商用車動力轉向器最大輸出扭矩測試及分析

王春龍，郁金龍，喬小兵

（一汽解放商用車開發(fā)院，吉林 長春 130011）

前言

循環(huán)球式液壓動力轉向器總成（以下簡稱“轉向器總成”）是商用車轉向系統(tǒng)的核心部件，其最大輸出扭矩（即轉向器總成在額定工作壓力下的輸出扭矩）是轉向系統(tǒng)轉彎能力的體現(xiàn)。對于實際輸出扭矩的高估，將導致轉向驅動能力不足，為解決這一問題，常用的方法是通過提升助力系統(tǒng)壓力或增大轉向器總成缸徑，這將提高轉向油泵的工作壓力及排量，導致油溫及油耗升高，增大了系統(tǒng)負擔，系統(tǒng)可靠性風險增大；而對于實際輸出扭矩的低估，將會導致轉向器總成輸出能力及能源的不必要浪費，無法達到優(yōu)化設計的目的，因此，準確評估轉向器總成的實際輸出能力對于轉向系統(tǒng)的性能匹配設計尤為重要。

在QC/T529[1]行業(yè)標準中，未對轉向器總成最大輸出扭矩的測試方法及評價做出要求，這也間接導致整個行業(yè)多年來對這一重要性能指標關注不夠，通過技術交流及調(diào)研了解到，國內(nèi)外具備測試能力的廠商只是通過測試少數(shù)幾個特征位置點（如中間位置）的最大輸出扭矩，來評估轉向器總成在全行程的的實際輸出能力，由于測試位置點少，存在較大的預估偏差風險。

1 測試方法

結合多年現(xiàn)場測試經(jīng)驗，以及對供應商測試能力調(diào)研了解，國內(nèi)外目前對于最大輸出扭矩的測試方法主要采用以下兩種方式，如圖1，圖2所示。

圖1 測試方法一原理圖

圖2 測試方法二原理圖

兩種方法的主要區(qū)別在于測試傳感器選擇的不同，方案一選用拉壓力傳感器，方案二選用扭矩傳感器。具體測試步驟如下：

（1）在輸出端空載情況下，轉動輸入端至測試位置；

（2）按圖1或圖2所示方式，固定輸出端；

（3）連接油管，開啟泵站，按試驗條件要求，調(diào)節(jié)流量及油溫。

待油溫至試驗條件要求，分別向左右轉動輸入端，記錄輸出力（扭矩）與壓力的關系曲線，測試結果如圖3所示。

圖3 特定位置點測試結果曲線

傳統(tǒng)測試方案的缺點是只能進行單點測試，無法連續(xù)測試。當進行多點測試時，需通過反復拆卸工裝，調(diào)整測試位置，工作量大，效率低，即使低效的對多個位置點輸出扭矩進行測試，但依舊無法對轉向器總成在全行程的實際輸出能力進行全面準確的評估。

為解決測試效率低，對轉向器總成實際輸出能力評估不準確的問題，本文提出了一種基于PID閉環(huán)控制測試方案，實現(xiàn)對轉向器總成最大輸出扭矩的連續(xù)測試。

圖4 測試原理圖

圖5 測試裝置原理圖

為得到額定工作壓力下，轉向器總成在全行程不同位置上的輸出扭矩，以額定工作壓力為控制目標，通過PID控制策略，得到輸入端及輸出端伺服電機控制電壓，通過信號傳輸，使輸出端及輸入端同時加載，通過壓力閉環(huán)控制，實時調(diào)節(jié)輸入端及輸出端加載，實現(xiàn)對目標壓力的控制，測試原理如圖4所示，測試裝置原理如圖5所示，現(xiàn)場測試裝置如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場測試裝置

具體試驗步驟如下：

（1）按圖6所示，在轉向器總成中間位置，將樣品輸入端驅動裝置以及輸出端加載裝置與樣品相連；

（2）在轉向器總成進油口處安裝壓力傳感器，連接油管，連接壓力傳感器信號線；

（3）開啟泵站，設定試驗流量、油溫、目標壓力、系統(tǒng)壓力、測試行程幾個參數(shù)。

待油溫至設定溫度，點擊試驗程序，開始試驗，測試結果如圖7所示。

圖 7測試結果，目標壓力 15MPa，控制壓力基本在15.00-15.15MPa之間，控制精度1%，扭矩傳感器的測試精度在0.3%Fs，如圖8所示。

圖7 最大輸出扭矩測試結果曲線

圖8 壓力控制曲線

2 測試結果及分析

選取3件不同轉向器總成生產(chǎn)廠的樣品，分別編號為A、B、C，3件樣品的額定工作壓力均為15MPa，相關參數(shù)如表1所示。

表1 樣品主要參數(shù)

為便于觀察曲線走勢，同時鑒于左轉與右轉在曲線走勢差異較小，以及不同樣品全行程的差異，故截取單邊相同局部數(shù)據(jù)進行比較分析。由于不同轉向器總成的理論輸出扭矩不同，為體現(xiàn)其輸出能力，本文通過實測輸出扭矩與理論設計輸出扭矩的比值以體現(xiàn)其能力。

圖9 A樣品輸出扭矩測試曲線

圖10 B樣品輸出扭矩測試曲線

圖11 C樣品輸出扭矩測試曲線

表2 試驗結果

根據(jù)圖9～圖11，以及表2試驗結果，可以看出：

（1）三件樣品的實際輸出能力存在較大差異；

（2）C樣品輸出能力最佳；

（3）曲線左右位置無對稱性，無明顯規(guī)律性；

（4）B樣品的輸出扭矩穩(wěn)定性最差；

（5）綜合在輸出效率及穩(wěn)定性方面，C優(yōu)于A優(yōu)于B。

通過以上測試結果可以看出，曲線走勢無規(guī)律性可言，簡單通過幾個特征位置點的輸出扭矩預判轉向器總稱在全行程的實際輸出能力，存在較大誤判風險，最大值或均值不足以概括轉向器總成實際輸出能力，為保證轉向驅動能力，最小值才是整車匹配的關鍵，因此，唯有對于轉向器總成輸出扭矩的連續(xù)測試才能全面評估轉向器總成實際輸出能力，從而達到優(yōu)化匹配設計的目的。

結合表1設計參數(shù)及從表2的測試結果可以看出，在均值和最大值方面，設計參數(shù)更大的A、B樣品高于C樣品；在最小值方面，A樣品略高于C樣品，B樣品不如C樣品，這主要是由于實際輸出效率不同造成。C樣品雖然設計參數(shù)小，但較高的輸出效率保證了其輸出能力，而加大缸徑設計的A、B樣品，為改善原地轉向性能，增大了匹配的油泵的排量，但正常車速下，流量需求減少，而較大的排量將增大油泵內(nèi)循環(huán)量，致使助力系統(tǒng)油溫高，增加整車油耗等問題；而較大的工作流量，增大了系統(tǒng)的壓力損失[2]，在轉向器總成同樣有效工作壓力下，進一步增大了油泵的工作壓力，而較大的排量、較高油溫及工作壓力，極大的增大了對于轉向助力系統(tǒng)的可靠性亦風險。然而，從三件樣品的測試結果看，加大缸徑的A、B樣品并未有效解決轉向驅動能力不足的問題。因此，關注轉向器總成的實際輸出能力，關注其實際輸出效率，是優(yōu)化轉向系統(tǒng)匹配的關鍵；同時，壓縮同類產(chǎn)品供貨廠商實際輸出扭矩的差異區(qū)間，對于提升產(chǎn)品的互換性，提高整車性能穩(wěn)定性，尤為重要。

在測試壓力、流量、油溫等試驗條件一致的前提下，轉向器總成的實際輸出效率主要由機械傳動效率決定[3]，而傳動效率的高低與設計參數(shù)及加工精度密不可分[4]。不同的設計參數(shù)，將決定齒輪齒條傳動副的重合度，加工精度將影響傳動副的運動精度，從而影響傳動效率及其穩(wěn)定性。

3 結論

從本文所列出的測試結果可以看出，測試結果無明顯規(guī)律性，不同供應商樣品性能差異明顯，因此，簡單依靠點測試最大輸出扭矩的方法無法準確評估轉向器總成的實際輸出能力，唯有通過對轉向器總成輸出扭矩的連續(xù)測試，才能準確評估轉向器總成的實際輸出能力水平，從而為轉向系統(tǒng)優(yōu)化匹配開發(fā)，提供完整數(shù)據(jù)，達到優(yōu)化匹配設計，提高系統(tǒng)可靠性及產(chǎn)品互換穩(wěn)定性，節(jié)能減排的目的。

針對QC/T529對這一重要性能指標要求缺失的現(xiàn)狀，應加快完善標準，提升行業(yè)對最大輸出扭矩這一重要性能指標的關注，進一步優(yōu)化設計，提高加工質量，提升整個轉向器行業(yè)的制造水準。