□ 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(jī)電股份有限公司 杭州 311232

1 設(shè)計(jì)背景

汽車輪轂軸承為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)提供支承、固定,并承擔(dān)整輛車的重力。當(dāng)汽車在行駛過程中,輪轂軸承會(huì)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(jìn)展,研究人員開發(fā)出許多實(shí)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(yàn),而用于載荷大、連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(yàn)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(yàn)設(shè)備進(jìn)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(yàn)要求的輪轂軸承模擬測控系統(tǒng)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

按照GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)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(biāo)。

(1) 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)軸承采用油潤滑或脂潤滑,外置風(fēng)冷;傳動(dòng)軸承采用油潤滑,回路風(fēng)冷。

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

(9) 控制方式:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,可按試驗(yàn)條件設(shè)定試驗(yàn)參數(shù);自動(dòng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù),并記錄保存,可以隨時(shí)調(diào)閱;當(dāng)參數(shù)超過預(yù)設(shè)限值時(shí),可自動(dòng)停機(jī)。

(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(dòng)后,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng);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(yàn)單元上。

輪轂軸承的溫度由固定在試驗(yàn)軸承端面的溫度傳感器測出,取平均值。試驗(yàn)軸承上的載荷由壓力傳感器進(jìn)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(jìn)行測量。模擬車輛制動(dòng)時(shí),通過人為方式或自動(dòng)控制方式推動(dòng)制動(dòng)踏步板,使制動(dòng)片和制動(dòng)鼓相互摩擦來制動(dòng)。制動(dòng)慣性由飛輪和電慣性模擬系統(tǒng)共同施加于試驗(yàn)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(shí),豎直載荷加載油缸動(dòng)作,從而帶動(dòng)車輪模擬件下行,通過滑輪拉動(dòng)安裝在輪轂導(dǎo)軌上的摩擦盤左行,緊靠加載套,實(shí)現(xiàn)加載套和輪轂一起轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),輪轂和加載套相當(dāng)于一個(gè)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(jìn)行模擬,利用速度控制系統(tǒng)、載荷加載系統(tǒng)和制動(dòng)模擬系統(tǒng)來測試重型卡車輪轂軸承的性能,并檢測整個(gè)試驗(yàn)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(jìn)行考核。

根據(jù)重型卡車輪轂軸承的試驗(yàn)要求,模擬測控系統(tǒng)要能夠模擬驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn),以及驅(qū)動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、傳動(dòng)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(jì)算機(jī)傳來的控制指令,經(jīng)過處理后將控制信號傳輸給電機(jī)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(yàn)工況。模擬測控系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)編程控制,實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行記錄保存。設(shè)備故障或軸承失效時(shí),工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到信號,并自動(dòng)停機(jī)和報(bào)警,實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)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(shí),通過指令元件給定控制信號,對控制信號與反饋信號進(jìn)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(jī)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(dòng)系統(tǒng)負(fù)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(dòng)、靜態(tài)性能,外環(huán)反饋元件可用于提高整個(gè)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(jī)械放大轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)電信號與機(jī)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(jì)性更好,抗污染能力更強(qiáng);與開關(guān)控制相比,控制精度更高,響應(yīng)速度更快。因?yàn)槭褂秒娍胤绞?所以系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(diǎn)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(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;

(4) 利用反饋實(shí)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(jì)算機(jī)的信號,控制閥體的減壓量,進(jìn)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(dòng)、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(jì)

5.1 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承 壽命與可靠性試驗(yàn)及評定》、HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗(yàn)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(dāng)前風(fēng)速、實(shí)時(shí)軸向載荷、實(shí)時(shí)徑向載荷、軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)。

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(xiàng)數(shù)據(jù)[7-9]。在數(shù)據(jù)庫模塊中可實(shí)現(xiàn)參數(shù)保存、測試數(shù)據(jù)保存與處理、Excel測試報(bào)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(jìn)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(jìn)行對比。通過分析參數(shù),計(jì)算出調(diào)整值,并輸出至驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓加載系統(tǒng)。在參數(shù)達(dá)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(jìn)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(jī)、振動(dòng)圖表曲線;② 試驗(yàn)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(dòng)生成到對應(yīng)的顯示框中;③ 采樣與運(yùn)行參數(shù)區(qū)域,采樣參數(shù)均為實(shí)時(shí)參數(shù),正常打開測控軟件即可進(jìn)入采樣監(jiān)控狀態(tài);④ 驅(qū)動(dòng)啟停與運(yùn)行狀態(tài)區(qū)域;⑤ 主控區(qū)域,設(shè)置參數(shù)及啟動(dòng)各必要驅(qū)動(dòng)項(xiàng)后,點(diǎn)擊開始按鈕,系統(tǒng)啟動(dòng),按照設(shè)置程序進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)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(jì)后,還需要對其進(jìn)行測試驗(yàn)證。筆者通過對重型卡車RX16090006輪轂軸承單元進(jìn)行耐久性測試,反映這一模擬測控系統(tǒng)是否可行與準(zhǔn)確。設(shè)置工作轉(zhuǎn)速為800 r/min,選滾動(dòng)半徑為556 mm的樣品在固定載荷下連續(xù)運(yùn)行一個(gè)壽命周期,即137 h,未失效。繼續(xù)運(yùn)行五個(gè)壽命周期,輪轂軸承樣品運(yùn)行狀態(tài)良好。在徑向力為36.67 kN,軸向力為9.17 kN時(shí),依照HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗(yàn)方案,輪轂軸承溫度不高于100 ℃為正常。參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的振動(dòng)噪聲標(biāo)準(zhǔn),為保護(hù)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(dòng)噪聲曲線如圖9所示。

圖9 振動(dòng)噪聲曲線

根據(jù)JB/T 8571—2008《滾動(dòng)軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)在2.0 mm/s以下,且傳動(dòng)軸振動(dòng)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(jìn)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(shí)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,測試結(jié)果均在正常范圍內(nèi),且真實(shí)可靠。從試驗(yàn)曲線看,軸承溫度范圍為70～80 ℃,振動(dòng)噪聲在45 dB以下。重型卡車輪轂軸承在一個(gè)壽命周期內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn),沒有發(fā)生任何失效。通過測試驗(yàn)證確認(rèn),模擬測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,可用于重型卡車輪轂軸承的實(shí)際檢測。

表1 測試結(jié)果

7 結(jié)束語

輪轂軸承是汽車傳動(dòng)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(jì)了重型卡車輪轂軸承模擬測控系統(tǒng),并通過測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)際檢測。