大中型客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計匹配的探討

張尚奇

摘 要：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不斷發(fā)展與應(yīng)用，使人們對動力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的要求也越來越高。本文首先介紹了大中型客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，并就該系統(tǒng)的壓力匹配、流量匹配以及轉(zhuǎn)向器力傳動比、角傳動比關(guān)系進(jìn)行了分析，旨在為實現(xiàn)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；設(shè)計；匹配

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS是通過發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵進(jìn)行工作的，其優(yōu)點在于提高了轉(zhuǎn)向的輕便性、減少了駕駛疲勞；減少了道路不平對轉(zhuǎn)向盤造成的沖擊；使汽車行駛的安全性得到提高；能夠允許轉(zhuǎn)向車輪承受教導(dǎo)的負(fù)荷。但是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也還存在一定的缺陷，當(dāng)參數(shù)設(shè)計完成后就無法進(jìn)行再次調(diào)控；燃油的消耗較高，并存在滲油的問題；液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對工作的溫度有一定的要求，同時還需要實現(xiàn)汽車運動時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與輪轉(zhuǎn)角保持一定的比例關(guān)系。

一、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

液壓式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向管路以及動力轉(zhuǎn)向器等構(gòu)成，發(fā)動機驅(qū)動油泵會在方向盤轉(zhuǎn)動時將轉(zhuǎn)向油罐提供的低壓油變?yōu)楦邏河?，并由轉(zhuǎn)向管路進(jìn)入動力轉(zhuǎn)向器，進(jìn)而推動活塞轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力實現(xiàn)液壓轉(zhuǎn)向助力。圖1為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（一）大中型客車的轉(zhuǎn)向器

大中型客車的轉(zhuǎn)向器通常選用循環(huán)球動力轉(zhuǎn)向器，該類型轉(zhuǎn)向器由于具有限壓閥，因此在系統(tǒng)壓力超過轉(zhuǎn)向器的設(shè)定值時能夠進(jìn)行泄荷。主要設(shè)定的參數(shù)包括傳動比、最大輸出扭矩、流量、最大壓力、方向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)以及專項垂臂行程等，其最大輸出扭矩為（Mr為混凝土、瀝青路面原地轉(zhuǎn)向阻力矩N·mm；f為輪胎與地面摩察系數(shù)0.7；GI為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷N；P為輪胎氣壓MPa）。轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩則一般為T=1.25Mr，從而保證轉(zhuǎn)向器的較好效率與液壓系統(tǒng)的良好工作。如某大型客車轉(zhuǎn)向器參數(shù)為：方向盤圈數(shù)±2.4；轉(zhuǎn)向垂臂行程±47°；速比為20∶1，17∶1，20∶1；最大壓力輸出扭矩±5829和4954N·m；最大工作壓13MPa；流量16dm3/min。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向器的選擇時首先要使最大輸出扭矩滿足整車要求，并綜合考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布局與懸架。

（二）轉(zhuǎn)向油泵與轉(zhuǎn)向管路

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵具有多種類型，包括葉片型、齒輪型、柱塞型，其中葉片型轉(zhuǎn)向油泵具有較多的優(yōu)點，因此目前的大中型客車多采用葉片型轉(zhuǎn)向油泵。轉(zhuǎn)向管路由高壓管、低壓管、油泵進(jìn)出油管以及接頭組成，管材通常采用鋼管、橡膠軟管制成，均需要滿足液壓系統(tǒng)壓力以及流量的要求。

二、大中型客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計匹配

（一）壓力匹配

壓力與轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩具有直接的關(guān)系，根據(jù)輸出扭矩表達(dá)式M=P×S0×RF（P油泵最大工作壓MPa；M輸出扭矩N·m；S0油缸工作面積m2；RF為扇形齒分度圓半徑m）。當(dāng)油缸直徑與螺桿的參數(shù)一定時，輸出扭矩與油泵最大工作壓呈正比，為轉(zhuǎn)向器設(shè)定最大壓力，則最大壓力下輸出扭矩為T=Mmax。該最大壓力值是廠家綜合油缸直徑、壽命，以及泄露壓力等因素進(jìn)行設(shè)定的，所以需要根據(jù)最大壓力值進(jìn)行轉(zhuǎn)向油泵的選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)向器具有限壓閥時，轉(zhuǎn)向油泵壓力比轉(zhuǎn)向器最大壓力稍高；當(dāng)動力轉(zhuǎn)向器無限壓閥時，轉(zhuǎn)向油泵壓力可與轉(zhuǎn)向器最大壓力一致。通過這種壓力匹配設(shè)計，能夠保證轉(zhuǎn)向器的泄壓，提高液壓助力系統(tǒng)效率，延長使用。如福田牌BJ676CMFB車型城市客車的壓力設(shè)計，首先計算出最大輸出扭矩M=1500N·m；然后根據(jù)轉(zhuǎn)向器提供的參數(shù)：

S0=3.14×0.07×0.07/4=0.0038m2

RF=0.04m；

則P=1500/0.0038×0.04=9.8MPa。由于該轉(zhuǎn)向器無限壓閥，因此壓力選擇略大于9.7MPa，選擇壓力為10MPa～11MPa。其推薦的轉(zhuǎn)向器為13MPa，偏大。

（二）流量匹配

轉(zhuǎn)向油泵為液壓助力系統(tǒng)提供油液的流量，轉(zhuǎn)向油泵的流量屬于客車液壓系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，直接影響著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反應(yīng)速度、輕便性、回正能量以及損耗、使用壽命。轉(zhuǎn)向油泵流量應(yīng)滿足轉(zhuǎn)向器對油泵流量的要求，提供活塞移動所產(chǎn)生空間的流量需要，其最小流量計算表達(dá)式為Qmin=nAt+△Q（Qmin為最小流量；t為轉(zhuǎn)向器螺桿螺距；△Q為最大內(nèi)泄流量；A為轉(zhuǎn)向器活塞缸面積）。大型客車方向盤直徑通常為500mm，因此n可取值100r/min，當(dāng)活塞缸徑為120mm，螺距為12mm，內(nèi)泄量為1L/min時，最小流量則為14.5L/min。通常動力轉(zhuǎn)向器的廠家都會給出流量的要求，因此轉(zhuǎn)向油泵流量的選擇應(yīng)比轉(zhuǎn)向器稍高，此外，還要走注意在低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)向油泵所提供的油量是否滿足要求。在選擇轉(zhuǎn)向油泵流量時，在滿足液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作的情況下應(yīng)盡量控制流量在最小值，控制流量可比計算值小2～3L/min。

（三）轉(zhuǎn)向器力傳動比、角傳動比關(guān)系

其中，ip為力傳動比；iw為角傳動比；Mr為輸出扭矩N·m；Mva為方向盤力矩N·m；Dsw為方向盤直徑mm；為主銷偏移距。根據(jù)GB17675-1999的規(guī)定，當(dāng)轉(zhuǎn)向器具有助力轉(zhuǎn)向，但是助力失效時，方向盤受力應(yīng)≤588N，因此根據(jù)公式，可通過增大方向盤的直徑來減小方向盤的上手里。為了實現(xiàn)地碳節(jié)能，可根據(jù)GB17675-1999、GB7258-2012的規(guī)定來匹配動力轉(zhuǎn)向泵。

結(jié)語

大中型客車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)元件布置、設(shè)計、選型的最優(yōu)化，從而保證液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)良與可靠，提高客車的舒適性與實用性，并使駕駛員在操控中能夠擁有輕便的手力。

參考文獻(xiàn)

[1]于志強，李晶.大中型客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計匹配[J].客車技術(shù)與研究，2009 （02）.