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

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(zhǎng)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(hào)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(duì)試驗(yàn)臺(tái)需要滿足的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行確定。

對(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(hào)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(hào)的試件做試驗(yàn)時(shí)盡量減少夾具的更換次數(shù)，對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)試件做試驗(yàn)時(shí)更換不同的夾具。對(duì)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(hào)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(jiǎn)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(hào)的球頭拉桿球銷套長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(hào)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(duì)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(hào)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(zhǎng)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?cè)囼?yàn)角度時(shí)，只要將滑塊調(diào)到對(duì)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)。