商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配

張雙成

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092）

商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配

張雙成

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海200092）

闡述了商用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本原理，介紹了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要零部件的設(shè)計(jì)、匹配的方法以及參數(shù)的選取，給出了匹配參數(shù)推薦值，并提出了匹配調(diào)試中的注意事項(xiàng)。

液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向油泵匹配

1　前言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求越來越高。傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前已經(jīng)成為絕大多數(shù)轎車、客車、載重車、卡車等車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。顧名思義，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就是協(xié)助駕駛員在作汽車方向調(diào)整時(shí)，為駕駛員減輕轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向盤強(qiáng)度的裝置，并且讓車輛反應(yīng)更加敏捷，在一定程度上提高了車輛行駛的安全性，也提高了車輛操作的舒適性。其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于商用車領(lǐng)域。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的歷史，可以說技術(shù)非常成熟，被廣泛應(yīng)用。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓和機(jī)械等兩部分組成，是以液壓油為動(dòng)力傳遞介質(zhì)，通過液壓泵產(chǎn)生的動(dòng)力來推動(dòng)轉(zhuǎn)向器，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為保證汽車原地或低速轉(zhuǎn)向時(shí)的輕便性，液壓泵要保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的流量。無論是否轉(zhuǎn)向，這套系統(tǒng)都要工作，而且在低速時(shí)大轉(zhuǎn)向，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費(fèi)了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力資源。這也可以說是液壓助力轉(zhuǎn)向的一個(gè)缺點(diǎn)。但是由于該技術(shù)成熟可靠，而且成本低廉，得到了廣泛普及和應(yīng)用。

2　液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

2.1液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分有轉(zhuǎn)向油泵、油管、整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)（包含動(dòng)力缸、轉(zhuǎn)向控制閥）、機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)油罐等。這種助力方式是將一部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)化成液壓泵壓力，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉(zhuǎn)向。具體構(gòu)成如圖1所示。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一套動(dòng)力輔助裝置組成的，其工作原理如圖2所示。

轉(zhuǎn)向油泵6安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，由曲軸通過皮帶或者齒輪驅(qū)動(dòng)，并向外輸出液壓油。轉(zhuǎn)向油罐5上有進(jìn)、出油管接頭，通過油管分別與轉(zhuǎn)向油泵和轉(zhuǎn)向控制閥2連接。轉(zhuǎn)向控制閥用以改變油路。機(jī)械轉(zhuǎn)向器和缸體形成左右兩個(gè)工作腔，它們分別通過油道和轉(zhuǎn)向控制閥連接。當(dāng)汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥2將轉(zhuǎn)向油泵6輸出的液壓油與油罐相通，轉(zhuǎn)向油泵處于卸荷狀態(tài)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器不起助力作用。當(dāng)汽車需要向右轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向控制閥將轉(zhuǎn)向油泵輸出的液壓油與R腔接通，將L腔與油罐相通，在液壓油的作用下，活塞向下移動(dòng)，通過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使左、右輪向右偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)向右轉(zhuǎn)向。向左轉(zhuǎn)向時(shí)與上述過程相反。

圖1　液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2　液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2轉(zhuǎn)向控制閥改變油路控制轉(zhuǎn)向原理

轉(zhuǎn)向控制閥改變油路控制轉(zhuǎn)向示意圖及原理如圖3所示。汽車直線行駛時(shí)，閥芯與閥套的位置關(guān)系如圖中所示。來自液壓泵的液壓油經(jīng)閥芯與閥套間的間隙，流向動(dòng)力缸兩端，動(dòng)力缸兩端油壓相等。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，閥芯與閥套的相對(duì)位置發(fā)生改變，使得大部分或全部來自泵的液壓油流入動(dòng)力缸某一端，而另一端與回油管路接通，動(dòng)力缸促進(jìn)汽車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

圖3　轉(zhuǎn)向控制閥改變油路控制的原理圖

3　液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配參數(shù)

3.1轉(zhuǎn)向機(jī)的參數(shù)選配

轉(zhuǎn)向機(jī)的主要參數(shù)有最大壓力P、最大壓力下輸出扭矩T、流量Q、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)、轉(zhuǎn)向垂臂行程、速比等。

3.1.1選配轉(zhuǎn)向器最大壓力下輸出扭矩

選配轉(zhuǎn)向器最大壓力下輸出扭矩T時(shí)，可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算

式中，

Mr——在瀝青或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，N·mm；

f——輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.7；

G1——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，N；

P——輪胎氣壓，MPa。

選取轉(zhuǎn)向機(jī)最大壓力輸出扭矩時(shí)，必須確保T≥Mr，為了高效地發(fā)揮轉(zhuǎn)向機(jī)的效率，使整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于一個(gè)最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)，一般推薦T的選值在（1.2～1.3）Mr之間。

轉(zhuǎn)向機(jī)缸徑d的選擇可以按照下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算

式中，

d——轉(zhuǎn)向機(jī)缸徑，mm；

m——前橋載荷，kg。

如前橋載荷為5 500 kg時(shí)，按照上述公式，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)向機(jī)缸徑為100 mm，轉(zhuǎn)向機(jī)常用缸徑為70、80、90、100、110 mm等系列。

3.1.2轉(zhuǎn)向機(jī)的進(jìn)油壓力

選定轉(zhuǎn)向機(jī)缸徑后，根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)輸出扭矩計(jì)算出轉(zhuǎn)向機(jī)的進(jìn)油壓力，公式如下

式中，

P——油泵的最大工作壓力，MPa；

M——?jiǎng)恿D(zhuǎn)向機(jī)輸出扭矩，N·m；

S0——油缸工作面積，m2；

S1——螺桿外徑所占面積，m2；

RF——扇形齒分度圓半徑，m。

轉(zhuǎn)向機(jī)壓力一般控制在7～13 MPa，低于7 MPa時(shí)可以考慮減小轉(zhuǎn)向機(jī)油缸直徑，高于13 MPa時(shí)應(yīng)考慮加大轉(zhuǎn)向器油缸直徑。不要一味提高轉(zhuǎn)向機(jī)的壓力，通常，轉(zhuǎn)向機(jī)壓力越高，系統(tǒng)的可靠性就越差。轉(zhuǎn)向機(jī)的安全壓力：按典型公路重載原地轉(zhuǎn)向時(shí)的壓力除以0.85，建議不要超過15 MPa。

3.1.3轉(zhuǎn)向機(jī)的需求流量

轉(zhuǎn)向機(jī)需求流量可按照下面公式計(jì)算得出

式中，

Q——轉(zhuǎn)向機(jī)需求流量，L/min；

n——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速，r/s。一般轎車取1.5 r/s，其它車輛取1.25 r/s；

t——轉(zhuǎn)向機(jī)螺桿螺距，mm；

S——轉(zhuǎn)向機(jī)油缸實(shí)際工作面積，mm2；

K——助力轉(zhuǎn)向機(jī)效率系數(shù)（泄漏系數(shù)）；

1.5～2——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與制造水平有關(guān)。

3.2轉(zhuǎn)向泵的配套參數(shù)的選取

3.2.1轉(zhuǎn)向泵的最大壓力選取

在選取轉(zhuǎn)向泵的最大壓力時(shí)，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向泵到轉(zhuǎn)向機(jī)進(jìn)油口的壓力損失，一般按照下述公式計(jì)算

式中，

P1——轉(zhuǎn)向機(jī)的最大壓力，MPa；

ΔP——管路損失，一般取0.3～0.5 MPa。

如果在實(shí)車匹配中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵壓力PP很高時(shí)，轉(zhuǎn)向依然沉重，應(yīng)考慮加大轉(zhuǎn)向機(jī)的缸徑；如果壓力PP＜P1，必然會(huì)轉(zhuǎn)向沉重或是打不動(dòng)轉(zhuǎn)向盤。同時(shí)應(yīng)該注意轉(zhuǎn)向泵或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)有可靠的泄壓裝置，亦保證輸出壓力不能高于最大工作壓力。

3.2.2轉(zhuǎn)向泵的輸出流量選擇

轉(zhuǎn)向泵一定要輸出足夠的流量，才能保證整車有較好的轉(zhuǎn)向性能。動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵的控制流量Qp，一般取Qp≥（1.05～1.1）Qmax，Qmax為轉(zhuǎn)向機(jī)所需的最大流量。

對(duì)于轉(zhuǎn)向泵來說，由于其流量特性的原因，在低速段轉(zhuǎn)向泵的輸出流量與排量之間成正比關(guān)系，公式如下

式中，

Q——轉(zhuǎn)向油泵低速區(qū)流量，L/min；

q——轉(zhuǎn)向油泵理論排量，L/r；

n——轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速，r/min；

η——轉(zhuǎn)向油泵容積效率（要求容積效率不低于80%）。

典型轉(zhuǎn)向油泵特性曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在低速區(qū)段轉(zhuǎn)向油泵輸出流量較小時(shí)，有可能不能滿足怠速原地轉(zhuǎn)向的要求，這就要求匹配時(shí)必須使轉(zhuǎn)向泵低速（怠速）時(shí)的最小流量也滿足轉(zhuǎn)向機(jī)的要求。當(dāng)出現(xiàn)怠速原地轉(zhuǎn)向沉重問題時(shí)，從公式中可明顯看出，提高低速區(qū)段最容易實(shí)現(xiàn)的方法就是增大轉(zhuǎn)向泵的理論排量。但增加排量的原則是在滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，轉(zhuǎn)向泵控制流量應(yīng)盡可能地小，只需要適當(dāng)?shù)丶哟罄碚撆帕?，而不能一味地加大。因?yàn)榱髁窟^大而系統(tǒng)管路通徑和閥的過流開隙一定時(shí)，往往會(huì)造成系統(tǒng)發(fā)熱、加速油封及橡膠軟管的老化，同時(shí)可能導(dǎo)致液壓系統(tǒng)失穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，而且消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率也相應(yīng)增加，導(dǎo)致油耗增加；另外在高速區(qū)段轉(zhuǎn)向油泵的輸出流量隨轉(zhuǎn)速上升，從而對(duì)高速時(shí)轉(zhuǎn)向產(chǎn)生一定的影響，如使駕駛員感覺轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄等問題。

圖4　轉(zhuǎn)向油泵特性曲線

3.2.3轉(zhuǎn)向泵和發(fā)動(dòng)機(jī)的速比對(duì)應(yīng)和校核

根據(jù)轉(zhuǎn)向泵和發(fā)動(dòng)機(jī)速比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，校核對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)特定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)向泵實(shí)際流量要求（發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，最大扭矩轉(zhuǎn)速，標(biāo)定轉(zhuǎn)速），從而滿足轉(zhuǎn)向機(jī)的要求。

4　儲(chǔ)油罐（整體式/遠(yuǎn)距離）的匹配要求

儲(chǔ)油罐主要是給系統(tǒng)的供油、散熱、除去油中雜質(zhì)的沉淀（納污能力）。儲(chǔ)油罐容積要滿足

式中，

Q1——轉(zhuǎn)向泵的最大輸出流量，L。

儲(chǔ)油罐要有足夠的散熱能力，油罐材料需要適應(yīng)-40℃～130℃的工作溫度要求，一般希望轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油溫控制在110℃以下。如果油溫過高，液壓油將很快變質(zhì)，潤(rùn)滑能力下降或者失效，造成轉(zhuǎn)向泵的急劇磨損，造成轉(zhuǎn)向沉重；高溫下，油液也會(huì)析出膠狀物質(zhì)，堵塞阻尼孔或卡滯控制閥，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效；高溫還會(huì)使橡膠密封件加快老化失效，導(dǎo)致密封不良而造成漏油。因此在大流量及高壓力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，須附加專門的散熱系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油必須有進(jìn)油過濾和回油過濾等方式，根據(jù)系統(tǒng)管路工作壓力、過濾精度、流通能力選擇濾油器。商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，過濾精度一般取10～20 μm，壓力損失小于0.1 MPa。

由于轉(zhuǎn)向泵自吸能力較差，油罐安裝位置必須正確，油罐出油口位置要高于泵進(jìn)口20 mm以上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)垂直加速度≥25 g時(shí)，油罐不能安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上（整體式油罐）。

5　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管路進(jìn)、出油管匹配選擇

連接油管可以是軟管、鋼管或二者混用，無論是鋼管、耐油膠管或塑料管，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力進(jìn)行選用。對(duì)于高壓鋼絲編制的耐油軟管，由于其在高溫下膨脹而縮小管路內(nèi)徑，一般不采用。最好采用高壓鋼管，只是在彎道連接處采用軟管連接。

在管路布置時(shí)要盡可能避免轉(zhuǎn)彎，如不可避免時(shí)，轉(zhuǎn)彎角度和轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能大，避免管路的壓力損失。

管路內(nèi)徑的選擇，過小的管路內(nèi)徑會(huì)產(chǎn)生液壓阻尼，引起系統(tǒng)壓力升高，系統(tǒng)可靠性變差；同時(shí)管路阻尼過大也會(huì)導(dǎo)致排油不暢，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器的阻力矩加大，影響轉(zhuǎn)向回正效果。所以管路內(nèi)徑應(yīng)根據(jù)管道內(nèi)流速來確定管道內(nèi)徑尺寸，允許流速推薦值為：

（1）低壓管道流速：0.5～1.5 m/s，一般取1 m/s以下；

（2）高壓管道流速：3～5 m/s，壓力高時(shí)取大值；

（3）系統(tǒng)回油管道：1.5～2.5 m/s。

管道內(nèi)徑與根據(jù)流量、流速的關(guān)系可按下列公式進(jìn)行計(jì)算

式中，

d——管道內(nèi)徑；

Q——管道的流量；

v——平均流速。

管路內(nèi)徑可以參照表1中的經(jīng)驗(yàn)值確定。

表1　推薦管路內(nèi)徑

以上是管路長(zhǎng)為500 mm時(shí)的經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)管路每增加500 mm時(shí)，管路內(nèi)徑則增加2 mm。配套時(shí)應(yīng)保證管路的密封，進(jìn)油管漏氣漏水都會(huì)使液壓油變質(zhì)，這一點(diǎn)很容易被忽視。進(jìn)出管路直徑不能過小，進(jìn)油管直徑過小時(shí)會(huì)引起吸空，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；出油管直徑過小會(huì)產(chǎn)生阻尼，引起系統(tǒng)壓力升高，同時(shí)還易使系統(tǒng)溫升過快，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性變差。轉(zhuǎn)向機(jī)及進(jìn)出油管必須保持清潔，不允許有鐵屑、鐵銹等雜質(zhì)。

6　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用中的注意事項(xiàng)

轉(zhuǎn)向泵布置時(shí)要考慮泵體內(nèi)不能有存留空氣，應(yīng)采用相應(yīng)的排氣措施。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)排空氣，一般在轉(zhuǎn)向泵的出油口處排空氣即可。具體操作方法是：在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，擰松出油接頭，待有油漏出后再將出油接頭擰緊。

然后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，左右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，空氣便全部被排到儲(chǔ)油罐中，通過呼吸器排到空氣中。

轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向機(jī)的進(jìn)、出油口應(yīng)使用專用的液壓接頭，配套時(shí)注意接頭通道面積，應(yīng)達(dá)到管路最小管徑面積要求。

轉(zhuǎn)向泵接頭盡量采用O型密封圈密封形式，接頭在連接時(shí)不允許涂密封膠。接頭密封形式和轉(zhuǎn)向泵進(jìn)、出油口的密封形式相匹配，角度密封的選擇O型圈密封形式，端面密封的轉(zhuǎn)向泵接頭采用復(fù)合密封墊圈+銅螺母的密封形式。

整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部要保持清潔，防止整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)卡滯、堵塞的情況，否則將造成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效。

7　總結(jié)

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配是一個(gè)涉及到機(jī)械，流體力學(xué)、噪音振動(dòng)（NVH）等多學(xué)科的系統(tǒng)工程，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個(gè)零件的設(shè)計(jì)和匹配選型必須通過前期的理論計(jì)算以及后續(xù)整車試驗(yàn)的不斷優(yōu)化，才能使整個(gè)系統(tǒng)更加可靠和舒適，達(dá)到完美的整車駕駛性體驗(yàn)。

［1］劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［2］王望予.汽車設(shè)計(jì)［M］.吉林：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］《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）［M］.北京：人民交通出版社，2001.

Design and Matching of Hydraulic Power Steering System for Commercial Vehicle

Zhang Shuangcheng
（Tongji University，School of Automotives Studies，Shanghai 200092，China）

This paper introduces the basic princ iple of the hydraulic power steering system of commercial vehicle，explains the design and matching method of the main parts of the steering system，the selection of the parameters，and gives the recommended value，put forward matching adjustment notice.

Hydraulic，steering gear，power steering pump，matching

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.005

來稿日期：2016-04-22

張雙成（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的匹配應(yīng)用與開發(fā)。