重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油溫過高的分析及改善措施

張瑞峰，張 棟，巨 興

（江鈴重型汽車有限公司，山西 太原 030032）

引言

近幾年，隨著社會經(jīng)濟以及電商平臺的飛速發(fā)展，物流行業(yè)有了更高的需求，高效、安全、快捷成為了道路交通運輸不斷追求的方向。而且近幾年全國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，也加大了對工程自卸車輛的需求，由于工程自卸車輛其使用場景的特殊性，客戶對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)有了更高要求。高出勤率、高可靠性、高機動性成為考核工程自卸車輛的關(guān)鍵指標(biāo)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做為車輛的關(guān)鍵且安保系統(tǒng)之一，在開發(fā)設(shè)計和試驗驗證中應(yīng)該給予足夠的重視。

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進(jìn)行能量傳遞的過程中不可避免的要造成一定的能量損失，致使系統(tǒng)油溫升高[1]。如果溫度上升過快，會引起關(guān)鍵零部件材料膨脹系數(shù)不同的運動副間隙發(fā)生變化。間隙變大造成內(nèi)泄露增加，間隙變小則將引起運動件動作不靈活甚至卡死，高溫還會導(dǎo)致液壓油氧化加劇，變質(zhì)形成沉積物，阻塞液壓元件上的各種控制小孔，使系統(tǒng)不能正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重甚至失控[1]。同時高溫還能使橡膠、尼龍等密封件因早期老化而失效。因此抑制、改善系統(tǒng)油溫上升過快，對系統(tǒng)正常工作具有關(guān)鍵作用[1]。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油溫過高的原因分析

傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)溫度過高無疑是由于系統(tǒng)熱量產(chǎn)生過多和散熱能力不足引起的，就液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，油液溫度過高主要的原因有：

1.1 轉(zhuǎn)向橋載荷過大導(dǎo)致系統(tǒng)油溫過高

當(dāng)整車前橋載荷設(shè)計分配不當(dāng)或車輛超載的情況下，轉(zhuǎn)向輪的軸荷將高于設(shè)定目標(biāo)，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動阻力矩計算公式為：

式中：MZ為輪胎的轉(zhuǎn)向阻力矩；P0為輪胎充氣的胎壓；μ為輪胎與地面的摩擦系數(shù)（取μ=0.7）；G為轉(zhuǎn)向輪的載荷。

轉(zhuǎn)向輪軸荷增加，將會使轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動阻力矩MZ變大，這時轉(zhuǎn)向器輸出的工作壓力長時間高于設(shè)計值，從而會導(dǎo)致油液溫度的上升速度隨之增快。

1.2 轉(zhuǎn)向泵匹配不合理導(dǎo)致系統(tǒng)油溫過高

在保證整車布置轉(zhuǎn)向橋載荷配比合適的情況下，需要檢查所匹配的轉(zhuǎn)向油泵的流量是否合理。轉(zhuǎn)向器的需求流量QP可按下面公式得出：

式中：n為方向盤的轉(zhuǎn)速（取1.25 r/s）；t為轉(zhuǎn)向機螺桿螺距；Sp為轉(zhuǎn)向機油缸實際工作面積；ΔQ為轉(zhuǎn)向機內(nèi)泄露量。

轉(zhuǎn)向泵一定要輸出足夠的流量，才能保證整車有良好的轉(zhuǎn)向性能。轉(zhuǎn)向油泵的控制流量為Q，一般Q≥（1.05～1.1）QP[2]。Q越小對系統(tǒng)溫度越好，不過需要以滿足怠速原地的工況為前提。

1.3 轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)硬點不合理導(dǎo)致系統(tǒng)油溫過高

由于輪胎與地面的摩擦阻力矩MZ會通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)傳遞到轉(zhuǎn)向器，進(jìn)而決定轉(zhuǎn)向器輸出的工作壓力[3-6]。如果轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的硬點設(shè)計不合理，傳動機構(gòu)的傳動比i0設(shè)計過小，這就需要轉(zhuǎn)向器產(chǎn)生更高的油壓，輸出更大的力矩MP。高的油壓必然會導(dǎo)致油液溫度的上升速度增加。

式中：MP為轉(zhuǎn)向器垂臂輸出力矩；i0為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的傳動比。

1.4 管路散熱能力不夠?qū)е孪到y(tǒng)油溫過高

液壓系統(tǒng)在工作過程中液壓油溫度上升是不可避免的，系統(tǒng)必須有相應(yīng)的散熱能力，就重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，目前主要的散熱零件為回油管路和轉(zhuǎn)向油罐[6]。如果回油管路設(shè)計過短或油罐散熱能力過差同樣會導(dǎo)致系統(tǒng)油溫過高。

2 某自卸車型轉(zhuǎn)向油溫過高的改善措施

2.1 車輛故障背景

某項目開發(fā)設(shè)計的6X4工程自卸車在底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)專項繞“8”字（fig-8）試驗中，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)嚴(yán)重異響，且伴隨轉(zhuǎn)向手力明顯增大的現(xiàn)象。繞“8”字試驗要求如下：整車在標(biāo)載工況下，車輛在最低檔且最高轉(zhuǎn)速下，要保持最小的轉(zhuǎn)彎半徑，連續(xù)完成10個繞“8”字后，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)溫度不得高于120 ℃，且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可正常工作，操作無異響。

試驗車輛采集到的轉(zhuǎn)向油液溫度與壓力變化情況，見圖1所示（藍(lán)色：油溫變化曲線，紅色：油壓變化曲線）。油液溫度傳感器布置在轉(zhuǎn)向油罐內(nèi)，油液壓力傳感器安裝在轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口，見圖2所示。根據(jù)車輛在試驗中數(shù)據(jù)情況，可初步推斷車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的失效，主要是由于轉(zhuǎn)向油溫上升速度過快，油溫過高導(dǎo)致的，油溫已經(jīng)達(dá)到143 ℃；同時轉(zhuǎn)向油工作壓力偏大，參照以往的開發(fā)經(jīng)驗，系統(tǒng)最高工作壓力建議不高于100 bar，而試驗車輛油壓持續(xù)在100 bar以上運行，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向器的閥芯間隙或橡膠密封圈破損，進(jìn)而引起系統(tǒng)異響。

圖1 試驗中轉(zhuǎn)向油液溫度及壓力變化

圖2 轉(zhuǎn)向油液溫度及壓力傳感器布置位置

2.2 車輛軸荷核查、轉(zhuǎn)向泵匹配計算

試驗車輛在滿載狀態(tài)，檢查車輛前軸載荷如圖3，實測前橋載荷為7130 kg，與設(shè)計載荷7100 kg相當(dāng)，誤差可以忽略，車輛加載和軸荷滿足要求。

圖3 檢查車輛前橋載荷

該開發(fā)車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)如表1，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需求流量：QP= 1.5·60·n·t·Sp+ΔQ=1.5*60*1.25 r/s*13 mm*9204 mm2+1.5 L/min=14.96 L/min，轉(zhuǎn)向油泵控制流量：Q＞QP，轉(zhuǎn)向油泵匹配符合設(shè)計要求。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)

2.3 優(yōu)化轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)設(shè)計

通過對車輛的軸荷檢查，以及轉(zhuǎn)向泵的匹配，均不存在異常情況。在fig-8試驗中轉(zhuǎn)向油液的壓力變化情況可知，當(dāng)整車在標(biāo)準(zhǔn)載荷下左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)壓力均超過100 bar，轉(zhuǎn)向器產(chǎn)生的熱量就會大大增加從而導(dǎo)致系統(tǒng)溫度迅速上升，故考慮優(yōu)化轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的硬點設(shè)計。

由于輪胎與地面的摩擦阻力矩是恒定的，要降低轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力，就必須降低轉(zhuǎn)向器垂臂輸出力矩。優(yōu)化方案在保證轉(zhuǎn)向與懸架跳動干涉校核滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下，適當(dāng)?shù)脑黾恿舜贡鄣拈L度，進(jìn)而增大了傳動機構(gòu)的傳動比i0。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵部件硬點優(yōu)化見表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向硬點優(yōu)化坐標(biāo)

優(yōu)化轉(zhuǎn)向硬點后，重新更換實驗車輛的轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向泵等零部件并進(jìn)行fig-8試驗。試驗結(jié)果如圖4所示，轉(zhuǎn)向油液壓力明顯降低，最高為85 bar，滿足預(yù)期小于100 bar的優(yōu)化目標(biāo)，但其油液溫度最高為125 ℃，仍不滿足試驗?zāi)繕?biāo)，且從硬點調(diào)整已無優(yōu)化空間。

圖4 優(yōu)化轉(zhuǎn)向硬點后fig-8試驗中油溫及壓力變化

2.4 優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)散熱能力

液壓系統(tǒng)中油液溫度上升是不可避免的，散熱是一個熱交換的過程，我們可以通過傅立葉方程分析以下相關(guān)的熱力學(xué)參數(shù)。

式中：QK為熱量，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，d為熱量傳遞距離，A為接觸面積，ΔT為溫度差，R為熱阻值。考慮到車輛的整車布置及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作壓力以及車輛成本等因素，在設(shè)計過程中通常使用增加回油管長度或采用刷型油管的辦法增加系統(tǒng)的散熱能力，以下是同一車輛長度回油管長度加長1 m的fig-8試驗結(jié)果。

圖5 增加刷型轉(zhuǎn)向油管后fig-8試驗中油溫變化

試驗結(jié)果顯示，回油管增加1 m，車輛在fig-8試驗中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油液溫度最高為110 ℃，溫度下降了15 ℃，可見系統(tǒng)散熱能力得到加強。且試驗車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未出現(xiàn)異響，轉(zhuǎn)向手力明顯增大的現(xiàn)象，車輛轉(zhuǎn)向油溫高的問題得到有效改善，這種方式用于優(yōu)化系統(tǒng)油溫是有效的，但如果轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)設(shè)計或系統(tǒng)匹配存在問題則于事無補。

3 結(jié)論

重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油溫高與車輛的載荷設(shè)定、系統(tǒng)零部件匹配、轉(zhuǎn)系傳動機構(gòu)的傳動比、系統(tǒng)散熱能力等息息相關(guān)，本文通過實際案例，總結(jié)分析了產(chǎn)生高溫的原因，并提出相應(yīng)的改善措施。對轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的故障分析及開發(fā)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。