淺談液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)在輕型汽車上開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊情操，梁飛，呂傳志

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

?

淺談液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)在輕型汽車上開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

楊情操，梁飛，呂傳志

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

摘 要：某輕型汽車匹配液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，對(duì)系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)步驟、評(píng)價(jià)指標(biāo)及常見(jiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題等進(jìn)行探討，并對(duì)應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決方式，為今后同類型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供建議和參考。

關(guān)鍵詞：液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器；性能目標(biāo)；問(wèn)題；解決方式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.021

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-60-04

引言

液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于乘用車，但在總質(zhì)量4.5噸～7噸之間的輕型汽車車型上應(yīng)用較少，這種噸位輕型汽車一般采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)。

某輕型汽車前軸載荷最大達(dá)2.2噸，總質(zhì)量最大達(dá)7噸，對(duì)乘坐舒適性及操縱輕便性要求較高，配置雙擺臂獨(dú)立懸架系統(tǒng)，前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，需匹配開(kāi)發(fā)液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)。由于該噸位車型匹配液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外運(yùn)用較少，相關(guān)文獻(xiàn)也較少。本文結(jié)合某輕型汽車開(kāi)發(fā)，對(duì)液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求、設(shè)計(jì)步驟、評(píng)價(jià)指標(biāo)等進(jìn)行探討，并對(duì)應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題提出解決方式。

1、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能減輕駕駛員的手力。

1.1 轉(zhuǎn)向系提出要求

（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。

（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開(kāi)轉(zhuǎn)向盤(pán)的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。

（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有擺動(dòng)。

（4）保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。

（5）操縱輕便。

（6）轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)的反沖力要盡可能小。

（7）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。

（8）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。

1.2 液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器要求

（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關(guān)系。

（2）隨著轉(zhuǎn)向輪阻力的增大(或減小)，作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力必須增大(或減小)，稱之為“路感”。

（3）當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上切向力大于10N時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器就應(yīng)開(kāi)始工作。

（4）轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤(pán)應(yīng)自動(dòng)回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。

（5）工作靈敏，即轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，系統(tǒng)內(nèi)壓力能很快增長(zhǎng)到最大值。

（6）動(dòng)力轉(zhuǎn)向失靈時(shí)，仍能用機(jī)械系統(tǒng)操縱車輪轉(zhuǎn)向。（7）密封性能好，內(nèi)泄漏少。

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能目標(biāo)

轉(zhuǎn)向系中設(shè)置有轉(zhuǎn)向減振器時(shí)，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生自振，同時(shí)又能使傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的反沖力明顯降低。為了使汽車具有良好的機(jī)動(dòng)性能，必須使轉(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達(dá)到按前外輪車輪軌跡計(jì)算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達(dá)到汽車軸距的2～2.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的轉(zhuǎn)向力矩大小和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)多少兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)操縱輕便性。轉(zhuǎn)向盤(pán)上切向力不超過(guò)25N，轉(zhuǎn)向盤(pán)圈數(shù)不大于4圈。

測(cè)試方式為在汽車從直線行駛狀態(tài)，以10km／h速度在柏油或水泥的水平路段上轉(zhuǎn)入沿半徑為12m的圓周行駛，且路面干燥，進(jìn)行測(cè)試。

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

（1）車型整體設(shè)計(jì)，通過(guò)人機(jī)工程學(xué)，確定轉(zhuǎn)向盤(pán)中心位置；

（2）整車設(shè)計(jì)需要，確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置方案；

（3）確定轉(zhuǎn)向器基本外形尺寸及轉(zhuǎn)向器性能參數(shù)；

（4）確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件位置，需要配合其他零部件共同完成；

（5）具體零部件設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析

液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（G）是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸組成。如圖1所示，其基本工作原理為：轉(zhuǎn)向動(dòng)力油經(jīng)膠管（F）進(jìn)入動(dòng)力油泵（B），經(jīng)油泵由供油管（D）進(jìn)入轉(zhuǎn)向控制閥，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制閥改變高壓油的流向，使高壓管進(jìn)入相應(yīng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸，從而推動(dòng)齒條的左右移動(dòng)。而相對(duì)不起作用的動(dòng)力缸內(nèi)的動(dòng)力油經(jīng)控制閥，由回油管（E）送回儲(chǔ)油罐（A）。為防止油壓過(guò)高，油泵中裝有安全閥（C）。

圖1　液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器工作簡(jiǎn)圖

動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案主要從以下方面進(jìn)行考慮：

a)轉(zhuǎn)向器主要零件是否能承受由動(dòng)力缸建立起來(lái)的載荷；

b)轉(zhuǎn)向器維修接近性要好，以方便維修。液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器不同于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器齒條當(dāng)作轉(zhuǎn)向橫拉桿使用，布置空間比較緊湊，還要注意管路聯(lián)接頭的維修接近性；

c)管路的長(zhǎng)短要適當(dāng)，轉(zhuǎn)向器本體固定在車架上，液力泵一般裝配在整車動(dòng)力總成上，在轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向泵之間由油管連接供油。油管過(guò)短，動(dòng)力總成的抖動(dòng)容易造成油管接頭松動(dòng)漏油，油管過(guò)長(zhǎng)，容易與其他零件干涉摩擦，也容易憋死；

d)轉(zhuǎn)向輪在側(cè)向力作用下是否容易引起轉(zhuǎn)向輪擺振。

2.3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的作用效能

用效能指標(biāo)s=Fh／Fh′來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的作用效能。式中，F(xiàn)h和Fh′為沒(méi)有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器和有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪所必須作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力?，F(xiàn)有動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的效能指標(biāo) s=1～15。

2.3.2 路感

駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，除要克服轉(zhuǎn)向器的摩擦力和回位彈簧阻力外，還要克服反映路感的液壓阻力。液壓阻力等于反作用閥面積與工作液壓壓強(qiáng)的乘積。在最大工作壓力時(shí)，換算到轉(zhuǎn)向盤(pán)上切向力不超過(guò)25N。

2.3.3 轉(zhuǎn)向靈敏度

轉(zhuǎn)向靈敏度用接通動(dòng)力轉(zhuǎn)向時(shí)，作用到轉(zhuǎn)向盤(pán)的切向力和轉(zhuǎn)角來(lái)評(píng)價(jià)，要求此力在5～10N，轉(zhuǎn)角在5°～10°范圍。

2.3.4 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的靜特性

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的靜特性是指輸入轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系曲線，是用來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的主要特性指標(biāo)。

因輸出轉(zhuǎn)矩等于油壓壓力乘以動(dòng)力缸工作面積和作用力臂，對(duì)于已確定的結(jié)構(gòu)，后兩項(xiàng)是常量，所以可以用輸入轉(zhuǎn)矩M。與輸出油壓戶之間的變化關(guān)系曲線來(lái)表示動(dòng)力轉(zhuǎn)向的靜特性，如圖2所示。

常將靜特性曲線劃分為四個(gè)區(qū)段。在輸入轉(zhuǎn)矩不大的時(shí)候，相當(dāng)于圖中A段，是直線行駛位置附近小角度轉(zhuǎn)向區(qū)，曲線呈低平形狀，油壓變化不大；汽車原地轉(zhuǎn)向或調(diào)頭時(shí)，輸入轉(zhuǎn)矩進(jìn)入最大區(qū)段(圖中C段)，要求助力轉(zhuǎn)向效果應(yīng)當(dāng)最大，故油壓曲線呈陡而直狀上升；B區(qū)段屬常用快速轉(zhuǎn)向行駛區(qū)段，要求助力作用要明顯，油壓曲線的斜率變化應(yīng)較大，曲線由較為平緩變陡。

圖2　手力特性曲線

除此之外，上述三個(gè)區(qū)段之間的油壓曲線過(guò)渡要求平滑，D區(qū)段曲線就表明是一個(gè)較寬的平滑過(guò)渡區(qū)間。

要求動(dòng)力轉(zhuǎn)向器向右轉(zhuǎn)和向左轉(zhuǎn)的靜特性曲線應(yīng)對(duì)稱。對(duì)稱性可以評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)閥的加工和裝配質(zhì)量。要求對(duì)稱性大于90%，反映到整車上，原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)切向力左右相差不能大于4N。

3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方式

3.1 開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1.1 干涉問(wèn)題

在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮各部件的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意干涉地方有如下：

2）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)萬(wàn)向節(jié)形狀，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成萬(wàn)向節(jié)與踏板支架運(yùn)動(dòng)干涉，應(yīng)保證萬(wàn)向節(jié)最大旋轉(zhuǎn)點(diǎn)與踏板支架15mm以上間隙；

3）防塵罩總成，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與防塵罩底座干涉，造成轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向不回正等，最小間隙根據(jù)車身位移、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸擺動(dòng)角度、裝配公差確定，在極限狀態(tài)下保證5mm以上間隙；

4）轉(zhuǎn)向器上高壓油管位置，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)時(shí)與轉(zhuǎn)向器上高壓油管接頭干涉，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)跳動(dòng)量確定最小間隙，極限狀態(tài)下保證15 mm以上間隙；

5）轉(zhuǎn)向器上進(jìn)出油管接頭位置，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成管接頭裝配干涉，最小間隙依據(jù)管接頭裝配形式及扳手空間決定；

6）轉(zhuǎn)向油管與其他零件運(yùn)動(dòng)干涉，如設(shè)計(jì)不當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)向油管與車身底盤(pán)其他零件干涉，也會(huì)造成轉(zhuǎn)向油管相互干涉，在極限狀態(tài)下保證5mm以上間隙，如干涉無(wú)法避免，可采用管夾方式固定，扎帶固定方式不可靠，易造成油管與扎帶摩擦損壞。

3.1.2 強(qiáng)度問(wèn)題

在進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件基本均為安全件，應(yīng)考慮各部件強(qiáng)度，主要有如下方面：

1)轉(zhuǎn)向盤(pán)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向盤(pán)主要考慮骨架焊接強(qiáng)度、覆蓋層覆著強(qiáng)度；

2)轉(zhuǎn)向軸強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向軸應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)承受相應(yīng)的靜扭、疲勞性能；

（4）按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鮮柑橘》，在石門(mén)縣采集的252件柑橘樣品大部分屬于優(yōu)等果，優(yōu)等果比率達(dá)91%。重金屬超標(biāo)率較低，僅少量樣品汞、砷超標(biāo)。

3）轉(zhuǎn)向管柱支架，如轉(zhuǎn)向管柱不帶軸承，支架強(qiáng)度可以偏小，如帶軸承，需加大轉(zhuǎn)向管柱支架強(qiáng)度，可從材料厚度結(jié)構(gòu)等方面改進(jìn)；

4）轉(zhuǎn)向軸支撐帶防塵罩總成，焊接件強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，要承受較大彎曲力矩，對(duì)焊接件強(qiáng)度要求較高，都靈V鑄鋁件出現(xiàn)過(guò)質(zhì)量問(wèn)題；

5）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸花鍵部分，車身在抖動(dòng)過(guò)程中，花鍵嚙合部分減少，在對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行靜扭、疲勞等試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)以最小嚙合尺寸做試驗(yàn)。

3.1.3 轉(zhuǎn)向性能要求

1）轉(zhuǎn)向輕便性，需要對(duì)轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品的力特性曲線進(jìn)行控制，實(shí)測(cè)值需控制在曲線公差范圍內(nèi)。一般4MP時(shí)對(duì)應(yīng)輸入力矩為4.9～6.1Nm，反映到整車上，原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)上切向力小于16N；

2）轉(zhuǎn)向平順性，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)手力忽輕忽重的問(wèn)題，與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)萬(wàn)向節(jié)布置角度有關(guān)，涉及相位角，需在設(shè)計(jì)之初確定；

3）轉(zhuǎn)向回正性，與轉(zhuǎn)向梯形、前輪定位參數(shù)、輪胎氣壓、轉(zhuǎn)向器等有關(guān)，對(duì)于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，影響轉(zhuǎn)向回正有齒條兩端油封唇口層數(shù)、齒條與小齒輪嚙合間隙、轉(zhuǎn)向閥設(shè)計(jì)等，在轉(zhuǎn)向回正出現(xiàn)故障后，可從上述部分進(jìn)行分析；

4）轉(zhuǎn)向自由間隙過(guò)大，與轉(zhuǎn)向器內(nèi)齒條與小齒輪嚙合間隙、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸花鍵嚙合間隙等存在關(guān)系，國(guó)標(biāo)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自由間隙較大，該輕型汽車產(chǎn)品自由間隙控制在2°以內(nèi)。

3.2 應(yīng)用中出現(xiàn)的故障及解決方法

表1　液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器及系統(tǒng)故障診斷

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)齒輪齒條式液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輕型汽車上設(shè)計(jì)及應(yīng)用，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理進(jìn)行了闡述，對(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的故障進(jìn)行描述。為后續(xù)同類車型開(kāi)發(fā)提供了思路，減少后續(xù)開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)類似問(wèn)題。

開(kāi)發(fā)中按開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證及實(shí)車驗(yàn)證，降低使用問(wèn)題有很大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì),汽車工程手冊(cè)（設(shè)計(jì)篇），人民交通出版社,2001.

[2] 王望予,汽車設(shè)計(jì)(第3版),機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3] 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局,QC/T 530-2000,汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成技術(shù)條件,2001.

[4] 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局,QC/T 529-2000,汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法,2000.

[5] 周名,余卓平,趙治國(guó),動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展[J]，汽車研究與開(kāi)發(fā), 2004.

中圖分類號(hào)：U463.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)04-60-04

作者簡(jiǎn)介：楊情操，就職于南京依維柯汽車有限公司。從事整車性能開(kāi)發(fā)工作。

Development and application of hydraulic gear rack and pinion steering system in light vehicle

Yang Qingcao, Liang Fei, Lv Chuanzhi
（Nanjing iveco automobile Co., Ltd, Jiangsu Nanjin 210028）

Abstracts: A light vehicle matching hydraulic rack and pinion steering system development, the system requirements, design steps, evaluation index and common design problems are discussed, and the problems easily occurred in the application of the proposed solution, provide suggestions and reference for the future development of the products of the same type.

Keywords:hydraulic rack and pinion steering gear; performance target; problem; solution