伍穎，崔貴彪，郭龍飛

(中國地質(zhì)大學工程學院，湖北武漢 430074)

轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件，其作用是增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器傳動效率高，操縱輕便，機械磨損小，使用壽命長，是目前國內(nèi)外應用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一。據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢［1］。如日系公共汽車中使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的比重，由20世紀60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%，大、小型貨車中也大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%。隨著車速的提高，汽車對轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性有更高的要求，循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗旨在測試轉(zhuǎn)向器對沖擊負荷的抵抗能力。

1 循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與機制

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由扭桿、螺母、轉(zhuǎn)向控制閥以及許多小鋼球等部件組成，循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器是在循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器的基礎上增加轉(zhuǎn)向助力裝置［2－3］，其主要結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

汽車轉(zhuǎn)向器工作時主要受力偶扭轉(zhuǎn)作用。循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器利用放置于螺母與螺桿之間密閉管路內(nèi)循環(huán)往復滾動的小鋼球，將螺母螺桿之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇^小的滾動摩擦，當與方向盤轉(zhuǎn)向管柱固定到一起的螺桿轉(zhuǎn)動起來后，螺桿推動螺母上下運動，螺母再通過齒輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂往復搖動從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時，原有轉(zhuǎn)向螺母作為轉(zhuǎn)向油缸的活塞，將轉(zhuǎn)向器內(nèi)部分成了兩個獨立的液壓油腔。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向控制閥移動到相應的位置，從而使兩個獨立液壓油腔的一腔成為高壓油腔，另一腔成為低壓油腔，形成差壓推動轉(zhuǎn)向活塞，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向［4］。

圖1 循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)組成

2 試驗系統(tǒng)

由于試驗測量要求精度較高，常規(guī)試驗設備無法滿足轉(zhuǎn)向器沖擊載荷要求。為確保試驗順利且準確地進行，該沖擊試驗設計在電液伺服材料試驗系統(tǒng)INSTRON 1251上完成。

2.1 試驗機構(gòu)

試驗機由液壓動力源、主機 (負荷機架)和電氣控制臺組成。

液壓動力源主要由油箱、電機、高壓油泵、濾油器及控制閥管路等組成，是向主機提供液壓動力的裝置。

主機由工作臺、橫梁、作動器和夾具等組成，其載荷傳感器為±300 kN，是對轉(zhuǎn)向器進行加載的系統(tǒng)。

電氣控制臺是試驗機的核心部分，提供邏輯控制和模擬控制，對試驗參數(shù)進行測量、顯示、處理和記錄［5］。

電液伺服材料試驗機通過試驗助手5.1與工控機連接，實現(xiàn)工控機對液壓動力源的控制［6－7］，從而完成作動器的拉伸與壓縮動作，并完成對試驗的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的采集工作。

2.2 試驗操作

沖擊試驗操作界面包括控制界面與監(jiān)測界面，如圖2所示，主要有4個主要部分:試驗助手5.1、活塞控制面板、數(shù)字電壓表、雙蹤數(shù)字示波器。

圖2 沖擊試驗控制與監(jiān)測界面

各部分的主要功能如下:

(1)試驗助手5.1是試驗運行的總程序，反映整個試驗過程中液壓源的工作狀態(tài)，每個試驗設備的液壓伺服多路器的工作狀態(tài)，函數(shù)發(fā)生器的工作狀態(tài)、控制模式;

(2)活塞控面板是試驗過程中的主控制設備，可以控制液壓源啟動與關(guān)閉，實現(xiàn)液壓源高壓工作與低壓工作的切換;向各個電液伺服閥發(fā)出控制指令，實現(xiàn)作動器的拉伸與壓縮控制;

(3)數(shù)字電壓表是試驗過程中的顯示設備，能夠?qū)崟r顯示試驗數(shù)據(jù)，在試驗過程中，對試驗的位移或載荷的當前值與峰谷值進行全程監(jiān)測;

(4)雙蹤數(shù)字示波器動態(tài)顯示試驗數(shù)據(jù)隨時間的變化曲線，提供指令信號與反饋信號的實時波形，直觀地反映當前試驗的工作效果。

3 試驗參數(shù)

3.1 試驗條件

在沒有特殊指定條件下，限制輸入軸的轉(zhuǎn)動按以下條件進行試驗:

油溫:(95±5)℃ (如果沒有特殊指定);

液壓油:MS9602(或經(jīng)過批準的同類型的液壓油)，滿足其工作介質(zhì)需要。

3.2 試驗要求

(1)6臺轉(zhuǎn)向器，每個方向先施加沖擊載荷4次后，轉(zhuǎn)向器外觀應無異常 (無泄漏、裂紋等)。重復性能試驗，試驗結(jié)果應滿足要求;

(2)每個方向在施加沖擊載荷6次后，重復性能測試;

(3)隨機抽取3臺，拆檢;

(4)另外3臺按以下條件繼續(xù)試驗至失效:每沖擊20次 (每邊各 10次)，載荷增加 4 680 N(46 800 N×10%)。

3.3 加載控制

在垂臂末端球頭處施加沖擊載荷 (46 800±2 500)N，按照圖3三角波波形曲線進行循環(huán)加載。

圖3 三角波波形加載曲線

4 試驗設計

4.1 工裝夾具設計

循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器夾持采用鋼板螺栓預緊［8］，將轉(zhuǎn)向器通過螺栓鎖緊至鋼板橫梁，底板通過螺栓與法蘭盤鎖緊至試驗臺面，沖擊試驗固定板件實物設計見圖4。

4.2 總成安裝設計

根據(jù)試驗系統(tǒng)INSTRON 1251結(jié)構(gòu)，循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器總成沖擊試驗設計圖見圖5，其中垂臂末端連接作動器，固定板件螺栓鎖緊至鋼板橫梁，轉(zhuǎn)向器螺栓連接固定板件，輸入軸由限位孔固定。

圖5 轉(zhuǎn)向器總成試驗設計圖

5 試驗結(jié)果分析

按照試驗要求進行試驗，試驗過程中對各參數(shù)情況進行實時記錄，得到的載荷曲線如圖6所示，載荷反饋信號曲線與理論曲線吻合。

圖6 載荷曲線

對汽車轉(zhuǎn)向器每做一個應力水平的沖擊試驗，監(jiān)測試驗參數(shù)和查看轉(zhuǎn)向器外觀，記錄試驗失效數(shù)據(jù)，如表1所示。壓應力失效均值為77.3 kN，標準差為3.08，拉應力失效均值為77.1 kN，標準差為3.38，沖擊試驗失效載荷與預期試驗結(jié)果相符。

表1 轉(zhuǎn)向器沖擊試驗失效載荷 kN

6 結(jié)論

(1)循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗工裝夾具及總成安裝設計滿足穩(wěn)定性要求，能夠達到試驗標準;

(2)電液伺服材料試驗機INSTRON 1251系統(tǒng)結(jié)合輔助軟件試驗助手5.1，能夠?qū)崿F(xiàn)對電液伺服材料試驗系統(tǒng)的控制、循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。

［1］高軍.汽車動力轉(zhuǎn)向器性能測試技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)［D］.大連:大連理工大學，2006.

［2］王愛榮.汽車循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器研發(fā)［D］.荊州:長江大學，2012.

［3］畢大寧，康富生，馬慧.循環(huán)球電動轉(zhuǎn)向器的研制［J］.汽車零部件，2012(1):52 －55，59.

［4］孫楠.電液伺服動態(tài)試驗機控制系統(tǒng)設計及實驗研究［D］.長春:吉林大學，2012.

［5］衛(wèi)大朋.靜態(tài)電液伺服試驗機測控軟件控制命令系統(tǒng)的探討［J］.工程與試驗，2009(S1):64－66.

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［7］程海林，趙武，吳軍.基于工控機的汽車轉(zhuǎn)向器扭轉(zhuǎn)性能試驗臺研制［J］.工業(yè)控制計算機，2007(3):40－41.

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