楊文暢

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

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循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器的性能檢測方法探討

楊文暢

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

簡介循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器高精度自動測試系統(tǒng)的構建，對國家行業(yè)標準要求的部分測量方法和計算方式進行了改進，使得測量結果更接近于試件的自身特性。試驗結果表明：用改進的計算方法來計算，可以有效提高試驗結論的準確性和重復性。

循環(huán)球助力轉(zhuǎn)向器；測試系統(tǒng)；LabVIEW

0　引言

近年來伴隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對汽車駕駛的舒適性、安全性要求的不斷提高，作為汽車重要零部件之一的助力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)水平有了很大的提升，同時助力轉(zhuǎn)向器的結構各不相同。評價助力轉(zhuǎn)向器的實際性能能否滿足人們對汽車的要求，不能光憑借駕駛員的直觀感覺，還必須要更為嚴謹?shù)脑囼灁?shù)據(jù)作為支撐。基于循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器的傳動效率高、操作輕便、磨損小、壽命長、在國內(nèi)外被廣泛使用的特點，文中將以循環(huán)球式助力轉(zhuǎn)向器為試驗對象，以LabVIEW為軟件工具設計一套高精度自動檢測系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向器的關鍵性能評價指標進行測試，客觀地分析轉(zhuǎn)向器的性能特征。為增加測試結論的準確性和重復性，分析了現(xiàn)有國家行業(yè)標準提出的測試方法或計算方法可能引起測量誤差的原因，并針對性地提出了部分修改和改進，并對兩者的測試結果進行了分析和比對。

1　轉(zhuǎn)向器性能的評價指標

轉(zhuǎn)向器是專門用來改變和恢復汽車行駛方向的基礎機構，是汽車穩(wěn)定、安全行駛的基本保證，因而對其性能評價就顯得格外重要，文中只針對部分關鍵性能評價指標[1](轉(zhuǎn)向力特性、轉(zhuǎn)向靈敏度、自由間隙以及回正性能)進行闡述。

轉(zhuǎn)向力特性。該項指標是針對轉(zhuǎn)向的輕便性[2]提出，表述為駕駛員在旋轉(zhuǎn)方向盤時手力矩要小，標準要求轉(zhuǎn)向力特性曲線的對稱度不能低于85%[3]，最大工作壓力時，左右力矩不宜過大。

轉(zhuǎn)向靈敏度。該項指標是針對轉(zhuǎn)向的靈敏性[2]提出，表述為在駕駛過程中旋轉(zhuǎn)方向盤時，轉(zhuǎn)向車輪能及時地獲得相應擺轉(zhuǎn)角度。該項指標只與轉(zhuǎn)向系中的傳動比有關，而在轉(zhuǎn)向器設計時傳動比的選取要兼顧轉(zhuǎn)向輕便性和轉(zhuǎn)向靈敏性，對于助力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向輕便性有足夠保障，所以下文中就不對傳動比進行描述。

自由間隙。該項指標是針對轉(zhuǎn)向的隨動性[2]提出，表述為轉(zhuǎn)向車輪跟隨旋轉(zhuǎn)方向盤動作的快慢程度。在標準上體現(xiàn)的測試量是自由間隙和靈敏度曲線的對稱度，要求自由間隙不能大于5°[3]。

回正性能。該項指標是針對轉(zhuǎn)向的自動回正功能[2]提出，表述為轉(zhuǎn)向車輪能從已經(jīng)偏離直線行駛位置自動回正到直線行駛位置的能力，在標準上體現(xiàn)的測試量是回正時間，要求回正時間不能大于5s[3]。

2　轉(zhuǎn)向器性能的測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)主要由機械、電控兩子系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)是試驗臺架的硬件基礎，與電控系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合完成各項測試任務，電控系統(tǒng)則為整個系統(tǒng)提供動力、測量、監(jiān)控等。

2.1機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)總體上采用開放式結構，主要由試驗臺底板、驅(qū)動裝置、驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置、輸出端加載裝置、試件夾緊裝置及液壓系統(tǒng)組成，其結構原理如圖1所示。驅(qū)動裝置采用交流伺服電機，可實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的無級調(diào)速，配合減速機后獲得較為合適的試驗轉(zhuǎn)速，再與扭矩傳感器通過聯(lián)軸器連接在同一軸線上。驅(qū)動電機與扭矩傳感器間的連接采用機械抱緊裝置，當扭矩值超過規(guī)定值時，聯(lián)軸器以打滑的方式有效地保護傳感器和試驗樣件。輸出端加載裝置采用伺服油缸通過萬向連接軸與試件輸出端連接，根據(jù)伺服控制卡控制伺服油缸的動作來對試件進行加載。試件夾緊裝置以油缸伸縮的方式機械地松開或者固定試件輸出端。試件供油和伺服油缸加載采用兩套獨立的油路系統(tǒng)，分別控制來保證試驗過程中試件需要加載的試驗壓力。

2.2電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的硬件安裝在獨立的電氣控制柜中，主要包括工控機、液晶顯示器、多功能數(shù)據(jù)采集卡、伺服電機驅(qū)動器和電源控制開關等，各種硬件間的數(shù)據(jù)交換如圖2所示。工控機提供人機交互界面，實現(xiàn)用戶操作和輸出顯示功能。多功能數(shù)據(jù)采集卡、電機運動控制卡直接安裝在工控機的PCI插槽中，以PCI總線方式進行數(shù)據(jù)交換。伺服控制卡則控制伺服油缸的動作，它與工控機間采用TCP/IP方式相連。

電控系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用NI公司的LabVIEW, 該軟件是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，內(nèi)部提供功能強大的信號處理和數(shù)學分析模塊，其中包括積分、微分、回歸分析、曲線擬合、曲線插值等工具。應用LabVIEW進行數(shù)據(jù)測量將大大簡化開發(fā)人員的工作量，提高了開發(fā)效率，使復雜的測試、測量任務變得簡單易行。

3　基于國家行業(yè)標準的改進測試方法探討

3.1轉(zhuǎn)向力特性曲線對稱度

3.1.1國家行業(yè)標準測量方法及其計算方法

將試件總成安裝在測試試驗臺架上，輸出端剛性地固定在中間位置，以0.5r/min分別向兩個方向轉(zhuǎn)動輸入端，工作壓力達到pz時為止[3]，繪制輸入扭矩與供油液壓的關系曲線。曲線對稱度計算方法[4]如下：

(1)由po到pmax段沿縱坐標分成n等分，得n對小塊。每小塊近似一梯形。如果左、右最大油壓不等，則以兩者間的最小值計算(見圖3)。

(2)分別測量梯形中線的長度，并成對排列：

右轉(zhuǎn)時：a1、a2、…、an；

左轉(zhuǎn)時：b1、b2、…、bn。

(3)每一對進行比較。即a1與b1比較，a2與b2比較；……；an與bn比較，比較后取其中較小值，得到L1、L2、…、Ln。

(4)曲線對稱性Ke由下式計算：

3.1.2可能引起測量誤差原因分析及對策

(1)按照標準要求試驗時試件輸出端固定在中間位置，而對于測試系統(tǒng)來說驅(qū)動端的扭矩值可能不在零點位置，這樣就導致手力特性曲線不關于Y軸(壓力)對稱，按照上述方式來計算對稱性時誤差較大。

對應解決方法：在試驗測試時，固定試件輸出端在中間位置后，對驅(qū)動端進行1次預加載扭矩，最終使得扭矩回到零點位置，再進行試驗測試，這樣就嚴格保證了手力特性曲線關于Y軸(壓力)對稱，如圖3所示。

(2)對稱性的計算方法采用任意取點計算，如果取樣點太少，就不能真實地反映當前曲線的對稱性。

3.2自由間隙

(1) 國家行業(yè)標準測量方法及其計算方法

將總成安裝在試驗臺架上，把輸出端剛性地固定在中間位置，在有動力情況下，平穩(wěn)、緩慢地轉(zhuǎn)動驅(qū)動端，測量兩個方向總成進油口壓力增加0.1MPa時驅(qū)動端轉(zhuǎn)過的角度[3]。

(2) 可能引起測量誤差原因分析及對策

按照標準要求自由間隙為試件進油口壓力增加0.1MPa時驅(qū)動端轉(zhuǎn)動的角度，而對于0.1MPa的測量精度影響因素主要包括有壓力傳感器的精度、試驗油溫以及供油泵站的油壓浪涌。這些因素在試驗過程中無法消除，導致測量結果的誤差。

對應解決方法：把未充油的試件總成固定在試驗臺架上，輸出端剛性地固定在中間位置，緩慢地旋轉(zhuǎn)試件的驅(qū)動端，測量試件的機械剛度曲線(見圖4)，分別在左右扭轉(zhuǎn)的升程曲線上取扭矩點L1、L2、R1、R2，再對點L1、L2以最小二乘法[5]方式作直線擬合與X軸(角度)相交于點θ1，對R1、R2作直線擬合與X軸(角度)相較于點θ2，θ2與θ1的差值記為θ，θ即為計算的自由間隙角度。用此種方式測量的自由間隙角度把扭桿的變形量也累加至試驗結果中，如果計算擬合點的扭矩值取點合適，可以減少試驗誤差，但不能完全消除。

3.3回正時間

(1)國家行業(yè)標準測量方法及其計算方法

將總成安裝在試驗臺架上，在有動力的情況下，在輸出端施加最大輸出力矩8%的載荷，分別測出輸入端從兩個極端位置回到中間位置的時間[3]。

(2)可能引起測量誤差原因分析及對策

按照標準要求在試驗過程中，輸出端加載為恒定8%的最大輸出力，但在實際測試中，總成試件的輸入端處于斷開狀態(tài)，恒定的試驗負載很難實現(xiàn)。在此，可以考慮轉(zhuǎn)變測試思想，先設定總成需要回正的時間，來監(jiān)測輸出端加載力矩的變化量是否達到設定試驗要求[6]。

在國家行業(yè)標準中，檢測的條件是固定加載力矩，測定回正時間，而實際中先固定回正時間，測定加載力矩在最大輸出力矩的8%范圍內(nèi)即可。

4　運用案例

在測試中，以對某型號循環(huán)球轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力特性曲線對稱度的測試結果比對為例。

(1)取樣點分別對應5.0、10.0、16.0MPa壓力狀態(tài)下，該產(chǎn)品對稱性為97.28%；

(2)按照上述改進測試方法，取樣點為不同壓力狀態(tài)下，樣本容量為20點、30點、50點、70點、80點、100點、120點狀態(tài)下產(chǎn)品對稱性分別為96.18%、95.59%、95.55%、94.86%、94.83%、94.15%、94.11%；

(3)經(jīng)計算機取點樣本容量擴大到無窮大后，其結論成正態(tài)分布結構。

5　結論

通過以上理論論述和實例可知：根據(jù)不同的電機特性選用相應的數(shù)學模型是能否獲得高精度擬合曲線結果的前提，去除壞點是提高數(shù)據(jù)有效性和準確性不可缺少的環(huán)節(jié)。LabVIEW強大的數(shù)學分析模塊為軟件編程人員提供了高效準確的數(shù)學工具，簡化了曲線擬合的算法，大大提升了開發(fā)效率。通過對大量不同型號的三相異步電動機型式試驗數(shù)據(jù)進行處理、計算，結果表明:通過壞值去除的方法得到的計算結果是可信的，提高了測量精度和數(shù)據(jù)處理的準確性，可更有效地指導產(chǎn)品開發(fā)與產(chǎn)品設計，大大提高了電機生產(chǎn)效率。

【1】秦松濤,唐雙利.汽車液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理與評價指標分析[J].華章，2009(19).

【2】紀國慶.論使用對汽車動力轉(zhuǎn)向的要求[C]//2013年度中國汽車工程學會轉(zhuǎn)向技術分會學術論文年會論文匯編,2013.

【3】QCT529-2013汽車液壓動力轉(zhuǎn)向器技術條件與試驗方法[S].

【4】QCT306-1999汽車動力轉(zhuǎn)向控制閥總成臺架試驗方法[S].

【5】最小二乘法參考資料.

【6】依維柯紅巖循環(huán)球企業(yè)標準.

InvestigationonthePerformanceTestMethodforRecirculatingBallTypePowerSteering

YANGWenchang

(ChinaAutomotiveEngineeringResearchInstitute,Chongqing400039,China)

Theconstructionoftherecirculatingballtypepowersteeringautomatictestsystemwasintroduced.Partofmeasuringmethodsandcalculationmethodsinnationalindustrystandardwereimproved,sothemeasurementresultsweremoreclosetothespecimen’sowncharacteristics.Thetestresultsshowthattheimprovedcalculatingmethodscanbeusedtoeffectivelyimprovethetestaccuracyandrepeatability.

Recirculatingballsteeringgear;Testsystem;LabVIEW

2016-04-21

楊文暢,男，碩士生，主要從事循環(huán)球轉(zhuǎn)向器檢測工作。E-mail:yangwenchang@caeri.com.cn。

U463.43

B

1674-1986(2016)07-079-04