鄭曉剛，魏志遠，孫　勇

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

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車輪疲勞試驗機的研制

鄭曉剛，魏志遠，孫勇

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：介紹了一種以電液伺服技術為基礎的車輪疲勞試驗機，該試驗機以液壓油源作為動力機構，驅(qū)動液壓伺服作動器，通過兩種不同工裝，將試驗力轉(zhuǎn)化為試驗需要的彎矩或扭矩，從而完成試驗方法所要求的彎曲疲勞試驗或扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。試驗機采用框架式結(jié)構，具有較強的剛度，保證了試驗結(jié)果的準確性，可為車輪的設計開發(fā)及生產(chǎn)檢驗提供有效的數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：電液伺服；試驗機；彎曲疲勞試驗；扭轉(zhuǎn)疲勞試驗

1引言

近年來，隨著物流行業(yè)的迅猛發(fā)展，商用車的生產(chǎn)、銷售數(shù)量呈井噴式增長，這讓本來就對產(chǎn)品質(zhì)量有著極高要求的各大車企壓力倍增，對汽車零部件供應商的產(chǎn)品質(zhì)量和合格率提出了更高的要求。

車輪作為同時參與整車承載及傳動的重要部件之一，其設計、生產(chǎn)質(zhì)量尤為重要，關乎人身安全、車輛安全，甚至整個交通系統(tǒng)的安全。

車輪試驗機作為車輪試驗的模擬設備，其模擬真實性和數(shù)據(jù)準確性至關重要。本試驗機以電液伺服技術為基礎，作動器產(chǎn)生的動態(tài)試驗力通過工裝準確地傳遞至車輪試樣，保證車輪所受載荷情況與標準規(guī)定的試驗方法一致。

2試驗機主要技術參數(shù)

(1)最大靜態(tài)試驗力：±200kN；

(2)最大動態(tài)試驗力：±160kN；

(3)負荷靜態(tài)測量精度：±1%；

(4)負荷測量范圍：4%-100% FS；

(5)位移測量精度：±0.5% FS；

(6)作動器行程：±75mm；

(7)函數(shù)發(fā)生器頻率：0.01～100Hz；

(8)試驗頻率：0.01～10Hz；

(9)控制波形：正弦波、方波、三角波、單調(diào)波(斜波)、組合波等；

(10)液壓油源流量：100L/min；

(11)液壓油源壓力：21MPa；

(12)車輪試樣適用范圍：最大直徑46英寸(1225mm)。

3試驗機結(jié)構組成

該試驗機主要用于車輪的彎曲疲勞與扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，可試驗并記錄彎矩、扭矩、試驗時間等參數(shù)。試驗機主要由負荷機架1、伺服作動器2、伺服閥6、彎曲疲勞試驗工裝7、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗工裝5及負荷傳感器4等部分組成(如圖1所示)。伺服作動器垂直懸掛于負荷機架下方，下端通過鉸接軸與試驗工裝連接。

1.負荷機架　2.伺服作動器　3.車輪試樣　4.負荷傳感器 5.扭轉(zhuǎn)試驗工裝　6.伺服閥　7彎曲試驗工裝圖1　車輪試驗機主要結(jié)構

3.1負荷機架

負荷機架包括門式框架和鑄鐵平臺，二者之間構成封閉式結(jié)構，使伺服作動器產(chǎn)生的試驗力成為系統(tǒng)的內(nèi)力，降低了試驗機安裝的地基要求，并保證了試驗機自身的剛度及穩(wěn)定性。門式框架與鑄鐵平臺的設計均經(jīng)過有限元分析，具有合理的剛度，為保證試驗結(jié)果準確性提供基礎支持。

3.2伺服作動器

伺服作動器為雙出桿式、軸向加荷的直線作動器，其基本結(jié)構為單桿雙腔形式。尾部內(nèi)嵌位移傳感器，精確測量活塞桿位移。作動器兩端采用鉸接方式連接，降低了作動器所受到的側(cè)向力，提高作動器的使用壽命。本作動器重要零件采用精密加工，誤差小，響應高，具有極佳的動態(tài)性能。

3.3扭轉(zhuǎn)試驗工裝

扭轉(zhuǎn)試驗工裝主要由車輪連接法蘭1、軸承座2、加載力臂3及扭轉(zhuǎn)軸4組成，結(jié)構如圖2所示。連接法蘭、加載力臂、扭轉(zhuǎn)軸采用40Cr材料熱處理后加工制成，具有較高的剛度及疲勞性能。加載力臂兩鉸接孔采用高精度加工方式，保證力臂尺寸精確。

1.連接法蘭　2.軸承座　3.加載力臂　4.扭轉(zhuǎn)軸圖2　扭轉(zhuǎn)試驗工裝主要結(jié)構

在該試驗工裝中，扭轉(zhuǎn)軸承受了試驗的主要載荷，其設計質(zhì)量影響整個試驗機的試驗結(jié)果，所以對扭轉(zhuǎn)軸經(jīng)過扭轉(zhuǎn)剛度和扭轉(zhuǎn)強度計算。

(1)剛度計算

為安裝軸承方便，該軸采用了階梯軸設計。設計最大扭矩為40000 N·m，軸徑分別為140mm和150mm，每段長度為210mm，總受力長度為420mm。

階梯實心軸剛度的計算公式為：

式中，?為圓軸扭轉(zhuǎn)角，(°)·m-1；l為軸受扭矩部分的長度，mm；Ti為第i段軸所受扭矩，N·m；li為第i段軸長度，mm；di為第i段軸直徑，mm。

將數(shù)據(jù)代入公式：

=0.67

根據(jù)計算，該軸在40000N·m載荷下，扭轉(zhuǎn)角度為0.67°/m，符合試驗要求。

(2)強度計算

采用有限元分析軟件進行強度分析，按圖紙建立有限元模型，輸入計算條件后計算，得到最大應力為176.58MPa(如圖3所示)。該材料在直徑100-300mm時，扭轉(zhuǎn)疲勞的許用應力為185MPa，所以該軸扭轉(zhuǎn)疲勞強度合格。

圖3　扭轉(zhuǎn)軸應力結(jié)果圖

3.4彎曲試驗工裝

彎曲試驗工裝主要由加載力臂及部分附件組成。加載力臂負責傳遞試驗的彎矩及保證試驗的準確性，加載力臂采用方梁設計，抗彎性能更好，力臂尺寸精確控制，保證彎矩加載精度。

4試驗方法及原理

該試驗機采用電液伺服控制原理，液壓油源產(chǎn)生的壓力油經(jīng)伺服閥進入伺服作動器，控制作動器的作用方向及頻率。伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的控制核心，控制器接收負荷傳感器和位移傳感器信號，根據(jù)信號控制伺服閥動作，使作動器輸出達到輸入命令要求，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

4.1扭轉(zhuǎn)試驗

由于直線作動器本身不能產(chǎn)生扭矩，所以需借助力臂來實現(xiàn)扭矩加載。在扭矩加載過程中，扭轉(zhuǎn)軸會受到較大的徑向力，為保證車輪受到的為純扭矩，扭轉(zhuǎn)軸采用了雙軸承座支撐，將試驗產(chǎn)生的徑向力抵消。

試驗時，將伺服作動器與扭轉(zhuǎn)試驗工裝連接，調(diào)整作動器，使其與鑄鐵平臺垂直，擰緊各連接螺栓。根據(jù)扭轉(zhuǎn)試驗標準要求確定試驗扭矩、試驗頻率及試驗次數(shù)，設置好后即可開始試驗。

4.2彎曲試驗

彎曲試驗采用90°加載法，作動器連接在加載力臂上，并將作動器調(diào)整垂直，擰緊各連接螺栓。根據(jù)彎曲試驗標準要求確定試驗彎矩、試驗頻率及試驗次數(shù)，設置好后即可開始試驗。彎曲試驗加載如圖4所示。

圖4　彎曲試驗加載示意圖

5控制系統(tǒng)及軟件

5.1控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術，可實現(xiàn)負荷、位移兩種控制方式，并可控制產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等波形。該控制系統(tǒng)具有高精度控制及控制補償功能，技術成熟、性能穩(wěn)定，在動態(tài)試驗機行業(yè)中應用廣泛，是保證試驗機性能與精度的重要組成部分之一。

5.2控制軟件

控制軟件基于LabVIEW程序編制，運行于WINDOWS平臺，軟件界面簡潔(如圖5所示)，操作設置簡單。軟件與控制系統(tǒng)進行通信，從而控制試驗機進行各種試驗。軟件中設計有試驗方法設置模塊，可根據(jù)試驗標準設置試驗方法。開始試驗后，可按預設的試驗方法控制試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行實時采集和存儲，繪制試驗曲線。軟件還設置了多種保護措施，如負荷保護、位移保護等，有效保證試驗過程中的人身及設備安全。

圖5　試驗軟件界面

6結(jié)論

本文介紹了一種可完成兩種試驗方法的車輪疲勞試驗機，該試驗機結(jié)構穩(wěn)定、適用車輪范圍廣。兩種試驗工裝的安裝和承受載荷方式可與標準要求相匹配，保證數(shù)據(jù)的準確性和真實性。

參考文獻

[1]GB/T 14786 農(nóng)林拖拉機和機械驅(qū)動車輪扭轉(zhuǎn)疲勞試驗方法[S].

[2]GB/T 5909 商用車輛車輪性能要求和試驗方法[S].

[3]成大先.機械設計手冊[M].化學工業(yè)出版社,2010.

[收稿日期]2016-05-18

[作者簡介]鄭曉剛(1980-)，男，工程師，從事試驗機專機設計工作。

中圖分類號：TH87

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.011

Development of Wheel Fatigue Testing Machine

Zheng Xiaogang, Wei Zhiyuan, Sun Yong

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China)

Abstract：A kind of wheel fatigue testing machine based on electro-hydraulic servo technology is introduced in the paper. The hydraulic oil source, which is as the power mechanism of the testing machine, can drive hydraulic servo actuator and transform the test force into the bending moment and torque by two kinds of different tools. Then, the bending fatigue test or the torsional fatigue test is accomplished. The testing machine adopts frame structure and has strong rigidity, which can ensure the accuracy of the test results, and can provide data support for the development of wheel and production inspection.

Keywords:electro-hydraulic servo; testing machine; bending fatigue test; torsional fatigue test