汽車輪轂軸承單元力矩剛度試驗機

王健，黎建濤，范圍廣，張亭亭，楊嘯

(1.洛陽軸研科技股份有限公司,河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.萬向集團公司 技術中心，杭州 311215)

輪轂軸承在汽車非直線行駛過程中(即在一定的側向加速度下處于轉彎狀態)會受到外部載荷形成的力矩作用[1]。力矩剛性是角剛度的另一種表述，是輪轂軸承重要的性能指標，輪轂軸承的力矩剛性顯著影響著汽車的行駛舒適性、轉向平穩性以及安全性，因此汽車制造商對此要求非常嚴格[2]。

隨著汽車行業的快速發展，輪轂軸承單元力矩剛性的試驗研究也越來越受到人們的關注。為了進一步提高輪轂軸承單元的設計水平和產品質量，為輪轂軸承單元的產品設計、理論分析以及裝車配套應用提供真實有效的數據參考，開發了一種汽車輪轂軸承單元力矩剛性試驗機，介紹了其主體設計以及軸承試驗情況。

1 主要技術參數及功能要求

試驗機可試驗軸承內徑范圍為20～70 mm；最大徑向載荷10 kN，最大軸向載荷15 kN；加載力臂調節范圍為徑向100～250 mm，軸向220～350 mm(輪胎半徑)；最大相對傾角測量范圍為2°，測量精度小于等于0.005°；試驗機采用氣動加載方式，手動調節載荷，由計算機自動測試徑向載荷、軸向載荷、位移等信號并自動計算剛度值，計算機還具有數據存儲及調用功能。

2 試驗機結構

試驗機由機械主體、氣動加載系統、電氣測控系統3部分組成。

2.1 機械主體

試驗機機械主體結構如圖1所示，輪轂軸承單元固定安裝在機械主體的工作臺上，由氣動加載系統的2個加載氣缸分別施加一定的徑向、軸向力矩載荷，輪轂軸承單元在力矩載荷的作用下產生的位移變形由高精度位移傳感器測得。

1—徑向氣缸；2—杠桿；3—徑向滑塊；4—徑向拉力傳感器；5—調節絲套；6—試驗頭組件； 7—軸向滑塊；8—軸向拉力傳感器；9—工作臺；10—軸向氣缸；11—調節導軌；12—床身

2.1.1 試驗頭

試驗頭是試驗機的核心部件，用來完成試驗軸承、加載裝置以及傳感器的安裝和連接。試驗頭結構如圖2所示，試驗軸承通過芯軸預緊，內圈凸緣安裝在固定底座上，外圈通過加載體與徑向、軸向加載裝置相連，在圖示同一切面的8個測點位置(A，A′，B，B′，C，C′，D，D′)分別安裝1個位移傳感器，用于測試軸承在受力時各點的相對位移變化量，并將測試信號傳輸到計算機進行計算分析。

1—固定底座；2—試驗軸承；3—預緊芯軸；4—傳感器支架；5—位移傳感器；6—加載體；7—加載臂

2.1.2 測試原理

輪轂軸承單元的力矩剛性定義為輪轂凸緣相對轉向節凸緣的傾斜角(相對傾斜角)，是輪轂主軸的傾斜角、軸承內部結構產生的傾斜角以及外圈凸緣的傾斜角之和[3]。

輪轂軸承的力矩剛性分析一般是在對輪轂軸承施加徑向載荷和軸向力矩載荷條件下，通過測試與計算輪轂凸緣相對轉向節凸緣的傾斜角完成。

基座的相對傾斜角為

θB=arctan(SB′-SB)/λB′B，

輪轂凸緣的相對傾斜角為

θS=arctan(SC′-SC)/λC′C-θB，

軸承本身的相對傾斜角為

θA=arctan(SA′-SA)/λA′A-θS-θB，

轉向節凸緣(外圈凸緣)的傾斜角為

θK=arctan(SD′-SD)/λD′D-θS-θA-θB，

則輪轂軸承的力矩角剛度為

式中：SA，SB，SC，SD，SA′，SB′，SC′，SD′分別為各測點位置上的位移變化量；λA′A，λB′B，λC′C，λD′D分別為各對應測點間的距離；Fa為軸向載荷；R為加載半徑，相當于輪胎半徑。

2.2 氣動加載系統

試驗機采用氣動加載方式，氣源為壓力P≥0.6 MPa的潔凈空氣，由過濾器過濾凈化后分2路分別進入軸向、徑向減壓閥。手動調節減壓閥，通過控制輸出氣壓控制軸向氣缸和徑向氣缸的輸出，從而向軸承施加徑向、軸向載荷。加載系統由換向閥控制氣缸的進退，由單向節流閥控制氣缸的動作速度，保證加載穩定準確。

1—氣源；2—過濾器；3—減壓閥；4—壓力表；5—換向閥；6—軸向氣缸；7—節流閥；8—消聲器；9—徑向氣缸；10—拉壓力傳感器

2.3 電氣測控系統

試驗機電氣測控系統由電控柜、傳感器及其變送器、工控機及軟件程序等組成。

電氣測控系統原理如圖4所示，位移傳感器經位移變送器將位移形變信號轉變為電信號，力傳感器經力變送器將受力轉變為電信號。8路位移電信號和2路力電信號經A/D轉換為數字量進入計算機，由計算機實時顯示采樣數值及計算結果。

圖4 電氣測控系統原理圖

試驗機測試程序主界面如圖5所示，采用C++Builder編制，用于實時顯示并記錄測試過程中的徑向載荷、軸向載荷以及各測點變形位移量的數據，自動計算出各傾角值和力矩剛度值并繪制出曲線，最后根據人工設定的剛度限值給出合格判定。

圖5 軟件程序主界面

3 試驗情況

對某型號輪轂軸承單元進行裝機試驗，試驗軸承外形結構尺寸如圖6所示。

圖6 某型號輪轂軸承單元

試驗條件為：輪轂軸承單元預緊力320 N，徑向載荷3 800 N,軸向力臂320 mm(輪胎半徑)，逐步施加軸向載荷至15 000 N，分段測試計算。

試驗過程中計算機自動測試、計算出各相對傾斜角及力矩角剛度值，自動生成并保存數據及曲線，試驗結果如圖7所示。

圖7 試驗結果

從圖中可以看出，各相對傾角變化與所施加的載荷基本成線性關系，與理論設計相符。輪轂軸承單元在最小加載力矩600 N·m時角剛度值為271.6 kN·m/rad，在最大加載力矩4 800 N·m時角剛度值為527.2 kN·m/rad，平均角剛度值為445.1 kN·m/rad，滿足該型號軸承廠家規定的250～550 kN·m/rad力矩角剛度限值要求。

經試驗測試運行，試驗機加載平穩、工作可靠，載荷、位移等信號測試準確，并能根據測試數據直接計算出軸承力矩剛度值，測試結果與理論設計相符，說明試驗機滿足汽車輪轂軸承單元的力矩剛性試驗要求。

4 結束語

介紹了汽車輪轂軸承單元力矩剛性試驗機的總體結構設計及試驗原理，并通過某型號輪轂軸承單元的裝機試驗考核了試驗機在穩態加載下的信號測試能力及可靠性。試驗機總體方案設計合理，電氣測控系統原理正確、抗干擾能力強、運行安全穩定，軟件系統界面清晰、操作方便、功能齊全。可為汽車輪轂軸承單元的設計及裝機使用提供真實有效的試驗數據，以供參考。