汽车动力转向器油路分析及排油方法

李广明， 范秦寅， 张广丽

（1.长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012；2.日本大阪大学，日本 大阪 5640053）

0 引 言

汽车动力转向器为汽车转向助力机构，通过该机构汽车转向变得轻松自如。现代汽车中均装有该机构［1］。液压式动力转向器工作原理如图1所示。

A轴与方向盘相连，B轴与转向机构相连，当汽车需右转时，驾驶员向右转动方向盘，从而带动A轴旋转，高压油通过转向控制阀与转向器左腔相连，推动转向螺母向右移动，通过转向螺母上的轮齿带动B轴旋转，从而实现汽车向右转向。需向左转向时，工作过程正好相反。

图1 汽车动力转向器工作原理

汽车动力转向器总装后，要对其进行合格检验，主要是模拟实际使用情况进行性能试验，试验合格方能出厂，试验后的转向器中充满了试验所用的液压油，按要求必须将其所含液压油排除，然后再进行表面清洁与喷漆，最后进行包装［2］。排油机的目的是排除其内部残存的液压油。

汽车动力转向器是一个结构较为复杂的机构，要想顺利地排出其内部残存的液压油，必须对其内部结构进行分析研究，尤其要弄清各油路的位置以及它们之间的关系。

1 汽车动力转向器的排油生产现状

全国有许多生产汽车动力转向器的企业，各企业生产的转向器种类有所不同，文中所涉及的为重型卡车用液压式动力转向器。按行业要求，产品总装后均要进行性能试验，主要是检测其内泄和转向力特性等，试验过程中所用的液压油经过滤返回到试验机的油箱从而实现循环使用，但试验后的动力转向器内腔仍含有许多液压油，其残存量远远大于产品出厂要求［3］。这样不但会增加企业的生产成本，而且在汽车总装时残存的液压油会因外泄而污染生产环境。

目前，国内各动力转向器生产企业解决该问题主要途径有两个：一个是吹气排油法，一个是自然空油法。吹气排油法就是将压缩空气通过出油口向其内腔充气，然后迅速抽出气咀，其内部残存的液压油就会随气流流出［4］。自然空油法就是将试验后的产品倒立放置，靠液压油的自重自然流出。从企业液压油的耗油量来看，这两种方法的排油效果均不理想，经现场实际解体50A型汽车动力转向器检测发现，残存量一般为300mL左右［5］。这两种方法还有个共同的不足之处就是排油效果在很大程度上受人为因素的影响较大。

2 汽车动力转向器结构及油路分析

汽车动力转向器无论其内部结构还是其油路均较为复杂，要想顺利地将液压油排出，必须弄清其内部结构及油路情况。

转向器转阀工作原理如图2所示。

图2 转向器转阀工作原理

图3 汽车动力转向器结构简图

图2 （a）为直行时的状态，此时阀芯处于中间位置，液压油会由进油口P流入G口直接返回油箱，从而保持汽车直行状态。当汽车左右转弯时的油路走向为图2（b），（c），转向器在做完性能试验时处于图2（a）状态，也就是各油路均处于相通的状态［6］。

转向器的结构简图如图3所示。

A腔只有下面的一个油路与之相连，没有其它回路，该油路即是A腔的进油口，也是出油口，因此该腔残存的液压油只有通过该油路才能排出。

3 排油方法的探索

从转向器的结构和油路关系看出，有些企业采用自然空油法排油，就是将转向器倒立向外空油，从结构上看，这种方法A腔的油根本空不出来，即使期间摇动图1中的A轴使活塞向左移动，也不会将A腔中的液压油完全排出（受转向器结构的限制，活塞不可能摇到最左端）。吹气排油法在操作时同样是将转向器倒立，这种方法尽管排油很快，但其在操作过程中没有摇动A轴过程，这样A腔中液压油是吹不出来的，其残余量会更多。若是将转向器倒立，使图1所示的转向器A轴向下，采用连续吹气法，从理论上讲B腔的液压油好像能很顺利地吹出，但经试验发现，吹气时会出现空气从进油口进入，然后直接从出油口排出，将油顶到一边的现象。所以用该方法也很难将液压油排出［7］。

2007年为长春市某转向器企业研制了2台转向器抽油机，该机器所采用的方法为真空抽取法，真空抽取法是利用负压所产生压力差将动力转向器内残存的液压油抽出来。一台机器可同时抽取2台转向器，每2min实现一个循环，整个工作过程实现自动化，抽油后每件产品内残存液压油的实际含量不超过100mL。7年来该设备一直应用于生产之中。

3.1 前期工作的总结

采用真空抽取法研制的转向器抽油机在实际生产中已应用7年，很好地解决了企业在此生产环节的环境污染，降低了工人的劳动强度，也大大地降低了企业的生产成本。但在设备应用过程中也发现了一些问题，真空抽取必须营造一个真空环境，要有一个真空罐，与之相连的有真空泵、抽油管、排油管、液位传感器、清污口等，这些环节有一处连接不密封或出现问题都会大大地影响抽油效果。抽油管以及补气管与转向器的连接处稍有密封不严也会使抽油效果大打折扣，因此在工作中要经常进行设备维护。真空泵的长时间使用使其故障率过高，由此也产生了一定的维护成本。总之，过于复杂的设备无形中增加了设备的故障率和维护费用。在工作过程中也发现了一些因人为因素而影响抽油效果的情况，如有的工人在工作时，进出油口的快速接头没有拧紧就开始抽油，有时抽油机还没有停就往下卸工件，这样一定会导致抽油效果不佳。因此，制定严格的操作规程是很有必要的，在设备研制时也应考虑将人为因素影响降为最低。

3.2 新排油方法的探索与实践

传统的排油方法存在着排油不彻底、污染环境和工人劳动强度大等不足。真空抽取法解决了这样的问题。但由于真空排油法其设备环节过多，过于繁琐，影响抽油效果的因素过多，因此仍有改进或重新设计的必要。

从转向器的结构和油路分析看，其液压油主要存于左右两腔（见图1），左右两腔被中间的活塞完全隔开，因此必须想办法将两腔的油分别排出。要想排出左腔的油，必须使转向器处于平卧状态，同时使连通该腔的油路处于最低点，而要排出右腔的油，又要使转向器A轴向下处于竖直状态，这样才能使右腔的油流向最下方的出油口。转向器各油口的连接及转换，均是靠阀套与阀芯的相对位置变化（见图2），而阀套与阀芯各油口的设计及间隙又异常细小，因此液压油靠自重是很难排出的。构想首先将出油口通过电磁阀将其关闭，通过进油口向转向器内注入压缩空气，排左腔的油时使转向器平卧，使左腔的油路处于最低点，由于空气的比重小于液压油，这样就会使左腔内压缩空气在上而液压油在下的状态，此时启动控制电路，使连接出油管的电磁阀瞬间打开（连接进油口的充气阀同时关闭），这样压缩空气就会推动下面的油通过出油口将其强行排出。右腔的排油方法与之相同，只是排右腔的油时必须使转向器处于倒立状态，每腔用同样的方式重复几次，就会将其腔内残存的液压油排出。

用此方法排油，从理论上是可行的，但在实际操作时，还有一个时间节点问题，即每次注入压缩空气多长时间，保持多长时间，释放多长时间。其中的保持时间主要是因为油都有一定的黏度，必须给出其流动聚集到最低点的时间。通过大量的试验，我们已经总结出了各时间段的最佳结合，近期所研制的转向器排油机能保证在2min之内将油排出，与真空式抽油机一样，机器由PLC控制，全过程自动化，经称重其残余量小于90mL。我们将这种排油方法称之为充气排油法。

与之前所研制的真空式抽油机相比，最新的充气排油法排油机结构有了很大的简化，去除了与真空有关的一连套机构，大大地降低了设备成本，其维修维护也变得简单易行，两者的排油效果基本相同。从工作效率上来看，两者也有一定的差别，真空抽油法受真空泵能力的限制，每次最多可操作两个工件，而充气排油法只要现场压缩气源充足，同时操作几个工件都可以。

4 结 语

汽车产业为我国的重要支柱产业，其产品质量和生产成本对我国的国民经济有着直接的影响。而汽车上的每一个零部件的生产又直接影响着整台汽车的成本和质量。汽车动力转向器作为汽车上的一个部件，降低其生产成本和提高其产品质量也具有同样的意义。全国有众多的动力转向器生产企业，作为企业生产工艺装备的空白，深入研究和完善动力转向器抽油机具有一定的现实意义［8］。本课题组经过多年努力研制了两代动力转向器排油机并应用于企业生产之中，从而填补了这方面的空白，使企业在这个生产环节上有了很大的改善，具有推广价值，但汽车动力转向器的种类繁多，因此，有必要研制和完善针对不同种类的动力转向器排油机，为我国汽车工业的发展做出贡献。

［1］ 李堂正.汽车动力转向器的流场分析及其吸油机重要参数的优化设计［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学机电工程学院，2011.

［2］ 闫丽.动力转向器总成的流体力学分析及其排油装置的研究［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学机电工程学院，2012.

［3］ 程凯，周香，李广明.汽车动力转向器的流场分析［J］.机械工程师，2010，16（3）：59－61.

［4］ 周香.汽车动力转向器的流体力学特性及吸油装置研究［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学机电工程学院，2010.

［5］ 邹海林.基于喷射技术的汽车动力转向器排油装置的研究［D］：［硕士学位论文］.长春：长春工业大学机电工程学院，2012.

［6］ Guangming Li.Optimao design of main parameters for automotive power steering units take out oil machine［C］／／ICETIS2014.Jinan China：［s.n.］.2014：308－311.

［7］ 李广明.汽车动力转向器流体特性分析［J］.佳木斯职业学院学报，2015（2）：327.

［8］ 迟瑞丰.概念车身结构的有限元分析［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2014，35（4）：365－370.