汽車第3代輪轂軸承單元的振動(dòng)測試與分析*

李雪原 雷良育 董亮 劉兵 張輝

（浙江農(nóng)林大學(xué)）

作為汽車的關(guān)鍵零部件，輪轂軸承單元起到支撐和傳動(dòng)作用[1-3]。由于輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、加工制造精度、裝配條件和運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，容易產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。如果振動(dòng)過大，將會降低輪轂軸承單元的使用壽命，影響汽車的整體安全性，甚至引發(fā)交通事故，因此振動(dòng)要控制在一定范圍內(nèi)。然而汽車第3代輪轂軸承單元的振動(dòng)測試技術(shù)還處在起步階段，使用傳統(tǒng)的工程方法無法對其進(jìn)行深入的振動(dòng)測試和分析。文章提出一種加速度測試方法，對汽車第3代輪轂軸承單元進(jìn)行振動(dòng)測試，再對采集到的數(shù)據(jù)分析歸納，得出其規(guī)律并發(fā)現(xiàn)合理的振動(dòng)頻率范圍，為汽車第3代輪轂軸承單元的質(zhì)量管控提供參考依據(jù)。

1 輪轂軸承單元振動(dòng)測試原理

輪轂軸承單元的振動(dòng)測試原理與一般的振動(dòng)測試原理有著諸多相似之處。按測量的方式主要分為加速度測量和速度測量2種方式[4]。根據(jù)輪轂軸承單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，文章采用加速度測量方法來進(jìn)行輪轂軸承單元的振動(dòng)測試技術(shù)研究。所采用的輪轂軸承單元振動(dòng)測試裝置的工作原理，如圖1所示。

圖1 輪轂軸承單元振動(dòng)測試裝置工作原理

本輪轂軸承單元振動(dòng)測試裝置，主要包括主軸潤滑油路系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)料輸送帶、進(jìn)料托爪機(jī)構(gòu)、工件螺栓定位機(jī)構(gòu)、工件夾持提升移動(dòng)定位機(jī)構(gòu)、軸承加載裝置、加速度型傳感器檢測裝置、出料輸送帶（合格與不合格）、電腦測量儀器及控制系統(tǒng)11個(gè)部分。文章針對主要測試部件和支撐運(yùn)動(dòng)部件加以闡述。主要工作過程如下：加載盤下降壓住輪轂軸承單元，同時(shí)施加中心橫向載荷。然后心軸在主軸的帶動(dòng)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)輪轂軸承單元的轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器1和傳感器2下降至輪轂軸承單元檢測位置，傳感器1主要檢測上半部分，傳感器2主要檢測下半部分，因此傳感器1的位置要略高于傳感器2。此時(shí)可進(jìn)行輪轂軸承單元的振動(dòng)測試檢測，對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲，以備后續(xù)的研究。待輪轂軸承單元振動(dòng)測試完畢，加載盤在氣缸的帶動(dòng)下上升至指定位置，同時(shí)左右2個(gè)傳感器也在對應(yīng)氣缸的拉動(dòng)下向上抬升，最后心軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)測試過程結(jié)束。

2 試驗(yàn)對象和設(shè)備

本研究針對汽車第3代雙列球型輪轂軸承單元進(jìn)行振動(dòng)測試技術(shù)研究，該型號輪轂軸承單元的（測量點(diǎn)）外徑為φ50，高度為120 mm（含螺栓），法蘭外徑為φ18。

采用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的3G振動(dòng)測試儀，如圖2所示。該輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀的主軸采用立式，并采用液體動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承傳動(dòng)，旋轉(zhuǎn)精度高；加載為上壓軸承方式加載（氣缸加載）和柔性加載（加載盤通過減振器柔性連接），在加載過程中有一定的緩沖減振，避免在加載過程中因剛性連接而損壞軸承及設(shè)備。該輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀最大的特點(diǎn)是從進(jìn)料、檢測到出料等整個(gè)過程都自動(dòng)完成，測試時(shí)間可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，從而降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了生產(chǎn)效率。

圖2 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量要求，施加中心軸向載荷，主軸轉(zhuǎn)速為1 500 r/min[5]。該輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀的主要參數(shù)，如表1所示。其中，主軸轉(zhuǎn)速可通過觸摸屏輸入控制工作轉(zhuǎn)速。

表1 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀的主要參數(shù)

3 測控系統(tǒng)

輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。加速度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過電荷放大器傳送到數(shù)據(jù)采集卡中，數(shù)據(jù)采集卡可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并傳送給上位機(jī)。上位機(jī)可以與裝配控制總線通訊進(jìn)行相應(yīng)的裝配控制，同時(shí)控制PLC的動(dòng)作，而且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理存儲和顯示。

圖3 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

加速度型傳感器檢測裝置其主要作用在于傳感器觸頭調(diào)整在軸承外圈合適位置，接觸到待測軸承的外圈，通過此傳感器將檢測到的機(jī)械振動(dòng)加速度信號轉(zhuǎn)換成電子信號并輸送給電腦測量儀器。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電氣控制以及電線、氣缸和電磁閥等構(gòu)成，其作用在于控制儀器各個(gè)部件的動(dòng)作，使整個(gè)儀器準(zhǔn)確與高效地運(yùn)作[6]。

4 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)操作規(guī)程，進(jìn)行汽車第3代輪轂軸承單元的振動(dòng)測試和分析。經(jīng)過振動(dòng)測試，得到了其時(shí)域圖和頻域圖，其中又分為傳感器1和傳感器2分別測得的數(shù)據(jù)，分別記為通道1和通道2，如圖4和圖5所示。

圖4 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀時(shí)域圖

圖5 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀頻域圖

汽車第3代輪轂軸承單元內(nèi)圈出現(xiàn)故障缺陷時(shí)，由于內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，外圈固定，因此產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)頻率會呈周期性變化[7]，振動(dòng)信號會受到轉(zhuǎn)頻的調(diào)制作用，從而在故障信號的包絡(luò)譜中將出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)頻及其倍頻和內(nèi)圈故障特征頻率成分。

從圖4中發(fā)現(xiàn)：2個(gè)傳感器采集的信號振動(dòng)頻率在-500～500 Hz范圍內(nèi)波動(dòng)，均出現(xiàn)了6次左右的峰值。從圖5中可以看出其固有頻率和波動(dòng)規(guī)律，峰值為30 Hz，除固有頻率外未出現(xiàn)明顯的波形雜亂現(xiàn)象。油潤滑狀態(tài)下的正常軸承振動(dòng)信號較平穩(wěn)，且振動(dòng)加速度峰值較低。

輪轂軸承單元振動(dòng)加速度級可以作為軸承振動(dòng)水平的評價(jià)[8]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的軸承振動(dòng)加速度級，可以設(shè)置加速度級閾值，初步判斷軸承合格與否。

為了測試汽車第3代輪轂軸承單元的振動(dòng)特性，隨機(jī)選取了15個(gè)輪轂軸承單元作為測試樣本，進(jìn)行振動(dòng)測試。經(jīng)過振動(dòng)測試儀的具體試驗(yàn)，采集到的振動(dòng)參數(shù)經(jīng)過算法處理得到數(shù)據(jù)圖，如圖6所示。

圖6 輪轂軸承單元振動(dòng)測試儀傳感器采集到的數(shù)據(jù)圖

從圖6a中可以看出，傳感器1采集到的輪轂軸承振動(dòng)波形的有效值、峰值和波峰因數(shù)值比較穩(wěn)定，只是在一定范圍內(nèi)發(fā)生微小的波動(dòng)，但是域值變化的范圍較大，而且數(shù)值不穩(wěn)定，樣本2的數(shù)值突變最大。從圖6b中可以看出，傳感器2采集到的輪轂軸承單元振動(dòng)波形的有效值、峰值和波峰的變化特征與圖6a基本一致，只是變化區(qū)間有一些差別，這是因?yàn)?個(gè)傳感器測試的輪轂軸承位置不同導(dǎo)致的；域值的數(shù)值變化范圍大體上比較穩(wěn)定，但是樣本2的數(shù)值變化較大，產(chǎn)生了突變現(xiàn)象，和圖6a中的變化特征基本一致。

根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定產(chǎn)品的振動(dòng)波形有效值為70 dB，峰值為90 dB，波峰因數(shù)為10，域值為200，超過設(shè)定值則判為不合格。樣本2的有效值、峰值和波峰因數(shù)符合產(chǎn)品要求，但是域值超出設(shè)定值，屬于不合格產(chǎn)品。樣本6的振動(dòng)波形有效值、峰值和域值均在設(shè)定值之內(nèi)，但是波峰因數(shù)超出設(shè)定值，同樣屬于不合格產(chǎn)品。產(chǎn)品的各項(xiàng)振動(dòng)波形特征均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，才能滿足產(chǎn)品的使用要求，這對產(chǎn)品的安全性和可靠性起到重要的影響。

5 結(jié)論

1）通過加速度測試法對汽車第3代輪轂軸承單元進(jìn)行振動(dòng)測試，得出其時(shí)域圖和頻域圖，分析總結(jié)得出：每個(gè)型號的輪轂軸承單元都有其振動(dòng)的固有頻率和相應(yīng)的頻譜圖，超過這個(gè)范圍則說明其生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能存在問題，由此可作為工廠生產(chǎn)輪轂軸承單元時(shí)，其質(zhì)量和性能的檢測手段。

2）對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得出其振動(dòng)波形各項(xiàng)特征的分布規(guī)律。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，設(shè)定振動(dòng)波形參數(shù)范圍，可作為判別產(chǎn)品合格與否的依據(jù)。一旦輪轂軸承出現(xiàn)質(zhì)量問題,其固有振動(dòng)頻率及幅值等參數(shù)將發(fā)生一些變化，由此可識別其異常原因，為輪轂軸承單元的故障診斷提供了理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。