一種電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵試驗臺的開發(fā)

王憲科，宋志才，王建磊，韓彬,劉運(yùn)來

(1.山東凱帝斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司，山東德州 253000；2.德州學(xué)院，山東德州 253023)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的保有量越來越大，為了節(jié)約能源，新能源汽車——電動汽車得到了快速的發(fā)展。由于電動汽車沒有發(fā)動機(jī)，機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向泵便沒有了動力源，所以人們在機(jī)械液壓助力的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出更節(jié)省能源的電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。這套系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵不再由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，而是由電動機(jī)來驅(qū)動。

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入了控制器，并將車速信號引入控制器。系統(tǒng)包括油罐、泵、電機(jī)、控制系統(tǒng)，這些全部集成在電機(jī)油泵組內(nèi)。汽車轉(zhuǎn)向時,根據(jù)車速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，為汽車轉(zhuǎn)向提供合適的助力。高速時轉(zhuǎn)向力助力比較小，低速時轉(zhuǎn)向助力大。汽車電子控制液壓助力系統(tǒng)與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，節(jié)省燃油，由于安裝了控制器，提高了汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，增加了汽車轉(zhuǎn)向助力特性[1]。

由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)系到汽車的行駛安全，所以電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵，其性能和安全性試驗必須跟上汽車發(fā)展的步伐?；诖?，某公司成功研制了電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵性能試驗臺，能夠用來對各種電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行性能試驗和疲勞試驗。

1 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由儲油罐、電動泵、轉(zhuǎn)向機(jī)、助力轉(zhuǎn)向控制單元、助力轉(zhuǎn)向傳感器等構(gòu)成，其中電動泵和助力轉(zhuǎn)向控制單元是一個整體結(jié)構(gòu)。

電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(如圖1所示)采用一個電動泵來進(jìn)行轉(zhuǎn)向助力，電子控制單元通過對車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號的計算來控制電動泵的工作狀態(tài)。

圖1 電子液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2 測試試驗系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)工作原理

電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵試驗臺，采用計算機(jī)控制液壓加載控制系統(tǒng)的原理進(jìn)行設(shè)計和制造的。如圖2所示：整個測試系統(tǒng)主要由液壓加載系統(tǒng)、控制器電源、工業(yè)控制計算機(jī)及板卡、控制軟件、臺架等組成。該系統(tǒng)的工作原理：用工控計算機(jī)給板卡發(fā)數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后給控制器電源，控制器電源調(diào)整到相應(yīng)的電壓值供電給電子轉(zhuǎn)向泵控制器，控制器驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，工控計算機(jī)給板卡發(fā)數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后比例放大器將信號放大后給比例溢流閥，從而使比例溢流閥調(diào)節(jié)到指定壓力，系統(tǒng)中壓力由傳感器檢測，當(dāng)實測壓力與指定壓力有偏差時，計算機(jī)會對發(fā)出的信號做出調(diào)整，直至達(dá)到指定壓力，形成閉環(huán)控制。

圖2 測控系統(tǒng)整體框架圖

此試驗系統(tǒng)是針對電動轉(zhuǎn)向助力泵及控制器系統(tǒng)的性能試驗和耐久試驗而設(shè)計的，它的試驗項目包括：開啟壓力試驗、跑合試驗、流量特性試驗、驅(qū)動功率試驗、效率實驗、流量電流噪聲跟隨車速變化試驗、加載電流試驗、變負(fù)荷耐久試驗、定負(fù)荷耐久試驗、變轉(zhuǎn)速循環(huán)試驗。

2.2 液壓加載系統(tǒng)工作原理

如圖3所示：液壓加載系統(tǒng)主要由閥座、比例溢流閥、電磁換向閥、高壓過濾器、流量傳感器、壓力傳感器等組成。采用日本進(jìn)口比例溢流閥，通過計算機(jī)控制可自動加載。流量計采用德國進(jìn)口齒輪流量計，測量精度達(dá)0.5%，測量準(zhǔn)確。壓力傳感器采用德國進(jìn)口品牌，測量精度達(dá)0.25%。

圖3 液壓加載模塊

液壓加載系統(tǒng)液壓原理圖如圖4所示。

圖4 液壓原理圖

2.3 電氣控制部分

電氣控制系統(tǒng)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，此系統(tǒng)采用VB軟件在上位機(jī)編程，用數(shù)據(jù)采集卡采集測試信號，對各接觸器、繼電器、電機(jī)、電磁閥、比例溢流閥等進(jìn)行控制，各執(zhí)行元件根據(jù)接收到的指令相應(yīng)動作，以達(dá)到可控制的要求。

2.4 計算機(jī)測控部分

計算機(jī)測控部分主要由傳感器部分(壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度、電壓、電流)、VB編程軟件、采集板卡、上位機(jī)和系統(tǒng)測控應(yīng)用軟件等組成。以工控機(jī)為核心，VB測控軟件與數(shù)據(jù)采集卡建立通信后，將控制參數(shù)和指令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡，同時對數(shù)據(jù)采集卡傳回的參數(shù)進(jìn)行顯示和控制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲到數(shù)據(jù)庫。

測控部分能夠?qū)﹄娮愚D(zhuǎn)向助力泵的進(jìn)出口壓力、出口流量、控制器電流、電壓、轉(zhuǎn)速、油溫等參數(shù)進(jìn)行采集、顯示，并將其保存和打印，以備調(diào)用及分析，如圖5所示。

圖5 軟件控制模塊組成示意圖

2.5 試驗臺主要技術(shù)參數(shù)

控制器供電電源：DC0～700 V，30 A；

系統(tǒng)加載最大壓力：25 MPa；

系統(tǒng)最大檢測流量：25 L/min。

3 臺架結(jié)構(gòu)

臺架布置采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為：臺架部分、液壓加載部分、液壓油溫控制部分、輔助油箱、夾具部分，如圖6所示。

圖6 試驗臺實物圖

圖6(a)所示試驗臺配備了隔音箱，可以完成電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵各項噪聲的試驗。

液壓加載系統(tǒng)采用高位油箱供油方式，供油油箱為中間帶保溫層的保溫油箱，具有保溫功能。油面距被試件吸油口高度不小于200 mm，油泵出油口到加載系統(tǒng)設(shè)置過濾精度10 μm的高壓過濾器，以保證油液的清潔度，保護(hù)液壓閥。過濾器具有堵塞報警裝置，回油過濾可以消除系統(tǒng)雜質(zhì)對油箱的污染。

油箱具有油位報警裝置，并有可視液位計，當(dāng)液壓油發(fā)生泄漏、油位低于設(shè)定油位時，發(fā)出聲光報警，并停止整個試驗臺的試驗，各動作部件的動作全部停止，油泵停止工作。

輔助系統(tǒng)由循環(huán)溫控系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、排油系統(tǒng)組成。

循環(huán)溫控系統(tǒng)由間接加熱油箱、風(fēng)冷卻器、溫度控制儀、溫度傳感器組成，隨時控制保證系統(tǒng)溫度在要求的范圍內(nèi)。

循環(huán)過濾系統(tǒng)通過獨(dú)立的循環(huán)泵、精密過濾器對液壓油進(jìn)行單獨(dú)過濾，有效控制試驗油箱內(nèi)的油液清潔度。

排油系統(tǒng)在試驗完成后，將泵內(nèi)殘余液壓油用氣排出到回收油箱，然后再經(jīng)過濾后回到試驗油箱。

4 系統(tǒng)試驗分析(舉例說明)

4.1 開啟壓力試驗

將被試泵安裝到試驗臺架上，在空載壓力下起動轉(zhuǎn)向泵，升速至1 500 r/min,迅速關(guān)閉輸出油路，使輸出流量為0，保持2～3 s，此時穩(wěn)定的壓力值作為安全閥開啟壓力。如圖7所示：安全閥開啟壓力值為15.063 MPa。

圖7 開啟壓力試驗曲線

4.2 跑合試驗

在空載壓力下起動轉(zhuǎn)向泵，升速至最高轉(zhuǎn)速nmax并保持10 s，再將轉(zhuǎn)速調(diào)至1 500 r/min，從空載壓力開始逐級按0.5pmax、0.85pmax分別保持各30 s。以時間為X軸,轉(zhuǎn)速為Y1軸、壓力為Y2軸，繪制坐標(biāo)系，將測量的轉(zhuǎn)速值及壓力值以曲線形式輸出,如圖8所示。

圖8 跑合試驗曲線

4.3 效率實驗

將被試驗件安裝到試驗臺架上，在設(shè)定載荷的情況下驅(qū)動泵轉(zhuǎn)動，設(shè)定車速下測量泵的流量，實時監(jiān)測電流、電壓、流量、油壓等參數(shù)，通過輸入電流、輸入電壓與輸出流量、輸出壓力計算系統(tǒng)效率，繪制效率與時間曲線，如圖9所示。

圖9 效率試驗曲線

4.4 定負(fù)荷耐久試驗

將轉(zhuǎn)向泵安裝在試驗臺架上，在油泵轉(zhuǎn)速、壓力、油溫恒定的工況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，時間可設(shè)置。實驗曲線如圖10所示。

圖10 定負(fù)荷耐久試驗(3 MPa)

4.5 變轉(zhuǎn)速循環(huán)耐久試驗

壓力1.0 MPa(乘用車)/2.0 MPa(商用車)，轉(zhuǎn)速從最低轉(zhuǎn)速nmin→0.65nmax→最低轉(zhuǎn)速nmin，在45 s內(nèi)完成一個速度循環(huán)，時間可設(shè)置。實驗曲線如圖11所示。

此試驗系統(tǒng)可以滿足實驗室、工廠對電子助力轉(zhuǎn)向泵的性能試驗和疲勞試驗需求，可以根據(jù)各個廠家對試驗工況的要求不同而設(shè)置不同的試驗參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各項參數(shù)的顯示，出具的試驗報告和試驗曲線可以幫助各廠家對轉(zhuǎn)向泵進(jìn)行性能分析和技術(shù)分析，提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)。

圖11 變轉(zhuǎn)速循環(huán)耐久試驗曲線

5 結(jié)束語

該試驗臺不僅結(jié)構(gòu)合理，功能齊全，綜合性強(qiáng)，而且充分考慮了實際工作情況，完全可以滿足汽車電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵的各種試驗要求；該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，故障率低，工作效率高，得到了用戶的一致好評。通過對電子液壓助力轉(zhuǎn)向泵性能試驗臺結(jié)構(gòu)、原理、試驗方法的分析以及實際試驗數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1)試驗臺對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要影響因素有著綜合的試驗?zāi)芰Α?/p>

(2)試驗臺用較為簡單的結(jié)構(gòu)和硬件能夠達(dá)到較高的試驗

精度。

(3)試驗臺結(jié)構(gòu)與軟件系統(tǒng)設(shè)計較為人性化，操作設(shè)備、數(shù)據(jù)記錄以及更換樣件簡單、方便、快捷。同時，合理的空間設(shè)計為后期的設(shè)備升級打下基礎(chǔ)。

(4)試驗臺所有試驗結(jié)果通過軟件進(jìn)行處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)化保存，為后期電動液壓助力轉(zhuǎn)向泵的改進(jìn)和提升提供了數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

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