供支承、固定,并承擔(dān)整輛車(chē)的重力。當(dāng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中,輪轂軸承會(huì)受到軸向、徑向兩種載荷,是非常重要的汽車(chē)安全件[1-2]。近年來(lái),我國(guó)輪轂軸承模擬測(cè)控技術(shù)取得了很大進(jìn)展,研究人員開(kāi)發(fā)出許多實(shí)用的軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)。這些模擬測(cè)控系統(tǒng)絕大部分用于轎車(chē)和輕型車(chē)輛輪轂軸承的模擬試驗(yàn),而用于載荷大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的重型卡車(chē)輪轂軸承的模擬測(cè)控系統(tǒng),還較為欠缺[3]。筆者針對(duì)重型卡車(chē)輪轂軸承試驗(yàn)的要求,通過(guò)對(duì)重型卡車(chē)或其它重型車(chē)輛輪轂軸承工作條件及現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行分析,逐步確定重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制要求,最終研制出一套滿(mǎn)足重型卡車(chē)輪轂軸承試驗(yàn)要求的輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

按照GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》[4],確定重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

(1) 試驗(yàn)軸承類(lèi)型:輪轂單元。

(2) 尺寸范圍:軸承內(nèi)徑60～120 mm、外徑100～250 mm,輪轂單元輪廓外徑不大于500 mm。

(3) 試驗(yàn)方式:內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)或外圈旋轉(zhuǎn)。

(4) 徑向載荷:最大200 kN,相對(duì)誤差±2%,載荷中心位置最大可調(diào)距離100 mm。

(5) 軸向載荷:最大±80 kN,相對(duì)誤差±2%,雙向加載,力臂350～600 mm。

(6) 主軸轉(zhuǎn)速:最高1 500 r/min,穩(wěn)態(tài)相對(duì)誤差±2%,無(wú)級(jí)可調(diào)。

(7) 潤(rùn)滑冷卻方式:試驗(yàn)軸承采用油潤(rùn)滑或脂潤(rùn)滑,外置風(fēng)冷;傳動(dòng)軸承采用油潤(rùn)滑,回路風(fēng)冷。

(8) 切換時(shí)間:載荷方向和大小變化時(shí),20 s內(nèi)完成切換至90%目標(biāo)載荷以上。

(9) 控制方式:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,可按試驗(yàn)條件設(shè)定試驗(yàn)參數(shù);自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并記錄保存,可以隨時(shí)調(diào)閱;當(dāng)參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)限值時(shí),可自動(dòng)停機(jī)。

(10) 最大功率:約25 kW。

3 工作原理

重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的工作過(guò)程為:系統(tǒng)啟動(dòng)后,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪軸按速度譜或車(chē)輛行駛工況旋轉(zhuǎn);飛輪軸通過(guò)花鍵連接,帶動(dòng)試驗(yàn)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng);通過(guò)控制比例減壓閥,經(jīng)加載套圈、加載套和加載軸承,將軸向、豎直徑向和水平徑向慣性載荷加載到試驗(yàn)單元上。

輪轂軸承的溫度由固定在試驗(yàn)軸承端面的溫度傳感器測(cè)出,取平均值。試驗(yàn)軸承上的載荷由壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量,并與比例減壓閥構(gòu)成載荷加載閉環(huán)系統(tǒng)。飛輪軸的轉(zhuǎn)速通過(guò)增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。模擬車(chē)輛制動(dòng)時(shí),通過(guò)人為方式或自動(dòng)控制方式推動(dòng)制動(dòng)踏步板,使制動(dòng)片和制動(dòng)鼓相互摩擦來(lái)制動(dòng)。制動(dòng)慣性由飛輪和電慣性模擬系統(tǒng)共同施加于試驗(yàn)軸承上。

輪轂軸承受到的摩擦力矩通過(guò)安裝在飛輪軸上的扭矩傳感器來(lái)測(cè)量。測(cè)量摩擦力矩時(shí),豎直載荷加載油缸動(dòng)作,從而帶動(dòng)車(chē)輪模擬件下行,通過(guò)滑輪拉動(dòng)安裝在輪轂導(dǎo)軌上的摩擦盤(pán)左行,緊靠加載套,實(shí)現(xiàn)加載套和輪轂一起轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),輪轂和加載套相當(dāng)于一個(gè)整體,測(cè)出的摩擦力矩是單純的輪轂軸承摩擦力矩。

重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)重型卡車(chē)行駛工況進(jìn)行模擬,利用速度控制系統(tǒng)、載荷加載系統(tǒng)和制動(dòng)模擬系統(tǒng)來(lái)測(cè)試重型卡車(chē)輪轂軸承的性能,并檢測(cè)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中重型卡車(chē)輪轂軸承相關(guān)參數(shù)的變化。通過(guò)分析溫度、載荷等參數(shù),可以對(duì)輪轂軸承的性能進(jìn)行考核。

根據(jù)重型卡車(chē)輪轂軸承的試驗(yàn)要求,模擬測(cè)控系統(tǒng)要能夠模擬驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn),以及驅(qū)動(dòng)軸承所受的軸向力和徑向力。為了模擬以上參數(shù),模擬測(cè)控系統(tǒng)需要設(shè)置電機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)等[5]。模擬測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在模擬測(cè)控系統(tǒng)中,可編程序控制器(PLC)接收工業(yè)控制計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制指令,經(jīng)過(guò)處理后將控制信號(hào)傳輸給電機(jī)控制系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)及潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng),調(diào)整各參數(shù)至軟件中預(yù)設(shè)的試驗(yàn)工況。模擬測(cè)控系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)編程控制,實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄保存。設(shè)備故障或軸承失效時(shí),工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到信號(hào),并自動(dòng)停機(jī)和報(bào)警,實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的智能化控制。模擬測(cè)控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

4 液壓加載系統(tǒng)

電液比例閥是一種新型液壓控制裝置,其控制原理如圖3所示。在控制時(shí),通過(guò)指令元件給定控制信號(hào),對(duì)控制信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較,得出偏差,作為電控器的輸入值。電控器輸出控制電子-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的信號(hào),這一信號(hào)經(jīng)過(guò)液壓放大元件,放大到足以驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載。其中,內(nèi)環(huán)反饋元件通常為電液比例閥內(nèi)部元件,用于改善電液比例閥的動(dòng)、靜態(tài)性能,外環(huán)反饋元件可用于提高整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。

圖2 輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)原理框圖

圖3 電液比例閥控制原理

電液比例控制的本質(zhì)是電子-液壓-機(jī)械放大轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與機(jī)械數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。電液比例控制與伺服控制相比,經(jīng)濟(jì)性更好,抗污染能力更強(qiáng);與開(kāi)關(guān)控制相比,控制精度更高,響應(yīng)速度更快。因?yàn)槭褂秒娍胤绞?所以系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制,足以滿(mǎn)足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的需求[6]。電液比例控制的特點(diǎn)如下:

(1) 可由程序控制,極大簡(jiǎn)化了液壓加載系統(tǒng)的構(gòu)造;

(2) 可通過(guò)改變輸入信號(hào),輸出指定規(guī)律的壓力與流量等參數(shù);

(3) 利用電信號(hào)進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;

(4) 利用反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié),可以保證控制的高精度。

在重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的液壓加載系統(tǒng)中,電液比例閥通過(guò)接收來(lái)自工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的信號(hào),控制閥體的減壓量,進(jìn)而控制徑向載荷和軸向載荷加載油缸的壓力,并通過(guò)力傳感器來(lái)反饋液壓缸對(duì)輪轂軸承所施加的載荷,構(gòu)成閉環(huán)控制,以提高系統(tǒng)的精度,改善動(dòng)、靜態(tài)特性。液壓加載系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 液壓加載系統(tǒng)原理

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》、HZF重型卡車(chē)輪轂軸承單元中間密封試驗(yàn)方案等,確定重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)所需測(cè)試記錄的傳感器數(shù)據(jù),包括軸承載荷、軸承溫度、主軸前端溫度、環(huán)境溫度、主軸后端溫度、軸承轉(zhuǎn)速、電流、當(dāng)前風(fēng)速、實(shí)時(shí)軸向載荷、實(shí)時(shí)徑向載荷、軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)。

5.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)的核心模塊,用以提供測(cè)試中所需的參數(shù),以及記錄測(cè)試中產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)[7-9]。在數(shù)據(jù)庫(kù)模塊中可實(shí)現(xiàn)參數(shù)保存、測(cè)試數(shù)據(jù)保存與處理、Excel測(cè)試報(bào)表生成、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊程序流程

5.3 控制模塊

控制模塊能夠按照設(shè)定的要求,對(duì)重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)各模塊進(jìn)行控制?？刂颇K程序流程如圖6所示[10]。

接收到測(cè)試開(kāi)始的信號(hào)后,控制模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)模塊與測(cè)控模塊中提取參數(shù),并進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)分析參數(shù),計(jì)算出調(diào)整值,并輸出至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓加載系統(tǒng)。在參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值后,保持至載荷譜加載完畢,再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中獲取下一載荷譜參數(shù),進(jìn)入下一循環(huán)。

圖6 控制模塊程序流程

5.4 軟件界面

重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)軟件界面如圖7所示。軟件界面主要包括以下內(nèi)容:① 圖表顯示區(qū)域,分為載荷、溫度、主軸電機(jī)、振動(dòng)圖表曲線(xiàn);② 試驗(yàn)內(nèi)容區(qū)域,區(qū)域名稱(chēng)、編號(hào)等需在參數(shù)設(shè)置界面輸入,輸入完畢保存后即可自動(dòng)生成到對(duì)應(yīng)的顯示框中;③ 采樣與運(yùn)行參數(shù)區(qū)域,采樣參數(shù)均為實(shí)時(shí)參數(shù),正常打開(kāi)測(cè)控軟件即可進(jìn)入采樣監(jiān)控狀態(tài);④ 驅(qū)動(dòng)啟停與運(yùn)行狀態(tài)區(qū)域;⑤ 主控區(qū)域,設(shè)置參數(shù)及啟動(dòng)各必要驅(qū)動(dòng)項(xiàng)后,點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕,系統(tǒng)啟動(dòng),按照設(shè)置程序進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

6 測(cè)試結(jié)果分析

完成重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,還需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。筆者通過(guò)對(duì)重型卡車(chē)RX16090006輪轂軸承單元進(jìn)行耐久性測(cè)試,反映這一模擬測(cè)控系統(tǒng)是否可行與準(zhǔn)確。設(shè)置工作轉(zhuǎn)速為800 r/min,選滾動(dòng)半徑為556 mm的樣品在固定載荷下連續(xù)運(yùn)行一個(gè)壽命周期,即137 h,未失效。繼續(xù)運(yùn)行五個(gè)壽命周期,輪轂軸承樣品運(yùn)行狀態(tài)良好。在徑向力為36.67 kN,軸向力為9.17 kN時(shí),依照HZF重型卡車(chē)輪轂軸承單元中間密封試驗(yàn)方案,輪轂軸承溫度不高于100 ℃為正常。參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的振動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn),為保護(hù)人們的聽(tīng)力和身體健康,保障交流和通信聯(lián)絡(luò),環(huán)境噪聲的最高允許值為60 dB。由系統(tǒng)軟件生成軸承溫度曲線(xiàn),如圖8所示。測(cè)試過(guò)程中振動(dòng)噪聲曲線(xiàn)如圖9所示。

圖9 振動(dòng)噪聲曲線(xiàn)

根據(jù)JB/T 8571—2008《滾動(dòng)軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗(yàn)規(guī)程》,軸承的溫升不超過(guò)環(huán)境溫度55 ℃,且最高溫度不得高于80 ℃,主軸溫度不得高于60 ℃。根據(jù)HZF重型卡車(chē)輪轂軸承單元試驗(yàn)方案,可施加徑向載荷最大為200 kN,軸向載荷范圍為-80～80 kN,軸向和徑向振動(dòng)在2.0 mm/s以下,且傳動(dòng)軸振動(dòng)在2.5 mm/s以下為正常。

按照設(shè)定的參數(shù)類(lèi)型,利用模擬測(cè)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試和采集,測(cè)得的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

所得測(cè)試結(jié)果與實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果均在正常范圍內(nèi),且真實(shí)可靠。從試驗(yàn)曲線(xiàn)看,軸承溫度范圍為70～80 ℃,振動(dòng)噪聲在45 dB以下。重型卡車(chē)輪轂軸承在一個(gè)壽命周期內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn),沒(méi)有發(fā)生任何失效。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證確認(rèn),模擬測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,可用于重型卡車(chē)輪轂軸承的實(shí)際檢測(cè)。

表1 測(cè)試結(jié)果

7 結(jié)束語(yǔ)

輪轂軸承是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要承載部件,輪轂軸承的性能及可靠性制約著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展。相較于普通汽車(chē),重型卡車(chē)的載重能力與壽命更加依賴(lài)于輪轂軸承的性能參數(shù)。因此,研究與開(kāi)發(fā)重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng),是提高重型卡車(chē)輪轂軸承性能與可靠性的關(guān)鍵。筆者設(shè)計(jì)了重型卡車(chē)輪轂軸承模擬測(cè)控系統(tǒng),并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。這一模擬測(cè)控系統(tǒng)可用于對(duì)重型卡車(chē)輪轂軸承進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。