液壓轉向系統冷啟動沉故障機理及測試方法研究

鄭勇，劉科陽

（1.江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052；2.航空工業新航豫北轉向系統（新鄉）有限公司，河南 新鄉 453003）

關鍵字：冷啟動沉故障機理；測試方法

引言

在冬季氣溫低于-20℃甚至低于-10攝氏度時，裝有液壓轉向系統的車輛經常出現啟動車輛后短時間內（一般在半分鐘以內）打不動方向的故障，這種故障為冷啟動沉故障，如果車主有熱車的習慣，故障則不容易被發現。

本文先介紹了液壓轉向系統工作及冷啟動沉故障產生的機理，然后結合容易導致故障的部件，介紹了一種通過測試數據分析識別出故障部件的方法，并結合實際案例驗證這種方法的可行性。

1 轉向系統工作原理

1.1 液壓轉向系統介紹

液壓轉向系統由轉向盤1、轉向軸2、齒輪齒條式整體動力轉向器 3、轉向液壓泵和轉向油罐（steering reservoir）7等組成。齒輪齒條式整體動力轉向器3又由轉向控制閥4、齒輪齒條式轉向器5、轉向動力缸6構成。轉向油罐7 儲存液壓油，有進、出油管接頭，通過油管分別與轉向液壓泵8 和轉向控制閥4連接。轉向液壓泵8 安裝在發動機上，由曲軸通過皮帶驅動，將油從轉向油罐處吸入并向轉向控制閥4 供給液壓油。轉向控制閥4 通過改變液壓油路來改變動力傳遞路線。轉向動力缸6內由活塞分隔成左右兩個工作腔，工作腔通過油道分別與轉向控制閥4連接。控制閥來控制車輛的直行、左轉、右轉[1]。

1.2 油泵結構工作原理

轉向系統普遍使用雙作用葉片泵，雙作用葉片泵由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和4段過度曲線組成，且定子和轉子是同心的，當轉子順時針方向旋轉時，密封工作腔的容積在左上角和右下角逐漸增大，為吸油區，在左下角和右上角逐漸減小，為壓油區；吸油區和壓油區之間有一段封油區將吸、壓油區隔開。這種泵的轉子每轉一周，每個密封工作腔完成吸油和壓油動作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵[1]。

圖1 齒輪齒條動力轉向系統示意圖

圖2 雙作用葉片泵工作原理

2 冷啟動沉故障產生的機理及改進方案

2.1 冷啟動沉故障產生的機理

圖3 轉向力矩比對曲線

圖4 油壓比對曲線

通過對故障車輛測試，發現冷啟動故障出現時，方向盤輸入40Nm才勉強轉動方向盤，一分鐘后故障消失時， 4Nm就可以轉動方向盤（見圖3）。繼續對故障車輛進行測試分析，發現冷啟動故障出現時，系統油壓只有 3MPa，冷啟動故障消失時，系統油壓恢復正常值（見圖4）。通過上述測試，得知冷啟動沉的原因是轉向系統壓力變小，需要方向盤輸入更大的扭矩來彌補系統壓力的不足，這個時候駕駛員就會感覺到方向沉或者打不動方向。

2.2 改進方案

導致冷啟動故障的原因有多種，例如因為油的黏溫特性，油液在低溫下粘度過大，導致油泵的自吸能力下降；例如在低溫下轉向器內部伺服環不能起到很好的密封作用，導致內泄。如果是油泵導致故障，常采用更改葉片結構的改進方法；如果是轉向器伺服環導致故障，常采用更換材料和配合尺寸的方法。在采用改進方案之前需要首先判定故障源，而故障源的判定無法有效通過主觀來判定，需要設計一個有效的測試方法。

2.3 測試方法研究

假設轉向系統在常溫下正常工作時油壓流量滿足設計要求，那么根據液壓系統的工作原理可知，如果是油泵不能有效吸油導致冷啟動沉故障，則故障出現時刻，在中位的流量應小于設計值，極限保舵時的流量接近0，壓力小于設計值；如果是轉向器內泄導致冷啟動故障，則故障出現時刻，在中位的流量是正常值，而在極限保舵時流量遠大于 0，壓力小于設計值[2]。綜上所述，通過判斷流量在中位和極限保舵時的數值可以判定故障源。

對于系統流量的測試，常規做法是使用流量計串聯在回油管路中的油壺和回油管之間，流量計的量程范圍特別是下限量程很重要，此處采用德國hydrotechnik GFM30，最小測量范圍可以達到0.2L/min。

3 整車測試

3.1 數采系統設備信息

本次實車的試驗使用了東方所數采設備（8通道），表1所列為測試的主要設備。

表1 測試主要設備

3.2 傳感器的連接

按照上面所述，流量傳感器串聯在油壺處，油壓傳感器串聯在油泵出油口處（見圖5）。

圖5 流量計和油壓傳感器測試

按照 2.3測試方法研究，分別對中位和極限位置的流量進行測試。

3.3 測試結果分析

從圖6可以看出，常溫時流量達到8.5L/min，而在冷啟動故障出現時流量只有4.3L/min，油泵的吸油量降低了一半。在極限位置保舵測試流量0.2L/min（圖7），說明轉向器不存在內泄，冷啟動故障和轉向器無關。綜上所述可以判定油泵是導致冷啟動故障的根本原因。

圖6 流量比對曲線

圖7 極限保舵流量曲線

根據測試結果，確定油泵是故障源，通過對油泵進行解析，對油泵葉片處結構進行了優化，裝車后再次進行測試和主觀評價，故障消除。

4 結論

通過油壓的測試可以判定是否冷啟動故障，通過流量測試可以判定是冷啟動故障是油泵還是轉向器引起，通過測試結果進行后續改進可以有的放矢，能夠快速有效的解決此類故障。