滑移門滾輪與導(dǎo)軌匹配性試驗研究

陳偉通 易煒 謝秋明 李濤

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

滾輪作為汽車滑移門上重要的功能件之一，對滑移門起到支撐、滑動及導(dǎo)向的作用，其與導(dǎo)軌的配合性能直接影響滑移門的可靠性、安全性和舒適性，因此對滾輪和導(dǎo)軌進行試驗驗收是非常必要的。目前考核滾輪與導(dǎo)軌是否能滿足汽車滑移門的使用要求，可以通過搭載整車耐久測試進行驗證，其中包括整車道路試驗、滑移門系統(tǒng)耐久試驗，這種方法影響因素多、針對性不強、成本高，且在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)初期，一般需要針對不同結(jié)構(gòu)及材料的滾輪與導(dǎo)軌進行對比驗證，以選取更符合性能要求的組合，因此需要一種專門針對滾輪與導(dǎo)軌的臺架驗證方案。

本文從試驗的角度出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品驗證方案，設(shè)計了一套滑移門滾輪與導(dǎo)軌的耐久試驗臺架，以解決滑移門耐久試驗過程中出現(xiàn)的如異響、磨損等匹配性問題。

2 試驗臺架設(shè)計

2.1 臺架設(shè)計思路

滑移門上的滾輪在導(dǎo)軌上的運行軌跡可分為直線段和過彎段，為使模型的簡單化通常只考慮直線段進行驗證。在一般所采取的滾輪測試方案中：一種是在滾輪轉(zhuǎn)動情況下，通過一個小試塊以一定的試驗載荷作用在其上端，來測試滾輪與試塊的耐磨性能，其只能實現(xiàn)滾輪與試塊的相對摩擦運動，無法模擬實際滾動摩擦運動；另外一種是通過一個大的驅(qū)動輪帶動滾輪轉(zhuǎn)動，并在滾輪上施加一定的試驗載荷來進行測試，其很好地實現(xiàn)了滾輪的滾動耐磨性能考核，但對于特定材料的導(dǎo)軌，特別是需要驗證直線導(dǎo)軌與滾輪的配合耐久性能，直線導(dǎo)軌無法很好地安裝至該驅(qū)動輪上，其存在一定的缺陷。因此，需要實現(xiàn)在一定載荷和速度控制下，解決滾輪與導(dǎo)軌的相對滑動與滾動問題。

圖1 兩種滾輪測試方案示意圖

2.2 臺架結(jié)構(gòu)方案

本試驗臺架的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，通過分別實現(xiàn)導(dǎo)軌水平平動和滾輪上加載兩種方式組合完成滾輪與導(dǎo)軌耐久試驗臺架。作動器（如氣缸）一端通過耳環(huán)型腳座固定，另一端通過雙耳連接頭與銷軸聯(lián)接與滑動板上；直線滑軌的導(dǎo)軌通過螺栓固定在下底板上，直線滑軌的滑塊通過螺栓與滑動板固定；導(dǎo)向桿通過螺栓與滾輪固定夾具固定，并放置于側(cè)向支架的導(dǎo)槽內(nèi)；滾輪固定夾具通過螺栓及軸套與滾輪固定，并放置在滑動板上；支撐桿通過螺紋與滾輪固定夾具形成固聯(lián)，通過上導(dǎo)向板的中心圓孔形成滑動聯(lián)接；側(cè)向支架通過螺栓與下底板及上導(dǎo)向板固定。

在本試驗臺架中作動器與直線滑軌的位置呈平行方向，作動器與滑動板呈同一平面位置；直線滑軌起到導(dǎo)向和支撐作用，用于聯(lián)接滑動板和下底板，實現(xiàn)滑動板的直線運動。

在本試驗臺架中滾輪固定夾具用于聯(lián)接滾輪、導(dǎo)向桿、配重塊和支撐桿，放置于滑動板的正上方；導(dǎo)向桿與側(cè)向支架為滑動關(guān)系；配重塊實現(xiàn)加載；支撐桿與上導(dǎo)向板為滑動關(guān)系；導(dǎo)向桿與側(cè)向支架、支撐桿與上導(dǎo)向板共同組成一個滑動導(dǎo)向機構(gòu)，實現(xiàn)滾輪固定夾具的單向垂直滑動。

在本試驗臺架中所測滾輪安裝在滾輪固定夾具上，所測導(dǎo)軌（取直線段）安裝在滑動板上，以保證滾輪始終在導(dǎo)軌上作相對運動，實現(xiàn)滾輪與導(dǎo)軌的臺架耐久試驗。

圖2 滾輪與導(dǎo)軌耐久試驗臺架

表1 滾輪與導(dǎo)軌樣品組合

3 試驗方案設(shè)計

為解決滑移門開閉過程中出現(xiàn)滾輪與導(dǎo)軌磨損、異響等問題，選取了較為典型的4種滾輪和4種導(dǎo)軌，其中，滾輪按類型材質(zhì)分為：鋼輪、鋼輪+潤滑脂、塑料輪1#（尼龍材質(zhì)）和塑料輪2#（PEEK材質(zhì)），導(dǎo)軌按不銹鋼的材質(zhì)硬度分為：156HV、205HV、335HV和440HV，共組合成16個組進行驗證（如表1），以獲取最優(yōu)組合。

試驗驗證方案主要從模擬負載、運行速度以及環(huán)境工況等三個方面考慮，其中：滾輪的理論負載可以從仿真設(shè)計中獲得，本文中按300N設(shè)計；運行速度選取低速1.0m/s和高速1.5m/s兩種工況，且各占50%；環(huán)境工況分為常溫、低溫、高溫、高溫高濕等四種工況，其循環(huán)工況如圖3所示；累計運行5萬次進行考核。

4 測試結(jié)果

開展試驗測試前，采用清潔試劑對滾輪和導(dǎo)軌樣品進行表面清潔并烘干處理，再測量滾輪的直徑、質(zhì)量以及導(dǎo)軌的質(zhì)量等參數(shù)，并在試驗結(jié)束后采取同樣方式，最終取得試驗前后各組合樣品的相關(guān)參數(shù)。試驗測試現(xiàn)場如圖4所示。

4.1 導(dǎo)軌測試結(jié)果對比

針對不同硬度的導(dǎo)軌進行試驗前后磨損對比，其測試結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明：

圖3 溫度和濕度工況

圖4 試驗現(xiàn)場

對于鋼輪A1組合方案，其導(dǎo)軌磨損明顯偏大，且出現(xiàn)導(dǎo)軌硬度值越大磨損量越大現(xiàn)象，而當(dāng)在導(dǎo)軌上加潤滑脂即A2組合方案時，導(dǎo)軌的磨損出現(xiàn)明顯的改善，相比磨損量分別減少：B1為69%，B2為78%，B3為79%，B4為70%；同時，在對比兩種鋼輪組合方案中，均在導(dǎo)軌硬度值為205HV時，磨損效果要優(yōu)于其它硬度的導(dǎo)軌方案。

對于兩種塑料滾輪A3和A4組合方案，導(dǎo)軌在不同硬度材料情況下其磨損無明顯差異，因此塑料滾輪與導(dǎo)軌配合時，導(dǎo)軌的不銹鋼材料硬度對其磨損情況影響較小，并且磨損的效果應(yīng)優(yōu)于鋼輪的組合方案。

圖5 導(dǎo)軌磨損質(zhì)量變化情況

圖6 導(dǎo)軌粗糙度變化情況

通過進一步對比兩種鋼輪和兩種塑料滾輪組合方案的導(dǎo)軌表面粗糙度變化情況（見圖6），試驗后與A1鋼輪配合的各導(dǎo)軌粗糙度變化明顯，同時出現(xiàn)的運動噪音均明顯變大，而A2加上潤滑脂方案中，各導(dǎo)軌粗糙度變化大幅降低，從而運動噪音得到明顯改善，主觀感知效果與A4塑料滾輪2#方案接近；另外，在A3塑料滾輪1#方案中，由于滾輪包塑均出現(xiàn)松動情況（詳細見4.2），試驗后期其運動噪音大幅增加，影響主觀品質(zhì)感。

4.2 滾輪測試結(jié)果對比

針對四種類型的滾輪進行試驗前后磨損對比，其測試結(jié)果如圖7、圖8和表2所示，結(jié)果表明：

對比滾輪四種類型A1、A2、A3和A4的組合磨損試驗中，A3塑料滾輪1#磨損量最大，其次為A4塑料滾輪2#，A1鋼輪和A2鋼輪+潤滑脂磨損量最??；同時參考滾輪直徑變化情況，鋼輪的直徑基本無明顯變化，且一致性較好，因此針對滾輪來說，鋼輪的耐磨性效果應(yīng)比塑料滾輪的耐磨效果要好。

在A3組合方案的試驗中，塑料滾輪1#在試驗后尺寸明顯變大，滾輪表面包塑均出現(xiàn)松動空轉(zhuǎn)現(xiàn)象（見下表2），經(jīng)分析在該方案中，滾輪包塑材料選用的為尼龍材料，該材料在高溫高濕環(huán)境下具有吸水膨脹的特性（吸水性≥2.5%），出現(xiàn)尺寸的變化情況，在試驗往復(fù)循環(huán)沖擊作用下，導(dǎo)致外圈包塑與內(nèi)圈金屬松脫磨損，存在功能失效風(fēng)險；同時采用PEEK材料的滾輪，因其吸水性低（吸水性 ≤0.1%），具有較好的尺寸穩(wěn)定特性，在溫度、濕度等環(huán)境條件的變化對其零件的尺寸影響不大，因此除了有少量的磨損，其性能相對保持較好。

5 結(jié)語

本文從試驗角度對汽車滑移門滾輪與導(dǎo)軌的匹配性方面做了試驗研究，設(shè)計了一套滾輪與導(dǎo)軌試驗測試臺架，并進行了不同組合方案的試驗研究，為滑移門零件設(shè)計以及類似滾動匹配性機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。通過試驗數(shù)據(jù)對比分析可得出以下結(jié)論：

（1）采用鋼質(zhì)滾輪與導(dǎo)軌配合使用時，其導(dǎo)軌硬度不一定越高越好，應(yīng)選用合適的、耐磨性高材質(zhì)的導(dǎo)軌，如本文中的B2導(dǎo)軌（205HV）；另外可以通過施加潤滑脂的方式，可在同等導(dǎo)軌材質(zhì)的情況下有效減少導(dǎo)軌的磨損以及噪音，從而提升用戶使用品質(zhì)感。

（2）采用塑料滾輪與導(dǎo)軌配合使用時，因?qū)к壍挠捕认鄬Ρ人芰蠞L輪高，所以導(dǎo)軌材質(zhì)對其磨損影響較??；而在選用塑料滾輪時，PEEK材質(zhì)優(yōu)于尼龍材質(zhì)，尼龍材質(zhì)滾輪因吸水性能較弱，影響其尺寸穩(wěn)定性，易出現(xiàn)滾輪包塑松動、空轉(zhuǎn)甚至脫落失效的情況，耐久可靠性能較差。

圖7 滾輪磨損質(zhì)量變化情況

圖8 滾輪直徑變化情況

表2 試驗后A3滾輪狀況

（3）通過本次試驗選取的最優(yōu)組合進行了相關(guān)的整車及滑移門系統(tǒng)試驗驗證，均能夠滿足汽車滑移門的使用要求，取得了良好的效果。