動力轉(zhuǎn)向器總成綜合性能試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)設(shè)計

陳 誠，顧 晉，劉 永

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002； 2.東科克諾爾商用車制動技術(shù)有限公司，湖北 十堰 442003)

引言

重型汽車的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎都是借助液壓助力，采用的常流整體式動力轉(zhuǎn)向器其實(shí)是一個機(jī)液聯(lián)合控制與反饋的伺服隨動系統(tǒng)[1-2]。除了新品定型要做可靠性試驗(yàn)外，每個轉(zhuǎn)向器總成出廠前必須在試驗(yàn)臺上完成各項(xiàng)性能試驗(yàn)[3]。作為車輛主動安全性能中至關(guān)重要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，逐步得到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注和研究，分析和研究問題的手段也逐步從純理論研究到軟件仿真，直至現(xiàn)今出現(xiàn)了更多的試驗(yàn)臺架實(shí)物研究[4-5]，但其研究領(lǐng)域更多局限于測控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)[6-10]。動力轉(zhuǎn)向器總成綜合性能試驗(yàn)臺既要模擬汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的供油功能，還必須使模擬工況更接近實(shí)車行駛路況[5]，試驗(yàn)結(jié)果的正確與否影響汽車轉(zhuǎn)向的操控舒適性乃至行車安全。試驗(yàn)過程中工作壓力高、流量調(diào)節(jié)范圍大，應(yīng)避免液壓沖擊和噪聲，要求過濾精度高，各試驗(yàn)參數(shù)的觀測和標(biāo)定要方便可行，還要注意對儀器儀表的保護(hù)，因此對試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求，需要進(jìn)行更為深入的研究。

1 總成綜合性能試驗(yàn)臺概述

試驗(yàn)臺采用計算機(jī)自動控制系統(tǒng)，對試驗(yàn)過程中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集、處理和跟蹤繪圖，并按要求格式自動輸出結(jié)果。對總成進(jìn)行試驗(yàn)時，應(yīng)參考原車的布置形式或者平直安裝在試驗(yàn)臺上，過濾器的絕對過濾精度不得低于原車[3]。

試驗(yàn)時先裝夾試件，安裝過渡接頭，通過液壓快速插頭連接試件進(jìn)出油口。需要完成的試驗(yàn)內(nèi)容和要求如下：

(1) 輸入扭矩：驅(qū)動系統(tǒng)輸出軸與試件輸入軸連接，不連接垂臂，驅(qū)動試件正反方向全轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)，測量扭矩與轉(zhuǎn)角間的關(guān)系曲線，求出最大最小扭矩值和平均扭矩值。系統(tǒng)要求大流量、低壓、無負(fù)載、垂臂限位擋塊下降；

(2) 行程閥流量調(diào)節(jié)：安裝垂臂，用拉桿將試件垂臂與加載裝置連接。通過液壓缸升起垂臂限位擋塊，驅(qū)動輸入軸使試件垂臂擺動至最大轉(zhuǎn)角位置(機(jī)械限位)。手動調(diào)整行程閥調(diào)整螺釘，直至流量達(dá)到設(shè)定范圍。此時系統(tǒng)要求大流量、低壓、無負(fù)載、垂臂限位擋塊上升；

(3) 行程閥卸荷功能試驗(yàn)：在產(chǎn)品正反兩個方向設(shè)定最大轉(zhuǎn)角的位置下測量進(jìn)出口壓差，系統(tǒng)要求同行程閥流量調(diào)節(jié)；

(4) 功能試驗(yàn)：在輸出端施加總成最大輸出扭矩三分之一的負(fù)載，全行程范圍轉(zhuǎn)動輸入軸，檢測輸入軸扭矩值。此時系統(tǒng)要求大流量、高壓、大負(fù)載、限位擋塊下降；

(5) 內(nèi)泄漏及外泄漏試驗(yàn)：通過機(jī)械限位將垂臂固定于中間位置，輸入軸正反向施加設(shè)定扭矩，測量總成高壓腔至低壓腔的內(nèi)泄漏量，同時觀察總成的外泄漏情況。系統(tǒng)要求小流量、高壓、無負(fù)載、限位擋塊上升；

(6) 力特性試驗(yàn)：測量介質(zhì)液壓與輸入扭矩的關(guān)系并繪制特性曲線，計算對稱度。系統(tǒng)要求同內(nèi)泄漏試驗(yàn)；

(7) 回正能力試驗(yàn)：試件輸入軸空置，在輸出端施加最大輸出力矩6%的回正載荷，逆驅(qū)動垂臂從最大轉(zhuǎn)角處回到中間位置，測出所需時間。系統(tǒng)要求大流量、低壓、小負(fù)載、限位擋塊下降；

(8) 壓差試驗(yàn)：試件輸入和輸出端處于自由狀態(tài)且垂臂在中間位置，測量進(jìn)出油口壓力差。系統(tǒng)要求大流量、低壓、無負(fù)載、限位擋塊下降。

2 試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。

圖1 試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機(jī)和扭矩傳感器等組成，采用無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速范圍為0.5～50 r/min。測量系統(tǒng)由扭矩、力、壓力、流量、溫度和角度等傳感器組成，對各參數(shù)進(jìn)行測量。液壓系統(tǒng)由試件供油系統(tǒng)和加載系統(tǒng)兩部分組成，試件供油系統(tǒng)模擬試件實(shí)際使用工況，加載系統(tǒng)主要用于對試件施加負(fù)載、逆驅(qū)動和擋塊限位。

試驗(yàn)臺對所有傳感器設(shè)有標(biāo)定接口和輔助裝置，各傳感器主要技術(shù)要求如表1所示。

表1 傳感器主要技術(shù)參數(shù)

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1 試件供油系統(tǒng)設(shè)計

要求試驗(yàn)用油液為CD級15W/40柴油機(jī)油，油溫(50±5)℃，過濾精度25 μm，最高工作壓力14 MPa，流量10～12.5 L/min。盡可能減小系統(tǒng)噪聲，避免產(chǎn)生空穴現(xiàn)象和液壓沖擊。

如圖2所示，采用雙聯(lián)液壓泵，將試件供油系統(tǒng)分為低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)兩部分。

1.主油箱 2.加熱器 3.空氣過濾器 4.液位計 5.溫度計6.進(jìn)油粗過濾器 7.雙聯(lián)液壓泵 8.低壓過濾器 9.油冷卻器10、23、32.電磁換向閥 11、17.手動換向閥 12、18、28.節(jié)流閥13、19、29.壓力表 14.溢流閥 15.壓力繼電器 16.高壓過濾器20.電磁溢流閥 21、22、24.單向節(jié)流閥 25、26.單向閥27.流量計 30、31、34、37.快換接頭 33、38.截止閥35.定值減壓閥 36、39.壓差傳感器 40.先導(dǎo)型比例電磁溢流閥圖2 試件供油系統(tǒng)液壓原理圖

1) 低壓系統(tǒng)

油液通過雙聯(lián)泵7的低壓泵，經(jīng)由一個40 μm的粗過濾器6從主油箱1中抽出，再經(jīng)過一個10 μm的低壓過濾器8和油冷卻器9后，送入高壓泵的吸油口。

液壓系統(tǒng)中如果發(fā)生空穴現(xiàn)象，會使液壓油吸油不足，噪聲激增，輸出流量和壓力劇烈波動，系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，甚至出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象。因此應(yīng)適當(dāng)加大吸油管內(nèi)徑，盡量避免急劇轉(zhuǎn)彎或存在局部狹窄處，接頭應(yīng)有良好密封，過濾器要及時清洗或更換。為避免氣蝕現(xiàn)象，高壓泵宜設(shè)置輔助泵，向液壓泵的吸油口供應(yīng)足夠的低壓油，因此本系統(tǒng)采用了雙聯(lián)液壓泵。

設(shè)置溢流閥14作為低壓系統(tǒng)的升壓安全閥，低壓泵的輸出流量大于高壓泵的需求量時，油液通過溢流閥14回到油箱。設(shè)定低壓系統(tǒng)壓力時，可通過按下起隔離作用的手動換向閥11后，由壓力表13觀測，節(jié)流閥12可以避免壓力表受到液壓沖擊，起到保護(hù)作用。如果低壓系統(tǒng)壓力降低到壓力繼電器15的設(shè)定值以下，那么試驗(yàn)臺的試件供油系統(tǒng)將會停止工作，防止壓力過低導(dǎo)致液壓系統(tǒng)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象和液壓沖擊。

2) 高壓系統(tǒng)

高壓泵從低壓系統(tǒng)中得到油液供應(yīng)，經(jīng)過1個5 μm 的高精度高壓過濾器后流入升壓管路。由電磁閥操作的先導(dǎo)式電磁溢流閥20，作為在試驗(yàn)過程中發(fā)生誤操作時保護(hù)高壓系統(tǒng)油路不超過最大壓力的安全閥，如圖2所示，當(dāng)電磁鐵2YA斷電時系統(tǒng)卸荷,節(jié)約能源[11]。設(shè)置了壓力表19、節(jié)流閥18和手動換向閥17，便于需要時檢測高壓系統(tǒng)的工作壓力。

在高壓系統(tǒng)管路安裝3個單向節(jié)流閥來控制流入轉(zhuǎn)向器總成的流量。將單向節(jié)流閥21，22并聯(lián)后調(diào)節(jié)到試驗(yàn)最大流量；再串聯(lián)1個單向節(jié)流閥24，將其調(diào)節(jié)到試驗(yàn)所需的小流量狀態(tài)。三位四通電磁換向閥23位于中位時，油液流經(jīng)2個單向節(jié)流閥后直接流回主油箱。當(dāng)電磁鐵3YA通電，油液流量達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定最大值并流經(jīng)轉(zhuǎn)向器總成；而當(dāng)電磁鐵4YA通電，則是用單向節(jié)流閥24的小流量對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中的流量由流量傳感器27來檢測，安裝有2個單向閥來防止回流，轉(zhuǎn)向器總成中流出的油液直接流回主油箱1。采用2個單向節(jié)流閥并聯(lián)，是為了保證節(jié)流閥始終處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的前提下能夠獲得較大的流量調(diào)節(jié)范圍。

在進(jìn)行總成各項(xiàng)性能試驗(yàn)的過程中，由比例電磁溢流閥40根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)自動調(diào)節(jié)供油壓力。

高、低壓差傳感器與轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)、出油口相連接。如圖2所示，通過電磁換向閥32在試驗(yàn)程序中切換低壓差傳感器36與高壓差傳感器39對轉(zhuǎn)向器進(jìn)出口壓力差進(jìn)行檢測。定值減壓閥35設(shè)定值略低于低壓差傳感器允許的最高壓力，一旦電磁換向閥出現(xiàn)誤操作時，可以保護(hù)低壓差傳感器不因?yàn)橄到y(tǒng)壓力過高而損壞。試驗(yàn)過程中的壓力還可以通過壓力表29來檢測。

截止閥33，38和快換接頭34，37用于試件供油系統(tǒng)各傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)。

3) 試件供油系統(tǒng)條件控制

(1) 系統(tǒng)的油壓控制：系統(tǒng)的油壓分高低壓兩種，根據(jù)試件品種的不同，設(shè)定不同的壓力控制值，計算機(jī)將該信號轉(zhuǎn)變成電信號控制比例溢流閥的開度，從而達(dá)到控制油壓的目的。在使用的過程中如果發(fā)現(xiàn)油壓調(diào)節(jié)失靈應(yīng)依次檢查閥控制板的電源、控制信號、閥芯堵塞、油溫過高等。

(2) 系統(tǒng)供油流量的控制：根據(jù)試件的品種和所進(jìn)行的試驗(yàn)不同，系統(tǒng)的工作流量不同，控制系統(tǒng)在標(biāo)定狀態(tài)下加載，切換大、小流量，手動調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥，將流量調(diào)節(jié)到所需的流量值。工作時大、小流量的控制是由計算機(jī)自動控制換向閥切換，在工作的過程中如發(fā)現(xiàn)流量不正常應(yīng)依次檢查流量調(diào)節(jié)閥堵塞、換向閥堵塞、換向閥控制信號、油溫高。

(3) 試驗(yàn)用油溫度控制：試件供油系統(tǒng)溫度必須控制在(50±5)℃，既要考慮加熱，又要考慮冷卻，因此在主油箱里裝有油冷卻器、加熱器和溫度傳感器。當(dāng)油溫超過程序設(shè)定值時，電磁鐵1YA通電，油冷卻器9將被接通，自動進(jìn)行水冷，以使油溫降到允許的范圍。如果油溫過高應(yīng)停機(jī)檢查供水是否正常、電磁換向閥10是否正常工作以及油箱里的液面是否太低。

3.2 加載系統(tǒng)設(shè)計

加載系統(tǒng)獨(dú)立于試件供油系統(tǒng)，分為擺動油缸加載和擋塊夾緊控制兩部分。

1) 擺動油缸加載

為了在動力轉(zhuǎn)向器總成的輸出端按試驗(yàn)要求施加負(fù)載或逆驅(qū)動，選用擺動油缸作為液壓執(zhí)行元件。擺動油缸即擺動液壓馬達(dá)，其輸出軸做往復(fù)擺動，其突出特點(diǎn)是能使負(fù)載直接獲得往復(fù)擺動運(yùn)動，無需其他變速機(jī)構(gòu)[12]。

如圖3所示，油泵通過一個40 μm空吸過濾器2從副油箱1中取油。在溢流閥10設(shè)置系統(tǒng)最大壓力值，此壓力值應(yīng)比先導(dǎo)型比例電磁溢流閥21上所設(shè)置的壓力值要稍高一些。同時還可以作為安全閥，在發(fā)生誤操作時保護(hù)系統(tǒng)管路。設(shè)定此壓力值時，可手動壓下?lián)Q向閥7的手柄后，通過壓力表9來檢測。

1.副油箱 2.進(jìn)油粗過濾器 3.空氣過濾器 4.液位計5.溫度計 6.液壓泵 7.手動換向閥 8.節(jié)流閥 9.壓力表10.溢流閥 11.背壓閥 12.油冷卻器 13.回油過濾器14、16、22.電磁換向閥 15.單向節(jié)流閥 17.雙單向節(jié)流閥18.單向閥 19、20.垂臂閉鎖油缸 21.先導(dǎo)型比例電磁溢流閥23～26.液控單向閥 27.擺動油缸圖3 加載系統(tǒng)液壓原理圖

(1) 擺動油缸被動加載：在做功能試驗(yàn)時，需在輸出端施加總成最大輸出扭矩1/3的負(fù)載[3]，此時電磁換向閥22處于中位。當(dāng)擺動油缸被轉(zhuǎn)向器總成輸出端搖臂軸、試驗(yàn)垂臂及拉桿驅(qū)動時，油缸內(nèi)部油液根據(jù)轉(zhuǎn)動方向噴出，當(dāng)油液被阻止流經(jīng)單向閥時，壓力立即升高，產(chǎn)生負(fù)載，直至壓力超過設(shè)定值后擺動缸才能繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而擺動油缸的低壓側(cè)通過流經(jīng)單向閥的油液被重新注入。安裝在回油路上的單向閥11作為背壓閥，使回油路保持一定壓力，保證擺動油缸轉(zhuǎn)動時更加平穩(wěn)。

(2) 擺動油缸逆驅(qū)動：做回正試驗(yàn)時，采用擺動油缸逆驅(qū)動轉(zhuǎn)向器搖臂軸旋轉(zhuǎn)。擺動油缸27旋轉(zhuǎn)方向的控制采用4個液控單向閥23～26和電磁換向閥22組成。如果電磁鐵4通電，液控單向閥23，26打開，擺動油缸逆時針旋轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)電磁鐵5YA通電，液控單向閥24，25打開，擺動油缸則順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁換向閥22處于中位時，4個液控單向閥保證擺動缸鎖定在所需位置。

2) 擋塊夾緊控制

擋塊夾緊控制部分用于在試驗(yàn)過程中進(jìn)行行程閥調(diào)節(jié)及力特性曲線、靈敏度曲線和內(nèi)泄漏等項(xiàng)目的測試時，通過垂臂閉鎖油缸驅(qū)動擋塊實(shí)現(xiàn)機(jī)械限位，將轉(zhuǎn)角垂臂固定在所需位置。電磁換向閥16通過接通電磁鐵2YA或3YA使垂臂閉鎖油缸19，20前進(jìn)或后退，油缸的速度通過雙單向節(jié)流閥17控制。單向閥18的安裝是為了防止油缸在電磁換向閥16處于中位時發(fā)生運(yùn)動，確保垂臂始終處于閉鎖狀態(tài)。垂臂閉鎖油缸帶接近感應(yīng)開關(guān)，用來控制行程兩端位置的換向。感應(yīng)開關(guān)是非接觸敏感元件，無接觸無磨損，輸出信號準(zhǔn)確[11]。擋塊夾緊控制部分回油直接流回油箱，背壓盡可能小，以保證對擋塊的正確控制。

加載系統(tǒng)所有回油流經(jīng)冷卻器12并最終流經(jīng)一個安裝在油箱頂部的10μm的回油過濾器13后回到副油箱。

3) 加載系統(tǒng)條件控制

(1) 系統(tǒng)的負(fù)載控制：不同的試件在試驗(yàn)的過程中所加負(fù)載大小不同，比例電磁溢流閥21在計算機(jī)試驗(yàn)程序控制下自動設(shè)置各種試驗(yàn)過程中的壓力值，以達(dá)到控制負(fù)載的目的。如負(fù)載控制不正確，應(yīng)依次檢查油溫是否過高、比例閥是否堵塞、比例閥的控制信號是否正常、擺動油缸的連接是否松動或卡死、垂臂的連接是否合適。

(2) 驅(qū)動速度：單向節(jié)流閥15控制擺動油缸的轉(zhuǎn)動速度。

(3) 溫度控制：加載系統(tǒng)從副油箱中得到液壓油供應(yīng)，這一部分不需要精確的溫度控制。只考慮冷卻而不考慮加熱升溫，把溫度控制在適于液壓裝置的35～40 ℃之間即可。

4 系統(tǒng)的標(biāo)定

每隔一段時間按規(guī)定必須對主要試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在本系統(tǒng)中需要標(biāo)定的參數(shù)有試件進(jìn)油壓力、回油壓力、流量、扭矩和拉壓力。對設(shè)備的標(biāo)定能校準(zhǔn)各傳感器，糾正可能存在的零點(diǎn)偏移或換算系數(shù)的偏差，還可以對傳感器本身進(jìn)行鑒定，確定其精度是否在允許的范圍內(nèi)。在設(shè)備使用過程中如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動較大、大量總成不合格時，也可根據(jù)需要進(jìn)行針對性的單項(xiàng)或多項(xiàng)傳感器的標(biāo)定，以排除設(shè)備故障造成對總成誤判的可能[13]。

4.1 壓力的標(biāo)定

在壓力傳感器的安裝管路上設(shè)計有標(biāo)定用的接口，將標(biāo)準(zhǔn)壓力檢測儀接上，系統(tǒng)工作，標(biāo)準(zhǔn)壓力儀和系統(tǒng)工作用壓力傳感器同時檢測同一系統(tǒng)同一點(diǎn)的壓力，同時軟件在標(biāo)定狀態(tài)下顯示壓力值，比較二者所測值則可以判斷傳感器是否準(zhǔn)確，如果誤差太大，控制軟件系統(tǒng)在標(biāo)定狀態(tài)下根據(jù)實(shí)際標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行修正。

4.2 流量的標(biāo)定

在流量傳感器的油路上串聯(lián)1個標(biāo)定用的油口，啟動泵站，讓泵站穩(wěn)定運(yùn)行，打開標(biāo)定油口，穩(wěn)定一段時間，讓標(biāo)定油口的油流入標(biāo)準(zhǔn)容器，同時用標(biāo)準(zhǔn)秒表測量流油時間，根據(jù)油量和時間可以計算得到系統(tǒng)流過流量計的流量，與流量計自身所測流量比較即可。

4.3 扭矩的標(biāo)定

裝在輸入軸上的扭矩儀是關(guān)鍵的檢測儀器，其標(biāo)定方法是脫開試件的輸入軸連接，將標(biāo)定桿接在軸承座的前面，掛上適當(dāng)?shù)捻来a，用力臂的長度和砝碼的重量計算出扭矩并和扭矩儀顯示值進(jìn)行比較，確定誤差的大小并進(jìn)行修正。

4.4 拉壓力的標(biāo)定

拉壓力傳感器主要用于測量系統(tǒng)對試件所加負(fù)載的大小，其實(shí)際值是拉壓力乘力臂。在擺動油缸的軸上安裝上標(biāo)定桿，掛上適當(dāng)?shù)捻来a，計算所加的負(fù)載大小和拉壓力傳感器檢測是否一致，確定誤差的大小并修正。

5 結(jié)論

總成綜合性能試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)分為2個獨(dú)立的子系統(tǒng)，使用電磁比例溢流閥自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，通過并聯(lián)2個單向節(jié)流閥，使節(jié)流閥在穩(wěn)定工作的前提下獲得較大的流量調(diào)節(jié)范圍，滿足多品種產(chǎn)品試驗(yàn)要求。試件供油系統(tǒng)采用三級過濾，保證過濾精度，通過輔助泵向高壓泵的吸油口供應(yīng)足夠的低壓油，避免液壓系統(tǒng)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象和液壓沖擊。采用定值減壓閥保護(hù)低壓差傳感器，壓力表在無需使用時，測試管路完全卸荷，起到保護(hù)作用。加載系統(tǒng)既能根據(jù)試驗(yàn)要求被動施加負(fù)載，也能主動加載實(shí)現(xiàn)逆驅(qū)動。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，無沖擊，噪聲小，各試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定方便、控制準(zhǔn)確，完全滿足動力轉(zhuǎn)向器總成進(jìn)行綜合性能試驗(yàn)的要求。