液壓轉(zhuǎn)向器異響問題分析和改進(jìn)

朱勝峰，鄒理炎，朱興旺，張新聞

（1.杭州世寶汽車方向機(jī)有限公司，浙江 杭州 310018；2.浙江科技學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

近些年來，眾多商用車用戶對整車舒適性要求越來越高，為了能在競爭中獲得更多市場份額，整車廠和配套廠都要求商用車的用戶體驗(yàn)?zāi)苻I車化。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，對其操縱性、舒適性、輕便性提出了更高的要求，商用汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心零部件是液壓動力轉(zhuǎn)向器，它的性能關(guān)乎整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因此轉(zhuǎn)向響應(yīng)、回正、轉(zhuǎn)向手感、異響等問題的研究隨之而來。而轉(zhuǎn)向器異響問題是以上幾個問題中較難解決的，它是一個系統(tǒng)性的問題，按照異響來源可以分為機(jī)械異響和液壓異響兩大類[1]。機(jī)械異響主要是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)某一部件存在自身干涉或者傳動桿系剛度不夠，在受到較大載荷突然釋放時，桿系因彈性變形復(fù)位造成異響；而液壓異響一般會出現(xiàn)在打轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向到某一個角度再回打方向時產(chǎn)生液壓共振聲，以上兩種異響出現(xiàn)時往往會伴隨著轉(zhuǎn)向盤有“麻手”現(xiàn)象。相比于液壓異響，機(jī)械異響的問題容易排查且好解決，本文將從液壓異響的角度對轉(zhuǎn)向器異響問題進(jìn)行分析和改進(jìn)[2]。

1 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

如圖1 所示，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向器、油泵、油罐、拉桿、轉(zhuǎn)向輪等組成，轉(zhuǎn)向盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時通過轉(zhuǎn)向軸驅(qū)動轉(zhuǎn)向器輸入端，經(jīng)過轉(zhuǎn)向器減速后在輸出端輸出較大的扭矩，從而由拉桿帶動轉(zhuǎn)向輪作擺動運(yùn)動，液壓回路是給轉(zhuǎn)向器根據(jù)路面阻力的需要提供足夠的動力，可以使轉(zhuǎn)向更輕便靈敏。

圖1 液壓轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)

2 液壓異響的故障分析及改善措施

2.1 液壓異響故障分析

車輛在行駛過程中，輪胎受到地面的反作用力，該作用力通過轉(zhuǎn)向拉桿傳遞到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，但是因?yàn)榉较虮P自身慣性以及駕駛員對方向盤的作用力，轉(zhuǎn)向軸存在繼續(xù)保持靜止的慣性，此時轉(zhuǎn)向器零部件也要在力的作用下產(chǎn)生異響。

液壓轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向過程，實(shí)際上是一個建壓的過程，由于輪胎與地面的摩擦阻力是隨著擺角增大而增大的，所以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油壓也會逐步加大，在此過程中，如果建壓不順暢，轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩就不足以克服地面的摩擦阻力，此時油泵就會出現(xiàn)振動而產(chǎn)生異響[3]。

駕駛員駕駛過程中松開方向盤或突然回打轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥突然變化使得液流的壓力和方向也突然改變，隨之引起系統(tǒng)回路中壓力瞬間急劇變化，此時轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥在相對轉(zhuǎn)動的過程中受液流沖擊容易振動從而產(chǎn)生異響，又由于轉(zhuǎn)向器壓力突然變化，易引發(fā)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的其他部件振動，當(dāng)其振動頻率與某一部件的振動頻率一致時，就會產(chǎn)生液壓共振，從而出現(xiàn)異響，為了降低壓力變化速度，可以通過降低轉(zhuǎn)閥靈敏度曲線的斜率來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥靈敏度曲線示意圖（圖2），其大致理論計算如下。

圖2 靈敏度曲線

從式（2）可以看出，壓力p與A0成反比，在打方向的過程中，A0是一個動態(tài)的變化值，A0的變化情況關(guān)系著曲線形狀，A0的數(shù)值是圖3 點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的距離乘以閥口長度，通過改變圖3 中的α和R2值就改變A0的變化過程，即改變轉(zhuǎn)閥特性曲線的斜率。

圖3 轉(zhuǎn)閥閥口參數(shù)

因此為避免或抑制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生異響，從轉(zhuǎn)向器原理的角度提出一些改善措施。

2.2 改善措施

解決液壓異響的出發(fā)點(diǎn)是降低液壓沖擊[4]，常見的方法有提高轉(zhuǎn)閥扭桿剛度（圖4）、適當(dāng)加大背壓（圖5）、加大阻尼系數(shù)（圖6）或者通過改變轉(zhuǎn)閥閥口參數(shù)（圖7）來降低靈敏度斜率。

圖4 表明，若扭桿剛度偏小，在松開方向盤或突然回打方向時，由于轉(zhuǎn)閥突然改變了液流的壓力和方向，系統(tǒng)回路中壓力瞬間急劇變化，扭桿就容易會因此而出現(xiàn)高頻振擺，通過適當(dāng)增加扭桿的直徑，即增加，可以加大剛度以提高扭桿抗振性，減少異響[5]。

圖4 轉(zhuǎn)閥扭桿

如圖5 所示，保證最小過流面積的前提下，通過適當(dāng)減小閥芯回油孔徑，即增加回油阻力，減弱液流沖擊引起的振動，減少異響。

圖5 轉(zhuǎn)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

如圖6 所示，適當(dāng)加大阻尼系數(shù)，在閥芯和閥套之間裝有一個阻尼圈和阻尼環(huán)，其作用是吸收閥芯在液流沖擊下的振動。通過選取合適尺寸增加其阻尼效果，可以有效地降低系統(tǒng)噪音，增強(qiáng)轉(zhuǎn)閥組件的抗振能力，抑制異響的產(chǎn)生。

圖6 轉(zhuǎn)閥示意圖

如圖7 所示，是改進(jìn)前后的轉(zhuǎn)閥靈敏度曲線對比，通過降低靈敏度曲線的斜率，來減慢壓力上升或下降的速度，緩解回路中壓力瞬間急劇變化，減少液壓沖擊，從而減少振動異響。

圖7 靈敏度曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖8 所示，為了驗(yàn)證上述的故障分析和改進(jìn)措施，按上述四種措施分別制作了改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向器樣件，在臺架上進(jìn)行轉(zhuǎn)向器異響試驗(yàn)[6]。

圖8 轉(zhuǎn)向器臺架試驗(yàn)中

臺架試驗(yàn)設(shè)定在一個靜音室里[5]，搭建一個安裝轉(zhuǎn)向器的臺架，施加的載荷和油源全部置于靜音室外，通過外接的方法將加載缸和油源布入靜音室，然后在轉(zhuǎn)向器的不同位置貼上加速度傳感器，分別采集以上四種措施改進(jìn)前后轉(zhuǎn)向器不同位置的振動頻譜，可以得知改進(jìn)是否有效。

圖9 可以看出，改進(jìn)前狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向器閥體處加速度達(dá)到16 m/s2，主觀評價異響明顯；改進(jìn)后轉(zhuǎn)向器閥體處的加速度明顯降低為6 m/s2左右，主觀評價無異響，此時客觀和主觀的評價結(jié)果相吻合?？梢缘贸鼋?jīng)過改善措施后的轉(zhuǎn)向器效果完全達(dá)到了預(yù)期，有效減少了整車轉(zhuǎn)向異響的問題。

圖9 原始試驗(yàn)曲線和改進(jìn)后試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

綜上可知，通過以上四種改善措施可以有效減少液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響，具有周期短、成本低、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。