转向系统安全可靠性检测与评估方法qqq

转向系统各部件可靠性台架试验和系统可靠性台架试验严尧1，程飞2（1中国汽车工程研究院股份有限公司部件试验研究部，重庆 ）(2上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海）转向系统（HPS）主要由储液罐、高压管、低压管、吸油管、转向油泵、转向管柱、转向机总成等组成一个有机整体，具有转向和助力的功能，如图1所示；本文分析比较研究了转向系统各子零部件的台架可靠性试验，提出采用5通道系统试验台进行转向系统可靠性评估方法。1系统各子零件可靠性试验对比转向系统各子零件台架可靠性试验主要考核实车操纵工况下，各子零件在不同环境温度、油温、负载等条件下的可靠性，如小齿轮强度，齿条强度，转向机缸筒和活塞密封性、转向管柱轴向径向间隙，油泵在温度变速环境下可靠性等，具体可靠性试验如下表1：表1 转向系统各子零件可靠性试验一览表试验项目温度载荷次数模拟工况考核目的转向机可靠性试验疲劳试验RT.最大工作油压+2MPa100,0000cyc中位操纵转向机可靠性磨损试验RT.最大工作油压2,5000cyc全转角转向机可靠性强制转向试验RT.175Nm10cyc-齿轮输入轴强度逆向超载RT.3倍最大输出载荷2cyc-齿轮和齿条强度逆向冲击试验RT.10KN1cyc路沿冲击齿轮和齿条冲击强度驻车试验RT.最大等效前轴载荷5,0000cyc驻车转向机可靠性液压脉动试验120最大工作油压25,0000-缸筒密封性转向管柱可靠性试验强度试验RT.大于170Nm2cyc驻车上下轴强度扭转疲劳耐久 （静态，下轴固定）RT.16Nm35Nm55Nm100Nm共6cyc3,7500cyc1,6000cyc2500cyc60cyc共33,6360cyc驻车总成强度，轴承间隙，子零件间隙转动疲劳耐久 （动态，输入轴1440）RT.16Nm35Nm55Nm100Nm共6cyc3,7500cyc1,6000cyc2500cyc60cyc共33,6360cyc正常行驶总成强度，轴承间隙，子零件间隙震动试验RT.Random载荷谱每轴8hrs正常行驶总成受路面不平度影响调节机构耐久RT.1,0000cyc调节转向管柱高度和倾斜度调节机构耐久转向油管可靠性试验振动试验RT.随机振动功率谱各轴8小时坑洼、鹅卵石路等路面冲击油管接头低温脉动试验-40矩形压力脉冲10.0000cyc坑洼、鹅卵石路等路面冲击油管接头，油管“爆管”高温脉动试验120矩形压力脉冲22.5000cyc坑洼、鹅卵石路等路面冲击油管接头，油管“爆管”转向油泵可靠性试验定转速冲击RT.POPmax，1500rpm30,0000cyc定速行驶定速可靠性变转速冲击RT.POPmax，600r/min 0.6nmax12.5hrs Tip in/tip out变速可靠性高温试验10050.85Pmax，1500rpm1hrs高温高温可靠性低温试验-40空载10cyc低温低温可靠性由表1可以看出转向系统各子零件可靠性试验主要考虑几个方面：1） 路面不平度引起的震动，如转向管柱震动耐久、转向油管震动耐久等；2） 环境温度引起子零件可靠性变化，如油泵高温试验、低温启动试验、方向机高低温试验等；3） 转向操纵工况引起子零件可靠性变化，如油泵定速和变速冲击，方向机磨损和疲劳试验等；因而可以通过一个整体台架将所有这些子零件结合起来，满足上述三点进行整体可靠性评估，即评价了单个零部件可靠性，也评价各子零件间联接的可靠性，更能模拟实车，节省成本，缩短开发时间。该台架即为5通道伺服转向系统试验台。2系统试验转向系统测试台能精确回放实际道路上整车转向系统前轮横拉杆处不同方向的各种不同路面（坑洼路、石块路、鹅卵石路、共振路、铁轨路等）载荷谱，能模拟实车驾驶各种转向操纵工况（直行、蛇行、突然转向等）和驾驶员油门和制动踏板操纵工况导致载荷车速等变化，因而能准确评估转向系统可靠性,较系统中各子零件台架测试具有如下优点：1） 再现系统中各子零件的三维空间位置；2）采用与实车一致的管路（走向、长短）、螺母、卡箍、拧紧力矩等，能全面再现道路试验中储油罐、油管、方向机、油泵等联接处渗油现象；3）能精确再现转向横拉杆两端侧向和垂向载荷谱，准确考核系统可靠性；4）借助环境箱，可客观准确评价系统温升特性，如高温环境下（35）系统温升特性和低温环境下（-40）系统启动性能-油泵低温启动特性和储油罐低温漩涡、冒泡特性；5）借助半消声室能客观评价系统NVH性能，如Shudder、Rattle、Moan、Buzz、Hiss和Grunt声等；较整车道路试验，具有如下优点：1）试验时间短，费用低，而且可模拟整车极具危险和难度的极限工况；2）能在设计冻结前对整个系统性能匹配和系统可靠性进行客观评估；优化二次开发，缩短开发周期；因系统性能测试较复杂繁琐和系统可靠性重要性，本文结合多年工作经验，深入分析提出了转向系统（HPS）可靠性台架试验方法。2.1系统试验台架液压转向系统测试台架为5通道独立伺服控制液压操纵系统，如图所示；图15系统台架图 中汽院5通道伺服转向系统台架输入做动器（模拟方向动作）：为液压伺服旋转做动器，360动压平衡，无摩擦，排量82cm3/rev，速度0-1500rpm/min，转角0-1080，结构如图16所示； 图16输入做动器结构水平（垂直）做动器：采用带静压轴承，行程终点液压缓冲限位装置、三向力位移传感器，闭环控制的液压伺服直行缸，其功能数据表如图17所示。图17水平做动器加速度-频率-位移图油源温度系统：变流量液压泵站，提供变压力和温度液压油；适配器：调节转向系统各子零件空间安装位置，保证实车安装；环境仓：对转向系统各子零件进行环境温度模拟，如冷启动试验；测量控制系统：实时采集各传感器数据，对输入做动器进行任意波形控制，对输出（垂直）做动器进行路谱加载，对转向油泵速度进行波形调节；2.2系统试验项目转向系统测试台不仅能客观评估转向系统中各子零件的性能和可靠性，更能全面而准确评估系统中各零件集成为有机整体后转向系统的性能，而且更能苛刻评价转向系统的可靠性（疲劳和耐久），如表所示：转向系统试验项目试验项目评价目的系统效率试验测量系统正逆效率系统刚度试验测量从方向盘到横拉杆的角度与扭矩关系系统摩擦试验测量从方向盘到横拉杆的摩擦力系统间隙试验测量从方向盘到横拉杆的角度空行程系统回正试验评价系统回正能力系统助力试验不同流量温度下系统助力特性系统压降试验方向机进出口油压降MAP曲线系统背压试验储油罐回油压差正向扫频试验正向频率响应特性，变频率和幅值正弦波形输入逆向扫频试验逆向频率响应特性，变频率和幅值正弦波形输入驻车试验怠速下系统压力曲线振颤试验直行时路面不平度激励对方向盘转角和转矩响应，是否打手；突然转向试验反向打方向时系统压力和方向盘手力变化俘获试验系统“断流”的截止频率噪声试验Shudder、Rattle、Moan、Buzz、Hiss和Grunt声模拟转弯试验储油罐油液评价模拟坡道试验储油罐油液评价低温启动试验储油罐油液“冒泡”“气旋”评价系统驻车耐久试验评价转向系统驻车可靠性系统磨损试验评价系统从方向盘到横拉杆各子零件可靠性系统疲劳试验评价系统从横拉杆到方向盘各子零件疲劳损伤特性系统压力脉动试验评价方向盘在极限位置来回变化时，方向盘到横拉杆各子零件的疲劳损伤，特别是系统中各联接处密封性能，是否漏油或“爆管”系统高负荷耐久试验评价系统冲击路沿可靠性系统低温启动耐久试验评价系统在低温条件下启动可靠性2.3系统可靠性试验设计转向系统的可靠性试验其优先级高于（重于）系统的性能试验，其系统性能试验结果的好坏关系到驾驶员的驾驶舒适性和乐趣，而转向系统的可靠性试验结果好坏却严重关系到驾驶员的生命安全，是需要优先考虑。其系统台架可靠性试验主要包括：系统驻车耐久试验、系统磨损试验、系统疲劳试验、系统压力脉动试验、系统高负荷耐久试验和系统低温启动耐久试验； 系统台架可靠性试验设计主要由试验负载载荷、试验次数、转向操纵工况（方向盘转角、泵转速）、环境温度、油温等决定；当这些参数确定时，等价评估整车路试中转向系统可靠性的系统台架可靠性试验方法即可决定，可有台架试验代替整车试验进行等价考核或者过考核；试验载荷：选取方法有时域路谱、频率功率谱、穿级计数和block计数四种方法；试验次数：取决于1）整车设计里程；2）定义转向工况范围内相同转向工况出现频次，如方向盘转角在-4545的次数；转向操纵工况：取决于整车试验规范和路面，如坑洼路、石块路、鹅卵石路面等；例如考核转向系统驻车强度耐久性能的系统台架可靠性试验-系统驻车耐久，其试验方法可定义如下表：系统驻车耐久试验布置三维实车空间坐标布置，油管走向与实车一致附件配置螺母、卡箍、拧紧力矩按照设计图纸试验负载最大前轴等效阻力矩在横拉杆两端分量，按照1:1分配或1:2分配，横载或半正弦a（a：等效考核或者过考核）；被动加载油泵转速发动机怠速转速乘以传动比环境温度35b（b：按照统计