商用車轉向系統油溫控制策略及其可靠性分析
摘要：
商用車轉向系統液壓油油溫對其效能和可靠性具有決定性的影響，其液壓助力轉向系統由於使用者超載、環境溫度、惡劣工況、轉向頻次等因素導致動力轉向油溫過高，極易導致轉向沉重甚至損壞。圍繞這個課題，我們從國內現行的實際情況出發，結合多年的轉向系統設計開發、市場應用、配套測試、故障處理的經驗，探尋多種形式結合的轉向油溫控制模式，重點從轉向扭矩校核驗證、轉向散熱器應用、結構設計最佳化、採用降溫閥等措施對系統可靠性進行提升。加大了系統保險係數，彌補國產液壓元件材料缺陷、加工工藝、裝置水平的不足，逐步降低轉向系統故障率。
關鍵詞：
商用車 液壓助力 轉向油溫 轉向扭矩校核 轉向散熱器 降溫閥
1 轉向系統扭矩校核與轉向橋最大臨界載荷的相互約束驗證
當前市場環境下，車輛嚴重超載對商用車液壓助力轉向系統帶來極其負面的影響。在兼顧使用者運輸成本和利潤的同時，還要保證車輛轉向的輕便性和可靠性。為防止轉向沉重和油溫過高的故障產生，除了在整車佈置方面適當調整好車廂安裝尺寸、降低前橋載荷比重外，通常需要對其做必要的轉向系統設計校核，我們一般採用扭矩校核的方式，即以車輛的設計前橋載荷、輪胎氣壓等值為基礎資料，計算出轉向力矩值，與轉向系統總的輸出扭矩值做比較分析，下表即是以單前橋液壓助力轉向系統為例，羅列出的相關計算引數和選值標準：
表1。1 轉向扭矩校核計算方法
透過上述分析，可以清晰的反映車輛超載（前橋超載）對轉向效果的影響，據此，車輛實際使用時前橋載荷的限值（而不是設計載荷值），對轉向器缸徑、轉向泵流量和壓力的設計選型具有決定性的影響！非常有必要在設計的初始階段將其作為基礎引數來考慮；另一方面，當既有的已投放市場的車輛出現嚴重超載、轉向沉重、油溫超高的情況時，可針對上述表格，透過輸入已有的轉向系統部件總成（如轉向器、轉向泵）等的相關引數輸入，計算得出該車輛前橋所能承受的最大臨界載荷值，以提醒車輛使用者，透過調整載貨分佈或減少整車載荷質量，避免該類故障的發生。
2 轉向散熱器型回油管路結構對散熱效能的影響
透過加裝轉向散熱器型回油管路，對系統外部散熱進行最佳化，從理論設計和試驗驗證角度，證明這一措施的可行性，玉柴透過應用這一方案，取得了較好的市場反響。
首先我們對鋼和鋁兩種金屬材料的傳熱係數、熱阻、比熱容等熱力學引數進行分析：
傳熱係數的定義是“在單位長度、每K，可以傳送多少W的能量”，單位是W/mK。其中W是熱功率單位，m代表長度單位米，K是絕對溫度單位開爾文。
根據傅立葉方程式：
Q=KA△T/d
R=A△T/Q
式中Q代表熱量，單位W；K代表熱傳導係數，單位W/mK；d代表熱量傳遞距離；△T代表溫度差；R代表熱阻值。
將上面兩個公式合併，可以得到K＝d／R。（d可看作金屬管的厚度）從上面的公式可以看出，當回油管壁厚相同時，熱傳導係數K越小，熱阻R越大。
鋼和鋁的熱傳導係數如表2。1所示：
表2。1 鋼和鋁的熱傳導係數K
從上表中可以看出鋁的熱傳導係數約是鋼的4。4-6。6倍，因此截面積相同的鋼管和鋁管，鋁管傳熱效率更高。結合上述公式，鋁管的熱阻較小。熱阻越小，散熱效果越好。所以相同條件下，回油管採用鋁製材料，散熱效果較好。
比熱容的定義：使單位質量的物質溫度提升1度需要的熱量。
鋼和鋁的比熱容如表2。2所示：
表2。2 鋼和鋁的比熱容
從上表中可以看出，鋼的比熱容比鋁小，每降低1℃，散發的熱量比鋁小，鋼的密度是7。9kg／m³ ，鋁的密度為2。7kg／m³，鋼的密度約為鋁的2。9倍，因此製成相同管徑和長度的管路時，在相同環境溫度和動轉油溫條件下，由Q=Cm△T得出，鋼管的熱容量比鋁管大，散熱速率慢。
傳統回油管路一般為08或08F牌號鋼、表面鍍鋅或鍍銅處理的雙層卷焊鋼管，直線管路與區域性彎曲管路結合的形式，前端連線方向機出油口接頭，後端連線液壓轉向油罐。如圖2。1所示。
圖2。1 傳統回油管路結構
我們採用的螺旋散熱翅片式回油管路結構如圖2。2所示。
圖2。2 螺旋散熱翅片式回油管路（轉向散熱器）結構圖
圖2。3用於整改對比的第四代轉向系統散熱器（鋁），試驗安裝在方向機回油路中
螺旋管的傳熱效能的研究主要從雷諾數與壁面努塞爾數Nu考慮分析。螺旋管壁面努塞爾數隨著雷諾數Re的增大而增大，而相同截面形狀的直管，在所研究的範圍內努塞爾數Nu是一個定值，直圓管為3。66，流體平均努塞爾數Nu與雷諾數的關係如圖2。3所示。
圖2。4 流體平均努塞爾數Nu與雷諾數的關係
努塞爾數的定義為：Nu=h*L/K，其中h為流體的對流換熱係數，單位為W/m2K，K為靜止流體的導熱係數，單位為W/mK，L為特徵長度，垂直於傳熱方向的尺度，單位為m。Nu的物理意義為是表示對流換熱強烈程度的一個準數，又表示流體層流底層的導熱阻力與對流傳熱阻力的比例。由上圖可知，螺旋管的散熱效能優於普通金屬回油管。
試驗驗證：該轉向系統試驗為整車道路試驗，試驗方法為繞八字路試，原車做八字試驗時對環境溫度、油罐內油液溫度、轉向泵出油壓力、轉向泵出油流量進行監測，繞八字的圈數持續至油罐內油液溫度平衡為止，記錄各項試驗引數；試驗驗證時將原車方向機回油管路改成鋁製螺旋散熱翅片式回油管，重複上述試驗，確保繞八字圈數、起始油溫、環境溫度等與原車狀態儘量相同再進行比較。對整改前後油溫變化情況進行對比分析。
試驗時負荷要求：整車載荷按原地可正常轉向的極限載荷（臨界載荷）進行裝載，整車裝載後總重為16。42噸，對應前橋載荷為6。94噸，以水泥載重塊為載入物，均勻分佈於車箱內。
按照上述試驗方法進行繞八道路試驗，直至油溫趨於平衡時，繞八字圈數為16圈，整車原狀態和更改回油管路時油罐內油溫數值如表2。3所示。
表2。4 試驗後各狀態油罐內油溫數值
透過改用鋁製螺旋散熱翅片式回油管替代原車回油管路，車輛在完成 16圈八字試驗工況下，轉向油溫可比原車降低8。88℃，如按同等環境溫度、同等起始油溫情況下做對比，轉向油溫可降低6。99℃。
更換鋁製螺旋散熱翅片式回油管路，完成16圈八字試驗後，繼續進行八字環繞，直至油罐油溫上升至試驗後原車相同的油罐溫度時，將車輛處於怠速狀態，擺正車輪，在方向機停止工作的狀態下，原車和更改回油管路時的油罐油溫散熱狀態如表2。4所示。
表2。5整改回油管路前後油罐油溫散熱狀態
圖2。5 整改回油管路前後油罐油溫溫降曲線溫降曲線如圖2。4所示。
以上試驗資料表明，採用鋁製螺旋散熱翅片式回油管不僅能夠降低高溫環境下，轉向頻次增多時轉向油罐內的轉向油溫，而且能夠加強回油管路自身的散熱能力，使油罐油溫達到良好的散熱效果。
3 結束語
一直以來，商用車轉向系統油溫控制策略的系統分析和完善，都是當前行業內各汽車廠和零部件製造廠家在轉向系統設計製造和質量控制過程中積極追求的制勝法則。透過多年的技術探索和配套實踐，我們已在商用車轉向系統配套領域建立了自己的配套設計規範、試驗裝置規範、試驗評價規範和故障分析處理機制，針對系統高溫的課題，創新性地提出了從外部散熱改善到內部設計最佳化的一整套設計方案，對商用車轉向系統領域的質量提升提供了更好的經驗借鑑和指導作用。以上內容，不吝之處，敬請批評指正，謝謝！
參考文獻
［1］陳家瑞，馬天飛。汽車構造（第5版） ［M］，北京：人民交通出版社，2006。
［2］劉惟信。汽車設計（第4版） ［M］，北京：清華大學出版社，2001。
［3］QC-T299-2000，汽車動力轉向油泵技術條件
［4］QC-T530-2000，汽車動力動力轉向器總成技術條件
作者：甩哥
