循环球式助力转向器的性能检测方法探讨

杨文畅

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 400039)



循环球式助力转向器的性能检测方法探讨

杨文畅

(中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 400039)

简介循环球式助力转向器高精度自动测试系统的构建，对国家行业标准要求的部分测量方法和计算方式进行了改进，使得测量结果更接近于试件的自身特性。试验结果表明：用改进的计算方法来计算，可以有效提高试验结论的准确性和重复性。

循环球助力转向器；测试系统；LabVIEW

0　引言

近年来伴随着我国汽车工业的迅速发展以及人们对汽车驾驶的舒适性、安全性要求的不断提高，作为汽车重要零部件之一的助力转向器生产水平有了很大的提升，同时助力转向器的结构各不相同。评价助力转向器的实际性能能否满足人们对汽车的要求，不能光凭借驾驶员的直观感觉，还必须要更为严谨的试验数据作为支撑。基于循环球式助力转向器的传动效率高、操作轻便、磨损小、寿命长、在国内外被广泛使用的特点，文中将以循环球式助力转向器为试验对象，以LabVIEW为软件工具设计一套高精度自动检测系统，对转向器的关键性能评价指标进行测试，客观地分析转向器的性能特征。为增加测试结论的准确性和重复性，分析了现有国家行业标准提出的测试方法或计算方法可能引起测量误差的原因，并针对性地提出了部分修改和改进，并对两者的测试结果进行了分析和比对。

1　转向器性能的评价指标

转向器是专门用来改变和恢复汽车行驶方向的基础机构，是汽车稳定、安全行驶的基本保证，因而对其性能评价就显得格外重要，文中只针对部分关键性能评价指标[1](转向力特性、转向灵敏度、自由间隙以及回正性能)进行阐述。

转向力特性。该项指标是针对转向的轻便性[2]提出，表述为驾驶员在旋转方向盘时手力矩要小，标准要求转向力特性曲线的对称度不能低于85%[3]，最大工作压力时，左右力矩不宜过大。

转向灵敏度。该项指标是针对转向的灵敏性[2]提出，表述为在驾驶过程中旋转方向盘时，转向车轮能及时地获得相应摆转角度。该项指标只与转向系中的传动比有关，而在转向器设计时传动比的选取要兼顾转向轻便性和转向灵敏性，对于助力转向器转向轻便性有足够保障，所以下文中就不对传动比进行描述。

自由间隙。该项指标是针对转向的随动性[2]提出，表述为转向车轮跟随旋转方向盘动作的快慢程度。在标准上体现的测试量是自由间隙和灵敏度曲线的对称度，要求自由间隙不能大于5°[3]。

回正性能。该项指标是针对转向的自动回正功能[2]提出，表述为转向车轮能从已经偏离直线行驶位置自动回正到直线行驶位置的能力，在标准上体现的测试量是回正时间，要求回正时间不能大于5s[3]。

2　转向器性能的测试系统

该测试系统主要由机械、电控两子系统组成。机械系统是试验台架的硬件基础，与电控系统协调配合完成各项测试任务，电控系统则为整个系统提供动力、测量、监控等。

2.1机械系统

机械系统总体上采用开放式结构，主要由试验台底板、驱动装置、驱动调节装置、输出端加载装置、试件夹紧装置及液压系统组成，其结构原理如图1所示。驱动装置采用交流伺服电机，可实现较大范围内的无级调速，配合减速机后获得较为合适的试验转速，再与扭矩传感器通过联轴器连接在同一轴线上。驱动电机与扭矩传感器间的连接采用机械抱紧装置，当扭矩值超过规定值时，联轴器以打滑的方式有效地保护传感器和试验样件。输出端加载装置采用伺服油缸通过万向连接轴与试件输出端连接，根据伺服控制卡控制伺服油缸的动作来对试件进行加载。试件夹紧装置以油缸伸缩的方式机械地松开或者固定试件输出端。试件供油和伺服油缸加载采用两套独立的油路系统，分别控制来保证试验过程中试件需要加载的试验压力。

2.2电控系统

电控系统的硬件安装在独立的电气控制柜中，主要包括工控机、液晶显示器、多功能数据采集卡、伺服电机驱动器和电源控制开关等，各种硬件间的数据交换如图2所示。工控机提供人机交互界面，实现用户操作和输出显示功能。多功能数据采集卡、电机运动控制卡直接安装在工控机的PCI插槽中，以PCI总线方式进行数据交换。伺服控制卡则控制伺服油缸的动作，它与工控机间采用TCP/IP方式相连。

电控系统的软件开发采用NI公司的LabVIEW, 该软件是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，内部提供功能强大的信号处理和数学分析模块，其中包括积分、微分、回归分析、曲线拟合、曲线插值等工具。应用LabVIEW进行数据测量将大大简化开发人员的工作量，提高了开发效率，使复杂的测试、测量任务变得简单易行。

3　基于国家行业标准的改进测试方法探讨

3.1转向力特性曲线对称度

3.1.1国家行业标准测量方法及其计算方法

将试件总成安装在测试试验台架上，输出端刚性地固定在中间位置，以0.5r/min分别向两个方向转动输入端，工作压力达到pz时为止[3]，绘制输入扭矩与供油液压的关系曲线。曲线对称度计算方法[4]如下：

(1)由po到pmax段沿纵坐标分成n等分，得n对小块。每小块近似一梯形。如果左、右最大油压不等，则以两者间的最小值计算(见图3)。

(2)分别测量梯形中线的长度，并成对排列：

右转时：a1、a2、…、an；

左转时：b1、b2、…、bn。

(3)每一对进行比较。即a1与b1比较，a2与b2比较；……；an与bn比较，比较后取其中较小值，得到L1、L2、…、Ln。

(4)曲线对称性Ke由下式计算：

3.1.2可能引起测量误差原因分析及对策

(1)按照标准要求试验时试件输出端固定在中间位置，而对于测试系统来说驱动端的扭矩值可能不在零点位置，这样就导致手力特性曲线不关于Y轴(压力)对称，按照上述方式来计算对称性时误差较大。

对应解决方法：在试验测试时，固定试件输出端在中间位置后，对驱动端进行1次预加载扭矩，最终使得扭矩回到零点位置，再进行试验测试，这样就严格保证了手力特性曲线关于Y轴(压力)对称，如图3所示。

(2)对称性的计算方法采用任意取点计算，如果取样点太少，就不能真实地反映当前曲线的对称性。

3.2自由间隙

(1) 国家行业标准测量方法及其计算方法

将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在中间位置，在有动力情况下，平稳、缓慢地转动驱动端，测量两个方向总成进油口压力增加0.1MPa时驱动端转过的角度[3]。

(2) 可能引起测量误差原因分析及对策

按照标准要求自由间隙为试件进油口压力增加0.1MPa时驱动端转动的角度，而对于0.1MPa的测量精度影响因素主要包括有压力传感器的精度、试验油温以及供油泵站的油压浪涌。这些因素在试验过程中无法消除，导致测量结果的误差。

对应解决方法：把未充油的试件总成固定在试验台架上，输出端刚性地固定在中间位置，缓慢地旋转试件的驱动端，测量试件的机械刚度曲线(见图4)，分别在左右扭转的升程曲线上取扭矩点L1、L2、R1、R2，再对点L1、L2以最小二乘法[5]方式作直线拟合与X轴(角度)相交于点θ1，对R1、R2作直线拟合与X轴(角度)相较于点θ2，θ2与θ1的差值记为θ，θ即为计算的自由间隙角度。用此种方式测量的自由间隙角度把扭杆的变形量也累加至试验结果中，如果计算拟合点的扭矩值取点合适，可以减少试验误差，但不能完全消除。

3.3回正时间

(1)国家行业标准测量方法及其计算方法

将总成安装在试验台架上，在有动力的情况下，在输出端施加最大输出力矩8%的载荷，分别测出输入端从两个极端位置回到中间位置的时间[3]。

(2)可能引起测量误差原因分析及对策

按照标准要求在试验过程中，输出端加载为恒定8%的最大输出力，但在实际测试中，总成试件的输入端处于断开状态，恒定的试验负载很难实现。在此，可以考虑转变测试思想，先设定总成需要回正的时间，来监测输出端加载力矩的变化量是否达到设定试验要求[6]。

在国家行业标准中，检测的条件是固定加载力矩，测定回正时间，而实际中先固定回正时间，测定加载力矩在最大输出力矩的8%范围内即可。

4　运用案例

在测试中，以对某型号循环球转向器转向力特性曲线对称度的测试结果比对为例。

(1)取样点分别对应5.0、10.0、16.0MPa压力状态下，该产品对称性为97.28%；

(2)按照上述改进测试方法，取样点为不同压力状态下，样本容量为20点、30点、50点、70点、80点、100点、120点状态下产品对称性分别为96.18%、95.59%、95.55%、94.86%、94.83%、94.15%、94.11%；

(3)经计算机取点样本容量扩大到无穷大后，其结论成正态分布结构。

5　结论

通过以上理论论述和实例可知：根据不同的电机特性选用相应的数学模型是能否获得高精度拟合曲线结果的前提，去除坏点是提高数据有效性和准确性不可缺少的环节。LabVIEW强大的数学分析模块为软件编程人员提供了高效准确的数学工具，简化了曲线拟合的算法，大大提升了开发效率。通过对大量不同型号的三相异步电动机型式试验数据进行处理、计算，结果表明:通过坏值去除的方法得到的计算结果是可信的，提高了测量精度和数据处理的准确性，可更有效地指导产品开发与产品设计，大大提高了电机生产效率。

【1】秦松涛,唐双利.汽车液压动力转向系统的工作原理与评价指标分析[J].华章，2009(19).

【2】纪国庆.论使用对汽车动力转向的要求[C]//2013年度中国汽车工程学会转向技术分会学术论文年会论文汇编,2013.

【3】QCT529-2013汽车液压动力转向器技术条件与试验方法[S].

【4】QCT306-1999汽车动力转向控制阀总成台架试验方法[S].

【5】最小二乘法参考资料.

【6】依维柯红岩循环球企业标准.

InvestigationonthePerformanceTestMethodforRecirculatingBallTypePowerSteering

YANGWenchang

(ChinaAutomotiveEngineeringResearchInstitute,Chongqing400039,China)

Theconstructionoftherecirculatingballtypepowersteeringautomatictestsystemwasintroduced.Partofmeasuringmethodsandcalculationmethodsinnationalindustrystandardwereimproved,sothemeasurementresultsweremoreclosetothespecimen’sowncharacteristics.Thetestresultsshowthattheimprovedcalculatingmethodscanbeusedtoeffectivelyimprovethetestaccuracyandrepeatability.

Recirculatingballsteeringgear;Testsystem;LabVIEW

2016-04-21

杨文畅,男，硕士生，主要从事循环球转向器检测工作。E-mail:yangwenchang@caeri.com.cn。

U463.43

B

1674-1986(2016)07-079-04