汽车动力转向油泵试验装置的研制与应用*

王玉琳，王 运

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

汽车动力转向油泵试验装置的研制与应用*

王玉琳，王 运

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009)

针对汽车动力转向油泵在生产过程中需要逐个进行试验的问题，研制了一种高效、高精度的试验装置。该装置基于MCS-51系列高性能单片机，分为机械系统、液压系统和控制系统三部分。可以对汽车动力转向油泵的转速和油压进行无级调节，并可检测流量和扭矩等重要参数，从而完成试验大纲所规定的跑合、安全阀调节、容积效率检测，以及最大流量检测等多种试验。试用结果表明，该装置的测控精度高，人-机界面友好，操作简单方便，适合汽车动力转向油泵的批量试验，应用前景广阔。

转向油泵;试验装置;单片机;比例溢流阀

0 引言

转向油泵是汽车液压动力转向系统中的油源装置，其工作性能的好坏直接影响汽车行驶的平稳性和可靠性，关系到驾乘人员的生命财产安全。现代社会人们对汽车的转向系统提出了越来越高的性能要求，比如操作轻便、转向灵敏、噪声低、污染小、运行平稳等，而这些都要取决于提供动力油源的转向油泵的性能。发达国家汽车动力转向油泵的装车率已接近100%。目前在国内，为了满足人们对于舒适性和安全性的要求，也越来越多地采用了转向系统。从中型以上的载重汽车、中高档大客车、中高档小汽车到轻型车、微型车，都已陆续开始安装动力转向系统。所以对转向油泵的性能进行严格的试验尤为重要［1-3］。

发达国家汽车动力转向油泵的性能试验多通过先进的自动化装置，引进这些设备需要花费很多外汇，且维修成本高，不适合国情。国内传统的做法是在自制的转向油泵试验装置上，采用人力来调整泵的各种工况，手工记录泵的流量、压力、转速、温度和转矩等一系列参数，最后人工处理各种数据生成报表曲线。这种方法测试精度低，劳动强度大，工作效率低。国内现有的带有测控功能的转向油泵试验装置多数基于PC机，造价不菲，但可靠性差，操作繁琐，售后服务得不到保证，最关键的是试验步骤不能更改，产品的适应性差［4-5］。

鉴于上述问题，本文开发了一种基于高性能单片机的经济适用的汽车动力转向油泵试验装置。可以对多种转向油泵进行不同工况的性能试验，自动调节转速和压力，自动检测流量和扭矩，实时显示被测数据，自动生成报表并打印曲线。

1 机械系统设计

本试验装置的机械系统设计主要为动力传递路径的设计，如图1所示。变频电动机1通过柔性联轴器2和4将动力传递给被试转向泵8，变频电动机1的转速由控制系统中的交流变频器来控制。图1中的5为轴承座，6为被试泵安装座。3为扭矩传感器，用来检测被试泵的阻力矩，也可检测被试泵的转速;当控制系统检测到被试泵的阻力矩超过设定值时，会发出指令立即停机，以保护变频电动机。7和9分别为被试泵8的进油口和出油口。试验装置的机械系统需要和液压系统以及控制系统配套使用。

图1 试验装置动力传递结构示意图

2 液压系统设计

本试验装置的液压系统原理图如图2所示。被试泵5由变频电动机3驱动，其转速由转速表6进行检测;节流阀11和比例溢流阀15用以控制被试泵5的加载压力;溢流阀9和14作为安全阀，分别保护被试泵5和比例溢流阀15;压力传感器8用来检测被试泵5的工作压力并反馈至试验装置的控制系统。由于转向油泵5在试验跑合过程中会产生大量金属碎屑，为了避免油路堵塞，安装了4只过滤器，其中粗过滤器12和精过滤器13用来保护比例溢流阀15;流量计16用来检测转向油泵的输出流量;温度传感器2用以测量系统的油温［6］。

图2 转向油泵试验装置液压系统原理图

本试验装置设有自动和手动两种加载方式，通过手动换向阀10进行切换。系统正常工作时，手动换向阀10处于上位，选择自动加载方式，通过比例溢流阀15对被试泵5进行加载;当比例溢流阀15出现故障时，可以通过换向阀10启用节流阀11，对系统进行手动加载以便完成相关试验［7］。

3 控制系统设计

图3为试验装置控制系统的原理框图。CPU选用美国DALLAS公司的高性能单片机DS80C320;扩展一片EPROM芯片W27E512用作程序存储器，存放系统底层程序;扩展一片SRAM芯片HY62256用作数据存储器，存放用户试验程序;人-机界面采用SA-7A型工业触摸屏来管理;驱动被试泵的变频电动机转速由交流变频器来控制，变频器的频率由CPU通过D/A转换器DAC0832输出模拟电压来调节;被试泵内部的油压通过比例溢流阀进行控制，比例溢流阀由比例阀放大器进行驱动，比例阀放大器接受CPU通过D/A转换器MAX517输出的模拟电压;被试泵内部油压的大小由压力传感器进行检测，并通过A/D转换器ADC0809送给CPU进行压力调节;设置扭矩传感器检测被试泵的阻力矩大小，通过A/D转换器ADC0809送给CPU进行判别，一旦阻力矩超出设定值，CPU即发出报警信号，同时迅速停机［8-11］。

图3 试验装置控制系统原理框图

4 试验流程设计

根据《汽车动力转向油泵试验大纲》，结合本试验装置的控制系统，软件设计了如下试验流程。

4.1 跑合试验

(1)显示“PH－－－－－－”，压力P=0，转速S=300rpm，延时9s，上升到S=600rpm，延时5秒，S=600rpm◇3000rpm，30s升速;

(2)显示“PH－－－－－”，S=3000rpm延时5s，降到 S=300rpm 延时5s，S=300rpm◇3000rpm，9s升速，延时5s;

(3)显示“PH － － － －”，P=0◇Pmax，27s升压;

(4)显示“PH－ － －”，Pmax保持10s;

(5)显示“PH － －”，P=0，延时 2s，S=3000rpm◇1500rpm，2.5s降速;

(6)显示“PH －”，P=0◇85%Pmax，3.5s升压;(7)显示“PH…”，P=85%Pmax，延时10s;

(8)显示“PH..”，P=85%Pmax◇125%Pmax，6.5s升压;

(9)显示“PH.”，P=125%Pmax，延时10s;

(10)显示“PH”，S=0，P=0，跑合完毕。

4.2 安全阀调节

(1)显示“AF…”，等待打开安全阀，等待启动;

(2)显示“AF..”，P=0，S=0◇1500rpm，5s升速，延时15s;

表1 现场实测某转向泵的转速(rpm)和压力(MPa)

(3)显示“AF.”，置 P=130%Pmax，冲击第一次(3s)，第二次(3s)，第三次(3s)，第四次;

(4)显示“P=”，记录 P值，若不合格，则按“暂停”;

(5)显示“F…1”，置 S=0，P=0，等待调整，调整之后，再按“启动”，又回到显示“AF..”。

直至调到合格为止，合格时，按“启动”，P=0，S=0，延时1.3s，安全阀调节完毕。

4.3 容积效率检测

(1)显示“XL…”，S=600rpm，延时2s;

(2)显示“XL..”，P=50%Pmax，延时2s;

(3)显示“XL.”，延时1.3s;

(4)显示“Q=”，记录Q值，若不合格，则按“暂停”，显示“F…2”，置 S=0，P=0，等待调整，调整之后，再按“启动”，又回到显示“XL…”。直至调到合格为止，合格时，按“启动”，P=0，S=0，容积效率检测完毕。

4.4 最大流量检测

(1)显示“LL.”，P=0，S=0◇3000rpm，5s升速，延时5s;

(2)显示“Q1=”，记录Q1值◇若不合格，则按“暂停”◇

(3)显示“F…3”，置 S=0，P=0，等待调整◇调整之后，再按“启动”，又回到显示“LL.”。

直至调到合格为止◇合格时，按“启动”;

(4)显示“LL”，P=0◇85%Pmax，3.5s升压，延时5s;

(5)显示“Q2=”，记录Q2值。若不合格，则按“暂停”，显示“F…4”，置 S=0，P=0，等待调整，调整之后，再按“启动”;

(6)显示“LL－”，S=0◇3000rpm，5s升速，延时5s，又显示“LL”。直至调到合格为止，合格时，按“启动”，S=0，P=0，延时 1.3s，所有试验结束。

5 试验结果

5.1 控制精度

本试验装置的关键指标是准确控制被试转向泵的转速和压力。对于最大压力Pmax=18Mpa的某转向油泵进行试验，现场抽检结果如表1所示。

从表1可以看出，转速的最大误差为0.67%，压力的最大误差为2%，完全达到了采用PC机控制的试验装置的控制精度，均在试验大纲所规定的±5%的范围之内，可见本试验装置具有较高的测控精度。

5.2 人-机界面

本试验装置控制系统的人－机界面基于工业触摸屏和高性能单片机，实时显示转速、扭矩、压力、流量和油温五个参数，并设有扭矩报警和过滤器堵塞报警两个指示灯。针对不同的转向油泵，试验前操作者只需在触摸屏上输入最大压力Pmax，装好油泵后，按一下“启动”钮即可开始试验。单个转向油泵的试验时间是采用PC机控制的试验装置的90%，只有手动试验装置的30%。

6 结束语

本试验装置现已小批量投入企业运行。来自生产一线的报告表明，该装置可以实 现汽车动力转向油泵在各种工况下的压力、转速和油温的调节，并可检测流量和扭矩等重要参数，完成跑合、安全阀调节、容积效率检测，以及最大流量检测等多种试验。

该装置由于采用了廉价的MCS-51系列高性能单片机作为控制核心，使得控制系统的结构变得简单，材料成本大幅降低，维修费用也会节省。相对于PC机控制的试验装置，该装置的优点还表现在试验流程具有柔性，根据产品可随意更改。另外，该装置采用工业触摸屏将键盘和显示融为一体，相对于PC机控制的试验装置，大大提高了系统的可靠性。

可见，本文所提出的汽车动力转向油泵试验装置，性能/价格比高，控制和测量精度高，显示界面直观，操作简单快捷，适合产品的批量试验，具有一定的推广应用价值。

［1］QC/T299－2000.汽车动力转向油泵技术条件［S］.

［2］QC/T300－1999.汽车动力转向油泵台架试验方法［S］.

［3］赵代勇，张国智，康佼.动力转向液压泵试验方法及试验设备［J］.液压与气动，2000(1):48－50.

［4］苏三买.小型高速油泵性能试验系统设计［J］.机床与液压，2005(9):60－61.

［5］张国智，康佼.汽车动力转向油泵的流量控制［J］.机床与液压，2000(1):60－61.

［6］张利平.现代液压技术应用220例［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［7］雷天觉.液压工程手册［M］.北京:机械工业出版社，1990.

［8］王玉琳.数控机床的准闭环控制技术［J］.组合机床与自动化加工技术，2005(3):67 －68，74.

［9］王玉琳.基于LG97L52微处理器的光栅数字测量装置［J］.组合机床与自动化加工技术，2006(3):50－52.

［10］王玉琳.用于T716A立式镗床数控化改造的四坐标闭环系统［J］.组合机床与自动化加工技术，2006(4):73－75，78.

［11］尹志强，王玉琳.机电一体化系统设计课程设计指导书［M］.北京:机械工业出版社，2007.

(编辑 赵蓉)

Development and Application of Testing Device for Vehicle Power Steering Oil Pump

WANG Yu-lin，WANG Yun
(School of Mechanical＆ Automotive Engineering，Hefei Technology University，Hefei230009，China)

In view of the problem that the vehicle power steering oil pumps need to be tested individually during processing，a high-efficiency and high-precision test device has been developed in the paper.Based on MCS-51 high-performance single chip m icrocomputer，the device consists of three parts—the mechanical system，the hydraulic system and the control system.The device can steplessly regulate the rotating speed and oil pressure of the vehicle power steering oil pump.And the important parameters such as oil flow rate andmotor torque can also be detected，so various tests can be fulfilled as stipulated in the testing program，such as running-in，safety valve adjusting，volumetric efficiency measuring and maximum flow ratemeasuring.The trial results show that the testing device has high precision ofmeasuring and regulating，the human-machine interface is friendly and the operation is simple and convenient.So the testing device is suitable for batch testing of vehicle power steering oil pumps and hasw ide prospects of being w idely used.

steering oil pump;testing device;single chip microcomputer;proportional relief valve

TH137

B

1001－2265(2012)06－0105－03

2011－11－09;

2011－12－01

国家科技支撑计划项目(2008BAC46B01)

王玉琳(1966—)，男，安徽六安人，合肥工业大学副教授，硕士生导师，工学博士，主要从事机电一体化系统研究，(E－mail)KL32T@vip.sina.com。