循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性磨損性能試驗設(shè)計

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院 湖北 武漢 430074)

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性磨損性能試驗設(shè)計

金旭

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院湖北武漢430074)

轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中最重要的部件，其作用是增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力和改變力的傳遞方向。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器傳動效率高，操縱輕便，機械磨損小，使用壽命長，是目前國內(nèi)外應用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式之一。轉(zhuǎn)向器可靠性包括疲勞性能、沖擊性能與磨損性能。其中，對于磨損性能的研究相對較少，因此，搭建一個高精度、低成本的試驗臺對轉(zhuǎn)向器進行實際車況模擬和磨損性能檢測顯得尤為重要。轉(zhuǎn)向器的可靠性研究主要包括疲勞可靠性研究、沖擊可靠性研究與磨損可靠性研究[1]。本文以循環(huán)球轉(zhuǎn)向器為研究對象，以該轉(zhuǎn)向器的可靠性磨損性能試驗為研究主題，以該轉(zhuǎn)向器的應力分布與壽命周期、磨損指標與磨損特征為研究重點，綜合采用汽車動力學理論、可靠性磨損試驗等手段對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的磨損性能進行試驗，為該轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器；磨損試驗設(shè)計

一、循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與機制

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由扭桿、螺母、轉(zhuǎn)向控制閥以及許多小鋼球等部件組成，循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器是在循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置[2]。汽車轉(zhuǎn)向器工作時主要受力偶扭轉(zhuǎn)作用。循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器利用放置于螺母與螺桿之間密閉管路內(nèi)循環(huán)往復滾動的小鋼球，將螺母螺桿之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇^小的滾動摩擦，當與方向盤轉(zhuǎn)向管柱固定到一起的螺桿轉(zhuǎn)動起來后，螺桿推動螺母上下運動，螺母再通過齒輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂往復搖動從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時，原有轉(zhuǎn)向螺母作為轉(zhuǎn)向油缸的活塞，將轉(zhuǎn)向器內(nèi)部分成了兩個獨立的液壓油腔[3]。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，轉(zhuǎn)向控制閥移動到相應的位置，從而使兩個獨立液壓油腔的一腔成為高壓油腔，另一腔成為低壓油腔，形成差壓推動轉(zhuǎn)向活塞，輔助駕駛員轉(zhuǎn)向。

二、試驗系統(tǒng)簡介

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性磨損試驗的條件參數(shù)主要包括高溫、中壓、變量、負載 與轉(zhuǎn)速，需要實時監(jiān)測與控制輸入軸的扭矩與轉(zhuǎn)角、輸出軸載荷與位移，顯示或 繪制載荷—時間曲線、扭矩—時間曲線、油壓—時間曲線、角度—時間曲線、載 荷—角度曲線、扭矩—角度曲線和油壓—角度曲線[4]。為了正常進行循環(huán)球轉(zhuǎn)向器 可靠性疲勞磨損試驗，采用液壓高溫與變量技術(shù)、交流伺服技術(shù)、微機測控技術(shù) 及 智能 集成 技術(shù)，參照 《動 力轉(zhuǎn) 向器 總 成技 術(shù)標 準 Q/JLB001-2007》 與 《E44/E44A-3411006 動力轉(zhuǎn)向器總成試驗標準》，設(shè)計并實現(xiàn)了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器雙 工位可靠性疲勞磨損試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)按照單元可以劃分為載荷架(缸)、動力源(站)與控制柜(機)；按照回路可以劃分為力的回路(載荷)、油的回路(動力)與電的回路(控制)；按照系統(tǒng)可以劃分為機械—動力(源)子系統(tǒng)、傳感—伺服(閥)子系統(tǒng)與采集 —控制(器)子系統(tǒng)。論文僅按照系統(tǒng)劃分的思路將試驗系統(tǒng)分塊設(shè)計。

(一)機械—動力(源)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)設(shè)計的主要部分，其功能是完成液壓能機械能應變能電 能以及熱能等各種能量之間的轉(zhuǎn)移屏蔽和轉(zhuǎn)換，包括機械部分與液壓部分。其中，機械部分是進行可靠性疲勞磨損試驗的加載平臺，主要包括載荷架(座) 與作動器(缸)；液壓部分是進行可靠性疲勞磨損試驗的動力來源，主要包括液 壓泵(站)與油液管(路)。

(二)傳感—伺服(閥)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分，其功能是實現(xiàn)角度控制與信息監(jiān)測，主要包括伺服電機扭矩傳感器載荷傳感器與油壓傳感器。其中，伺服電機是進行循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器耐久性磨損疲勞試驗輸入驅(qū)動部分的核心元件；載荷傳感器用來監(jiān)測循環(huán)球轉(zhuǎn)向器所受載荷的大小，這是試驗必須測量或參與控制的一個重要的力學參數(shù)。如圖1和圖2所示，分別為伺服電機結(jié)構(gòu)設(shè)計圖與載荷傳感器尺寸設(shè)計圖。

圖1伺服電機結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2載荷傳感器尺寸設(shè)計圖

(三)采集—控制(器)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)設(shè)計的必要部分，其功能是實時采集控制數(shù)據(jù)處理和回放以及自動保護等，主要包括硬件部分與軟件部分。其中，硬件部分由控制面板全數(shù)字控制器精密開關(guān)電源通訊電纜和PCI接口以及計算機組成；軟件部分根據(jù)用途可以分為系統(tǒng)類與應用類兩種。

該子系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及的主要技術(shù)為微機測控技術(shù)。微機測控技術(shù)是通過計算機編程語言實現(xiàn)信號輸出、信息采集、圖像繪制與數(shù)據(jù)分析四大功能，其設(shè)計模塊與原理如圖3所示。其中，信號輸出主要包括角度、扭矩、扭角與程控，因為角度控制最安全最可靠最有效，故采用角度控制方式進行試驗，如圖4所示。

圖3微機設(shè)計模塊及原理

圖4控制模式設(shè)計效果圖

通過以上對試驗系統(tǒng)的設(shè)計，采用智能集成技術(shù)實現(xiàn)了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性疲勞磨損試驗系統(tǒng)的集成應用，集成應用效果如圖5所示。

圖5磨損試驗系統(tǒng)集成應用效果圖

三、總結(jié)

本文主要對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的磨損性能進行了試驗研究，為循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的性能評定與質(zhì)量優(yōu)化提供了技術(shù)支撐，設(shè)計了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的磨損試驗系統(tǒng)，主要包括機械—動力(源)子系統(tǒng)、傳感—伺服(閥)子系統(tǒng)與采集—控制(器)子系統(tǒng)，實現(xiàn)了各子系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及的核心技術(shù)，主要包括高溫變量技術(shù)、傳感伺服技術(shù)與微機測控技術(shù)，對循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與失效控制具有一定的實用價值。

[1]伍穎，馬雨嘉，崔貴彪.汽車EPS性能試驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機床與液壓，2014(14)：14-17.

[2]何文斌.ANSYS在液壓支架優(yōu)化設(shè)計中的應用[J].機械設(shè)計與制造，2007(6)：170-172.

[3]苗立東,夏長高,高翔.循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析[J].江蘇大學學報(自然科學版),2002,03:50-53.

[4]伍穎,宋康頓,郭龍飛,吳選杰.循環(huán)球轉(zhuǎn)向器可靠性磨損試驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與制造,2015,07:208-210.

金旭，中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，在讀研究生。