王宝昌
摘要：本文主要研究某型号整体式循环球液压动力转向器在匹配某客车公司的中巴客车出现操纵平顺性差和回正性能不好的问题。动力转向器在综合性能试验台上进行无油空载试验，转动力矩的波动达到0.8NM；进行回正能力试验，回正力矩达到75NM。根据客车公司整车的匹配要求，动力转向器的空载转动力矩波动应不大于0.4NM，回正力矩应不大于50NM。根据对动力转向器的产品结构分析、运动分析、结构部件受力分析和力矩波动频率分析，找到影响转动力矩和回正力矩的影响因素，针对各影响因素分别制定措施，通过试验验证，最终找出主要原因原因并确定相应的改进措施。
关键词：液压动力转向器，空载力矩，回正力矩、波动、验证，分析，改进
一、前言：
某型号整体式循环球液压动力转向器在匹配某客车公司的中巴客车时，出现操纵平顺性差和回正性能不好的问题。根据客车公司整车的匹配要求，动力转向器的空载转动力矩波动应不大于0.4NM，回正力矩应不大于50NM。该动力转向器在综合性能试验台上分别进行了无油空载试验和回正能力试验，转动力矩的波动达到0.8NM，回正力矩达到75NM，性能数据远远超出设计要求，影响了整车操纵的平顺性能和自动回正性能。
二、原因分析：
1、产品结构分析：
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图1 整体式液压动力转向器的产品结构
如图1所示，整体式液压动力转向器按功能分为两个部分，一是机械转向部分，二是液压助力部分。机械转向部分是由两个运动副组成，一个是螺杆螺母副，通过螺杆螺母副将螺杆的旋转运动转变为螺母的直线运动；另一个是齿轮齿条副，通过齿轮齿条副将螺母的直线运动转变为摇臂轴的旋转运动。机械转向部分一方面是一个换向器，将输入的旋转运动转变了一个方向再输出旋转运动，两个旋转轴呈90度夹角；另一方面是一个减速器，将输入的旋转运动降速后再输出旋转运动，一般速比1：18左右。
液压助力部分融入到了机械转向部分之中，由于和本研究关系不大，这里不再作介绍。
2、运动分析：
正驱动分析：
如图1所示，当汽车需要转向时，驾驶员转动方向盘，方向盘通过转向传动轴带动转向器的输入轴（件号9）旋转，输入轴带动螺杆（件号3）旋转，螺杆通过螺杆螺母副带动螺母（件号2）作直线运动，螺母的直线运动通过齿轮齿条副带动摇臂轴（件号4）转动，摇臂轴通过固定在其上的垂臂带动汽车的转向杆系实现汽车转向。
逆驱动分析：
如图1所示，汽车转向后，由于汽车的车轮有使转向系统回正的力作用在转向器的摇臂轴上，推动摇臂轴反向旋转，摇臂轴旋转带动螺母作反向直线运动，螺母的直线运动带动螺杆作反向旋转，最后转向器回到汽车的直线行驶状态，其运动与正驱动刚好相反。
3、受力分析：
正驱动分析：
如图1所示，正驱动时，螺杆（件号3）旋转，通过螺杆螺母副的滚道将力作用在螺母（件号2）上，推动螺母作直线运动，螺杆受到反作用力，通过钢球（件号7）和轴承外圈（件号6）作用到阀体（件号5）或上盖（件号8）上。螺母（件号2）作直线运动，通过齿轮齿条副的齿面将力作用在摇臂轴（件号4）上，推动摇臂轴旋转。受力机构有三处，分别是轴承、螺纹滚道、齿面，这三处的形状位置精度影响正驱动的稳定性。
逆驱动分析：
如图1所示，逆驱动时，摇臂轴（件号4）反向驱动上述机构作逆向运动，其受力机构仍是上述三个部分。
由于速比的存在，对于相同的负荷，正驱动要轻的多，逆驱动要重的多。
4、力矩波动频率分析：
空载转动力矩波动具有较强的周期性，每个方向的力矩的宏观波峰有三个，这与齿轮齿条副啮合的齿数相同。
5、故障原因的分析
空载试验是转向器的正驱动过程，受力部位有三处，分别是轴承、滚道、齿面。轴承内外圈滚道与螺杆的回转中心的同心度、内外螺纹滚道的截面形状、两齿面的运动精度，都对空载力矩的稳定性产生影响。
回正能力试验是转向器的逆驱动过程，受力部位同样有三处，分别是轴承、滚道、齿面。轴承内外圈滚道与螺杆的回转中心的同心度、内外螺纹滚道的截面形状、两齿面的运动精度，都对回正力矩的大小产生影响。
由于转向器速比的存在，各部位对空载力矩和回正力矩影响的程度是不同的。
针对上述分析和对故障件的检测，将影响因素最终确定为螺杆轴承滚道相对回转中心的跳动误差、螺母的齿形齿向误差、摇臂轴的齿形齿向误差。
三、改进措施：
1、确保螺杆轴承滚道的跳动要求。螺杆在制造过程中工艺安排需要经过渗碳淬火，热处理后螺杆内部有残余应力，轴承滚道与螺旋滚道磨加工时是合格的，放置一段时间后，螺杆由于内部应力逐渐释放而产生了二次变形，造成轴承滚道跳动超差。我们对热处理后的螺杆进行了人工时效处理，解决是螺杆二次变形问题。
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图2 螺杆零件图
2、提高螺母和摇臂轴齿的精度。螺母与摇臂轴螺杆在制造过程中工艺安排需要经过渗碳淬火，热处理后零件内部应力影响，螺母和摇臂轴都会产生变形，造成齿面精度丧失。我们采取了磨齿工艺，消除了热处理变形的影响，提高了两个零件的齿面精度。
四、改进效果验证：
通过采取上述措施，螺杆轴承滚道、螺母和摇臂轴齿面的精度得到了较大提高。动力转向器总成在综合性能试验台上分别进行无油空载试验和回正能力试验，转动力矩的波动都不超过0.4NM，回正力矩均在40NM以内，都满足了客户要求，改善效果明显。
改善的产品经过客户多批次的小批试装验证，在整车上使用效果良好，汽车转向操纵的平顺性和回正性得到了较大的提高，客户满意！
五、结束语
零件制造精度是机械产品性能的依托，只有从提高零件精度和过程稳定性入手才能保证机械产品的高性能。
所以，我们要致力于提高精密制造能力，从粗放式的制造向精密制造迈进，实现高的产品技术性能和技术附加值。