循環球轉向器助力特性曲線影響因素分析

馬園杰， 周 旭

(湖北汽車工業學院 機械工程學院， 湖北 十堰 442002)

引言

循環球轉向器是目前商用車廣泛采用的轉向器，具有助力大、穩定性好的特點。轉向系統在工作時，由發動機通過皮帶或者齒輪帶動定排量的液壓泵向轉向器提供高壓油。當駕駛員轉動轉向盤，在輪胎與地面阻力的作用下，轉閥對液壓油進行分配，高壓油流向轉向器上腔或下腔，在轉向器兩腔形成壓差，油壓較高的一側推動活塞產生助力，聯合手力克服輪胎與地面的阻力使車輪轉向。

在轉向器的設計當中，轉向助力特性曲線對轉向手力及助力油壓有重要的影響，此前已有多名學者對轉向器助力特性曲線進行研究。文獻[1]分析了常流式電液動力轉向系統存在的問題， 通過增加皮囊式蓄能器、電磁減壓閥等元件對循環球轉向器的助力性能進行改進，增加了助力系統靈敏度與輕便性，為轉向助力的設計開拓了新方向。文獻[2]在單段圓弧坡口的基礎上設計了一種復合棱邊的坡口，通過試驗得到復合棱邊轉向器的助力特性曲線，從結構上改變了轉向助力特性曲線。文獻[3]對轉向助力特性曲線的特點進行分析，研究其對整車轉向性能的影響，并對國內某款牽引車的轉向性能進行改善。文獻[4]在仿真軟件Dymola中建立了轉向器的機械子系統模型和液壓子系統模型，通過仿真和試驗驗證了轉向器模型的正確性，為轉向器的優化提供了理論依據。

液壓油流量、扭桿剛度、轉閥結構參數、油品屬性以及溫度變化都會對助力特性曲線產生影響，因此，本研究建立轉閥的數學模型，并根據生產商在轉向器出廠試驗時對轉向助力特性曲線的檢測方法，在AMESim中搭建轉向器的參數化模型[5]，通過控制變量法仿真得到不同參數變化對轉向助力特性曲線的影響規律。

1 轉閥的工作原理

轉閥作為循環球轉向器的核心部件，其設計的好壞影響整個轉向系統的助力特性。轉閥主要結構包括閥芯、閥套和扭桿，閥芯與轉向器輸入軸作為一體[6]，閥套與螺桿作為一體，輸入軸和螺桿通過扭桿進行連接，圖1所示為轉閥分解的三維模型。閥芯和閥套上加工有油孔和凹槽，閥芯加工凹槽后所形成的凸臺與閥套上的凹槽形成配合，形成三位四通轉閥[7]，圖2所示為轉閥工作原理截面圖。

圖1 轉閥分解三維模型Fig.1 3D model of rotary valve decomposition

轉動方向盤時，轉向管柱帶動閥芯轉動，與閥套形成一定角度，進而改變油液的流向。圖2b為直線行駛時，閥芯相對于閥套處于中間位置，閥芯凸臺與閥套凹槽間兩側的閥口面積相等，來自油泵的液壓油被均勻的分配到油缸上下兩腔，因此不產生助力；圖2a為向左轉向時，閥芯相對于閥套逆時針轉動，閥芯凸臺左側與閥套形成的閥口逐漸關閉，另一側的閥口面積增大，油液通過閥芯上的油道流入液壓缸下腔，在液壓缸形成壓力協助駕駛員向左轉向，液壓缸上腔的油液通過回油口流回儲油罐；圖2c所示為向右轉向時，閥芯相對于閥套順時針轉動，閥芯凸臺右側與閥套形成的閥口逐漸關閉，凸臺左側與閥套形成的閥口面積逐漸增大，來自液壓油泵的油液經閥口流入液壓缸上腔，形成的壓力協助駕駛員向右轉向。

1.接油缸下腔 2.接油缸上腔 3.接回油孔 4.接進油孔圖2 轉閥工作原理截面圖

2 助力特性曲線

轉向助力特性曲線是以駕駛員轉向盤手力矩M為橫坐標，液壓缸左右兩腔的油液壓差Δp為縱坐標而形成的助力特性曲線，典型的助力特性曲線如圖3所示。

圖3 典型的助力特性曲線Fig.3 Typiclehand power assist characteristic curve

由圖3可知，在低手力輸入區，即A區，對應的是駕駛員直線行駛狀態，此時助力油壓變化幅度較小，可以增加轉向時的路感；B區對應的是從直線行駛到快速轉向的過程，此時助力隨轉向手力開始變大；C區是指低速轉向或駐車時的助力特性，此段助力對動力轉向性能影響很大；D區是轉向助力迅速增大區，類似于原地轉向時的轉向助力[8]。從轉向助力特性曲線可以了解轉向器的助力性能，同時也是轉向器生產商出廠時要做的轉向助力特性出廠試驗。

3 轉閥的結構特性

轉閥結構中閥芯與閥套的相對轉動控制閥口的開閉，決定液壓油的流向，而轉閥在設計時，也是通過改變閥刃口的結構，來改變閥口關閉時過流面積的變化速度，從而實現對轉向助力特性曲線的控制。實際生產中常在閥芯刃口處加工切口，閥芯切口的結構使得在預開間隙關閉后油液仍能繼續流通，從而使得在預開間隙關閉后油壓不至于突然升高[9]。圖4所示為轉閥刃口棱邊的示意圖，切口的橫截面是一段圓心不同于閥芯圓心，弧度比閥芯弧度大的一段圓弧。當閥芯相對于閥套進行轉動時，閥口的關閉會經歷2個階段，第1個階段是從0°～α1，閥口的預開間隙逐漸關閉，此時的節流面積包括預開間隙與短切口兩部分；第2個階段是從α1～α2，此時只有短切口的面積對液壓油起節流作用，防止液壓油在預開間隙關閉后瞬間升高。

圖4 轉閥刃口棱邊結構示意圖Fig.4 Structure diagram of rotary valve edge

轉向器在進行助力特性試驗時，通常是供給恒定流量的液壓油，液壓油均勻的分配至每個閥口[10]，因此經過每個閥口的流量為：

(1)

式中,Q—— 液壓泵流出的總流量

QE—— 經過每個閥口的流量

N—— 并聯閥數量

通過在閥刃口處加工切口，在預開間隙關閉過程中，即0°～α1，因閥芯相對的閥套的轉角在6°左右，可以假定閥芯轉過的弧長等于弦長，因此閥口面積減小端的過流面積S1隨轉角θ的變化關系為：

(2)

閥口面積增大端的過流面積S2隨轉角θ的變化關系為：

(3)

預開間隙關閉后，即α1～α2，此時閥口關閉端的過流面積僅有切口的面積，閥口關閉端的過流面積S1隨轉角θ的變化關系為：

(4)

閥口增大端的過流面積S2隨轉角θ的變化關系為：

(5)

4 轉向器的結構參數與建模

AMESim軟件是一款多領域集合的軟件，僅需將所需的模塊進行組合，并選擇合適的子模型和參數設置，即可搭建出接近實體的模型[11]。液壓轉向系統包含液壓部分和機械部分，選擇AEMSim搭建系統的模型，并按照表1中轉向器的結構參數設置模型中的參數。

表1 轉向器結構參數Tab.1 Steering gear structure parameters

AMESim轉向器模型如圖5所示，由于AMESim軟件不提供專門的轉閥機構，轉閥的模型可以由節流閥搭建的惠斯頓通橋代替[12]。但1個惠斯頓通橋僅代表2個閥口，實際轉閥中有6個閥口，因此模型中由3個惠斯頓通橋代替實際中的轉閥。由于實車發動機轉速很不穩定，仿真時不易模擬[13]，因此模型中用定轉速的電動機帶動液壓泵。根據試驗的原理使轉向器輸出軸固定，因模型元件不能剛性連接，故以剛度為1e+9 N/m的彈簧限制輸出軸的轉動。轉向器當中的扭桿用扭簧代替，并以扭簧上下轉角差作為轉閥開度的信號控制閥口面積的大小。

圖5 AMESim轉向器模型Fig.5 AMESim steering gear model

5 仿真結果與分析

仿真按照轉向器生產商所做的轉向助力特性曲線試驗進行，圖6所示為轉向器做助力特性曲線的現場圖。此試驗臺是一款綜合試驗臺，可以做空載試驗、回正試驗等相關出廠試驗。在做轉向助力特性曲線試驗時，需將轉向器輸出軸通過夾具固定不動，轉向器輸入軸與試驗臺加載端相連，將進出油管連接到轉向器上，并根據轉向器缸徑的大小供給恒定流量的液壓油。連接好以后僅需在操作臺上進行操作，試驗即可自動進行，試驗臺的加載端克服扭桿的剛度控制閥口開度的大小。加載完畢后整個轉向助力特性曲線及相關參數即可自動生成，檢測人員可根據試驗數據判斷此轉向器是否符合出廠標準。

圖6 助力特性曲線試驗臺Fig.6 Test bench for force characteristic curve

5.1 轉向器供油量對轉向助力特性的影響

轉向器的供油量是指液壓泵每分鐘泵出油量，實車液壓泵的供油量與發動機轉速有關，同時也與液壓泵的排量有關。故取液壓泵轉速為定轉速1500 r/min，仿真僅考慮液壓泵排量的影響，取液壓泵的排量Q分別為14，18，22 L/min，控制其他物理量不變，設定扭桿剛度k為1.5 N·m/(°)，轉閥短切口寬度W1為12 mm，溫度T為70 ℃，油品選擇使用較多的DFCV-S11。根據轉向助力特性曲線的試驗標準，設定轉向盤以0.2 Hz、幅值為5°的正弦曲線進行轉動。仿真得到供油量對轉向手力矩和轉向助力特性曲線的影響，如圖7和圖8所示。

圖7 不同流量轉向手力矩Fig.7 Steering hand torque at different flow rates

圖8 不同流量轉向助力特性曲線Fig.8 Power assist characterstic curves at different flow rates

從圖7可以看出，隨著供油量的增加，轉向手力矩并沒有發生變化，這是因為轉向手力矩與扭桿的剛度有關，當扭桿剛度一定時，轉向手力矩與轉向角成比例關系。

從圖8可以看出，隨供油量的增加，相同手力的助力油壓增大，這是因為供油量的增加，使得單位時間內進入油缸的液壓油增多，因而助力增大。

5.2 扭桿剛度對轉向助力特性的影響

扭桿是轉向器中重要的零件[14]，其剛度的大小對轉向助力矩和轉向手力特性都有影響。實際生產中，難以檢測扭桿剛度變化的助力特性，因此可以通過仿真的形式觀察扭桿剛度對轉向助力特性的影響。取扭桿的剛度k分別為1.3，1.4，1.5 N·m/(°)，控制液壓泵的排量Q為18 L/min，轉閥短切口寬度W1為12 mm，溫度T為70 ℃，油品選擇DFCV-S11。設定輸入軸加載端以0.2 Hz、幅值為5°的正弦曲線進行轉動，觀察轉向助力特性的變化。仿真得到不同扭桿剛度轉向手力矩曲線，如圖9所示，同時得到轉向助力特性曲線，如圖10所示。

圖9 不同扭桿剛度的轉向手力矩Fig.9 Steering hand torque at different torsion bar stiffness

圖10 不同扭桿剛度的助力特性曲線Fig.10 Power assist characteristic curves atdifferent torsion bar stiffness

從圖9可以看出，相同轉向盤轉角輸入下，轉向盤手力矩與扭桿剛度成正比關系，隨著扭桿剛度的增加而增加。圖10中助力特性曲線在直線行駛區域沒有變化，在低速轉向區域和原地轉向區域助力特性曲線向外延伸。因此可以通過改變扭桿剛度的大小改變低速行駛時駕駛員的轉向手力。

5.3 轉閥短切口寬度對轉向助力特性的影響

轉閥參數的設置決定著在閥口關閉時過流面積的變化速度，實際生產中不同車型通常通過改變閥口短切口的長度來達到對液壓壓力變化的最佳控制。因此取不同寬度的短切口[15]，仿真得到其對轉向助力特性曲線的影響。

通過取閥口短切口的寬度為8，12，16 mm，控制其他物理量不變，設定液壓泵排量Q為18 L/min，扭桿剛度k為1.5 N·m/(°)，溫度T為70 ℃，油品選擇DFCV-S11。如圖11所示為不同短切口寬度閥開口面積曲線，將不同短切口寬度的閥開口面積S曲線分別導入AMESim中，輸入軸加載端以0.2 Hz、幅值為5°的轉角進行轉動，通過仿真模擬得到對應的轉向助力特性曲線圖，如圖12所示。

圖11 不同短切口寬度閥開口面積Fig.11 Valve opening area at different short notch widths

圖12 不同寬度短切口助力特性曲線Fig.12 Power assist characteristic of short cut atdifferent short notch widths

從圖12可以看出，短切口對助力的特性影響比較大。當W1=8 mm時，小角度直線行駛轉向區的助力明顯，這會造成高速行駛時轉向發飄等現象，同時可以觀察到助力曲線在預開間隙關閉時有微小的突變，這是因為短切口寬度過小導致預開間隙關閉瞬間液壓油壓力突變，對駕駛員轉向手感造成影響。常用轉向區變化比較緩慢，會使駕駛員轉向手感不佳。隨著W1寬度的增加，常用轉向區外移，直線行駛時助力較小，這可以增加高速行駛時的路感特性[16]，低速轉向時，助力油壓可以迅速建立，使得低速轉向更加輕便。

5.4 油品特性對轉向助力特性的影響

轉向器裝車后，需要采用特定的液壓油，不同屬性的液壓油對轉向助力特性有不同影響[17]。轉閥在進行工作時，其閥口是一種長方形節流口，根據長方形薄壁小孔流量公式，流過每個閥口的流量為：

(6)

式中，b—— 閥口寬度，mm

η—— 液壓油動力黏度，Pa·s

p—— 油液的壓力，MPa

液壓油的動力黏度與密度的關系如式(7)所示：

η=ν·ρ

(7)

式中，ν—— 液壓油的運動黏度，mm2/s

ρ—— 液壓油密度，kg/m3

將式(7)代入式(6)可得：

(8)

因此可以看出助力油壓與液壓油的動力黏度和密度均有關系，可以通過仿真的形式觀察其影響效果。

商用車目前最多使用的3種油品特性，如表2所示。

表2 油品特性Tab.2 Oil properties

固定其他參數不變，設定液壓泵的排量Q為18 L/min，扭桿剛度k為1.5 N·m/(°)，閥芯短切口寬度W1為12 mm，溫度T為70 ℃，輸入軸加載端以0.2 Hz、幅值為5°的轉角進行轉動，進行仿真模擬得到不同油液屬性助力特性曲線，如圖13所示。

在以3種油品做臺架試驗時，模擬實車原地轉向試驗，轉向器輸入端以180 (°)/s的轉速輸入，轉向器加載端以原地轉向時的加載力加載在轉向垂臂上，圖14所示為連接好的試驗臺架。

設定試驗溫度為70 ℃，油泵供油量為18 L/min，分別用3種油品進行試驗，觀察轉向手力矩的大小及其波動情況，試驗結果如圖15～圖17所示。

從仿真結果可以看出，在直線行駛區域，轉向手力基本一致，在低速轉向區域，采用ATF-Ⅲ油液則需要較大的手力矩才能提供較大的助力。與試驗結果相比較， 采用ATF-Ⅲ油液在轉向時需要的手力也偏大， 并且隨著油液黏度和密度的增大，轉向手力變小，手力波動也較小，這是因為油液的黏度和密度增加，油液在轉向器內的內泄漏量減小[18]，提供的助力相對較大，轉向手力減小，且黏度增加有助于緩解手力波動。

圖16 DFCV-S11油品手力矩Fig.16 DFCV-S11 oil hand torque

圖17 15W/40油品手力矩Fig.17 15W/40 oil hand torque

5.5 溫度變化對轉向助力特性的影響

循環球轉向器在發動機啟動后液壓油會持續在轉向器內循環，液壓油的溫度也會逐漸升高，同時由于四季變化，液壓油的溫度也會在很大范圍內變化。轉向器的正常工作溫度在30～120 ℃，超過此溫度會對轉向器的密封性能及使用壽命產生影響，因此研究溫度對轉向助力特性曲線的影響很有必要。AMESim仿真軟件可以實現對溫度的控制，選取溫度5， 10， 30， 60， 90， 120 ℃分別進行仿真模擬，控制其他量不變，設定液壓泵的排量Q為18 L/min，扭桿剛度k為1.5 N·m/(°)，轉閥短切口寬度W1為12 mm，選用DFCV-S11油品進行仿真模擬。輸入軸加載端以0.2 Hz、幅值為5°的轉角曲線進行轉動，仿真結果如圖18所示。

從圖18可以看出，溫度在10 ℃以內時對助力特性影響較大，此時管路內油液的黏度很大，油泵出口的油壓在一定的轉向手力下就會增大。當溫度在轉向器正常工作范圍內，助力特性曲線在低手力區及常用轉向區基本沒有區別，助力特性幾乎重合。因此在寒冷天氣時，在啟動發動機后應使發動機運轉一段時間，使轉向器內的液壓油形成一個循環建立液壓油的溫度，待液壓油達到正常溫度范圍內方可行駛車輛，這樣既可以提高轉向器的使用壽命還可以保證行車安全。

圖18 不同溫度的助力特性曲線Fig.18 Power assist characteristic curve at different temperatures

6 結論

本研究通過對循環球轉向器結構原理分析，建立其核心部件轉閥的數學模型。在AMESim中搭建某型循環球轉向器的模型，針對商用車循環球轉向器助力特性曲線的影響因素，結合理論分析和仿真研究，對各影響因素進行仿真模擬，并對油液屬性進行試驗研究，得到如下結論：

(1) 扭桿剛度對轉向手力矩影響較大，扭桿剛度變化對直線行駛區域助力特性曲線無影響，對轉彎區域影響較大，隨扭桿剛度增加，助力特性曲線向外延伸；

(2) 閥芯短切口過小會增加直線行駛時發飄的現象，并且會對轉向手感產生影響，設計合適的短切口寬度可以改善轉向時的轉向手感；

(3) 轉向器裝車后，供油量的增加可以減輕轉向時的轉向手力，增大轉向時的助力油壓，油品黏度適當增加，可以減小轉向器的內泄漏，減小轉向手力的波動；

(4) 低溫對油液影響很大，會造成方向盤轉不動的現象，極寒地區需要利用發動機運轉使液壓油在轉向器內部循環進行升溫，正常溫度范圍內助力特性曲線基本一致。

仿真結果可以為轉向器的設計開發與試驗提供理論基礎，同時為轉向器的整車匹配提供參考。