1試驗機簡介
轎車輪轂軸承的壽命和效能直接關係到轎車的安全性、轉向平穩性和舒適度,因此必須對其進行多種工況的模擬試驗,轎車輪轂軸承疲勞壽命試驗機主要用於第1代、第2代及第3代轎車輪轂軸承的工況模擬試驗,即在一定載荷下分別進行高速效能試驗、一般耐久性試驗、高溫試驗和泥漿鹽水噴濺試驗等,滿足了軸承企業對軸承不能隨車在道路上進行試驗的缺陷。目前所用試驗機主要有2種,一種是早期設計的單工位輪轂軸承試驗機,其主要缺點為試驗載荷小,效率低;另一種是雙工位輪轂軸承試驗機,其特點在於可同時對2套軸承進行對比試驗,可進行大載荷試驗和超速效能試驗。
2試驗機原理
試驗機屬於工況模擬試驗,對軸承進行試驗時,其環境溫度、轉速、振動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。軸承壽命取決於試驗載荷的大小,因此載荷的精確模擬對軸承的效能研究起著至關重要的作用。
2.1轎車的力學模型
轎車的懸架彈簧是典型的低剛度元件,輪胎和路面在轎車行駛過程中也會發生變形。一般車身結構的固有頻率大多低於15Hz,因此車身運動基本上可以假定為簡單的剛體運動。此外,轎車前、後部分之間的相互影響很小,前、後部分質量不存在明顯的耦合計算。
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行受力分析、壽命計算和耐久性試驗載荷譜設計的重要依據。影響轎車輪轂軸承外部載荷的'情況非常複雜,包括路面狀況、車速、輪胎特性、行駛路線以及駕駛習慣等。輪轂軸承的外部載荷等價於輪胎載荷,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,方向由地面垂直向上並通過軸承迴轉中心,作用點為輪胎著地點;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動時的向心力的影響,該力的大小和向心力數值有關,方向平行於軸線,指向彎道中心方向,作用點為輪胎著地點(也稱軸向外力)。
軸向外力通過輪胎半徑施加於輪轂軸承,產生很大的傾覆力矩,而徑向外力只是產生由於其偏距產生的彎矩,軸向外力和側向加速度有關,而側向加速度是影響輪轂軸承壽命的決定性因素。由動靜法分析,可以看出轎車轉彎時輪胎外力為徑向載荷Fz和軸向載荷Fy(正、反2個方向,對應不同方向轉彎)。可以推出,作圓周運動時,外側車輪受力大於內側車輪。
2.3輪胎軸承元件受力分析
可以看出輪胎元件外力為Fz和Fy(正、反2個方向),此2個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)對輪胎元件的方向相反、大小相等且作用於同一點的另一對作用力,即徑向載荷F′z和軸向載荷F′y(正、反2個方向),輪胎元件重力及其本身離心力不計(該離心力通過軸心,對軸承壽命影響不大),轎車彎道行駛時產生的軸向載荷是影響軸承失效的關鍵因素(對轎車而言,徑向載荷F′z和軸向載荷F′y為內力)。
3試驗機結構
根據輪轂軸承在轎車上的工作原理,為提高試驗效率,增加對比性,設計了雙工位轎車輪轂軸承試驗機。試驗機主體,主要由主體軸系、試驗裝置(2套)、軸向油缸、徑向油缸(2個)、機座等組成。試驗主體軸系採用懸臂結構,試驗軸承安裝在軸端位置,裝拆方便。軸向及徑向載入機構有2個徑向載入油缸和1個軸向載入油缸,徑向載入油缸和軸向載入油缸相互垂直,在液壓力的作用下向2套試驗軸承施載入荷,輪胎著地點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,可根據實際輪胎半徑的大小調整到對應的刻度處。
目前,對輪轂軸承的試驗載入力,國際上流行2種模式,一種為載入到旋轉的輪胎著地點,即外力Fz和Fy(其反力為F′z和F′y),裝置較複雜,工裝調整需要找正;另一種為輪軸(或懸架)對輪轂軸承元件的載入力作用於輪胎著地點,即外力F′z和F′y(其反力為Fz和Fy),裝置結構簡單,輪轂軸承安裝方便,無需調整就可以同心。對輪轂軸承本身而言,這2種方案模式受力狀態完全等效。本試驗機載入方式則屬於第2種情況,軸向力大小和方向隨載荷譜相應變化,徑向油缸為單方向拉力,大小隨載荷譜相應變化。根據力與力的作用相等原理,在試驗的過程中,2套試驗裝置的轉速與軸向力完全等效,當在載荷譜中把徑向力也設為一致時,2套試驗軸承的工況完全相同,這在提高試驗效率的同時,還可以作對比試驗,如選用不同批次軸承或不同廠家軸承同時進行試驗。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計中的不足,為軸承設計人員進一步提高軸承的質量提供依據。
另外,試驗機還配有驅動系統、控制與測試系統、液壓載入系統和加熱系統等,其主要技術引數為:
(1)試驗軸承型別為轎車前、後輪轂軸承;
(2)試驗軸承內徑為30～60mm;
(3)最高轉速為3000r/min;
(4)最大試驗載荷為軸向±15kN,徑向30kN;
(5)載入油缸行程為軸向±40mm,徑向40mm;
(6)最高加熱溫度為130℃;
(7)試驗控制方式為手動/自動;
(8)試驗測試引數為轉速、載荷、溫度、振動、電流、試驗時間及迴圈次數等;
(9)供電電源為380V,50Hz,20kW。
4結束語
轎車輪轂軸承試驗機通過模擬轎車的各種工況試驗,可檢測出輪轂軸承效能的不足與缺陷,進一步提高軸承的質量,為我國早日進入中高檔轎車主機市場提供保障。