汽車轉向球頭拉桿耐磨持久試驗臺的開發

楊磊，徐家川，馮賽，蘇澤鵬，楊建強

(山東理工大學 交通與車輛工程學院,山東 淄博 255049)

汽車轉向球頭拉桿是汽車轉向機構中的重要零件,它直接影響汽車操縱的穩定性、運行的安全性和輪胎的使用壽命[1]。新開發的產品在量產之前必須進行耐磨持久試驗，如果直接在實車上進行試驗,不僅存在試件安裝困難、試驗周期較長的問題，而且會造成整車的損耗,因而不切實際。為解決在實車上試驗的缺陷，通常會選擇在試驗臺上模擬球頭拉桿在實車上的受力和運動情況[2]，但是現有的一些球頭拉桿耐磨持久試驗臺存在更換試件時需重新更換夾具、球銷球心位置不易保證、試件擺角調節不方便等諸多問題[3]。因此設計一種能夠模擬球頭拉桿在實車上的受力和運動情況且適用于多種型號試件的、易于操作的新型試驗臺是實際所需。

1 球頭拉桿受力和運動情況分析

轉向球頭拉桿由內拉桿總成和外拉桿總成兩部分組成，內、外總成分別由防塵罩、球銷套、球銷、球銷座等零件組成[4]，如圖1所示。

圖1 典型的轉向球頭拉桿構造示意圖Fig.1 A schematic diagram of a typical steering ball head tie rod

球頭拉桿實車受力及運動情況如圖2、圖3所示[5]。當車輛轉向時，轉向器齒條推(拉)動轉向輪將使外拉桿總成軸向受到±F的力，轉向梯形角度變化將使球頭銷產生±V的回轉運動[6]。車輪的上下跳動將使球頭銷產生角度為±S的擺動[7]。內拉桿總成因工作時與外拉桿總成相接，故軸向受力和外拉桿總成受力相等，球銷擺動角度也相等。

圖2 外拉桿總成受力及運動示意圖Fig. 2 Force diagram of outer pull rod assembly

圖3 內拉桿總成受力及運動示意圖Fig. 3 Force diagram of inner pull rod assembly

2 試驗要求及試驗臺參數的確定

2.1 試驗要求

結合球頭拉桿在輕型車及微型車上的受力情況，并依據相關標準QC/T 648—2015 《汽車轉向拉桿總成性能要求及臺架試驗方法》，對試驗臺需要滿足的相關參數進行確定。

對于外拉桿總成一般要求球銷轉動角度α≥±40°或車輛最大轉角的80%，轉動重復速率為0.3～1 Hz；軸向載荷為前軸載荷的1/4，大小取為5.1 kN的對稱循環交變力，加載速度為0.1～1 Hz；球銷擺角θ≥±12°，擺動重復速率為1～3 Hz[8]。

對于內拉桿總成一般要求擺角θ≥±20°或車輛設計最大擺角(撞擊回彈和轉向擺角)的80%，擺動重復速率為1～1.5 Hz；軸向載荷、載荷加載速度與外拉桿總成相同。

2.2 試驗臺參數

根據以上要求確定試驗臺的參數如下[9]：

擺動角度 ±30°連續可調；

回轉角度 ±45°連續可調；

擺動頻率 0～4 Hz連續可調；

回轉頻率 0～3 Hz連續可調；

加載力 ±5.1 kN連續可調；

加載頻率 0～2 Hz。

3 試驗臺設計方案及工作原理

本文試驗臺開發樣機如圖4所示,由機械部分、液壓系統及電氣系統三部分組成。

圖4 試驗臺開發樣機Fig.4 Test bed prototype

3.1 機械部分

機械部分主要功能是模擬球頭拉桿在實車上的運動及受力情況，如圖5所示。件15為被試外拉桿總成，其受力及運動要求如圖2所示，完成此功能原理如下：將件15的球銷與件14用螺母裝在一起，另一端裝在件16上(圖中已裝上)，試件裝夾完成。啟動試驗臺，液壓缸輸出力，該力通過力臂傳給試件，馬達a經減速器11帶動偏心輪轉動，偏心輪通過擺動機構12、13帶動框架6擺動，實現試件的擺動，馬達b安裝在件6上，可以隨件6一起運動，馬達b工作時可以帶動回轉機構13實現球銷的回轉運動。為滿足不同產品不同廠家的試驗要求，可以調節液壓系統的參數來調節軸向載荷和加載頻率，調節偏心輪的偏心距來調節擺動角度和回轉角的大小。

1.液壓缸；2.馬達b；3、8.偏心輪；4、7.力臂； 5、12.擺臂；6.框架；9.紅外計數器；10.馬達a； 11. 蝸輪蝸桿減速器；13.回轉機構； 14.外球銷總成夾具；15.試件；16.夾具；17.底座。圖5 外拉桿總成試驗安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of test and installation of outer pull rod assembly

內拉桿總成試驗裝夾比較簡單，其在實車上的受力及運動情況如圖3所示。球銷軸向受拉壓力并繞球銷套擺動，此功能工作原理如圖6所示，拆下圖4中的件14、15、16換裝件3、2、1，啟動試驗臺，液壓缸輸出力，該力通過力臂傳給試件，馬達a工作使球銷繞球銷套擺動，由于內拉桿總成試驗時不要求球銷做回轉運動，故試驗過程中馬達b不工作，試件軸向載荷大小、頻率、擺動角度的調節方法與外拉桿總成試驗的調節方法相同。

1.夾具；2.內拉桿總成；3.內球銷總成夾具。圖6 內拉桿總成試驗安裝示意圖Fig.6 Schematic diagram of test and installation of inner pull rod assembly

3.1.1 外拉桿總成固定夾具的設計

外拉桿總成的球銷運動較復雜,不僅做擺動運動，還要做回轉運動，球銷端部存在一定的錐度，且不同型號的產品端面錐度有所不同，故試驗時裝夾較困難。為保證在試驗過程中試件不發生松動和旋轉，并且不同型號的試件做試驗時盡量減少夾具的更換次數，對圖5中的件14進行設計，設計結構如圖7所示，球銷的錐面先與錐套配合，錐套的內孔存在與球銷一樣的錐度，錐套外部與外球銷總成固定在夾具上的安裝孔以螺紋的形式配合，不同型號的錐套內部錐孔會有所不同，但錐套外部相同，能夠與固定夾具上的內螺紋相旋合。當不同型號的產品做試驗時只需更換不同的錐套，不需更換件3，可以減輕工作量。

1.外拉桿球銷；2.錐套；3.外球銷總成夾具；4.緊固螺母。圖7 外拉桿球銷總成的固定夾具示意圖Fig.7 Schematic diagram of fixed clamp for the ball pin assembly of external tie rod

3.1.2 內拉桿總成固定夾具的設計

不同型號的內拉桿總成球銷套上的螺紋會有所不同，而試驗時內拉桿球銷套需要與夾具以螺紋旋合的方式固定，為避免不同型號試件做試驗時更換不同的夾具。對圖6中的件3進行設計，設計結構如圖8所示，試驗時先選擇合適的螺紋套2與試件球銷套螺紋1旋合裝在一起，螺紋套上內螺紋與球銷套上的螺紋旋合，外螺紋可以與夾具3旋合，不同的螺紋套內螺紋不同，但外螺紋均能夠與固定夾具相旋合，當不同型號的產品做試驗時只需更換不同的螺紋套即可，使試驗操作更加簡便。

1.內拉桿球銷套螺紋；2.螺紋套；3.內球銷總成夾具。圖8 內球銷總成的固定夾具示意圖Fig.8 Schematic diagram of fixed clamp for the inner ball pin assembly

3.1.3 回轉機構的設計

無論內拉桿總成還是外拉桿總成試驗，試驗過程中都需保證球銷球心在回轉機構的中心位置，以保證試件運動角度與擺臂擺動角度相同，但是不同型號的球頭拉桿球銷套長度不一，使得球心位置難以保證，傳統試驗臺通過移動液壓缸與框架的相對位置來滿足要求，操作繁瑣。為解決這一問題，設計可調式回轉機構如圖9所示，該結構可以通過調整調節螺栓2與回轉機構3上螺紋的旋合長度來調整球心位置，調整完成后旋緊緊固螺母1防止螺栓松動，這種設計可以使不同型號的試件試驗時球心的位置得到保證。

1.緊固螺母；2.調節螺栓；3.回轉機構。圖9 可調回轉機構示意圖 Fig.9 Diagram of retractable mechanism

3.1.4 偏心輪的設計

試件運動角度的調節是通過調節偏心距來實現的，但如果馬達不工作，偏心輪不能隨意轉動，傳統試驗臺需要通過不斷啟、停設備來調節偏心滑塊的位置，如圖10所示。

傳統方法使得角度調節比較困難，考慮到試驗的可操作性與便捷性，對偏心輪結構進行設計。以擺角調節為例，通過幾何方法得出偏心距與搖臂擺角的關系，將刻度標注在偏心輪上，這樣不同型號的試件做試驗時就可以通過調節不同的偏心距來滿足不同運動角度的要求。偏心距與試件擺角滿足關系如圖11所示，減速器的輸出軸位于A點，與擺臂處于豎直向下位置時的下端B點處于同一水平線上，擺臂繞點O擺動時到達的兩極限位置分別記為C、D兩點，分別以C、D為圓心，力臂L為半徑畫圓，兩圓分別與CD所在直線交于E、F兩點，則

EF=CD=2Lcosθ

(1)

式中：L為搖臂的長度；θ為擺臂擺到極限位置時的擺角。

圖11 偏心距與擺角關系示意圖Fig.11 Schematic diagram of motor section

當擺臂在兩極限位置時，偏心輪上決定偏心距的滑塊分別位于H、G兩點，即HG=2e，如圖12所示，在點E、F、G、H構成的四邊形中EF//HG,則線段HG和EF滿足

HG=EF-2hcos∠EHG

(2)

式中：h為線段EF、HG之間的距離，由于∠EHG≈90°故cos∠EHG≈0，HG近似等于EF，即

2e=HG=2Lcosθ

(3)

e=Lcosθ

(4)

圖12 偏心滑塊運動軌跡示意圖Fig.12 Schematic diagram of eccentric slide track

在工作時，偏心輪上決定偏心距的滑塊是以點A為圓心、偏心距e為半徑做圓周運動，所以可根據式(4)在偏心輪上標注表示不同偏心距的刻度，當需要改變試驗角度時，只要將滑塊調到對應的刻度即可，回轉偏心輪的設計方法相同。

3.2 液壓系統

液壓系統原理如圖13所示。液壓泵輸出壓力油，經三位四通電磁換向閥后流向單活塞雙作用液壓缸，電磁換向閥控制壓力油的流向使油缸輸出正、負力(液壓缸的活塞面積等于1/2油缸面積，使輸出的正、負力相等)，改變電磁換向閥的換向周期可以改變載荷換向頻率，調壓閥可以改變載荷大小，溢流閥起到保護油路安全的作用[10]。

1.液壓缸；2.三位四通電磁換向閥； 3.調壓閥；4.溢流閥；5.液壓泵。圖13 液壓系統原理示意圖Fig.13 Schematic diagram of hydraulic system principle

3.3 電氣系統

電氣系統主要完成以下功能：a計數，把紅外線發射頭和接收頭做成一個紅外探頭安裝在機架上，在驅動馬達的輸出軸上安裝一個隨軸轉動的干擾塊，當干擾塊在探頭前出現時發射頭發射的紅外線反射給接收頭，探頭輸出一個脈沖給計數器計數，計數傳感器采用的無觸點開關如圖14所示；b通過控制電磁換向閥的換向頻率來控制加載液壓缸的加載頻率；c控制溫度，在試驗時球銷和球銷座會因摩擦產生熱量，當溫度大于設計溫度時，即判斷產品不合格，預置溫度范圍為0～150 ℃。試驗時將微型PN結傳感器粘在產品外殼。

圖14 計數原理示意圖Fig.14 Schematic diagram of counting principle

4 結束語

本轉向球頭拉桿耐磨持久試驗臺改進了同類試驗臺所存在的不足，機械設計合理，性能穩定，通用性強，不僅能夠很好地模擬球頭銷在實車上的受力及運動情況，而且還能縮短試驗前的準備時間，經某球頭拉桿工廠試用，本試驗臺試驗前的平均安裝、調試時間僅需30 min，與傳統試驗臺相比縮短了20 min，能更好地為生產服務。