淺談某輕卡車型動力轉向機構與方向機的匹配設計

佟 杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺談某輕卡車型動力轉向機構與方向機的匹配設計

佟 杰

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經常改變其行駛方向，即所謂汽車轉向。就輪式汽車而言，實現汽車轉向的方法是駕駛員通過一套專設的機構，使汽車轉向橋（一般是前橋）上的車輪（轉向輪）相對于汽車縱軸線偏轉一定的角度。汽車轉向系根據其轉向能源的不同，可以分為機械轉向系和動力轉向系兩大類型。文章將重點介紹動力轉向系。動力轉向機構采用的動力源到目前為止應用最廣泛的是液壓源。動力轉向機構應用在選擇上有一個與方向機匹配的過程，在這一選擇過程中，如果匹配不合理，就會出現轉向發飄或者沉重的現象。因此，本文以某輕卡車型為例，重點論述了動力轉向機構及方向機的匹配設計。

動力轉向機構；方向機

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-56-03

引言

隨著汽車工業的迅猛發展，作為汽車關鍵部件之一的轉向系統也得到了相應的發展，基本已形成了專業化、系列化生產的局面。由于汽車轉向器屬于汽車系統中的關鍵部件，它在汽車系統中占有重要位置，因而它的發展同時也反映了汽車工業的發展，它的規模和質量也成為了衡量汽車工業發展水平的重要標志之一。傳統的轉向器只能相對地解決轉向輕便性和操縱靈便性的問題，要想從跟本上解決這兩個問題只有安裝動力轉向器。動力轉向功能的實現，方向機起著重要作用，因此本文對轉向機構與方向機的匹配設計做了詳細論述。

1 動力轉向系結構組成

動力轉向系兼用駕駛員的體力和發動機動力作為轉向能源，并且以發動機動力作為主要能源。動力轉向系是在機械轉向系基礎上加設一套轉向加力裝置而成的。轉向加力裝置包括轉向油罐、轉向油泵、轉向控制閥和轉向動力缸等。轉向油泵由發動機驅動，以產生高壓油液。

2 動力轉向原理

當駕駛員逆時針方向轉動轉向盤時，轉向搖臂將拉動轉向直拉桿向前運動。轉向直拉桿的拉力作用在轉向節臂上，使左側轉向節及左側轉向輪繞主銷向左偏轉一個角度，同時通過梯形臂和轉向橫拉桿使另一側轉向節與轉向輪繞該側轉向主銷偏轉一定的角度，這時汽車將向左轉向。與此同時，轉向直拉桿還帶動了轉向控制閥中的滑閥移動，使轉向動力缸的右腔接通轉向油泵的出油口，右腔通過轉向控制閥與轉向油罐接通，轉向動力缸的活塞所受的向右的液壓作用力便經其推桿也作用在轉向橫拉桿上。由于液壓作用力較大，便在很大程度上減輕了駕駛員的操縱力。

3 動力轉向機構與方向機的匹配設計

3.1 動力轉向機構圖解

下圖是一個典型的含動力轉向機構的轉向系統布置圖。

圖1 動力轉向機構示意圖

由圖1可知，在一個含動力轉向機構的轉向系統中，主要由四部分構成：方向機、動轉油罐、動轉泵以及管路。

3.2 動力轉向機構與方向機匹配計算

下面，我們就以某輕卡車型為例，來說明輕型載貨汽車的動力轉向機構與方向機如何進行匹配計算。

3.2.1 方向機的確定

方向機的選擇首先應該考慮整車的原地轉向阻力矩。

某輕卡車型的前橋負荷為 2500Kg～3000Kg，在計算時為了可靠性的要求，不妨將負荷取最大值3000Kg；該車型的輪胎為8.25-16，按照最大承載時的氣壓取值，一般取14層級時的氣壓630Kpa；輪胎與地面間的滑動摩擦系數一般取值為0.7。

將上述數據代入下面公式：

G1—前橋負荷(N)

P—輪胎氣壓(Mpa)

f—輪胎和路面間滑動摩擦系數

因此，所選方向機的最大輸出力矩要大于此值。經過綜合考慮，該輕卡車型選用了一款相匹配的成熟方向機產品。下表為該產品的主要性能參數：

表1 方向機參數

那么，以具備上表參數的方向機作為基礎，通過計算進行動轉泵的選擇。

3.2.2 動力轉向泵的設計

3.2.2.1 動力轉向泵的要求

1）在發動機怠速時提供足夠的流量和壓力。

2）工作效率高，能耗小。

3）低噪音。

4）工作可靠、耐久。

5）工作溫度在希望的范圍之內。一般控制在-40°C～120°C。

6）帶有限壓閥，以保證動力轉向系統的最高壓力限制在設計要求的正常范圍內。

7）帶有流量控制閥，以處理發動機高速時帶來的過多流量，保證汽車方向盤不“發飄 ”。

8）尺寸小、重量輕。

9）低成本。

3.2.2.2 動力轉向泵的重要參數

動轉泵的最大工作壓力、轉向系統實際需要流量；另外，我們開篇就講過，動轉泵的能量來自于發動機，因此，在我們選擇動轉泵之前，以下三個參數是必需知道的：即發動機的怠速轉速、發動機附帶動轉泵的公稱排量、發動機轉速與動轉泵轉速速比。

該輕卡車型所用發動機的怠速轉速為760r/min；發動機附帶動轉泵的公稱排量 11ml/r；發動機轉速與動轉泵轉速速比有兩個選擇分別是1.69和1.15。

3.2.2.3 動力轉向泵選擇時的必要計算

轉向泵的最大壓力 Pmax取決于方向機的最高工作壓力，一般取：

其中：

P1—方向機的最高壓力，最大壓力應由方向機廠家提供

△P—管路損失，取0.3～0.5Mpa

由表1可知，方向機的最高壓力為10.3Mpa,管路損失取中間值0.4Mpa，代入公式Pmax=P1+△P=10.3+0.4=10.7Mpa

轉向油泵必須有足夠的流量以保證汽車有較快的轉向速度。據對江淮汽車關于轉向速度的統計，汽車轉向盤的最快轉速一般要求在 1.0～1.25轉/秒 。如取中間值為 1.125轉/秒，即68轉/分（68r/min），則動力轉向系統設計時要求油泵在發動機怠速運轉時要能夠提供給方向機足夠的工作流量，由此對于動轉泵的流量可計算如下：

其中：

Q—動轉系統實際需要流量（L/min）。

S—動力轉向器油缸實際工作面積（mm2）

Q1—動力轉向器允許的內泄漏量（L/min）

V—活塞移動速度（mm/min）。

n—轉向盤最大轉速（r/min）。

t—螺距(mm)

根據上面計算結果，即可確定動轉系統所需要的實際流量。

如將方向機所提供的參數代入公式 4-2-3可得該車型的轉向系統實際需要流量為6.9L/min，即所選定的動轉泵的實際流量不能小于6.9L/min。

3.2.2.4 怠速流量與轉向助力泵的實際流量對比

已知：發動機動轉泵公稱排量11ml/r.發動機轉速與動轉泵轉速速比有兩種選擇分別是1.69和1.15，發動機的怠速轉速為760r/min。則

其中：

Q怠—發動機怠速狀態流量（L/min）；

V怠—發動機的怠速轉速（r/min）；

η1—發動機轉速與動轉泵轉速速比；

V排—動轉泵公稱排量(ml/r)。

將兩組速比1.69和1.15分別帶入公式4-2-4，得到的結果如表2所示：

表2 計算結果

由表2中結果可知：當速比為1.69時發動機怠速狀態流量為 4.9L/min，此流量小于轉向系統實際的工作流量6.9L/min。不能滿足轉向系統的工作流量要求。而速比為1.15時發動機怠速狀態流量為7.3L/min，此流量大于轉向系統實際的工作流量6.9L/min。滿足轉向系統的工作流量要求。

即：發動機轉速與動轉泵轉速速比為1.15時，滿足轉向系統的工作流量要求。故我們選擇動轉泵時應將發動機轉速與動轉泵轉速速比定為1.15。

下面我們再來確認低速流量值，低速流量的計算方法與怠速狀態流量的計算方法相似。

即：

其中：

Q低—發動機低速狀態流量（L/min）；

V低—發動機的低速轉速（r/min）；

η1—發動機轉速與動轉泵轉速速比；

V排—動轉泵公稱排量(ml/r)。

一般況下，我們確定發動機的低速轉速為600r/min，則把以上已知條件帶入公式 3-2-5有：Q低=600÷1.15×11×10-3= 5.7L/min。

3.3 匹配文件輸出

3.3.1 繪制流量特性曲線圖

依據以上計算結果，可繪制流量特性曲線圖如下：

圖2 流量特性曲線圖

3.3.2 確定動轉泵參數表

參照方向機所供參數及以上的計算結果我們可以對轉向泵主要性能參數列表如下：

表3 動轉泵主要性能參數

在該輕卡車型底盤上搭載上述發動機后，我們可以直接確定所選用的動轉泵的幾個主要性能參數：公稱排量11mi/r、最大工作壓力 10.5MPa、轉速范圍500-3500r/min（由發動機參數得到）、控制流量 10±1L/min、傳動比 1.15（通過計算對比確定）。另外，我們還可以通過計算得出的動轉泵怠速流量與動轉泵的實際流量進行對比以確定動轉泵選擇的合理性，同時我們還可以通過計算來確定我們選用的動轉泵的低速流量，然后將我們的結果提供給供應商，以便其產品開發。

[1] 余志生.汽車理論.機械工業出版社,2000.

[2] 王望予.汽車設計.機械工業出版社,2000.

[3]（日）武田信之.載貨汽車設計.人民交通出版社,1997.

[4] 陳家瑞.汽車構造.機械工業出版社,2000.

Matching design of power steering mechanism and steering machine for a light truck

Tong Jie
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

In the course of driving, car drivers will often need to press change its driving directi- on, the so-called steering. Is concerned, realize wheeled car steering method is the driver through a set of institutions and exclusively steering bridge(usually front axle) of the wheel (steering wheel) longitudinal axis deflection relative to car certain Angle. Autom-otive steering system according to its steering energy is different, can be divided into mechanical steering system and power steering system two types.This article will focus on power steering system. Power steering organizations to adopt the power so far are the most widely hydraulic source. Power steering mechanism application on the choice a and direction in the process, machine matcching the selection process, if match is not reasonable, can appear to drift or heavily sreer.Therefore based on HFC1063KR 1 as an example, discusses the matching design of power steering mech- anism and traversing mechanism.

Power steering mechanism; traversing mechanism

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-56-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.019

佟杰（1982-），女，助理工程師。就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。