汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)【汽車輪轂軸承試驗(yàn)臺】

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因此，探究汽車輪轂軸承關(guān)鍵力學(xué)性能分析及試驗(yàn)方法研究工作對我國轎車輪轂軸承等關(guān)鍵汽車零部件開發(fā)有重要的研究意義和工程應(yīng)用意義。本文主要從軸承的抗彎性能、噴淋密封性能、耐腐蝕性能、疲勞壽命性能等角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了汽車輪轂軸承的性能測試的專用試驗(yàn)臺。 （a）汽車輪轂軸承實(shí)物圖 （b）驅(qū)動(dòng)輪輪轂軸承 （b）從動(dòng)輪輪轂軸承 圖1-1 汽車輪轂軸承 1.2 汽車輪轂的軸承的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 汽車車輪輪轂軸承一般是一種雙列角接觸球軸承，一套軸承即可實(shí)現(xiàn)輪轂的雙向定位要求，且軸向徑向剛度均較高，是一種技術(shù)含量高附加值高的軸承產(chǎn)品。 汽車輪轂軸承的最早應(yīng)用可追溯到1936年的雪鐵龍轎車。SKF研制成功的四門轎車1ICV驅(qū)動(dòng)前輪是目前輪轂軸承單元的始祖。在那時(shí)，對于大多數(shù)驅(qū)動(dòng)前輪來說，仍需常調(diào)整軸承的間隙。隨著前置前驅(qū)動(dòng)(FF化)轎車的飛速發(fā)展，輪轂軸承發(fā)生了很大的變化。以往每一個(gè)車輪都使用兩套圓錐滾子軸承或兩套向心球軸承，現(xiàn)在則都單元化了，以整體組裝形式使用，并且輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)形式也向多樣化發(fā)展(如圖1-2轎車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)演化)。目前使用的輪轂軸承單元，根據(jù)現(xiàn)在正使用的結(jié)構(gòu)型式和變化分成三代，分別稱為第一代、第二代以及第三代。以及正在研發(fā)的第四代和第五代。 第一代輪轂軸承是雙列角接觸球軸承，采用整體外圈、兩個(gè)內(nèi)圈、尼龍保持架及橡膠密封圈，軸承內(nèi)部填充了潤滑脂。軸承游隙已在軸承裝配時(shí)預(yù)調(diào)，安裝時(shí)勿需進(jìn)行游隙調(diào)整。軸承外圈與輪轂采用緊配合，由止動(dòng)環(huán)、擋邊或螺母作軸向定位：內(nèi)圈與軸套采用輕推配合，由萬向節(jié)尾部的螺母軸向定位、預(yù)填潤滑脂、帶密封的普通型軸承。這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是可靠、有效載荷間距短、易安裝、無需調(diào)整、結(jié)構(gòu)緊湊等。 第二代輪轂軸承是將與軸承相配合的零件即輪轂或轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承套圈制成一體的結(jié)構(gòu)型式，簡化了輪轂總成的結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量．降低安裝費(fèi)用及加工費(fèi)用等比起第一代則是更加輕量化、小型化。到上世紀(jì)80年代，第一、二代輪轂軸承在歐洲、美國、日本已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)膶?shí)用化階段。目前，我國引進(jìn)車型大多采用上述兩種軸承單元。 第三代輪轂軸承即是把與軸承相配合的零件即輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承套圈制成整體化的型式，在輕量化、可靠性、剛性以及安裝使用方面比第一、二代輪轂軸承具有顯著優(yōu)越性。目前，第三代輪轂軸承在歐美也已經(jīng)逐漸實(shí)用化，同時(shí)，它還可以應(yīng)用于非驅(qū)動(dòng)輪。 圖1-2轎車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)演化 第四代輪轂軸承是把等速萬向節(jié)(CVJ)與軸承做成整體化，這種型式引人目的是廢除了輪轂花鍵軸，更加小型化以及使之安裝更加合理的結(jié)構(gòu)。這樣，軸承制造商可以把變速箱側(cè)的等速萬向節(jié)一起安裝好供貨，大大地減少了裝配工時(shí)，其距離實(shí)用化已經(jīng)不遠(yuǎn)。 第五代輪轂軸承正在形成。其核心是在輪轂軸承中集成防抱死系統(tǒng)(ABS)信號發(fā)生器。傳感器和脈沖輪均集成在軸承單元內(nèi)部，將ABS傳感器設(shè)置在軸承單元左側(cè)，與壓入外套左側(cè)的脈沖輪徑向相對。軸承內(nèi)套中部有一通孔，用以引入集成傳感器的電纜。 如前所述，轎車輪轂軸承作為轎車承重和傳導(dǎo)的非常重要的安全部件，正在向集成化、高可靠性、高性能、低成本方向發(fā)展?？傮w來說，對汽車輪轂軸承的要求大致如下： ①易于安裝，不需要調(diào)整軸承組裝間隙。 ②高可靠性壽命，追求與整車等壽命，壽命目標(biāo)要求在15萬公里以上，甚至要求達(dá)到30萬公里。 ③輕量化和小型化，而且軸承的載荷容量大。 ④預(yù)注高性能潤滑脂，終生潤滑，免維護(hù)。 ⑤減少零件數(shù)，降低整體成本。 當(dāng)輪轂軸承軸向?qū)挾扰c徑向橫截面高度安裝空間比率小于2.5時(shí)，幾乎總是選擇雙列角接觸球軸承，其優(yōu)點(diǎn)如下： (1)軸向上要求空間小，跨距大，因此，由于接觸角大而具有高轉(zhuǎn)矩載荷能力 (2)軸承的總重量小 (3)適用于軸承單元集成化，與圓錐滾子軸承相比，其法蘭可更容易集成化，尤其是內(nèi)圈。 1.3汽車輪轂軸承檢測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況 早在20世紀(jì)初人們就開始使用各種手段對軸承進(jìn)行檢測,按照檢測方式不同可以分為:人手感覺檢測、擴(kuò)音器聽聲檢測、傳統(tǒng)的電子儀器儀表檢測及近代的基于PC機(jī)的虛擬儀器檢測。 為適應(yīng)汽車工業(yè)的發(fā)展需要，國外很早就開展了汽車輪轂軸承性能試驗(yàn)，在性能試驗(yàn)方法的研究和試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)方面都比較領(lǐng)先，許多核心技術(shù)被一些專業(yè)生產(chǎn)軸承的跨國公司所掌握，如NTN、SKF、SNR、TIMKEN、NSK、雷諾公司KOYO等這些世界著名的軸承生產(chǎn)商。從軸承儀器儀表的發(fā)展預(yù)測來看，世界精密制造技術(shù)的快速發(fā)展和提高的產(chǎn)品，產(chǎn)品的檢測和控制技術(shù)的準(zhǔn)確性也得到長足的發(fā)展，并呈現(xiàn)多態(tài)性和超高精度的特點(diǎn)。納米制造納米來衡量，從智能儀器。國內(nèi)軸承行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，測試和測試技術(shù)逐漸在許多方面與世界的虛擬儀器，并制定了一系列適當(dāng)?shù)臈l件和國家標(biāo)準(zhǔn)方面的測試儀器和測試設(shè)備。中國正在逐步成為世界的產(chǎn)品制造中心，國外的先進(jìn)制速度最快的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，使用最新的設(shè)備，目前在國內(nèi)由我首創(chuàng)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，接近國際先進(jìn)水平。儀器具有多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，與國外有價(jià)格優(yōu)勢。廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將大大提高軸承的質(zhì)量水平，提高企業(yè)的競爭力。 可應(yīng)用于軸承的檢測的圖像處理技術(shù)。利用圖像處理技術(shù)的檢測軸承表面質(zhì)量的研究應(yīng)包含多種不同可能出現(xiàn)的問題，如裂紋，點(diǎn)蝕，剝離，腐蝕，燒附，耐熱變色。第一軸承的軸承表面缺陷檢測的標(biāo)記文本，而不臉圖像采集，分工端蓋，然后缺陷圖像分割和邊緣提取，以及最終將它的缺陷分析。模式識別軸承檢測中也占有一定的地位。模式識別是自動(dòng)化技術(shù)的研究，依靠這種技術(shù)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)（或盡可能少，盡可能干擾）被分配到各自的識別模式模式類去。模式識別應(yīng)用于機(jī)械，可滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求進(jìn)行測試，如測量零件尺寸的缺陷檢測的零部件，零部件裝配，零件識別?；谀Ｊ阶R別軸承在線檢測系統(tǒng)使用模式識別理論對待檢軸承的實(shí)時(shí)在線檢測，最終判決確定的檢測水平的軸承。該系統(tǒng)的測試，而不是做軸承，更大的市場前景以及測試技術(shù)日益沖擊著國內(nèi)的軸承行業(yè)。 荷蘭著名的軸承制造商SKF公司開發(fā)的輪轂軸承性能試驗(yàn)設(shè)備，由于采用了先進(jìn)的技術(shù)，在軸承行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。SKF軸承公司最早開發(fā)的A字形試驗(yàn)機(jī)可施加周期性動(dòng)態(tài)循環(huán)載荷，專用于轎車輪轂軸承的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)運(yùn)用實(shí)際轎車裝置系統(tǒng)來模擬輪轂軸承的實(shí)際工況，在忽略輪胎剎車和加速時(shí)的載荷情況下，通過在輪胎邊緣周期性的動(dòng)態(tài)施加一徑向和軸向輪胎載荷的方式來模擬輪轂軸承受到的交變動(dòng)態(tài)外部載倚，還模擬了力矩載荷，其產(chǎn)生原因是由于實(shí)際轎車輪轂軸承的中心線與輪胎中心線一般都會(huì)有偏胃，從而使輪胎徑向力相對輪轂軸承中心線產(chǎn)生一定的力矩．力矩載荷作用提高轎車的轉(zhuǎn)彎性能，該力矩載荷會(huì)改變軸承的受力情況，對輪轂軸承的壽命有比較大的影響。 美國英斯特朗公司開發(fā)的輪轂軸承試驗(yàn)臺，它采用實(shí)際轎車裝置系統(tǒng)以模擬汽車輪轂軸承的環(huán)境條件。試驗(yàn)由轎車剎車裝置、輪轂軸承及輪胎組成，可對四種負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行模擬，包括汽車行駛過程地面對輪胎的徑向作剛力、汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)的軸向作用力、汽車加速引起的圓周力和剎車時(shí)的制動(dòng)力。它將這四種負(fù)荷其同靜止作用于轎車軸內(nèi)側(cè)，并周期性的施加動(dòng)態(tài)循環(huán)載荷，進(jìn)行輪轂軸承試驗(yàn)，使整個(gè)試驗(yàn)接近真實(shí)工況。 圖1-3美國英斯特朗公司開發(fā)的輪轂軸承試驗(yàn)臺 由于應(yīng)用的技術(shù)差距和國外，目前國內(nèi)的軸承檢測設(shè)備仍然是相同的，與國外先進(jìn)企業(yè)還有很大的差距。為了滿足軸承行業(yè)的需求，舉止儀表，以跟蹤世界先進(jìn)水平，開發(fā)新的工具，改變過去，只有高精度的檢測儀器或設(shè)備從國外進(jìn)口的局面。我們需要在各方面加以改進(jìn)和某些領(lǐng)域的特殊的突破。 1.4 本課題的主要研究內(nèi)容和要求 1.設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺應(yīng)滿足汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)要求，符合經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則； ⒉要求采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測試與控制； ⒊按試驗(yàn)規(guī)范的要求驅(qū)動(dòng)裝置的速度應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)；加載轉(zhuǎn)矩應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)； ⒋試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理有較高的精度：<2%； ⒌試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)能作相應(yīng)的分析、處理、打??； 第二章 汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺的總體方案設(shè)計(jì) 2.1汽車輪轂軸承的概述 本文中，主要試驗(yàn)的汽車輪轂軸承型號為DAC35065035.該軸承主要用于雷諾、Chrysrle等車型。 圖2-1 DAC型汽車輪轂軸承 根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可知汽車軸承輪轂軸承,DAC表示雙列角接觸球軸承輪轂軸承單元，內(nèi)徑為35mm,外徑為65mm,寬度為37mm. 2.2 設(shè)計(jì)要求 隨著國內(nèi)外汽車市場的不斷擴(kuò)大，汽車輪轂軸承的市場需求量也越來越大。為了更好地滿足汽車軸承用戶的需要，汽車輪轂軸承的種類和結(jié)構(gòu)也越來越多。同時(shí)對軸承的使用壽命和可靠性也提出了更高的要求。隱藏對汽車輪轂軸承專用試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求也在不斷提高。目前，普遍采用試驗(yàn)主軸一端連接被測輪轂軸承，另一端連接傳動(dòng)電機(jī)，被測輪轂軸承連接徑向和軸向載荷機(jī)構(gòu)。而目前，軸承性能參數(shù)測試的要求越來越高，對一機(jī)實(shí)現(xiàn)多用的要求也越來越高，包括密封性、耐腐蝕性、疲勞性能的測試等。 在本文設(shè)計(jì)中，要求驅(qū)動(dòng)裝置的速度應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)，加載轉(zhuǎn)矩應(yīng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)；所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺應(yīng)滿足汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)要求，且符合經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則。 2.3總體方案設(shè)計(jì) 本文中汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺的總體方案設(shè)計(jì)如下：該試驗(yàn)臺能夠試驗(yàn)多功能試驗(yàn)，主要包括抗彎性能試驗(yàn)、噴淋密封性能試驗(yàn)、耐腐蝕性能試驗(yàn)、疲勞壽命性能試驗(yàn)等。 該試驗(yàn)臺設(shè)備主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)體主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、徑向加載油缸、徑向加載機(jī)構(gòu)、加載工裝、噴淋、加熱防護(hù)罩、軸向加載機(jī)構(gòu)、軸向加載油缸、軸向加載油缸底座等構(gòu)成，主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)體上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主軸旋轉(zhuǎn)，主軸上裝有拆卸套和被試驗(yàn)的軸承，拆卸套的端面靠緊主軸軸肩，被試驗(yàn)的軸承通過隔圈和鎖緊螺母固定，軸套套裝在被試驗(yàn)軸承外圈上，軸承套端面與加載工裝直角彎板固聯(lián)，加載工裝安裝在主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸前端；加載工裝直角彎板通過鉸接副與軸向加載油缸連接，并通過滑動(dòng)胡與徑向加載油缸相連。徑向加載機(jī)構(gòu)與徑向加載油缸；軸向加載機(jī)構(gòu)與軸向加載油缸連接，徑向載荷和軸向載荷通過加載工裝直角彎板作用到被試驗(yàn)軸承上，噴淋、加熱防護(hù)罩罩在加載工作上，試驗(yàn)軸承位于其內(nèi)。從而對不同工況下的試驗(yàn)軸承進(jìn)行加載，以及噴淋等，來對汽車輪轂軸承的性能進(jìn)行測試試驗(yàn)。 本文中，軸向加載機(jī)構(gòu)和徑向加載機(jī)構(gòu)均采用高壓液壓系統(tǒng)，并通過電磁比例閥控制軸向和徑向加載壓力,加載速度，通過主軸旋轉(zhuǎn)來控制載荷轉(zhuǎn)矩的施加等。同時(shí)，在罩上噴淋、加熱防護(hù)罩后，在罩上的接頭處接通含細(xì)砂的泥水或鹽水，可以對輪轂軸承的密封及耐腐蝕性能進(jìn)行測試。通過通風(fēng)口吹入熱空氣，形成局部高溫環(huán)境，可進(jìn)行輪轂軸承熱環(huán)境疲勞試驗(yàn)。以及正常環(huán)境下的彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。 圖2-1 汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺的總體方案設(shè)計(jì) 1-驅(qū)動(dòng)電機(jī),2-機(jī)體，3-主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，4-徑向加載油缸，5-徑向加載機(jī)構(gòu)，6-加載工裝，7-噴淋，加熱防護(hù)罩，8-軸向加載機(jī)構(gòu)，9-軸向加載油缸，10-軸向加載油缸底座， 11-拆卸套，12-試驗(yàn)軸承，13-軸承套 本文設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，該汽車軸承輪轂試驗(yàn)臺可進(jìn)行彎曲耐久試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)、耐腐蝕性能試驗(yàn)、耐腐蝕性能試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)等。從而對軸承產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，加速新產(chǎn)品開發(fā)等都起到了積極的促進(jìn)、保障作用。通過汽車輪轂軸承進(jìn)行全面的綜合性能。及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)或制造中存在的問題，從而有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。 第三章 汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 驅(qū)動(dòng)的選擇 軸承試驗(yàn)臺的驅(qū)動(dòng)一般包括一下幾種： （1）三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 由電機(jī)、變頻器、同步帶和傳動(dòng)組件組成，電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在 10000 轉(zhuǎn)/分以內(nèi)，開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速精度在2%以內(nèi)，調(diào)速范圍為1:10。 由于電機(jī)調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)的調(diào)速方式為恒功率調(diào)速，要使電機(jī)適用于試驗(yàn)機(jī)的調(diào)速方式，還需采用其他措施，提高電機(jī)功率或更換皮帶輪。 （2）電主軸直接驅(qū)動(dòng) 當(dāng)軸承試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求更高，超過 10000 轉(zhuǎn)/分速時(shí)， 則采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)由電主軸、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器、潤滑冷卻器組成。轉(zhuǎn)速一般在 10000-100000 轉(zhuǎn)/分，考慮到轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速精度 0.5%，調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，達(dá)到 1:20。 （3）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 當(dāng)試驗(yàn)軸承的調(diào)速范圍要求很高時(shí)即超過 1:50 時(shí)，要采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器組成；調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速控制精度高，達(dá)到 0.05%，成本也較高，最高轉(zhuǎn)速為 10000 轉(zhuǎn)。一般用于特殊場合。 根據(jù)汽車輪轂軸承模擬試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，模擬汽車的運(yùn)行方式及安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)軸承內(nèi)徑尺寸Φ15—45 和Φ30—70 兩種型號， 可試驗(yàn)一代、 二代、 三代汽車輪轂軸承、等。試驗(yàn)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分和1500 轉(zhuǎn)/分，載荷最大20kN 和50kN. 本文中，選用三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有高效、節(jié)能、震動(dòng)小、可靠性高等特點(diǎn)。根據(jù)軸承的內(nèi)徑，可選擇試驗(yàn)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2500r/min,載荷為20kN. 根據(jù)計(jì)算公式： 有效功 電機(jī)的額定功率 本文中，選擇三相異步電動(dòng)機(jī)的型號為Y-225M-2,其額定功率為45kW,滿載轉(zhuǎn)速為2970r/min,采用恒功率調(diào)速。 3.2 帶的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 帶傳動(dòng)是靠張緊在帶輪上的撓性元件——帶傳動(dòng)遠(yuǎn)東和動(dòng)力的一種形式，帶傳動(dòng)是一種結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、能緩和沖擊、能實(shí)現(xiàn)兩軸距離較遠(yuǎn)的傳動(dòng)。本文中，由于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為2970r/min與軸承試驗(yàn)機(jī)所需的最高轉(zhuǎn)速2500r/min差距不大。因此，在本文中，所設(shè)計(jì)的傳送帶采用的傳動(dòng)比大小為1. （1） 確定功率 取工作情況系數(shù)=1.1 ==1.1×45KW=49.5KW （2）選取普通V型帶 根據(jù)=275KW和=2500r/min，確定為B型。 (3) 傳動(dòng)比=1.0 （4） 大、小帶輪基準(zhǔn)直徑 考慮結(jié)構(gòu)緊湊，取=200mm （5）驗(yàn)算帶速= （6）初定中心距 選取=435mm 滿足條件。 （7）計(jì)算帶的長度 = 選取節(jié)線長度的V帶。 實(shí)際中心距a （8）帶輪包角 =180°-57.3°=180°>120° （9）單根V帶的額定功率p 根據(jù)帶型及轉(zhuǎn)速查得功率為7.2 kW （10）單根V帶的額定功率增量△p 因?yàn)閭鲃?dòng)比等于1,所以根據(jù)帶型、轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比查得△p=0 （11）帶的根數(shù)Z= 包角修正系數(shù)=0.98 帶長修正系數(shù)=1.03 Z=6.8根，取Z=8. （12）單根V帶的初張緊立F 其中m為單位長度質(zhì)量(kg/m)得m=0.06kg/m, F0=225N （13）有效圓周力F F==1897 N （14）作用在軸上的力F F=2FZsin （15）所用規(guī)格B﹣160×8 第四章 汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 加載的選擇 載荷是試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)主要指標(biāo)，其加載精度和加載速度確定了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，其精度和速度的不同可能導(dǎo)致加載系統(tǒng)的價(jià)格相差幾倍或更高。常用的加載方法有: （1）杠桿砝碼加載 優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要載荷傳感器測試，由加載砝碼可以確定出載荷的大小，但不適合高速，若速度過高會(huì)引起砝碼振動(dòng)，導(dǎo)致載荷不穩(wěn)，變載荷也不方便，僅適用于壽命試驗(yàn)，成本低。 （2）彈簧加載 載荷的大小取決于彈簧的大小和彈簧的壓縮量， 加載范圍較小，所占空間比較大，成本比較低，一般用于特殊試驗(yàn)。 （3）液靜壓加載： 即手動(dòng)螺旋液壓加載。 加載方式手動(dòng)調(diào)節(jié)小液壓缸的壓力達(dá)到控制試驗(yàn)機(jī)油缸的壓力，這種加載方式簡單、無噪聲，但受溫度影響大，精度低，一般用于壽命試驗(yàn)，在環(huán)境溫度變化時(shí)需人工調(diào)節(jié)。特別是開機(jī)第一小時(shí)內(nèi)注意試驗(yàn)機(jī)溫度變化情況及壓力變化情況，隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力。 （4）液壓比例自動(dòng)加載： 這種加載方式由液壓系統(tǒng)、工控機(jī)和壓力傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)。一般由工控機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器控制液壓比例閥進(jìn)而控制載荷，如下圖3-1所示。這種系統(tǒng)結(jié)果復(fù)雜、成本高，但控制精度高，可達(dá) 1%。系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是載荷可控；可按照預(yù)先編制的程序變化；特別適合做模擬試驗(yàn)。如汽車發(fā)電機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)。對于汽車輪轂軸承，試驗(yàn)機(jī)加載結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向載荷為交變載荷，控制比較困難，如系統(tǒng)調(diào)整不好，超調(diào)量可達(dá) 60%,將導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真；為解決這一問題，需要選用響應(yīng)速度快的油缸，在控制軟件中除采用 PID 算法外，還要增加智能控制技術(shù)軟件。液壓油要采用標(biāo)準(zhǔn)的液壓油，絕對不能采用再生油，否則將使整個(gè)系統(tǒng)報(bào)廢。 圖3-1 液壓比例自動(dòng)加載示意圖 （5）液壓伺服加載： 當(dāng)比例加載系統(tǒng)的加載頻率不能滿足試驗(yàn)要求時(shí)，就要選擇液壓伺服系統(tǒng)，其原理和比例加載相同，采用液壓伺服閥來控制載荷，這種系統(tǒng)的加載頻率可達(dá)每秒 20 次， 但成本更高，對油的清潔度要求也高， 一般用于軍工試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)等。 除上述加載方式外，有砝碼加載和液靜壓加載組成的加載系統(tǒng)。還有液靜壓加載和伺服電機(jī)組成的自動(dòng)加載系統(tǒng)；彈簧加載和伺服電機(jī)組成的彈簧自動(dòng)加載系統(tǒng)。 本文中采用上述的液壓比例自動(dòng)加載的方法，主要通過電磁控制閥來對軸向和徑向的液壓缸進(jìn)行加載，從而自動(dòng)有效地控制加載徑向力和軸向力的大小，加載速度等。 4.2 加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)的加載壓力要求以規(guī)定速度勻速加載, 均勻控制壓力。本文中液壓系統(tǒng)加載采用一種數(shù)字式微小流量閥，實(shí)現(xiàn)勻速加載, 加載速率范圍 0.05~25 kN/s,負(fù)載范圍10~300kN。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3~2所示。 圖3-2 液壓系統(tǒng)控制示意圖[2] 試驗(yàn)機(jī)上軸向和徑向各用一只專用的數(shù)字控制流量閥, 該閥由一個(gè)節(jié)流閥和一個(gè)減壓閥組成, 減壓閥為三通轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu), 通過調(diào)節(jié)小流量閥的輸出流量來控制液壓缸的輸出壓力。該閥以二相混合式步進(jìn)電機(jī)為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件,直接通過數(shù)字方式控制, 消除了閥的滯環(huán), 提高了控制精度和抗干擾能力,具有良好的流量-壓力特性和較高的頻響特性。該液壓系統(tǒng)原理如圖3-3所示。 采用步進(jìn)式數(shù)字閥通過閥芯的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)將輸入的信號量化為相應(yīng)的步數(shù)(脈沖數(shù)),因而存在著量化。通過增加閥的工作步數(shù)可以減小量化誤差,但閥的響應(yīng)速度大大降低。針對步進(jìn)數(shù)字閥的量化誤差與響應(yīng)速度之間的矛盾, 通過步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)跟蹤的控制方法得到解決, 即在步進(jìn)控制中引入脈寬調(diào)制控制技術(shù)使步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移開環(huán)連續(xù)可控。這樣不僅消除了步進(jìn)式數(shù)字閥所固有的量化誤差, 而且使該數(shù)字閥的響應(yīng)速度得到很大提高。 圖3-3 軸承試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理圖 本文中實(shí)驗(yàn)機(jī)架為剛性, 簡化壓力架、負(fù)載和液壓缸, 液壓系統(tǒng)模型為 節(jié)流閥閥口流量方程 等差減壓閥閥口流量方程 式中: Q1 為節(jié)流閥閥口流量; Q2 為等差減壓閥閥口流量; At1為節(jié)流閥閥口過流面積; At2為等差減壓閥閥口過流面積; pp 為泵出口腔工作壓力; pL 為液壓缸負(fù)載腔工作壓力; Cd1為節(jié)流閥閥口流量系數(shù); Cd2為等差減壓閥閥口流量系數(shù); p為油液密度。 泵出口容腔流量連續(xù)性方程 液壓缸負(fù)載腔流量連續(xù)性方程 式中: Qp 為泵流量; Vp 為泵出口容腔體積; V1 為液壓缸負(fù)載腔體積; A2 為等差減壓閥閥芯有效截面積;A1為液壓缸滑塞有效截面積; xv 為等差減壓閥閥芯開度; E 為液體體積彈性模量; Ce 為液壓缸泄漏系數(shù); y 為液壓缸活塞位移。 等差減壓閥閥芯力平衡方程 液壓缸負(fù)載力平衡方程. 式中: m2 為等差減壓閥閥芯質(zhì)量; m1 為液壓缸活塞組件及負(fù)載的總質(zhì)量; B2 為等差減壓閥閥芯運(yùn)動(dòng)的黏性阻尼系數(shù); B1 為活塞和負(fù)載的黏性阻尼系數(shù);Kt 為等差減壓閥閥芯平衡彈簧剛度; K 為負(fù)載的彈簧剛度; F 為作用在活塞上的任意外負(fù)載; Fg 為液壓缸產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力。 采用液壓加載方式，提供拉力和壓力交變載荷，按徑向水平加載（拉力）、軸向水平加載（拉壓力）的結(jié)構(gòu)布局；進(jìn)行輪轂單元性能試驗(yàn)（一般耐久性試驗(yàn)） ，軸向力通過車輪半徑加載。軸向和徑向加載分布試驗(yàn)體兩側(cè)。其軸向加載油缸行程±30mm、徑向加載油缸行程±20mm。徑向加載位置可根據(jù)不同型號軸承力線調(diào)整，軸向加載位置可調(diào)。 本文中，為方便液壓缸的選擇與安裝，所選則的軸向和徑向加載油缸行程均為100mm. 第五章 汽車輪轂軸承總成性能試驗(yàn)臺測試控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5.1 測試控制技術(shù)的選擇 測試技術(shù)是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)， 其性能的優(yōu)劣直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)發(fā)展很快，常用的測試方式均采用不同類型計(jì)算機(jī)測試，在計(jì)算機(jī)和傳感器之間安裝接口電路（濾波等信號處理系統(tǒng)）測試頻率、 測試精度由計(jì)算機(jī)和傳感器確定。 （1）單片機(jī)測試 這種測試方法簡單、 成本低， 但是內(nèi)存比較小，對數(shù)據(jù)要求高的試驗(yàn)機(jī)一般不采用這種系統(tǒng)。 （2）計(jì)算機(jī)直接測試 測試系統(tǒng)一般由傳感器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)組成。能存儲大量信息，可記錄軸承的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，記錄間隔按秒、分、時(shí)可以任意設(shè)置，可以真正做到無人看守、無人記錄。但由于受 CPU 的限制，采樣頻率較低，每秒鐘采樣低于 100 次，若需要更高的采樣頻率，則 CPU 只能停止其他工作，在某一段時(shí)間內(nèi)采樣頻率每秒可達(dá)幾千次。采樣精度則根據(jù) A/D 采卡的位數(shù)確定，一般高于 0.1%. （3） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試： 對于測量的參數(shù)很多、又要求采集頻率很高的測試系統(tǒng)，則采用網(wǎng)絡(luò)測試。即計(jì)算機(jī)上、下位機(jī)測試。上位機(jī)只管理系統(tǒng)，讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；而下位機(jī)采 用單片機(jī)或 PLC 單獨(dú)測試數(shù)據(jù)存入下位機(jī)中存儲器，當(dāng)存儲器即將存滿后，將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。下位機(jī)和上位機(jī)還可采取無線通信協(xié)議。這種測試系統(tǒng)復(fù)雜、 造價(jià)高，但抗干擾性好、測試速度快，一般用于采集振動(dòng)信號，并進(jìn)行分析，以 及測試參數(shù)較多的場合。 5.2 測試參數(shù) （1）溫度測試： 一般測試試驗(yàn)軸承的外圈溫度，特殊場合測試試驗(yàn)軸承的供油、回油溫度。軸承溫度是軸承試驗(yàn)機(jī)必測參數(shù)，軸承溫升的高低是確定軸承質(zhì)量高低的特征參 數(shù)之一。由于溫度參數(shù)變化緩慢，因而測試頻率要求不高，測試精度一般為 1%，要求較高的場合可達(dá) 0.5%或更高，普通軸承的外圈溫度傳感器測試范圍在 0-200℃. （2）載荷測試： 試驗(yàn)軸承的載荷也是試驗(yàn)機(jī)測試的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確度的高低直接影響軸承的試驗(yàn)結(jié)果，對于壽命試驗(yàn)機(jī)，采用壓力傳感器測出加載系統(tǒng)油壓，根據(jù)加載油缸面積，計(jì)算出載荷。由于油缸的邊沿效應(yīng)，實(shí)際測試中存在誤差；最高達(dá) 10%。因此，要用力傳感器進(jìn)行校正。在載荷恒定不變的情況下，采樣速度和響應(yīng)速度 一般傳感器均滿足要求。汽車輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)載荷的測試，采用力傳感器直接測 試。由于輪轂軸承試驗(yàn)機(jī)為變載荷系統(tǒng)，因此測試頻率、響應(yīng)速度均要高于載荷 的變化速度。否則測試誤差可達(dá) 30%以上。 由于變載荷加載系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，因而測試精度及響應(yīng)速度對加載精度有著非常重要的作用。 （3）振動(dòng)測試： 振動(dòng)參數(shù)是判定軸承是否失效的重要參數(shù)之一。國標(biāo)：GB/T24607-2009 標(biāo) 準(zhǔn)《滾動(dòng)軸承壽命及可靠性試驗(yàn)與評定》中規(guī)定：疲勞失效是軸承的主要失效形 式，疲勞失效指軸承樣品的套圈式滾動(dòng)體工作表面基體金屬出現(xiàn)的疲勞剝落。剝 落深度≥0.05mm， 剝落面積球軸承零件>0.5mm2， 滾子軸承零件≥1.0mm2。 這就要求測試振動(dòng)信號要求精度高，靈敏度也要高，以便在軸承試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確判斷軸承失效的最佳時(shí)機(jī)，有效地保留疲勞失效樣本，為進(jìn)一步的軸承失效分析奠定良好的基礎(chǔ)。 當(dāng)然， 軸承疲勞失效時(shí)的振動(dòng)值不是一個(gè)定值，對不同的試驗(yàn)軸承，不同的試驗(yàn)機(jī)的失效振動(dòng)信號是不同的，這需要試驗(yàn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，不同的試驗(yàn)機(jī)采用振動(dòng)信號的單位也不太一樣。一般采用振動(dòng)信號的均方根值來確定失效，當(dāng)需要對振動(dòng)信號分析時(shí)則采用瞬時(shí)振動(dòng)信號，采樣頻率則要求大于每秒一萬次。 另外，主電機(jī)電流也是測試的主要參數(shù)，其大小可以直接反映試驗(yàn)機(jī)是否正常工作。有些有特殊要求的試驗(yàn)，則要測試摩擦力矩、啟動(dòng)力矩、軸心運(yùn)動(dòng)軌跡等，保持架轉(zhuǎn)速、軸承轉(zhuǎn)速、潤滑油流量、環(huán)境溫度等參數(shù)。不管么樣的傳感器，隨時(shí)間的推移， 測試精度、 變送器放大倍數(shù)都要發(fā)生漂移。為保證測試精度，需要在測試軟件中對每個(gè)測試參數(shù)設(shè)置校正系數(shù)，以便定期校正。 5.3測試控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 目前的試驗(yàn)機(jī)絕大部分為工業(yè)計(jì)算機(jī)控制?？刂瓶梢酝耆龅綗o人值守，也可以做到一鍵式操作。試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)行，可以完全按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)行，載荷的變化，轉(zhuǎn)速的變化，以及環(huán)境溫度的變化在允許的范圍內(nèi)可以任意實(shí)現(xiàn)，每個(gè)測試參數(shù)均設(shè)有上限報(bào)警值，當(dāng)所測試的參數(shù)超過報(bào)警值時(shí)，計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)停機(jī)。并記錄當(dāng)前參數(shù)。轉(zhuǎn)速、載荷、環(huán)境溫度均采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度為 0.5%，載荷穩(wěn)態(tài)控制精度為 2%，溫度穩(wěn)態(tài)控制精度為 1%。若不計(jì)成本，控制精度還可提高。 本文中汽車輪轂軸承試驗(yàn)臺的測試控制系統(tǒng)采用前面所述的計(jì)算機(jī)直接測試技術(shù)，即所謂的工控技術(shù)。主要通過計(jì)算機(jī)與PLC的控制相結(jié)合共同來控制試驗(yàn)臺的工作以及測試相關(guān)的性能參數(shù)。如下圖，測試控制系統(tǒng)的示意圖。 圖5-1 測試控制系統(tǒng)的示意圖 機(jī)械工作部分主要包括軸承試驗(yàn)臺、強(qiáng)化加載系統(tǒng)。軸承試驗(yàn)臺提供強(qiáng)化壽命試驗(yàn)機(jī)的支座和安裝試驗(yàn)軸承; 強(qiáng)化壽命系統(tǒng)使用液壓缸為軸承提供可變壓力載荷, 液壓缸的壓力通過數(shù)字閥改變液壓缸的流量實(shí)現(xiàn)。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量部分采集的軸承檢測參數(shù)主要包括: 振動(dòng)頻率、軸承溫度、軸向/徑向壓力、軸承轉(zhuǎn)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等。軸承工作的時(shí)候其內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng),外圈不動(dòng)固定在座體上, 4 個(gè)溫度計(jì)分別測量外圈上的溫度, 確定軸承疲勞破壞發(fā)生的溫度變化; 整個(gè)動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)放在夾具上, 由軸向和徑向的壓力傳感器來測得所加載荷的實(shí)際壓力值, 記錄軸承試驗(yàn)的壓力變化; 由轉(zhuǎn)速傳感器測量軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù); 由振動(dòng)傳感器記錄軸承在測試過程中的振動(dòng)量。所得數(shù)據(jù)送入控制系統(tǒng), 通過閉環(huán)控制方式控制軸承的轉(zhuǎn)速和載荷加載值; 同時(shí)被送入計(jì)算機(jī)組態(tài)系統(tǒng), 用于分析軸承測試結(jié)論。 電氣驅(qū)動(dòng)及控制部分包括數(shù)字閥、變頻電機(jī)等執(zhí)行電器的驅(qū)動(dòng)電路, 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制的 PLC 控制器及其擴(kuò)展模塊, 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)管理的計(jì)算機(jī)組態(tài) 系統(tǒng), PLC 控制器軟件系統(tǒng)和基于Labview的計(jì)算機(jī)組態(tài)程序。 參考文獻(xiàn) [1] 馮辛安，關(guān)慧貞等著：《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年3月第2版. 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[19] 張雪萍.轎車輪轂軸承失效機(jī)理的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].上海交通大學(xué),2002. 結(jié) 束 語 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將近尾聲，回首兩個(gè)多月的設(shè)計(jì)過程，感覺受益匪淺！ 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅把大學(xué)四年所學(xué)到的理論知識很好的運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中，而且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力，在處理問題時(shí)有了新的認(rèn)識和方法，并加強(qiáng)了和同學(xué)之間進(jìn)行探討和解決問題的能力。 在大學(xué)的學(xué)習(xí)中，我主修了機(jī)械工程及其自動(dòng)化這個(gè)專業(yè)。通過對專業(yè)知識的接觸和深入學(xué)習(xí)，以及對相關(guān)信息的獲取，我深切地認(rèn)識到，就目前的發(fā)展而言，我國的工業(yè)還比較落后，與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距。盡管我們不斷地在努力，但想在很短的時(shí)間內(nèi)改變這種現(xiàn)狀是很難的，尤其是對于我們這樣一個(gè)國情的大國。所以，我們應(yīng)該擁有的是一種民族意識，不斷的追求創(chuàng)新。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我做的是軸承檢測裝置的外觀設(shè)計(jì)部分，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅鍛煉了自己查閱資料的能力，而且能夠熟練運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械類手冊和圖冊等工具進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)還讓我體會(huì)到團(tuán)體的力量，提高自己的團(tuán)隊(duì)意識，遇到問題時(shí)和小組成員進(jìn)行討論和分析或是請教明老師，直到得到滿意的結(jié)果。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在我的頭腦里有了機(jī)械設(shè)計(jì)的具體步驟和設(shè)計(jì)過程所要考慮的細(xì)節(jié)問題，培養(yǎng)了我思考問題和解決問題的能力。對今后的工作將有很大的幫助，對一名即將踏入社會(huì)的大學(xué)生起到了很重要的指導(dǎo)作用。由于我的知識水平有限，設(shè)計(jì)中可能存在一些問題，謝謝老師和同學(xué)批評指正。 21 致 謝 轉(zhuǎn)眼間，為期兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于接近尾聲了，這也象征著我們的大學(xué)學(xué)習(xí)的生涯也要結(jié)束了?；叵脒@兩個(gè)月來的設(shè)計(jì)，感觸多多，其中有過喜悅、有過灰心、有過頹廢，甚至有段時(shí)間真的覺得做不下去了。但當(dāng)我們克服一個(gè)又一個(gè)的難關(guān)后，我們的思路越來越清晰，喜悅的感覺越來越明顯。 在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的老師和同學(xué)們給了我很大的幫助，這里我向他們表示誠摯的敬意。 首先，我要感謝指導(dǎo)教師，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)他教會(huì)了我如何去設(shè)計(jì)，怎么去設(shè)計(jì)，以及在最初構(gòu)思時(shí)，應(yīng)該注意的各種問題。他嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度、不辭辛勞指導(dǎo)我做畢業(yè)設(shè)計(jì)，嚴(yán)于律己，寬以待人的為人都給我留下了深深的印象。他的熱情，他的執(zhí)著，更是讓我終身難忘。這一切將對我以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。我還要感謝進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查的各位領(lǐng)導(dǎo)和機(jī)械工程系的其他老師，他們及時(shí)的給我指出了畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的不足，并且給予我很多完成設(shè)計(jì)的便利條件。 “三人行，必有我?guī)煛?。我還要特別感謝，我們同一個(gè)設(shè)計(jì)組的同學(xué)，她們給了我很多不錯(cuò)的建議。 在各位老師和同學(xué)的大力幫助下，才使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)得以完成。最后，再次對他們給予我的幫助，表示衷心的感謝！并對論文審閱老師的辛勤勞動(dòng)表示敬意。