多通道汽车转向系统试验台设计及应用

2017-09-26王尧田金冯清明

汽车与驾驶维修(维修版) 2017年8期

关键词：试验台静压液压缸

王尧田金冯清明

（北京博科测试系统股份有限公司 101102)

多通道汽车转向系统试验台设计及应用

王尧田金冯清明

（北京博科测试系统股份有限公司 101102)

在汽车零部件测试领域，因转向系统复杂，试件差异大，安装灵活度高，导致转向试验台设计制造及控制测试难度较大。转向试验台作为一个机电复合产品，需要较高的机械设计及控制技术水平。现有的一些试验台大多功能单一，应用范围窄，通道数量少，无法复现车辆行驶过程中的复杂工况。本文所介绍的多通道汽车转向系统试验台，可以模拟车辆在行进过程中的转向盘激励，以及可左、右轮独立输入的路面激励与转向激励，进而模拟转向器的多种工作状态。

转向系统试验；三分力传感器；伺服液压；汽车测试

1 汽车转向系统基本结构

用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置称为汽车转向系统。其功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行进方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，必须重视其可靠性和耐久性[1]。

汽车转向系统分为两大类，机械转向系统与助力转向系统。机械转向系统以驾驶员的手动扭转转向盘作为转向输入，通过机械传动完成车辆转向。助力转向系统是将驾驶员手动输入信号放大，借助其他能源如电能、液压能等其他能源完成转向动作，减轻驾驶员负担。

一般的电助力转向系统由转向盘、转向管柱、助力电机、齿轮齿条转向器、横拉杆和扭矩传感器等组成（图1）。

图1 电助力转向系统结构

当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向管柱输入转向器，在此过程中，扭矩传感器检测到转向盘的转向以及扭矩的大小，将电信号传递到ECU，ECU则根据扭矩传感器检测到的扭矩大小、转动方向和车速信号等，向助力电机控制器发出指令，使电动机输出相应大小和方向的转向助力扭矩，从而辅助完成转向动作[2]。

2 汽车转向系统试验现状

随着汽车工业的发展，转向系统试验经历了整车搭载道路耐久试验，到传统台架耐久试验，再到道路模拟耐久试验三个阶段的发展。

整车搭载耐久试验指的是真实车辆在试车场进行实际路测，通过试验为汽车研发工程师提供了宝贵的设计更改依据。这种试验的优点是最接近用户的实际使用情况，能真实的反映出转向系统零部件总成的实际疲劳寿命情况。但缺点是试验周期长、费用高、因此在新车型开发中就限制了这个试验手段的使用。

到了20世纪60年代，出现了室内台架模拟试验。即将转向系统安装于试验台架上，利用液压伺服系统对零部件按规定的载荷进行加载。加载波形一般为正弦波、方波或者三角波，频率固定。其优点是能够节省试验周期、试验费用相对较低，有针对性的进行转向系统的零部件疲劳耐久试验。但缺点是传统的台架耐久试验很难模拟出整车在实际行驶中转向系统零部件所受到的动态激励，这种动态激励是随着时域在不停产生变化的，其频率、幅值都是变化的。所以传统的台架耐久试验缺点在于试验的真实还原性较差。

为了既能节省开发周期与成本，又能更准确的达到最真实的反映零部件的疲劳寿命情况，衍生出了道路模拟耐久试验。在室内进行汽车零部件道路模拟试验，可以排除气候等因素的影响，大大地缩短试验周期和节约资金，并且试验的可控性好，试验结果的重复性强、精度高，便于对比，使汽车零部件的开发周期缩短，具有重要的汽车工程应用价值。转向系统道路模拟耐久试验的核心就是时域波形复现。时域波形复现就是在时域内复现汽车道路行驶时所承受的载荷波形。从理论上讲，它是最为“精确”的模拟试验。

3 多通道汽车转向系统试验台机械结构

多通道转向系统试验台，用于耐久和性能试验。需要试验台具有坚固的机械架构、稳定的液压伺服执行机构、精确的仪表和传感系统，以及功能强大的数字控制系统和软件。为了满足安全标准，转向系统的操作必须可靠，因此测试其在实际工况下的工作能力是极为重要的。此外，还需要试验系统必须具有足够的灵活性，以适应不同试件的安装状态。

多通道汽车转向系统试验台具有模拟转向系统实际工况的能力，可模拟以下3种激励。

(1)路面激励（左、右轮独立输入），汽车在行驶过程中，由于路面颠簸导致车轮上下振动，传递到转向横拉杆部分的竖向位移。

(2)转向激励（左、右独立输入），汽车在转向过程中，由转向器输入的驱动力及受到的阻力。

(3)转向盘激励，驾驶员通过转向盘输入的扭矩。

转向激励由伺服液压缸施加，一般情况下为力载荷或位移载荷。转向激励通过一个旋转臂施加，以精确地再现转向拉杆和节臂的空间几何关系，同时节省了工作空间，为安装环境仓预留了更大的空间。竖直方向的液压缸可以模拟路面激励，同时由活塞杆作为可旋转轴。

设备总体占地面积为3.5 m×3 m，包括一下几部分。

(1)中心框架，用于安装竖向调整支架、转向器和转向系统支架。

(2)两个外侧框架用于安装路面激励及转向激励液压缸，提供横拉杆接头道路和转向输入。水平液压缸与转向系统试件基本处于同一个平面，方便断开垂直与水平液压缸，使试验台的配置更加灵活。转向系统试验台可以方便地转化为1通道、2通道、3通道、4通道或5通道的试验台。

(3)转向器支撑框架，用于调整转向器安装位置。

(4)水平横梁用于安装夹具，以固定转向管柱位置，安装转向盘激励电机。

(5)电动调整地板，以适应不同车辆转向器尺寸。采用手持控制器调整，到位后手动锁紧。

图2 多通道转向系统试验台

为适应不同车型、不同形式的试件安装尺寸及工作范围，要求转向系统试验台采用较方便的调整方法及较大的调整范围。转向系统试验台的各激励位置调整范围见表1、表2、表3。

表1 路面激励调整范围

表2 路面激励调整范围

表3 路面激励调整范围

图3 机械框架调整范围

4 伺服液压缸工作原理

用于伺服测试的液压缸不同于工程机械上所使用的功能缸，为保证试验精度和测试数据准确，伺服测试设备对液压缸的内部阻力、及动态性能有更苛刻的要求，通常情况下，液压缸需要采用双出杆设计，即等活塞面积双作用缸，此外也需要配有双端静压轴承，不仅可提高液压缸的抗侧载能力[3]，同时也可减小活塞杆的运动阻力。一般伺服液压缸的出力范围在±10～±5 000 kN，工作行程在±25～±500 mm之间。

4.1 液压缸机械结构

一般的静压轴承液压缸包括。镀铬活塞杆，为减小内部阻力，活塞部分无高压密封圈，采用减压槽设计，活塞外径加工后与缸筒之间的间隙为单边20～30 um。缸筒两端加工螺纹安装孔，用以安装静压轴承。静压轴承采用高强度铝合金，一般配有偶数个静压轴承工作面，在工作面区域通入高压油，与活塞杆之间形成一层保护油膜，防止工作过程中存在金属接触，同时静压轴承工作面的高压油膜提高了活塞杆抗侧载的能力。

液压缓冲设计也经常作为伺服液压缸的标准配置，主要作用为在活塞运动接近静压轴承端面时，即行程末端，产生一段封闭油腔，防止活塞撞击端面造成损坏。

静压轴承外端配有低压密封圈，将部分静压轴承的泄露油通过泄露油孔导回到液压缸内部，并经过泄露油管路返回油箱。

液压缸筒上安装有集成阀块，可根据工况需求选配不同型号的伺服阀，如MOOG公司的G761系列伺服阀。伺服阀安装在液压缸周围有助于减小工作油腔体积，进而提高液压缸的共振频率点，防止发生共振。

图4 静压轴承液压缸

4.2 伺服阀工作原理

伺服阀是伺服控制系统中比较重要的工作部件，是电控制信号和液压信号的转换装置，其作用是将输入的小功率电信号精确快速的转换为大功率的液压驱动能源，具有电信号传递快速准确、便于远程控制的优点，同时也具有液压系统高输出力、高输出功率的特点。伺服阀的这些特点使得其逐渐成为试验模拟设备中的控制机构首选。

目前应用比较广泛的有喷嘴挡板式伺服阀、射流管式伺服阀等。如图5所示，为喷嘴挡板式伺服阀内部结构，力矩马达带动挡板，改变挡板与喷嘴间的距离，喷嘴挡板形成的压力变化与固定节流口配合驱动控制阀芯，通过阀芯驱动反馈杠杆得到阀芯的位置信号反馈。

图5 喷嘴挡板伺服阀

4.3 伺服液压缸动态性能计算

伺服试验设备的工作情况与一般液压系统不同，经常需要考虑液压缸的动态性能指标，主要包括液压缸在当前配置状态下所能达到的最大性能，通常情况下以正弦运动作为基本波形，在此基础上描述液压缸在不同工作频率下的最大位移、最大速度以及最大加速度指标，来考量液压缸的动态性能。一般采用对数坐标曲线来表示，如图6所示。

简要计算原理如下。

初步选定液压缸的额定推力及伺服配置后，可对所选液压缸规格进行验算，将验算结果同试验需求进行比较，确认是否符合需求或需要调整配置。在一般系统中，液压缸的运动阻力按照物理性质可分为加速度阻力、粘度阻力以及弹性阻力，阻力性质不同，计算方法存在一定差别。

图6 液压缸动态性能曲线

在所有的既定频率点，需要不同的流量来驱动液压缸完成正弦运动，所需要的液压油流量包含以下几个部分。

Qs: 活塞运动所需的液压油流量，其数值等于液压缸速度与活塞面积的乘积。

Cm: 驱动运动部件，活塞两端产生一定的压差，对液压油造成压缩后所需额外的流量。

Cvi: 克服粘度阻力，活塞两端产生一定的压差，对液压油造成压缩后所需额外的流量。

Csr: 克服弹簧阻力，活塞两端产生一定的压差，对液压油造成压缩后所需额外的流量。

此外还需计算液压缸在高速运动时，总压降和供油压力之间的关系。

Pm: 驱动运动质量，活塞两侧所需的压力差。

Pvi: 克服粘度阻力，活塞两侧所需的压力差。

Psr: 克服弹性阻力，活塞两侧所需的压力差。

其中

Pv为伺服阀压降；Pd为活塞两侧总压差；Qt为总流量。

Qv为伺服阀在不同频率下的额定流量。

利用迭代方法计算Qt及Pt，分别与系统的总流量及供油压力进行对比。当Qt及Pt任意一个值超过了系统最大值，则需要减小液压缸的最大振幅，重新计算Qt及Pt，再次进行对比。重复此过程，直到得出满足条件的Qt及Pt，即得出液压缸在此频率点的最大速度、最大加速度和最大振幅。

根据一般汽车零部件测试经验，整车行驶方向最大加速度幅值约为3 g，侧向加速度幅值为约2 g，垂直加速度幅值为约1 g，以此为参考，确定液压缸推力大小及伺服阀配置。

5 转向系统试验及三分力传感器应用

5.1 转向系统常规试验

转向系统道路模拟耐久试验一般过程是将转向系统路谱数据（转换成时域波形）导入转向系统试验设备，通过迭代，反推出驱动程序，进行道路模拟耐久试验。实现转向系统在台架试验中模拟出其在整车道路试验中转向系统各零部件所受激励情况与疲劳损耗，使其试验效果与道路试验达到高度的一致性与同步性。其优势包括以下4个方面。

(1)相比于传统耐久试验，其模拟精度高，能最大限度的等同于整车耐久试验。

(2)能较好地代替整车道路试验，有效的节约开发成本和缩短试验周期。

(3)有大量的数据监控，能及时准确的发现试验中的问题。

(4)某一车型只需采一次路谱，便可以更换不同厂家的零部件进行试验，灵活性高。

转向系统试验台所需要的驱动文件包含大量系统需要响应的时域信号，其生成过程分为以下两阶段。一阶段，系统识别过程，计算系统驱动响应的传递函数。二阶段，迭代过程，使用第一个过程计算的传递函数的反函数来创建一个系统驱动，该驱动将得到一个实际响应。

通过选择驱动传感器信号和测定的目标响应信号，用户选择输入和输出向量，通过这些向量最终计算出传递函数矩阵，也就是所谓的系统矩阵。

传递函数是一种数学模型，与系统的微分方程相对应，它是系统本身的一种属性，与输入量的大小和性质无关，因此可以在白噪声识别阶段，通过播放一个能量较小的随机波形，即可得到可计算出系统传递函数的响应波形，从而进一步针对各种不同形式的目标波形反求出系统的输入信号。

多次迭代后（次数无具体限制，相关性越好，且波形不复杂，次数较少），RMS值落入到目标值10%以内即可，此时对比目标波形与实际响应波形，基本一致。

一般来说，角度与位移的RMS值达到10%以内是比较容易的，力与扭矩的RMS值达到10%以内是较难的，特别是响应频率越高，则越不容易达到。

5.2 三分力传感器在转向系统测试中的应用

力传感器的工作原理一般是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值会相应的发生变化，而变化的电阻值与形变量存在一定的线性关系，通过测量电阻值的变化就可以得知已发生的应变量，从而得知力的大小。将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其连接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。

三分力传感器可以同时测量Fx、Fy和Fz三轴的力值，每轴量程为±22 kN，并可超载到±34 kN，采用2 mV/N的满量程常规输出，该传感器具有一定的抗侧载能力，即可一定程度上地将干扰扭矩隔离，使得单轴上的测量结果更为准确。

为适应更多使用情况，三分力传感器可被设计成不同的安装形式，如板式安装、法兰式安装、轴向安装等。在转向系统测试中，拉杆的球销既有上下的运动，也有左右的运动，因此三分力传感器的安装点被设计在竖直向作动器的顶端，并通过转接摇臂，使得传感器（球销点）在进行上下运动的同时，可绕竖直向作动器完成转动。