齒輪齒條式液壓助力轉(zhuǎn)向器的力特性曲線優(yōu)化

萬里，鄭勇

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

1 力特性曲線原理

1.1 力特性曲線的特性

商用車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向油壺、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向油管及助力轉(zhuǎn)向器組成[1]，如圖1所示。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力特性曲線表示的是助力轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向軸輸入力矩與液壓輸出力矩的對應(yīng)關(guān)系。力特性曲線分為原地/低速區(qū)和中高速區(qū)兩個區(qū)域，如圖2所示。原地/低速區(qū)代表整車原地及低速時大角度轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向阻力較大，轉(zhuǎn)向器提供大的輸出力，使駕駛員操作輕便；中高速區(qū)則代表整車中高速時直線行駛，轉(zhuǎn)向阻力較小，轉(zhuǎn)向器提供小的輸出力，提高車輛高速行駛的穩(wěn)定性。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線圖

1.2 力特性曲線形狀的影響參數(shù)

由于不同車型的結(jié)構(gòu)及載荷大小不同，造成每款車型都需要開發(fā)出與該車型相匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線，以提供舒適的轉(zhuǎn)向手感。當(dāng)曲線呈U形狀時，中高速駕駛過程中會感覺轉(zhuǎn)向不靈敏，轉(zhuǎn)向器反應(yīng)遲鈍，車輪轉(zhuǎn)向滯后，容易造成駕駛員判斷失誤。當(dāng)曲線呈V形狀時，中高速駕駛過程中容易感覺轉(zhuǎn)向發(fā)飄，無中心感。而轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向器力特性曲線的優(yōu)化可以通過改變轉(zhuǎn)閥刃口尺寸來實(shí)現(xiàn)，其中轉(zhuǎn)閥閥芯尺寸變動一般規(guī)律為：控制邊Bf尺寸加大，則曲線的上部加寬；月牙槽Bk值加大，則曲線下部加寬；偏心距e值加大，則曲線整體加寬[2]。以上為基本規(guī)律，實(shí)際曲線需多次配合調(diào)校，如圖3、圖4所示。

圖3 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 轉(zhuǎn)閥閥芯刃口局部示意圖

2 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)參數(shù)要求

圖5 原商用車轉(zhuǎn)向器力特性曲線設(shè)計(jì)控制曲線

原轉(zhuǎn)向器的力特性曲線在原地/低速區(qū)的60bar壓力對應(yīng)扭矩值為6.4+/-0.6 Nm，中高速區(qū)的2.5 bar壓力對應(yīng)扭矩值為2.75+/-0.6 Nm，如圖5所示。將該轉(zhuǎn)向器直接搭載到新商用車型上，整車的主觀駕評發(fā)現(xiàn)大部分樣車原地/低速工況下，操作方向盤，轉(zhuǎn)向手力偏沉；中高速工況下，中心感較強(qiáng)，不發(fā)飄，給駕駛員信心強(qiáng)。原地/低速工況下，測試多臺樣車，實(shí)際測量方向盤的手力矩?cái)?shù)據(jù)為 6.6-7.2Nm（時鐘彈簧及轉(zhuǎn)向管柱的內(nèi)阻力矩按0.3Nm）。根據(jù)原商用車的市場反饋，有原地/低速工況下，打方向偏沉的抱怨。根據(jù)新商用車型直接搭載該原轉(zhuǎn)向器后的主觀駕評結(jié)果及客觀數(shù)據(jù)，決定通過調(diào)整轉(zhuǎn)向器的力特性曲線來改善轉(zhuǎn)向手力偏沉的問題，但同時保證中高速情況下中心感強(qiáng)，且不發(fā)飄。故定義新轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)參數(shù)為60 bar壓力對應(yīng)扭矩值為5.6+/-0.5 Nm，2.5 bar壓力對應(yīng)扭矩值盡量保持為2.75+/-0.6 Nm。

3 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)開發(fā)

經(jīng)過計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，閥芯刃口尺寸更改為兩種方案，每種方案制作兩個樣件進(jìn)行整車搭載對比，調(diào)整方案參數(shù)如表1所示。

表1 方案一、方案二閥芯刃口尺寸參數(shù)值

3.1 方案一

該方案制作了1#及2#樣件，轉(zhuǎn)向器的力特性曲線下線檢測數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。1#樣件60bar壓力對應(yīng)力矩值為5.05Nm（2#樣件5.18Nm），2.5bar壓力對應(yīng)力矩值為1.81Nm（2#樣件1.72Nm）。將1#樣件搭載于整車上進(jìn)行主觀整車駕評，結(jié)果為：原地/低速打方向盤，手力明顯變輕；中高速打方向盤，整車發(fā)飄，無中心感；從數(shù)據(jù)可以得出，2#樣件2.5bar壓力值對應(yīng)力矩值小于1#件，中高速轉(zhuǎn)向性能肯定會更差，方案一不合格。

圖6 1#樣件力特性曲線

圖7 2#樣件力特性曲線

3.2 方案二

該方案制作了3#及4#樣件，轉(zhuǎn)向器的力特性曲線下線檢測數(shù)據(jù)如圖8、圖9 所示。3#樣件60bar壓力對應(yīng)力矩值為5.65Nm（4#樣件5.75Nm），2.5bar壓力對應(yīng)力矩值為2.45 Nm（4#樣件2.05Nm。將3#樣件搭載于整車上進(jìn)行主觀整車駕評，結(jié)果為：原地/低速打方向盤，手力較輕；中高速打方向盤，整車轉(zhuǎn)向性能可接受，中心感較強(qiáng)。將4#樣件搭載于整車上，主觀整車駕評，結(jié)果為：原地/低速打方向盤，手力較輕；中高速打方向盤，整車轉(zhuǎn)向性能處于可接受邊緣狀態(tài)，轉(zhuǎn)向器2.5bar壓力對應(yīng)力矩值須大于2.0Nm。

圖8 3#樣件力特性曲線

圖9 4#樣件力特性曲線

3#樣件搭載于整車上測出的原地轉(zhuǎn)向手力客觀數(shù)據(jù)如圖10，可得到左轉(zhuǎn)平均轉(zhuǎn)動手力矩為6.13Nm，右轉(zhuǎn)平均轉(zhuǎn)動手力矩為6.08Nm。經(jīng)過駕評及測試，達(dá)成一致：新轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)定義為60bar壓力對應(yīng)扭矩值為5.6+/-0.5 Nm，2.5 bar壓力對應(yīng)扭矩值為2.5+/-0.5 Nm。

圖10 3#樣件整車原地轉(zhuǎn)向手力客觀數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

液壓助力轉(zhuǎn)向器力特性曲線的合理性，對整車轉(zhuǎn)向性能的影響很大。力特性曲線的優(yōu)化調(diào)整是一個平衡的過程，從方案一中可得出，曲線原地/低速區(qū)域收窄，手力變輕，同時也使曲線中高速區(qū)域一定程度的收窄，造成整車中高速操穩(wěn)性變差；而方案二則在一定程度上即收窄了原地/低速區(qū)域的力特性曲線，同時又兼顧了中高速整車的操穩(wěn)性，達(dá)到了優(yōu)化轉(zhuǎn)向助力特性的目的。

[1] 畢大寧.汽車轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1998年.

[2] 關(guān)景泰等.液壓轉(zhuǎn)向器動態(tài)參數(shù)分析[J].液壓氣動與密封 1996年06期14-17頁.