一種新的汽車方向盤耐彎曲疲勞試驗方法

張永鵬，張桂琴

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007)

0 引言

方向盤是汽車轉向系統的重要零件。因為方向盤經常受到駕駛員對其施加的拉壓力或旋轉力，對方向盤有一定的可靠性要求，需要對其做耐久性能試驗以檢驗是否到達技術要求。方向盤的耐久性能包括耐彎曲疲勞和耐扭轉疲勞。文中對傳統的方向盤耐彎曲疲勞試驗方法進行分析，在其基礎上提出了方向盤耐彎曲疲勞新的試驗方法。并且從試驗的成本考慮，采用簡易實用的試驗臺架和工具，大大降低了試驗臺架的成本。

1 對目前試驗方法的分析

1.1 試驗過程的描述

如圖1所示，首先將方向盤在中心花鍵處固定。

目前對于汽車方向盤的耐彎曲疲勞試驗采用的是用一個緊固件將方向盤待測部位與作動器硬性連接，即將方向盤待測部位與作動器伸縮桿桿頭處硬性緊固在一起。方向盤待測部位往往選取方向盤最薄弱的部位，以目前常見的帶三根徑向支撐桿的圓形方向盤為例，其最薄弱的部位為兩徑向支撐桿所夾方向盤的握環弧段的正中位置。試驗時，作動器動作以在軸向方向上對方向盤待測部位施力，方向盤從而發生變形。

在理想狀態下，作動器只在方向盤的軸向方向上對方向盤的待測部位施力，而在方向盤的徑向方向上對方向盤的待測部位不施力，方向盤因受力發生自由變形，因待測部位所處的握環受徑向支撐桿的限制，待測部位因受力而偏離原位置越遠時，待測部位與方向盤中心軸的徑向距離越小，所以待測部位的運動軌跡并非嚴格在方向盤的軸向方向的直線上，而是一條曲線。其效果如圖2所示。

但是在實際中，由于作動器與方向盤待測部位點之間采用的是硬性緊固連接，在作動器直線運動過程中，作動器除在方向盤的軸向方向上對方向盤施加作用力之外，還因為在試驗過程中方向盤徑向尺寸的變化而對方向盤產生了徑向力，阻礙了方向盤的自由變形;并且在作動器回程過程中，由于作動器的速度會影響到方向盤彈性變形后的回彈速度，方向盤不能自由地恢復彈性。因此，采用這種技術方案不能充分模擬方向盤在實際使用中的工況，會造成試驗數據不準確。

1.2 問題分析描述

(1)目前的疲勞試驗臺采用的是單側往復作動器。在作動器給方向盤施力完畢的回程中，會阻礙方向盤的自由回彈。在方向盤的實際使用中，人手是不會對方向盤的自由回彈進行阻礙的。

(2)目前的疲勞試驗臺對方向盤的受力點采用的是用剛性的緊固件束縛。在作動器的施力過程中，方向盤會發生彈性變形，徑向距離會減小。由于作動器與方向盤采用的是硬性連接，作動器會施加給變形的方向盤一個向外的徑向的力，加快了對方向盤的疲勞破壞。在方向盤的實際使用中，人手會隨著方向盤的變形方向而施力，不會產生對方向盤的徑向力。

(3)目前的方向盤耐久性破壞都是去觀察是否有裂痕，但是這樣有一定的弊端。在方向盤沒有裂痕出現時，方向盤的強度可能大大下降，已經失效了，但是并不能從外觀上觀察出來，這種試驗并不能達到預期的效果。

(4)目前，方向盤耐彎曲疲勞試驗的裝置一般采用液壓油缸對方向盤進行加載，試驗設備價格昂貴，維修成本高，作用單一，不能滿足各類相關企業對方向盤的測試要求。

2 改造后試驗的描述分析

2.1 改造后試驗過程的描述

如圖3所示，用帶有T型槽的平臺1固定兩個帶T型槽的方箱2，兩個方箱之間的距離可調。將兩個雙向作動器3分別固定在方箱上，使其位于同一個水平面上，兩個帶導向桿的作動器3在帶T型槽的方箱2上可以上下移動。將方向盤6固定在其中一個帶T型槽的方箱2上，方向盤沿著帶T型槽的方箱2可以上下移動，便于方向盤能固定在最佳受力位置。分別在兩個帶導向桿的作動器3的氣缸桿上安裝兩個壓力傳感器4，并在壓力傳感器4上固定兩個壓塊7。在其中一側的方箱上固定一個計數器5，和壓力傳感器4硬性連接起來。同時移動帶T型槽的方箱2、帶導向桿的作動器3和方向盤6，使壓塊7對準方向盤6最薄弱部位的兩側，使帶導向桿的作動器3對方向盤6最薄弱的位置進行加載。調節帶導向桿作動器3的動作時間，實現兩個作動器對受力點進行循環往復交替加載。由于取消了緊固件對方向盤的硬性連接，可實現方向盤在受力時的自由變形，更加接近方向盤在實際使用中的工況。通過壓力傳感器4，實時監測對方向盤6施加的力。利用壓力傳感器4和位移傳感器8測出的數據得到力與位移的關系曲線圖，可以判斷方向盤的疲勞狀態;通過計數器5能讀出作動器對方向盤6施加的力的次數，實現計數功能。

2.2 試驗創新點的描述

在方向盤受力點的兩側分別采用雙向作動器對受力點進行交替循環加載，當一側的作動器加載完畢并完全離開方向盤受力點后，另一側的作動器再對其受力點進行加載。采用這樣的結構，試驗時，控制裝置控制兩作動器交替循環地對待測方向盤的待測部位兩側在方向盤的軸向方向上施力，兩作動器與待測方向盤相互獨立，它們之間并不采用緊固連接，使得待測方向盤的待測部位在受力時并不在徑向方向上受力，方向盤發生的變形更接近于自由變形，方向盤在回彈時也不受作動器的約束，能自由地恢復彈性;并且，兩作動器的作用力為恒定的并且力的大小可調，而且此作用力作用的距離可以根據方向盤的變形情況自動調整。如此，更加真實地模擬了方向盤在實際使用過程中的工況，使得試驗數據更加準確。

對加載方向盤受力點的作動器接觸點不采用任何束縛結構，采用適合試驗標準剛性壓塊，保證其自由變形。壓塊平整且帶有圓角，該圓角避免壓塊施力時損壞方向盤的表面，且分別與作動器相連接，保證了壓塊和方向盤的充分接觸。且作動器對待測方向盤的施力更加均勻，而且作動器對外施力能直接、迅速、剛性地傳導到待測方向盤上。

整個試驗臺架采用帶T型槽的方箱，方箱可以在試驗平臺上自由移動。采用這樣的結構，作動器和待測方向盤能根據試驗需要靈活地調節位置，使該方向盤耐彎曲疲勞試驗裝置能更好地適應不同型號的方向盤試驗要求。搭建的試驗臺架簡單、實用，大大降低了試驗的成本。

該試驗臺架中使用的作動器是帶導向桿的氣缸。該導向桿限制了氣缸在伸縮過程中的自由旋轉，保證了壓塊對方向盤的穩定加載。為了實現兩個作動器對方向盤交替循環加載，控制部分采用了簡單實用的換向閥。通過作用于換向閥的小氣缸對換向閥的操作桿進行推拉，使換向閥換向，實現了對作動器的循環往復交替加載。作用原理如圖4所示。

2.3 技術方案的特點

(1)采用兩側的雙向作動器對方向盤最薄弱的部位加載。

(2)對方向盤受力點不采用任何的緊固裝置，用適合試驗標準的剛性壓塊進行擠壓。

(3)使用帶T型槽的平臺和方箱，便于方向盤的上下左右移動，找出方向盤最佳受力點。

(4)利用壓力傳感器和位移傳感器測量的數值，能夠確認方向盤的疲勞狀態，并能進行方向盤的性能測試。

(5)采用計數器，能讀出作動器對方向盤施加力的次數。

3 總結

通過兩側的雙向作動器對方向盤進行循環往復交替加載，使得試驗過程充分模擬了人手轉動方向盤的實際使用狀態，大大增加了實驗結果的可靠性。由于增加了壓力傳感器和位移傳感器，使得在試驗過程中可實時監測作動器對方向盤施加力的大小，并且能夠得到力與位移的曲線圖，可以確定方向盤的疲勞狀態和性能。采用計數器記錄對方向盤施加力的次數，便于耐久性驗證。

【1】全國汽車標準化技術委員會.QC/T 563-1999汽車轉向盤試驗方法［S］，1999.

【2】付百學.汽車試驗技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2007.

【3】BT/SGMWJ 0611-2010微型汽車方向盤技術條件［S］.