液压转向系统冷启动沉故障机理及测试方法研究

郑勇，刘科阳

（1.江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330052；2.航空工业新航豫北转向系统（新乡）有限公司，河南 新乡 453003）

关键字：冷启动沉故障机理；测试方法

引言

在冬季气温低于-20℃甚至低于-10摄氏度时，装有液压转向系统的车辆经常出现启动车辆后短时间内（一般在半分钟以内）打不动方向的故障，这种故障为冷启动沉故障，如果车主有热车的习惯，故障则不容易被发现。

本文先介绍了液压转向系统工作及冷启动沉故障产生的机理，然后结合容易导致故障的部件，介绍了一种通过测试数据分析识别出故障部件的方法，并结合实际案例验证这种方法的可行性。

1 转向系统工作原理

1.1 液压转向系统介绍

液压转向系统由转向盘1、转向轴2、齿轮齿条式整体动力转向器 3、转向液压泵和转向油罐（steering reservoir）7等组成。齿轮齿条式整体动力转向器3又由转向控制阀4、齿轮齿条式转向器5、转向动力缸6构成。转向油罐7 储存液压油，有进、出油管接头，通过油管分别与转向液压泵8 和转向控制阀4连接。转向液压泵8 安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动，将油从转向油罐处吸入并向转向控制阀4 供给液压油。转向控制阀4 通过改变液压油路来改变动力传递路线。转向动力缸6内由活塞分隔成左右两个工作腔，工作腔通过油道分别与转向控制阀4连接。控制阀来控制车辆的直行、左转、右转[1]。

1.2 油泵结构工作原理

转向系统普遍使用双作用叶片泵，双作用叶片泵由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和4段过度曲线组成，且定子和转子是同心的，当转子顺时针方向旋转时，密封工作腔的容积在左上角和右下角逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角逐渐减小，为压油区；吸油区和压油区之间有一段封油区将吸、压油区隔开。这种泵的转子每转一周，每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次，所以称为双作用叶片泵[1]。

图1 齿轮齿条动力转向系统示意图

图2 双作用叶片泵工作原理

2 冷启动沉故障产生的机理及改进方案

2.1 冷启动沉故障产生的机理

图3 转向力矩比对曲线

图4 油压比对曲线

通过对故障车辆测试，发现冷启动故障出现时，方向盘输入40Nm才勉强转动方向盘，一分钟后故障消失时， 4Nm就可以转动方向盘（见图3）。继续对故障车辆进行测试分析，发现冷启动故障出现时，系统油压只有 3MPa，冷启动故障消失时，系统油压恢复正常值（见图4）。通过上述测试，得知冷启动沉的原因是转向系统压力变小，需要方向盘输入更大的扭矩来弥补系统压力的不足，这个时候驾驶员就会感觉到方向沉或者打不动方向。

2.2 改进方案

导致冷启动故障的原因有多种，例如因为油的黏温特性，油液在低温下粘度过大，导致油泵的自吸能力下降；例如在低温下转向器内部伺服环不能起到很好的密封作用，导致内泄。如果是油泵导致故障，常采用更改叶片结构的改进方法；如果是转向器伺服环导致故障，常采用更换材料和配合尺寸的方法。在采用改进方案之前需要首先判定故障源，而故障源的判定无法有效通过主观来判定，需要设计一个有效的测试方法。

2.3 测试方法研究

假设转向系统在常温下正常工作时油压流量满足设计要求，那么根据液压系统的工作原理可知，如果是油泵不能有效吸油导致冷启动沉故障，则故障出现时刻，在中位的流量应小于设计值，极限保舵时的流量接近0，压力小于设计值；如果是转向器内泄导致冷启动故障，则故障出现时刻，在中位的流量是正常值，而在极限保舵时流量远大于 0，压力小于设计值[2]。综上所述，通过判断流量在中位和极限保舵时的数值可以判定故障源。

对于系统流量的测试，常规做法是使用流量计串联在回油管路中的油壶和回油管之间，流量计的量程范围特别是下限量程很重要，此处采用德国hydrotechnik GFM30，最小测量范围可以达到0.2L/min。

3 整车测试

3.1 数采系统设备信息

本次实车的试验使用了东方所数采设备（8通道），表1所列为测试的主要设备。

表1 测试主要设备

3.2 传感器的连接

按照上面所述，流量传感器串联在油壶处，油压传感器串联在油泵出油口处（见图5）。

图5 流量计和油压传感器测试

按照 2.3测试方法研究，分别对中位和极限位置的流量进行测试。

3.3 测试结果分析

从图6可以看出，常温时流量达到8.5L/min，而在冷启动故障出现时流量只有4.3L/min，油泵的吸油量降低了一半。在极限位置保舵测试流量0.2L/min（图7），说明转向器不存在内泄，冷启动故障和转向器无关。综上所述可以判定油泵是导致冷启动故障的根本原因。

图6 流量比对曲线

图7 极限保舵流量曲线

根据测试结果，确定油泵是故障源，通过对油泵进行解析，对油泵叶片处结构进行了优化，装车后再次进行测试和主观评价，故障消除。

4 结论

通过油压的测试可以判定是否冷启动故障，通过流量测试可以判定是冷启动故障是油泵还是转向器引起，通过测试结果进行后续改进可以有的放矢，能够快速有效的解决此类故障。