循環球式動力轉向器沖擊試驗設計

伍穎，崔貴彪，郭龍飛

(中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074)

轉向器是轉向系中最重要的部件，其作用是增大轉向盤傳到轉向傳動機構的力和改變力的傳遞方向。循環球式轉向器傳動效率高，操縱輕便，機械磨損小，使用壽命長，是目前國內外應用最廣泛的結構型式之一。據了解，在全世界范圍內，汽車循環球式轉向器占45%左右，有繼續發展之勢［1］。如日系公共汽車中使用循環球式轉向器的比重，由20世紀60年代占總數的62.5%發展到現今的100%，大、小型貨車中也大都采用循環球式轉向器，微型貨車用循環球式轉向器占65%。隨著車速的提高，汽車對轉向穩定性有更高的要求，循環球式動力轉向器沖擊試驗旨在測試轉向器對沖擊負荷的抵抗能力。

1 循環球式動力轉向器的結構與機制

循環球式轉向器主要由扭桿、螺母、轉向控制閥以及許多小鋼球等部件組成，循環球式動力轉向器是在循環球式機械轉向器的基礎上增加轉向助力裝置［2－3］，其主要結構如圖 1 所示。

汽車轉向器工作時主要受力偶扭轉作用。循環球動力轉向器利用放置于螺母與螺桿之間密閉管路內循環往復滾動的小鋼球，將螺母螺桿之間的滑動摩擦轉變為阻力較小的滾動摩擦，當與方向盤轉向管柱固定到一起的螺桿轉動起來后，螺桿推動螺母上下運動，螺母再通過齒輪來驅動轉向搖臂往復搖動從而實現轉向。同時，原有轉向螺母作為轉向油缸的活塞，將轉向器內部分成了兩個獨立的液壓油腔。當駕駛員轉動方向盤時，轉向控制閥移動到相應的位置，從而使兩個獨立液壓油腔的一腔成為高壓油腔，另一腔成為低壓油腔，形成差壓推動轉向活塞，輔助駕駛員轉向［4］。

圖1 循環球式動力轉向器結構組成

2 試驗系統

由于試驗測量要求精度較高，常規試驗設備無法滿足轉向器沖擊載荷要求。為確保試驗順利且準確地進行，該沖擊試驗設計在電液伺服材料試驗系統INSTRON 1251上完成。

2.1 試驗機構

試驗機由液壓動力源、主機 (負荷機架)和電氣控制臺組成。

液壓動力源主要由油箱、電機、高壓油泵、濾油器及控制閥管路等組成，是向主機提供液壓動力的裝置。

主機由工作臺、橫梁、作動器和夾具等組成，其載荷傳感器為±300 kN，是對轉向器進行加載的系統。

電氣控制臺是試驗機的核心部分，提供邏輯控制和模擬控制，對試驗參數進行測量、顯示、處理和記錄［5］。

電液伺服材料試驗機通過試驗助手5.1與工控機連接，實現工控機對液壓動力源的控制［6－7］，從而完成作動器的拉伸與壓縮動作，并完成對試驗的監測和數據的采集工作。

2.2 試驗操作

沖擊試驗操作界面包括控制界面與監測界面，如圖2所示，主要有4個主要部分:試驗助手5.1、活塞控制面板、數字電壓表、雙蹤數字示波器。

圖2 沖擊試驗控制與監測界面

各部分的主要功能如下:

(1)試驗助手5.1是試驗運行的總程序，反映整個試驗過程中液壓源的工作狀態，每個試驗設備的液壓伺服多路器的工作狀態，函數發生器的工作狀態、控制模式;

(2)活塞控面板是試驗過程中的主控制設備，可以控制液壓源啟動與關閉，實現液壓源高壓工作與低壓工作的切換;向各個電液伺服閥發出控制指令，實現作動器的拉伸與壓縮控制;

(3)數字電壓表是試驗過程中的顯示設備，能夠實時顯示試驗數據，在試驗過程中，對試驗的位移或載荷的當前值與峰谷值進行全程監測;

(4)雙蹤數字示波器動態顯示試驗數據隨時間的變化曲線，提供指令信號與反饋信號的實時波形，直觀地反映當前試驗的工作效果。

3 試驗參數

3.1 試驗條件

在沒有特殊指定條件下，限制輸入軸的轉動按以下條件進行試驗:

油溫:(95±5)℃ (如果沒有特殊指定);

液壓油:MS9602(或經過批準的同類型的液壓油)，滿足其工作介質需要。

3.2 試驗要求

(1)6臺轉向器，每個方向先施加沖擊載荷4次后，轉向器外觀應無異常 (無泄漏、裂紋等)。重復性能試驗，試驗結果應滿足要求;

(2)每個方向在施加沖擊載荷6次后，重復性能測試;

(3)隨機抽取3臺，拆檢;

(4)另外3臺按以下條件繼續試驗至失效:每沖擊20次 (每邊各 10次)，載荷增加 4 680 N(46 800 N×10%)。

3.3 加載控制

在垂臂末端球頭處施加沖擊載荷 (46 800±2 500)N，按照圖3三角波波形曲線進行循環加載。

圖3 三角波波形加載曲線

4 試驗設計

4.1 工裝夾具設計

循環球式動力轉向器夾持采用鋼板螺栓預緊［8］，將轉向器通過螺栓鎖緊至鋼板橫梁，底板通過螺栓與法蘭盤鎖緊至試驗臺面，沖擊試驗固定板件實物設計見圖4。

4.2 總成安裝設計

根據試驗系統INSTRON 1251結構，循環球動力轉向器總成沖擊試驗設計圖見圖5，其中垂臂末端連接作動器，固定板件螺栓鎖緊至鋼板橫梁，轉向器螺栓連接固定板件，輸入軸由限位孔固定。

圖5 轉向器總成試驗設計圖

5 試驗結果分析

按照試驗要求進行試驗，試驗過程中對各參數情況進行實時記錄，得到的載荷曲線如圖6所示，載荷反饋信號曲線與理論曲線吻合。

圖6 載荷曲線

對汽車轉向器每做一個應力水平的沖擊試驗，監測試驗參數和查看轉向器外觀，記錄試驗失效數據，如表1所示。壓應力失效均值為77.3 kN，標準差為3.08，拉應力失效均值為77.1 kN，標準差為3.38，沖擊試驗失效載荷與預期試驗結果相符。

表1 轉向器沖擊試驗失效載荷 kN

6 結論

(1)循環球式動力轉向器沖擊試驗工裝夾具及總成安裝設計滿足穩定性要求，能夠達到試驗標準;

(2)電液伺服材料試驗機INSTRON 1251系統結合輔助軟件試驗助手5.1，能夠實現對電液伺服材料試驗系統的控制、循環球式動力轉向器沖擊試驗監測和數據采集。

［1］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，2006.

［2］王愛榮.汽車循環球動力轉向器研發［D］.荊州:長江大學，2012.

［3］畢大寧，康富生，馬慧.循環球電動轉向器的研制［J］.汽車零部件，2012(1):52 －55，59.

［4］孫楠.電液伺服動態試驗機控制系統設計及實驗研究［D］.長春:吉林大學，2012.

［5］衛大朋.靜態電液伺服試驗機測控軟件控制命令系統的探討［J］.工程與試驗，2009(S1):64－66.

［6］王小立，周瑞平.基于CAD/CAE的汽車動力轉向器可靠性分析［J］.汽車科技，2008(4):23－26.

［7］程海林，趙武，吳軍.基于工控機的汽車轉向器扭轉性能試驗臺研制［J］.工業控制計算機，2007(3):40－41.

［8］秦全權，劉旌揚，郝金良.汽車液壓動力轉向器臺架試驗方法研究［J］.汽車技術，2009(7):40－43.