浅谈汽车转向中间轴台架试验设计

2021-10-13 22:31田双鹏
时代汽车 2021年20期
关键词:受力分析

摘 要:汽车转向中间轴是转向系统中连接转向管柱和转向机可以传递扭矩并吸收路面激励的一种机械传动机构,它对于确保车辆行驶安全,减少交通事故及保护驾驶员的人身安全,改善驾驶条件起着至关重要作用。所以产品性能在前期开发设计时,务必进行充分的试验验证。本文介绍了几项典型的中间轴台架试验设计。

关键词:转向系统 中间轴 结构和性能 受力分析 试验设计

Brief Introduction on the Test Design of Vehicle Steering Intermediate Axle Bench

Tian Shuangpeng

Abstract:The steering intermediate axle bench is a mechanical transmission mechanism connecting the steering column and the steering gear in the steering system, which can transmit torque and absorb road excitation. It plays an important role in ensuring vehicle driving safety, reducing traffic accidents, and protecting the driver's personal safety, and improving driving conditions. Therefore, the product performance in the early development and design, must be fully tested and verified. This paper introduces several typical bench test designs of I-shaft.

Key words:steering system, I-shaft, structure and performance, stress analysis, test design

1 引言

汽车转向系统功用就是在驾驶员的操纵下保持或改变汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要,因此汽车转向系统的零件都称为保安件,其产品性能及可靠性必须满足整车设计和法规要求。

中间轴是转向系统中连接转向管柱和转向机可以传递扭矩并吸收路面激励的一种机械传动机构。中间轴性能的好坏,直接影响到汽车行驶的安全性,操纵稳定性和驾驶舒适性,它对于确保车辆行驶安全,减少交通事故及保护驾驶员的人身安全,改善驾驶条件起着至关重要作用。

2 中间轴结构介绍(图1)

中间轴(注塑中间轴为例)一般由上万向节、滑动副、下万向节组成,万向节由固定节叉,十字轴,滚针轴承和摆动节叉构成。由于中间轴属于转向系统应力集中位置,根据其承载能力,不同客户群依据产品性能需求,市场定位及造车成本等方面选择不同结构的中间轴用于转向系统匹配。

2.1 中间轴按布置结构分类(图2)

2.2 按滑动副分類(图3)

2.3 按承载扭矩分类(图4)

2.4 中间轴整车布置受载分析(图5)

汽车转向行驶过程中,中间轴在工作过程中承载了传递扭矩和吸收路面冲击的作用。由于是上下双万向节结构,其空间布置,Cardan1/Cardan2不可能在同一平面,存在角度α。如果万向节角度α1=α2,则winput=woutput,满足输入和输出尽可能相等。万向节所连接的管柱输出轴和转向机输入轴始终以相等的瞬时角速度传递运动。

3 中间轴台架试验设计

中间轴开发试验规范必须满足整车设计要求。从试验的角度来确定设计开发的正确性和可靠性。安规方面,目的是保证消费者,汽车操作者的人身安全。常规中间轴开发试验包含功能测试,动态耐久试验,静态强度试验,环境试验及整车路试等方面。如下介绍了产品开发时的几种典型的测试项目台架试验设计。

3.1 中间轴扭转刚度测试(图6)

中间轴结构一般由上万向节、减震管(部分中间轴不含)、滑动副和下万向节组成。由于具备两个万向节,是整个转向系统最具应力集中位置,所以中间轴的最小扭转刚度必须受控于一定的范围。

将中间轴以装车位置安装台架,下万向节刚性固定,对中间轴上万向节端加载扭矩,记录中间轴输入扭矩与角位移的比值。

3.2 中间轴滑动力测试

中间轴的滑动力考核装配时手感,若滑动力过大,则不便于装配。若滑动力过小,则滑动副存在间隙风险。该间隙会影响汽车转向手感,驾驶员转动方向盘时引发扭矩突变,产生撞击产生噪音,影响汽车的安全性与稳定性。所以滑动力要求受控在一定的范围。

将中间轴一端节叉固定于试验台架,另一端节叉通过专用工装接驱动,驱动端搭载力传感器和位移传感器。测试过程中沿中间轴轴向施加载荷,记录中间轴滑动行程和滑动力。

3.3 中间轴疲劳测试(图7):

转向系统零件的裂纹及断裂,会造成功能失效,疲劳是其主要损坏形式。在实际使用过程中,由于负载和速度的不断改变,零件在较长的时间内因为交变载荷的作用,性能变坏,甚至产生断裂现象。中间轴属于汽车安保件,其疲劳强度一定要受控于一定范围。在前期产品开发阶段,通过模拟在实际汽车使用中的路谱及整车负载,用于评估中间轴的使用寿命。

将中间轴总成按照整车安装角度固定在疲劳试验台上,中间轴上节叉使用对应的管柱输出轴固定于伺服驱动,下节叉使用转向机对应的输入轴固定。紧固螺栓使用装车螺栓,且力矩按照产品定义执行,并进行试验前后力矩记录。中间轴尾端模拟整车负载,由伺服驱动,动态加载,共计N个循环(模拟整车寿命)。疲劳后完成中间轴的刚度,间隙,滑动力等功能测试,观察有无裂纹和断裂现象,有无异常噪音等情况。

3.4 中间轴滑动耐久测试(图8):

在汽车行驶坏路的过程中,由于路面的冲击,整车的颠簸弹性会导致中间轴滑动副管轴配合部位产生轴向位移,即发生相对滑动摩擦运动,由静摩擦转换成动摩擦瞬时产生力矩跌落现象,严重时产生噪音。影响整车操纵舒适性。在产品开发阶段,将中间轴滑动时,滑动副部位力矩跌落现象控制在一定范围。

将中间轴以直线位置固定于试验台架,调整中间轴长度处于名义位置(整车安装时距离)。滑动轴摆动节叉刚性固定,滑动管总成接伺服驱动。对中间轴加载一定扭矩,振幅为常为±1mm,频率10~20Hz,循环N次(不同产品结构要求不同)。疲劳前后进行加载扭矩时的滑动力测试,观察滑动力矩跌落现象及有无异常噪音。

4 结束语

随着汽车工业技术的发展,人们生活水平的提高。整车厂对转向中间轴的试验检测标准要求也越来越苛刻。不仅要满足外观、几何公差、强度、腐蚀性和可靠性等传统方面的要求,对于整车舒适性,产品在整车受载状态的NVH表现也越来越关注。在产品投入市场前期,要进行充分的台架试验验证和整车路试。本文介绍了几项常规的z转向中间轴开发试验检测项目,与大家分享转向中间轴开发台架试验设计,欢迎同行共同讨论。目的是加深读者了解产品结构性能,转向系统各部件传动关系,检验其功能及可靠性是否与设计相符。在保证产品安全前提下,进行产品结构及性能优化。

参考文献:

[1]QC/T649-2000汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法.

作者简介:田双鹏:男,博世华域转向系统(烟台)有限公司研发试验工程师。在技术成果方面,先后取得四项国家专利,完成十余项转向系统试验设计及持续改善项目。

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