引起汽车转向油泵的低温冷启动无助力的因素

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  【摘要】目前许多地方,特别是我国的北方地区,冬天的时候汽车如果在室外长时间静置之后,启动就会出现转向无助力的情况。这是汽车中的动力转向油泵在低温环境中失效,无法产生助力引起的。家用轿车中,动力转向泵采用的最多的是双作用叶片泵结构。本文就是通过从双作用叶片泵的工作原理入手,对于常温下正常工作的转向泵,分析其在低温环境中如何产生失效,以及引起失效的各种因素。
  【关键词】转向系统、双作用叶片泵、滑阀总成、叶片、转子槽
  在北方,冬天来临时,室外温度会低于-10℃,特别的是东北,平均温度能达到-30℃,甚至是-40℃。低温环境可以对车辆的性能和工作的可靠性产生不良影响,尤其对车辆的运行性能产生严重的危害,特别是汽车长时间的静置在低温环境中。对于采用液压助力转向系统的车辆,在低温环境中长时间静置后,会出现启动没有助力的现象。针对这一问题,我们通过转向泵的工作原理入手,分析低温环境中转向泵失效的原因。
  常温下转向沉重和低温下冷启动转向沉重的根本原因不同,本文只研究在常温下正常工作,而在低温环境中冷启动后无法工作的转向泵。
  一、动力转向油泵的工作原理
  转向泵是液压动力转向系统中的关键部件,为转向系统提供助力。各种转向泵中,双作用叶片式转向泵因具有尺寸小、重量轻、流量均匀、噪声低的优点,被广泛使用于各种汽车的液压动力转向系统中。本文中我们只研究这种应用最广的双作用叶片泵结构的转向泵。这是一种定量泵,一般由发动机通过带传动驱动旋转,所以输出流量与发动机的转速成正比。为了防止车辆高速行驶时转向泵输出给转向器的流量过大,对转向安全性造成不利影响,在转向泵内一般设有溢流阀组以限制最大流量输出。所以整个转向泵分为两个部分,一部分是用于提供流量及压力的双作用叶片泵,一部分是用于控制及调节的滑阀总成(溢流阀组)。
  (一)双作用叶片泵的工作原理
  双作用叶片泵里面的主要由定子、转子、叶片和配流盘等零件组成,通过四者的相互作用形成流量,产生压力,其主要工作原理如图1.1 所示
  1~8.叶片 9.转子 10.定子
  图1.1双作用叶片泵的工作原理图
  定子的腰圆形表面是由两段半径为R的大圆,两段半径为r的小圆弧以及四段连接大小圆弧的过渡曲线组成。叶片1~8可以在转子9槽内滑动,转子、叶片、定子都加在前后两个配流盘中间。当转子旋转时,叶片受离心力的作用而紧贴定子内表面,起密封作用,将吸油腔和排油腔隔开。当叶片从定子内表面的小圆弧区向大圆弧区移动时,两个封油叶片之间的容积增大,通过配流盘上的配流窗口(吸油槽)吸油;由大圆弧段移向小圆弧区域时,通过配流盘上的配流窗口(排油槽)排油。转子每转一周,叶片在槽内往复两次,完成两次吸、排油的过程。转向泵启动瞬间,叶片甩出,形成密封腔,吸排油后,形成油压,产生助力。
  (二)滑阀总成的工作原理
  在动力转向泵中溢流阀组又叫做滑阀总成,其工作原理如图1.2所示
  当转向泵没有工作时,滑阀3在压力弹簧1的左右下,会静止在图1.2的右侧。当转向泵启动后,转向泵中的转向液由叶片泵端流向方向机端,随着转速越大,油道中转向液的流量就越大。叶片泵中提供的转向液是有压力的,因节流孔4的作用,出油口5处液体压力要大于压力弹簧1处的液体压力,当转向泵工作时,因转向液的压力作用,滑阀3会向左移动,通过压力弹簧3的弹簧力平衡转向液的压力及流量。当液体流量继续增大,液体压力到达极限值时,压力弹簧1处的液体压力大于压力弹簧6的弹簧力时,球阀2开启,转向液就会通过溢流孔7流回转向泵,此时控制转向泵的压力在极限值,达到控制压力和流量的作用。
  1.压力弹簧 2.球阀 3.滑阀 4.节流孔
  5.出油口 6.压力弹簧 7.溢流孔
  (三)转向泵总成的工作原理
  综合双作用叶片泵和滑阀总成的工作原理,转向泵的工作原理可以简单的描述为:当转向泵没有工作时,叶片是静止在转子槽的根部的,滑阀亦是静止在图1.2中所示的右边极限位置。转向泵启动后,叶片甩出,产生流量,建立压力,滑阀左移,转向泵开始正常工作,随着转速增加,压力增大,滑阀总成中的阀系开启,达到控制和调节的作用。
  (四)低温冷启动叶片的受力分析
  在低温环境中,冷启动无助力的车辆在启动一段时间内,转向液是没有流动的,而且助力恢复时都会伴随着"吱"的一声异响。所以根据以上现象,我们确定低温环境中冷启动无助力根本原因是因为转向泵的叶片没有甩出。
  什么样的条件才能使叶片正常甩出呢?我们通过分析叶片的受力来得出结论。
  转向泵启动瞬间,叶片的受力如图1.3所示,叶片受到自身重力的作用G,转子槽的压力FN,以及叶片受到的摩擦阻力f阻,一般因为叶片重力远小于其受到的压力,所以一般忽略不计,所以我们认为在转向泵启动瞬间,叶片受到的转子槽方向上的力只有转子槽的摩擦阻力。
  如果叶片没有甩出,则叶片在转向泵中作匀速圆周运动。在叶片槽中的阻力提供向心力使叶片做匀速圆周运动。此时
  f阻=mω2R (1.1)
  m-叶片的质量
  ω-转子的角速度
  R-叶片圆周运动的半径
  叶片受到的阻力为转子槽的静摩擦力,当我们增加启动时转子转速,叶片所受到的静摩擦力也会增加,当阻力增加到最大静摩擦力后,如果继续增加转子的转速,叶片所受到阻力不会再增加,此时转子槽的摩擦力无法提供叶片圆周运动所需要的向心力,那么叶片便会甩出。此时
  f阻≤mω2R (1.2)
  m-叶片的质量
  ω-转子的角速度
  R-叶片圆周运动的半径
  叶片开始在转子槽里滑动后,叶片就受到了转子槽的滑动摩擦力,而滑动摩擦力与最大静摩擦力的关系是:   fmax静≥f滑 (1.3)
  转子槽与叶片之间有转向液,两者的之间的滑动摩擦力满足下列公式
  f滑=μAdυdz (1.4)
  μ-转向液运动粘度
  υ-相对滑动速度
  z-两表面间的距离
  A-表面接触面积
  将公式1.3,1.4代入1.2,得出
  μAdυdz≤mω2R (1.5)
  m-叶片的质量
  ω-转子的角速度
  R-叶片圆周运动的半径
  μ-转向液运动粘度
  υ-相对滑动速度
  z-两表面间的平均距离
  A-表面接触面积
  那么要使转向泵在低温的环境中能正常工作,叶片能正常甩出,那么必须满足公式1.5
  二、低温冷启动转向泵无助力的影响因素
  通过理论的分析得出:转向泵的低温冷启动无助力的原因是叶片没有甩出,叶片要正常甩出必须满足的公式1.5,那么有哪些因素会导致叶片无法甩出呢?
  (一)环境温度对转向泵低温冷启动的影响
  根据公式1.5,整理后得
  μ≤mω2R1Adzdυ(2.1)
  由公式可以看出转向液的运动粘度越小,叶片越容易甩出。转向液的运动粘度随着温度降低而升高的。基本所有常见的液压介质都满足这个规则,如图2.1所示。环境温度越低,那么转向泵越容易出现冷启动无助力的情况。这主要的原因是低温的环境使转向液的粘度增加,导致转向泵的叶片不易甩出。
  我们轿车用的常用转向液是ATF220, DOXRON Ⅲ, DOXRON Ⅵ等,我们抽取了几种转向液,对其在不同温度下的运动粘度进行测量,如表21所示。转向液的在-30~-40℃范围内的运动粘度是常温下运动粘度的100倍以上。所以在我国的东北地区,冬季气温一般在-30~-40℃,那么汽车在室外放置一段时间后,极易出现冷启动转向无助力的情况。
  检测项方法单位
  结果DOXRON Ⅲ①DOXRON Ⅲ②DOXRON Ⅵ
  Kinematic viscosity 40℃ASTM D445mm2/s35.1135.0330.15
  Kinematic viscosity 100℃ASTM D445mm2/s7.6337.5836.033
  Brookfield viscosity -40℃ASTM D2983mPa.s103371609610977
  Brookfield viscosity -30℃ASTM D2983mPa.s266434993019
  表2.1几种转向液的运动粘度
  (注:DOXRON Ⅲ ①②是不同厂家的产品)
  (二)叶片的尺寸对转向泵低温冷启动的影响
  叶片的质量满足公式
  m=ρ1hdυ(2.2)
  m-叶片的质量
  ρ-叶片的密度
  1-叶片的长
  h-叶片的宽
  dυ-叶片的厚度
  代入公式1.5后得
  1ρdυdυdz≤1μω2R (2.3)
  ρ-叶片的密度
  dυ-叶片的厚度
  ω-转子的角速度
  R-叶片圆周运动的半径
  μ-转向液运动粘度
  υ-相对滑动速度
  z-两表面间的平均距离
  由公式可得:叶片的厚度dυ越大,叶片越容易甩出;叶片与转子槽的间隙值dz越大则叶片越容易甩出。
  叶片越厚,转子越容易甩出,低温的情况下越不容易出现无助力的情况。但是增加了叶片的厚度会增加叶片对定子内表面的压紧力,加剧叶片与定子之间的磨损,会降低转向泵的寿命,而且也会增加常温下的噪音。叶片泵中叶片的厚度一般在1.8~22mm范围内,而汽车转向泵的结构小,转速不高,而且压力不大,为了保证其寿命及降低噪音,现在汽车转向泵的叶片厚度多采用的是1.4~1.6mm。
  叶片与转子槽的间隙值是非常重要的一个参数。间隙值越小,转向泵的moan噪音会越小,但是叶片和转子槽的磨损会加剧,影响转向泵的寿命,且低温冷启动的时候易出现失效的情况。但是间隙值偏大会使泵的moan噪音变大,而且转向泵的效率会降低。所以叶片与转子槽的配合间隙一般为0.01~002mm范围内。
  (三)启动转速对转向泵低温冷启动的影响
  整理公式1.5得:
  1ω2≤mω2R1μAdzdυ (2.4)
  m-叶片的质量
  ω-转子的角速度
  R-叶片圆周运动的半径
  μ-转向液运动粘度
  υ-相对滑动速度
  z-两表面间的平均距离
  A-表面接触面积
  由公式2.4可以得出,转向泵的启动转速越大,那么叶片越容易甩出。在轿车中,转向泵一般是发动机的通过带传动驱动的,转向泵的转速与发动机的转速成正比。一般而言发动机的启动转速是已经确定了的,但是如果车辆长时间处在低温的环境中,发动机极易出现故障,冷车启动后,发动机的转速过低,也会导致转向泵无法正常工作。
  (四)其它因素对转向泵低温冷启动的影响
  另外,在低温环境中,特别是像在-30~-40℃的恶劣情况下,零部件可靠性受到极大的考验,很多细小的尺寸误差和加工缺陷,都会导致问题的出现,例如转子槽的平面度,表面粗糙度,叶片的平面度,直线度,表面粗糙度等,这些尺寸参数都能影响转向泵的低温冷启动。还有转子槽的加工的毛刺,有些毛刺可能在常温情况下影响不大,但是到了低温环境中,就可能会出现故障。
  三、解决低温冷启动转向无助力的措施
  知道了导致转向泵低温冷启动无助力的原因,再有针对的提出解决的措施就很简单了。
  首先是提高车辆静置的环境温度,例如将车辆停放在常温车库中,这对于我国东北地区的居民来说是有条件办到的。减少车辆在低温环境中的静置时间,这个也是变向的利用转向液的温度影响。
  然后是增加叶片厚度,增加转子槽与叶片的配合间隙。这个主要就要看尺寸的设计及控制了,既要满足强度及寿命要求,又要满足效率及噪音要求,这要通过大量的试验数据来验证。
  低温冷车启动后,转向无助力,此时给一脚油门,使转向泵的转速增加,叶片甩出,助力也会很快恢复,这只是一个临时的解决措施。当然不提倡在低温环境中冷车踩油门,这样容易损坏发动机。
  增加转向泵零部件的尺寸控制,保证转子、叶片等零件的加工精度,增加清洗转向泵零部件毛刺的工艺,保证关键部位的毛刺要清洗干净。
  当然,新的加工工艺的不断成熟,通过新的转子结构也能解决低温冷启动的问题,例如在转子槽的根部增加一个导流孔,如图3.1所示。这样增加的导流孔使叶片的根部会产生一个压力,有利于叶片甩出。这种结构现在被广泛的用于家用轿车的转向泵中。
  图3.1新的转子结构示意图
  液压动力转向系统因为其低成本被广泛的用于现在的汽车转向系统中。但是液压助力在低温的环境中,特别是-30~-40℃的环境中,容易产生无助力的现象。这是动力转向油泵在低温环境中失效导致的。影响转向泵的低温冷启动无助力的因素主要有环境温度,叶片厚度,转子槽与叶片的配合间隙,启动转速等,温度越低,叶片越薄,配合间隙和启动转速越小,越容易出现冷启动无助力的情况。其他的像零部件的制造精度,加工工艺也会对低温情况下的转向泵冷启动造成影响。我们了解了这些影响因素,通过对这些因素有针对性的进行改善,便可以有效的减少低温情况下冷启动转向无助力的情况。
  参考文献
  [1]李壮云. 液压元件与系统 . 机械工业出版社 (M),2005
  [2]林建忠. 流体力学 . 清华大学出版社 (M),2005
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