液壓轉向系統手力沉重原因及優化

丁玲

（安徽江淮汽車股份有限公司）

汽車動力轉向系統是汽車關鍵零部件之一，其中液壓助力轉向系統是相對成熟且應用最多的結構。如果操縱方向盤感到手力過重，便不能敏捷地轉動方向盤，使駕駛員因勞動強度過大而產生疲勞；如果操縱方向盤的力矩設置過輕，會使駕駛員產生手感“發飄”而失去路感，難于控制汽車的方向。因此，合理設置方向盤力矩是提高整車駕駛舒適性的重要指標。根據液壓轉向系統手力沉重測試曲線走向，轉向沉重可分為全行程沉重、末端沉重及波動沉重3類。文章將結合實例對3種手力沉重問題進行原因解析及實例優化。

1 全行程手力沉重問題實例分析

1.1 現象描述

在某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩測試[1]，測試結果為轉動方向盤的全行程作用在方向盤上的手力矩都很大，測試結果，如圖1所示。從圖1中可以看出，方向盤平均作用力矩在5 N·m左右。

1.2 原因及排查

導致全行程轉向沉重的原因有多種，通常4種常見的原因及排查方法如下。

1）密封環磨損或剪切導致內泄漏超標。排查方法：通過對問題車型進行路試后拆車，然后對拆下的轉向器進行拆解分析，看是否出現相應的問題。最終發現密封環未損壞，故該原因排除。

2）轉向拉桿球頭不靈活。排查方法：對拆下的轉向器進行轉向拉桿球頭靈活性測試（多方位轉動球頭），并未感到球頭運動遲滯，且向各方位都能自由轉動，故該原因排除。

3）轉向器調整不當。排查方法：為問題車型更換同規格轉向器，發現問題依然存在，故可排除是轉向器調整不當所致。

4）轉向器轉向力矩設計過重。排查方法：查找轉向器閥特性設計參數，設計定義油壓為5 MPa時轉向器扭桿輸入扭矩為5 N·m，與圖1的測試曲線結果相對應。因此，該問題由轉向器閥特性手力設計參數偏大導致。

1.3 優化措施及結果

重新定義轉向器閥特性設計參數，油壓為5 MPa時對應轉向器扭桿輸入扭矩為4 N·m[2]。

對轉向器閥特性變更后，重新進行原地手力矩測試，結果如圖2所示，手力矩變為4 N·m，達到電動轉向系統手力輕便性水平[3]。

2 轉向末端手力沉重問題實例分析

2.1 現象描述

在某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩的測試[1]，測試結果，如圖3所示。圖3上顯示，方向盤從450°開始打至600°時，手力矩從4 N·m開始上升到9 N·m；反向打方向盤從400°開始，手力矩也開始上升。因此，方向盤正反向打到底時均存在助力不足的情況，且助力不足的角度范圍較大。

2.2 原因及排查

由于方向盤打至末端時轉向系統將達到最高工作壓力，此時動力轉向泵提供最高工作壓力，所以末端手力大小主要受動力轉向泵的最高工作壓力控制。

動力轉向泵最高工作壓力的設定值取決于轉向器對輪胎作用的最大推力加拉力，而最大推力加拉力為轉向器的最大齒條力[4]，因此需按式（1）重新計算最大齒條力：

式中：F——最大齒條力，N；

M——原地轉向摩擦阻力矩與重力回正力矩之和，N·m；

S——轉向梯形有效作用力臂，mm。

根據F計算結果推算動力轉向泵油壓[4]最高應為：

式中：P——動力轉向泵最高工作壓力，MPa；

D——轉向器液壓缸內徑，D=44 mm；

d——轉向器齒條外徑，d=27.7 mm。

圖紙設計最高工作壓力在7.5～8.2 MPa，由式（2）可知，系統所需的最高工作壓力（8.12 MPa）在該范圍內。對問題車型進行實車測試，得到方向盤打到末端時轉向泵的最高工作壓力為7.5 MPa，小于系統所需的8.12 MPa。轉向泵最高工作壓力受內部滑閥結構控制，圖4示出轉向泵內部滑閥的結構示意圖，滑閥的最高壓力是通過調節彈簧的預緊力來調節的。從圖4可以看出，鋼球在彈簧的作用下緊壓在閥座的錐面上，將滑閥內部密封起來。當外部壓力增加時，鋼球與閥座的作用力迅速減小，在閥座錐面的粗糙度、圓度及液壓油在傳遞時的壓力波動等的影響下，鋼球和閥座的密封會有輕微的泄露，并且隨著壓力的增高而泄露量加大，所以在設計最高工作壓力時應使最高工作壓力低限值高于系統所需的壓力。

2.3 優化措施及結果

由前述可知，轉向泵最高工作壓力不是一個值而是一個范圍。因此將動力轉向泵最高工作壓力范圍從7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，來改善末端手力矩沉重的問題。

重新對整改后的車型進行原地轉向手力矩測試[1]，結果如圖5所示。從圖5可以看出，0～600°時轉向手力矩均為4 N·m，600°時轉向軟止點限位手力矩才開始上升。末端助力不足且助力不足的角度范圍較大的問題得以解決。

3 波動沉重問題實例分析

3.1 現象描述

在某車型上進行操縱穩定性試驗的原地轉向手力矩測試[1]，全行程轉動方向盤時感覺手力矩時重時輕，測試結果，如圖6所示。

3.2 原因分析及排查

從圖6可以看出，手力矩曲線呈正弦波動，高峰為6 N·m，低谷為4 N·m，所以打方向盤的過程中會有時重時輕的感覺。這種波動通常是轉向系統布置不合理所致。

對問題車型轉向系統的布置進行重新校核，如圖7所示，發現轉向管柱、中間軸及轉向器輸入軸之間的夾角 α1為 157.8°，α2為 153.8°，中間軸兩端萬向節平面夾角 γ1，2為 38.6°。計算力矩波動為 20%，如圖 8 所示。設計要求力矩波動通常＜5%，所以此車力矩波動嚴重超差。

3.3 優化措施及結果

重新布置轉向管柱、中間軸及轉向器輸入軸間的夾角[5]，設計輸入 α1=α2，實際設計 α1=155.8°，α2=155.7°，γ1，2=15.5°，力矩波動計算為 0.1%，小于 5%，波動滿足設計要求。圖9示出對問題車型轉向系統的優化布置，圖10示出優化后力矩波動計算圖。

在問題車型上更換優化后的轉向系統，并重新進行原地轉向手力矩的測試[1]，測試結果，如圖11所示。從圖11可以看出，手力矩曲線趨近于直線，力矩波動問題得到解決。

4 結論

液壓轉向系統手力沉重的原因有很多，文章通過理論分析與試驗相結合的方法，找出了3種導致轉向手力沉重的主要原因，并提出優化轉向器閥特性曲線、動力轉向泵最高工作壓力及轉向系統幾何布置3項整改方案，經樣車試驗驗證整改方案可行有效，手力沉重問題得以解決。

文章主要闡述試驗數據能反映理論設計的缺陷，理論分析能讓試驗更有針對性，在解決實際問題時，必須理論分析試驗數據，對癥下藥，制定最有效的措施，文中應用的理論分析和試驗驗證的思路和方法為后續車型出現類似問題提供借鑒意義和指導作用。目前文章提供的整改方案僅針對類似問題的推薦，動力轉向泵流量參數的修改也是改善手力沉重問題的重要方法。