齿轮齿条式转向系统五轴试验台的设计与研究

谌发坤胡宏章士华

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司；2.重庆凯瑞汽车试验设备开发有限公司）

齿轮齿条式转向系统五轴试验台的设计与研究

谌发坤1胡宏1章士华2

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司；2.重庆凯瑞汽车试验设备开发有限公司）

设计了齿轮齿条式转向系统五轴试验台。在分析转向系统基本要求、整车转向系统评价标准及转向器行业标准的基础上，提出了该转向系统五轴试验台需实现的试验项目及基本功能，并对电液伺服加载、驱动装置控制、加载装置静压支撑等关键技术进行了探讨。对所研制的转向系统五轴试验台进行验证的结果表明，该试验台能够有效进行齿轮齿条转向系统性能匹配及耐久性测试评价，试验结果与实车试验结果具有较好的一致性。

1 前言

齿轮齿条式转向系统是应用最广泛的转向形式之一，其构成部件多、助力形式多样、空间关系复杂，且工作过程中各部件之间相对位置关系不断变化。目前，针对转向系统单独某个部件均有相关测试评价国家标准及相对成熟的测试设备，但由于是只针对单独部件进行测试评价，归结到转向系统整体后总会存在大量问题。针对这种情况，国外近几年开发出了齿轮齿条转向系统五轴试验台，其可对整个转向系统的空间布置及受力进行实车模拟，能够很好地反映实车工作状况，但该设备价格极其昂贵。为节约成本，自主研发了齿轮齿条转向系统五轴试验台，本文将对该试验台的功能设计、关键技术进行介绍。

2 试验台功能设计

2.1 齿轮齿条式转向系统构成及工作原理

齿轮齿条式转向系统结构如图1所示，包括转向操纵机构、齿轮齿条转向器、助力装置、转向传动机构等几部分。其工作原理为：转向盘转动并通过转向管柱、万向节传递到齿轮齿条转向器的齿轮端，由此带动齿条左、右平动，齿条通过两端的拉杆带动轮胎转向，助力装置实现转向过程的助力。

2.2 试验台功能要求及设计参考依据

在汽车行驶过程中，由于轮胎存在颠簸与反弹（图1），加之汽车负载大小的影响，主销轴（或车轮）与转向器之间的相对高度是不断变化的，该高度位置对传动比、传动效率、齿条摩擦力、齿条径向分力大小都有一定影响。因此试验台除需要模拟转向盘转动及2个车轮转向阻力以外，还要模拟两侧主销轴高度位置，实现五轴联动，从而全面、准确地评价转向系统性能及耐久能力。

目前，国内外都没有针对整个转向系统的台架试验方法和标准，本文所研制的试验台在功能设计过程中考虑了以下三方面内容。

a.汽车转向系统基本要求

转向系统最基本的要求包括回正效果好、转向灵活、转向轻便、反向冲击小等[1]，其中，好的回正效果与车轮定位参数、转向系统逆效率有关；转向灵活性与传动比、系统响应有关；转向轻便性与正效率、传动比及助力特性有关；反向冲击与转向器逆效率相关。上述参数中如逆效率会影响回正及反向冲击，但它对二者的影响是相互矛盾的，逆效率高会改善回正，但会增大逆向冲击，因此须通过匹配试验选择合适参数保证转向系统综合性能达到最优。

b.汽车整车转向系统评价标准

转向系统性能与整车操纵稳定性之间有较大关系[2]，因此该试验台的功能设计以整车操纵稳定性相关评价标准为依据，主要包括GB/T 6323、ISO 7403、ISO 13674.1以及相关企业标准等[3～5]。

c.转向器测试标准

以机械转向器、液压助力转向器、电动助力转向器等行业标准以及企业转向器测试标准作为试验台的功能设计依据。

2.3 试验台试验项目及功能

根据试验台功能要求及设计参考依据，确定该试验台试验项目如表1所列。

表1 试验台试验项目

从表1可知，该试验台试验方法比常规转向器试验台试验方法更复杂，由于增加了主销轴高度模拟功能，使得试验结果更全面、可靠。

该试验台具有以下功能：

a.性能对比试验。该试验台可对不同转向系统在相同转向工况下的转向性能进行对比试验，如助力特性、回正能力、转向感觉等。

b.系统匹配试验。该试验台提供了一套转向系统工作模拟平台，可根据表1中各项试验结果发现转向系统存在的各种问题，通过不断调整转向系统参数使转向系统各项性能在装车前达到最优，减少整车匹配时间。具体试验内容包括供油匹配、传动比匹配、扭矩压力匹配、路感匹配、扭杆刚度匹配、噪声匹配等。

c.系统耐久性试验。耐久性试验主要指正向磨损试验及逆向疲劳试验，试验过程中主销轴高度动态变化。

3 试验台设计

3.1 试验台总体结构

试验台总体结构如图2所示。转向传动装置与齿轮齿条转向器通过安装夹具固定于试验台架，保证转向传动装置与转向器之间的相对空间位置关系与实车完全一致，以准确模拟实车运动及受力；输入端驱动装置与转向传动装置的输入端（转向盘安装点）连接，模拟转向盘转动；转向节臂按实车转向节臂长度及初始角度调整，模拟实车转向节臂；输出端加载装置为一套可实现上、下及旋转复合运动的加载作动器，可进行转向阻力及转向节臂高度模拟。

3.2 加载方式

表1中有些试验项目需按实车载荷谱加载，有的需要快速驱动，有的需要高频振颤，这些项目对驱动与加载机构的动态特性要求很高。该试验台的驱动与加载均采用电液伺服方式，如图3所示。伺服系统采用恒压泵站，具有高低压切换功能，四级过滤，过滤精度为5 μm。

3.3 输入端驱动装置

输入端驱动装置如图4所示，包括轴承箱、伺服电棒、伺服阀、扭矩传感器、角度传感器、连轴器、万向节等。

输入端驱动装置需实现力矩闭环与速度闭环，为防止转向器达到极限位时引起过大力矩冲击，2种闭环方式应能平滑切换。该装置闭环切换控制策略如图5所示，速度与力矩同时作为反馈量参与运算，在速度闭环时，力矩值作为限制量；当反馈力矩值大于设定值时，则自动切换为扭矩闭环，以保证平滑切换。

3.4 输出端加载装置

输出端加载装置结构如图6所示。

该装置为复合加载装置，能够实现旋转加载与上、下加载，2套加载装置之间以花键连接。由图6可看出，上、下加载作动器采用了静压支撑技术，活塞杆与油缸端盖之间通过高压油腔支撑，两者之间完全避免了机械接触，既可实现旋转运动，也可实现上、下运动。

3.5 测控系统

该试验台涉及的测控信号多、分布广，为有效简化测控系统设计及布线，增加系统实时性，该试验台测控系统采用了总线结构形式，如图7所示。试验台每个装置均采用独立控制器，以实现所有信号的实时测量及控制。上位机采用工控机，与下位机控制器之间采用工业以太网实现通讯。

4 试验项目分析

根据上述研究设计生产了五轴试验台，利用该试验台对某车型EPS进行了验证试验，部分试验分析结果如下。

4.1 空载力矩试验分析

图8a为只有转向器的空载力矩试验曲线，图8b为在设定主销轴高度下整个转向系统的空载力矩试验曲线。由图8可看出，转向器空载力矩比转向系统空载力矩要平滑很多，这是因为转向系统影响环节比转向器要多，所以转向系统试验结果比单纯转向器试验结果更直接、更全面、更接近实车状况。通过不断调整转向系统参数（如万向节参数），使转向系统空载力矩尽量平滑，能够获得良好的转向手感。

4.2 传动比试验分析

图9a为转向器线角传动比试验曲线，图9b为转向系统角传动比（转向盘与转向节之间的角传动比）试验曲线。由图9可看出，转向器传动比基本恒定，而由于受转向传动机构特性影响，转向系统的传动比呈现中间大、两端小状态。通过适当调节系统参数可得到理想传动比，从而兼顾中间位置的转向灵敏度与整个转向范围内转向轻便性。

4.3 转向盘振颤试验分析

对转向系统主要要求是路面振动对转向盘的影响尽量小，以减轻驾驶员的疲劳感。振颤试验是在转向系统的输入端连接实车转向盘，在输出端施加如图10所示振颤信号，该信号在正常转向角度的基础上叠加高频振动。通过转向盘上安装的加速度传感器，可得到振颤试验时转向盘振动情况，由此实现对转向系统减缓路面振动能力的评价。通过不断调整转向系统参数，可使转向盘振动减小到最低，同时保证必要的回正性能。

4.4 正向磨损试验分析

在汽车行驶过程中，由于轮胎负载、颠簸与反弹等的影响，汽车主销轴的高度位置是不断变化的，整个转向系统各部件之间，尤其是齿条与转向器外壳之间的相互作用力是不断变化的。传统转向器磨损试验均没有考虑该变化影响，导致台架试验结果与实车试验结果存在较大差异。图11为正向磨损试验曲线，由图11可看出，该试验除包括传统的输入端力矩、角度与输出端加载力以外，还增加了输出端高度方向的振动，因此该试验台试验结果与实车性能之间更具有一致性。

5 结束语

齿轮齿条转向系统五轴试验台是进行转向系统测试评价的重要手段，目前国内外均没有相关台架测试标准可供参考。本文在研究了转向系统基本要求、整车转向系统评价标准及转向器行业标准的基础上，提出了齿轮齿条式转向系统五轴试验台需实现的试验项目及基本功能，并研发生产出了试验台。利用所研制试验台进行了验证试验，结果表明，该试验台能够有效进行齿轮齿条转向系统性能匹配及耐久性测试评价，试验结果与实车试验结果具有较好的一致性。

1 肖生发,赵树朋.汽车构造.北京：中国林业出版社、北京大学出版社，2006.

2 汽车液压动力转向系统与整车操纵稳定性的匹配研究: [硕士论文].镇江：江苏大学，2007.

3 ISO 7403-2003 Road Vehicles-Lateral transient response test methods-Open-loop test methods.

4 ISO 13674-1-2003 Road vehicles-Test method for the quantification of on-centre handling-Weave test.

5 GB/T 6323—2014汽车操纵稳定性试验方法.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年2月1日。

Research and Design of Five Channel Rack and Pinion Steering System Test Bench

Shen Fakun1,Hu Hong1,Zhang Shihua2
（1.China Automotive Engineering Research Institute;2.Chongqing CAERI Automative Test Equipment Development Co.,td）

Five channel rack and pinion steering system test bench is designed.Based on the analysis of basic requirement of steering system,evaluation criteria of vehicle steering system and steering industry standard,we put forward test items and basic functions of this five channel steering system test bench,and investigate the critical technologies,i.e.electro-hydraulic servo loading,drive unit control,loading unit hydrostatic bearing,etc..This test bench is tested to verify that it is capable of making performance matching and durability test evaluation for rack and pinion steering system,and the test results agree well with real vehicle test results.

Rack and pinion steering system,Five-channel test bench,Electro-hydraulic servo, Hydrostatic bearing cylinder

齿轮齿条式转向系统 五轴试验台 电液伺服 静压支撑油缸

U467.1+2

A

1000-3703（2015）06-0040-05