轉閥式動力轉向器的構造及助力原理

楊佩釗，范起飛，嚴慈磊（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

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轉閥式動力轉向器的構造及助力原理

楊佩釗，范起飛，嚴慈磊
（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

汽車行業的迅猛發展，帶動了轉向器的發展。轉向器的質量對于汽車主動安全性來說非常重要，它不僅影響到汽車的轉向輕便性和操縱穩定性，而且關乎到駕駛員的生命安全問題。設計優良的轉向器在減少交通事故方面起著重要作用。轉閥式的動力轉向器是一種非常典型的轉向傳動機構，它在降低駕駛員工作強度的同時更加提高了駕駛的安全性。文章介紹了轉閥式動力轉向器的構造，并分析了其助力原理。

轉閥式；構造；助力原理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.043

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-132-03

引言

動力轉向器，從實質上來講，是在機械式轉向器的基礎上發展來的。動力轉向傳動裝置的加入，使得駕駛員的轉向操縱力減輕了很多。駕駛員的負擔很輕，只需要一小部分力就能完成轉向，轉向的大部分則是由發動機驅動油泵來提供。本文通過德國ZF公司生產的8098型動力轉向器來介紹其動力轉向機構的構造，并且通過液壓油流向來說明其工作原理。

1、構造

圖1是德國ZF公司生產的8098系列動力轉向器。它由三大部分組成，其中第一部分是機械式轉向器；第二部分是動力缸；第三部分是分配閥。油罐中儲存著系統工作所需的油，在發動機驅動下的轉向泵向動力轉向器供油，油液便從油罐進入到轉向器。從轉向器流出的壓力油流回油罐，油液一直循環流動。

動力缸的移動能量來自兩端腔室的油壓差所產生的能量。動力缸由殼體和活塞構成。活塞的內部和螺桿的外部開有斷面近似半圓形的螺旋槽，兩者配合形成的管狀通道中放有很多鋼球。通常情況下，會將轉向軸和閥芯做成一個部分，螺桿和閥套則做成一個部分。轉向軸在轉動的過程中，鋼球會在通道上循環往復的滾動，這一過程完成了螺桿的旋轉運動向活塞的直線運動的轉換，并且也帶動了搖臂齒扇軸做轉動動作。通過銷使扭桿得到固定，并且與轉閥連接在一起。整個過程中，安全閥所起到的作用是降低轉向器內油壓，以免過高的油壓對轉向器造成破壞。充油閥的作用是在轉向泵處于非工作狀態時，及時向轉向器補油。分配閥是一個關鍵的部件，閥套與閥芯之間的相對轉動量直接決定了液體流量的大小，同時也決定了助力的大小。

2、助力原理

2.1直線行駛工況

當汽車直線行駛時，即方向盤位置不動時，扭桿不發生轉動，分配閥處在中間位置。圖2示出了壓力油在動力轉向傳動機構中流動的過程。通常在轉向器殼體上開有油道，正常工作時，油液通過該油道進入開孔的閥套。分配閥是由閥套和轉閥構成的，閥套內部開有6個溝槽，閥芯的外表也開有6個溝槽。閥套的構槽與閥芯的溝槽兩者之間錯開，彼此對應，通過槽之間的間隙，油液到達活塞內。由于汽車直線行駛時分配閥處在中間位置，油液流向了活塞的左右兩腔，最后經過閥芯上的回油槽流回油罐。

2.2轉向行駛工況

汽車右轉向行駛，轉向盤需要右轉,這使得轉向軸(閥芯)通過扭桿的作用向螺桿（閥套）傳遞扭矩，閥套偏離了初始的中間位置。此時閥套和閥芯產生相對移動，閥芯相對閥套右轉，產生一個角位移量，如圖3所示。這一角位移量，使得6個閥芯臺肩右側與閥套槽的間隙關閉，同時加大了6個閥芯臺肩左側與閥套槽之間的間隙，油液則從間隙流過。因此，壓力油得以流進閥套上的軸向槽內，再通過管狀的通道，進入活塞的左腔。當左腔中的壓力油量逐步加大時，右腔的壓力油則是以回油縫以及回油槽作為通道，進入油罐。整個過程中，動力缸左右腔中都產生了一定的壓差，這也使得活塞向右移動，液壓助力右轉向得以實現。

汽車左轉向行駛，同理，閥芯相對閥套左轉，產生一個角位移量，如圖4所示。該角位移量使6個閥芯臺肩左側與閥套槽的間隙關閉，而相應6個閥芯臺肩右側與閥套槽之間的間隙增大，即進油縫增加開度，油液流過。因此，壓力油得以流進閥套上的軸向槽內，再通過管狀的通道，進入活塞的右腔。此時，動力缸右腔的壓力油增加，活塞左腔的壓力油經過回油縫和回油槽返回油罐。這一過程使得液壓助力右轉向得以實現。

扭桿是一個具有較好的旋轉彈性能力的元件。當扭桿發生形變時，由于力的相互作用傳給方向盤反作用，而駕駛員可以感受到作用力的變化情況，即所謂的“路感”。汽車在運行過程中，若是一直向一個方向轉向，轉向盤就保持某個角度不變，扭桿也保持相應的狀態，所以閥芯和閥套保持著一個固定開度，動力缸油液差產生的力矩和回正力矩平衡，車輪轉角便保持一定。

2.3轉向回正性能

當駕駛員對轉向盤的控制狀態改變時，由于扭桿的彈性特征，會使分配閥的位置回到中間狀態，關閉了分配閥閥套和閥芯間的間隙，動力缸左右腔壓力油壓力相當，不存在壓差，也就不存在液壓助力作用了。不過，考慮到主銷后傾以及主銷內傾的問題后，其所產生的回正力矩，會保證車輪回正而不需要駕駛員進行相應的操作。

2.4轉向器的隨動作用

汽車在形式過程中，扭桿的扭轉速度是與轉向盤的轉動速度相關的，轉向盤轉動得加快，也帶動了一系列的元件運動。最先是閥套和閥芯產生的角位移量的增加，然后動力缸內的油壓差逐步增大，引起轉向輪的偏轉速度逐漸加快。由此可見，轉向盤轉動，前輪轉動，轉向盤加快轉動，前輪也加快轉動。當失去轉向操縱力的時候，扭桿就會返回自由初始狀態，分配閥回到初始狀態，動力缸停止工作。這種動力缸隨轉向盤轉動時動力存在，轉向盤停止轉動動力消失的作用叫做轉向器的隨動作用。

3、限制保護功能

通常在動力轉向器上安裝限制器，它的作用是減壓排油，防止在較大工作壓力下破壞轉向器和轉向泵。圖5所示的是雙作用限位器，其組成包含兩個帶有彈簧的閥芯，分布在動力缸活塞兩端。

動力缸活塞在向右運動的過程中，右側閥芯會逐漸向右側調節螺釘靠近。移動范圍到達極限時，右側閥芯被推入到活塞，引起左腔壓力增大，進而導致左側閥芯被頂入活塞，這樣，就使得動力缸左腔的壓力油通過限位器閥孔，進入活塞右腔，最后流到油罐中。當動力缸活塞向左移動到極限位置時情況與之相反，原理相同。當限位器處于工作狀態時，轉向器仍然可以擺動，但是由于動力缸兩腔壓差降低，液壓助力作用便大大下降，同時，轉向操縱力增大，直至極限位置。

4、助力失效

當助力裝置發生故障時，液壓式助力轉向器就變成機械式，駕駛員依然能夠通過轉向器的機械部分使汽車轉向，但是液壓助力裝置已經失效，所以駕駛員在轉向時感覺到有沉重感。

5、結束語

本文對于轉閥式動力轉向器的構造進行了比較系統的介紹，對其助力原理進行了比較詳細的描述。此轉向器性能優異，結構先進，最大的特點是靈敏度比較高、密封件數量比較少而且軸向尺寸短。雖然現在技術發展越來越迅速，出現了諸如線控轉向系統（SBW）、四輪轉向系統（4WS）等先進的新轉向技術，但是它們在可靠性以及應用技術方面，還是存在很多缺陷的。目前的主流應用還是轉閥式動力轉向器，它依然具有良好的應用前景。

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The structure of the rotary valve type power steering gear and power principle

Yang Peizhao,Fan Qifei,Yan Cilei
(university of changan automobile institute,Shaanxi Xi'an 710064)

The rapid development of automobile industry lead to the development of steering gear.Steering gear quality is very important for automotive active safety,because it not only affects the steering portability and handling stability,but also relates to the life safety of the driver.Excellent design of steering device plays an important role in reducing traffic accidents.Rotary valve type power steering gear is very typical in steering linkage,which reduces the work intensity of the driver and at the same time improves the driving safety.This paper introduces the steering structure of rotary valve type power steering gear and analyzes its power principle.

Rotary valve; Structure; Power principle

U463.4

A

1671-7988（2016）08-132-03

楊佩釗（1991—），男，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院，車輛工程專業。