基于整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試研究

李賽 陳泰吉 鄭忠輝

摘 要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向中間軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿等組成，是汽車的重要組成部分，其功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。為了考核其安全性，需要對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行耐久測(cè)試，而常規(guī)的測(cè)試都是基于臺(tái)架進(jìn)行的，與實(shí)車狀態(tài)有一定的偏差。本文介紹一種基于整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試，在整車中放置加載裝置并完成相關(guān)測(cè)試，其結(jié)果更真實(shí)可靠。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 耐久測(cè)試 整車

1 概述

在汽車中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向，對(duì)汽車的行駛安全至關(guān)重要，一般由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向中間軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿等組成。

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳力件都是機(jī)械的，轉(zhuǎn)向的能源均來(lái)自駕駛員的體力。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置而形成的，其轉(zhuǎn)向的能源除了來(lái)自駕駛員的體力外，更多的是由發(fā)動(dòng)機(jī)或者助力電機(jī)提供。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因?yàn)楣?jié)省了駕駛員的體力而得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，目前應(yīng)用的主要包含液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而在乘用車中，電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)因其強(qiáng)大的控制功能和低成本優(yōu)勢(shì)占用了非常高的應(yīng)用比例。

鑒于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障就很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，所以對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性要求非常高。考慮到乘用車中大多采用電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文針對(duì)此類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的耐久測(cè)試進(jìn)行研究，以驗(yàn)證其可靠性。

2 測(cè)試要求

電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由機(jī)械部分（主要包含轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向中間軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向拉桿）及電動(dòng)助力部分（助力電機(jī)、控制器）等組成，不論是哪部分出現(xiàn)問(wèn)題，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故，因此，耐久試驗(yàn)要在電動(dòng)助力部分工作的情況下進(jìn)行。為了保證輪胎部分的摩擦力足夠大，需要將前輪置于特制的摩擦板上邊，其摩擦系數(shù)不低于0.8。試驗(yàn)前要將相應(yīng)的緊固件擰到規(guī)定的扭矩，試驗(yàn)后測(cè)試殘余扭矩。

3 測(cè)試過(guò)程

測(cè)試過(guò)程主要包括：轉(zhuǎn)向拉桿的標(biāo)定與安裝、加載裝置的安裝、車輛狀態(tài)的調(diào)整、采集裝置的連接、程序的設(shè)定與運(yùn)行、試驗(yàn)后的檢查等。

3.1 轉(zhuǎn)向拉桿的標(biāo)定與安裝

3.1.1 轉(zhuǎn)向拉桿的標(biāo)定

齒條力是EPS標(biāo)定的重要依據(jù)，同時(shí)也是耐久試驗(yàn)的重要參數(shù)，在試驗(yàn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)使得直接測(cè)試齒條力十分困難，可以通過(guò)測(cè)出轉(zhuǎn)向拉桿的力后再根據(jù)轉(zhuǎn)向拉桿和齒條軸線的夾角關(guān)系計(jì)算出齒條力。

轉(zhuǎn)向拉桿一端連接轉(zhuǎn)向器，另一端連接轉(zhuǎn)向節(jié)，其作用是將轉(zhuǎn)向器中齒條的運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)。轉(zhuǎn)向拉桿的形狀多為圓柱形，在一定范圍內(nèi)受到的拉力或壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的彈性變形，可以通過(guò)粘貼電阻應(yīng)變片的方法來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)向拉桿所受的力。設(shè)電阻應(yīng)變片的初始電阻為R，產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)的電阻變化為，那么滿足：

將轉(zhuǎn)向拉桿通過(guò)工夾具連接到直線作動(dòng)器，控制作動(dòng)器逐漸增加作用力并采集力值F與惠斯通電橋輸出電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合出二者之間的關(guān)系式，至此完成了標(biāo)定。

3.1.2 轉(zhuǎn)向拉桿的安裝

轉(zhuǎn)向拉桿的安裝如圖3所示，將試驗(yàn)車輛放置在舉升機(jī)上，然后舉升到一定的高度，先完成轉(zhuǎn)向拉桿與齒條的連接，再完成轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)的連接，連接處均需擰緊至規(guī)定扭矩，并做好標(biāo)記線。

待轉(zhuǎn)向拉桿安裝完成后，需要用四輪定位設(shè)備對(duì)試驗(yàn)車輛前輪的外傾角、前束進(jìn)行檢查，如果與目標(biāo)值有所差別，需要進(jìn)行調(diào)整，如圖4所示。

3.2 加載裝置的安裝

加載裝置包含由鋁合金搭建的龍門支架以及一伺服電缸，其作用是驅(qū)動(dòng)方向盤側(cè)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及車輪運(yùn)動(dòng)。該加載裝置中的伺服電缸可以進(jìn)行多自由度調(diào)節(jié)，最大輸出扭矩可以達(dá)到200N.m，而且能同時(shí)記錄加載的扭矩值和轉(zhuǎn)角。該加載裝置的安裝步驟如下：

（1）拆掉駕駛員座椅和方向盤;

（2）安裝過(guò)渡板，其作用是連接車身與加載裝置;

（3）將加載裝置的底座固定在過(guò)渡板上;

（4）調(diào)節(jié)伺服電缸到合適的位置并與管柱頭連接。

安裝好的加載裝置如圖5所示。

3.3 車輛狀態(tài)的調(diào)整

3.3.1 配重與調(diào)壓

將車輛前輪置于軸荷儀上邊，在車內(nèi)放置沙袋直至前軸載荷達(dá)到試驗(yàn)工況所定的值，然后調(diào)整胎壓至規(guī)定值。

3.3.2 車輛的固定

完成了配重與調(diào)壓后，將車輛的前輪移動(dòng)至摩擦板上，摩擦板的摩擦系數(shù)不低于0.8，見圖6。在耐久試驗(yàn)過(guò)程中，加載裝置會(huì)驅(qū)動(dòng)方向盤側(cè)的管柱做往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)前輪往復(fù)擺動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中車輛會(huì)向前移動(dòng)以至于會(huì)脫離摩擦板，所以要對(duì)車輛進(jìn)行固定。本文所采用的固定方式是用捆綁器固定住車輛的兩個(gè)后輪。

3.3.3 冷卻裝置的安裝

對(duì)于轉(zhuǎn)向助力電機(jī)，在耐久試驗(yàn)過(guò)程中，其工作電流會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于較大值從而導(dǎo)致溫度比較高，所以需要進(jìn)行冷卻，本文采用風(fēng)冷的方式。另外，控制器部分也要進(jìn)行冷卻，同樣采用風(fēng)冷的方式。

3.4 采集裝置的連接

3.4.1 機(jī)械部分的采集

機(jī)械部分的采集包括方向盤側(cè)的轉(zhuǎn)角、加載的扭矩、轉(zhuǎn)向拉桿上的力，其中方向盤側(cè)的轉(zhuǎn)角、加載的扭矩可以在加載裝置對(duì)應(yīng)的控制柜中直接采集和顯示;對(duì)于轉(zhuǎn)向拉桿上的力值，需要將惠斯通電橋的線路接到加載裝置對(duì)應(yīng)的控制柜中其余通道，然后設(shè)定好相應(yīng)的靈敏度，即可進(jìn)行采集與顯示。

3.4.2 CAN信號(hào)及溫度信號(hào)的采集

要采集的CAN信號(hào)包括助力電機(jī)的電流、助力裝置中扭矩傳感器的扭矩，所用的設(shè)備為單獨(dú)的數(shù)采系統(tǒng)，主要目的是判斷在試驗(yàn)過(guò)程中助力功能是否喪失或者下降。

要采集的溫度信號(hào)包括助力電機(jī)外殼的溫度以及控制器外殼的溫度。由于加載過(guò)程中助力電機(jī)的電流會(huì)一直比較大，在進(jìn)行了一些循環(huán)之后會(huì)觸發(fā)熱保護(hù)而導(dǎo)致助力裝置停止工作，這樣的話試驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。為了避免上述情況的出現(xiàn)，需要把熱保護(hù)機(jī)制去掉，但是這就有可能使助力電機(jī)與控制器因溫度過(guò)高而損壞，所以要對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在助力電機(jī)外殼以及控制器外殼粘貼溫度傳感器，再連接到相應(yīng)的采集裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度值超過(guò)一定限值后需要及時(shí)停止試驗(yàn)，需要指出的是，在制定溫度限值的時(shí)候要考慮助力電機(jī)和控制器的內(nèi)部溫度與外部溫度存在一定差異的情況。

3.5 程序的設(shè)定與運(yùn)行

根據(jù)定好的試驗(yàn)條件完成程序的設(shè)定，本文中的試驗(yàn)條件為：車輛處于點(diǎn)火狀態(tài)，方向盤側(cè)從直線行駛位置開始，順時(shí)針轉(zhuǎn)到規(guī)定的扭矩值，然后逆時(shí)針轉(zhuǎn)到規(guī)定的扭矩值，再回到直線行駛位置，至此為一個(gè)循環(huán)，根據(jù)規(guī)定的試驗(yàn)次數(shù)完成所有循環(huán)。如果按照恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，在運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊，為了避免這個(gè)問(wèn)題，需要分段運(yùn)行：

（1）從直線行駛位置開始按規(guī)定轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)到接近極限位置處;

（2）按較低轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)到規(guī)定的扭矩值;

（3）按規(guī)定轉(zhuǎn)速逆時(shí)針轉(zhuǎn)到接近極限位置處;

（4）按較低轉(zhuǎn)速逆時(shí)針轉(zhuǎn)到規(guī)定的扭矩值;

（5）按規(guī)定轉(zhuǎn)速順時(shí)針轉(zhuǎn)到直線行駛位置。

待運(yùn)行程序設(shè)定好之后，打開冷卻裝置和數(shù)采裝置，開始進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中要注意如下：

（1）保證車輪一直處于摩擦板上邊;

（2）定時(shí)檢查輪胎的磨損情況，如果磨損嚴(yán)重要及時(shí)更換輪胎;

（3）定時(shí)檢查助力電機(jī)外殼的溫度以及控制器外殼的溫度，出現(xiàn)異常及時(shí)停止;

（4）定時(shí)檢查助力電機(jī)的電流，出現(xiàn)電流消失或者過(guò)低情況要及時(shí)停止;

（5）車輛發(fā)生異響要及時(shí)停止。

3.6 試驗(yàn)后的檢查

3.6.1 前輪的檢查

試驗(yàn)后，需要用四輪定位設(shè)備對(duì)前輪的外傾角、前束進(jìn)行檢查。

3.6.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的檢查

試驗(yàn)后檢查轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能損傷、可目視塑性變形等，另外，對(duì)管柱安裝點(diǎn)、中間軸安裝點(diǎn)、轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點(diǎn)、轉(zhuǎn)向器安裝點(diǎn)的殘余力矩。

3.6.3 其他檢查

其他檢查主要包括：三角臂到副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點(diǎn)、減振器到轉(zhuǎn)向節(jié)安裝點(diǎn)等的殘余力矩。

4 結(jié)論

電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在乘用車中的應(yīng)用比例非常高，常規(guī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試都是在臺(tái)架中進(jìn)行，與實(shí)際情況有一定差距，本文所采取的基于整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試可以與實(shí)際情況非常接近，另外，還能對(duì)前輪的外傾角、前束以及三角臂、減振器安裝點(diǎn)扭矩進(jìn)行考核。在試驗(yàn)過(guò)程中，可以對(duì)方向盤側(cè)的轉(zhuǎn)角、加載的扭矩、轉(zhuǎn)向拉桿上的力、助力電機(jī)的電流、助力裝置中扭矩傳感器的扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，一方面可用于判斷耐久測(cè)試是否在正常運(yùn)行中，另一方面可以用直觀的數(shù)據(jù)來(lái)觀察轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能變化情況。當(dāng)然，該測(cè)試方法也存在著成本較高、測(cè)試周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。后續(xù)需要開展的工作有：優(yōu)化摩擦板的結(jié)構(gòu)，開展商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)耐久測(cè)試研究等。

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