李廣明， 范秦寅， 張廣麗

（1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.日本大阪大學(xué)，日本 大阪 5640053）

0 引 言

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器為汽車轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)汽車轉(zhuǎn)向變得輕松自如?，F(xiàn)代汽車中均裝有該機(jī)構(gòu)［1］。液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理如圖1所示。

A軸與方向盤相連，B軸與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)相連，當(dāng)汽車需右轉(zhuǎn)時(shí)，駕駛員向右轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，從而帶動(dòng)A軸旋轉(zhuǎn)，高壓油通過轉(zhuǎn)向控制閥與轉(zhuǎn)向器左腔相連，推動(dòng)轉(zhuǎn)向螺母向右移動(dòng)，通過轉(zhuǎn)向螺母上的輪齒帶動(dòng)B軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)汽車向右轉(zhuǎn)向。需向左轉(zhuǎn)向時(shí)，工作過程正好相反。

圖1 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總裝后，要對其進(jìn)行合格檢驗(yàn)，主要是模擬實(shí)際使用情況進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)合格方能出廠，試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)向器中充滿了試驗(yàn)所用的液壓油，按要求必須將其所含液壓油排除，然后再進(jìn)行表面清潔與噴漆，最后進(jìn)行包裝［2］。排油機(jī)的目的是排除其內(nèi)部殘存的液壓油。

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器是一個(gè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，要想順利地排出其內(nèi)部殘存的液壓油，必須對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，尤其要弄清各油路的位置以及它們之間的關(guān)系。

1 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的排油生產(chǎn)現(xiàn)狀

全國有許多生產(chǎn)汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的企業(yè)，各企業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器種類有所不同，文中所涉及的為重型卡車用液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。按行業(yè)要求，產(chǎn)品總裝后均要進(jìn)行性能試驗(yàn)，主要是檢測其內(nèi)泄和轉(zhuǎn)向力特性等，試驗(yàn)過程中所用的液壓油經(jīng)過濾返回到試驗(yàn)機(jī)的油箱從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，但試驗(yàn)后的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔仍含有許多液壓油，其殘存量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品出廠要求［3］。這樣不但會增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，而且在汽車總裝時(shí)殘存的液壓油會因外泄而污染生產(chǎn)環(huán)境。

目前，國內(nèi)各動(dòng)力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)企業(yè)解決該問題主要途徑有兩個(gè)：一個(gè)是吹氣排油法，一個(gè)是自然空油法。吹氣排油法就是將壓縮空氣通過出油口向其內(nèi)腔充氣，然后迅速抽出氣咀，其內(nèi)部殘存的液壓油就會隨氣流流出［4］。自然空油法就是將試驗(yàn)后的產(chǎn)品倒立放置，靠液壓油的自重自然流出。從企業(yè)液壓油的耗油量來看，這兩種方法的排油效果均不理想，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際解體50A型汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器檢測發(fā)現(xiàn)，殘存量一般為300mL左右［5］。這兩種方法還有個(gè)共同的不足之處就是排油效果在很大程度上受人為因素的影響較大。

2 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及油路分析

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器無論其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是其油路均較為復(fù)雜，要想順利地將液壓油排出，必須弄清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及油路情況。

轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥工作原理如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥工作原理

圖3 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 （a）為直行時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)閥芯處于中間位置，液壓油會由進(jìn)油口P流入G口直接返回油箱，從而保持汽車直行狀態(tài)。當(dāng)汽車左右轉(zhuǎn)彎時(shí)的油路走向?yàn)閳D2（b），（c），轉(zhuǎn)向器在做完性能試驗(yàn)時(shí)處于圖2（a）狀態(tài)，也就是各油路均處于相通的狀態(tài)［6］。

轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

A腔只有下面的一個(gè)油路與之相連，沒有其它回路，該油路即是A腔的進(jìn)油口，也是出油口，因此該腔殘存的液壓油只有通過該油路才能排出。

3 排油方法的探索

從轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和油路關(guān)系看出，有些企業(yè)采用自然空油法排油，就是將轉(zhuǎn)向器倒立向外空油，從結(jié)構(gòu)上看，這種方法A腔的油根本空不出來，即使期間搖動(dòng)圖1中的A軸使活塞向左移動(dòng)，也不會將A腔中的液壓油完全排出（受轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的限制，活塞不可能搖到最左端）。吹氣排油法在操作時(shí)同樣是將轉(zhuǎn)向器倒立，這種方法盡管排油很快，但其在操作過程中沒有搖動(dòng)A軸過程，這樣A腔中液壓油是吹不出來的，其殘余量會更多。若是將轉(zhuǎn)向器倒立，使圖1所示的轉(zhuǎn)向器A軸向下，采用連續(xù)吹氣法，從理論上講B腔的液壓油好像能很順利地吹出，但經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，吹氣時(shí)會出現(xiàn)空氣從進(jìn)油口進(jìn)入，然后直接從出油口排出，將油頂?shù)揭贿叺默F(xiàn)象。所以用該方法也很難將液壓油排出［7］。

2007年為長春市某轉(zhuǎn)向器企業(yè)研制了2臺轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)，該機(jī)器所采用的方法為真空抽取法，真空抽取法是利用負(fù)壓所產(chǎn)生壓力差將動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)殘存的液壓油抽出來。一臺機(jī)器可同時(shí)抽取2臺轉(zhuǎn)向器，每2min實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)，整個(gè)工作過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，抽油后每件產(chǎn)品內(nèi)殘存液壓油的實(shí)際含量不超過100mL。7年來該設(shè)備一直應(yīng)用于生產(chǎn)之中。

3.1 前期工作的總結(jié)

采用真空抽取法研制的轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中已應(yīng)用7年，很好地解決了企業(yè)在此生產(chǎn)環(huán)節(jié)的環(huán)境污染，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也大大地降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。但在設(shè)備應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，真空抽取必須營造一個(gè)真空環(huán)境，要有一個(gè)真空罐，與之相連的有真空泵、抽油管、排油管、液位傳感器、清污口等，這些環(huán)節(jié)有一處連接不密封或出現(xiàn)問題都會大大地影響抽油效果。抽油管以及補(bǔ)氣管與轉(zhuǎn)向器的連接處稍有密封不嚴(yán)也會使抽油效果大打折扣，因此在工作中要經(jīng)常進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。真空泵的長時(shí)間使用使其故障率過高，由此也產(chǎn)生了一定的維護(hù)成本。總之，過于復(fù)雜的設(shè)備無形中增加了設(shè)備的故障率和維護(hù)費(fèi)用。在工作過程中也發(fā)現(xiàn)了一些因人為因素而影響抽油效果的情況，如有的工人在工作時(shí)，進(jìn)出油口的快速接頭沒有擰緊就開始抽油，有時(shí)抽油機(jī)還沒有停就往下卸工件，這樣一定會導(dǎo)致抽油效果不佳。因此，制定嚴(yán)格的操作規(guī)程是很有必要的，在設(shè)備研制時(shí)也應(yīng)考慮將人為因素影響降為最低。

3.2 新排油方法的探索與實(shí)踐

傳統(tǒng)的排油方法存在著排油不徹底、污染環(huán)境和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等不足。真空抽取法解決了這樣的問題。但由于真空排油法其設(shè)備環(huán)節(jié)過多，過于繁瑣，影響抽油效果的因素過多，因此仍有改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)的必要。

從轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和油路分析看，其液壓油主要存于左右兩腔（見圖1），左右兩腔被中間的活塞完全隔開，因此必須想辦法將兩腔的油分別排出。要想排出左腔的油，必須使轉(zhuǎn)向器處于平臥狀態(tài)，同時(shí)使連通該腔的油路處于最低點(diǎn)，而要排出右腔的油，又要使轉(zhuǎn)向器A軸向下處于豎直狀態(tài)，這樣才能使右腔的油流向最下方的出油口。轉(zhuǎn)向器各油口的連接及轉(zhuǎn)換，均是靠閥套與閥芯的相對位置變化（見圖2），而閥套與閥芯各油口的設(shè)計(jì)及間隙又異常細(xì)小，因此液壓油靠自重是很難排出的。構(gòu)想首先將出油口通過電磁閥將其關(guān)閉，通過進(jìn)油口向轉(zhuǎn)向器內(nèi)注入壓縮空氣，排左腔的油時(shí)使轉(zhuǎn)向器平臥，使左腔的油路處于最低點(diǎn)，由于空氣的比重小于液壓油，這樣就會使左腔內(nèi)壓縮空氣在上而液壓油在下的狀態(tài)，此時(shí)啟動(dòng)控制電路，使連接出油管的電磁閥瞬間打開（連接進(jìn)油口的充氣閥同時(shí)關(guān)閉），這樣壓縮空氣就會推動(dòng)下面的油通過出油口將其強(qiáng)行排出。右腔的排油方法與之相同，只是排右腔的油時(shí)必須使轉(zhuǎn)向器處于倒立狀態(tài)，每腔用同樣的方式重復(fù)幾次，就會將其腔內(nèi)殘存的液壓油排出。

用此方法排油，從理論上是可行的，但在實(shí)際操作時(shí)，還有一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)問題，即每次注入壓縮空氣多長時(shí)間，保持多長時(shí)間，釋放多長時(shí)間。其中的保持時(shí)間主要是因?yàn)橛投加幸欢ǖ酿ざ?，必須給出其流動(dòng)聚集到最低點(diǎn)的時(shí)間。通過大量的試驗(yàn)，我們已經(jīng)總結(jié)出了各時(shí)間段的最佳結(jié)合，近期所研制的轉(zhuǎn)向器排油機(jī)能保證在2min之內(nèi)將油排出，與真空式抽油機(jī)一樣，機(jī)器由PLC控制，全過程自動(dòng)化，經(jīng)稱重其殘余量小于90mL。我們將這種排油方法稱之為充氣排油法。

與之前所研制的真空式抽油機(jī)相比，最新的充氣排油法排油機(jī)結(jié)構(gòu)有了很大的簡化，去除了與真空有關(guān)的一連套機(jī)構(gòu)，大大地降低了設(shè)備成本，其維修維護(hù)也變得簡單易行，兩者的排油效果基本相同。從工作效率上來看，兩者也有一定的差別，真空抽油法受真空泵能力的限制，每次最多可操作兩個(gè)工件，而充氣排油法只要現(xiàn)場壓縮氣源充足，同時(shí)操作幾個(gè)工件都可以。

4 結(jié) 語

汽車產(chǎn)業(yè)為我國的重要支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本對我國的國民經(jīng)濟(jì)有著直接的影響。而汽車上的每一個(gè)零部件的生產(chǎn)又直接影響著整臺汽車的成本和質(zhì)量。汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器作為汽車上的一個(gè)部件，降低其生產(chǎn)成本和提高其產(chǎn)品質(zhì)量也具有同樣的意義。全國有眾多的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)企業(yè)，作為企業(yè)生產(chǎn)工藝裝備的空白，深入研究和完善動(dòng)力轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義［8］。本課題組經(jīng)過多年努力研制了兩代動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油機(jī)并應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)之中，從而填補(bǔ)了這方面的空白，使企業(yè)在這個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)上有了很大的改善，具有推廣價(jià)值，但汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的種類繁多，因此，有必要研制和完善針對不同種類的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油機(jī)，為我國汽車工業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

［1］ 李堂正.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的流場分析及其吸油機(jī)重要參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2011.

［2］ 閆麗.動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成的流體力學(xué)分析及其排油裝置的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

［3］ 程凱，周香，李廣明.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的流場分析［J］.機(jī)械工程師，2010，16（3）：59－61.

［4］ 周香.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的流體力學(xué)特性及吸油裝置研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2010.

［5］ 鄒海林.基于噴射技術(shù)的汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油裝置的研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2012.

［6］ Guangming Li.Optimao design of main parameters for automotive power steering units take out oil machine［C］／／ICETIS2014.Jinan China：［s.n.］.2014：308－311.

［7］ 李廣明.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器流體特性分析［J］.佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（2）：327.

［8］ 遲瑞豐.概念車身結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，35（4）：365－370.