汽車轉向系統5軸試驗臺的研制

張君，廖林清，蘇道齊

(1.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

汽車轉向系統5軸試驗臺的研制

張君1，廖林清1，蘇道齊2

(1.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學車輛工程學院，重慶 400054)

闡述了汽車轉向系統5軸試驗臺的性能特點。介紹了試驗臺整體的結構和工作原理，包括測控系統硬件配置和軟件開發。最后利用該5軸轉向試驗臺進行基本測試研究。結果表明:該試驗臺能滿足測試要求。

轉向系統;5軸試驗臺;硬件結構及配置;軟件系統

齒輪齒條式轉向系統已在轎車中得到廣泛應用，其助力的合理性和可靠性關系到轎車操縱的舒適性與安全性。轉向試驗臺是轉向系統性能測試與檢測的重要裝置。各生產廠家都對試驗臺測試技術的研究和開發非常重視。轉向試驗臺技術水平的高低對轉向系統的轉向特性研究具有重大影響［1－4］。

國內自主研發的轉向試驗臺以2軸、3軸為主［5－6］，方向盤由電機加載并檢測，在小齒輪端或者齒條輸出端加載模擬轉向阻力矩。這些試驗臺由于考慮的影響因素較少，且加載的軸數也較少，模擬的工況和真實的工況有較大差距，其中大部分只用于產品的性能檢測。

國外關于轉向試驗臺的研發和相關測試技術的公開資料較少，但是國外的專業研發商早已開發出4軸、5軸及以上的齒輪齒條式轉向試驗臺。這些試驗臺可模擬車身上下振動、左右橫拉桿運動等對轉向系統的影響。如MTS、BIA、SERVOTEST、inova等公司的轉向測試系統，其模擬加載軸數較多，測試功能完善，測試內容豐富。

汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室自主搭建的汽車轉向系統5軸試驗臺充分考慮了懸架、車輪對轉向的影響，可分別控制左右車輪的高度，并對左右車輪施加轉向阻力矩以模擬轉向工況，使模擬的工況更真實。5軸試驗臺可對機械式轉向器、液壓助力轉向器、電動助力轉向進行測試研究，擴大了試驗臺的測試范圍。

1 測試臺的結構及工作原理

1.1 測試臺的結構及原理

圖1為電動助力5軸轉向試驗臺結構簡圖。試驗臺主要由臺架、汽車前懸架和轉向系統、載荷加載單元、測控系統等組成，整個測試臺包含5個載荷加載單元。

第1軸為方向盤加載單元，由伺服電機25代替駕駛員手動的輸入，可按恒轉矩或恒轉速輸入。連接的編碼器反饋轉角轉速，載荷經減速器24傳遞到波紋管聯軸器23。扭矩傳感器22測量整個轉向盤的載荷扭矩。第1軸的載荷輸入單元安裝在支架27上，支架可沿滑柱28上下移動和轉動，以連接不同的轉向系統。

第2，3軸為左右轉向輪轉向載荷加載單元，結構相同。以第3軸為例，其由伺服電機8提供載荷，編碼器控制加載的速度，載荷經減速機構7后通過扭矩傳感器6測得其值。輪胎12在轉動過程中的接地印跡在水平面內有滑動，因此采用可移式聯軸器5與U型槽10連接。將車輪放入U型槽中便可模擬加載，既可模擬轉向阻力載荷也可模擬回正力矩。以上機構都安裝在加載箱11的框架內。

第4，5軸為左右輪高度控制單元，兩軸結構相同。第5軸由氣缸1提供垂向載荷，以模擬左右車輪在不同高度的工況。氣缸上頂或下行使加載箱9沿著導向柱4上行或下行，加載的行程由位移傳感器3反饋控制。第4軸和第5軸可聯動和單動加載。

圖15 軸試驗臺結構簡圖

圖2為5軸轉向試驗臺實物。5軸轉向試驗臺作為一個測試平臺，在結構調整上具有較高的柔性，可以安裝不同車型的懸架、轉向系統，或者對不同助力形式的動力轉向器進行研究，使用價值和利用效率得到大幅提高。

圖25 軸轉向試驗臺

1.2 前輪定位參數的測量和調整

由于該轉向試驗臺考慮了懸架對轉向系統的影響，因此測試之前必須對前懸架的各種參數進行測量調節。這里測量的參數主要為前輪的定位參數，包括主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角、前輪前束角。

定位儀采用APL－7200，感光芯片為COMS結構，主銷傾角的測量精度為±0.15°，外傾角和前束角的測量精度為±0.05°。該四輪定位儀擁有水平傳感器和傾角傳感器，可實時測量轉向過程中車輪外傾角和傳感器水平角的變化。

圖3為前輪定位參數的調整點。前輪定位參數的調整方法和順序如下:

1)主銷后傾角的調整:減震器的上支點和控制臂外端的球鉸中心連線構成假想的主銷軸線。減震器上支點安裝在支塊12上(如圖1)，前后調節減震器上支點在支塊上的位置可調節主銷的后傾角。

2)主銷內傾角的調整:左右調節支塊的位置可調節主銷的內傾角。

3)前輪外傾角的調整:輪胎與轉向節固連為一整體，在麥佛遜獨立前懸架中調節減震器與轉向節處的U型螺栓可調節車輪外傾角。

4)前輪前束角的調整:整車的前輪前束角由左右車輪的單輪前束保證，通過調節橫拉桿的長度實現。

圖3 前輪定位參數的調整

2 試驗臺硬件配置

2.1 測控系統硬件配置

圖4為5軸試驗臺測控系統硬件，主要分為控制電路、執行器、檢測傳感器。

運動控制卡采用LEETRO的MPC08SP，將輸出的脈沖信號傳遞到伺服驅動器，經功率放大驅動伺服電機，控制第1，2，3軸的運動。伺服電機自帶編碼器反饋端口，可實現伺服電機閉環精確控制。

數據采集板卡采用雙諾的AC6613。P1端口具有32路12位模擬量輸入、兩路12位靜態輸出。P2端口具有16路開關量輸出的功能。32路12位模擬量輸入端口用以采集方向盤加載轉矩、左右轉向輪加載轉矩，左右車輪的高度信號，氣缸控制及氣壓信號。針對EPS和液壓助力轉向器，可利用多余的端口采集其助力電流、電壓值、油壓、油溫等信號，擴展研究動力轉向器的助力特性。靜態輸出端口用以控制氣壓閥的開關，控制4，5軸的升降。開關量輸出可模擬汽車的點火信號和車速信號，此處信號結合EPS進行測試研究。

圖45 軸試驗臺測控系統硬件

2.2 加載電機選型配置

第1，2，3軸的加載電機均選用松下A5系列的伺服電機，其參數如表1所示。所選電機具有高慣量、小容量的特點，性能穩定，控制精度高。

表1 伺服電機選型

3 測控軟件系統

系統控制界面在WindowsXP環境下采用VB開發，操作界面如圖5所示。按試驗項目分為空載試驗、功能試驗、力特性試驗、回正試驗、全項試驗等模塊，根據測試需要可拓展開發相應的測試模塊。技術人員只需把各測試項目所需的運行參數設定完整，系統會自動進行測試，并實時繪制出相應的曲線。圖6為空載試驗的參數設定欄。

圖5 操作界面測試選項

圖6 空載試驗參數設定欄

試驗臺手動控制選項可單獨對5個加載單元進行控制，同時顯示各個加載單元的傳感器的工作狀態，包括轉矩傳感器、位移傳感器、氣壓傳感器等的動態值和零點值，針對傳感器零點漂移的現象可以及時檢查校正。

多數測試項目都要求方向盤打正，然后開始測試，因此試驗臺設置了自動對中的功能。車輪從任一位置轉動到極限位置后，方向盤載荷單元測得的力矩急劇增加，達到設定閾值時即判定車輪轉到極限位置。然后方向盤反轉，系統對方向盤的轉角進行計數，直到下一極限位置。同樣，力矩傳感器測量值達到設定閾值后，加載單元停止加載，計算機根據兩極限位置內電機所轉動的角度計算出方向盤的中點位置，然后從極限位置回轉總度數的一半即可，以此提高方向盤找正的準確性和試驗的重復性。

系統會對測試的曲線生成報告，并進行分析評價，包括轉向的最大值、最小值、平均值。通過對助力曲線的對稱度、波動性、靈敏度等的分析結果可判別轉向性能的優劣。

試驗臺具有過載自動保護和手動緊急停止的功能。過載保護的限值根據不同的被測系統設定。在測試過程中，當方向盤載荷單元的輸入力矩達到設定值時，系統會停止加載并發出警告。

4 試驗測試

4.1 轉向扭矩測試

扭矩傳感器的測量精度、波動范圍、零點值都會對測試的扭矩值產生影響，因此測量前應檢測傳感器的輸出信號是否受到其他信號的干擾，同時確保靜態時的零點值為零。不為零時應進行調整以達到測試要求。

圖7為傳感器空轉的扭矩曲線。傳感器只與伺服電機連接，輸入轉速為5 r/min。傳感器靜態穩定值為0 N·m，空轉時波動的最大值為0.096 N·m，波動最小值為－0.045 N·m。

圖7 傳感器空轉扭矩曲線

機械式齒輪齒條式轉向器的齒條兩端不與橫拉桿連接時，由于小齒輪和齒條的嚙合運動、齒條與壓塊的摩擦作用、齒條與轉向器殼橡膠圈的摩擦作用，當轉動小齒輪時會產生摩擦阻力矩。摩擦阻力矩的大小會對轉向的手感產生重要影響。

圖8為試驗臺測得的轉向器的摩擦阻力矩。方向盤輸入轉速為5 r/min，方向盤轉角由負到正表示左打方向盤，總圈數為3.25圈。

圖7中的波動是由機械式齒輪齒條轉向器的小齒輪和齒條嚙合精度不高引起的。小齒輪為6齒斜齒輪，當方向盤從右極限位置打到左極限位置時，小齒輪如齒條所嚙合的齒數為6(齒/圈)× 3.25(圈)=19.5(齒)。圖8中的波動剛好為19.5個周期，且正反行程的波峰波谷相互對應。

圖8 轉向器摩擦阻力矩

將機械式齒輪齒條轉向器與左右橫拉桿相連，左右車胎懸空，測量主銷上支點、控制臂外端球鉸、橫拉桿球頭以及轉向器內部運動副之間的摩擦力矩。

圖9為測得的整個懸架、轉向機構內部各運動副的總摩擦阻力矩，較圖8中的轉向扭矩增加約1 N·m，方向盤輸入轉速為5 r/min。

圖9 轉向系統的總摩擦阻力矩

圖1中加載箱11上的U型槽更換為平整石板，模擬汽車在石板路面的原地轉向工況。加載箱上行頂起車輪，將車輛調整到空載狀態，左右車輪處于同一水平高度，定位參數按原車型調整，測試車輪的原地轉向性能。

圖10為測得的前懸架空載狀態下的轉向扭矩，方向盤輸入轉速為5 r/min。左打方向盤的最大扭矩為19.22 N·m，平均扭矩為12.18 N·m;右打方向盤的最大扭矩為19.07 N·m，平均扭矩為11.53 N·m。

圖10 前懸架空載狀態下的轉向扭矩

式(1)中:Mr為在瀝青或混凝土路面上的原地阻扭矩(N·m);f為輪胎與地面間的摩擦因數;G1為轉向軸負荷(N);p為輪胎氣壓(MPa)。取f= 0.7，p=0.2 MPa，G1=5 600 N。

表2為由式(1)計算得到的輪胎阻扭矩傳遞到小齒輪上的轉向扭矩。小齒輪上的轉向扭矩即為方向盤的轉向扭矩。此處沒有考慮轉向過程中橫拉桿與轉向節臂傳動角的改變。小齒輪扭矩的計算值同圖10的測試結果相比較小，但差距不大。文獻［8］對采用機械式齒輪齒條轉向器的車型進行了方向盤原地轉向扭矩的測試。測試的結果同圖10基本吻合，說明該汽車轉向系統5軸試驗臺的測試性能良好，能達到測試要求。

目前常用的經驗計算公式［7］如下:

表2 轉向扭矩

4.2 結合定位儀的測試結果

設定3組不同的后傾角值，研究主銷后傾角的變化對車輪外傾角的影響。表3為3組不同后傾角測試對比結果。之后結合四輪定位儀動態測量轉向過程中的外傾角的變化。

表33 組不同后傾角測試對比(°)

圖11為3組不同后傾角下測得的車輪外傾角隨方向盤轉角的關系曲線。其中后傾角最小時的曲線為點線，后傾角較大時的曲線為星號連線，后傾角最大時的曲線為圓圈連線。后傾角越大，車輪轉到左右兩端極限位置時的外傾角的絕對值也就越大;后傾角越小，車輪轉動過程中外傾角的該變量值也越小。當方向盤從中間位置打到極限位置時，內轉向輪的外傾角一直增大，外轉向輪的外傾角先減小后增大。

圖11 車輪外傾角和水平角隨方向盤轉角關系

5 試驗臺特點

1)轉向系統考慮了懸架、輪胎對轉向特性的影響與常規2軸或3軸的轉向試驗臺相比，測試結果與車輛轉向系統的真實工況更加接近。

2)試驗臺可根據被測系統快速調節，以適應不同車型的懸架和轉向系統，使試驗臺具有較高的柔性，同時具有不斷開發的潛力。

3)通過調整定位參數和左右輪的高度等參數，研究車輛的轉向特性，為液壓助力轉向和電動助力轉向的助力特性研究提供參考依據。

經過初步測試，5軸轉向試驗臺工作良好，性能穩定，能滿足轉向系統性能測試的要求。

［1］萬科.汽車助力轉向系統及其相關標準分析［J］.客車技術與研究，2010(5):47－49，58.

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［8］趙玉霞，基于轉向阻力矩的汽車轉向特性研究［D］.重慶:重慶理工大學，2013.

(責任編輯 劉舸)

Trial-Production of 5-axis Test Rig of Vehicle Steering System

ZHANG Jun1，LIAO Lin－qing1，SU Dao－qi2
(1.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts of Ministry of Education，Chongqing 400054，China;2.School of Vehicle Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

This paper introduces the characteristics of 5－axis steering system test rig，including its principle of test and the whole construction.As the important parts of test rig，the hardware and software which we take are presented in the paper.At last，the results of steering test are shown to illustrate that the test rig works well.

steering system;5－axis test rig;the configuration of hardware;software system

U467.5+23

A

1674－8425(2014)03－0022－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.03.005

2013－12－12

重慶市教委科學技術研究項目(KJ120818);重慶理工大學研究生創新基金資助項目(YCX2012201)

張君(1968—)，男，四川平昌人，高級工程師，主要從事車輛及發動機控制技術研究。

張君，廖林清，蘇道齊.汽車轉向系統5軸試驗臺的研制［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(3):22－27.

format:ZHANG Jun，LIAO Lin－qing，SU Dao－qi.Trial－Production of 5－axis Test Rig of Vehicle Steering System［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(3):22－27.