商用車(chē)循環(huán)球液壓助力轉(zhuǎn)向器手力特性曲線調(diào)試案例分析

王 立，段慧琪，崔富華，馮志剛，張 鵬，宋宇皓

(山西淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車(chē)安全部件中極其重要的一部分，其中轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要組成部件。而循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由于傳動(dòng)效率高(達(dá)90%～95%)、磨損較小、使用壽命長(zhǎng)、扭矩大和運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，現(xiàn)仍然在大中型商用車(chē)中扮演著重要的角色。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)向器的性能檢測(cè)中，手力特性曲線是最重要的一個(gè)項(xiàng)目。性能測(cè)試中常會(huì)遇到手力特性曲線保壓不足內(nèi)泄露、曲線范圍超出公差、曲線扭力值高低不穩(wěn)、曲線對(duì)稱(chēng)度差等問(wèn)題。從手力特性曲線中還可以了解閥總成中各個(gè)相關(guān)配合零件的加工精度，如：閥芯和蝸桿孔軸配合尺寸不良導(dǎo)致閥轉(zhuǎn)動(dòng)不靈敏；閥芯限流邊尺寸大小影響手感輕重；閥芯限流邊相對(duì)于蝸桿的油槽角向關(guān)系不良，影響位置的正確性。上述各項(xiàng)內(nèi)容都直接影響動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的工作性能，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的分析，找出原因，以便針對(duì)性地解決問(wèn)題。

1 手力特性曲線區(qū)域分析

英制的手力特性曲線如圖2所示。手力特性曲線一般劃分為4個(gè)區(qū)間[1]：A區(qū)為汽車(chē)直線行駛中，轉(zhuǎn)向擺角較小，扭矩變化在±15 in-lb，壓力幾乎為0；C區(qū)是常用轉(zhuǎn)向區(qū)，該區(qū)間轉(zhuǎn)向助力的動(dòng)力作用明顯增加，扭矩范圍為23～45 in-lb，壓力為20～70 PSI，重型車(chē)和輕型車(chē)在該區(qū)間的要求范圍也不相同，重型車(chē)一般扭矩值較大，輕型車(chē)一般扭矩值較小；D區(qū)為最大轉(zhuǎn)角區(qū)，接近于原地轉(zhuǎn)向情況，此時(shí)轉(zhuǎn)向阻力最大，扭矩范圍為45～62 in-lb，壓力為75～175 PSI；介于A區(qū)和C區(qū)之間的區(qū)間為臨界轉(zhuǎn)換區(qū)——B區(qū)，它是汽車(chē)從高速行駛小角度轉(zhuǎn)向向低速行駛大角度轉(zhuǎn)向的過(guò)渡區(qū)，它的大小由閥芯的限流邊寬度、扭桿扭力等參數(shù)決定。公制的手力特性曲線如圖3所示。下述主要分析A區(qū)和C區(qū)這2個(gè)區(qū)間。

圖2 手力特性曲線(英制)

圖3 手力特性曲線(公制)

圖2中，A區(qū)扭矩達(dá)到20 in-lb，壓力幾乎為0，C區(qū)扭矩范圍為23～45 in-lb，壓力為20～70 PSI。圖3中，A區(qū)扭矩達(dá)到1 N·m，壓力幾乎為0，C區(qū)扭矩達(dá)到3.5 N·m，壓力為6 MPa，通過(guò)in-lb和N·m、PSI和MPa單位換算后，可以看出圖3反映的是靈敏的狀況。A區(qū)的大小應(yīng)當(dāng)適中，過(guò)大易造成動(dòng)力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向不靈敏，過(guò)小易造成直線行駛位置附近小角度轉(zhuǎn)向區(qū)的路感變差。當(dāng)汽車(chē)行駛中進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)向時(shí)，具有圖3曲線的轉(zhuǎn)向器能及時(shí)做出反應(yīng)，提供一定的壓力來(lái)克服轉(zhuǎn)向阻力使車(chē)輪轉(zhuǎn)向。而當(dāng)駕駛?cè)诉M(jìn)一步加力轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向器壓力卻突然上升，這種轉(zhuǎn)向器反應(yīng)遲鈍，車(chē)輪轉(zhuǎn)向滯后，容易造成駕駛?cè)伺袛嗍д`，并且影響駕駛?cè)藢?duì)道路狀況的感覺(jué)。圖4和圖5所示是解放J6和混泥土攪拌車(chē)Z06等商用車(chē)型用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的手力特性實(shí)測(cè)曲線。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)表明，圖5轉(zhuǎn)向器隨著路面轉(zhuǎn)向阻力的增大，方向盤(pán)操縱旋轉(zhuǎn)動(dòng)作中一定角度范圍內(nèi)相應(yīng)的是大角度轉(zhuǎn)換小角度，液壓油壓力不穩(wěn)，流量不穩(wěn)導(dǎo)致液壓缸動(dòng)作不穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向輪有突然的角度變化，引起駕駛方向控制不穩(wěn)。而圖4轉(zhuǎn)向器比圖5轉(zhuǎn)向器明顯要好。圖4的曲線體現(xiàn)在方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)上是各個(gè)角度范圍中始終是均勻角度的助力，隨著方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，阻力的增大，轉(zhuǎn)向閥均勻打開(kāi)，液壓油穩(wěn)定輸出，推動(dòng)液壓缸均勻動(dòng)作，增加助力。

圖4 J6手力特性實(shí)測(cè)曲線

圖5 Z06手力特性實(shí)測(cè)曲線

造成A區(qū)變寬的原因是閥芯的限流邊尺寸的大小和扭力桿的扭力值。轉(zhuǎn)向閥是否均勻打開(kāi)關(guān)閉是由閥芯限流邊與蝸桿閥口棱邊相互間的開(kāi)口尺寸控制的，同時(shí)也受到閥芯限流邊和蝸桿閥口棱邊的相互角度位置關(guān)系影響[2]。手力特性曲線的一般要求是平滑過(guò)渡，不能出現(xiàn)任何拐點(diǎn)和突變，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題主要是在閥芯的筋上加工限流邊和控制好閥芯的限流邊角向位置精度來(lái)解決[3]。限流邊的形式較多，主要有折線形和圓弧棱形(見(jiàn)圖6和圖7)。

圖6 折線形限流邊

圖7 圓弧棱形限流邊

設(shè)油泵控制流量為Q，由液壓原理中微小流速伯努里方程可得節(jié)流口壓力差與流量的關(guān)系[4]：

(1)

式中，ΔP為閥節(jié)流口壓力差；S0為閥節(jié)流口過(guò)流面積；C為流量系數(shù)。

由式1得：

(2)

(3)

圖8 閥芯限流邊的平面展開(kāi)圖

(4)

由式3和式4可以看出，閥芯限流邊寬度過(guò)大或閥芯限流邊長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)均能使S0增大，導(dǎo)致壓力差ΔP減少。

2 手力特性曲線不合格圖像的分析

2.1 手力特性曲線卡滯

在手力特性曲線平衡檢測(cè)、對(duì)中打銷(xiāo)時(shí)，曲線常常出現(xiàn)卡滯情況。

“卡滯”的手力特性曲線的閥系統(tǒng)在實(shí)際工作中反映的現(xiàn)象是轉(zhuǎn)向時(shí)助力會(huì)有突然的增加或者減少，這種情況在行駛中容易引起方向不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致交通安全事故。

從手力特性曲線上看，“卡滯”手力特性曲線是由于扭力突然的增大或者減小引起的(見(jiàn)圖9)。通常情況下，扭力的突變是由于閥芯與蝸桿在相互轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了干涉所致，一是兩者之間間隙過(guò)小或者兩者圓度、圓柱度過(guò)大引起的摩擦力過(guò)大；二是閥體總成中的滾動(dòng)軸承不靈活所致；三是因?yàn)殚y總成內(nèi)各個(gè)相關(guān)零件安裝過(guò)程中的幾何公差不良導(dǎo)致。遇到卡滯曲線時(shí)，可以從上述3點(diǎn)分析問(wèn)題加以解決，應(yīng)保證閥總成在裝配后轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。

圖9 “卡滯”手力特性曲線

2.2 曲線對(duì)稱(chēng)度差

在手力特性平衡、打銷(xiāo)加工過(guò)程中，曲線對(duì)稱(chēng)度是關(guān)鍵檢測(cè)項(xiàng)目之一。對(duì)于曲線對(duì)稱(chēng)度差的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器(見(jiàn)圖10)，在臺(tái)架試驗(yàn)中，沒(méi)有加力動(dòng)作時(shí)方向盤(pán)會(huì)有單向微動(dòng)，只有曲線對(duì)稱(chēng)度達(dá)到90%以上時(shí)，才會(huì)有好的表現(xiàn)。

圖10 “對(duì)稱(chēng)度偏左”手力特性曲線

手力特性曲線對(duì)稱(chēng)度問(wèn)題分析：一是閥芯限流邊和蝸桿槽口的角度位置精度低，閥芯限流邊和蝸桿槽口的角度位置精度主要由設(shè)備和工裝來(lái)保證(目前生產(chǎn)設(shè)備：閥套內(nèi)槽由澳大利亞BISHOP公司數(shù)控六軸聯(lián)動(dòng)撓槽機(jī)加工；閥芯限流邊由瑞士STUDER公司的曲線磨床加工)；二是手力特性平衡機(jī)的平衡準(zhǔn)確性和平衡后打孔壓銷(xiāo)的準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確地進(jìn)行手力特性平衡后，夾具的緊固狀態(tài)在打孔壓銷(xiāo)過(guò)程中不能有松動(dòng)，打孔壓銷(xiāo)2個(gè)工步應(yīng)連續(xù)，過(guò)程中夾具夾緊部件，不能有松動(dòng)導(dǎo)致位置偏移。手力特性平衡過(guò)程中的壓力和扭矩是否合格均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)庫(kù)中規(guī)定了扭力值和壓力、回程的合格范圍。只有所有檢測(cè)數(shù)據(jù)在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行打孔壓銷(xiāo)，再?gòu)?fù)測(cè)合格后，才算合格。

2.3 閥總成中扭桿扭力的要求

閥總成裝配后，在調(diào)節(jié)過(guò)程中閥芯限流邊和蝸桿槽口開(kāi)合運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和扭力值大小，對(duì)手力特性曲線的影響也是關(guān)鍵的因素。扭力值過(guò)大，曲線A區(qū)較寬，方向手感較重；扭力值過(guò)小時(shí)，曲線的A區(qū)較窄，行駛過(guò)程中方向輕，穩(wěn)定性不好。因此，閥總成中扭桿扭力大小有定量的要求。同時(shí)還要滿(mǎn)足方向回正時(shí)的曲線回程寬度[6]。

(5)

式中，Mn是扭力值；β是扭桿的相對(duì)轉(zhuǎn)角，單位為(°)；D是扭桿直徑，單位為mm；G是扭桿的剪切彈性模量，單位為N/mm；L是扭桿的有效長(zhǎng)度，單位為mm；I是扭桿的截面極慣性矩。

從式5中可知，扭桿在制造中非常重要，扭桿不但應(yīng)在機(jī)械加工過(guò)程中嚴(yán)格控制，而且熱處理也是非常關(guān)鍵的工序。

a) 有效直徑為φ5.7 mm的扭桿

b) 手力特性曲線圖11 改進(jìn)前

a) 有效直徑為φ5.9 mm的扭桿

b) 手力特性曲線圖12 改進(jìn)后

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析手力特性曲線圖，不但可以判斷閥總成及閥總成內(nèi)零件的質(zhì)量好壞，還可以了解到閥總成的質(zhì)量問(wèn)題出在何處。所以在手力特性平衡調(diào)試過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常注意曲線狀態(tài)，既要判斷裝配總成是否合格，又要及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥總成質(zhì)量問(wèn)題，分析改正，并指導(dǎo)生產(chǎn)及時(shí)調(diào)整零件的相關(guān)尺寸。通過(guò)對(duì)手力特性曲線圖的研究，從中找出規(guī)律，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量。