轿车轮毂轴承城市道路载荷谱测试与分析

　第35卷第12期　2001年12月

上海交通大学学报

JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y

V o l .35N o.12　

D ec .2001　

收稿日期:2000212213

文章编号:100622467(2001)1221813204

轿车轮毂轴承城市道路载荷谱测试与分析

张雪萍,　陈以农,　姚振强

(上海交通大学机械工程学院,上海200030)

摘　要:设计了城市用轿车轮毂轴承载荷谱的测试系统.介绍了轿车匀速、加速及减速行驶时,轮毂轴承载荷谱的测试实验方法.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.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;速度变换引起左右轮轴承垂直载荷和纵向载荷大约波动25%;加速使侧向载荷幅值频次呈均态分布;减速使侧向载荷幅值频次呈瑞利分布.

关键词:载荷测试;载荷谱;轮毂轴承;轿车中图分类号:U 469;TH 133 文献标识码:A

Te s t a nd Ana lys is of Hub B e a rings Loa d S pe c trum

fo r S a loon C a r Running in C ity Roa d

ZH A N G X ue 2p ing ,　CH EN Y i 2nong ,　YA O Z hen 2qiang

(Schoo l of M echan ical Eng .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina )

Abs tra c t :A system w as devised fo r testing the dynam ic load of city 2u sed au tom o tive hub bearings .T he load testing p rocess w as in troduced w hen the au tom o tive run s in even and varied sp eed .B ased on the field test ,hub bearing’s load sp ectra in ti m e and am p litude dom ain w ere dem on strated .It reveals that the load sp ectrum in am p litude dom ain is disp layed as no rm al schoo l w hen the car run s in even sp eed .T he alterna 2ti on of runn ing states resu lts in abou t 25%ex tra dynam ic load in vertical and longitudinal directi on ,w h ile accelerating changes lateral load sp ectrum in am p litude dom ain in to average distribu ti on ,and decelerating changes lateral sp ectrum in am p litude dom ain in to R ayleigh distribu ti on .T he testing load sp ectra p rovide the first 2hand data fo r fu rther structu re op ti m al design and life exp eri m en t of au tom o tive hub bearings

.Ke y w o rds :load testing ;load sp ectrum ;hub bearings ;au tom o tive

载荷测试及载荷谱编制能为车辆及其零部件的

疲劳试验提供加载方法,也为其疲劳寿命的科学估算提供依据.房小滨[1]对铁路轴承的载荷谱进行了测试,得到了铁路车轮轴承载荷的各种载荷谱;金学松[2]对铁路货车车辆滚动轴承进行了载荷测试;李孟源等[3]对载重汽车后轮轮毂轴承受力进行测试,并编制了载荷谱.近年来,轿车在我国发展迅速,为了抢占轿车市场,加快轿车设计开发周期并节约试验时间,杨万安[4]、周宏等[5]相继对轿车整车及重要

零部件进行载荷测试及载荷谱编制等研究工作,为

轿车模拟试验研究进行了有益的尝试.轿车轮毂轴承是轿车极为关键的零部件之一,影响整车可靠性.据资料统计,在中国路况下,轮毂轴承,尤其是前轮毂轴承早期失效率偏高[6];另一方面,城市轿车的保有量占轿车销售量的70%左右.

基于上述分析,本文选择城市典型道路段,模拟城市环境下轿车典型行驶状态,实车测试轿车轮毂轴承的动载荷,并对城市道路环境下轮毂轴承的载荷谱特性进行分析.

1　测试工况设计

近年来,我国公路路况不断改善,1998年末,城市实有辅装道路1080km2[7].四车道占目前城市路况比重较大;内环高架、六车道正逐步成为城市典型路况;而双车道、单车道所占城市道路比例正在逐步缩小.城市交叉路口多,遇红绿灯时轿车的典型行驶状态历经点刹、启动、加速、匀速行驶、转弯等状态.出租车是城市轿车的一个庞大群体,其典型工况为频繁靠边停车、启动、加速、刹车等.

根据文献[8],实验测试时选择启动车速为0～20km h;单车道、双车道上轿车行驶速度为30～40km h;四车道上行驶速度为50～60km h;六车道的行驶速度为40～90km h;高架上行驶速度为40～80km h;转弯速度约为30km h.测试工况的加速是指每秒速度变化大于0.5km h;匀速是指每秒速度变化介于±0.5km h之间;减速是指每秒速度变化小于-0.5km h[7].测试路段选择内环高架2km、六车道0.6km、四车道0.8km、双车道1km、单车道0.8km、其他1km,总长6.2km作为测试样本.以上工况设计力图涵盖城市轿车的典型行驶状态及行驶速度状况,道路等级综合反映城市道路的整体状况.

2　传感与测试系统

轿车前后轮毂轴承系统结构复杂、空间狭小,所以,选择尺寸小、质量轻、灵敏度高的电阻应变片(1208)作为轮毂轴承载荷测试传感器.传感器引出的导线与动态应变仪连接,通过适当的电桥电路,把轮毂轴承的载荷应变信号转换为电压信号记录在磁带记录仪上.

前轮毂轴承系统选择与轴承座圈刚性联结、截面形状规则的减振支柱,作为测试前轮毂轴承垂直、纵向及侧向载荷的载体,测试电路选择全桥电路.后轮毂轴承系统选择相对于后桥能转动的减振支柱粘贴电阻应变片,作为测试后轮毂轴承垂直载荷的载体,测试电路选择全桥电路;选择与后轮毂轴承座圈刚性联结的后桥作为测试侧向载荷的载体,测试电路选择半桥电路,而全桥电路和半桥电路都具有温度补偿功能.

完整测试系统主要包括实验轿车(SAN TANA 2000)

、传感器(高精度应变片)、动态应变仪、磁带记录仪、电源、A D转换卡、PC机及相关分析软件,系统组成如图1所示.

图1　轮毂轴承载荷测试分析系统

F ig.1　L oad test system fo r hub bearings

3　测试流程

实验轿车改装自SAN TANA2000,实车装备及测试步骤为:①在维修站拆卸前轮总成和后轮总成;②实验室中对选择的测试部位进行磨面和清洗;③粘贴电阻应变片,并组成相应测试电桥;④进行电桥测试和桥路防护;⑤轮毂轴承载荷标定,采用从小到大3级施加,然后卸载,反复3次,标定值取3次平均值;⑥在维修站安装前后轮总成;⑦在实验车内布置仪器,传感器导线采用四线屏蔽导线,其引出位置确保车轮系统、整车结构及轿车行驶时没有干涉,然后进行调试.

实验车装备后,实车测试分两个阶段进行:①测试轿车左、右前轮毂轴承的垂直、纵向和侧向动载荷;②测试前后轮毂轴承的垂直载荷和后轮毂轴承的侧向载荷.测试数据记录在六通道的磁带记录仪上.试验时对典型行驶工况一般都进行了2～3次的重复实车测试,以检验测试载荷的平稳性和各态历经性.

4　数据分析

根据试验车轮胎规格,当轿车行驶速度为100km h时,车轮的转动频率约为15H z,属于低频载荷.而低频载荷对机件损伤取决于载荷幅值大小及出现的频次,与载荷幅值的变化速率无关[9].所以,数据分析以轿车的不同行驶状态为主线,绘制典型城市路况下,轮毂轴承动载荷的时间历程图及幅值频次累计直方图.限于篇幅,本文只分析匀速、加速、减速(刹车)状态下,轿车前轮毂轴承的载荷信号特性.图2～4中,(a)为轴承载荷信号的幅值域特性;(b)为轴承载荷信号的时域特性.W B、W D、W F 分别代表轿车左侧前轮毂轴承的纵向、侧向和垂直载荷;W C、W E、W G分别代表轿车右侧前轮轴承纵

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