車輪沖擊結果差異性分析及修正

2012-07-11 07:43:00趙忠興蘇成志孟凡一于培章宋洪烈

制造業自動化 2012年24期

趙忠興，蘇成志，孟凡一，于培章，宋洪烈，孫偉

（1. 長春汽車工業高等專科學校，長春 130013；2. 長春理工大學機電工程學院，長春 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。車輪沖擊試驗模擬了車輛在實際行駛過程中受到石塊等物的側向沖擊或撞擊公路牙邊的情況，是車輪定型性能試驗的必檢指標。國內各研究單位針對車輪研制開展了一系列車輪性能仿真試驗[1-7]，取得了一定成果，但由于車輪的復雜性，車輪的實際性能與設計性能仍存在一定的差異，需要通過車輪模擬試驗機進行驗證。目前，國內各車輪模擬試驗機研制單位依據國家標準[8]研發的車輪沖擊試驗機，都采用落錘式沖擊方法，即沖擊重錘從一定高度豎直下落沖擊在車輪上，沖頭下落高度應在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm處；試驗車輪安裝的軸線方向與沖頭運動方向成13°夾角，沖擊質量根據試驗車輪所需的載荷值來調整。在車輪沖擊試驗中發現，同一批次的車輪采用不同沖擊試驗機進行試驗時，其試驗結果存在差異，造成試驗結論缺乏客觀性，為此，對車輪沖擊試驗結果進行了差異性分析，并提出了一種修正方法。

1 影響車輪沖擊試驗的因素分析

車輪沖擊試驗機通常由門式機架、重錘機構、車輪支架構成，如圖1所示。機架用于安裝車輪支架。重錘機構由移動橫梁、主錘、副錘、小副錘、電磁起重吸盤等組成，其中移動橫梁負責帶動主錘沿兩側立柱上升、下降，為了減少摩擦主錘與立柱采用行輪體配合，減小摩擦對下落的影響；副錘和小副錘跟隨主錘上下移動；電磁起重吸盤安裝在移動橫梁下表面，試驗時用來吸合和釋放主錘。在沖擊車輪時，移動橫梁將重錘機構拖到所需高度，選擇沖擊重量后，電磁起重吸盤釋放完成沖擊。

圖1 車輪沖擊試驗機結構簡圖

整個沖擊試驗的能量全部來源于從沖擊高度下落的沖擊重錘所具有的動能。進行同一批次不同車輪進行沖擊實驗時，試驗用沖擊重錘質量完全相同，根據國家標準規定沖擊高度也完全相同，具有的勢能也完全相同，并有標準數值，根據勢能與動能的轉化，沖擊車輪的能量應該與重錘勢能相等，但在試驗中，重錘下落到與車輪接觸瞬間，重錘勢能并未完全轉化為動能，存在能量損失，主要體現在以下兩個方面：

1）電磁起重吸盤釋放瞬間，電磁起重吸盤會有剩磁，沖擊重錘仍然會受到電磁吸力作用，沖擊重錘需要克服電磁吸力進行落體運動。每臺沖擊試驗機的電磁吸盤的剩磁存在差異，是造成能量損失的主要因素之一；

2）在重錘下落過程中，沖擊主錘行輪體沿兩側立柱下落，沖擊主錘與兩側立柱產生摩擦，雖然摩擦對沖擊能量和沖擊速度的損失比較小，但也會對整體沖擊能量造成影響。

此外，即使各試驗機能量損失相同，車輪支架的剛度不同，車輪的沖擊結果也存在差異。因此，為了達到各沖擊試驗機沖擊結果的一致性，一方面要消除車輪支架對沖擊結果的影響，另一方面減小各試驗機能量損失的不同，采用損耗能量修正方法，使不同的試驗機具有相同沖擊能量。

2 沖擊試驗修正原理

2.1 系統修正原理

根據國家標準規定，轎車車輪沖擊試驗沖頭下落高度應在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm處，在進行同一批次不同車輪試驗時，為了獲得客觀的實驗結果，既要保證沖擊試驗的有效性，又要保證不同車輪試驗時沖頭對車輪的沖擊能量相同，在沖擊高度相同的情況下，便可以得到整個車輪沖擊試驗機的最大沖擊能量：

式中：

E為車輪沖擊試驗機最大沖擊能量(J)；

M為沖擊重錘質量(kg)；

H為沖擊高度 (m)；

V為重錘下落理論最大沖擊速度(m/s) ；

g為重力加速度(m/s2)。

根據勢能和動能轉化，我們可以得到在不計能量損失的情況下，重錘的動能應該與勢能相等即：

由式（2）可得，理論最大沖擊速度為：

設實際的重錘沖擊瞬間速度（末速度）為v，則沖擊重錘與車輪的實際沖擊能量為但是在實際中，重錘下落的末速度要小于最大沖擊速度，則

沖擊過程損失能量為：

圖2 沖擊高度修正原理圖

如圖2所示，為了保證沖擊試驗的有效性，需要對損失的能量進行補償，這里通過提高重錘沖擊高度來進行能量補償。通過補償沖擊高度h來使得沖擊重錘與車輪沖擊能量達到能量最大值E，

把式（6）代入式（5），可得到補償的沖擊高度h為：

這樣可以將沖擊高度設定為H+h，就能夠保證沖擊車輪的總能量為E，從而實現沖擊瞬間沖擊重錘的沖擊能量都相同。在補償沖擊高度h中，只有重錘沖擊瞬間速度v未知，因此只要求出v值，就可以得到補償的沖擊高度。

2.2 系統實現

為了求得沖擊重錘沖擊瞬間的速度v值，針對試驗機的整體結構，如圖3所示的沖擊末速度檢測系統。整套檢測系統安裝在試驗機立柱的后面，由增量式光電編碼器、同步齒形帶、同步齒形帶輪、彈簧、鋼絲、轉輪構成。光電編碼器與同步齒形帶輪同軸連接，安裝在立柱上，同步齒形帶左端與沖擊主錘鉸鏈鏈接，可由沖擊主錘帶動齒形帶移動，齒形帶右端與彈簧聯接，彈簧下方連接有鋼絲，鋼絲下方通過轉輪，轉輪同樣也固定在立柱上，鋼絲另一端通過鉸鏈鏈接到主錘上。將沖擊重錘的線位移轉換成角位移進行測量，從而計算出沖擊重錘的行走位移和沖擊重錘沖擊瞬間的速度。

圖3 沖擊末速度檢測系統

3 沖擊試驗

3.1 試驗條件

選用某公司的車輪進行沖擊試驗，沖擊重錘重量為1000kg，輪胎胎壓為200KPa，沖擊高度為230mm，沖擊位置為沖頭板側邊與輪輞輪緣重疊25mm。整個車輪沖擊試驗過程順利，試驗完成之后，車輪輪輻未出現目測可見的穿透裂紋，輪輻沒有從輪輞上分離，輪胎氣壓沒有變化，車輪完好，沒有損壞。

3.2 試驗數據與分析

表1 車輪沖擊試驗數據

表1所示為車輪沖擊試驗中測量得到的30組試驗數據，每組數據采集時間為8ms，將實驗數據經過處理分析后得到如圖4所示的車輪沖擊速度與時間關系曲線圖。沖擊重錘沖擊車輪后會反彈，反彈速度小于重錘下落最大速度，反彈到一定高度后，重錘會繼續下落沖擊車輪發生第2次沖擊，如此反復，沖擊重錘會對車輪實現多次沖擊，反彈高度會逐步減小，直至不再反彈。對車輪進行多次沖擊，每次沖擊所達到的最大高度都會減小。從圖4中可以看出，隨著沖擊進行，沖擊速度在不斷減小，直至沖擊重錘停止。重錘沖擊車輪瞬間最大速度為2.06784m/s，為沖擊重錘第一次沖擊瞬時速度。