商用車液壓助力轉向系統設計與匹配

張雙成

（同濟大學汽車學院，上海200092）

商用車液壓助力轉向系統設計與匹配

張雙成

（同濟大學汽車學院，上海200092）

闡述了商用車液壓助力轉向系統的基本原理，介紹了液壓轉向系統的主要零部件的設計、匹配的方法以及參數的選取，給出了匹配參數推薦值，并提出了匹配調試中的注意事項。

液壓轉向器轉向油泵匹配

1　前言

隨著汽車工業的不斷發展，人們對汽車轉向系統的要求越來越高。傳統的機械式轉向系統已經不能滿足人們的需求，助力轉向系統目前已經成為絕大多數轎車、客車、載重車、卡車等車型的標準配置。顧名思義，助力轉向系統就是協助駕駛員在作汽車方向調整時，為駕駛員減輕轉動轉向盤轉向盤強度的裝置，并且讓車輛反應更加敏捷，在一定程度上提高了車輛行駛的安全性，也提高了車輛操作的舒適性。其中液壓助力轉向系統已經越來越廣泛地應用于商用車領域。

液壓助力轉向系統到現在已經有半個世紀的歷史，可以說技術非常成熟，被廣泛應用。液壓助力轉向系統由液壓和機械等兩部分組成，是以液壓油為動力傳遞介質，通過液壓泵產生的動力來推動轉向器，從而實現助力轉向。

液壓助力轉向系統的液壓泵由發動機驅動。為保證汽車原地或低速轉向時的輕便性，液壓泵要保證發動機怠速時的流量。無論是否轉向，這套系統都要工作，而且在低速時大轉向，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費了發動機的動力資源。這也可以說是液壓助力轉向的一個缺點。但是由于該技術成熟可靠，而且成本低廉，得到了廣泛普及和應用。

2　液壓助力轉向系統的構成及工作原理

2.1液壓助力轉向系統的構成

液壓助力轉向系統的主要組成部分有轉向油泵、油管、整體式動力轉向機（包含動力缸、轉向控制閥）、機械轉向機構、儲油罐等。這種助力方式是將一部分發動機動力輸出轉化成液壓泵壓力，對轉向系統施加輔助作用力，從而使輪胎轉向。具體構成如圖1所示。

動力轉向系統是在機械式轉向系統的基礎上加一套動力輔助裝置組成的，其工作原理如圖2所示。

轉向油泵6安裝在發動機上，由曲軸通過皮帶或者齒輪驅動，并向外輸出液壓油。轉向油罐5上有進、出油管接頭，通過油管分別與轉向油泵和轉向控制閥2連接。轉向控制閥用以改變油路。機械轉向器和缸體形成左右兩個工作腔，它們分別通過油道和轉向控制閥連接。當汽車直線行駛時，轉向控制閥2將轉向油泵6輸出的液壓油與油罐相通，轉向油泵處于卸荷狀態，動力轉向器不起助力作用。當汽車需要向右轉向時，駕駛員向右轉動轉向盤，轉向控制閥將轉向油泵輸出的液壓油與R腔接通，將L腔與油罐相通，在液壓油的作用下，活塞向下移動，通過傳動結構使左、右輪向右偏轉，從而實現向右轉向。向左轉向時與上述過程相反。

圖1　液壓助力轉向系統的構成

圖2　液壓助力轉向系統的構成

2.2轉向控制閥改變油路控制轉向原理

轉向控制閥改變油路控制轉向示意圖及原理如圖3所示。汽車直線行駛時，閥芯與閥套的位置關系如圖中所示。來自液壓泵的液壓油經閥芯與閥套間的間隙，流向動力缸兩端，動力缸兩端油壓相等。駕駛員轉動轉向盤時，閥芯與閥套的相對位置發生改變，使得大部分或全部來自泵的液壓油流入動力缸某一端，而另一端與回油管路接通，動力缸促進汽車左轉或右轉。

圖3　轉向控制閥改變油路控制的原理圖

3　液壓動力轉向系統匹配參數

3.1轉向機的參數選配

轉向機的主要參數有最大壓力P、最大壓力下輸出扭矩T、流量Q、轉向盤轉動圈數、轉向垂臂行程、速比等。

3.1.1選配轉向器最大壓力下輸出扭矩

選配轉向器最大壓力下輸出扭矩T時，可以用下面的公式進行計算

式中，

Mr——在瀝青或混凝土路面上的原地轉向阻力矩，N·mm；

f——輪胎與地面間的滑動摩擦系數，取0.7；

G1——轉向軸負荷，N；

P——輪胎氣壓，MPa。

選取轉向機最大壓力輸出扭矩時，必須確保T≥Mr，為了高效地發揮轉向機的效率，使整個轉向系統處于一個最優的運行狀態，一般推薦T的選值在（1.2～1.3）Mr之間。

轉向機缸徑d的選擇可以按照下面的經驗公式進行計算

式中，

d——轉向機缸徑，mm；

m——前橋載荷，kg。

如前橋載荷為5 500 kg時，按照上述公式，可以計算出轉向機缸徑為100 mm，轉向機常用缸徑為70、80、90、100、110 mm等系列。

3.1.2轉向機的進油壓力

選定轉向機缸徑后，根據轉向機輸出扭矩計算出轉向機的進油壓力，公式如下

式中，

P——油泵的最大工作壓力，MPa；

M——動力轉向機輸出扭矩，N·m；

S0——油缸工作面積，m2；

S1——螺桿外徑所占面積，m2；

RF——扇形齒分度圓半徑，m。

轉向機壓力一般控制在7～13 MPa，低于7 MPa時可以考慮減小轉向機油缸直徑，高于13 MPa時應考慮加大轉向器油缸直徑。不要一味提高轉向機的壓力，通常，轉向機壓力越高，系統的可靠性就越差。轉向機的安全壓力：按典型公路重載原地轉向時的壓力除以0.85，建議不要超過15 MPa。

3.1.3轉向機的需求流量

轉向機需求流量可按照下面公式計算得出

式中，

Q——轉向機需求流量，L/min；

n——轉向盤轉速，r/s。一般轎車取1.5 r/s，其它車輛取1.25 r/s；

t——轉向機螺桿螺距，mm；

S——轉向機油缸實際工作面積，mm2；

K——助力轉向機效率系數（泄漏系數）；

1.5～2——經驗系數，與制造水平有關。

3.2轉向泵的配套參數的選取

3.2.1轉向泵的最大壓力選取

在選取轉向泵的最大壓力時，應考慮轉向泵到轉向機進油口的壓力損失，一般按照下述公式計算

式中，

P1——轉向機的最大壓力，MPa；

ΔP——管路損失，一般取0.3～0.5 MPa。

如果在實車匹配中發現轉向泵壓力PP很高時，轉向依然沉重，應考慮加大轉向機的缸徑；如果壓力PP＜P1，必然會轉向沉重或是打不動轉向盤。同時應該注意轉向泵或轉向系統應有可靠的泄壓裝置，亦保證輸出壓力不能高于最大工作壓力。

3.2.2轉向泵的輸出流量選擇

轉向泵一定要輸出足夠的流量，才能保證整車有較好的轉向性能。動力轉向泵的控制流量Qp，一般取Qp≥（1.05～1.1）Qmax，Qmax為轉向機所需的最大流量。

對于轉向泵來說，由于其流量特性的原因，在低速段轉向泵的輸出流量與排量之間成正比關系，公式如下

式中，

Q——轉向油泵低速區流量，L/min；

q——轉向油泵理論排量，L/r；

n——轉向泵的轉速，r/min；

η——轉向油泵容積效率（要求容積效率不低于80%）。

典型轉向油泵特性曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在低速區段轉向油泵輸出流量較小時，有可能不能滿足怠速原地轉向的要求，這就要求匹配時必須使轉向泵低速（怠速）時的最小流量也滿足轉向機的要求。當出現怠速原地轉向沉重問題時，從公式中可明顯看出，提高低速區段最容易實現的方法就是增大轉向泵的理論排量。但增加排量的原則是在滿足轉向系統正常運轉的前提下，轉向泵控制流量應盡可能地小，只需要適當地加大理論排量，而不能一味地加大。因為流量過大而系統管路通徑和閥的過流開隙一定時，往往會造成系統發熱、加速油封及橡膠軟管的老化，同時可能導致液壓系統失穩，產生振動和噪聲，而且消耗發動機的功率也相應增加，導致油耗增加；另外在高速區段轉向油泵的輸出流量隨轉速上升，從而對高速時轉向產生一定的影響，如使駕駛員感覺轉向盤發飄等問題。

圖4　轉向油泵特性曲線

3.2.3轉向泵和發動機的速比對應和校核

根據轉向泵和發動機速比的對應關系，校核對應發動機特定轉速下的轉向泵實際流量要求（發動機的怠速，最大扭矩轉速，標定轉速），從而滿足轉向機的要求。

4　儲油罐（整體式/遠距離）的匹配要求

儲油罐主要是給系統的供油、散熱、除去油中雜質的沉淀（納污能力）。儲油罐容積要滿足

式中，

Q1——轉向泵的最大輸出流量，L。

儲油罐要有足夠的散熱能力，油罐材料需要適應-40℃～130℃的工作溫度要求，一般希望轉向系統的油溫控制在110℃以下。如果油溫過高，液壓油將很快變質，潤滑能力下降或者失效，造成轉向泵的急劇磨損，造成轉向沉重；高溫下，油液也會析出膠狀物質，堵塞阻尼孔或卡滯控制閥，導致轉向系統失效；高溫還會使橡膠密封件加快老化失效，導致密封不良而造成漏油。因此在大流量及高壓力的轉向系統中，須附加專門的散熱系統。

轉向系統油必須有進油過濾和回油過濾等方式，根據系統管路工作壓力、過濾精度、流通能力選擇濾油器。商用車轉向系統中，過濾精度一般取10～20 μm，壓力損失小于0.1 MPa。

由于轉向泵自吸能力較差，油罐安裝位置必須正確，油罐出油口位置要高于泵進口20 mm以上。當發動機垂直加速度≥25 g時，油罐不能安裝在發動機上（整體式油罐）。

5　轉向系統管路進、出油管匹配選擇

連接油管可以是軟管、鋼管或二者混用，無論是鋼管、耐油膠管或塑料管，應根據系統的工作壓力進行選用。對于高壓鋼絲編制的耐油軟管，由于其在高溫下膨脹而縮小管路內徑，一般不采用。最好采用高壓鋼管，只是在彎道連接處采用軟管連接。

在管路布置時要盡可能避免轉彎，如不可避免時，轉彎角度和轉彎半徑應盡可能大，避免管路的壓力損失。

管路內徑的選擇，過小的管路內徑會產生液壓阻尼，引起系統壓力升高，系統可靠性變差；同時管路阻尼過大也會導致排油不暢，導致轉向器的阻力矩加大，影響轉向回正效果。所以管路內徑應根據管道內流速來確定管道內徑尺寸，允許流速推薦值為：

（1）低壓管道流速：0.5～1.5 m/s，一般取1 m/s以下；

（2）高壓管道流速：3～5 m/s，壓力高時取大值；

（3）系統回油管道：1.5～2.5 m/s。

管道內徑與根據流量、流速的關系可按下列公式進行計算

式中，

d——管道內徑；

Q——管道的流量；

v——平均流速。

管路內徑可以參照表1中的經驗值確定。

表1　推薦管路內徑

以上是管路長為500 mm時的經驗值，當管路每增加500 mm時，管路內徑則增加2 mm。配套時應保證管路的密封，進油管漏氣漏水都會使液壓油變質，這一點很容易被忽視。進出管路直徑不能過小，進油管直徑過小時會引起吸空，產生氣穴現象；出油管直徑過小會產生阻尼，引起系統壓力升高，同時還易使系統溫升過快，導致系統可靠性變差。轉向機及進出油管必須保持清潔，不允許有鐵屑、鐵銹等雜質。

6　轉向系統在使用中的注意事項

轉向泵布置時要考慮泵體內不能有存留空氣，應采用相應的排氣措施。轉向系統排空氣，一般在轉向泵的出油口處排空氣即可。具體操作方法是：在發動機停機狀態下，擰松出油接頭，待有油漏出后再將出油接頭擰緊。

然后起動發動機，左右轉動轉向盤，空氣便全部被排到儲油罐中，通過呼吸器排到空氣中。

轉向泵和轉向機的進、出油口應使用專用的液壓接頭，配套時注意接頭通道面積，應達到管路最小管徑面積要求。

轉向泵接頭盡量采用O型密封圈密封形式，接頭在連接時不允許涂密封膠。接頭密封形式和轉向泵進、出油口的密封形式相匹配，角度密封的選擇O型圈密封形式，端面密封的轉向泵接頭采用復合密封墊圈+銅螺母的密封形式。

整個轉向系統內部要保持清潔，防止整個系統內出現卡滯、堵塞的情況，否則將造成轉向系統失效。

7　總結

液壓助力轉向系統設計與匹配是一個涉及到機械，流體力學、噪音振動（NVH）等多學科的系統工程，轉向系統各個零件的設計和匹配選型必須通過前期的理論計算以及后續整車試驗的不斷優化，才能使整個系統更加可靠和舒適，達到完美的整車駕駛性體驗。

［1］劉惟信.汽車設計［M］.北京：清華大學出版社，2001.

［2］王望予.汽車設計［M］.吉林：機械工業出版社，2011.

［3］《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.

Design and Matching of Hydraulic Power Steering System for Commercial Vehicle

Zhang Shuangcheng
（Tongji University，School of Automotives Studies，Shanghai 200092，China）

This paper introduces the basic princ iple of the hydraulic power steering system of commercial vehicle，explains the design and matching method of the main parts of the steering system，the selection of the parameters，and gives the recommended value，put forward matching adjustment notice.

Hydraulic，steering gear，power steering pump，matching

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.005

來稿日期：2016-04-22

張雙成（1985-），男，工程師，主要研究方向為發動機動力總成的匹配應用與開發。