某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效機(jī)理分析

陳移鳳

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由液壓助力和機(jī)械轉(zhuǎn)向兩部分組成。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，通過液壓轉(zhuǎn)向泵輸出壓力來推動轉(zhuǎn)向器，從而實(shí)現(xiàn)助力轉(zhuǎn)向[1]。

無論汽車是行駛還是原地怠速，且無論汽車是否轉(zhuǎn)向，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都要工作以提供助力。當(dāng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，將導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向沉重故障，而引起該故障的原因包括轉(zhuǎn)向液加注量不足、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)清潔度差、轉(zhuǎn)向泵定轉(zhuǎn)子組件間隙過大或過小、轉(zhuǎn)向泵進(jìn)油不暢、轉(zhuǎn)向泵出油不暢等。文章對某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重的實(shí)例分析，通過對故障件的分析、故障車的故障再現(xiàn)以及改進(jìn)方案的故障再現(xiàn)驗(yàn)證，確認(rèn)導(dǎo)致液壓助力失效的根本原因，并采取有效措施解決了問題。

1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由整體式轉(zhuǎn)向器、液壓轉(zhuǎn)向泵、儲油罐、油管四部分組成。

液壓轉(zhuǎn)向泵安裝在發(fā)動機(jī)上，由曲軸通過皮帶驅(qū)動或通過齒輪嚙合驅(qū)動，向外輸出液壓油，儲油罐通過吸油管、回油管分別與液壓轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器連接。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖如圖1所示，當(dāng)汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向器內(nèi)控制閥將液壓轉(zhuǎn)向泵輸出的液壓油與儲油罐相通，轉(zhuǎn)向泵處于卸荷狀態(tài)，轉(zhuǎn)向器不起助力作用。當(dāng)汽車需要右轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員向右轉(zhuǎn)動方向盤，轉(zhuǎn)向器內(nèi)的控制閥將轉(zhuǎn)向泵輸出的液壓油與轉(zhuǎn)向器R腔接通，將L腔與儲油罐相通，在液壓油的作用下，活塞向下移動，通過傳動結(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)與上述情況相反[2]。

圖1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖

2 液壓助力失效故障分析

市場上某輕卡車型售后客戶反饋，車輛低速行駛轉(zhuǎn)彎偶發(fā)性出現(xiàn)液壓助力轉(zhuǎn)向失效故障，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重，輕踩油門轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向助力恢復(fù)。根據(jù)故障現(xiàn)象，首先檢查原地轉(zhuǎn)向時(shí)無轉(zhuǎn)向異響，排除轉(zhuǎn)向泵進(jìn)油不暢故障因子。觀察轉(zhuǎn)向時(shí)儲油罐內(nèi)轉(zhuǎn)向液無翻滾氣泡，排除轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有空氣進(jìn)入故障因子；檢查轉(zhuǎn)向管路裝配及固定支架，未發(fā)現(xiàn)管路折癟，轉(zhuǎn)向液無泄漏，排除轉(zhuǎn)向系統(tǒng)漏油和裝配不當(dāng)故障因子[3]。

對比故障車與非故障車差異，通過兩臺車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件互換裝車路試，確認(rèn)肇事故障件為轉(zhuǎn)向泵。

因此，對轉(zhuǎn)向泵可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重的可疑因子詳細(xì)分析，以判斷故障原因。

2.1 轉(zhuǎn)向泵清潔度檢測

首先根據(jù)清潔度檢測規(guī)程，檢測故障件轉(zhuǎn)向泵清潔度，包括雜質(zhì)總重量及顆粒度。

通過清潔度掃描儀/全自動顆粒度檢測儀，使用5/150 μm濾膜收集轉(zhuǎn)向泵泵蓋、泵體內(nèi)腔、泵總成內(nèi)部組件沖洗后清洗劑中的雜質(zhì)，烘干濾膜并稱重。

清潔度檢測數(shù)據(jù)如表1所示，測試結(jié)果顯示轉(zhuǎn)向泵清潔度合格。

表1 清潔度檢測匯總

2.2 轉(zhuǎn)向泵氣密性測試

氣密試驗(yàn)臺上，轉(zhuǎn)向泵進(jìn)油口密封，出油口連接氣密試驗(yàn)通氣管，將轉(zhuǎn)向泵完全浸入水中，通入0.1 MPa氣壓，保壓10 s，觀察保壓期間被測轉(zhuǎn)向泵無氣泡產(chǎn)生，測試結(jié)果合格。

2.3 轉(zhuǎn)向泵性能測試

性能測試臺檢測轉(zhuǎn)向泵性能，測試數(shù)據(jù)安全閥開啟壓力、流量曲線等均符合設(shè)計(jì)要求，如表2所示。

2.4 轉(zhuǎn)向泵拆解分析

故障件轉(zhuǎn)向泵拆解分析，目視檢查轉(zhuǎn)子/葉片/配油盤/定子，定轉(zhuǎn)子組件，無異常磨損，如圖2所示。

表2 性能測試數(shù)據(jù)匯總

圖2 故障件轉(zhuǎn)向泵定轉(zhuǎn)子組件圖

轉(zhuǎn)向泵閥組件檢測，與泵體閥孔配合表面無異常磨損，閥組件解體檢查無雜質(zhì)，無卡滯。閥組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向泵閥組件結(jié)構(gòu)示意圖

故障件與新轉(zhuǎn)向泵拆解零組件尺寸對比如表3所示，通過關(guān)鍵組件尺寸檢測分析，均符合設(shè)計(jì)要求。

表3 轉(zhuǎn)向泵內(nèi)部組件尺寸對比

解剖轉(zhuǎn)向泵的泵體進(jìn)、出油油道，檢查油道是否有機(jī)加工毛刺或雜質(zhì)堵塞，對比故障件油道狀態(tài)，確認(rèn)轉(zhuǎn)向泵總成閥堵頭裝配后，局部遮擋轉(zhuǎn)向泵高壓出油口，存在出油不暢風(fēng)險(xiǎn)，圖4為泵體剖切圖。

圖4 泵體剖面圖

基于轉(zhuǎn)向泵安全閥開啟時(shí)工作原理如圖5所示，轉(zhuǎn)向泵壓力是同外負(fù)載（方向機(jī)）所提供的，當(dāng)外負(fù)載壓力增加到超過安全閥壓力時(shí)，安全閥打開，產(chǎn)生旁道流量Qv，由于油泵阻力孔A的原因使Psv＜Ps，主閥芯兩端壓差增大，主閥芯的開啟度加大，產(chǎn)生了更大的旁道泄漏，油泵的恒流特性受到破壞，但壓力卻相當(dāng)于恒壓輸出，此時(shí)安全閥打開產(chǎn)生的旁道回油流量Qv及主閥芯的回油Qb進(jìn)入油泵吸油口，定量葉片泵重新泵出。這部分轉(zhuǎn)向液在泵內(nèi)部高速內(nèi)循環(huán)產(chǎn)生高熱，使油泵配油盤等零部件加速磨損。同時(shí)，油泵的高壓腔與低壓腔溝通，使方向機(jī)在負(fù)載增加時(shí)建立不起工作壓力，轉(zhuǎn)向器操縱困難，油泵轉(zhuǎn)向沉重。轉(zhuǎn)向泵安全閥開啟時(shí)轉(zhuǎn)向泵流量及壓力關(guān)系滿足下列公式：

式中，Psp為定量葉片泵出油壓力（MPa）；Ps為轉(zhuǎn)向泵供給方向機(jī)壓力（MPa）；Psv為油泵阻力孔后端壓力（MPa）；Fs0為流量閥彈簧預(yù)緊力（N）；Ks為彈簧剛度（N/mm）；Xv為主閥芯開啟度（mm）；Qp為定量葉片泵輸出流量（L/min）；Qb為主閥芯開啟回油流量（L/min）；Qv為旁道流量（L/min）；△P為主閥芯前后的壓差（MPa）。

圖5 轉(zhuǎn)向泵在開啟壓力下工作原理圖

故障件轉(zhuǎn)向泵輸出到方向機(jī)高壓油道由于部分被遮擋，出油不暢導(dǎo)致背壓增大，當(dāng)背壓達(dá)到轉(zhuǎn)向泵安全閥開啟壓力，使轉(zhuǎn)向泵提前卸壓，則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效，駕駛員轉(zhuǎn)向時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重。

3 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

根據(jù)轉(zhuǎn)向泵的閥工作原理推導(dǎo)，判斷導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效的根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)向泵高壓出油油道遮擋，為了驗(yàn)證該論斷的正確性，采取改進(jìn)措施，改制將遮擋出油油道的閥堵頭螺紋長度改短，以保證轉(zhuǎn)向泵高壓出油口油道暢通不被遮擋。

將轉(zhuǎn)向泵故障件恢復(fù)裝車，通過整車路試試驗(yàn)，低速轉(zhuǎn)彎時(shí)偶發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效故障再現(xiàn)。通過單因子驗(yàn)證方法，將改進(jìn)措施優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向泵閥堵頭更換到轉(zhuǎn)向泵故障件上驗(yàn)證，同臺車同試驗(yàn)路況，經(jīng)1 000 km循環(huán)試驗(yàn)，低速轉(zhuǎn)彎時(shí)偶發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效故障消除。最后再次故障再現(xiàn)驗(yàn)證，將轉(zhuǎn)向泵故障件的原狀閥堵頭換回，再次路試結(jié)果故障仍然再現(xiàn)。

通過理論分析推導(dǎo)，結(jié)合實(shí)車故障再現(xiàn)驗(yàn)證，確認(rèn)該案例中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓助力失效的根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)向泵高壓出油不暢，導(dǎo)致出現(xiàn)偶發(fā)低速轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向沉重。

4 結(jié)論

文章通過實(shí)際工作中遇到的典型故障案例，通過大量數(shù)據(jù)的采集分析，從轉(zhuǎn)向泵組件尺寸、性能參數(shù)、泵體結(jié)構(gòu)、閥體工作原理各方面展開分析，結(jié)合轉(zhuǎn)向泵閥系統(tǒng)工作原理合理推斷故障原因，并對推斷觀點(diǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，在整車上故障再現(xiàn)A-B-A驗(yàn)證，從理論和實(shí)踐兩方面驗(yàn)證故障原因分析的準(zhǔn)確性的方法，在實(shí)際問題分析中值得借鑒。