汽車動力轉(zhuǎn)向器油路分析及排油方法

李廣明， 范秦寅， 張廣麗

（1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.日本大阪大學(xué)，日本 大阪 5640053）

0 引 言

汽車動力轉(zhuǎn)向器為汽車轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向變得輕松自如。現(xiàn)代汽車中均裝有該機(jī)構(gòu)［1］。液壓式動力轉(zhuǎn)向器工作原理如圖1所示。

A軸與方向盤相連，B軸與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連，當(dāng)汽車需右轉(zhuǎn)時，駕駛員向右轉(zhuǎn)動方向盤，從而帶動A軸旋轉(zhuǎn)，高壓油通過轉(zhuǎn)向控制閥與轉(zhuǎn)向器左腔相連，推動轉(zhuǎn)向螺母向右移動，通過轉(zhuǎn)向螺母上的輪齒帶動B軸旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)汽車向右轉(zhuǎn)向。需向左轉(zhuǎn)向時，工作過程正好相反。

圖1 汽車動力轉(zhuǎn)向器工作原理

汽車動力轉(zhuǎn)向器總裝后，要對其進(jìn)行合格檢驗，主要是模擬實際使用情況進(jìn)行性能試驗，試驗合格方能出廠，試驗后的轉(zhuǎn)向器中充滿了試驗所用的液壓油，按要求必須將其所含液壓油排除，然后再進(jìn)行表面清潔與噴漆，最后進(jìn)行包裝［2］。排油機(jī)的目的是排除其內(nèi)部殘存的液壓油。

汽車動力轉(zhuǎn)向器是一個結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，要想順利地排出其內(nèi)部殘存的液壓油，必須對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，尤其要弄清各油路的位置以及它們之間的關(guān)系。

1 汽車動力轉(zhuǎn)向器的排油生產(chǎn)現(xiàn)狀

全國有許多生產(chǎn)汽車動力轉(zhuǎn)向器的企業(yè)，各企業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器種類有所不同，文中所涉及的為重型卡車用液壓式動力轉(zhuǎn)向器。按行業(yè)要求，產(chǎn)品總裝后均要進(jìn)行性能試驗，主要是檢測其內(nèi)泄和轉(zhuǎn)向力特性等，試驗過程中所用的液壓油經(jīng)過濾返回到試驗機(jī)的油箱從而實現(xiàn)循環(huán)使用，但試驗后的動力轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔仍含有許多液壓油，其殘存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品出廠要求［3］。這樣不但會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且在汽車總裝時殘存的液壓油會因外泄而污染生產(chǎn)環(huán)境。

目前，國內(nèi)各動力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)企業(yè)解決該問題主要途徑有兩個：一個是吹氣排油法，一個是自然空油法。吹氣排油法就是將壓縮空氣通過出油口向其內(nèi)腔充氣，然后迅速抽出氣咀，其內(nèi)部殘存的液壓油就會隨氣流流出［4］。自然空油法就是將試驗后的產(chǎn)品倒立放置，靠液壓油的自重自然流出。從企業(yè)液壓油的耗油量來看，這兩種方法的排油效果均不理想，經(jīng)現(xiàn)場實際解體50A型汽車動力轉(zhuǎn)向器檢測發(fā)現(xiàn)，殘存量一般為300mL左右［5］。這兩種方法還有個共同的不足之處就是排油效果在很大程度上受人為因素的影響較大。

2 汽車動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及油路分析

汽車動力轉(zhuǎn)向器無論其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是其油路均較為復(fù)雜，要想順利地將液壓油排出，必須弄清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及油路情況。

轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥工作原理如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥工作原理

圖3 汽車動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 （a）為直行時的狀態(tài)，此時閥芯處于中間位置，液壓油會由進(jìn)油口P流入G口直接返回油箱，從而保持汽車直行狀態(tài)。當(dāng)汽車左右轉(zhuǎn)彎時的油路走向為圖2（b），（c），轉(zhuǎn)向器在做完性能試驗時處于圖2（a）狀態(tài)，也就是各油路均處于相通的狀態(tài)［6］。

轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

A腔只有下面的一個油路與之相連，沒有其它回路，該油路即是A腔的進(jìn)油口，也是出油口，因此該腔殘存的液壓油只有通過該油路才能排出。

3 排油方法的探索

從轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和油路關(guān)系看出，有些企業(yè)采用自然空油法排油，就是將轉(zhuǎn)向器倒立向外空油，從結(jié)構(gòu)上看，這種方法A腔的油根本空不出來，即使期間搖動圖1中的A軸使活塞向左移動，也不會將A腔中的液壓油完全排出（受轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的限制，活塞不可能搖到最左端）。吹氣排油法在操作時同樣是將轉(zhuǎn)向器倒立，這種方法盡管排油很快，但其在操作過程中沒有搖動A軸過程，這樣A腔中液壓油是吹不出來的，其殘余量會更多。若是將轉(zhuǎn)向器倒立，使圖1所示的轉(zhuǎn)向器A軸向下，采用連續(xù)吹氣法，從理論上講B腔的液壓油好像能很順利地吹出，但經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，吹氣時會出現(xiàn)空氣從進(jìn)油口進(jìn)入，然后直接從出油口排出，將油頂?shù)揭贿叺默F(xiàn)象。所以用該方法也很難將液壓油排出［7］。

2007年為長春市某轉(zhuǎn)向器企業(yè)研制了2臺轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)，該機(jī)器所采用的方法為真空抽取法，真空抽取法是利用負(fù)壓所產(chǎn)生壓力差將動力轉(zhuǎn)向器內(nèi)殘存的液壓油抽出來。一臺機(jī)器可同時抽取2臺轉(zhuǎn)向器，每2min實現(xiàn)一個循環(huán)，整個工作過程實現(xiàn)自動化，抽油后每件產(chǎn)品內(nèi)殘存液壓油的實際含量不超過100mL。7年來該設(shè)備一直應(yīng)用于生產(chǎn)之中。

3.1 前期工作的總結(jié)

采用真空抽取法研制的轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)在實際生產(chǎn)中已應(yīng)用7年，很好地解決了企業(yè)在此生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境污染，降低了工人的勞動強(qiáng)度，也大大地降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。但在設(shè)備應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，真空抽取必須營造一個真空環(huán)境，要有一個真空罐，與之相連的有真空泵、抽油管、排油管、液位傳感器、清污口等，這些環(huán)節(jié)有一處連接不密封或出現(xiàn)問題都會大大地影響抽油效果。抽油管以及補氣管與轉(zhuǎn)向器的連接處稍有密封不嚴(yán)也會使抽油效果大打折扣，因此在工作中要經(jīng)常進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。真空泵的長時間使用使其故障率過高，由此也產(chǎn)生了一定的維護(hù)成本。總之，過于復(fù)雜的設(shè)備無形中增加了設(shè)備的故障率和維護(hù)費用。在工作過程中也發(fā)現(xiàn)了一些因人為因素而影響抽油效果的情況，如有的工人在工作時，進(jìn)出油口的快速接頭沒有擰緊就開始抽油，有時抽油機(jī)還沒有停就往下卸工件，這樣一定會導(dǎo)致抽油效果不佳。因此，制定嚴(yán)格的操作規(guī)程是很有必要的，在設(shè)備研制時也應(yīng)考慮將人為因素影響降為最低。

3.2 新排油方法的探索與實踐

傳統(tǒng)的排油方法存在著排油不徹底、污染環(huán)境和工人勞動強(qiáng)度大等不足。真空抽取法解決了這樣的問題。但由于真空排油法其設(shè)備環(huán)節(jié)過多，過于繁瑣，影響抽油效果的因素過多，因此仍有改進(jìn)或重新設(shè)計的必要。

從轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和油路分析看，其液壓油主要存于左右兩腔（見圖1），左右兩腔被中間的活塞完全隔開，因此必須想辦法將兩腔的油分別排出。要想排出左腔的油，必須使轉(zhuǎn)向器處于平臥狀態(tài)，同時使連通該腔的油路處于最低點，而要排出右腔的油，又要使轉(zhuǎn)向器A軸向下處于豎直狀態(tài)，這樣才能使右腔的油流向最下方的出油口。轉(zhuǎn)向器各油口的連接及轉(zhuǎn)換，均是靠閥套與閥芯的相對位置變化（見圖2），而閥套與閥芯各油口的設(shè)計及間隙又異常細(xì)小，因此液壓油靠自重是很難排出的。構(gòu)想首先將出油口通過電磁閥將其關(guān)閉，通過進(jìn)油口向轉(zhuǎn)向器內(nèi)注入壓縮空氣，排左腔的油時使轉(zhuǎn)向器平臥，使左腔的油路處于最低點，由于空氣的比重小于液壓油，這樣就會使左腔內(nèi)壓縮空氣在上而液壓油在下的狀態(tài)，此時啟動控制電路，使連接出油管的電磁閥瞬間打開（連接進(jìn)油口的充氣閥同時關(guān)閉），這樣壓縮空氣就會推動下面的油通過出油口將其強(qiáng)行排出。右腔的排油方法與之相同，只是排右腔的油時必須使轉(zhuǎn)向器處于倒立狀態(tài)，每腔用同樣的方式重復(fù)幾次，就會將其腔內(nèi)殘存的液壓油排出。

用此方法排油，從理論上是可行的，但在實際操作時，還有一個時間節(jié)點問題，即每次注入壓縮空氣多長時間，保持多長時間，釋放多長時間。其中的保持時間主要是因為油都有一定的黏度，必須給出其流動聚集到最低點的時間。通過大量的試驗，我們已經(jīng)總結(jié)出了各時間段的最佳結(jié)合，近期所研制的轉(zhuǎn)向器排油機(jī)能保證在2min之內(nèi)將油排出，與真空式抽油機(jī)一樣，機(jī)器由PLC控制，全過程自動化，經(jīng)稱重其殘余量小于90mL。我們將這種排油方法稱之為充氣排油法。

與之前所研制的真空式抽油機(jī)相比，最新的充氣排油法排油機(jī)結(jié)構(gòu)有了很大的簡化，去除了與真空有關(guān)的一連套機(jī)構(gòu)，大大地降低了設(shè)備成本，其維修維護(hù)也變得簡單易行，兩者的排油效果基本相同。從工作效率上來看，兩者也有一定的差別，真空抽油法受真空泵能力的限制，每次最多可操作兩個工件，而充氣排油法只要現(xiàn)場壓縮氣源充足，同時操作幾個工件都可以。

4 結(jié) 語

汽車產(chǎn)業(yè)為我國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本對我國的國民經(jīng)濟(jì)有著直接的影響。而汽車上的每一個零部件的生產(chǎn)又直接影響著整臺汽車的成本和質(zhì)量。汽車動力轉(zhuǎn)向器作為汽車上的一個部件，降低其生產(chǎn)成本和提高其產(chǎn)品質(zhì)量也具有同樣的意義。全國有眾多的動力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)企業(yè)，作為企業(yè)生產(chǎn)工藝裝備的空白，深入研究和完善動力轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)具有一定的現(xiàn)實意義［8］。本課題組經(jīng)過多年努力研制了兩代動力轉(zhuǎn)向器排油機(jī)并應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)之中，從而填補了這方面的空白，使企業(yè)在這個生產(chǎn)環(huán)節(jié)上有了很大的改善，具有推廣價值，但汽車動力轉(zhuǎn)向器的種類繁多，因此，有必要研制和完善針對不同種類的動力轉(zhuǎn)向器排油機(jī)，為我國汽車工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

［1］ 李堂正.汽車動力轉(zhuǎn)向器的流場分析及其吸油機(jī)重要參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2011.

［2］ 閆麗.動力轉(zhuǎn)向器總成的流體力學(xué)分析及其排油裝置的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

［3］ 程凱，周香，李廣明.汽車動力轉(zhuǎn)向器的流場分析［J］.機(jī)械工程師，2010，16（3）：59－61.

［4］ 周香.汽車動力轉(zhuǎn)向器的流體力學(xué)特性及吸油裝置研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2010.

［5］ 鄒海林.基于噴射技術(shù)的汽車動力轉(zhuǎn)向器排油裝置的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

［6］ Guangming Li.Optimao design of main parameters for automotive power steering units take out oil machine［C］／／ICETIS2014.Jinan China：［s.n.］.2014：308－311.

［7］ 李廣明.汽車動力轉(zhuǎn)向器流體特性分析［J］.佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2015（2）：327.

［8］ 遲瑞豐.概念車身結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，35（4）：365－370.