汽车转向球头拉杆耐磨持久试验台的开发

杨磊，徐家川，冯赛，苏泽鹏，杨建强

(山东理工大学 交通与车辆工程学院,山东 淄博 255049)

汽车转向球头拉杆是汽车转向机构中的重要零件,它直接影响汽车操纵的稳定性、运行的安全性和轮胎的使用寿命[1]。新开发的产品在量产之前必须进行耐磨持久试验，如果直接在实车上进行试验,不仅存在试件安装困难、试验周期较长的问题，而且会造成整车的损耗,因而不切实际。为解决在实车上试验的缺陷，通常会选择在试验台上模拟球头拉杆在实车上的受力和运动情况[2]，但是现有的一些球头拉杆耐磨持久试验台存在更换试件时需重新更换夹具、球销球心位置不易保证、试件摆角调节不方便等诸多问题[3]。因此设计一种能够模拟球头拉杆在实车上的受力和运动情况且适用于多种型号试件的、易于操作的新型试验台是实际所需。

1 球头拉杆受力和运动情况分析

转向球头拉杆由内拉杆总成和外拉杆总成两部分组成，内、外总成分别由防尘罩、球销套、球销、球销座等零件组成[4]，如图1所示。

图1 典型的转向球头拉杆构造示意图Fig.1 A schematic diagram of a typical steering ball head tie rod

球头拉杆实车受力及运动情况如图2、图3所示[5]。当车辆转向时，转向器齿条推(拉)动转向轮将使外拉杆总成轴向受到±F的力，转向梯形角度变化将使球头销产生±V的回转运动[6]。车轮的上下跳动将使球头销产生角度为±S的摆动[7]。内拉杆总成因工作时与外拉杆总成相接，故轴向受力和外拉杆总成受力相等，球销摆动角度也相等。

图2 外拉杆总成受力及运动示意图Fig. 2 Force diagram of outer pull rod assembly

图3 内拉杆总成受力及运动示意图Fig. 3 Force diagram of inner pull rod assembly

2 试验要求及试验台参数的确定

2.1 试验要求

结合球头拉杆在轻型车及微型车上的受力情况，并依据相关标准QC/T 648—2015 《汽车转向拉杆总成性能要求及台架试验方法》，对试验台需要满足的相关参数进行确定。

对于外拉杆总成一般要求球销转动角度α≥±40°或车辆最大转角的80%，转动重复速率为0.3～1 Hz；轴向载荷为前轴载荷的1/4，大小取为5.1 kN的对称循环交变力，加载速度为0.1～1 Hz；球销摆角θ≥±12°，摆动重复速率为1～3 Hz[8]。

对于内拉杆总成一般要求摆角θ≥±20°或车辆设计最大摆角(撞击回弹和转向摆角)的80%，摆动重复速率为1～1.5 Hz；轴向载荷、载荷加载速度与外拉杆总成相同。

2.2 试验台参数

根据以上要求确定试验台的参数如下[9]：

摆动角度 ±30°连续可调；

回转角度 ±45°连续可调；

摆动频率 0～4 Hz连续可调；

回转频率 0～3 Hz连续可调；

加载力 ±5.1 kN连续可调；

加载频率 0～2 Hz。

3 试验台设计方案及工作原理

本文试验台开发样机如图4所示,由机械部分、液压系统及电气系统三部分组成。

图4 试验台开发样机Fig.4 Test bed prototype

3.1 机械部分

机械部分主要功能是模拟球头拉杆在实车上的运动及受力情况，如图5所示。件15为被试外拉杆总成，其受力及运动要求如图2所示，完成此功能原理如下：将件15的球销与件14用螺母装在一起，另一端装在件16上(图中已装上)，试件装夹完成。启动试验台，液压缸输出力，该力通过力臂传给试件，马达a经减速器11带动偏心轮转动，偏心轮通过摆动机构12、13带动框架6摆动，实现试件的摆动，马达b安装在件6上，可以随件6一起运动，马达b工作时可以带动回转机构13实现球销的回转运动。为满足不同产品不同厂家的试验要求，可以调节液压系统的参数来调节轴向载荷和加载频率，调节偏心轮的偏心距来调节摆动角度和回转角的大小。

1.液压缸；2.马达b；3、8.偏心轮；4、7.力臂； 5、12.摆臂；6.框架；9.红外计数器；10.马达a； 11. 蜗轮蜗杆减速器；13.回转机构； 14.外球销总成夹具；15.试件；16.夹具；17.底座。图5 外拉杆总成试验安装示意图Fig.5 Schematic diagram of test and installation of outer pull rod assembly

内拉杆总成试验装夹比较简单，其在实车上的受力及运动情况如图3所示。球销轴向受拉压力并绕球销套摆动，此功能工作原理如图6所示，拆下图4中的件14、15、16换装件3、2、1，启动试验台，液压缸输出力，该力通过力臂传给试件，马达a工作使球销绕球销套摆动，由于内拉杆总成试验时不要求球销做回转运动，故试验过程中马达b不工作，试件轴向载荷大小、频率、摆动角度的调节方法与外拉杆总成试验的调节方法相同。

1.夹具；2.内拉杆总成；3.内球销总成夹具。图6 内拉杆总成试验安装示意图Fig.6 Schematic diagram of test and installation of inner pull rod assembly

3.1.1 外拉杆总成固定夹具的设计

外拉杆总成的球销运动较复杂,不仅做摆动运动，还要做回转运动，球销端部存在一定的锥度，且不同型号的产品端面锥度有所不同，故试验时装夹较困难。为保证在试验过程中试件不发生松动和旋转，并且不同型号的试件做试验时尽量减少夹具的更换次数，对图5中的件14进行设计，设计结构如图7所示，球销的锥面先与锥套配合，锥套的内孔存在与球销一样的锥度，锥套外部与外球销总成固定在夹具上的安装孔以螺纹的形式配合，不同型号的锥套内部锥孔会有所不同，但锥套外部相同，能够与固定夹具上的内螺纹相旋合。当不同型号的产品做试验时只需更换不同的锥套，不需更换件3，可以减轻工作量。

1.外拉杆球销；2.锥套；3.外球销总成夹具；4.紧固螺母。图7 外拉杆球销总成的固定夹具示意图Fig.7 Schematic diagram of fixed clamp for the ball pin assembly of external tie rod

3.1.2 内拉杆总成固定夹具的设计

不同型号的内拉杆总成球销套上的螺纹会有所不同，而试验时内拉杆球销套需要与夹具以螺纹旋合的方式固定，为避免不同型号试件做试验时更换不同的夹具。对图6中的件3进行设计，设计结构如图8所示，试验时先选择合适的螺纹套2与试件球销套螺纹1旋合装在一起，螺纹套上内螺纹与球销套上的螺纹旋合，外螺纹可以与夹具3旋合，不同的螺纹套内螺纹不同，但外螺纹均能够与固定夹具相旋合，当不同型号的产品做试验时只需更换不同的螺纹套即可，使试验操作更加简便。

1.内拉杆球销套螺纹；2.螺纹套；3.内球销总成夹具。图8 内球销总成的固定夹具示意图Fig.8 Schematic diagram of fixed clamp for the inner ball pin assembly

3.1.3 回转机构的设计

无论内拉杆总成还是外拉杆总成试验，试验过程中都需保证球销球心在回转机构的中心位置，以保证试件运动角度与摆臂摆动角度相同，但是不同型号的球头拉杆球销套长度不一，使得球心位置难以保证，传统试验台通过移动液压缸与框架的相对位置来满足要求，操作繁琐。为解决这一问题，设计可调式回转机构如图9所示，该结构可以通过调整调节螺栓2与回转机构3上螺纹的旋合长度来调整球心位置，调整完成后旋紧紧固螺母1防止螺栓松动，这种设计可以使不同型号的试件试验时球心的位置得到保证。

1.紧固螺母；2.调节螺栓；3.回转机构。图9 可调回转机构示意图 Fig.9 Diagram of retractable mechanism

3.1.4 偏心轮的设计

试件运动角度的调节是通过调节偏心距来实现的，但如果马达不工作，偏心轮不能随意转动，传统试验台需要通过不断启、停设备来调节偏心滑块的位置，如图10所示。

传统方法使得角度调节比较困难，考虑到试验的可操作性与便捷性，对偏心轮结构进行设计。以摆角调节为例，通过几何方法得出偏心距与摇臂摆角的关系，将刻度标注在偏心轮上，这样不同型号的试件做试验时就可以通过调节不同的偏心距来满足不同运动角度的要求。偏心距与试件摆角满足关系如图11所示，减速器的输出轴位于A点，与摆臂处于竖直向下位置时的下端B点处于同一水平线上，摆臂绕点O摆动时到达的两极限位置分别记为C、D两点，分别以C、D为圆心，力臂L为半径画圆，两圆分别与CD所在直线交于E、F两点，则

EF=CD=2Lcosθ

(1)

式中：L为摇臂的长度；θ为摆臂摆到极限位置时的摆角。

图11 偏心距与摆角关系示意图Fig.11 Schematic diagram of motor section

当摆臂在两极限位置时，偏心轮上决定偏心距的滑块分别位于H、G两点，即HG=2e，如图12所示，在点E、F、G、H构成的四边形中EF//HG,则线段HG和EF满足

HG=EF-2hcos∠EHG

(2)

式中：h为线段EF、HG之间的距离，由于∠EHG≈90°故cos∠EHG≈0，HG近似等于EF，即

2e=HG=2Lcosθ

(3)

e=Lcosθ

(4)

图12 偏心滑块运动轨迹示意图Fig.12 Schematic diagram of eccentric slide track

在工作时，偏心轮上决定偏心距的滑块是以点A为圆心、偏心距e为半径做圆周运动，所以可根据式(4)在偏心轮上标注表示不同偏心距的刻度，当需要改变试验角度时，只要将滑块调到对应的刻度即可，回转偏心轮的设计方法相同。

3.2 液压系统

液压系统原理如图13所示。液压泵输出压力油，经三位四通电磁换向阀后流向单活塞双作用液压缸，电磁换向阀控制压力油的流向使油缸输出正、负力(液压缸的活塞面积等于1/2油缸面积，使输出的正、负力相等)，改变电磁换向阀的换向周期可以改变载荷换向频率，调压阀可以改变载荷大小，溢流阀起到保护油路安全的作用[10]。

1.液压缸；2.三位四通电磁换向阀； 3.调压阀；4.溢流阀；5.液压泵。图13 液压系统原理示意图Fig.13 Schematic diagram of hydraulic system principle

3.3 电气系统

电气系统主要完成以下功能：a计数，把红外线发射头和接收头做成一个红外探头安装在机架上，在驱动马达的输出轴上安装一个随轴转动的干扰块，当干扰块在探头前出现时发射头发射的红外线反射给接收头，探头输出一个脉冲给计数器计数，计数传感器采用的无触点开关如图14所示；b通过控制电磁换向阀的换向频率来控制加载液压缸的加载频率；c控制温度，在试验时球销和球销座会因摩擦产生热量，当温度大于设计温度时，即判断产品不合格，预置温度范围为0～150 ℃。试验时将微型PN结传感器粘在产品外壳。

图14 计数原理示意图Fig.14 Schematic diagram of counting principle

4 结束语

本转向球头拉杆耐磨持久试验台改进了同类试验台所存在的不足，机械设计合理，性能稳定，通用性强，不仅能够很好地模拟球头销在实车上的受力及运动情况，而且还能缩短试验前的准备时间，经某球头拉杆工厂试用，本试验台试验前的平均安装、调试时间仅需30 min，与传统试验台相比缩短了20 min，能更好地为生产服务。