一種轉(zhuǎn)向中間軸帶負(fù)載復(fù)合運(yùn)動(dòng)測試方法

鄭忠輝 李賽 陳泰吉

摘要：轉(zhuǎn)向中間軸是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，介于轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向管柱之間，主要作用是傳遞轉(zhuǎn)向扭矩，同時(shí)中間軸本身具備的滑動(dòng)功能可以在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)產(chǎn)生正常潰縮緩解對(duì)駕駛員造成傷害，本文主要介紹一種中間軸帶負(fù)載復(fù)合運(yùn)動(dòng)測試方法，不但可以滿足高頻大位移直線運(yùn)動(dòng)和大角度低頻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中有相應(yīng)的正弦負(fù)載載荷，能真實(shí)模擬中間軸在實(shí)際使用過程中的受力及滑動(dòng)磨損情況，測試結(jié)果更可靠，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向中間軸;高頻直線運(yùn)動(dòng);大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);正弦負(fù)載

1 概述

在汽車中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向，對(duì)汽車的行駛安全至關(guān)重要，作為連接轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器的中間軸是整套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于傳遞方向盤通過轉(zhuǎn)向管柱對(duì)轉(zhuǎn)向器的操作，而在實(shí)際使用往往會(huì)因?yàn)橹虚g軸出現(xiàn)失效，對(duì)人的生命安全產(chǎn)生重大的威脅。汽車設(shè)計(jì)和制造缺陷是影響汽車安全的重要因素，我國法律要求汽車制造商以召回的方式消除缺陷。

2012年11月，四川一汽豐田汽車有限公司長春豐越公司召回部分缺陷車輛，涉及數(shù)量：3737輛，召回原因：轉(zhuǎn)向裝置中連接方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)的零件（中間軸）的齒形花鍵強(qiáng)度不足。如果在低速行駛中重復(fù)強(qiáng)力打滿舵，零件的連接部位會(huì)發(fā)生松動(dòng)，如果持續(xù)使用，該連接部位會(huì)產(chǎn)生劇烈磨損，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。存在安全隱患

豐田汽車（中國）投資有限公司自2015年3月4日起召回2013年08月01日- 2013年08月19日期間出廠的進(jìn)口豐田FJ酷路澤車輛，據(jù)該公司統(tǒng)計(jì)，中國大陸地區(qū)涉及7輛，召回原因：在連接方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)的轉(zhuǎn)向中間軸的結(jié)合部位可能存在焊接不充分的情況，在這種狀態(tài)下持續(xù)使用的話，該結(jié)合部位有可能發(fā)生損壞，導(dǎo)致無法正常轉(zhuǎn)向操作，存在安全隱患。

由此可以看出對(duì)中間軸進(jìn)行耐久性測試具有重大意義，目前汽車行業(yè)對(duì)于中間軸相關(guān)耐久試驗(yàn)只有一項(xiàng)滑動(dòng)花鍵磨損試驗(yàn)，即在中間軸一端施加9.8N.m固定扭矩，另一端施加±Imm -±15mm的直線運(yùn)動(dòng)，不能真實(shí)的反映車輛在實(shí)際使用過程中對(duì)中間軸的磨損情況，鑒于以上原因，特提出一種中間軸帶負(fù)載復(fù)合運(yùn)動(dòng)測試方法，更大程度的反映車輛在行駛過程中重復(fù)打舵的行為對(duì)中間軸產(chǎn)生的影響。

2 測試要求

中間軸外軸實(shí)現(xiàn)高頻率10Hz伸縮量為±2.7mm直線運(yùn)動(dòng)，內(nèi)軸實(shí)現(xiàn)頻率為1.56Hz旋轉(zhuǎn)角度為±40度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在整個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)過程中，中間軸還需承受±16N.m的扭矩負(fù)載。

3 測試裝置

中間軸通常由一對(duì)可滑動(dòng)的內(nèi)、外軸和兩個(gè)十字軸萬向節(jié)組成，如圖1所示。

3.1測試方案

為滿足測試要求，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備，結(jié)合中間軸的結(jié)構(gòu)，通過一定的工裝設(shè)計(jì)，提出以下方案，來實(shí)現(xiàn)中間軸的帶負(fù)載復(fù)合運(yùn)動(dòng)，整套方案主要包含3部分，具體見圖2。

3.2測試準(zhǔn)備

3.2.1各工位功能及設(shè)備選擇

工位I：選擇IST直線作動(dòng)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)中間軸的大位移高頻直線運(yùn)動(dòng)，與直線導(dǎo)軌連接，保證施加到中間軸上的力值不會(huì)有側(cè)向分力，其上有位移傳感器，行程為±125mm，可實(shí)時(shí)監(jiān)控中間軸水平直線運(yùn)動(dòng)的伸縮量;

工位II：不但可以保證中間軸的大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的順利進(jìn)行，同時(shí)也承擔(dān)整個(gè)測試過程中中間軸的正弦負(fù)載輸入;

工位III：選用MTS扭轉(zhuǎn)作動(dòng)器，為實(shí)現(xiàn)中間軸低頻大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力扭矩，設(shè)備上自帶扭矩傳感器與角度傳感器，角度傳感器量程為±50度，保證測試輸入時(shí)角度的精確性，扭矩傳感器量程為±4Kn.m，可實(shí)時(shí)監(jiān)控測試輸出的扭矩值。

3.2.2工位II的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與中間軸傳統(tǒng)意義上的花鍵滑動(dòng)磨損耐久試驗(yàn)不同，本套測試方案不僅僅能實(shí)現(xiàn)中間軸的大角度低頻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，還能實(shí)現(xiàn)高頻率大位移的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證整個(gè)測試過程中間軸承受±16N.m的扭矩負(fù)載，為實(shí)現(xiàn)這些要求，特設(shè)計(jì)工位II，工位II的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示：

工位II各主要結(jié)構(gòu)功能：

軸承座：支撐軸承，固定軸承的外圈，僅僅讓內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈保持不動(dòng)，且保持平衡;

軸承端蓋：對(duì)軸承外圍起軸向定位的作用;

平鍵：固定連接軸與慣量盤，用以傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)，防止慣量盤與連接軸有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);

慣量盤：為整個(gè)測試提供正弦負(fù)載，模擬車輪行駛過程中打舵時(shí)克服輪胎與地面產(chǎn)生摩擦所需要施加在方向盤上的扭矩，慣量盤的計(jì)算是保證整個(gè)測試輸出扭矩要求的關(guān)鍵;

鎖緊螺母II：軸承內(nèi)圈的軸向定位，防止慣量盤軸向竄動(dòng);

連接軸：將中間軸與慣量盤及軸承組等各部件連接在一起;

角接觸球軸承：保證中間軸可以順利實(shí)現(xiàn)大角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，降低整個(gè)過程中的摩擦系數(shù)，保證回轉(zhuǎn)精度;

鎖緊螺母I：軸承內(nèi)圈的軸向定位;

連接法蘭：連接工位II與工位I中的直線導(dǎo)軌，并且對(duì)軸承外圈有軸向限位的作用。

3.2.3慣量盤的計(jì)算

整套測試機(jī)構(gòu)，難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)大角度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)有負(fù)載扭矩，這也是與傳統(tǒng)意義上中間軸耐久測試的區(qū)別，為實(shí)現(xiàn)這一功能，選擇慣量盤加軸承組合，慣量盤計(jì)算過程如下：

已知條件如表1所示，計(jì)算公式及結(jié)果如表2所示。

考慮到整個(gè)測試機(jī)構(gòu)的空間布置以及連接軸的強(qiáng)度問題，故慣量盤厚度選擇36.5mm，另因?yàn)榧庸ふ`差以及安裝誤差的存在，會(huì)對(duì)慣量盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值有一定的影響，特在慣量盤周圈預(yù)留一定數(shù)量的螺紋孔，在實(shí)際測試中可根據(jù)扭轉(zhuǎn)作動(dòng)器上的扭矩傳感器反饋的扭矩值與要求值的差值進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰷p慣量塊來調(diào)整反饋值，保證測試的準(zhǔn)確性，慣量盤的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖以及部分參數(shù)見圖4、圖5。

4 測試調(diào)試

依照測試方案，將各工位依次連接并固定在基座上，保證整套測試系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠，如圖6所示，通過調(diào)整工位I和工位III的相對(duì)位置和高度，不但可以滿足不同長度中間軸的測試需求，而且可以保證中間軸按照實(shí)車裝配角度進(jìn)行測試。

安裝完畢之后，通過系統(tǒng)設(shè)置界面分別對(duì)直線作動(dòng)器以及扭轉(zhuǎn)作動(dòng)器進(jìn)行動(dòng)作設(shè)定，程序界面及功能見圖7;

拉力位移實(shí)時(shí)值顯示區(qū)：顯示當(dāng)前中間軸滑動(dòng)位移及所收到拉壓力的實(shí)時(shí)值，可隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，并以波形形式顯現(xiàn)于運(yùn)動(dòng)曲線顯示區(qū);

角度扭矩實(shí)時(shí)值顯示區(qū)：顯示當(dāng)前中間軸所選轉(zhuǎn)角度以及承受扭矩的大小，可根據(jù)反饋回的扭矩值進(jìn)行慣量盤的適當(dāng)調(diào)整;

循環(huán)次數(shù)顯示區(qū)：顯示當(dāng)前耐久測試進(jìn)行的次數(shù);

功能區(qū)：此區(qū)包括運(yùn)動(dòng)方式（直線運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）的選擇以及相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方式參數(shù)的設(shè)定，可控制整個(gè)測試系統(tǒng)的開始，暫停，停止等;

運(yùn)動(dòng)曲線顯示區(qū)：可以顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)中的正弦曲線波形并提示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)幅度及頻率，可選擇直線運(yùn)動(dòng)模式的波形或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式的波形.且可對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，針對(duì)本測試，此區(qū)域顯示旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式的波形，直線運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)值通過拉力位移實(shí)時(shí)值顯示區(qū)讀取即可。

工位選取顯示區(qū)：進(jìn)行工位的選擇，可增加反饋保護(hù)，對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)起到限制保護(hù);

按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)慣量盤進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，經(jīng)調(diào)試合格后進(jìn)行試驗(yàn)，測試扭矩輸出曲線如圖8所示：

5 結(jié)論

通過輸出扭矩曲線分析，該測試方案基本可以滿足測試需求，實(shí)現(xiàn)了中間軸帶負(fù)載復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為零部件企業(yè)判定中間軸性能優(yōu)劣提供了一種測試方法，但在實(shí)際測試過程中也存在一定的問題需后期改進(jìn)：

1）安裝時(shí)有一定的困難，為實(shí)現(xiàn)中間軸實(shí)車裝配角度，需保證直線缸和扭轉(zhuǎn)缸的相對(duì)位置準(zhǔn)確，尤其是高度的不一致調(diào)試較為困難，比較浪費(fèi)人力與時(shí)間，建議后期可以將直線缸和扭轉(zhuǎn)缸都做成可自動(dòng)升降高度;

2）所選扭轉(zhuǎn)缸扭矩行程較大，導(dǎo)致輸出扭矩的波動(dòng)較為明顯，建議選擇小量程的扭轉(zhuǎn)缸進(jìn)行測試;

3）連接軸的設(shè)計(jì)外徑較小，因慣量盤的自重較大，導(dǎo)致測試系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有輕微不對(duì)稱，使得輸出扭矩在換向時(shí)有波動(dòng)，后期建議進(jìn)行連接軸撓度計(jì)算，盡可能減少連接軸強(qiáng)度原因?qū)е罗D(zhuǎn)動(dòng)慣量不對(duì)稱的問題。

參考文獻(xiàn)：

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