客车动力转向系统的设计布置及常见问题分析模板

客车动力转向系统的设计布置及常见

问题分析

上世纪80年代初期, 国内大部分客车都是在货车底盘上加装车身而来。由于货车底盘的前悬较短而且发动机前置, 造成车内空间利用率不高, 车内噪声较大。随着国民经济的发展, 中国高速公路也在飞速发展, 人们对出行及旅行的舒适性、安全性要求越来越高, 交通密度的增加和车速的提高对客车的转向性能都提出了更高的要求。客车转向系统设计的好坏直接影响着客车的驾驶稳定性、安全性和操纵灵活性。下面简要介绍客车动力转向系统的设计布置及常见问题的分析。

1、客车动力转向系统的设计要点

1.1 客车动力转向的设计要求

(1)转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角应保持一定的比例关系。

(2)动力转向系统失灵时, 仍能用机械系统操纵车轮转向。

(3)减轻驾驶员作用在转向盘上的手力, 同时还应有路感, 并随转向阻力的增加而增大。

(4)方向盘应能平稳回位, 保证汽车的直线行驶能力。

(5)转向系统应能在车辆转弯时灵活平稳地将扭力传到前轮。

(6)不允许路面不平引起的振动造成方向盘回跳或方向失控。

1.2 动力转向器的选择

动力转向系统由于具有转向操纵灵活、轻便, 能吸收路面对前轮产生的冲击, 设计时转向器结构形式的选择也灵活多样等优点, 因此, 已在各国的汽车制造中普遍采用。中国大客车一般采用的是整体式－液压动力转向器, 其工作原理如图1所示。液压式动力转向以液体的压力作动力来完成转向加力。其特点是油液工作压力可达6-10MPa, 甚至更高, 因此结构紧凑, 动力缸尺寸小、重量轻; 因油液具有不可压缩性, 故灵敏度高; 油液的阻尼作用能够用来吸收路面冲击; 动力装置无需润滑。其缺点是结构复杂, 对加工精度和密封要求高等。动力转向器型号的选择须根据前桥负荷、整车的布置等因素来综合考虑。转向器选择的合适与否对整个转向系统起着至关重要的作用。

1.3 转向器及中间过渡臂的布置

转向器及中间过度臂的合理布置对于整车的行驶稳定性有非常重要的作用。每一种转向器对其安装都有要求, 在满足转向器安装要求的情况下, 应根据整车的前转向桥和前悬挂的特点, 保证转向拉杆和前悬挂的运动干涉在允许的范围内。这需要作运动校核图, 以确保不影响整车行驶稳定性的运动干涉。另外, 需根据前轮允许

的内外转角, 计算出转向垂臂和转向过渡臂的尺寸。在这个过程当中, 应尽可能地利用好转向器输出轴允许的摆角。

2、几种常见布置形式和特点

2．1 传统的转向系统布置形式

采用传统布置形式的转向系统主要常见于10m长以下的高地板旅游客车和长途客车, 其布置如图2所示。图2中给出了转向传动装置与悬架共同工作校核图, 目的是检查转向拉杆与悬架导向机构的运动是否协调。在此种布置形式中, 转向器一般布置在前钢板前支架附近, 这样使得与转向垂臂相连接的直拉杆球头点Bl与前桥

上转向节臂处直拉杆球头点B2随悬架跳动的中心O2较近, 从而

比较容易找到合适的转向器布置位置, 使得运动不协调造成的轨迹偏差GH和G'H'较小。一般来说, GH和G'H'这一偏差应控制在轮胎的弹性变形范围内。当前国内大部分7-10m客车采用发动机后置, 前开门, 前悬较长, 而长前悬客车转向器一般布置距离02较远, 这样要使GH和G'H'控制在轮胎弹性变形范围内, 转向器的选用很重要; 因前地板高度较高, 同时, 长前悬客车如采用传统的布置形式, 前直拉杆的长度较长, 在相同的前桥载荷条件下, 需增加直拉杆的

直径, 以增加拉杆稳定性。

2.2 转向垂臂采用倒置或横置

转向垂臂倒置多采用于二级踏步城市客车上。由于转向节臂球销中心A1点随悬架的摆动中心O2一般已接近于地板面, 如转向垂臂布置向下。为满足运动不协调造成的轨迹偏差在规定的范围内, 则整个转向器将超出地板面。为使整个转向器的布置不超出地板面, 而又保证整车的接近角, 转向垂臂倒置是当前国内二级踏步城市客车普遍采用的布置形式。

转向垂臂横置用于大落差前桥和空气悬架在大型超低地板城市客车上, 其简图如图3所示。由于大型超低地板城市客车的气囊较大, 在前桥工字梁上方已没有布置转向节臂的位置, 转向节臂只有布置在工字梁的下方。可是采用大落差前桥后, 工字梁和地面的间隙已较小, 因此转向节臂和工字梁的距离很小。如采用转向垂臂下置, 容易造成转向直拉杆和工字梁干涉。采用转向垂臂横置后, 转向垂臂和转向节臂基本上是一个平行四边形运动关系, 转向直拉杆

基本上在和地面平行的平面上运动, 因此减小了和工字梁干涉的可能性。

2.3 采用中间摆臂形式

采用中间摆臂形式的转向系统主要常见于10m以上的高地板旅游客车和长途客车。此种车型前悬较长, 传统布置形式的转向系统已不能满足整车转向性能要求。国内10m以上大客车当前应用最为广泛的布置形式如图4所示。

此种布置形式与传统的布置形式相比, 整个转向系统增加了前直拉杆、中间摆臂两个总成件。设计时, 应尽量使前直拉杆和后直

拉杆处于中间摆臂的同侧, 否则中间摆臂在运动时会形成一个扭矩, 使中间摆臂轴承容易损坏。

其主要优点是:

(1)由于中间摆臂的安装及布置要比转向器的布置安装简单得多, 因此和采用传统的转向系统布置形式相比, Bl点更容易布置在O2点附近, 使运动不协调造成的轨迹偏差更小。

(2)转向器布置位置较为灵活, 特别是转向器的高低位置布置的选择余地较大, 从而使得在整车总布置时, 从方向盘至转向器的传动装置的布置更为合理、方便。

其缺点是:

(1)由于转向系统增加了前直拉杆和中间摆臂, 而且中间摆臂的加工及安装精度较高, 使得整车成本有所增加, 整个转向系统的可靠性也有所降低。

(2)在整车营运初期, 由于多了一道中间传动环节, 增大了转向传动传动阻力, 从而使得整车转向时可能出现转向沉重、回正不好的现象。而在整车营运一段时间后, 各传动副之间的间隙加大, 使得转向系统的转向自由间隙较大, 调整比较困难。

2.4 采用角传动器传动布置形式

角传动器布置形式的转向系统常见于10m以上的低地板城市客车, 其简图如图5所示。

在此种布置形式中, 转向器的布置均为卧置。由于从方向盘至转向器的输入角度过大, 不可能实现用一根转向管柱将方向盘与转向器连接起来, 因此一般的方法是在中间加一角传动器来转换传动角度, 此种布置形式大多见于大型低地板城市客车。

其优点为:

(1)能有效降低地板高度。因为大型城市客车的前轴荷较大, 因

此转向器的体积也较大, 加上地板较低, 如转向器按常规布置, 则转向器将会有部分或全部在地板面以上, 造成传动困难、密封困难

及车内不美观等问题。而将转向器卧置后, 转向器的高度下降较多, 加上角传动器的体积很小, 因此基本上不影响地板面高度, 而且不

影响整车的接近角。

(2)方向盘的布置位置较为灵活。由于从方向盘传动到转向器要经过转向管柱及传动轴二次万向传动, 因此方向盘和转向器在布置位置上在整车X及Y方向上都能够有较大的距离, 给整车总布置

带来了一定的方便性。

此种布置形式的缺点是:

(1)转向器的安装较困难。由于转向器体积较大, 加上转向器布

置在前钢板前支架附近, 可用的空间较小, 为使转向器支架有足够

的强度和刚度, 转向器支架的形状一般较为复杂, 而且重量较大。

(2)整个转向系统的零部件增加, 成本也增加。

3、大客车转向系统常见问题及分析

液压动力转向系统的常见故障主要有液压助力系统因油液泄

漏、渗人空气、动力转向泵失效、转向控制阀损坏和机械传动

机构损坏而引起方向回位困难、转向沉重、车辆发飘和转向噪声等故障。

3.1 方向回位困难

一般车辆都有转向自动回位的功能。液压助力的汽车, 由于液压阻尼的作用, 自动回位的功能有所减弱, 但还应保持一定的自动回位能力。如果回位时还需转向时那样施力, 就说明回位功能有故障。这种故障一般发生在转向机械部分。如转向节主销与衬套缺油而烧损; 转向横、直拉杆接头缺油而锈蚀; 方向盘与转向机连接的传动轴万向节缺油而锈蚀或不灵活以及转向机的转向轴扇齿与活塞直齿啮合太紧等都会造成这种故障。

3.2 转向沉重

装有动力转向的汽车原来转向应是很轻便的, 但在汽车行驶中却感到转向困难、沉重。其原因一般是液压转向助力系统失效或助力不足、机械传动机构损坏或调整不当所致, 如储液罐缺油或油液高度低于规定要求; 各油管接头处密封不良, 有泄漏现象; 转向液压回路中渗人了空气; 油管变形, 油路堵塞; 动力转向泵传动带张紧力不足, 传动带打滑; 动力转向泵内部磨损、泄漏严重, 使动力转

向泵输出压力达不到标准; 动力转向泵内调压阀失效, 使输出压力过低; 转向控制阀、动力液压缸内部泄漏等都会造成这种故障。转向沉重问题需要重点检查:

(1)轮胎气压是否正常, 按规定气压充气。

(2)转向液压系统各油管接头是否泄漏, 油管有无损坏、变形或裂纹。

(3)油路中是否渗入空气并检查其原因。

(4)储液罐内的油液质量和液面高度是否符合规定。

(5)动力转向泵传动带的张紧程度, 查看传动带是否打滑或有无损坏。

经过上述检查后, 可将方向盘向左、右极限位置来回转动, 如果转向轻便, 说明故障予以排除; 如果左、右转向依然沉重, 则故障可能在动力转向泵、动力液压缸或转向传动机构; 如果左、右转向助力不同, 则故障可能在转向控制阀。

下面则需要检测转向泵输出油压以确诊故障所在部位。具体操作如下: 将与规定油压相适应的压力表( 带阀门) 连接在转向泵压力输出口与转向控制阀输人油管之间。检测时, 打开压力表阀门至全开, 使发动机怠速运转, 转动方向盘至极左或极右位置, 测量转向

泵的输出油压。这时, 若油压达不到原厂规定的压力, 且在逐步关闭压力表阀门时, 油压也不升高, 说明转向泵有故障; 若油压未达到原厂规定的压力, 但在逐步关闭压力表阀门时油压升高, 可达到规定值, 说明转向泵良好, 故障出现在转向控制阀或动力液压缸; 若检测时油压正常, 则故障在转向传动机构。检查转向传动机构时, 需要转动方向盘, 查看与转向柱轴相关的元件是否转动灵活, 查看角传动器、中间摇臂、各传动杆件球头连接部位是否过紧等。经过上述检测可发现问题并予以调整或重新换装, 解决转向沉重问题。

3.3 车辆发飘或跑偏

车辆发飘是指方向盘居中时, 汽车向前行驶过程中从一侧飘向另一侧的现象。发飘的汽车行驶时, 难以保证向正前方向行驶而总向一边跑偏。车辆发飘的故障首先应检查机械部分和外部因素。汽车行驶在拱形路面的一侧时本身就有跑偏的倾向, 拱形越大跑偏就越明显, 这是外部因素。

轮胎两边气压不均匀或左右轮胎磨损差异较大, 前钢板错位( 如钢板中心螺栓) 或悬架元件损坏, 前轮定位偏差较大, 转向传动机构连接处间隙过大或连接件松动或磨损过甚等都会造成车辆发飘或跑偏。如果排除上述外部和机械因素, 车辆发飘或跑偏问题依然存在, 则可能是油液脏污导致阀芯与阀套运动受到阻滞, 也可能是转向机内转向控制阀弹簧损坏或太软, 难以克服转向器传动阻力, 使

控制阀不能及时回位, 也可能是转向控制阀阀芯偏离中间位置, 或虽然在中间位置但与阀套槽肩的缝隙大小不一致。

3.4 转向噪声

汽车转向时, 转向系统有点噪声是正常现象, 但当噪声过大或影响转向性能时, 就视为故障了。经过辨听转向噪声一般可大致判断故障所在。当出现转向柱轴接头松动、横拉杆松动或球形接头松动, 或转向器安装过松, 连接处的润滑部位没有进行必要的润滑, 或者转向泵带轮松动等故障时, 则转向时会发出咔哒声; 若动力转向泵传动带打滑, 则转向时会发出嘎嘎声, 且方向盘从一极限位置转到另一极限位置时, 噪声更大; 若液压系统中有空气, 则转向时转向泵会发出咯咯声, 此时需要找出渗人空气原因所在; 若转向泵发出嘶嘶声或尖叫声, 而液压系统无空气, 且传动带紧度正常, 则说明油路有堵塞或转向泵严重磨损甚至损坏, 应予以修复或更换; 当方向盘处于极限位置或原地慢慢转动方向盘时, 转向器发出嘶嘶声, 若这种异响严重, 则可能为转向控制阀性能不良, 应更换转向器或控制阀。

4、结束语

经过对传统及几种典型转向系统的布置形式的介绍和对大客车转向系统常见问题的分析, 能够看出不同的布置形式各有其优缺点及适用范围。为照顾整车总布置并更好地满足转向功能, 国内许多

客车在转向系统布置时采用以上布置形式的两种组合。设计人员除在整车方案及设计过程中仔细验算和校核外, 还应不断积累实践经验, 遇到问题时能准确分析原因, 找出解决问题的方法。另外, 还需要保证装配和调试人员的素质, 不断提高其工作能力, 以确保转向系统的装配质量。

一.动力转向系统配套设计

1 调查汽车在超载运营时的前桥载荷( 双前桥转向时需要调查双桥载荷之和) ;

2 调查汽车厂助力方向机的规格, 根据经验, 前桥载荷p≤5500kg 时可选择d=100mm缸径助力方向机, 其它载荷能够根据 P/5500 = d2/1002进行计算, 助力方向机的缸径系列为70mm、 80mm 、

90mm、 100mm、 110mm等, 助力方向机缸径选择过小会使助力转向液压系统容易产生故障。

3 核算助力方向机流量需求。保证有足够的助力性能, 在典型路面( 非水泥路面、土路、乡村公路) 上, 汽车按实际最高载重量, 原地打方向时方向机进油压力为7~13MPa。低于7MPa能够考虑减小方向机油缸直径, 高于13MPa时应考虑加大转向器油缸直径。。

方向机最高压力限制( 安全压力) : 按典型公路重载原地转向时测试压力除以0.85, 建议不要超过15MPa, 一般建议使用12~13MPa

安全压力, 安全压力越高可靠性越差。

前桥载荷方向机型号及主要性能参数转向泵流量要求入口端所需提供的转向泵压力要求

P Qmax P1

4 确定转向泵在发动机上的安装位置及进出油口位置, 给出一个尺寸范围, 这样转向泵厂家方便设计性能更好的转向泵。

5 将转向泵安装连接尺寸、进出油口位置尺寸、方向机流量需求及安全压力提交转向泵生产厂家, 转向泵生产厂家根据提供的参数要求设计匹配的转向泵。

二.动力转向泵的配套设计

1 动力转向泵的最大压力:

考虑从转向泵的出口到方向机的进口之间的管路损失, 在选择转向泵的最大压力时, 应使转向泵的最大压力: PP= P1+△P

P1 为方向机的最大压力; △P为管路损失,一般取(0.3-0.5)MPa, 如果压力已经很高, 转向却依然沉重, 只能是加大缸径。如果压力PP ＜P1 , 必然会转向沉重或是打不动方向盘。

动力转向泵应有可靠的压力装置, 任何情况下, 输出压力不能高于其许可的最大工作压力。若该输出接口用来驱动其它附件, 应得到相关部门审查认可。

2 动力转向泵的控制流量 Qp:

一般取Qp≥( 1.05-1.1) Qmax.

Qmax 为方向机所需的最大流量.

3 动力转向泵的公称排量:

根据怠速时(转向泵转速一般为650-750 r/min), 方向机所需的流量, 选择转向泵的排量, 低速时( 转向泵转速一般在1200r/s以下) 转向泵输出的流量与排量之间的关系为:

Q=qt* n 其中 qt 为泵的理论排量; n 为怠速时转向泵的转速。

转向泵的排量过小, 容易出现怠速时转向沉重, 排量过大, 系统容易发热。

4对应发动机特征转速下的转向泵实际流量要求( 怠速, 最大扭矩转速, 标定转速) 。

三. 储油罐的选择:

1 储油罐容积选择: 考虑系统的供油、散热、油中杂质的沉淀等, 一般取油箱的容量:

V=( 0.15—0.2) Q1。

Q1为转向泵的最大输出流量。

2 储油罐的散热能力: 一般希望转向系统的油温控制在80℃以下。如果油温超过88℃, 液压油将很快变质: 形成碳化物, 液压油失去润滑功能, 转向泵将急剧磨损, 造成转向沉重; 析出胶状物质, 堵塞阻尼孔或卡滞控制阀, 使整个动力转向系统失效。油温过高, 还将使整个系统中的密封件加快老化, 密封不良而造成漏油。在大流量及高压力的转向系统中, 储油罐的散热已经不能保证油温在80℃以下了, 这时须附加专门的散热系统。

3 转向系统一般采用回油过滤方式, 根据系统管路工作压力、过滤

精度、流通能力选择滤油器。汽车转向系统中, 过滤精度一般取10-20μm, 压力损失小于0.1MPa。如采用进油过滤, 其铜丝网目数一般在100~180目之间。

4 液压转向泵为叶片泵时, 其自吸能力较差, 应注意液压油罐的正

确安装位置, 要求油罐出油口位置高于液压转向泵进口20mm以上, 同时管路尽可能避免转弯, 如不可避免时, 转弯角度和转弯半径应

尽可能大, 避免管路的压力损失。

5 在储油罐中, 建议设有压差信号发生器及安全阀。压差信号发生器是在过滤器堵塞时, 把信号传递到驾驶室, 提醒司机该换滤芯及

更换液压油了; 安全阀是在滤芯堵塞时, 使油从旁路流过, 从而保证行驶安全。

四.转向管路进、出油管的选择:

1 管路材料的选择: 油管能够是软管、钢管或混合式。软管又分为高压钢丝编织耐油软管、高压耐油塑料软管及低压帘线编织耐油软管; 钢管为高压无缝钢管, 材料一般为20钢或08F钢。

对于油管和选用, 无论是钢管、耐油胶管或塑料管, 都必须根据系统的工作压力进行选用。建议不采用高压钢丝编制耐油软管, 避免因温升膨胀而缩小管路内径, 最好采用高压钢管。

2 管路内径的选择:

管路内径的选择: 根据管道内的流速, 确定管道内径尺寸, 允许流速的推荐值为:

1) 液压泵吸油管道: 0.5～1.5 m/s.一般取1 m/s以下。

2) 液压系统压油管道: 3～ m/s.压力高时取大值。

3) 液压系统回油管道: 1.5～2.5 m/s。

管道内径与流量、流速的关系式为:

d=( 4Q/πv) 0.5

其中d为管道内径, Q为经过管道的流量, v为管道内液流平均流速。

管路内径经验值, 能够参照下表:

转向泵控制流量进油管路最小通径出油管路最小通径

8L/min φ8 φ5

11.5L/min φ10 φ6

15L/min φ11 φ7

16L/min φ11.2 φ7.2

20L/min φ13 φ8

以上管路内径是管路长为500mm时的经验值, 当管路每增加△

l=500mm 时, 管路内径增加△d=2mm。

配套时保证管路密封合格, 进油管漏气漏水时会使液压油变质, 这一点很容易被忽视。管路直径不能过小, 进油管口径过小时会引起吸空, 产生气穴现象, 出油管直径过小时会产生阻尼, 引起系统压力升高, 系统可靠性变差。

3 方向机及进出油管必须保持清洁, 不允许有铁屑、铁锈等杂质。

五.转向器机参数校核

1．转向力矩计算:

? Mr＝[f×( G 13÷P) 1/2]÷3

? Mr-----在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩, N.mm; ? f--------轮胎与地面间的滑动摩擦系数, 取0.7;

? G1-----转向轴负荷, N;

? P-------轮胎气压, MPa;

2．压力计算:

? M＝[P×(S0－S1)×RF] 或P＝M÷[ (S0－S1)×RF]

? P-------油泵的最大工作压力, MPa;

? M------动力转向器输出扭矩, N.m;

? S0------油缸工作面积, ㎡;

? S1------螺杆外径所占面积, ㎡ ;

? RF------扇形齿分度圆半径, m。

3．流量需求计算:

? Q=(1. 5~2)×60ntS/K

? n—汽车方向盘最大瞬时转速(转/秒), 轿车取1.5r/S, 其它车辆取1.25r/S;

? t---助力方向机丝杆螺距;

? S---助力方向机油缸实际工作面积;

? K---助力方向机效率系数(泄漏系数) 。

? 1.5~2---经验系数, 可能与制造水平有关

另外一种算法:

?理论流量为Q1, 允许泄漏量为Q2, 流量需求Q计算如下:

? Q1 =60ntS

? Q=( 1.5~2) Q1 + Q2

六.转向油品的选择:

1 在夏季, 全国均可用航空液压油; 在冬季, 长江以南仍可用航空液压油, 在长江以北, 能够使用HV-32或HV-46低温抗磨液压油; 对于8号液力传动油或8号及10号航空液压油.自动变速箱油等等, 一年四季中在全国各地均可使用, 但价格较贵。禁止型号不一致油液混用

2 加注油料时必须经过转向系统油罐上的过滤网过滤, 禁止油液不经过过滤直接加入转向系统油罐中。

3 油量加注必须在油罐标尺规定的两刻度线之间。油量加注后启动发动机3～5min, 检查补加油料至规定标尺刻度线。过多, 发动机启动后油易溢出, 既造成浪费又破坏车容; 过少, 易造成转向叶片泵烧蚀。

七.注意事项:

1.转向泵布置时要考虑泵体内不能有存留空气, 必要时采取排气措施。

转向系统排空气, 一般在转向泵的出油口处排空气即可, 具体方法是在发动机不转动时, 拧松出油接头, 待有油漏出来后再拧紧, 这时起动发动机, 左右扳动方向盘, 空气便全部被排到储油罐中, 经过呼吸器排到空气中

2.转向泵和方向机的进出油口应用专用的液压接头, 配套时注意接

头通道面积, 应达到管路最小管径面积要求

3.转向泵接头尽量采用O型密封圈密封形式, 接头在连接时不允许涂密封胶。接头密封形式和转向泵进、出油口的密封形式相匹配, 角度密封的选择O型圈密封形式, 端面密封的转向泵接头采用复

合密封垫圈+铜螺母的密封形式