鐵馬汽車ZY7/3401轉(zhuǎn)向器卡滯故障分析*

劉少杰

(中國石化股份勝利油田分公司 孤東采油廠, 山東 東營 257237)

鐵馬汽車ZY7/3401轉(zhuǎn)向器卡滯故障分析*

劉少杰

(中國石化股份勝利油田分公司 孤東采油廠, 山東 東營 257237)

針對鐵馬型重型車輛轉(zhuǎn)向器頻繁發(fā)生故障的現(xiàn)象，從鐵馬轉(zhuǎn)向器的功能、結(jié)構(gòu)介紹入手，分析了鐵馬轉(zhuǎn)向器的工作原理，查找出了鐵馬轉(zhuǎn)向器損壞的重要故障現(xiàn)象及產(chǎn)生原因，并引用理論計算論證了鐵馬轉(zhuǎn)向器損壞的主要原因，為駕駛員正確操作維護轉(zhuǎn)向器和延長轉(zhuǎn)向器使用壽命，提出了指導(dǎo)建議。

轉(zhuǎn)向器；轉(zhuǎn)向卡滯；轉(zhuǎn)向手力特性；轉(zhuǎn)向阻力距

1 引 言

孤東采油廠特車大隊現(xiàn)有各型重型生產(chǎn)車輛119臺，其中鐵馬罐車、卡車、水泥車等重型車輛13臺，屬于特車大隊保障采油廠生產(chǎn)用車的重要車型。近年來，在生產(chǎn)運行過程中，鐵馬型車輛轉(zhuǎn)向器故障出現(xiàn)的問題較多，嚴重影響了行車安全，特別是5臺罐車在投產(chǎn)僅3年后均因轉(zhuǎn)向器出現(xiàn)卡滯故障而更換，不僅制約了采油廠的生產(chǎn)用車，也增加了車輛成本消耗。因此，了解、掌握鐵馬轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)，及時查找分析鐵馬轉(zhuǎn)向器損壞的原因，對于提高駕駛員在轉(zhuǎn)向器操作使用、維護保養(yǎng)方面的操作技能、養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣、延長鐵馬轉(zhuǎn)向器的使用壽命、提高鐵馬車輛行駛安全性和出勤率，具有一定的指導(dǎo)意義。

2 轉(zhuǎn)向器功能及鐵馬型車輛轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)介紹

轉(zhuǎn)向器俗稱轉(zhuǎn)向機、方向機，它是汽車轉(zhuǎn)向系中最重要的部件。它的作用是：增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力和改變力的傳遞方向，是轉(zhuǎn)向系中起減速增矩作用的傳動裝置。轉(zhuǎn)向器的種類較多[1]，一般按照轉(zhuǎn)向器中傳動副的結(jié)構(gòu)形式分為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球-齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器等。按照助力形式又可以分：為機械式(無助力)轉(zhuǎn)向器，和動力式(有助力)轉(zhuǎn)向器兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。

鐵馬型車輛轉(zhuǎn)向器是為了減輕駕駛?cè)藛T的勞動強度、改善轉(zhuǎn)向系的技術(shù)性能，在機械式循環(huán)球轉(zhuǎn)向機的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種轉(zhuǎn)閥式液壓動力轉(zhuǎn)向器，它通過汽車轉(zhuǎn)向系中加裝的一套動力輔助裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。鐵馬車輛的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由機械轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向儲液罐、轉(zhuǎn)向控制閥、轉(zhuǎn)向動力缸以及將發(fā)動機輸出的部分機械能轉(zhuǎn)換為壓力能的轉(zhuǎn)向泵等組成。前軸載荷質(zhì)量在7 500 kg的重型鐵馬型車輛，一般使用ZY7/3401或ZF8098型轉(zhuǎn)向器，該型轉(zhuǎn)向器由循環(huán)球-齒條齒扇式機械轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的控制閥和轉(zhuǎn)向動力缸三部分組成，并將三部分設(shè)計成一個整體[2]。

循環(huán)球-齒條齒扇式機械轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向螺母和齒條制成圓柱形(稱為齒條-活塞)，安裝在轉(zhuǎn)向器殼體的油壓缸筒內(nèi)，將缸筒分為左、右兩腔室，構(gòu)成轉(zhuǎn)向動力缸。轉(zhuǎn)向控制閥主要由閥體、轉(zhuǎn)閥、短軸組件及密封圈、軸承等零件組成。轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器中，殼體是承受高壓的，最大工作壓力已達15MPa，殼體上部分又做為油缸的缸筒。在控制閥部分，閥體又做為轉(zhuǎn)向器上蓋用，轉(zhuǎn)向軸同時又做為轉(zhuǎn)向閥的閥芯，二者之間是閥套，法套與螺桿做成一體。轉(zhuǎn)向軸與螺桿由扭桿連接。螺母和齒條是一體的，同時又起活塞的作用，齒扇與齒扇軸仍未一體，同時又做為動力轉(zhuǎn)向器輸出力矩傳力件。

3 鐵馬轉(zhuǎn)向器的常見故障及影響

近年來，特車大隊技術(shù)人員針對鐵馬罐車更換轉(zhuǎn)向器頻繁的現(xiàn)象，拆檢了3個損壞的轉(zhuǎn)向機(如圖1所示)，根據(jù)現(xiàn)場拆檢的情況來分析，鐵馬型車輛轉(zhuǎn)向器(轉(zhuǎn)向系中的其它部分不再分析之列)的故障主要集中在轉(zhuǎn)向沉重、轉(zhuǎn)向不靈敏操縱不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向卡滯、左右轉(zhuǎn)向輕重不同和轉(zhuǎn)向盤不能自動回到中間位置等方面，尤其是轉(zhuǎn)向卡滯、轉(zhuǎn)向盤不能自動回到中間位置這兩項故障發(fā)生的概率較高，也是造成5臺鐵馬罐車更換轉(zhuǎn)向器總成的主要原因。

圖1 轉(zhuǎn)向器拆檢現(xiàn)場部分圖片

4 鐵馬型轉(zhuǎn)向器主要損壞原因判定和分析

通過對3臺鐵馬罐車轉(zhuǎn)向器的故障現(xiàn)象和拆檢情況來看，特車大隊鐵馬型重型車輛轉(zhuǎn)向器的損壞故障都是因循環(huán)球磨損嚴重造成轉(zhuǎn)向發(fā)卡所致。從循環(huán)球與螺桿的磨損情況判斷，特車大隊技術(shù)人員排除了轉(zhuǎn)向器制造質(zhì)量的原因，確認造成此現(xiàn)象的主要原因是操作手在大隊的歸廠檢驗、保養(yǎng)入廠前檢查、本單位設(shè)備巡檢等活動中關(guān)閉發(fā)動機后原地極限轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器所致，為論證此項觀點，下面從循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的性能分析、轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向盤手力載荷入手，分別進行解釋闡述。

4.1 轉(zhuǎn)向手力特性

動力轉(zhuǎn)向器的性能一般用轉(zhuǎn)向手力特性來表示，轉(zhuǎn)向手力特性可以用轉(zhuǎn)向手力與輸出載荷(工作壓力代表)的曲線來描述，如圖2所示。

該曲線表示了動力轉(zhuǎn)向器隨著轉(zhuǎn)向手力增加輸出載荷增大的不同情況。本文考慮以下兩種情況。

(1) 在直線行駛位置附近，由于轉(zhuǎn)向阻力較小，希望外助力增加的小些，機械轉(zhuǎn)向的程度相對大些，使駕駛員在此范圍小角度轉(zhuǎn)向時對地面阻力變化的感覺更直接一些。

(2) 在大角度轉(zhuǎn)向時，此時轉(zhuǎn)向阻力較大，希望外助力大些，使駕駛員轉(zhuǎn)向輕便些，及此時輸出載荷明顯增加。

圖2 轉(zhuǎn)向手力特性曲線

圖2將手力轉(zhuǎn)向特性曲線劃為四個區(qū)間，A區(qū)為直線行駛位置附近小角度轉(zhuǎn)向區(qū)，該區(qū)間輸出載荷增加的較?。籅區(qū)屬于常用轉(zhuǎn)向區(qū)，該區(qū)間動力轉(zhuǎn)向器助力作用增大明顯，對整車轉(zhuǎn)向性能有較大影響；C區(qū)為最大轉(zhuǎn)角區(qū)，接近原地轉(zhuǎn)向情況，需輸出載荷迅速增大實現(xiàn)較大的助力作用；D區(qū)為介于A區(qū)和B區(qū)之間的臨界轉(zhuǎn)向區(qū)，它的大小由閥的預(yù)開間隙、扭桿回位力等參數(shù)確定，該區(qū)對開始助力轉(zhuǎn)向的效果影響較大。當(dāng)車輛在關(guān)閉發(fā)動機后實施原地極限轉(zhuǎn)向、檢查車輛轉(zhuǎn)向系是否存在松曠過量的過程中轉(zhuǎn)向器處于最大轉(zhuǎn)角區(qū)，駕駛員需來自轉(zhuǎn)向泵提供的助力克服增大的轉(zhuǎn)向阻力實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，而此時因發(fā)動機關(guān)閉轉(zhuǎn)向助力泵失去動力無法提供壓力能，操作手在得不到轉(zhuǎn)向助力的情況下，為克服轉(zhuǎn)向器內(nèi)活塞移動的阻力、轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)內(nèi)油液的阻尼，增加了駕駛員施加于轉(zhuǎn)向盤上的手力。轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向螺桿通過扭桿聯(lián)為一體，從而將轉(zhuǎn)向盤的扭矩傳遞給螺桿和循環(huán)球，加大了循環(huán)球與轉(zhuǎn)向螺桿的接觸應(yīng)力，造成循環(huán)球與轉(zhuǎn)向螺桿非正常磨損加劇，使轉(zhuǎn)向器出現(xiàn)轉(zhuǎn)向發(fā)卡故障。

4.2 轉(zhuǎn)向器部分載荷計算

(1) 轉(zhuǎn)向阻力矩 為便于計算現(xiàn)將鐵馬型罐車ZY7/3401轉(zhuǎn)向器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZY7/3401轉(zhuǎn)向器技術(shù)參數(shù)表

采用半徑經(jīng)驗公式計算汽車在瀝青或混凝土地面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR(N·mm)，即：

式中:f為輪胎和路面的滑動摩擦因數(shù)，取f=0.7；G1為前橋負荷，鐵馬罐車取7 500kg，G1=7 500kg×9.8N/kg=73 500N；P為汽車前輪胎氣壓，鐵馬罐車取P=0.75MPa，將數(shù)值代入公式得:

≈5 368 799 (N·mm)

≈5 369(N·m)

即在忽略轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系內(nèi)其它摩擦阻力的情況下，鐵馬型罐車的最大轉(zhuǎn)向阻力矩約5 369 N·m。

(2) 不加助力轉(zhuǎn)向時作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh計算

式中：L1為轉(zhuǎn)向搖臂長；L2為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；(在汽車結(jié)構(gòu)中，L2轉(zhuǎn)向搖臂長與L1轉(zhuǎn)向節(jié)臂長的比值大約為0.85～1.1之間，可近似認為其比值為1)，DSW為轉(zhuǎn)向盤直徑；iW為轉(zhuǎn)向器角傳動比；η+為轉(zhuǎn)向器正效率一般取值85%；經(jīng)現(xiàn)場測量，鐵馬罐車方向盤直徑DSW=500 mm，轉(zhuǎn)向搖臂長L1=320 mm，轉(zhuǎn)向節(jié)臂長L2=260 mm，查詢轉(zhuǎn)向器技術(shù)性能表得ia=21.78；循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動副為滾動摩擦，摩擦損失小，轉(zhuǎn)向器正效率η取85%，將數(shù)值帶入受力計算公式后得：

因為上述轉(zhuǎn)向阻力矩是汽車在靜止狀態(tài)下計算的，所以是最大值。這樣，根據(jù)這個轉(zhuǎn)向阻力矩換算得出作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力，并據(jù)此作為計算強度的載荷也是合理的。作為重型汽車，因為前軸負荷增大，需采用動力轉(zhuǎn)向去克服轉(zhuǎn)向阻力矩，用上述方法計算得到的作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力Fh要超過人體生理可能產(chǎn)生的力。一般說來，在設(shè)計重型車輛助力轉(zhuǎn)向器時，對轉(zhuǎn)向器和動力缸以前的零件進行強度驗算時，通常取作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力低于700 N，一般來說，作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷對轎車不應(yīng)超過150～200 N，對貨車不應(yīng)超過500 N，從上述理論計算轉(zhuǎn)向器技術(shù)參數(shù)表得出：鐵馬罐車的理論轉(zhuǎn)向阻力距約為5 369 N·m，ZY7/3401轉(zhuǎn)向器的最大輸出力矩為6 710 N·m，鐵馬型罐車的轉(zhuǎn)向器設(shè)計符合要求，不存在制造缺陷。

(3) 用測力計現(xiàn)場實測轉(zhuǎn)向盤手力值如圖3和表2所示。

圖3 轉(zhuǎn)向力測試現(xiàn)場

表2 轉(zhuǎn)向力測試記錄表

綜上分析，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作時，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤的力僅為44.1～49 N，當(dāng)發(fā)動機熄火關(guān)閉后，也即是說在液壓助力失效時(例如由于缺油、發(fā)動機熄火時)，僅轉(zhuǎn)動方向盤的力就增大到333.2 N，轉(zhuǎn)向手力高達正常助力轉(zhuǎn)向時7.6倍以上，從而增加了轉(zhuǎn)向器內(nèi)循環(huán)球與螺桿的接觸應(yīng)力，加大了循環(huán)球與螺桿的非正常磨損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器使用壽命縮短。

5 結(jié) 語

通過對循環(huán)球式整體液力助力轉(zhuǎn)向器的機構(gòu)分析，找到了本單位5臺鐵馬型罐車轉(zhuǎn)向器發(fā)卡故障的原因，糾正了設(shè)備檢查人員和操作人員在設(shè)備檢查過程中關(guān)閉發(fā)動機后急劇原地轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的錯誤操作，提高了操作手在轉(zhuǎn)向器操作使用、維護保養(yǎng)方面的技能，有效延長了轉(zhuǎn)向器的使用壽命，促進了大隊的安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理工作。

[1] 涂潭生.汽車底盤構(gòu)造與維修[M].北京：機械工業(yè)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

劉少杰(1971-)，男，山東陽谷人，工程師，主要從事設(shè)備管理方面的工作。

TU275

B

1007-4414(2014)01-0149-03