汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)的加載方法

何志鋒，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)的加載方法

何志鋒，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

主要內(nèi)容是介紹汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能試驗(yàn)系統(tǒng)中兩種常見(jiàn)的加載方式，機(jī)械加載方式和液壓加載方式。首先對(duì)機(jī)械加載方式的原理進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)計(jì)算確定機(jī)械加載的板簧的尺寸;然后對(duì)液壓加載方式進(jìn)行分析，確定液壓加載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)液壓加載方式的一些輔助結(jié)構(gòu)。最后，分析各種加載方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇一種優(yōu)良的加載方式，以使整個(gè)性能試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度高，測(cè)試精度高。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器;加載方式;試驗(yàn)系統(tǒng)

1 機(jī)械加載

機(jī)械加載是通過(guò)分析轉(zhuǎn)向器的工作原理和受力情況，采用鋼板彈簧模擬汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到的阻力，然后對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行試驗(yàn)分析的一種加載方式。

1.1 機(jī)械加載的原理

根據(jù)汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)的受力分析得如下公式［2］:

公式中:

Mr—— 阻力矩

G1——前軸的負(fù)載，單位為N

a——車(chē)輪的轉(zhuǎn)臂，單位為mm

μ——汽車(chē)輪胎與地面華東的摩擦系數(shù)

β——主銷的內(nèi)傾角，一般取5°～8°

α——汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)輪轉(zhuǎn)角(-90°≤α≤90°)

根據(jù)上述公式可知，在選定一種車(chē)型時(shí)，G1，a，μ和β都是確定的常數(shù)所以Mr與α將是呈正弦關(guān)系，如圖1所示且在α在±45°附近Mr隨α近似的為直線變化。

板簧的加載方式如圖2所示，由圖2可知鋼板彈簧的的受力分析如圖3所示，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)我們可以得到其端部受力P和鋼板彈簧轉(zhuǎn)角的關(guān)系有如下公式:

圖1 阻力矩與內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系

式中:M——汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩也即板簧的阻力矩

P——板簧的端部受的力

E——板簧材料的彈性模量

I——板簧的慣性矩

θ——板簧端部的偏轉(zhuǎn)角

L——板簧的有效長(zhǎng)度

圖2 機(jī)械加載原理圖

圖3 板簧受力分析圖

1.2 確定板簧的尺寸

不同的轉(zhuǎn)向器的測(cè)試性能參數(shù)不同，所以板簧的尺寸選擇不同。根據(jù)圖4的加載原理可知板簧和連桿在測(cè)試時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示，A、B分別為板簧和轉(zhuǎn)向器搖臂末端，AB為一剛性連桿，AC為板簧長(zhǎng)度L，BD為搖臂長(zhǎng)度R，A、B兩點(diǎn)擺動(dòng)時(shí)掃過(guò)的弧長(zhǎng)近似相等，即:Lδ≈Rα，對(duì)于轉(zhuǎn)向器α與R為定值則δ=(Rα/L)°由圖6可知板簧的端部最大變形量為Ymax

圖4 板簧阻力矩與板簧偏角關(guān)系

圖5 板簧和連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡

因?yàn)棣?(Rα/L)°所以有:

板簧橫截受到的最大正應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)為:

［σ］是板簧最大變形時(shí)許用應(yīng)力，汽車(chē)鋼板彈簧的［σ］推薦值為定值。由(6)、(7)式且I=bh3/12得如下方程組:

如果選定轉(zhuǎn)向器，則轉(zhuǎn)向器輸出最大扭矩Mmax為定值，那么最大的加載力P=Mmax/R，可知上訴方程組只剩下b，h和L三個(gè)未知的參數(shù)，而這三個(gè)未知參數(shù)都是板簧的基本尺寸。所以可以查板簧的標(biāo)準(zhǔn)尺寸然后選擇一組參數(shù)，選定L，如果b和h是整數(shù)直接代入上述方程組，如果不是整數(shù)，就先圓整然后代入方程組中的一個(gè)式子，得到L的值，然后代入另一個(gè)式子驗(yàn)證合理性。最終確定板簧的基本尺寸。計(jì)算得出的L是做轉(zhuǎn)向器的磨損試驗(yàn)的尺寸。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能試驗(yàn)要求加載力矩較小，其中功能試驗(yàn)要求力矩最大為轉(zhuǎn)向器最大輸出力矩的1/3。將P=Mmax/(3*R)代入方程組，用同樣的方法求出板簧尺寸。

圖6 板簧撓度

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能試驗(yàn)中另一項(xiàng)需加載的試驗(yàn)是回正能力試驗(yàn)，要求回正力矩是最大輸出力矩的8%。根據(jù)M=8%*Mmax代入上述方程，可得出板簧尺寸。

2 液壓加載

2.1 液壓加載原理

如圖7所示，伺服電機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)諧波齒輪減速，然后通過(guò)聯(lián)軸器連接扭矩傳感器和增量式角度編碼器，再與動(dòng)力轉(zhuǎn)向器連接，將伺服電機(jī)帶動(dòng)的齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒條的水平方向的移動(dòng)力輸出，在轉(zhuǎn)向器的輸出端，用液壓控制系統(tǒng)連接連桿機(jī)構(gòu)用來(lái)加載和固定;并且在液壓缸與動(dòng)力轉(zhuǎn)向器之間安裝拉壓力傳感器和位移傳感器，這樣我們就可以控制對(duì)輸出端的加載值，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確加載。并且在轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口有一個(gè)油壓傳感器，用來(lái)檢測(cè)液壓系統(tǒng)的油壓;在輸出端需要安裝流量計(jì)用來(lái)檢測(cè)內(nèi)泄漏量［4］。

圖7 液壓加載的整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 輔助設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)

試驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)是測(cè)試系統(tǒng)基本臺(tái)架，需要將相應(yīng)的夾具安裝在試驗(yàn)的基礎(chǔ)臺(tái)架上，基礎(chǔ)臺(tái)架具有橫縱向移動(dòng)的特性，這樣設(shè)計(jì)的作用是為了調(diào)整支座的高度以方便自動(dòng)安裝不同類型的轉(zhuǎn)向器。

2.2.2 夾具設(shè)計(jì)

在這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，可以完成不同型號(hào)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的檢測(cè)，由于其安裝尺寸有很大的不同，因此要做一些典型的夾具，可以稍微調(diào)整就能適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)向器的裝夾。所以液壓加載方式是。首先，將需要測(cè)試的產(chǎn)品放在試驗(yàn)臺(tái)的兩個(gè)平行的V型塊上，先進(jìn)行定位，然后通過(guò)兩端的夾緊油缸運(yùn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向器的兩端進(jìn)入液壓夾緊套中夾緊，從而得到準(zhǔn)確的定位。如果換成不同的型號(hào)，我們只需要將V型塊和夾緊套換成相應(yīng)的型號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更換后的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行裝夾。

2.2.3 加載連桿裝置

在轉(zhuǎn)向器的輸出的兩端都加上了加載裝置，但是整個(gè)加載液壓系統(tǒng)比較龐大，所以分布在齒條的兩側(cè)，所以中間需要通過(guò)加力連桿裝置用來(lái)傳遞加載力。因?yàn)檫B桿式剛性連接的額，并且它們離中心的軸長(zhǎng)相同，這樣就保證了液壓缸加載到連桿的力和連桿加載在齒條兩端的力相同，這樣的裝置使試驗(yàn)臺(tái)的整體布局得到了很大的優(yōu)化［5］。

加載連桿的液壓系統(tǒng)原理如圖8所示，伺服油缸在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)程序控制比例閥可以為轉(zhuǎn)向器提供變載，變速等各種實(shí)驗(yàn)條件;通過(guò)零泄漏單向閥來(lái)為產(chǎn)品提供剛性的固定，保證轉(zhuǎn)向器無(wú)軸向串動(dòng)。

圖8 液壓系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析上述兩種加載方式我們可知，機(jī)械加載的優(yōu)點(diǎn)是直觀，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠，能實(shí)現(xiàn)變載荷加載;但是其缺點(diǎn)也很明顯，調(diào)節(jié)起來(lái)不方便，通用性差，不能模擬轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及輪胎與地面的摩擦，并且制約條件也很多。液壓加載的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍大，并且液壓元件都是標(biāo)準(zhǔn)件，便于生產(chǎn);缺點(diǎn)是需要的元件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

［1］沈順成，余敏.汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)［J］.汽車(chē)科技，2005(1):22-24.

［2］蔣向東.轉(zhuǎn)向器臺(tái)架試驗(yàn)加載方法探討［J］.重型汽車(chē)，1999(3):13-15.

［3］高軍.汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［4］何虹儒.汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器特性分析及檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2008.

［5］苗立東.汽車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)臺(tái)的研制［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2002.

Loading Method for Testing System of Auto Hydraulic Power Steering Gear

HE Zhi-feng，JIANG Tao
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper mainly introduces two common loading modes，mechanical mode and hydraulic mode，in the performance testing system of auto hydraulic power steering gear.Firstly，it validates the principle of mechanical loading and determines the size of plate spring by calculation.Secondly，it analyzes the hydraulic loading mode and confirms the structure design，and at the same time，designs some auxiliary structures.Thirdly，it analyzes the advantages and disadvantages of all kinds of loading modes and chooses a good one to make the entire performance testing system realize the high automation and high testing precision.

power steering gear;loading method;testing system

U463.43

A

1009-3907(2013)12-1572-04

2013-09-04

何志鋒(1988-)，男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù)方面研究。

姜濤(1969-)，男，山西大同人，研究員，博士，主要從事光電在線檢測(cè)技術(shù)方面的研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云