非公路运输车转向系统设计研究与应用

徐世福，陈晓雯，刘俊

（陕汽集团宝鸡华山工程车辆有限责任公司，陕西 宝鸡 721000）

前言

随着商用汽车的发展，动力转向系统的应用逐渐增多，在商用汽车上必须装备，首先是从减轻驾驶员疲劳，提升操纵轻便性和稳定性出发；其次是从降低因在高速行驶过程中前轮爆胎而造成的事故。虽然会造成成本增加和结构复杂等问题，但其优势明显，得到了用户的认可，并在此行业迅速发展。随着商用汽车专用化程度要求提高，车辆的载货量要求不断加大，这就对车辆的可靠性、灵活性要求不断的提高，同时驾驶员也对车辆的可操控性、劳动强度降低的要求趋势日益增加。目前，非公路运输车转向助力机构使用的助力缸主要是安装在车架上，由于安装位置过高，导致传动效率低，转向角度较小，执行力小且性能不稳定，整个行程中力值变化较大，在受到冲击力时容易造成车架受力不平衡，也容易造成车架变形，进而影响整车工作平稳性、可靠性和安全性；车辆在工况差，环境恶劣的矿区内，尤其是夏季出现转向系统液压油高温、油品失效、转向器缸体出现早磨、易损，严重影响车辆的可靠性、安全性、高出勤率的要求，同时车辆在空载、满载中出现不同程度的转向沉重，特别是在原地起步打方向时，驾驶员出现打不动方向的问题，严重影响了车辆的使用要求。

1 转向系统的组成结构和工作原理

1.1 转向系统的组成结构

非公路运输车辆转向系统主要由转向助力机构、转向传动机构以及转向散热机构组成。主要的特征是由循环球转向器 、转向器支架 、转向油罐总成支架、转向油罐总成、散热器总成进油管、转向泵、转向泵回油管、转向泵出油管、转向助力油缸进油管、转向助力油缸回油管、散热器总成支架、散热器总成、散热器总成进油管、散热器总成回油管、转向垂臂、转向直拉杆总成、车架总成、安装平台、方向盘总成、转向管柱组成。

图1 转向系统的组成

1.2 转向系统工作原理

动力助力转向系统是一项提升舒适性的新技术，可以使驾驶员在转向时自动提供转向力，从而减轻驾驶员的转向劳动强度，而助力转向油就是一种加注在助力转向系统里面的液压油，它主要起到传递转向力和缓冲的作用。

转向泵是通过转向泵进油管将转向油罐的转向低压液压油输出至高压液压油，高压液压油通过转向泵出油管一方面驱动循环球式转向器，并带动转向垂臂前后摆动，联动转向直拉杆和转向节臂，从而驱动转向前桥总成，另一方面高压液压油通过循环球转向器、转向助力油缸同时连动转向节臂，驱动转向前桥总成，低压液压油通过转向助力油缸回油管，动力转向器总成、散热器总成进油管进入散热器总成，充分的散热，再通过散热器总成回油管回流至转向油罐。当驾驶员转动方向盘时，通过循环球转向器使转向直拉杆摆动，同时带动转向节臂，使转向轮偏转，最终改变汽车的行驶方向。与此同时，循环球转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。由于有转向助力装置的作用，驾驶员只需很小的转向力矩，就能使转向轮偏转。

1.3 转向传动系统组成

转向传动系统主要由方向盘总成、转向管柱、循环球转向器、转向垂臂、转向直拉杆总成、转向节臂、转向横拉杆总成、转向前桥轮毂、转向泵组成。

1.3.1 转向泵的特点

转向泵的驱动装置为发动机，转向控制阀装置将油罐中低压油转变为高压油。

非公路运输车转向系统的动力装置是转向泵，通过发动机转向油泵可以将液压能转换成机械能，驱动传动装置，起到减轻驾驶员的强度，提高可操纵性；管路内的压力通过安全阀控制，确保转向系统安全；流量通过流量控制阀控制，确保车辆行驶时转向的灵活性。

1.3.2 转向节臂的特点

转向节臂是转向桥的重要部件之一，保证行驶车辆随时改变行驶方向，转向节臂承受车辆前桥载荷，支承且带动前轮绕主销转动，从而达到转向的目标。汽车在行驶情况下，承受着不同的冲击复合载荷，因此要具有足够高的强度。

1.3.3 转向直拉杆总成的特点

转向直拉杆总成是将转向摇臂传递来的力和运动传递给转向节臂。既有拉力也有压力，直拉杆总成采用特种钢生产的，保证使用综合性能指标。当转向轮偏转及悬架弹性变形相对于车架跳动的空间运动时，采用球销连接可以避免转向直拉杆总成与转向摇臂、转向节臂的相对运动发生干涉问题。

1.3.4 循环球转向器的特点

循环球转向器由转向器壳体、螺母、小钢球及螺杆等组成，具有较高的传动效率、磨损小、寿命长、操纵轻便、效率高、逆向效率好、回位迅速的特点，通过钢球滚动接触来传递转向力，具有较好的强度及耐磨性。变速比结构具有较高刚度，间隙可调节进一步提高寿命。

图2 循环球转向器的组成

1.3.5 方向盘的特点

方向盘通过花键与转向轴相连接，消除来自道路的振动。当直线行驶时，从中间位置向左右方向的运动行程不得超过11°C-16°C，当磨损严重行程超过26°C-32°C时，必须进行调整。

1.4 转向助力系统组成

转向助力系统由转向助力油缸、助力缸护罩（右置）、转向助力油缸支座、U型螺栓、螺母、开口销、助力节臂、前桥轮毂等组成。

图3 转向助力系统组成

转向助力系统主要是助力驾驶员调整汽车方向，帮助驾驶员减轻操作方向盘的工作强度、提升汽车行驶的安全性。

1.4.1 助力液压油及助力油缸的特点

助力转向油是助力转向泵里面用的一种特殊液压油，使方向盘变的非常轻便。助力油缸提供助力保证足够的转向助力，达到提高操作灵活性及降低劳动强度的效果；前桥轮毂由助力油缸推动前桥转轴转如图3（左极限48.3°），前桥轮毂由助力缸推动前桥转轴旋转如图2（右极限-48.3°）。利用直拉杆组成和助力油缸协调推动前桥转轴转动，前桥轮毂可以在-48.3°-48.3°之间任意变化。

1.5 转向散热系统组成

转向散热系统由散热器总成、散热器支架、转向油罐、转向油罐支架组成。

1.5.1 转向油罐的特点

转向油罐回油管从罐体的外部延伸到内部，回油管位于罐体内部的开口处且设置有滤芯，滤芯过滤精度小于 20微米，使液压中小于20微米直径颗粒滤除，使杂质颗粒不会进入转阀间隙，避免杂质颗粒对转向器的损害，保证其正常工作。

转向油罐内液压油热态时（约63℃，用手摸感觉烫手），其液面高度确保位于HOT（热）和COLD（冷）标记之间。如冷态（约为 20℃），液面高度确保在 ADD(加）和 CLOD（冷）标记之间。如液面高度不符合要求，加注转向液至要求范围。

1.5.2 散热器总成的特点

散热器总成、转向油罐以及回油管保证液压油良好的散热性，转向液压油温度不高于63℃，液压油3000公里保养周期。

散热器总成理论散热面积不小于12m2，风扇风速需达到9m/s以上，散热器电压24V，散热器要求最大过油量不小于32L/min；散热器需经过密封性试验检测，要求400KPa下保压3min，无油液渗漏现象；散热器需带温度控制器，要求控制器在-30°C到120°C温度范围内能够正常工作，温度控制器要求在45°C以上电源自动接通，风扇开启实现降温。

图4 散热器组成

2 转向系统实际应用的效果

转向系统总体作用降低方向盘转向力、提高低速大转角，降低液压油温度；提高了可靠性、安全性、轻便性及灵敏性。提高转向效率、增大转向角度、消除转向器总成损坏、早磨、消除助力缸损坏、消除车架总成的开裂。转向力降低80%，助力液压油控制在20℃-63℃，油品保养周期可以延长1000公里，可靠性度提高83%，动力转向系统综合性能显著提高。对于行驶在山区多弯公路上的汽车及工况恶劣复杂的情况下，效果特别明显；减小了地面反冲对方向盘的影响；尤其在爆胎的情况下，可以很好地阻止车轮的突然跑偏，进而改善转向的安全性。

3 结论

文章主要介绍了一种非公路运输车动力助力转向系统，主要对于在复杂工况、恶劣天气、承载能力大的情况，开发设计动力助力转向系统用于提高转向灵活性、安全性、可靠性、降低驾驶员的劳动强度、降低转向液压油温度、提高车辆的可靠性、提高转向系统的寿命、提高车辆的安全性提供一种有效的综合的解决方案。