淺談汽車轉向中間軸臺架試驗設計

摘 要：汽車轉向中間軸是轉向系統(tǒng)中連接轉向管柱和轉向機可以傳遞扭矩并吸收路面激勵的一種機械傳動機構，它對于確保車輛行駛安全，減少交通事故及保護駕駛員的人身安全，改善駕駛條件起著至關重要作用。所以產(chǎn)品性能在前期開發(fā)設計時，務必進行充分的試驗驗證。本文介紹了幾項典型的中間軸臺架試驗設計。

關鍵詞：轉向系統(tǒng) 中間軸 結構和性能 受力分析 試驗設計

Brief Introduction on the Test Design of Vehicle Steering Intermediate Axle Bench

Tian Shuangpeng

Abstract：The steering intermediate axle bench is a mechanical transmission mechanism connecting the steering column and the steering gear in the steering system， which can transmit torque and absorb road excitation. It plays an important role in ensuring vehicle driving safety， reducing traffic accidents， and protecting the driver's personal safety， and improving driving conditions. Therefore， the product performance in the early development and design， must be fully tested and verified. This paper introduces several typical bench test designs of I-shaft.

Key words：steering system， I-shaft， structure and performance， stress analysis， test design

1 引言

汽車轉向系統(tǒng)功用就是在駕駛員的操縱下保持或改變汽車的行駛方向。汽車轉向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關重要，因此汽車轉向系統(tǒng)的零件都稱為保安件，其產(chǎn)品性能及可靠性必須滿足整車設計和法規(guī)要求。

中間軸是轉向系統(tǒng)中連接轉向管柱和轉向機可以傳遞扭矩并吸收路面激勵的一種機械傳動機構。中間軸性能的好壞，直接影響到汽車行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛行駛安全，減少交通事故及保護駕駛員的人身安全，改善駕駛條件起著至關重要作用。

2 中間軸結構介紹（圖1）

中間軸（注塑中間軸為例）一般由上萬向節(jié)、滑動副、下萬向節(jié)組成，萬向節(jié)由固定節(jié)叉，十字軸，滾針軸承和擺動節(jié)叉構成。由于中間軸屬于轉向系統(tǒng)應力集中位置，根據(jù)其承載能力，不同客戶群依據(jù)產(chǎn)品性能需求，市場定位及造車成本等方面選擇不同結構的中間軸用于轉向系統(tǒng)匹配。

2.1 中間軸按布置結構分類（圖2）

2.2 按滑動副分類（圖3）

2.3 按承載扭矩分類（圖4）

2.4 中間軸整車布置受載分析（圖5）

汽車轉向行駛過程中，中間軸在工作過程中承載了傳遞扭矩和吸收路面沖擊的作用。由于是上下雙萬向節(jié)結構，其空間布置，Cardan1/Cardan2不可能在同一平面，存在角度α。如果萬向節(jié)角度α1=α2，則winput=woutput，滿足輸入和輸出盡可能相等。萬向節(jié)所連接的管柱輸出軸和轉向機輸入軸始終以相等的瞬時角速度傳遞運動。

3 中間軸臺架試驗設計

中間軸開發(fā)試驗規(guī)范必須滿足整車設計要求。從試驗的角度來確定設計開發(fā)的正確性和可靠性。安規(guī)方面，目的是保證消費者，汽車操作者的人身安全。常規(guī)中間軸開發(fā)試驗包含功能測試，動態(tài)耐久試驗，靜態(tài)強度試驗，環(huán)境試驗及整車路試等方面。如下介紹了產(chǎn)品開發(fā)時的幾種典型的測試項目臺架試驗設計。

3.1 中間軸扭轉剛度測試（圖6）

中間軸結構一般由上萬向節(jié)、減震管（部分中間軸不含）、滑動副和下萬向節(jié)組成。由于具備兩個萬向節(jié)，是整個轉向系統(tǒng)最具應力集中位置，所以中間軸的最小扭轉剛度必須受控于一定的范圍。

將中間軸以裝車位置安裝臺架，下萬向節(jié)剛性固定，對中間軸上萬向節(jié)端加載扭矩，記錄中間軸輸入扭矩與角位移的比值。

3.2 中間軸滑動力測試

中間軸的滑動力考核裝配時手感，若滑動力過大，則不便于裝配。若滑動力過小，則滑動副存在間隙風險。該間隙會影響汽車轉向手感，駕駛員轉動方向盤時引發(fā)扭矩突變，產(chǎn)生撞擊產(chǎn)生噪音，影響汽車的安全性與穩(wěn)定性。所以滑動力要求受控在一定的范圍。

將中間軸一端節(jié)叉固定于試驗臺架，另一端節(jié)叉通過專用工裝接驅(qū)動，驅(qū)動端搭載力傳感器和位移傳感器。測試過程中沿中間軸軸向施加載荷，記錄中間軸滑動行程和滑動力。

3.3 中間軸疲勞測試（圖7）：

轉向系統(tǒng)零件的裂紋及斷裂，會造成功能失效，疲勞是其主要損壞形式。在實際使用過程中，由于負載和速度的不斷改變，零件在較長的時間內(nèi)因為交變載荷的作用，性能變壞，甚至產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。中間軸屬于汽車安保件，其疲勞強度一定要受控于一定范圍。在前期產(chǎn)品開發(fā)階段，通過模擬在實際汽車使用中的路譜及整車負載，用于評估中間軸的使用壽命。

將中間軸總成按照整車安裝角度固定在疲勞試驗臺上，中間軸上節(jié)叉使用對應的管柱輸出軸固定于伺服驅(qū)動，下節(jié)叉使用轉向機對應的輸入軸固定。緊固螺栓使用裝車螺栓，且力矩按照產(chǎn)品定義執(zhí)行，并進行試驗前后力矩記錄。中間軸尾端模擬整車負載，由伺服驅(qū)動，動態(tài)加載，共計N個循環(huán)（模擬整車壽命）。疲勞后完成中間軸的剛度，間隙，滑動力等功能測試，觀察有無裂紋和斷裂現(xiàn)象，有無異常噪音等情況。

3.4 中間軸滑動耐久測試（圖8）：

在汽車行駛壞路的過程中，由于路面的沖擊，整車的顛簸彈性會導致中間軸滑動副管軸配合部位產(chǎn)生軸向位移，即發(fā)生相對滑動摩擦運動，由靜摩擦轉換成動摩擦瞬時產(chǎn)生力矩跌落現(xiàn)象，嚴重時產(chǎn)生噪音。影響整車操縱舒適性。在產(chǎn)品開發(fā)階段，將中間軸滑動時，滑動副部位力矩跌落現(xiàn)象控制在一定范圍。

將中間軸以直線位置固定于試驗臺架，調(diào)整中間軸長度處于名義位置（整車安裝時距離）?；瑒虞S擺動節(jié)叉剛性固定，滑動管總成接伺服驅(qū)動。對中間軸加載一定扭矩，振幅為常為±1mm，頻率10～20Hz，循環(huán)N次（不同產(chǎn)品結構要求不同）。疲勞前后進行加載扭矩時的滑動力測試，觀察滑動力矩跌落現(xiàn)象及有無異常噪音。

4 結束語

隨著汽車工業(yè)技術的發(fā)展，人們生活水平的提高。整車廠對轉向中間軸的試驗檢測標準要求也越來越苛刻。不僅要滿足外觀、幾何公差、強度、腐蝕性和可靠性等傳統(tǒng)方面的要求，對于整車舒適性，產(chǎn)品在整車受載狀態(tài)的NVH表現(xiàn)也越來越關注。在產(chǎn)品投入市場前期，要進行充分的臺架試驗驗證和整車路試。本文介紹了幾項常規(guī)的z轉向中間軸開發(fā)試驗檢測項目，與大家分享轉向中間軸開發(fā)臺架試驗設計，歡迎同行共同討論。目的是加深讀者了解產(chǎn)品結構性能，轉向系統(tǒng)各部件傳動關系，檢驗其功能及可靠性是否與設計相符。在保證產(chǎn)品安全前提下，進行產(chǎn)品結構及性能優(yōu)化。

參考文獻：

[1]QC/T649-2000汽車轉向傳動軸總成性能要求及試驗方法.

作者簡介：田雙鵬：男，博世華域轉向系統(tǒng)（煙臺）有限公司研發(fā)試驗工程師。在技術成果方面，先后取得四項國家專利，完成十余項轉向系統(tǒng)試驗設計及持續(xù)改善項目。