循环球式动力转向器冲击试验设计

伍颖，崔贵彪，郭龙飞

(中国地质大学工程学院，湖北武汉 430074)

转向器是转向系中最重要的部件，其作用是增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向。循环球式转向器传动效率高，操纵轻便，机械磨损小，使用寿命长，是目前国内外应用最广泛的结构型式之一。据了解，在全世界范围内，汽车循环球式转向器占45%左右，有继续发展之势［1］。如日系公共汽车中使用循环球式转向器的比重，由20世纪60年代占总数的62.5%发展到现今的100%，大、小型货车中也大都采用循环球式转向器，微型货车用循环球式转向器占65%。随着车速的提高，汽车对转向稳定性有更高的要求，循环球式动力转向器冲击试验旨在测试转向器对冲击负荷的抵抗能力。

1 循环球式动力转向器的结构与机制

循环球式转向器主要由扭杆、螺母、转向控制阀以及许多小钢球等部件组成，循环球式动力转向器是在循环球式机械转向器的基础上增加转向助力装置［2－3］，其主要结构如图 1 所示。

汽车转向器工作时主要受力偶扭转作用。循环球动力转向器利用放置于螺母与螺杆之间密闭管路内循环往复滚动的小钢球，将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母再通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。同时，原有转向螺母作为转向油缸的活塞，将转向器内部分成了两个独立的液压油腔。当驾驶员转动方向盘时，转向控制阀移动到相应的位置，从而使两个独立液压油腔的一腔成为高压油腔，另一腔成为低压油腔，形成差压推动转向活塞，辅助驾驶员转向［4］。

图1 循环球式动力转向器结构组成

2 试验系统

由于试验测量要求精度较高，常规试验设备无法满足转向器冲击载荷要求。为确保试验顺利且准确地进行，该冲击试验设计在电液伺服材料试验系统INSTRON 1251上完成。

2.1 试验机构

试验机由液压动力源、主机 (负荷机架)和电气控制台组成。

液压动力源主要由油箱、电机、高压油泵、滤油器及控制阀管路等组成，是向主机提供液压动力的装置。

主机由工作台、横梁、作动器和夹具等组成，其载荷传感器为±300 kN，是对转向器进行加载的系统。

电气控制台是试验机的核心部分，提供逻辑控制和模拟控制，对试验参数进行测量、显示、处理和记录［5］。

电液伺服材料试验机通过试验助手5.1与工控机连接，实现工控机对液压动力源的控制［6－7］，从而完成作动器的拉伸与压缩动作，并完成对试验的监测和数据的采集工作。

2.2 试验操作

冲击试验操作界面包括控制界面与监测界面，如图2所示，主要有4个主要部分:试验助手5.1、活塞控制面板、数字电压表、双踪数字示波器。

图2 冲击试验控制与监测界面

各部分的主要功能如下:

(1)试验助手5.1是试验运行的总程序，反映整个试验过程中液压源的工作状态，每个试验设备的液压伺服多路器的工作状态，函数发生器的工作状态、控制模式;

(2)活塞控面板是试验过程中的主控制设备，可以控制液压源启动与关闭，实现液压源高压工作与低压工作的切换;向各个电液伺服阀发出控制指令，实现作动器的拉伸与压缩控制;

(3)数字电压表是试验过程中的显示设备，能够实时显示试验数据，在试验过程中，对试验的位移或载荷的当前值与峰谷值进行全程监测;

(4)双踪数字示波器动态显示试验数据随时间的变化曲线，提供指令信号与反馈信号的实时波形，直观地反映当前试验的工作效果。

3 试验参数

3.1 试验条件

在没有特殊指定条件下，限制输入轴的转动按以下条件进行试验:

油温:(95±5)℃ (如果没有特殊指定);

液压油:MS9602(或经过批准的同类型的液压油)，满足其工作介质需要。

3.2 试验要求

(1)6台转向器，每个方向先施加冲击载荷4次后，转向器外观应无异常 (无泄漏、裂纹等)。重复性能试验，试验结果应满足要求;

(2)每个方向在施加冲击载荷6次后，重复性能测试;

(3)随机抽取3台，拆检;

(4)另外3台按以下条件继续试验至失效:每冲击20次 (每边各 10次)，载荷增加 4 680 N(46 800 N×10%)。

3.3 加载控制

在垂臂末端球头处施加冲击载荷 (46 800±2 500)N，按照图3三角波波形曲线进行循环加载。

图3 三角波波形加载曲线

4 试验设计

4.1 工装夹具设计

循环球式动力转向器夹持采用钢板螺栓预紧［8］，将转向器通过螺栓锁紧至钢板横梁，底板通过螺栓与法兰盘锁紧至试验台面，冲击试验固定板件实物设计见图4。

4.2 总成安装设计

根据试验系统INSTRON 1251结构，循环球动力转向器总成冲击试验设计图见图5，其中垂臂末端连接作动器，固定板件螺栓锁紧至钢板横梁，转向器螺栓连接固定板件，输入轴由限位孔固定。

图5 转向器总成试验设计图

5 试验结果分析

按照试验要求进行试验，试验过程中对各参数情况进行实时记录，得到的载荷曲线如图6所示，载荷反馈信号曲线与理论曲线吻合。

图6 载荷曲线

对汽车转向器每做一个应力水平的冲击试验，监测试验参数和查看转向器外观，记录试验失效数据，如表1所示。压应力失效均值为77.3 kN，标准差为3.08，拉应力失效均值为77.1 kN，标准差为3.38，冲击试验失效载荷与预期试验结果相符。

表1 转向器冲击试验失效载荷 kN

6 结论

(1)循环球式动力转向器冲击试验工装夹具及总成安装设计满足稳定性要求，能够达到试验标准;

(2)电液伺服材料试验机INSTRON 1251系统结合辅助软件试验助手5.1，能够实现对电液伺服材料试验系统的控制、循环球式动力转向器冲击试验监测和数据采集。

［1］高军.汽车动力转向器性能测试技术与系统开发［D］.大连:大连理工大学，2006.

［2］王爱荣.汽车循环球动力转向器研发［D］.荆州:长江大学，2012.

［3］毕大宁，康富生，马慧.循环球电动转向器的研制［J］.汽车零部件，2012(1):52 －55，59.

［4］孙楠.电液伺服动态试验机控制系统设计及实验研究［D］.长春:吉林大学，2012.

［5］卫大朋.静态电液伺服试验机测控软件控制命令系统的探讨［J］.工程与试验，2009(S1):64－66.

［6］王小立，周瑞平.基于CAD/CAE的汽车动力转向器可靠性分析［J］.汽车科技，2008(4):23－26.

［7］程海林，赵武，吴军.基于工控机的汽车转向器扭转性能试验台研制［J］.工业控制计算机，2007(3):40－41.

［8］秦全权，刘旌扬，郝金良.汽车液压动力转向器台架试验方法研究［J］.汽车技术，2009(7):40－43.