V této studii jsme identifikovali hluk generovaný automobilovými ložisky kol, který se nedávno objevil jako nový problém v elektrických vozidlech. Sestava ložiska kola uvažovaná v této studii se skládá z ložiska kola, krytu proti prachu a kloubu, které jsou upevněny šrouby. Pro získání hlukových charakteristik ložiska kola byly experimentálně měřeny hluk a vibrace při otáčení ložiska. Kromě toho byly prostřednictvím modálního testování získány vlastní frekvence a tvary vidu hlavních součástí ložiska. Porovnáním získaných vlastních frekvencí se špičkovými frekvencemi naměřených signálů hluku a vibrací jsme identifikovali, kde hluk vyzařoval. Pro specifickou identifikaci vad ložisek byl vytvořen model analýzy konečných prvků a byla analyzována deformace ložiska při zatížení. Na základě analýzy jsme určili, že deformace vnějšího kroužku ve vnější řadě, která vznikla šroubovým upevněním, vede k hluku a vibracím v ložisku kola.
1. Úvod
Ložisko kola automobilu je součást, která spojuje hnací hřídel a kolo, podporuje zatížení působící na hřídel a přenáší výkon na kolo. Ložiska kol se na základě valivého prvku dělí na kuličková a kuželíková. Kulový typ se používá, když je hmotnost vozidla nízká, a typ kuželového válce se používá, když je hmotnost vozidla vysoká. Ložiska kol byla postupně vyvíjena do kompaktních jednotek z důvodu zvyšujících se požadavků na úsporu energie a pohodlí. Podle konstrukčních změn ložiska kola je lze rozdělit na první, druhou a třetí generaci. Ložiska kol třetí generace se běžně používají ke zlepšení snížení hmotnosti, montáže a odolnosti snížením počtu dílů [1].
Valivé ložisko nutně selhává v důsledku únavy valivého kontaktu mezi kuličkou a oběžnou dráhou vnitřního/vnějšího kroužku. Vzhledem k tomu, že v průmyslové oblasti jsou vyžadována ložiska, která mohou být dlouhodobě používána bez poškození, byla jejich životnost považována za nejdůležitější výkonnostní ukazatel mezi všemi výkonnostními ukazateli ložisek. Pro standardizaci životnosti ložisek navrhla ISO, mezinárodní normalizační organizace, metodu pro výpočet základní jmenovité životnosti valivých ložisek [2]. Mnoho výzkumníků navíc navrhlo modely pro pochopení fyzikálního mechanismu únavy valivého kontaktu a predikci únavové životnosti valivého ložiska [3,4,5]. Někteří výzkumníci zkoumali účinky dalších faktorů, jako je profil koruny válečku, radiální vnitřní vůle kuličkového ložiska a pohyb klece kuličkového ložiska na úroveň vibrací a životnost ložiska [6,7,8].
Kromě toho jsou ložiska kol typem valivých ložisek a byly provedeny studie s cílem předpovědět a zlepšit životnost ložisek kol [9,10,11,12,13,14]. Raju a kol. [9] vyjádřili vztah mezi kontaktním napětím a životností v ložisku kola pomocí vzorce založeného na analýze metodou konečných prvků. Zhang a kol. [10] vypočítali rozložení vnitřního napětí v ložisku kola pomocí simulací a na základě analýzy výsledků předpověděli selhání, ke kterému může u ložisek kol dojít. Zhao a kol. [11] navrhli metodu predikce životnosti pro víceosé zatížení kol, aby bylo možné předpovědět životnost ložiska kola za reálných podmínek zatížení. Naopak Rizzo a Pagliassotto [12] a Lee et al. [13] zlepšili únavovou životnost ložisek kol vyvinutím materiálu valivého tělesa a vnějšího kroužku. Dále Min [14] navrhl pokyny pro návrh, testování, kvalitu a výrobu pro zlepšení životnosti ložisek kol zkoumáním různých příčin poruch.
Valivá ložiska, včetně ložisek kol, vedou během provozu k různým defektům na povrchu oběžné dráhy. Tyto vady významně ovlivňují životnost ložisek; proto se provádějí studie na identifikaci vad ložisek. Diagnostika vad valivého ložiska se obvykle analyzuje na základě vibračních a hlukových signálů generovaných při otáčení ložiska. Vzhledem k tomu, že diagnostika defektů analyzuje změny v malém hluku/vibracích v důsledku lehkého defektu na dosedací ploše, přesnost diagnostiky defektu se liší podle způsobu zpracování signálu. Proto byly navrženy různé metody zpracování signálu pro detekci a identifikaci vad valivých ložisek [15,16,17,18]. Rubio a Jauregui [19] vysvětlili vhodnost a omezení každé metody aplikací a porovnáním různých metod zpracování signálu na diagnostiku defektů ložisek kol. Huang a kol. [20] navrhli metodu diagnostiky vad ložisek kol pomocí akustické detekce povrchu vozovky. Byla také provedena studie k predikci zbývající životnosti ložiska kola na základě poruchových signálů [21].
Nedávno se vyskytl problém s hlukem v ložisku kola aplikovaného na elektrické vozidlo při jeho jízdě. Protože elektrická vozidla jsou relativně tišší než vozidla s vnitřním spalováním, objevují se nové problémy s hlukem, které nebyly problémem u stávajících vozidel s vnitřním spalováním. Novým problémem je konkrétně hluk ložisek kol. Mnoho případů hluku ložisek kol je způsobeno povrchovými defekty kuliček, vnitřního kroužku a vnějšího kroužku. Hluk generující ložiska kol použitá v této studii však nevykazují povrchové vady. Proto je nutné prozkoumat příčinu a mechanismus hluku ložisek kola, což je nový problém.
Účelem této studie je identifikace hluku generovaného ložisky automobilových kol. V této studii jsme analyzovali sestavené ložisko kola, ve kterém jsou ložisko kola, kloub a prachový štít sešroubovány dohromady. Nejprve byl experimentálně změřen hluk a vibrace, které vznikají při otáčení sestaveného ložiska kola, a byly analyzovány časové odezvy a frekvenční spektra těchto signálů. Následně bylo provedeno modální testování za účelem prozkoumání vztahu mezi hlukem smontovaného ložiska kola a vibracemi generovanými hlavní součástí. Dále byly zkoumány frekvence defektů ložiska kola, aby se určil zdroj buzení, který způsoboval hluk a vibrace ložiska kola. Nakonec byl pomocí simulací zkoumán mechanismus defektu uvnitř ložiska kola.
2. Hluk a vibrace smontovaného ložiska kola
V této studii je ložisko kola dvouřadé kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem třetí generace složené z náboje, vnitřního kroužku, vnějšího kroužku, držáku a kuliček, jak je znázorněno na obrázku 1a. Toto ložisko kola třetí generace má konstrukční vlastnosti, kde náboj a vnitřní kroužek jsou integrovány a vnější kroužek má přírubu. Kromě toho lze dvojité řady kuliček rozdělit na vnitřní řadu blízko karoserie vozidla a vnější řadu poblíž kola. Specifikace ložisek ložisek kol použitých v této studii jsou shrnuty v tabulce 1, kde N označuje počet kuliček, Bd označuje průměr koule, Pd označuje průměr stoupání a θ označuje kontaktní úhel.
Pro montáž ložiska kola na vozidlo jsou ložisko kola a protiprachový štít přišroubovány ke kloubu připojenému ke karoserii vozidla, jak je znázorněno na obrázku 1b. Prachový štít tak zabraňuje hromadění brzdového prachu v různých součástech, včetně ložisek kol. Ložisko kola ve vozidle se otáčí, když je vnější kroužek upevněn kloubem, a náboj a vnitřní kroužek se otáčí společně s hnací hřídelí. Hluk vzniká, když je ložisko kola namontováno na vozidlo a otáčeno. Proto jsme analyzovali hluk a vibrace smontovaného ložiska kola, které zahrnovalo kloub a prachový štít.
Experimentálně byl měřen a analyzován hluk a vibrace sestavených ložisek kol. Jak je znázorněno na obrázku 2, experimentální uspořádání pro měření hluku/vibrací je konstruováno uvnitř semi-zvukové místnosti. Motor pro otáčení hnacího hřídele byl instalován vně polozvukové místnosti, aby se minimalizoval hluk generovaný testovacím zařízením. Maximální rychlost otáčení motoru je 2000 ot./min. Příruba náboje ložiska kola byla přišroubována ke spojce připojené k hnací hřídeli pro upevnění sestaveného ložiska kola ke zkušebnímu zařízení. Poté byl kloub přiložen k okraji přípravku, aby se omezila rotace. Podobně jako u ložiska kola namontovaného na vozidle je vnější kroužek upevněn kloubem, jehož rotace je omezena, a náboj a vnitřní kroužek se otáčí spolu s hnací hřídelí. Rychlost otáčení ložiska kola byla potvrzena měřením rychlosti otáčení spojky, která se otáčí s ložiskem kola, pomocí otáčkoměru (B&K MM-0360). Hlukový signál byl měřen instalací mikrofonu (PCB 378B02) ve vzdálenosti 0.1 m od vnější prstencové příruby ložiska kola a vibrační signály byly měřeny pomocí akcelerometrů (B&K 4383) připevněných k protiprachovému štítu a vnějšímu kroužku. Mezitím, vzhledem k tomu, že kloub je relativně těžký a tlustý, má pouze malý význam pro tvorbu hluku; proto byl z měření vibrací vyloučen. Naměřené signály hluku a vibrací byly analyzovány pomocí spektrálního analyzátoru (B&K 3050-B-060).
Nejprve byly zkoumány charakteristiky hluku a vibrací generovaných na smontovaném ložisku kola. Časové odezvy hluku a vibrací, když se sestavené ložisko kola otáčí konstantní rychlostí 200 ot./min, jsou znázorněny na obrázku 3. Obrázek 3a dále ukazuje časovou odezvu na hluk při použití A-závažného filtru. Obrázek 3b,c ukazuje časové odezvy vibrací protiprachového krytu a vnějšího kroužku. Na obrázku 3a je střední kvadratická hodnota pro odezvu na šum 9.34 mPa(A) na lineární stupnici a 53.4 dB(A) na logaritmické stupnici. Na obrázku 3b,c jsou efektivní hodnoty pro vibrační odezvy 0.76 m/s2 a 0.19 m/s2. Vibrace prachového štítu byly přibližně čtyřikrát vyšší než vibrace vnějšího prstence.
Naopak periodické špičky s intervalem 0.31 s byly pozorovány v odezvách hluku a vibrací na obrázku 3a–c. Periodické kmitání bylo převedeno na frekvenci 3.23 Hz. Tato frekvence je podobná frekvenci otáčení (3.33 Hz, 1 X ) systému rotujícího rychlostí 200 ot./min. Je dobře známo, že 1 X v rotujícím systému je způsobeno excentricitou mezi rotační osou a těžištěm systému. Lze tedy konstatovat, že periodické chvění 3.23 Hz na obrázku 3a–c odpovídá frekvenci otáčení 1 X , která je způsobena excentricitou mezi osou otáčení hnacího hřídele a těžištěm smontovaného ložiska kola. 1 X však nebylo v další analýze uvažováno, protože neovlivňuje defekty ložisek nebo strukturální problémy. Kromě toho na obrázku 3c jsou kromě periodických píků v 0.044 s pozorovány také periodické píky v čase 0.31 s.
Frekvenční spektra se získají aplikací Fourierovy transformace (FFT) na časové odezvy znázorněné na obrázku 3 a výsledky jsou znázorněny na obrázku 4. Jak je znázorněno na obrázku 4a, maximální frekvence pro šum byly pozorovány převážně při 896, 940, 1000, 1125, 1206 a 1306 Hz. To znamená, že hluk sestaveného ložiska kola vykazuje vysokofrekvenční rozsah přibližně 800–1300 Hz. Na obrázku 4b jsou špičkové frekvence pro vibrace prachového štítu pozorovány na několika frekvencích, včetně frekvencí 940 Hz, 1000 Hz, 1125 Hz, 1206 Hz a 1306 Hz, které se shodují se špičkovými frekvencemi hluku. Naopak na obrázku 4c byly špičkové frekvence pro vibraci vnějšího prstence pozorovány při nízkých frekvencích pod 100 Hz. Konkrétně byla významně pozorována při 22.63 Hz. Tato špičková frekvence odpovídá periodické oscilaci s intervalem 0.044 s v časové odezvě znázorněné na obrázku 3c.
Dále byl měřen hluk a vibrace smontovaného ložiska kola při zvyšování otáček ze 100 ot./min na 400 ot./min. v intervalech po 20 ot./min. Naměřené výsledky jsou vyneseny jako vodopádový graf, který vyjadřuje frekvenční spektrum ve třech rozměrech, jak je znázorněno na obrázku 5. Dříve analyzované frekvenční spektrum při 200 ot./min je na obrázku 5 označeno červeně. Jak je znázorněno na obrázku 5a, maximální frekvence šumu jsou vždy pozorovány při 896, 940, 1000, 1125, 1206 a 1306 Hz bez ohledu na rychlost otáčení. Kromě toho na obrázku 5b jsou špičkové frekvence vibrací pro prachový štít stejné jako pro všechny rychlosti otáčení a tyto špičkové frekvence se shodují s frekvencemi pozorovanými na obrázku 4b. Mezi frekvencemi se 940, 1000, 1125, 1206 a 1306 Hz vždy shodovaly se špičkovými frekvencemi hluku bez ohledu na rychlost otáčení. Špičkové frekvence vibrací pro vnější kroužek na obrázku 5c jsou pozorovány při nízkých frekvencích a jsou nezávislé na špičkových frekvencích hluku na obrázku 5a. Proto bylo pozorováno, že hluk smontovaného ložiska kola není ovlivněn rychlostí otáčení a úzce souvisí s vibracemi prachového štítu.
3. Identifikace hluku
Aby se potvrdilo, zda hluk smontovaného ložiska kola byl způsoben vibracemi prachového krytu, bylo provedeno modální testování na prachovém krytu. Obrázek 6 ukazuje konfiguraci pro modální testování protiprachového štítu. Jak je znázorněno na obrázku, sestavené ložisko kola je instalováno ve stacionárním experimentálním zařízení bez rotace. Červené a modré body na protiprachovém štítu označují polohu upevnění akcelerometru a buzení rázového kladiva. Přiložením jednoho akcelerometru k červenému bodu a úderem rázového kladívka do modrého bodu byla měřena budicí síla rázového kladívka a akcelerační odezva akcelerometru. Signály byly získány podobným způsobem přesunutím akcelerometru do jiného červeného bodu. Ze získaných signálů byla získána funkce frekvenční odezvy, která představuje vztah mezi budicí silou (vstupem) a odezvou zrychlení (výstupem).
Vlastní frekvence a tvary vidů byly analyzovány pomocí modální analýzy. Funkce frekvenční odezvy pro všechny polohy měření je znázorněna na obrázku 7, kde špičkové frekvence označují vlastní frekvence prachového krytu. Pro porovnání frekvence hluku/vibrací, které se generují, když se smontované ložisko kola otáčí, s vlastní frekvencí prachového štítu, špičkovými frekvencemi hluku na obrázku 4a, špičkovými frekvencemi vibrací na obrázku 4b a vlastními frekvencemi prachového štítu na obrázku Obrázek 7 je shrnut v tabulce 2. Jak je uvedeno v tabulce 2, vlastní frekvence protiprachového štítu a špičkové frekvence vibrací protiprachového štítu jsou téměř stejné. Frekvence odpovídající vlastní frekvenci 888 Hz však nebyla pozorována ve špičkové vibrační frekvenci prachového štítu. Důvod je vysvětlen později během analýzy tvaru režimu. Mezi vlastními frekvencemi prachového krytu byly 888, 940, 998, 1120, 1200 a 1300 Hz podobné špičkovým frekvencím hluku pro sestavené ložisko kola.
Tvary režimů prachového štítu blízké špičkovým frekvencím hluku smontovaného ložiska kola jsou znázorněny na obrázku 8. Každý bod na obrázku 8 je poloha akcelerometru a tvary režimu před a po deformaci jsou vyznačeny tečkovanými a plnými čarami, respektive. Na obrázku 8a lze pozorovat, že existuje uzlový bod, kde se velikost vibrace rovná nule na tvaru módu odpovídajícímu 888 Hz. Tento bod je stejný jako místo, kde je připojen akcelerometr pro měření vibrací protiprachového štítu v předchozí analýze (obrázek 2). Proto při maximální frekvenci vibrací prachového štítu nebyla pozorována frekvence 888 Hz, protože vibrace byly měřeny v uzlovém bodě. Pokud je akcelerometr připojen na jiné místo, které se vyhne uzlovému bodu při měření vibrací prachového štítu, lze ve frekvenčním spektru pozorovat frekvenci podobnou 888 Hz.
Společný znak však odpovídá velké deformaci, ke které dochází mimo prachový štít. To znamená, že z vnější polohy protiprachového štítu bylo vyzařováno velké množství hluku. Lze tedy konstatovat, že hlukové frekvence montovaného ložiska kola, tj. 896 Hz, 940 Hz, 1000 Hz, 1125 Hz, 1206 Hz a 1306 Hz, byly vyzařovány deformací prachového krytu.
4. Zdroj buzení pro šum
V této části je analyzován zdroj buzení, který vyvolává hluk a vibrace montovaného ložiska kola. U smontovaného ložiska kola jsou kloub a protiprachový štít nehybné, zatímco s hnací hřídelí se otáčí pouze ložisko kola. Lze odvodit, že uvnitř ložiska kola vzniká budicí síla a tato síla se přenáší na kloub a protiprachový štít. Proto byly podrobněji analyzovány vibrace ložiska kola ve vnějším kroužku získané v předchozí části.
Obrázek 9 je zvětšený obrázek, ukazující frekvence pod 100 Hz, pro jasné označení nízkofrekvenčních složek z obrázku 5c. Jak je znázorněno na obrázku 9, jsou pozorovány rotační frekvence 1 X, 2 X, 3 X, 4 X, 5 X, 6 X a 6.79 X, kde X označuje rotační frekvenci. Pokud je rychlost otáčení 300 ot./min., frekvence otáčení X bude 5 Hz. Konkrétně frekvence 22.63 Hz, která je z velké části pozorována na obrázku 4c, odpovídá 6.79 X . Obecně má velikost frekvence otáčení tendenci se postupně zvyšovat, protože odstředivá síla se zvyšuje s rostoucí rychlostí otáčení. Nicméně frekvence odpovídající 6.79 X na obrázku 9 má velkou velikost i při nízké rychlosti otáčení bez ohledu na rychlost otáčení. To znamená, že existuje další síla, která způsobuje 6.79 X , spolu s odstředivou silou. Vzhledem k tomu, že na ložisko kola nepůsobila žádná další vnější síla, lze mít za to, že dříve zmíněná síla byla způsobena vadami uvnitř ložiska kola.
Pro ověření příčiny 6.79 X byly zkoumány charakteristické frekvence (často nazývané frekvence defektů) ložiska. Charakteristické frekvence zahrnují základní vlakovou frekvenci (f FTF), kulový propustný kmitočet vnějšího kroužku ( f BPFO), vnitřní kroužek s frekvencí kuličkového průchodu ( f BPFI) a frekvenci otáčení míče ( f BSF), které získáme pomocí následujících rovnic [22,23]:
