汽車轉向外拉桿總成環境疲勞試驗臺測控系統的研制*

衛 斌 ， 衛鵬斌 ，劉榮升 ，崔鵬偉 ，宋俊嶺

（1.鄭州交通技師學院實訓中心，河南 鄭州 450016；2.河南工學院智能工程學院，河南 新鄉 453003；3.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉 453049）

汽車轉向外拉桿總成是汽車轉向系統中的重要零件，它直接影響著汽車操縱的穩定性、運行的安全性等[1-4]。因此，外拉桿總成新產品在量產之前必須進行環境疲勞性能的試驗。針對目前國內相關試驗臺存在著機械傳動結構復雜、試驗參數通用性差以及自動化水平較低等問題，課題組研制了一種汽車轉向外拉桿總成環境疲勞試驗臺，采用了研華610L 工控機作為上位機，南京環科公司溫控箱為試件提供高低溫及濕度環境，以三菱Q03UDE 型PLC 作為下位機，通過J4-200B 驅動器控制伺服電機旋轉實現試件的轉動與擺動，研華1784U 數據采集卡采集轉動與擺動信息并反饋給上位機。實踐表明，本試驗臺具有機械傳動結構簡單、試驗參數通用性強以及自動化水平較高等特點。

1 外拉桿運動情況分析及試驗臺參數

1.1 外拉桿運動情況分析

汽車轉向球頭拉桿由內拉桿總成和外拉桿總成兩部分組成，分別由防塵罩、球銷套、球銷、球銷座等零件組成[5-6]，本試驗臺針對外拉桿總成進行測試，外拉桿總成的主要運動情況如圖1 所示，包括一個旋轉運動以及一個擺角運動。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速度為±V的回轉運動，車輪的上下跳動將使球頭銷產生角度為±S的擺動[7-10]。

圖1 外拉桿總成運動示意圖

1.2 試驗臺參數

參照QC/T 648—2015《汽車轉向拉桿總成性能要求及臺架試驗方法》[11]，同時結合企業自身對試驗的要求，確定試驗項目為以下三點：常溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）、高溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）以及低溫泥水噴灑耐久試驗（耐久：擺動、旋轉運動）。主要參數確定如下：

1）擺動角度范圍：±40°，頻率范圍：0~6 Hz；

2）轉動角度范圍：±50°，頻率范圍：0~5 Hz；

3）溫度：-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動度±2 ℃、升降溫速率0.7 ℃/min~2 ℃/min；

4）可同時搭載工件數量：6；工件長度：7 0 mm~300 mm；其中三件為一組，每組分別獨立控制。

2 試驗臺測控系統整體方案設計

根據試驗臺的試驗參數要求，試驗臺需要具備如下功能：可以產生高低溫及濕度變化的環境箱，兩組使試件產生轉動的運動以及兩組使試件產生擺動的運動。因此，試驗臺測控系統的整體方案設計如圖2所示。

圖2 試驗臺測控系統整體方案設計

該系統的工作原理：工控機作為上位機，在整個系統中起到了重要作用。用戶可以通過鍵盤、鼠標與工控機進行信息交互，工控機可以通過MODBUSTCP 協議向環境箱發送相應的指令，使得環境箱可以按照規定的溫度、濕度和一定的時間運行，同時環境箱也可將當前的溫濕度等信息反饋給工控機；工控機可以通過OPC 通信的方式與下位機PLC 交互信息，工控機可以給PLC 發送指令，PLC 通過4 臺伺服驅動器帶動4 臺伺服電機完成2 組轉動以及2 組擺動的運動，PLC 也可以給工控機發送轉動、擺動次數等信息；伺服電機內置的編碼器經過伺服驅動器的分頻口將編碼器的信息反饋給采集卡，采集卡再將轉動、擺動信號發送給工控機，工控機將其處理后顯示在顯示器上，從而完成整個測控系統的信息交互。

3 測控系統硬件設計

3.1 工控機

工控機選擇行業主流研華的IPC-610L-250W，其主要參數如下：處理器為I7-2600（CORE 3.4 G）、8 G內存、2 T 硬盤（含1 T 備用硬盤）。其通信接口主要有485 串行接口、2 個以太網接口、3 個PCI 插槽以及1個PCIe插槽等。

3.2 環境箱

環境箱采用了南京環科公司定制生產的溫控箱，其主要參數如下：溫度范圍-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動度±1 ℃、升降溫速率1 ℃/min。該參數滿足試驗要求。同時，該溫控箱集成6 個單獨控制的噴泥水裝置，可以通過開關控制啟停，流量控制可以通過手動控制節流閥進行調節。

3.3 PLC

PLC 選擇了三菱Q 系列中的Q03UDE，該型號CPU 運算速度快，具有1 個以太網接口，方便與工控機進行通信。同時，配備了D77MS4 簡單運動控制模塊，可以用于對伺服電機進行精確的定位控制，它采用SSCNET III/H(Servo System Control NETwork)與伺服驅動器連接，具有通信速度快、減少配線、降低干擾等優點。

3.4 伺服驅動器

伺服驅動器選擇的是三菱J4-200B，該伺服驅動器具有響應時間快等特點，并且它可以方便地與D77MS4通過SSCNET III/H線纜連接，降低外界干擾。

3.5 伺服電機

伺服電機選擇的是三菱HG-SR152J，額定功率是1.5 kW，額定轉速為2 000 r/min，自帶了絕對位置、增量共用的22 位編碼器，每轉的分辨率為4 194 304 pulse/rev。伺服減速機采用的是紐氏達特，減速比為5.5。

該部分國內其他試驗臺采用的較多為普通電機+減速器+四連桿機構+工裝方式產生旋轉和擺動，而本文采用了伺服電機+減速器+工裝帶動試件產生擺動或者旋轉，減少了四連桿結構，簡化了傳動裝置。

3.6 數據采集卡

數據采集卡選擇的是研華1784U，該采集卡是基于PCI 總線的4 軸正交編碼器和計數器，具有4 個32-bit 正交AB 相編碼計數器，最大正交輸入頻率為2 MHz，支持單端或者差分輸入，每個編碼周期可以×1、×2、×4 計數，配備了PCL-10137H 屏蔽電纜，有效減少了來自其他信號源的串擾和噪聲。其中一路信號與伺服驅動器J4-200B 的CN3 分頻口輸出的差分信號連接圖如圖3所示。

圖3 伺服驅動器分頻口與1784U連接圖

3.7 系統電氣原理

系統電氣原理圖如圖4 所示，三相電380 V 經過斷路器、伺服電子變壓器與J4-200B 伺服驅動器相連，驅動器與伺服電機相連?？刂菩盘柮}沖通過D77MS4 簡單運動控制模塊經過SSCNET III/H 總線依次與4 個伺服電機連接，伺服電機編碼器信號反饋到J4-200B的CN2口。

圖4 系統電氣原理圖

4 測控系統軟件設計

軟件系統是在美國NI 公司的LabVIEW 軟件上進行二次開發，LabVIEW 軟件在測試、測控領域應用廣泛，并且它是以圖形符號為主的編程語言，因此易于學習，上手快，縮短了程序的開發周期。測控系統軟件的主界面如圖5 所示，該界面主要包括7個部分。

圖5 測控系統軟件主界面

第1 部分菜單欄，具有配置試驗參數、數據處理、生成報表等功能。配置的試驗參數如轉動角、擺動角，可以在給定的范圍任意設置而無需改變機械傳動機構，試驗參數配置通用性強，而國內其他的試驗臺由于傳動機構加了四連桿機構，要使試件產生指定的擺動和轉動角，通常也需要調整傳動機械結構，試驗參數配置通用性弱。第2 部分控制按鈕，具有啟停試驗、保存數據、手動自動切換等功能。第3 部分曲線的顯示部分，最多可以顯示出12 種不同的曲線，包括1 組擺動角、1 組轉動角、2 組擺動角、2 組轉動角、溫度、濕度、流量1、流量2、流量3、流量4、流量5 以及流量6。第4 部分是顯示部分，包括項目名稱、測試已用時間等。第5 部分也是顯示部分，主要顯示三層程序嵌套循環對應的狀態。第6 部分主要顯示數據記錄中的一些狀態等參數。第7 部分是運行狀態的指示燈。

上位機軟件程序設計流程圖如圖6 所示。

圖6 上位機軟件程序設計流程圖

5 測試及分析

對外拉桿進行測試，試驗給定條件是：1 組擺動角為±20°、頻率為1 Hz，1 組轉動角為±40°、頻率為0.4 Hz；2 組擺動角、轉動角均為0；溫控箱溫度為20℃，噴泥水閥1~3 打開，噴泥水閥4~6 關閉。測控系統測試的數據以圖表的形式進行顯示，如圖7所示。

圖7 測試曲線

試驗結果表明，1 組擺動角是按照±20°并以頻率為1 Hz的速度均勻擺動，1組轉動角按照±40°并以頻率為0.4 Hz的速度均勻擺動，均呈現近似三角波的形式，2 組擺動角、轉動角均未轉動；溫度實時采集值為19.9 ℃，在溫控箱的波動范圍內，1~3 號噴泥水閥均打開，流量實時顯示為6.7 L/min，4~6 號噴泥水閥關閉。結果表明，該測控系統滿足試驗要求。

6 結論

針對當前國內同類試驗臺存在的機械傳動結構復雜、試驗參數通用性差以及自動化水平較低等問題，課題組設計了一種全新的汽車轉向外拉桿總成環境疲勞試驗臺，取消了機械傳動的四連桿運動機構，同時設計了全新的測控系統，該系統具有試驗參數通用性強、自動化水平高等特點。實踐表明，本試驗臺測控系統能夠滿足試驗要求，并可以為國內相關同類產品提供一定的技術參考。