汽車動力轉(zhuǎn)向器雙工位耐磨損實驗裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

張春亞，李智，顧熊煒，吳景坤

（1.中華人民共和國武漢海關(guān)，湖北 武漢 430050；2.湖北中檢檢測有限公司，湖北 武漢 430056；3.荊州恒隆汽車技術(shù)（檢測）中心，湖北 荊州 434000；4.江漢大學機電與建筑工程學院，湖北 武漢 430056）

隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車已成為人們生活中不可或缺的交通工具，動力轉(zhuǎn)向器是汽車行駛系統(tǒng)中的重要安全組成部分。汽車動力轉(zhuǎn)向器的作用是增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力和改變力的傳遞方向，同時也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，其質(zhì)量直接影響到汽車的穩(wěn)定性、操縱性和可靠性。因此，國內(nèi)外都有相應(yīng)的標準對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的質(zhì)量進行檢測和監(jiān)測，轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠也很注重對轉(zhuǎn)向器的測試系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。在測試系統(tǒng)的研制方面，國內(nèi)外研制測試系統(tǒng)的目的基本上都是為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量檢測的需求研發(fā)出了形式各異、種類繁多的測試系統(tǒng)。對機械性能、疲勞等可靠性都有了成熟的研究，但對于磨損性能的研究相對較少。針對汽車動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)、性能等方式進行分析，依照《QC/T 529-2013 汽車液壓動力轉(zhuǎn)向器技術(shù)條件與試驗方法》與《QC/T 530-2000 汽車動力轉(zhuǎn)向器總成技術(shù)條件》標準，運用現(xiàn)代測試技術(shù)和實驗方法搭建—個準確、高效、穩(wěn)定、低成本的汽車動力轉(zhuǎn)向器可靠性磨損試驗裝置，對轉(zhuǎn)向器進行實際車況模擬和磨損性能檢測，為汽車動力轉(zhuǎn)向器的批量化制造與生產(chǎn)質(zhì)量安全提供技術(shù)支持。

1 系統(tǒng)原理與功能

汽車動力轉(zhuǎn)向器耐磨損實驗裝置系統(tǒng)采用液壓泵+伺服系統(tǒng)+機械力控制+數(shù)據(jù)采集和工控組件+溫度控制系統(tǒng)+扭矩控制等來達到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合性能測試的要求，通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作狀況，檢測元器件的各種參數(shù)性能。

1.1 設(shè)備原理

在汽車動力轉(zhuǎn)向器的輸入端連接旋轉(zhuǎn)動力源，驅(qū)動動力轉(zhuǎn)向器的輸入軸旋轉(zhuǎn)，同時在動力轉(zhuǎn)向器的助力油的輸入口和輸出口連接輸油管路，通過外置壓力源向動力轉(zhuǎn)向器的助力部分提供指定壓力的壓力油，通過改變動力轉(zhuǎn)向器的輸出軸端負載強度來實現(xiàn)帶負載狀態(tài)下定的壽命和性能測試。原理圖見圖1、2。

圖1

圖2

1.2 設(shè)備系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具備實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時繪制曲線和檢測空載性能三大功能，從而完成汽車動力轉(zhuǎn)向器出廠前的可靠性磨損試驗，減小因服役壽命周期內(nèi)的失效而導致交通安全事故的概率。（1）實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。動態(tài)觀測轉(zhuǎn)向器輸出端載荷、輸入端扭矩、輸入端轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力及試驗周次。其示值可以實時反饋油路供給瞬態(tài)、機械運轉(zhuǎn)瞬態(tài)及控制精度瞬態(tài)，同時也為試驗的緊急停鈕操作和快速啟動操作提供依據(jù)。（2）實時繪制曲線。智能繪制載荷—時間曲線、扭矩一時間曲線、油壓一時間曲線、載荷一角度曲線、扭矩一角度曲線和油壓一角度曲線。其圖形可以直觀反映任意二維量值間的瞬時對應(yīng)關(guān)系及連續(xù)區(qū)間內(nèi)這一對應(yīng)關(guān)系的變化。（3）檢測空載性能：在磨損25000 個循環(huán)之后用來檢測轉(zhuǎn)向器內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)的摩擦力變化。

2 實驗裝置設(shè)計

2.1 組成結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)備工作臺。工作臺面由100mm 厚鑄鐵制作，大小控制在長2500mm×2000mm 范圍內(nèi)，工作臺面內(nèi)四周有寬30mm×深40mm 的油槽，并有放油孔，放油孔有閥門控制。工作臺面由焊接支架100mm×100mm支撐，支撐與工作臺由螺釘或焊接方式固定。工作臺距地面高度為550mm。支撐支架及工作臺面四周為天藍色。在工作臺下面制作接油盤，接油盤深度為40mm，接油盤四邊距工作臺面四邊100mm。（2）輸入端加載裝置。輸入端加載裝置由伺服電機、減速機、扭矩傳感器、安裝支架及輔具組合而成。伺服電機、減速機、扭矩傳感器橫向布置，使輸入加載端處于水平狀態(tài)。扭矩傳感器用于監(jiān)控磨損試驗過程中輸入扭矩，扭矩傳感器量程為±50Nm，示值誤差在0.5%以內(nèi)。輸入端與產(chǎn)品間由可伸縮萬向節(jié)連接。安裝支架高度以480mm 為基準，上下在±100mm 范圍內(nèi)可調(diào)整。（3）負載裝置。負載裝置由直線被動油缸及油箱組成。負載油缸水平方向放置，中心高度為210mm，油缸可在一定范圍內(nèi)擺動，擺角范圍不小于±15°，油缸行程不小于400mm，在油缸能產(chǎn)生的負載不低于±5T，拉壓力傳感器量程為±5T，示值誤差在0.5% 以內(nèi)。（4）電器柜及控制系統(tǒng)。電器柜為乳白色，用于安裝電腦主機、UPS 電源、伺服驅(qū)動器等控制單元，并能保證內(nèi)部通風干燥?？刂葡到y(tǒng)基于N1 平臺開發(fā)。

2.2 安裝方式

被試總成試驗時應(yīng)參考原車布置方式，在相應(yīng)的試驗臺架上進行。故該設(shè)備結(jié)構(gòu)采用臥式，即保證轉(zhuǎn)向器輸入軸水平放置，臂軸垂直向下，垂臂的安裝位低于輸入軸，垂臂端球銷的球心在垂臂下方。

2.3 技術(shù)參數(shù)

（1）液壓油溫度范圍，常溫+10～150℃。（2）耐壓油壓范圍20MPa。（3）流量范圍30L/min 以內(nèi)。（4）輸出端扭力傳感器，最大50Nm±0.5%。（5）輸入軸旋轉(zhuǎn)角度：任意角度。（6）輸入軸轉(zhuǎn)速：0～60r/min，最高120r/min。（7）循環(huán)定義：從中間位置開始，到右極限位置，再到中間位置，再到左極限位置，再回到中間位置。（8）施加直線載荷在擺臂上，使工作油壓達到轉(zhuǎn)向器設(shè)計的最大工作油壓的82%。

3 技術(shù)關(guān)鍵和解決的技術(shù)問題

現(xiàn)有的汽車動力轉(zhuǎn)向器可靠性耐久試驗裝置底端的平臺為T 字形平臺，成本較高，且安裝不牢固，極易發(fā)生脫落現(xiàn)象，試驗過程中產(chǎn)生的油不易回收和收集，造成浪費，不便清理，且裝置不便拆裝，因此，設(shè)計一種準確、高效、穩(wěn)定、低成本以及多功能綜合的汽車動力轉(zhuǎn)向器雙工位可靠性磨損試驗裝置。對耐磨損測試裝置系統(tǒng)的組成和試驗裝置原理掌握了解以及對轉(zhuǎn)向器進行可靠性分析，輸入端阻力加載，助力模擬試驗裝置幾個關(guān)鍵技術(shù)進行研究，分析試驗數(shù)據(jù)，以驗證測試系統(tǒng)的正確性。本試驗所研發(fā)的汽車動力轉(zhuǎn)向器耐磨損試驗測試裝置滿足下列要求：（1）能夠模擬轉(zhuǎn)向盤對動力轉(zhuǎn)向器的輸入軸進行角度和力矩的控制，實現(xiàn)正向驅(qū)動。（2）能夠?qū)崿F(xiàn)路面負載的模擬，提供更真實地疲勞磨損試驗條件，實現(xiàn)逆向驅(qū)動。（3）轉(zhuǎn)向器達到符合量程的助力泵站，實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向。（4）具備各種傳感器監(jiān)控，如角度、扭矩、力、溫度、壓力、流量，對試驗數(shù)據(jù)的采集。（5）本試驗裝置有很好的綜合測試能力，除了常規(guī)的磨損性能試驗外，還可以進行環(huán)境因素的可靠性試驗，如環(huán)境溫度變化、助力油高溫、超壓試驗和環(huán)境高溫高壓磨損試驗。

4 結(jié)語

以上為汽車動力轉(zhuǎn)向器的介紹和描述、動力轉(zhuǎn)向器耐磨損試驗裝置的設(shè)計及實現(xiàn)、試驗測試參數(shù)的驗證等相關(guān)研究，通過最終實驗及數(shù)據(jù)分析，本項目以汽車動力轉(zhuǎn)向器為研究對象，對該轉(zhuǎn)向器的可靠性磨損性能試驗為研究主題，以該轉(zhuǎn)向器的應(yīng)力分布與壽命周期、磨損指標與磨損特征為研究重點，對比了國內(nèi)外檢測實驗方法，確立了本試驗裝置的檢測方法。對測試試驗裝置的構(gòu)架進行了分析，綜合采用汽車動力學理論、可靠性磨損試驗等手段對轉(zhuǎn)向器的磨損性能測試進行研究分析，運用交流伺服液壓技術(shù)、智能集成技術(shù)與微機測控技術(shù)，建立了軟、硬件模塊并且研制出了汽車動力轉(zhuǎn)向器的檢測試驗裝置，能夠有效地實現(xiàn)確定的檢測方法，對檢測試驗裝置的測試結(jié)果進行了分析，與理論分析的結(jié)果進行對比，證明了該測試裝置系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計了一臺準確、高效、穩(wěn)定、低成本以及多功能綜合的汽車動力轉(zhuǎn)向器雙工位耐磨損試驗裝置系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向器進行實際車況模擬和磨損性能檢測。

汽車動力轉(zhuǎn)向器雙工位測試系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)，大大提高了可靠性磨損試驗的效率，且該裝置比普通裝置具有實用性強、安全性良好、易操作、準確性高等特點。