某商用車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)計(jì)算與匹配

劉杰靈，曹 燦，金美瑛，章 印

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 211806）

隨著人們生活水平的提高，汽車發(fā)展越來越追求舒適性，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)也得到飛速發(fā)展。其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、制造成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，雖然和發(fā)動機(jī)保持同步工作會浪費(fèi)發(fā)動機(jī)效率，增加燃油消耗，仍是目前國內(nèi)商用車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)采用的主流技術(shù)方案。本文以我司某車型為例，介紹其液壓助力系統(tǒng)的計(jì)算和匹配。

1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和原理

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由儲油罐、轉(zhuǎn)向助力泵、整體式動力轉(zhuǎn)向器（含助力缸、控制閥等）、管路、機(jī)械轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向助力泵通過皮帶輪（或齒輪機(jī)構(gòu)）接受發(fā)動機(jī)的動力，向轉(zhuǎn)向控制閥輸出高壓油。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向控制閥改變油路，高壓油進(jìn)入助力缸其中一腔體，推動活塞向另一側(cè)移動，進(jìn)而協(xié)助齒條和橫拉桿移動。

2 設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)

我司該商用車為寬體輕客M1車型，軸距為3 m，座位數(shù)為5～9個，滿載3.55 t，發(fā)動機(jī)排量2.3 L。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)計(jì)算的相關(guān)參數(shù)如表1所示，該車實(shí)際的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置如圖2所示。

表1 車型參數(shù)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)

圖2 實(shí)車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置

3 參數(shù)計(jì)算與部件匹配選型

3.1 助力缸

1.助力缸缸徑

助力缸的缸徑過小會使轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的助力偏小，反之缸徑過大則會浪費(fèi)材料，增加油耗，提高成本。

按式（1）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，

式中，為轉(zhuǎn)向軸載荷，取值為1 450 kg；取缸徑為54 mm。

2.助力缸活塞厚度

助力缸活塞厚度為

取活塞厚度16 mm。

3.助力缸長度

助力缸長度為

式中，為齒條行程180 mm；預(yù)留間隙為10 mm；調(diào)節(jié)行程=0.6；為活塞厚度16 mm。

取助力缸長度250 mm，如表2所示。

表2 助力缸的參數(shù)

3.2 轉(zhuǎn)向助力泵

1.轉(zhuǎn)向助力泵的最大壓力

原地轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向器承受的阻力矩達(dá)到最大值，但是精確計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的力（輪胎變形阻力、內(nèi)摩擦阻力、轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力等）十分困難，為此采用半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算汽車在瀝青或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩：

式中，為輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7；輪胎氣壓為0.55 MPa；

轉(zhuǎn)向軸軸荷：

式中，為轉(zhuǎn)向軸載荷1 450 kg。

實(shí)際計(jì)算而得的阻力矩一般偏小，考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動效率，一般推薦轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩乘以一個安全系數(shù)，取其為1.25：

無助力所需要的轉(zhuǎn)向盤力矩：

式中，轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量：

式中，轉(zhuǎn)向輪內(nèi)外輪最大轉(zhuǎn)角=46.22°，=39°；

對應(yīng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量：

式中，為方向盤最大圈數(shù)3.8。

為保證助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較好的轉(zhuǎn)向輕便性，同時又具有一定的路感，應(yīng)使駕駛員在進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時的轉(zhuǎn)向盤扭矩在一定范圍內(nèi)。根據(jù)推薦范圍為3.6 Nm～4.5 Nm。取轉(zhuǎn)向盤手力矩4 Nm，則助力力矩為-4。

齒輪節(jié)圓半徑：

式中，為助力缸的工作面積，助力缸缸徑為54 mm；為活塞桿所占面積，活塞桿徑約為0.6倍助力缸缸徑，取35 mm；

方向機(jī)的助力缸的最大壓力：

考慮助力缸的泄露因素，取安全因數(shù)為1.5，則方向機(jī)助力缸的最大壓力：

轉(zhuǎn)向泵的最大壓力：

式中，Δ為管路損失，一般為0.3 MPa～0.5 MPa，取0.5 MPa。

2.轉(zhuǎn)向助力泵控制流量與排量

圖3為一般轉(zhuǎn)向助力泵的特性曲線。通常，助力泵的特性需求規(guī)定為一個范圍，只要實(shí)際助力泵曲線落在范圍內(nèi)，均符合要求。由圖3可知，在低速區(qū)轉(zhuǎn)向助力泵輸出流量較小，為了滿足發(fā)動機(jī)怠速時原地轉(zhuǎn)向的輸出助力，就必須要求轉(zhuǎn)向泵低速時（發(fā)動機(jī)怠速）的最小流量也能達(dá)到目標(biāo)。

圖3 一般轉(zhuǎn)向助力泵的特性曲線

一般商用車車型轉(zhuǎn)向盤的最大轉(zhuǎn)速取1 r/s，則轉(zhuǎn)向器活塞的最大移動速度為

式中，為轉(zhuǎn)向器線角傳動比47.33 mm/r。

轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速最大時，助力缸需要的流量最大，即轉(zhuǎn)向泵的理論最大流量為

式中，為轉(zhuǎn)向器活塞有效作用面積1 328 mm。

一般，轉(zhuǎn)向泵的控制流量為

式中，為動力轉(zhuǎn)向器允許的內(nèi)泄漏量，取1 L/min。

取油泵的控制流量為9 L/min。

實(shí)際使用中，在發(fā)動機(jī)怠速時，駕駛員感到轉(zhuǎn)向沉重，可適當(dāng)提高理論排量，而轉(zhuǎn)向泵的控制流量應(yīng)盡可能小。因?yàn)榱髁窟^大會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量增大，油封、橡膠管路和連接件的老化加快，同時，轉(zhuǎn)向系消耗的發(fā)動機(jī)功率也會增大，相應(yīng)發(fā)動機(jī)的油耗也會提高。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失穩(wěn)、振動、噪聲，高速時轉(zhuǎn)向盤發(fā)飄等問題也有可能出現(xiàn)。

轉(zhuǎn)向泵的限壓轉(zhuǎn)速的選取需綜合考慮發(fā)動機(jī)功率消耗和轉(zhuǎn)向的靈敏度（路感），取其為1 300 r/min。限壓前轉(zhuǎn)向泵的特性曲線一般取線性，由控制流量，限壓轉(zhuǎn)速可做出該特性曲線，如表3所示。

表3 最終選定的轉(zhuǎn)向泵的參數(shù)

油泵的理論排量為

式中，為轉(zhuǎn)向泵容積效率0.9；為限壓轉(zhuǎn)速。

3.轉(zhuǎn)向助力的國標(biāo)要求校核

在原地轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向力為

式中，為根據(jù)式（7）計(jì)算所得無助力所需要的轉(zhuǎn)向盤力矩；為轉(zhuǎn)向盤外徑，取390 mm。

根據(jù)《汽車轉(zhuǎn)向系基本要求》（GB 17675— 2021），助力系統(tǒng)故障時，M1車型其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于300 N，而原地轉(zhuǎn)向所需要克服的阻力矩最大，故滿足法規(guī)要求。

而助力正常時，法規(guī)要求轉(zhuǎn)向力≤150 N，手力矩為

怠速時轉(zhuǎn)向助力泵與轉(zhuǎn)向控制閥輸出的液壓滿足該需求，故滿足GB 17675法規(guī)。

3.3 儲油罐

一般儲油罐容積為

式中，為油泵控制流量。

取儲油罐容積為1.4 L。

除了滿足容積的基本要求，儲油罐還要滿足散熱、過濾的要求。一般油罐材料要能承受-40 ℃～130 ℃的工作溫度，并能在100 ℃的高溫下持續(xù)工作。同時，過濾精度一般取10 μm～20 μm?？紤]到轉(zhuǎn)向助力泵的自吸能力較差，儲油罐的安裝位置一般比泵的進(jìn)油口高20 mm以上。

3.4 管路

1.管路尺寸

參考供應(yīng)商常用的四種轉(zhuǎn)向泵控制流量，根據(jù)式（25），吸油管流速取1 m/s，高壓管流速取3 m/s，推薦與泵相連的吸油管和高壓油管的橡膠管內(nèi)徑如表4所示。

表4 推薦管路內(nèi)徑

管路內(nèi)徑的計(jì)算參考式為

式中，為轉(zhuǎn)向助力泵的控制流量；為轉(zhuǎn)向液流速。吸油管流速推薦1 m/s～1.5 m/s；高壓油管流速推薦2.5 m/s～3.5 m/s；回油管推薦1.5 m/s～2.5 m/s。

吸油管半徑為

高壓油管半徑為

回油管半徑為

取吸油管管路內(nèi)徑為14 mm，高壓油管管路內(nèi)徑為8 mm，回油管管路內(nèi)徑為10 mm。

2.管接頭扣壓量

國內(nèi)經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)公式來確定管接頭扣壓量，即

式中，為橡膠管內(nèi)膠壓縮量（或金屬套筒扣壓量）；為橡膠管內(nèi)膠層厚度；為金屬管接頭（芯管）對膠管內(nèi)徑擴(kuò)張的過盈量；為橡膠管內(nèi)膠層壓縮量的百分?jǐn)?shù)；為金屬套筒與扣壓處外徑的間隙。

這幾項(xiàng)參數(shù)均與供應(yīng)商的加工能力有關(guān)，因此，最終扣壓量取決于實(shí)際定點(diǎn)供應(yīng)商的推薦參數(shù)。

3.管路走向布置要求

考慮發(fā)動機(jī)帶動轉(zhuǎn)向助力泵的抖動以及傳遞高壓轉(zhuǎn)向液時橡膠管的形變，橡膠管安裝后的松弛量至少在5%以上。

橡膠管安裝時應(yīng)避免彎折。橡膠管彎折時，會降低能夠承受的壓力，同時還可能引起接頭的松脫。一般情況下，橡膠管每彎折7°，軟管的使用壽命就會降低10%。

橡膠管彎曲半徑應(yīng)盡可能長。彎曲半徑取橡膠管外徑的6～10倍為佳，盡可能達(dá)到8倍。一般橡膠管彎曲半徑每縮小20%，橡膠管的使用壽命就會降低90%。

管路安裝時可采用防護(hù)套或管夾定位，減少管路與部件間的磨損。

管路應(yīng)避免熱源，超過最高承受溫度會導(dǎo)致管路受壓能力下降、接頭漏油和橡膠加速老化等問題。

4 總結(jié)

本文以某商用車為例，對助力缸、轉(zhuǎn)向助力泵、儲油罐、轉(zhuǎn)向管路等部件進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算校核，并對零部件關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行匹配選型。目前采用該系列參數(shù)的各液壓轉(zhuǎn)向助力零部件已通過可靠性路試，且該車型已經(jīng)投產(chǎn)兩年，用戶反饋 轉(zhuǎn)向力適中，操縱穩(wěn)定性良好。

本文的分析思路、計(jì)算方法對于今后類似的商用車轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型提供了一定參考和指導(dǎo)價值。