多通道汽車轉向系統試驗臺設計及應用

王堯 田金 馮清明

（北京博科測試系統股份有限公司 101102)

多通道汽車轉向系統試驗臺設計及應用

王堯 田金 馮清明

（北京博科測試系統股份有限公司 101102)

在汽車零部件測試領域，因轉向系統復雜，試件差異大，安裝靈活度高，導致轉向試驗臺設計制造及控制測試難度較大。轉向試驗臺作為一個機電復合產品，需要較高的機械設計及控制技術水平。現有的一些試驗臺大多功能單一，應用范圍窄，通道數量少，無法復現車輛行駛過程中的復雜工況。本文所介紹的多通道汽車轉向系統試驗臺，可以模擬車輛在行進過程中的轉向盤激勵，以及可左、右輪獨立輸入的路面激勵與轉向激勵，進而模擬轉向器的多種工作狀態。

轉向系統試驗；三分力傳感器；伺服液壓；汽車測試

1 汽車轉向系統基本結構

用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉向系統。其功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行進方向。汽車轉向系統對汽車的行駛安全至關重要，必須重視其可靠性和耐久性[1]。

汽車轉向系統分為兩大類，機械轉向系統與助力轉向系統。機械轉向系統以駕駛員的手動扭轉轉向盤作為轉向輸入，通過機械傳動完成車輛轉向。助力轉向系統是將駕駛員手動輸入信號放大，借助其他能源如電能、液壓能等其他能源完成轉向動作，減輕駕駛員負擔。

一般的電助力轉向系統由轉向盤、轉向管柱、助力電機、齒輪齒條轉向器、橫拉桿和扭矩傳感器等組成（圖1）。

圖1 電助力轉向系統結構

當汽車轉向時，駕駛員對轉向盤施加一個轉向力矩。該力矩通過轉向管柱輸入轉向器，在此過程中，扭矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及扭矩的大小，將電信號傳遞到ECU，ECU則根據扭矩傳感器檢測到的扭矩大小、轉動方向和車速信號等，向助力電機控制器發出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力扭矩，從而輔助完成轉向動作[2]。

2 汽車轉向系統試驗現狀

隨著汽車工業的發展，轉向系統試驗經歷了整車搭載道路耐久試驗，到傳統臺架耐久試驗，再到道路模擬耐久試驗三個階段的發展。

整車搭載耐久試驗指的是真實車輛在試車場進行實際路測，通過試驗為汽車研發工程師提供了寶貴的設計更改依據。這種試驗的優點是最接近用戶的實際使用情況，能真實的反映出轉向系統零部件總成的實際疲勞壽命情況。但缺點是試驗周期長、費用高、因此在新車型開發中就限制了這個試驗手段的使用。

到了20世紀60年代，出現了室內臺架模擬試驗。即將轉向系統安裝于試驗臺架上，利用液壓伺服系統對零部件按規定的載荷進行加載。加載波形一般為正弦波、方波或者三角波，頻率固定。其優點是能夠節省試驗周期、試驗費用相對較低，有針對性的進行轉向系統的零部件疲勞耐久試驗。但缺點是傳統的臺架耐久試驗很難模擬出整車在實際行駛中轉向系統零部件所受到的動態激勵，這種動態激勵是隨著時域在不停 產生變化的，其頻率、幅值都是變化的。所以傳統的臺架耐久試驗缺點在于試驗的真實還原性較差。

為了既能節省開發周期與成本，又能更準確的達到最真實的反映零部件的疲勞壽命情況，衍生出了道路模擬耐久試驗。在室內進行汽車零部件道路模擬試驗，可以排除氣候等因素的影響，大大地縮短試驗周期和節約資金，并且試驗的可控性好，試驗結果的重復性強、精度高，便于對比，使汽車零部件的開發周期縮短，具有重要的汽車工程應用價值。轉向系統道路模擬耐久試驗的核心就是時域波形復現。時域波形復現就是在時域內復現汽車道路行駛時所承受的載荷波形。從理論上講，它是最為“精確”的模擬試驗。

3 多通道汽車轉向系統試驗臺機械結構

多通道轉向系統試驗臺，用于耐久和性能試驗。需要試驗臺具有堅固的機械架構、穩定的液壓伺服執行機構、精確的儀表和傳感系統，以及功能強大的數字控制系統和軟件。為了滿足安全標準，轉向系統的操作必須可靠，因此測試其在實際工況下的工作能力是極為重要的。此外，還需要試驗系統必須具有足夠的靈活性，以適應不同試件的安裝狀態。

多通道汽車轉向系統試驗臺具有模擬轉向系統實際工況的能力，可模擬以下3種激勵。

(1)路面激勵（左、右輪獨立輸入），汽車在行駛過程中，由于路面顛簸導致車輪上下振動，傳遞到轉向橫拉桿部分的豎向位移。

(2)轉向激勵（左、右獨立輸入），汽車在轉向過程中，由轉向器輸入的驅動力及受到的阻力。

(3)轉向盤激勵，駕駛員通過轉向盤輸入的扭矩。

轉向激勵由伺服液壓缸施加，一般情況下為力載荷或位移載荷。轉向激勵通過一個旋轉臂施加，以精確地再現轉向拉桿和節臂的空間幾何關系，同時節省了工作空間，為安裝環境倉預留了更大的空間。豎直方向的液壓缸可以模擬路面激勵，同時由活塞桿作為可旋轉軸。

設備總體占地面積為3.5 m×3 m，包括一下幾部分。

(1)中心框架，用于安裝豎向調整支架、轉向器和轉向系統支架。

(2)兩個外側框架用于安裝路面激勵及轉向激勵液壓缸，提供橫拉桿接頭道路和轉向輸入。水平液壓缸與轉向系統試件基本處于同一個平面，方便斷開垂直與水平液壓缸，使試驗臺的配置更加靈活。轉向系統試驗臺可以方便地轉化為1通道、2通道、3通道、4通道或5通道的試驗臺。

(3)轉向器支撐框架，用于調整轉向器安裝位置。

(4)水平橫梁用于安裝夾具，以固定轉向管柱位置，安裝轉向盤激勵電機。

(5)電動調整地板，以適應不同車輛轉向器尺寸。采用手持控制器調整，到位后手動鎖緊。

圖2 多通道轉向系統試驗臺

為適應不同車型、不同形式的試件安裝尺寸及工作范圍，要求轉向系統試驗臺采用較方便的調整方法及較大的調整范圍。轉向系統試驗臺的各激勵位置調整范圍見表1、表2、表3。

表1 路面激勵調整范圍

表2 路面激勵調整范圍

表3 路面激勵調整范圍

圖3 機械框架調整范圍

4 伺服液壓缸工作原理

用于伺服測試的液壓缸不同于工程機械上所使用的功能缸，為保證試驗精度和測試數據準確，伺服測試設備對液壓缸的內部阻力、及動態性能有更苛刻的要求，通常情況下，液壓缸需要采用雙出桿設計，即等活塞面積雙作用缸，此外也需要配有雙端靜壓軸承，不僅可提高液壓缸的抗側載能力[3]，同時也可減小活塞桿的運動阻力。一般伺服液壓缸的出力范圍在±10～±5 000 kN，工作行程在±25～±500 mm之間。

4.1 液壓缸機械結構

一般的靜壓軸承液壓缸包括。鍍鉻活塞桿，為減小內部阻力，活塞部分無高壓密封圈，采用減壓槽設計，活塞外徑加工后與缸筒之間的間隙為單邊20～30 um。缸筒兩端加工螺紋安裝孔，用以安裝靜壓軸承。靜壓軸承采用高強度鋁合金，一般配有偶數個靜壓軸承工作面，在工作面區域通入高壓油，與活塞桿之間形成一層保護油膜，防止工作過程中存在金屬接觸，同時靜壓軸承工作面的高壓油膜提高了活塞桿抗側載的能力。

液壓緩沖設計也經常作為伺服液壓缸的標準配置，主要作用為在活塞運動接近靜壓軸承端面時，即行程末端，產生一段封閉油腔，防止活塞撞擊端面造成損壞。

靜壓軸承外端配有低壓密封圈，將部分靜壓軸承的泄露油通過泄露油孔導回到液壓缸內部，并經過泄露油管路返回油箱。

液壓缸筒上安裝有集成閥塊，可根據工況需求選配不同型號的伺服閥，如MOOG公司的G761系列伺服閥。伺服閥安裝在液壓缸周圍有助于減小工作油腔體積，進而提高液壓缸的共振頻率點，防止發生共振。

圖4 靜壓軸承液壓缸

4.2 伺服閥工作原理

伺服閥是伺服控制系統中比較重要的工作部件，是電控制信號和液壓信號的轉換裝置，其作用是將輸入的小功率電信號精確快速的轉換為大功率的液壓驅動能源，具有電信號傳遞快速準確、便于遠程控制的優點，同時也具有液壓系統高輸出力、高輸出功率的特點。伺服閥的這些特點使得其逐漸成為試驗模擬設備中的控制機構首選。

目前應用比較廣泛的有噴嘴擋板式伺服閥、射流管式伺服閥等。如圖5所示，為噴嘴擋板式伺服閥內部結構，力矩馬達帶動擋板，改變擋板與噴嘴間的距離，噴嘴擋板形成的壓力變化與固定節流口配合驅動控制閥芯，通過閥芯驅動反饋杠桿得到閥芯的位置信號反饋。

圖5 噴嘴擋板伺服閥

4.3 伺服液壓缸動態性能計算

伺服試驗設備的工作情況與一般液壓系統不同，經常需要考慮液壓缸的動態性能指標，主要包括液壓缸在當前配置狀態下所能達到的最大性能，通常情況下以正弦運動作為基本波形，在此基礎上描述液壓缸在不同工作頻率下的最大位移、最大速度以及最大加速度指標，來考量液壓缸的動態性能。一般采用對數坐標曲線來表示，如圖6所示。

簡要計算原理如下。

初步選定液壓缸的額定推力及伺服配置后，可對所選液壓缸規格進行驗算，將驗算結果同試驗需求進行比較，確認是否符合需求或需要調整配置。在一般系統中，液壓缸的運動阻力按照物理性質可分為加速度阻力、粘度阻力以及彈性阻力，阻力性質不同，計算方法存在一定差別。

圖6 液壓缸動態性能曲線

在所有的既定頻率點，需要不同的流量來驅動液壓缸完成正弦運動，所需要的液壓油流量包含以下幾個部分。

Qs: 活塞運動所需的液壓油流量，其數值等于液壓缸速度與活塞面積的乘積。

Cm: 驅動運動部件，活塞兩端產生一定的壓差，對液壓油造成壓縮后所需額外的流量。

Cvi: 克服粘度阻力，活塞兩端產生一定的壓差，對液壓油造成壓縮后所需額外的流量。

Csr: 克服彈簧阻力，活塞兩端產生一定的壓差，對液壓油造成壓縮后所需額外的流量。

此外還需計算液壓缸在高速運動時，總壓降和供油壓力之間的關系。

Pm: 驅動運動質量，活塞兩側所需的壓力差。

Pvi: 克服粘度阻力，活塞兩側所需的壓力差。

Psr: 克服彈性阻力，活塞兩側所需的壓力差。

其中

Pv為伺服閥壓降；Pd為活塞兩側總壓差；Qt為總流量。

Qv為伺服閥在不同頻率下的額定流量。

利用迭代方法計算Qt及Pt，分別與系統的總流量及供油壓力進行對比。當Qt及Pt任意一個值超過了系統最大值，則需要減小液壓缸的最大振幅，重新計算Qt及Pt，再次進行對比。重復此過程，直到得出滿足條件的Qt及Pt，即得出液壓缸在此頻率點的最大速度、最大加速度和最大振幅。

根據一般汽車零部件測試經驗，整車行駛方向最大加速度幅值約為3 g，側向加速度幅值為約2 g，垂直加速度幅值為約1 g，以此為參考，確定液壓缸推力大小及伺服閥配置。

5 轉向系統試驗及三分力傳感器應用

5.1 轉向系統常規試驗

轉向系統道路模擬耐久試驗一般過程是將轉向系統路譜數據（轉換成時域波形）導入轉向系統試驗設備，通過迭代，反推出驅動程序，進行道路模擬耐久試驗。實現轉向系統在臺架試驗中模擬出其在整車道路試驗中轉向系統各零部件所受激勵情況與疲勞損耗，使其試驗效果與道路試驗達到高度的一致性與同步性。其優勢包括以下4個方面。

(1)相比于傳統耐久試驗，其模擬精度高，能最大限度的等同于整車耐久試驗。

(2)能較好地代替整車道路試驗，有效的節約開發成本和縮短試驗周期。

(3)有大量的數據監控，能及時準確的發現試驗中的問題。

(4)某一車型只需采一次路譜，便可以更換不同廠家的零部件進行試驗，靈活性高。

轉向系統試驗臺所需要的驅動文件包含大量系統需要響應的時域信號，其生成過程分為以下兩階段。一階段，系統識別過程，計算系統驅動響應的傳遞函數。二階段，迭代過程，使用第一個過程計算的傳遞函數的反函數來創建一個系統驅動，該驅動將得到一個實際響應。

通過選擇驅動傳感器信號和測定的目標響應信號，用戶選擇輸入和輸出向量，通過這些向量最終計算出傳遞函數矩陣，也就是所謂的系統矩陣。

傳遞函數是一種數學模型，與系統的微分方程相對應，它是系統本身的一種屬性，與輸入量的大小和性質無關，因此可以在白噪聲識別階段，通過播放一個能量較小的隨機波形，即可得到可計算出系統傳遞函數的響應波形，從而進一步針對各種不同形式的目標波形反求出系統的輸入信號。

多次迭代后（次數無具體限制，相關性越好，且波形不復雜，次數較少），RMS值落入到目標值10%以內即可，此時對比目標波形與實際響應波形，基本一致。

一般來說，角度與位移的RMS值達到10%以內是比較容易的，力與扭矩的RMS值達到10%以內是較難的，特別是響應頻率越高，則越不容易達到。

5.2 三分力傳感器在轉向系統測試中的應用

力傳感器的工作原理一般是基于應變效應，即導體或半導體材料在外界力的作用下產生機械變形時，其電阻值會相應的發生變化，而變化的電阻值與形變量存在一定的線性關系，通過測量電阻值的變化就可以得知已發生的應變量，從而得知力的大小。將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其連接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。

三分力傳感器可以同時測量Fx、Fy和Fz三軸的力值，每軸量程為±22 kN，并可超載到±34 kN，采用2 mV/N的滿量程常規輸出，該傳感器具有一定的抗側載能力，即可一定程度上地將干擾扭矩隔離，使得單軸上的測量結果更為準確。

為適應更多使用情況，三分力傳感器可被設計成不同的安裝形式，如板式安裝、法蘭式安裝、軸向安裝等。在轉向系統測試中，拉桿的球銷既有上下的運動，也有左右的運動，因此三分力傳感器的安裝點被設計在豎直向作動器的頂端，并通過轉接搖臂，使得傳感器（球銷點）在進行上下運動的同時，可繞豎直向作動器完成轉動。

圖7 三分力傳感器安裝

根據三分力傳感器的安裝形式進行夾具設計，由L形蓋板、L形底座、鎖母、三分力傳感器和預緊螺栓組成（圖7）。L形蓋板、鎖母和預緊螺栓與傳感器形變部分連接，當轉向盤激勵輸入一定扭矩時，轉向拉桿（球銷）橫向帶動零件1，并將拉桿力經由三分力傳感器測量輸出。

在轉向系統試驗過程中使用三分力傳感器，簡化了試件安裝過程，縮短了試驗準備時間，提高了試驗效率，同時不必為了安裝力傳感器而破壞轉向拉桿，保證了試件的完整性。

[1]關文達.汽車構造.第四版.北京:機械工業出版社,2016.2.1.

[2]謝文和.傳感器及其應用.第一版.北京:高等教育出版社,2006.21-26.

[3]田道源.電液伺服閥技術.第一版.北京:航空工業出版社,2008.1.1.

U472.8文獻標示碼：A

王堯（1989—）男，機械工程師，本科，研究方向為伺服試驗設備設計與制造。

田金（1978—），汽車工程師，研究生，研究方向為伺服試驗設備設計與制造。

馮清明（1978—），電氣工程師，專科，研究方向為伺服試驗設備設計與制造。