某特種車轉向沉重問題分析與改進

李海蛟，居剛，陳興華，章健國

某特種車轉向沉重問題分析與改進

李海蛟，居剛，陳興華，章健國

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

在汽車轉向系統中，轉向沉重是最常見的故障形式之一，特別是重載型車輛。轉向沉重問題不僅會影響轉向系統的零部件壽命，還會增加駕駛員的疲勞感，危及行車安全。文章對某特種車轉向沉重問題進行原因進行分析，根據分析結果提出相應的優化方案。問題整改完成后進行轉向輕便性試驗驗證，驗證結果達到了理想的效果。

轉向沉重；轉向輕便性；轉向器阻力；轉動泵參數

前言

轉向沉重是汽車轉向系中最常見的故障之一[1]。轉向沉重不僅會影響零部件的壽命，還會增加駕駛員的疲勞感，對行車安全有嚴重影響[2]。轉向輕便性是評價車輛轉向是否沉重的關鍵指標[3]，國家有明確的標準對轉向輕便性的指標進行要求與評價。本文結合某特種車轉向輕便性的測試結果，找出轉向輕便性差的潛在因素，并對潛在因素進行詳細分析，制定整改方案進行優化，并進行轉向輕便性試驗驗證，直到達到目標要求。

1 現有轉向系統試驗結果

某8×4特種車基本參數如表1所示。

該車按照GB/T 6323進行轉向輕便性試驗，根據試驗結果評價標準，轉向輕便性得分須≥6分。在測試時，駕駛員主觀評價左右轉向受力均較重，屬于不能接受范圍。試驗結果如表2所示，該車轉向輕便性試驗總得分為5分，不滿足標準要求。

2 轉向輕便性原因分析

對本車轉向輕便性差的原因進行分析。轉向輕便性差主要轉向助力不足和轉向阻力過大兩個方面[2]。圍繞這兩個方面進行深層次分析，列出潛在的問題因素，如表2所示。并針對每個因素進行驗證和分析，從而找出關鍵因素。

表1 轉向輕便性試驗數據

測量項目技術要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉轉向盤最大轉角/°≤720567.2583.3594.6581.7OK 轉向盤最大作用力矩/（Nm）≤1012.512.512.212.4NG 轉向盤最大作用力/N≤4055.655.654.255.1NG 右轉轉向盤最大轉角/°≤720588.0607.0604.6599.9OK 轉向盤最大作用力矩/（Nm）≤1011.811.611.711.7NG 轉向盤最大作用力/N≤4052.451.652.052.0NG 轉向盤作用功/J≤150160.4160.9160.6160.6NG 轉向盤平均摩擦力矩/（Nm）≤63.63.93.83.8OK 轉向盤平均摩擦力/N≤1816.417.316.916.9OK 試驗總評分5

表2 問題可能因素

故障第一層次原因末端因素 轉向輕便性差轉向助力不足轉向系統傳動比不當 方向機輸出力矩小 動轉泵參數匹配不當 轉向阻力過大管柱轉動阻力過大 轉向器內阻力大 轉向直拉桿球銷轉動阻力大 前橋輪端轉動阻力大

2.1 轉向系統傳動比

轉向系統的角傳動比設置不合理會導致轉向沉重。轉向系統的角傳動比i與轉向器的角傳動比i1和轉向傳動機構的角傳動比i2相關[4]。三者之間滿足關系：

i= i1×i2（1）

其中，轉向器的角傳動比為轉向盤轉角的增量△與轉向搖臂轉角的相應增量△之比。轉向傳動機構的角傳動比為轉向搖臂軸轉角的增量△與轉向盤所在一側轉向節轉角的相應增量△之比，由于轉向傳動機構的布置中，通常取其在中間位置時使轉向搖臂及轉向節臂均垂直于其轉向縱拉桿，這時轉向傳動機構的角傳動比亦可取為轉向節臂與轉向搖臂之比。

根據本車轉向器技術文件，轉向器的角傳動比為23.2，轉向節臂2長273 mm，轉向搖臂1長286 mm，故轉向傳動機構的角傳動比為：

i22/1=0.95（2）

根據式（1）和式（2），轉向系統的傳動比為：

i= i1×i2=23.20.95=22.04（3）

根據汽車設計手冊中角傳動比的推薦值，重型商用車轉向器角傳動比值一般取20～25[5]，本車轉向系統傳動比滿足設計要求，故排除該原因。

2.2 轉向系統輸出力矩小

轉向系統的輸出力矩應大于轉向系統阻力矩。轉向系統輸出力矩包括轉向器的輸出力矩1和助力缸的輸出力矩2。轉向系統的阻力矩主要為前橋負載阻力矩阻。

表3 轉向系統零部件參數

項目轉向器缸徑/mm轉向器螺桿徑/mm齒扇分度圓半徑/mm轉向器效率轉向系統壓力/MPa助力缸內徑/mm助力缸活塞徑/mm偏擺極限轉角/°助力缸節臂長度/mm助力缸效率 參數1112554.80.93156028302200.96

表3為本車轉向系統零部件參數表，根據轉向器輸出力矩計算公式[4]，轉向器輸出力矩1為：

助力缸的輸出力矩2為：

故轉向系統的輸出力矩：

=1+2=14 003 Nm （6）

根據《汽車底盤設計》相關公式[4]，前橋負載阻力矩公式為：

本車匹配雙前橋，前橋負載阻力矩阻為：

對比式（6）與式（8），>阻，即轉向系統的輸出力矩大于阻力矩，故判定轉向系統輸出力矩小不是轉向輕便性差的原因。

2.3 轉向系統各零部件的阻力

轉向系統各零部件均存在內阻力，對轉向輕便性有一定影響。這些零部件包括轉向管柱、轉向器、前橋輪端、轉向直拉桿。

表4為轉向系統各零部件阻力的檢測結果。從表中可以看出，轉向管柱轉動力矩、前橋輪端阻滯力矩、轉向直拉桿球頭轉動力矩均滿足標準要求，轉向器的受力特性不滿足要求。轉向器轉閥的受力特性直接影響轉向手感，本車轉向器手力特性與標準值相差較大，已經嚴重影響轉向受力，存在一定的優化空間。

表4 轉向系統各零部件阻力的檢測結果

零部件阻力實測值/(Nm)阻力標準值/(Nm)判定結果措施 轉向管柱0.15≤0.3合格無需整改 前橋輪端38.5≤40合格無需整改 轉向直拉桿3.73～6合格無需整改 轉向器9.36～8不合格需整改

對比該轉向器與競品轉向器，競品轉向器在壓力為15 MPa時轉向力矩僅為7.1 Nm，較本轉向器小2.2 Nm，其轉向輕便性數據也已達標。綜合以上分析，轉向器手里特征差是轉向輕便性差的原因。

2.4 動轉泵參數匹配不當

本車轉向器及助力缸的參數如表5所示，動轉泵的參數對該車型動力轉向系統所需要的流量進行分析校核，分析過程如下所示：

表5 轉向器及助力缸液壓參數

項目轉向器缸徑/mm轉向器螺桿徑/mm螺距/mm方向盤轉速/(r/s)助力缸內徑/mm助力缸活塞徑/mm方向盤每轉助力缸移動距離/mm 參數1112513.51.25602848.67

轉向器所需的流量1為：

助力缸所需的流量2為：

考慮內泄漏，轉向系統所需總流量為為：

由于發動機怠速為600 r/min，速比為1.3，可計算動轉泵所需排量為：

轉動泵所需的控制流量0為：

本車轉動泵參數如表6所示，對比本車動轉泵參數，排量25 ml/r滿足要求，流量22.5 L/min小于理論計算值，不滿足要求。故動轉泵控制流量小也為轉向輕便性差的原因。

表6 轉動泵參數

項目排量/(ml/r)控制流量/(L/min)壓力/MPa 參數2522.516

3 整改及試驗驗證

通過上述諸多因素的分析，確定轉向器阻力大、動轉泵控制流量小是導致轉向輕便性差的主要原因，針對這兩項進行設計優化，并進行試驗驗證。

3.1 設計方案優化

根據原因分析，本車型制定設計優化方案如下：

（1）對轉向器的受力特性進行優化，降低轉向器的阻力，在15 MPa的壓力下，轉向器阻力矩僅為6.8 Nm，滿足標準要求。

（2）轉動泵參數優化：增大動轉泵的控制流量，將控制流量提升至25 L/min±0.5 L/min，增大控制流量后，當發動機轉速1 000 r/s以上時，動轉泵所提供的流量滿足轉向系統的需求。進行樣件檢測，如表7所示，檢測結果滿足標準要求。

表7 轉動泵樣件檢測

產品序號123 流量檢測值/(L/min)25.425.124.8 結果判定合格合格合格

3.2 轉向輕便性試驗復測

按照試驗標準對轉向輕便性進行復測，數據如表8所示。整改后轉向輕便性評價得分7分，性能提升顯著，滿足了標準的要求，有效解決了該車型轉向沉重的問題。

表8 轉向輕便性復測數據

測量項目技術要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉轉向盤最大轉角/°≤720597.9593.6591.4594.3OK 轉向盤最大作用力矩/(Nm)≤107.37.37.67.4OK 轉向盤最大作用力/N≤4032.432.433.732.8OK 右轉轉向盤最大轉角/°≤720605.3602.0599.7602.3OK 轉向盤最大作用力矩/(Nm)≤107.87.97.77.8OK 轉向盤最大作用力/N≤4034.935.734.134.9OK 轉向盤作用功/J≤150104.0107.9104.6105.5OK 轉向盤平均摩擦力矩/(Nm)≤62.62.62.52.6OK 轉向盤平均摩擦力/N≤1811.411.511.211.4OK 試驗總評分7

4 結束語

轉向沉重是卡車經常遇見的問題，其試驗表現為轉向輕便性差。針對該問題，主要從降低轉向阻力、增大轉向助力兩方面著手，進行整改優化。本文對某8×4特種車轉向輕便性差進行詳細的原因分析，最終通過優化轉向器手力特性來降低阻力矩，并增大動轉泵控制流量來增大轉向助力。經設計優化提升后，對本車重新進行轉向輕便性試驗，轉向性能得到顯著提升，滿足標準要求，有效解決了該車型轉向沉重問題。

[1] 陳家瑞.汽車構造(下)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 史為成.某中型4×2載貨車轉向沉重問題的分析與改進[J].汽車實用技術,2015(12):114-116.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009.

[4]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊設計篇[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5] 王霄峰.汽車底盤設計[M].北京:清華大學出版社,2010.

Analysis and Improvement of Heavy Steering in Special Vehicle

LI Haijiao, JU Gang, CHEN Xinghua, ZHANG Jianguo

( The Heavy Commercial Vehicle Academe of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In the automobile steering system, heavy steering is one of the most common failure forms, especially the heavy-duty vehicle. The heavy steering problem will not only affect the life of the steering system parts, but also increase the fatigue of the driver, which endangered the safety of driving. In this paper, the cause of heavy steering problem of a special vehicle is analyzed, and the corresponding optimization scheme is proposed according to the analysis results. After the problem is corrected, the steering portability test is carried out to verify the results and the ideal results are achieved.

Heavy steering; Steering portability; Steering gear resistance; Dynamic pump parameters

U462.1

B

1671-7988(2021)23-65-04

U462.1

B

1671-7988(2021)23-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.018

李海蛟，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，主要負責汽車底盤設計。