某商用车转向液压系统计算与匹配

刘杰灵，曹 灿，金美瑛，章 印

（南京依维柯汽车有限公司，江苏 南京 211806）

随着人们生活水平的提高，汽车发展越来越追求舒适性，转向助力系统也得到飞速发展。其中液压助力转向系统具有结构简单紧凑、制造成本低、可靠性强等优点，虽然和发动机保持同步工作会浪费发动机效率，增加燃油消耗，仍是目前国内商用车转向助力系统采用的主流技术方案。本文以我司某车型为例，介绍其液压助力系统的计算和匹配。

1 液压助力转向系统的组成和原理

液压助力转向系统主要由储油罐、转向助力泵、整体式动力转向器（含助力缸、控制阀等）、管路、机械转向传动机构等构成，具体结构如图1所示。

图1 液压助力转向系统

转向助力泵通过皮带轮（或齿轮机构）接受发动机的动力，向转向控制阀输出高压油。当方向盘转向时，转向控制阀改变油路，高压油进入助力缸其中一腔体，推动活塞向另一侧移动，进而协助齿条和横拉杆移动。

2 设计相关的参数

我司该商用车为宽体轻客M1车型，轴距为3 m，座位数为5～9个，满载3.55 t，发动机排量2.3 L。转向液压系统计算的相关参数如表1所示，该车实际的液压助力转向系统布置如图2所示。

表1 车型参数及转向系统参数

图2 实车液压助力转向系统的布置

3 参数计算与部件匹配选型

3.1 助力缸

1.助力缸缸径

助力缸的缸径过小会使转向液压系统的助力偏小，反之缸径过大则会浪费材料，增加油耗，提高成本。

按式（1）经验公式计算，

式中，为转向轴载荷，取值为1 450 kg；取缸径为54 mm。

2.助力缸活塞厚度

助力缸活塞厚度为

取活塞厚度16 mm。

3.助力缸长度

助力缸长度为

式中，为齿条行程180 mm；预留间隙为10 mm；调节行程=0.6；为活塞厚度16 mm。

取助力缸长度250 mm，如表2所示。

表2 助力缸的参数

3.2 转向助力泵

1.转向助力泵的最大压力

原地转向时，转向器承受的阻力矩达到最大值，但是精确计算转向系统中的力（轮胎变形阻力、内摩擦阻力、转向轮绕主销转动的阻力等）十分困难，为此采用半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩：

式中，为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0.7；轮胎气压为0.55 MPa；

转向轴轴荷：

式中，为转向轴载荷1 450 kg。

实际计算而得的阻力矩一般偏小，考虑转向系统的传动效率，一般推荐转向器的最大输出扭矩乘以一个安全系数，取其为1.25：

无助力所需要的转向盘力矩：

式中，转向节转角增量：

式中，转向轮内外轮最大转角=46.22°，=39°；

对应转向盘转角增量：

式中，为方向盘最大圈数3.8。

为保证助力转向系统具有较好的转向轻便性，同时又具有一定的路感，应使驾驶员在进行转向操作时的转向盘扭矩在一定范围内。根据推荐范围为3.6 Nm～4.5 Nm。取转向盘手力矩4 Nm，则助力力矩为-4。

齿轮节圆半径：

式中，为助力缸的工作面积，助力缸缸径为54 mm；为活塞杆所占面积，活塞杆径约为0.6倍助力缸缸径，取35 mm；

方向机的助力缸的最大压力：

考虑助力缸的泄露因素，取安全因数为1.5，则方向机助力缸的最大压力：

转向泵的最大压力：

式中，Δ为管路损失，一般为0.3 MPa～0.5 MPa，取0.5 MPa。

2.转向助力泵控制流量与排量

图3为一般转向助力泵的特性曲线。通常，助力泵的特性需求规定为一个范围，只要实际助力泵曲线落在范围内，均符合要求。由图3可知，在低速区转向助力泵输出流量较小，为了满足发动机怠速时原地转向的输出助力，就必须要求转向泵低速时（发动机怠速）的最小流量也能达到目标。

图3 一般转向助力泵的特性曲线

一般商用车车型转向盘的最大转速取1 r/s，则转向器活塞的最大移动速度为

式中，为转向器线角传动比47.33 mm/r。

转向盘转速最大时，助力缸需要的流量最大，即转向泵的理论最大流量为

式中，为转向器活塞有效作用面积1 328 mm。

一般，转向泵的控制流量为

式中，为动力转向器允许的内泄漏量，取1 L/min。

取油泵的控制流量为9 L/min。

实际使用中，在发动机怠速时，驾驶员感到转向沉重，可适当提高理论排量，而转向泵的控制流量应尽可能小。因为流量过大会导致系统发热量增大，油封、橡胶管路和连接件的老化加快，同时，转向系消耗的发动机功率也会增大，相应发动机的油耗也会提高。转向系统失稳、振动、噪声，高速时转向盘发飘等问题也有可能出现。

转向泵的限压转速的选取需综合考虑发动机功率消耗和转向的灵敏度（路感），取其为1 300 r/min。限压前转向泵的特性曲线一般取线性，由控制流量，限压转速可做出该特性曲线，如表3所示。

表3 最终选定的转向泵的参数

油泵的理论排量为

式中，为转向泵容积效率0.9；为限压转速。

3.转向助力的国标要求校核

在原地转向时，转向力为

式中，为根据式（7）计算所得无助力所需要的转向盘力矩；为转向盘外径，取390 mm。

根据《汽车转向系基本要求》（GB 17675— 2021），助力系统故障时，M1车型其转向力应小于300 N，而原地转向所需要克服的阻力矩最大，故满足法规要求。

而助力正常时，法规要求转向力≤150 N，手力矩为

怠速时转向助力泵与转向控制阀输出的液压满足该需求，故满足GB 17675法规。

3.3 储油罐

一般储油罐容积为

式中，为油泵控制流量。

取储油罐容积为1.4 L。

除了满足容积的基本要求，储油罐还要满足散热、过滤的要求。一般油罐材料要能承受-40 ℃～130 ℃的工作温度，并能在100 ℃的高温下持续工作。同时，过滤精度一般取10 μm～20 μm。考虑到转向助力泵的自吸能力较差，储油罐的安装位置一般比泵的进油口高20 mm以上。

3.4 管路

1.管路尺寸

参考供应商常用的四种转向泵控制流量，根据式（25），吸油管流速取1 m/s，高压管流速取3 m/s，推荐与泵相连的吸油管和高压油管的橡胶管内径如表4所示。

表4 推荐管路内径

管路内径的计算参考式为

式中，为转向助力泵的控制流量；为转向液流速。吸油管流速推荐1 m/s～1.5 m/s；高压油管流速推荐2.5 m/s～3.5 m/s；回油管推荐1.5 m/s～2.5 m/s。

吸油管半径为

高压油管半径为

回油管半径为

取吸油管管路内径为14 mm，高压油管管路内径为8 mm，回油管管路内径为10 mm。

2.管接头扣压量

国内经常采用经验公式来确定管接头扣压量，即

式中，为橡胶管内胶压缩量（或金属套筒扣压量）；为橡胶管内胶层厚度；为金属管接头（芯管）对胶管内径扩张的过盈量；为橡胶管内胶层压缩量的百分数；为金属套筒与扣压处外径的间隙。

这几项参数均与供应商的加工能力有关，因此，最终扣压量取决于实际定点供应商的推荐参数。

3.管路走向布置要求

考虑发动机带动转向助力泵的抖动以及传递高压转向液时橡胶管的形变，橡胶管安装后的松弛量至少在5%以上。

橡胶管安装时应避免弯折。橡胶管弯折时，会降低能够承受的压力，同时还可能引起接头的松脱。一般情况下，橡胶管每弯折7°，软管的使用寿命就会降低10%。

橡胶管弯曲半径应尽可能长。弯曲半径取橡胶管外径的6～10倍为佳，尽可能达到8倍。一般橡胶管弯曲半径每缩小20%，橡胶管的使用寿命就会降低90%。

管路安装时可采用防护套或管夹定位，减少管路与部件间的磨损。

管路应避免热源，超过最高承受温度会导致管路受压能力下降、接头漏油和橡胶加速老化等问题。

4 总结

本文以某商用车为例，对助力缸、转向助力泵、储油罐、转向管路等部件进行了详细的计算校核，并对零部件关键参数进行匹配选型。目前采用该系列参数的各液压转向助力零部件已通过可靠性路试，且该车型已经投产两年，用户反馈 转向力适中，操纵稳定性良好。

本文的分析思路、计算方法对于今后类似的商用车转向液压助力系统的设计及选型提供了一定参考和指导价值。