楊情操，梁飛，呂傳志

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

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淺談液力齒輪齒條式轉向器系統(tǒng)在輕型汽車上開發(fā)與應用

楊情操，梁飛，呂傳志

（南京依維柯汽車有限公司，江蘇 南京 210028）

摘 要：某輕型汽車匹配液力齒輪齒條式轉向器系統(tǒng)開發(fā)中，對系統(tǒng)要求、設計步驟、評價指標及常見設計問題等進行探討，并對應用中容易出現(xiàn)的問題提出解決方式，為今后同類型產品開發(fā)提供建議和參考。

關鍵詞：液力齒輪齒條式轉向器；性能目標；問題；解決方式

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.021

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)04-60-04

引言

液力齒輪齒條式轉向器系統(tǒng)已廣泛應用于乘用車，但在總質量4.5噸～7噸之間的輕型汽車車型上應用較少，這種噸位輕型汽車一般采用循環(huán)球式轉向器系統(tǒng)。

某輕型汽車前軸載荷最大達2.2噸，總質量最大達7噸，對乘坐舒適性及操縱輕便性要求較高，配置雙擺臂獨立懸架系統(tǒng)，前輪轉向后輪驅動，需匹配開發(fā)液力齒輪齒條式轉向器系統(tǒng)。由于該噸位車型匹配液力齒輪齒條式轉向器系統(tǒng)國內外運用較少，相關文獻也較少。本文結合某輕型汽車開發(fā)，對液力齒輪齒條式轉向系統(tǒng)的要求、設計步驟、評價指標等進行探討，并對應用中容易出現(xiàn)的問題提出解決方式。

1、轉向系統(tǒng)的要求

轉向系統(tǒng)是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系，動力轉向系統(tǒng)能減輕駕駛員的手力。

1.1 轉向系提出要求

（1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。

（2）汽車轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛。

（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉向輪不得產生自振，轉向盤沒有擺動。

（4）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。

（5）操縱輕便。

（6）轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。

（7）轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。

（8）進行運動校核，保證轉向盤與轉向輪轉動方向一致。

1.2 液力齒輪齒條式轉向器要求

（1）運動學上應保持轉向輪轉角和駕駛員轉動轉向盤的轉角之間保持一定的比例關系。

（2）隨著轉向輪阻力的增大(或減小)，作用在轉向盤上的手力必須增大(或減小)，稱之為“路感”。

（3）當作用在轉向盤上切向力大于10N時，動力轉向器就應開始工作。

（4）轉向后，轉向盤應自動回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。

（5）工作靈敏，即轉向盤轉動后，系統(tǒng)內壓力能很快增長到最大值。

（6）動力轉向失靈時，仍能用機械系統(tǒng)操縱車輪轉向。（7）密封性能好，內泄漏少。

1.3 轉向系統(tǒng)性能目標

轉向系中設置有轉向減振器時，能夠防止轉向輪產生自振，同時又能使傳到轉向盤上的反沖力明顯降低。為了使汽車具有良好的機動性能，必須使轉向輪有盡可能大的轉角，并要達到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉彎半徑能達到汽車軸距的2～2.5倍。通常用轉向時駕駛員作用在轉向盤上的轉向力矩大小和轉向盤轉動圈數(shù)多少兩項指標來評價操縱輕便性。轉向盤上切向力不超過25N，轉向盤圈數(shù)不大于4圈。

測試方式為在汽車從直線行駛狀態(tài)，以10km／h速度在柏油或水泥的水平路段上轉入沿半徑為12m的圓周行駛，且路面干燥，進行測試。

2、轉向系統(tǒng)的產品設計

2.1 設計步驟

（1）車型整體設計，通過人機工程學，確定轉向盤中心位置；

（2）整車設計需要，確定轉向系統(tǒng)布置方案；

（3）確定轉向器基本外形尺寸及轉向器性能參數(shù)；

（4）確定轉向系統(tǒng)各部件位置，需要配合其他零部件共同完成；

（5）具體零部件設計。

2.2 設計參數(shù)的選擇及部分系統(tǒng)設計

2.2.1 動力轉向機構布置方案分析

液力齒輪齒條式轉向器（G）是在機械式轉向器的基礎上加轉向控制閥和轉向動力缸組成。如圖1所示，其基本工作原理為：轉向動力油經(jīng)膠管（F）進入動力油泵（B），經(jīng)油泵由供油管（D）進入轉向控制閥，當轉向盤轉動時，控制閥改變高壓油的流向，使高壓管進入相應的轉向動力缸，從而推動齒條的左右移動。而相對不起作用的動力缸內的動力油經(jīng)控制閥，由回油管（E）送回儲油罐（A）。為防止油壓過高，油泵中裝有安全閥（C）。

圖1　液力齒輪齒條式轉向器工作簡圖

動力轉向機構布置方案主要從以下方面進行考慮：

a)轉向器主要零件是否能承受由動力缸建立起來的載荷；

b)轉向器維修接近性要好，以方便維修。液力齒輪齒條式轉向器不同于循環(huán)球式轉向器，轉向器齒條當作轉向橫拉桿使用，布置空間比較緊湊，還要注意管路聯(lián)接頭的維修接近性；

c)管路的長短要適當，轉向器本體固定在車架上，液力泵一般裝配在整車動力總成上，在轉向器與轉向泵之間由油管連接供油。油管過短，動力總成的抖動容易造成油管接頭松動漏油，油管過長，容易與其他零件干涉摩擦，也容易憋死；

d)轉向輪在側向力作用下是否容易引起轉向輪擺振。

2.3 動力轉向器的評價指標

2.3.1 動力轉向器的作用效能

用效能指標s=Fh／Fh′來評價動力轉向器的作用效能。式中，F(xiàn)h和Fh′為沒有動力轉向器和有動力轉向器時，轉動轉向輪所必須作用在轉向盤上的力?，F(xiàn)有動力轉向器的效能指標 s=1～15。

2.3.2 路感

駕駛員轉動轉向盤，除要克服轉向器的摩擦力和回位彈簧阻力外，還要克服反映路感的液壓阻力。液壓阻力等于反作用閥面積與工作液壓壓強的乘積。在最大工作壓力時，換算到轉向盤上切向力不超過25N。

2.3.3 轉向靈敏度

轉向靈敏度用接通動力轉向時，作用到轉向盤的切向力和轉角來評價，要求此力在5～10N，轉角在5°～10°范圍。

2.3.4 動力轉向器的靜特性

動力轉向器的靜特性是指輸入轉矩與輸出轉矩之間的變化關系曲線，是用來評價動力轉向器的主要特性指標。

因輸出轉矩等于油壓壓力乘以動力缸工作面積和作用力臂，對于已確定的結構，后兩項是常量，所以可以用輸入轉矩M。與輸出油壓戶之間的變化關系曲線來表示動力轉向的靜特性，如圖2所示。

常將靜特性曲線劃分為四個區(qū)段。在輸入轉矩不大的時候，相當于圖中A段，是直線行駛位置附近小角度轉向區(qū)，曲線呈低平形狀，油壓變化不大；汽車原地轉向或調頭時，輸入轉矩進入最大區(qū)段(圖中C段)，要求助力轉向效果應當最大，故油壓曲線呈陡而直狀上升；B區(qū)段屬常用快速轉向行駛區(qū)段，要求助力作用要明顯，油壓曲線的斜率變化應較大，曲線由較為平緩變陡。

圖2　手力特性曲線

除此之外，上述三個區(qū)段之間的油壓曲線過渡要求平滑，D區(qū)段曲線就表明是一個較寬的平滑過渡區(qū)間。

要求動力轉向器向右轉和向左轉的靜特性曲線應對稱。對稱性可以評價轉閥的加工和裝配質量。要求對稱性大于90%，反映到整車上，原地轉向時轉向盤切向力左右相差不能大于4N。

3、轉向系統(tǒng)開發(fā)應用中容易出現(xiàn)的問題及解決方式

3.1 開發(fā)中出現(xiàn)的問題

3.1.1 干涉問題

在進行零部件設計時，應考慮各部件的相互運動關系，在轉向系統(tǒng)設計中應注意干涉地方有如下：

2）轉向傳動系統(tǒng)萬向節(jié)形狀，如設計不當，會造成萬向節(jié)與踏板支架運動干涉，應保證萬向節(jié)最大旋轉點與踏板支架15mm以上間隙；

3）防塵罩總成，如設計不當，會造成轉向傳動軸與防塵罩底座干涉，造成轉向沉重，轉向不回正等，最小間隙根據(jù)車身位移、轉向傳動軸擺動角度、裝配公差確定，在極限狀態(tài)下保證5mm以上間隙；

4）轉向器上高壓油管位置，如設計不當，會造成發(fā)動機抖動時與轉向器上高壓油管接頭干涉，根據(jù)發(fā)動機跳動量確定最小間隙，極限狀態(tài)下保證15 mm以上間隙；

5）轉向器上進出油管接頭位置，如設計不當，會造成管接頭裝配干涉，最小間隙依據(jù)管接頭裝配形式及扳手空間決定；

6）轉向油管與其他零件運動干涉，如設計不當，發(fā)動機抖動時，會造成轉向油管與車身底盤其他零件干涉，也會造成轉向油管相互干涉，在極限狀態(tài)下保證5mm以上間隙，如干涉無法避免，可采用管夾方式固定，扎帶固定方式不可靠，易造成油管與扎帶摩擦損壞。

3.1.2 強度問題

在進行零部件設計時，轉向系統(tǒng)各部件基本均為安全件，應考慮各部件強度，主要有如下方面：

1)轉向盤強度，轉向盤主要考慮骨架焊接強度、覆蓋層覆著強度；

2)轉向軸強度，轉向軸應按標準承受相應的靜扭、疲勞性能；

（4）按照國家標準《鮮柑橘》，在石門縣采集的252件柑橘樣品大部分屬于優(yōu)等果，優(yōu)等果比率達91%。重金屬超標率較低，僅少量樣品汞、砷超標。

3）轉向管柱支架，如轉向管柱不帶軸承，支架強度可以偏小，如帶軸承，需加大轉向管柱支架強度，可從材料厚度結構等方面改進；

4）轉向軸支撐帶防塵罩總成，焊接件強度，轉向傳動軸在轉動過程中，要承受較大彎曲力矩，對焊接件強度要求較高，都靈V鑄鋁件出現(xiàn)過質量問題；

5）轉向傳動軸花鍵部分，車身在抖動過程中，花鍵嚙合部分減少，在對轉向傳動軸進行靜扭、疲勞等試驗時，應以最小嚙合尺寸做試驗。

3.1.3 轉向性能要求

1）轉向輕便性，需要對轉向器產品的力特性曲線進行控制，實測值需控制在曲線公差范圍內。一般4MP時對應輸入力矩為4.9～6.1Nm，反映到整車上，原地轉向時轉向盤上切向力小于16N；

2）轉向平順性，避免出現(xiàn)轉向時手力忽輕忽重的問題，與轉向傳動系統(tǒng)萬向節(jié)布置角度有關，涉及相位角，需在設計之初確定；

3）轉向回正性，與轉向梯形、前輪定位參數(shù)、輪胎氣壓、轉向器等有關，對于齒輪齒條式轉向器，影響轉向回正有齒條兩端油封唇口層數(shù)、齒條與小齒輪嚙合間隙、轉向閥設計等，在轉向回正出現(xiàn)故障后，可從上述部分進行分析；

4）轉向自由間隙過大，與轉向器內齒條與小齒輪嚙合間隙、轉向傳動軸花鍵嚙合間隙等存在關系，國標轉向系統(tǒng)自由間隙較大，該輕型汽車產品自由間隙控制在2°以內。

3.2 應用中出現(xiàn)的故障及解決方法

表1　液力齒輪齒條式轉向器及系統(tǒng)故障診斷

4、結論

通過對齒輪齒條式液力轉向系統(tǒng)在輕型汽車上設計及應用，對轉向系統(tǒng)的原理進行了闡述，對設計開發(fā)中容易出現(xiàn)的問題進行了探討，對應用中出現(xiàn)的故障進行描述。為后續(xù)同類車型開發(fā)提供了思路，減少后續(xù)開發(fā)中出現(xiàn)類似問題。

開發(fā)中按開發(fā)流程進行設計驗證及實車驗證，降低使用問題有很大幫助。

參考文獻

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[5] 周名,余卓平,趙治國,動力轉向技術的發(fā)展[J]，汽車研究與開發(fā), 2004.

中圖分類號：U463.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-60-04

作者簡介：楊情操，就職于南京依維柯汽車有限公司。從事整車性能開發(fā)工作。

Development and application of hydraulic gear rack and pinion steering system in light vehicle

Yang Qingcao, Liang Fei, Lv Chuanzhi
（Nanjing iveco automobile Co., Ltd, Jiangsu Nanjin 210028）

Abstracts: A light vehicle matching hydraulic rack and pinion steering system development, the system requirements, design steps, evaluation index and common design problems are discussed, and the problems easily occurred in the application of the proposed solution, provide suggestions and reference for the future development of the products of the same type.

Keywords:hydraulic rack and pinion steering gear; performance target; problem; solution