伍穎，崔貴彪，郭龍飛

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)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(pán)傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)效率高，操縱輕便，機(jī)械磨損小，使用壽命長(zhǎng)，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)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(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢(shì)［1］。如日系公共汽車(chē)中使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的比重，由20世紀(jì)60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%，大、小型貨車(chē)中也大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，微型貨車(chē)用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65%。隨著車(chē)速的提高，汽車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性有更高的要求，循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗(yàn)旨在測(cè)試轉(zhuǎn)向器對(duì)沖擊負(fù)荷的抵抗能力。

1 循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與機(jī)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(dòng)力轉(zhuǎn)向器是在循環(huán)球式機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)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(chē)轉(zhuǎn)向器工作時(shí)主要受力偶扭轉(zhuǎn)作用。循環(huán)球動(dòng)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(fù)滾動(dòng)的小鋼球，將螺母螺桿之間的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇^小的滾動(dòng)摩擦，當(dāng)與方向盤(pán)轉(zhuǎn)向管柱固定到一起的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后，螺桿推動(dòng)螺母上下運(yùn)動(dòng)，螺母再通過(guò)齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂往復(fù)搖動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時(shí)，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(gè)獨(dú)立的液壓油腔。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥移動(dòng)到相應(yīng)的位置，從而使兩個(gè)獨(dú)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(dòng)轉(zhuǎn)向活塞，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向［4］。

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

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

由于試驗(yàn)測(cè)量要求精度較高，常規(guī)試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法滿足轉(zhuǎn)向器沖擊載荷要求。為確保試驗(yàn)順利且準(zhǔn)確地進(jìn)行，該沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)在電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)INSTRON 1251上完成。

2.1 試驗(yàn)機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)機(jī)由液壓動(dòng)力源、主機(jī) (負(fù)荷機(jī)架)和電氣控制臺(tái)組成。

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

主機(jī)由工作臺(tái)、橫梁、作動(dòng)器和夾具等組成，其載荷傳感器為±300 kN，是對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行加載的系統(tǒng)。

電氣控制臺(tái)是試驗(yàn)機(jī)的核心部分，提供邏輯控制和模擬控制，對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、顯示、處理和記錄［5］。

電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)通過(guò)試驗(yàn)助手5.1與工控機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)對(duì)液壓動(dòng)力源的控制［6－7］，從而完成作動(dòng)器的拉伸與壓縮動(dòng)作，并完成對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的采集工作。

2.2 試驗(yàn)操作

沖擊試驗(yàn)操作界面包括控制界面與監(jiān)測(cè)界面，如圖2所示，主要有4個(gè)主要部分:試驗(yàn)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(yàn)控制與監(jiān)測(cè)界面

各部分的主要功能如下:

(1)試驗(yàn)助手5.1是試驗(yàn)運(yùn)行的總程序，反映整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中液壓源的工作狀態(tài)，每個(gè)試驗(yàn)設(shè)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(yàn)過(guò)程中的主控制設(shè)備，可以控制液壓源啟動(dòng)與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)液壓源高壓工作與低壓工作的切換;向各個(gè)電液伺服閥發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的拉伸與壓縮控制;

(3)數(shù)字電壓表是試驗(yàn)過(guò)程中的顯示設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)的位移或載荷的當(dāng)前值與峰谷值進(jìn)行全程監(jiān)測(cè);

(4)雙蹤數(shù)字示波器動(dòng)態(tài)顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化曲線，提供指令信號(hào)與反饋信號(hào)的實(shí)時(shí)波形，直觀地反映當(dāng)前試驗(yàn)的工作效果。

3 試驗(yàn)參數(shù)

3.1 試驗(yàn)條件

在沒(méi)有特殊指定條件下，限制輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)按以下條件進(jìn)行試驗(yàn):

油溫:(95±5)℃ (如果沒(méi)有特殊指定);

液壓油:MS9602(或經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的同類(lèi)型的液壓油)，滿足其工作介質(zhì)需要。

3.2 試驗(yàn)要求

(1)6臺(tái)轉(zhuǎn)向器，每個(gè)方向先施加沖擊載荷4次后，轉(zhuǎn)向器外觀應(yīng)無(wú)異常 (無(wú)泄漏、裂紋等)。重復(fù)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足要求;

(2)每個(gè)方向在施加沖擊載荷6次后，重復(fù)性能測(cè)試;

(3)隨機(jī)抽取3臺(tái)，拆檢;

(4)另外3臺(tái)按以下條件繼續(xù)試驗(yàn)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?qǐng)D3三角波波形曲線進(jìn)行循環(huán)加載。

圖3 三角波波形加載曲線

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 工裝夾具設(shè)計(jì)

循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器夾持采用鋼板螺栓預(yù)緊［8］，將轉(zhuǎn)向器通過(guò)螺栓鎖緊至鋼板橫梁，底板通過(guò)螺栓與法蘭盤(pán)鎖緊至試驗(yàn)臺(tái)面，沖擊試驗(yàn)固定板件實(shí)物設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

4.2 總成安裝設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)INSTRON 1251結(jié)構(gòu)，循環(huán)球動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5，其中垂臂末端連接作動(dòng)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(yàn)設(shè)計(jì)圖

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)各參數(shù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，得到的載荷曲線如圖6所示，載荷反饋信號(hào)曲線與理論曲線吻合。

圖6 載荷曲線

對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器每做一個(gè)應(yīng)力水平的沖擊試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)參數(shù)和查看轉(zhuǎn)向器外觀，記錄試驗(yàn)失效數(shù)據(jù)，如表1所示。壓應(yīng)力失效均值為77.3 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為3.08，拉應(yīng)力失效均值為77.1 kN，標(biāo)準(zhǔn)差為3.38，沖擊試驗(yàn)失效載荷與預(yù)期試驗(yàn)結(jié)果相符。

表1 轉(zhuǎn)向器沖擊試驗(yàn)失效載荷 kN

6 結(jié)論

(1)循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗(yàn)工裝夾具及總成安裝設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性要求，能夠達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn);

(2)電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)INSTRON 1251系統(tǒng)結(jié)合輔助軟件試驗(yàn)助手5.1，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)的控制、循環(huán)球式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器沖擊試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。

［1］高軍.汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006.

［2］王愛(ài)榮.汽車(chē)循環(huán)球動(dòng)力轉(zhuǎn)向器研發(fā)［D］.荊州:長(zhǎng)江大學(xué)，2012.

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

［4］孫楠.電液伺服動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2012.

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

［6］王小立，周瑞平.基于CAD/CAE的汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器可靠性分析［J］.汽車(chē)科技，2008(4):23－26.

［7］程海林，趙武，吳軍.基于工控機(jī)的汽車(chē)轉(zhuǎn)向器扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)臺(tái)研制［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007(3):40－41.

［8］秦全權(quán)，劉旌揚(yáng)，郝金良.汽車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器臺(tái)架試驗(yàn)方法研究［J］.汽車(chē)技術(shù)，2009(7):40－43.