某車型助力轉向油罐的設計校核分析

葛士顯，高龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型助力轉向油罐的設計校核分析

葛士顯，高龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

本文首先論述了轉向油罐的作用及目前整車企業在轉向油罐設計方面的現狀，然后分析了轉向油罐的設計要點及其原因，最后利用以上設計要點對某車型的轉向油罐進行了校核分析。結果顯示，該車型的轉向油罐設計可滿足轉向系統的工作需求。

轉向油罐；設計；分析

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

引言

隨著汽車工業的不斷發展，液壓助力轉向系統在汽車工業領域被廣泛應用。它是利用發動機的動力來幫助駕駛員進行轉向操縱的裝置，其工作過程為通過發動機帶動動轉泵進行工作，動轉泵從轉向油罐吸油后輸出至動力轉向器中，根據轉動方向，轉向器轉閥分配流至左右油缸的油量，使左右油缸油液產生壓差，從而產生助力，在此過程中液壓油通過回油管返回到轉向油罐中[1]。

由于動轉油具有粘性，在轉向系統過程中，油液流動需要抵抗粘性而發熱，若發熱過大，則動轉油粘度急劇下降，會導致液壓助力不足和泄露等故障出現，因此，需要動轉油罐起到散熱作用；而且轉向系統在使用過程中，系統零部件磨損會導致轉向油液的清潔度下降，從而導致轉向異響等故障出現，因此需要動轉油罐能夠起到過濾作用；另外，轉向油罐需要有足夠大的容積，以能夠提供動轉泵工作油液需求量。

轉向油罐在液壓轉向系統的作用非常重要，但通過查閱大量資料發現，目前國內對轉向油罐的設計認知參差不齊，很難找到統一的標準，絕大多數均是對照標桿開發，而對于其中的設計基本沒有。

本文通過查閱相關資料，梳理分析了轉向油罐設計的要點，并利用以上設計要點對某車型的轉向油罐進行了校核分析。結果顯示，該車型的轉向油罐設計可滿足轉向系統的工作需求，轉向油罐設計要點可有效指導后期的轉向油罐設計。

1、液壓助力轉向油罐設計要點分析

1.1 轉向油罐容積設計

在美國工業標準（ANSI）中規定，油罐的容量為液壓泵每分鐘輸出流量的3-4倍以上，而助力轉向系統用的油罐的容量約為每分鐘輸出流量的0.01～0.04倍[2]。

查閱相關資料，某外資品牌汽車對轉向油罐容積設計要求如下：

其中，V1為油罐容積、V2為動轉管路容積、V3為轉向器油缸容積、Q1為動轉泵最大流量。

1.2 動轉油罐最大刻度線Max和最小刻度線Min線的確定

車輛在行駛過程中，儲存動轉油的油罐不應由于振動、傾斜、急劇轉向等出現泄露問題[2]。業界內多數企業對動轉油罐最大刻度線的要求為：Max最大刻度線要保證汽車在爬坡或下坡（20°坡）時液面最高處不能到達上蓋處，保證不溢出；Min最小刻度線要保證汽車在爬坡或下坡（20°坡）時液面最低處要保證淹沒濾網，避免油液中混入空氣而導致油泵吸入空氣造成異響。

這主要是因為整車爬坡試驗要求[3]至少能爬30%的坡，（試驗時）此時對應的坡度角為16.7°。40%的坡對應的坡度角為21.8°，但爬大于40%的坡時需要在坡道上設置安全保險裝置，一般汽車爬坡均按照30%試驗。

1.3 動轉油罐散熱能力確定（主要是要求同等容積下散熱面最大）

一般希望轉向系統的油溫控制在100℃以下。如果油溫超過110℃，液壓油將很快變質：形成碳化物，液壓油失去潤滑功能，轉向油泵將急劇磨損，造成轉向沉重；析出膠狀物質，堵塞濾網及閥孔，使整個動力轉向系統失效。油溫過高，還將使整個系統中的密封件加快老化，密封不良而造成漏油。在大流量及高壓力的轉向系統中，儲油罐的散熱已經不能保證油溫在100℃以下了，這時須附加專門的散熱系統。

液壓系統的發熱功率通常用以下公式表示：

式中Pr是液壓系統的總輸入功率，PC是輸出的有效功率。

液壓系統的散熱渠道主要是油罐表面，但如果系統外接管路較長，在計算發熱功率時，也應考慮管路表面散熱。

式中 K1——油箱散熱系數，見表1；K2——管路散熱系數，見表2；A1、A2——分別為油罐、管道的散熱面積（m2）；△T——油溫與環境溫度之差（℃）。

表1 油罐散熱系數K1（W/（m2·℃））

若系統達到熱平衡，則Phr=Phc，油溫不再升高，此時，最大溫差為△T，環境溫度為T0，則油溫T=T0+△T。如果計算出的油溫超過允許的最高油溫110度，就要設法增大散熱面積或其他散熱設備。

表2 管道散熱系K2 （W/（m2·℃））

1.4 動力轉向油罐濾網目數的確定

設置濾網的目的是過濾油液中的雜質，濾網最小目數是通過轉向系統最大顆粒物的尺寸來確定的，要保證過濾到轉向管路、轉向器、轉向泵、油壺等要求的最大顆粒物；另外濾網目數的選擇還要考慮轉向進油阻力問題，避免目數過大而造成吸油不暢導致轉向異響，即濾網的通油能力不小于動力轉向泵的最大流量。在保證通油能力的前提下，濾網目數選擇越大越好。

通油能力計算公式如下：

Q---濾芯通油能力，d---濾網孔徑，單位為m，L---濾絲直徑，單位為m，ΔP---濾網前后壓差，單位為kgf/mm2，μ ---動力粘度，單位為PaS，K---系數（和濾網尺寸有關，K=濾網有效面積cm2*孔數/cm2）。

從上式可以看出，通油能力與濾網的孔徑的四次方成正比關系，說明濾網孔徑的大小對通油能力的影響非常大，因此濾網目數的選擇在保證整個系統的清潔度的前提下，不應選擇過大。

2、某車型動力轉向油罐相關參數校核分析

2.1 油罐容積校核

該車型為齒輪齒條式轉向系統，動轉泵的流量Q為7500ml/min，通過實測的轉向管路容積V2為550ml，轉向器油缸的容積V3為183ml。

根據2.1中的美國工業標準（ANSI），該車型的轉向油罐容積V1應為：

根據2.1中某外資車企的油壺容積設計標準，該車型的轉向油罐容積v1應為：

而實測的該車型油壺容積為400ml，與第二種計算結果相符，比第一種結果稍大。但通過以上兩種方法校核說明，該車型的油壺容積設計合理，能夠滿足動轉泵正常工作的油液需求。

2.2 油罐最大刻度線和最小刻度線校核

通過實測，該車型油罐高度為100mm，最小刻度線高度為69.5mm，最大刻度線高度為81.5mm，油壺濾網高度為30mm。利用以上數據校核可得出：當油液高度在最小刻度線時，傾斜25.4°油液會溢出；當油液高度在最大刻度線時，傾斜37.6°時油液會溢出。對照前文中整車爬坡度實驗要求及業界對汽車轉向油罐刻度線的要求，該車型的油壺最大刻度線和最小刻度線高度均滿足以上要求。

2.3 油罐散熱能力確認

目前對轉向系統散熱能力的測試方法如下：一般情況下（滿載狀態），連續S型行駛左右打方向盤各15次左右或者繞10個8字行駛后油液的溫度小于100度或100度左右均可接受，但最好不要超過110度。

按照以上方法對該車型進行連續S型行駛左右打方向盤各15次并進行油溫測試，油溫結果顯示為90度，小于100度，說明此車型的轉向系統散熱能力可以接受，間接說明油壺的散熱能力可以滿足轉向系統工作需求。

2.4 油罐濾網目數確認

通過該車型轉向系統最大顆粒物尺寸來確定的轉向系統最小目數為60目，而該車型的轉向系統實際目數為120目，滿足最小目數要求。為對此車型的油罐濾網目數的通油能力進行確認，進行該車型轉向系統的通油能力模擬實驗，對油罐濾網的過濾壓力損失和是否有異響進行測試。模擬實驗如圖1所示。

測試結果顯示，在零度時，該油壺濾網的過濾壓力損失為0.015MPa，整個轉向管路系統能夠正常工作，無異響出現，說明該車型濾網設計滿足通油能力要求。

3、總結

通過對動力轉向油罐的設計要點進行梳理，然后利用以上設計要點對某車型的轉向油罐設計參數進行了校核分析，分析結構顯示，該車型的轉向油罐設計可滿足轉向系統的工作要求，轉向油罐的設計要點可有效的指導轉向油罐的設計。

[1] 王霄鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社.2010.

[2] 日本自動車技術會.汽車工程手冊5底盤設計篇[M].北京：北京理工大學出版社.2010.

[3] GB/T 12539-90 汽車爬陡坡試驗方法[S].北京：中國標準出版社.1991.

The Analysis and Design of a Vehicle Power Steering Oil Tank

Ge Shixian, Gao Long
（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

This paper discusses the role of steering oil tank and the actuality of automobile enterprise in steering oil tank design, and then analyzes the design points of the steering oil tank and the reasons, finally using the above design points analyzes a model's steering oil tank. Results show that the model's steering tank design can meet the job requirements of steering system.

analysis；steering oil tank；design

U463.4

A

1671-7988(2015)03--

葛士顯，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事底盤系統設計。