柴油機用動力轉(zhuǎn)向泵的匹配

王儀林

（上海日野發(fā)動機有限公司，上海201401）

柴油機用動力轉(zhuǎn)向泵的匹配

王儀林

（上海日野發(fā)動機有限公司，上海201401）

介紹柴油機轉(zhuǎn)向泵的匹配設(shè)計方法，并以此為實例進行說明；通過實車轉(zhuǎn)向力、壓力損失和轉(zhuǎn)向油溫的測試來驗證匹配效果；最后闡述系統(tǒng)管理對維護轉(zhuǎn)向泵性能的重要性。

動力轉(zhuǎn)向泵；匹配設(shè)計；實車測試；系統(tǒng)管理

動力轉(zhuǎn)向泵是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件，特別是車輛高速化、車流密集化、載重升級化的今天，汽車的操縱性顯得尤為重要。液壓動力轉(zhuǎn)向因液壓油的阻尼作用能緩沖由地面經(jīng)轉(zhuǎn)向輪傳至方向機的沖擊，降低由此引起的振動，而被廣泛采用[1]。為降低整車躁聲，目前柴油機用動力轉(zhuǎn)向泵多為葉片泵，由定子內(nèi)曲面、葉片、轉(zhuǎn)子、及前/后配流盤而形成的封閉體積的變化吸入、輸出油液，內(nèi)設(shè)節(jié)流閥、滑閥控制調(diào)節(jié)流量、壓力[2]。

1 匹配及計算

1.1 匹配原則

動力轉(zhuǎn)向泵的匹配應(yīng)綜合考慮排量、流量、壓力、方向機缸徑、溫度控制等因素的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)向速度的要求，在發(fā)動機怠速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向泵必須能提供保證的最小流量，且在最大轉(zhuǎn)速情況下，不能超過控制的最大流量，其最大壓力不能超過方向機可承受的最大壓力。

轉(zhuǎn)向泵隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)而工作，即便怠速也不例外，能源利用率低。隨著國內(nèi)道路狀況的改善，公路客運車輛在實際運行過程中，只有不到20%的時間在使用轉(zhuǎn)向裝置[3]。另外，轉(zhuǎn)向系所需流量是其控制流量部分，其余只能從溢流口排出，這又是能源損失。所以在滿足使用功率的條件下，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向泵公稱排量，既可減少無用功，又可降低液壓油溫升，避免讓人頭疼的系統(tǒng)發(fā)熱問題。對齒輪傳動的柴油機轉(zhuǎn)向泵的選用，主機廠首先要考慮轉(zhuǎn)向泵的驅(qū)動齒輪參數(shù)與柴油機齒輪系的匹配。若配合不好，會造成發(fā)動機齒輪系的非正常嚙合，進而損壞發(fā)動機。因此，對轉(zhuǎn)向泵的輪齒品質(zhì)應(yīng)予以嚴(yán)格控制和管理；相同條件下，建議首選柴油機廠原配或推薦的轉(zhuǎn)向泵。

1.2 泵的配套參數(shù)選擇

1）動力轉(zhuǎn)向泵的最大壓力?？紤]從轉(zhuǎn)向泵的出口到方向機的進口之間的管路損失，在選擇轉(zhuǎn)向泵的最大壓力時，應(yīng)使轉(zhuǎn)向泵的最大壓力：PP=P1+△P；P1為方向機的最大壓力;△P為管路損失，一般取0.3～0.5MPa。如果壓力已經(jīng)很高，轉(zhuǎn)向卻依然沉重，只能是加大缸徑。如果PP＜P1，必然會轉(zhuǎn)向沉重或是打不動方向盤。動力轉(zhuǎn)向泵應(yīng)有可靠的壓力裝置，如帶有穩(wěn)流卸壓閥，任何情況下，輸出壓力不能高于其許可的最大工作壓力，以免過載而造成轉(zhuǎn)向泵傳動軸斷裂等故障[4]。

2）動力轉(zhuǎn)向泵的控制流量Qp。一般取Qp≥1.05～1.1 Qmax，Qmax為方向機所需的最大流量。

3）動力轉(zhuǎn)向泵的公稱排量。根據(jù)怠速時（轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速一般為650～750 r/min）方向機所需的流量，選擇轉(zhuǎn)向泵的排量；低速時（轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速一般在1 200 r/min以下）轉(zhuǎn)向泵輸出的流量與排量之間的關(guān)系為Q=qt×n，其中qt為泵的理論排量；n為怠速時轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)向泵的排量過小，容易出現(xiàn)怠速時轉(zhuǎn)向沉重；排量過大，系統(tǒng)容易發(fā)熱。

4）滿足對應(yīng)發(fā)動機特征轉(zhuǎn)速（怠速、最大扭矩轉(zhuǎn)速、標(biāo)定轉(zhuǎn)速）下的轉(zhuǎn)向泵實際流量要求。

1.3 進出油管的選擇

1）管路材料的選擇。油管可以是軟管、鋼管或混合式。軟管又分為高壓鋼絲編織耐油軟管、高壓耐油塑料軟管及低壓簾線編織耐油軟管；鋼管為高壓無縫鋼管，材料一般為20鋼或08F鋼。對于油管的選用，無論是鋼管、耐油膠管或塑料管，都必須根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力進行選用。建議不采用高壓鋼絲編制耐油軟管，避免因溫升膨脹而縮小管路內(nèi)徑，最好采用高壓鋼管。

2）管路內(nèi)徑的選擇。根據(jù)管道內(nèi)的流速，確定管道內(nèi)徑尺寸，允許流速的推薦值為液壓泵吸油管道0.5～1.5m/s，一般取1m/s以下；液壓系統(tǒng)壓油管道3～7.6 m/s，壓力高時取大值；液壓系統(tǒng)回油管道1.5～2.5m/s。管道內(nèi)徑與流量、流速的關(guān)系式為d=（4Q/πv）0.5，其中d為管道內(nèi)徑；Q為通過管道的流量；v為管道內(nèi)液流平均流速[5]。

配套時，須保證管路密封合格，進油管漏氣、漏水時，會使液壓油變質(zhì)。管路直徑不能過小，進油管口徑過小時，會引起吸空，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；出油管直徑過小時，會產(chǎn)生阻尼，引起系統(tǒng)壓力升高，系統(tǒng)可靠性變差。

3）方向機及進出油管必須保持清潔，不允許有鐵屑、鐵銹等雜質(zhì)。

1.4 轉(zhuǎn)向泵接頭的選擇

1）轉(zhuǎn)向泵和方向機的進出油口應(yīng)用專用的液壓接頭，配套時注意接頭通道面積，應(yīng)達(dá)到管路最小管徑面積要求。

2）對轉(zhuǎn)向泵進出油接口要采用帶有密封橡膠圈的墊片，以防止漏油；接頭盡量采用O型密封圈密封形式，接頭在連接時不允許涂密封膠。接頭密封形式與轉(zhuǎn)向泵進出油口的密封形式相匹配，角度密封選擇O型密封圈密封形式，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。

1.5 儲油罐的選擇

1）儲油罐容積選擇。考慮系統(tǒng)的供油、散熱、油中雜質(zhì)的沉淀等，一般取油箱的容量V=0.15～0.2QP，式中QP為轉(zhuǎn)向泵的最大輸出流量。

2）儲油罐的散熱能力。一般希望轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油溫控制在80℃以下。如果油溫超過88℃，液壓油將很快變質(zhì)，形成碳化物，液壓油失去潤滑功能，轉(zhuǎn)向泵將急劇磨損，造成轉(zhuǎn)向沉重；同時還會析出膠狀物質(zhì)，堵塞阻尼孔或卡滯控制閥，使整個動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效。油溫過高，還將使整個系統(tǒng)中的密封件加快老化，密封不良而造成漏油。在大流量及高壓力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，儲油罐的散熱已經(jīng)不能保證油溫在80℃以下了，這時需附加專門的散熱系統(tǒng)。

3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般采用回油過濾方式，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。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，過濾精度一般取10～20μm，壓力損失小于0.1 MPa。如采用進油過濾，其銅絲網(wǎng)目數(shù)一般在100～180目之間。

4）液壓轉(zhuǎn)向泵為葉片泵時，其自吸能力較差，應(yīng)注意液壓油罐的正確安裝位置，要求油罐出油口位置高于液壓轉(zhuǎn)向泵進口20mm以上，同時管路應(yīng)盡可能避免轉(zhuǎn)彎。如不可避免時，轉(zhuǎn)彎角度和轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)盡可能大，減小管路的壓力損失。

5）在儲油罐中，建議設(shè)有壓差信號發(fā)生器及安全閥。壓差信號發(fā)生器是在過濾器堵塞時，把信號傳遞到駕駛室，提醒駕駛員該換濾芯及換液壓油了；安全閥是在濾芯堵塞時，使油從旁路流過，從而保證行駛安全。

1.6 油品的選擇

1）在夏季，全國均可用HM-46或HM-32抗磨液壓油。在冬季，長江以南仍可用HM-46或HM-32抗磨液壓油；在長江以北，可以使用HV-32或HV-46低溫抗磨液壓油。對于8#液力傳動油或8#及10#航空液壓油，一年四季中在全國各地均可使用，但價格較貴。禁止型號不一致油液混用。

2）加注油料時，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油罐上的過濾網(wǎng)過濾，禁止油液不經(jīng)過過濾直接加入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油罐中。

3）油量加注必須在油罐標(biāo)尺規(guī)定的高低兩刻度線之間。油量加注后起動發(fā)動機3～5min，檢查補加油料至規(guī)定標(biāo)尺刻度線。過多，發(fā)動機起動后油易溢出，既造成浪費，又破壞車容；過少，易造成轉(zhuǎn)向葉片泵燒蝕。

1.7 排氣措施

轉(zhuǎn)向泵布置時，要考慮泵體內(nèi)不能有存留空氣。必要時，采取排氣措施：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，具體方法是在發(fā)動機不轉(zhuǎn)動時，擰松出油接頭，待有油漏出來后再擰緊。這時起動發(fā)動機，左右扳動方向盤，空氣便全部被排到儲油罐中，通過呼吸器排到空氣中[6]。

2 實車匹配計算及測試

2.1 匹配計算

我司配套的某款動力轉(zhuǎn)向泵規(guī)格如下：型式為齒輪傳動、葉片泵；理論排量qt為28 cc/rev；最小流量Qmin為13.8 L/min；最高壓力Pp為14.7MPa；最大流量Qp為20 L/min。有些客戶反映其卡滯、起步轉(zhuǎn)向沉重，故障率偏高等。下面就以它為例，分析柴油機用動力轉(zhuǎn)向泵的匹配問題。

主機廠方向機可承受的最大壓力為15MPa，滿足Pp＜P1；方向機所需流量Q1見表1，滿足Qp≥1.05～1.1Qmax。針對有些客戶反映原地怠速狀態(tài)時的轉(zhuǎn)向較其他廠家泵沉重，希望更換流量偏大轉(zhuǎn)向泵的要求，我們進行了計算。根據(jù)轉(zhuǎn)向速度的要求，在發(fā)動機怠速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向泵必須要能提供保證的最小流量，推薦的怠速轉(zhuǎn)向速度1.2圈/s，計算結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向泵所需理論流量、排量計算

查詢上述轉(zhuǎn)向泵特性曲線（圖1）得知，發(fā)動機怠速狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向泵理論流量約19 L/min＞18.3 L/min，理論排量28 cc/rev＞26 cc/rev，是滿足要求的?？蛻舴从车膯栴}是，由于發(fā)動機怠速re偏低及速比ro（泵/發(fā)動機）大小的緣故造成的，所以怠速時，駕駛員感覺到轉(zhuǎn)向有點吃力。為此，我司將匹配該主機廠的發(fā)動機出廠怠速調(diào)至550 r/min，結(jié)果駕駛員反映改善明顯。另外，為避免因溫升膨脹而縮小管路內(nèi)徑，管路系統(tǒng)壓力損失，設(shè)計時轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向泵和方向機間采用通徑φ14高壓鋼管。

通過理論設(shè)計、計算表明，我司配套的某款動力轉(zhuǎn)向泵是符合要求的。理論設(shè)計、計算是轉(zhuǎn)向泵的匹配前期必須的基礎(chǔ)工作。通過它可以更系統(tǒng)地避免失誤，節(jié)省開發(fā)配套時間，減少風(fēng)險。

2.2 實車測試

1）轉(zhuǎn)向力測量。轉(zhuǎn)向力大小是評價轉(zhuǎn)向沉重與否的客觀指標(biāo)。按GB 17675-1999[7]，大型車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力在沒有助力轉(zhuǎn)向裝置的情況下，比有助力轉(zhuǎn)向裝置要大200N以上[8]，當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力Fh≥0.025～0.10 kN時（因汽車型式不同而異），動力轉(zhuǎn)向就應(yīng)開始工作[9]。為此專門進行了實車測試（圖2），根據(jù)車輛日常工況進行道路試驗，試驗里程為100 km，其中高速路約60 km，普通公路40 km，車速50～60 km/h。路試中密切注意方向機轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，并進行主觀評價。表2是空載和滿載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向力測試數(shù)據(jù)。

表2 道路試驗轉(zhuǎn)向力測試數(shù)據(jù)

2）中央位置時的壓力損失測試。管路系統(tǒng)壓力損失關(guān)系到設(shè)計、管路選用是否合理，液壓力能否正常傳遞等。試驗（圖3）在發(fā)動機怠速、1 000 r/min及最高轉(zhuǎn)速下測試結(jié)果：轉(zhuǎn)向泵出口至方向機進口間高壓油管的壓力損失。

3）原地轉(zhuǎn)向油溫測試。油泵正常的工作溫度是-40℃～80℃，最高不應(yīng)超過120℃。轉(zhuǎn)向泵液壓油的氧化能力隨溫度上升而增加，這種氧化作用在油溫超過60℃時會變得明顯;氧化產(chǎn)生膠體、漆狀物、油泥等污染物，使液壓件磨損異常、轉(zhuǎn)向泵性能下降、壽命縮短[10]。為此進行了如下油溫測試：車輛正常行駛2～3 km后怠速2～3min，測量轉(zhuǎn)向油罐起始油溫；將發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升并保持在900～1 000 r/min，原地轉(zhuǎn)動方向盤至極限位置，停留時間不超過10 s，然后反轉(zhuǎn)方向盤至極限位置，停留時間不超過10 s，如此左右轉(zhuǎn)動方向循環(huán)，2min后測量轉(zhuǎn)向油罐極限位置油溫。測試數(shù)據(jù)見表3。

表3 轉(zhuǎn)向油罐油溫測試

實車試驗結(jié)果：方向盤向左和向右轉(zhuǎn)向力測量最大值均小于40N，符合要求；轉(zhuǎn)向泵出口至方向機進口間高壓油管的壓力損失均小于3 bar，是允許的；轉(zhuǎn)向油罐油溫溫升27℃≤35℃，符合要求。結(jié)果也與駕駛員主觀感覺吻合：轉(zhuǎn)向輕便；路試中未有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響、拖曳、卡滯等現(xiàn)象；掉頭及急轉(zhuǎn)向時，方向盤轉(zhuǎn)向較輕便，即使是滿載狀態(tài)下，也無需加大油門、提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速來增強操作性。

實車測試是檢驗動力轉(zhuǎn)向泵匹配優(yōu)劣最有力的證明，對動力轉(zhuǎn)向泵各項指標(biāo)進行測試和評價是產(chǎn)品制造商和主機廠商非常重視的一項工作，除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓泵試驗項目，很多企業(yè)也都制定了針對各自產(chǎn)品的試驗。但評價標(biāo)準(zhǔn)卻是一致的：使用安全可靠、轉(zhuǎn)向靈敏、操縱輕便、有道路感覺、能自動保持直線行駛、保證車輪自動回正、系統(tǒng)有良好的隨動作用等[11]。

2.3 系統(tǒng)管理

轉(zhuǎn)向沉重、故障率高是國內(nèi)轉(zhuǎn)向泵常見的問題，除系統(tǒng)匹配設(shè)計外，系統(tǒng)管理至關(guān)重要，主要包含如下內(nèi)容。

1）清潔度的管理。國內(nèi)商用車工作環(huán)境復(fù)雜，超載超負(fù)荷工作，未及時保養(yǎng)時有發(fā)生，對葉片式轉(zhuǎn)向泵影響很大，葉片泵對雜質(zhì)比較敏感，雜質(zhì)過多，葉片泵容易產(chǎn)生異常磨損，特別是石英、剛玉、沙粒、玻璃等雜質(zhì)顆粒的進入。管理措施：與轉(zhuǎn)向泵連接的相關(guān)管路及部件在運輸、包裝、儲存及裝配過程中要密封端口，防止灰塵侵入；由于葉片泵精度高，對油液的污染比較敏感，所以在一般情況下，用戶不要自行拆卸、維修；定期加注清潔、正確牌號液壓油，檢查油罐油面并及時補充；轉(zhuǎn)向罐要使用符合精度、效率要求的濾芯，并最好每次保養(yǎng)時用酒精清洗1次，盡量控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管路的雜質(zhì)量在5 mg以內(nèi)。

2）液壓油溫的管理。管理措施：禁止使用中打死舵。必要時，在此位置停留時間不得超過10 s，避免泵不輸出流量從滑閥卸載導(dǎo)致泵燒傷、損壞；采用足夠容積的油罐，且安裝位置必須遠(yuǎn)高于泵體；設(shè)環(huán)形管路，增加管路長度，加強冷卻效果。

3）系統(tǒng)漏油、漏氣的管理。管理措施：定時檢查轉(zhuǎn)向泵有無滲漏現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)有無沖擊或異常噪聲，以便及時發(fā)現(xiàn)并排除故障[12]；定期緊固有關(guān)螺紋連接件或更換密封件，以防空氣侵入；打開壓油管接頭排氣，如重新起動長時間不使用的轉(zhuǎn)向泵時，不得立即滿負(fù)荷工作，應(yīng)有至少10min的空載運轉(zhuǎn)時間。

3 結(jié)論

匹配該動力轉(zhuǎn)向泵的柴油機已小批量生產(chǎn)，用戶反映轉(zhuǎn)向輕便、操縱良好。選擇性能可靠的動力轉(zhuǎn)向泵，合理的計算、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嵻嚋y試、正確的系統(tǒng)管理是動力轉(zhuǎn)向泵匹配必須做好的工作。

[1]劉艷莉.汽車轉(zhuǎn)向沉重故障的機理與試驗研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

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修改稿日期：2014-02-15

Matching of Power Steering Pum p for DieselEngines

Wang Yilin
（ShanghaiHino Engine Co.,Ltd，Shanghai 201401,China）

The author introduces thematching designmethod ofpower steering pump with diesel engine and takes thisasan example to explain.Then he validates thematching effect through the steering force,pressure loss and oil temperature test of real vehicle.Last,he presents the importance of system managing formaintaining the power steeringpump performance.

power steeringpump;matchingdesign;vehicle testing;systemmanaging

U463.4

B

1006-3331（2014）02-0026-04

王儀林（1978-），男，工程師；主要從事汽車發(fā)動機應(yīng)用及設(shè)計工作。