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        某商用車(chē)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)計(jì)算與匹配

        2022-11-02 08:53:56劉杰靈金美瑛
        汽車(chē)實(shí)用技術(shù) 2022年20期
        關(guān)鍵詞:助力系統(tǒng)

        劉杰靈,曹 燦,金美瑛,章 印

        (南京依維柯汽車(chē)有限公司,江蘇 南京 211806)

        隨著人們生活水平的提高,汽車(chē)發(fā)展越來(lái)越追求舒適性,轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)也得到飛速發(fā)展。其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、制造成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),雖然和發(fā)動(dòng)機(jī)保持同步工作會(huì)浪費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)效率,增加燃油消耗,仍是目前國(guó)內(nèi)商用車(chē)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)采用的主流技術(shù)方案。本文以我司某車(chē)型為例,介紹其液壓助力系統(tǒng)的計(jì)算和匹配。

        1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和原理

        液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由儲(chǔ)油罐、轉(zhuǎn)向助力泵、整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器(含助力缸、控制閥等)、管路、機(jī)械轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

        轉(zhuǎn)向助力泵通過(guò)皮帶輪(或齒輪機(jī)構(gòu))接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力,向轉(zhuǎn)向控制閥輸出高壓油。當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向控制閥改變油路,高壓油進(jìn)入助力缸其中一腔體,推動(dòng)活塞向另一側(cè)移動(dòng),進(jìn)而協(xié)助齒條和橫拉桿移動(dòng)。

        2 設(shè)計(jì)相關(guān)的參數(shù)

        我司該商用車(chē)為寬體輕客M1車(chē)型,軸距為3 m,座位數(shù)為5~9個(gè),滿載3.55 t,發(fā)動(dòng)機(jī)排量2.3 L。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)計(jì)算的相關(guān)參數(shù)如表1所示,該車(chē)實(shí)際的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置如圖2所示。

        表1 車(chē)型參數(shù)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)

        圖2 實(shí)車(chē)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置

        3 參數(shù)計(jì)算與部件匹配選型

        3.1 助力缸

        1.助力缸缸徑

        助力缸的缸徑過(guò)小會(huì)使轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的助力偏小,反之缸徑過(guò)大則會(huì)浪費(fèi)材料,增加油耗,提高成本。

        按式(1)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,

        式中,為轉(zhuǎn)向軸載荷,取值為1 450 kg;取缸徑為54 mm。

        2.助力缸活塞厚度

        助力缸活塞厚度為

        取活塞厚度16 mm。

        3.助力缸長(zhǎng)度

        助力缸長(zhǎng)度為

        式中,為齒條行程180 mm;預(yù)留間隙為10 mm;調(diào)節(jié)行程=0.6;為活塞厚度16 mm。

        取助力缸長(zhǎng)度250 mm,如表2所示。

        表2 助力缸的參數(shù)

        3.2 轉(zhuǎn)向助力泵

        1.轉(zhuǎn)向助力泵的最大壓力

        原地轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向器承受的阻力矩達(dá)到最大值,但是精確計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的力(輪胎變形阻力、內(nèi)摩擦阻力、轉(zhuǎn)向輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力等)十分困難,為此采用半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩:

        式中,為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù),一般取0.7;輪胎氣壓為0.55 MPa;

        轉(zhuǎn)向軸軸荷:

        式中,為轉(zhuǎn)向軸載荷1 450 kg。

        實(shí)際計(jì)算而得的阻力矩一般偏小,考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)效率,一般推薦轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩乘以一個(gè)安全系數(shù),取其為1.25:

        無(wú)助力所需要的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩:

        式中,轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量:

        式中,轉(zhuǎn)向輪內(nèi)外輪最大轉(zhuǎn)角=46.22°,=39°;

        對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角增量:

        式中,為方向盤(pán)最大圈數(shù)3.8。

        為保證助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較好的轉(zhuǎn)向輕便性,同時(shí)又具有一定的路感,應(yīng)使駕駛員在進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)的轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩在一定范圍內(nèi)。根據(jù)推薦范圍為3.6 Nm~4.5 Nm。取轉(zhuǎn)向盤(pán)手力矩4 Nm,則助力力矩為-4。

        齒輪節(jié)圓半徑:

        式中,為助力缸的工作面積,助力缸缸徑為54 mm;為活塞桿所占面積,活塞桿徑約為0.6倍助力缸缸徑,取35 mm;

        方向機(jī)的助力缸的最大壓力:

        考慮助力缸的泄露因素,取安全因數(shù)為1.5,則方向機(jī)助力缸的最大壓力:

        轉(zhuǎn)向泵的最大壓力:

        式中,Δ為管路損失,一般為0.3 MPa~0.5 MPa,取0.5 MPa。

        2.轉(zhuǎn)向助力泵控制流量與排量

        圖3為一般轉(zhuǎn)向助力泵的特性曲線。通常,助力泵的特性需求規(guī)定為一個(gè)范圍,只要實(shí)際助力泵曲線落在范圍內(nèi),均符合要求。由圖3可知,在低速區(qū)轉(zhuǎn)向助力泵輸出流量較小,為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)原地轉(zhuǎn)向的輸出助力,就必須要求轉(zhuǎn)向泵低速時(shí)(發(fā)動(dòng)機(jī)怠速)的最小流量也能達(dá)到目標(biāo)。

        圖3 一般轉(zhuǎn)向助力泵的特性曲線

        一般商用車(chē)車(chē)型轉(zhuǎn)向盤(pán)的最大轉(zhuǎn)速取1 r/s,則轉(zhuǎn)向器活塞的最大移動(dòng)速度為

        式中,為轉(zhuǎn)向器線角傳動(dòng)比47.33 mm/r。

        轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速最大時(shí),助力缸需要的流量最大,即轉(zhuǎn)向泵的理論最大流量為

        式中,為轉(zhuǎn)向器活塞有效作用面積1 328 mm。

        一般,轉(zhuǎn)向泵的控制流量為

        式中,為動(dòng)力轉(zhuǎn)向器允許的內(nèi)泄漏量,取1 L/min。

        取油泵的控制流量為9 L/min。

        實(shí)際使用中,在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí),駕駛員感到轉(zhuǎn)向沉重,可適當(dāng)提高理論排量,而轉(zhuǎn)向泵的控制流量應(yīng)盡可能小。因?yàn)榱髁窟^(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱量增大,油封、橡膠管路和連接件的老化加快,同時(shí),轉(zhuǎn)向系消耗的發(fā)動(dòng)機(jī)功率也會(huì)增大,相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗也會(huì)提高。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失穩(wěn)、振動(dòng)、噪聲,高速時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)發(fā)飄等問(wèn)題也有可能出現(xiàn)。

        轉(zhuǎn)向泵的限壓轉(zhuǎn)速的選取需綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗和轉(zhuǎn)向的靈敏度(路感),取其為1 300 r/min。限壓前轉(zhuǎn)向泵的特性曲線一般取線性,由控制流量,限壓轉(zhuǎn)速可做出該特性曲線,如表3所示。

        表3 最終選定的轉(zhuǎn)向泵的參數(shù)

        油泵的理論排量為

        式中,為轉(zhuǎn)向泵容積效率0.9;為限壓轉(zhuǎn)速。

        3.轉(zhuǎn)向助力的國(guó)標(biāo)要求校核

        在原地轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)向力為

        式中,為根據(jù)式(7)計(jì)算所得無(wú)助力所需要的轉(zhuǎn)向盤(pán)力矩;為轉(zhuǎn)向盤(pán)外徑,取390 mm。

        根據(jù)《汽車(chē)轉(zhuǎn)向系基本要求》(GB 17675— 2021),助力系統(tǒng)故障時(shí),M1車(chē)型其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于300 N,而原地轉(zhuǎn)向所需要克服的阻力矩最大,故滿足法規(guī)要求。

        而助力正常時(shí),法規(guī)要求轉(zhuǎn)向力≤150 N,手力矩為

        怠速時(shí)轉(zhuǎn)向助力泵與轉(zhuǎn)向控制閥輸出的液壓滿足該需求,故滿足GB 17675法規(guī)。

        3.3 儲(chǔ)油罐

        一般儲(chǔ)油罐容積為

        式中,為油泵控制流量。

        取儲(chǔ)油罐容積為1.4 L。

        除了滿足容積的基本要求,儲(chǔ)油罐還要滿足散熱、過(guò)濾的要求。一般油罐材料要能承受-40 ℃~130 ℃的工作溫度,并能在100 ℃的高溫下持續(xù)工作。同時(shí),過(guò)濾精度一般取10 μm~20 μm??紤]到轉(zhuǎn)向助力泵的自吸能力較差,儲(chǔ)油罐的安裝位置一般比泵的進(jìn)油口高20 mm以上。

        3.4 管路

        1.管路尺寸

        參考供應(yīng)商常用的四種轉(zhuǎn)向泵控制流量,根據(jù)式(25),吸油管流速取1 m/s,高壓管流速取3 m/s,推薦與泵相連的吸油管和高壓油管的橡膠管內(nèi)徑如表4所示。

        表4 推薦管路內(nèi)徑

        管路內(nèi)徑的計(jì)算參考式為

        式中,為轉(zhuǎn)向助力泵的控制流量;為轉(zhuǎn)向液流速。吸油管流速推薦1 m/s~1.5 m/s;高壓油管流速推薦2.5 m/s~3.5 m/s;回油管推薦1.5 m/s~2.5 m/s。

        吸油管半徑為

        高壓油管半徑為

        回油管半徑為

        取吸油管管路內(nèi)徑為14 mm,高壓油管管路內(nèi)徑為8 mm,回油管管路內(nèi)徑為10 mm。

        2.管接頭扣壓量

        國(guó)內(nèi)經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定管接頭扣壓量,即

        式中,為橡膠管內(nèi)膠壓縮量(或金屬套筒扣壓量);為橡膠管內(nèi)膠層厚度;為金屬管接頭(芯管)對(duì)膠管內(nèi)徑擴(kuò)張的過(guò)盈量;為橡膠管內(nèi)膠層壓縮量的百分?jǐn)?shù);為金屬套筒與扣壓處外徑的間隙。

        這幾項(xiàng)參數(shù)均與供應(yīng)商的加工能力有關(guān),因此,最終扣壓量取決于實(shí)際定點(diǎn)供應(yīng)商的推薦參數(shù)。

        3.管路走向布置要求

        考慮發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向助力泵的抖動(dòng)以及傳遞高壓轉(zhuǎn)向液時(shí)橡膠管的形變,橡膠管安裝后的松弛量至少在5%以上。

        橡膠管安裝時(shí)應(yīng)避免彎折。橡膠管彎折時(shí),會(huì)降低能夠承受的壓力,同時(shí)還可能引起接頭的松脫。一般情況下,橡膠管每彎折7°,軟管的使用壽命就會(huì)降低10%。

        橡膠管彎曲半徑應(yīng)盡可能長(zhǎng)。彎曲半徑取橡膠管外徑的6~10倍為佳,盡可能達(dá)到8倍。一般橡膠管彎曲半徑每縮小20%,橡膠管的使用壽命就會(huì)降低90%。

        管路安裝時(shí)可采用防護(hù)套或管夾定位,減少管路與部件間的磨損。

        管路應(yīng)避免熱源,超過(guò)最高承受溫度會(huì)導(dǎo)致管路受壓能力下降、接頭漏油和橡膠加速老化等問(wèn)題。

        4 總結(jié)

        本文以某商用車(chē)為例,對(duì)助力缸、轉(zhuǎn)向助力泵、儲(chǔ)油罐、轉(zhuǎn)向管路等部件進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算校核,并對(duì)零部件關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行匹配選型。目前采用該系列參數(shù)的各液壓轉(zhuǎn)向助力零部件已通過(guò)可靠性路試,且該車(chē)型已經(jīng)投產(chǎn)兩年,用戶反饋 轉(zhuǎn)向力適中,操縱穩(wěn)定性良好。

        本文的分析思路、計(jì)算方法對(duì)于今后類(lèi)似的商用車(chē)轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型提供了一定參考和指導(dǎo)價(jià)值。

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