商用车动力转向器最大输出扭矩测试及分析

王春龙，郁金龙，乔小兵

（一汽解放商用车开发院，吉林 长春 130011）

前言

循环球式液压动力转向器总成（以下简称“转向器总成”）是商用车转向系统的核心部件，其最大输出扭矩（即转向器总成在额定工作压力下的输出扭矩）是转向系统转弯能力的体现。对于实际输出扭矩的高估，将导致转向驱动能力不足，为解决这一问题，常用的方法是通过提升助力系统压力或增大转向器总成缸径，这将提高转向油泵的工作压力及排量，导致油温及油耗升高，增大了系统负担，系统可靠性风险增大；而对于实际输出扭矩的低估，将会导致转向器总成输出能力及能源的不必要浪费，无法达到优化设计的目的，因此，准确评估转向器总成的实际输出能力对于转向系统的性能匹配设计尤为重要。

在QC/T529[1]行业标准中，未对转向器总成最大输出扭矩的测试方法及评价做出要求，这也间接导致整个行业多年来对这一重要性能指标关注不够，通过技术交流及调研了解到，国内外具备测试能力的厂商只是通过测试少数几个特征位置点（如中间位置）的最大输出扭矩，来评估转向器总成在全行程的的实际输出能力，由于测试位置点少，存在较大的预估偏差风险。

1 测试方法

结合多年现场测试经验，以及对供应商测试能力调研了解，国内外目前对于最大输出扭矩的测试方法主要采用以下两种方式，如图1，图2所示。

图1 测试方法一原理图

图2 测试方法二原理图

两种方法的主要区别在于测试传感器选择的不同，方案一选用拉压力传感器，方案二选用扭矩传感器。具体测试步骤如下：

（1）在输出端空载情况下，转动输入端至测试位置；

（2）按图1或图2所示方式，固定输出端；

（3）连接油管，开启泵站，按试验条件要求，调节流量及油温。

待油温至试验条件要求，分别向左右转动输入端，记录输出力（扭矩）与压力的关系曲线，测试结果如图3所示。

图3 特定位置点测试结果曲线

传统测试方案的缺点是只能进行单点测试，无法连续测试。当进行多点测试时，需通过反复拆卸工装，调整测试位置，工作量大，效率低，即使低效的对多个位置点输出扭矩进行测试，但依旧无法对转向器总成在全行程的实际输出能力进行全面准确的评估。

为解决测试效率低，对转向器总成实际输出能力评估不准确的问题，本文提出了一种基于PID闭环控制测试方案，实现对转向器总成最大输出扭矩的连续测试。

图4 测试原理图

图5 测试装置原理图

为得到额定工作压力下，转向器总成在全行程不同位置上的输出扭矩，以额定工作压力为控制目标，通过PID控制策略，得到输入端及输出端伺服电机控制电压，通过信号传输，使输出端及输入端同时加载，通过压力闭环控制，实时调节输入端及输出端加载，实现对目标压力的控制，测试原理如图4所示，测试装置原理如图5所示，现场测试装置如图6所示。

图6 现场测试装置

具体试验步骤如下：

（1）按图6所示，在转向器总成中间位置，将样品输入端驱动装置以及输出端加载装置与样品相连；

（2）在转向器总成进油口处安装压力传感器，连接油管，连接压力传感器信号线；

（3）开启泵站，设定试验流量、油温、目标压力、系统压力、测试行程几个参数。

待油温至设定温度，点击试验程序，开始试验，测试结果如图7所示。

图 7测试结果，目标压力 15MPa，控制压力基本在15.00-15.15MPa之间，控制精度1%，扭矩传感器的测试精度在0.3%Fs，如图8所示。

图7 最大输出扭矩测试结果曲线

图8 压力控制曲线

2 测试结果及分析

选取3件不同转向器总成生产厂的样品，分别编号为A、B、C，3件样品的额定工作压力均为15MPa，相关参数如表1所示。

表1 样品主要参数

为便于观察曲线走势，同时鉴于左转与右转在曲线走势差异较小，以及不同样品全行程的差异，故截取单边相同局部数据进行比较分析。由于不同转向器总成的理论输出扭矩不同，为体现其输出能力，本文通过实测输出扭矩与理论设计输出扭矩的比值以体现其能力。

图9 A样品输出扭矩测试曲线

图10 B样品输出扭矩测试曲线

图11 C样品输出扭矩测试曲线

表2 试验结果

根据图9～图11，以及表2试验结果，可以看出：

（1）三件样品的实际输出能力存在较大差异；

（2）C样品输出能力最佳；

（3）曲线左右位置无对称性，无明显规律性；

（4）B样品的输出扭矩稳定性最差；

（5）综合在输出效率及稳定性方面，C优于A优于B。

通过以上测试结果可以看出，曲线走势无规律性可言，简单通过几个特征位置点的输出扭矩预判转向器总称在全行程的实际输出能力，存在较大误判风险，最大值或均值不足以概括转向器总成实际输出能力，为保证转向驱动能力，最小值才是整车匹配的关键，因此，唯有对于转向器总成输出扭矩的连续测试才能全面评估转向器总成实际输出能力，从而达到优化匹配设计的目的。

结合表1设计参数及从表2的测试结果可以看出，在均值和最大值方面，设计参数更大的A、B样品高于C样品；在最小值方面，A样品略高于C样品，B样品不如C样品，这主要是由于实际输出效率不同造成。C样品虽然设计参数小，但较高的输出效率保证了其输出能力，而加大缸径设计的A、B样品，为改善原地转向性能，增大了匹配的油泵的排量，但正常车速下，流量需求减少，而较大的排量将增大油泵内循环量，致使助力系统油温高，增加整车油耗等问题；而较大的工作流量，增大了系统的压力损失[2]，在转向器总成同样有效工作压力下，进一步增大了油泵的工作压力，而较大的排量、较高油温及工作压力，极大的增大了对于转向助力系统的可靠性亦风险。然而，从三件样品的测试结果看，加大缸径的A、B样品并未有效解决转向驱动能力不足的问题。因此，关注转向器总成的实际输出能力，关注其实际输出效率，是优化转向系统匹配的关键；同时，压缩同类产品供货厂商实际输出扭矩的差异区间，对于提升产品的互换性，提高整车性能稳定性，尤为重要。

在测试压力、流量、油温等试验条件一致的前提下，转向器总成的实际输出效率主要由机械传动效率决定[3]，而传动效率的高低与设计参数及加工精度密不可分[4]。不同的设计参数，将决定齿轮齿条传动副的重合度，加工精度将影响传动副的运动精度，从而影响传动效率及其稳定性。

3 结论

从本文所列出的测试结果可以看出，测试结果无明显规律性，不同供应商样品性能差异明显，因此，简单依靠点测试最大输出扭矩的方法无法准确评估转向器总成的实际输出能力，唯有通过对转向器总成输出扭矩的连续测试，才能准确评估转向器总成的实际输出能力水平，从而为转向系统优化匹配开发，提供完整数据，达到优化匹配设计，提高系统可靠性及产品互换稳定性，节能减排的目的。

针对QC/T529对这一重要性能指标要求缺失的现状，应加快完善标准，提升行业对最大输出扭矩这一重要性能指标的关注，进一步优化设计，提高加工质量，提升整个转向器行业的制造水准。