汽车助力转向管路总成的设计方法

1、汽车助力转向管路总成的设计方法摘要：助力转向管路总成的设计是否合理严重影响汽车助力转向系统的性能。详细介绍 了汽车助力转向管路总成的结构和作用，结构设计的主要内容、原则和注意事项，橡胶管、金属 管和管接头密封圈等主要材料的性能要求和选用方法，性能设计的主要内容和原则，还简要介 绍了汽车助力转向管路总成的发展趋势。关键词：助力转向管路总成材料选用结构设计性能要求中图分类号：U文献标识码：B中国第一汽车股份 公司技术中心张彦彪 朱 熠 周宇飞1汽车助力转向管路总成的作用汽车转向系统是对汽车主动安全性有决定性 影响的关键总成。传统的转向系统是机械系统， 靠 驾 驶 员 的 体 力 和 机 械 装 置

2、 实 现 汽 车 的 转 向 运 动。汽车助力转向系统是在驾驶员控制下，借助 汽车发动机或电动机动力为转向动力源实现车轮 转向。汽车助力转向系统主要由助力转向器、助 力转向油泵和助力转向油罐、3 根助力转向管总成 等部件组成，其中助力转向器、助力转向油泵和助 力转向油罐等都是通过助力转向管路总成相连才 能发挥转向助力的作用。汽车助力转向管路总成 的设计是否合理，直接关系到汽车操纵的轻便性、 汽车驾驶的安全性和舒适性。在 3 根助力转向管路总成中，1 根连接在助力 转向油罐与助力转向油泵之间，称为吸油管或进 油 管 ；1 根 连 接 在 助 力 转 向 油 泵 与 助 力 转 向 器 之 间，称

3、为高压管；另外 1 根连接在助力转向油罐与 助力转向器之间，称为回油管。助力转向管路总成的主要功能是输送液力传动油，为汽车提供转 向助力，减轻汽车驾驶人员的工作强度。2汽车助力转向管路总成的结构设计汽车助力转向管路总成中的回油管和高压管 一般由金属管、橡胶管、金属接头和卡箍等组成。 根据助力转向油泵、助力转向器和助力转向油罐 布置方式的不同，回油管和高压管的长度、空间形 状 也 有 很 大 差 别 。 橡 胶 管 的 特 点 是 有 相 对 的 柔 性 ，一 般 安 装 在 活 动 部 位 ，根 据 管 路 承 受 压 力 不 同，采用钢丝增强胶管或合成纤维增强胶管；金属 管的特点是高压时无膨

4、胀、散热性好，多安装在无 相对运动的部位；橡胶管和金属管之间通过金属 接头或卡箍连接，形成完整的管路系统。汽车助力转向管路总成的结构因车型及其工 作压力的不同而有所不同，典型产品示例见图 1。 助力转向管路总成胶管内径的设计汽车助力转向管路总成 3 根管路的位置不同、 用途不同、承受压力不同，因此其中胶管内径各不54汽 车 工 艺 与 材 料AT&M2014 年 第 2 期高压管回油管吸油管路接头扣压时，扣压部位的内胶层受径向压缩而 沿轴向发生延伸，在管接头端部产生边缘效应；边 缘效应造成压缩应力降低，从而影响扣压处的密 封性，接头部位易渗漏。因此，在扣压管接头时， 通常采用减薄内胶层厚度或加

5、长管接头的长度来 弱化边缘效应，增大压缩应力。因此，在保证不影 响助力转向管路总成性能的前提下，应尽可能减 薄内胶层，并选择合适尺寸的管接头，以保证管接图 1 典型汽车助力转向管路总成相同，设计时应根据助力转向系统需要的动力转 向油流量、压力和流速等进行综合考虑，经计算和 分析得出相应胶管内径。一般高压管内液体的流 速高于吸油管和回油管内液体的流速，内径相对头与胶管内径形成过盈配合，从而保证胶管与金 属管接头扣压时有很好的密封性能。部分国内外 汽车助力转向高压管路总成的内胶层厚度见表 1。表 1 汽车助力转向高压管路总成 内胶层的厚度mm小于吸油管和回油管的内径。应合理选择胶管内 径，胶管内径

6、 d 按下面经验公式选取。d Q/V五 十 铃 12 t载货车沃 尔 沃 20 t载货车一汽 10 t载货车东风 10 t载货车式中，Q 为液体流量，m3/s；V 为助力转向管路内液 体流速，m/s。荐用流速：对高压油管而言，V3 6 m/s（压力高、管道短或油粘度小的情况取大值， 反之取小值）；对于回油管而言，V1.5 m/s。 助力转向路总成胶管壁厚的设计橡胶管与金属管的连接一般采用将金属管接 头（或芯管）插入胶管，外部通过金属套筒机械扣 压在一起的方式，管接头总成的基本结构如图 2 所 示。胶管壁厚直接影响扣压连接的质量，胶管壁 厚包括内胶层厚度、外胶层厚度和增强层厚度。金属套筒 橡胶管

7、金属管接 头（芯管）图 2 管接头总成的基本结构橡胶管的内胶层与金属管接头直接接触，因 此内胶层厚度是胶管扣压连接时需要考虑的重要 参数。经验证明胶管内胶层的压缩模量与其厚度 的关系是：要获得较高的压缩模量，厚度应越小越 好，这是由橡胶的不可压缩性决定的。在进行管但同时要注意，橡胶管内胶层承受动力转向 油的冲击和压力，不能设计得过薄，否则影响胶管 的性能；而且采用卡箍固定、连接橡胶管时，内胶 层应有一定厚度，以保证胶管产生足够的压力变 形，使连接更加牢固。 助力转向管路总成的长度和空间布置的设计a.设计助力转向管路总成尽可能减少连接点， 因为连接点越多，泄漏的风险越大；而且接头价格 比较高，扣

8、压工艺复杂，过多的连接点会造成成本 大幅度上升。b.应避免大型三维空间管路。如果管路长度 超过 2 m，又要设计成三维空间结构，将大大提高 运输成本，而且安装也不方便。这时宁可多设计 1 个连接点，也要避免因大型管路造成的生产、安装 和更换成本升高的问题。c.设计高档车辆的助力转向管路总成时，应考 虑降低助力转向管路总成内部液体温度，防止由 于温度升高导致橡胶管早期老化，为此可以在金 属管与橡胶管的连接处增加散热器（图 3）。d.橡胶管应尽可能短并采用直管（尤其在高压管 路 中）。 一 般 情 况 下 ，橡 胶 管 比 金 属 管 的 价 格 高，缩短橡胶管可以降低成本，而且胶管过长也影（a）

9、U 型散热器（b）柱形散热器图 3 金属管与橡胶管连接处的散热器响外观和占用空间；橡胶管的结构复杂、强度比金 属管低得多，橡胶管过长会增加管路损坏、泄漏甚 至失效的风险；橡胶管为挤出成型，如果设计成异 形结构，就必须用定型模具二次加工硫化成型，容 易导致橡胶管转弯处因增强层密度低而成为承压 的 薄 弱 点 ，造 成 损 坏 ，所 以 橡 胶 管 尽 可 能 采 用 直 管；另外，吸油管连结助力转向油泵和助力转向油 罐，为减少吸油助力，要尽可能缩短吸油管长度。e.金属钢管的折弯半径应取其管径的整数倍， 夹紧长度与弯曲半径的确定可以按如下关系。弯曲半径=3管子外径，则夹紧长度=2管子 外径弯曲半径

10、=2管子外径，则夹紧长度=3管子 外径弯折之后，弯折区域的截面积是钢管正常截 面积的 80%以上，弯折半径要达到钢管外径的 2 倍以上。 助力转向管路总成中金属管与橡胶管的连接 设计向油泵、助力转向油罐、助力转向器等）的连接，设 计时既要保证连接部位的密封性能，又要考虑安 装、拆卸和维修的方便性。助力转向管路总成中 金属管与橡胶管最常用的连接方式采用径向扣压 方式（图 4 和图 5）；在重型卡车等助力转向系统压 力较高的情况下，高压管中的金属管与管接头一 般采用钎焊方式焊接（图 6）或螺纹螺母旋紧式连 接（图 7）；如果吸油管总成和回油管总成的压力比 较低，可以采用扩口式接头（图 8），金属管

11、与橡胶 管之间的连接也可以采用卡箍连接形式（图 9）。图 4 高压管总成的扣压方式图 5 回油管总成的扣压方式图 6 高压管总成的钎焊连接汽车助力转向管路总成中金属管与橡胶管的 相互连接、管路与助力转向中其它部件（如助力转图 7 螺纹螺母旋紧式连接图 8 回油管总成的扩口式接头图 9 吸油管总成的卡箍连接 管接头密封圈的设计助力转向管路总成经常在管接头部位放置橡 胶密封圈，一般采用 O 型圈，其设计标准执行 GB/ T-2005液压气动用 O 形橡胶密封圈第 1 部 分：尺寸系列及公差、GB/T -2007液压气 动 用 O 形 橡 胶 密 封 圈 第 2 部 分 ：外 观 质 量 检 验 规

12、 范、GB/T-2005液压气动用 0 形橡胶密封 圈沟槽尺寸等，或各大汽车公司的企业标准。密 封圈的设计应综合考虑橡胶材质、配方、耐动力转 向油后的膨胀量、径向安装的伸长量、压缩变形量 和管路振动等因素。如果密封圈材料选择错误、 设计不合理或承受了过大的压力和振动，容易发 生变形和损坏，导致密封失效。 助力转向管路总成管接头的设计助力转向管路总成属于液压管路，管接头的 设计包括金属管接头（芯管）和金属套筒的选材、 尺寸设计、结构设计和扣压量的设计等。金属管 接头的设计直接影响助力转向管路总成质量，其 中扣压量的设计是关键部分。管接头扣压量的设 计方法有材料（通过管接头材料的力学性能分析 建立

13、扣压量的公式）量纲法、体积比法（管接头扣 压前后体积不变建立扣压量公式）等，国内经常采用经验公式来确定管接头扣压量，计算公式如下。t = （B - e + f） x式 中 ，t 为 橡 胶 管 内 胶 压 缩 量（或 金 属 套 筒 扣 压 量），mm；B 为 橡 胶 管 内 胶 层 厚 度（B 可 直 接 测 量），mm；e 为金属管接头（芯管）对胶管内径扩张 的 过 盈 量 ，mm；x 为 橡 胶 管 内 胶 层 压 缩 量 的 百 分 数（经验值，需要根据工艺调整）；f 为金属套筒与 扣压处外径的间隙，mm。一般 x 取值为：钢丝编织橡胶管为 40%50%（1 层 钢 丝 取 42% ，

14、2 层 钢 丝 取 44% ，3 层 钢 丝 取 48%），钢丝缠绕橡胶管为 55%65%，化学纤维编 织管为 20%左右。 助力转向管路总成装配形式的设计助力转向管路总成一般采用成型管路，应计 算 准 确 、布 置 合 理 ，避 免 出 现 扭 曲 安 装 等 异 常 情 况，造成受压时连接处松脱或胶管损坏，导致管路 早期失效。a.橡胶管直管安装时应预留松弛量至少 5%以 上（图 10），保证橡胶管受压振动时不至于被过度 拉伸甚至拉断。正确不正确图 10 橡胶管直管安装松弛量示意图b. 避免橡胶管安装扭曲（图 11）。橡胶管扭曲 时，其承压力会降低，同时还会造成管接头的松脱。 橡胶管每扭曲

15、7，可降低软管 10%的使用寿命。图 11 橡胶管安装扭曲示意图c.橡胶管弯曲安装时（图 12），应避免设计过小 的橡胶管弯曲半径和小角度急转弯。一般要求弯 曲半径橡胶管外径的 68 倍，最好达到 10 倍。橡胶管弯曲半径缩小 20%，可降低橡胶管 90%的使 用寿命。不正确 不正确正确正确图 12 橡胶管安装弯曲示意图d.橡胶管的安装应避免与其它零件发生干涉 现象（图 13）。如无法避免，应避免摩擦和碰撞，并 在胶管上设计防护套；或采用管夹子定位，减少部 件间的磨损。不正确正确图 13 橡胶管安装避免干涉示意图e.橡胶管的安装位置应避免靠近排气管等热 源，因为高温可导致橡胶管承压能力降低、接

16、头漏 油和疲劳寿命缩短等问题。如果温度较高，必须 增加隔热保护套；如果橡胶管与其它金属件容易 发生碰撞而导致损伤，就要在橡胶管外层增加防 护套，或采取远离热源的定位措施（图 14）。不正确正确图 14 橡胶管安装远离热源示意图f.汽车转向管路总成的总布置要考虑与周边 相关零部件的间隙，转向管与周围件的最小间隙 为：钢管与热的部件（如排气歧管）15 mm，胶管（无隔热套）与热的部件60 mm；钢管（无防护套） 与运动部件25 mm，胶管（无防护套）与运动部件30 mm；钢管（无防护套）与固定部件10 mm，胶 管（无防护套）与固定部件30 mm。 助力转向总成的相关设计经验 经验 1合理设计助力

17、转向油罐的排气孔位置或压力 盖开启结构，避免造成排气孔堵塞或卸压阀盖失 灵，致使吸油管总成和回油管总成承受过高压力， 出现泄漏等情况。 经验 2有 时 汽 车 怠 速 时 转 向 盘 小 角 度 输 入 会 发 出 “嘶嘶”声，其原因有可能是转动转向盘时、动力泵 及转向系统内的压力及温度升高或转向管路内液 体高速流动时，造成管路及动力泵、转向机油缸产 生颤动及抖动现象，从而导致噪声的产生。解决 方案如下。a.在高压油管靠近助力转向油泵出油口端加降 噪装置，消弱与降低该噪声的幅值至可接受的范围。 b.在助力转向管路总成高压管与车身连接处增 加隔离装置，切断噪声通过车身直接传播的路径，达到降低噪声

18、的目的，一般与前面方案同时使用。 c.在助力转向管路总成金属管部位增加冷却装 置，降低助力转向系统油温，一般在高档车上使用。d.提高车身的隔音性能。 经验 3有时车辆通过颠簸路面时会发出“哒哒”声， 经常是助力转向系统内压力的问题。内压力变化 一般是由于车轮在不平整的路面行驶、产生跳动， 造成轮胎载荷不停地波动，从而导致助力转向总 成内压力的波动，压力波撞击助力转向管总成内 壁，从而产生了噪声。解决方案是，将靠近助力转 向器出油口端的钢管改成软管，长度不得小于管 路内径的 20 倍。但也不能过长，如果过长会导致 助力转向系统内散热不良，不但解决不了“哒哒” 声的问题，还会导致转向系统的其它异常

19、，如噪声 升高、压力异常等。因此，应根据不同车型管路总 成布置的实际情况选定具体长度。3汽车助力转向管路总成的选材方法 橡胶管助力转向管路总成使用的橡胶管的结构简图见图 15，包括内胶层、增强层和外胶层，增强层可 以是 1 层或多层，每层之间采用粘接层进行粘接。外胶层增强层内胶层图 15 橡胶软管结构示意图 内胶层内胶层是橡胶管的关键部分。内胶层直接与 输送的介质接触，因此要求有良好的耐介质性；同 时，内胶层材料应具有高强度、高硬度和低压缩永 久变形等力学性能，才能长期、可靠使用。目前国 内外主流车型的内胶层材料大多数采用丁腈橡胶（NBR）和氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）；在技术和成本 允许的情况

20、下，也可以采用氢化丁腈橡胶（HNBR） 或乙烯丙烯酸酯橡胶（AEM）。出于环保的考虑，欧 美国家为了满足欧 4、欧 5 标准的要求，降低整车排 放，对管路总成的排放性能有严格要求。许多管路 总成（如燃油管路和助力转向管路等）作为输送载 体要求具有低渗透性，才能够进一步满足欧 4、欧 5 标准的要求。因此国外一些汽车厂率先使用带有 氟橡胶、氟树脂活改性尼龙等做为助力转向管路总 成中橡胶管的内衬层，以降低管路内液体向环境的 散发。内衬层可以在橡胶管的内胶层的最内侧，也 可以夹在内胶层的中间（即用内衬层将内胶层分为 两层或多层）。为降低成本，靠近增强层的内胶层 可以采用价格相对比较低的橡胶。 增强层

21、增强层是橡胶管的主要承压层，是管体结构 的重要组成部分。增强层应具有优良的抗冲击性 和良好的耐曲挠特性。目前国内大中型汽车厂中 重型载货车和越野车的高压管路的增强层大多由 单层或多层镀铜钢丝缠绕成型或编织成型；轿车 和小型厢式车的高压管路、吸油管路和回油管路 的增强层多数由锦纶纤维、涤纶纤维和维纶纤维 缠绕成型或编织成型；豪华轿车和部分高档小型 车辆以芳纶纤维作为增强层，成本较高。在设计选取增强层时，应优先考虑满足以下条件。a.必 须 具 有 足 够 高 的 强 度 保 证 产 品 的 承 压 要 求 。b.必须有优良的耐疲劳特性，保证胶管在脉冲 压力和汽车行驶振动条件下的使用要求。c.具有合

22、理的伸长率。助力转向橡胶管允许 有一定量的膨胀，但在承压状态下过大的径向膨 胀会造成动力转向油流量和流速的不稳定，因此 应控制增强层伸长率在一定范围内。d.具有足够的高温稳定性，满足胶管的硫化工 艺要求；同时，增强层的耐高温性能也是保证橡胶 管长期稳定、可靠使用的重要因素。e.良好的粘接性能。增强层与胶管的内、外胶 层应容易粘合，以降低工艺难度和工艺成本，提高 产品使用的耐久性和可靠性。 外胶层橡胶管的外胶层起到保护增强层的作用，要 求有优异的耐候性，并且应耐高温、耐低温、耐磨 和耐冲击。目前国内一般采用氯磺化聚乙烯橡胶（CSM）、氯丁橡胶（CR）、氯化聚乙烯橡胶（CM）等 材料；也有考虑更好

23、的耐候性和压缩永久变形性 能而采用三元乙丙橡胶（EPDM）的案例，但三元乙 丙橡胶粘接困难，工艺难度比较大。 金属管助力转向管路总成的金属管一般采用无缝钢 管或铝管等。如果采用无缝钢管，一般 10 号、20 号、35 号低碳钢可以满足使用要求。金属管采用 弯管机在模具上进行二维或三维弯曲成型，内、外 表面需进行防锈蚀处理。 管接头密封圈助力转向管路总成管接头使用的密封圈一般 采用氟橡胶或氢化丁腈橡胶。虽然这两种材料价 格比较高，但耐油性优良、耐高温性能比较好，目 前广泛应用。如果成本压力比较大，可以采用乙 烯 丙 烯 酸 酯 橡 胶（AEM）或 氯 醇 橡 胶（ECO），这 两 种材料耐动力转

24、向油性能也比较好，但是耐高温 性能和耐低温性能相对差一些，应根据转向系统 的使用温度、压力和介质综合考虑进行选材。4汽车助力转向管路性能设计助 力 转 向 管 路 总 成 完 成 理 论 设 计 后 ，在 规 模 化 生 产 前 ，需 要 用 标 准 试 样（规 定 长 度 的 带 管 接 头 的 橡 胶 管）进 行 一 系 列 试 验 ，来 验 证 助 力 转 向 管 路 总 成 性 能 ，用 以 判 断 理 论 设 计 是 否 满 足 实 际 使 用 的 要 求 、采 用 的 工 艺 是 否 存 在 缺 陷 。 目 前 ，国 内 的 助 力 转 向 管 生 产 企 业 和 汽 车 主 机

25、厂 对 以 钢 丝 为 增 强 层 的 助 力 转 向 管 路 总 成 的 检 测 遵 循 GB/T-2006橡 胶 软 管 及 软 管 组 合 件 钢 丝 编 织 增 强 液 压 型 规 范 第 1 部 分 ：油 基 流 体 适 用的 要 求 ，对 以 化 学 纤 维 为 增 强 层 的 汽 车 助 力 转 向 管 路 总 成 一 般 遵 循 GB/T20461-2006汽 车 动 力 转 向 系 统 用 橡 胶 软 管 和 软 管 组 合 件规 范的 要 求 。 缩颈通过量助力转向管路总成中橡胶管与金属接头扣压 装配后，扣压部位的管路内径会产生缩颈、内径减 小。一般来说，回油管总成接头内孔

26、通过量66%D 管（D 管为胶管内径），高压管总成接头内孔通过量按 JB/T 8727-2004液压软管 总成中附录 A 中表A.1 的规定。 接头拉脱力助力转向管路总成接头拉脱力的测试是考核 接头强度和密封性的重要手段之一。根据国内外 的资料和试验的经验数据，汽车助力转向高压管 路采用八瓣模、六瓣模的扣压工艺，接头拉脱力一 般要求如下。a.对高压管接头拉脱力而言，中重型车一般要 求8 kN、轻型车一般要求 kN、微型车和轿车 一般要求 kN。b.对 回 油 管 和 吸 油 管 的 接 头 拉 脱 力 而 言 ， 中 重 型 车 辆 一 般 要 求 kN 、轻 型 车 一 般 要 求 kN 、

27、微 型 车 和 轿 车 一 般 要 求 kN 。c.如果采用卡箍的连接方式，一般要求拉脱力 在 600 N 以上。理论上，管路接头拉脱力的要求可 以根据经验公式按胶管内径乘以胶管的最低设计 爆破压力来确定。 助力转向管路总成密封性（液压静压力试验）助力转向管路总成密封性是考核汽车助力转 向管路接头部位连接是否可靠、橡胶管是否存在 缺陷、扣压量选择是否合适的重要手段之一。试 验时，以设计的工作压力倍数乘以保压时间为试 验参数。一般情况下，助力转向管路总成以 2 倍的 设计工作压力、35 min 的保压时间进行试验；试 验后应充分考察管接头是否泄漏和胶管长度的变 化值（长度变化率应为-4%+2%）

28、。 爆破压力助力转向管路总成的爆破压力是橡胶管使用 的安全测试项目，无论对助力转向管路总成生产厂 还是汽车主机厂而言都是必须测试的项目。助力 转向总成中的高压管的工作压力要求是：中重型车 辆一般为 1015 MPa，有的甚至达到 18 MPa；轻型 车辆，一般为 10 MPa 以下。回油管的工作压力为 0.5 MPa，吸油管的工作压力为 0.1 MPa。 爆破压力目前按 GB/T9574-2001 规定，最小爆破压 力按工作压力的 4 倍进行设计。 胶管的脉冲性能助力转向管路总成的脉冲试验是利用液压压 力瞬间变化产生的脉动冲击作用,采用标准试样（规 定长度的带管接头的橡胶管）进行脉冲压力试验,

29、以 考核高压胶管和金属接头的脉冲性能，是综合评价 汽车助力转向高压管路性能的重要手段。试验时， 对环境温度、介质温度、工作压力和试样的安装状 态等参数都需要进行有效的控制，以模拟助力转向 管路总成工作时橡胶管路的使用状态。 其它试验考虑到汽车助力转向管路总成的使用工况， 除 上 述 试 验 外 ，还 有 耐 负 压 试 验 、介 质 相 容 性 试 验、低温柔软性试验、耐磨性试验、耐臭氧试验和 附着强度试验等，以全面评估助力转向总成是否 满足设计和使用的要求。5助力转向管路总成的发展趋势助力转向管路总成作为汽车液压助力转向的（下转第 65 页）（a）20CrNiMo（DLC）（b）35CrMo

30、（DLC）图 7 DLC 处理的 20CrNiMo 与 35CrMo 配副的磨损形貌此 ，35CrMo 的 表 面 层 较 20CrNiMo 更 容 易 产 生 变 形、拉伤，进而产生较大面积的剥落。经 DLC 涂层处理后，配副的摩擦系数和材料 的磨损率均显著降低。DLC 表面处理后，点蚀与 微点蚀形貌消失，磨损机理由点蚀转变为微磨粒 磨损。针对 DLC 薄膜的摩擦磨损特性，研究人员 主要提出 3 种机理：悬空键机理、表面石墨化及转 移层的形成4。通常认为这些机理是混合作用的， 在具体条件下哪种机理起主导作用尚不明确。本文的研究结果表明，由于 DLC 薄膜表面光滑，减少 了基体材料之间的接触，同时涂层表面较高的硬 度有效减少了材料表层物质的拉伤 。因此，DLC 涂层处理显著提高了材料的抗摩擦磨损性能。4 结论a. 在