轉閥式動力轉向器手力特性曲線理論計算

肖健勇，張鵬

(1.江門市興江轉向器有限公司，廣東 江門 529030;2.廣州機械科學研究院有限公司，廣東 廣州 510700)

0 引言

動力轉向器手力特性曲線是評價轉向器性能的一個重要指標。通過轉向手力特性曲線可以得到轉向最大力矩、工作最高油壓、背壓、左右轉向的對稱度等數據。通過下述的計算方法計算出來的結果與實際檢驗結果作對比，兩者非常接近，這對于設計有很大的啟發。

1 工作原理介紹

首先，簡單介紹一下動力轉向器轉閥的工作原理［1］:

如圖1所示，左、中、右三圖為轉向器轉閥的3個截面，為了方便理解，把左右兩個截面用虛線表示在中圖上。根據中間的圖可以看出，當中間閥芯向左轉動的時候，進油口與下腔之間的過流面積逐漸增大，與上腔的過流面積逐漸減少，而回油口與下腔之間的過流面積逐漸減少，與上腔的過流面積逐漸增大，此時進油口與下腔之間壓力升高，上腔與回油口之間壓力不變。當閥芯不斷轉動，使進油口與下腔油壓所提供的驅動力足以使輪胎轉向時，閥芯螺桿一起轉動，在轉向阻力不變的情況下，閥芯螺桿之間將相對靜止地一起轉動，從而實現汽車轉向。反之閥芯向右轉動亦然。

2 轉向手力特性曲線數據計算

由上述可見，在額定轉矩內，轉向力隨轉向阻力的變化而變化，而轉向力與油壓成正比，在一定流量的情況下，油壓與過流面積有關，過流面積隨閥芯與螺桿的相對位置的變化而變化。簡單一句，轉動閥芯改變過流面積產生不同的轉向力矩。根據薄壁小孔過流公式:

式中:Cd為流量系數，取0.7;

A0為小孔面積;

ρ為液體密度，取900 kg/m2;

QE為流量，取16 L/min。

由式(1)可知:

式(2)中可以看出，壓強p與A0成反比，現在只需要研究A0的變化即可得出p的變化。

如圖2所示為閥芯與螺桿的一個閥口的加工參數，其余閥口參數一致。將閥口處放大如圖3所示。

BC段圓弧為以D為圓心半徑20.28加工出來的一段圓弧。在計算其閥口過流面積時，需找出其最小的過流面積。由圖2和圖3分析，當閥芯順時針剛開始轉動時，閥口AB之間距離最短，過流面積逐漸減少，當轉動到線段DB和OB重合后，螺桿點A與閥芯之間閥口最小距離出現在AD的連線上，其值為－20.28(BC段圓弧加工半徑)，當點C轉到與點A重合時，閥口全關，油壓達到最高。

由上述分析可見，在計算閥口過流面積時需分2段進行，一段為∠AOB范圍，另外一段為∠BOC范圍。

閥芯轉動角度在∠AOB內時:

由相似三角形定理:

由式(3)、(4)計算出:

根據勾股定理得:

根據之前分析:當閥芯相對螺桿轉角α小于3.12°時，其最小過流寬度b為AB間的連線位置。當相對轉角α大于3.12°時，其最小過流寬度b=－20.28(BC段圓弧加工半徑)。

假定閥芯與螺桿之間油口長度為L，則過流面積:

當α≤3.12°時，根據余弦定理:

當α＞3.12°時，根據余弦定理:

而對于轉閥的手力特性曲線，其縱坐標為p，在上述已經分析得出p與變量α有關。下面討論其橫坐標F。

手力特性曲線的F其實為扭桿變形所產生的力矩。而扭桿只是連接在閥芯與螺桿之間，其變形量與閥芯與螺桿的相對轉角有關。下面來研究扭桿扭力的變化情況。

根據圓截面扭桿彈簧扭矩計算公式:

式中:M為扭桿兩端作用力矩;

G為扭桿剪切模量(鋼為75460 N/mm2);

d為扭桿本體直徑;

l為扭桿計算長度;

α為扭桿兩端相對轉角。

圖4為需要計算的扭桿參數，其中間小端與兩端大端的過渡部分為圓弧過渡，查表計算其過渡部分的當量長度得:

l=146.5

所以式(7)化簡為:

經過上述一系列的分析，將式(2)、(5)、(6)、(8)結合起來，即可得出p與M之間的一個關系式:

即

當α≤3.12°時

當 α ＞3.12°時

根據式(9)、(10)，利用計算機計算其理論曲線如圖5所示。

圖6為隨機抽取的同計算型號一致的一臺產品出廠試驗曲線。

由圖5、6兩圖對比可看出有兩點比較明顯的區別:

(1)理論曲線圖5曲線在4～5 N·m處出現一個小小的拐點;

(2)理論手力特性曲線相對于實際的檢測結果稍微有點窄。

上述兩個區別主要形成原因:

(1)由于在轉角α=3.12°前后使用了式(9)、(10)兩個不同的壓力與扭矩關系式，使兩者之間的變化趨勢有微小的變化，因而造成曲線上看到的一個小小的拐點。

(2)而實際生產過程中，由于加工的精度問題，生產出來的產品總會有一點配合間隙，而這一配合間隙正好起到一個緩沖的作用，使理論曲線上出現的拐點能夠比較平滑地過渡。

(3)同樣的，由于間隙的問題，使實際的油液的過流面積比理論計算的稍微大一點，所以會出現實際檢測結果比理論計算的圖形會稍寬。

(4)當然圖6只是隨機抽取的一個樣品的試驗結果，正好出來的效果比計算的結果稍寬，由于加工誤差，也會發現實際試驗出來的結果比計算結果要稍微窄。這些變動對于機械加工是很難避免的，一般規定產品手力在最高壓力13 MPa的條件下處于6.5～8.5 N·m的范圍。在初期設計中也已經考慮了加工誤差和配合間隙的影響，因此，初期設計理論計算的手力特性曲線會處于7.5 N·m中間值偏小的7 N·m左右的范圍，然后進行試加工，并進行一段時間內的生產跟蹤，直到產品質量穩定且滿足要求為止。

3 結束語

總體來說，對于上述提到的手力特性曲線的理論計算方法有一定的參考價值，而由于實際加工的誤差(如閥口加工誤差、扭桿粗細等)和配合間隙(閥芯與螺桿之間的配合)之間的影響，往往實際值比計算值略大，按筆者的個人經驗，扭力一般大0.5 N·m。同時由于現時螺桿加工閥槽的加工工藝有銑槽和挖槽兩種，而挖槽相對于銑槽手力曲線也略寬，因此，在初期設計過程中需考慮種種因素的影響，這樣的計算結果才越接近真實值，同時也結合實際試驗情況積累經驗，對理論計算結果添加修正值，這樣才會使設計更準確，設計周期更短。

【1】動力轉向器工作原理［OL］．http://www.doc88.com/p－574882265765.html．