淺談汽車轉(zhuǎn)向中間軸臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

摘 要：汽車轉(zhuǎn)向中間軸是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中連接轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向機(jī)可以傳遞扭矩并吸收路面激勵(lì)的一種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它對(duì)于確保車輛行駛安全，減少交通事故及保護(hù)駕駛員的人身安全，改善駕駛條件起著至關(guān)重要作用。所以產(chǎn)品性能在前期開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必進(jìn)行充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文介紹了幾項(xiàng)典型的中間軸臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 中間軸 結(jié)構(gòu)和性能 受力分析 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Brief Introduction on the Test Design of Vehicle Steering Intermediate Axle Bench

Tian Shuangpeng

Abstract：The steering intermediate axle bench is a mechanical transmission mechanism connecting the steering column and the steering gear in the steering system， which can transmit torque and absorb road excitation. It plays an important role in ensuring vehicle driving safety， reducing traffic accidents， and protecting the driver's personal safety， and improving driving conditions. Therefore， the product performance in the early development and design， must be fully tested and verified. This paper introduces several typical bench test designs of I-shaft.

Key words：steering system， I-shaft， structure and performance， stress analysis， test design

1 引言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功用就是在駕駛員的操縱下保持或改變汽車的行駛方向。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛安全至關(guān)重要，因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件都稱為保安件，其產(chǎn)品性能及可靠性必須滿足整車設(shè)計(jì)和法規(guī)要求。

中間軸是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中連接轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向機(jī)可以傳遞扭矩并吸收路面激勵(lì)的一種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。中間軸性能的好壞，直接影響到汽車行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對(duì)于確保車輛行駛安全，減少交通事故及保護(hù)駕駛員的人身安全，改善駕駛條件起著至關(guān)重要作用。

2 中間軸結(jié)構(gòu)介紹（圖1）

中間軸（注塑中間軸為例）一般由上萬向節(jié)、滑動(dòng)副、下萬向節(jié)組成，萬向節(jié)由固定節(jié)叉，十字軸，滾針軸承和擺動(dòng)節(jié)叉構(gòu)成。由于中間軸屬于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)力集中位置，根據(jù)其承載能力，不同客戶群依據(jù)產(chǎn)品性能需求，市場(chǎng)定位及造車成本等方面選擇不同結(jié)構(gòu)的中間軸用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配。

2.1 中間軸按布置結(jié)構(gòu)分類（圖2）

2.2 按滑動(dòng)副分類（圖3）

2.3 按承載扭矩分類（圖4）

2.4 中間軸整車布置受載分析（圖5）

汽車轉(zhuǎn)向行駛過程中，中間軸在工作過程中承載了傳遞扭矩和吸收路面沖擊的作用。由于是上下雙萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，其空間布置，Cardan1/Cardan2不可能在同一平面，存在角度α。如果萬向節(jié)角度α1=α2，則winput=woutput，滿足輸入和輸出盡可能相等。萬向節(jié)所連接的管柱輸出軸和轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸始終以相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng)。

3 中間軸臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中間軸開發(fā)試驗(yàn)規(guī)范必須滿足整車設(shè)計(jì)要求。從試驗(yàn)的角度來確定設(shè)計(jì)開發(fā)的正確性和可靠性。安規(guī)方面，目的是保證消費(fèi)者，汽車操作者的人身安全。常規(guī)中間軸開發(fā)試驗(yàn)包含功能測(cè)試，動(dòng)態(tài)耐久試驗(yàn)，靜態(tài)強(qiáng)度試驗(yàn)，環(huán)境試驗(yàn)及整車路試等方面。如下介紹了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)的幾種典型的測(cè)試項(xiàng)目臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3.1 中間軸扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試（圖6）

中間軸結(jié)構(gòu)一般由上萬向節(jié)、減震管（部分中間軸不含）、滑動(dòng)副和下萬向節(jié)組成。由于具備兩個(gè)萬向節(jié)，是整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最具應(yīng)力集中位置，所以中間軸的最小扭轉(zhuǎn)剛度必須受控于一定的范圍。

將中間軸以裝車位置安裝臺(tái)架，下萬向節(jié)剛性固定，對(duì)中間軸上萬向節(jié)端加載扭矩，記錄中間軸輸入扭矩與角位移的比值。

3.2 中間軸滑動(dòng)力測(cè)試

中間軸的滑動(dòng)力考核裝配時(shí)手感，若滑動(dòng)力過大，則不便于裝配。若滑動(dòng)力過小，則滑動(dòng)副存在間隙風(fēng)險(xiǎn)。該間隙會(huì)影響汽車轉(zhuǎn)向手感，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)引發(fā)扭矩突變，產(chǎn)生撞擊產(chǎn)生噪音，影響汽車的安全性與穩(wěn)定性。所以滑動(dòng)力要求受控在一定的范圍。

將中間軸一端節(jié)叉固定于試驗(yàn)臺(tái)架，另一端節(jié)叉通過專用工裝接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)端搭載力傳感器和位移傳感器。測(cè)試過程中沿中間軸軸向施加載荷，記錄中間軸滑動(dòng)行程和滑動(dòng)力。

3.3 中間軸疲勞測(cè)試（圖7）：

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件的裂紋及斷裂，會(huì)造成功能失效，疲勞是其主要損壞形式。在實(shí)際使用過程中，由于負(fù)載和速度的不斷改變，零件在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)因?yàn)榻蛔冚d荷的作用，性能變壞，甚至產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。中間軸屬于汽車安保件，其疲勞強(qiáng)度一定要受控于一定范圍。在前期產(chǎn)品開發(fā)階段，通過模擬在實(shí)際汽車使用中的路譜及整車負(fù)載，用于評(píng)估中間軸的使用壽命。

將中間軸總成按照整車安裝角度固定在疲勞試驗(yàn)臺(tái)上，中間軸上節(jié)叉使用對(duì)應(yīng)的管柱輸出軸固定于伺服驅(qū)動(dòng)，下節(jié)叉使用轉(zhuǎn)向機(jī)對(duì)應(yīng)的輸入軸固定。緊固螺栓使用裝車螺栓，且力矩按照產(chǎn)品定義執(zhí)行，并進(jìn)行試驗(yàn)前后力矩記錄。中間軸尾端模擬整車負(fù)載，由伺服驅(qū)動(dòng)，動(dòng)態(tài)加載，共計(jì)N個(gè)循環(huán)（模擬整車壽命）。疲勞后完成中間軸的剛度，間隙，滑動(dòng)力等功能測(cè)試，觀察有無裂紋和斷裂現(xiàn)象，有無異常噪音等情況。

3.4 中間軸滑動(dòng)耐久測(cè)試（圖8）：

在汽車行駛壞路的過程中，由于路面的沖擊，整車的顛簸彈性會(huì)導(dǎo)致中間軸滑動(dòng)副管軸配合部位產(chǎn)生軸向位移，即發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)，由靜摩擦轉(zhuǎn)換成動(dòng)摩擦瞬時(shí)產(chǎn)生力矩跌落現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生噪音。影響整車操縱舒適性。在產(chǎn)品開發(fā)階段，將中間軸滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)副部位力矩跌落現(xiàn)象控制在一定范圍。

將中間軸以直線位置固定于試驗(yàn)臺(tái)架，調(diào)整中間軸長(zhǎng)度處于名義位置（整車安裝時(shí)距離）?；瑒?dòng)軸擺動(dòng)節(jié)叉剛性固定，滑動(dòng)管總成接伺服驅(qū)動(dòng)。對(duì)中間軸加載一定扭矩，振幅為常為±1mm，頻率10～20Hz，循環(huán)N次（不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求不同）。疲勞前后進(jìn)行加載扭矩時(shí)的滑動(dòng)力測(cè)試，觀察滑動(dòng)力矩跌落現(xiàn)象及有無異常噪音。

4 結(jié)束語

隨著汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高。整車廠對(duì)轉(zhuǎn)向中間軸的試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求也越來越苛刻。不僅要滿足外觀、幾何公差、強(qiáng)度、腐蝕性和可靠性等傳統(tǒng)方面的要求，對(duì)于整車舒適性，產(chǎn)品在整車受載狀態(tài)的NVH表現(xiàn)也越來越關(guān)注。在產(chǎn)品投入市場(chǎng)前期，要進(jìn)行充分的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證和整車路試。本文介紹了幾項(xiàng)常規(guī)的z轉(zhuǎn)向中間軸開發(fā)試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目，與大家分享轉(zhuǎn)向中間軸開發(fā)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)，歡迎同行共同討論。目的是加深讀者了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件傳動(dòng)關(guān)系，檢驗(yàn)其功能及可靠性是否與設(shè)計(jì)相符。在保證產(chǎn)品安全前提下，進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]QC/T649-2000汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成性能要求及試驗(yàn)方法.

作者簡(jiǎn)介：田雙鵬：男，博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（煙臺(tái)）有限公司研發(fā)試驗(yàn)工程師。在技術(shù)成果方面，先后取得四項(xiàng)國家專利，完成十余項(xiàng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及持續(xù)改善項(xiàng)目。