汽車液壓動力轉向器測試系統的加載方法

何志鋒，姜 濤

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

汽車液壓動力轉向器測試系統的加載方法

何志鋒，姜 濤

(長春理工大學 機電工程學院，長春 130022)

主要內容是介紹汽車液壓動力轉向器性能試驗系統中兩種常見的加載方式，機械加載方式和液壓加載方式。首先對機械加載方式的原理進行驗證，并通過計算確定機械加載的板簧的尺寸;然后對液壓加載方式進行分析，確定液壓加載的結構設計，同時設計液壓加載方式的一些輔助結構。最后，分析各種加載方式的優缺點，選擇一種優良的加載方式，以使整個性能試驗系統實現了自動化程度高，測試精度高。

動力轉向器;加載方式;試驗系統

1 機械加載

機械加載是通過分析轉向器的工作原理和受力情況，采用鋼板彈簧模擬汽車在行駛過程中受到的阻力，然后對轉向器進行試驗分析的一種加載方式。

1.1 機械加載的原理

根據汽車在轉彎時的受力分析得如下公式［2］:

公式中:

Mr—— 阻力矩

G1——前軸的負載，單位為N

a——車輪的轉臂，單位為mm

μ——汽車輪胎與地面華東的摩擦系數

β——主銷的內傾角，一般取5°～8°

α——汽車轉向時內輪轉角(-90°≤α≤90°)

根據上述公式可知，在選定一種車型時，G1，a，μ和β都是確定的常數所以Mr與α將是呈正弦關系，如圖1所示且在α在±45°附近Mr隨α近似的為直線變化。

板簧的加載方式如圖2所示，由圖2可知鋼板彈簧的的受力分析如圖3所示，根據材料力學知識我們可以得到其端部受力P和鋼板彈簧轉角的關系有如下公式:

圖1 阻力矩與內輪轉角的關系

式中:M——汽車轉向器的輸出扭矩也即板簧的阻力矩

P——板簧的端部受的力

E——板簧材料的彈性模量

I——板簧的慣性矩

θ——板簧端部的偏轉角

L——板簧的有效長度

圖2 機械加載原理圖

圖3 板簧受力分析圖

1.2 確定板簧的尺寸

不同的轉向器的測試性能參數不同，所以板簧的尺寸選擇不同。根據圖4的加載原理可知板簧和連桿在測試時運動軌跡如圖5所示，A、B分別為板簧和轉向器搖臂末端，AB為一剛性連桿，AC為板簧長度L，BD為搖臂長度R，A、B兩點擺動時掃過的弧長近似相等，即:Lδ≈Rα，對于轉向器α與R為定值則δ=(Rα/L)°由圖6可知板簧的端部最大變形量為Ymax

圖4 板簧阻力矩與板簧偏角關系

圖5 板簧和連桿的運動軌跡

因為δ=(Rα/L)°所以有:

板簧橫截受到的最大正應力在節點為:

［σ］是板簧最大變形時許用應力，汽車鋼板彈簧的［σ］推薦值為定值。由(6)、(7)式且I=bh3/12得如下方程組:

如果選定轉向器，則轉向器輸出最大扭矩Mmax為定值，那么最大的加載力P=Mmax/R，可知上訴方程組只剩下b，h和L三個未知的參數，而這三個未知參數都是板簧的基本尺寸。所以可以查板簧的標準尺寸然后選擇一組參數，選定L，如果b和h是整數直接代入上述方程組，如果不是整數，就先圓整然后代入方程組中的一個式子，得到L的值，然后代入另一個式子驗證合理性。最終確定板簧的基本尺寸。計算得出的L是做轉向器的磨損試驗的尺寸。

動力轉向器性能試驗要求加載力矩較小，其中功能試驗要求力矩最大為轉向器最大輸出力矩的1/3。將P=Mmax/(3*R)代入方程組，用同樣的方法求出板簧尺寸。

圖6 板簧撓度

動力轉向器性能試驗中另一項需加載的試驗是回正能力試驗，要求回正力矩是最大輸出力矩的8%。根據M=8%*Mmax代入上述方程，可得出板簧尺寸。

2 液壓加載

2.1 液壓加載原理

如圖7所示，伺服電機啟動后經過諧波齒輪減速，然后通過聯軸器連接扭矩傳感器和增量式角度編碼器，再與動力轉向器連接，將伺服電機帶動的齒輪的旋轉運動轉換為齒條的水平方向的移動力輸出，在轉向器的輸出端，用液壓控制系統連接連桿機構用來加載和固定;并且在液壓缸與動力轉向器之間安裝拉壓力傳感器和位移傳感器，這樣我們就可以控制對輸出端的加載值，從而對系統進行準確加載。并且在轉向器的進油口有一個油壓傳感器，用來檢測液壓系統的油壓;在輸出端需要安裝流量計用來檢測內泄漏量［4］。

圖7 液壓加載的整體結構圖

2.2 輔助設計

2.2.1 試驗基礎平臺

試驗基礎平臺是測試系統基本臺架，需要將相應的夾具安裝在試驗的基礎臺架上，基礎臺架具有橫縱向移動的特性，這樣設計的作用是為了調整支座的高度以方便自動安裝不同類型的轉向器。

2.2.2 夾具設計

在這個測試系統中，可以完成不同型號的動力轉向器的檢測，由于其安裝尺寸有很大的不同，因此要做一些典型的夾具，可以稍微調整就能適應不同的轉向器的裝夾。所以液壓加載方式是。首先，將需要測試的產品放在試驗臺的兩個平行的V型塊上，先進行定位，然后通過兩端的夾緊油缸運動，使轉向器的兩端進入液壓夾緊套中夾緊，從而得到準確的定位。如果換成不同的型號，我們只需要將V型塊和夾緊套換成相應的型號就可以實現對更換后的轉向器進行裝夾。

2.2.3 加載連桿裝置

在轉向器的輸出的兩端都加上了加載裝置，但是整個加載液壓系統比較龐大，所以分布在齒條的兩側，所以中間需要通過加力連桿裝置用來傳遞加載力。因為連桿式剛性連接的額，并且它們離中心的軸長相同，這樣就保證了液壓缸加載到連桿的力和連桿加載在齒條兩端的力相同，這樣的裝置使試驗臺的整體布局得到了很大的優化［5］。

加載連桿的液壓系統原理如圖8所示，伺服油缸在實驗過程中，通過程序控制比例閥可以為轉向器提供變載，變速等各種實驗條件;通過零泄漏單向閥來為產品提供剛性的固定，保證轉向器無軸向串動。

圖8 液壓系統原理圖

3 結語

通過分析上述兩種加載方式我們可知，機械加載的優點是直觀，整個系統工作可靠，能實現變載荷加載;但是其缺點也很明顯，調節起來不方便，通用性差，不能模擬轉向傳動機構以及輪胎與地面的摩擦，并且制約條件也很多。液壓加載的優點是調節方便，調節范圍大，并且液壓元件都是標準件，便于生產;缺點是需要的元件數量多，結構相對復雜。

［1］沈順成，余敏.汽車液壓動力轉向器測試系統［J］.汽車科技，2005(1):22-24.

［2］蔣向東.轉向器臺架試驗加載方法探討［J］.重型汽車，1999(3):13-15.

［3］高軍.汽車動力轉向器性能測試技術與系統開發［D］.大連:大連理工大學，2005.

［4］何虹儒.汽車液壓動力轉向器特性分析及檢測系統實現［D］.杭州:浙江大學，2008.

［5］苗立東.汽車液壓助力轉向器試驗臺的研制［D］.鎮江:江蘇大學，2002.

Loading Method for Testing System of Auto Hydraulic Power Steering Gear

HE Zhi-feng，JIANG Tao
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper mainly introduces two common loading modes，mechanical mode and hydraulic mode，in the performance testing system of auto hydraulic power steering gear.Firstly，it validates the principle of mechanical loading and determines the size of plate spring by calculation.Secondly，it analyzes the hydraulic loading mode and confirms the structure design，and at the same time，designs some auxiliary structures.Thirdly，it analyzes the advantages and disadvantages of all kinds of loading modes and chooses a good one to make the entire performance testing system realize the high automation and high testing precision.

power steering gear;loading method;testing system

U463.43

A

1009-3907(2013)12-1572-04

2013-09-04

何志鋒(1988-)，男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事機電系統控制與技術方面研究。

姜濤(1969-)，男，山西大同人，研究員，博士，主要從事光電在線檢測技術方面的研究。

責任編輯:

吳旭云