汽車轉(zhuǎn)向器測試臺架的加載系統(tǒng)設(shè)計

王仁全

重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司 重慶市 401122

1 引言

我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速，對轉(zhuǎn)向器的性能及可靠性要求也越來越高。由于整車道路測試具有局限性，成本高，且效率低下，因此，采用整車模擬形式的臺架測試更具有實際意義。隨著汽車安全性要求的提高，對轉(zhuǎn)向器臺架測試的要求也越來越嚴(yán)格。相關(guān)轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠家已經(jīng)越來越不滿足于國家測試標(biāo)準(zhǔn)，開始提出自主測試的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從而，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器臺架測試中低頻加載、定向加載、定載荷加載的方法已經(jīng)不能滿足試驗要求。

本文對轉(zhuǎn)向器臺架測試中加載系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，使之能夠?qū)崿F(xiàn)高頻加載、被動加載、疊加加載等高級加載功能。并通過循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器可靠性試驗，驗證加載系統(tǒng)功能。

2 汽車轉(zhuǎn)向器

汽車轉(zhuǎn)向器的作用是把來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q（主要是減速增矩），再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)，從而使汽車轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)向器本質(zhì)上就是減速傳動裝置。轉(zhuǎn)向器有多種類型，其中最常見的為齒輪齒條式與循環(huán)球式。

3 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器加載系統(tǒng)的設(shè)計

對于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其工作狀態(tài)如

圖1所示。轉(zhuǎn)向器能過左右橫拉桿，拉動梯形臂，使車輪轉(zhuǎn)向。為了匹配實車工作狀態(tài)，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的加載應(yīng)采用旋轉(zhuǎn)加載方法，并在左右拉桿上安裝力傳感器或貼應(yīng)變片。

圖1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作狀態(tài)

旋轉(zhuǎn)加載機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由角度傳感器、伺服擺動馬達(dá)、傳動軸、橫臂、伺服直線升降機(jī)構(gòu)、直線導(dǎo)軌等組成。伺服擺動馬達(dá)通過角度傳感器及拉桿力傳感器進(jìn)行角度閉環(huán)控制及力閉環(huán)控制，可以滿足不同工作狀態(tài)下的加載。橫臂在傳動軸上高度可調(diào)，與橫臂通過脹緊套連接；轉(zhuǎn)向器拉桿端的球銷安裝在擺臂上，安裝位置可根據(jù)轉(zhuǎn)向器實車位置調(diào)整。伺服馬達(dá)由伺服控制器控制，可以在擺臂處提供相應(yīng)扭矩及加載頻率。試驗過程中可以通過伺服直線升降機(jī)構(gòu)控制加載高度，模擬汽車行駛轉(zhuǎn)向過程中車輪跳動對橫拉桿拉壓力方向的改變。

圖2 旋轉(zhuǎn)加載機(jī)構(gòu)

4 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器加載系統(tǒng)的設(shè)計

對于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，其中作狀態(tài)如圖3所示。轉(zhuǎn)向器把中間軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，轉(zhuǎn)化成垂臂的左右擺動，從面帶動直拉桿驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)向。所以，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器加載可采用直線加載機(jī)構(gòu)，在循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的擺臂處施加相應(yīng)載荷即可。

直線加載機(jī)構(gòu)如圖4所示。它是由伺服油缸、位移傳感器、拉壓力傳感器及連接件等組成。伺服油缸通過力閉環(huán)或位移閉環(huán)控制，對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器垂臂施加規(guī)定負(fù)載。

圖3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器工作狀態(tài)

圖4 直線加載機(jī)構(gòu)

圖5 加載系統(tǒng)液壓原理圖

5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)的流量、壓力等相關(guān)參數(shù)，并設(shè)計合理的液壓系統(tǒng)原理圖。

針對齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器及循環(huán)球式的轉(zhuǎn)向器加載系統(tǒng)的要求，設(shè)計的液壓系統(tǒng)要具備旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、直線驅(qū)動的功能。同時，為了進(jìn)行手感測試，液壓系統(tǒng)還需要具備被動加載的功能。設(shè)計的液壓原理圖如圖5所示。

伺服馬達(dá)用于對轉(zhuǎn)向器提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動動力源。伺服缸（伺服馬達(dá)）可以為加載系統(tǒng)提供直線（旋轉(zhuǎn)）加載動動源。為消除了在被動加載過程換向過程中的空行程，在系統(tǒng)的回油路上增加溢流閥提供背壓，為被動加載過程中伺服缸或伺服擺馬達(dá)的負(fù)壓腔充分供油。

6 設(shè)計結(jié)果及分析

圖6為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器在試驗臺架上實車安裝后伺服擺油缸的實際加載曲線。輸入端驅(qū)動速度60r/min，驅(qū)動角度范圍±180°，加載頻率20Hz，最大加載力3000N，幅值疊加圓弧波形。

圖7為循環(huán)球轉(zhuǎn)向器在試驗臺架上伺服油缸的實際加載曲線（磨損試驗）。加載力20000N，輸入端驅(qū)動速度60r/min。

圖6 伺服擺動馬達(dá)加載效果

圖7 伺服油缸加載效果

7 結(jié)語

經(jīng)過試驗驗證，所設(shè)計的轉(zhuǎn)向器加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，功能齊全，能夠滿足變載、高頻、疊加波形等多種高級試驗要求。通過合理設(shè)計伺服閉環(huán)控制器，也可實現(xiàn)整車道路譜試驗測試。經(jīng)過該加載系統(tǒng)可靠性測試后的轉(zhuǎn)向器，與實車磨損效果匹配度較高，試驗結(jié)果具有較高參考價值，達(dá)到設(shè)計目的。