汽車輪轂軸承總成性能試驗臺設(shè)計【汽車輪轂軸承試驗臺】

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因此，探究汽車輪轂軸承關(guān)鍵力學(xué)性能分析及試驗方法研究工作對我國轎車輪轂軸承等關(guān)鍵汽車零部件開發(fā)有重要的研究意義和工程應(yīng)用意義。本文主要從軸承的抗彎性能、噴淋密封性能、耐腐蝕性能、疲勞壽命性能等角度出發(fā)，設(shè)計了汽車輪轂軸承的性能測試的專用試驗臺。 （a）汽車輪轂軸承實物圖 （b）驅(qū)動輪輪轂軸承 （b）從動輪輪轂軸承 圖1-1 汽車輪轂軸承 1.2 汽車輪轂的軸承的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 汽車車輪輪轂軸承一般是一種雙列角接觸球軸承，一套軸承即可實現(xiàn)輪轂的雙向定位要求，且軸向徑向剛度均較高，是一種技術(shù)含量高附加值高的軸承產(chǎn)品。 汽車輪轂軸承的最早應(yīng)用可追溯到1936年的雪鐵龍轎車。SKF研制成功的四門轎車1ICV驅(qū)動前輪是目前輪轂軸承單元的始祖。在那時，對于大多數(shù)驅(qū)動前輪來說，仍需常調(diào)整軸承的間隙。隨著前置前驅(qū)動(FF化)轎車的飛速發(fā)展，輪轂軸承發(fā)生了很大的變化。以往每一個車輪都使用兩套圓錐滾子軸承或兩套向心球軸承，現(xiàn)在則都單元化了，以整體組裝形式使用，并且輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)形式也向多樣化發(fā)展(如圖1-2轎車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)演化)。目前使用的輪轂軸承單元，根據(jù)現(xiàn)在正使用的結(jié)構(gòu)型式和變化分成三代，分別稱為第一代、第二代以及第三代。以及正在研發(fā)的第四代和第五代。 第一代輪轂軸承是雙列角接觸球軸承，采用整體外圈、兩個內(nèi)圈、尼龍保持架及橡膠密封圈，軸承內(nèi)部填充了潤滑脂。軸承游隙已在軸承裝配時預(yù)調(diào)，安裝時勿需進(jìn)行游隙調(diào)整。軸承外圈與輪轂采用緊配合，由止動環(huán)、擋邊或螺母作軸向定位：內(nèi)圈與軸套采用輕推配合，由萬向節(jié)尾部的螺母軸向定位、預(yù)填潤滑脂、帶密封的普通型軸承。這種結(jié)構(gòu)的主要特點是可靠、有效載荷間距短、易安裝、無需調(diào)整、結(jié)構(gòu)緊湊等。 第二代輪轂軸承是將與軸承相配合的零件即輪轂或轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承套圈制成一體的結(jié)構(gòu)型式，簡化了輪轂總成的結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量．降低安裝費用及加工費用等比起第一代則是更加輕量化、小型化。到上世紀(jì)80年代，第一、二代輪轂軸承在歐洲、美國、日本已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)膶嵱没A段。目前，我國引進(jìn)車型大多采用上述兩種軸承單元。 第三代輪轂軸承即是把與軸承相配合的零件即輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)與軸承套圈制成整體化的型式，在輕量化、可靠性、剛性以及安裝使用方面比第一、二代輪轂軸承具有顯著優(yōu)越性。目前，第三代輪轂軸承在歐美也已經(jīng)逐漸實用化，同時，它還可以應(yīng)用于非驅(qū)動輪。 圖1-2轎車輪轂軸承的結(jié)構(gòu)演化 第四代輪轂軸承是把等速萬向節(jié)(CVJ)與軸承做成整體化，這種型式引人目的是廢除了輪轂花鍵軸，更加小型化以及使之安裝更加合理的結(jié)構(gòu)。這樣，軸承制造商可以把變速箱側(cè)的等速萬向節(jié)一起安裝好供貨，大大地減少了裝配工時，其距離實用化已經(jīng)不遠(yuǎn)。 第五代輪轂軸承正在形成。其核心是在輪轂軸承中集成防抱死系統(tǒng)(ABS)信號發(fā)生器。傳感器和脈沖輪均集成在軸承單元內(nèi)部，將ABS傳感器設(shè)置在軸承單元左側(cè)，與壓入外套左側(cè)的脈沖輪徑向相對。軸承內(nèi)套中部有一通孔，用以引入集成傳感器的電纜。 如前所述，轎車輪轂軸承作為轎車承重和傳導(dǎo)的非常重要的安全部件，正在向集成化、高可靠性、高性能、低成本方向發(fā)展?？傮w來說，對汽車輪轂軸承的要求大致如下： ①易于安裝，不需要調(diào)整軸承組裝間隙。 ②高可靠性壽命，追求與整車等壽命，壽命目標(biāo)要求在15萬公里以上，甚至要求達(dá)到30萬公里。 ③輕量化和小型化，而且軸承的載荷容量大。 ④預(yù)注高性能潤滑脂，終生潤滑，免維護(hù)。 ⑤減少零件數(shù)，降低整體成本。 當(dāng)輪轂軸承軸向?qū)挾扰c徑向橫截面高度安裝空間比率小于2.5時，幾乎總是選擇雙列角接觸球軸承，其優(yōu)點如下： (1)軸向上要求空間小，跨距大，因此，由于接觸角大而具有高轉(zhuǎn)矩載荷能力 (2)軸承的總重量小 (3)適用于軸承單元集成化，與圓錐滾子軸承相比，其法蘭可更容易集成化，尤其是內(nèi)圈。 1.3汽車輪轂軸承檢測技術(shù)國內(nèi)外研究狀況 早在20世紀(jì)初人們就開始使用各種手段對軸承進(jìn)行檢測,按照檢測方式不同可以分為:人手感覺檢測、擴(kuò)音器聽聲檢測、傳統(tǒng)的電子儀器儀表檢測及近代的基于PC機(jī)的虛擬儀器檢測。 為適應(yīng)汽車工業(yè)的發(fā)展需要，國外很早就開展了汽車輪轂軸承性能試驗，在性能試驗方法的研究和試驗系統(tǒng)的開發(fā)方面都比較領(lǐng)先，許多核心技術(shù)被一些專業(yè)生產(chǎn)軸承的跨國公司所掌握，如NTN、SKF、SNR、TIMKEN、NSK、雷諾公司KOYO等這些世界著名的軸承生產(chǎn)商。從軸承儀器儀表的發(fā)展預(yù)測來看，世界精密制造技術(shù)的快速發(fā)展和提高的產(chǎn)品，產(chǎn)品的檢測和控制技術(shù)的準(zhǔn)確性也得到長足的發(fā)展，并呈現(xiàn)多態(tài)性和超高精度的特點。納米制造納米來衡量，從智能儀器。國內(nèi)軸承行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，測試和測試技術(shù)逐漸在許多方面與世界的虛擬儀器，并制定了一系列適當(dāng)?shù)臈l件和國家標(biāo)準(zhǔn)方面的測試儀器和測試設(shè)備。中國正在逐步成為世界的產(chǎn)品制造中心，國外的先進(jìn)制速度最快的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，使用最新的設(shè)備，目前在國內(nèi)由我首創(chuàng)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，接近國際先進(jìn)水平。儀器具有多項先進(jìn)技術(shù)，與國外有價格優(yōu)勢。廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將大大提高軸承的質(zhì)量水平，提高企業(yè)的競爭力。 可應(yīng)用于軸承的檢測的圖像處理技術(shù)。利用圖像處理技術(shù)的檢測軸承表面質(zhì)量的研究應(yīng)包含多種不同可能出現(xiàn)的問題，如裂紋，點蝕，剝離，腐蝕，燒附，耐熱變色。第一軸承的軸承表面缺陷檢測的標(biāo)記文本，而不臉圖像采集，分工端蓋，然后缺陷圖像分割和邊緣提取，以及最終將它的缺陷分析。模式識別軸承檢測中也占有一定的地位。模式識別是自動化技術(shù)的研究，依靠這種技術(shù)，機(jī)器會自動（或盡可能少，盡可能干擾）被分配到各自的識別模式模式類去。模式識別應(yīng)用于機(jī)械，可滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求進(jìn)行測試，如測量零件尺寸的缺陷檢測的零部件，零部件裝配，零件識別?；谀Ｊ阶R別軸承在線檢測系統(tǒng)使用模式識別理論對待檢軸承的實時在線檢測，最終判決確定的檢測水平的軸承。該系統(tǒng)的測試，而不是做軸承，更大的市場前景以及測試技術(shù)日益沖擊著國內(nèi)的軸承行業(yè)。 荷蘭著名的軸承制造商SKF公司開發(fā)的輪轂軸承性能試驗設(shè)備，由于采用了先進(jìn)的技術(shù)，在軸承行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。SKF軸承公司最早開發(fā)的A字形試驗機(jī)可施加周期性動態(tài)循環(huán)載荷，專用于轎車輪轂軸承的模擬試驗。試驗機(jī)運(yùn)用實際轎車裝置系統(tǒng)來模擬輪轂軸承的實際工況，在忽略輪胎剎車和加速時的載荷情況下，通過在輪胎邊緣周期性的動態(tài)施加一徑向和軸向輪胎載荷的方式來模擬輪轂軸承受到的交變動態(tài)外部載倚，還模擬了力矩載荷，其產(chǎn)生原因是由于實際轎車輪轂軸承的中心線與輪胎中心線一般都會有偏胃，從而使輪胎徑向力相對輪轂軸承中心線產(chǎn)生一定的力矩．力矩載荷作用提高轎車的轉(zhuǎn)彎性能，該力矩載荷會改變軸承的受力情況，對輪轂軸承的壽命有比較大的影響。 美國英斯特朗公司開發(fā)的輪轂軸承試驗臺，它采用實際轎車裝置系統(tǒng)以模擬汽車輪轂軸承的環(huán)境條件。試驗由轎車剎車裝置、輪轂軸承及輪胎組成，可對四種負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行模擬，包括汽車行駛過程地面對輪胎的徑向作剛力、汽車轉(zhuǎn)彎時的軸向作用力、汽車加速引起的圓周力和剎車時的制動力。它將這四種負(fù)荷其同靜止作用于轎車軸內(nèi)側(cè)，并周期性的施加動態(tài)循環(huán)載荷，進(jìn)行輪轂軸承試驗，使整個試驗接近真實工況。 圖1-3美國英斯特朗公司開發(fā)的輪轂軸承試驗臺 由于應(yīng)用的技術(shù)差距和國外，目前國內(nèi)的軸承檢測設(shè)備仍然是相同的，與國外先進(jìn)企業(yè)還有很大的差距。為了滿足軸承行業(yè)的需求，舉止儀表，以跟蹤世界先進(jìn)水平，開發(fā)新的工具，改變過去，只有高精度的檢測儀器或設(shè)備從國外進(jìn)口的局面。我們需要在各方面加以改進(jìn)和某些領(lǐng)域的特殊的突破。 1.4 本課題的主要研究內(nèi)容和要求 1.設(shè)計的試驗臺應(yīng)滿足汽車輪轂軸承總成性能試驗要求，符合經(jīng)濟(jì)、實用的原則； ⒉要求采用計算機(jī)自動測控系統(tǒng)實現(xiàn)測試與控制； ⒊按試驗規(guī)范的要求驅(qū)動裝置的速度應(yīng)能自動調(diào)節(jié)；加載轉(zhuǎn)矩應(yīng)能自動調(diào)節(jié)； ⒋試驗數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理有較高的精度：<2%； ⒌試驗數(shù)據(jù)應(yīng)能作相應(yīng)的分析、處理、打印； 第二章 汽車輪轂軸承總成性能試驗臺的總體方案設(shè)計 2.1汽車輪轂軸承的概述 本文中，主要試驗的汽車輪轂軸承型號為DAC35065035.該軸承主要用于雷諾、Chrysrle等車型。 圖2-1 DAC型汽車輪轂軸承 根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可知汽車軸承輪轂軸承,DAC表示雙列角接觸球軸承輪轂軸承單元，內(nèi)徑為35mm,外徑為65mm,寬度為37mm. 2.2 設(shè)計要求 隨著國內(nèi)外汽車市場的不斷擴(kuò)大，汽車輪轂軸承的市場需求量也越來越大。為了更好地滿足汽車軸承用戶的需要，汽車輪轂軸承的種類和結(jié)構(gòu)也越來越多。同時對軸承的使用壽命和可靠性也提出了更高的要求。隱藏對汽車輪轂軸承專用試驗機(jī)的設(shè)計要求也在不斷提高。目前，普遍采用試驗主軸一端連接被測輪轂軸承，另一端連接傳動電機(jī)，被測輪轂軸承連接徑向和軸向載荷機(jī)構(gòu)。而目前，軸承性能參數(shù)測試的要求越來越高，對一機(jī)實現(xiàn)多用的要求也越來越高，包括密封性、耐腐蝕性、疲勞性能的測試等。 在本文設(shè)計中，要求驅(qū)動裝置的速度應(yīng)能自動調(diào)節(jié)，加載轉(zhuǎn)矩應(yīng)能自動調(diào)節(jié)；所設(shè)計的試驗臺應(yīng)滿足汽車輪轂軸承總成性能試驗要求，且符合經(jīng)濟(jì)、實用的原則。 2.3總體方案設(shè)計 本文中汽車輪轂軸承總成性能試驗臺的總體方案設(shè)計如下：該試驗臺能夠試驗多功能試驗，主要包括抗彎性能試驗、噴淋密封性能試驗、耐腐蝕性能試驗、疲勞壽命性能試驗等。 該試驗臺設(shè)備主要包括驅(qū)動電機(jī)、機(jī)體主軸傳動機(jī)構(gòu)、徑向加載油缸、徑向加載機(jī)構(gòu)、加載工裝、噴淋、加熱防護(hù)罩、軸向加載機(jī)構(gòu)、軸向加載油缸、軸向加載油缸底座等構(gòu)成，主軸傳動機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)體上，驅(qū)動電機(jī)通過皮帶帶動主軸傳動機(jī)構(gòu)中的主軸旋轉(zhuǎn)，主軸上裝有拆卸套和被試驗的軸承，拆卸套的端面靠緊主軸軸肩，被試驗的軸承通過隔圈和鎖緊螺母固定，軸套套裝在被試驗軸承外圈上，軸承套端面與加載工裝直角彎板固聯(lián)，加載工裝安裝在主軸傳動機(jī)構(gòu)的主軸前端；加載工裝直角彎板通過鉸接副與軸向加載油缸連接，并通過滑動胡與徑向加載油缸相連。徑向加載機(jī)構(gòu)與徑向加載油缸；軸向加載機(jī)構(gòu)與軸向加載油缸連接，徑向載荷和軸向載荷通過加載工裝直角彎板作用到被試驗軸承上，噴淋、加熱防護(hù)罩罩在加載工作上，試驗軸承位于其內(nèi)。從而對不同工況下的試驗軸承進(jìn)行加載，以及噴淋等，來對汽車輪轂軸承的性能進(jìn)行測試試驗。 本文中，軸向加載機(jī)構(gòu)和徑向加載機(jī)構(gòu)均采用高壓液壓系統(tǒng)，并通過電磁比例閥控制軸向和徑向加載壓力,加載速度，通過主軸旋轉(zhuǎn)來控制載荷轉(zhuǎn)矩的施加等。同時，在罩上噴淋、加熱防護(hù)罩后，在罩上的接頭處接通含細(xì)砂的泥水或鹽水，可以對輪轂軸承的密封及耐腐蝕性能進(jìn)行測試。通過通風(fēng)口吹入熱空氣，形成局部高溫環(huán)境，可進(jìn)行輪轂軸承熱環(huán)境疲勞試驗。以及正常環(huán)境下的彎曲疲勞壽命試驗。 圖2-1 汽車輪轂軸承總成性能試驗臺的總體方案設(shè)計 1-驅(qū)動電機(jī),2-機(jī)體，3-主軸傳動機(jī)構(gòu)，4-徑向加載油缸，5-徑向加載機(jī)構(gòu)，6-加載工裝，7-噴淋，加熱防護(hù)罩，8-軸向加載機(jī)構(gòu)，9-軸向加載油缸，10-軸向加載油缸底座， 11-拆卸套，12-試驗軸承，13-軸承套 本文設(shè)計的優(yōu)點在于，該汽車軸承輪轂試驗臺可進(jìn)行彎曲耐久試驗、密封性能試驗、耐腐蝕性能試驗、耐腐蝕性能試驗、疲勞性能試驗等。從而對軸承產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，加速新產(chǎn)品開發(fā)等都起到了積極的促進(jìn)、保障作用。通過汽車輪轂軸承進(jìn)行全面的綜合性能。及時發(fā)現(xiàn)、解決產(chǎn)品設(shè)計或制造中存在的問題，從而有效地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。 第三章 汽車輪轂軸承總成性能試驗臺驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 驅(qū)動的選擇 軸承試驗臺的驅(qū)動一般包括一下幾種： （1）三相異步電動機(jī)驅(qū)動 由電機(jī)、變頻器、同步帶和傳動組件組成，電機(jī)采用變頻調(diào)速電機(jī)，轉(zhuǎn)速一般在 10000 轉(zhuǎn)/分以內(nèi)，開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速精度在2%以內(nèi)，調(diào)速范圍為1:10。 由于電機(jī)調(diào)速為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，而試驗機(jī)工作時的調(diào)速方式為恒功率調(diào)速，要使電機(jī)適用于試驗機(jī)的調(diào)速方式，還需采用其他措施，提高電機(jī)功率或更換皮帶輪。 （2）電主軸直接驅(qū)動 當(dāng)軸承試驗機(jī)的轉(zhuǎn)速要求更高，超過 10000 轉(zhuǎn)/分速時， 則采用電主軸直接驅(qū)動。該系統(tǒng)由電主軸、變頻器、轉(zhuǎn)速傳感器、潤滑冷卻器組成。轉(zhuǎn)速一般在 10000-100000 轉(zhuǎn)/分，考慮到轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速精度 0.5%，調(diào)速范圍有所擴(kuò)大，達(dá)到 1:20。 （3）伺服電機(jī)驅(qū)動 當(dāng)試驗軸承的調(diào)速范圍要求很高時即超過 1:50 時，要采用伺服電機(jī)驅(qū)動，這種驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機(jī)、驅(qū)動器、編碼器組成；調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)速控制精度高，達(dá)到 0.05%，成本也較高，最高轉(zhuǎn)速為 10000 轉(zhuǎn)。一般用于特殊場合。 根據(jù)汽車輪轂軸承模擬試驗機(jī)的設(shè)計要求，模擬汽車的運(yùn)行方式及安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗軸承內(nèi)徑尺寸Φ15—45 和Φ30—70 兩種型號， 可試驗一代、 二代、 三代汽車輪轂軸承、等。試驗機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/分和1500 轉(zhuǎn)/分，載荷最大20kN 和50kN. 本文中，選用三相異步電動機(jī)驅(qū)動，具有高效、節(jié)能、震動小、可靠性高等特點。根據(jù)軸承的內(nèi)徑，可選擇試驗機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為2500r/min,載荷為20kN. 根據(jù)計算公式： 有效功 電機(jī)的額定功率 本文中，選擇三相異步電動機(jī)的型號為Y-225M-2,其額定功率為45kW,滿載轉(zhuǎn)速為2970r/min,采用恒功率調(diào)速。 3.2 帶的傳動設(shè)計 帶傳動是靠張緊在帶輪上的撓性元件——帶傳動遠(yuǎn)東和動力的一種形式，帶傳動是一種結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、能緩和沖擊、能實現(xiàn)兩軸距離較遠(yuǎn)的傳動。本文中，由于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為2970r/min與軸承試驗機(jī)所需的最高轉(zhuǎn)速2500r/min差距不大。因此，在本文中，所設(shè)計的傳送帶采用的傳動比大小為1. （1） 確定功率 取工作情況系數(shù)=1.1 ==1.1×45KW=49.5KW （2）選取普通V型帶 根據(jù)=275KW和=2500r/min，確定為B型。 (3) 傳動比=1.0 （4） 大、小帶輪基準(zhǔn)直徑 考慮結(jié)構(gòu)緊湊，取=200mm （5）驗算帶速= （6）初定中心距 選取=435mm 滿足條件。 （7）計算帶的長度 = 選取節(jié)線長度的V帶。 實際中心距a （8）帶輪包角 =180°-57.3°=180°>120° （9）單根V帶的額定功率p 根據(jù)帶型及轉(zhuǎn)速查得功率為7.2 kW （10）單根V帶的額定功率增量△p 因為傳動比等于1,所以根據(jù)帶型、轉(zhuǎn)速及傳動比查得△p=0 （11）帶的根數(shù)Z= 包角修正系數(shù)=0.98 帶長修正系數(shù)=1.03 Z=6.8根，取Z=8. （12）單根V帶的初張緊立F 其中m為單位長度質(zhì)量(kg/m)得m=0.06kg/m, F0=225N （13）有效圓周力F F==1897 N （14）作用在軸上的力F F=2FZsin （15）所用規(guī)格B﹣160×8 第四章 汽車輪轂軸承總成性能試驗臺加載系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 加載的選擇 載荷是試驗機(jī)的一個主要指標(biāo)，其加載精度和加載速度確定了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，其精度和速度的不同可能導(dǎo)致加載系統(tǒng)的價格相差幾倍或更高。常用的加載方法有: （1）杠桿砝碼加載 優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，不需要載荷傳感器測試，由加載砝碼可以確定出載荷的大小，但不適合高速，若速度過高會引起砝碼振動，導(dǎo)致載荷不穩(wěn)，變載荷也不方便，僅適用于壽命試驗，成本低。 （2）彈簧加載 載荷的大小取決于彈簧的大小和彈簧的壓縮量， 加載范圍較小，所占空間比較大，成本比較低，一般用于特殊試驗。 （3）液靜壓加載： 即手動螺旋液壓加載。 加載方式手動調(diào)節(jié)小液壓缸的壓力達(dá)到控制試驗機(jī)油缸的壓力，這種加載方式簡單、無噪聲，但受溫度影響大，精度低，一般用于壽命試驗，在環(huán)境溫度變化時需人工調(diào)節(jié)。特別是開機(jī)第一小時內(nèi)注意試驗機(jī)溫度變化情況及壓力變化情況，隨時調(diào)節(jié)壓力。 （4）液壓比例自動加載： 這種加載方式由液壓系統(tǒng)、工控機(jī)和壓力傳感器組成閉環(huán)系統(tǒng)。一般由工控機(jī)數(shù)字調(diào)節(jié)器控制液壓比例閥進(jìn)而控制載荷，如下圖3-1所示。這種系統(tǒng)結(jié)果復(fù)雜、成本高，但控制精度高，可達(dá) 1%。系統(tǒng)的最大特點是載荷可控；可按照預(yù)先編制的程序變化；特別適合做模擬試驗。如汽車發(fā)電機(jī)軸承試驗機(jī)。對于汽車輪轂軸承，試驗機(jī)加載結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，軸向載荷為交變載荷，控制比較困難，如系統(tǒng)調(diào)整不好，超調(diào)量可達(dá) 60%,將導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真；為解決這一問題，需要選用響應(yīng)速度快的油缸，在控制軟件中除采用 PID 算法外，還要增加智能控制技術(shù)軟件。液壓油要采用標(biāo)準(zhǔn)的液壓油，絕對不能采用再生油，否則將使整個系統(tǒng)報廢。 圖3-1 液壓比例自動加載示意圖 （5）液壓伺服加載： 當(dāng)比例加載系統(tǒng)的加載頻率不能滿足試驗要求時，就要選擇液壓伺服系統(tǒng)，其原理和比例加載相同，采用液壓伺服閥來控制載荷，這種系統(tǒng)的加載頻率可達(dá)每秒 20 次， 但成本更高，對油的清潔度要求也高， 一般用于軍工試驗和特殊試驗等。 除上述加載方式外，有砝碼加載和液靜壓加載組成的加載系統(tǒng)。還有液靜壓加載和伺服電機(jī)組成的自動加載系統(tǒng)；彈簧加載和伺服電機(jī)組成的彈簧自動加載系統(tǒng)。 本文中采用上述的液壓比例自動加載的方法，主要通過電磁控制閥來對軸向和徑向的液壓缸進(jìn)行加載，從而自動有效地控制加載徑向力和軸向力的大小，加載速度等。 4.2 加載系統(tǒng)的設(shè)計 汽車輪轂軸承試驗機(jī)的加載壓力要求以規(guī)定速度勻速加載, 均勻控制壓力。本文中液壓系統(tǒng)加載采用一種數(shù)字式微小流量閥，實現(xiàn)勻速加載, 加載速率范圍 0.05~25 kN/s,負(fù)載范圍10~300kN。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3~2所示。 圖3-2 液壓系統(tǒng)控制示意圖[2] 試驗機(jī)上軸向和徑向各用一只專用的數(shù)字控制流量閥, 該閥由一個節(jié)流閥和一個減壓閥組成, 減壓閥為三通轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu), 通過調(diào)節(jié)小流量閥的輸出流量來控制液壓缸的輸出壓力。該閥以二相混合式步進(jìn)電機(jī)為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件,直接通過數(shù)字方式控制, 消除了閥的滯環(huán), 提高了控制精度和抗干擾能力,具有良好的流量-壓力特性和較高的頻響特性。該液壓系統(tǒng)原理如圖3-3所示。 采用步進(jìn)式數(shù)字閥通過閥芯的步進(jìn)運(yùn)動將輸入的信號量化為相應(yīng)的步數(shù)(脈沖數(shù)),因而存在著量化。通過增加閥的工作步數(shù)可以減小量化誤差,但閥的響應(yīng)速度大大降低。針對步進(jìn)數(shù)字閥的量化誤差與響應(yīng)速度之間的矛盾, 通過步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)跟蹤的控制方法得到解決, 即在步進(jìn)控制中引入脈寬調(diào)制控制技術(shù)使步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移開環(huán)連續(xù)可控。這樣不僅消除了步進(jìn)式數(shù)字閥所固有的量化誤差, 而且使該數(shù)字閥的響應(yīng)速度得到很大提高。 圖3-3 軸承試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖 本文中實驗機(jī)架為剛性, 簡化壓力架、負(fù)載和液壓缸, 液壓系統(tǒng)模型為 節(jié)流閥閥口流量方程 等差減壓閥閥口流量方程 式中: Q1 為節(jié)流閥閥口流量; Q2 為等差減壓閥閥口流量; At1為節(jié)流閥閥口過流面積; At2為等差減壓閥閥口過流面積; pp 為泵出口腔工作壓力; pL 為液壓缸負(fù)載腔工作壓力; Cd1為節(jié)流閥閥口流量系數(shù); Cd2為等差減壓閥閥口流量系數(shù); p為油液密度。 泵出口容腔流量連續(xù)性方程 液壓缸負(fù)載腔流量連續(xù)性方程 式中: Qp 為泵流量; Vp 為泵出口容腔體積; V1 為液壓缸負(fù)載腔體積; A2 為等差減壓閥閥芯有效截面積;A1為液壓缸滑塞有效截面積; xv 為等差減壓閥閥芯開度; E 為液體體積彈性模量; Ce 為液壓缸泄漏系數(shù); y 為液壓缸活塞位移。 等差減壓閥閥芯力平衡方程 液壓缸負(fù)載力平衡方程. 式中: m2 為等差減壓閥閥芯質(zhì)量; m1 為液壓缸活塞組件及負(fù)載的總質(zhì)量; B2 為等差減壓閥閥芯運(yùn)動的黏性阻尼系數(shù); B1 為活塞和負(fù)載的黏性阻尼系數(shù);Kt 為等差減壓閥閥芯平衡彈簧剛度; K 為負(fù)載的彈簧剛度; F 為作用在活塞上的任意外負(fù)載; Fg 為液壓缸產(chǎn)生的驅(qū)動力。 采用液壓加載方式，提供拉力和壓力交變載荷，按徑向水平加載（拉力）、軸向水平加載（拉壓力）的結(jié)構(gòu)布局；進(jìn)行輪轂單元性能試驗（一般耐久性試驗） ，軸向力通過車輪半徑加載。軸向和徑向加載分布試驗體兩側(cè)。其軸向加載油缸行程±30mm、徑向加載油缸行程±20mm。徑向加載位置可根據(jù)不同型號軸承力線調(diào)整，軸向加載位置可調(diào)。 本文中，為方便液壓缸的選擇與安裝，所選則的軸向和徑向加載油缸行程均為100mm. 第五章 汽車輪轂軸承總成性能試驗臺測試控制系統(tǒng)的設(shè)計 5.1 測試控制技術(shù)的選擇 測試技術(shù)是試驗機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)， 其性能的優(yōu)劣直接影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，測試技術(shù)發(fā)展很快，常用的測試方式均采用不同類型計算機(jī)測試，在計算機(jī)和傳感器之間安裝接口電路（濾波等信號處理系統(tǒng)）測試頻率、 測試精度由計算機(jī)和傳感器確定。 （1）單片機(jī)測試 這種測試方法簡單、 成本低， 但是內(nèi)存比較小，對數(shù)據(jù)要求高的試驗機(jī)一般不采用這種系統(tǒng)。 （2）計算機(jī)直接測試 測試系統(tǒng)一般由傳感器、濾波器、A/D 轉(zhuǎn)換和計算機(jī)組成。能存儲大量信息，可記錄軸承的全部試驗數(shù)據(jù)，記錄間隔按秒、分、時可以任意設(shè)置，可以真正做到無人看守、無人記錄。但由于受 CPU 的限制，采樣頻率較低，每秒鐘采樣低于 100 次，若需要更高的采樣頻率，則 CPU 只能停止其他工作，在某一段時間內(nèi)采樣頻率每秒可達(dá)幾千次。采樣精度則根據(jù) A/D 采卡的位數(shù)確定，一般高于 0.1%. （3） 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測試： 對于測量的參數(shù)很多、又要求采集頻率很高的測試系統(tǒng)，則采用網(wǎng)絡(luò)測試。即計算機(jī)上、下位機(jī)測試。上位機(jī)只管理系統(tǒng)，讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；而下位機(jī)采 用單片機(jī)或 PLC 單獨測試數(shù)據(jù)存入下位機(jī)中存儲器，當(dāng)存儲器即將存滿后，將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。下位機(jī)和上位機(jī)還可采取無線通信協(xié)議。這種測試系統(tǒng)復(fù)雜、 造價高，但抗干擾性好、測試速度快，一般用于采集振動信號，并進(jìn)行分析，以 及測試參數(shù)較多的場合。 5.2 測試參數(shù) （1）溫度測試： 一般測試試驗軸承的外圈溫度，特殊場合測試試驗軸承的供油、回油溫度。軸承溫度是軸承試驗機(jī)必測參數(shù)，軸承溫升的高低是確定軸承質(zhì)量高低的特征參 數(shù)之一。由于溫度參數(shù)變化緩慢，因而測試頻率要求不高，測試精度一般為 1%，要求較高的場合可達(dá) 0.5%或更高，普通軸承的外圈溫度傳感器測試范圍在 0-200℃. （2）載荷測試： 試驗軸承的載荷也是試驗機(jī)測試的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確度的高低直接影響軸承的試驗結(jié)果，對于壽命試驗機(jī)，采用壓力傳感器測出加載系統(tǒng)油壓，根據(jù)加載油缸面積，計算出載荷。由于油缸的邊沿效應(yīng)，實際測試中存在誤差；最高達(dá) 10%。因此，要用力傳感器進(jìn)行校正。在載荷恒定不變的情況下，采樣速度和響應(yīng)速度 一般傳感器均滿足要求。汽車輪轂軸承試驗機(jī)載荷的測試，采用力傳感器直接測 試。由于輪轂軸承試驗機(jī)為變載荷系統(tǒng)，因此測試頻率、響應(yīng)速度均要高于載荷 的變化速度。否則測試誤差可達(dá) 30%以上。 由于變載荷加載系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，因而測試精度及響應(yīng)速度對加載精度有著非常重要的作用。 （3）振動測試： 振動參數(shù)是判定軸承是否失效的重要參數(shù)之一。國標(biāo)：GB/T24607-2009 標(biāo) 準(zhǔn)《滾動軸承壽命及可靠性試驗與評定》中規(guī)定：疲勞失效是軸承的主要失效形 式，疲勞失效指軸承樣品的套圈式滾動體工作表面基體金屬出現(xiàn)的疲勞剝落。剝 落深度≥0.05mm， 剝落面積球軸承零件>0.5mm2， 滾子軸承零件≥1.0mm2。 這就要求測試振動信號要求精度高，靈敏度也要高，以便在軸承試驗過程中準(zhǔn)確判斷軸承失效的最佳時機(jī)，有效地保留疲勞失效樣本，為進(jìn)一步的軸承失效分析奠定良好的基礎(chǔ)。 當(dāng)然， 軸承疲勞失效時的振動值不是一個定值，對不同的試驗軸承，不同的試驗機(jī)的失效振動信號是不同的，這需要試驗人員根據(jù)經(jīng)驗來確定，不同的試驗機(jī)采用振動信號的單位也不太一樣。一般采用振動信號的均方根值來確定失效，當(dāng)需要對振動信號分析時則采用瞬時振動信號，采樣頻率則要求大于每秒一萬次。 另外，主電機(jī)電流也是測試的主要參數(shù)，其大小可以直接反映試驗機(jī)是否正常工作。有些有特殊要求的試驗，則要測試摩擦力矩、啟動力矩、軸心運(yùn)動軌跡等，保持架轉(zhuǎn)速、軸承轉(zhuǎn)速、潤滑油流量、環(huán)境溫度等參數(shù)。不管么樣的傳感器，隨時間的推移， 測試精度、 變送器放大倍數(shù)都要發(fā)生漂移。為保證測試精度，需要在測試軟件中對每個測試參數(shù)設(shè)置校正系數(shù)，以便定期校正。 5.3測試控制系統(tǒng)的設(shè)計 目前的試驗機(jī)絕大部分為工業(yè)計算機(jī)控制?？刂瓶梢酝耆龅綗o人值守，也可以做到一鍵式操作。試驗機(jī)的運(yùn)行，可以完全按照預(yù)先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)行，載荷的變化，轉(zhuǎn)速的變化，以及環(huán)境溫度的變化在允許的范圍內(nèi)可以任意實現(xiàn)，每個測試參數(shù)均設(shè)有上限報警值，當(dāng)所測試的參數(shù)超過報警值時，計算機(jī)控制自動停機(jī)。并記錄當(dāng)前參數(shù)。轉(zhuǎn)速、載荷、環(huán)境溫度均采用計算機(jī)閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度為 0.5%，載荷穩(wěn)態(tài)控制精度為 2%，溫度穩(wěn)態(tài)控制精度為 1%。若不計成本，控制精度還可提高。 本文中汽車輪轂軸承試驗臺的測試控制系統(tǒng)采用前面所述的計算機(jī)直接測試技術(shù)，即所謂的工控技術(shù)。主要通過計算機(jī)與PLC的控制相結(jié)合共同來控制試驗臺的工作以及測試相關(guān)的性能參數(shù)。如下圖，測試控制系統(tǒng)的示意圖。 圖5-1 測試控制系統(tǒng)的示意圖 機(jī)械工作部分主要包括軸承試驗臺、強(qiáng)化加載系統(tǒng)。軸承試驗臺提供強(qiáng)化壽命試驗機(jī)的支座和安裝試驗軸承; 強(qiáng)化壽命系統(tǒng)使用液壓缸為軸承提供可變壓力載荷, 液壓缸的壓力通過數(shù)字閥改變液壓缸的流量實現(xiàn)。 試驗數(shù)據(jù)測量部分采集的軸承檢測參數(shù)主要包括: 振動頻率、軸承溫度、軸向/徑向壓力、軸承轉(zhuǎn)動速度及轉(zhuǎn)動頻率等。軸承工作的時候其內(nèi)圈轉(zhuǎn)動,外圈不動固定在座體上, 4 個溫度計分別測量外圈上的溫度, 確定軸承疲勞破壞發(fā)生的溫度變化; 整個動態(tài)測試系統(tǒng)放在夾具上, 由軸向和徑向的壓力傳感器來測得所加載荷的實際壓力值, 記錄軸承試驗的壓力變化; 由轉(zhuǎn)速傳感器測量軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù); 由振動傳感器記錄軸承在測試過程中的振動量。所得數(shù)據(jù)送入控制系統(tǒng), 通過閉環(huán)控制方式控制軸承的轉(zhuǎn)速和載荷加載值; 同時被送入計算機(jī)組態(tài)系統(tǒng), 用于分析軸承測試結(jié)論。 電氣驅(qū)動及控制部分包括數(shù)字閥、變頻電機(jī)等執(zhí)行電器的驅(qū)動電路, 實現(xiàn)現(xiàn)場控制的 PLC 控制器及其擴(kuò)展模塊, 實現(xiàn)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)管理的計算機(jī)組態(tài) 系統(tǒng), PLC 控制器軟件系統(tǒng)和基于Labview的計算機(jī)組態(tài)程序。 參考文獻(xiàn) [1] 馮辛安，關(guān)慧貞等著：《機(jī)械制造裝備設(shè)計》[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2006年3月第2版. 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[19] 張雪萍.轎車輪轂軸承失效機(jī)理的理論與實驗研究[D].上海交通大學(xué),2002. 結(jié) 束 語 本次畢業(yè)設(shè)計將近尾聲，回首兩個多月的設(shè)計過程，感覺受益匪淺！ 通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅把大學(xué)四年所學(xué)到的理論知識很好的運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計中，而且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力，在處理問題時有了新的認(rèn)識和方法，并加強(qiáng)了和同學(xué)之間進(jìn)行探討和解決問題的能力。 在大學(xué)的學(xué)習(xí)中，我主修了機(jī)械工程及其自動化這個專業(yè)。通過對專業(yè)知識的接觸和深入學(xué)習(xí)，以及對相關(guān)信息的獲取，我深切地認(rèn)識到，就目前的發(fā)展而言，我國的工業(yè)還比較落后，與發(fā)達(dá)國家相比還存在很大的差距。盡管我們不斷地在努力，但想在很短的時間內(nèi)改變這種現(xiàn)狀是很難的，尤其是對于我們這樣一個國情的大國。所以，我們應(yīng)該擁有的是一種民族意識，不斷的追求創(chuàng)新。 本次畢業(yè)設(shè)計中，我做的是軸承檢測裝置的外觀設(shè)計部分，通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅鍛煉了自己查閱資料的能力，而且能夠熟練運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械類手冊和圖冊等工具進(jìn)行設(shè)計計算分析。這次畢業(yè)設(shè)計還讓我體會到團(tuán)體的力量，提高自己的團(tuán)隊意識，遇到問題時和小組成員進(jìn)行討論和分析或是請教明老師，直到得到滿意的結(jié)果。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，在我的頭腦里有了機(jī)械設(shè)計的具體步驟和設(shè)計過程所要考慮的細(xì)節(jié)問題，培養(yǎng)了我思考問題和解決問題的能力。對今后的工作將有很大的幫助，對一名即將踏入社會的大學(xué)生起到了很重要的指導(dǎo)作用。由于我的知識水平有限，設(shè)計中可能存在一些問題，謝謝老師和同學(xué)批評指正。 21 致 謝 轉(zhuǎn)眼間，為期兩個月的畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲了，這也象征著我們的大學(xué)學(xué)習(xí)的生涯也要結(jié)束了?；叵脒@兩個月來的設(shè)計，感觸多多，其中有過喜悅、有過灰心、有過頹廢，甚至有段時間真的覺得做不下去了。但當(dāng)我們克服一個又一個的難關(guān)后，我們的思路越來越清晰，喜悅的感覺越來越明顯。 在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的過程中，我的老師和同學(xué)們給了我很大的幫助，這里我向他們表示誠摯的敬意。 首先，我要感謝指導(dǎo)教師，通過這次畢業(yè)設(shè)計他教會了我如何去設(shè)計，怎么去設(shè)計，以及在最初構(gòu)思時，應(yīng)該注意的各種問題。他嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度、不辭辛勞指導(dǎo)我做畢業(yè)設(shè)計，嚴(yán)于律己，寬以待人的為人都給我留下了深深的印象。他的熱情，他的執(zhí)著，更是讓我終身難忘。這一切將對我以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。我還要感謝進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計中期檢查的各位領(lǐng)導(dǎo)和機(jī)械工程系的其他老師，他們及時的給我指出了畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中的不足，并且給予我很多完成設(shè)計的便利條件。 “三人行，必有我?guī)煛?。我還要特別感謝，我們同一個設(shè)計組的同學(xué)，她們給了我很多不錯的建議。 在各位老師和同學(xué)的大力幫助下，才使我的畢業(yè)設(shè)計得以完成。最后，再次對他們給予我的幫助，表示衷心的感謝！并對論文審閱老師的辛勤勞動表示敬意。