（机械电子工程专业论文）汽车动力转向器试验台测试系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车转向器作为汽车的重要零部件，其综合性能检测直接关系到人民的生 命财产安全。汽车工业发达国家都非常重视汽车安全性的研究。同时就我国的 国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业，而其中汽车转向器是汽车维持驾 驶员给定方向稳定行驶能力( 即操纵稳定性) 的基本保障，所以汽车转向器综 合性能试验成了汽车性能测试的一个重要项目。 在试验台的研究方面，国内普遍开始采用计算机测试技术，从而缩小了与国 外先进水平的差距。本文开发的试验台在结构和测试方面并重。在结构设计上 充分考虑现场操作的实际情况，从人机工程学角度出发引导试验台的结构设计， 较系统的阐述了目前常用的几种不同形式的汽车转向器，并特别对液压式动力 转向器的工作原理进行了解释。在充分了解试验台工作耍求的基础上，提出了 试验台测控系统的整体结构。结合当前工业测控产品发展的实际情况，完成了 试验台测控系统的硬件设计工作，其中包括各硬件模块的选择以及硬件产品的 选型。在普通工业控制计算机及w i n d o w s 操作系统平台上，规划了测控系统软 件的整体框架，并对测控软件的硬件处理、入员管理、产品管理等模块进行了 较详细的说明。本文还提出了一种采用s q ls e r v e r 数据库存储检测结果的方法， 以方便数据的存盘和查询工作。在硬件设计方面，提出了运用3 2 位工控机于系 统中，成功解决了微机系统资源和工业实时应用程序的兼容问题。软件设计方 面，在c + + b u i i d e r 6 0 软件开发平台上开发了相应的控制软件，实行试验过程 的全自动化，大大减轻了工人的劳动强度。另外，运行过程中当有故障发生时， 系统自动检测压力信号而停机，等到一切正常后重新开始，从根本上避免了事 故的发生。 汽车动力转向器试验台测控系统涉及机械设计、信号处理、电子电路、软 件设计等多个方面的改进，它的发展对汽车零部件产品质量的提高以及中国汽 车工业的进步都会产生一定的影响。 关键词：动力转向器，测试，工控机，质量检测，结构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a ri sak i n do fi m p o r t a n t p a r t s ，s oi ti sn e c e s s a r yf o rc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o ne x a m i n a t i o nw h i c h i sd i r e c t l yr e l a t e dt o1 i f ep r o p e r t ys a f e t yo fp e o p l e t h ef l o u r i s h i n g n a t i o n so ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r i e sa l lv a l u et h er e s e a r c ho ft h e a u t o m o b fl es a f e t yv e r ym u c h a tt h es a m et i m ei nr e g a r dt ot h es t a t eo f t h en a t i o no ft h eo u rc o u n t r y ，t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e c a m et h e m a j o ri n d u s t r yi no u rc o u n t r y ，b u ta m o n gt h e mt h ea u t o m o b i l eh y d r a u l i c a s s j s t a n c es t e e r i n gg e a ri st h eb a s i cg u a r a n t e et h a tt h ea u t o m o b i l e m a i n t a i n st h ed i r e c t i o ns t a b i l i t yt od r i v et h e a b i l i t y ( n a m e l y t h e s t a b i l i t y o ft h e m a n i p u l a t i o n ) ， s ot h e c o m p r e h e n s i v e f u n c t i o n e x a m i n a t i o no ft h ea u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a rb e c o m e a n i m p o r t a n t i t e mo ft h ea u t o m o b i l ep e r f o r m a n c et e s t a tt h ea s p e c to ft h ee x p e r i m e n t ，t h ed o m e s t i cs t a r tt oa d o p tt h e c a l c u l a t o rt e s tt e c h n i q u e ，t h u sc o n t r a c t i n gw i t ha b r o a dt h em a r g i nt h a t f o r e r u n n e ri sh o r i z o n t a l t h i st e x td e v e l o p m e n tl a y se q u a ls t r e s so nt h e s t r u c t u r ea n d t e s t c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l c i r c u m s t a n c eo ft h e s p o t o p e r a t i o n ，c o m p a r e d t h e s y s t e m t oe l a b o r a t eaf e w d i f f e r e n tf o r m s c u r r e n t l yo fa u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a r ，a n ds p e c i a l c a r r y o n u n d e r s t a n d i n g sr e l e a s e t ot h ew o r k p r i n c i p l e t h a tt h e a u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a r i nt h ef u l lu n d e r s t a n d i n g w o r kf o u n d a t i o no fr e q u e s tu p ，p u tf o r w a r dt h et e x t t om e a s u r ew h o l e s t r u c t u r e c o m b i n i n g t h ec u r r e n t i n d u s t r ym e a s u r e s ，c o m p l e t i n gt h e h a r d w a r ed e s i g nw o r ko ft h es y s t e m ，a m o n gt h e mi n c l u d i n gt h ec h o i c eo f e a c hh a r d w a r e o nt h ec o n m l o ni n d u s t r y c o n t r o lc a l c u l a t o ra n dt h ew i n d o w s o p e r a t es y s t e mt e r r a c e s ，p r o g r a m e dt om e a s u r et h ew h o l ef r a m e ，a n dc a r r y o nt o c o m p a r et h ee x p a t i a t i o nt o w a r d sm e a s u r i n gt h em o l dp i e c e s ，s u c h a st h eh a r d w a r ep r o c e s s i n go fc o n t r o lt h es o f t w a r e ，p e r s o n n e lm a n a g e m e n t a n dt h ep r o d u c tm a n a g e m e n t e t c t h i s t e x ts t i l lp u t sf o r w a r dak i n d 武汉理工大学硕士学位论文 o fm et h o d sino r d e rt os a v ed a t a i nt h eh a r d w a r e ，p u tf o z l w a r d t om a k e u s eo f3 2b i t st oc o n t r o lt h em a c h i n e ，s u c c e e d e d t or e s o l v et h e t i n y m a c h i n e s y s t e mr e s o u r c e sa n di n d u s t r i e st i m e da p p l l e dp r o c e d u r e i nt h e s o f t w a r e w i t ht h ec + + b u i l d e r 6 0s o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，p r a c t jc i n g t of u l l a u t o m a t i ct ot u r n e a s e dt h ew o r k e r sl a b o rs t r e n g t hc o n s u m e d l y ， m o r e o v e r ，i nt h ep r o c e s so fb e i n gb r e a kd o w no c c u r r e n c e ，s y s t e m a u t o m a t i c e x a m i nt h ep r e s s u r es i g n a tb u ts h u td o w n ，w a i t i n gu n t i le v e r y t h i n gn o r m a l b e h i n dr e s t a r t ，a v o i ds e t t l ead i s p u t eb yt h er o o tp a s to fo c c u r r e n c e t h es y s t e mo ft h ea u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a r i n v o l v e st h em a c h i n ed e s i g n ，t h es i g n a lp r o c e s s i n g ，e l e c t r o n i c se l e e t r i c c i r c u i t ，t h es o f t w a r ed e s i g n ，e t c m a n yo fi m p r o v e m e n t ，i t sd e v e l o p m e n t w i l lp r o d u c et h ec e r t a i ni n f l u e n c et ot h ea u t o m o b i l ez e r o e x a l t a t i o n o ft h ep a r t sp r o d u c tq u a n t i t i e s e sa n d t h ep r o g r e s s e so ft h ec h i n e s e a 1 1 t o m o b i 】ei n d u s t r je s e s k e y w o r d ：a u t o m o b i l eh y d r a u l i ca s s i s t a n c es t e e r i n gg e a r t e s tc a l c u l a t o r t h eq u a n t i t ye x a m i n a t i o ns t r u c t u r e 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 汽车转向器作为汽车的重要零部件，其综合性能直接关系到人民的生命财 产安全。因此，汽车工业发达国家都非常重视汽车安全性的研究。同时就我国 的国情而言，汽车工业己成为我国的支柱产业，为了提高汽车的产品质量，保 证汽车行驶的安全性，发展我国的汽车工业，这就要求汽车零部件生产厂家对 每一批产品都要进行质量检测。汽车转向器是汽车维持驾驶员给定方向稳定行 驶能力( 即操纵稳定性) 的基本保障，所以汽车转向器综合性能试验就成为汽 车性能测试的一个重要项目。 汽车转向器属于对行驶安全影响较大的零部件，在汽车系统中占据了一个 重要的位置，其规模和质量已成为衡量汽车工业发展水平的重要标志之一。在 重型汽车、大型客车等载重量较大的汽车中1 1 】，通常用动力转向器来操纵汽车行 驶方向。由于动力转向系统转向轻便灵敏，回位性能及手感良好，极大的减轻 了汽车驾驶员的工作强度，特别适用于汽车在高速行驶时的转向。因此目前国 内外生产的汽车越来越多地配置了动力转向系统。 汽车液压动力转向器性能试验是转向器出厂前的最后一道检验工序，是保 证转向器产品质量的关键步骤。现有的转向器总成试验台为敞开式结构，台架 美观性差：在试验过程中切换试验项目时往往需要人工干预。工人的劳动强度 比较大。此外，目前的台架还存在测试速度慢、液压系统噪声大等问题。为了 解决以上问题，我们开发了汽车液压动力转向器测试系统，以适应汽车工业发 展的需要。 在动力转向器试验台的开发上，采用微机控制的液压系统作为动力来模拟 转向器在现场的工作状况，全部驱动与加载方式均实现自动化，可保持方向盘 转速恒定，模拟转向阻力矩与模拟回正力矩符合工况条件，从而减轻了劳动强 度，提高了操作的正确度，其全部测试数据( 压力，扭矩，角度) 均采用高精 度测量传感器进行连续测量。此外，通过计算机编程，可使操作程序简化，能 生成高质量的图形界面和菜单，打印出报表和图形，测试项目选择好后，只需 按一次测试按钮，即可自动完成所规定的全部动作和数据测试。 武汉理工大学硕士学位论文 随着技术的进步以及汽车行业标准的提升，作为国内汽车液压动力转向器 的主要生产厂家之一，n j i 、恒隆汽车零部件制造有限公司还在技术改造和技术 创新上投入了大量的人力物力，并在众多的国内厂商中率先开展了对电动式动 力转向器( e p s ) 的研制与测试工作，极大的推动了电动式动力转向器的国产化 进程。 1 2 课题的研究现状 中国的汽车零部件制造行业与整车行业几乎是同步发展。目前汽车行业的 发展已初具规模，但汽车零部件的发展却相对滞后，行业的整合迫在眉睫。中 国加入世贸后，国家对汽车零部件业采取放开的政策，中国汽车零配件供应商 面临前所未有的市场机遇与挑战。机遇一方面表现在许多国际汽车制造商都到 中国来采购；另一方面表现在，国外企业采购的产品多属于传统产品，而些 高端的产品，目前国内企业还不能制造，满足不了市场的需求，或是所占比重 还很小。品牌是任何一个企业的命根予，是企业竞争力的标签，是知识产权的 外在体现。一般而言，企业的生产开发能力有三个阶段，来图加工( 即平常所说 的贴牌) 、与0 e m 共同设计，企业自己设计，形成自主开发能力。在这个过程中， 业界的发展现状令人忧虑，目前国内零部件企业产品的利润( 除原材料上涨的因 素外) 一般维持在5 左右，而生产贴牌产品却高达2 0 ，这使得很多企业大 量生产贴牌产品，逐渐沦为外资企业的制造商，这种让自身品牌弱化的行为其 实就是倒退回了第一阶段。贴牌虽有短期利益，但会钝化企业技术人员的创新 思维，减弱企业的创新能力【2 l 。现在众多零部件企业面临的是开发出几年后的产 品，主机厂要求零部件厂商与其共同设计，而一旦企业自主开发能力减弱，必 将被市场所淘汰。由此可以清晰地看出，国内零部件企业的产品与国外的产品 相比缺乏竞争力的主要原因，就是国内企业的产品品牌含金量不高。而造成含 金量不高的裉子是企业的技术开发能力相对较弱。因此，对于有条件的零部件 企业来说，扩建有强劲势力的技术开发中心已刻不容缓。 国外在汽车动力转向器的研究和开发方面进行得比较早，技术水平也比较 高。随着高级轿车对转向器提出的性能上的更高要求，国外开发出了电动式动 力转向器，并在越来越多的轿车和轻型车辆上成功使用。该装置优于普通的动 力转向器，在不同车速下可通过转向电脑e c u 自动调节转向盘的操作力，在低 2 武汉理工大学硕士学位论文 速行驶或车辆就位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向：而在高 速行驶时，则自动控制使操作力逐渐增大，实现操纵的稳定性。当然，即使电 动式动力转向器具有很多优点，在目前的技术水准下它也存在某些不足，如助 力较小等，因此，液压式动力转向器仍然占据着很大的市场份额，性能也得到 了不断的提高。如果结合电动式和液压式共同的优点，我们就的到了一种新型 的动力转向器电液式动力转向器，该转向器性能较好但是结构复杂，普通 车辆上并不多见。 在试验台的研究方面，国内外研制试验台的目的基本上都是满足产品质量 检测的需要，并开发出了形式各异、种类繁多的试验台架。国外的几家著名汽 车零部件公司，如博世( b o s c h ) 、采埃孚( z f ) 等，其开发的试验台在结构和测试 方面并重。其在结构设计上充分考虑现场操作的实际情况，从人机工程学角度 出发引导试验台的结构设计；当然，其结构设计的重点仍然是试验台结构的合 理性和可靠性，同时还兼顾到台架的美观性。在测试技术方面，其往往采用当 时的主流测试技术，以保证试验台的先进性和测试的可靠性。在目前使用的国 外产试验台中，都大量的采用了计算机测控技术，测试精度高，检测速度快， 检测结果可以在屏幕上直接显示，非常直观。总之，国外著名公司的试验台产 品基本代表了当今此领域的先进水平，是国产试验台研制时学习和超越的对象。 相比于国外的研究水平，国内厂商和科研机构在动力转向器的开发上仍有 一定的差距，需要有比较有效的测试手段作为技术支撑。目前，国内生产厂商 也普遍开始采用计算机测试技术，缩小了与国外先进水平的差距。由于电子技 术的飞速发展，测试技术也日新月异，学习先进技术、采用成熟技术，是我们 成功开发性能优良、经济实用的汽车动力转向器试验台的原则。 1 3 本文的主要工作 作者在攻读硕士学位期间与课题组人员一道开展了大量有关汽车液压式动 力转向系统的研究工作，并结合工厂生产的实际，参与了一套新型的液压式动 力转向器综合性能试验台的开发工作。此外，本课题组还对汽车电动式动力转 向器进行了研究。本文主要包括了以下几个方面的工作； 1 ) 阐述了汽车液压动力转向的基本原理。同时，为了对本文的研究对象有 一个更清晰的认识，本文还介绍了新型液压式动力转向器综合性能试验台的 3 武汉理工大学硕士学位论文 总体结构。 2 1 对本试验台测控系统的硬件组成进行分析。 3 ) 测控系统的软件设计是测控系统设计中的重要组成部分，测控软件要求 功能完善、操作简单、适应生产现场、人机接口良好、运行稳定可靠，本 文对测控系统软件设计中的多种问题进行了说明。 1 4 课题支撑： 企业委托项目：荆州恒隆汽车零部件制造有限公司汽车液压式动力转向器综合 性能试验台的研制 4 查圣垩三查兰堡主芏竺堡查 l _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。1 。1 。 第二章动力转向器试验台设计原理 由于动力转向转向系统转向轻便灵敏、回位性能及手感良好，极大减轻了 汽车驾驶员的工作强度，因此，目前国内外生产的汽车已越来越多地配置了动 力转向系统。作为转向系统中的核心部件，动力转向器本身结构复杂，对加工 工艺要求较高，加工难度大，要对动力转向器进行准确的测试，首先必须对转 向器的工作原理有一个比较深入的了解。本文所述的试验台专门针对汽车动力 转向器的综合性能测试而设计，用以完成国家标准所规定的各项测试项目。以 下将重点叙述液压动力转向的原理和动力转向器试验台架的总体结构。 2 1 转向器工作原理 动力转向器是转向系统液压助力执行元件。通常，动力转向系应满足的要 求1 3 l ： ( 1 ) 转向车轮的转角以及其偏转速度和转向盘的转角及转速应分别保持一 定的比例关系，即具有随动作用； ( 2 ) 操纵转向盘时，动力转向系统产生加力的作用要迅速、灵敏，与作用 在方向盘上的手力相协调： ( 3 ) 司机操纵转向盘时有“路感”，即能及对地将路面对转向阻力的影响 反映到转向盘上，使作用在转向盘上的手力随转向阻力的增大而增大； ( 4 ) 转向后应能自动回正，并应使汽车具有直线行使稳定性； ( 5 ) 工作可靠。即使旦动力转向系统失灵，司机仍能操纵转向盘使汽车 转向。 2 1 1 循环球式动力转向器结构 在循环球式机械转向器的基础上增加转向助力装置，就成了循环球式动力 转向器，其主要结构如图2 - i 所示f 4 j 。在循环球式动力转向器中，原有的转向螺 母同时作为转向油缸的活塞，将转向器内部分成了两个独立的液压油腔。当驾 驶员转动方向盘时，转向控制阀移动到相应的位置，从而使两个独立液压油腔 中相应的某一腔( 左腔或者右腔) 成为高压油腔，而另一腔成为低压油腔，由 5 武汉理工大学硕士学位论文 此形成的差压推动转向活塞，辅助驾驶员转向。 图2 - i 循环球式动力转向器工作原理图 卜转向控制阀2 一扭杆3 一输入轴4 一活塞 2 1 2 齿轮齿条式动力转向器结构 在齿轮齿条式机械转向器的基础上增加转向助力装置，就成了齿轮齿条式 动力转向器，其结构图如图2 2 和图2 3 所示。 图2 - 2 右转向时液压油缸动作 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 左转向时液压油缸动作 卜横拉杆2 一左转进油管3 一右转进油管4 一右转进油口5 一转向输入轴6 - 旋转 式控制阀7 一出油口8 一进油口9 - 左转进油口1 0 一动力缸1 1 一活塞 1 2 一转向齿条1 3 - 防尘套 在齿轮齿条式动力转向器中，活塞安装在转向齿条上，并置于齿条套管内。 齿条活塞两边的齿条套管都被密封起来，形成两个分开的油液腔，连接左、右 转向回路。转向盘左转或右转时，旋转阀在齿条活塞两边形成压力差，使齿条 朝低压方向移动，从而减轻转动转向盘所需的总操纵力。 目前，循环球动力转向器和齿轮齿条式动力转向器多采用转阀式控制阀来控 制动力缸的助力大小。 2 1 3 动力转向器工作过程 2 1 3 1 直线行驶 如图2 4 所示，汽车直线行驶时【5 】，转阀处于中间位置。来自转向油泵的工 作液从转向器壳体舶进油1 ：3o 流到阀体1 3 的中间油环槽中，经过其槽底的通孔 进入阀体1 3 和阀芯1 2 之间，此时因阀芯处于中间位置，所以进入的油液分别 通过阀体和阎芯纵槽和槽肩形成的两边相等的间隙，再通过阀芯的纵槽以及阀 体的径向孔流向阀体外圆上、下油环槽，然后通过壳体中的两条油道分别流到 动力缸的上、下腔中去，即左转向动力腔l 和右转向动力腔r 。流人阀体内腔 的油液在通过阎芯纵槽流向阀体上、油环槽的同时，通过阀芯槽肩上的径向油 孔流到转向螺杆和输入轴之问的空隙中，经阀体组件和调整螺塞之间的空隙流 到回油口，经油管回到油罐中去，形成了常流式油液循环。此时，上、下腔油 武汉理5 - 大学硕士学位论文 压相等且很小，齿条一活塞1 9 既没有受到转向螺杆的轴向推力，也没有受到上、 下腔因压力差造成的轴向推力。所以齿条一活塞处于中间位置，动力转向器不 工作。 图2 - 4 汽车直线行驶时转阀的工作情况 a ) 阀芯与阀体的相对位置；b ) 阀芯中的油流情况 r 一接右转向动力缸：l 接左转向动力缸；一接转向油泵；c - 一接转向油罐 2 1 3 2 汽车左转弯 参见图2 - 5 a ，汽车左转弯时，转动转向盘使短轴逆时针转动，通过其下端 轴销子带动阀芯同步转动，这个扭距也通过具有弹性的扭杆轴传给下端轴盖， 下端轴盖边缘上的缺口通过固定在阀体上的销子带动阀体转动，阀体通过其下 端缺口和销子，把转向力矩传给螺杆。由于转向阻力的存在，要有足够的转向 力矩才能使转向螺杆转动。这个转矩促使扭杆轴发生弹性扭转，造成阀体的转 动角度小于阀芯的转动角度，两者产生相对角位移。通下动力腔的进油缝隙减 小( 或封闭) ，回油缝隙增大，油压降低；通上动力腔的迸油缝隙增大而回油缝 隙减小( 或关闭) ，油压升高，上、下动力腔产生油压差，齿条一活塞便在上、 下动力腔油压差的作用下移动，产生助力作用。此时，来自转向油泵的压力油 通过槽隙流向动力缸上腔，动力缸下腔的油则通过阀体径向孔、槽隙、阀芯径 8 武汉理工大学硕士学位论文 向孔和回油口流回流向储油罐。 ( a ) 左行驶( b ) 右行驶 图2 5 左右行驶时转阎的工作情况 21 3 3 汽车右转弯 右转弯时转向器工作过程与左转弯时基本相似，如图2 5 b 所示。不同的是 由于转向方向相反，造成阀体和阀芯的角位移相反，齿条一活塞下腔油压升高 而上腔油压降低，产生右转向助力。 当转向盘停在某一位置不再继续转动时，阀体随转向螺杆在液力和扭杆轴 弹力的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与阀芯的相对角位移量 减小，上、下动力腔油压差减小，但仍有一定的助力作用。此时的助力转矩与 车轮的回正力矩相平衡，使车轮维持在某一转向位置上。在转向过程中，若转 向盘转动的速度快，阀体与阀芯的相对角位移量也大，上、下动力腔的油压差 也相应加大，前轮偏转的速度也加快，如转向盘转动的慢，前轮偏转的也慢： 若转向盘转在某一位置上不变，对应着前轮也转在某一位置上不变。此即称“渐 9 壅圣墨兰查兰塑主堂堡丝查一- ，_ _ - _ _ _ p j - 十_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 进随动原理”，也就是“快转快助，大转大助，不转不助”原理。转向后需回正 时，如果驾驶员放松转向盘，阀芯回到中间位置，失去了助力作用，此时转向 轮在回正力矩的作用下自动回位；若驾驶员同时回转转向盘时，转向助力器助 力，帮助车轮回正。 当汽车直线行驶偶遇外界阻力使转向轮发生偏转，阻力矩通过转向传动机 构，作用在阀体上，使之与阀心之间产生相对角位移，产生了反相的推力作用， 在此力作用下，转回轮迅速回正。 2 2 转向器性能参数 2 2 1 转向器效率 转向系的效率由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率决定，转向器 的效率又有正效率和逆效率之分。转向摇臂轴输出的功率与转向轴输入的功率 之比称为转向器的正效率；反之即转向轴输出的功率与转向摇臂轴输入的功率 之比称为转向器的逆效率i 6 j 。 正效率越大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就越小，转向操纵就越容易。 转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要 因素。 逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率的大小，转向器又可分为可逆式、 极限可逆式和不可逆式三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路 面作用在转向轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。可逆式转向 器宜用于在良好路面上行驶的车辆，循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一 类。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上，由于它既使司 机没有路感，有不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。极限可逆式 转向器介于上述两者之间，其逆效率较低，适用于坏路面上行驶的汽车。 2 2 2 转向系的角传动比与力传动比 转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比称为转向系的角传 动比。转向盘转角的增量和转向摇臂轴转角的相应增量之比称为转向器的角传 动比。转向传动机构的布置，通常取其在中间位置时使转向摇臂及转向节臂均 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 垂直于其转向纵拉杆，而在向左和向右转到底的位置时，应使转向摇臂与转向 节臂分别与转向纵拉杆的交角相等。现代汽车角传动比多在o 8 5 1 1 之间，近 似为1 。转向传动机构的力传动比等于转向车轮的转向阻力矩与转向摇臂的力矩 之比。 2 2 3 转向器的传动间隙特性 转向器的传动间隙特性是指转向器传动副之间的间隙。该间隙随着转向盘 转角的改变而改变。通常这种特性称为转向器的传动间隙特性。研究该特性的 意义在于它与汽车的行驶稳定性和转向器的寿命有直接影响。当转向盘处于中 间位置即汽车做直线行驶时，如果转向器有传动间隙则使转向轮会在该间隙范 围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求力向盘处于 中间位置时，转向器的传动副为无隙啮合。 2 2 4 转向系的刚度、 转向系的各零件尤其是一些杆件具有一定的弹性，这使得转向轮的实际转 角要比司机转动方向盘并按转向系角传动比换算到转向轮的转角要小，这样就 会有不足转向的趋势。转向系刚度对轮胎的侧偏刚度影响也很大。转向系刚度 不足会使前轮的侧偏刚度减小，使汽车的转向灵敏度减小。 2 2 5 转向盘的总转动圈数 转向盘从一个极限位置转到另一个极限位置时所转过的圈数称为转向盘的 总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关。 2 3 试验台架主要性能要求 动力转向器总成台架试验是转向器出厂前的最后一道检验工序，是保证转 向器产品质量的关键步骤。随着技术的进步以及汽车行业标准的提升【7 】，国内很 多动力转向器生产厂家目前使用的动力转向器总成试验台已经不能完全满足生 产的需要，急需开发新型的汽车液压式动力转向器总成综合试验台。在相关协 作单位的生产现场，我们看到该公司现有的转向器总成试验台为敞开式结构， 武汉理工大学硕士学位论文 台架美观性差：在实验工作中，由工人手动完成被检测部件的装夹工作，部件 装夹很不方便，在切换实验项目时需要人工干预，工人的劳动强度很大：随着 汽车行业标准的提升，目前使用的试验台已经无法完成标准规定的所有测试项 目，功能上存在缺陷；此外，目前的台架还存在测试速度慢、液压系统噪声大 等问题。该公司现有试验台存在的问题在国内其他汽车转向器生产厂家也同样 存在。要解决以上问题，就必须按新的国家标准设计全新的汽车转向器总成试 验台，对试验台的总体要求是：在充分考虑到生产现场及工人劳动强度等实际 问题的前提下，要求试验台结构美观、自动化程度较高、部件装夹方便、功能 完善、缩短产品测试时间并尽量降低液压系统的噪声。试验台应该能完成的试 验项目有总圈数测定、内泄漏试验、外泄漏检查、空载转动力矩测定、自由间 隙测定、功能试验、回正能力试验、转向力特性试验、转向灵敏度特性试验等 项目。试验台的设计要严格参照中华人民共和国汽车行业标准中q c t5 2 9 2 0 0 0 汽车动力转向器总成台架试验方法进行。 对动力转向器试验台的主要性能要求有： 1 ) 油压测量范围：l o - 2 0 m p a 示值相对误差1 2 ) 输入轴扭矩测量范围：1 0 5 n n l 示值相对误差1 1 1 0 5 0 n i i l 示值相对误差1 5 3 ) 流量测量范围：o - 4 0 l m i n 误差2 5 l m i n 4 ) 内泄漏测量范围：0 4 l m i n 误差o 4 l m i n 5 ) 输出轴角测量范围：左5 0 。一右5 0 。 动力转向器试验台的基本结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6 动力转向器试验台基本结构 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 典型试验项目 在国家标准中，常流式循环球动力转向器的性能试验共包含了9 个单项试 验。转向器出厂时，需要完成总圈数测定、内泄漏试验、外泄漏检查、功能试 验、转向力特性试验等试验项目，这被称为出厂试验【8 j 。按照国标要求，所有的 转向器在出厂时，都必须完成出厂试验。对新开发的产品或经过重大改进的老 产品，则必须进行型式试验。型式试验是在出厂试验的基础上，增加空载转动 力矩测定、自由间隙测定、和回正能力试验，转向灵敏度特性试验由生产厂家 与用户协商后选做。产品经型式试验达到国家标准规定的要求【9 l ，才可定型生产。 试验设计的技术支持是参考机械工业部标而研制，根据实际情况可实现以下测 试项目：转向器总圈数测定；空载试验：方向盘满载转动力矩的测定( 功能试 验) ；内外泄露试验；特性试验；回正试验。 本文所述转向器试验台由机械台架、工控机系统、液压系统和强电控制柜 组成。采用微机控制液压系统，以伺服电机为动力来模拟转向器在现场的丁：作 状况。本方案能实现自动化驱动和加载，并且能模拟实际使用情况下的转向阻 力矩与回正力矩。全部性能测试数据的信息( 压力、扭矩、角度、位移等) 均 采用高精度、高可靠性测量传感器进行连续、动态测量，以实现测试信息的数 字化和质量评估的全程量化。以工控机为中心，采用传感器技术与数据采集技 术相结台，可最大限度地完成测试和控制工作的全过程。 2 4 1 转向器总圈数测定 将动力转向器总成安装在试验台架上，连接输入轴，电机带动转向器转动， 测量输入端从一个极限位置转到另一个极限位置所转过的总圈数。 2 4 2 空载转动力矩测定 将动力转向器总成安装在试验台架上，总成进出油口通大气，将油腔油排 尽，输出端空载。输入端从左转极限位置开始，转到右转极限位置，再转回到 左转极限位置。在此记录过程中，记录输入端输入转矩与转角之间的关系。 2 4 3 自由间隙测定 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在直线行驶位置，在有动 力情况下，平稳、缓慢的转动输入端，测出两个方向总成进油口压力增加0 1 m p 时输入端转过的角度。 2 4 4 功能试验 将总成安装在试验台架上，输出轴套筒和转向器输出轴相连，在有助力情 况下，在输出端施加相当于总成最大工作压力三分之一时的阻力矩或阻力，在 输入端全行程内，观察在转动输入端的过程中动力转向器的运转是否平滑，同 时检查转向控制阀的回位情况，记录输入端输入转矩与转角之间的关系。 2 4 5 转向力特性试验 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性地固定在直线行驶位置，分别向 两个方向转动输入端到油压达到总成最大工作压力时为止，同时纪录输入端输 入转矩与工作油压之间的关系。 2 4 6 内外泄漏试验 将总成安装在试验台架上，把输出轴刚性的固定在直线行驶位置，在输入端 施加2 倍于总成最大工作压力下的转向力矩，测量从高压腔流向低压腔的泄漏 量。测定时间为2 0 s ，记录两个方向的泄漏量。 2 4 7 回正能力试验 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限位置回到中间位置的时间。 2 4 8 转向灵敏度特性试验 将总成安装在试验台架上，把输出端刚性的固定在直线行驶位置，分别向 两个方向转动输入端直到油压达到总成最大工作压力时为止，同时记录输入端 输入转角与工作油压之间的关系。 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 试验台的总体结构 汽车液压式动力转向器综合性能试验台的三维效果图如图2 7 所示。试验 台从设计上可分为机械台架、液压和测控三大部分，其中测控部分安装在独立 的电气控制柜中，控制柜放置在试验台架右侧( 效果图中未画) 。按照公司方提 出的便于液压系统排气的需要1 1 0 】，转向器直立放置，故采用输入轴端驱动部分 置于上方的立式结构，采用步迸电机作为驱动装置。 图2 7 试验台整体三维效果图 在输出轴端，当需要模拟负载时，输出轴联接到磁粉制动器上：当需要固 定时，输出轴通过齿套卡死在试验台上；做回正能力试验时，输出轴与驱动电 机联接，这时转向器输出轴成了动力输入端，以完成规定的试验项目。转向器 输出轴的各种不同联接方式通过一个液压油缸推动的滑移齿轮切换。 如图2 8 为试验台机械台架的布置示意图。从图中可以看出，液压助力转向 器输入轴( 汽车上接方向盘的轴) 由步进电机驱动，中间连接谐波齿轮减速器 和扭矩传感器。由油压变送器检测出油缸进口油压信号及内泄漏的微压信号； 由温度传感器测出油温信号；由光电编码器所计入的脉冲计算转动的位移；有 流量计测出系统流量：由扭矩传感器检测出液压助力转向器输入轴扭矩信号。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 机械台架示意图 回正力试验时，要在转向器的输出轴端施加一个反向驱动力驱动转向器用 以测量输入轴从极限位置回正到中位时所花的时间，这就必须在转向器的输出 轴端外加一个驱动装置，这个反向驱动支路和模拟负载的磁粉制动器支路共同 构成了转向器输出端的双支路结构。通过专门设计的齿轮箱实现双支路的切换。 从图2 8 可以看出，有两个电机，一个与转向器的输入轴相连，带动输入轴 运动；另一个连输出轴，完成回正试验。两个电机都连接谐波减速器和扭矩传 感器，对不同的项目，输入轴和输出轴均能以0 6 0 r r a i n 任意转速转动，同时从 扭矩传感器中可检测出任意位置两个轴上的扭矩值，油压变送器【l l 】是测量液压 系统压力的。这些传感器测出的模拟信号经放大后再经a d 板送入工控机，用 于控制动作和计算得出的测试结果。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 液压系统 试验台液压部分用于驱动试验台上的液压滑台等部件以实现试验台的各种 机械动作。驱动动力转向器工作的液压系统的最大工作压力和最大流量需要参 考实际转向器液压系统的相应数据。 由于试验时x , t i 作油温有要求1 1 2 j ( 5 0 7 0 c ) 。故液压系统必须加装包含 加热和制冷功能的调温装置。温度由独立的温控仪调整，油温信号经传感器采 样后输送到计算机控系统。 液压系统液压泵、电机与试验台的布置要尽量减少振动影响，另外还必须 采取相应措施尽量降低液压系统的噪声。 2 7 本章小结 本章主要介绍了汽车液压式动力转向器的工作原理，同时重点叙述了转向 器试验台架的基本功能和总体结构。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第三章测控系统硬件设计 试验台硬件设计是在对整个系统的分析上，包括系统测试量、硬件性能、 整体的计划上建立。要求经济实用，安全可靠。 3 1 测试信号 按照国家标准要求【1 3 】，转向器综合性能台架试验需要完成的试验项目有总 圈数测定、内泄漏试验、外泄漏检查、空载转动力矩测定、自由间隙测定、功 能试验、回正能力试验、转向力特性试验、转向灵敏度特性试验等。要完成这 些试验项目，就必须对以下参数进行数据采集和控制： 3 路扭矩传感器信号。分别是转向器输入轴端扭矩信号、转向器输出端 磁粉制动器支路扭矩信号、回正能力试验反向驱动支路扭矩信号： t 路油压传感器信号； 2 路编码器信号( 脉冲) ； 2 路流量传感器信号； 1 路油温信号； 各种状态标志检测信号。 控制液压系统电磁阀的数值量信号； 磁粉制动器控制信号。 3 2 系统组成 试验台计算机测控系统框图如图3 1 所示。 由于试验台测控系统需要实现的功能很多，包括信号采集、检测结果分析， 特性曲线的绘制、液压系统、磁粉制动器、驱动电机的控制等，故采用工业控 制计算机作为测控系统的主机。 ( 1 ) 模拟量输入通道。根据系统测量精度及1 6 路模拟信号输入的要求，选用 多功能8 3 1 6 系列采集卡。8 3 1 6 输入通道为8 路差动输入( 也可以设为1 6 路单端 输入) ，输入量程为一5 v 一5 v 或0 i o v ，系统误差( 包括通道、放大器、模拟转 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 换器等误差) 小于0 1 f s r 。 ( 2 ) 脉冲量输入通道。系统中共有5 路脉冲信号需要实时采集，即3 路光电 编码器脉冲信号，两路流量采集信号。采用8 4 5 4 系列光电隔离的8 通道1 6 位 作为脉冲输入通道。 图3 - 1测控系统框图 整个系统采用工控机控制，在总线插槽上再插入a d 卡、f o 卡、计数卡， 使所有的模拟量及开关量均能通过这几块卡的处理被微机所接收。6 b 测试试验 选择按钮和4 个测试控制按钮接成开关量的形式通过i o 卡被微机采样，从而通过 编程产生相应的动作和测试方法；微机通过f o 卡输出开关量控制机械动作，微 机也可以把正在进行的行程显示出来，使打印机打印出报表或图形。 光电编码器的脉冲信号、扭矩传感器的扭矩信号和油压变送器的油压信号 经放大后送入工控机处理。计算机是整个测控系统的核心。它首先发出各种控 制指令驱动电机、液压系统和机械系统执行相应的动作，使试验台按一定的规 律对转向器进行相应的测试，同时计算机采集与转向器性能有关的各种参数， 并对所采集的大量数据进行处理、分析，最后按照对应的评判标准判定产品是 否合格。由于计算机工作在车间里，工作现场环境恶劣，随机干扰很大，要求 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 计算机系统工作相当稳定，同时要有较快的运算速度。本系统采用的是凌华公 司的工业控制计算机，其是为工厂和其他恶劣的工况环境专门设计的工业机型， 具有