液压助力转向系统将发动机输出的部分机械能转换为液压能,并在驾驶员的控制下,对转向器或转向传动机构的某一传动部件施加不同方向的液压作用力,以帮助完成转向。液压助力转向系统工作噪声极小,工作滞后时间短,并且能够吸收来自路面的冲击,因此广泛应用在各类汽车上。 液压传动**： 液压传动的原理是帕斯卡定律,即施加在密闭液体任何一部分上的压强,可以按照其原来的大小向各个方向传递。液体不具有压缩性,这使得液体像机械杠杆一样进行力的传递,并且它可以绕过障碍物或者通过管路以任何形状进行传力,且力的大小不受容器或管道形状的影响,如图2-1所示。
根据帕斯卡定律,在液压系统中的一个活塞上施加定的压强,必将在另一个活塞上产生等大的压强,且活塞上的压力与面积成正比,如图2-1所示,例如输出活塞面积是输入活塞面积的两倍,那么作用于输出活塞上的力将增大两倍。液压系统就是利用这个原理实现助力的。
系统组成及工作原理：
液压助力转向系统在机械转向系统的基础上添加了套液压系统。大多数车辆使用机械液压助力转向系统,它的液压系统完全由机械装置控制。在机械液压助力转向系统中,转向操纵机构和传动机构与机械转向系统相似,但其转向器中增加了转向控制阀和转向动力腔,这种转向器也称为整体式转向器。此外液压系统主要由储液罐、动力转向泵、流量控制阀、液压油管等组成。
1.整体式转向器整体式转向器在机械转向器的基础上增加了动力腔及动力活塞、转向控制阀等部件,其中动力活塞是助力执行部件,它安装在动力腔内。转向控制阀调节动力腔中动力转向液的进出,它通常有转阀式和滑阀式。转阀式转向控制阀也叫作转子分配阀,它是目前应用最广泛的转向控制阀。与机械转向器一样,整体式转向器也有齿轮齿条式和循环球式,如图2-2所示,它们的助力原理是相同的,本书以齿轮齿条式整体式转向器为例进行介绍。
齿轮齿条式整体式转向器的转子分配阀安装在转向器输入轴和小齿轮之间,齿条的端设计有动力活塞,动力活塞将动力腔分成左、右两个腔室。转子分配阀调节高压动力转向液进入动力活塞的左侧或右侧,以实现相应的助力转向。左转时,高压动力转向液通过左转油管进入左腔,右腔的动力转向液通过右转油管回流到转子分配阀,最终回到动力转向系统回油管,齿条右移,车辆左转向,如图2-3所示。反之,车辆右转向。
转子分配阀主要由阀体、阀芯、扭力杆等组成,如图2-4所示,阀体内侧和阀体外侧都加工有狭槽,扭力杆控制阀体与阀芯转动的相对角度,从而控制动力缸中动力转向液的流向。
当转向盘转动时,阀芯和扭力杆上端随之转动,小齿轮、扭力杆下端和阀体开始时阻碍它们转动,但最终也随之运动。由于扭力杆上端转动、下端滞后,阀体和阀芯的狭槽瞬间对准,这便开启了通向转向器动力缸的微细液体通道。根据阀体和阀芯的相对位置不同,来自转向泵的高压动力转向液有三条不同路径①输送到动力缸的两侧及储液罐(中间位置,不转动),如图2-5a。
②输送到动力缸的左腔(左位,左转),如图2-5b。
③输送到动力缸的右腔(右位,右转),如图2-5c。
当阀体与阀芯对中时,高压动力转向液通过阀体的3个供油孔进入,此时转子分配阀是个“中部敞开”阀,它引导高压动力转向液自由进入转向器动力腔的两侧,动力缸两侧压力相等,防止齿条移动。在转向盘和阀芯转动的过程中,阀芯相对于阀体错开一定的角度,且保证高压动力转向液进入相应的腔室,此时另一腔室的动力转向液流回储液罐,两腔室压力差推动活塞及齿条移动,从而使车轮偏转。
2.储液罐现代汽车的储液罐通常是与动力转向泵分开的,它安装在发动机舱内的内侧翼子板、防火墙或发动机托架上,用于存储动力转向液。储液罐一般采用塑料制造,它包括加注口、加注口盖、油尺及滤网等,并通过两根管道分别与动力转向泵入口和转向器(转向机)回油口相连接,如图2-6所示。储液罐中的滤网兼有过滤和减振防噪的作用。
3.动力转向泵动力转向泵将储液罐中的动力转向液加压后输送给转向器,为液压系统提供高压动力转向液。它通常安装在发动机前端,由曲轴通过传动带驱动,如图2-7所示。
目前大部分车型使用叶片式动力转向泵,叶片式动力转向泵一般由壳体、驱动轴、转子、定子、叶片、压力板和配油盘等组成,如图2-8所示。驱动轴与转子采用花键连接,二者共同转动。转子呈圆形,且加工有滑槽。滑槽中安装有叶片,叶片可以在滑槽中沿转子径向滑动,由于离心力的作用,转子转动时叶片外端始终与定子的内表面接触。于是,转子、定子和任意相邻两叶片组成独立的泵腔。定子内腔横断面呈椭圆形,以满足单个泵腔容积变化的要求。配油盘和压力板分别密封转子及定子的前端和后端,并控制动力转向液的进入和输出。
大多数车辆动力转向泵上还安装有一个压力开关(图29),为ECM提供压力信号,ECM根据该信号调整发动机的转速,保证转向助力稳定。
如图2-10所示,动力转向泵工作时,转子旋转,当某个泵腔从椭圆短轴位置向椭圆长轴位置运动时,该泵腔容积增大,形成一定的真空,并通过进油口吸入动力转向液;转子继续旋转,该泵腔将从椭圆长轴位置向椭圆短轴位置运动,此时该泵腔容积减小,油压上升,高压动力转向液经出油口排出。进油腔和出油腔分别位于转子的两侧,进油腔和出油腔之间的压力差会引起泵的工作不平衡(产生噪声和振动)。为了避免此类问题,动力转向泵采用了液压平衡设计,有两个进油腔和两个出油腔,它们分别相对于转子中心对称。转子每旋转一周,泵腔吸入和排出动力转向液两次。这种设计产生了两个斜对的低压扇形区(进油腔)和两个斜对高压扇形区(出油腔),因此作用在转子上的液压作用力是大小相等方向相反的,从而使动力转向泵平衡、稳定地工作。
4.流量控制阀动力转向泵是一个定排量泵,它的流量与发动机转速成正比。动力转向泵一般设计成满足发动机最低转速时的转向需要,以保证急速转向所需要的动力缸活塞的最大移动速度。
因此,当发动机转速升高时,动力转向泵的流量将急剧增大,整个液压系统的压力也急剧增加,这将导致动力转向泵工作温度过高和消耗功率过大。在动力转向泵的出油口安装流量控制阀,不但可以解决其工作温度过高和消耗功率过大的问题,而且能够满足高速转向沉稳、低速转向轻便的要求。另外,动力转向泵的输出压力取决于液压系统的负荷(即动力腔活塞所受到的阻力),当转向阻力矩过大时,动力缸和动力转向泵都将超载,从而导致零件损坏。因此,液压系统中还必须安装有限制系统最高压力的减压阀。现代汽车的减压阀通常集成在流量控制阀中。
量控制阀在发动机高转速时减少动力转向泵的流量输出,并控制液压系统的最高压力。它主要由柱塞、流量控制弹簧减压球阀、减压控制弹簧壳体等组成,如图2-11所示。
柱塞将流量控制阀分成了两个腔室(腔室A和腔室B)腔室A的一端有流量节流孔,另端由柱塞密封,柱塞可以左右移动,且其内部设计有减压球阀。腔室A始终与动力转向泵出油侧的高压油路连通;当柱塞右移一定距离时,腔室A与动力转向泵进油侧的低压油路连通。腔室B通过旁通管路始终与阀总成的输出油路连通,旁通管路中设计有减压节流孔;当柱塞内的减压球阀打开时,腔室B又与低压油路导通。来自动力转向泵出油腔的高压动力转向液进入腔室A,经流量节流孔节流降压后进入阀总成的输出口,然后分成两条支路条支路通向转向器总成,另一条支路通向阀总成内部的腔室B。为了满足车辆在各种行驶状况的转向要求,流量控制阀有三种典型的工作模式。
(1)低速运转工作模式如图2-12所示,当发动机怠速运行时,动力转向泵低转速运转,较小流量的动力转向液进入腔室A。腔室A和腔室B中的压力都较低,它们之间产生微小的压力差。该压力差不足以克服柱塞后面的弹簧弹力,柱塞保持在图2-12所示的位置,腔室A与低压油路之间通道被切断。另外,腔室B中的压力也不足以克服减压球阀的弹簧弹力,腔室B与低压油路之间通道也被切断。因此,动力转向泵的流量完全进入转向器。
(2)高速运转工作模式当发动机转速较高时,动力转向泵的转速也较高,其流量急剧增大。如图2-13所示,大流量的动力转向液通过流量节流孔,腔室A中的动力转向液将产生较大的背压,该背压足以克服柱塞后面的弹簧弹力和腔室B中动力转向液的压力,弹簧被压缩,柱塞右移,腔室A与低压油路导通,部分动力转向液流回到低压油路。于是,流量控制阀总成出口处的流量减小。
(3)减压工作模式当驾驶员转动并保持转向盘在左或右的极限位置时,流量控制阀将会进入减压工作模式。当车轮转到极限位置时,转向器内部的动力转向液流动将受到限制,几乎停止流动,而动力转向泵仍然泵油,腔室A和腔室B的压力都会急剧上升,最终导致腔室B中的高压动力转向液顶开减压球阀,并返回低压油路,如图2-14所示。同时,减压节流孔对进入腔室B的动力转向液进行节流降压,腔室A和腔室B之间产生较大的压差,柱塞右移,腔室A与低压油路导通,动力转向液快速流回到低压油路。于是,整个液压系统的压力迅速降低。
有些汽车在动力转向泵与转向器之间的高压油路中设计有电磁流量控制阀,该电磁阀由模块控制,这种转向系统可以实现可变助力。
5.液压油管动力转向系统通常装有一根高压软管、一根或数根回油软管。高压软管可以将动力转向液从转向泵输送到转向器总成,有些高压软管还具有降低液压系统噪声和振颤的功能。
回油软管能够将动力转向液从转向器总成送回储油罐。有些回油软管还带有冷却器,如图2-15所示。冷却器可以是钢质的,也可以是铝质的。
6.动力转向液动力转向液是动力转向系统的液压油,如图2-16所示。良好的动力转向液对于转向系统的寿命和运行至关重要。因此,必须严格遵守厂商的要求,选择正确型号的动力转向液。
使用型号不正确的动力转向液将会导致油封或油管过早损坏,造成系统出现漏油现象。
动力转向液需要定期检查其液位及品质,更换动力转向液时,需要排除整个液压系统内部的空气。
系统诊断与维修：
1.常见故障原因分析液压助力转向系统常见故障主要是异响以及一些功能性故障,其故障与原因分析分别见表2-1、表2-2。
2.目视检查液压助力转向系统目视检查项目主要包括动力转向液品质及液位检查、外部泄漏检查、液压油管检查等。如果动力转向液呈现乳状或有较多泡沫,表明其内部存在空气或者被污染,这可能是由内部泄漏导致的;如果动力转向液液面较低,一般是由外部泄漏引起的,泄漏通常发生在液压油管连接处、齿条处;如果液压油管非常软或者看上去呈海绵状,或者用手感觉其平顺度不达标,则应该更换液压油管。
3.油压测试油压测试是检查液压助力转向系统的重要方法,它可以诊断动力转向泵、转向器等是否出现故障。具体操作步骤如下①从动力转向泵上拆下高压油管。
②在高压油管与动力转向泵之间连接油压表及阀门,如图2-17所示。
③打开油压表上的阀门。
④起动发动机,使系统达到工作温度。
⑤观察油压表读数是否正常(通常为550-860kPa)2如果油压过高(通常指高于1400kPa)则应检查转向器内的流量控制阀是否堵塞。
⑥连续完全关闭阀门三次,每次不要超过5s,三次的读数差值不应该超过规定值(通常为345kPa),并且最大油压大于规定值(通常为6900kPa)⑦结果分析：
a.如果油压满足上述要求,则表明动力转向泵正常。
b.如果油压够高,但三次之间差值大于规定值,说明流量控制阀黏滞c.如果最大油压读数小于规定值,则应更换流量控制阀并且再次测试压力。如果最大油压仍然偏低,则应更换动力转向泵。
d.如果动力转向泵是正常的,转动转向盘到左右极限位置,若两侧极限位置最大油压不相同,则应修理或更换转向器。
4.液压系统排气如果动力转向液是褐色的,可能是因为系统内有气泡。遇到这种情况,首先将发动机熄火并等待几分钟,使气泡自然消失;然后举升车辆离开地面,反复转动转向盘,对液压系统进行排气。这种排气方法可以防止大的气泡变成众多小气泡。但是,有些气泡使用这种方法不能排除干净,它会造成动力转向泵产生噪声,并使维修技师误认为是转向泵本身故障造成的。出现这种情况,则必须按照维修手册的指导进行排气。
5.液压系统冲洗进行转向系统的维修之后,例如更换动力转向泵、转向器轴承或转向器总成等,应该对液压系统进行冲洗。如果旧的动力转向液没有被冲洗出来,里面掺杂的金属碎屑可能会损坏液压系统。冲洗流程可参照下列步骤完成：
①举升前轮使其离开地面。
②从储液罐上拆下低压回油管,并插入回收容器内。
③将储液罐加满新的动力转向液,并起动发动机。
④当旧的动力转向液流进容器时,左右转动转向盘至极限位置,直到新的动力转向液流出来,同时不断添加新的动力转向液,保证动力转向泵始终有液压油吸入。
⑤当新的动力转向液开始流入容器时,将发动机熄火并复位低压回油管。
⑥添加新的动力转向液至标准液位,进行系统排气操作。
⑦确认液位正确。
