淺談雙工位轎車輪轂軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文
1試驗(yàn)機(jī)簡介
轎車輪轂軸承的壽命和性能直接關(guān)系到轎車的安全性、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)性和舒適度,因此必須對其進(jìn)行多種工況的模擬試驗(yàn),轎車輪轂軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)主要用于第1代、第2代及第3代轎車輪轂軸承的工況模擬試驗(yàn),即在一定載荷下分別進(jìn)行高速性能試驗(yàn)、一般耐久性試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)和泥漿鹽水噴濺試驗(yàn)等,滿足了軸承企業(yè)對軸承不能隨車在道路上進(jìn)行試驗(yàn)的缺陷。目前所用試驗(yàn)機(jī)主要有2種,一種是早期設(shè)計(jì)的單工位輪轂軸承試驗(yàn)機(jī),其主要缺點(diǎn)為試驗(yàn)載荷小,效率低;另一種是雙工位輪轂軸承試驗(yàn)機(jī),其特點(diǎn)在于可同時(shí)對2套軸承進(jìn)行對比試驗(yàn),可進(jìn)行大載荷試驗(yàn)和超速性能試驗(yàn)。
2試驗(yàn)機(jī)原理
試驗(yàn)機(jī)屬于工況模擬試驗(yàn),對軸承進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),其環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)以及載荷大小和方向必須與轎車上所安裝軸承一致或相近。軸承壽命取決于試驗(yàn)載荷的大小,因此載荷的精確模擬對軸承的性能研究起著至關(guān)重要的作用。
2.1轎車的力學(xué)模型
轎車的懸架彈簧是典型的低剛度組件,輪胎和路面在轎車行駛過程中也會發(fā)生變形。一般車身結(jié)構(gòu)的固有頻率大多低于15Hz,因此車身運(yùn)動(dòng)基本上可以假定為簡單的剛體運(yùn)動(dòng)。此外,轎車前、后部分之間的相互影響很小,前、后部分質(zhì)量不存在明顯的耦合計(jì)算。
2.2轎車輪轂軸承的外部載荷
輪轂軸承的外部載荷是對其進(jìn)行受力分析、壽命計(jì)算和耐久性試驗(yàn)載荷譜設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。影響轎車輪轂軸承外部載荷的'情況非常復(fù)雜,包括路面狀況、車速、輪胎特性、行駛路線以及駕駛習(xí)慣等。輪轂軸承的外部載荷等價(jià)于輪胎載荷,即轎車行駛過程中路面對輪胎的作用力,通常包括徑向輪胎載荷和軸向輪胎載荷等。
轎車在高速直線行駛中,輪轂軸承受到的外力為地面的支反力(也稱徑向外力),該力的大小和輪軸的承重有關(guān),方向由地面垂直向上并通過軸承回轉(zhuǎn)中心,作用點(diǎn)為輪胎著地點(diǎn);轎車在彎道行駛中,輪轂軸承除受到上述地面支反力外,還受到物體作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的向心力的影響,該力的大小和向心力數(shù)值有關(guān),方向平行于軸線,指向彎道中心方向,作用點(diǎn)為輪胎著地點(diǎn)(也稱軸向外力)。
軸向外力通過輪胎半徑施加于輪轂軸承,產(chǎn)生很大的傾覆力矩,而徑向外力只是產(chǎn)生由于其偏距產(chǎn)生的彎矩,軸向外力和側(cè)向加速度有關(guān),而側(cè)向加速度是影響輪轂軸承壽命的決定性因素。由動(dòng)靜法分析,可以看出轎車轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎外力為徑向載荷Fz和軸向載荷Fy(正、反2個(gè)方向,對應(yīng)不同方向轉(zhuǎn)彎)。可以推出,作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),外側(cè)車輪受力大于內(nèi)側(cè)車輪。
2.3輪胎軸承組件受力分析
可以看出輪胎組件外力為Fz和Fy(正、反2個(gè)方向),此2個(gè)力為地面對輪胎作用力,輪胎要保持平衡,必然受到輪軸(或懸架)對輪胎組件的方向相反、大小相等且作用于同一點(diǎn)的另一對作用力,即徑向載荷F′z和軸向載荷F′y(正、反2個(gè)方向),輪胎組件重力及其本身離心力不計(jì)(該離心力通過軸心,對軸承壽命影響不大),轎車彎道行駛時(shí)產(chǎn)生的軸向載荷是影響軸承失效的關(guān)鍵因素(對轎車而言,徑向載荷F′z和軸向載荷F′y為內(nèi)力)。
3試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)
根據(jù)輪轂軸承在轎車上的工作原理,為提高試驗(yàn)效率,增加對比性,設(shè)計(jì)了雙工位轎車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)主體,主要由主體軸系、試驗(yàn)裝置(2套)、軸向油缸、徑向油缸(2個(gè))、機(jī)座等組成。試驗(yàn)主體軸系采用懸臂結(jié)構(gòu),試驗(yàn)軸承安裝在軸端位置,裝拆方便。軸向及徑向加載機(jī)構(gòu)有2個(gè)徑向加載油缸和1個(gè)軸向加載油缸,徑向加載油缸和軸向加載油缸相互垂直,在液壓力的作用下向2套試驗(yàn)軸承施加載荷,輪胎著地點(diǎn)為軸向油缸鉸支座中心,其軸向油缸中心到主軸中心的距離為轎車輪胎半徑,力臂上有刻度尺,可根據(jù)實(shí)際輪胎半徑的大小調(diào)整到對應(yīng)的刻度處。
目前,對輪轂軸承的試驗(yàn)加載力,國際上流行2種模式,一種為加載到旋轉(zhuǎn)的輪胎著地點(diǎn),即外力Fz和Fy(其反力為F′z和F′y),設(shè)備較復(fù)雜,工裝調(diào)整需要找正;另一種為輪軸(或懸架)對輪轂軸承組件的加載力作用于輪胎著地點(diǎn),即外力F′z和F′y(其反力為Fz和Fy),設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,輪轂軸承安裝方便,無需調(diào)整就可以同心。對輪轂軸承本身而言,這2種方案模式受力狀態(tài)完全等效。本試驗(yàn)機(jī)加載方式則屬于第2種情況,軸向力大小和方向隨載荷譜相應(yīng)變化,徑向油缸為單方向拉力,大小隨載荷譜相應(yīng)變化。根據(jù)力與力的作用相等原理,在試驗(yàn)的過程中,2套試驗(yàn)裝置的轉(zhuǎn)速與軸向力完全等效,當(dāng)在載荷譜中把徑向力也設(shè)為一致時(shí),2套試驗(yàn)軸承的工況完全相同,這在提高試驗(yàn)效率的同時(shí),還可以作對比試驗(yàn),如選用不同批次軸承或不同廠家軸承同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。通過對比性分析,可更好地找出軸承在材料與加工方面的缺陷或是設(shè)計(jì)中的不足,為軸承設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步提高軸承的質(zhì)量提供依據(jù)。
另外,試驗(yàn)機(jī)還配有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制與測試系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等,其主要技術(shù)參數(shù)為:
(1)試驗(yàn)軸承類型為轎車前、后輪轂軸承;
(2)試驗(yàn)軸承內(nèi)徑為30～60mm;
(3)最高轉(zhuǎn)速為3000r/min;
(4)最大試驗(yàn)載荷為軸向±15kN,徑向30kN;
(5)加載油缸行程為軸向±40mm,徑向40mm;
(6)最高加熱溫度為130℃;
(7)試驗(yàn)控制方式為手動(dòng)/自動(dòng);
(8)試驗(yàn)測試參數(shù)為轉(zhuǎn)速、載荷、溫度、振動(dòng)、電流、試驗(yàn)時(shí)間及循環(huán)次數(shù)等;
(9)供電電源為380V,50Hz,20kW。
4結(jié)束語
轎車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)通過模擬轎車的各種工況試驗(yàn),可檢測出輪轂軸承性能的不足與缺陷,進(jìn)一步提高軸承的質(zhì)量,為我國早日進(jìn)入中高檔轎車主機(jī)市場提供保障。
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