液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試系統(tǒng)

尤田， 姜濤， 李會(huì)明， 張桂林

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增加，以及環(huán)保和良好的操縱特性要求，成為動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)研究的焦點(diǎn)。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，其綜合性能的好壞直接關(guān)系到汽車的行駛的安全性［1-2］。但一直以來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)向器的檢測(cè)方式大部分采用人工檢測(cè)方式，受環(huán)境和人為因素影響較大，很難達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)向器性能的精確檢測(cè)。本文根據(jù)QC/T529-2000《汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定［3］，設(shè)計(jì)了一種液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行力的特性測(cè)試、靈敏度測(cè)試、壓力降測(cè)試、泄漏測(cè)試，同時(shí)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)人機(jī)交互界面，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出顯示，滿足對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品的年增長(zhǎng)需求，和對(duì)汽車的性能和穩(wěn)定性越來(lái)越嚴(yán)格的要求。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試作為一項(xiàng)汽車在出廠前的綜合性能檢測(cè)和新產(chǎn)品的試驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)，新測(cè)試系統(tǒng)的采用可有效地提高工作效率。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)《汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器檢測(cè)要求，該試驗(yàn)臺(tái)共包含以下4個(gè)測(cè)試試驗(yàn)：轉(zhuǎn)向器力的特性測(cè)試試驗(yàn)、靈敏度測(cè)試試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向器壓力測(cè)試試驗(yàn)、泄漏測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向器試驗(yàn)臺(tái)夾具及加載系統(tǒng)、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器及信號(hào)處理、工控計(jì)算機(jī)5部分組成。檢測(cè)系統(tǒng)以工控機(jī)為中心，將采集到的傳感器信號(hào)分析處理后，控制液壓測(cè)試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及試驗(yàn)臺(tái)總成系統(tǒng)的動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

轉(zhuǎn)向器靈敏度特性試驗(yàn)時(shí)，緩慢平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)控制閥運(yùn)動(dòng)，速度約為0.5 r/min，控制轉(zhuǎn)向器進(jìn)出口油溫達(dá)到50±5℃，使兩側(cè)油壓分別達(dá)到最大值，記錄轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角ai、bi和工作油壓P，通過(guò)比較ai與bi取其中的最小值可得Li，則檢測(cè)系統(tǒng)的曲線對(duì)稱性Ke：

式中n為檢測(cè)次數(shù)，不小于5。

轉(zhuǎn)向器操縱力特性試驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)向器安放在機(jī)械夾具上，在轉(zhuǎn)向器輸入端施加阻力，在油壓的工作狀態(tài)下，將轉(zhuǎn)向器運(yùn)動(dòng)到左右極限位置，測(cè)量驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向器輸出扭矩與轉(zhuǎn)角之間的變化關(guān)系。

轉(zhuǎn)向器泄漏性能試驗(yàn)時(shí)，分別將轉(zhuǎn)向器兩端的閥芯運(yùn)動(dòng)到極限位置，將轉(zhuǎn)向器工作油壓調(diào)到最大值，在油壓的作用下，在輸入軸端施加扭矩，使轉(zhuǎn)向器在10 MPa壓力的工作條件下保持5 min，測(cè)量?jī)蓚?cè)泄油量，轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)壓力降性能試驗(yàn)時(shí)，將轉(zhuǎn)向器安裝在試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械夾具上，當(dāng)液壓油泵達(dá)到最大轉(zhuǎn)速V時(shí)，測(cè)量轉(zhuǎn)向器各點(diǎn)和進(jìn)出口油壓的壓力差ΔP，檢測(cè)系統(tǒng)壓力降性能指標(biāo)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械總成是將待測(cè)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行初步定位、裝夾、對(duì)轉(zhuǎn)向器加載機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)［4］。對(duì)于轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)，通常轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向控制閥是一體的，所以轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)采用夾取整體轉(zhuǎn)向控制閥來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)向器的裝夾方式，其夾具部分如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向夾具示意圖

轉(zhuǎn)向器底面靠緊夾具底面，對(duì)轉(zhuǎn)向搖臂軸穿過(guò)夾具立板，由另一側(cè)的液壓夾具固定轉(zhuǎn)向搖臂軸，兩個(gè)定位銷裝入轉(zhuǎn)向器上方的孔中，對(duì)于半整體及整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)將轉(zhuǎn)向器及搖臂固定，從而完成對(duì)試驗(yàn)臺(tái)待測(cè)轉(zhuǎn)向器的固定夾緊工作。

2.2 系統(tǒng)輸入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)向器的外形和型式差別較大，且試驗(yàn)臺(tái)采用輸出軸位置固定的形式，要求輸入軸驅(qū)動(dòng)部分在上下，前后以及左右三個(gè)方向上位置可調(diào)。系統(tǒng)的輸入結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入由步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)安裝在導(dǎo)軌上，通過(guò)轉(zhuǎn)輪1帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，控制輸入軸步進(jìn)電機(jī)X方向移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)機(jī)架裝有齒條，步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，控制步進(jìn)電機(jī)Z方向移動(dòng)，從而通過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)完成系統(tǒng)的輸入。同時(shí)，在軸上裝有空心軸編碼器和扭矩傳感器，用于試驗(yàn)過(guò)程中記錄輸入軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度和轉(zhuǎn)矩。輸入部分和轉(zhuǎn)向器輸入軸用聯(lián)軸套連接。轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口和出油口由兩根油管手動(dòng)連接，油管接有流量傳感器和油壓傳感器，用來(lái)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)輸入結(jié)構(gòu)圖

2.3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)組成［5］，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。檢測(cè)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口和出油口由兩根油管聯(lián)接，油管接有流量傳感器和油壓傳感器，用來(lái)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。傳感器輸出的模擬量經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后送到數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集、電機(jī)控制、液壓系統(tǒng)控制盒信號(hào)數(shù)字量輸入輸出部分的控制功能。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

2.4 系統(tǒng)液壓部分設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)試驗(yàn)具有真實(shí)可靠性，該試驗(yàn)臺(tái)建立了一套液壓系統(tǒng)模擬汽車液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械夾具部分的裝夾動(dòng)作［6］。根據(jù)轉(zhuǎn)向器性能要求通過(guò)對(duì)加載系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的液壓加載，同時(shí)根據(jù)壓力大小的要求選擇合適的液壓泵和電機(jī)作為系統(tǒng)的液壓配件。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分由LabVIEW實(shí)現(xiàn)，LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制的開發(fā)環(huán)境，集成了構(gòu)建應(yīng)用所需的所有工具，是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇［7-8］。LabVIEW功能主要在于完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。具體的系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

通過(guò)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)操作，利用LabVIEW軟件可以做出良好的人機(jī)交互界面。通過(guò)操作界面對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的操作，選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)定參數(shù)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與開關(guān)，以及對(duì)液壓系統(tǒng)的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精確試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像能夠清楚地觀測(cè)待測(cè)轉(zhuǎn)向器的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，分析力以及扭矩的圖像能夠清楚地分析出轉(zhuǎn)向器的各種性能指標(biāo)。通過(guò)與轉(zhuǎn)向器標(biāo)準(zhǔn)相比較，分揀出合格與不合格品，并將數(shù)據(jù)處理的檢測(cè)結(jié)果生成數(shù)據(jù)并保存起來(lái)，以方便查看。

4 結(jié)論

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試系統(tǒng)是一種集光、機(jī)、電、算為一體的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，可準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)向器的各種性能指標(biāo)，且具有良好的精度。同時(shí)通過(guò)LabVIEW建立的人機(jī)界面，使測(cè)試系統(tǒng)的操作變得更加簡(jiǎn)單，能夠直接地顯示采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，降低了工人的勞動(dòng)時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

［1］ 王倩，藺毅.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展［J］.汽車工業(yè)，2009,19（7）：79-80.

［2］ 王若平，蔣軍.汽車轉(zhuǎn)閥式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（11）：16-19.

［3］ QC/T529-2000 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法［S］.

［4］ 牛繼高.汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)與研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

［5］ 譚福年.常用傳感器應(yīng)用電路［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社,1996.

［6］ 章宏甲，黃誼.液壓傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［7］ 何志鋒.齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器性能測(cè)試系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.

［8］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.