基于整車的轉向系統耐久測試研究

李賽 陳泰吉 鄭忠輝

摘 要：轉向系統一般由方向盤、轉向管柱、轉向中間軸、轉向器、轉向拉桿等組成，是汽車的重要組成部分，其功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。為了考核其安全性，需要對轉向系統進行耐久測試，而常規的測試都是基于臺架進行的，與實車狀態有一定的偏差。本文介紹一種基于整車的轉向系統耐久測試，在整車中放置加載裝置并完成相關測試，其結果更真實可靠。

關鍵詞：轉向系統 耐久測試 整車

1 概述

在汽車中，轉向系統的功能是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向，對汽車的行駛安全至關重要，一般由方向盤、轉向管柱、轉向中間軸、轉向器、轉向拉桿等組成。

汽車轉向系統分為機械轉向系統和動力轉向系統兩大類。機械轉向系統中的傳力件都是機械的，轉向的能源均來自駕駛員的體力。動力轉向系統是在機械轉向系的基礎上加設一套動力轉向裝置而形成的，其轉向的能源除了來自駕駛員的體力外，更多的是由發動機或者助力電機提供。動力轉向系統因為節省了駕駛員的體力而得到了越來越多的應用，目前應用的主要包含液壓式動力轉向系統和電動助力動力轉向系統，而在乘用車中，電動助力動力轉向系統因其強大的控制功能和低成本優勢占用了非常高的應用比例。

鑒于轉向系統一旦出現故障就很可能導致嚴重的事故，所以對轉向系統的可靠性要求非常高。考慮到乘用車中大多采用電動助力動力轉向系統，本文針對此類轉向系統的耐久測試進行研究，以驗證其可靠性。

2 測試要求

電動助力動力轉向系統主要由機械部分（主要包含轉向管柱、轉向中間軸、轉向器、轉向拉桿）及電動助力部分（助力電機、控制器）等組成，不論是哪部分出現問題，都可能導致嚴重的事故，因此，耐久試驗要在電動助力部分工作的情況下進行。為了保證輪胎部分的摩擦力足夠大，需要將前輪置于特制的摩擦板上邊，其摩擦系數不低于0.8。試驗前要將相應的緊固件擰到規定的扭矩，試驗后測試殘余扭矩。

3 測試過程

測試過程主要包括：轉向拉桿的標定與安裝、加載裝置的安裝、車輛狀態的調整、采集裝置的連接、程序的設定與運行、試驗后的檢查等。

3.1 轉向拉桿的標定與安裝

3.1.1 轉向拉桿的標定

齒條力是EPS標定的重要依據，同時也是耐久試驗的重要參數，在試驗過程中需要實時監測。齒輪齒條轉向器的結構使得直接測試齒條力十分困難，可以通過測出轉向拉桿的力后再根據轉向拉桿和齒條軸線的夾角關系計算出齒條力。

轉向拉桿一端連接轉向器，另一端連接轉向節，其作用是將轉向器中齒條的運動傳遞到轉向節。轉向拉桿的形狀多為圓柱形，在一定范圍內受到的拉力或壓力時會產生微小的彈性變形，可以通過粘貼電阻應變片的方法來測試轉向拉桿所受的力。設電阻應變片的初始電阻為R，產生應變時的電阻變化為，那么滿足：

將轉向拉桿通過工夾具連接到直線作動器，控制作動器逐漸增加作用力并采集力值F與惠斯通電橋輸出電壓，根據數據擬合出二者之間的關系式，至此完成了標定。

3.1.2 轉向拉桿的安裝

轉向拉桿的安裝如圖3所示，將試驗車輛放置在舉升機上，然后舉升到一定的高度，先完成轉向拉桿與齒條的連接，再完成轉向拉桿與轉向節的連接，連接處均需擰緊至規定扭矩，并做好標記線。

待轉向拉桿安裝完成后，需要用四輪定位設備對試驗車輛前輪的外傾角、前束進行檢查，如果與目標值有所差別，需要進行調整，如圖4所示。

3.2 加載裝置的安裝

加載裝置包含由鋁合金搭建的龍門支架以及一伺服電缸，其作用是驅動方向盤側進行旋轉，從而帶動整個轉向系統及車輪運動。該加載裝置中的伺服電缸可以進行多自由度調節，最大輸出扭矩可以達到200N.m，而且能同時記錄加載的扭矩值和轉角。該加載裝置的安裝步驟如下：

（1）拆掉駕駛員座椅和方向盤;

（2）安裝過渡板，其作用是連接車身與加載裝置;

（3）將加載裝置的底座固定在過渡板上;

（4）調節伺服電缸到合適的位置并與管柱頭連接。

安裝好的加載裝置如圖5所示。

3.3 車輛狀態的調整

3.3.1 配重與調壓

將車輛前輪置于軸荷儀上邊，在車內放置沙袋直至前軸載荷達到試驗工況所定的值，然后調整胎壓至規定值。

3.3.2 車輛的固定

完成了配重與調壓后，將車輛的前輪移動至摩擦板上，摩擦板的摩擦系數不低于0.8，見圖6。在耐久試驗過程中，加載裝置會驅動方向盤側的管柱做往復轉動從而帶動前輪往復擺動，在這個過程中車輛會向前移動以至于會脫離摩擦板，所以要對車輛進行固定。本文所采用的固定方式是用捆綁器固定住車輛的兩個后輪。

3.3.3 冷卻裝置的安裝

對于轉向助力電機，在耐久試驗過程中，其工作電流會長時間處于較大值從而導致溫度比較高，所以需要進行冷卻，本文采用風冷的方式。另外，控制器部分也要進行冷卻，同樣采用風冷的方式。

3.4 采集裝置的連接

3.4.1 機械部分的采集

機械部分的采集包括方向盤側的轉角、加載的扭矩、轉向拉桿上的力，其中方向盤側的轉角、加載的扭矩可以在加載裝置對應的控制柜中直接采集和顯示;對于轉向拉桿上的力值，需要將惠斯通電橋的線路接到加載裝置對應的控制柜中其余通道，然后設定好相應的靈敏度，即可進行采集與顯示。

3.4.2 CAN信號及溫度信號的采集

要采集的CAN信號包括助力電機的電流、助力裝置中扭矩傳感器的扭矩，所用的設備為單獨的數采系統，主要目的是判斷在試驗過程中助力功能是否喪失或者下降。

要采集的溫度信號包括助力電機外殼的溫度以及控制器外殼的溫度。由于加載過程中助力電機的電流會一直比較大，在進行了一些循環之后會觸發熱保護而導致助力裝置停止工作，這樣的話試驗無法繼續進行。為了避免上述情況的出現，需要把熱保護機制去掉，但是這就有可能使助力電機與控制器因溫度過高而損壞，所以要對其溫度進行實時監控。在助力電機外殼以及控制器外殼粘貼溫度傳感器，再連接到相應的采集裝置，當發現溫度值超過一定限值后需要及時停止試驗，需要指出的是，在制定溫度限值的時候要考慮助力電機和控制器的內部溫度與外部溫度存在一定差異的情況。

3.5 程序的設定與運行

根據定好的試驗條件完成程序的設定，本文中的試驗條件為：車輛處于點火狀態，方向盤側從直線行駛位置開始，順時針轉到規定的扭矩值，然后逆時針轉到規定的扭矩值，再回到直線行駛位置，至此為一個循環，根據規定的試驗次數完成所有循環。如果按照恒定的轉速運行，在運動到極限位置時會產生沖擊，為了避免這個問題，需要分段運行：

（1）從直線行駛位置開始按規定轉速順時針轉到接近極限位置處;

（2）按較低轉速順時針轉到規定的扭矩值;

（3）按規定轉速逆時針轉到接近極限位置處;

（4）按較低轉速逆時針轉到規定的扭矩值;

（5）按規定轉速順時針轉到直線行駛位置。

待運行程序設定好之后，打開冷卻裝置和數采裝置，開始進行試驗。試驗過程中要注意如下：

（1）保證車輪一直處于摩擦板上邊;

（2）定時檢查輪胎的磨損情況，如果磨損嚴重要及時更換輪胎;

（3）定時檢查助力電機外殼的溫度以及控制器外殼的溫度，出現異常及時停止;

（4）定時檢查助力電機的電流，出現電流消失或者過低情況要及時停止;

（5）車輛發生異響要及時停止。

3.6 試驗后的檢查

3.6.1 前輪的檢查

試驗后，需要用四輪定位設備對前輪的外傾角、前束進行檢查。

3.6.2 轉向系統的檢查

試驗后檢查轉向系統的功能損傷、可目視塑性變形等，另外，對管柱安裝點、中間軸安裝點、轉向拉桿與轉向節連接點、轉向器安裝點的殘余力矩。

3.6.3 其他檢查

其他檢查主要包括：三角臂到副車架和轉向節安裝點、減振器到轉向節安裝點等的殘余力矩。

4 結論

電動助力動力轉向系統在乘用車中的應用比例非常高，常規的轉向系統耐久測試都是在臺架中進行，與實際情況有一定差距，本文所采取的基于整車的轉向系統耐久測試可以與實際情況非常接近，另外，還能對前輪的外傾角、前束以及三角臂、減振器安裝點扭矩進行考核。在試驗過程中，可以對方向盤側的轉角、加載的扭矩、轉向拉桿上的力、助力電機的電流、助力裝置中扭矩傳感器的扭矩進行實時監控和記錄，一方面可用于判斷耐久測試是否在正常運行中，另一方面可以用直觀的數據來觀察轉向系統的功能變化情況。當然，該測試方法也存在著成本較高、測試周期長等缺點。后續需要開展的工作有：優化摩擦板的結構，開展商用車的轉向系統耐久測試研究等。

參考文獻：

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