液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響原理

石磊

一、前言

液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)介紹。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按傳遞力的介質(zhì)分主要有氣壓助力式、液壓助力式及電動(dòng)助力式。

液壓助力式轉(zhuǎn)向機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式是齒輪齒條式，分為兩端輸出式和中間輸出式。其中齒輪和齒條配合間隙通過壓塊和壓緊彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)壓緊彈簧的預(yù)緊力不僅能夠調(diào)節(jié)齒輪齒條的間隙，還可以吸收部分振動(dòng)能量，緩和沖擊。

液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響在用戶使用過程中越來越多地被用戶關(guān)注和抱怨，并且隨著使用里程數(shù)增加，異響會(huì)越來越嚴(yán)重，甚至影響用戶使用對(duì)安全的擔(dān)憂，本文主要對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響的原理和解決作一些探討。

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要噪聲源是動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵，動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)及液壓系統(tǒng)油壓脈沖。以下主要對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)和液壓系統(tǒng)噪音原理進(jìn)行討論。

二、液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響原理

（一）液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響分為機(jī)械部分和液壓部分異響

異響主要發(fā)生在顛簸路面車輛上下振動(dòng)時(shí)，零件配合間隙之間產(chǎn)生振動(dòng)或者共振，以及液壓系統(tǒng)液流異響或者液流沖擊異響通過車身傳遞到駕駛倉或者方向盤，使用戶有明顯感知零件松曠感覺。

機(jī)械部分異響：液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)由內(nèi)部機(jī)械零件配合之間產(chǎn)生的振動(dòng)異響，此間隙是提供機(jī)械運(yùn)動(dòng)和滑動(dòng)要求所必需的設(shè)計(jì)間隙，同時(shí)提供潤(rùn)滑油道和油膜增加機(jī)械零件磨損壽命。以下是異響主要影響零件和產(chǎn)生異響的零件主要參數(shù)。

轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷。轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷作用：方向盤自由轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩通過轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)通過齒輪齒條的傳動(dòng)，將方向盤的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為左右直線運(yùn)動(dòng)，并通過轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷將力和運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，最終使二側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。輪胎與地面的振動(dòng)能量也通過橫拉桿傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)。

啟動(dòng)扭矩反映球頭內(nèi)部零件配合間隙狀態(tài)和潤(rùn)滑狀態(tài)，良好的球銷配合間隙和潤(rùn)滑狀態(tài)能夠有效降低轉(zhuǎn)向機(jī)的噪音。

橫拉桿還可以用于調(diào)節(jié)前輪前束的作用。

轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)球頭。通過調(diào)整內(nèi)外球頭的間隙和潤(rùn)滑性能，控制啟動(dòng)扭矩主要參數(shù)，達(dá)到兼顧控制球頭異響和提高零件使用壽命。間隙過大，容易產(chǎn)生振動(dòng)異響，間隙太小，球頭磨損嚴(yán)重，壽命降低。

球頭銷內(nèi)部有機(jī)構(gòu)保證零件磨損后能夠消除間隙，機(jī)構(gòu)有彈簧或楔形塊二種。

齒條與襯套配合。齒條與襯套配合間隙設(shè)計(jì)是為了提供齒條的左右移動(dòng)支撐和良好的潤(rùn)滑。較大的配合間隙將造成轉(zhuǎn)向機(jī)的振動(dòng)噪音。

齒輪傳動(dòng)壓塊配合。齒輪傳動(dòng)壓塊的間隙設(shè)計(jì)是保證轉(zhuǎn)向機(jī)左右移動(dòng)正常工作主要參數(shù)，轉(zhuǎn)向機(jī)出廠前需要嚴(yán)格控制和測(cè)量的主要參數(shù)，主要測(cè)量配合間隙和齒條移動(dòng)力，也是用戶使用過程中作用在方向盤上扭力感知質(zhì)量的主要參數(shù)。間隙過大，移動(dòng)力小，易產(chǎn)生振動(dòng)異響，同時(shí)造成轉(zhuǎn)向自由行程過大；間隙太小，移動(dòng)力大，不易產(chǎn)生異響。轉(zhuǎn)向最大自由行程控制在左右轉(zhuǎn)動(dòng)各不得超過15度。

轉(zhuǎn)向機(jī)的齒輪嚙合間隙控制機(jī)構(gòu)由補(bǔ)償彈簧和壓塊組成，當(dāng)齒輪和齒條有磨損，或者齒條軸與襯套間隙過大，必然產(chǎn)生較大的齒輪間隙，通過補(bǔ)償彈簧的預(yù)緊力壓塊，以保證齒輪齒條始終處于最佳嚙合狀態(tài)。從而使方向盤無明顯的自由行程，提高轉(zhuǎn)向操控靈敏度，以降低機(jī)械振動(dòng)異響。

轉(zhuǎn)向控制閥。轉(zhuǎn)閥由閥體、閥套、閥芯、扭力桿及密封圈等組成。轉(zhuǎn)閥功用是根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向動(dòng)作控制液流方向，從而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力或產(chǎn)生正確方向的轉(zhuǎn)向助力。此外，轉(zhuǎn)向控制閥還具有轉(zhuǎn)向維持功能，即當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤并保持在某一角度時(shí)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向回正力矩相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)閥性能不良，會(huì)造成異響。

（二）液壓部分異響

液壓系統(tǒng)缺油或者空氣混入。液壓系統(tǒng)缺油或者空氣混入均會(huì)造成轉(zhuǎn)向泵工作異常，產(chǎn)生氣阻，從而產(chǎn)生異響。所以發(fā)現(xiàn)異響首先需要檢查液位和液壓系統(tǒng)排除空氣。

液壓沖擊。液壓沖擊轉(zhuǎn)向進(jìn)出油管。油管分高壓油管和回油低壓油管，由硬管和柔性軟管組成，良好的材料設(shè)計(jì)使其具有消除噪聲、吸振等功能。制作材料一般采用強(qiáng)化合成橡膠，高壓油管耐壓力應(yīng)達(dá)到15MPa。油管耐高溫達(dá)到480度，允許有少許膨脹以吸收油壓脈動(dòng)壓力變化。

回油管通過小內(nèi)徑限制回油流量，使油泵背壓保持恒定，降低噪音。

當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)出呻吟（MOAN）噪聲和顫抖（SHUDDER）噪聲時(shí)，采取調(diào)諧壓力油管方法有效降低這種噪聲。

液壓系統(tǒng)回油壓力?；赜蛪毫^高將引起液壓系統(tǒng)油壓壓力脈動(dòng)幅度增大，從而使機(jī)械部件共振產(chǎn)生共振異響。

三、轉(zhuǎn)向機(jī)異響解決

（一）機(jī)械部分

某款車型用戶行駛在碎石路，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙前下部位類似機(jī)械松動(dòng)振動(dòng)異響，首先檢查底盤零件連接螺栓扭矩，及橫拉桿是否松動(dòng)，必要時(shí)更換橫拉桿球頭。橫拉桿球頭啟動(dòng)扭矩控制在5～7NM。

如果振動(dòng)異響來源于轉(zhuǎn)向機(jī)本體，通過調(diào)節(jié)齒輪傳動(dòng)壓塊調(diào)整螺絲，使間隙控制在0.01～0.06mm左右。

以上措施無法改善異響問題，可以調(diào)整齒條與襯套間隙配合，控制間隙在0.03mm左右，異響有所改善。

（二）液壓部分

某款車型轉(zhuǎn)向機(jī)異響通過改進(jìn)機(jī)械配合間隙，仍然無法徹底解決問題，需要對(duì)液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步分析。

第一步，調(diào)查轉(zhuǎn)向液壺中的液位保持正常，轉(zhuǎn)向液壺過濾網(wǎng)和通氣孔沒有堵塞，轉(zhuǎn)向液沒有混入空氣產(chǎn)生乳狀泡沫。

第二步，檢查回油管內(nèi)油壓。在回油管中外接一個(gè)三通接頭，裝配一個(gè)壓力傳感器，測(cè)量油壓，發(fā)現(xiàn)異響車輛回油壓力大于30bar，對(duì)比正常車輛油壓測(cè)量結(jié)果低于10bar。

通過傳感器數(shù)據(jù)分析油壓波動(dòng)和異響之間的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)油壓異常波動(dòng)時(shí)，異響的數(shù)據(jù)也發(fā)生突變。

接下來改進(jìn)方案是如何降低回油管壓力，首先采用回油軟管代替硬管，降低回油壓力脈沖，有一定改善效果。其次，在回油管內(nèi)加入節(jié)流閥，降低回油壓力。通過壓力測(cè)量和噪音測(cè)量結(jié)果，徹底改善了噪音性能。

為選擇最佳的節(jié)流閥尺寸，挑選不同規(guī)格零件進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)，選擇四種節(jié)流閥尺寸，直徑2.5mm，3.0mm，3.5mm和4.0mm，直徑偏小，容易產(chǎn)生節(jié)流噪聲，并使油溫升高，直徑偏大，效果不明顯。最后經(jīng)多次試驗(yàn)，選定直徑3.5mm的節(jié)流閥。

液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)異響問題是一個(gè)綜合性問題，可以定義三種不同噪聲，即空氣傳播的噪聲（ABN）；第二種是機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的噪音（SBN），往往是ABN的直接原因；第三種是液體傳播的噪聲（FBN），即液壓油中的壓力波動(dòng)，往往是SBN的主要原因，而SBN又引起ABN。所以解決異響問題既可以調(diào)整機(jī)械配合間隙。同時(shí)調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力，使二方面都控制在最佳狀態(tài)，才能徹底解決振動(dòng)噪聲問題。