汽車懸掛支承軸承試驗(yàn)機(jī)

程旭彥，王玉國，申志新，郭靜瑜，包建飛，宋吉祥

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.常熟長城軸承有限公司，江蘇 常熟 215500)

我國的汽車工業(yè)起步較晚，國產(chǎn)懸架技術(shù)比較落后，其配套塑料軸承的生產(chǎn)技術(shù)也比較落后，但是軸承的性能直接關(guān)系到懸架的性能。隨著近年來國產(chǎn)汽車整體的蓬勃發(fā)展，汽車懸架的發(fā)展也勢(shì)在必行，塑料軸承的生產(chǎn)制造技術(shù)也在摸索與發(fā)展中。為正確評(píng)估和控制塑料軸承的質(zhì)量，對(duì)塑料軸承的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了研制。

1 汽車懸掛支承軸承結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

汽車懸掛軸承為塑料制品,其構(gòu)造如圖1所示，由上、下外殼和內(nèi)芯組成。使用時(shí)裝在汽車懸架滑柱總成中，上、下外殼和內(nèi)芯組成一個(gè)旋轉(zhuǎn)體。汽車懸掛的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支承力、制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊載荷，衰減由此引起的振動(dòng)，保證乘員的舒適性，減小貨物和車輛本身的動(dòng)載荷。該軸承在懸掛中的作用是減少因前輪轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦力，并且承受汽車前軸的載荷。軸承材料為聚四氟乙烯，相比較金屬軸承，基本不需要潤滑，壽命較長。

圖1 汽車懸掛軸承示意圖

2 試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

(1)試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速范圍：30～120 r/min；

(2)擺動(dòng)范圍：±45°；

(3)工作載荷：軸向?yàn)?5 kN，其誤差不超過2%，

徑向?yàn)?0 kN，其誤差不超過2%；

(4)試驗(yàn)軸承內(nèi)徑：20～60 mm；

(5)測(cè)控方式：微機(jī)自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警停機(jī)和自動(dòng)記錄；

(6)測(cè)量參數(shù)：扭矩、溫度、轉(zhuǎn)速、主機(jī)電流及軸向載荷、徑向載荷；

(7)其他性能：可進(jìn)行加熱和泥水試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)

針對(duì)懸掛軸承的結(jié)構(gòu)及使用特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的加載、旋轉(zhuǎn)、加熱、泥水等系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照軸承的實(shí)際工況將軸承安裝于立式試驗(yàn)軸上。利用軸向和徑向油缸給軸承施加載荷，在油缸活塞桿和軸承之間安裝力傳感器來檢測(cè)所施加載荷的大小。由于軸承在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)動(dòng)范圍約為±45°，且頻率為0.5～2 Hz，電動(dòng)機(jī)直連減速機(jī)后作為驅(qū)動(dòng)裝置，采用四桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)軸±45°的擺動(dòng)(連桿機(jī)構(gòu)各桿長度經(jīng)過計(jì)算，按照試驗(yàn)要求輸出擺動(dòng)角度)。傳動(dòng)軸上安裝有扭矩傳感器，在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承的摩擦力矩。

1—變頻電動(dòng)機(jī)；2—減速機(jī)；3—連桿機(jī)構(gòu)；4—扭矩傳感器；5—傳動(dòng)軸系；6—油缸支架；7—徑向加載油缸；8—徑向傳感器；9—軸向加載頭；10—軸向加載油缸；11—軸向力傳感器；12—加載塊；13—試驗(yàn)軸承；14—軸；15—連接盤；16—工作臺(tái)，17—床身圖2 試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)不同型號(hào)、尺寸的軸承時(shí)，只需更換加載塊和軸即可。此試驗(yàn)機(jī)主體結(jié)構(gòu)符合汽車懸掛軸承的工況要求，可靠性高，操作簡單、方便。

4 液壓加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)采用比例液壓技術(shù)加載，液壓原理如圖3所示(圖中僅顯示一個(gè)加載油缸，另一加載油缸原理相同)。液壓加載系統(tǒng)由油泵、過濾器、溢流閥、比例減壓閥、冷卻器和換向閥等元件組成。工作時(shí)，根據(jù)被試軸承的載荷要求編制相對(duì)應(yīng)的載荷譜，來控制載荷的大小和加載時(shí)間，計(jì)算機(jī)、比例閥、力傳感器組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)軸承進(jìn)行加載。

1—油泵；2—過濾器；3—溢流閥；4—比例閥；5—電磁換向閥；6—加載油缸；7—壓力表；8—冷卻器圖3 液壓原理圖

5 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)(圖4)是整臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的重要部分，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、加載控制系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器測(cè)量系統(tǒng)組成。可利用RS-485通信模塊通過測(cè)控軟件監(jiān)測(cè)主機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)。利用溫度、扭矩和壓力傳感器監(jiān)測(cè)軸承溫度、扭矩以及載荷等信號(hào)。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)可以自動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)程序，精確依據(jù)預(yù)設(shè)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速譜和載荷譜進(jìn)行試驗(yàn)，自動(dòng)測(cè)控并記錄試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)異常情況則自動(dòng)報(bào)警、停機(jī)，并記錄報(bào)警原因、時(shí)間等。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

6 泥水和加熱試驗(yàn)

泥水和加熱試驗(yàn)相比常規(guī)的壽命試驗(yàn)，更能檢驗(yàn)軸承的性能，泥水和加熱狀態(tài)下軸承的啟動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是軸承質(zhì)量的重要考核指標(biāo)。相對(duì)應(yīng)軸承使用中的泥水和高溫環(huán)境，本試驗(yàn)機(jī)可模擬軸承工況，對(duì)軸承施加一定載荷，進(jìn)行加熱和泥水試驗(yàn)。并可通過計(jì)算機(jī)編制試驗(yàn)程序，控制泥水噴濺時(shí)間及頻率、加熱溫度、加熱時(shí)間等參數(shù)。

6.1 泥水試驗(yàn)

如圖5所示，安裝泥水箱于軸承安裝軸上，泥水箱隨主軸往復(fù)擺動(dòng)，泥水通過進(jìn)水接頭噴濺于軸承上，然后通過出水接頭流回水箱。試驗(yàn)中可根據(jù)要求調(diào)整泥水的配比和流量。

1—進(jìn)水接頭；2—泥水箱；3—出水接頭；4—傳動(dòng)軸系；5—連接盤；6—軸；7—試驗(yàn)軸承；8—加載塊圖5 泥水試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖

6.2 加熱試驗(yàn)

如圖6所示，加熱箱安裝于工作臺(tái)上，加熱箱內(nèi)固定石棉進(jìn)行隔熱保溫，利用加熱圈內(nèi)的電加熱棒進(jìn)行加熱。溫度通過溫控儀控制，并由溫度傳感器測(cè)試。最高加熱溫度可達(dá)到200 ℃。

1—溫度傳感器；2—電加熱棒；3—加熱圈；4—加熱箱；5—加載塊；6—試驗(yàn)軸承；7—軸；8—連接盤；9—傳動(dòng)軸系；10—工作臺(tái)圖6 加熱試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

6.3 試驗(yàn)實(shí)例

對(duì)某型汽車懸掛支承軸承在加熱環(huán)境下進(jìn)行扭矩測(cè)試，其技術(shù)要求為：軸向載荷為4 kN；最大扭矩4 N·m；轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為±45°；轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為1 Hz；循環(huán)次數(shù)為100次；環(huán)境溫度為80 ℃。

試驗(yàn)過程如下：將軸承、加熱裝置按照?qǐng)D6分別裝好，計(jì)算機(jī)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為60 r/min，加熱溫度設(shè)定為80 ℃，溫度報(bào)警設(shè)定為85 ℃，扭矩報(bào)警設(shè)定為4 N·m進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程界面及數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖中可以得出，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)扭矩，即軸承的摩擦力矩(本次試驗(yàn)忽略傳動(dòng)軸系的摩擦力矩)為1.2 N·m，換向時(shí)扭矩可作為軸承的啟動(dòng)力矩(忽略傳動(dòng)軸系的啟動(dòng)力矩)，為1.3 N·m。

圖7 試驗(yàn)界面及數(shù)據(jù)

為使試驗(yàn)結(jié)果更加精確，應(yīng)先不安裝試驗(yàn)軸承測(cè)出傳動(dòng)軸系的摩擦力矩及啟動(dòng)力矩，安裝試驗(yàn)軸承后所得扭矩?cái)?shù)值減去傳動(dòng)軸系摩擦力矩和啟動(dòng)力矩，即得到試驗(yàn)軸承自身的摩擦力矩和啟動(dòng)力矩。

7 結(jié)束語

該汽車懸掛軸承試驗(yàn)機(jī)，可真實(shí)地模擬軸承的實(shí)際工況，對(duì)軸承進(jìn)行各項(xiàng)性能和耐久性試驗(yàn)；可測(cè)出軸承在各種工況下的啟動(dòng)力矩和摩擦力矩，并對(duì)軸承壽命進(jìn)行評(píng)定。通過試驗(yàn)可以正確了解影響該軸承失效的主要因素，為塑料軸承的開發(fā)研制提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。