浅谈双工位轿车轮毂轴承疲劳寿命试验机的结构设计

　　1试验机简介
　　轿车轮毂轴承的寿命和性能直接关系到轿车的安全性、转向平稳性和舒适度，因此必须对其进行多种工况的模拟试验，轿车轮毂轴承疲劳寿命试验机主要用于第1代、第2代及第3代轿车轮毂轴承的工况模拟试验，即在一定载荷下分别进行高速性能试验、一般耐久性试验、高温试验和泥浆盐水喷溅试验等，满足了轴承企业对轴承不能随车在道路上进行试验的缺陷。目前所用试验机主要有2种，一种是早期设计的单工位轮毂轴承试验机，其主要缺点为试验载荷小，效率低；另一种是双工位轮毂轴承试验机，其特点在于可同时对2套轴承进行对比试验，可进行大载荷试验和超速性能试验。
　　2试验机原理
　　试验机属于工况模拟试验，对轴承进行试验时，其环境温度、转速、振动以及载荷大小和方向必须与轿车上所安装轴承一致或相近。轴承寿命取决于试验载荷的大小，因此载荷的精确模拟对轴承的性能研究起着至关重要的作用。
　　2。1轿车的力学模型
　　轿车的悬架弹簧是典型的低刚度组件，轮胎和路面在轿车行驶过程中也会发生变形。一般车身结构的固有频率大多低于15Hz，因此车身运动基本上可以假定为简单的刚体运动。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计算。
　　2。2轿车轮毂轴承的外部载荷
　　轮毂轴承的外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，包括路面状况、车速、轮胎特性、行驶路线以及驾驶习惯等。轮毂轴承的外部载荷等价于轮胎载荷，即轿车行驶过程中路面对轮胎的作用力，通常包括径向轮胎载荷和轴向轮胎载荷等。
　　轿车在高速直线行驶中，轮毂轴承受到的外力为地面的支反力（也称径向外力），该力的大小和轮轴的承重有关，方向由地面垂直向上并通过轴承回转中心，作用点为轮胎着地点；轿车在弯道行驶中，轮毂轴承除受到上述地面支反力外，还受到物体作圆周运动时的向心力的影响，该力的大小和向心力数值有关，方向平行于轴线，指向弯道中心方向，作用点为轮胎着地点（也称轴向外力）。
　　轴向外力通过轮胎半径施加于轮毂轴承，产生很大的倾覆力矩，而径向外力只是产生由于其偏距产生的弯矩，轴向外力和侧向加速度有关，而侧向加速度是影响轮毂轴承寿命的决定性因素。由动静法分析，可以看出轿车转弯时轮胎外力为径向载荷Fz和轴向载荷Fy（正、反2个方向，对应不同方向转弯）。可以推出，作圆周运动时，外侧车轮受力大于内侧车轮。
　　2。3轮胎轴承组件受力分析
　　可以看出轮胎组件外力为Fz和Fy（正、反2个方向），此2个力为地面对轮胎作用力，轮胎要保持平衡，必然受到轮轴（或悬架）对轮胎组件的方向相反、大小相等且作用于同一点的另一对作用力，即径向载荷Fz和轴向载荷Fy（正、反2个方向），轮胎组件重力及其本身离心力不计（该离心力通过轴心，对轴承寿命影响不大），轿车弯道行驶时产生的轴向载荷是影响轴承失效的关键因素（对轿车而言，径向载荷Fz和轴向载荷Fy为内力）。
　　3试验机结构
　　根据轮毂轴承在轿车上的工作原理，为提高试验效率，增加对比性，设计了双工位轿车轮毂轴承试验机。试验机主体，主要由主体轴系、试验装置（2套）、轴向油缸、径向油缸（2个）、机座等组成。试验主体轴系采用悬臂结构，试验轴承安装在轴端位置，装拆方便。轴向及径向加载机构有2个径向加载油缸和1个轴向加载油缸，径向加载油缸和轴向加载油缸相互垂直，在液压力的作用下向2套试验轴承施加载荷，轮胎着地点为轴向油缸铰支座中心，其轴向油缸中心到主轴中心的距离为轿车轮胎半径，力臂上有刻度尺，可根据实际轮胎半径的大小调整到对应的刻度处。
　　目前，对轮毂轴承的试验加载力，国际上流行2种模式，一种为加载到旋转的轮胎着地点，即外力Fz和Fy（其反力为Fz和Fy），设备较复杂，工装调整需要找正；另一种为轮轴（或悬架）对轮毂轴承组件的加载力作用于轮胎着地点，即外力Fz和Fy（其反力为Fz和Fy），设备结构简单，轮毂轴承安装方便，无需调整就可以同心。对轮毂轴承本身而言，这2种方案模式受力状态完全等效。本试验机加载方式则属于第2种情况，轴向力大小和方向随载荷谱相应变化，径向油缸为单方向拉力，大小随载荷谱相应变化。根据力与力的作用相等原理，在试验的过程中，2套试验装置的转速与轴向力完全等效，当在载荷谱中把径向力也设为一致时，2套试验轴承的工况完全相同，这在提高试验效率的同时，还可以作对比试验，如选用不同批次轴承或不同厂家轴承同时进行试验。通过对比性分析，可更好地找出轴承在材料与加工方面的缺陷或是设计中的不足，为轴承设计人员进一步提高轴承的质量提供依据。
　　另外，试验机还配有驱动系统、控制与测试系统、液压加载系统和加热系统等，其主要技术参数为：
　　（1）试验轴承类型为轿车前、后轮毂轴承；
　　（2）试验轴承内径为3060mm；
　　（3）最高转速为3000rmin；
　　（4）最大试验载荷为轴向15kN，径向30kN；
　　（5）加载油缸行程为轴向40mm，径向40mm；
　　（6）最高加热温度为130；
　　（7）试验控制方式为手动自动；
　　（8）试验测试参数为转速、载荷、温度、振动、电流、试验时间及循环次数等；
　　（9）供电电源为380V，50Hz，20kW。
　　4结束语
　　轿车轮毂轴承试验机通过模拟轿车的各种工况试验，可检测出轮毂轴承性能的不足与缺陷，进一步提高轴承的质量，为我国早日进入中高档轿车主机市场提供保障。