汽车转向储液罐的设计与制造

作者:朱晓毛 文章来源:上海联翼发动机部件有限公司 发布时间:2012-01-09
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图1  汽车液压转向系统

本文结合了汽车转向储液罐设计制造经验,提出3种设计方案,对汽车转向储液罐进行了优化设计,大大降低了转向系统中罐盖泄漏的机率,降低车辆故障率,提高整车质量水平,提升顾客满意度。

汽车转向储液罐的设计合理与否,直接关系到汽车转向的安全性,其失效后果严重程度可达到9(当潜在的失效模式在有警告的情况下影响用户人身安全运行和/或涉及不符合政府法规的情形时,严重度定级非常高)。汽车的液压助力转向系统一般由转向泵、油管、转向机、压力流量控制阀体、传动皮带和转向储油罐等部件构(见图1),兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系,在正常情况下,汽车转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供,而大部分是由发动机通过动力转向装置提供的,其主要功能是:减轻驾驶员打转向盘的用力强度、提高转向的舒适性以及提供路况信息反馈等。


图2  端面密封垫片

某些自主品牌汽车缺乏这方面的系统集成能力,某些车型售后IPTV(每千辆车的故障数)高达20。虽然传统的液压助力转向系统将被各方面都相对优越的EPS(Electric Power Steering)逐渐代替,但其成本低廉、性能可靠,仍将维持一定的市场份额。本文就转向储液罐泄漏问题探讨原始设计对于此类问题的帮助。

设计思路和改进方向

1.采用径向密封结构

汽车转向储液罐主要靠橡胶件压缩变形密封,密封形式包括端面密封(见图2)和径向密封(见图3)。端面密封较多采用橡胶垫,径向密封较多采用密封圈形式。端面密封追求的是面面接触,但实际装配过程中根本做不到,因为罐体螺纹口的平面度无法保证在0.1mm以下,螺纹部位运用转子脱模,注塑精度无法保证这一点。当螺纹盖达到拧紧力矩时,橡胶面与罐体螺纹口平面压缩贴合,微观状态下两者接触是高低不平的,点点接触形成的实际是线面接触。一旦此接触线上某一点被突破(来自罐体回油压力或温度升高),就会形成泄漏点,久而久之就会使整个罐体表面沾满油污(见图4),若不及时处理,将会造成转向系统各种失效现象,如异响、转向沉重直至无助力,严重影响行车的安全性。


图3  径向密封圈

大量售后失效的统计数据说明,绝大多数泄漏的储油罐采用的是端面密封结构,其结构简单,模具开发成本低廉,易于装配,整体采购成本较低而受到很多厂家欢迎。但厂家盲目追求低价采购,不仅损害了自己的品牌声誉,还要承担经济损失。

试验和售后数据证明径向密封结构的设计能克服密封不严的劣势,径向密封圈的外径与罐体螺纹管口内径配合,当螺纹盖慢慢旋紧,压力作用在密封圈上时,在密封处形成一个相对应的压力曲线。密封圈起初成线面接触,密封圈沿其周长方向受压缩,随着旋紧的深入,密封圈最终与罐体壁形成过盈配合,是真正意义上的面面接触。在密封圈上经常性的保持一定大小的压缩应力,可以提高储液罐的密封性能。图5是两者密封试验数据,显示了两者密封性能的优劣。


图4  泄漏的转向油壶

2.液面到罐口的高度不小于50mm

很多车型追求发动机舱空间利用率,将转向储液罐扁平化,生产线加注完成后液面高度几乎接近罐口,这是相当不可取的。因为转向储液罐在长时间高温高压行驶状态下,当压力达到一定条件将会有自动泄压功能,转向油将会以油雾形式通过螺纹盖通气孔排出储液罐外,转向油会逐渐减少。一旦液位低于最低刻度线时,若发生车辆侧倾,储油罐出油管(即转向泵进油管)将会吸入空气,转向系统则会产生异响、转向沉重等现象,有时转向异响的噪声犹如拖拉机一般。通常家用经经济型轿车转向机回油压力为0.11~0.13MPa,正常情况下,回油的冲击能量被液体阻挡,慢慢被缓冲吸收,最终被流体释放。扁平化的油壶在这种工作环境下,缺点将暴露无遗,当车辆转向稍有倾斜或摇摆时,回油冲击将非常大,直接冲击管壁,经折射将对罐盖密封结合处形成考验,大大增加泄漏的可能性。在这种情况下,我们建议采用长形储液罐设计,油液面距离罐口的高度不应小于50mm。


图5  径向密封与端面密封数据对比

3.在螺纹盖标尺上增加挡油板

在螺纹盖的标尺上增加挡油板(见图6),顾名思义就是利用一块注塑面挡住回油压力产生的冲击,在罐体螺纹口下面形成一个狭小间隙,实验证明,此装置在极端条件下(长时间高温高压)使回油能力大大衰减,对罐盖密封处的影响降到最低,对于改善油壶的整体密封性能效果显著。


图6  增加挡油板的螺纹盖

4.制造工艺方面注意事项

储液罐的选材同样至关重要,试验和经验积累得出PA66(聚酰胺)加25%的GF(玻纤)最为理想,PA66具有优良的耐油性剂、耐化学品性能和耐磨、抗蠕变及耐老化性能,PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。为了提高其机械特性,经常加入玻纤等改性剂,加入玻璃纤维添后制品收缩率可降低到0.2%~0.5%。要求材料冲击强度大于30kJ/m2,抗拉强度大于165N/mm2。上下罐体焊接建议采用振动摩擦焊,被焊接的制件在压力下磨擦到一起直到生成的磨擦和剪切热量使头蚧面达到充分熔融状态。一旦熔融膜已经形成渗入到足够深的沓接区域,相对运动停止,在压力作用下焊缝冷却并固化;滤网焊接则采用超声波焊接,机器将电能通过超声换能器转变成为超声能,该能量通过焊头传导到塑料工件上,以每秒上万次的超声频率及一定的振幅使塑料工件的接合面剧烈磨擦后熔化。振动停止后维持在工件上的短暂压力使两焊件以分子链接方式凝固为一体。一般焊接时间小于1s,所得到的焊接强度可与本体相媲美。储液罐整体同时要满足温热试验、温度交变试验、爆破试验、密封试验、螺纹盖正、负压试验和清洁度试验等。

结语

上述储液罐的几种设计要点是专业生产实践的经验积累,尤其是第一种的设计思路是决定性的基础。多年实践证明,产品质量首先是设计出来的,其次才是制造出来的。我国很多汽车厂家有很多不成熟之处,在吸取经验教训的同时,也希望能够求新求变,打破原有思维模式,不能一味追求低成本采购,要从设计源头提高质量,提高系统集成质量,提升整体技术质量,从而最终提高顾客满意度,建立与供方的良好互利关系。

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