助力转向液压原理描述及外循环回路设计.pdf

曩窭圜T E C H N I C F O R U M 助力转向液压原理描述及外循环回路设计 De s c r i pt i on f or Hydr aul i c Pr i n ci pl e of Po w er as s i s t ed St ee r i ng a nd De si gn of Ext r i n s i O C yc l e Ci r c ui t 熊 仆 程俊锋 X1 0NG Pu e t aI 北汽福田北京 欧曼重型汽车厂技术中心 北京 1 0 1 4 0 0 摘要 载重卡 车转 向阻力很大 ，靠人 力难 以实现转向 ，故此 多采 用液压助 力控制方式来保证 车辆转向轻便准确 ，最大 限度地 降低司机驾驶车辆的劳动强 度 ，但 存在载 重卡车转向系统故障 率高的问题。通过分析助 力转 向系统特点 ，从液压随动 的角度描述 并分析 了工作原理 。针对 目 前广泛采用的两线 内循环设计在使用过程 中暴露出的不足 ，提出 了外循环回路设计方案。 关键词 载重卡车 助力转向 液压原理 图 外循环 回路 Ab s t r a c t s I t i s ve r y d i ffi c u l t t o s t e e r a t r u c k o n l y b y ma n p o we r d u e t o t h e s t r o n g r e s i s t a n c e ． F o r t h i s r e a s o n，mo s t t r u c k a d o p t h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g t o m a k e t h e v e h i c l e s t e e r i n g m a n o e u v r a b l e a n d a c c u r a t e ，t o m i n i mi z e t h e d r i v e r ’ s e ffo r t wh i le d r i v i n g a t ru c k Th i s p a pe r t a k e t h e s i t u a t i o n t h a t t h e f a i l u r e r a t e o f s t e e r s y s t e m o f t ru c k i s c o ns i d e r a b l e hi g h i n t o c on s i d e r a t i o n ， b y a n a l y z i ng t h e c h a r a c t e r o f p o we r s t e e r i ng ． De s c r i b e a n d a n a l yz e t h e wo r k i n g p r i n c i pl e o n t h e v i e w o f h y d r a ul i c c o n s e q u e n t a c t i o n ． Ai mi n g a t s o l v i n g t h e s h o r t c o m i n g o f t h e wi d e l y a d o p t e d t wo wa y i n t r i n s i c c y c l e d e s i g n， whi c h wa s f o u n d wh i l e u s i n g， t hi s p a p e r fi n a l l y b r o u g ht f o r wa r d a n e w d e s i g n f o r e x t r i n s i c c y c l e c i r c u i t Ke y wo r d t r u c k； p o we r - a s s i s t e d s t e e r i n g ； h y d r a u l i c s c h e ma t i c d i a g r a m ； e x t r i n s i c c y c l e c i r c u i t 中图分类号 U4 6 3 ． 4 4 2 ． O 2 文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 0 0 1 0 0 4 8 ． 0 3 1前言 现有的载重卡车轴荷幅度大 ，以国内 中重型卡车为例 ，其前桥设计轴荷为3 ． 6 N 7 5 t ，最大可达9 t 。原有机械 式转向机构 完全靠人 力驱 动 ，难 以克服 前桥转 向阻 力。载 重卡车广泛采 用液压助力转 向系 统 ，发 动机 驱 动液 压 油泵 ，利 用 高压 油液 驱动转向机构。司机转动方向盘 ，控制液 压 阀 ，系统按照司机 的要 求驱使车辆转 向。液压助 力转向大大减轻了司机的劳动 强度 ，操纵卡车十分轻便。 随着载重卡车装载量 的增加 ，转向系 统的负荷不断加大。目前国内载重卡车助 力转向系统故障率一直偏高 ，特别是转向 油泵故障率居高不下。据统计 ，新车三个 月内其转 向油泵发 生故 障的比例在8 ％左 右。 助力转向系统较为复杂 ，分析、判断 和排除故障需要对其原理能够准确把握。 国内汽车设计维修等资料中参照液压行业 的通行做法 ，绘制标准助力转向系统液压 原理 图资料不多，为此笔者基于对该系统 的理解绘制出液压原理图 ，从液压随动原 理的角度描述并分析了转向控制系统工作 原理 。针对 目前广泛采用两线内循环回路 设计存在的不足，提出了外循环回路设计 方案 。 2 助力转向系统液压原理 2 ． 1 系统 的构成 助 力转 向 系统是 一套 液 压 系统 ，如 图 l 所示 。它主要由转 向机 、泵、转向油罐 油箱以及油管组成。转向油罐负责存 储液压油并兼有散热和过滤油液的功能 ； 转向泵通常为叶片泵 ，它固定在发动机上 并由发动机驱动 ，它产生具有一定压力和 流速的液压油流 i载重卡车通常采用循环 球转向机 ，转向机固定在车架上 ，通过油 管与泵相连，利用液压油驱动 。方向盘通 作者简介 熊仆 ，男 ，1 9 6 7 年生 ，高级工程师 ，从事 重型卡 车底盘及上装设计研发工作。 4 8 肇2 0 1 0 0 1 熊仆 过转 向管柱与转向机连接 ，司机转动方向 盘给转向机发出指令，转向机驱动转向机 构 ，实现车辆转向。 双转向桥载重卡车和一些矿用 自卸车 因转向阻力过大 ，系统还增加有转向助力 缸。转向助力缸通过油管与转向机活塞腔 相连 ，辅助转向机实现转向。 图1 助力转向系统示意图 2 ． 2工作原理 图2 为某助 力转 向系统 内部结构示意 图 ，转向泵为叶片结构，泵体 内集成稳流 阀等液压控制阀；转向机是系统的核心元 件 ，它主要由壳体、活塞、转 阀、蜗杆、 扭杆 、扇形轴和循环球等零部件组成。方 向盘通过传动轴与转阀的阀芯轴相连 ，司 机转动方向盘将转阀打开 ，液压油进入活 塞的左／ 右腔 ，推动活塞如图2 所示方向右 ／ 2运动 ，通过齿轮啮合副驱动扇形轴转 动，扇形轴与转向机输出垂臂通过花键相 连 从而驱动转向机构。 图2 助 力 转 向 内部 结 构 示 意 图 1壳体 2活塞 3 转阀 4蜗杆 5扭杆 6 扇形轴 7循环球 8径向进 油槽 9进 油槽 1 O进油控制阀 1 1轴 向槽 1 2回 油槽 l 3回 油控 制 阀 1 4回 油 腔 1 5 右径 向油槽 1 6 左径 向油槽 1 7卸荷 阀 1 8安 全 阀 1 9补 偿 闷 2 O ．稳 流 阀 2 1转 向 泵 2 2 ． 转 向 油罐Z L 一 左 腔 ZR 右 腔 转向机不仅为转 向提供动力，而且要 具备精准的控制能力 ，它还必须具备 以下 两个 功能 a ． 随动性 ，即转向机输出转角与方向 盘输入的转角方向一致且比例固定。 b ． 有路感 ，即司机通过方向盘能够感 知路面转 向的阻力变化 ，故转向机输出的 力矩应与方向盘的转动力矩成一定的比例 关系 。 图 2中 的 转 向 机 采 用 了 循 环 球 式 设 计 ，转 阀阀芯通过扭杆与蜗杆相连 ，而蜗 杆顶部就是转阀阀套。转动方向盘时 ，阀 芯和阀套相对转动 ，同时扭杆产生弹性变 形。转阀被打开后 ，液压油会推动活塞运 动，活塞推动扇形轴转动的同时又因循环 球 的作用使蜗杆随之转动并关闭转阀 ，活 塞随之停止运动 扭杆在这里发挥回位定 心作用。这样 ，活塞的运动完全跟随方 向盘的转动 ，实现了转 向机的随动控制。 转动方向盘 ，打开转阀，液压油推动活塞 驱动车辆转向 ，此时司机只需克服扭杆的 阻力矩 ，因此转向操纵十分轻便。 扭杆 为弹性元 件 ，转 阀开启 角度愈 大 ，反馈到方向盘上的阻力矩也就愈大 ， 而开启角度的大小决定 了输入活塞腔油压 的最大值 最大输出力矩。这样方向盘 上所感知的阻力与车辆转向阻力的大小建 立了相对固定的关系，从而使司机通过方 向盘感受到扭杆阻力，间接感知路面转向 阻力的大小。 2 ． 3 液压原理 图 如图3 所示 ，笔者现 以液压 系统原理 图对国内载重卡车普遍使用的助 力转向系 统进行描述。 2 图3 助力转向液压系统原理图 1 转 向油罐 2 转向泵 3转向机 4 泵总成 5等差减压阀 6节流孔 7安全阀 8三位四通换向闷 9齿条活塞液压缸 转 向油罐 内设有回油滤油器 ；转向泵 由泵总成、等差减压阀、节流孔和安全阀 组成。等差减压阀通过控制节流孔进出 口 压差的相对稳定 ，来保证输出到方向机的 流量相对稳定 ，从而克服油泵 因发动机转 速变化对转向性能的影响 ，如高速时的方 向“ 发飘”现象 ；安全阀负责在系统油压 超过了设计值时 ，通过溢流的方式将压 力 控制在安全范围内，以此保护系统 ；转 向 机由三位四通换向阀和齿条活塞液压缸进 行表述。如前所述 ，换向阀为转阀结构 ， 由司机通过方向盘及转向管柱开启 ，并依 靠扭杆进行 弹簧定心 ，阀芯 中位机 能为 T E C H N I C F O R U M 曩囤圜 H 型 ，即车辆直线行驶 ，阀芯处在 中位 ， 转向机活塞左右腔和油泵 出油管路均与油 罐相通 ，此时系统油压接近零 ，转向泵处 于无负荷工作状态 。图中两条平行竖线连 接液压缸和阀套 ，以此表示阀套与活塞实 现联动，构成了机械反馈随动回路。 相对复杂的助 力转向系统通过简图方 式表达出来 ，图中液压符号符合国家标准 和行业规范。专业人员通过此 图，可以快 速准确把握系统的组成和工作原理 ，为其 设计匹配及故障分析判断提供了方便 。 3 外循环液压 回路设计 近年来 ，国内载重卡车转 向泵故障率 始终居高不下 ，究其原因 ，笔者认 为是超 载行驶所致。以某种 自卸车为例 ，设计装 载为1 2 ． 5 t ，而实际装载能达到5 0 t l,X上。 在此情况下现有能力最大的助力转向系统 也不堪重负。车辆超载 ，转向泵长时间高 负荷工作 ，其寿命必会大大缩短。 对转 向油泵失效件的分析 ，发现相当 一 部分为高温烧损 ，属散热不良所致。针 对现有超载的现状 ，现有助力转向系统设 计中存在着一定缺陷。 3 ． 1 内循环液压回路工作原理 图4 为转 向泵工作示意图。液压 油经 油 口O 被吸人油 泵，经双作用定量叶片泵 加压后通过固定节流口由P 口排出油泵； 当输 出油压 超 过设 计 值 通 常为 1 5 MP a 时 ，高压油会克服弹簧产生在锥形阀芯上 的预紧力 将阀芯推开 ，部分液压油通过 泄油 口T 回到油泵吸油腔 ，从而稳定系统 油压 ，因此称锥形阀为安全阀；等差减压 阀阀芯可以在阀套 内左右滑动，其左端连 接弹簧 ，且 左右腔分 别与节流 口两端相 通 ，弹簧的预紧大小决定 了节流 口进出口 的压力差 。当压差过大时 ，阀芯在右侧油 压大 于左侧 ，其推力足 以克服弹簧预 紧 力，阀芯向左运动直至阀芯右腔与泄油口 接通 ，多余液压油被泄出。通过动态的调 整过程 ，节流孔进 出 口的压 力差相对稳 定。根据流体力学原理可知 ，当节流孔两 端压力差一定时 ，其流过节流 L fl 9 流量也 是固定的。这样 ，油泵转速变化时 ，其输 出的流量 由P 口排出相对稳定。 ■囤圜T E C H N I C F O R U M 6 5 4 3 图4 内循环 转向泵工作意图 l叶片泵 2固定节流 口 3定差 闷闷芯 4弹簧 5为安全阀 6弹簧 由于泄油 口_ r 直接 与吸油 口。在泵体 内直接相通 ，安全 阀或等差减压阀溢泄出 来的液压油直接在泵内再次参与循环，笔 者将此称 之为内循环回路。 3 ．2 内循环液压回路存在的问题 内循环 回路油泵对外 有P 、0两个油 口，用高 氐 压两个油管分别连接转向机和 油罐 即可 ，结构 紧凑 ，管路布置相对 容 易，大部分载重卡车均采用此设计。 该回路存在的问题 系统油压超过了 安全阀的限定值 ，安全阀打开 ，转向油泵 产生的高压油液全部或大部分通过安全阀 泄流，直接流泵吸油腔，形成转向泵泵体 内少量油液的 内循环 又称断流内循环 。 油泵驱动功率转化 为热量且无法迅速地带 出泵体 ，这些功率 以排量2 0 ml ／ r 最高油 压 1 5 MP a 转向泵为例 ，输人功率能达到1 6 k W大 部 分 或 全 部 用 于 加 热 内 部 油 液 和 泵体材料 ，使油泵温度迅速升高。 实验表 明，发动机转速在额定2 2 0 0 r ／ mi n 时 ，转 向泵转速则高达3 2 3 4 r ／ mi n ， 此时断流状态内循环 ，通常工作不超过l 4 S ，转 向泵就 会失 效 。 转向系统工作压力不超出设计值，即 断流内循环情况极少发生 ，该设计能够满 足使用要求。 国内载重卡车超载十分严重 ，特别是 工程自卸车，不仅超载，而且路面条件很 差 ，转向系统长时间处于超负荷状态 ，内 循环回路的设计显然不适合 ，以致于转向 泵故障率始终居高不下。据统计 ，工程 自 卸车转向油泵故障率是公路车型的两倍以 上 。 3 ． 3 外循环液压 回路设计 外循环 回路设计有 两个方案 如图 5 。 璧 蘑 T 秘I a 方案1 b 方案2 图5 外循环回路设计 方案 方案l 将转向油泵泄油油路T 直接从 泵体上引出 ，泄油口通过油管与从转向机 流出的液压油汇合后共同流回转向油罐。 这样 ，全部液压油参与 系统 外循环 ，油 罐、油管和方向机壳体都参与 了散热 ，散 热面积增大 ，散热条件得到改善 ，特别是 在转 向负荷较大 ，安全 阀处于开启溢 流 时 ，避免了高温液压油在泵体内循环 ，散 热不畅对助力油泵的损害。 该设计需要增加油管 ，通常的做法是 用三通接头将泄油管直接连到转向机出油 口上，管路布置也比较容易。 转 向油 泵从 原来一进一 出两个油 口 两口泵多增加 了～个泄油口，笔者称 之为 “ 三口泵”。需要指出的是 三 口泵 不可简单地 泄油 口引出来就 了事 ，由于 泵 内设有稳流阀 ，以排量为2 0 ml ／ r 两 口泵 为例 ，油泵超出设计控 制值 的多余流量 平 均约 占总流量 的5 1 ％，最高 能达 到 6 2 ％ 通 过 稳 流 阀 在 泵 内 循 环 ，吸 油 口 0 流量与出油口P 一致 ；对于三口泵来讲 ， 吸 油 口的流 量将 是P口和T口流量 的 总和 ， 因此其最大流量加大到原来两 口泵的2 4 倍 左 右 。 因此 在 设计 三 口泵 时应 特 别注 意加 大吸油油道和吸油管路的通径 ，否则会出 现“ 气穴”现象，由此产生噪音 ，甚至造 成油泵提前失效。 方案2 将转向泵内的安全阀移到转 向机上 如 图2 ，当系统 为高 压溢 流 时 ，溢出的液压油参与外循环 ，进行良好 的散热。该方案不用调整管路设计，转向 泵 内结构不用做较大的调整。其缺点是由 于安全阀制造加工要求高 ，对油液污染很 敏感 ，相对容易发生故障 ；将其移到转向 机上 ，又会增加转 向机的故障率。转向机 的采购成本是转向泵的六倍左右 ，更换维 修需要的工时更多。如果安全阀故障率控 制不好 ，车辆维护成本将会明显增加。 4 结束语 外循环液压回路现已在部分国内重型 载重卡车上使用 ，特别是在工程自卸车上 取得 了较好效果 。 车辆超载严重，系统负荷过重 ，转向 泵、转向机长时间处于高压状态 ，导致故 障 率 过 高 。 现 采 用 的 转 向 机 缸 径 为 1 2 0 1 1 1 11 1 ， 己属 国 际 上 转 向 能 力 最 大 的 液 压 缸 ，再 想 加大 已 无资源 可 用 。外循 环 回路 并不能从根本上解决问题 ，只能作为辅助 改菩的一种方法。 为 了提 高助 力转 向能 力 ，工程 技术 人 员还可从两个方面着手 a ． 提 高系统设 计油压 ，从 现在的 1 5 MP a 提 高到 1 8 MP a ，并 提 高转 向泵 、转 向 机的内压能力。从 目前使用情况来看 ，提 高 油压 ，对 零 部件 特 别是 转 向泵 的材料 、 加 工 、热处 理 的要 求会 更 高 ，多数 生 产厂 商在提高油压后 ，转向泵的故障率不降反 升 。 b ． 降低系统工作油压 ，主要是增加转 向助 力缸。该方案已在双转向桥公路车和 单桥矿用自卸车上使 用，取得一定效果。 另外 ，生产厂商已经着手开发更大缸径的 转 向机 。 泵是助力转向系统中的 “ 弱者” ，转 速高、压力高、受发动机布置空间限制使 得散热不好 ，噪音不能大 ，只能使用叶片 结构 。叶片泵对油液污染敏感。要提高系 统 的可 靠性 ，转 向泵 是关键 。这应 综合 考 虑多个方面 ，如改善系统散热、转 向杆系 优化改进、油液清洁度保障等 ，包括调整 传统的实验方案 ，如增加高转速高压时的 断流耐久性专项试验 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 4