某車型助力轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計校核分析

葛士顯，高龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型助力轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計校核分析

葛士顯，高龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文首先論述了轉(zhuǎn)向油罐的作用及目前整車企業(yè)在轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計方面的現(xiàn)狀，然后分析了轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計要點及其原因，最后利用以上設(shè)計要點對某車型的轉(zhuǎn)向油罐進(jìn)行了校核分析。結(jié)果顯示，該車型的轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計可滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作需求。

轉(zhuǎn)向油罐；設(shè)計；分析

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。它是利用發(fā)動機(jī)的動力來幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱的裝置，其工作過程為通過發(fā)動機(jī)帶動動轉(zhuǎn)泵進(jìn)行工作，動轉(zhuǎn)泵從轉(zhuǎn)向油罐吸油后輸出至動力轉(zhuǎn)向器中，根據(jù)轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥分配流至左右油缸的油量，使左右油缸油液產(chǎn)生壓差，從而產(chǎn)生助力，在此過程中液壓油通過回油管返回到轉(zhuǎn)向油罐中[1]。

由于動轉(zhuǎn)油具有粘性，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)過程中，油液流動需要抵抗粘性而發(fā)熱，若發(fā)熱過大，則動轉(zhuǎn)油粘度急劇下降，會導(dǎo)致液壓助力不足和泄露等故障出現(xiàn)，因此，需要動轉(zhuǎn)油罐起到散熱作用；而且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用過程中，系統(tǒng)零部件磨損會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向油液的清潔度下降，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響等故障出現(xiàn)，因此需要動轉(zhuǎn)油罐能夠起到過濾作用；另外，轉(zhuǎn)向油罐需要有足夠大的容積，以能夠提供動轉(zhuǎn)泵工作油液需求量。

轉(zhuǎn)向油罐在液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的作用非常重要，但通過查閱大量資料發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)對轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計認(rèn)知參差不齊，很難找到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)均是對照標(biāo)桿開發(fā)，而對于其中的設(shè)計基本沒有。

本文通過查閱相關(guān)資料，梳理分析了轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計的要點，并利用以上設(shè)計要點對某車型的轉(zhuǎn)向油罐進(jìn)行了校核分析。結(jié)果顯示，該車型的轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計可滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作需求，轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計要點可有效指導(dǎo)后期的轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計。

1、液壓助力轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計要點分析

1.1 轉(zhuǎn)向油罐容積設(shè)計

在美國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）中規(guī)定，油罐的容量為液壓泵每分鐘輸出流量的3-4倍以上，而助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用的油罐的容量約為每分鐘輸出流量的0.01～0.04倍[2]。

查閱相關(guān)資料，某外資品牌汽車對轉(zhuǎn)向油罐容積設(shè)計要求如下：

其中，V1為油罐容積、V2為動轉(zhuǎn)管路容積、V3為轉(zhuǎn)向器油缸容積、Q1為動轉(zhuǎn)泵最大流量。

1.2 動轉(zhuǎn)油罐最大刻度線Max和最小刻度線Min線的確定

車輛在行駛過程中，儲存動轉(zhuǎn)油的油罐不應(yīng)由于振動、傾斜、急劇轉(zhuǎn)向等出現(xiàn)泄露問題[2]。業(yè)界內(nèi)多數(shù)企業(yè)對動轉(zhuǎn)油罐最大刻度線的要求為：Max最大刻度線要保證汽車在爬坡或下坡（20°坡）時液面最高處不能到達(dá)上蓋處，保證不溢出；Min最小刻度線要保證汽車在爬坡或下坡（20°坡）時液面最低處要保證淹沒濾網(wǎng)，避免油液中混入空氣而導(dǎo)致油泵吸入空氣造成異響。

這主要是因為整車爬坡試驗要求[3]至少能爬30%的坡，（試驗時）此時對應(yīng)的坡度角為16.7°。40%的坡對應(yīng)的坡度角為21.8°，但爬大于40%的坡時需要在坡道上設(shè)置安全保險裝置，一般汽車爬坡均按照30%試驗。

1.3 動轉(zhuǎn)油罐散熱能力確定（主要是要求同等容積下散熱面最大）

一般希望轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油溫控制在100℃以下。如果油溫超過110℃，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)向油泵將急劇磨損，造成轉(zhuǎn)向沉重；析出膠狀物質(zhì)，堵塞濾網(wǎng)及閥孔，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100℃以下了，這時須附加專門的散熱系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率通常用以下公式表示：

式中Pr是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，PC是輸出的有效功率。

液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油罐表面，但如果系統(tǒng)外接管路較長，在計算發(fā)熱功率時，也應(yīng)考慮管路表面散熱。

式中 K1——油箱散熱系數(shù)，見表1；K2——管路散熱系數(shù)，見表2；A1、A2——分別為油罐、管道的散熱面積（m2）；△T——油溫與環(huán)境溫度之差（℃）。

表1 油罐散熱系數(shù)K1（W/（m2·℃））

若系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時，最大溫差為△T，環(huán)境溫度為T0，則油溫T=T0+△T。如果計算出的油溫超過允許的最高油溫110度，就要設(shè)法增大散熱面積或其他散熱設(shè)備。

表2 管道散熱系K2 （W/（m2·℃））

1.4 動力轉(zhuǎn)向油罐濾網(wǎng)目數(shù)的確定

設(shè)置濾網(wǎng)的目的是過濾油液中的雜質(zhì)，濾網(wǎng)最小目數(shù)是通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大顆粒物的尺寸來確定的，要保證過濾到轉(zhuǎn)向管路、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵、油壺等要求的最大顆粒物；另外濾網(wǎng)目數(shù)的選擇還要考慮轉(zhuǎn)向進(jìn)油阻力問題，避免目數(shù)過大而造成吸油不暢導(dǎo)致轉(zhuǎn)向異響，即濾網(wǎng)的通油能力不小于動力轉(zhuǎn)向泵的最大流量。在保證通油能力的前提下，濾網(wǎng)目數(shù)選擇越大越好。

通油能力計算公式如下：

Q---濾芯通油能力，d---濾網(wǎng)孔徑，單位為m，L---濾絲直徑，單位為m，ΔP---濾網(wǎng)前后壓差，單位為kgf/mm2，μ ---動力粘度，單位為PaS，K---系數(shù)（和濾網(wǎng)尺寸有關(guān)，K=濾網(wǎng)有效面積cm2*孔數(shù)/cm2）。

從上式可以看出，通油能力與濾網(wǎng)的孔徑的四次方成正比關(guān)系，說明濾網(wǎng)孔徑的大小對通油能力的影響非常大，因此濾網(wǎng)目數(shù)的選擇在保證整個系統(tǒng)的清潔度的前提下，不應(yīng)選擇過大。

2、某車型動力轉(zhuǎn)向油罐相關(guān)參數(shù)校核分析

2.1 油罐容積校核

該車型為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動轉(zhuǎn)泵的流量Q為7500ml/min，通過實測的轉(zhuǎn)向管路容積V2為550ml，轉(zhuǎn)向器油缸的容積V3為183ml。

根據(jù)2.1中的美國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ANSI），該車型的轉(zhuǎn)向油罐容積V1應(yīng)為：

根據(jù)2.1中某外資車企的油壺容積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該車型的轉(zhuǎn)向油罐容積v1應(yīng)為：

而實測的該車型油壺容積為400ml，與第二種計算結(jié)果相符，比第一種結(jié)果稍大。但通過以上兩種方法校核說明，該車型的油壺容積設(shè)計合理，能夠滿足動轉(zhuǎn)泵正常工作的油液需求。

2.2 油罐最大刻度線和最小刻度線校核

通過實測，該車型油罐高度為100mm，最小刻度線高度為69.5mm，最大刻度線高度為81.5mm，油壺濾網(wǎng)高度為30mm。利用以上數(shù)據(jù)校核可得出：當(dāng)油液高度在最小刻度線時，傾斜25.4°油液會溢出；當(dāng)油液高度在最大刻度線時，傾斜37.6°時油液會溢出。對照前文中整車爬坡度實驗要求及業(yè)界對汽車轉(zhuǎn)向油罐刻度線的要求，該車型的油壺最大刻度線和最小刻度線高度均滿足以上要求。

2.3 油罐散熱能力確認(rèn)

目前對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)散熱能力的測試方法如下：一般情況下（滿載狀態(tài)），連續(xù)S型行駛左右打方向盤各15次左右或者繞10個8字行駛后油液的溫度小于100度或100度左右均可接受，但最好不要超過110度。

按照以上方法對該車型進(jìn)行連續(xù)S型行駛左右打方向盤各15次并進(jìn)行油溫測試，油溫結(jié)果顯示為90度，小于100度，說明此車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)散熱能力可以接受，間接說明油壺的散熱能力可以滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作需求。

2.4 油罐濾網(wǎng)目數(shù)確認(rèn)

通過該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大顆粒物尺寸來確定的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最小目數(shù)為60目，而該車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實際目數(shù)為120目，滿足最小目數(shù)要求。為對此車型的油罐濾網(wǎng)目數(shù)的通油能力進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)行該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通油能力模擬實驗，對油罐濾網(wǎng)的過濾壓力損失和是否有異響進(jìn)行測試。模擬實驗如圖1所示。

測試結(jié)果顯示，在零度時，該油壺濾網(wǎng)的過濾壓力損失為0.015MPa，整個轉(zhuǎn)向管路系統(tǒng)能夠正常工作，無異響出現(xiàn)，說明該車型濾網(wǎng)設(shè)計滿足通油能力要求。

3、總結(jié)

通過對動力轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計要點進(jìn)行梳理，然后利用以上設(shè)計要點對某車型的轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了校核分析，分析結(jié)構(gòu)顯示，該車型的轉(zhuǎn)向油罐設(shè)計可滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作要求，轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計要點可有效的指導(dǎo)轉(zhuǎn)向油罐的設(shè)計。

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社.2010.

[2] 日本自動車技術(shù)會.汽車工程手冊5底盤設(shè)計篇[M].北京：北京理工大學(xué)出版社.2010.

[3] GB/T 12539-90 汽車爬陡坡試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1991.

The Analysis and Design of a Vehicle Power Steering Oil Tank

Ge Shixian, Gao Long
（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper discusses the role of steering oil tank and the actuality of automobile enterprise in steering oil tank design, and then analyzes the design points of the steering oil tank and the reasons, finally using the above design points analyzes a model's steering oil tank. Results show that the model's steering tank design can meet the job requirements of steering system.

analysis；steering oil tank；design

U463.4

A

1671-7988(2015)03--

葛士顯，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事底盤系統(tǒng)設(shè)計。