轎車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的研制

1、轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系 （ 47100）王紅霞 林士蘭 洛陽(yáng)軸承研究所（471039）張金煥摘 要：文章根據(jù)轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了模擬試驗(yàn)機(jī)各部分的組成及工作原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠，為轎車軸承模擬性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步提供了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：轎車軸承 模擬 試驗(yàn)機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、概述軸承的性能和質(zhì)量對(duì)轎車的性能和行駛安全起著關(guān)鍵的作用。2006年我國(guó)轎車年產(chǎn)量為387萬(wàn)輛，比上年增長(zhǎng)39.7%，僅輪轂軸承就達(dá)到2000余萬(wàn)套，轎車工業(yè)的發(fā)展對(duì)配套軸承的性能和質(zhì)量都有提出了更高的更求。然而，與轎車

2、生產(chǎn)行業(yè)的快速發(fā)展相比，我國(guó)轎車軸承行業(yè)缺乏相應(yīng)的關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備，不能對(duì)轎車軸承進(jìn)行模擬性能試驗(yàn)，在轎車軸承的研發(fā)生產(chǎn)上缺少一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)轎車軸承試驗(yàn)機(jī)大多都是企業(yè)根據(jù)各自特定產(chǎn)品自行研制的，其加載形式落后，監(jiān)測(cè)、控制手段簡(jiǎn)單，測(cè)量、讀數(shù)、記錄等手工操作誤差大，技術(shù)參數(shù)范圍狹窄，功能單一，且僅限于特定試驗(yàn)軸承，不能對(duì)轎車軸承進(jìn)行模擬性能試驗(yàn)，因而不能全面正確評(píng)估和控制轎車軸承的質(zhì)量。采用模擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)轎車軸承產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)是我國(guó)轎車軸承行業(yè)試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的方向。轎車輪轂軸承、離合器分離軸承、發(fā)電機(jī)軸承是轎車軸承的代表，我們與洛陽(yáng)軸承研究所聯(lián)合相繼研制開(kāi)發(fā)了轎車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)、輪轂

3、軸承壽命試驗(yàn)機(jī)、汽車發(fā)電機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)及離合器分離軸承模擬試驗(yàn)機(jī)四種類型的轎車軸承試驗(yàn)機(jī)，提高了轎車軸承試驗(yàn)機(jī)的性能，拓展了試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用范圍，為轎車軸承技術(shù)發(fā)展、改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了條件。二、轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)組成1轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)原理轎車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)、輪轂軸承壽命試驗(yàn)機(jī)、汽車發(fā)電機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)及離合器分離軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)根據(jù)試驗(yàn)性能要求設(shè)計(jì)，下面簡(jiǎn)要介紹離合器分離軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)原理。在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱輸入軸間有一套膜片彈簧離合器，通過(guò)一套分離軸承使離合器離合。在該結(jié)構(gòu)中，分離軸承在一個(gè)導(dǎo)套上進(jìn)行定心引導(dǎo)，導(dǎo)套套在變速箱輸入軸的外面并用法蘭連接在變速箱箱體壁上。離

4、合器的分離裝置在膜片彈簧離合器中，膜片彈簧既作為壓緊彈簧使用，又作為分離桿使用。當(dāng)分離軸承推動(dòng)膜片彈簧時(shí)，膜片彈簧通過(guò)支點(diǎn)將壓盤收起，使磨擦片與飛輪、壓盤分離。在該結(jié)構(gòu)中，分離軸承主要承受軸向載荷和軸向沖擊載荷。試驗(yàn)機(jī)的模擬離合器參照汽車離合器的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)，如圖1所示。模擬離合器由飛輪、離合器壓盤總成構(gòu)成，模擬離合器安裝在試驗(yàn)機(jī)主軸的懸伸端，由主軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)不同型號(hào)分離軸承簡(jiǎn)單更換飛輪、離合器壓盤總成即可。分離軸承的加載及軸向移動(dòng)由油缸推動(dòng)杠桿模擬離合器分離桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，分離軸承的軸向預(yù)緊力根據(jù)軸承不同型號(hào)調(diào)整預(yù)緊彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)模擬了汽車離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，簡(jiǎn)化了一些不必要的零件，大大

5、減少離合器的故障率，提高了試驗(yàn)的可靠性。試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由智能變頻器、交流電機(jī)組成，通過(guò)一級(jí)同步帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)模擬離合器旋轉(zhuǎn)，由模擬離合器膜片彈簧驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)軸承內(nèi)圈（或外圈）旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)調(diào)速，試驗(yàn)機(jī)最高轉(zhuǎn)速10000rpm。離合器模擬試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。圖1 離合器模擬試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖2 離合器模擬試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)外觀圖2轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成轎車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)、輪轂軸承壽命試驗(yàn)機(jī)、汽車發(fā)電機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)及離合器分離軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)組成基本相同，主要由試驗(yàn)機(jī)主體、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣測(cè)控系統(tǒng)等五個(gè)部分，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖3 轎車軸承模擬試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)框圖為

6、了使試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)，使試驗(yàn)運(yùn)行準(zhǔn)確、可靠，模擬試驗(yàn)機(jī)配備了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由主機(jī)、顯示屏、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、輸出板、輸入板，adan45（rs232轉(zhuǎn)rs485）模塊組成。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、軸向載荷、徑向載荷、溫度四個(gè)參數(shù)的自動(dòng)控制，對(duì)5個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行定時(shí)存儲(chǔ)、打印和顯示，對(duì)其中的4個(gè)參數(shù)可設(shè)定警戒值進(jìn)行超值報(bào)警停機(jī)和故障原因打印，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中變頻器驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)出現(xiàn)的異常信號(hào)也可通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示、報(bào)警并進(jìn)行原因打印。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。 圖4 模擬試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)示意圖控制軟件以borland c+builder為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)，界面友好，軟件系統(tǒng)設(shè)有圖譜跟

7、蹤、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警等系統(tǒng)，功能完備，用戶還可自行編譜進(jìn)行試驗(yàn)。程序框圖如圖5所示。圖5 程序框圖三、模擬試驗(yàn)機(jī)電氣測(cè)控系統(tǒng)1電液比例加載系統(tǒng)轎車模擬試驗(yàn)機(jī)采用電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)軸承施加載荷，采用了電液減壓閥及放大器作為力控制元件，油缸作為力的執(zhí)行元件，高精度力傳感器輸出力的反饋信號(hào)，通過(guò)高精度的pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)載荷的自動(dòng)控制。加載系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、工作性能穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。電液比例加載系統(tǒng)是一個(gè)完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)由微機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令信號(hào)，通過(guò)da轉(zhuǎn)換，由放大器驅(qū)動(dòng)電液比例閥，使其輸出相應(yīng)的壓力，再驅(qū)動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)載荷的控制。通過(guò)力傳感器反饋，由pid

8、對(duì)給定信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)、修正。該系統(tǒng)軸向最大載荷15kn。 圖6 試驗(yàn)系統(tǒng)加載原理圖2轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是由vfd-a05543b智能型變頻器和一臺(tái)4kw的交流電機(jī)組成的。該系統(tǒng)所選用的變頻器采用微機(jī)控制技術(shù)，可高速切換逆變器igbt具有多項(xiàng)自動(dòng)保護(hù)功能，可自測(cè)電流、電壓與頻率，除可用手動(dòng)設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)方式外，還可通過(guò)rs-485串行通訊口與計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)進(jìn)行控制。 3溫度控制系統(tǒng) 試驗(yàn)軸承加熱方式采用srm高功率密度電熱元件置入試驗(yàn)軸承外襯套，直接對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行加熱。溫控電路采用電壓調(diào)整器控制雙向可控硅的導(dǎo)通角來(lái)改變加熱器電流的大小，加熱元件選用srm7、1-1型指狀加熱棒?？刂?/p>

9、加熱電流的大小有手動(dòng)、自動(dòng)兩種。 4試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng) 當(dāng)試驗(yàn)機(jī)使用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)后，如何把試驗(yàn)參數(shù)的非電量信號(hào)精確地測(cè)試出來(lái)，采用何種方法把它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)需要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是本試驗(yàn)機(jī)電氣設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。為了達(dá)到測(cè)試精確，數(shù)據(jù)可靠的目的，通過(guò)對(duì)不同的試驗(yàn)參數(shù)測(cè)量分析，分別選用了不同的測(cè)試方法。 溫度測(cè)量。試驗(yàn)機(jī)需對(duì)被試軸承進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)溫采用半導(dǎo)體硅pn結(jié)溫度傳感器，其屬于電壓型半導(dǎo)體感溫元件。在pn結(jié)的正向工作條件下加入一恒流源，利用pn結(jié)正向壓降隨溫度的變化規(guī)律達(dá)到測(cè)溫之目的。 載荷測(cè)試。試驗(yàn)軸承的受里測(cè)試選用的是blr-42型拉壓式負(fù)荷傳感器，該傳感器采用s型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，輸

10、出對(duì)稱性好，其作用部件是高精度的電阻應(yīng)變片和敏感元件彈性體，通過(guò)專用工藝將電阻應(yīng)變片粘貼到彈性體上，并接成惠斯登電橋形式，當(dāng)它承受載荷時(shí)，能將力的變化按比例關(guān)系轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，通過(guò)測(cè)量輸出電壓達(dá)到測(cè)力的目的。測(cè)量范圍在0-1.5t，滿量程輸出0-5v。 振動(dòng)測(cè)量。對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行定性失效監(jiān)控是本課在借鑒國(guó)內(nèi)外滾動(dòng)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)技術(shù)所做的進(jìn)一步探討和研究。在該試驗(yàn)機(jī)上對(duì)振動(dòng)的測(cè)量手段是通過(guò)在試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)處安裝一型號(hào)td-3的加速度機(jī)，拾取振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)hd-7型電荷放大器將信號(hào)放大后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)按照數(shù)字模式進(jìn)行處理后，反映出試驗(yàn)軸承振動(dòng)值大小。以次對(duì)試驗(yàn)軸承是

11、否失效進(jìn)行定性監(jiān)測(cè)。四、結(jié)論轎車模擬試驗(yàn)機(jī)綜合應(yīng)用了機(jī)、電、液一體化的技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)轎車軸承工況的真實(shí)模擬，同時(shí)大范圍拓展了試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用范圍，首次實(shí)現(xiàn)了轎車軸承試驗(yàn)機(jī)的通用性；加載系統(tǒng)采用電液比例加載，通過(guò)高精度的pid調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成一個(gè)完善的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)載荷的自動(dòng)、精確控制，加載精度±3；試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了速度、載荷、溫度等主參數(shù)的自動(dòng)控制，具有對(duì)測(cè)量參數(shù)的自動(dòng)采集、顯示、記錄、打印、圖譜跟蹤以及異常情況自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)等功能，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程的無(wú)人操作；開(kāi)展了富康轎車前輪轂軸承及桑車后輪轂軸承模擬試驗(yàn)等大量的試驗(yàn)及研究，探索了轎車軸承的試驗(yàn)方法。目前，lgm1545轎車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)已被推廣應(yīng)用到國(guó)家軸承質(zhì)量檢測(cè)中心、萬(wàn)向集團(tuán)、洛陽(yáng)