液壓轉向系統手力沉重原因分析及實例優化

丁 玲

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

液壓轉向系統手力沉重原因分析及實例優化

丁 玲

Ding Ling

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

闡述了液壓轉向系統手力沉重問題的分類和原因分析，并進行了實例優化。

液壓轉向；轉向沉重；優化設計

0 引 言

汽車動力轉向系統是汽車關鍵零部件之一，對汽車操縱穩定性、安全性、舒適性和駕駛員的操縱強度有重要影響。目前動力轉向系統有液壓助力、電動助力（EPS）和電控液壓助力等，其中液壓助力轉向系統是相對比較成熟且應用最多的結構，由主要部件轉向盤、轉向管柱、中間軸、儲油罐、動力轉向泵、轉向器及管路等組成。相對無助力轉向它以較低的功耗改善了汽車的操縱輕便性。

電動助力轉向可以根據車速提供不同的助力，為駕駛員提供更好的駕駛感覺，手力更加輕便，而傳統的液壓助力轉向手力沉重問題越來越凸顯出來，影響整車駕駛的舒適性。

根據液壓轉向系統手力沉重的區域不同劃分為3個類型：全行程沉重、末端沉重、波動沉重

文章將結合實例車型對3種手力沉重問題進行原因解析及實例優化。

1 全行程手力沉重問題實例分析

1.1 現象描述

在某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩測試，測試結果為轉動轉向盤的全行程作用在轉向盤的手力矩都很大，測試結果見圖1，縱坐標為作用在轉向盤的手力矩值，橫坐標為對應的轉向盤轉角，從圖中可以看出轉向盤平均作用力矩在5 N·m左右。

1.2 原因分析

導致全行程轉向沉重的原因有多種，可以確定4種常見的原因：

1）密封環磨損或剪切導致內泄漏超標；

2）轉向拉桿球頭不靈活；

3）轉向器調整不當；

4）轉向器轉向力矩設計過重；

1.3 排查驗證

針對原因一，通過對問題車輛進行路試后拆車，然后對拆下的轉向器再進行拆解分析，看是否出現相應問題現象。最終發現密封環未損壞，故該原因排除。

針對原因二，對拆下的轉向器進行轉向拉桿球頭靈活性測試（多方位轉動球頭），并未感到球頭運動遲滯，且向各方位都能自由轉動，故該原因排除。

針對原因三，為問題車輛更換同規格轉向器，發現問題依然存在，故可排除是轉向器調整不當所導致。

針對原因四，查找轉向器閥特性設計參數（見圖2），設計定義油壓為5 MPa時轉向器扭桿輸入扭矩為5 N·m，與圖1的手力測試曲線結果相對應。

排查結果為轉向器閥特性手力設計參數偏大導致。

1.4 優化措施

重新定義轉向器閥特性設計參數，油壓為5 MPa時對應轉向器扭桿輸入扭矩為4 N·m，見圖3。

1.5 優化結果

對轉向器閥特性變更后，重新進行原地手力矩測試，結果見圖4，手力矩變為4 N·m。

2 轉向末端手力問題實例分析

2.1 現象描述

某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩的測試，圖5為測試結果，縱坐標為作用在轉向盤的手力矩值，橫坐標為對應的轉向盤轉角，圖上顯示轉向盤轉至450°開始手力矩從4 N·m開始上升，直至600°時手力矩上升到9 N·m，反向轉動轉向盤也如此，正反向轉向盤轉到底時均存在助力不足的情況，且助力不足的角度范圍較大。

2.2 原因分析

當轉向盤轉至末端時轉向系統將達到最高工作壓力，此時動力轉向泵提供最高工作壓力，所以末端手力大小主要受動力轉向泵的最高工作壓力控制。

2.3 排查驗證

動力轉向泵最高工作壓力的設定值取決于轉向器對輪胎作用的最大推力加拉力，而最大推力加拉力為轉向器的最大齒條力，重新計算最大齒條力為74 455.1 N

根據最大齒條力計算結果推算動力轉向泵油壓最高應為8.12 MPa

轉向泵最高工作壓力是由內部滑閥結構控制的，圖6為轉向泵內部滑閥的結構示意圖，滑閥的最高壓力是通過調節彈簧的預緊力來調節的。鋼球在彈簧的作用下緊緊壓在閥座的錐面上，將滑閥內部密封起來。當外部壓力增加時，鋼球與閥座的作用力迅速減小，在閥座錐面的粗糙度、圓度以及液壓油在傳遞時的壓力波動等的影響下，鋼球和閥座的密封會有輕微的泄露。并且隨著壓力的增高而泄漏量加大，所以最高工作壓力不是一個值而是一個范圍。

所以在設計最高工作壓力時應將最高工作壓力低限值高于系統所需的壓力。

2.4 優化措施

將轉向泵最高工作壓力從7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，改善末端手力矩沉重的問題。

2.5 優化結果

重新對整改后的車型進行原地轉向手力矩的測試，結果見圖7，從0°～600°時轉向手力矩均為4 N·m，600°時轉向軟止點限位手力矩才開始上升。末端助力不足且助力不足的角度范圍較大的問題得以解決。

3 波動沉重問題實例分析

3.1 現象描述

某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩的測試，全行程轉動轉向盤時感覺手力矩時重時輕，圖8為測試結果，縱坐標為作用在轉向盤的手力矩值，橫坐標為對應的轉向盤轉角。

3.2 原因分析

從圖8可以看出，手力矩曲線不是趨近于平直，而是呈正弦波動，高峰為6 N·m，低谷為4 N·m，所以轉動轉向盤的過程中會有時重時輕的感覺。這種波動通常是轉向系統布置不合理導致。

3.3 排查驗證

對問題車型轉向系統的布置進行重新校核，見圖9，發現轉向管柱、中間軸及轉向器輸入軸3根軸的軸線夾角α1為157.8°，α2為153.8°，中間軸兩端萬向節平面夾角γ12為38.6°，計算力矩波動為20%，見圖10。設計要求力矩波動通常為＜5%，所以此車力矩波動嚴重超差，手力矩設計值為5 N·m，由于有力矩波動，所以手力矩為（5±1） N·m。

3.4 優化措施

重新布置轉向管柱、中間軸、轉向器輸入軸3根軸線所夾的角度，設計輸入α1=α2，實際設計α1為155.8°，α2為155.7°，中間軸萬向節平面夾角γ 12為15.5°，力矩波動計算為0.1%，波動很小，圖11為對問題車型轉向系統的優化布置，圖12為優化后力矩波動計算圖。

3.5 優化結果

在問題車型上更換優化后的轉向系統，并重新進行原地轉向手力矩的測試，測試結果見圖13。從測試結果可以看出力矩波動問題得到解決，手力矩曲線趨近于直線。

5 結束語

通過對液壓轉向系統的手力沉重問題進行分類，詳細分析了產生手力沉重問題的原因，并對問題車型轉向沉重問題進行優化改進，經測試驗證后，改進效果明顯。如果操縱轉向盤感到過重，便不能敏捷的轉動轉向盤，使駕駛員因勞動強度過大而產生疲勞。當然操縱轉向盤的力矩也不能設置過輕，過輕會使駕駛員產生“發飄”而失去路感難于控制汽車的方向。合理設置轉向盤力矩是提高整車駕駛舒適性的重要指標。

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U463.44

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10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.009

2014-05-05

1002-4581（2014）05-0035-05