齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺的設(shè)計與研究

諶發(fā)坤胡宏章士華

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司；2.重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司）

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺的設(shè)計與研究

諶發(fā)坤1胡宏1章士華2

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司；2.重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司）

設(shè)計了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺。在分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本要求、整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)及轉(zhuǎn)向器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺需實現(xiàn)的試驗項目及基本功能，并對電液伺服加載、驅(qū)動裝置控制、加載裝置靜壓支撐等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。對所研制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺進(jìn)行驗證的結(jié)果表明，該試驗臺能夠有效進(jìn)行齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能匹配及耐久性測試評價，試驗結(jié)果與實車試驗結(jié)果具有較好的一致性。

1 前言

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的轉(zhuǎn)向形式之一，其構(gòu)成部件多、助力形式多樣、空間關(guān)系復(fù)雜，且工作過程中各部件之間相對位置關(guān)系不斷變化。目前，針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)單獨某個部件均有相關(guān)測試評價國家標(biāo)準(zhǔn)及相對成熟的測試設(shè)備，但由于是只針對單獨部件進(jìn)行測試評價，歸結(jié)到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體后總會存在大量問題。針對這種情況，國外近幾年開發(fā)出了齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺，其可對整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空間布置及受力進(jìn)行實車模擬，能夠很好地反映實車工作狀況，但該設(shè)備價格極其昂貴。為節(jié)約成本，自主研發(fā)了齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺，本文將對該試驗臺的功能設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2 試驗臺功能設(shè)計

2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、助力裝置、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等幾部分。其工作原理為：轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動并通過轉(zhuǎn)向管柱、萬向節(jié)傳遞到齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪端，由此帶動齒條左、右平動，齒條通過兩端的拉桿帶動輪胎轉(zhuǎn)向，助力裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向過程的助力。

2.2 試驗臺功能要求及設(shè)計參考依據(jù)

在汽車行駛過程中，由于輪胎存在顛簸與反彈（圖1），加之汽車負(fù)載大小的影響，主銷軸（或車輪）與轉(zhuǎn)向器之間的相對高度是不斷變化的，該高度位置對傳動比、傳動效率、齒條摩擦力、齒條徑向分力大小都有一定影響。因此試驗臺除需要模擬轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動及2個車輪轉(zhuǎn)向阻力以外，還要模擬兩側(cè)主銷軸高度位置，實現(xiàn)五軸聯(lián)動，從而全面、準(zhǔn)確地評價轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能及耐久能力。

目前，國內(nèi)外都沒有針對整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的臺架試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文所研制的試驗臺在功能設(shè)計過程中考慮了以下三方面內(nèi)容。

a.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本要求

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最基本的要求包括回正效果好、轉(zhuǎn)向靈活、轉(zhuǎn)向輕便、反向沖擊小等[1]，其中，好的回正效果與車輪定位參數(shù)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逆效率有關(guān)；轉(zhuǎn)向靈活性與傳動比、系統(tǒng)響應(yīng)有關(guān)；轉(zhuǎn)向輕便性與正效率、傳動比及助力特性有關(guān)；反向沖擊與轉(zhuǎn)向器逆效率相關(guān)。上述參數(shù)中如逆效率會影響回正及反向沖擊，但它對二者的影響是相互矛盾的，逆效率高會改善回正，但會增大逆向沖擊，因此須通過匹配試驗選擇合適參數(shù)保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

b.汽車整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能與整車操縱穩(wěn)定性之間有較大關(guān)系[2]，因此該試驗臺的功能設(shè)計以整車操縱穩(wěn)定性相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，主要包括GB/T 6323、ISO 7403、ISO 13674.1以及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等[3～5]。

c.轉(zhuǎn)向器測試標(biāo)準(zhǔn)

以機械轉(zhuǎn)向器、液壓助力轉(zhuǎn)向器、電動助力轉(zhuǎn)向器等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)轉(zhuǎn)向器測試標(biāo)準(zhǔn)作為試驗臺的功能設(shè)計依據(jù)。

2.3 試驗臺試驗項目及功能

根據(jù)試驗臺功能要求及設(shè)計參考依據(jù)，確定該試驗臺試驗項目如表1所列。

表1 試驗臺試驗項目

從表1可知，該試驗臺試驗方法比常規(guī)轉(zhuǎn)向器試驗臺試驗方法更復(fù)雜，由于增加了主銷軸高度模擬功能，使得試驗結(jié)果更全面、可靠。

該試驗臺具有以下功能：

a.性能對比試驗。該試驗臺可對不同轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在相同轉(zhuǎn)向工況下的轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行對比試驗，如助力特性、回正能力、轉(zhuǎn)向感覺等。

b.系統(tǒng)匹配試驗。該試驗臺提供了一套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作模擬平臺，可根據(jù)表1中各項試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的各種問題，通過不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各項性能在裝車前達(dá)到最優(yōu)，減少整車匹配時間。具體試驗內(nèi)容包括供油匹配、傳動比匹配、扭矩壓力匹配、路感匹配、扭桿剛度匹配、噪聲匹配等。

c.系統(tǒng)耐久性試驗。耐久性試驗主要指正向磨損試驗及逆向疲勞試驗，試驗過程中主銷軸高度動態(tài)變化。

3 試驗臺設(shè)計

3.1 試驗臺總體結(jié)構(gòu)

試驗臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。轉(zhuǎn)向傳動裝置與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器通過安裝夾具固定于試驗臺架，保證轉(zhuǎn)向傳動裝置與轉(zhuǎn)向器之間的相對空間位置關(guān)系與實車完全一致，以準(zhǔn)確模擬實車運動及受力；輸入端驅(qū)動裝置與轉(zhuǎn)向傳動裝置的輸入端（轉(zhuǎn)向盤安裝點）連接，模擬轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動；轉(zhuǎn)向節(jié)臂按實車轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度及初始角度調(diào)整，模擬實車轉(zhuǎn)向節(jié)臂；輸出端加載裝置為一套可實現(xiàn)上、下及旋轉(zhuǎn)復(fù)合運動的加載作動器，可進(jìn)行轉(zhuǎn)向阻力及轉(zhuǎn)向節(jié)臂高度模擬。

3.2 加載方式

表1中有些試驗項目需按實車載荷譜加載，有的需要快速驅(qū)動，有的需要高頻振顫，這些項目對驅(qū)動與加載機構(gòu)的動態(tài)特性要求很高。該試驗臺的驅(qū)動與加載均采用電液伺服方式，如圖3所示。伺服系統(tǒng)采用恒壓泵站，具有高低壓切換功能，四級過濾，過濾精度為5 μm。

3.3 輸入端驅(qū)動裝置

輸入端驅(qū)動裝置如圖4所示，包括軸承箱、伺服電棒、伺服閥、扭矩傳感器、角度傳感器、連軸器、萬向節(jié)等。

輸入端驅(qū)動裝置需實現(xiàn)力矩閉環(huán)與速度閉環(huán)，為防止轉(zhuǎn)向器達(dá)到極限位時引起過大力矩沖擊，2種閉環(huán)方式應(yīng)能平滑切換。該裝置閉環(huán)切換控制策略如圖5所示，速度與力矩同時作為反饋量參與運算，在速度閉環(huán)時，力矩值作為限制量；當(dāng)反饋力矩值大于設(shè)定值時，則自動切換為扭矩閉環(huán)，以保證平滑切換。

3.4 輸出端加載裝置

輸出端加載裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該裝置為復(fù)合加載裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)加載與上、下加載，2套加載裝置之間以花鍵連接。由圖6可看出，上、下加載作動器采用了靜壓支撐技術(shù)，活塞桿與油缸端蓋之間通過高壓油腔支撐，兩者之間完全避免了機械接觸，既可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，也可實現(xiàn)上、下運動。

3.5 測控系統(tǒng)

該試驗臺涉及的測控信號多、分布廣，為有效簡化測控系統(tǒng)設(shè)計及布線，增加系統(tǒng)實時性，該試驗臺測控系統(tǒng)采用了總線結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。試驗臺每個裝置均采用獨立控制器，以實現(xiàn)所有信號的實時測量及控制。上位機采用工控機，與下位機控制器之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊。

4 試驗項目分析

根據(jù)上述研究設(shè)計生產(chǎn)了五軸試驗臺，利用該試驗臺對某車型EPS進(jìn)行了驗證試驗，部分試驗分析結(jié)果如下。

4.1 空載力矩試驗分析

圖8a為只有轉(zhuǎn)向器的空載力矩試驗曲線，圖8b為在設(shè)定主銷軸高度下整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空載力矩試驗曲線。由圖8可看出，轉(zhuǎn)向器空載力矩比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空載力矩要平滑很多，這是因為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響環(huán)節(jié)比轉(zhuǎn)向器要多，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗結(jié)果比單純轉(zhuǎn)向器試驗結(jié)果更直接、更全面、更接近實車狀況。通過不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)（如萬向節(jié)參數(shù)），使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空載力矩盡量平滑，能夠獲得良好的轉(zhuǎn)向手感。

4.2 傳動比試驗分析

圖9a為轉(zhuǎn)向器線角傳動比試驗曲線，圖9b為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比（轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的角傳動比）試驗曲線。由圖9可看出，轉(zhuǎn)向器傳動比基本恒定，而由于受轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)特性影響，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比呈現(xiàn)中間大、兩端小狀態(tài)。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)可得到理想傳動比，從而兼顧中間位置的轉(zhuǎn)向靈敏度與整個轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)轉(zhuǎn)向輕便性。

4.3 轉(zhuǎn)向盤振顫試驗分析

對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要要求是路面振動對轉(zhuǎn)向盤的影響盡量小，以減輕駕駛員的疲勞感。振顫試驗是在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸入端連接實車轉(zhuǎn)向盤，在輸出端施加如圖10所示振顫信號，該信號在正常轉(zhuǎn)向角度的基礎(chǔ)上疊加高頻振動。通過轉(zhuǎn)向盤上安裝的加速度傳感器，可得到振顫試驗時轉(zhuǎn)向盤振動情況，由此實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減緩路面振動能力的評價。通過不斷調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，可使轉(zhuǎn)向盤振動減小到最低，同時保證必要的回正性能。

4.4 正向磨損試驗分析

在汽車行駛過程中，由于輪胎負(fù)載、顛簸與反彈等的影響，汽車主銷軸的高度位置是不斷變化的，整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件之間，尤其是齒條與轉(zhuǎn)向器外殼之間的相互作用力是不斷變化的。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器磨損試驗均沒有考慮該變化影響，導(dǎo)致臺架試驗結(jié)果與實車試驗結(jié)果存在較大差異。圖11為正向磨損試驗曲線，由圖11可看出，該試驗除包括傳統(tǒng)的輸入端力矩、角度與輸出端加載力以外，還增加了輸出端高度方向的振動，因此該試驗臺試驗結(jié)果與實車性能之間更具有一致性。

5 結(jié)束語

齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺是進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試評價的重要手段，目前國內(nèi)外均沒有相關(guān)臺架測試標(biāo)準(zhǔn)可供參考。本文在研究了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本要求、整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)及轉(zhuǎn)向器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)五軸試驗臺需實現(xiàn)的試驗項目及基本功能，并研發(fā)生產(chǎn)出了試驗臺。利用所研制試驗臺進(jìn)行了驗證試驗，結(jié)果表明，該試驗臺能夠有效進(jìn)行齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能匹配及耐久性測試評價，試驗結(jié)果與實車試驗結(jié)果具有較好的一致性。

1 肖生發(fā),趙樹朋.汽車構(gòu)造.北京：中國林業(yè)出版社、北京大學(xué)出版社，2006.

2 汽車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性的匹配研究: [碩士論文].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007.

3 ISO 7403-2003 Road Vehicles-Lateral transient response test methods-Open-loop test methods.

4 ISO 13674-1-2003 Road vehicles-Test method for the quantification of on-centre handling-Weave test.

5 GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Research and Design of Five Channel Rack and Pinion Steering System Test Bench

Shen Fakun1,Hu Hong1,Zhang Shihua2
（1.China Automotive Engineering Research Institute;2.Chongqing CAERI Automative Test Equipment Development Co.,td）

Five channel rack and pinion steering system test bench is designed.Based on the analysis of basic requirement of steering system,evaluation criteria of vehicle steering system and steering industry standard,we put forward test items and basic functions of this five channel steering system test bench,and investigate the critical technologies,i.e.electro-hydraulic servo loading,drive unit control,loading unit hydrostatic bearing,etc..This test bench is tested to verify that it is capable of making performance matching and durability test evaluation for rack and pinion steering system,and the test results agree well with real vehicle test results.

Rack and pinion steering system,Five-channel test bench,Electro-hydraulic servo, Hydrostatic bearing cylinder

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 五軸試驗臺 電液伺服 靜壓支撐油缸

U467.1+2

A

1000-3703（2015）06-0040-05