一种新的汽车方向盘耐弯曲疲劳试验方法

张永鹏，张桂琴

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007)

0 引言

方向盘是汽车转向系统的重要零件。因为方向盘经常受到驾驶员对其施加的拉压力或旋转力，对方向盘有一定的可靠性要求，需要对其做耐久性能试验以检验是否到达技术要求。方向盘的耐久性能包括耐弯曲疲劳和耐扭转疲劳。文中对传统的方向盘耐弯曲疲劳试验方法进行分析，在其基础上提出了方向盘耐弯曲疲劳新的试验方法。并且从试验的成本考虑，采用简易实用的试验台架和工具，大大降低了试验台架的成本。

1 对目前试验方法的分析

1.1 试验过程的描述

如图1所示，首先将方向盘在中心花键处固定。

目前对于汽车方向盘的耐弯曲疲劳试验采用的是用一个紧固件将方向盘待测部位与作动器硬性连接，即将方向盘待测部位与作动器伸缩杆杆头处硬性紧固在一起。方向盘待测部位往往选取方向盘最薄弱的部位，以目前常见的带三根径向支撑杆的圆形方向盘为例，其最薄弱的部位为两径向支撑杆所夹方向盘的握环弧段的正中位置。试验时，作动器动作以在轴向方向上对方向盘待测部位施力，方向盘从而发生变形。

在理想状态下，作动器只在方向盘的轴向方向上对方向盘的待测部位施力，而在方向盘的径向方向上对方向盘的待测部位不施力，方向盘因受力发生自由变形，因待测部位所处的握环受径向支撑杆的限制，待测部位因受力而偏离原位置越远时，待测部位与方向盘中心轴的径向距离越小，所以待测部位的运动轨迹并非严格在方向盘的轴向方向的直线上，而是一条曲线。其效果如图2所示。

但是在实际中，由于作动器与方向盘待测部位点之间采用的是硬性紧固连接，在作动器直线运动过程中，作动器除在方向盘的轴向方向上对方向盘施加作用力之外，还因为在试验过程中方向盘径向尺寸的变化而对方向盘产生了径向力，阻碍了方向盘的自由变形;并且在作动器回程过程中，由于作动器的速度会影响到方向盘弹性变形后的回弹速度，方向盘不能自由地恢复弹性。因此，采用这种技术方案不能充分模拟方向盘在实际使用中的工况，会造成试验数据不准确。

1.2 问题分析描述

(1)目前的疲劳试验台采用的是单侧往复作动器。在作动器给方向盘施力完毕的回程中，会阻碍方向盘的自由回弹。在方向盘的实际使用中，人手是不会对方向盘的自由回弹进行阻碍的。

(2)目前的疲劳试验台对方向盘的受力点采用的是用刚性的紧固件束缚。在作动器的施力过程中，方向盘会发生弹性变形，径向距离会减小。由于作动器与方向盘采用的是硬性连接，作动器会施加给变形的方向盘一个向外的径向的力，加快了对方向盘的疲劳破坏。在方向盘的实际使用中，人手会随着方向盘的变形方向而施力，不会产生对方向盘的径向力。

(3)目前的方向盘耐久性破坏都是去观察是否有裂痕，但是这样有一定的弊端。在方向盘没有裂痕出现时，方向盘的强度可能大大下降，已经失效了，但是并不能从外观上观察出来，这种试验并不能达到预期的效果。

(4)目前，方向盘耐弯曲疲劳试验的装置一般采用液压油缸对方向盘进行加载，试验设备价格昂贵，维修成本高，作用单一，不能满足各类相关企业对方向盘的测试要求。

2 改造后试验的描述分析

2.1 改造后试验过程的描述

如图3所示，用带有T型槽的平台1固定两个带T型槽的方箱2，两个方箱之间的距离可调。将两个双向作动器3分别固定在方箱上，使其位于同一个水平面上，两个带导向杆的作动器3在带T型槽的方箱2上可以上下移动。将方向盘6固定在其中一个带T型槽的方箱2上，方向盘沿着带T型槽的方箱2可以上下移动，便于方向盘能固定在最佳受力位置。分别在两个带导向杆的作动器3的气缸杆上安装两个压力传感器4，并在压力传感器4上固定两个压块7。在其中一侧的方箱上固定一个计数器5，和压力传感器4硬性连接起来。同时移动带T型槽的方箱2、带导向杆的作动器3和方向盘6，使压块7对准方向盘6最薄弱部位的两侧，使带导向杆的作动器3对方向盘6最薄弱的位置进行加载。调节带导向杆作动器3的动作时间，实现两个作动器对受力点进行循环往复交替加载。由于取消了紧固件对方向盘的硬性连接，可实现方向盘在受力时的自由变形，更加接近方向盘在实际使用中的工况。通过压力传感器4，实时监测对方向盘6施加的力。利用压力传感器4和位移传感器8测出的数据得到力与位移的关系曲线图，可以判断方向盘的疲劳状态;通过计数器5能读出作动器对方向盘6施加的力的次数，实现计数功能。

2.2 试验创新点的描述

在方向盘受力点的两侧分别采用双向作动器对受力点进行交替循环加载，当一侧的作动器加载完毕并完全离开方向盘受力点后，另一侧的作动器再对其受力点进行加载。采用这样的结构，试验时，控制装置控制两作动器交替循环地对待测方向盘的待测部位两侧在方向盘的轴向方向上施力，两作动器与待测方向盘相互独立，它们之间并不采用紧固连接，使得待测方向盘的待测部位在受力时并不在径向方向上受力，方向盘发生的变形更接近于自由变形，方向盘在回弹时也不受作动器的约束，能自由地恢复弹性;并且，两作动器的作用力为恒定的并且力的大小可调，而且此作用力作用的距离可以根据方向盘的变形情况自动调整。如此，更加真实地模拟了方向盘在实际使用过程中的工况，使得试验数据更加准确。

对加载方向盘受力点的作动器接触点不采用任何束缚结构，采用适合试验标准刚性压块，保证其自由变形。压块平整且带有圆角，该圆角避免压块施力时损坏方向盘的表面，且分别与作动器相连接，保证了压块和方向盘的充分接触。且作动器对待测方向盘的施力更加均匀，而且作动器对外施力能直接、迅速、刚性地传导到待测方向盘上。

整个试验台架采用带T型槽的方箱，方箱可以在试验平台上自由移动。采用这样的结构，作动器和待测方向盘能根据试验需要灵活地调节位置，使该方向盘耐弯曲疲劳试验装置能更好地适应不同型号的方向盘试验要求。搭建的试验台架简单、实用，大大降低了试验的成本。

该试验台架中使用的作动器是带导向杆的气缸。该导向杆限制了气缸在伸缩过程中的自由旋转，保证了压块对方向盘的稳定加载。为了实现两个作动器对方向盘交替循环加载，控制部分采用了简单实用的换向阀。通过作用于换向阀的小气缸对换向阀的操作杆进行推拉，使换向阀换向，实现了对作动器的循环往复交替加载。作用原理如图4所示。

2.3 技术方案的特点

(1)采用两侧的双向作动器对方向盘最薄弱的部位加载。

(2)对方向盘受力点不采用任何的紧固装置，用适合试验标准的刚性压块进行挤压。

(3)使用带T型槽的平台和方箱，便于方向盘的上下左右移动，找出方向盘最佳受力点。

(4)利用压力传感器和位移传感器测量的数值，能够确认方向盘的疲劳状态，并能进行方向盘的性能测试。

(5)采用计数器，能读出作动器对方向盘施加力的次数。

3 总结

通过两侧的双向作动器对方向盘进行循环往复交替加载，使得试验过程充分模拟了人手转动方向盘的实际使用状态，大大增加了实验结果的可靠性。由于增加了压力传感器和位移传感器，使得在试验过程中可实时监测作动器对方向盘施加力的大小，并且能够得到力与位移的曲线图，可以确定方向盘的疲劳状态和性能。采用计数器记录对方向盘施加力的次数，便于耐久性验证。

【1】全国汽车标准化技术委员会.QC/T 563-1999汽车转向盘试验方法［S］，1999.

【2】付百学.汽车试验技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

【3】BT/SGMWJ 0611-2010微型汽车方向盘技术条件［S］.