液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重原因及優(yōu)化

丁玲

（安徽江淮汽車股份有限公司）

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車關(guān)鍵零部件之一，其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是相對(duì)成熟且應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)。如果操縱方向盤感到手力過重，便不能敏捷地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使駕駛員因勞動(dòng)強(qiáng)度過大而產(chǎn)生疲勞；如果操縱方向盤的力矩設(shè)置過輕，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生手感“發(fā)飄”而失去路感，難于控制汽車的方向。因此，合理設(shè)置方向盤力矩是提高整車駕駛舒適性的重要指標(biāo)。根據(jù)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重測(cè)試曲線走向，轉(zhuǎn)向沉重可分為全行程沉重、末端沉重及波動(dòng)沉重3類。文章將結(jié)合實(shí)例對(duì)3種手力沉重問題進(jìn)行原因解析及實(shí)例優(yōu)化。

1 全行程手力沉重問題實(shí)例分析

1.1 現(xiàn)象描述

在某車型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩測(cè)試[1]，測(cè)試結(jié)果為轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的全行程作用在方向盤上的手力矩都很大，測(cè)試結(jié)果，如圖1所示。從圖1中可以看出，方向盤平均作用力矩在5 N·m左右。

1.2 原因及排查

導(dǎo)致全行程轉(zhuǎn)向沉重的原因有多種，通常4種常見的原因及排查方法如下。

1）密封環(huán)磨損或剪切導(dǎo)致內(nèi)泄漏超標(biāo)。排查方法：通過對(duì)問題車型進(jìn)行路試后拆車，然后對(duì)拆下的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行拆解分析，看是否出現(xiàn)相應(yīng)的問題。最終發(fā)現(xiàn)密封環(huán)未損壞，故該原因排除。

2）轉(zhuǎn)向拉桿球頭不靈活。排查方法：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。

3）轉(zhuǎn)向器調(diào)整不當(dāng)。排查方法：為問題車型更換同規(guī)格轉(zhuǎn)向器，發(fā)現(xiàn)問題依然存在，故可排除是轉(zhuǎn)向器調(diào)整不當(dāng)所致。

4）轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力矩設(shè)計(jì)過重。排查方法：查找轉(zhuǎn)向器閥特性設(shè)計(jì)參數(shù)，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的測(cè)試曲線結(jié)果相對(duì)應(yīng)。因此，該問題由轉(zhuǎn)向器閥特性手力設(shè)計(jì)參數(shù)偏大導(dǎo)致。

1.3 優(yōu)化措施及結(jié)果

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[2]。

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)果如圖2所示，手力矩變?yōu)? N·m，達(dá)到電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力輕便性水平[3]。

2 轉(zhuǎn)向末端手力沉重問題實(shí)例分析

2.1 現(xiàn)象描述

在某車型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩的測(cè)試[1]，測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。圖3上顯示，方向盤從450°開始打至600°時(shí)，手力矩從4 N·m開始上升到9 N·m；反向打方向盤從400°開始，手力矩也開始上升。因此，方向盤正反向打到底時(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 原因及排查

由于方向盤打至末端時(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。

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[4]，因此需按式（1）重新計(jì)算最大齒條力：

式中：F——最大齒條力，N；

M——原地轉(zhuǎn)向摩擦阻力矩與重力回正力矩之和，N·m；

S——轉(zhuǎn)向梯形有效作用力臂，mm。

根據(jù)F計(jì)算結(jié)果推算動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵油壓[4]最高應(yīng)為：

式中：P——?jiǎng)恿D(zhuǎn)向泵最高工作壓力，MPa；

D——轉(zhuǎn)向器液壓缸內(nèi)徑，D=44 mm；

d——轉(zhuǎn)向器齒條外徑，d=27.7 mm。

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)最高工作壓力在7.5～8.2 MPa，由式（2）可知，系統(tǒng)所需的最高工作壓力（8.12 MPa）在該范圍內(nèi)。對(duì)問題車型進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，得到方向盤打到末端時(shí)轉(zhuǎn)向泵的最高工作壓力為7.5 MPa，小于系統(tǒng)所需的8.12 MPa。轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力受內(nèi)部滑閥結(jié)構(gòu)控制，圖4示出轉(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調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力來調(diào)節(jié)的。從圖4可以看出，鋼球在彈簧的作用下緊壓在閥座的錐面上，將滑閥內(nèi)部密封起來。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露量加大，所以在設(shè)計(jì)最高工作壓力時(shí)應(yīng)使最高工作壓力低限值高于系統(tǒng)所需的壓力。

2.3 優(yōu)化措施及結(jié)果

由前述可知，轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力不是一個(gè)值而是一個(gè)范圍。因此將動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力范圍從7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，來改善末端手力矩沉重的問題。

重新對(duì)整改后的車型進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向手力矩測(cè)試[1]，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，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)限位手力矩才開始上升。末端助力不足且助力不足的角度范圍較大的問題得以解決。

3 波動(dòng)沉重問題實(shí)例分析

3.1 現(xiàn)象描述

在某車型上進(jìn)行操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)的原地轉(zhuǎn)向手力矩測(cè)試[1]，全行程轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)感覺手力矩時(shí)重時(shí)輕，測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

3.2 原因分析及排查

從圖6可以看出，手力矩曲線呈正弦波動(dòng)，高峰為6 N·m，低谷為4 N·m，所以打方向盤的過程中會(huì)有時(shí)重時(shí)輕的感覺。這種波動(dòng)通常是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置不合理所致。

對(duì)問題車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置進(jìn)行重新校核，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向管柱、中間軸及轉(zhuǎn)向器輸入軸之間的夾角 α1為 157.8°，α2為 153.8°，中間軸兩端萬向節(jié)平面夾角 γ1，2為 38.6°。計(jì)算力矩波動(dòng)為 20%，如圖 8 所示。設(shè)計(jì)要求力矩波動(dòng)通常＜5%，所以此車力矩波動(dòng)嚴(yán)重超差。

3.3 優(yōu)化措施及結(jié)果

重新布置轉(zhuǎn)向管柱、中間軸及轉(zhuǎn)向器輸入軸間的夾角[5]，設(shè)計(jì)輸入 α1=α2，實(shí)際設(shè)計(jì) α1=155.8°，α2=155.7°，γ1，2=15.5°，力矩波動(dòng)計(jì)算為 0.1%，小于 5%，波動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。圖9示出對(duì)問題車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化布置，圖10示出優(yōu)化后力矩波動(dòng)計(jì)算圖。

在問題車型上更換優(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[1]，測(cè)試結(jié)果，如圖11所示。從圖11可以看出，手力矩曲線趨近于直線，力矩波動(dòng)問題得到解決。

4 結(jié)論

液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)手力沉重的原因有很多，文章通過理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，找出了3種導(dǎo)致轉(zhuǎn)向手力沉重的主要原因，并提出優(yōu)化轉(zhuǎn)向器閥特性曲線、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何布置3項(xiàng)整改方案，經(jīng)樣車試驗(yàn)驗(yàn)證整改方案可行有效，手力沉重問題得以解決。

文章主要闡述試驗(yàn)數(shù)據(jù)能反映理論設(shè)計(jì)的缺陷，理論分析能讓試驗(yàn)更有針對(duì)性，在解決實(shí)際問題時(shí)，必須理論分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)癥下藥，制定最有效的措施，文中應(yīng)用的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的思路和方法為后續(xù)車型出現(xiàn)類似問題提供借鑒意義和指導(dǎo)作用。目前文章提供的整改方案僅針對(duì)類似問題的推薦，動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵流量參數(shù)的修改也是改善手力沉重問題的重要方法。