動力轉向器總成綜合性能試驗臺液壓系統設計

陳 誠，顧 晉，劉 永

(1.湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002； 2.東科克諾爾商用車制動技術有限公司，湖北 十堰 442003)

引言

重型汽車的動力轉向系統幾乎都是借助液壓助力，采用的常流整體式動力轉向器其實是一個機液聯合控制與反饋的伺服隨動系統[1-2]。除了新品定型要做可靠性試驗外，每個轉向器總成出廠前必須在試驗臺上完成各項性能試驗[3]。作為車輛主動安全性能中至關重要的轉向系統，逐步得到國內學者的關注和研究，分析和研究問題的手段也逐步從純理論研究到軟件仿真，直至現今出現了更多的試驗臺架實物研究[4-5]，但其研究領域更多局限于測控系統的設計開發[6-10]。動力轉向器總成綜合性能試驗臺既要模擬汽車轉向系統中的供油功能，還必須使模擬工況更接近實車行駛路況[5]，試驗結果的正確與否影響汽車轉向的操控舒適性乃至行車安全。試驗過程中工作壓力高、流量調節范圍大，應避免液壓沖擊和噪聲，要求過濾精度高，各試驗參數的觀測和標定要方便可行，還要注意對儀器儀表的保護，因此對試驗臺液壓系統的設計提出了更高的要求，需要進行更為深入的研究。

1 總成綜合性能試驗臺概述

試驗臺采用計算機自動控制系統，對試驗過程中各種數據進行自動采集、處理和跟蹤繪圖，并按要求格式自動輸出結果。對總成進行試驗時，應參考原車的布置形式或者平直安裝在試驗臺上，過濾器的絕對過濾精度不得低于原車[3]。

試驗時先裝夾試件，安裝過渡接頭，通過液壓快速插頭連接試件進出油口。需要完成的試驗內容和要求如下：

(1) 輸入扭矩：驅動系統輸出軸與試件輸入軸連接，不連接垂臂，驅動試件正反方向全轉角旋轉，測量扭矩與轉角間的關系曲線，求出最大最小扭矩值和平均扭矩值。系統要求大流量、低壓、無負載、垂臂限位擋塊下降；

(2) 行程閥流量調節：安裝垂臂，用拉桿將試件垂臂與加載裝置連接。通過液壓缸升起垂臂限位擋塊，驅動輸入軸使試件垂臂擺動至最大轉角位置(機械限位)。手動調整行程閥調整螺釘，直至流量達到設定范圍。此時系統要求大流量、低壓、無負載、垂臂限位擋塊上升；

(3) 行程閥卸荷功能試驗：在產品正反兩個方向設定最大轉角的位置下測量進出口壓差，系統要求同行程閥流量調節；

(4) 功能試驗：在輸出端施加總成最大輸出扭矩三分之一的負載，全行程范圍轉動輸入軸，檢測輸入軸扭矩值。此時系統要求大流量、高壓、大負載、限位擋塊下降；

(5) 內泄漏及外泄漏試驗：通過機械限位將垂臂固定于中間位置，輸入軸正反向施加設定扭矩，測量總成高壓腔至低壓腔的內泄漏量，同時觀察總成的外泄漏情況。系統要求小流量、高壓、無負載、限位擋塊上升；

(6) 力特性試驗：測量介質液壓與輸入扭矩的關系并繪制特性曲線，計算對稱度。系統要求同內泄漏試驗；

(7) 回正能力試驗：試件輸入軸空置，在輸出端施加最大輸出力矩6%的回正載荷，逆驅動垂臂從最大轉角處回到中間位置，測出所需時間。系統要求大流量、低壓、小負載、限位擋塊下降；

(8) 壓差試驗：試件輸入和輸出端處于自由狀態且垂臂在中間位置，測量進出油口壓力差。系統要求大流量、低壓、無負載、限位擋塊下降。

2 試驗臺總體結構

試驗臺總體結構如圖1所示，主要由驅動系統、控制系統、測量系統和液壓系統組成。

圖1 試驗臺總體結構框圖

驅動系統由伺服電機和扭矩傳感器等組成，采用無級調速，轉速范圍為0.5～50 r/min。測量系統由扭矩、力、壓力、流量、溫度和角度等傳感器組成，對各參數進行測量。液壓系統由試件供油系統和加載系統兩部分組成，試件供油系統模擬試件實際使用工況，加載系統主要用于對試件施加負載、逆驅動和擋塊限位。

試驗臺對所有傳感器設有標定接口和輔助裝置，各傳感器主要技術要求如表1所示。

表1 傳感器主要技術參數

3 液壓系統設計

3.1 試件供油系統設計

要求試驗用油液為CD級15W/40柴油機油，油溫(50±5)℃，過濾精度25 μm，最高工作壓力14 MPa，流量10～12.5 L/min。盡可能減小系統噪聲，避免產生空穴現象和液壓沖擊。

如圖2所示，采用雙聯液壓泵，將試件供油系統分為低壓系統和高壓系統兩部分。

1.主油箱 2.加熱器 3.空氣過濾器 4.液位計 5.溫度計6.進油粗過濾器 7.雙聯液壓泵 8.低壓過濾器 9.油冷卻器10、23、32.電磁換向閥 11、17.手動換向閥 12、18、28.節流閥13、19、29.壓力表 14.溢流閥 15.壓力繼電器 16.高壓過濾器20.電磁溢流閥 21、22、24.單向節流閥 25、26.單向閥27.流量計 30、31、34、37.快換接頭 33、38.截止閥35.定值減壓閥 36、39.壓差傳感器 40.先導型比例電磁溢流閥圖2 試件供油系統液壓原理圖

1) 低壓系統

油液通過雙聯泵7的低壓泵，經由一個40 μm的粗過濾器6從主油箱1中抽出，再經過一個10 μm的低壓過濾器8和油冷卻器9后，送入高壓泵的吸油口。

液壓系統中如果發生空穴現象，會使液壓油吸油不足，噪聲激增，輸出流量和壓力劇烈波動，系統無法穩定工作，甚至出現氣蝕現象。因此應適當加大吸油管內徑，盡量避免急劇轉彎或存在局部狹窄處，接頭應有良好密封，過濾器要及時清洗或更換。為避免氣蝕現象，高壓泵宜設置輔助泵，向液壓泵的吸油口供應足夠的低壓油，因此本系統采用了雙聯液壓泵。

設置溢流閥14作為低壓系統的升壓安全閥，低壓泵的輸出流量大于高壓泵的需求量時，油液通過溢流閥14回到油箱。設定低壓系統壓力時，可通過按下起隔離作用的手動換向閥11后，由壓力表13觀測，節流閥12可以避免壓力表受到液壓沖擊，起到保護作用。如果低壓系統壓力降低到壓力繼電器15的設定值以下，那么試驗臺的試件供油系統將會停止工作，防止壓力過低導致液壓系統產生空穴現象和液壓沖擊。

2) 高壓系統

高壓泵從低壓系統中得到油液供應，經過1個5 μm 的高精度高壓過濾器后流入升壓管路。由電磁閥操作的先導式電磁溢流閥20，作為在試驗過程中發生誤操作時保護高壓系統油路不超過最大壓力的安全閥，如圖2所示，當電磁鐵2YA斷電時系統卸荷,節約能源[11]。設置了壓力表19、節流閥18和手動換向閥17，便于需要時檢測高壓系統的工作壓力。

在高壓系統管路安裝3個單向節流閥來控制流入轉向器總成的流量。將單向節流閥21，22并聯后調節到試驗最大流量；再串聯1個單向節流閥24，將其調節到試驗所需的小流量狀態。三位四通電磁換向閥23位于中位時，油液流經2個單向節流閥后直接流回主油箱。當電磁鐵3YA通電，油液流量達到系統設定最大值并流經轉向器總成；而當電磁鐵4YA通電，則是用單向節流閥24的小流量對轉向器進行相關試驗。試驗過程中的流量由流量傳感器27來檢測，安裝有2個單向閥來防止回流，轉向器總成中流出的油液直接流回主油箱1。采用2個單向節流閥并聯，是為了保證節流閥始終處于穩定工作狀態的前提下能夠獲得較大的流量調節范圍。

在進行總成各項性能試驗的過程中，由比例電磁溢流閥40根據系統設定參數自動調節供油壓力。

高、低壓差傳感器與轉向器總成進、出油口相連接。如圖2所示，通過電磁換向閥32在試驗程序中切換低壓差傳感器36與高壓差傳感器39對轉向器進出口壓力差進行檢測。定值減壓閥35設定值略低于低壓差傳感器允許的最高壓力，一旦電磁換向閥出現誤操作時，可以保護低壓差傳感器不因為系統壓力過高而損壞。試驗過程中的壓力還可以通過壓力表29來檢測。

截止閥33，38和快換接頭34，37用于試件供油系統各傳感器的標定與校準。

3) 試件供油系統條件控制

(1) 系統的油壓控制：系統的油壓分高低壓兩種，根據試件品種的不同，設定不同的壓力控制值，計算機將該信號轉變成電信號控制比例溢流閥的開度，從而達到控制油壓的目的。在使用的過程中如果發現油壓調節失靈應依次檢查閥控制板的電源、控制信號、閥芯堵塞、油溫過高等。

(2) 系統供油流量的控制：根據試件的品種和所進行的試驗不同，系統的工作流量不同，控制系統在標定狀態下加載，切換大、小流量，手動調節單向節流閥，將流量調節到所需的流量值。工作時大、小流量的控制是由計算機自動控制換向閥切換，在工作的過程中如發現流量不正常應依次檢查流量調節閥堵塞、換向閥堵塞、換向閥控制信號、油溫高。

(3) 試驗用油溫度控制：試件供油系統溫度必須控制在(50±5)℃，既要考慮加熱，又要考慮冷卻，因此在主油箱里裝有油冷卻器、加熱器和溫度傳感器。當油溫超過程序設定值時，電磁鐵1YA通電，油冷卻器9將被接通，自動進行水冷，以使油溫降到允許的范圍。如果油溫過高應停機檢查供水是否正常、電磁換向閥10是否正常工作以及油箱里的液面是否太低。

3.2 加載系統設計

加載系統獨立于試件供油系統，分為擺動油缸加載和擋塊夾緊控制兩部分。

1) 擺動油缸加載

為了在動力轉向器總成的輸出端按試驗要求施加負載或逆驅動，選用擺動油缸作為液壓執行元件。擺動油缸即擺動液壓馬達，其輸出軸做往復擺動，其突出特點是能使負載直接獲得往復擺動運動，無需其他變速機構[12]。

如圖3所示，油泵通過一個40 μm空吸過濾器2從副油箱1中取油。在溢流閥10設置系統最大壓力值，此壓力值應比先導型比例電磁溢流閥21上所設置的壓力值要稍高一些。同時還可以作為安全閥，在發生誤操作時保護系統管路。設定此壓力值時，可手動壓下換向閥7的手柄后，通過壓力表9來檢測。

1.副油箱 2.進油粗過濾器 3.空氣過濾器 4.液位計5.溫度計 6.液壓泵 7.手動換向閥 8.節流閥 9.壓力表10.溢流閥 11.背壓閥 12.油冷卻器 13.回油過濾器14、16、22.電磁換向閥 15.單向節流閥 17.雙單向節流閥18.單向閥 19、20.垂臂閉鎖油缸 21.先導型比例電磁溢流閥23～26.液控單向閥 27.擺動油缸圖3 加載系統液壓原理圖

(1) 擺動油缸被動加載：在做功能試驗時，需在輸出端施加總成最大輸出扭矩1/3的負載[3]，此時電磁換向閥22處于中位。當擺動油缸被轉向器總成輸出端搖臂軸、試驗垂臂及拉桿驅動時，油缸內部油液根據轉動方向噴出，當油液被阻止流經單向閥時，壓力立即升高，產生負載，直至壓力超過設定值后擺動缸才能繼續轉動，而擺動油缸的低壓側通過流經單向閥的油液被重新注入。安裝在回油路上的單向閥11作為背壓閥，使回油路保持一定壓力，保證擺動油缸轉動時更加平穩。

(2) 擺動油缸逆驅動：做回正試驗時，采用擺動油缸逆驅動轉向器搖臂軸旋轉。擺動油缸27旋轉方向的控制采用4個液控單向閥23～26和電磁換向閥22組成。如果電磁鐵4通電，液控單向閥23，26打開，擺動油缸逆時針旋轉；反之，當電磁鐵5YA通電，液控單向閥24，25打開，擺動油缸則順時針旋轉。當電磁換向閥22處于中位時，4個液控單向閥保證擺動缸鎖定在所需位置。

2) 擋塊夾緊控制

擋塊夾緊控制部分用于在試驗過程中進行行程閥調節及力特性曲線、靈敏度曲線和內泄漏等項目的測試時，通過垂臂閉鎖油缸驅動擋塊實現機械限位，將轉角垂臂固定在所需位置。電磁換向閥16通過接通電磁鐵2YA或3YA使垂臂閉鎖油缸19，20前進或后退，油缸的速度通過雙單向節流閥17控制。單向閥18的安裝是為了防止油缸在電磁換向閥16處于中位時發生運動，確保垂臂始終處于閉鎖狀態。垂臂閉鎖油缸帶接近感應開關，用來控制行程兩端位置的換向。感應開關是非接觸敏感元件，無接觸無磨損，輸出信號準確[11]。擋塊夾緊控制部分回油直接流回油箱，背壓盡可能小，以保證對擋塊的正確控制。

加載系統所有回油流經冷卻器12并最終流經一個安裝在油箱頂部的10μm的回油過濾器13后回到副油箱。

3) 加載系統條件控制

(1) 系統的負載控制：不同的試件在試驗的過程中所加負載大小不同，比例電磁溢流閥21在計算機試驗程序控制下自動設置各種試驗過程中的壓力值，以達到控制負載的目的。如負載控制不正確，應依次檢查油溫是否過高、比例閥是否堵塞、比例閥的控制信號是否正常、擺動油缸的連接是否松動或卡死、垂臂的連接是否合適。

(2) 驅動速度：單向節流閥15控制擺動油缸的轉動速度。

(3) 溫度控制：加載系統從副油箱中得到液壓油供應，這一部分不需要精確的溫度控制。只考慮冷卻而不考慮加熱升溫，把溫度控制在適于液壓裝置的35～40 ℃之間即可。

4 系統的標定

每隔一段時間按規定必須對主要試驗參數進行標定，在本系統中需要標定的參數有試件進油壓力、回油壓力、流量、扭矩和拉壓力。對設備的標定能校準各傳感器，糾正可能存在的零點偏移或換算系數的偏差，還可以對傳感器本身進行鑒定，確定其精度是否在允許的范圍內。在設備使用過程中如果出現數據波動較大、大量總成不合格時，也可根據需要進行針對性的單項或多項傳感器的標定，以排除設備故障造成對總成誤判的可能[13]。

4.1 壓力的標定

在壓力傳感器的安裝管路上設計有標定用的接口，將標準壓力檢測儀接上，系統工作，標準壓力儀和系統工作用壓力傳感器同時檢測同一系統同一點的壓力，同時軟件在標定狀態下顯示壓力值，比較二者所測值則可以判斷傳感器是否準確，如果誤差太大，控制軟件系統在標定狀態下根據實際標定的結果進行修正。

4.2 流量的標定

在流量傳感器的油路上串聯1個標定用的油口，啟動泵站，讓泵站穩定運行，打開標定油口，穩定一段時間，讓標定油口的油流入標準容器，同時用標準秒表測量流油時間，根據油量和時間可以計算得到系統流過流量計的流量，與流量計自身所測流量比較即可。

4.3 扭矩的標定

裝在輸入軸上的扭矩儀是關鍵的檢測儀器，其標定方法是脫開試件的輸入軸連接，將標定桿接在軸承座的前面，掛上適當的砝碼，用力臂的長度和砝碼的重量計算出扭矩并和扭矩儀顯示值進行比較，確定誤差的大小并進行修正。

4.4 拉壓力的標定

拉壓力傳感器主要用于測量系統對試件所加負載的大小，其實際值是拉壓力乘力臂。在擺動油缸的軸上安裝上標定桿，掛上適當的砝碼，計算所加的負載大小和拉壓力傳感器檢測是否一致，確定誤差的大小并修正。

5 結論

總成綜合性能試驗臺液壓系統分為2個獨立的子系統，使用電磁比例溢流閥自動調節系統壓力，通過并聯2個單向節流閥，使節流閥在穩定工作的前提下獲得較大的流量調節范圍，滿足多品種產品試驗要求。試件供油系統采用三級過濾，保證過濾精度，通過輔助泵向高壓泵的吸油口供應足夠的低壓油，避免液壓系統產生空穴現象和液壓沖擊。采用定值減壓閥保護低壓差傳感器，壓力表在無需使用時，測試管路完全卸荷，起到保護作用。加載系統既能根據試驗要求被動施加負載，也能主動加載實現逆驅動。經實踐驗證，液壓系統工作穩定，無沖擊，噪聲小，各試驗參數設定方便、控制準確，完全滿足動力轉向器總成進行綜合性能試驗的要求。