某汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)故障分析與改進(jìn)

石兆勇

（航天特種車研究院，山東泰安271000）

某汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)故障分析與改進(jìn)

石兆勇

（航天特種車研究院，山東泰安271000）

汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是保證車輛安全行駛的重要系統(tǒng)，該系統(tǒng)為雙回路液壓系統(tǒng)，主要由分配閥、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油箱、溢流閥、精濾器等組成。針對某型號車輛頻繁出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向器故障，分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，并深入剖析了加在轉(zhuǎn)向器上的力矩變化規(guī)律，找出了動力轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向器頻繁損壞的原因，指出了該系統(tǒng)的不足，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

轉(zhuǎn)向器；故障分析；溢流閥

0 引言

某型號牽引車在出廠試驗(yàn)過程中，所有車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重現(xiàn)象，停車檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)有異響，主泵精過濾器接頭組合墊密封處有漏油現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其他閥件、管路、桿系等未見異常。

1 故障定位分析

對損壞的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)：與扇齒輪輸出軸配合的齒條式活塞右側(cè)邊緣齒斷裂，斷裂現(xiàn)象如圖1。

導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器齒條式活塞損壞的可能原因分析如下：

1.1 材質(zhì)缺陷

該牽引車轉(zhuǎn)向器采用的CQ8111D型整體式轉(zhuǎn)向器，為重慶紅巖汽車有限責(zé)任公司已定型批產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器，在市場上批量應(yīng)用，使用中極少有此故障現(xiàn)象發(fā)生。材質(zhì)分析結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)向器活塞材料抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa，符合設(shè)計(jì)要求，此項(xiàng)原因排除。

1.2 制造缺陷

仔細(xì)檢查測量齒條式活塞齒斷裂部位，與其余未斷裂齒形比對，符合設(shè)計(jì)要求，排除因加工缺陷造成右側(cè)邊緣齒斷裂的因素。

1.3 系統(tǒng)壓力過高

CQ8111D型整體式轉(zhuǎn)向器額定壓力15 MPa，結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由殼體、轉(zhuǎn)向螺桿、轉(zhuǎn)向螺母、齒條式活塞、油分配閥、扇齒輪輸出軸等組成。殼體相當(dāng)于一個動力油缸，齒條式活塞即是動力缸中的活塞，承擔(dān)著液壓助力的作用，把液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械力。圖2（a）為左轉(zhuǎn)向狀態(tài)，方向盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，壓力油進(jìn)入齒條式活塞左側(cè)，推動活塞向右移，帶動扇齒輪輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；圖2（b）為右轉(zhuǎn)向狀態(tài)，方向盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，壓力油進(jìn)入齒條式活塞右側(cè)，活塞向左移，帶動扇齒輪輸出軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)［1］。

根據(jù)故障現(xiàn)象，復(fù)查牽引車實(shí)際裝配的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，如圖3所示：主泵由發(fā)動機(jī)帶動，副泵由分動器帶動。主泵、副泵輸出油通過應(yīng)急閥組成組合油路，保證系統(tǒng)所需流量。轉(zhuǎn)向油泵的輸出壓力取決于液壓系統(tǒng)的負(fù)荷 （即動力缸活塞所受的運(yùn)動阻力）［2］。初步懷疑：底盤實(shí)際裝配液壓系統(tǒng)中YJF2400型應(yīng)急閥不能很好地控制液壓系統(tǒng)的壓力。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)到左右機(jī)械限位時(shí)，系統(tǒng)壓力會持續(xù)升高，齒條式活塞推力增大，可能導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度薄弱部位產(chǎn)生破壞性斷裂。同時(shí)因系統(tǒng)壓力突然升高，主泵精過濾器接頭組合墊密封處會出現(xiàn)漏油。

假定在活塞與壓力油液接觸的所有面上加壓20 MPa，計(jì)算查看活塞破壞處 （最外側(cè)齒齒根處）應(yīng)力大小。在模擬嚙合件基座面上加完全約束，在活塞與缸筒接觸面上加徑向約束，計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可見：最大應(yīng)力點(diǎn)在最外側(cè)齒齒根處，與實(shí)際破壞位置相符；當(dāng)油壓20 MPa時(shí)該處最大應(yīng)力約為1 066 MPa。轉(zhuǎn)向器活塞材料抗拉強(qiáng)度為1 180 MPa，而當(dāng)油壓20 MPa時(shí)破壞處最大應(yīng)力約為1 066 MPa。對比破壞處應(yīng)力值與其抗拉強(qiáng)度，粗略計(jì)算破壞處應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)的油壓，將結(jié)果進(jìn)行復(fù)算，驗(yàn)證活塞破壞時(shí)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油壓。經(jīng)對比計(jì)算，轉(zhuǎn)向器活塞破壞時(shí)，油壓約為23 MPa，轉(zhuǎn)向器活塞最大應(yīng)力約為1 216 MPa，超過其抗拉強(qiáng)度1 180 MPa。由此可證明：當(dāng)轉(zhuǎn)向器活塞最大應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度1 180 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油壓為23 MPa以上［3］。

綜上所述，CQ8111D型整體式轉(zhuǎn)向器齒條式活塞右側(cè)邊緣齒斷裂的原因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的壓力沒有控制在合理的范圍內(nèi)，系統(tǒng)壓力過高。

2 排除故障的措施

由以上分析可知：液壓系統(tǒng)中還須改進(jìn)限制系統(tǒng)最高壓力的安全閥，控制系統(tǒng)工作壓力，保證系統(tǒng)安全。改進(jìn)后的液壓原理如圖5所示。

根據(jù)故障出現(xiàn)的問題定位和機(jī)制分析，提出可行性措施，確定將故障車輛的YJF2400型應(yīng)急閥更換為3415010型溢流閥，同時(shí)更換新的轉(zhuǎn)向器和主泵精過濾器接頭組合墊圈。

3415010型溢流閥在定型批產(chǎn)底盤上廣泛采用，技術(shù)成熟，質(zhì)量穩(wěn)定。故障車更換溢流閥后，主泵、副泵同樣匯合到溢流閥內(nèi)部，通過主泵輸出流量產(chǎn)生的換向閥兩端壓差，控制副泵輸出油液的卸流或合流，向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量。壓力由先導(dǎo)安全閥控制溢流閥向系統(tǒng)提供穩(wěn)定壓力。

3 結(jié)論

針對車輛頻繁出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向器故障，通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，并深入剖析加在轉(zhuǎn)向器上的力矩變化規(guī)律，牽引車轉(zhuǎn)向器損壞問題定位于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力無法控制在合理的范圍內(nèi)；更換溢流閥后故障沒有再出現(xiàn)，表明轉(zhuǎn)向器損壞問題定位準(zhǔn)確，機(jī)制清楚，處理措施有效。

【1】雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

【2】路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

【3】李效民，李中強(qiáng).汽車運(yùn)動過程中的受力分析［J］.河南電大，1994（Z1）：26，33.

Failure Analysis and Improvement for the Steering Hydraulic System of a Vehicle

SHIZhaoyong
（Aerospace Special Vehicle Research Institute，Taian Shandong 271000，China）

The power steering system plays an important role in vehicle safety.It is a dual circuithydraulic system，mainly including distribute valve，steering booster，steering tank，overflow valve and secondary fuel filter and so on.Aiming at the frequent failure of steering booster occurred on a auto，the working principle of the power steering system was analyzed and the torque change law of the steering booster was digged out.The causes of the frequent failure of steering boosterwere found out.Finally the shortage of the system was pointed outand the improvementmeasurementwas put forward.

Steering booster；Failure analysis；Overflow valve

2014－04－22

石兆勇（1984—），男，學(xué)士，設(shè)計(jì)師，從事特種車設(shè)計(jì)工作。E-mail：shizhaoyong＠139.com。