浅谈双工位轿车轮毂轴承疲劳寿命试验机的结构设计论文
1试验机简介
轿车轮毂轴承的寿命和性能直接关系到轿车的安全性、转向平稳性和舒适度,因此必须对其进行多种工况的模拟试验,轿车轮毂轴承疲劳寿命试验机主要用于第1代、第2代及第3代轿车轮毂轴承的工况模拟试验,即在一定载荷下分别进行高速性能试验、一般耐久性试验、高温试验和泥浆盐水喷溅试验等,满足了轴承企业对轴承不能随车在道路上进行试验的缺陷。目前所用试验机主要有2种,一种是早期设计的单工位轮毂轴承试验机,其主要缺点为试验载荷小,效率低;另一种是双工位轮毂轴承试验机,其特点在于可同时对2套轴承进行对比试验,可进行大载荷试验和超速性能试验。
2试验机原理
试验机属于工况模拟试验,对轴承进行试验时,其环境温度、转速、振动以及载荷大小和方向必须与轿车上所安装轴承一致或相近。轴承寿命取决于试验载荷的大小,因此载荷的精确模拟对轴承的性能研究起着至关重要的作用。
2.1轿车的力学模型
轿车的悬架弹簧是典型的低刚度组件,轮胎和路面在轿车行驶过程中也会发生变形。一般车身结构的固有频率大多低于15Hz,因此车身运动基本上可以假定为简单的刚体运动。此外,轿车前、后部分之间的相互影响很小,前、后部分质量不存在明显的耦合计算。
2.2轿车轮毂轴承的外部载荷
轮毂轴承的外部载荷是对其进行受力分析、寿命计算和耐久性试验载荷谱设计的重要依据。影响轿车轮毂轴承外部载荷的'情况非常复杂,包括路面状况、车速、轮胎特性、行驶路线以及驾驶习惯等。轮毂轴承的外部载荷等价于轮胎载荷,即轿车行驶过程中路面对轮胎的作用力,通常包括径向轮胎载荷和轴向轮胎载荷等。
轿车在高速直线行驶中,轮毂轴承受到的外力为地面的支反力(也称径向外力),该力的大小和轮轴的承重有关,方向由地面垂直向上并通过轴承回转中心,作用点为轮胎着地点;轿车在弯道行驶中,轮毂轴承除受到上述地面支反力外,还受到物体作圆周运动时的向心力的影响,该力的大小和向心力数值有关,方向平行于轴线,指向弯道中心方向,作用点为轮胎着地点(也称轴向外力)。
轴向外力通过轮胎半径施加于轮毂轴承,产生很大的倾覆力矩,而径向外力只是产生由于其偏距产生的弯矩,轴向外力和侧向加速度有关,而侧向加速度是影响轮毂轴承寿命的决定性因素。由动静法分析,可以看出轿车转弯时轮胎外力为径向载荷Fz和轴向载荷Fy(正、反2个方向,对应不同方向转弯)。可以推出,作圆周运动时,外侧车轮受力大于内侧车轮。
2.3轮胎轴承组件受力分析
可以看出轮胎组件外力为Fz和Fy(正、反2个方向),此2个力为地面对轮胎作用力,轮胎要保持平衡,必然受到轮轴(或悬架)对轮胎组件的方向相反、大小相等且作用于同一点的另一对作用力,即径向载荷F′z和轴向载荷F′y(正、反2个方向),轮胎组件重力及其本身离心力不计(该离心力通过轴心,对轴承寿命影响不大),轿车弯道行驶时产生的轴向载荷是影响轴承失效的关键因素(对轿车而言,径向载荷F′z和轴向载荷F′y为内力)。
3试验机结构
根据轮毂轴承在轿车上的工作原理,为提高试验效率,增加对比性,设计了双工位轿车轮毂轴承试验机。试验机主体,主要由主体轴系、试验装置(2套)、轴向油缸、径向油缸(2个)、机座等组成。试验主体轴系采用悬臂结构,试验轴承安装在轴端位置,装拆方便。轴向及径向加载机构有2个径向加载油缸和1个轴向加载油缸,径向加载油缸和轴向加载油缸相互垂直,在液压力的作用下向2套试验轴承施加载荷,轮胎着地点为轴向油缸铰支座中心,其轴向油缸中心到主轴中心的距离为轿车轮胎半径,力臂上有刻度尺,可根据实际轮胎半径的大小调整到对应的刻度处。
目前,对轮毂轴承的试验加载力,国际上流行2种模式,一种为加载到旋转的轮胎着地点,即外力Fz和Fy(其反力为F′z和F′y),设备较复杂,工装调整需要找正;另一种为轮轴(或悬架)对轮毂轴承组件的加载力作用于轮胎着地点,即外力F′z和F′y(其反力为Fz和Fy),设备结构简单,轮毂轴承安装方便,无需调整就可以同心。对轮毂轴承本身而言,这2种方案模式受力状态完全等效。本试验机加载方式则属于第2种情况,轴向力大小和方向随载荷谱相应变化,径向油缸为单方向拉力,大小随载荷谱相应变化。根据力与力的作用相等原理,在试验的过程中,2套试验装置的转速与轴向力完全等效,当在载荷谱中把径向力也设为一致时,2套试验轴承的工况完全相同,这在提高试验效率的同时,还可以作对比试验,如选用不同批次轴承或不同厂家轴承同时进行试验。通过对比性分析,可更好地找出轴承在材料与加工方面的缺陷或是设计中的不足,为轴承设计人员进一步提高轴承的质量提供依据。
另外,试验机还配有驱动系统、控制与测试系统、液压加载系统和加热系统等,其主要技术参数为:
(1)试验轴承类型为轿车前、后轮毂轴承;
(2)试验轴承内径为30～60mm;
(3)最高转速为3000r/min;
(4)最大试验载荷为轴向±15kN,径向30kN;
(5)加载油缸行程为轴向±40mm,径向40mm;
(6)最高加热温度为130℃;
(7)试验控制方式为手动/自动;
(8)试验测试参数为转速、载荷、温度、振动、电流、试验时间及循环次数等;
(9)供电电源为380V,50Hz,20kW。
4结束语
轿车轮毂轴承试验机通过模拟轿车的各种工况试验,可检测出轮毂轴承性能的不足与缺陷,进一步提高轴承的质量,为我国早日进入中高档轿车主机市场提供保障。
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