□ 王國輝 □ 雷良育,2 □ 荊家寶 □ 胡 峰

1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 浙江臨安 311300 2.浙江兆豐機電股份有限公司 杭州 311232

1 設(shè)計背景

汽車輪轂軸承為汽車傳動系統(tǒng)提供支承、固定,并承擔整輛車的重力。當汽車在行駛過程中,輪轂軸承會受到軸向、徑向兩種載荷,是非常重要的汽車安全件[1-2]。近年來,我國輪轂軸承模擬測控技術(shù)取得了很大進展,研究人員開發(fā)出許多實用的軸承模擬測控系統(tǒng)。這些模擬測控系統(tǒng)絕大部分用于轎車和輕型車輛輪轂軸承的模擬試驗,而用于載荷大、連續(xù)運行時間長的重型卡車輪轂軸承的模擬測控系統(tǒng),還較為欠缺[3]。筆者針對重型卡車輪轂軸承試驗的要求,通過對重型卡車或其它重型車輛輪轂軸承工作條件及現(xiàn)有試驗設(shè)備進行分析,逐步確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的監(jiān)測與控制要求,最終研制出一套滿足重型卡車輪轂軸承試驗要求的輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)。

2 主要技術(shù)指標

按照GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》[4],確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)指標。

(1) 試驗軸承類型:輪轂單元。

(2) 尺寸范圍:軸承內(nèi)徑60～120 mm、外徑100～250 mm,輪轂單元輪廓外徑不大于500 mm。

(3) 試驗方式:內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)或外圈旋轉(zhuǎn)。

(4) 徑向載荷:最大200 kN,相對誤差±2%,載荷中心位置最大可調(diào)距離100 mm。

(5) 軸向載荷:最大±80 kN,相對誤差±2%,雙向加載,力臂350～600 mm。

(6) 主軸轉(zhuǎn)速:最高1 500 r/min,穩(wěn)態(tài)相對誤差±2%,無級可調(diào)。

(7) 潤滑冷卻方式:試驗軸承采用油潤滑或脂潤滑,外置風冷;傳動軸承采用油潤滑,回路風冷。

(8) 切換時間:載荷方向和大小變化時,20 s內(nèi)完成切換至90%目標載荷以上。

(9) 控制方式:工業(yè)控制計算機自動控制,可按試驗條件設(shè)定試驗參數(shù);自動采集試驗數(shù)據(jù),并記錄保存,可以隨時調(diào)閱;當參數(shù)超過預(yù)設(shè)限值時,可自動停機。

(10) 最大功率:約25 kW。

3 工作原理

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的工作過程為:系統(tǒng)啟動后,電動機驅(qū)動飛輪軸按速度譜或車輛行駛工況旋轉(zhuǎn);飛輪軸通過花鍵連接,帶動試驗輪轂轉(zhuǎn)動;通過控制比例減壓閥,經(jīng)加載套圈、加載套和加載軸承,將軸向、豎直徑向和水平徑向慣性載荷加載到試驗單元上。

輪轂軸承的溫度由固定在試驗軸承端面的溫度傳感器測出,取平均值。試驗軸承上的載荷由壓力傳感器進行測量,并與比例減壓閥構(gòu)成載荷加載閉環(huán)系統(tǒng)。飛輪軸的轉(zhuǎn)速通過增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器來進行測量。模擬車輛制動時,通過人為方式或自動控制方式推動制動踏步板,使制動片和制動鼓相互摩擦來制動。制動慣性由飛輪和電慣性模擬系統(tǒng)共同施加于試驗軸承上。

輪轂軸承受到的摩擦力矩通過安裝在飛輪軸上的扭矩傳感器來測量。測量摩擦力矩時,豎直載荷加載油缸動作,從而帶動車輪模擬件下行,通過滑輪拉動安裝在輪轂導(dǎo)軌上的摩擦盤左行,緊靠加載套,實現(xiàn)加載套和輪轂一起轉(zhuǎn)動。此時,輪轂和加載套相當于一個整體,測出的摩擦力矩是單純的輪轂軸承摩擦力矩。

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的主要功能是對重型卡車行駛工況進行模擬,利用速度控制系統(tǒng)、載荷加載系統(tǒng)和制動模擬系統(tǒng)來測試重型卡車輪轂軸承的性能,并檢測整個試驗過程中重型卡車輪轂軸承相關(guān)參數(shù)的變化。通過分析溫度、載荷等參數(shù),可以對輪轂軸承的性能進行考核。

根據(jù)重型卡車輪轂軸承的試驗要求,模擬測控系統(tǒng)要能夠模擬驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn),以及驅(qū)動軸承所受的軸向力和徑向力。為了模擬以上參數(shù),模擬測控系統(tǒng)需要設(shè)置電機控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)等[5]。模擬測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在模擬測控系統(tǒng)中,可編程序控制器(PLC)接收工業(yè)控制計算機傳來的控制指令,經(jīng)過處理后將控制信號傳輸給電機控制系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)及潤滑冷卻系統(tǒng),調(diào)整各參數(shù)至軟件中預(yù)設(shè)的試驗工況。模擬測控系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機編程控制,實時采集各個傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)并進行記錄保存。設(shè)備故障或軸承失效時,工業(yè)控制計算機接收到信號,并自動停機和報警,實現(xiàn)對試驗過程的智能化控制。模擬測控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

4 液壓加載系統(tǒng)

電液比例閥是一種新型液壓控制裝置,其控制原理如圖3所示。在控制時,通過指令元件給定控制信號,對控制信號與反饋信號進行比較,得出偏差,作為電控器的輸入值。電控器輸出控制電子-機械轉(zhuǎn)換器的信號,這一信號經(jīng)過液壓放大元件,放大到足以驅(qū)動系統(tǒng)負載。其中,內(nèi)環(huán)反饋元件通常為電液比例閥內(nèi)部元件,用于改善電液比例閥的動、靜態(tài)性能,外環(huán)反饋元件可用于提高整個系統(tǒng)的性能和精度。

圖2 輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)原理框圖

圖3 電液比例閥控制原理

電液比例控制的本質(zhì)是電子-液壓-機械放大轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以實現(xiàn)電信號與機械數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。電液比例控制與伺服控制相比,經(jīng)濟性更好,抗污染能力更強;與開關(guān)控制相比,控制精度更高,響應(yīng)速度更快。因為使用電控方式,所以系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離控制,足以滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的需求[6]。電液比例控制的特點如下:

(1) 可由程序控制,極大簡化了液壓加載系統(tǒng)的構(gòu)造;

(2) 可通過改變輸入信號,輸出指定規(guī)律的壓力與流量等參數(shù);

(3) 利用電信號進行控制,可實現(xiàn)遠距離控制;

(4) 利用反饋實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié),可以保證控制的高精度。

在重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的液壓加載系統(tǒng)中,電液比例閥通過接收來自工業(yè)控制計算機的信號,控制閥體的減壓量,進而控制徑向載荷和軸向載荷加載油缸的壓力,并通過力傳感器來反饋液壓缸對輪轂軸承所施加的載荷,構(gòu)成閉環(huán)控制,以提高系統(tǒng)的精度,改善動、靜態(tài)特性。液壓加載系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 液壓加載系統(tǒng)原理

5 軟件設(shè)計

5.1 試驗參數(shù)

根據(jù)GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》、HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗方案等,確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)所需測試記錄的傳感器數(shù)據(jù),包括軸承載荷、軸承溫度、主軸前端溫度、環(huán)境溫度、主軸后端溫度、軸承轉(zhuǎn)速、電流、當前風速、實時軸向載荷、實時徑向載荷、軸向振動、徑向振動。

5.2 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊是重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)的核心模塊,用以提供測試中所需的參數(shù),以及記錄測試中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)[7-9]。在數(shù)據(jù)庫模塊中可實現(xiàn)參數(shù)保存、測試數(shù)據(jù)保存與處理、Excel測試報表生成、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢等功能。數(shù)據(jù)庫模塊程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫模塊程序流程

5.3 控制模塊

控制模塊能夠按照設(shè)定的要求,對重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)各模塊進行控制?？刂颇K程序流程如圖6所示[10]。

接收到測試開始的信號后,控制模塊從數(shù)據(jù)庫模塊與測控模塊中提取參數(shù),并進行對比。通過分析參數(shù),計算出調(diào)整值,并輸出至驅(qū)動系統(tǒng)和液壓加載系統(tǒng)。在參數(shù)達到預(yù)設(shè)值后,保持至載荷譜加載完畢,再從數(shù)據(jù)庫中獲取下一載荷譜參數(shù),進入下一循環(huán)。

圖6 控制模塊程序流程

5.4 軟件界面

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)軟件界面如圖7所示。軟件界面主要包括以下內(nèi)容:① 圖表顯示區(qū)域,分為載荷、溫度、主軸電機、振動圖表曲線;② 試驗內(nèi)容區(qū)域,區(qū)域名稱、編號等需在參數(shù)設(shè)置界面輸入,輸入完畢保存后即可自動生成到對應(yīng)的顯示框中;③ 采樣與運行參數(shù)區(qū)域,采樣參數(shù)均為實時參數(shù),正常打開測控軟件即可進入采樣監(jiān)控狀態(tài);④ 驅(qū)動啟停與運行狀態(tài)區(qū)域;⑤ 主控區(qū)域,設(shè)置參數(shù)及啟動各必要驅(qū)動項后,點擊開始按鈕,系統(tǒng)啟動,按照設(shè)置程序進入自動運行狀態(tài)。

6 測試結(jié)果分析

完成重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)設(shè)計后,還需要對其進行測試驗證。筆者通過對重型卡車RX16090006輪轂軸承單元進行耐久性測試,反映這一模擬測控系統(tǒng)是否可行與準確。設(shè)置工作轉(zhuǎn)速為800 r/min,選滾動半徑為556 mm的樣品在固定載荷下連續(xù)運行一個壽命周期,即137 h,未失效。繼續(xù)運行五個壽命周期,輪轂軸承樣品運行狀態(tài)良好。在徑向力為36.67 kN,軸向力為9.17 kN時,依照HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗方案,輪轂軸承溫度不高于100 ℃為正常。參照國際標準化組織推薦的振動噪聲標準,為保護人們的聽力和身體健康,保障交流和通信聯(lián)絡(luò),環(huán)境噪聲的最高允許值為60 dB。由系統(tǒng)軟件生成軸承溫度曲線,如圖8所示。測試過程中振動噪聲曲線如圖9所示。

圖9 振動噪聲曲線

根據(jù)JB/T 8571—2008《滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗規(guī)程》,軸承的溫升不超過環(huán)境溫度55 ℃,且最高溫度不得高于80 ℃,主軸溫度不得高于60 ℃。根據(jù)HZF重型卡車輪轂軸承單元試驗方案,可施加徑向載荷最大為200 kN,軸向載荷范圍為-80～80 kN,軸向和徑向振動在2.0 mm/s以下,且傳動軸振動在2.5 mm/s以下為正常。

按照設(shè)定的參數(shù)類型,利用模擬測控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行了測試和采集,測得的具體數(shù)據(jù)見表1。

所得測試結(jié)果與實際標準進行對比,測試結(jié)果均在正常范圍內(nèi),且真實可靠。從試驗曲線看,軸承溫度范圍為70～80 ℃,振動噪聲在45 dB以下。重型卡車輪轂軸承在一個壽命周期內(nèi)運行平穩(wěn),沒有發(fā)生任何失效。通過測試驗證確認,模擬測控系統(tǒng)設(shè)計合理,可用于重型卡車輪轂軸承的實際檢測。

表1 測試結(jié)果

7 結(jié)束語

輪轂軸承是汽車傳動系統(tǒng)中的重要承載部件,輪轂軸承的性能及可靠性制約著汽車工業(yè)的發(fā)展。相較于普通汽車,重型卡車的載重能力與壽命更加依賴于輪轂軸承的性能參數(shù)。因此,研究與開發(fā)重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng),是提高重型卡車輪轂軸承性能與可靠性的關(guān)鍵。筆者設(shè)計了重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng),并通過測試驗證了設(shè)計的合理性。這一模擬測控系統(tǒng)可用于對重型卡車輪轂軸承進行實際檢測。