基于整车的转向系统耐久测试研究

李赛 陈泰吉 郑忠辉

摘 要：转向系统一般由方向盘、转向管柱、转向中间轴、转向器、转向拉杆等组成，是汽车的重要组成部分，其功能是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。为了考核其安全性，需要对转向系统进行耐久测试，而常规的测试都是基于台架进行的，与实车状态有一定的偏差。本文介绍一种基于整车的转向系统耐久测试，在整车中放置加载装置并完成相关测试，其结果更真实可靠。

关键词：转向系统 耐久测试 整车

1 概述

在汽车中，转向系统的功能是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向，对汽车的行驶安全至关重要，一般由方向盘、转向管柱、转向中间轴、转向器、转向拉杆等组成。

汽车转向系统分为机械转向系统和动力转向系统两大类。机械转向系统中的传力件都是机械的，转向的能源均来自驾驶员的体力。动力转向系统是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的，其转向的能源除了来自驾驶员的体力外，更多的是由发动机或者助力电机提供。动力转向系统因为节省了驾驶员的体力而得到了越来越多的应用，目前应用的主要包含液压式动力转向系统和电动助力动力转向系统，而在乘用车中，电动助力动力转向系统因其强大的控制功能和低成本优势占用了非常高的应用比例。

鉴于转向系统一旦出现故障就很可能导致严重的事故，所以对转向系统的可靠性要求非常高。考虑到乘用车中大多采用电动助力动力转向系统，本文针对此类转向系统的耐久测试进行研究，以验证其可靠性。

2 测试要求

电动助力动力转向系统主要由机械部分（主要包含转向管柱、转向中间轴、转向器、转向拉杆）及电动助力部分（助力电机、控制器）等组成，不论是哪部分出现问题，都可能导致严重的事故，因此，耐久试验要在电动助力部分工作的情况下进行。为了保证轮胎部分的摩擦力足够大，需要将前轮置于特制的摩擦板上边，其摩擦系数不低于0.8。试验前要将相应的紧固件拧到规定的扭矩，试验后测试残余扭矩。

3 测试过程

测试过程主要包括：转向拉杆的标定与安装、加载装置的安装、车辆状态的调整、采集装置的连接、程序的设定与运行、试验后的检查等。

3.1 转向拉杆的标定与安装

3.1.1 转向拉杆的标定

齿条力是EPS标定的重要依据，同时也是耐久试验的重要参数，在试验过程中需要实时监测。齿轮齿条转向器的结构使得直接测试齿条力十分困难，可以通过测出转向拉杆的力后再根据转向拉杆和齿条轴线的夹角关系计算出齿条力。

转向拉杆一端连接转向器，另一端连接转向节，其作用是将转向器中齿条的运动传递到转向节。转向拉杆的形状多为圆柱形，在一定范围内受到的拉力或压力时会产生微小的弹性变形，可以通过粘贴电阻应变片的方法来测试转向拉杆所受的力。设电阻应变片的初始电阻为R，产生应变时的电阻变化为，那么满足：

将转向拉杆通过工夹具连接到直线作动器，控制作动器逐渐增加作用力并采集力值F与惠斯通电桥输出电压，根据数据拟合出二者之间的关系式，至此完成了标定。

3.1.2 转向拉杆的安装

转向拉杆的安装如图3所示，将试验车辆放置在举升机上，然后举升到一定的高度，先完成转向拉杆与齿条的连接，再完成转向拉杆与转向节的连接，连接处均需拧紧至规定扭矩，并做好标记线。

待转向拉杆安装完成后，需要用四轮定位设备对试验车辆前轮的外倾角、前束进行检查，如果与目标值有所差别，需要进行调整，如图4所示。

3.2 加载装置的安装

加载装置包含由铝合金搭建的龙门支架以及一伺服电缸，其作用是驱动方向盘侧进行旋转，从而带动整个转向系统及车轮运动。该加载装置中的伺服电缸可以进行多自由度调节，最大输出扭矩可以达到200N.m，而且能同时记录加载的扭矩值和转角。该加载装置的安装步骤如下：

（1）拆掉驾驶员座椅和方向盘;

（2）安装过渡板，其作用是连接车身与加载装置;

（3）将加载装置的底座固定在过渡板上;

（4）调节伺服电缸到合适的位置并与管柱头连接。

安装好的加载装置如图5所示。

3.3 车辆状态的调整

3.3.1 配重与调壓

将车辆前轮置于轴荷仪上边，在车内放置沙袋直至前轴载荷达到试验工况所定的值，然后调整胎压至规定值。

3.3.2 车辆的固定

完成了配重与调压后，将车辆的前轮移动至摩擦板上，摩擦板的摩擦系数不低于0.8，见图6。在耐久试验过程中，加载装置会驱动方向盘侧的管柱做往复转动从而带动前轮往复摆动，在这个过程中车辆会向前移动以至于会脱离摩擦板，所以要对车辆进行固定。本文所采用的固定方式是用捆绑器固定住车辆的两个后轮。

3.3.3 冷却装置的安装

对于转向助力电机，在耐久试验过程中，其工作电流会长时间处于较大值从而导致温度比较高，所以需要进行冷却，本文采用风冷的方式。另外，控制器部分也要进行冷却，同样采用风冷的方式。

3.4 采集装置的连接

3.4.1 机械部分的采集

机械部分的采集包括方向盘侧的转角、加载的扭矩、转向拉杆上的力，其中方向盘侧的转角、加载的扭矩可以在加载装置对应的控制柜中直接采集和显示;对于转向拉杆上的力值，需要将惠斯通电桥的线路接到加载装置对应的控制柜中其余通道，然后设定好相应的灵敏度，即可进行采集与显示。

3.4.2 CAN信号及温度信号的采集

要采集的CAN信号包括助力电机的电流、助力装置中扭矩传感器的扭矩，所用的设备为单独的数采系统，主要目的是判断在试验过程中助力功能是否丧失或者下降。

要采集的温度信号包括助力电机外壳的温度以及控制器外壳的温度。由于加载过程中助力电机的电流会一直比较大，在进行了一些循环之后会触发热保护而导致助力装置停止工作，这样的话试验无法继续进行。为了避免上述情况的出现，需要把热保护机制去掉，但是这就有可能使助力电机与控制器因温度过高而损坏，所以要对其温度进行实时监控。在助力电机外壳以及控制器外壳粘贴温度传感器，再连接到相应的采集装置，当发现温度值超过一定限值后需要及时停止试验，需要指出的是，在制定温度限值的时候要考虑助力电机和控制器的内部温度与外部温度存在一定差异的情况。

3.5 程序的设定与运行

根据定好的试验条件完成程序的设定，本文中的试验条件为：车辆处于点火状态，方向盘侧从直线行驶位置开始，顺时针转到规定的扭矩值，然后逆时针转到规定的扭矩值，再回到直线行驶位置，至此为一个循环，根据规定的试验次数完成所有循环。如果按照恒定的转速运行，在运动到极限位置时会产生冲击，为了避免这个问题，需要分段运行：

（1）从直线行驶位置开始按规定转速顺时针转到接近极限位置处;

（2）按较低转速顺时针转到规定的扭矩值;

（3）按规定转速逆时针转到接近极限位置处;

（4）按较低转速逆时针转到规定的扭矩值;

（5）按规定转速顺时针转到直线行驶位置。

待运行程序设定好之后，打开冷却装置和数采装置，开始进行试验。试验过程中要注意如下：

（1）保证车轮一直处于摩擦板上边;

（2）定时检查轮胎的磨损情况，如果磨损严重要及时更换轮胎;

（3）定时检查助力电机外壳的温度以及控制器外壳的温度，出现异常及时停止;

（4）定时检查助力电机的电流，出现电流消失或者过低情况要及时停止;

（5）车辆发生异响要及时停止。

3.6 试验后的检查

3.6.1 前轮的检查

试验后，需要用四轮定位设备对前轮的外倾角、前束进行檢查。

3.6.2 转向系统的检查

试验后检查转向系统的功能损伤、可目视塑性变形等，另外，对管柱安装点、中间轴安装点、转向拉杆与转向节连接点、转向器安装点的残余力矩。

3.6.3 其他检查

其他检查主要包括：三角臂到副车架和转向节安装点、减振器到转向节安装点等的残余力矩。

4 结论

电动助力动力转向系统在乘用车中的应用比例非常高，常规的转向系统耐久测试都是在台架中进行，与实际情况有一定差距，本文所采取的基于整车的转向系统耐久测试可以与实际情况非常接近，另外，还能对前轮的外倾角、前束以及三角臂、减振器安装点扭矩进行考核。在试验过程中，可以对方向盘侧的转角、加载的扭矩、转向拉杆上的力、助力电机的电流、助力装置中扭矩传感器的扭矩进行实时监控和记录，一方面可用于判断耐久测试是否在正常运行中，另一方面可以用直观的数据来观察转向系统的功能变化情况。当然，该测试方法也存在着成本较高、测试周期长等缺点。后续需要开展的工作有：优化摩擦板的结构，开展商用车的转向系统耐久测试研究等。

参考文献：

[1]苏桥，陈浩.齿轮齿条式转向器齿条力测试方法研究[J].汽车实用技术，2019，2：85-88.

[2]王文建，张雷.转向器最大齿条力的计算与验证[J].客车技术与研究，2015，4：34-36.