某特种车转向沉重问题分析与改进

李海蛟，居刚，陈兴华，章健国

某特种车转向沉重问题分析与改进

李海蛟，居刚，陈兴华，章健国

（安徽江淮汽车集团股份有限公司重型商用车研究院，安徽 合肥 230601）

在汽车转向系统中，转向沉重是最常见的故障形式之一，特别是重载型车辆。转向沉重问题不仅会影响转向系统的零部件寿命，还会增加驾驶员的疲劳感，危及行车安全。文章对某特种车转向沉重问题进行原因进行分析，根据分析结果提出相应的优化方案。问题整改完成后进行转向轻便性试验验证，验证结果达到了理想的效果。

转向沉重；转向轻便性；转向器阻力；转动泵参数

前言

转向沉重是汽车转向系中最常见的故障之一[1]。转向沉重不仅会影响零部件的寿命，还会增加驾驶员的疲劳感，对行车安全有严重影响[2]。转向轻便性是评价车辆转向是否沉重的关键指标[3]，国家有明确的标准对转向轻便性的指标进行要求与评价。本文结合某特种车转向轻便性的测试结果，找出转向轻便性差的潜在因素，并对潜在因素进行详细分析，制定整改方案进行优化，并进行转向轻便性试验验证，直到达到目标要求。

1 现有转向系统试验结果

某8×4特种车基本参数如表1所示。

该车按照GB/T 6323进行转向轻便性试验，根据试验结果评价标准，转向轻便性得分须≥6分。在测试时，驾驶员主观评价左右转向受力均较重，属于不能接受范围。试验结果如表2所示，该车转向轻便性试验总得分为5分，不满足标准要求。

2 转向轻便性原因分析

对本车转向轻便性差的原因进行分析。转向轻便性差主要转向助力不足和转向阻力过大两个方面[2]。围绕这两个方面进行深层次分析，列出潜在的问题因素，如表2所示。并针对每个因素进行验证和分析，从而找出关键因素。

表1 转向轻便性试验数据

测量项目技术要求第一次第二次第三次平均值备注 左转转向盘最大转角/°≤720567.2583.3594.6581.7OK 转向盘最大作用力矩/（Nm）≤1012.512.512.212.4NG 转向盘最大作用力/N≤4055.655.654.255.1NG 右转转向盘最大转角/°≤720588.0607.0604.6599.9OK 转向盘最大作用力矩/（Nm）≤1011.811.611.711.7NG 转向盘最大作用力/N≤4052.451.652.052.0NG 转向盘作用功/J≤150160.4160.9160.6160.6NG 转向盘平均摩擦力矩/（Nm）≤63.63.93.83.8OK 转向盘平均摩擦力/N≤1816.417.316.916.9OK 试验总评分5

表2 问题可能因素

故障第一层次原因末端因素 转向轻便性差转向助力不足转向系统传动比不当 方向机输出力矩小 动转泵参数匹配不当 转向阻力过大管柱转动阻力过大 转向器内阻力大 转向直拉杆球销转动阻力大 前桥轮端转动阻力大

2.1 转向系统传动比

转向系统的角传动比设置不合理会导致转向沉重。转向系统的角传动比i与转向器的角传动比i1和转向传动机构的角传动比i2相关[4]。三者之间满足关系：

i= i1×i2（1）

其中，转向器的角传动比为转向盘转角的增量△与转向摇臂转角的相应增量△之比。转向传动机构的角传动比为转向摇臂轴转角的增量△与转向盘所在一侧转向节转角的相应增量△之比，由于转向传动机构的布置中，通常取其在中间位置时使转向摇臂及转向节臂均垂直于其转向纵拉杆，这时转向传动机构的角传动比亦可取为转向节臂与转向摇臂之比。

根据本车转向器技术文件，转向器的角传动比为23.2，转向节臂2长273 mm，转向摇臂1长286 mm，故转向传动机构的角传动比为：

i22/1=0.95（2）

根据式（1）和式（2），转向系统的传动比为：

i= i1×i2=23.20.95=22.04（3）

根据汽车设计手册中角传动比的推荐值，重型商用车转向器角传动比值一般取20～25[5]，本车转向系统传动比满足设计要求，故排除该原因。

2.2 转向系统输出力矩小

转向系统的输出力矩应大于转向系统阻力矩。转向系统输出力矩包括转向器的输出力矩1和助力缸的输出力矩2。转向系统的阻力矩主要为前桥负载阻力矩阻。

表3 转向系统零部件参数

项目转向器缸径/mm转向器螺杆径/mm齿扇分度圆半径/mm转向器效率转向系统压力/MPa助力缸内径/mm助力缸活塞径/mm偏摆极限转角/°助力缸节臂长度/mm助力缸效率 参数1112554.80.93156028302200.96

表3为本车转向系统零部件参数表，根据转向器输出力矩计算公式[4]，转向器输出力矩1为：

助力缸的输出力矩2为：

故转向系统的输出力矩：

=1+2=14 003 Nm （6）

根据《汽车底盘设计》相关公式[4]，前桥负载阻力矩公式为：

本车匹配双前桥，前桥负载阻力矩阻为：

对比式（6）与式（8），>阻，即转向系统的输出力矩大于阻力矩，故判定转向系统输出力矩小不是转向轻便性差的原因。

2.3 转向系统各零部件的阻力

转向系统各零部件均存在内阻力，对转向轻便性有一定影响。这些零部件包括转向管柱、转向器、前桥轮端、转向直拉杆。

表4为转向系统各零部件阻力的检测结果。从表中可以看出，转向管柱转动力矩、前桥轮端阻滞力矩、转向直拉杆球头转动力矩均满足标准要求，转向器的受力特性不满足要求。转向器转阀的受力特性直接影响转向手感，本车转向器手力特性与标准值相差较大，已经严重影响转向受力，存在一定的优化空间。

表4 转向系统各零部件阻力的检测结果

零部件阻力实测值/(Nm)阻力标准值/(Nm)判定结果措施 转向管柱0.15≤0.3合格无需整改 前桥轮端38.5≤40合格无需整改 转向直拉杆3.73～6合格无需整改 转向器9.36～8不合格需整改

对比该转向器与竞品转向器，竞品转向器在压力为15 MPa时转向力矩仅为7.1 Nm，较本转向器小2.2 Nm，其转向轻便性数据也已达标。综合以上分析，转向器手里特征差是转向轻便性差的原因。

2.4 动转泵参数匹配不当

本车转向器及助力缸的参数如表5所示，动转泵的参数对该车型动力转向系统所需要的流量进行分析校核，分析过程如下所示：

表5 转向器及助力缸液压参数

项目转向器缸径/mm转向器螺杆径/mm螺距/mm方向盘转速/(r/s)助力缸内径/mm助力缸活塞径/mm方向盘每转助力缸移动距离/mm 参数1112513.51.25602848.67

转向器所需的流量1为：

助力缸所需的流量2为：

考虑内泄漏，转向系统所需总流量为为：

由于发动机怠速为600 r/min，速比为1.3，可计算动转泵所需排量为：

转动泵所需的控制流量0为：

本车转动泵参数如表6所示，对比本车动转泵参数，排量25 ml/r满足要求，流量22.5 L/min小于理论计算值，不满足要求。故动转泵控制流量小也为转向轻便性差的原因。

表6 转动泵参数

项目排量/(ml/r)控制流量/(L/min)压力/MPa 参数2522.516

3 整改及试验验证

通过上述诸多因素的分析，确定转向器阻力大、动转泵控制流量小是导致转向轻便性差的主要原因，针对这两项进行设计优化，并进行试验验证。

3.1 设计方案优化

根据原因分析，本车型制定设计优化方案如下：

（1）对转向器的受力特性进行优化，降低转向器的阻力，在15 MPa的压力下，转向器阻力矩仅为6.8 Nm，满足标准要求。

（2）转动泵参数优化：增大动转泵的控制流量，将控制流量提升至25 L/min±0.5 L/min，增大控制流量后，当发动机转速1 000 r/s以上时，动转泵所提供的流量满足转向系统的需求。进行样件检测，如表7所示，检测结果满足标准要求。

表7 转动泵样件检测

产品序号123 流量检测值/(L/min)25.425.124.8 结果判定合格合格合格

3.2 转向轻便性试验复测

按照试验标准对转向轻便性进行复测，数据如表8所示。整改后转向轻便性评价得分7分，性能提升显著，满足了标准的要求，有效解决了该车型转向沉重的问题。

表8 转向轻便性复测数据

测量项目技术要求第一次第二次第三次平均值备注 左转转向盘最大转角/°≤720597.9593.6591.4594.3OK 转向盘最大作用力矩/(Nm)≤107.37.37.67.4OK 转向盘最大作用力/N≤4032.432.433.732.8OK 右转转向盘最大转角/°≤720605.3602.0599.7602.3OK 转向盘最大作用力矩/(Nm)≤107.87.97.77.8OK 转向盘最大作用力/N≤4034.935.734.134.9OK 转向盘作用功/J≤150104.0107.9104.6105.5OK 转向盘平均摩擦力矩/(Nm)≤62.62.62.52.6OK 转向盘平均摩擦力/N≤1811.411.511.211.4OK 试验总评分7

4 结束语

转向沉重是卡车经常遇见的问题，其试验表现为转向轻便性差。针对该问题，主要从降低转向阻力、增大转向助力两方面着手，进行整改优化。本文对某8×4特种车转向轻便性差进行详细的原因分析，最终通过优化转向器手力特性来降低阻力矩，并增大动转泵控制流量来增大转向助力。经设计优化提升后，对本车重新进行转向轻便性试验，转向性能得到显著提升，满足标准要求，有效解决了该车型转向沉重问题。

[1] 陈家瑞.汽车构造(下)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[2] 史为成.某中型4×2载货车转向沉重问题的分析与改进[J].汽车实用技术,2015(12):114-116.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册设计篇[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5] 王霄峰.汽车底盘设计[M].北京:清华大学出版社,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

B

1671-7988(2021)23-65-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.018

李海蛟，男，工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司重型商用车研究院，主要负责汽车底盘设计。