滑移門滾輪與導軌匹配性試驗研究

陳偉通 易煒 謝秋明 李濤

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

滾輪作為汽車滑移門上重要的功能件之一，對滑移門起到支撐、滑動及導向的作用，其與導軌的配合性能直接影響滑移門的可靠性、安全性和舒適性，因此對滾輪和導軌進行試驗驗收是非常必要的。目前考核滾輪與導軌是否能滿足汽車滑移門的使用要求，可以通過搭載整車耐久測試進行驗證，其中包括整車道路試驗、滑移門系統耐久試驗，這種方法影響因素多、針對性不強、成本高，且在產品設計開發初期，一般需要針對不同結構及材料的滾輪與導軌進行對比驗證，以選取更符合性能要求的組合，因此需要一種專門針對滾輪與導軌的臺架驗證方案。

本文從試驗的角度出發，結合產品驗證方案，設計了一套滑移門滾輪與導軌的耐久試驗臺架，以解決滑移門耐久試驗過程中出現的如異響、磨損等匹配性問題。

2 試驗臺架設計

2.1 臺架設計思路

滑移門上的滾輪在導軌上的運行軌跡可分為直線段和過彎段，為使模型的簡單化通常只考慮直線段進行驗證。在一般所采取的滾輪測試方案中：一種是在滾輪轉動情況下，通過一個小試塊以一定的試驗載荷作用在其上端，來測試滾輪與試塊的耐磨性能，其只能實現滾輪與試塊的相對摩擦運動，無法模擬實際滾動摩擦運動；另外一種是通過一個大的驅動輪帶動滾輪轉動，并在滾輪上施加一定的試驗載荷來進行測試，其很好地實現了滾輪的滾動耐磨性能考核，但對于特定材料的導軌，特別是需要驗證直線導軌與滾輪的配合耐久性能，直線導軌無法很好地安裝至該驅動輪上，其存在一定的缺陷。因此，需要實現在一定載荷和速度控制下，解決滾輪與導軌的相對滑動與滾動問題。

圖1 兩種滾輪測試方案示意圖

2.2 臺架結構方案

本試驗臺架的結構形式如圖2所示，通過分別實現導軌水平平動和滾輪上加載兩種方式組合完成滾輪與導軌耐久試驗臺架。作動器（如氣缸）一端通過耳環型腳座固定，另一端通過雙耳連接頭與銷軸聯接與滑動板上；直線滑軌的導軌通過螺栓固定在下底板上，直線滑軌的滑塊通過螺栓與滑動板固定；導向桿通過螺栓與滾輪固定夾具固定，并放置于側向支架的導槽內；滾輪固定夾具通過螺栓及軸套與滾輪固定，并放置在滑動板上；支撐桿通過螺紋與滾輪固定夾具形成固聯，通過上導向板的中心圓孔形成滑動聯接；側向支架通過螺栓與下底板及上導向板固定。

在本試驗臺架中作動器與直線滑軌的位置呈平行方向，作動器與滑動板呈同一平面位置；直線滑軌起到導向和支撐作用，用于聯接滑動板和下底板，實現滑動板的直線運動。

在本試驗臺架中滾輪固定夾具用于聯接滾輪、導向桿、配重塊和支撐桿，放置于滑動板的正上方；導向桿與側向支架為滑動關系；配重塊實現加載；支撐桿與上導向板為滑動關系；導向桿與側向支架、支撐桿與上導向板共同組成一個滑動導向機構，實現滾輪固定夾具的單向垂直滑動。

在本試驗臺架中所測滾輪安裝在滾輪固定夾具上，所測導軌（取直線段）安裝在滑動板上，以保證滾輪始終在導軌上作相對運動，實現滾輪與導軌的臺架耐久試驗。

圖2 滾輪與導軌耐久試驗臺架

表1 滾輪與導軌樣品組合

3 試驗方案設計

為解決滑移門開閉過程中出現滾輪與導軌磨損、異響等問題，選取了較為典型的4種滾輪和4種導軌，其中，滾輪按類型材質分為：鋼輪、鋼輪+潤滑脂、塑料輪1#（尼龍材質）和塑料輪2#（PEEK材質），導軌按不銹鋼的材質硬度分為：156HV、205HV、335HV和440HV，共組合成16個組進行驗證（如表1），以獲取最優組合。

試驗驗證方案主要從模擬負載、運行速度以及環境工況等三個方面考慮，其中：滾輪的理論負載可以從仿真設計中獲得，本文中按300N設計；運行速度選取低速1.0m/s和高速1.5m/s兩種工況，且各占50%；環境工況分為常溫、低溫、高溫、高溫高濕等四種工況，其循環工況如圖3所示；累計運行5萬次進行考核。

4 測試結果

開展試驗測試前，采用清潔試劑對滾輪和導軌樣品進行表面清潔并烘干處理，再測量滾輪的直徑、質量以及導軌的質量等參數，并在試驗結束后采取同樣方式，最終取得試驗前后各組合樣品的相關參數。試驗測試現場如圖4所示。

4.1 導軌測試結果對比

針對不同硬度的導軌進行試驗前后磨損對比，其測試結果如圖5所示，結果表明：

圖3 溫度和濕度工況

圖4 試驗現場

對于鋼輪A1組合方案，其導軌磨損明顯偏大，且出現導軌硬度值越大磨損量越大現象，而當在導軌上加潤滑脂即A2組合方案時，導軌的磨損出現明顯的改善，相比磨損量分別減少：B1為69%，B2為78%，B3為79%，B4為70%；同時，在對比兩種鋼輪組合方案中，均在導軌硬度值為205HV時，磨損效果要優于其它硬度的導軌方案。

對于兩種塑料滾輪A3和A4組合方案，導軌在不同硬度材料情況下其磨損無明顯差異，因此塑料滾輪與導軌配合時，導軌的不銹鋼材料硬度對其磨損情況影響較小，并且磨損的效果應優于鋼輪的組合方案。

圖5 導軌磨損質量變化情況

圖6 導軌粗糙度變化情況

通過進一步對比兩種鋼輪和兩種塑料滾輪組合方案的導軌表面粗糙度變化情況（見圖6），試驗后與A1鋼輪配合的各導軌粗糙度變化明顯，同時出現的運動噪音均明顯變大，而A2加上潤滑脂方案中，各導軌粗糙度變化大幅降低，從而運動噪音得到明顯改善，主觀感知效果與A4塑料滾輪2#方案接近；另外，在A3塑料滾輪1#方案中，由于滾輪包塑均出現松動情況（詳細見4.2），試驗后期其運動噪音大幅增加，影響主觀品質感。

4.2 滾輪測試結果對比

針對四種類型的滾輪進行試驗前后磨損對比，其測試結果如圖7、圖8和表2所示，結果表明：

對比滾輪四種類型A1、A2、A3和A4的組合磨損試驗中，A3塑料滾輪1#磨損量最大，其次為A4塑料滾輪2#，A1鋼輪和A2鋼輪+潤滑脂磨損量最小；同時參考滾輪直徑變化情況，鋼輪的直徑基本無明顯變化，且一致性較好，因此針對滾輪來說，鋼輪的耐磨性效果應比塑料滾輪的耐磨效果要好。

在A3組合方案的試驗中，塑料滾輪1#在試驗后尺寸明顯變大，滾輪表面包塑均出現松動空轉現象（見下表2），經分析在該方案中，滾輪包塑材料選用的為尼龍材料，該材料在高溫高濕環境下具有吸水膨脹的特性（吸水性≥2.5%），出現尺寸的變化情況，在試驗往復循環沖擊作用下，導致外圈包塑與內圈金屬松脫磨損，存在功能失效風險；同時采用PEEK材料的滾輪，因其吸水性低（吸水性 ≤0.1%），具有較好的尺寸穩定特性，在溫度、濕度等環境條件的變化對其零件的尺寸影響不大，因此除了有少量的磨損，其性能相對保持較好。

5 結語

本文從試驗角度對汽車滑移門滾輪與導軌的匹配性方面做了試驗研究，設計了一套滾輪與導軌試驗測試臺架，并進行了不同組合方案的試驗研究，為滑移門零件設計以及類似滾動匹配性機械結構設計提供依據。通過試驗數據對比分析可得出以下結論：

（1）采用鋼質滾輪與導軌配合使用時，其導軌硬度不一定越高越好，應選用合適的、耐磨性高材質的導軌，如本文中的B2導軌（205HV）；另外可以通過施加潤滑脂的方式，可在同等導軌材質的情況下有效減少導軌的磨損以及噪音，從而提升用戶使用品質感。

（2）采用塑料滾輪與導軌配合使用時，因導軌的硬度相對比塑料滾輪高，所以導軌材質對其磨損影響較小；而在選用塑料滾輪時，PEEK材質優于尼龍材質，尼龍材質滾輪因吸水性能較弱，影響其尺寸穩定性，易出現滾輪包塑松動、空轉甚至脫落失效的情況，耐久可靠性能較差。

圖7 滾輪磨損質量變化情況

圖8 滾輪直徑變化情況

表2 試驗后A3滾輪狀況

（3）通過本次試驗選取的最優組合進行了相關的整車及滑移門系統試驗驗證，均能夠滿足汽車滑移門的使用要求，取得了良好的效果。