（机械制造及其自动化专业论文）轿车轮毂轴承耐久性试验方法研究与系统设计.pdf

浙江_ t 业大学硕士学位论文 轿车轮毂轴承耐久性试验方法研究与系统设计 摘要 轿车轮毂轴承耐久性试验可以用来检测轮毂轴承的可靠性和寿命，并对轮毂轴承性 能、质量进行评估，是轮毂轴承性能试验的重要组成。 与轿车生产行业的快速发展相比，我国轿车轮毂轴承行业缺乏相应的耐久性试验技术 及试验设备。所以轮毂轴承耐久性模拟试验技术的研究，对我国轮毂轴承行业发展具有重 要的意义。本文具体工作内容如下： ( 1 ) 介绍分析国内外轮毂轴承耐久性模拟试验技术的研究现状以及存在的问题，给出 本论文主要工作内容。 ( 2 ) 通过对轿车轮毂轴承实际载荷工况和旋转工况的分析，给出了轮毂轴承工况的模 拟方法和耐久性试验载荷谱的制定方法；最后用实例说明载荷谱的制定过程。 ( 3 ) 介绍滚动轴承的失效形式和耐久性失效检测技术，分析了振动加速度时域指标和 温度指标对滚动轴承耐久性失效检测的适用性，得到振动加速度时域指标中峭度指标和波 形系数指标适合耐久性失效检测的结果，通过白噪声与脉冲相互叠加的方法，运用m a t l a b 数字仿真技术进行验证。确定了轮毂轴承失效检测指标以及检测规则，并研究制定出基于 门限值的多指标耐久性失效检测方法。 ( 4 ) 分析轮毂轴承耐久性试验系统的功能和要求，然后对耐久性试验台及测控系统进 行总体设计。特别对试验装置的支撑情况进行受力分析，表明加支撑的方案与轴承的实际 工况比较符合。 ( 5 ) 依据试验系统的功能和要求，对耐久性试验测控系统硬件模块进行设计，主要包 括对试验数据采集模块和试验控制模块的设计。对耐久性试验测控系统软件各模块进行了 设计。最后对测控系统软件进行相关调试，软件各项功能运行正常。 关键词：轮毂轴承，耐久性，试验方法，测控系统 浙江工业人学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ee n d u i u n gt e s tm e t h o do f w h e e lb e a r i n g sa n ds y s t e md es i g n a b s t i 认c t c a rw h e e lb e a r i n g se n d u r i n gt e s ti sa ni m p o r t a n tp a r to fb e a r i n gp e r f o r m a n c et e s t s ，i tc a nb e u s e dt od e t e c tw h e e l b e a r i n gr e l i a b i l i t ya n dl i f ee x p e c t a n c y ，a s s e s st h eq u a l i t yo fw h e e lb e a r i n g s a n dp e r f o r m a n c e c o m p a r e dw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v em a n u f a c t u r i n g ，c a rw h e e lb e a r i n g sl a c k e n d u r i n gt e s tt e c h n o l o g ya n dt e s te q m p m e n t s or e s e a r c hf o rt h ew h e e lb e a r i n gt e s tt e c h n o l o g y a n dt e s ts y s t e mb e c o m em o r ei m p o r t a n t t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c i n gb r i e f l yo ft h es i t u a t i o na th o m ea n da b r o a do nt h ee n d u r i n gt e s tm e t h o do f w h e e lb e a r i n g ，i tf i n a l l yg a v et h er e s e a r c hc o n t e n ta n di d e a so ft h i st h e s i s ( 2 ) t h r o u g ha n a l y s i so fa c t u a ll o a ds i t u a t i o na n dr o t a t i o ns i t u a t i o no nw h e e lb e a t i n g s ，t h e t h e s i sg a v ew h e e lb e a r i n g sc o n d i t i o ns i m u l a t i n gm e t h o da n de n d u r i n gt e s tl o a ds p e c t r ad e s i g n m e t h o d ，f i n a l l yg a v ea ne x a m p l et oi l l u s t r a t et h ep r o c e s so fs p e c t r ad e s i g n ( 3 ) t h et h e s i si n t r o d u c e dt h er o l l i n ge l e m e n t b e a r i n gf a i l u r ea n de n d u r i n gf a i l u r ed e t e c t i o n m e t h o d t h es u i t a b i l i t ya n s l y s i sf o rt h et i m ed o m a i ni n d e xa n dt e m p e r a t u r ei n d e xw a sg i v e n ， f i n a l l yt h et h e s i sg a v et h er e s u l tt h a tk u r t o s i sa n dw a v e f o r mf a c t o r sw a ss u i t a b l ef o rt h e e n d u r i n gf a i l u r et e s t t h r o u g ht h ew h i t en o i s ew i t he a c hp u l s es u p e r p o s i t i o nm e t h o d ，t h e nu s e m a t l a bs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt ov e e r yt h ef i g u r e s w h e e lb e a r i n g si d e n t i f i e di n d i c a t o r so f f a i l u r ed e t e c t i o na n dd e t e c t i o nr u l e sw a s p r e s e n t e d ， f i n a l l y t h et h e s i s g a v e t h e m u l t i t h r e s h o l d - b a s e di n d i c a t o r so ft h ee n d u r i n gf a i l u r ed e t e c t i o nm e t h o d s ( 4 ) t h r o u g ha n a l y s i n gt h ef u n c t i o n sa n dr e q u i r e m e n t sf o r t h ew h e e lb e a r i n ge n d u r i n gt e s t r i g ，d e s i g nm e t h o df o rt h et e s tr i ga n dm e a s u r e m e n tc o n t r o ls y s t e mw a sg i v e n i np a r t i c u l a r ， t h es u p p o r to ft e s te q u i p m e n tt oc o n d u c tad e t a i l e da n a l y s i sa n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e s t d e v i c et os u p p o r tt h ep r o g r a ma n d a d dt h ea c t u a lb e a r i n g sm o r ei nl i n ew i t ha c t u a lc o n d i t i o n s 浙江工业人学硕士学位论文 ( 5 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t s ，h a r d w a r em o d u l ef o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gc o n t r o lm o d u l ea n dd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d e s i g nm e t h o df o r e n d u r a n c et e s tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r em o d u l e si nd e t a i l l y ，f i n a l l ys o f t w a r e d e b u g g i n gh a sb e e nd o n e k e yw o r d s ：w h e e lb e a r i n g ，e n d u r i n g ，t e s tm e t h o d ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：7 磁沙v 嗍：叼年 厂 ) 月”日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：可也 刷磁轹l 辱0 厶氤f i ，r 歹月何日 - 一， l 其9 f 日 、l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1选题的目的和意义 轮毂轴承是轿车的重要组成部件，轮毂轴承的性能和质量对轿车的性能和行驶安全起 着关键的作用。然而，与轿车生产行业的快速发展相比，我国轿车轮毂轴承行业缺乏相应 的关键试验技术及试验设备。所以研究轮毂轴承试验技术与性能试验系统，就成了我国轮 毂轴承行业发展的迫切需要。 轮毂轴承已经发展到第四代，但还没有进行广泛的应用，目前的车型主要使用第一、 二、三代轮毂轴承，针对前三代轮毂轴承的特点，我们所要进行的性能试验主要包括耐久 性试验、弯曲疲劳试验、密封性能试验、旋转扭矩试验和轮毂组件旋转疲劳试验。进行上 述性能试验已经能够满足客户的基本需要。 在上述性能试验中耐久性试验是非常重要的一种性能试验，通过耐久性试验可以评定 出轮毂轴承的可靠性和寿命。而轮毂轴承耐久性试验的研究在我国相对比较落后，目前也 未见有国家试验标准及指导文件的颁布，已经开展的轮毂轴承耐久性试验总体上可以分为 模拟性试验法、现场试验法和加速寿命试验法三种。现场试验法是在轿车实际行驶情况下 来评定轮毂轴承的可靠性和寿命，是最真实的，但该方法成本比较高，而且需要轮毅轴承 厂商与主机配套厂商相互合作才能很好的完成任务，轮毂轴承厂商般无法做到。加速寿 命试验法也被称为强化寿命试验，旨在通过提高试验工况的各项主要工作参数来达到缩短 试验时间和较少试验成本的目的，一般试验工况要比实际工况更加恶劣，但是只有在不影 响轮毂轴承破坏机理，保持接触失效疲劳机理一致的情况下该方法才有意义，否则无法对 轮毂轴承的实际试验寿命进行准确的判定，该方法应用比较多，但由于轮毂轴承失效机理 等基础理论研究的不足，目前该方法也是在进一步的完善中【1 2 3 】。耐久性模拟试验技术近 年来得到广泛的重视，它将现场的主要工作条件参数在实验室内进行模拟，并进行人工控 制，不仅能够使样品在实验室内就能模拟实际工况进行耐久性试验，提高轴承生产厂商的 灵活性，而且能够更加真实地评价轮毂轴承的可靠性和寿命，并向顾客提供可靠的试验数 据和试验报告。因此对耐久性模拟试验技术的研究具有重要的意义。 鉴于国内尚无轮毂轴承耐久性模拟试验标准，但是国、内外主机厂无一例外地将耐久 性试验技术能力作为选择、开发轮毂轴承供应商的先决条件，因此开展台架试验的重要性 i 浙江工业大学硕士学位论文 在近几年才被众多轿车轴承厂家认识和接受。但是国内目前轿车轮毂轴承厂商尚未掌握系 统成熟的台架试验技术，而只能参照国外的一些试验标准来开展相应的试验，况且很多试 验标准基本上都是轮毂轴承的耐久性强化试验标准。因此，开展轮毂轴承耐久性模拟试验 技术的研究已是当务之急。 科学合理的耐久性试验方法是耐久性模拟试验技术的关键，而试验系统是轮毂轴承耐 久性模拟试验的保证，两者缺一不可。通过对耐久性试验方法的研究不仅可以为我国轮毂 轴承耐久性模拟试验标准的制定提供基础，而且也是耐久性试验系统开发的前提和条件。 耐久性试验中，轮毂轴承的实际工况模拟方法和失效检测方法是耐久性试验方法需要重点 研究的内容，也是关键技术。此外，高效和实用的耐久性试验系统的研究和开发也必不可 少，不仅能为我国轿车轮毂轴承的发展提供重要的试验装备，也可以为轮毂轴承的改进和 设计提供重要的实验依据。 1 2 轮毂轴承的发展现状 轮毂轴承是在标准角接触球轴承和圆锥滚子轴承的基础上发展起来的，属于滚动轴承 的其中一种，它由两列球轴承或滚子轴承组成，具有组装性能好，可省略游隙调整，重量 轻结构紧凑，载荷容量大等优点。 第一代轮毂轴承是外圈整体式内圈背对背组合的双列角接触球轴承或双列圆锥滚子 轴承。为保证安装后预紧载荷在规定范围内，可以预先设定初始轴承游隙，这样在轿车组 装线上就无需使用调整预紧载荷的隔圈。第二代轮毂轴承与第一代相比最大的区别是外圈 或内圈带法兰盘，并且装配部件数较少，重量较轻，安装方便。第二代轮毂轴承内圈或外 圈带有法兰盘，直接通过镙栓连接到悬架上( 内圈旋转型) ，或安装到刹车盘和钢圈上( 外圈 旋转型) 。第三代轮毂轴承由连接到悬架上带法兰盘的外圈和连接到刹车盘和钢圈上带法 兰盘的内圈相组成。与第二代不同，第三代轮毂轴承还集成有a b s 传感器【4 - 5 】，并且第三 代轮毂轴承的加工特点是普遍采用摇辗技术自锁半内圈，摇辗过程中对带法兰盘的轮毂轴 端施加轴向载荷使其变形来固定半内圈。图1 1 a 、图1 1 b 和图1 1 c 为前三代轿车轮毂轴 承的结构演化过程。 淅江1 = 业人学硕士学位论文 a 第代轮毅轴承 b 第一代轮毂轴承 c 第二代轮毂轴承 幽1 1 前二三代轿下轮毂轴7 r 的结构演化过群【45 1 幽1 - 2 第四代轿乍轮毂轴承 随着技术的进步，轿车轮毂轴承已逐渐发展成为悬架系统的一个集成化部件，其通常 在定的预加轴闷游隙状态下工作【6 】。 图1 2 为第四代轿车轮毂轴承。开前r 在发展的第四代轮毂轴承申元是具有超日h 性的 新一代轮毂轴承单元。第四代轿车轮毂轴承很多把等速万向节、轮鞍和轴承单兀做成体， 使其结构紧凑，性能优良安装方便，并且废除了轮毂的花键轴，减轻了轮毂轴承的重量， 缩小了体积，它代表了来来轿车传动系统零部件的发展方向，但口自f 应用还不广泛。 1 3 轮毂轴承耐久性模拟试验技术 131 国外轮毂轴承耐久性模拟试验技术的研究现状 为适应汽车r 业的发展需要，斟外很早就开展了轿车轮毂轴承性自 试验，在性能试验 方法的研究和试验系统的盯发方面都比较领先，许多核心技术被一些亡、| k 生产轴承的跨国 公司所掌握，如n t n 、s k f 、s n r 、t i m k e n 、n s k 、雷诺公司、k o y o 等这些世界著 洚孥臻瞧巅。 嗫一 浙江l 业人学硕十学位论文 名的轴承生产商。 荷兰著名的轴承制造商s k f 公司丌发的轮投轴承性能试验设备，由于采用了先进的 技术，在轴承行业中处于领先地位。图卜3 为s k f 轴承公司最早开发的a 字形试验机可 施加周期性动态循环载荷【”，专用于轿车轮毂轴承的模拟试验。试验机运用实际轿车装胃 系统来模拟轮毂轴承的实际工况，在忽略轮胎刹车和加速时的载荷情况下，通过在轮胎边 缘周期性的动态施加一径向和轴向轮胎载荷的方式来模拟轮毅轴承受到的交变动态外部 载倚( 该载荷等效十轿车轮胎的径向和轴阳载荷) ，除了一p 述载倚外还模拟了力矩载荷， 其产生原因是由于实际轿车轮毂轴承的中心线与轮胎中心线一般都会有偏胃，从而使轮胎 径向力相埘轮毂轴承中心线产生一定的力矩( 也有文献叫力矩载荷) 力矩载荷帕作用足 提高轿车的转弯性能，该力矩载荷会改变轴承的受力情况，对轮毅轴承的寿命有比较大的 影响，所以需要在酬久性试验中考虑这一点。 h 卜3 字形轴承试验机 随着试验技术的发展，国外一些轴承制造厂商生产的轮毂轴承试验机l f 逐渐将轿车实 际工况下的多种复杂参数共同考虑到模拟试验中，以达到真实模拟的目的。 图1 4 为荚幽英斯特朗公司”发的轮毂轴承耐久性试验台，它采用实际轿车装置系统 以模拟轿午轮毅轴承的环境条件。试验装黄山轿车刹车装胃、轮毂轴承及轮胎组成，u r 对 四种负荷参数进行模拟，包括汽车行驶过程r f l 地面对轮胎的径向作刚力、汽车转弯时的轴 向作用力、汽车加速引起的圆周山和刹车时的制动力。它将这四种负荷其同静止作用于轿 车轴内侧，并周刺性的旋j u 动态循环载荷，进行轮毂轴承的耐久性试验，使整个试验接近 真实1 观。 浙江【，业人学硕士学位论文 l 哥卜j 基于四轴电液阀的轮教轴承耐久性模拟试验台 著名轴承生产商s k f 提供了能准确模拟轮毅轴承实际运行状况的动忐模拟试验 ( d y a n a ) 方法，以便真实地评估新单元的性能并能预测轴承单元的使用寿命【。d y a n a 动忐模拟试验系统把作用r 轮毂轴承和等速打向节组件上的6 种最重要的载荷和方位参 数施加到轴承、轮毂、等速万向节和驱动轴组成的部件上，对轮毂轴承单元进行模拟试验， 使试验工况非常接近十真实的轴承。厂况。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2国内轮毂轴承耐久性模拟试验技术的研究现状 ( 1 )国内轮毂轴承耐久性试验方法的研究现状 耐久性模拟试验技术的研究主要包括耐久性试验方法与耐久性试验系统的研究。耐久 性试验方法的研究需要解决的问题包括载荷谱的设计、轮毂轴承在台架上的加载方式、如 何模拟轮毂轴承的实际旋转方式、耐久性模拟试验的失效监控方法、轮毂轴承试验可靠性 的评定等问题。 试验载荷谱是指模拟轮毂轴承实际工况下所受的交变载荷，是轮毂轴承实际工况下的 主要工作参数。合理制定试验载荷谱关系到耐久性模拟试验结果的真实性和可靠性。 试验载荷谱制定方法一般分为两种：第一种，通过实车试验或叫路谱试验来分析轮毂 轴承的载荷分布情况，并根据实车试验的结果制定相应的耐久性模拟试验的试验载荷谱； 第二种，通过理论计算获得试验载荷谱。国内目前对这两种试验方法都开展了相应的研究。 通过实车试验制定载荷谱 上海交大的陈以农【】主要对典型城市道路和一定行驶状态下，轮毂轴承的轴向载荷 和径向载荷幅值变化进行了分析，绘制了不同行驶状态时，轮毂轴承载荷在时域和幅值域 的统计谱图。该轮毂轴承载荷谱的统计特性表明：匀速行驶时，轮毂轴承的载荷幅值频次 呈正态分布；速度改变时，左右轮轴承垂直载荷和径向载荷大约波动25 ；加速时，轮 胎侧向载荷幅值频次呈均态分布；减速时，侧向载荷幅值频次呈瑞利分布。复旦大学及泛 亚汽车技术中心的杨万安博士主持的课题组以新世纪别克轿车为试验对象【1 2 】，在中国定 远汽车试验场，通过安装电阻应变片等传感器，获取了多种路面行驶条件下的原始响应数 据，并制定了相应的载荷谱。同济大学汽车工程系和上海大众汽车有限公司产品工程部试 验科以桑塔纳2 0 0 0 型轿车为试验对象，用电阻应变片、动态应变仪、磁带记录仪等仪器 设备在海南汽车试验场测得了桑塔纳2 0 0 0 型轿车的各种试验载荷谱，为轮毂轴承耐久性 模拟试验的载荷谱的制定提供试验依据【1 3 】。 通过实车试验来制定试验载荷谱的方法可靠性高，可以真实的了解轮毂轴承的载荷分 布情况，为今后试验载荷谱的制定提供可靠的试验依据。但是不足之处就是需要做大量的 试验，成本很高，工作量比较大，一般也只能选取某种车型在典型的路况并在一定的行驶 速度下进行试验，很难将路面工况的多样性，特别是车型的不同等因素完全考虑进去。 通过理论计算制定载荷谱的方法 这种理论计算方法最早是应用于轮毂轴承理论寿命的计算，并用来预测轮毂轴承寿 命。目前国内开展这方面研究的主要以华南理工大学的黎桂华等人为代表。 浙江工业人学硕士学位论文 华南理工大学的黎桂华等人【1 4 1 开展了基于轿车整车模型的载荷谱理论计算的研究， 将轿车轮胎所受的轴向力和径向力等价于轮毂轴承的外部载荷，外部载荷是通过建立刚性 轿车稳态转弯模型下轿车轮胎受力平衡方程来求出的。 影响轿车轮毂轴承外部载荷的因素非常复杂，因此在理论计算载荷谱的过程中，不 但考虑轿车的行驶状态，包括左转弯、右转弯、直线行驶这三种行驶状况，还需要将路面 状况、车速、轮胎特性、行驶路线以及驾驶习惯等因素考虑在内。 基于刚性轿车稳态转弯模型下轿车轮胎受力平衡方程不但可以将上述因素考虑其 中，还考虑了与轮毂轴承配套轿车的一些基本参数，包括重量、尺寸等参数。这样随着轿 车的型号规格发生变化，外部载荷的计算结果也将改变，制定的试验载荷谱也随之改变， 这符合实际轮毂轴承的工况。 因此这种方法的优点是灵活、不需要做大量试验、节省成本、只需要给出配套轿车 的一些基本参数并结合一些经验系数就可以制定试验载荷谱，这些经验系数是通过大量试 验获得的，可靠性高，因此比较适合于目前的轴承制造厂商开展轮毂轴承的耐久性试验工 作。不足之处是实际工况非常复杂，目前的理论计算公式考虑的因素不够多，需要尽可能 多的考虑各种因素的影响才能够使理论试验载荷谱更加符合实际工况。 ( 2 )国内轮毂轴承耐久性试验系统的研究现状 耐久性试验方法的实施离不开关键试验系统的研究，而完备、先进的耐久性试验系 统是正确评估和控制轿车轴承寿命的重要保障。 合肥工业大学的张金焕和杜桂生开发了型号为l g m ，1 5 4 5 轿车轮毂轴承耐久性模拟 试验机【1 5 】。该试验机的主体采用悬臂结构，试验轴承置于主轴悬臂端，试验主轴与驱动轴的 联接采用止口定位、凸缘连接方式；试验轴承的加载是通过垂直于试验轴承轴心线的径向 加载装置和平行于试验轴承轴心线且有车轮半径偏心( 偏心距可调节) 的轴向加载装置来 实现；加载系统采用电液比例加载系统；测控系统是以工控机为中心，由转速控制系统、 载荷控制系统、温度控制系统和测试系统组成。 图1 - 6 为河南科技大学的杨海涛等开发的轮毂轴承耐久性试验机主体结构【l6 1 。该试验 机也采用了悬臂结构的方式，将试验轴承置于试验主轴悬臂端，试验轴承和试验主轴间采 用驱动轴连接的方式，通过更换驱动轴来实现对不同规格轮毂轴承的试验，并采用了液压 加载的方式实现对试验轴承的轴向和径向加载。 浙江工业人学硕士学位论文 图卜6 河南科技大学的杨海涛等开发的轮毂轴承耐久性试验机主体结构【1 5 】 华南理工大学的黎桂华通过与ib 公司合作开发了轮毂轴承耐久性模拟试验机【1 7 】。该 试验机也采用悬臂结构，径向垂直加载和轴向垂直加载采用气压加载方式；每台试验机可 以同时做两套轴承的耐久性试验；软件程序具备参数设定、报警设定、参数曲线等菜单。 1 4目前存在和待解决的问题 与轿车生产行业的快速发展相比，我国轿车轴承行业缺乏相应的关键试验技术和试验 设备，无法对轿车轴承进行相关的耐久性试验。 国内轮毂轴承的耐久性模拟试验技术的研究还很不成熟，有许多问题值得进一步的探 讨和研究。目前开展的耐久性试验所使用的失效报警指标单一，很多都直接采用振动加速 度或温度的一次信号来粗略的判断轮毂轴承的正常失效，检测方式过于简单，缺乏科学合 理的判定依据，因此制定适合轮毂轴承耐久性试验的失效判定方法是目前需要解决的重要 问题。另外，试验载荷谱制定方法以及轮毂轴承试验加载方式和试验旋转方式的正确性等 问题都直接影响轮毂轴承的试验寿命，而目前开发的轮毂轴承耐久性试验台都在加载方 式、旋转方式等方面存在一定的问题，有待于进一步的完善和提高。随着轮毂轴承种类的 增多，试验台结构需要适应不同结构和旋转类型的轮毂轴承，这就对试验台的灵活性提出 了更高的要求，另外在测控系统的可靠性、方便性等方面都需要进一步的发展和提高，因 此开发高效可靠的轮毂轴承耐久性试验系统是我们需要共同解决的问题，轮毂轴承耐久性 试验系统的设计和研究具有重要的意义。 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本课题的主要工作 论文主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 介绍分析国内外轮毂轴承耐久性模拟试验技术的研究现状以及存在的问题，给 出本论文主要工作内容。 ( 2 )分析轿车轮毂轴承的实际载荷工况和旋转工况，给出在耐久性试验台上轮毂轴 承工况的模拟方法和耐久性试验载荷谱的制定方法；通过建立刚性轿车稳态转弯模型来计 算载荷谱，并最终通过实例来说明载荷谱的制定过程。 ( 3 ) 分析振动加速度时域指标和温度指标对滚动轴承耐久性失效检测的适用性；确 定轮毂轴承失效检测指标以及检测规则；研究制定轮毂轴承耐久性失效检测方法。 ( 4 )结合试验方法的研究，分析轿车轮毂轴承耐久性试验台和测控系统的功能要求， 根据功能要求对试验台和测控系统进行总体设计。试验台总体设计包括试验台总体的布 局、加载装置设计、装置支撑方案的分析及轴承旋转工况的具体实现方法。 ( 5 )完成测控系统硬件模块的设计，包括数据采集和控制两大模块的设计，数据采 集模块主要完成加载力信号、温度信号和振动加速度信号的采集工作，控制模块主要完成 试验主轴转速的控制和加载控制工作，并将串口技术、伺服开环控制技术应用于试验控制 模块的设计。 ( 6 ) 运用数据库访问技术、f t p 网络通信技术、串口控制等技术对耐久性试验测控 系统软件进行模块化设计，包括数据库模块、控制模块、数据处理模块和参数设置模块的 设计。运用数据库技术对各个模块进行统一管理，并采用图形化的控件进行设计，最后完 成测控系统软件的相关调试工作。 浙江工业人学硕+ 学位论文 第2 章轮毂轴承耐久性试验工况模拟与载荷谱的制定 目前很多轴承厂家开展的耐久性试验的试验载荷谱很多都是自己根据经验取值，没有 进行理论的论证，载荷谱的制定具有很大的任意性，缺乏依据，因此分析一般性的轮毂轴 承耐久性试验载荷谱的制定方法很有必要。在研究耐久性试验载荷谱之前，首先需要对耐 久性试验工况模拟方法进行分析，在实际工况中，由于旋转工况和载荷工况是影响最大的， 因此如何在试验台上模拟旋转工况和载荷工况也是本章需要分析的内容。 2 1 耐久性试验工况模拟方法分析 2 1 1 轮毂轴承的实际工况概述 ( 1 )轮毂轴承的旋转工况概述 轿车轮毂轴承多采用双列角接触球轴承结构并和周边部件集成为轮毂轴承单元，随着 轿车轮毂轴承的技术进步，从第一代轮毂轴承到第四代轮毂轴承的旋转方式都发生了变 化，大体可以分成内圈旋转型和外圈旋转型。( 驱动轮) 轮毂轴承的旋转方式最为典型， 都是内圈旋转型，因此以( 驱动轮) 轮毂轴承为例，例举了从第一代到三代( 驱动轮) 轮 毂轴承的实际旋转方式。第一代( 驱动轮) 轮毂轴承的旋转方式见图2 1 a 、第二代( 驱 动轮) 轮毂轴承的旋转方式见图2 - 1 b 、第三代( 驱动轮) 轮毂轴承的旋转方式见图2 - 1 c 。 多 圈辨翻 ( 无法兰盘)( 无法兰盘)( 箭法兰盘) a 第一代( 驱动轮) 轮毂轴承b 第二代( 驱动轮) 轮毂轴承c 第三代( 驱动轮) 轮毂轴承 图2 1 第一代至第三代驱动轮轮毂轴承的旋转方式 浙江工业大学硕士学位论文 内圈 ( 无法兰盘) 图2 2 第二代( 非驱动轮) 轮毂轴承的旋转方式 本文列出了第二代( 非驱动轮) 轮毂轴承的旋转类型，见图2 2 所示，( 非驱动轮) 轮毂轴承的旋转方式有内圈旋转型和外圈旋转型两种。内圈驱动型( 非驱动轮) 轮毂轴承 是内圈通过附加法兰盘与轮胎钢圈相连，随轮胎一起旋转；外圈旋转型( 非驱动轮) 轮毂 轴承是外圈通过法兰盘与轮胎钢圈相连，随轮胎一起旋转。 ( 2 )轮毂轴承的外部载荷工况概述 轮毂轴承的外部载荷详细情况见图2 - 3 。在不考虑刹车、加速和驱动力等情况下，轿 车轮毂轴承的外部载荷可以简化为地面对轮胎的轴向载荷和径向载荷。轿车轮毂轴承的外 轮毂轴承鬯守 轮毂轴承 反作用力 图2 - 3 轿车轮毂轴承的外部载荷工况 - 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 部载荷是对其进行受力分析、寿命计算和耐久性试验载荷谱设计的重要依据。影响轿车轮 毂轴承外部载荷的情况非常复杂，这些因素包括路面状况、车速、轮胎特性、行驶路线以 及驾驶习惯等。 2 1 2 轮毂轴承实际工况的模拟方法分析 试验模拟方式如图2 - 4 所示，为了模拟实际工况，可以将轮毂轴承安装在固定圈上， 固定圈保持不动，用试验主轴模拟实际轿车主轴旋转，以带动轮毂轴承的内圈或外圈一起 旋转。加载臂与固定圈相连，通过加载臂对轮毂轴承分别施加轴向载荷和径向载荷即轮胎 径向加载作用力r r 和轮胎轴向加载作用力n r r ，轴向加载作用力的作用线与试验主轴中 心线的距离正好为轮胎半径r ，且径向加载作用线与轮毂轴承中心线之间的偏置量大小 必须保证等于实际轿车轮胎中心线与轮毂轴承中心线之间的偏置e ，用以模拟实际轿车中 的轮胎偏置大小。 图2 4 试验模拟方式示意图 在耐久性试验中需要根据试验轴承的实际旋转工况进行模拟试验，综合考虑轮毂轴承 的实际结构、安装方式和旋转方式，就目前使用比较普遍的第三代驱动轮轮毂轴承、第二 浙江工业人学硕士学位论文 代驱动轮轮毂轴承以及第二代非驱动轮轮毂轴承，我们分析并给出了具体的模拟方法。 ( 1 )第三代( 驱动轮) 轮毂轴承的旋转工况模拟方式 为了模拟第三代( 驱动轮) 轮毂轴承的结构特点，本文设计了试验主轴、连接盘和固定 圈三个连接附件，其中固定圈与其它构件连接而固定不动，见图2 - 5 。试验时可以将轴承 外圈与固定圈连接而固定不动；内圈通过连接盘与试验主轴连接在一起旋转用以模拟实际 旋转工况。 图2 - 5 第二代驱动轮轮毂轴承的旋转方式 h 圈 ( 2 ) 第二代( 驱动轮) 轮毂轴承的旋转工况模拟方式 第二代( 驱动轮) 轮毂轴承外圈没有法兰盘，实际工况中式通过附加法兰来固定外圈， 因此在设计过程中需要附加一个法兰盘，与外圈过盈配合，这样才能通过法兰盘将外圈固 定不动，其它与上述的第三代驱动轮轮毂轴承相同，见图2 6 。 图2 - 6 第二代驱动轮轮毂轴承的旋转方式 ( 3 )第二代( 非驱动轮) 轮毂轴承的旋转工况模拟方式 非驱动轮轮毂轴承具有外圈旋转和内圈旋转两种情况，根据其制造的特点，内圈很多 浙江工业大学硕+ 学位论文 都是采用旋压成型。在实际应用中，都是将旋压轴与内圈过盈配合，然后再通过旋压轴上 的法兰盘与轮圈相连，从而起到固定内圈的作用，甚至用最新的碾压技术来固定内圈。图 2 7 给出了第二代( 外圈旋转型) 非驱动轮轮毂轴承的旋转实现方法。在设计过程中需要 设计模拟旋压轴用于固定内圈。 固定圈 图2 7 第二代非驱动轮轮毂轴承的旋转方式 由于不同型号的轮毂轴承内外圈法兰盘中心孔直径不同，在试验过程中可以通过更换 连接盘和固定圈的方式，实现对不同规格的轮毂轴承进行试验，提高试验的灵活性。 2 2 耐久性试验载荷谱的制定方法分析 2 2 1 轮胎载荷计算公式分析 2 2 1 1刚性轿车稳态转弯模型的建立 车辆的振动频率在o 1 5 h z 时可以将其视为刚体运动【17 1 ，一般情况下轿车车身的固 有振动频率都在1 5 h z 以下，因此车身运动基本上可以视为简单的刚体运动。此外，轿车 前后部分之间的相互影响很小，前后部分质量不存在明显的耦合关系【2 0 】，因此可以对前 后车轴的轮胎载荷进行独立分析计算。通过建立下页图2 - 8 所示的刚性轿车稳态转弯模 型来求解轮胎载荷，该模型假设轿车在坡道角为的坡道上转弯，转弯半径为r 。 下文分析过程中，方向都用动坐标系一车辆坐标系来描述，它固结于车身不动，坐标 系的原点与轿车质心重合，当车辆在水平路面上处于静止状态时，其x 轴平行于地面指向 前方，z 轴通过质心指向上方，y 轴指向驾驶员的左侧。 塑望些塑遨 碣 篮墨暴 一、 ! 婪_ 1 壤 ，移妒k 矿。 图2 - 8 刚性轿车稳态转弯模型 图2 - 8 中矽表示前轴重量，驴表示前轴轮距，五代表轿车质心高度，表示轮胎半径； 肌代表驾驶员右侧方向地面对轮胎的径向作用力； 艘一代表驾驶员右侧方向地面对轮胎的轴向作用力； 肌代表驾驶员左侧方向地面对轮胎的径向作用力： 脯加代表驾驶员左侧方向地面对轮胎的轴向作用力； 口g 表示侧向加速度，侧向加速度口譬就是质心加速度g 在y 轴上的分量，下文口。都用 g 的倍数来表示。 。 。篓鬻! ( 2 - 8 ) 轿车在行驶过程中保持平衡，分别以前轴左、右轮轮胎宽度中点为支 点进行分析，即有以下力矩平衡方程、式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 。 肌唧一唿。c o s 号+ 豫8 i n j i i 一耽。s i n 号一耽；s i n 鼍= 。 ( 2 - 1 ) 姐疗驴+ 垤c o s 专+ 唿s i n j i l + 耽暑s i n i t r 一耽。c o s 五：o ( 2 2 ) 由力矩平衡方程( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 可以得出径向轮胎载荷计算公式见式( 2 3 ) 。 肼。三( 赡c 。s + s i n 历h 驴( w a 。c 。s 唿s i n 历 ( 2 3 ) 式中，( + ) 表示的是( 驾驶员左侧) 外侧车轮，( 一) 表示的是驾驶员右侧( 内侧车轮) 。 根据我国公路线设计规范，一般道路的横坡度在1 5 。1 0 2 _ f 日- i ，其对应的最大衡坡 角为= 5 。俅1 们，由于很小，可以认为轿车在侧向坡道角等于。的坡道上转弯，故 s l n 2o ，c o s = 1 ，则式( 2 3 ) 径向轮胎载荷的计算公式可以简化为式( 2 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 船= 主豫尝腑， ( 2 - 4 ) 2 2 1 2 利用轮胎的侧向附着率计算轴向轮胎载荷 在大多数行驶状况下，如果侧向加速度不超过o 4 9 ( 约为4 m s 2 ) ，在这种情况下， 曲线行驶阻力、轮胎切向力、滚动阻力等均可以忽略不计，且轮胎只需产生径向载荷以及 与径向载荷成线性关系的轴向载荷。一般轿车在行驶过程中，其侧向加速度在0 4 9 范 围内的概率为9 7 【2 0 1 ，可以粗略的认为包括了轿车所有的里程，因此可以将轿车看做一 个线性动力学系统，采用基本的线性动力学模型来分析，轿车轮胎的侧向附着率因此定义 为【2 l 】： f f ：n r r ( 2 5 ) “= 厶j7 尺， 式中，只r 和n r r 分别为径向轮胎载荷和轴向轮胎载荷。 如果忽略侧向空气力和切向力等，并认为前后轴轮胎附着率相等，可以得出【2 1 】： ，一1 ，2 r ， ( 2 6 ) “= - 7 如果轿车以不变的车速y ，沿着半径为r 的圆周行驶，则其侧向加速度为常数见式 ( 2 5 ) a ：! ( 2 7 ) t , 。i “叫7 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 可以得出轮胎侧向附着率的简化公式： 弘；一a g ( 2 - 8 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 8 ) 可得： n r ，：一r ，生( 2 - 9 ) g 根据轿车稳态转弯模型，由于轴向载荷与侧向加速度方向始终相反，因此前面有“” 号。将( 2 4 ) 式代入式( 2 9 ) 并整理得到轴向轮胎载荷的近似计算公式( 2 1 0 ) 。 刀船：一孥 生2 鱼( 生) ：】 ( 2 1 0 ) 2 gt r 、g 。 式( 2 1 0 ) 中( + ) 表示的是( 驾驶员左侧) 外侧车轮，( 一) 表示的是驾驶员右侧( 内 侧车轮) 。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 1 3 葺仑胎载荷的最终计算公式 考虑行驶路面的工况载荷等影响因素，这里引入了冲击载荷系数 ，则经过载荷修 正后的( 前轴) 内侧轮胎和( 前轴) 外侧轮胎的轴向力和径向力最终计算公式，见式( 2 1 1 ) 、 式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) 。 驾驶室右侧( 前轴) 轮胎的径向力和轴向力计算公式 肌：六要g ( 1 2 兰生) ( 2 - 1 1 ) 2 盼g ，z 尺订= 一 孥科生一2h _ ( a g ) ：】 ( 2 1 2 ) 2 g t r g 驾驶室左侧( 前轴) 轮胎的径向力和轴向力计算公式 r r o = 丘和+ 2 净( 2 - 1 3 ) n r 阳：一六娶g 生+ 2 鱼( 笠) ：】 ( 2 1 4 ) z g t r g 轮胎侧向加速度口量和冲击载荷系数 的值需要根据具体的行驶工况来分配。 本文参考日本轴承制造商n t n 经实验给出的冲击载荷系数【2 2 】，直线行驶( 好路面) 载荷系数取1 0 ，直线行驶( 差路面) 载荷系数取1 3 ，转弯行驶载荷系数取1 。0 。 2 2 2 轮胎侧向加速度分析 ( i ) 侧向加速度的特性 由轿车稳态转弯模型可知，侧向加速度口g 就是质心加速度g 在y 轴上的分量，常常 表示为重力加速度g ( g = 9 8 1m s 2 ) 的倍数关系。当轿车直线行驶时质心加速度g 在y 轴上的分量为0 ，侧向加速度口g = 0 ；轿车左转弯或右转弯时，质心加速度g 在y 轴上分 量的方向不断变化，侧向加速度口g 的方向也随之会发生改变。以动坐标系一车辆坐标系为 参照，轿车左转弯时，质心加速度g 在y 轴上的分量方向在y 轴负向，侧向加速度取负值； 反之，轿车右转弯时，侧向加速度口亭取正值。轿车转弯的越厉害，侧向加速度的绝对值 越大，超过临界值，轿车就会侧翻。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 侧向加速度度的最大值也被称为侧翻域值，超过该侧翻域值，轿车将失去平衡。雷诺 公司通过试验给出了不同车型的侧向加速度a 。的最大取值，已经运用于许多轮毂轴承的 性能参数评定当中，表2 一l 为雷诺公司给出的轿车侧向加速度a 。的最大取值 2 3 】。一般在 载荷谱的制定中可以将保持转弯行驶状态下的侧向加速度值取最大。参照表2 1 ，以厢级 乘用车为例，当轿车保持左转弯时侧向加速度可以取绝对值最大，此时质心加速度g 在y 轴上分量的方向为负向，侧向加速度取- 0 5 5 9 ；当直线行驶时侧向加速度为0 ：当保持右 转弯时侧向加速度取绝对值最大，且此时质心加速度g 在y 轴上的分量方向在y 轴j 下向， 取0 5 5 9 。 表2 - 1轿车侧向加速度最大取值【2 3 】 车型侧向加速度最大取值 后驱运动型车 前驱运动型车 高级轿车 厢级乘用车 舱( 商) 背式轿车 0 6 5 9 0 6 5 9 o 5 5 9 0 5 5 9 0 5 5 9 ( 2 ) 侧向加速度使用率p 的分配 不同的侧向加速度对应不同的行驶状态，一般在载荷谱的制定过程中一种行驶状态对 应了一个侧向加速度值，使用率p 指一种行驶状态占一个交变载荷周期的比率。我国采 用的不同车速和路面载荷性质下的使用率分配方式见表2 2 ，下页表2 3 为著名轴承生产 商n t n 公司采用的的使用率分配方式。 表2 - 2 我国采用的不同行驶状态的使用率p 【1 7 】 载荷性质使用率 直线行驶，良好路面，无冲击 直线行驶，较差路面，有冲击 转弯行驶，有轴向载荷 0 5 0 0 4 6 0 4 8 0 0 2 - 4 ) 0 4 浙江工业人学硕士学位论文 表2 - 3n t n 公司采用的使用率【2 2 】 行驶状态使用率 直线行驶( 较好路面) 直线行驶( 较差路面) 转弯行驶 o 5 0 0 4 6 o 0 4 从上页表2 2 和表2 - 3 可以看出，在一般行驶状态下，直线行驶使用率基本占9 0 左右，有研究指出，直线行驶使用率占9 0 ，左转弯和右转弯各占5 左右的原则进行载 荷谱的设计比较有代表性。 2 3桑塔纳2 0 0 0 前轮毂轴承载荷谱的制定实例 为了便于说明现在以桑塔纳2 0 0 0 驾驶员( 右侧) 前轮毂轴承为试验对象，进行载荷 谱制定方法的详细说明。计算中规定各变量方向均按照车辆坐标系计算，左转弯时侧向加 速度取负值，直线行驶时侧向加速度取0 ，右转弯时侧向加速度取正值。 由资料查得桑塔纳2 0 0 0 前轴的各项参数如下： 满载时的前轴总重量：w = 7 8 0 k g ；