汽車動力轉向器雙工位耐磨損實驗裝置的設計與實現

張春亞，李智，顧熊煒，吳景坤

（1.中華人民共和國武漢海關，湖北 武漢 430050；2.湖北中檢檢測有限公司，湖北 武漢 430056；3.荊州恒隆汽車技術（檢測）中心，湖北 荊州 434000；4.江漢大學機電與建筑工程學院，湖北 武漢 430056）

隨著汽車工業的迅速發展，汽車已成為人們生活中不可或缺的交通工具，動力轉向器是汽車行駛系統中的重要安全組成部分。汽車動力轉向器的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，同時也是決定汽車主動安全性的關鍵總成，其質量直接影響到汽車的穩定性、操縱性和可靠性。因此，國內外都有相應的標準對轉向系統的質量進行檢測和監測，轉向器生產廠也很注重對轉向器的測試系統的開發和應用。在測試系統的研制方面，國內外研制測試系統的目的基本上都是為了滿足產品質量檢測的需求研發出了形式各異、種類繁多的測試系統。對機械性能、疲勞等可靠性都有了成熟的研究，但對于磨損性能的研究相對較少。針對汽車動力轉向器的結構、性能等方式進行分析，依照《QC/T 529-2013 汽車液壓動力轉向器技術條件與試驗方法》與《QC/T 530-2000 汽車動力轉向器總成技術條件》標準，運用現代測試技術和實驗方法搭建—個準確、高效、穩定、低成本的汽車動力轉向器可靠性磨損試驗裝置，對轉向器進行實際車況模擬和磨損性能檢測，為汽車動力轉向器的批量化制造與生產質量安全提供技術支持。

1 系統原理與功能

汽車動力轉向器耐磨損實驗裝置系統采用液壓泵+伺服系統+機械力控制+數據采集和工控組件+溫度控制系統+扭矩控制等來達到轉向系統的綜合性能測試的要求，通過調節液壓系統的工作狀況，檢測元器件的各種參數性能。

1.1 設備原理

在汽車動力轉向器的輸入端連接旋轉動力源，驅動動力轉向器的輸入軸旋轉，同時在動力轉向器的助力油的輸入口和輸出口連接輸油管路，通過外置壓力源向動力轉向器的助力部分提供指定壓力的壓力油，通過改變動力轉向器的輸出軸端負載強度來實現帶負載狀態下定的壽命和性能測試。原理圖見圖1、2。

圖1

圖2

1.2 設備系統功能

系統具備實時監控數據、實時繪制曲線和檢測空載性能三大功能，從而完成汽車動力轉向器出廠前的可靠性磨損試驗，減小因服役壽命周期內的失效而導致交通安全事故的概率。（1）實時監控數據。動態觀測轉向器輸出端載荷、輸入端扭矩、輸入端轉速、系統壓力及試驗周次。其示值可以實時反饋油路供給瞬態、機械運轉瞬態及控制精度瞬態，同時也為試驗的緊急停鈕操作和快速啟動操作提供依據。（2）實時繪制曲線。智能繪制載荷—時間曲線、扭矩一時間曲線、油壓一時間曲線、載荷一角度曲線、扭矩一角度曲線和油壓一角度曲線。其圖形可以直觀反映任意二維量值間的瞬時對應關系及連續區間內這一對應關系的變化。（3）檢測空載性能：在磨損25000 個循環之后用來檢測轉向器內部傳動結構的摩擦力變化。

2 實驗裝置設計

2.1 組成結構

（1）設備工作臺。工作臺面由100mm 厚鑄鐵制作，大小控制在長2500mm×2000mm 范圍內，工作臺面內四周有寬30mm×深40mm 的油槽，并有放油孔，放油孔有閥門控制。工作臺面由焊接支架100mm×100mm支撐，支撐與工作臺由螺釘或焊接方式固定。工作臺距地面高度為550mm。支撐支架及工作臺面四周為天藍色。在工作臺下面制作接油盤，接油盤深度為40mm，接油盤四邊距工作臺面四邊100mm。（2）輸入端加載裝置。輸入端加載裝置由伺服電機、減速機、扭矩傳感器、安裝支架及輔具組合而成。伺服電機、減速機、扭矩傳感器橫向布置，使輸入加載端處于水平狀態。扭矩傳感器用于監控磨損試驗過程中輸入扭矩，扭矩傳感器量程為±50Nm，示值誤差在0.5%以內。輸入端與產品間由可伸縮萬向節連接。安裝支架高度以480mm 為基準，上下在±100mm 范圍內可調整。（3）負載裝置。負載裝置由直線被動油缸及油箱組成。負載油缸水平方向放置，中心高度為210mm，油缸可在一定范圍內擺動，擺角范圍不小于±15°，油缸行程不小于400mm，在油缸能產生的負載不低于±5T，拉壓力傳感器量程為±5T，示值誤差在0.5% 以內。（4）電器柜及控制系統。電器柜為乳白色，用于安裝電腦主機、UPS 電源、伺服驅動器等控制單元，并能保證內部通風干燥。控制系統基于N1 平臺開發。

2.2 安裝方式

被試總成試驗時應參考原車布置方式，在相應的試驗臺架上進行。故該設備結構采用臥式，即保證轉向器輸入軸水平放置，臂軸垂直向下，垂臂的安裝位低于輸入軸，垂臂端球銷的球心在垂臂下方。

2.3 技術參數

（1）液壓油溫度范圍，常溫+10～150℃。（2）耐壓油壓范圍20MPa。（3）流量范圍30L/min 以內。（4）輸出端扭力傳感器，最大50Nm±0.5%。（5）輸入軸旋轉角度：任意角度。（6）輸入軸轉速：0～60r/min，最高120r/min。（7）循環定義：從中間位置開始，到右極限位置，再到中間位置，再到左極限位置，再回到中間位置。（8）施加直線載荷在擺臂上，使工作油壓達到轉向器設計的最大工作油壓的82%。

3 技術關鍵和解決的技術問題

現有的汽車動力轉向器可靠性耐久試驗裝置底端的平臺為T 字形平臺，成本較高，且安裝不牢固，極易發生脫落現象，試驗過程中產生的油不易回收和收集，造成浪費，不便清理，且裝置不便拆裝，因此，設計一種準確、高效、穩定、低成本以及多功能綜合的汽車動力轉向器雙工位可靠性磨損試驗裝置。對耐磨損測試裝置系統的組成和試驗裝置原理掌握了解以及對轉向器進行可靠性分析，輸入端阻力加載，助力模擬試驗裝置幾個關鍵技術進行研究，分析試驗數據，以驗證測試系統的正確性。本試驗所研發的汽車動力轉向器耐磨損試驗測試裝置滿足下列要求：（1）能夠模擬轉向盤對動力轉向器的輸入軸進行角度和力矩的控制，實現正向驅動。（2）能夠實現路面負載的模擬，提供更真實地疲勞磨損試驗條件，實現逆向驅動。（3）轉向器達到符合量程的助力泵站，實現動力轉向。（4）具備各種傳感器監控，如角度、扭矩、力、溫度、壓力、流量，對試驗數據的采集。（5）本試驗裝置有很好的綜合測試能力，除了常規的磨損性能試驗外，還可以進行環境因素的可靠性試驗，如環境溫度變化、助力油高溫、超壓試驗和環境高溫高壓磨損試驗。

4 結語

以上為汽車動力轉向器的介紹和描述、動力轉向器耐磨損試驗裝置的設計及實現、試驗測試參數的驗證等相關研究，通過最終實驗及數據分析，本項目以汽車動力轉向器為研究對象，對該轉向器的可靠性磨損性能試驗為研究主題，以該轉向器的應力分布與壽命周期、磨損指標與磨損特征為研究重點，對比了國內外檢測實驗方法，確立了本試驗裝置的檢測方法。對測試試驗裝置的構架進行了分析，綜合采用汽車動力學理論、可靠性磨損試驗等手段對轉向器的磨損性能測試進行研究分析，運用交流伺服液壓技術、智能集成技術與微機測控技術，建立了軟、硬件模塊并且研制出了汽車動力轉向器的檢測試驗裝置，能夠有效地實現確定的檢測方法，對檢測試驗裝置的測試結果進行了分析，與理論分析的結果進行對比，證明了該測試裝置系統的可靠性，設計了一臺準確、高效、穩定、低成本以及多功能綜合的汽車動力轉向器雙工位耐磨損試驗裝置系統，對轉向器進行實際車況模擬和磨損性能檢測。

汽車動力轉向器雙工位測試系統設計和實現，大大提高了可靠性磨損試驗的效率，且該裝置比普通裝置具有實用性強、安全性良好、易操作、準確性高等特點。