摘 要

现今社会使用车的人越来越多，因为各种原因引起的交通事故也频发，给人们带来了重大的伤害。其中，我们是可以在一定程度上避免汽车质量问题造成的损害的。由于转向装置是汽车的重要组成部分，因此它也是确定车辆主动安全性的关键组成部分。其质量严重影响汽车的操控性和稳定性，这关乎驾驶人，乘客以及他人的生命财产安全。为了尽量避免汽车质量本身造成的伤害，我们需要对汽车液压助力转向器产品进行出厂前的性能试验，来保证转向器的质量。根据国家汽车行业标准中的汽车液压助力转向器技术条件与试验方法，考虑空载动力矩、转向力试验、灵敏度试验、回正能力和功能试验的试验要求，选择合适的转向器动力输入部分、夹具部分和输出部分。认识到液压助力性能试验台既要能提供转向器输入结构的动力输入，也要考虑到一方面要给转向器输出部分提供负载，也要能给转向器输出部分提供动力输入，还要能够限制转向器输出部分的转动。在这些条件，设计出符合要求试验台，设计过程中还参考了湖北三环汽车方向机公司的转向器产品。由于在大三实习过程中主要接触液压助力转向器产品中的循环球类的转向器，因此性能试验台装配图是针对循环球产品的装配图。试验台的成功建成对转向器产品的性能检测提供了有利的帮助。

关键词：液压助力转向器；试验台；性能试验；循环球

Abstract

There are more and more people using cars in today’s society, and traffic accidents are frequent due to various reasons, causing great harm to people. Among them, damage caused by automobiles can be avoided to some extent. As the steering device is an important part of the car, it is also a key component in determining the active safety of the vehicle. Its quality seriously affects the handling and stability of the car, which is related to the safety of life and property of drivers, passengers, and others. In order to avoid the damage caused by the quality of the vehicle itself, we need to perform a pre-ship performance test on the hydraulic power steering gear of the automobile to ensure the quality of the steering gear. According to the technical conditions and test methods of the automobile hydraulic power steering in the national automobile industry standards, consider the test requirements for the no-load dynamic torque, steering force test, sensitivity test, return-to-negative capability and functional test, and select the appropriate steering power input part, Fixture section and output section. Recognizing that the hydraulic assist performance test bench should not only provide the power input to the steering input structure, but also take into account the need to provide load to the output section of the steering gear on one hand, and also to provide power input to the output section of the steering gear, but also to limit The output of the steering gear is turned. In these conditions, a test bench that meets the requirements was designed, and in the design process, the steering gear product of Hubei Sanhuan Automobile Steering Machine Company was also referred to. As the primary contact with the recirculating ball steering gear in the hydraulic power steering products during the junior internship, the performance test bench assembly drawing is for the assembly of the recirculating ball product. The successful completion of the test bench has provided beneficial help for the performance testing of the steering gear product.

Keywords: Hydraulic power steering; Test bench; Performance test; Recirculating ball

目录

第一章 绪论 1

1.1选题目的与意义 1

1.2试验台研究现状 1

1.3论文主要工作 2

第二章 液压助力转向器介绍 3

2.1转向助力系统概述 3

2.2液压助力转向器结构 4

2.3 液压助力转向器工作原理 4

2.3.1平衡状态 4

2.3.2转向状态 5

2.3.3回位状态 5

2.4性能试验 6

2.4.1性能试验要求 6

2.4.2性能试验方法 6

第三章 性能试验台总体方案设计 7

3.1性能试验台总体方案的确定 7

3.2试验台工作原理 10

第四章 性能试验台结构设计与校核 12

4.1试验台结构设计 12

4.1.1步进电机 12

4.1.2扭矩传感器 12

4.1.3伸缩式万向联轴器 13

4.1.4梅花型联轴器 14

4.1.5液压加载缸与齿轮齿条 15

4.1.6磁致伸缩位移传感器 17

4.1.7移动压板装置 18

4.1.8滚轮支撑 19

4.1.9步进电机支架 19

4.1.10定位销 20

4.1.11性能支架 20

4.2零件的校核 21

4.2.1平键的校核 21

4.2.2加载缸最小壁厚计算 21

4.2.3齿轮强度校核 22

第五章 结论 23

参考文献 24

致谢 25

第一章 绪论

1.1选题目的与意义

截至2017年3月底，由公安部交通管理局统计的数据中可以看出，我国的机动车拥有数量超过了3亿辆，而其中汽车的拥有数量第一次超过2亿辆，统计机动车的驾驶人数量，发现已经有多于3.64亿人。另一方面，从国家统计数据来看，我国汽车交通事故的数量一直在下降，但是总体来说形式还是不够好。在国际上我国依然是发生交通事故次数最多的国家之一，而这其中因汽车本身的问题造成的伤亡占了一部分，对于汽车产品本身的质量问题造成的各种伤害，其实是可以通过性能的检测得到避免的。因此，汽车本身的安全性需得到充分重视，而转向器是汽车转向系统的构成，其质量的好坏也影响汽车转向操作的平稳性和安全性，可以通过检测转向器的质量反映出汽车的操纵安全性。这项检测关乎到驾驶人，乘客以及他人的生命财产安全^[1]。为了提高汽车的质量，应该加大汽车转向器产品的相关性检测，其性能试验就是构成汽车质量检测的一块基石，成为质量检测的重要部分。

作为液压助力转向器的主要生产商-荆州恒隆汽车零部件有限公司一直致力于开发研究当今国际上先进的汽车转向系统产品，为了满足不同系列产品的质量检测要求，得到新型转向器，需要设计出合适的液压助力转向性能试验台，检测出液压助力转向器的性能指标。由于在大三实习过程中主要接触液压助力转向器产品中的循环球类的转向器，故在进行试验台设计时，是针对循环球转向器结构的。

1.2试验台研究现状

在中国，越来越多的企业参与领先设备制造的研发。江门兴江，沙市久隆，荆州恒隆等一些本土企业已开始将液压动力转向机构作为战略重点，而国内外资企业如上海采埃孚、广州昭和等主要生产轿车用液压动力转向器。2006年，中国27家汽车设备制造商的产量达到80.43亿台。出口额超过进口额，共出口304,081千公斤，总货币144.05亿美元。但是，我们当地公司的生产设备精度较低，加工和生产过程不规范。许多流程已被简化。关键技术的积累和创新相对较小。大多数本地公司学习和模仿国外先进技术来改进和改进他们的产品。这些综合实力差距导致国内企业的汽车转向器产品的不良率明显高于国外产品，使得国内转向器竞争力低于国外^[2]。

在性能试验台的开发中，试验台的设计旨在满足汽车转向机构的质量检测要求，并开发了各种类型和类型的测试台。在国内市场使用较多的液压助力转向性能试验台是由国外博世（BOSCH）、采埃孚（ZF）等公司生产的，它们生产的试验台能够满足转向器性能检测的要求，试验台结构和测试都设计的比较好。在结构方面，比较人性化，考虑到了动力转向器的安装以及人的可操作性；对于测试系统，基于工业控制计算机、工业控制卡和虚拟仪器软件构成了实验台整个测控系统。整个试验中，全部驱动与加载均由编写的程序预设执行，实现自动化，操作人员按照顺序点击操作面板上的按钮，即可以完成性能试验，可打印出报表和图形。想比国内生产的试验台，国外公司的试验台有一定的技术领先，代表这一领域中较高的地位，要想取得他们这样的成绩，仍有较长的路要走。

1.3论文主要工作

本文任务就是让液压助力转向器产品能够按造国家汽车试验行业标准中转向器的试验要求进行性能试验，实现对转向器性能的检测，试验对象是广泛使用的循环球式转向器。

论文的主要内容有：

（1）了解液压助力转向器的结构和工作原理，从汽车试验标准中找到转向器的性能试验的要求和试验方式；

（2）根据性能试验要求，完成性能试验台总体方案的设计，确定试验台输入部分、夹具部分和输出部分的结构；

（3）进行试验台结构的设计与校核，确定了以步进电机、扭矩传感器、齿轮齿条和加载油缸等零件结构，进行平键，齿轮等的强度检核；

（4）用autcad软件画出来性能支架的装配图和部分零件图。

第二章 液压助力转向器介绍

2.1动力转向系统简介

动力转向系统由机械转向器和转向加力装置组成。机械转向器是通过手动转向方向盘来实现汽车的转向，机械转向器操纵不方便，现在机械转向器已经逐渐被淘汰。考虑到动力转向系统助力能源的不同，可以将其分为液压助力式、气压助力式和电动助力式三种类型^[3][4][5][6]。

根据液压助力转向系统内部压力状态的不同，可以将其可分为常压式和常流式。常压式是无论转向盘处于什么位置与状态，系统的工作管路中压力一直是高压。其优点在于有蓄能器保持液压动力，可以使用低流量的转向油泵并且还可以保持一定的方向并在不转动油泵的情况下强制该力，以使汽车继续行驶一定距离。常流式的特点则是结构简单，油泵使用寿命长，泄露少。因此，仅有较少的重型车辆采用常压式液压助力转向系统，而常流式液压助力转向系统则广泛应用于各种汽车。气压助力转向系统的工作压力比较低，系统的结构尺寸将过于庞大，现在使用的非常少了。

根据阀体的运动方式的不同，可以将液压助力转向系统的转向控制阀分为滑阀式和转阀式两种结构。滑阀式结构的阀体可以沿轴向移动以控制油流量，滑阀的结构简单，工艺性好，调整方便。而转阀式结构的阀体可以绕其轴线转动以控制流量，转阀具有更高的灵敏度，更少的密封和更先进结够，所以它被广泛使用。

电动助力转向系统是利用汽车上的直流电机驱动电动机对转向系统实施助力。电动助力转向系统根据其助力机构的不同可以分为电动液压式和电动机直接助力式。电动液压助力系统的液压泵供油量主要由转向盘转角变化量和车速决定，其供油特性更符合转向系统对助力作用的实际要求，因此节省能量，并且能获得更加理想的助力特性。直接助力式电机转向系统是直接通过电动机来供给转矩的动力转向系统，在不同工况下使用电动机来提供所需的动力。参考文献^[7]。

电动助力转向系统有着功耗低，响应快，延迟低，良好驾驶感的优点；因没有液压元件，不存在漏油、回液管等问题，对环境污染相对较小。该系统还可以集成来节省空间，无需油泵和辅助管路，使得布置起来更加方便。同样，该系统也有着一些缺点如：汽车自带电源的电压比较低，使得转向系统提供的辅助动力不够，无法实现大型车辆的助力，这一问题严重限制电动助力系统的大范围的使用；减速机构和电动机等部件的使用增加了电动助力转向系统的成本。

现在国内外都在进行电动助力转向系统的研究与开发，因为该系统是未来的发展趋势，但是就目前来说，液压助力转向系统在汽车行业中的应用依然占据大头。

2.2液压助力转向器结构

转向器是液压助力转向系中的关键传动部件，现今很多汽车上使用的转向器有齿轮齿条式、循环球结构等结构。齿轮齿条式转向器结构比较简单，在小货车上用的较多。循环球式转向器效率比较高，操控起来非常舒适，不用经常维修更换，在汽车中得到广泛使用。试验台时针对循环球式转向器进行设计的，下面对循环球进行了解。下图2.1是湖北三环方向机FN075BA28动力转向器总成。

图2.1 三环方向机FN075BA28动力力转向器总成

循环球式转向器有着两级传动副，转向螺杆与转向螺母结构构成了第一级传动副，转向螺母上的齿条结构与转向摇臂上的齿扇结构构成了下一级传动副。转向螺母在壳体腔内水平移动，不能发生转动。由于螺母下平面被做成齿条结构，能够与摇臂轴上的齿扇结构发生进行啮合，使得摇臂轴能够在输入轴转动时也进行转动。转向螺母与螺杆间有着钢球通道，使得钢球可以循环滚动，保证螺母移动时，螺母与螺杆间总有钢球降低两者间的摩擦。

2.3 液压助力转向器工作原理

考虑到汽车多使用的是转阀式转向控制阀，故意以转阀式循环球转向器为例进行液压助力转向器工作状态的介绍。转阀的结构如下图2.2所示。

2.3.1汽车直线行驶状态

当汽车的方向盘不会受到驾驶人施加的转向力时，转向器的输入轴不受扭矩，油液从四个进油道A经由阀体上的四个回油道D进入油罐。这种状态下，转向螺母两侧压力相同，螺母静止不动，使得摇臂轴不会转动，就最终不会使车轮左右偏移，汽车就会保持直线行驶状态。

2.3.2汽车转向状态

当驾驶人转动方向盘，会传递运动给输入轴，使其转动。当方向盘右转时，阀体顺时针转动，造成通道A与油道C接通，使得来自油泵高压油液从进油道A流入通道C到达转向螺母右侧。而通道B只与回油道D连通，使得螺母在右侧高压油作用下，螺母左行，螺母左侧低压油经通道B、D回到油罐，也使得摇臂轴向左转动，最终使得汽车右转。

当方向盘左转时，情形与右转相反。高压油经通道A、B进入转向螺母左侧空间，在高压油作用下螺母右行，低压油从通道C、D回到油罐，摇臂轴右转，汽车左转向。

2.3.3回位状态

当不再给方向盘施加转向力，输入轴上不受扭矩，使输入轴与阀体相回到中间位置，助力效果消失，输入轴、阀体、扭杆仍处于中间位置，随着转向螺杆一起运动，带动方向盘回到直线行驶时的状态。

图2.2 转阀的结构

1-阀体；2-扭杆；3-壳体

2.4性能试验

企业要进行液压助力转向器相关的性能试验，要根据液压助力转向器的性能试验条件与方法^[8][9][10]。性能试验是为检验液压动力转向器的性能能否符合要求。该标准适合常流式液压液压动力转向器，不适用全流液压转向器。

2.4.1性能试验要求

转向器总圈数转角：转向器总圈数应符合设计要求。

空载动力矩：左右扭矩平均值的变化范围应符合要求；变化范围不得超过一定值。

功能试验：在转动输入端的过程中，感觉平滑、无卡滞现象。

转向力特性试验：画出扭矩-压力特性曲线，要测出最大工作压力时的扭矩；计算曲线对称性，要求对称性不低于85%。

回正能力：回正时间不得过长，最长时间不超过5S。

2.4.2性能试验方法

转向器总圈数的测定：转向器被安装到试验台上，卸载转向器输出端，将输入端从左极限位置旋转到右极限位置，然后记录下所转动的总圈数。

空载动力矩试验：试验台上放置转向器,卸载输出，保持输入轴匀速转动,转向器内要有油，转速为(5-15)r/min;要从左极限位到右极限位,测量记录输入轴扭矩和转角，绘制两者的关系曲线。

自由间隙的测定:试验台上放置转向器,需要将输出端固定在中间位置,不让输出轴转动，另外要让输入轴稳定缓慢旋转,测量转向器进油口压力上升0.1MPa时左右旋转方向上输入端的转动角度。

功能试验:试验台上放置转向器,转向器的输出端提供负载，还要保持输入轴的旋转，负载为转向器1/3的最大输出载荷，查看输入轴旋转是否平稳和连续。

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