擺錘直驅式車輪彎曲疲勞試驗機

蘇成志，陳 棟，李開亮，王德民，曹國華

（長春理工大學 機電工程學院，吉林 130022）

0 引言

車輪作為車輛的重要組成部分，關系到車輛行駛的安全性。車輪彎曲疲勞性能是車輪定型試驗的必檢指標之一[1]。國外目前采用仿真的方法對車輪進行虛擬彎曲疲勞試驗，縮短了設計周期、降低了研發成本[2～4]。但由于車輪輪輻受力的復雜性和螺栓孔處嚴重的應力集中現象，以及實際車輪的鑄造缺陷和機加缺陷等原因的存在，仿真模型難以精確，仿真結果與實際的車輪彎曲疲勞性能差異較大。

國內目前的車輪彎曲疲勞試驗機主要有車輪旋轉、載荷不動和車輪固定、載荷旋轉兩種工作形式[5～9]。前者試驗精度較高，更接近車輪的實際行駛狀態，更符合實際使用狀況，但存在車輪調整、安裝費力，試驗速度慢，工作效率低等問題，且由于車輪旋轉，不便于在試驗進行中觀察車輪輪輻表面的裂紋情況，能耗較大，不適于在試驗室環境下進行大批量試驗。后者克服了上述缺點，但由于采用萬向節傳遞動力驅動擺錘，造成了車輪安裝不便，車輪裝卡的夾具過于復雜等問題。

因此，研制了一種以PLC為控制核心，采用空心軸電機代替萬向節直接驅動擺錘的車輪彎曲疲勞試驗機。

1 試驗機方案

車輪彎曲疲勞試驗機的原理如圖1所示。兩個汽缸推動滑盤沿三個導向柱做升降運動，把加載軸和車輪推起或拉下，完成待試驗車輪與試驗完車輪的更換；通過T型螺栓把車輪壓固在工作臺上；加載軸一端與車輪輪輻通過螺栓聯接，另一端加裝擺錘和空心軸電機，空心軸電機拖動擺錘做回轉運動產生離心力，使加載軸受拉做渦擺運動，從而實現車輪回轉彎矩的加載；四個減振地腳用來對試驗機減振，可使試驗機直接安放于地面，省去了隔離地基；兩個正交應變片檢測加裝彎矩的大小，經信號調理器放大，由PLC實時采集作為反饋量用于恒彎矩控制；伺服驅動器根據編碼器檢測的擺錘回轉速率控制空心軸電機的速率變化；觸摸屏作為上位機，接收用戶的試驗參數和指令，通過RS485總線傳送給PLC；PLC作為試驗機的控制核心，負責試驗機所有功能動作的協調控制。

圖1 車輪彎曲疲勞試驗機原理圖

2 試驗機標定

設擺錘的轉速為n，則施加于車輪上的彎矩為

其中：m為擺錘不平衡質量；

r為擺錘不平衡質量的偏心距；

L擺錘到車輪的加載長度。

在車輪彎矩疲勞試驗機研制定型后，從式（1）可知，車輪彎矩大小取決于擺錘不平衡質量m和擺錘的轉速n，因此，必須對疲勞試驗機進行標定，先進行應變片靜態標定，再進行不同不平衡質量m時車輪彎曲M和擺錘轉速n的關系曲線的動標定。

2.1 靜標定

把試驗時旋轉的擺錘拆掉，換上經計量院標定過的0.1級標準力傳感器和標定輔具，如圖2所示。

圖2 靜標定裝置

通過輔具拉動加載軸產生試驗機額定拉力，同時記下標準力傳感器和應變片的輸出電壓值，本試驗機為10000N ·m時應變片輸出電壓值為10.01v，應變片靈敏度標定系數為999N ·m/v。

2.2 動標定

擺錘采用0.5kg和1kg兩種不同質量，擺錘轉速n從600 rpm到2100rpm連續旋轉，獲得部分標定數據如表1所示，其圖像如圖3所示。M和n呈非線性關系，給定待試驗車輪額定彎矩，可根據圖3采用插值法確定擺錘轉速。

圖3 M—n標定曲線

表1 標定數據

3 控制原理

M—n曲線確定后，從式（1）可知，要想實現車輪彎曲疲勞的恒彎矩試驗，必須精確控制擺錘的轉速。這里，采用基于PLC的PID雙閉環控制算法。首先采用S7-200PLC的編程軟件Micro/WIN中自帶的PID參數自整定模塊（如圖4所示）設計PID控制器，其優點是無需知道試驗機的數學模型即可完成控制器設計。本控制系統的PID校正模型為

式中：yn為調節器第n次輸出值；采樣周期 TS=1s；增益Kc=8.0；積分項TI=1.0；微分項TD=0；en=SPn-PVn，en為第n次給定彎矩和反饋彎矩采樣偏差；同理en-1為第n-1次采樣偏差；yinitial為PID回路的初值，為了避免試驗機啟動時超調過大，首先根據給定彎矩通過M—n關系曲線確定轉速，使試驗機開環運行至檢測彎矩與給定彎矩相對誤差小于10%時，再自動切換到PID閉環控制。

控制框圖如圖5所示。應變片實時檢測車輪彎矩，經信號調理電路放大為電壓信號，由A/D模塊轉換為數字量，與給定彎矩相比較，根據彎矩偏差量，PID控制器根據試驗機自整定模型式（2）校正轉速，經D/A模塊轉換為電壓量，控制器伺服驅動器，驅動器根據給定的轉速和編碼器實測轉速的偏差量控制空心軸電機。這里伺服控制器、空心軸電機和編碼器構成了速度閉環；PLC、伺服驅動器、空心軸電機、加載軸、應變片和信號調理器構成了彎矩閉環，從而實現了車輪加載的恒彎矩精確控制。

圖4 PID自整定

圖5 控制框圖

4 電氣設計

本試驗機觸摸屏采用國產昆侖通態公司型號為TPC1063型嵌入式一體工控機；空心軸軸電機選擇韓國Metronix公司的APM-HE15A型空心軸軸伺服電機；伺服驅動器選用韓國APD-VS15型控制器；PLC系統采用西門子公司CPU224XPsi型CPU，其擴展模塊為1個4通道EM231模擬量輸入模塊（ADC）。CPU模塊接線原理如圖6所示，模擬擴展模塊接線原理如圖7所示，輸入點分配表定義如表2所示，輸出點分配表定義如表3所示。

表2 輸入點分配表

圖6 CPU模塊接線原理

圖7 模擬擴展模塊接線原理

表3 輸出點分配表

5 軟件設計

5.1 PLC程序設計

PLC程序流程如圖8所示，主要實現伺服電機的啟停，滑臺的升降，恒彎矩控制和擺錘回轉圈數計數。

5.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏開發軟件采用昆侖通態公司研發的MCGS嵌入式組態軟件。以此平臺上開發的用戶操作軟件如圖9所示，可完成試驗參數設定，試驗狀態的監測（試驗圈數、擺錘轉速和彎矩），試驗數據保存、顯示、制表打印和故障報警等功能。

6 實驗

依據GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》中的試驗要求，對型號為15*6.0JJET45的車輪進行了加載試驗，其額定彎矩為1977N ·m。記錄實測彎矩部分數據如表4所示。

由表4可知：最大相對誤差為0.585%，滿足彎矩控制精度高于1%的要求。

7 結論

從上述分析和實驗可知：

1）研制的以PLC為控制核心，采用空心軸電機代替萬向節直接驅動擺錘的車輪彎曲疲勞試驗機，滿足彎矩控制精度高于1%的要求；

2）試驗機的靜動標定方法建立了彎矩和轉速關系曲線，通過給定彎矩反求轉速，開環運行電機，解決了試驗過程中電機啟動超調過大問題；

3）速度彎矩雙閉環控制方法解決了試驗過程中車輪剛度變小車輪破壞加速問題，保證了試驗的可靠性。

圖8 PLC程序流程圖

表4 實測彎矩部分數據

[1] GB/T5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[S].

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