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        汽車轉(zhuǎn)向球頭拉桿耐磨持久試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)

        2021-11-10 09:44:04楊磊徐家川馮賽蘇澤鵬楊建強(qiáng)

        楊磊,徐家川,馮賽,蘇澤鵬,楊建強(qiáng)

        (山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

        汽車轉(zhuǎn)向球頭拉桿是汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的重要零件,它直接影響汽車操縱的穩(wěn)定性、運(yùn)行的安全性和輪胎的使用壽命[1]。新開發(fā)的產(chǎn)品在量產(chǎn)之前必須進(jìn)行耐磨持久試驗(yàn),如果直接在實(shí)車上進(jìn)行試驗(yàn),不僅存在試件安裝困難、試驗(yàn)周期較長的問題,而且會(huì)造成整車的損耗,因而不切實(shí)際。為解決在實(shí)車上試驗(yàn)的缺陷,通常會(huì)選擇在試驗(yàn)臺(tái)上模擬球頭拉桿在實(shí)車上的受力和運(yùn)動(dòng)情況[2],但是現(xiàn)有的一些球頭拉桿耐磨持久試驗(yàn)臺(tái)存在更換試件時(shí)需重新更換夾具、球銷球心位置不易保證、試件擺角調(diào)節(jié)不方便等諸多問題[3]。因此設(shè)計(jì)一種能夠模擬球頭拉桿在實(shí)車上的受力和運(yùn)動(dòng)情況且適用于多種型號試件的、易于操作的新型試驗(yàn)臺(tái)是實(shí)際所需。

        1 球頭拉桿受力和運(yùn)動(dòng)情況分析

        轉(zhuǎn)向球頭拉桿由內(nèi)拉桿總成和外拉桿總成兩部分組成,內(nèi)、外總成分別由防塵罩、球銷套、球銷、球銷座等零件組成[4],如圖1所示。

        圖1 典型的轉(zhuǎn)向球頭拉桿構(gòu)造示意圖Fig.1 A schematic diagram of a typical steering ball head tie rod

        球頭拉桿實(shí)車受力及運(yùn)動(dòng)情況如圖2、圖3所示[5]。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向器齒條推(拉)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪將使外拉桿總成軸向受到±F的力,轉(zhuǎn)向梯形角度變化將使球頭銷產(chǎn)生±V的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6]。車輪的上下跳動(dòng)將使球頭銷產(chǎn)生角度為±S的擺動(dòng)[7]。內(nèi)拉桿總成因工作時(shí)與外拉桿總成相接,故軸向受力和外拉桿總成受力相等,球銷擺動(dòng)角度也相等。

        圖2 外拉桿總成受力及運(yùn)動(dòng)示意圖Fig. 2 Force diagram of outer pull rod assembly

        圖3 內(nèi)拉桿總成受力及運(yùn)動(dòng)示意圖Fig. 3 Force diagram of inner pull rod assembly

        2 試驗(yàn)要求及試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)的確定

        2.1 試驗(yàn)要求

        結(jié)合球頭拉桿在輕型車及微型車上的受力情況,并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 648—2015 《汽車轉(zhuǎn)向拉桿總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》,對試驗(yàn)臺(tái)需要滿足的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。

        對于外拉桿總成一般要求球銷轉(zhuǎn)動(dòng)角度α≥±40°或車輛最大轉(zhuǎn)角的80%,轉(zhuǎn)動(dòng)重復(fù)速率為0.3~1 Hz;軸向載荷為前軸載荷的1/4,大小取為5.1 kN的對稱循環(huán)交變力,加載速度為0.1~1 Hz;球銷擺角θ≥±12°,擺動(dòng)重復(fù)速率為1~3 Hz[8]。

        對于內(nèi)拉桿總成一般要求擺角θ≥±20°或車輛設(shè)計(jì)最大擺角(撞擊回彈和轉(zhuǎn)向擺角)的80%,擺動(dòng)重復(fù)速率為1~1.5 Hz;軸向載荷、載荷加載速度與外拉桿總成相同。

        2.2 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

        根據(jù)以上要求確定試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)如下[9]:

        擺動(dòng)角度 ±30°連續(xù)可調(diào);

        回轉(zhuǎn)角度 ±45°連續(xù)可調(diào);

        擺動(dòng)頻率 0~4 Hz連續(xù)可調(diào);

        回轉(zhuǎn)頻率 0~3 Hz連續(xù)可調(diào);

        加載力 ±5.1 kN連續(xù)可調(diào);

        加載頻率 0~2 Hz。

        3 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案及工作原理

        本文試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)樣機(jī)如圖4所示,由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)三部分組成。

        圖4 試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)樣機(jī)Fig.4 Test bed prototype

        3.1 機(jī)械部分

        機(jī)械部分主要功能是模擬球頭拉桿在實(shí)車上的運(yùn)動(dòng)及受力情況,如圖5所示。件15為被試外拉桿總成,其受力及運(yùn)動(dòng)要求如圖2所示,完成此功能原理如下:將件15的球銷與件14用螺母裝在一起,另一端裝在件16上(圖中已裝上),試件裝夾完成。啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),液壓缸輸出力,該力通過力臂傳給試件,馬達(dá)a經(jīng)減速器11帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),偏心輪通過擺動(dòng)機(jī)構(gòu)12、13帶動(dòng)框架6擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)試件的擺動(dòng),馬達(dá)b安裝在件6上,可以隨件6一起運(yùn)動(dòng),馬達(dá)b工作時(shí)可以帶動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)13實(shí)現(xiàn)球銷的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為滿足不同產(chǎn)品不同廠家的試驗(yàn)要求,可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的參數(shù)來調(diào)節(jié)軸向載荷和加載頻率,調(diào)節(jié)偏心輪的偏心距來調(diào)節(jié)擺動(dòng)角度和回轉(zhuǎn)角的大小。

        1.液壓缸;2.馬達(dá)b;3、8.偏心輪;4、7.力臂; 5、12.擺臂;6.框架;9.紅外計(jì)數(shù)器;10.馬達(dá)a; 11. 蝸輪蝸桿減速器;13.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu); 14.外球銷總成夾具;15.試件;16.夾具;17.底座。圖5 外拉桿總成試驗(yàn)安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of test and installation of outer pull rod assembly

        內(nèi)拉桿總成試驗(yàn)裝夾比較簡單,其在實(shí)車上的受力及運(yùn)動(dòng)情況如圖3所示。球銷軸向受拉壓力并繞球銷套擺動(dòng),此功能工作原理如圖6所示,拆下圖4中的件14、15、16換裝件3、2、1,啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),液壓缸輸出力,該力通過力臂傳給試件,馬達(dá)a工作使球銷繞球銷套擺動(dòng),由于內(nèi)拉桿總成試驗(yàn)時(shí)不要求球銷做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),故試驗(yàn)過程中馬達(dá)b不工作,試件軸向載荷大小、頻率、擺動(dòng)角度的調(diào)節(jié)方法與外拉桿總成試驗(yàn)的調(diào)節(jié)方法相同。

        1.夾具;2.內(nèi)拉桿總成;3.內(nèi)球銷總成夾具。圖6 內(nèi)拉桿總成試驗(yàn)安裝示意圖Fig.6 Schematic diagram of test and installation of inner pull rod assembly

        3.1.1 外拉桿總成固定夾具的設(shè)計(jì)

        外拉桿總成的球銷運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜,不僅做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),還要做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),球銷端部存在一定的錐度,且不同型號的產(chǎn)品端面錐度有所不同,故試驗(yàn)時(shí)裝夾較困難。為保證在試驗(yàn)過程中試件不發(fā)生松動(dòng)和旋轉(zhuǎn),并且不同型號的試件做試驗(yàn)時(shí)盡量減少夾具的更換次數(shù),對圖5中的件14進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖7所示,球銷的錐面先與錐套配合,錐套的內(nèi)孔存在與球銷一樣的錐度,錐套外部與外球銷總成固定在夾具上的安裝孔以螺紋的形式配合,不同型號的錐套內(nèi)部錐孔會(huì)有所不同,但錐套外部相同,能夠與固定夾具上的內(nèi)螺紋相旋合。當(dāng)不同型號的產(chǎn)品做試驗(yàn)時(shí)只需更換不同的錐套,不需更換件3,可以減輕工作量。

        1.外拉桿球銷;2.錐套;3.外球銷總成夾具;4.緊固螺母。圖7 外拉桿球銷總成的固定夾具示意圖Fig.7 Schematic diagram of fixed clamp for the ball pin assembly of external tie rod

        3.1.2 內(nèi)拉桿總成固定夾具的設(shè)計(jì)

        不同型號的內(nèi)拉桿總成球銷套上的螺紋會(huì)有所不同,而試驗(yàn)時(shí)內(nèi)拉桿球銷套需要與夾具以螺紋旋合的方式固定,為避免不同型號試件做試驗(yàn)時(shí)更換不同的夾具。對圖6中的件3進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖8所示,試驗(yàn)時(shí)先選擇合適的螺紋套2與試件球銷套螺紋1旋合裝在一起,螺紋套上內(nèi)螺紋與球銷套上的螺紋旋合,外螺紋可以與夾具3旋合,不同的螺紋套內(nèi)螺紋不同,但外螺紋均能夠與固定夾具相旋合,當(dāng)不同型號的產(chǎn)品做試驗(yàn)時(shí)只需更換不同的螺紋套即可,使試驗(yàn)操作更加簡便。

        1.內(nèi)拉桿球銷套螺紋;2.螺紋套;3.內(nèi)球銷總成夾具。圖8 內(nèi)球銷總成的固定夾具示意圖Fig.8 Schematic diagram of fixed clamp for the inner ball pin assembly

        3.1.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

        無論內(nèi)拉桿總成還是外拉桿總成試驗(yàn),試驗(yàn)過程中都需保證球銷球心在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心位置,以保證試件運(yùn)動(dòng)角度與擺臂擺動(dòng)角度相同,但是不同型號的球頭拉桿球銷套長度不一,使得球心位置難以保證,傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)通過移動(dòng)液壓缸與框架的相對位置來滿足要求,操作繁瑣。為解決這一問題,設(shè)計(jì)可調(diào)式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖9所示,該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓2與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3上螺紋的旋合長度來調(diào)整球心位置,調(diào)整完成后旋緊緊固螺母1防止螺栓松動(dòng),這種設(shè)計(jì)可以使不同型號的試件試驗(yàn)時(shí)球心的位置得到保證。

        1.緊固螺母;2.調(diào)節(jié)螺栓;3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。圖9 可調(diào)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.9 Diagram of retractable mechanism

        3.1.4 偏心輪的設(shè)計(jì)

        試件運(yùn)動(dòng)角度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)偏心距來實(shí)現(xiàn)的,但如果馬達(dá)不工作,偏心輪不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng),傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)需要通過不斷啟、停設(shè)備來調(diào)節(jié)偏心滑塊的位置,如圖10所示。

        傳統(tǒng)方法使得角度調(diào)節(jié)比較困難,考慮到試驗(yàn)的可操作性與便捷性,對偏心輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以擺角調(diào)節(jié)為例,通過幾何方法得出偏心距與搖臂擺角的關(guān)系,將刻度標(biāo)注在偏心輪上,這樣不同型號的試件做試驗(yàn)時(shí)就可以通過調(diào)節(jié)不同的偏心距來滿足不同運(yùn)動(dòng)角度的要求。偏心距與試件擺角滿足關(guān)系如圖11所示,減速器的輸出軸位于A點(diǎn),與擺臂處于豎直向下位置時(shí)的下端B點(diǎn)處于同一水平線上,擺臂繞點(diǎn)O擺動(dòng)時(shí)到達(dá)的兩極限位置分別記為C、D兩點(diǎn),分別以C、D為圓心,力臂L為半徑畫圓,兩圓分別與CD所在直線交于E、F兩點(diǎn),則

        EF=CD=2Lcosθ

        (1)

        式中:L為搖臂的長度;θ為擺臂擺到極限位置時(shí)的擺角。

        圖11 偏心距與擺角關(guān)系示意圖Fig.11 Schematic diagram of motor section

        當(dāng)擺臂在兩極限位置時(shí),偏心輪上決定偏心距的滑塊分別位于H、G兩點(diǎn),即HG=2e,如圖12所示,在點(diǎn)E、F、G、H構(gòu)成的四邊形中EF//HG,則線段HG和EF滿足

        HG=EF-2hcos∠EHG

        (2)

        式中:h為線段EF、HG之間的距離,由于∠EHG≈90°故cos∠EHG≈0,HG近似等于EF,即

        2e=HG=2Lcosθ

        (3)

        e=Lcosθ

        (4)

        圖12 偏心滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.12 Schematic diagram of eccentric slide track

        在工作時(shí),偏心輪上決定偏心距的滑塊是以點(diǎn)A為圓心、偏心距e為半徑做圓周運(yùn)動(dòng),所以可根據(jù)式(4)在偏心輪上標(biāo)注表示不同偏心距的刻度,當(dāng)需要改變試驗(yàn)角度時(shí),只要將滑塊調(diào)到對應(yīng)的刻度即可,回轉(zhuǎn)偏心輪的設(shè)計(jì)方法相同。

        3.2 液壓系統(tǒng)

        液壓系統(tǒng)原理如圖13所示。液壓泵輸出壓力油,經(jīng)三位四通電磁換向閥后流向單活塞雙作用液壓缸,電磁換向閥控制壓力油的流向使油缸輸出正、負(fù)力(液壓缸的活塞面積等于1/2油缸面積,使輸出的正、負(fù)力相等),改變電磁換向閥的換向周期可以改變載荷換向頻率,調(diào)壓閥可以改變載荷大小,溢流閥起到保護(hù)油路安全的作用[10]。

        1.液壓缸;2.三位四通電磁換向閥; 3.調(diào)壓閥;4.溢流閥;5.液壓泵。圖13 液壓系統(tǒng)原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of hydraulic system principle

        3.3 電氣系統(tǒng)

        電氣系統(tǒng)主要完成以下功能:a計(jì)數(shù),把紅外線發(fā)射頭和接收頭做成一個(gè)紅外探頭安裝在機(jī)架上,在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的輸出軸上安裝一個(gè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的干擾塊,當(dāng)干擾塊在探頭前出現(xiàn)時(shí)發(fā)射頭發(fā)射的紅外線反射給接收頭,探頭輸出一個(gè)脈沖給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)傳感器采用的無觸點(diǎn)開關(guān)如圖14所示;b通過控制電磁換向閥的換向頻率來控制加載液壓缸的加載頻率;c控制溫度,在試驗(yàn)時(shí)球銷和球銷座會(huì)因摩擦產(chǎn)生熱量,當(dāng)溫度大于設(shè)計(jì)溫度時(shí),即判斷產(chǎn)品不合格,預(yù)置溫度范圍為0~150 ℃。試驗(yàn)時(shí)將微型PN結(jié)傳感器粘在產(chǎn)品外殼。

        圖14 計(jì)數(shù)原理示意圖Fig.14 Schematic diagram of counting principle

        4 結(jié)束語

        本轉(zhuǎn)向球頭拉桿耐磨持久試驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)了同類試驗(yàn)臺(tái)所存在的不足,機(jī)械設(shè)計(jì)合理,性能穩(wěn)定,通用性強(qiáng),不僅能夠很好地模擬球頭銷在實(shí)車上的受力及運(yùn)動(dòng)情況,而且還能縮短試驗(yàn)前的準(zhǔn)備時(shí)間,經(jīng)某球頭拉桿工廠試用,本試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)前的平均安裝、調(diào)試時(shí)間僅需30 min,與傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)相比縮短了20 min,能更好地為生產(chǎn)服務(wù)。

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