双工位轿车轮毂轴承疲劳寿命试验机的结构设计

刘文胜，丁国华，胡冰洁，李荣德

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南柴油机重工有限责任公司，河南 洛阳 471003；3.洛阳普瑞森精密轴承有限公司，河南 洛阳 471003)

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，试验原理如图1所示；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，试验原理如图2所示。

图1 单工位试验机

图2 双工位试验机

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15 Hz，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[1-2]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。轿车轮毂轴承受力如图3所示，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。

图3 轿车轮毂轴承受力分析

2.3 轮胎轴承组件受力分析

3 试验机结构[3]

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。试验机主体如图5所示，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。

1—2#径向油缸；2—1#径向油缸；3—轴向油缸；4—2#工位；5—主轴；6—1#工位图5 轿车轮毂轴承试验机主体示意图

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30～60 mm；

(3)最高转速为3 000 r/ min；

(4)最大试验载荷为轴向±15 kN，径向30 kN；

(5)加载油缸行程为轴向±40 mm，径向40 mm；

(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380 V，50 Hz，20 kW。

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[4]。