某特種車(chē)轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題分析與改進(jìn)

李海蛟，居剛，陳興華，章健國(guó)

某特種車(chē)轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題分析與改進(jìn)

李海蛟，居剛，陳興華，章健國(guó)

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司重型商用車(chē)研究院，安徽 合肥 230601）

在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向沉重是最常見(jiàn)的故障形式之一，特別是重載型車(chē)輛。轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題不僅會(huì)影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件壽命，還會(huì)增加駕駛員的疲勞感，危及行車(chē)安全。文章對(duì)某特種車(chē)轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題進(jìn)行原因進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。問(wèn)題整改完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果達(dá)到了理想的效果。

轉(zhuǎn)向沉重；轉(zhuǎn)向輕便性；轉(zhuǎn)向器阻力；轉(zhuǎn)動(dòng)泵參數(shù)

前言

轉(zhuǎn)向沉重是汽車(chē)轉(zhuǎn)向系中最常見(jiàn)的故障之一[1]。轉(zhuǎn)向沉重不僅會(huì)影響零部件的壽命，還會(huì)增加駕駛員的疲勞感，對(duì)行車(chē)安全有嚴(yán)重影響[2]。轉(zhuǎn)向輕便性是評(píng)價(jià)車(chē)輛轉(zhuǎn)向是否沉重的關(guān)鍵指標(biāo)[3]，國(guó)家有明確的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性的指標(biāo)進(jìn)行要求與評(píng)價(jià)。本文結(jié)合某特種車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性的測(cè)試結(jié)果，找出轉(zhuǎn)向輕便性差的潛在因素，并對(duì)潛在因素進(jìn)行詳細(xì)分析，制定整改方案進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)驗(yàn)證，直到達(dá)到目標(biāo)要求。

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

某8×4特種車(chē)基本參數(shù)如表1所示。

該車(chē)按照GB/T 6323進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向輕便性得分須≥6分。在測(cè)試時(shí)，駕駛員主觀評(píng)價(jià)左右轉(zhuǎn)向受力均較重，屬于不能接受范圍。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，該車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)總得分為5分，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 轉(zhuǎn)向輕便性原因分析

對(duì)本車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性差的原因進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)向輕便性差主要轉(zhuǎn)向助力不足和轉(zhuǎn)向阻力過(guò)大兩個(gè)方面[2]。圍繞這兩個(gè)方面進(jìn)行深層次分析，列出潛在的問(wèn)題因素，如表2所示。并針對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行驗(yàn)證和分析，從而找出關(guān)鍵因素。

表1 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

測(cè)量項(xiàng)目技術(shù)要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角/°≤720567.2583.3594.6581.7OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力矩/（Nm）≤1012.512.512.212.4NG 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力/N≤4055.655.654.255.1NG 右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角/°≤720588.0607.0604.6599.9OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力矩/（Nm）≤1011.811.611.711.7NG 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力/N≤4052.451.652.052.0NG 轉(zhuǎn)向盤(pán)作用功/J≤150160.4160.9160.6160.6NG 轉(zhuǎn)向盤(pán)平均摩擦力矩/（Nm）≤63.63.93.83.8OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)平均摩擦力/N≤1816.417.316.916.9OK 試驗(yàn)總評(píng)分5

表2 問(wèn)題可能因素

故障第一層次原因末端因素 轉(zhuǎn)向輕便性差轉(zhuǎn)向助力不足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比不當(dāng) 方向機(jī)輸出力矩小 動(dòng)轉(zhuǎn)泵參數(shù)匹配不當(dāng) 轉(zhuǎn)向阻力過(guò)大管柱轉(zhuǎn)動(dòng)阻力過(guò)大 轉(zhuǎn)向器內(nèi)阻力大 轉(zhuǎn)向直拉桿球銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大 前橋輪端轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比設(shè)置不合理會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比i與轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比i1和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比i2相關(guān)[4]。三者之間滿足關(guān)系：

i= i1×i2（1）

其中，轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增量△與轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量△之比。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比為轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量△與轉(zhuǎn)向盤(pán)所在一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量△之比，由于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置中，通常取其在中間位置時(shí)使轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂均垂直于其轉(zhuǎn)向縱拉桿，這時(shí)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比亦可取為轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向搖臂之比。

根據(jù)本車(chē)轉(zhuǎn)向器技術(shù)文件，轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比為23.2，轉(zhuǎn)向節(jié)臂2長(zhǎng)273 mm，轉(zhuǎn)向搖臂1長(zhǎng)286 mm，故轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比為：

i22/1=0.95（2）

根據(jù)式（1）和式（2），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比為：

i= i1×i2=23.20.95=22.04（3）

根據(jù)汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)中角傳動(dòng)比的推薦值，重型商用車(chē)轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比值一般取20～25[5]，本車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比滿足設(shè)計(jì)要求，故排除該原因。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩小

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩應(yīng)大于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力矩。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩包括轉(zhuǎn)向器的輸出力矩1和助力缸的輸出力矩2。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力矩主要為前橋負(fù)載阻力矩阻。

表3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件參數(shù)

項(xiàng)目轉(zhuǎn)向器缸徑/mm轉(zhuǎn)向器螺桿徑/mm齒扇分度圓半徑/mm轉(zhuǎn)向器效率轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力/MPa助力缸內(nèi)徑/mm助力缸活塞徑/mm偏擺極限轉(zhuǎn)角/°助力缸節(jié)臂長(zhǎng)度/mm助力缸效率 參數(shù)1112554.80.93156028302200.96

表3為本車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件參數(shù)表，根據(jù)轉(zhuǎn)向器輸出力矩計(jì)算公式[4]，轉(zhuǎn)向器輸出力矩1為：

助力缸的輸出力矩2為：

故轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩：

=1+2=14 003 Nm （6）

根據(jù)《汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)》相關(guān)公式[4]，前橋負(fù)載阻力矩公式為：

本車(chē)匹配雙前橋，前橋負(fù)載阻力矩阻為：

對(duì)比式（6）與式（8），>阻，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩大于阻力矩，故判定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩小不是轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件的阻力

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件均存在內(nèi)阻力，對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性有一定影響。這些零部件包括轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器、前橋輪端、轉(zhuǎn)向直拉桿。

表4為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件阻力的檢測(cè)結(jié)果。從表中可以看出，轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、前橋輪端阻滯力矩、轉(zhuǎn)向直拉桿球頭轉(zhuǎn)動(dòng)力矩均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，轉(zhuǎn)向器的受力特性不滿足要求。轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥的受力特性直接影響轉(zhuǎn)向手感，本車(chē)轉(zhuǎn)向器手力特性與標(biāo)準(zhǔn)值相差較大，已經(jīng)嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)向受力，存在一定的優(yōu)化空間。

表4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件阻力的檢測(cè)結(jié)果

零部件阻力實(shí)測(cè)值/(Nm)阻力標(biāo)準(zhǔn)值/(Nm)判定結(jié)果措施 轉(zhuǎn)向管柱0.15≤0.3合格無(wú)需整改 前橋輪端38.5≤40合格無(wú)需整改 轉(zhuǎn)向直拉桿3.73～6合格無(wú)需整改 轉(zhuǎn)向器9.36～8不合格需整改

對(duì)比該轉(zhuǎn)向器與競(jìng)品轉(zhuǎn)向器，競(jìng)品轉(zhuǎn)向器在壓力為15 MPa時(shí)轉(zhuǎn)向力矩僅為7.1 Nm，較本轉(zhuǎn)向器小2.2 Nm，其轉(zhuǎn)向輕便性數(shù)據(jù)也已達(dá)標(biāo)。綜合以上分析，轉(zhuǎn)向器手里特征差是轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

2.4 動(dòng)轉(zhuǎn)泵參數(shù)匹配不當(dāng)

本車(chē)轉(zhuǎn)向器及助力缸的參數(shù)如表5所示，動(dòng)轉(zhuǎn)泵的參數(shù)對(duì)該車(chē)型動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需要的流量進(jìn)行分析校核，分析過(guò)程如下所示：

表5 轉(zhuǎn)向器及助力缸液壓參數(shù)

項(xiàng)目轉(zhuǎn)向器缸徑/mm轉(zhuǎn)向器螺桿徑/mm螺距/mm方向盤(pán)轉(zhuǎn)速/(r/s)助力缸內(nèi)徑/mm助力缸活塞徑/mm方向盤(pán)每轉(zhuǎn)助力缸移動(dòng)距離/mm 參數(shù)1112513.51.25602848.67

轉(zhuǎn)向器所需的流量1為：

助力缸所需的流量2為：

考慮內(nèi)泄漏，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需總流量為為：

由于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為600 r/min，速比為1.3，可計(jì)算動(dòng)轉(zhuǎn)泵所需排量為：

轉(zhuǎn)動(dòng)泵所需的控制流量0為：

本車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)泵參數(shù)如表6所示，對(duì)比本車(chē)動(dòng)轉(zhuǎn)泵參數(shù)，排量25 ml/r滿足要求，流量22.5 L/min小于理論計(jì)算值，不滿足要求。故動(dòng)轉(zhuǎn)泵控制流量小也為轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

表6 轉(zhuǎn)動(dòng)泵參數(shù)

項(xiàng)目排量/(ml/r)控制流量/(L/min)壓力/MPa 參數(shù)2522.516

3 整改及試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述諸多因素的分析，確定轉(zhuǎn)向器阻力大、動(dòng)轉(zhuǎn)泵控制流量小是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輕便性差的主要原因，針對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

根據(jù)原因分析，本車(chē)型制定設(shè)計(jì)優(yōu)化方案如下：

（1）對(duì)轉(zhuǎn)向器的受力特性進(jìn)行優(yōu)化，降低轉(zhuǎn)向器的阻力，在15 MPa的壓力下，轉(zhuǎn)向器阻力矩僅為6.8 Nm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)泵參數(shù)優(yōu)化：增大動(dòng)轉(zhuǎn)泵的控制流量，將控制流量提升至25 L/min±0.5 L/min，增大控制流量后，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/s以上時(shí)，動(dòng)轉(zhuǎn)泵所提供的流量滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。進(jìn)行樣件檢測(cè)，如表7所示，檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 轉(zhuǎn)動(dòng)泵樣件檢測(cè)

產(chǎn)品序號(hào)123 流量檢測(cè)值/(L/min)25.425.124.8 結(jié)果判定合格合格合格

3.2 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)復(fù)測(cè)

按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性進(jìn)行復(fù)測(cè)，數(shù)據(jù)如表8所示。整改后轉(zhuǎn)向輕便性評(píng)價(jià)得分7分，性能提升顯著，滿足了標(biāo)準(zhǔn)的要求，有效解決了該車(chē)型轉(zhuǎn)向沉重的問(wèn)題。

表8 轉(zhuǎn)向輕便性復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)

測(cè)量項(xiàng)目技術(shù)要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角/°≤720597.9593.6591.4594.3OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力矩/(Nm)≤107.37.37.67.4OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力/N≤4032.432.433.732.8OK 右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角/°≤720605.3602.0599.7602.3OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力矩/(Nm)≤107.87.97.77.8OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)最大作用力/N≤4034.935.734.134.9OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)作用功/J≤150104.0107.9104.6105.5OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)平均摩擦力矩/(Nm)≤62.62.62.52.6OK 轉(zhuǎn)向盤(pán)平均摩擦力/N≤1811.411.511.211.4OK 試驗(yàn)總評(píng)分7

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)向沉重是卡車(chē)經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題，其試驗(yàn)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向輕便性差。針對(duì)該問(wèn)題，主要從降低轉(zhuǎn)向阻力、增大轉(zhuǎn)向助力兩方面著手，進(jìn)行整改優(yōu)化。本文對(duì)某8×4特種車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性差進(jìn)行詳細(xì)的原因分析，最終通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向器手力特性來(lái)降低阻力矩，并增大動(dòng)轉(zhuǎn)泵控制流量來(lái)增大轉(zhuǎn)向助力。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提升后，對(duì)本車(chē)重新進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向性能得到顯著提升，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，有效解決了該車(chē)型轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題。

[1] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造(下)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 史為成.某中型4×2載貨車(chē)轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題的分析與改進(jìn)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2015(12):114-116.

[3] 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]《汽車(chē)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)設(shè)計(jì)篇[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5] 王霄峰.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

Analysis and Improvement of Heavy Steering in Special Vehicle

LI Haijiao, JU Gang, CHEN Xinghua, ZHANG Jianguo

( The Heavy Commercial Vehicle Academe of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In the automobile steering system, heavy steering is one of the most common failure forms, especially the heavy-duty vehicle. The heavy steering problem will not only affect the life of the steering system parts, but also increase the fatigue of the driver, which endangered the safety of driving. In this paper, the cause of heavy steering problem of a special vehicle is analyzed, and the corresponding optimization scheme is proposed according to the analysis results. After the problem is corrected, the steering portability test is carried out to verify the results and the ideal results are achieved.

Heavy steering; Steering portability; Steering gear resistance; Dynamic pump parameters

U462.1

B

1671-7988(2021)23-65-04

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1671-7988(2021)23-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.018

李海蛟，男，工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司重型商用車(chē)研究院，主要負(fù)責(zé)汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)。