丁 玲
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）
液压转向系统手力沉重原因分析及实例优化
丁 玲
Ding Ling
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）
阐述了液压转向系统手力沉重问题的分类和原因分析，并进行了实例优化。
液压转向；转向沉重；优化设计
0 引 言
汽车动力转向系统是汽车关键零部件之一，对汽车操纵稳定性、安全性、舒适性和驾驶员的操纵强度有重要影响。目前动力转向系统有液压助力、电动助力（EPS）和电控液压助力等，其中液压助力转向系统是相对比较成熟且应用最多的结构，由主要部件转向盘、转向管柱、中间轴、储油罐、动力转向泵、转向器及管路等组成。相对无助力转向它以较低的功耗改善了汽车的操纵轻便性。
电动助力转向可以根据车速提供不同的助力，为驾驶员提供更好的驾驶感觉，手力更加轻便，而传统的液压助力转向手力沉重问题越来越凸显出来，影响整车驾驶的舒适性。
根据液压转向系统手力沉重的区域不同划分为3个类型：全行程沉重、末端沉重、波动沉重
文章将结合实例车型对3种手力沉重问题进行原因解析及实例优化。
1 全行程手力沉重问题实例分析
1.1 现象描述
在某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩测试，测试结果为转动转向盘的全行程作用在转向盘的手力矩都很大，测试结果见图1，纵坐标为作用在转向盘的手力矩值，横坐标为对应的转向盘转角，从图中可以看出转向盘平均作用力矩在5 N·m左右。
1.2 原因分析
导致全行程转向沉重的原因有多种，可以确定4种常见的原因：
1）密封环磨损或剪切导致内泄漏超标；
2）转向拉杆球头不灵活；
3）转向器调整不当；
4）转向器转向力矩设计过重；
1.3 排查验证
针对原因一，通过对问题车辆进行路试后拆车，然后对拆下的转向器再进行拆解分析，看是否出现相应问题现象。最终发现密封环未损坏，故该原因排除。
针对原因二，对拆下的转向器进行转向拉杆球头灵活性测试（多方位转动球头），并未感到球头运动迟滞，且向各方位都能自由转动，故该原因排除。
针对原因三，为问题车辆更换同规格转向器，发现问题依然存在，故可排除是转向器调整不当所导致。
针对原因四，查找转向器阀特性设计参数（见图2），设计定义油压为5 MPa时转向器扭杆输入扭矩为5 N·m，与图1的手力测试曲线结果相对应。
排查结果为转向器阀特性手力设计参数偏大导致。
1.4 优化措施
重新定义转向器阀特性设计参数，油压为5 MPa时对应转向器扭杆输入扭矩为4 N·m，见图3。
1.5 优化结果
对转向器阀特性变更后，重新进行原地手力矩测试，结果见图4，手力矩变为4 N·m。
2 转向末端手力问题实例分析
2.1 现象描述
某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩的测试，图5为测试结果，纵坐标为作用在转向盘的手力矩值，横坐标为对应的转向盘转角，图上显示转向盘转至450°开始手力矩从4 N·m开始上升，直至600°时手力矩上升到9 N·m，反向转动转向盘也如此，正反向转向盘转到底时均存在助力不足的情况，且助力不足的角度范围较大。
2.2 原因分析
当转向盘转至末端时转向系统将达到最高工作压力，此时动力转向泵提供最高工作压力，所以末端手力大小主要受动力转向泵的最高工作压力控制。
2.3 排查验证
动力转向泵最高工作压力的设定值取决于转向器对轮胎作用的最大推力加拉力，而最大推力加拉力为转向器的最大齿条力，重新计算最大齿条力为74 455.1 N
根据最大齿条力计算结果推算动力转向泵油压最高应为8.12 MPa
转向泵最高工作压力是由内部滑阀结构控制的，图6为转向泵内部滑阀的结构示意图，滑阀的最高压力是通过调节弹簧的预紧力来调节的。钢球在弹簧的作用下紧紧压在阀座的锥面上，将滑阀内部密封起来。当外部压力增加时，钢球与阀座的作用力迅速减小，在阀座锥面的粗糙度、圆度以及液压油在传递时的压力波动等的影响下，钢球和阀座的密封会有轻微的泄露。并且随着压力的增高而泄漏量加大，所以最高工作压力不是一个值而是一个范围。
所以在设计最高工作压力时应将最高工作压力低限值高于系统所需的压力。
2.4 优化措施
将转向泵最高工作压力从7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，改善末端手力矩沉重的问题。
2.5 优化结果
重新对整改后的车型进行原地转向手力矩的测试，结果见图7，从0°～600°时转向手力矩均为4 N·m，600°时转向软止点限位手力矩才开始上升。末端助力不足且助力不足的角度范围较大的问题得以解决。
3 波动沉重问题实例分析
3.1 现象描述
某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩的测试，全行程转动转向盘时感觉手力矩时重时轻，图8为测试结果，纵坐标为作用在转向盘的手力矩值，横坐标为对应的转向盘转角。
3.2 原因分析
从图8可以看出，手力矩曲线不是趋近于平直，而是呈正弦波动，高峰为6 N·m，低谷为4 N·m，所以转动转向盘的过程中会有时重时轻的感觉。这种波动通常是转向系统布置不合理导致。
3.3 排查验证
对问题车型转向系统的布置进行重新校核，见图9，发现转向管柱、中间轴及转向器输入轴3根轴的轴线夹角α1为157.8°，α2为153.8°，中间轴两端万向节平面夹角γ12为38.6°，计算力矩波动为20%，见图10。设计要求力矩波动通常为＜5%，所以此车力矩波动严重超差，手力矩设计值为5 N·m，由于有力矩波动，所以手力矩为（5±1） N·m。
3.4 优化措施
重新布置转向管柱、中间轴、转向器输入轴3根轴线所夹的角度，设计输入α1=α2，实际设计α1为155.8°，α2为155.7°，中间轴万向节平面夹角γ 12为15.5°，力矩波动计算为0.1%，波动很小，图11为对问题车型转向系统的优化布置，图12为优化后力矩波动计算图。
3.5 优化结果
在问题车型上更换优化后的转向系统，并重新进行原地转向手力矩的测试，测试结果见图13。从测试结果可以看出力矩波动问题得到解决，手力矩曲线趋近于直线。
5 结束语
通过对液压转向系统的手力沉重问题进行分类，详细分析了产生手力沉重问题的原因，并对问题车型转向沉重问题进行优化改进，经测试验证后，改进效果明显。如果操纵转向盘感到过重，便不能敏捷的转动转向盘，使驾驶员因劳动强度过大而产生疲劳。当然操纵转向盘的力矩也不能设置过轻，过轻会使驾驶员产生“发飘”而失去路感难于控制汽车的方向。合理设置转向盘力矩是提高整车驾驶舒适性的重要指标。
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U463.44
A
10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.009
2014-05-05
1002-4581（2014）05-0035-05
