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(zhuǎn)向器系統(tǒng)在輕型汽車上開發(fā)與應(yīng)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(zhuǎn)向器系統(tǒng)開發(fā)中，對系統(tǒng)要求、設(shè)計步驟、評價指標及常見設(shè)計問題等進行探討，并對應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題提出解決方式，為今后同類型產(chǎn)品開發(fā)提供建議和參考。

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

某輕型汽車前軸載荷最大達2.2噸，總質(zhì)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(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，需匹配開發(fā)液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)。由于該噸位車型匹配液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)國內(nèi)外運用較少，相關(guān)文獻也較少。本文結(jié)合某輕型汽車開發(fā)，對液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求、設(shè)計步驟、評價指標等進行探討，并對應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問題提出解決方式。

1、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求

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

1.1 轉(zhuǎn)向系提出要求

（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)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(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎行駛能力。

（5）操縱輕便。

（6）轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。

（7）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構(gòu)。

（8）進行運動校核，保證轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向一致。

1.2 液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器要求

（1）運動學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關(guān)系。

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

（3）當作用在轉(zhuǎn)向盤上切向力大于10N時，動力轉(zhuǎn)向器就應(yīng)開始工作。

（4）轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)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(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動后，系統(tǒng)內(nèi)壓力能很快增長到最大值。

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

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能目標

轉(zhuǎn)向系中設(shè)置有轉(zhuǎn)向減振器時，能夠防止轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生自振，同時又能使傳到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪有盡可能大的轉(zhuǎn)角，并要達到按前外輪車輪軌跡計算，其最小轉(zhuǎn)彎半徑能達到汽車軸距的2～2.5倍。通常用轉(zhuǎn)向時駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩大小和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動圈數(shù)多少兩項指標來評價操縱輕便性。轉(zhuǎn)向盤上切向力不超過25N，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)入沿半徑為12m的圓周行駛，且路面干燥，進行測試。

2、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計

2.1 設(shè)計步驟

（1）車型整體設(shè)計，通過人機工程學(xué)，確定轉(zhuǎn)向盤中心位置；

（2）整車設(shè)計需要，確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置方案；

（3）確定轉(zhuǎn)向器基本外形尺寸及轉(zhuǎn)向器性能參數(shù)；

（4）確定轉(zhuǎn)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(shè)計。

2.2 設(shè)計參數(shù)的選擇及部分系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)布置方案分析

液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器（G）是在機械式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動力缸組成。如圖1所示，其基本工作原理為：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向控制閥，當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，控制閥改變高壓油的流向，使高壓管進入相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)向器工作簡圖

動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)布置方案主要從以下方面進行考慮：

a)轉(zhuǎn)向器主要零件是否能承受由動力缸建立起來的載荷；

b)轉(zhuǎn)向器維修接近性要好，以方便維修。液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器不同于循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器齒條當作轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向輪在側(cè)向力作用下是否容易引起轉(zhuǎn)向輪擺振。

2.3 動力轉(zhuǎn)向器的評價指標

2.3.1 動力轉(zhuǎn)向器的作用效能

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

2.3.2 路感

駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，除要克服轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤上切向力不超過25N。

2.3.3 轉(zhuǎn)向靈敏度

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

2.3.4 動力轉(zhuǎn)向器的靜特性

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

因輸出轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，后兩項是常量，所以可以用輸入轉(zhuǎn)矩M。與輸出油壓戶之間的變化關(guān)系曲線來表示動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向區(qū)，曲線呈低平形狀，油壓變化不大；汽車原地轉(zhuǎn)向或調(diào)頭時，輸入轉(zhuǎn)矩進入最大區(qū)段(圖中C段)，要求助力轉(zhuǎn)向效果應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)向器向右轉(zhuǎn)和向左轉(zhuǎn)的靜特性曲線應(yīng)對稱。對稱性可以評價轉(zhuǎn)閥的加工和裝配質(zhì)量。要求對稱性大于90%，反映到整車上，原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤切向力左右相差不能大于4N。

3、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)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(shè)計時，應(yīng)考慮各部件的相互運動關(guān)系，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)注意干涉地方有如下：

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

3）防塵罩總成，如設(shè)計不當，會造成轉(zhuǎn)向傳動軸與防塵罩底座干涉，造成轉(zhuǎn)向沉重，轉(zhuǎn)向不回正等，最小間隙根據(jù)車身位移、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器上高壓油管位置，如設(shè)計不當，會造成發(fā)動機抖動時與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器上進出油管接頭位置，如設(shè)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(zhuǎn)向油管與其他零件運動干涉，如設(shè)計不當，發(fā)動機抖動時，會造成轉(zhuǎn)向油管與車身底盤其他零件干涉，也會造成轉(zhuǎn)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(shè)計時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件基本均為安全件，應(yīng)考慮各部件強度，主要有如下方面：

1)轉(zhuǎn)向盤強度，轉(zhuǎn)向盤主要考慮骨架焊接強度、覆蓋層覆著強度；

2)轉(zhuǎn)向軸強度，轉(zhuǎn)向軸應(yīng)按標準承受相應(yīng)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(zhuǎn)向管柱支架，如轉(zhuǎn)向管柱不帶軸承，支架強度可以偏小，如帶軸承，需加大轉(zhuǎn)向管柱支架強度，可從材料厚度結(jié)構(gòu)等方面改進；

4）轉(zhuǎn)向軸支撐帶防塵罩總成，焊接件強度，轉(zhuǎn)向傳動軸在轉(zhuǎn)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(zhì)量問題；

5）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向傳動軸進行靜扭、疲勞等試驗時，應(yīng)以最小嚙合尺寸做試驗。

3.1.3 轉(zhuǎn)向性能要求

1）轉(zhuǎn)向輕便性，需要對轉(zhuǎn)向器產(chǎn)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(nèi)。一般4MP時對應(yīng)輸入力矩為4.9～6.1Nm，反映到整車上，原地轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向盤上切向力小于16N；

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

3）轉(zhuǎn)向回正性，與轉(zhuǎn)向梯形、前輪定位參數(shù)、輪胎氣壓、轉(zhuǎn)向器等有關(guān)，對于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，影響轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向閥設(shè)計等，在轉(zhuǎn)向回正出現(xiàn)故障后，可從上述部分進行分析；

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

3.2 應(yīng)用中出現(xiàn)的故障及解決方法

表1　液力齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器及系統(tǒng)故障診斷

4、結(jié)論

通過對齒輪齒條式液力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輕型汽車上設(shè)計及應(yīng)用，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理進行了闡述，對設(shè)計開發(fā)中容易出現(xiàn)的問題進行了探討，對應(yīng)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(shè)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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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