楊文暢
(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司,重慶 400039)
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循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器的性能檢測(cè)方法探討
楊文暢
(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司,重慶 400039)
簡(jiǎn)介循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器高精度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建,對(duì)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的部分測(cè)量方法和計(jì)算方式進(jìn)行了改進(jìn),使得測(cè)量結(jié)果更接近于試件的自身特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:用改進(jìn)的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算,可以有效提高試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。
循環(huán)球助力轉(zhuǎn)向器;測(cè)試系統(tǒng);LabVIEW
近年來(lái)伴隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對(duì)汽車(chē)駕駛的舒適性、安全性要求的不斷提高,作為汽車(chē)重要零部件之一的助力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)水平有了很大的提升,同時(shí)助力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)各不相同。評(píng)價(jià)助力轉(zhuǎn)向器的實(shí)際性能能否滿足人們對(duì)汽車(chē)的要求,不能光憑借駕駛員的直觀感覺(jué),還必須要更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)作為支撐?;谘h(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)效率高、操作輕便、磨損小、壽命長(zhǎng)、在國(guó)內(nèi)外被廣泛使用的特點(diǎn),文中將以循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器為試驗(yàn)對(duì)象,以LabVIEW為軟件工具設(shè)計(jì)一套高精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)轉(zhuǎn)向器的關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,客觀地分析轉(zhuǎn)向器的性能特征。為增加測(cè)試結(jié)論的準(zhǔn)確性和重復(fù)性,分析了現(xiàn)有國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出的測(cè)試方法或計(jì)算方法可能引起測(cè)量誤差的原因,并針對(duì)性地提出了部分修改和改進(jìn),并對(duì)兩者的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析和比對(duì)。
轉(zhuǎn)向器是專門(mén)用來(lái)改變和恢復(fù)汽車(chē)行駛方向的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu),是汽車(chē)穩(wěn)定、安全行駛的基本保證,因而對(duì)其性能評(píng)價(jià)就顯得格外重要,文中只針對(duì)部分關(guān)鍵性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[1](轉(zhuǎn)向力特性、轉(zhuǎn)向靈敏度、自由間隙以及回正性能)進(jìn)行闡述。
轉(zhuǎn)向力特性。該項(xiàng)指標(biāo)是針對(duì)轉(zhuǎn)向的輕便性[2]提出,表述為駕駛員在旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí)手力矩要小,標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)向力特性曲線的對(duì)稱度不能低于85%[3],最大工作壓力時(shí),左右力矩不宜過(guò)大。
轉(zhuǎn)向靈敏度。該項(xiàng)指標(biāo)是針對(duì)轉(zhuǎn)向的靈敏性[2]提出,表述為在駕駛過(guò)程中旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)時(shí),轉(zhuǎn)向車(chē)輪能及時(shí)地獲得相應(yīng)擺轉(zhuǎn)角度。該項(xiàng)指標(biāo)只與轉(zhuǎn)向系中的傳動(dòng)比有關(guān),而在轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)時(shí)傳動(dòng)比的選取要兼顧轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向靈敏性,對(duì)于助力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向輕便性有足夠保障,所以下文中就不對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行描述。
自由間隙。該項(xiàng)指標(biāo)是針對(duì)轉(zhuǎn)向的隨動(dòng)性[2]提出,表述為轉(zhuǎn)向車(chē)輪跟隨旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)動(dòng)作的快慢程度。在標(biāo)準(zhǔn)上體現(xiàn)的測(cè)試量是自由間隙和靈敏度曲線的對(duì)稱度,要求自由間隙不能大于5°[3]。
回正性能。該項(xiàng)指標(biāo)是針對(duì)轉(zhuǎn)向的自動(dòng)回正功能[2]提出,表述為轉(zhuǎn)向車(chē)輪能從已經(jīng)偏離直線行駛位置自動(dòng)回正到直線行駛位置的能力,在標(biāo)準(zhǔn)上體現(xiàn)的測(cè)試量是回正時(shí)間,要求回正時(shí)間不能大于5s[3]。
該測(cè)試系統(tǒng)主要由機(jī)械、電控兩子系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)架的硬件基礎(chǔ),與電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成各項(xiàng)測(cè)試任務(wù),電控系統(tǒng)則為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力、測(cè)量、監(jiān)控等。
2.1機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)總體上采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu),主要由試驗(yàn)臺(tái)底板、驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、輸出端加載裝置、試件夾緊裝置及液壓系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。驅(qū)動(dòng)裝置采用交流伺服電機(jī),可實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速,配合減速機(jī)后獲得較為合適的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速,再與扭矩傳感器通過(guò)聯(lián)軸器連接在同一軸線上。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與扭矩傳感器間的連接采用機(jī)械抱緊裝置,當(dāng)扭矩值超過(guò)規(guī)定值時(shí),聯(lián)軸器以打滑的方式有效地保護(hù)傳感器和試驗(yàn)樣件。輸出端加載裝置采用伺服油缸通過(guò)萬(wàn)向連接軸與試件輸出端連接,根據(jù)伺服控制卡控制伺服油缸的動(dòng)作來(lái)對(duì)試件進(jìn)行加載。試件夾緊裝置以油缸伸縮的方式機(jī)械地松開(kāi)或者固定試件輸出端。試件供油和伺服油缸加載采用兩套獨(dú)立的油路系統(tǒng),分別控制來(lái)保證試驗(yàn)過(guò)程中試件需要加載的試驗(yàn)壓力。
2.2電控系統(tǒng)
電控系統(tǒng)的硬件安裝在獨(dú)立的電氣控制柜中,主要包括工控機(jī)、液晶顯示器、多功能數(shù)據(jù)采集卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電源控制開(kāi)關(guān)等,各種硬件間的數(shù)據(jù)交換如圖2所示。工控機(jī)提供人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)用戶操作和輸出顯示功能。多功能數(shù)據(jù)采集卡、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡直接安裝在工控機(jī)的PCI插槽中,以PCI總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。伺服控制卡則控制伺服油缸的動(dòng)作,它與工控機(jī)間采用TCP/IP方式相連。
電控系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)采用NI公司的LabVIEW, 該軟件是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境,內(nèi)部提供功能強(qiáng)大的信號(hào)處理和數(shù)學(xué)分析模塊,其中包括積分、微分、回歸分析、曲線擬合、曲線插值等工具。應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量將大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)人員的工作量,提高了開(kāi)發(fā)效率,使復(fù)雜的測(cè)試、測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。
3.1轉(zhuǎn)向力特性曲線對(duì)稱度
3.1.1國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法及其計(jì)算方法
將試件總成安裝在測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架上,輸出端剛性地固定在中間位置,以0.5r/min分別向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)輸入端,工作壓力達(dá)到pz時(shí)為止[3],繪制輸入扭矩與供油液壓的關(guān)系曲線。曲線對(duì)稱度計(jì)算方法[4]如下:
(1)由po到pmax段沿縱坐標(biāo)分成n等分,得n對(duì)小塊。每小塊近似一梯形。如果左、右最大油壓不等,則以兩者間的最小值計(jì)算(見(jiàn)圖3)。
(2)分別測(cè)量梯形中線的長(zhǎng)度,并成對(duì)排列:
右轉(zhuǎn)時(shí):a1、a2、…、an;
左轉(zhuǎn)時(shí):b1、b2、…、bn。
(3)每一對(duì)進(jìn)行比較。即a1與b1比較,a2與b2比較;……;an與bn比較,比較后取其中較小值,得到L1、L2、…、Ln。
(4)曲線對(duì)稱性Ke由下式計(jì)算:
3.1.2可能引起測(cè)量誤差原因分析及對(duì)策
(1)按照標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)時(shí)試件輸出端固定在中間位置,而對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)端的扭矩值可能不在零點(diǎn)位置,這樣就導(dǎo)致手力特性曲線不關(guān)于Y軸(壓力)對(duì)稱,按照上述方式來(lái)計(jì)算對(duì)稱性時(shí)誤差較大。
對(duì)應(yīng)解決方法:在試驗(yàn)測(cè)試時(shí),固定試件輸出端在中間位置后,對(duì)驅(qū)動(dòng)端進(jìn)行1次預(yù)加載扭矩,最終使得扭矩回到零點(diǎn)位置,再進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,這樣就嚴(yán)格保證了手力特性曲線關(guān)于Y軸(壓力)對(duì)稱,如圖3所示。
(2)對(duì)稱性的計(jì)算方法采用任意取點(diǎn)計(jì)算,如果取樣點(diǎn)太少,就不能真實(shí)地反映當(dāng)前曲線的對(duì)稱性。
3.2自由間隙
(1) 國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法及其計(jì)算方法
將總成安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上,把輸出端剛性地固定在中間位置,在有動(dòng)力情況下,平穩(wěn)、緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)端,測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向總成進(jìn)油口壓力增加0.1MPa時(shí)驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)過(guò)的角度[3]。
(2) 可能引起測(cè)量誤差原因分析及對(duì)策
按照標(biāo)準(zhǔn)要求自由間隙為試件進(jìn)油口壓力增加0.1MPa時(shí)驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,而對(duì)于0.1MPa的測(cè)量精度影響因素主要包括有壓力傳感器的精度、試驗(yàn)油溫以及供油泵站的油壓浪涌。這些因素在試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法消除,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。
對(duì)應(yīng)解決方法:把未充油的試件總成固定在試驗(yàn)臺(tái)架上,輸出端剛性地固定在中間位置,緩慢地旋轉(zhuǎn)試件的驅(qū)動(dòng)端,測(cè)量試件的機(jī)械剛度曲線(見(jiàn)圖4),分別在左右扭轉(zhuǎn)的升程曲線上取扭矩點(diǎn)L1、L2、R1、R2,再對(duì)點(diǎn)L1、L2以最小二乘法[5]方式作直線擬合與X軸(角度)相交于點(diǎn)θ1,對(duì)R1、R2作直線擬合與X軸(角度)相較于點(diǎn)θ2,θ2與θ1的差值記為θ,θ即為計(jì)算的自由間隙角度。用此種方式測(cè)量的自由間隙角度把扭桿的變形量也累加至試驗(yàn)結(jié)果中,如果計(jì)算擬合點(diǎn)的扭矩值取點(diǎn)合適,可以減少試驗(yàn)誤差,但不能完全消除。
3.3回正時(shí)間
(1)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法及其計(jì)算方法
將總成安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上,在有動(dòng)力的情況下,在輸出端施加最大輸出力矩8%的載荷,分別測(cè)出輸入端從兩個(gè)極端位置回到中間位置的時(shí)間[3]。
(2)可能引起測(cè)量誤差原因分析及對(duì)策
按照標(biāo)準(zhǔn)要求在試驗(yàn)過(guò)程中,輸出端加載為恒定8%的最大輸出力,但在實(shí)際測(cè)試中,總成試件的輸入端處于斷開(kāi)狀態(tài),恒定的試驗(yàn)負(fù)載很難實(shí)現(xiàn)。在此,可以考慮轉(zhuǎn)變測(cè)試思想,先設(shè)定總成需要回正的時(shí)間,來(lái)監(jiān)測(cè)輸出端加載力矩的變化量是否達(dá)到設(shè)定試驗(yàn)要求[6]。
在國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,檢測(cè)的條件是固定加載力矩,測(cè)定回正時(shí)間,而實(shí)際中先固定回正時(shí)間,測(cè)定加載力矩在最大輸出力矩的8%范圍內(nèi)即可。
在測(cè)試中,以對(duì)某型號(hào)循環(huán)球轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力特性曲線對(duì)稱度的測(cè)試結(jié)果比對(duì)為例。
(1)取樣點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)5.0、10.0、16.0MPa壓力狀態(tài)下,該產(chǎn)品對(duì)稱性為97.28%;
(2)按照上述改進(jìn)測(cè)試方法,取樣點(diǎn)為不同壓力狀態(tài)下,樣本容量為20點(diǎn)、30點(diǎn)、50點(diǎn)、70點(diǎn)、80點(diǎn)、100點(diǎn)、120點(diǎn)狀態(tài)下產(chǎn)品對(duì)稱性分別為96.18%、95.59%、95.55%、94.86%、94.83%、94.15%、94.11%;
(3)經(jīng)計(jì)算機(jī)取點(diǎn)樣本容量擴(kuò)大到無(wú)窮大后,其結(jié)論成正態(tài)分布結(jié)構(gòu)。
通過(guò)以上理論論述和實(shí)例可知:根據(jù)不同的電機(jī)特性選用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是能否獲得高精度擬合曲線結(jié)果的前提,去除壞點(diǎn)是提高數(shù)據(jù)有效性和準(zhǔn)確性不可缺少的環(huán)節(jié)。LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析模塊為軟件編程人員提供了高效準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)工具,簡(jiǎn)化了曲線擬合的算法,大大提升了開(kāi)發(fā)效率。通過(guò)對(duì)大量不同型號(hào)的三相異步電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算,結(jié)果表明:通過(guò)壞值去除的方法得到的計(jì)算結(jié)果是可信的,提高了測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性,可更有效地指導(dǎo)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì),大大提高了電機(jī)生產(chǎn)效率。
【1】秦松濤,唐雙利.汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理與評(píng)價(jià)指標(biāo)分析[J].華章,2009(19).
【2】紀(jì)國(guó)慶.論使用對(duì)汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的要求[C]//2013年度中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)轉(zhuǎn)向技術(shù)分會(huì)學(xué)術(shù)論文年會(huì)論文匯編,2013.
【3】QCT529-2013汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器技術(shù)條件與試驗(yàn)方法[S].
【4】QCT306-1999汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制閥總成臺(tái)架試驗(yàn)方法[S].
【5】最小二乘法參考資料.
【6】依維柯紅巖循環(huán)球企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).
InvestigationonthePerformanceTestMethodforRecirculatingBallTypePowerSteering
YANGWenchang
(ChinaAutomotiveEngineeringResearchInstitute,Chongqing400039,China)
Theconstructionoftherecirculatingballtypepowersteeringautomatictestsystemwasintroduced.Partofmeasuringmethodsandcalculationmethodsinnationalindustrystandardwereimproved,sothemeasurementresultsweremoreclosetothespecimen’sowncharacteristics.Thetestresultsshowthattheimprovedcalculatingmethodscanbeusedtoeffectivelyimprovethetestaccuracyandrepeatability.
Recirculatingballsteeringgear;Testsystem;LabVIEW
2016-04-21
楊文暢,男,碩士生,主要從事循環(huán)球轉(zhuǎn)向器檢測(cè)工作。E-mail:yangwenchang@caeri.com.cn。
U463.43
B
1674-1986(2016)07-079-04