李海蛟，居剛，陳興華，章健國

某特種車轉(zhuǎn)向沉重問題分析與改進

李海蛟，居剛，陳興華，章健國

（安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，安徽 合肥 230601）

在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向沉重是最常見的故障形式之一，特別是重載型車輛。轉(zhuǎn)向沉重問題不僅會影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件壽命，還會增加駕駛員的疲勞感，危及行車安全。文章對某特種車轉(zhuǎn)向沉重問題進行原因進行分析，根據(jù)分析結(jié)果提出相應的優(yōu)化方案。問題整改完成后進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗驗證，驗證結(jié)果達到了理想的效果。

轉(zhuǎn)向沉重；轉(zhuǎn)向輕便性；轉(zhuǎn)向器阻力；轉(zhuǎn)動泵參數(shù)

前言

轉(zhuǎn)向沉重是汽車轉(zhuǎn)向系中最常見的故障之一[1]。轉(zhuǎn)向沉重不僅會影響零部件的壽命，還會增加駕駛員的疲勞感，對行車安全有嚴重影響[2]。轉(zhuǎn)向輕便性是評價車輛轉(zhuǎn)向是否沉重的關鍵指標[3]，國家有明確的標準對轉(zhuǎn)向輕便性的指標進行要求與評價。本文結(jié)合某特種車轉(zhuǎn)向輕便性的測試結(jié)果，找出轉(zhuǎn)向輕便性差的潛在因素，并對潛在因素進行詳細分析，制定整改方案進行優(yōu)化，并進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗驗證，直到達到目標要求。

1 現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗結(jié)果

某8×4特種車基本參數(shù)如表1所示。

該車按照GB/T 6323進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗，根據(jù)試驗結(jié)果評價標準，轉(zhuǎn)向輕便性得分須≥6分。在測試時，駕駛員主觀評價左右轉(zhuǎn)向受力均較重，屬于不能接受范圍。試驗結(jié)果如表2所示，該車轉(zhuǎn)向輕便性試驗總得分為5分，不滿足標準要求。

2 轉(zhuǎn)向輕便性原因分析

對本車轉(zhuǎn)向輕便性差的原因進行分析。轉(zhuǎn)向輕便性差主要轉(zhuǎn)向助力不足和轉(zhuǎn)向阻力過大兩個方面[2]。圍繞這兩個方面進行深層次分析，列出潛在的問題因素，如表2所示。并針對每個因素進行驗證和分析，從而找出關鍵因素。

表1 轉(zhuǎn)向輕便性試驗數(shù)據(jù)

測量項目技術要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角/°≤720567.2583.3594.6581.7OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力矩/（Nm）≤1012.512.512.212.4NG 轉(zhuǎn)向盤最大作用力/N≤4055.655.654.255.1NG 右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角/°≤720588.0607.0604.6599.9OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力矩/（Nm）≤1011.811.611.711.7NG 轉(zhuǎn)向盤最大作用力/N≤4052.451.652.052.0NG 轉(zhuǎn)向盤作用功/J≤150160.4160.9160.6160.6NG 轉(zhuǎn)向盤平均摩擦力矩/（Nm）≤63.63.93.83.8OK 轉(zhuǎn)向盤平均摩擦力/N≤1816.417.316.916.9OK 試驗總評分5

表2 問題可能因素

故障第一層次原因末端因素 轉(zhuǎn)向輕便性差轉(zhuǎn)向助力不足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比不當 方向機輸出力矩小 動轉(zhuǎn)泵參數(shù)匹配不當 轉(zhuǎn)向阻力過大管柱轉(zhuǎn)動阻力過大 轉(zhuǎn)向器內(nèi)阻力大 轉(zhuǎn)向直拉桿球銷轉(zhuǎn)動阻力大 前橋輪端轉(zhuǎn)動阻力大

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比設置不合理會導致轉(zhuǎn)向沉重。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動比i與轉(zhuǎn)向器的角傳動比i1和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比i2相關[4]。三者之間滿足關系：

i= i1×i2（1）

其中，轉(zhuǎn)向器的角傳動比為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的增量△與轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角的相應增量△之比。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比為轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量△與轉(zhuǎn)向盤所在一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應增量△之比，由于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的布置中，通常取其在中間位置時使轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂均垂直于其轉(zhuǎn)向縱拉桿，這時轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比亦可取為轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向搖臂之比。

根據(jù)本車轉(zhuǎn)向器技術文件，轉(zhuǎn)向器的角傳動比為23.2，轉(zhuǎn)向節(jié)臂2長273 mm，轉(zhuǎn)向搖臂1長286 mm，故轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比為：

i22/1=0.95（2）

根據(jù)式（1）和式（2），轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動比為：

i= i1×i2=23.20.95=22.04（3）

根據(jù)汽車設計手冊中角傳動比的推薦值，重型商用車轉(zhuǎn)向器角傳動比值一般取20～25[5]，本車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比滿足設計要求，故排除該原因。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩小

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩應大于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力矩。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩包括轉(zhuǎn)向器的輸出力矩1和助力缸的輸出力矩2。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阻力矩主要為前橋負載阻力矩阻。

表3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件參數(shù)

項目轉(zhuǎn)向器缸徑/mm轉(zhuǎn)向器螺桿徑/mm齒扇分度圓半徑/mm轉(zhuǎn)向器效率轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力/MPa助力缸內(nèi)徑/mm助力缸活塞徑/mm偏擺極限轉(zhuǎn)角/°助力缸節(jié)臂長度/mm助力缸效率 參數(shù)1112554.80.93156028302200.96

表3為本車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件參數(shù)表，根據(jù)轉(zhuǎn)向器輸出力矩計算公式[4]，轉(zhuǎn)向器輸出力矩1為：

助力缸的輸出力矩2為：

故轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩：

=1+2=14 003 Nm （6）

根據(jù)《汽車底盤設計》相關公式[4]，前橋負載阻力矩公式為：

本車匹配雙前橋，前橋負載阻力矩阻為：

對比式（6）與式（8），>阻，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的輸出力矩大于阻力矩，故判定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩小不是轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件的阻力

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件均存在內(nèi)阻力，對轉(zhuǎn)向輕便性有一定影響。這些零部件包括轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器、前橋輪端、轉(zhuǎn)向直拉桿。

表4為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件阻力的檢測結(jié)果。從表中可以看出，轉(zhuǎn)向管柱轉(zhuǎn)動力矩、前橋輪端阻滯力矩、轉(zhuǎn)向直拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩均滿足標準要求，轉(zhuǎn)向器的受力特性不滿足要求。轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥的受力特性直接影響轉(zhuǎn)向手感，本車轉(zhuǎn)向器手力特性與標準值相差較大，已經(jīng)嚴重影響轉(zhuǎn)向受力，存在一定的優(yōu)化空間。

表4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各零部件阻力的檢測結(jié)果

零部件阻力實測值/(Nm)阻力標準值/(Nm)判定結(jié)果措施 轉(zhuǎn)向管柱0.15≤0.3合格無需整改 前橋輪端38.5≤40合格無需整改 轉(zhuǎn)向直拉桿3.73～6合格無需整改 轉(zhuǎn)向器9.36～8不合格需整改

對比該轉(zhuǎn)向器與競品轉(zhuǎn)向器，競品轉(zhuǎn)向器在壓力為15 MPa時轉(zhuǎn)向力矩僅為7.1 Nm，較本轉(zhuǎn)向器小2.2 Nm，其轉(zhuǎn)向輕便性數(shù)據(jù)也已達標。綜合以上分析，轉(zhuǎn)向器手里特征差是轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

2.4 動轉(zhuǎn)泵參數(shù)匹配不當

本車轉(zhuǎn)向器及助力缸的參數(shù)如表5所示，動轉(zhuǎn)泵的參數(shù)對該車型動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需要的流量進行分析校核，分析過程如下所示：

表5 轉(zhuǎn)向器及助力缸液壓參數(shù)

項目轉(zhuǎn)向器缸徑/mm轉(zhuǎn)向器螺桿徑/mm螺距/mm方向盤轉(zhuǎn)速/(r/s)助力缸內(nèi)徑/mm助力缸活塞徑/mm方向盤每轉(zhuǎn)助力缸移動距離/mm 參數(shù)1112513.51.25602848.67

轉(zhuǎn)向器所需的流量1為：

助力缸所需的流量2為：

考慮內(nèi)泄漏，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需總流量為為：

由于發(fā)動機怠速為600 r/min，速比為1.3，可計算動轉(zhuǎn)泵所需排量為：

轉(zhuǎn)動泵所需的控制流量0為：

本車轉(zhuǎn)動泵參數(shù)如表6所示，對比本車動轉(zhuǎn)泵參數(shù)，排量25 ml/r滿足要求，流量22.5 L/min小于理論計算值，不滿足要求。故動轉(zhuǎn)泵控制流量小也為轉(zhuǎn)向輕便性差的原因。

表6 轉(zhuǎn)動泵參數(shù)

項目排量/(ml/r)控制流量/(L/min)壓力/MPa 參數(shù)2522.516

3 整改及試驗驗證

通過上述諸多因素的分析，確定轉(zhuǎn)向器阻力大、動轉(zhuǎn)泵控制流量小是導致轉(zhuǎn)向輕便性差的主要原因，針對這兩項進行設計優(yōu)化，并進行試驗驗證。

3.1 設計方案優(yōu)化

根據(jù)原因分析，本車型制定設計優(yōu)化方案如下：

（1）對轉(zhuǎn)向器的受力特性進行優(yōu)化，降低轉(zhuǎn)向器的阻力，在15 MPa的壓力下，轉(zhuǎn)向器阻力矩僅為6.8 Nm，滿足標準要求。

（2）轉(zhuǎn)動泵參數(shù)優(yōu)化：增大動轉(zhuǎn)泵的控制流量，將控制流量提升至25 L/min±0.5 L/min，增大控制流量后，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000 r/s以上時，動轉(zhuǎn)泵所提供的流量滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。進行樣件檢測，如表7所示，檢測結(jié)果滿足標準要求。

表7 轉(zhuǎn)動泵樣件檢測

產(chǎn)品序號123 流量檢測值/(L/min)25.425.124.8 結(jié)果判定合格合格合格

3.2 轉(zhuǎn)向輕便性試驗復測

按照試驗標準對轉(zhuǎn)向輕便性進行復測，數(shù)據(jù)如表8所示。整改后轉(zhuǎn)向輕便性評價得分7分，性能提升顯著，滿足了標準的要求，有效解決了該車型轉(zhuǎn)向沉重的問題。

表8 轉(zhuǎn)向輕便性復測數(shù)據(jù)

測量項目技術要求第一次第二次第三次平均值備注 左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角/°≤720597.9593.6591.4594.3OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力矩/(Nm)≤107.37.37.67.4OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力/N≤4032.432.433.732.8OK 右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角/°≤720605.3602.0599.7602.3OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力矩/(Nm)≤107.87.97.77.8OK 轉(zhuǎn)向盤最大作用力/N≤4034.935.734.134.9OK 轉(zhuǎn)向盤作用功/J≤150104.0107.9104.6105.5OK 轉(zhuǎn)向盤平均摩擦力矩/(Nm)≤62.62.62.52.6OK 轉(zhuǎn)向盤平均摩擦力/N≤1811.411.511.211.4OK 試驗總評分7

4 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向沉重是卡車經(jīng)常遇見的問題，其試驗表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向輕便性差。針對該問題，主要從降低轉(zhuǎn)向阻力、增大轉(zhuǎn)向助力兩方面著手，進行整改優(yōu)化。本文對某8×4特種車轉(zhuǎn)向輕便性差進行詳細的原因分析，最終通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向器手力特性來降低阻力矩，并增大動轉(zhuǎn)泵控制流量來增大轉(zhuǎn)向助力。經(jīng)設計優(yōu)化提升后，對本車重新進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗，轉(zhuǎn)向性能得到顯著提升，滿足標準要求，有效解決了該車型轉(zhuǎn)向沉重問題。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 史為成.某中型4×2載貨車轉(zhuǎn)向沉重問題的分析與改進[J].汽車實用技術,2015(12):114-116.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[4]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊設計篇[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5] 王霄峰.汽車底盤設計[M].北京:清華大學出版社,2010.

Analysis and Improvement of Heavy Steering in Special Vehicle

LI Haijiao, JU Gang, CHEN Xinghua, ZHANG Jianguo

( The Heavy Commercial Vehicle Academe of Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In the automobile steering system, heavy steering is one of the most common failure forms, especially the heavy-duty vehicle. The heavy steering problem will not only affect the life of the steering system parts, but also increase the fatigue of the driver, which endangered the safety of driving. In this paper, the cause of heavy steering problem of a special vehicle is analyzed, and the corresponding optimization scheme is proposed according to the analysis results. After the problem is corrected, the steering portability test is carried out to verify the results and the ideal results are achieved.

Heavy steering; Steering portability; Steering gear resistance; Dynamic pump parameters

U462.1

B

1671-7988(2021)23-65-04

U462.1

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1671-7988(2021)23-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.018

李海蛟，男，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司重型商用車研究院，主要負責汽車底盤設計。