王春龍,郁金龍,喬小兵
(一汽解放商用車開發(fā)院,吉林 長春 130011)
循環(huán)球式液壓動力轉(zhuǎn)向器總成(以下簡稱“轉(zhuǎn)向器總成”)是商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件,其最大輸出扭矩(即轉(zhuǎn)向器總成在額定工作壓力下的輸出扭矩)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎能力的體現(xiàn)。對于實際輸出扭矩的高估,將導致轉(zhuǎn)向驅(qū)動能力不足,為解決這一問題,常用的方法是通過提升助力系統(tǒng)壓力或增大轉(zhuǎn)向器總成缸徑,這將提高轉(zhuǎn)向油泵的工作壓力及排量,導致油溫及油耗升高,增大了系統(tǒng)負擔,系統(tǒng)可靠性風險增大;而對于實際輸出扭矩的低估,將會導致轉(zhuǎn)向器總成輸出能力及能源的不必要浪費,無法達到優(yōu)化設計的目的,因此,準確評估轉(zhuǎn)向器總成的實際輸出能力對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能匹配設計尤為重要。
在QC/T529[1]行業(yè)標準中,未對轉(zhuǎn)向器總成最大輸出扭矩的測試方法及評價做出要求,這也間接導致整個行業(yè)多年來對這一重要性能指標關注不夠,通過技術交流及調(diào)研了解到,國內(nèi)外具備測試能力的廠商只是通過測試少數(shù)幾個特征位置點(如中間位置)的最大輸出扭矩,來評估轉(zhuǎn)向器總成在全行程的的實際輸出能力,由于測試位置點少,存在較大的預估偏差風險。
結(jié)合多年現(xiàn)場測試經(jīng)驗,以及對供應商測試能力調(diào)研了解,國內(nèi)外目前對于最大輸出扭矩的測試方法主要采用以下兩種方式,如圖1,圖2所示。
圖1 測試方法一原理圖
圖2 測試方法二原理圖
兩種方法的主要區(qū)別在于測試傳感器選擇的不同,方案一選用拉壓力傳感器,方案二選用扭矩傳感器。具體測試步驟如下:
(1)在輸出端空載情況下,轉(zhuǎn)動輸入端至測試位置;
(2)按圖1或圖2所示方式,固定輸出端;
(3)連接油管,開啟泵站,按試驗條件要求,調(diào)節(jié)流量及油溫。
待油溫至試驗條件要求,分別向左右轉(zhuǎn)動輸入端,記錄輸出力(扭矩)與壓力的關系曲線,測試結(jié)果如圖3所示。
圖3 特定位置點測試結(jié)果曲線
傳統(tǒng)測試方案的缺點是只能進行單點測試,無法連續(xù)測試。當進行多點測試時,需通過反復拆卸工裝,調(diào)整測試位置,工作量大,效率低,即使低效的對多個位置點輸出扭矩進行測試,但依舊無法對轉(zhuǎn)向器總成在全行程的實際輸出能力進行全面準確的評估。
為解決測試效率低,對轉(zhuǎn)向器總成實際輸出能力評估不準確的問題,本文提出了一種基于PID閉環(huán)控制測試方案,實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向器總成最大輸出扭矩的連續(xù)測試。
圖4 測試原理圖
圖5 測試裝置原理圖
為得到額定工作壓力下,轉(zhuǎn)向器總成在全行程不同位置上的輸出扭矩,以額定工作壓力為控制目標,通過PID控制策略,得到輸入端及輸出端伺服電機控制電壓,通過信號傳輸,使輸出端及輸入端同時加載,通過壓力閉環(huán)控制,實時調(diào)節(jié)輸入端及輸出端加載,實現(xiàn)對目標壓力的控制,測試原理如圖4所示,測試裝置原理如圖5所示,現(xiàn)場測試裝置如圖6所示。
圖6 現(xiàn)場測試裝置
具體試驗步驟如下:
(1)按圖6所示,在轉(zhuǎn)向器總成中間位置,將樣品輸入端驅(qū)動裝置以及輸出端加載裝置與樣品相連;
(2)在轉(zhuǎn)向器總成進油口處安裝壓力傳感器,連接油管,連接壓力傳感器信號線;
(3)開啟泵站,設定試驗流量、油溫、目標壓力、系統(tǒng)壓力、測試行程幾個參數(shù)。
待油溫至設定溫度,點擊試驗程序,開始試驗,測試結(jié)果如圖7所示。
圖 7測試結(jié)果,目標壓力 15MPa,控制壓力基本在15.00-15.15MPa之間,控制精度1%,扭矩傳感器的測試精度在0.3%Fs,如圖8所示。
圖7 最大輸出扭矩測試結(jié)果曲線
圖8 壓力控制曲線
選取3件不同轉(zhuǎn)向器總成生產(chǎn)廠的樣品,分別編號為A、B、C,3件樣品的額定工作壓力均為15MPa,相關參數(shù)如表1所示。
表1 樣品主要參數(shù)
為便于觀察曲線走勢,同時鑒于左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)在曲線走勢差異較小,以及不同樣品全行程的差異,故截取單邊相同局部數(shù)據(jù)進行比較分析。由于不同轉(zhuǎn)向器總成的理論輸出扭矩不同,為體現(xiàn)其輸出能力,本文通過實測輸出扭矩與理論設計輸出扭矩的比值以體現(xiàn)其能力。
圖9 A樣品輸出扭矩測試曲線
圖10 B樣品輸出扭矩測試曲線
圖11 C樣品輸出扭矩測試曲線
表2 試驗結(jié)果
根據(jù)圖9~圖11,以及表2試驗結(jié)果,可以看出:
(1)三件樣品的實際輸出能力存在較大差異;
(2)C樣品輸出能力最佳;
(3)曲線左右位置無對稱性,無明顯規(guī)律性;
(4)B樣品的輸出扭矩穩(wěn)定性最差;
(5)綜合在輸出效率及穩(wěn)定性方面,C優(yōu)于A優(yōu)于B。
通過以上測試結(jié)果可以看出,曲線走勢無規(guī)律性可言,簡單通過幾個特征位置點的輸出扭矩預判轉(zhuǎn)向器總稱在全行程的實際輸出能力,存在較大誤判風險,最大值或均值不足以概括轉(zhuǎn)向器總成實際輸出能力,為保證轉(zhuǎn)向驅(qū)動能力,最小值才是整車匹配的關鍵,因此,唯有對于轉(zhuǎn)向器總成輸出扭矩的連續(xù)測試才能全面評估轉(zhuǎn)向器總成實際輸出能力,從而達到優(yōu)化匹配設計的目的。
結(jié)合表1設計參數(shù)及從表2的測試結(jié)果可以看出,在均值和最大值方面,設計參數(shù)更大的A、B樣品高于C樣品;在最小值方面,A樣品略高于C樣品,B樣品不如C樣品,這主要是由于實際輸出效率不同造成。C樣品雖然設計參數(shù)小,但較高的輸出效率保證了其輸出能力,而加大缸徑設計的A、B樣品,為改善原地轉(zhuǎn)向性能,增大了匹配的油泵的排量,但正常車速下,流量需求減少,而較大的排量將增大油泵內(nèi)循環(huán)量,致使助力系統(tǒng)油溫高,增加整車油耗等問題;而較大的工作流量,增大了系統(tǒng)的壓力損失[2],在轉(zhuǎn)向器總成同樣有效工作壓力下,進一步增大了油泵的工作壓力,而較大的排量、較高油溫及工作壓力,極大的增大了對于轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的可靠性亦風險。然而,從三件樣品的測試結(jié)果看,加大缸徑的A、B樣品并未有效解決轉(zhuǎn)向驅(qū)動能力不足的問題。因此,關注轉(zhuǎn)向器總成的實際輸出能力,關注其實際輸出效率,是優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配的關鍵;同時,壓縮同類產(chǎn)品供貨廠商實際輸出扭矩的差異區(qū)間,對于提升產(chǎn)品的互換性,提高整車性能穩(wěn)定性,尤為重要。
在測試壓力、流量、油溫等試驗條件一致的前提下,轉(zhuǎn)向器總成的實際輸出效率主要由機械傳動效率決定[3],而傳動效率的高低與設計參數(shù)及加工精度密不可分[4]。不同的設計參數(shù),將決定齒輪齒條傳動副的重合度,加工精度將影響傳動副的運動精度,從而影響傳動效率及其穩(wěn)定性。
從本文所列出的測試結(jié)果可以看出,測試結(jié)果無明顯規(guī)律性,不同供應商樣品性能差異明顯,因此,簡單依靠點測試最大輸出扭矩的方法無法準確評估轉(zhuǎn)向器總成的實際輸出能力,唯有通過對轉(zhuǎn)向器總成輸出扭矩的連續(xù)測試,才能準確評估轉(zhuǎn)向器總成的實際輸出能力水平,從而為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化匹配開發(fā),提供完整數(shù)據(jù),達到優(yōu)化匹配設計,提高系統(tǒng)可靠性及產(chǎn)品互換穩(wěn)定性,節(jié)能減排的目的。
針對QC/T529對這一重要性能指標要求缺失的現(xiàn)狀,應加快完善標準,提升行業(yè)對最大輸出扭矩這一重要性能指標的關注,進一步優(yōu)化設計,提高加工質(zhì)量,提升整個轉(zhuǎn)向器行業(yè)的制造水準。