一種新的汽車方向盤耐彎曲疲勞試驗(yàn)方法

張永鵬，張桂琴

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007)

0 引言

方向盤是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要零件。因?yàn)榉较虮P經(jīng)常受到駕駛員對(duì)其施加的拉壓力或旋轉(zhuǎn)力，對(duì)方向盤有一定的可靠性要求，需要對(duì)其做耐久性能試驗(yàn)以檢驗(yàn)是否到達(dá)技術(shù)要求。方向盤的耐久性能包括耐彎曲疲勞和耐扭轉(zhuǎn)疲勞。文中對(duì)傳統(tǒng)的方向盤耐彎曲疲勞試驗(yàn)方法進(jìn)行分析，在其基礎(chǔ)上提出了方向盤耐彎曲疲勞新的試驗(yàn)方法。并且從試驗(yàn)的成本考慮，采用簡(jiǎn)易實(shí)用的試驗(yàn)臺(tái)架和工具，大大降低了試驗(yàn)臺(tái)架的成本。

1 對(duì)目前試驗(yàn)方法的分析

1.1 試驗(yàn)過程的描述

如圖1所示，首先將方向盤在中心花鍵處固定。

目前對(duì)于汽車方向盤的耐彎曲疲勞試驗(yàn)采用的是用一個(gè)緊固件將方向盤待測(cè)部位與作動(dòng)器硬性連接，即將方向盤待測(cè)部位與作動(dòng)器伸縮桿桿頭處硬性緊固在一起。方向盤待測(cè)部位往往選取方向盤最薄弱的部位，以目前常見的帶三根徑向支撐桿的圓形方向盤為例，其最薄弱的部位為兩徑向支撐桿所夾方向盤的握環(huán)弧段的正中位置。試驗(yàn)時(shí)，作動(dòng)器動(dòng)作以在軸向方向上對(duì)方向盤待測(cè)部位施力，方向盤從而發(fā)生變形。

在理想狀態(tài)下，作動(dòng)器只在方向盤的軸向方向上對(duì)方向盤的待測(cè)部位施力，而在方向盤的徑向方向上對(duì)方向盤的待測(cè)部位不施力，方向盤因受力發(fā)生自由變形，因待測(cè)部位所處的握環(huán)受徑向支撐桿的限制，待測(cè)部位因受力而偏離原位置越遠(yuǎn)時(shí)，待測(cè)部位與方向盤中心軸的徑向距離越小，所以待測(cè)部位的運(yùn)動(dòng)軌跡并非嚴(yán)格在方向盤的軸向方向的直線上，而是一條曲線。其效果如圖2所示。

但是在實(shí)際中，由于作動(dòng)器與方向盤待測(cè)部位點(diǎn)之間采用的是硬性緊固連接，在作動(dòng)器直線運(yùn)動(dòng)過程中，作動(dòng)器除在方向盤的軸向方向上對(duì)方向盤施加作用力之外，還因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中方向盤徑向尺寸的變化而對(duì)方向盤產(chǎn)生了徑向力，阻礙了方向盤的自由變形;并且在作動(dòng)器回程過程中，由于作動(dòng)器的速度會(huì)影響到方向盤彈性變形后的回彈速度，方向盤不能自由地恢復(fù)彈性。因此，采用這種技術(shù)方案不能充分模擬方向盤在實(shí)際使用中的工況，會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

1.2 問題分析描述

(1)目前的疲勞試驗(yàn)臺(tái)采用的是單側(cè)往復(fù)作動(dòng)器。在作動(dòng)器給方向盤施力完畢的回程中，會(huì)阻礙方向盤的自由回彈。在方向盤的實(shí)際使用中，人手是不會(huì)對(duì)方向盤的自由回彈進(jìn)行阻礙的。

(2)目前的疲勞試驗(yàn)臺(tái)對(duì)方向盤的受力點(diǎn)采用的是用剛性的緊固件束縛。在作動(dòng)器的施力過程中，方向盤會(huì)發(fā)生彈性變形，徑向距離會(huì)減小。由于作動(dòng)器與方向盤采用的是硬性連接，作動(dòng)器會(huì)施加給變形的方向盤一個(gè)向外的徑向的力，加快了對(duì)方向盤的疲勞破壞。在方向盤的實(shí)際使用中，人手會(huì)隨著方向盤的變形方向而施力，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)方向盤的徑向力。

(3)目前的方向盤耐久性破壞都是去觀察是否有裂痕，但是這樣有一定的弊端。在方向盤沒有裂痕出現(xiàn)時(shí)，方向盤的強(qiáng)度可能大大下降，已經(jīng)失效了，但是并不能從外觀上觀察出來，這種試驗(yàn)并不能達(dá)到預(yù)期的效果。

(4)目前，方向盤耐彎曲疲勞試驗(yàn)的裝置一般采用液壓油缸對(duì)方向盤進(jìn)行加載，試驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，維修成本高，作用單一，不能滿足各類相關(guān)企業(yè)對(duì)方向盤的測(cè)試要求。

2 改造后試驗(yàn)的描述分析

2.1 改造后試驗(yàn)過程的描述

如圖3所示，用帶有T型槽的平臺(tái)1固定兩個(gè)帶T型槽的方箱2，兩個(gè)方箱之間的距離可調(diào)。將兩個(gè)雙向作動(dòng)器3分別固定在方箱上，使其位于同一個(gè)水平面上，兩個(gè)帶導(dǎo)向桿的作動(dòng)器3在帶T型槽的方箱2上可以上下移動(dòng)。將方向盤6固定在其中一個(gè)帶T型槽的方箱2上，方向盤沿著帶T型槽的方箱2可以上下移動(dòng)，便于方向盤能固定在最佳受力位置。分別在兩個(gè)帶導(dǎo)向桿的作動(dòng)器3的氣缸桿上安裝兩個(gè)壓力傳感器4，并在壓力傳感器4上固定兩個(gè)壓塊7。在其中一側(cè)的方箱上固定一個(gè)計(jì)數(shù)器5，和壓力傳感器4硬性連接起來。同時(shí)移動(dòng)帶T型槽的方箱2、帶導(dǎo)向桿的作動(dòng)器3和方向盤6，使壓塊7對(duì)準(zhǔn)方向盤6最薄弱部位的兩側(cè)，使帶導(dǎo)向桿的作動(dòng)器3對(duì)方向盤6最薄弱的位置進(jìn)行加載。調(diào)節(jié)帶導(dǎo)向桿作動(dòng)器3的動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作動(dòng)器對(duì)受力點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)往復(fù)交替加載。由于取消了緊固件對(duì)方向盤的硬性連接，可實(shí)現(xiàn)方向盤在受力時(shí)的自由變形，更加接近方向盤在實(shí)際使用中的工況。通過壓力傳感器4，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)方向盤6施加的力。利用壓力傳感器4和位移傳感器8測(cè)出的數(shù)據(jù)得到力與位移的關(guān)系曲線圖，可以判斷方向盤的疲勞狀態(tài);通過計(jì)數(shù)器5能讀出作動(dòng)器對(duì)方向盤6施加的力的次數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

2.2 試驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)的描述

在方向盤受力點(diǎn)的兩側(cè)分別采用雙向作動(dòng)器對(duì)受力點(diǎn)進(jìn)行交替循環(huán)加載，當(dāng)一側(cè)的作動(dòng)器加載完畢并完全離開方向盤受力點(diǎn)后，另一側(cè)的作動(dòng)器再對(duì)其受力點(diǎn)進(jìn)行加載。采用這樣的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時(shí)，控制裝置控制兩作動(dòng)器交替循環(huán)地對(duì)待測(cè)方向盤的待測(cè)部位兩側(cè)在方向盤的軸向方向上施力，兩作動(dòng)器與待測(cè)方向盤相互獨(dú)立，它們之間并不采用緊固連接，使得待測(cè)方向盤的待測(cè)部位在受力時(shí)并不在徑向方向上受力，方向盤發(fā)生的變形更接近于自由變形，方向盤在回彈時(shí)也不受作動(dòng)器的約束，能自由地恢復(fù)彈性;并且，兩作動(dòng)器的作用力為恒定的并且力的大小可調(diào)，而且此作用力作用的距離可以根據(jù)方向盤的變形情況自動(dòng)調(diào)整。如此，更加真實(shí)地模擬了方向盤在實(shí)際使用過程中的工況，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

對(duì)加載方向盤受力點(diǎn)的作動(dòng)器接觸點(diǎn)不采用任何束縛結(jié)構(gòu)，采用適合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)剛性壓塊，保證其自由變形。壓塊平整且?guī)в袌A角，該圓角避免壓塊施力時(shí)損壞方向盤的表面，且分別與作動(dòng)器相連接，保證了壓塊和方向盤的充分接觸。且作動(dòng)器對(duì)待測(cè)方向盤的施力更加均勻，而且作動(dòng)器對(duì)外施力能直接、迅速、剛性地傳導(dǎo)到待測(cè)方向盤上。

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架采用帶T型槽的方箱，方箱可以在試驗(yàn)平臺(tái)上自由移動(dòng)。采用這樣的結(jié)構(gòu)，作動(dòng)器和待測(cè)方向盤能根據(jù)試驗(yàn)需要靈活地調(diào)節(jié)位置，使該方向盤耐彎曲疲勞試驗(yàn)裝置能更好地適應(yīng)不同型號(hào)的方向盤試驗(yàn)要求。搭建的試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)單、實(shí)用，大大降低了試驗(yàn)的成本。

該試驗(yàn)臺(tái)架中使用的作動(dòng)器是帶導(dǎo)向桿的氣缸。該導(dǎo)向桿限制了氣缸在伸縮過程中的自由旋轉(zhuǎn)，保證了壓塊對(duì)方向盤的穩(wěn)定加載。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作動(dòng)器對(duì)方向盤交替循環(huán)加載，控制部分采用了簡(jiǎn)單實(shí)用的換向閥。通過作用于換向閥的小氣缸對(duì)換向閥的操作桿進(jìn)行推拉，使換向閥換向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作動(dòng)器的循環(huán)往復(fù)交替加載。作用原理如圖4所示。

2.3 技術(shù)方案的特點(diǎn)

(1)采用兩側(cè)的雙向作動(dòng)器對(duì)方向盤最薄弱的部位加載。

(2)對(duì)方向盤受力點(diǎn)不采用任何的緊固裝置，用適合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的剛性壓塊進(jìn)行擠壓。

(3)使用帶T型槽的平臺(tái)和方箱，便于方向盤的上下左右移動(dòng)，找出方向盤最佳受力點(diǎn)。

(4)利用壓力傳感器和位移傳感器測(cè)量的數(shù)值，能夠確認(rèn)方向盤的疲勞狀態(tài)，并能進(jìn)行方向盤的性能測(cè)試。

(5)采用計(jì)數(shù)器，能讀出作動(dòng)器對(duì)方向盤施加力的次數(shù)。

3 總結(jié)

通過兩側(cè)的雙向作動(dòng)器對(duì)方向盤進(jìn)行循環(huán)往復(fù)交替加載，使得試驗(yàn)過程充分模擬了人手轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的實(shí)際使用狀態(tài)，大大增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。由于增加了壓力傳感器和位移傳感器，使得在試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作動(dòng)器對(duì)方向盤施加力的大小，并且能夠得到力與位移的曲線圖，可以確定方向盤的疲勞狀態(tài)和性能。采用計(jì)數(shù)器記錄對(duì)方向盤施加力的次數(shù)，便于耐久性驗(yàn)證。

【1】全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T 563-1999汽車轉(zhuǎn)向盤試驗(yàn)方法［S］，1999.

【2】付百學(xué).汽車試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007.

【3】BT/SGMWJ 0611-2010微型汽車方向盤技術(shù)條件［S］.