一种转向中间轴带负载复合运动测试方法

郑忠辉 李赛 陈泰吉

摘要：转向中间轴是转向系统的重要组成部分，介于转向器和转向管柱之间，主要作用是传递转向扭矩，同时中间轴本身具备的滑动功能可以在汽车发生正面碰撞时产生正常溃缩缓解对驾驶员造成伤害，本文主要介绍一种中间轴带负载复合运动测试方法，不但可以满足高频大位移直线运动和大角度低频旋转运动，且在整个运动过程中有相应的正弦负载载荷，能真实模拟中间轴在实际使用过程中的受力及滑动磨损情况，测试结果更可靠，具有一定的参考价值。

关键词：转向中间轴;高频直线运动;大角度旋转运动;正弦负载

1 概述

在汽车中，转向系统的功能是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，对汽车的行驶安全至关重要，作为连接转向管柱和转向器的中间轴是整套转向系统的重要组成部分，主要用于传递方向盘通过转向管柱对转向器的操作，而在实际使用往往会因为中间轴出现失效，对人的生命安全产生重大的威胁。汽车设计和制造缺陷是影响汽车安全的重要因素，我国法律要求汽车制造商以召回的方式消除缺陷。

2012年11月，四川一汽丰田汽车有限公司长春丰越公司召回部分缺陷车辆，涉及数量：3737辆，召回原因：转向装置中连接方向盘与转向机的零件（中间轴）的齿形花键强度不足。如果在低速行驶中重复强力打满舵，零件的连接部位会发生松动，如果持续使用，该连接部位会产生剧烈磨损，无法进行转向操作。存在安全隐患

丰田汽车（中国）投资有限公司自2015年3月4日起召回2013年08月01日- 2013年08月19日期间出厂的进口丰田FJ酷路泽车辆，据该公司统计，中国大陆地区涉及7辆，召回原因：在连接方向盘与转向机的转向中间轴的结合部位可能存在焊接不充分的情况，在这种状态下持续使用的话，该结合部位有可能发生损坏，导致无法正常转向操作，存在安全隐患。

由此可以看出对中间轴进行耐久性测试具有重大意义，目前汽车行业对于中间轴相关耐久试验只有一项滑动花键磨损试验，即在中间轴一端施加9.8N.m固定扭矩，另一端施加±Imm -±15mm的直线运动，不能真实的反映车辆在实际使用过程中对中间轴的磨损情况，鉴于以上原因，特提出一种中间轴带负载复合运动测试方法，更大程度的反映车辆在行驶过程中重复打舵的行为对中间轴产生的影响。

2 测试要求

中间轴外轴实现高频率10Hz伸缩量为±2.7mm直线运动，内轴实现频率为1.56Hz旋转角度为±40度旋转运动，且在整个复合运动过程中，中间轴还需承受±16N.m的扭矩负载。

3 测试装置

中间轴通常由一对可滑动的内、外轴和两个十字轴万向节组成，如图1所示。

3.1测试方案

为满足测试要求，根据现有的设备，结合中间轴的结构，通过一定的工装设计，提出以下方案，来实现中间轴的带负载复合运动，整套方案主要包含3部分，具体见图2。

3.2测试准备

3.2.1各工位功能及设备选择

工位I：选择IST直线作动器，负责实现中间轴的大位移高频直线运动，与直线导轨连接，保证施加到中间轴上的力值不会有侧向分力，其上有位移传感器，行程为±125mm，可实时监控中间轴水平直线运动的伸缩量;

工位II：不但可以保证中间轴的大角度旋转运动的顺利进行，同时也承担整个测试过程中中间轴的正弦负载输入;

工位III：选用MTS扭转作动器，为实现中间轴低频大角度旋转运动提供动力扭矩，设备上自带扭矩传感器与角度传感器，角度传感器量程为±50度，保证测试输入时角度的精确性，扭矩传感器量程为±4Kn.m，可实时监控测试输出的扭矩值。

3.2.2工位II的结构设计

与中间轴传统意义上的花键滑动磨损耐久试验不同，本套测试方案不仅仅能实现中间轴的大角度低频旋转运动，还能实现高频率大位移的直线运动，同时保证整个测试过程中间轴承受±16N.m的扭矩负载，为实现这些要求，特设计工位II，工位II的结构示意如图3所示：

工位II各主要结构功能：

轴承座：支撑轴承，固定轴承的外圈，仅仅让内圈转动，外圈保持不动，且保持平衡;

轴承端盖：对轴承外围起轴向定位的作用;

平键：固定连接轴与惯量盘，用以传递扭矩和运动，防止惯量盘与连接轴有相对旋转运动;

惯量盘：为整个测试提供正弦负载，模拟车轮行驶过程中打舵时克服轮胎与地面产生摩擦所需要施加在方向盘上的扭矩，惯量盘的计算是保证整个测试输出扭矩要求的关键;

锁紧螺母II：轴承内圈的轴向定位，防止惯量盘轴向窜动;

连接轴：将中间轴与惯量盘及轴承组等各部件连接在一起;

角接触球轴承：保证中间轴可以顺利实现大角度旋转运动，降低整个过程中的摩擦系数，保证回转精度;

锁紧螺母I：轴承内圈的轴向定位;

连接法兰：连接工位II与工位I中的直线导轨，并且对轴承外圈有轴向限位的作用。

3.2.3惯量盘的计算

整套测试机构，难点在于实现大角度旋转的同时有负载扭矩，这也是与传统意义上中间轴耐久测试的区别，为实现这一功能，选择惯量盘加轴承组合，惯量盘计算过程如下：

已知条件如表1所示，计算公式及结果如表2所示。

考虑到整个测试机构的空间布置以及连接轴的强度问题，故惯量盘厚度选择36.5mm，另因为加工误差以及安装误差的存在，会对惯量盘的转动惯量值有一定的影响，特在惯量盘周圈预留一定数量的螺纹孔，在实际测试中可根据扭转作动器上的扭矩传感器反馈的扭矩值与要求值的差值进行适当的增减惯量块来调整反馈值，保证测试的准确性，惯量盘的具体设计结构图以及部分参数见图4、图5。

4 测试调试

依照测试方案，将各工位依次连接并固定在基座上，保证整套测试系统的稳定、可靠，如图6所示，通过调整工位I和工位III的相對位置和高度，不但可以满足不同长度中间轴的测试需求，而且可以保证中间轴按照实车装配角度进行测试。

安装完毕之后，通过系统设置界面分别对直线作动器以及扭转作动器进行动作设定，程序界面及功能见图7;

拉力位移实时值显示区：显示当前中间轴滑动位移及所收到拉压力的实时值，可随时进行监控，并以波形形式显现于运动曲线显示区;

角度扭矩实时值显示区：显示当前中间轴所选转角度以及承受扭矩的大小，可根据反馈回的扭矩值进行惯量盘的适当调整;

循环次数显示区：显示当前耐久测试进行的次数;

功能区：此区包括运动方式（直线运动或者旋转运动）的选择以及相应运动方式参数的设定，可控制整个测试系统的开始，暂停，停止等;

运动曲线显示区：可以显示当前运动中的正弦曲线波形并提示当前运动幅度及频率，可选择直线运动模式的波形或者旋转运动模式的波形.且可对测试结果进行数据导出，针对本测试，此区域显示旋转运动模式的波形，直线运动实时值通过拉力位移实时值显示区读取即可。

工位选取显示区：进行工位的选择，可增加反馈保护，对整个测试系统起到限制保护;

按照设定参数进行试验，通过对惯量盘进行适当的调整，经调试合格后进行试验，测试扭矩输出曲线如图8所示：

5 结论

通过输出扭矩曲线分析，该测试方案基本可以满足测试需求，实现了中间轴带负载复合运动，为零部件企业判定中间轴性能优劣提供了一种测试方法，但在实际测试过程中也存在一定的问题需后期改进：

1）安装时有一定的困难，为实现中间轴实车装配角度，需保证直线缸和扭转缸的相对位置准确，尤其是高度的不一致调试较为困难，比较浪费人力与时间，建议后期可以将直线缸和扭转缸都做成可自动升降高度;

2）所选扭转缸扭矩行程较大，导致输出扭矩的波动较为明显，建议选择小量程的扭转缸进行测试;

3）连接轴的设计外径较小，因惯量盘的自重较大，导致测试系统旋转起来转动惯量有轻微不对称，使得输出扭矩在换向时有波动，后期建议进行连接轴挠度计算，尽可能减少连接轴强度原因导致转动惯量不对称的问题。

参考文献：

[1]林砺宗转向系统中间轴耐久性测试机控制系统研发

[2]秦全权QC/T 649-2013《汽车转向操纵机构性能要求及试验方法》