轉向器轉向控制閥的手力特性曲線分析

李炳宏

江門市興江轉向器有限公司，廣東江門 529050

0 引言

液壓轉向器在汽車上的應用較廣泛，主要為車輛轉向時提供轉向助力，使駕駛員操縱更加輕便，更加舒適。隨著人們生活水平的提高，汽車駕駛員對液壓轉向器的需求不只是簡單的產生助力，還要求液壓轉向器根據車況的不同提供更加貼切的轉向助力。

為了使液壓轉向器能更好地適配車輛，本文從轉向器的工作原理[1]、轉向控制閥手力特性曲線的理論計算等來探討轉向控制閥的手力特性曲線。

1 轉向器的工作原理

1.1 車輛直線行駛

汽車直線行駛時，轉向油泵供給液壓油從進油口進入，但由于此時轉向控制閥處于中間位置，即轉向控制閥的進油孔、進上腔油孔、進下腔油孔、回油孔相通，如圖1所示。然后液壓油經轉向控制閥的預開隙直接與回油口相通，并從回油口回到油罐[1]。 因此轉向器兩個工作腔油壓相等，不產生轉向助力，活塞不推輸出軸轉動，汽車保持直線行駛，如圖2所示。

圖1 直線行駛時轉向控制閥狀態

圖2 直線行駛時轉向器油路示意

1.2 車輛轉向行駛

右轉向時，方向盤向右轉動，帶動閥芯克服扭桿的變形阻力向右轉動，這樣閥芯與轉向螺桿之間預開隙發生變化，進油孔與進上腔油孔之間的過流面積越來越大，進油孔與進下腔油孔之間的過流面積越來越小。圖3給出了右轉向行駛時轉向控制閥狀態，即閥芯轉動到完全閉合角時的轉向控制閥的狀態。隨著閥芯的轉動，轉向油泵、進油孔和上腔建立起高壓，下腔由于與油罐相通，一直處于低壓狀態，使得上下兩腔產生壓力差，當該壓力差作用在活塞上并能推動活塞克服轉向阻力而產生位移，帶動臂軸轉動就實現車輛向右轉向，如圖4所示。反之則能實現車輛向左轉向。

圖4 右轉向時轉向器油路示意

由轉向器原理可以看出，轉向器為車輛提供助力，轉向控制閥的控制和分配液壓助力是重要的一環，通常使用轉向控制閥的手力特性曲線來表示。

2 轉向控制閥手力特性曲線的理論計算

由圖5的轉向控制閥手力特性曲線可知，轉向控制閥手力特性曲線是反映閥芯轉動扭矩(轉向力矩)M與轉向工作壓力p的關系。而由轉向控制閥的工作原理可知，在一定的流量下，閥芯轉動扭矩M與閥芯轉動角度φ有關。轉向工作壓力p與轉向控制閥的閥口的過流面積S0有關。轉向控制閥的閥口的過流面積S0與閥芯轉動角度φ有關。下面從理論計算來討論M、p、S0、φ之間關系，進而計算出轉向控制閥手力特性曲線。

圖5 轉向控制閥手力特性曲線

根據扭桿彈簧的扭轉變形角公式可得閥芯轉動扭矩M與閥芯轉動角度φ關系為：

(1)

式中：M為閥芯轉動扭矩；

φ為閥芯轉動角度；

G為材料的切變模量(轉向器的扭桿的材料是40Cr，切變模量G=81 000 N/mm2)；

L為扭桿的有效工作長度(L=l+2l0，扭桿過渡部分的當量長度l0可查表求得)。

根據薄壁小孔過流公式可得出轉向工作壓力p與轉向控制閥的閥口的過流面積S0的關系[2]為：

(2)

式中：p為工作壓力；

ρ為液壓油密度，取900 kg/m3；

QE為通過閥口的流量；

Cd為流量系數，轉向器行業一般取0.7；

S0為轉向控制閥的閥口的過流面積。

轉向控制閥的閥口設定有兩段，一段為預開隙，一段為副油口，如圖6所示。預開隙是轉向螺桿的閥槽寬度W1與閥芯槽鍵寬度W2之差的1/2。副油口是以芯閥外圓圓心O偏移距離L3所得的點O1為圓心、R2為半徑產生圓弧與閥芯外圓相交形成的小段圓弧，即BC段圓弧，如圖7所示。

圖6 閥口展開

由圖7可知，當閥芯的轉動角度φ<φe預開隙完成關閉且在閥芯所轉動角度范圍內時，預開隙關閉前轉向螺桿上的點A與閥芯的點B之間的距離是閥口的最短距離，而且隨著閥芯轉動，點A與點B之間的距離逐漸減少，即閥口的過流面積隨著閥芯轉動而逐漸減少。當閥芯轉角φe≤φ≤φf轉向控制閥完全關閉角時，預開隙關閉后，轉向螺桿與閥芯的最短距離是點A與點O1距離減少R2。由此可見，轉向控制閥的閥口過流面積隨著閥芯的轉動而變化，且需分兩個區間來計算，一個區間為預開隙關閉前，另一個區間為預開隙關閉后。

圖7 轉向控制閥內部結構局部

(1)預開隙關閉角φe的求解

(3)

通過計算得：

∠BOD=

(4)

則：

(5)

(2)轉向控制閥完全關閉角φf的求解

在△DOB中根據勾股定理得：

(6)

在△BOC中根據余弦定理得：

(7)

則：

(8)

(3)預開隙關閉前閥口過油面積的求解

在△AOB中根據余弦定理得：

(9)

則閥口過油面積為：

(10)

(4)預開隙關閉后閥口過油面積的求解

(11)

則閥口過油面積為：

(12)

而且由于閥口設定為兩段，所以在不考慮泵的內漏等因素的影響，當轉向油泵的流量為Q時，且預開隙關閉之前，通過閥口的流量QE=Q/6；當預開隙關閉之后，通過閥口的流量QE=Q/3。所以根據式(1)、(2)、(10)、(12)得到下面p與M的關系式。

當閥芯轉動角度φ<φe時，轉向工作壓力為：

(13)

當閥芯轉動角度φe≤φ≤φf時：

p=

(14)

如果不考慮加工誤差、內漏等影響，根據設計需求設定W1、W2、W3、L、L1、L2、L3，R、R2、d代入式(13)或(14)就可繪制出圖8的理論手力特性曲線。

由圖8可看出，理論上的轉向控制閥的手力特性曲線存在一個拐點δ。但由于實際生產中必然存在各零件的加工誤差，轉向控制閥本身的內泄漏、轉向油泵的內泄漏等因素，使得實際生產出來的轉向控制閥的手力特性曲線(圖5)是平滑過渡的。

圖8 理論手力特性曲線

3 轉向控制閥手力特性曲線的分析

3.1 轉向控制閥手力特性曲線的分段分析

假設將轉向控制閥的手力特性曲線分為4段，如圖9所示[3]。

圖9 手力特征曲線分段

(1)車輛在直線行駛時不需要轉向器產生轉向助力，此時曲線應是呈低而平的形狀，如圖9曲線的A段。這段曲線反映轉向控制閥的靈敏度和背壓，如果A段曲線越接近橫坐標軸，背壓越低；A段曲線越短，轉向控制閥的靈敏度就越高。但靈敏度太高，路面狀況會過多傳到方向盤，嚴重時還會產生打手現象，容易造成司機疲勞。

(2)車輛原地轉向或者車輛調頭時，轉向阻力大，所以需要轉向器提供足夠大的轉向助力才能轉向。此時壓力p隨轉向力矩M增大而快速升高，如圖9曲線的C段所示。

(3)在常用的快速轉向行駛時，轉向器提供轉向助力效果要明顯。從不提供轉向助力到需要提供轉向助力的反應時間短。所以此時曲線的斜率變化較大，曲線由彎變陡，如圖9曲線的B段所示。

(4)曲線的A與B段之間有一個過渡的D段。此區段要求過渡要平滑，對車輛開始轉向有一定影響。

3.2 影響手力特性曲線的參數分析

(1)流量。手力特性曲線對流量的變化是相當敏感的，隨著流量的增大，曲線向縱坐標軸靠攏，反之曲線則偏離縱坐標軸。由式(13)或(14)可以看出，在同一壓力時，隨著流量的增大，轉向力矩會漸漸減小。

(2)預開隙。預開隙的設計是影響曲線的A段區間。從上面的手力特性曲線的理論計算可知，預開隙的大小影響轉向控制閥的閥口過流面積。而過流面積的大小則影響整個系統的壓力損失，即系統的背壓。預開隙過小則背壓過高，但預開隙增大，則過流面積增大，轉向控制閥工作時閥芯需轉動的角度也增大，根據式(1)可知，轉向力矩也增大。

(3)副油口。副油口的設計是影響曲線的B段區間。副油口短且小，則B段區間曲線的斜率的變化大，這種副油口容易產生液壓哨聲；副油口長且大，則B段區間的斜率的變化平緩。同時副油口的大小也會影響轉向控制閥的閥口過流面積的大小，從而影響轉向力矩的大小，副油口大則轉向力矩大。如果車輛一般在城市道路上行駛(如公交車)，車速比較低，就需要將副油口設計小一點；如果車輛一般都在高速行駛時，則將副油口設計大一點，防止車輛在高速行駛時發飄。

(4)扭桿。扭桿是定中元件，起到克服摩擦阻力使閥芯自動回位的作用。由式(1)可知，隨著扭桿直徑增大或長度的減少，轉向力矩會增大，同時閥芯的回位性能增大。

(5)閥芯。轉向螺桿的加工精度、轉向控制閥的配制誤差等影響C段區間。

4 結束語

通過對轉向控制閥的手力特性曲線的探討，方便在設計過程中根據車輛的使用要求來設定相應參數，從而設計出適合車輛使用的轉向控制閥，滿足車輛操控要求的液壓轉向器。