汽车水泵轴承轴承试验机的设计

汽车水泵轴连轴承试验机的设计（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳471039；2.洛阳矿山机械工程设计研究院，河南洛阳471000）摘要：为正确了解影响水泵轴连轴承的失效形式，测量轴承的温度和载荷，并对轴承寿命进行评定。研究了汽车水泵轴连轴承试验机，阐述了其主要结构、加载的原理。关键词：水泵轴连轴承；试验机；高温试验；防水试验汽车水泵的作用是使冷却水在发动机水套和散热器之间进行循环，以保证发动机在一定的温度范围内正常工作；水泵主要由壳体、带轮、轴和轴承、滑环密封及叶轮等组成，其中轴承对整个水泵的使用寿命具有决定性作用，同时也决定了水泵的噪声等主要使用性能。随着汽车工业规定的保证功率越来越高，因而对单独成套零部件的功能可靠性和使用寿命的要求也越来越高，开展对汽车水泵轴联轴承的性能试验及研究也成为当务之急；为提高水泵轴连轴承的设计水平及产品质量，为水泵轴承的产品设计和理论分析提供真实有效的数据参考，开发一种水泵轴连轴承试验机，本文介绍其整机设计以及试验情况。1水泵轴连轴承试验机的主要技术参数（1）试验轴承内径为Φ10～Φ32；（2）试验机最大径向载荷为8KN，稳态误差1%；（3）转速最高为15000r/min，稳态误差1%；（4）试验轴承最高环境温度为100℃；（5）试验机测控方式为微机自动控制、自动监测、自动报警停机和自动记录；（6）试验机测量参数为温度、转速、主机电流、振动和径向载荷。2水泵轴连轴承试验机的结构原理该试验机由试验机主体部件、床身部件、传动部件、液压加载系统、电气控制与软件系统等组成。根据试验轴承的安装特点以及水泵的工作特性，并参考国外汽车水泵轴联轴承试验机资料。该试验机为双工位试验机，可同时试验两套轴承，以提高试验效率。试验主体由电机、皮带和驱动主轴进行二级传动，首先由第一组同步带轮组合经变频电机驱动传动主轴，再通过另一组楔形带轮组合对试验轴承进行驱动，并通过变频器的控制对试验机的转速在参数范围内进行任意调节控制。整个试验主体安装于一对导轨上，可以自由滑动，进行试验时，油缸进行拉的工作状态，对试验主体有一个拉力，此拉力与楔形皮带张力大小相等，且正好作用在轴连轴承上，此力的大小由比例加载系统及液压缸控制，力传感器监测，对轴承承受的载荷形成一个闭环控制；同时，此试验机还能对轴承进行高温试验、防水试验；此试验功能是在寿命试验的基础上增加高温控制箱和水箱来实现；电气控制与软件系统实现对试验机的控制以及试验数据的实时显示和采集，试验机工作原理如图1所示。计算机监控系统电器测控系统高温系统加载系统变频电机变频器试验主体图1试验机工作原理2.1主体结构试验主体是试验机的核心部分，结构如图2所示，主要由试验头组件、导轨组件、水箱组件、径向加载组件、上盖与底座组成。主体壳体为剖分式不锈钢件，分为上盖与底座两部分，便于拆装；径向载荷在液压力的作用下通过液压油缸向试验轴承施加载荷；试验头组件安装在主体底座的套筒上，套筒由上盖通过螺钉压紧固定；水箱组件内装加热棒控制水的温度模拟试验轴承的工作环境。1－水箱组件；2－底板；3－导轨组件；4－底座；5－上盖；6－试验头组件图2试验主体结构2.1.1试验头结构设计试验头的结构直接影响试验机的可靠性和工作特性。该试验头模拟轴连轴承的实际安装及工作情况，过硬配合直接安装在轴承套上，轴承套安装在套筒上，试验轴悬臂端安装有皮带轮，考虑到在水环境下工作，整个试验头组件采用9Cr18，试验头组件见图3所示。1－轴承套；2－密封件；3－试验轴承；4－振动传感器支架；5－振动传感器；6－轴套；7－皮带轮图3试验头组件试验轴承做寿命试验时需要试验轴承滚道处径向载荷进行计算，可由带轮径向载荷计算出试验轴承滚道载荷，试验轴承受力如图4所示；图4试验轴承受力图由图4可知：PLLP121(1)PLLLP1212(2)式中:P-带轮径向载荷；1P-球滚道处径向载荷；2P-圆柱滚子滚道处径向载荷；1L-滚道间距；2L-圆柱滚子滚道中心与带轮中心间距3.1.2试验主轴的校核由于试验轴承组件中包含了试验轴，故在设计时不用校核试验轴的强度及刚性，只需校核试验轴系的临界转速，避免试验轴系的自振频率与其强迫振动频率重合，引起试验轴系的共振，借助UGNX软件可完成试验轴系的模态分析，模态分析如图5所示。图5试验轴系模态分析由试验轴系模态分析结果可看出其一阶自振频率为507.1HZ，试验机最高转速为15000r/min，在此转速下变频电机的运转频率为100HZ，即试验机的强迫振动频率最大为100HZ，其一阶自振频率507.1HZ远大于强迫振动频率的最大值100HZ，即试验轴系不会产生共振。3.2水箱加热系统水箱组件由不锈钢板焊接而成，在其连接处用橡皮垫密封防止泄露，水箱中有电加热器实现高温加热，加热温度由温度传感器测试并反馈到温控系统，由温控仪进行加热控制从而达到试验加热自动闭环控制的目的；通过控制水温产生水蒸气，水蒸汽通过轴承套上的小孔进入到轴承后部的密封圈内部，由此模拟水泵轴连轴承的实际工作环境。3.3液压加载系统试验机采用液压加载方式对试验轴承施加径向载荷，液压加载原理图如图6所示。叶片泵提供的液压油经过滤后进入阀座，再经溢流阀溢流后分2路进入比例减压阀，比例减压阀在控制器的作用下输出给定压力大小的液压油，液压缸拉动安装有直线导轨的底座把径向载荷施加到试验轴承上。1－吸油过滤器；2－叶片泵；3－电机；4－空气滤清器；5－液位计；6－冷却器；7－管路过滤器；8－溢流阀；9-压力表；10-比例减压阀；11－三位四通换向阀；12－压力传感器；13－压力表；14液压缸图6液压加载原理图3.4电机驱动及传动系统该系统由变频电机、智能变频器、传动轴组件和控制系统组成，由于试验机要求最高转速为15000r/min，变频电机最高转速为3000r/min，故设计该系统为二级传动系统。由给定变频器的控制信号（手动或计算机发命令）使变频电机运转，变频电机通过同步带轮驱动传动主轴，传动主轴通过楔形带轮对试验轴承进行驱动,控制原理图如图7所示。图7电机驱动及传动系统控制原理图3.5电气控制与软件系统试验机的电气控制与软件系统是以工业控制计算机为核心，由操作系统控制单元、计算机测控系统单元、试验主体测控系统单元和软件程序组成，完成对整个试验机的功能控制和信号测试。测试采集系统主要进行温度、压力、振动、转速等试验参数的测试和采集。所有试验数据除了必需使用二次仪表显示以外，其余均在计算机通信界面上显示，对主机转速、径向载荷拉压力等试验过程中的重要参数，可实现双重显示，确保了试验过程中提取关键数据的可靠性和准确性。试验器计算机监控系统由工控机、信号采集卡、电压输出卡、通讯卡、数字输入/输出卡、信号调理板、功率驱动卡、信号滤波单元、等组成，对其中的主机转速进行闭环自动控制，对转速、轴承环境温度、载荷、主机电流、主机电压和轴承振动等参数进行实时监测、数据处理和显示，数据可记录和保存。监控系统的计算机软件采用基于Windows操作平台下的BlanderC++Bulder编程工具完成，主要实现对试验机系统的实时监控，试验过程中如检测参数异常，系统可报警停机，同时具有试验数据分析功能。4验证试验在ABLT-1A型寿命强化试验机进行水泵轴连轴承的寿命试验，轴承型号WIR163084X，转速n=6000r/min，环境温度80℃，带轮径向载荷P为1.248KN；1L=14.5,2L=23，由式(1)和式（2）可得出：1P=1.98KN，2P=3.22KN；根据试验轴承厂家资料，1P侧基本额定动载荷为1Co为6.6KN，2P侧基本额定动载荷为2Co为14.1KN，可知在此试验条件下试验轴承1P和2P侧的寿命为：hPCnLoh88.102166673111（3）hPCnLoh46.48416667310222（4）在此试验条件下试验轴承的试验情况见表1。表1WIR163084X轴承寿命试验调查项目1NO2NO3NO4NO试验前试验后试验前试验后试验前试验后试验前试验后径向游隙（球端）um2527323523242927径向游隙（滚子端）um2628353727273233轴向游隙um142141147146128130144144振动值dB球端4142384041413941滚子端4246434540434242总运转时间h210210210210运转停止理由无无无无异常发生内容无无无无试验结果符合寿命要求符合寿命要求符合寿命要求符合寿命要求该试验通过代表型号WIR163084X轴承的装机试验考核了试验机在高速、高温和径向载荷作用下的综合运行能力及可靠性，满足试验机的技术要求；通过该试验轴承的寿命试验给水泵轴连轴承的设计和装机提供真实有效的试验数据参考。4结束语该水泵轴连轴承试验机可真实地模拟轴承的实际工况，对轴承进行各项性能和耐久性试验；可测出轴承在不同工况下的载荷、温升和转速，并对轴承寿命进行评定。通过试验可以正确了解影响轴承失效的主要因素，为水泵轴连轴承的开发研制提供可靠的设计依据。