汽車第3代輪轂軸承單元的振動測試與分析*

李雪原 雷良育 董亮 劉兵 張輝

（浙江農林大學）

作為汽車的關鍵零部件，輪轂軸承單元起到支撐和傳動作用[1-3]。由于輪轂軸承單元的設計機構、加工制造精度、裝配條件和運行環境等因素的影響，容易產生振動現象。如果振動過大，將會降低輪轂軸承單元的使用壽命，影響汽車的整體安全性，甚至引發交通事故，因此振動要控制在一定范圍內。然而汽車第3代輪轂軸承單元的振動測試技術還處在起步階段，使用傳統的工程方法無法對其進行深入的振動測試和分析。文章提出一種加速度測試方法，對汽車第3代輪轂軸承單元進行振動測試，再對采集到的數據分析歸納，得出其規律并發現合理的振動頻率范圍，為汽車第3代輪轂軸承單元的質量管控提供參考依據。

1 輪轂軸承單元振動測試原理

輪轂軸承單元的振動測試原理與一般的振動測試原理有著諸多相似之處。按測量的方式主要分為加速度測量和速度測量2種方式[4]。根據輪轂軸承單元的結構特點，文章采用加速度測量方法來進行輪轂軸承單元的振動測試技術研究。所采用的輪轂軸承單元振動測試裝置的工作原理，如圖1所示。

圖1 輪轂軸承單元振動測試裝置工作原理

本輪轂軸承單元振動測試裝置，主要包括主軸潤滑油路系統、主軸傳動裝置、進料輸送帶、進料托爪機構、工件螺栓定位機構、工件夾持提升移動定位機構、軸承加載裝置、加速度型傳感器檢測裝置、出料輸送帶（合格與不合格）、電腦測量儀器及控制系統11個部分。文章針對主要測試部件和支撐運動部件加以闡述。主要工作過程如下：加載盤下降壓住輪轂軸承單元，同時施加中心橫向載荷。然后心軸在主軸的帶動下高速運轉，從而帶動輪轂軸承單元的轉動。傳感器1和傳感器2下降至輪轂軸承單元檢測位置，傳感器1主要檢測上半部分，傳感器2主要檢測下半部分，因此傳感器1的位置要略高于傳感器2。此時可進行輪轂軸承單元的振動測試檢測，對檢測的數據進行收集和存儲，以備后續的研究。待輪轂軸承單元振動測試完畢，加載盤在氣缸的帶動下上升至指定位置，同時左右2個傳感器也在對應氣缸的拉動下向上抬升，最后心軸停止轉動，整個測試過程結束。

2 試驗對象和設備

本研究針對汽車第3代雙列球型輪轂軸承單元進行振動測試技術研究，該型號輪轂軸承單元的（測量點）外徑為φ50，高度為120 mm（含螺栓），法蘭外徑為φ18。

采用國內某公司生產的3G振動測試儀，如圖2所示。該輪轂軸承單元振動測試儀的主軸采用立式，并采用液體動靜壓滑動軸承傳動，旋轉精度高；加載為上壓軸承方式加載（氣缸加載）和柔性加載（加載盤通過減振器柔性連接），在加載過程中有一定的緩沖減振，避免在加載過程中因剛性連接而損壞軸承及設備。該輪轂軸承單元振動測試儀最大的特點是從進料、檢測到出料等整個過程都自動完成，測試時間可根據需要調節，從而降低了勞動強度和提高了生產效率。

圖2 輪轂軸承單元振動測試儀

根據行業標準規定的測量要求，施加中心軸向載荷，主軸轉速為1 500 r/min[5]。該輪轂軸承單元振動測試儀的主要參數，如表1所示。其中，主軸轉速可通過觸摸屏輸入控制工作轉速。

表1 輪轂軸承單元振動測試儀的主要參數

3 測控系統

輪轂軸承單元振動測試儀的測控系統結構，如圖3所示。加速度傳感器將采集到的數據通過電荷放大器傳送到數據采集卡中，數據采集卡可以將傳感器采集的數據進行A/D轉換，并傳送給上位機。上位機可以與裝配控制總線通訊進行相應的裝配控制，同時控制PLC的動作，而且可以進行數據的處理存儲和顯示。

圖3 輪轂軸承單元振動測試儀的測控系統結構圖

加速度型傳感器檢測裝置其主要作用在于傳感器觸頭調整在軸承外圈合適位置，接觸到待測軸承的外圈，通過此傳感器將檢測到的機械振動加速度信號轉換成電子信號并輸送給電腦測量儀器。

驅動控制系統主要由電氣控制以及電線、氣缸和電磁閥等構成，其作用在于控制儀器各個部件的動作，使整個儀器準確與高效地運作[6]。

4 試驗和數據分析

根據試驗操作規程，進行汽車第3代輪轂軸承單元的振動測試和分析。經過振動測試，得到了其時域圖和頻域圖，其中又分為傳感器1和傳感器2分別測得的數據，分別記為通道1和通道2，如圖4和圖5所示。

圖4 輪轂軸承單元振動測試儀時域圖

圖5 輪轂軸承單元振動測試儀頻域圖

汽車第3代輪轂軸承單元內圈出現故障缺陷時，由于內圈隨轉軸一起旋轉，外圈固定，因此產生的沖擊振動頻率會呈周期性變化[7]，振動信號會受到轉頻的調制作用，從而在故障信號的包絡譜中將出現明顯的轉頻及其倍頻和內圈故障特征頻率成分。

從圖4中發現：2個傳感器采集的信號振動頻率在-500～500 Hz范圍內波動，均出現了6次左右的峰值。從圖5中可以看出其固有頻率和波動規律，峰值為30 Hz，除固有頻率外未出現明顯的波形雜亂現象。油潤滑狀態下的正常軸承振動信號較平穩，且振動加速度峰值較低。

輪轂軸承單元振動加速度級可以作為軸承振動水平的評價[8]。根據國家標準規定的軸承振動加速度級，可以設置加速度級閾值，初步判斷軸承合格與否。

為了測試汽車第3代輪轂軸承單元的振動特性，隨機選取了15個輪轂軸承單元作為測試樣本，進行振動測試。經過振動測試儀的具體試驗，采集到的振動參數經過算法處理得到數據圖，如圖6所示。

圖6 輪轂軸承單元振動測試儀傳感器采集到的數據圖

從圖6a中可以看出，傳感器1采集到的輪轂軸承振動波形的有效值、峰值和波峰因數值比較穩定，只是在一定范圍內發生微小的波動，但是域值變化的范圍較大，而且數值不穩定，樣本2的數值突變最大。從圖6b中可以看出，傳感器2采集到的輪轂軸承單元振動波形的有效值、峰值和波峰的變化特征與圖6a基本一致，只是變化區間有一些差別，這是因為2個傳感器測試的輪轂軸承位置不同導致的；域值的數值變化范圍大體上比較穩定，但是樣本2的數值變化較大，產生了突變現象，和圖6a中的變化特征基本一致。

根據產品的設計要求，設定產品的振動波形有效值為70 dB，峰值為90 dB，波峰因數為10，域值為200，超過設定值則判為不合格。樣本2的有效值、峰值和波峰因數符合產品要求，但是域值超出設定值，屬于不合格產品。樣本6的振動波形有效值、峰值和域值均在設定值之內，但是波峰因數超出設定值，同樣屬于不合格產品。產品的各項振動波形特征均在設計要求之內，才能滿足產品的使用要求，這對產品的安全性和可靠性起到重要的影響。

5 結論

1）通過加速度測試法對汽車第3代輪轂軸承單元進行振動測試，得出其時域圖和頻域圖，分析總結得出：每個型號的輪轂軸承單元都有其振動的固有頻率和相應的頻譜圖，超過這個范圍則說明其生產的產品質量和性能存在問題，由此可作為工廠生產輪轂軸承單元時，其質量和性能的檢測手段。

2）對試驗數據進行整理分析，得出其振動波形各項特征的分布規律。根據產品的設計要求，設定振動波形參數范圍，可作為判別產品合格與否的依據。一旦輪轂軸承出現質量問題,其固有振動頻率及幅值等參數將發生一些變化，由此可識別其異常原因，為輪轂軸承單元的故障診斷提供了理論依據和實踐指導。