汽車轉向外拉桿總成環(huán)境疲勞試驗臺測控系統(tǒng)的研制*

衛(wèi) 斌 ， 衛(wèi)鵬斌 ，劉榮升 ，崔鵬偉 ，宋俊嶺

（1.鄭州交通技師學院實訓中心，河南 鄭州 450016；2.河南工學院智能工程學院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

汽車轉向外拉桿總成是汽車轉向系統(tǒng)中的重要零件，它直接影響著汽車操縱的穩(wěn)定性、運行的安全性等[1-4]。因此，外拉桿總成新產(chǎn)品在量產(chǎn)之前必須進行環(huán)境疲勞性能的試驗。針對目前國內(nèi)相關試驗臺存在著機械傳動結構復雜、試驗參數(shù)通用性差以及自動化水平較低等問題，課題組研制了一種汽車轉向外拉桿總成環(huán)境疲勞試驗臺，采用了研華610L 工控機作為上位機，南京環(huán)科公司溫控箱為試件提供高低溫及濕度環(huán)境，以三菱Q03UDE 型PLC 作為下位機，通過J4-200B 驅動器控制伺服電機旋轉實現(xiàn)試件的轉動與擺動，研華1784U 數(shù)據(jù)采集卡采集轉動與擺動信息并反饋給上位機。實踐表明，本試驗臺具有機械傳動結構簡單、試驗參數(shù)通用性強以及自動化水平較高等特點。

1 外拉桿運動情況分析及試驗臺參數(shù)

1.1 外拉桿運動情況分析

汽車轉向球頭拉桿由內(nèi)拉桿總成和外拉桿總成兩部分組成，分別由防塵罩、球銷套、球銷、球銷座等零件組成[5-6]，本試驗臺針對外拉桿總成進行測試，外拉桿總成的主要運動情況如圖1 所示，包括一個旋轉運動以及一個擺角運動。當車輛轉向時，轉向器齒條推（拉）動轉向輪將使外拉桿總成軸向受到±F的力，轉向梯形角度變化將使球頭銷產(chǎn)生速度為±V的回轉運動，車輪的上下跳動將使球頭銷產(chǎn)生角度為±S的擺動[7-10]。

圖1 外拉桿總成運動示意圖

1.2 試驗臺參數(shù)

參照QC/T 648—2015《汽車轉向拉桿總成性能要求及臺架試驗方法》[11]，同時結合企業(yè)自身對試驗的要求，確定試驗項目為以下三點：常溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）、高溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）以及低溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）。主要參數(shù)確定如下：

1）擺動角度范圍：±40°，頻率范圍：0~6 Hz；

2）轉動角度范圍：±50°，頻率范圍：0~5 Hz；

3）溫度：-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動度±2 ℃、升降溫速率0.7 ℃/min~2 ℃/min；

4）可同時搭載工件數(shù)量：6；工件長度：7 0 mm~300 mm；其中三件為一組，每組分別獨立控制。

2 試驗臺測控系統(tǒng)整體方案設計

根據(jù)試驗臺的試驗參數(shù)要求，試驗臺需要具備如下功能：可以產(chǎn)生高低溫及濕度變化的環(huán)境箱，兩組使試件產(chǎn)生轉動的運動以及兩組使試件產(chǎn)生擺動的運動。因此，試驗臺測控系統(tǒng)的整體方案設計如圖2所示。

圖2 試驗臺測控系統(tǒng)整體方案設計

該系統(tǒng)的工作原理：工控機作為上位機，在整個系統(tǒng)中起到了重要作用。用戶可以通過鍵盤、鼠標與工控機進行信息交互，工控機可以通過MODBUSTCP 協(xié)議向環(huán)境箱發(fā)送相應的指令，使得環(huán)境箱可以按照規(guī)定的溫度、濕度和一定的時間運行，同時環(huán)境箱也可將當前的溫濕度等信息反饋給工控機；工控機可以通過OPC 通信的方式與下位機PLC 交互信息，工控機可以給PLC 發(fā)送指令，PLC 通過4 臺伺服驅動器帶動4 臺伺服電機完成2 組轉動以及2 組擺動的運動，PLC 也可以給工控機發(fā)送轉動、擺動次數(shù)等信息；伺服電機內(nèi)置的編碼器經(jīng)過伺服驅動器的分頻口將編碼器的信息反饋給采集卡，采集卡再將轉動、擺動信號發(fā)送給工控機，工控機將其處理后顯示在顯示器上，從而完成整個測控系統(tǒng)的信息交互。

3 測控系統(tǒng)硬件設計

3.1 工控機

工控機選擇行業(yè)主流研華的IPC-610L-250W，其主要參數(shù)如下：處理器為I7-2600（CORE 3.4 G）、8 G內(nèi)存、2 T 硬盤（含1 T 備用硬盤）。其通信接口主要有485 串行接口、2 個以太網(wǎng)接口、3 個PCI 插槽以及1個PCIe插槽等。

3.2 環(huán)境箱

環(huán)境箱采用了南京環(huán)科公司定制生產(chǎn)的溫控箱，其主要參數(shù)如下：溫度范圍-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動度±1 ℃、升降溫速率1 ℃/min。該參數(shù)滿足試驗要求。同時，該溫控箱集成6 個單獨控制的噴泥水裝置，可以通過開關控制啟停，流量控制可以通過手動控制節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)。

3.3 PLC

PLC 選擇了三菱Q 系列中的Q03UDE，該型號CPU 運算速度快，具有1 個以太網(wǎng)接口，方便與工控機進行通信。同時，配備了D77MS4 簡單運動控制模塊，可以用于對伺服電機進行精確的定位控制，它采用SSCNET III/H(Servo System Control NETwork)與伺服驅動器連接，具有通信速度快、減少配線、降低干擾等優(yōu)點。

3.4 伺服驅動器

伺服驅動器選擇的是三菱J4-200B，該伺服驅動器具有響應時間快等特點，并且它可以方便地與D77MS4通過SSCNET III/H線纜連接，降低外界干擾。

3.5 伺服電機

伺服電機選擇的是三菱HG-SR152J，額定功率是1.5 kW，額定轉速為2 000 r/min，自帶了絕對位置、增量共用的22 位編碼器，每轉的分辨率為4 194 304 pulse/rev。伺服減速機采用的是紐氏達特，減速比為5.5。

該部分國內(nèi)其他試驗臺采用的較多為普通電機+減速器+四連桿機構+工裝方式產(chǎn)生旋轉和擺動，而本文采用了伺服電機+減速器+工裝帶動試件產(chǎn)生擺動或者旋轉，減少了四連桿結構，簡化了傳動裝置。

3.6 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選擇的是研華1784U，該采集卡是基于PCI 總線的4 軸正交編碼器和計數(shù)器，具有4 個32-bit 正交AB 相編碼計數(shù)器，最大正交輸入頻率為2 MHz，支持單端或者差分輸入，每個編碼周期可以×1、×2、×4 計數(shù)，配備了PCL-10137H 屏蔽電纜，有效減少了來自其他信號源的串擾和噪聲。其中一路信號與伺服驅動器J4-200B 的CN3 分頻口輸出的差分信號連接圖如圖3所示。

圖3 伺服驅動器分頻口與1784U連接圖

3.7 系統(tǒng)電氣原理

系統(tǒng)電氣原理圖如圖4 所示，三相電380 V 經(jīng)過斷路器、伺服電子變壓器與J4-200B 伺服驅動器相連，驅動器與伺服電機相連?？刂菩盘柮}沖通過D77MS4 簡單運動控制模塊經(jīng)過SSCNET III/H 總線依次與4 個伺服電機連接，伺服電機編碼器信號反饋到J4-200B的CN2口。

圖4 系統(tǒng)電氣原理圖

4 測控系統(tǒng)軟件設計

軟件系統(tǒng)是在美國NI 公司的LabVIEW 軟件上進行二次開發(fā)，LabVIEW 軟件在測試、測控領域應用廣泛，并且它是以圖形符號為主的編程語言，因此易于學習，上手快，縮短了程序的開發(fā)周期。測控系統(tǒng)軟件的主界面如圖5 所示，該界面主要包括7個部分。

圖5 測控系統(tǒng)軟件主界面

第1 部分菜單欄，具有配置試驗參數(shù)、數(shù)據(jù)處理、生成報表等功能。配置的試驗參數(shù)如轉動角、擺動角，可以在給定的范圍任意設置而無需改變機械傳動機構，試驗參數(shù)配置通用性強，而國內(nèi)其他的試驗臺由于傳動機構加了四連桿機構，要使試件產(chǎn)生指定的擺動和轉動角，通常也需要調(diào)整傳動機械結構，試驗參數(shù)配置通用性弱。第2 部分控制按鈕，具有啟停試驗、保存數(shù)據(jù)、手動自動切換等功能。第3 部分曲線的顯示部分，最多可以顯示出12 種不同的曲線，包括1 組擺動角、1 組轉動角、2 組擺動角、2 組轉動角、溫度、濕度、流量1、流量2、流量3、流量4、流量5 以及流量6。第4 部分是顯示部分，包括項目名稱、測試已用時間等。第5 部分也是顯示部分，主要顯示三層程序嵌套循環(huán)對應的狀態(tài)。第6 部分主要顯示數(shù)據(jù)記錄中的一些狀態(tài)等參數(shù)。第7 部分是運行狀態(tài)的指示燈。

上位機軟件程序設計流程圖如圖6 所示。

圖6 上位機軟件程序設計流程圖

5 測試及分析

對外拉桿進行測試，試驗給定條件是：1 組擺動角為±20°、頻率為1 Hz，1 組轉動角為±40°、頻率為0.4 Hz；2 組擺動角、轉動角均為0；溫控箱溫度為20℃，噴泥水閥1~3 打開，噴泥水閥4~6 關閉。測控系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)以圖表的形式進行顯示，如圖7所示。

圖7 測試曲線

試驗結果表明，1 組擺動角是按照±20°并以頻率為1 Hz的速度均勻擺動，1組轉動角按照±40°并以頻率為0.4 Hz的速度均勻擺動，均呈現(xiàn)近似三角波的形式，2 組擺動角、轉動角均未轉動；溫度實時采集值為19.9 ℃，在溫控箱的波動范圍內(nèi)，1~3 號噴泥水閥均打開，流量實時顯示為6.7 L/min，4~6 號噴泥水閥關閉。結果表明，該測控系統(tǒng)滿足試驗要求。

6 結論

針對當前國內(nèi)同類試驗臺存在的機械傳動結構復雜、試驗參數(shù)通用性差以及自動化水平較低等問題，課題組設計了一種全新的汽車轉向外拉桿總成環(huán)境疲勞試驗臺，取消了機械傳動的四連桿運動機構，同時設計了全新的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有試驗參數(shù)通用性強、自動化水平高等特點。實踐表明，本試驗臺測控系統(tǒng)能夠滿足試驗要求，并可以為國內(nèi)相關同類產(chǎn)品提供一定的技術參考。