液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重原因分析及實(shí)例優(yōu)化

丁 玲

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重原因分析及實(shí)例優(yōu)化

丁 玲

Ding Ling

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

闡述了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重問(wèn)題的分類(lèi)和原因分析，并進(jìn)行了實(shí)例優(yōu)化。

液壓轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向沉重；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

汽車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)關(guān)鍵零部件之一，對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、安全性、舒適性和駕駛員的操縱強(qiáng)度有重要影響。目前動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有液壓助力、電動(dòng)助力（EPS）和電控液壓助力等，其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是相對(duì)比較成熟且應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)，由主要部件轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向管柱、中間軸、儲(chǔ)油罐、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向器及管路等組成。相對(duì)無(wú)助力轉(zhuǎn)向它以較低的功耗改善了汽車(chē)的操縱輕便性。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向可以根據(jù)車(chē)速提供不同的助力，為駕駛員提供更好的駕駛感覺(jué)，手力更加輕便，而傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向手力沉重問(wèn)題越來(lái)越凸顯出來(lái)，影響整車(chē)駕駛的舒適性。

根據(jù)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重的區(qū)域不同劃分為3個(gè)類(lèi)型：全行程沉重、末端沉重、波動(dòng)沉重

文章將結(jié)合實(shí)例車(chē)型對(duì)3種手力沉重問(wèn)題進(jìn)行原因解析及實(shí)例優(yōu)化。

1 全行程手力沉重問(wèn)題實(shí)例分析

1.1 現(xiàn)象描述

在某車(chē)型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的全行程作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的手力矩都很大，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，縱坐標(biāo)為作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的手力矩值，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，從圖中可以看出轉(zhuǎn)向盤(pán)平均作用力矩在5 N·m左右。

1.2 原因分析

導(dǎo)致全行程轉(zhuǎn)向沉重的原因有多種，可以確定4種常見(jiàn)的原因：

1）密封環(huán)磨損或剪切導(dǎo)致內(nèi)泄漏超標(biāo)；

2）轉(zhuǎn)向拉桿球頭不靈活；

3）轉(zhuǎn)向器調(diào)整不當(dāng)；

4）轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力矩設(shè)計(jì)過(guò)重；

1.3 排查驗(yàn)證

針對(duì)原因一，通過(guò)對(duì)問(wèn)題車(chē)輛進(jìn)行路試后拆車(chē)，然后對(duì)拆下的轉(zhuǎn)向器再進(jìn)行拆解分析，看是否出現(xiàn)相應(yīng)問(wèn)題現(xiàn)象。最終發(fā)現(xiàn)密封環(huán)未損壞，故該原因排除。

針對(duì)原因二，對(duì)拆下的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行轉(zhuǎn)向拉桿球頭靈活性測(cè)試（多方位轉(zhuǎn)動(dòng)球頭），并未感到球頭運(yùn)動(dòng)遲滯，且向各方位都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，故該原因排除。

針對(duì)原因三，為問(wèn)題車(chē)輛更換同規(guī)格轉(zhuǎn)向器，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題依然存在，故可排除是轉(zhuǎn)向器調(diào)整不當(dāng)所導(dǎo)致。

針對(duì)原因四，查找轉(zhuǎn)向器閥特性設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)圖2），設(shè)計(jì)定義油壓為5 MPa時(shí)轉(zhuǎn)向器扭桿輸入扭矩為5 N·m，與圖1的手力測(cè)試曲線結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

排查結(jié)果為轉(zhuǎn)向器閥特性手力設(shè)計(jì)參數(shù)偏大導(dǎo)致。

1.4 優(yōu)化措施

重新定義轉(zhuǎn)向器閥特性設(shè)計(jì)參數(shù)，油壓為5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向器扭桿輸入扭矩為4 N·m，見(jiàn)圖3。

1.5 優(yōu)化結(jié)果

對(duì)轉(zhuǎn)向器閥特性變更后，重新進(jìn)行原地手力矩測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4，手力矩變?yōu)? N·m。

2 轉(zhuǎn)向末端手力問(wèn)題實(shí)例分析

2.1 現(xiàn)象描述

某車(chē)型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩的測(cè)試，圖5為測(cè)試結(jié)果，縱坐標(biāo)為作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的手力矩值，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角，圖上顯示轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)至450°開(kāi)始手力矩從4 N·m開(kāi)始上升，直至600°時(shí)手力矩上升到9 N·m，反向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)也如此，正反向轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)到底時(shí)均存在助力不足的情況，且助力不足的角度范圍較大。

2.2 原因分析

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)至末端時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將達(dá)到最高工作壓力，此時(shí)動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵提供最高工作壓力，所以末端手力大小主要受動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵的最高工作壓力控制。

2.3 排查驗(yàn)證

動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力的設(shè)定值取決于轉(zhuǎn)向器對(duì)輪胎作用的最大推力加拉力，而最大推力加拉力為轉(zhuǎn)向器的最大齒條力，重新計(jì)算最大齒條力為74 455.1 N

根據(jù)最大齒條力計(jì)算結(jié)果推算動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵油壓最高應(yīng)為8.12 MPa

轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力是由內(nèi)部滑閥結(jié)構(gòu)控制的，圖6為轉(zhuǎn)向泵內(nèi)部滑閥的結(jié)構(gòu)示意圖，滑閥的最高壓力是通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力來(lái)調(diào)節(jié)的。鋼球在彈簧的作用下緊緊壓在閥座的錐面上，將滑閥內(nèi)部密封起來(lái)。當(dāng)外部壓力增加時(shí)，鋼球與閥座的作用力迅速減小，在閥座錐面的粗糙度、圓度以及液壓油在傳遞時(shí)的壓力波動(dòng)等的影響下，鋼球和閥座的密封會(huì)有輕微的泄露。并且隨著壓力的增高而泄漏量加大，所以最高工作壓力不是一個(gè)值而是一個(gè)范圍。

所以在設(shè)計(jì)最高工作壓力時(shí)應(yīng)將最高工作壓力低限值高于系統(tǒng)所需的壓力。

2.4 優(yōu)化措施

將轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力從7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，改善末端手力矩沉重的問(wèn)題。

2.5 優(yōu)化結(jié)果

重新對(duì)整改后的車(chē)型進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向手力矩的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖7，從0°～600°時(shí)轉(zhuǎn)向手力矩均為4 N·m，600°時(shí)轉(zhuǎn)向軟止點(diǎn)限位手力矩才開(kāi)始上升。末端助力不足且助力不足的角度范圍較大的問(wèn)題得以解決。

3 波動(dòng)沉重問(wèn)題實(shí)例分析

3.1 現(xiàn)象描述

某車(chē)型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩的測(cè)試，全行程轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)感覺(jué)手力矩時(shí)重時(shí)輕，圖8為測(cè)試結(jié)果，縱坐標(biāo)為作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的手力矩值，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角。

3.2 原因分析

從圖8可以看出，手力矩曲線不是趨近于平直，而是呈正弦波動(dòng)，高峰為6 N·m，低谷為4 N·m，所以轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的過(guò)程中會(huì)有時(shí)重時(shí)輕的感覺(jué)。這種波動(dòng)通常是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置不合理導(dǎo)致。

3.3 排查驗(yàn)證

對(duì)問(wèn)題車(chē)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置進(jìn)行重新校核，見(jiàn)圖9，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱、中間軸及轉(zhuǎn)向器輸入軸3根軸的軸線夾角α1為157.8°，α2為153.8°，中間軸兩端萬(wàn)向節(jié)平面夾角γ12為38.6°，計(jì)算力矩波動(dòng)為20%，見(jiàn)圖10。設(shè)計(jì)要求力矩波動(dòng)通常為＜5%，所以此車(chē)力矩波動(dòng)嚴(yán)重超差，手力矩設(shè)計(jì)值為5 N·m，由于有力矩波動(dòng)，所以手力矩為（5±1） N·m。

3.4 優(yōu)化措施

重新布置轉(zhuǎn)向管柱、中間軸、轉(zhuǎn)向器輸入軸3根軸線所夾的角度，設(shè)計(jì)輸入α1=α2，實(shí)際設(shè)計(jì)α1為155.8°，α2為155.7°，中間軸萬(wàn)向節(jié)平面夾角γ 12為15.5°，力矩波動(dòng)計(jì)算為0.1%，波動(dòng)很小，圖11為對(duì)問(wèn)題車(chē)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化布置，圖12為優(yōu)化后力矩波動(dòng)計(jì)算圖。

3.5 優(yōu)化結(jié)果

在問(wèn)題車(chē)型上更換優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并重新進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向手力矩的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖13。從測(cè)試結(jié)果可以看出力矩波動(dòng)問(wèn)題得到解決，手力矩曲線趨近于直線。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的手力沉重問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi)，詳細(xì)分析了產(chǎn)生手力沉重問(wèn)題的原因，并對(duì)問(wèn)題車(chē)型轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證后，改進(jìn)效果明顯。如果操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)感到過(guò)重，便不能敏捷的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使駕駛員因勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大而產(chǎn)生疲勞。當(dāng)然操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)的力矩也不能設(shè)置過(guò)輕，過(guò)輕會(huì)使駕駛員產(chǎn)生“發(fā)飄”而失去路感難于控制汽車(chē)的方向。合理設(shè)置轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩是提高整車(chē)駕駛舒適性的重要指標(biāo)。

[1]王望予. 汽車(chē)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]余志生.汽車(chē)?yán)碚揗]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]GB/T6323.6-94，汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)[S].

[6]QV/T480-1999，汽車(chē)操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法[S].

U463.44

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.009

2014-05-05

1002-4581（2014）05-0035-05