液压转向系统手力沉重原因及优化

丁玲

（安徽江淮汽车股份有限公司）

汽车动力转向系统是汽车关键零部件之一，其中液压助力转向系统是相对成熟且应用最多的结构。如果操纵方向盘感到手力过重，便不能敏捷地转动方向盘，使驾驶员因劳动强度过大而产生疲劳；如果操纵方向盘的力矩设置过轻，会使驾驶员产生手感“发飘”而失去路感，难于控制汽车的方向。因此，合理设置方向盘力矩是提高整车驾驶舒适性的重要指标。根据液压转向系统手力沉重测试曲线走向，转向沉重可分为全行程沉重、末端沉重及波动沉重3类。文章将结合实例对3种手力沉重问题进行原因解析及实例优化。

1 全行程手力沉重问题实例分析

1.1 现象描述

在某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩测试[1]，测试结果为转动方向盘的全行程作用在方向盘上的手力矩都很大，测试结果，如图1所示。从图1中可以看出，方向盘平均作用力矩在5 N·m左右。

1.2 原因及排查

导致全行程转向沉重的原因有多种，通常4种常见的原因及排查方法如下。

1）密封环磨损或剪切导致内泄漏超标。排查方法：通过对问题车型进行路试后拆车，然后对拆下的转向器进行拆解分析，看是否出现相应的问题。最终发现密封环未损坏，故该原因排除。

2）转向拉杆球头不灵活。排查方法：对拆下的转向器进行转向拉杆球头灵活性测试（多方位转动球头），并未感到球头运动迟滞，且向各方位都能自由转动，故该原因排除。

3）转向器调整不当。排查方法：为问题车型更换同规格转向器，发现问题依然存在，故可排除是转向器调整不当所致。

4）转向器转向力矩设计过重。排查方法：查找转向器阀特性设计参数，设计定义油压为5 MPa时转向器扭杆输入扭矩为5 N·m，与图1的测试曲线结果相对应。因此，该问题由转向器阀特性手力设计参数偏大导致。

1.3 优化措施及结果

重新定义转向器阀特性设计参数，油压为5 MPa时对应转向器扭杆输入扭矩为4 N·m[2]。

对转向器阀特性变更后，重新进行原地手力矩测试，结果如图2所示，手力矩变为4 N·m，达到电动转向系统手力轻便性水平[3]。

2 转向末端手力沉重问题实例分析

2.1 现象描述

在某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩的测试[1]，测试结果，如图3所示。图3上显示，方向盘从450°开始打至600°时，手力矩从4 N·m开始上升到9 N·m；反向打方向盘从400°开始，手力矩也开始上升。因此，方向盘正反向打到底时均存在助力不足的情况，且助力不足的角度范围较大。

2.2 原因及排查

由于方向盘打至末端时转向系统将达到最高工作压力，此时动力转向泵提供最高工作压力，所以末端手力大小主要受动力转向泵的最高工作压力控制。

动力转向泵最高工作压力的设定值取决于转向器对轮胎作用的最大推力加拉力，而最大推力加拉力为转向器的最大齿条力[4]，因此需按式（1）重新计算最大齿条力：

式中：F——最大齿条力，N；

M——原地转向摩擦阻力矩与重力回正力矩之和，N·m；

S——转向梯形有效作用力臂，mm。

根据F计算结果推算动力转向泵油压[4]最高应为：

式中：P——动力转向泵最高工作压力，MPa；

D——转向器液压缸内径，D=44 mm；

d——转向器齿条外径，d=27.7 mm。

图纸设计最高工作压力在7.5～8.2 MPa，由式（2）可知，系统所需的最高工作压力（8.12 MPa）在该范围内。对问题车型进行实车测试，得到方向盘打到末端时转向泵的最高工作压力为7.5 MPa，小于系统所需的8.12 MPa。转向泵最高工作压力受内部滑阀结构控制，图4示出转向泵内部滑阀的结构示意图，滑阀的最高压力是通过调节弹簧的预紧力来调节的。从图4可以看出，钢球在弹簧的作用下紧压在阀座的锥面上，将滑阀内部密封起来。当外部压力增加时，钢球与阀座的作用力迅速减小，在阀座锥面的粗糙度、圆度及液压油在传递时的压力波动等的影响下，钢球和阀座的密封会有轻微的泄露，并且随着压力的增高而泄露量加大，所以在设计最高工作压力时应使最高工作压力低限值高于系统所需的压力。

2.3 优化措施及结果

由前述可知，转向泵最高工作压力不是一个值而是一个范围。因此将动力转向泵最高工作压力范围从7.5～8.2 MPa提高至8.2～8.8 MPa，来改善末端手力矩沉重的问题。

重新对整改后的车型进行原地转向手力矩测试[1]，结果如图5所示。从图5可以看出，0～600°时转向手力矩均为4 N·m，600°时转向软止点限位手力矩才开始上升。末端助力不足且助力不足的角度范围较大的问题得以解决。

3 波动沉重问题实例分析

3.1 现象描述

在某车型上进行操纵稳定性试验的原地转向手力矩测试[1]，全行程转动方向盘时感觉手力矩时重时轻，测试结果，如图6所示。

3.2 原因分析及排查

从图6可以看出，手力矩曲线呈正弦波动，高峰为6 N·m，低谷为4 N·m，所以打方向盘的过程中会有时重时轻的感觉。这种波动通常是转向系统布置不合理所致。

对问题车型转向系统的布置进行重新校核，如图7所示，发现转向管柱、中间轴及转向器输入轴之间的夹角 α1为 157.8°，α2为 153.8°，中间轴两端万向节平面夹角 γ1，2为 38.6°。计算力矩波动为 20%，如图 8 所示。设计要求力矩波动通常＜5%，所以此车力矩波动严重超差。

3.3 优化措施及结果

重新布置转向管柱、中间轴及转向器输入轴间的夹角[5]，设计输入 α1=α2，实际设计 α1=155.8°，α2=155.7°，γ1，2=15.5°，力矩波动计算为 0.1%，小于 5%，波动满足设计要求。图9示出对问题车型转向系统的优化布置，图10示出优化后力矩波动计算图。

在问题车型上更换优化后的转向系统，并重新进行原地转向手力矩的测试[1]，测试结果，如图11所示。从图11可以看出，手力矩曲线趋近于直线，力矩波动问题得到解决。

4 结论

液压转向系统手力沉重的原因有很多，文章通过理论分析与试验相结合的方法，找出了3种导致转向手力沉重的主要原因，并提出优化转向器阀特性曲线、动力转向泵最高工作压力及转向系统几何布置3项整改方案，经样车试验验证整改方案可行有效，手力沉重问题得以解决。

文章主要阐述试验数据能反映理论设计的缺陷，理论分析能让试验更有针对性，在解决实际问题时，必须理论分析试验数据，对症下药，制定最有效的措施，文中应用的理论分析和试验验证的思路和方法为后续车型出现类似问题提供借鉴意义和指导作用。目前文章提供的整改方案仅针对类似问题的推荐，动力转向泵流量参数的修改也是改善手力沉重问题的重要方法。