重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的設計

□ 王國輝 □ 雷良育,2 □ 荊家寶 □ 胡 峰

1.浙江農林大學 工程學院 浙江臨安 311300 2.浙江兆豐機電股份有限公司 杭州 311232

1 設計背景

汽車輪轂軸承為汽車傳動系統提供支承、固定,并承擔整輛車的重力。當汽車在行駛過程中,輪轂軸承會受到軸向、徑向兩種載荷,是非常重要的汽車安全件[1-2]。近年來,我國輪轂軸承模擬測控技術取得了很大進展,研究人員開發出許多實用的軸承模擬測控系統。這些模擬測控系統絕大部分用于轎車和輕型車輛輪轂軸承的模擬試驗,而用于載荷大、連續運行時間長的重型卡車輪轂軸承的模擬測控系統,還較為欠缺[3]。筆者針對重型卡車輪轂軸承試驗的要求,通過對重型卡車或其它重型車輛輪轂軸承工作條件及現有試驗設備進行分析,逐步確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的監測與控制要求,最終研制出一套滿足重型卡車輪轂軸承試驗要求的輪轂軸承模擬測控系統。

2 主要技術指標

按照GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》[4],確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的相關技術指標。

(1) 試驗軸承類型:輪轂單元。

(2) 尺寸范圍:軸承內徑60～120 mm、外徑100～250 mm,輪轂單元輪廓外徑不大于500 mm。

(3) 試驗方式:內圈旋轉或外圈旋轉。

(4) 徑向載荷:最大200 kN,相對誤差±2%,載荷中心位置最大可調距離100 mm。

(5) 軸向載荷:最大±80 kN,相對誤差±2%,雙向加載,力臂350～600 mm。

(6) 主軸轉速:最高1 500 r/min,穩態相對誤差±2%,無級可調。

(7) 潤滑冷卻方式:試驗軸承采用油潤滑或脂潤滑,外置風冷;傳動軸承采用油潤滑,回路風冷。

(8) 切換時間:載荷方向和大小變化時,20 s內完成切換至90%目標載荷以上。

(9) 控制方式:工業控制計算機自動控制,可按試驗條件設定試驗參數;自動采集試驗數據,并記錄保存,可以隨時調閱;當參數超過預設限值時,可自動停機。

(10) 最大功率:約25 kW。

3 工作原理

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的工作過程為:系統啟動后,電動機驅動飛輪軸按速度譜或車輛行駛工況旋轉;飛輪軸通過花鍵連接,帶動試驗輪轂轉動;通過控制比例減壓閥,經加載套圈、加載套和加載軸承,將軸向、豎直徑向和水平徑向慣性載荷加載到試驗單元上。

輪轂軸承的溫度由固定在試驗軸承端面的溫度傳感器測出,取平均值。試驗軸承上的載荷由壓力傳感器進行測量,并與比例減壓閥構成載荷加載閉環系統。飛輪軸的轉速通過增量式光電旋轉編碼器來進行測量。模擬車輛制動時,通過人為方式或自動控制方式推動制動踏步板,使制動片和制動鼓相互摩擦來制動。制動慣性由飛輪和電慣性模擬系統共同施加于試驗軸承上。

輪轂軸承受到的摩擦力矩通過安裝在飛輪軸上的扭矩傳感器來測量。測量摩擦力矩時,豎直載荷加載油缸動作,從而帶動車輪模擬件下行,通過滑輪拉動安裝在輪轂導軌上的摩擦盤左行,緊靠加載套,實現加載套和輪轂一起轉動。此時,輪轂和加載套相當于一個整體,測出的摩擦力矩是單純的輪轂軸承摩擦力矩。

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的主要功能是對重型卡車行駛工況進行模擬,利用速度控制系統、載荷加載系統和制動模擬系統來測試重型卡車輪轂軸承的性能,并檢測整個試驗過程中重型卡車輪轂軸承相關參數的變化。通過分析溫度、載荷等參數,可以對輪轂軸承的性能進行考核。

根據重型卡車輪轂軸承的試驗要求,模擬測控系統要能夠模擬驅動輪的旋轉,以及驅動軸承所受的軸向力和徑向力。為了模擬以上參數,模擬測控系統需要設置電機控制系統、驅動系統、液壓加載系統、傳動系統、潤滑冷卻系統等[5]。模擬測控系統結構如圖1所示。

圖1 輪轂軸承模擬測控系統結構

在模擬測控系統中,可編程序控制器(PLC)接收工業控制計算機傳來的控制指令,經過處理后將控制信號傳輸給電機控制系統、液壓加載系統及潤滑冷卻系統,調整各參數至軟件中預設的試驗工況。模擬測控系統采用工業控制計算機編程控制,實時采集各個傳感器發送來的數據并進行記錄保存。設備故障或軸承失效時,工業控制計算機接收到信號,并自動停機和報警,實現對試驗過程的智能化控制。模擬測控系統原理框圖如圖2所示。

4 液壓加載系統

電液比例閥是一種新型液壓控制裝置,其控制原理如圖3所示。在控制時,通過指令元件給定控制信號,對控制信號與反饋信號進行比較,得出偏差,作為電控器的輸入值。電控器輸出控制電子-機械轉換器的信號,這一信號經過液壓放大元件,放大到足以驅動系統負載。其中,內環反饋元件通常為電液比例閥內部元件,用于改善電液比例閥的動、靜態性能,外環反饋元件可用于提高整個系統的性能和精度。

圖2 輪轂軸承模擬測控系統原理框圖

圖3 電液比例閥控制原理

電液比例控制的本質是電子-液壓-機械放大轉換系統,可以實現電信號與機械數字信號之間的轉換。電液比例控制與伺服控制相比,經濟性更好,抗污染能力更強;與開關控制相比,控制精度更高,響應速度更快。因為使用電控方式,所以系統可以實現遠距離控制,足以滿足大多數工業應用的需求[6]。電液比例控制的特點如下:

(1) 可由程序控制,極大簡化了液壓加載系統的構造;

(2) 可通過改變輸入信號,輸出指定規律的壓力與流量等參數;

(3) 利用電信號進行控制,可實現遠距離控制;

(4) 利用反饋實現閉環調節,可以保證控制的高精度。

在重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的液壓加載系統中,電液比例閥通過接收來自工業控制計算機的信號,控制閥體的減壓量,進而控制徑向載荷和軸向載荷加載油缸的壓力,并通過力傳感器來反饋液壓缸對輪轂軸承所施加的載荷,構成閉環控制,以提高系統的精度,改善動、靜態特性。液壓加載系統原理如圖4所示。

圖4 液壓加載系統原理

5 軟件設計

5.1 試驗參數

根據GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗及評定》、HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗方案等,確定重型卡車輪轂軸承模擬測控系統所需測試記錄的傳感器數據,包括軸承載荷、軸承溫度、主軸前端溫度、環境溫度、主軸后端溫度、軸承轉速、電流、當前風速、實時軸向載荷、實時徑向載荷、軸向振動、徑向振動。

5.2 數據庫模塊

數據庫模塊是重型卡車輪轂軸承模擬測控系統的核心模塊,用以提供測試中所需的參數,以及記錄測試中產生的各項數據[7-9]。在數據庫模塊中可實現參數保存、測試數據保存與處理、Excel測試報表生成、數據庫數據查詢等功能。數據庫模塊程序流程如圖5所示。

圖5 數據庫模塊程序流程

5.3 控制模塊

控制模塊能夠按照設定的要求,對重型卡車輪轂軸承模擬測控系統各模塊進行控制?？刂颇K程序流程如圖6所示[10]。

接收到測試開始的信號后,控制模塊從數據庫模塊與測控模塊中提取參數,并進行對比。通過分析參數,計算出調整值,并輸出至驅動系統和液壓加載系統。在參數達到預設值后,保持至載荷譜加載完畢,再從數據庫中獲取下一載荷譜參數,進入下一循環。

圖6 控制模塊程序流程

5.4 軟件界面

重型卡車輪轂軸承模擬測控系統軟件界面如圖7所示。軟件界面主要包括以下內容:① 圖表顯示區域,分為載荷、溫度、主軸電機、振動圖表曲線;② 試驗內容區域,區域名稱、編號等需在參數設置界面輸入,輸入完畢保存后即可自動生成到對應的顯示框中;③ 采樣與運行參數區域,采樣參數均為實時參數,正常打開測控軟件即可進入采樣監控狀態;④ 驅動啟停與運行狀態區域;⑤ 主控區域,設置參數及啟動各必要驅動項后,點擊開始按鈕,系統啟動,按照設置程序進入自動運行狀態。

6 測試結果分析

完成重型卡車輪轂軸承模擬測控系統設計后,還需要對其進行測試驗證。筆者通過對重型卡車RX16090006輪轂軸承單元進行耐久性測試,反映這一模擬測控系統是否可行與準確。設置工作轉速為800 r/min,選滾動半徑為556 mm的樣品在固定載荷下連續運行一個壽命周期,即137 h,未失效。繼續運行五個壽命周期,輪轂軸承樣品運行狀態良好。在徑向力為36.67 kN,軸向力為9.17 kN時,依照HZF重型卡車輪轂軸承單元中間密封試驗方案,輪轂軸承溫度不高于100 ℃為正常。參照國際標準化組織推薦的振動噪聲標準,為保護人們的聽力和身體健康,保障交流和通信聯絡,環境噪聲的最高允許值為60 dB。由系統軟件生成軸承溫度曲線,如圖8所示。測試過程中振動噪聲曲線如圖9所示。

圖9 振動噪聲曲線

根據JB/T 8571—2008《滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗規程》,軸承的溫升不超過環境溫度55 ℃,且最高溫度不得高于80 ℃,主軸溫度不得高于60 ℃。根據HZF重型卡車輪轂軸承單元試驗方案,可施加徑向載荷最大為200 kN,軸向載荷范圍為-80～80 kN,軸向和徑向振動在2.0 mm/s以下,且傳動軸振動在2.5 mm/s以下為正常。

按照設定的參數類型,利用模擬測控系統對數據進行了測試和采集,測得的具體數據見表1。

所得測試結果與實際標準進行對比,測試結果均在正常范圍內,且真實可靠。從試驗曲線看,軸承溫度范圍為70～80 ℃,振動噪聲在45 dB以下。重型卡車輪轂軸承在一個壽命周期內運行平穩,沒有發生任何失效。通過測試驗證確認,模擬測控系統設計合理,可用于重型卡車輪轂軸承的實際檢測。

表1 測試結果

7 結束語

輪轂軸承是汽車傳動系統中的重要承載部件,輪轂軸承的性能及可靠性制約著汽車工業的發展。相較于普通汽車,重型卡車的載重能力與壽命更加依賴于輪轂軸承的性能參數。因此,研究與開發重型卡車輪轂軸承模擬測控系統,是提高重型卡車輪轂軸承性能與可靠性的關鍵。筆者設計了重型卡車輪轂軸承模擬測控系統,并通過測試驗證了設計的合理性。這一模擬測控系統可用于對重型卡車輪轂軸承進行實際檢測。