液壓助力轉(zhuǎn)向機異響原理

石磊

一、前言

液壓助力轉(zhuǎn)向機介紹。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按傳遞力的介質(zhì)分主要有氣壓助力式、液壓助力式及電動助力式。

液壓助力式轉(zhuǎn)向機主要結(jié)構(gòu)形式是齒輪齒條式，分為兩端輸出式和中間輸出式。其中齒輪和齒條配合間隙通過壓塊和壓緊彈簧進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)壓緊彈簧的預緊力不僅能夠調(diào)節(jié)齒輪齒條的間隙，還可以吸收部分振動能量，緩和沖擊。

液壓助力轉(zhuǎn)向機異響在用戶使用過程中越來越多地被用戶關注和抱怨，并且隨著使用里程數(shù)增加，異響會越來越嚴重，甚至影響用戶使用對安全的擔憂，本文主要對液壓助力轉(zhuǎn)向機異響的原理和解決作一些探討。

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要噪聲源是動力轉(zhuǎn)向泵，動力轉(zhuǎn)向機及液壓系統(tǒng)油壓脈沖。以下主要對液壓動力轉(zhuǎn)向機和液壓系統(tǒng)噪音原理進行討論。

二、液壓助力轉(zhuǎn)向機異響原理

（一）液壓助力轉(zhuǎn)向機異響分為機械部分和液壓部分異響

異響主要發(fā)生在顛簸路面車輛上下振動時，零件配合間隙之間產(chǎn)生振動或者共振，以及液壓系統(tǒng)液流異響或者液流沖擊異響通過車身傳遞到駕駛倉或者方向盤，使用戶有明顯感知零件松曠感覺。

機械部分異響：液壓助力轉(zhuǎn)向機由內(nèi)部機械零件配合之間產(chǎn)生的振動異響，此間隙是提供機械運動和滑動要求所必需的設計間隙，同時提供潤滑油道和油膜增加機械零件磨損壽命。以下是異響主要影響零件和產(chǎn)生異響的零件主要參數(shù)。

轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷。轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷作用：方向盤自由轉(zhuǎn)動的扭矩通過轉(zhuǎn)向管柱傳遞到轉(zhuǎn)向機，轉(zhuǎn)向機通過齒輪齒條的傳動，將方向盤的圓周運動轉(zhuǎn)化為左右直線運動，并通過轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷將力和運動傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，最終使二側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)以實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。輪胎與地面的振動能量也通過橫拉桿傳遞給轉(zhuǎn)向機。

啟動扭矩反映球頭內(nèi)部零件配合間隙狀態(tài)和潤滑狀態(tài)，良好的球銷配合間隙和潤滑狀態(tài)能夠有效降低轉(zhuǎn)向機的噪音。

橫拉桿還可以用于調(diào)節(jié)前輪前束的作用。

轉(zhuǎn)向機內(nèi)球頭。通過調(diào)整內(nèi)外球頭的間隙和潤滑性能，控制啟動扭矩主要參數(shù)，達到兼顧控制球頭異響和提高零件使用壽命。間隙過大，容易產(chǎn)生振動異響，間隙太小，球頭磨損嚴重，壽命降低。

球頭銷內(nèi)部有機構(gòu)保證零件磨損后能夠消除間隙，機構(gòu)有彈簧或楔形塊二種。

齒條與襯套配合。齒條與襯套配合間隙設計是為了提供齒條的左右移動支撐和良好的潤滑。較大的配合間隙將造成轉(zhuǎn)向機的振動噪音。

齒輪傳動壓塊配合。齒輪傳動壓塊的間隙設計是保證轉(zhuǎn)向機左右移動正常工作主要參數(shù)，轉(zhuǎn)向機出廠前需要嚴格控制和測量的主要參數(shù)，主要測量配合間隙和齒條移動力，也是用戶使用過程中作用在方向盤上扭力感知質(zhì)量的主要參數(shù)。間隙過大，移動力小，易產(chǎn)生振動異響，同時造成轉(zhuǎn)向自由行程過大；間隙太小，移動力大，不易產(chǎn)生異響。轉(zhuǎn)向最大自由行程控制在左右轉(zhuǎn)動各不得超過15度。

轉(zhuǎn)向機的齒輪嚙合間隙控制機構(gòu)由補償彈簧和壓塊組成，當齒輪和齒條有磨損，或者齒條軸與襯套間隙過大，必然產(chǎn)生較大的齒輪間隙，通過補償彈簧的預緊力壓塊，以保證齒輪齒條始終處于最佳嚙合狀態(tài)。從而使方向盤無明顯的自由行程，提高轉(zhuǎn)向操控靈敏度，以降低機械振動異響。

轉(zhuǎn)向控制閥。轉(zhuǎn)閥由閥體、閥套、閥芯、扭力桿及密封圈等組成。轉(zhuǎn)閥功用是根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向動作控制液流方向，從而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力或產(chǎn)生正確方向的轉(zhuǎn)向助力。此外，轉(zhuǎn)向控制閥還具有轉(zhuǎn)向維持功能，即當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤并保持在某一角度時產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向回正力矩相適應的轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)閥性能不良，會造成異響。

（二）液壓部分異響

液壓系統(tǒng)缺油或者空氣混入。液壓系統(tǒng)缺油或者空氣混入均會造成轉(zhuǎn)向泵工作異常，產(chǎn)生氣阻，從而產(chǎn)生異響。所以發(fā)現(xiàn)異響首先需要檢查液位和液壓系統(tǒng)排除空氣。

液壓沖擊。液壓沖擊轉(zhuǎn)向進出油管。油管分高壓油管和回油低壓油管，由硬管和柔性軟管組成，良好的材料設計使其具有消除噪聲、吸振等功能。制作材料一般采用強化合成橡膠，高壓油管耐壓力應達到15MPa。油管耐高溫達到480度，允許有少許膨脹以吸收油壓脈動壓力變化。

回油管通過小內(nèi)徑限制回油流量，使油泵背壓保持恒定，降低噪音。

當動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)出呻吟（MOAN）噪聲和顫抖（SHUDDER）噪聲時，采取調(diào)諧壓力油管方法有效降低這種噪聲。

液壓系統(tǒng)回油壓力。回油壓力過高將引起液壓系統(tǒng)油壓壓力脈動幅度增大，從而使機械部件共振產(chǎn)生共振異響。

三、轉(zhuǎn)向機異響解決

（一）機械部分

某款車型用戶行駛在碎石路，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機艙前下部位類似機械松動振動異響，首先檢查底盤零件連接螺栓扭矩，及橫拉桿是否松動，必要時更換橫拉桿球頭。橫拉桿球頭啟動扭矩控制在5～7NM。

如果振動異響來源于轉(zhuǎn)向機本體，通過調(diào)節(jié)齒輪傳動壓塊調(diào)整螺絲，使間隙控制在0.01～0.06mm左右。

以上措施無法改善異響問題，可以調(diào)整齒條與襯套間隙配合，控制間隙在0.03mm左右，異響有所改善。

（二）液壓部分

某款車型轉(zhuǎn)向機異響通過改進機械配合間隙，仍然無法徹底解決問題，需要對液壓系統(tǒng)作進一步分析。

第一步，調(diào)查轉(zhuǎn)向液壺中的液位保持正常，轉(zhuǎn)向液壺過濾網(wǎng)和通氣孔沒有堵塞，轉(zhuǎn)向液沒有混入空氣產(chǎn)生乳狀泡沫。

第二步，檢查回油管內(nèi)油壓。在回油管中外接一個三通接頭，裝配一個壓力傳感器，測量油壓，發(fā)現(xiàn)異響車輛回油壓力大于30bar，對比正常車輛油壓測量結(jié)果低于10bar。

通過傳感器數(shù)據(jù)分析油壓波動和異響之間的關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)油壓異常波動時，異響的數(shù)據(jù)也發(fā)生突變。

接下來改進方案是如何降低回油管壓力，首先采用回油軟管代替硬管，降低回油壓力脈沖，有一定改善效果。其次，在回油管內(nèi)加入節(jié)流閥，降低回油壓力。通過壓力測量和噪音測量結(jié)果，徹底改善了噪音性能。

為選擇最佳的節(jié)流閥尺寸，挑選不同規(guī)格零件進行試驗和檢測，選擇四種節(jié)流閥尺寸，直徑2.5mm，3.0mm，3.5mm和4.0mm，直徑偏小，容易產(chǎn)生節(jié)流噪聲，并使油溫升高，直徑偏大，效果不明顯。最后經(jīng)多次試驗，選定直徑3.5mm的節(jié)流閥。

液壓助力轉(zhuǎn)向機異響問題是一個綜合性問題，可以定義三種不同噪聲，即空氣傳播的噪聲（ABN）；第二種是機械結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的噪音（SBN），往往是ABN的直接原因；第三種是液體傳播的噪聲（FBN），即液壓油中的壓力波動，往往是SBN的主要原因，而SBN又引起ABN。所以解決異響問題既可以調(diào)整機械配合間隙。同時調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力，使二方面都控制在最佳狀態(tài)，才能徹底解決振動噪聲問題。