铁马汽车ZY7/3401转向器卡滞故障分析*

刘少杰

(中国石化股份胜利油田分公司 孤东采油厂, 山东 东营 257237)

铁马汽车ZY7/3401转向器卡滞故障分析*

刘少杰

(中国石化股份胜利油田分公司 孤东采油厂, 山东 东营 257237)

针对铁马型重型车辆转向器频繁发生故障的现象，从铁马转向器的功能、结构介绍入手，分析了铁马转向器的工作原理，查找出了铁马转向器损坏的重要故障现象及产生原因，并引用理论计算论证了铁马转向器损坏的主要原因，为驾驶员正确操作维护转向器和延长转向器使用寿命，提出了指导建议。

转向器；转向卡滞；转向手力特性；转向阻力距

1 引 言

孤东采油厂特车大队现有各型重型生产车辆119台，其中铁马罐车、卡车、水泥车等重型车辆13台，属于特车大队保障采油厂生产用车的重要车型。近年来，在生产运行过程中，铁马型车辆转向器故障出现的问题较多，严重影响了行车安全，特别是5台罐车在投产仅3年后均因转向器出现卡滞故障而更换，不仅制约了采油厂的生产用车，也增加了车辆成本消耗。因此，了解、掌握铁马转向器的结构，及时查找分析铁马转向器损坏的原因，对于提高驾驶员在转向器操作使用、维护保养方面的操作技能、养成良好的操作习惯、延长铁马转向器的使用寿命、提高铁马车辆行驶安全性和出勤率，具有一定的指导意义。

2 转向器功能及铁马型车辆转向器结构介绍

转向器俗称转向机、方向机，它是汽车转向系中最重要的部件。它的作用是：增大转向盘传到转向传动机构的力和改变力的传递方向，是转向系中起减速增矩作用的传动装置。转向器的种类较多[1]，一般按照转向器中传动副的结构形式分为齿轮齿条式转向器、蜗杆曲柄指销式转向器、循环球-齿条齿扇式转向器、循环球曲柄指销式转向器、蜗杆滚轮式转向器等。按照助力形式又可以分：为机械式(无助力)转向器，和动力式(有助力)转向器两种，其中动力转向器又可以分为气压动力式、液压动力式、电动助力式、电液助力式等种类。

铁马型车辆转向器是为了减轻驾驶人员的劳动强度、改善转向系的技术性能，在机械式循环球转向机的基础上开发的一种转阀式液压动力转向器，它通过汽车转向系中加装的一套动力辅助装置实现转向功能。铁马车辆的液压动力转向系统一般由机械转向器、转向储液罐、转向控制阀、转向动力缸以及将发动机输出的部分机械能转换为压力能的转向泵等组成。前轴载荷质量在7 500 kg的重型铁马型车辆，一般使用ZY7/3401或ZF8098型转向器，该型转向器由循环球-齿条齿扇式机械转向器、转阀式动力转向器的控制阀和转向动力缸三部分组成，并将三部分设计成一个整体[2]。

循环球-齿条齿扇式机械转向器的转向螺母和齿条制成圆柱形(称为齿条-活塞)，安装在转向器壳体的油压缸筒内，将缸筒分为左、右两腔室，构成转向动力缸。转向控制阀主要由阀体、转阀、短轴组件及密封圈、轴承等零件组成。转阀式动力转向器中，壳体是承受高压的，最大工作压力已达15MPa，壳体上部分又做为油缸的缸筒。在控制阀部分，阀体又做为转向器上盖用，转向轴同时又做为转向阀的阀芯，二者之间是阀套，法套与螺杆做成一体。转向轴与螺杆由扭杆连接。螺母和齿条是一体的，同时又起活塞的作用，齿扇与齿扇轴仍未一体，同时又做为动力转向器输出力矩传力件。

3 铁马转向器的常见故障及影响

近年来，特车大队技术人员针对铁马罐车更换转向器频繁的现象，拆检了3个损坏的转向机(如图1所示)，根据现场拆检的情况来分析，铁马型车辆转向器(转向系中的其它部分不再分析之列)的故障主要集中在转向沉重、转向不灵敏操纵不稳定、转向卡滞、左右转向轻重不同和转向盘不能自动回到中间位置等方面，尤其是转向卡滞、转向盘不能自动回到中间位置这两项故障发生的概率较高，也是造成5台铁马罐车更换转向器总成的主要原因。

图1 转向器拆检现场部分图片

4 铁马型转向器主要损坏原因判定和分析

通过对3台铁马罐车转向器的故障现象和拆检情况来看，特车大队铁马型重型车辆转向器的损坏故障都是因循环球磨损严重造成转向发卡所致。从循环球与螺杆的磨损情况判断，特车大队技术人员排除了转向器制造质量的原因，确认造成此现象的主要原因是操作手在大队的归厂检验、保养入厂前检查、本单位设备巡检等活动中关闭发动机后原地极限转动转向器所致，为论证此项观点，下面从循环球转向器的性能分析、转向器转向力矩和转向盘手力载荷入手，分别进行解释阐述。

4.1 转向手力特性

动力转向器的性能一般用转向手力特性来表示，转向手力特性可以用转向手力与输出载荷(工作压力代表)的曲线来描述，如图2所示。

该曲线表示了动力转向器随着转向手力增加输出载荷增大的不同情况。本文考虑以下两种情况。

(1) 在直线行驶位置附近，由于转向阻力较小，希望外助力增加的小些，机械转向的程度相对大些，使驾驶员在此范围小角度转向时对地面阻力变化的感觉更直接一些。

(2) 在大角度转向时，此时转向阻力较大，希望外助力大些，使驾驶员转向轻便些，及此时输出载荷明显增加。

图2 转向手力特性曲线

图2将手力转向特性曲线划为四个区间，A区为直线行驶位置附近小角度转向区，该区间输出载荷增加的较小；B区属于常用转向区，该区间动力转向器助力作用增大明显，对整车转向性能有较大影响；C区为最大转角区，接近原地转向情况，需输出载荷迅速增大实现较大的助力作用；D区为介于A区和B区之间的临界转向区，它的大小由阀的预开间隙、扭杆回位力等参数确定，该区对开始助力转向的效果影响较大。当车辆在关闭发动机后实施原地极限转向、检查车辆转向系是否存在松旷过量的过程中转向器处于最大转角区，驾驶员需来自转向泵提供的助力克服增大的转向阻力实现转向，而此时因发动机关闭转向助力泵失去动力无法提供压力能，操作手在得不到转向助力的情况下，为克服转向器内活塞移动的阻力、转向助力系统内油液的阻尼，增加了驾驶员施加于转向盘上的手力。转向轴与转向螺杆通过扭杆联为一体，从而将转向盘的扭矩传递给螺杆和循环球，加大了循环球与转向螺杆的接触应力，造成循环球与转向螺杆非正常磨损加剧，使转向器出现转向发卡故障。

4.2 转向器部分载荷计算

(1) 转向阻力矩 为便于计算现将铁马型罐车ZY7/3401转向器技术参数如表1所示。

表1 ZY7/3401转向器技术参数表

采用半径经验公式计算汽车在沥青或混凝土地面上原地转向阻力矩MR(N·mm)，即：

式中:f为轮胎和路面的滑动摩擦因数，取f=0.7；G1为前桥负荷，铁马罐车取7 500kg，G1=7 500kg×9.8N/kg=73 500N；P为汽车前轮胎气压，铁马罐车取P=0.75MPa，将数值代入公式得:

≈5 368 799 (N·mm)

≈5 369(N·m)

即在忽略转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系内其它摩擦阻力的情况下，铁马型罐车的最大转向阻力矩约5 369 N·m。

(2) 不加助力转向时作用在转向盘上的手力Fh计算

式中：L1为转向摇臂长；L2为转向节臂长；(在汽车结构中，L2转向摇臂长与L1转向节臂长的比值大约为0.85～1.1之间，可近似认为其比值为1)，DSW为转向盘直径；iW为转向器角传动比；η+为转向器正效率一般取值85%；经现场测量，铁马罐车方向盘直径DSW=500 mm，转向摇臂长L1=320 mm，转向节臂长L2=260 mm，查询转向器技术性能表得ia=21.78；循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，转向器正效率η取85%，将数值带入受力计算公式后得：

因为上述转向阻力矩是汽车在静止状态下计算的，所以是最大值。这样，根据这个转向阻力矩换算得出作用在转向盘上的手力，并据此作为计算强度的载荷也是合理的。作为重型汽车，因为前轴负荷增大，需采用动力转向去克服转向阻力矩，用上述方法计算得到的作用在转向盘上的手力Fh要超过人体生理可能产生的力。一般说来，在设计重型车辆助力转向器时，对转向器和动力缸以前的零件进行强度验算时，通常取作用在转向盘上的手力低于700 N，一般来说，作用在转向盘上的操纵载荷对轿车不应超过150～200 N，对货车不应超过500 N，从上述理论计算转向器技术参数表得出：铁马罐车的理论转向阻力距约为5 369 N·m，ZY7/3401转向器的最大输出力矩为6 710 N·m，铁马型罐车的转向器设计符合要求，不存在制造缺陷。

(3) 用测力计现场实测转向盘手力值如图3和表2所示。

图3 转向力测试现场

表2 转向力测试记录表

综上分析，当转向系统正常工作时，驾驶员转动方向盘的力仅为44.1～49 N，当发动机熄火关闭后，也即是说在液压助力失效时(例如由于缺油、发动机熄火时)，仅转动方向盘的力就增大到333.2 N，转向手力高达正常助力转向时7.6倍以上，从而增加了转向器内循环球与螺杆的接触应力，加大了循环球与螺杆的非正常磨损，导致转向器使用寿命缩短。

5 结 语

通过对循环球式整体液力助力转向器的机构分析，找到了本单位5台铁马型罐车转向器发卡故障的原因，纠正了设备检查人员和操作人员在设备检查过程中关闭发动机后急剧原地转动转向盘的错误操作，提高了操作手在转向器操作使用、维护保养方面的技能，有效延长了转向器的使用寿命，促进了大队的安全生产和经营管理工作。

[1] 涂潭生.汽车底盘构造与维修[M].北京：机械工业出版社，2011.

Steering-lock Failure Analysis of ZY 7/3401 Steering Device of Tiema Truck

LIU Shao-jie

(GudongExtractionFactory,ShengliOilfieldCompanyofSinopec，DongyingShandong257237，China)

Focused on the frequent failures of steering device of the Tiema heavy truck in the Shengli oilfield company, the working principle of steering device is analyzed based on its function and structure. Then the important failures of the steering device and their corresponding root causes are deduced based on the theory calculation. Then the instructions are given on the right operation and maintenance of the steering device to elongate its lifetime.

steering device; steering lock; hand-force characteristic; steering resisting torque

2013-12-02

刘少杰(1971-)，男，山东阳谷人，工程师，主要从事设备管理方面的工作。

TU275

B

1007-4414(2014)01-0149-03