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发动机转向助力泵转子断裂失效分析与改进

发表时间：2021/6/8 来源：《教学与研究》2021年5月上作者：李连志

[导读] 通过对叶片及转子的受力情况进行分析，找到转子断裂的原因并对策及对改进品进行跟踪及效果验证。

东风商用车有限公司李连志
Analysing the invalidation of power steering pump’s vane-rupturing and improving
LI lian-zhi

摘要：通过对叶片及转子的受力情况进行分析，找到转子断裂的原因并对策及对改进品进行跟踪及效果验证。
关键词：动力转向泵，转向系统，转子，叶片，应力集中
Key words：power steering pump; steering system; rotor; vane; stress convergence
        1、引言：
        现在的汽车转向系为了兼顾操纵省力和灵敏两方面的要求，采用了动力转向加力装置来增大驾驶员操纵转向轮转向的力量，从而使转向操纵十分简便，同时选用传动比较小的转向器角传动比，来满足转向灵敏的要求。由于叶片泵具有尺寸小、重量轻、流量均匀、消耗功率小、管路压力低、泄漏少和工作寿命长等优点，已经被广泛应用于乘用车和大部分商用车及客车上。但如果在车辆行驶过程中，突然发生转向泵故障，将造成转向困难或失去转向能力，并引发重大的交通事故，因此，解决转向泵故障，确保其稳定运转是非常重要和必要的。本文主要针对发动机选装转向泵所发生故障现象进行深入分析，找到问题的原因，并通过改进来提高转向泵的寿命。
        2、转向系统及转向泵工作原理简介：
        2.1转向系统工作原理：
        液压助力转向系统到现在已经有半个世纪的历史，该系统由液压和机械等两部分组成，是以液压油为动力传递介质，通过液压泵产生的动力来推动转向器，从而实现助力转向。液压助力转向系统的液压泵由发动机驱动产生液压能，转向泵通常是带流量控制阀和安全阀的叶片泵。转阀实际上是一个伺服控制阀，方向盘为输入装置，工作缸带动齿条齿轮形成反馈系统。整个转向系统的结构如图1所示。

转向系统工作原理如图2所示：

         2.1.1 不转向时状态
         不转向时，扭杆9 处于自由状态。因为扭杆的两端分别与转向控制阀的阀芯10、阀套11 用销8、12相连，转向控制阀呈开启状态。转向动力缸1 的活塞两边的工作腔与低压回油管路相通，所以此时转向动力缸不起作用。转向泵6的输出管路也与低压回油管路相通，泵输出的油由此流回转向油罐5。因转向控制阀的节流阻力较小，故液压泵输出压力很低，转向泵实际上处于空转状态。
        2.1.2 刚开始转向时状态
        当驾驶员顺时针转动方向盘时（右转向），阀芯10也被顺时针转动。但此时，因为受到转向节臂传来的地面转向阻力，转向动力缸活塞及转向齿条都不能转动，所以转向齿轮与阀套暂时不能随阀芯一起转动，而是使扭杆发生变形。阀芯相对阀套转动角度后，此时连通液压泵输出管路的通道与动力缸左腔的通道相通，动力缸右腔的通道与低压回油管路相通。使动力缸左腔压力高于右腔压力，活塞及转向齿条克服地面转向阻力，向右运动，使转向轮向右转动，汽车发生转向。
        2.1.3 转向过程中的状态
        当活塞及转向齿条向右运动时，转向齿轮与阀套被顺时针转动，使扭杆的变形量呈减小趋势。如果驾驶员继续顺时针转动转向盘，使扭杆的变形量呈增大趋势，那么扭杆的变形会保持不变，阀套随阀芯一起转动，转向控制阀所处的右转向位置不变，动力缸保持工作，活塞及转向齿条继续向右运动，转向轮转角增大。
        2.1.4 转向终了时的状态
        当驾驶员停止转动方向盘时，阀芯立即停止转动。由于此时转向控制阀仍处的右转向位置，所以动力缸继续保持工作，使扭杆变形减小，直到扭杆恢复自由状态，转向控制阀回到初始位置，动力缸停止工作，转向轮转角保持不变。
        驾驶员逆时针转动转向盘时的过程与前述相似，只不过阀芯、扭杆、阀套、活塞、转向齿条、转向轮转角与前述相反。
        2.2转向泵工作原理：
目前的汽车动力转向泵大部分是叶片泵，其基本工作原理与普通双作用叶片泵相同。定子内曲面由两段半径为R的大圆弧，两段为r的小圆弧以及四段连接大小圆弧的平滑曲线组成。（见图3）叶片在转子的叶片槽内可以滑动。转子、定子、叶片夹在前后两个配有盘（压力板、侧板）中间。（见图4）。当转子旋转

图3. 定子、转子、叶片图4. 压力板、定子、侧板
时，叶片受离心力而紧贴在定子内表面，起密封作用，将吸油腔与排油腔隔开。当转子与叶片从定子内表面的小圆弧区向大圆弧区移动时，两个叶片之间的容积增大，通过配油盘的配油窗口（吸油口）吸油；由大圆弧区移动到小圆弧区时，两个叶片之间的容积缩小，通过配油盘的配油窗口（排油口）排油。转子每旋转一周，叶片在槽内往复两次，完成两个吸排油过程，故称双作用叶片泵。（见图5）。转子槽底部通排油腔。因此在建立排油压力后，处在吸油区的叶片紧贴在内表面的压紧力为其离心力和叶片底部的液压力之和。在压力还没有建立起来的启动时刻，此压紧力仅由离心力产生。如果离心力不够大，叶片就不能与定子内表面贴紧以形成高低压腔的可靠密封，泵由于吸排油腔的沟通而使泵不能正常工作。这就是叶片泵转速不能太低的原因。
        双作用叶片泵的两个吸、排油腔均为对称布置，故作用在转子上的液压力互相平衡，轴和轴承的寿命较长。
        压力板排油窗口端部的三角槽用来减少液压冲击，起消振作用。若转子顺时针转动，当两相邻叶片间的油腔从吸油区进入定子大圆弧区时，油腔中的压力保持为低压。当此油腔转到开始与排油腔接通时，高压油流入此密闭容腔并压缩其中的油液，因此压力骤升。这个过程会发生压力冲击，并因此产生噪音。为了解决这个问题，一般采用设置上述卸荷槽的办法，使高低压腔逐渐接通，高压油进入密闭容腔时受到阻尼作用，从而减缓了压力冲击。
        3、发动机选装转向泵故障现象
某发动机转向叶片泵损坏，售后市场2004年共发生237车次，赔偿金额16.5万元。经对对售后市场返回的99台失效泵进行台架试验和拆解分析，发现存在较严重的转子断裂、叶片断裂和轴断裂现象，共有13台。如图6、7。针对该严重失效形式，进行了深入分析。

图6. 转子断裂图7. 转子断裂造成轴断裂
        4、原因分析：
        4.1 叶片受力分析

                                  图8. 叶片受力分析
        在吸油区，叶片主要受到作用力有：液压力Fp、运动惯性力Fc、Fk、Fg，定子、转子对其施加的接触反力N1、N2、N3和摩擦力F1、F2、F3，具体如图8所示。不考虑叶片形状及厚度影响时，叶片和定子曲线的接触点与转子中心的连线OB即为极径ρ，并且该接触点在叶片上为一定点，N-N线是接触点B的内法线，则OB与N-N之间的夹角β为向心线的压力角，叶片与法线N-N之间的夹角γ为叶片在过渡曲线上的压力角，如图8所示，有γ＝β+θ1。
根据图8，列出力及力矩平衡方程为：

4.2 转子受力分析

         取转子一个简单叶片槽作模型，进行受力分析如图9。
        虽然叶片伸出槽边缘的部分在作规律性的运动，但由于10叶片式转向泵在不同的吸、排油区的叶片数量是不断变化的，而且其受力的大小与转向的幅度，整车前桥负荷等等因素有关，在此就不再作详细研究。近似认为最终转子在槽边缘处受力为N2与作用在叶片伸出槽边缘部分所受液压力Fp0之和，即         ：
         F＝N2+ Fp0
        当F的值足够大时，将造成转子因受力过大，在槽根部应力集中处发生断裂，或者是叶片发生断裂。但由于叶片在最大伸出量时仅受N2作用；在受N2与Fp0同时作用时伸出量较小（近似于较短的悬臂梁结构），故叶片发生断裂的可能性较小，除非因杂物将叶片卡住，无法在转子槽内自由滑动时，会发生较严重的断裂现象。
        4.3 定子受力分析
因定子受力N3基本保持恒定，不会造成断裂现象，故在此不做详细分析。
        5、改进对策：
经对叶片、转子进行受力分析认为，造成转子断裂的主要原因为：转子因受力过大，在槽根部应力集中处发生断裂。为消除此失效模式，必须降低转子在槽根部因受力产生的应力集中。为此，我们采用了在槽根部增加去应力孔措施。见图10。

原来的转子无去应力孔，槽宽度为1.4mm，改进后的转子在10个槽的底部各钻一Φ2.4mm的去应力孔。经计算可知，增加该孔后使得转子在槽根部的应力仅为改进前的1/3，可有效减小该处的应力集中，消除转子断裂现象。
        6、效果验证：
        6.1在2005年4月对装配改进品转子的转向泵作30万次冲击试验，未发生转子断裂现象；
        6.2在2005年9月对装配改进品转子的转向泵装机验证，对应发动机号为：52009520，改进效果良好。故障车次由04年237车次降低至05年43车次，且改进品的转向泵未发生转子断裂现象。注：05年在对转子结构改进的同时，对转向泵内部件尺寸控制、去毛刺工艺的改进、装配现场清洁度控制、试验用油控制、总成清洁度控制等方面均作了改进，才使得转向泵故障车次大幅下降。
        7、结论：
        ⑴对转向泵转子在槽根部增加去应力孔可大大减小槽根部的应力，减小应力集中现象，有效解决转子断裂问题。
        ⑵造成转向泵转子断裂的原因很多，如：叶片因杂志颗粒卡在槽中，也会造成转子断裂，应利用拆解分析失效件过程，具体原因具体分析。
        ⑶转向泵作为总成，需控制各零部件及总成质量，要大幅降低转向泵的故障率，必须综合考虑各方面原因，并对策，尤其边缘工艺更应加以考虑。
参考文献：
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