轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向控制閥的手力特性曲線分析

李炳宏

江門市興江轉(zhuǎn)向器有限公司，廣東江門 529050

0 引言

液壓轉(zhuǎn)向器在汽車上的應(yīng)用較廣泛，主要為車輛轉(zhuǎn)向時(shí)提供轉(zhuǎn)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(duì)液壓轉(zhuǎn)向器的需求不只是簡(jiǎn)單的產(chǎn)生助力，還要求液壓轉(zhuǎn)向器根據(jù)車況的不同提供更加貼切的轉(zhuǎn)向助力。

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

1 轉(zhuǎn)向器的工作原理

1.1 車輛直線行駛

汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向油泵供給液壓油從進(jìn)油口進(jìn)入，但由于此時(shí)轉(zhuǎn)向控制閥處于中間位置，即轉(zhuǎn)向控制閥的進(jìn)油孔、進(jìn)上腔油孔、進(jìn)下腔油孔、回油孔相通，如圖1所示。然后液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥的預(yù)開隙直接與回油口相通，并從回油口回到油罐[1]。 因此轉(zhuǎn)向器兩個(gè)工作腔油壓相等，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力，活塞不推輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車保持直線行駛，如圖2所示。

圖1 直線行駛時(shí)轉(zhuǎn)向控制閥狀態(tài)

圖2 直線行駛時(shí)轉(zhuǎn)向器油路示意

1.2 車輛轉(zhuǎn)向行駛

右轉(zhuǎn)向時(shí)，方向盤向右轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯克服扭桿的變形阻力向右轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣閥芯與轉(zhuǎn)向螺桿之間預(yù)開隙發(fā)生變化，進(jìn)油孔與進(jìn)上腔油孔之間的過流面積越來越大，進(jìn)油孔與進(jìn)下腔油孔之間的過流面積越來越小。圖3給出了右轉(zhuǎn)向行駛時(shí)轉(zhuǎn)向控制閥狀態(tài)，即閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)到完全閉合角時(shí)的轉(zhuǎn)向控制閥的狀態(tài)。隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向油泵、進(jìn)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(tài)，使得上下兩腔產(chǎn)生壓力差，當(dāng)該壓力差作用在活塞上并能推動(dòng)活塞克服轉(zhuǎn)向阻力而產(chǎn)生位移，帶動(dòng)臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)就實(shí)現(xiàn)車輛向右轉(zhuǎn)向，如圖4所示。反之則能實(shí)現(xiàn)車輛向左轉(zhuǎn)向。

圖4 右轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向器油路示意

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

2 轉(zhuǎn)向控制閥手力特性曲線的理論計(jì)算

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

圖5 轉(zhuǎn)向控制閥手力特性曲線

根據(jù)扭桿彈簧的扭轉(zhuǎn)變形角公式可得閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩M與閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ關(guān)系為：

(1)

式中：M為閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；

φ為閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

G為材料的切變模量(轉(zhuǎn)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(zhǎng)度(L=l+2l0，扭桿過渡部分的當(dāng)量長(zhǎng)度l0可查表求得)。

根據(jù)薄壁小孔過流公式可得出轉(zhuǎn)向工作壓力p與轉(zhuǎn)向控制閥的閥口的過流面積S0的關(guān)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(shù)，轉(zhuǎn)向器行業(yè)一般取0.7；

S0為轉(zhuǎn)向控制閥的閥口的過流面積。

轉(zhuǎn)向控制閥的閥口設(shè)定有兩段，一段為預(yù)開隙，一段為副油口，如圖6所示。預(yù)開隙是轉(zhuǎn)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(diǎn)O1為圓心、R2為半徑產(chǎn)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(dāng)閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ<φe預(yù)開隙完成關(guān)閉且在閥芯所轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍內(nèi)時(shí)，預(yù)開隙關(guān)閉前轉(zhuǎn)向螺桿上的點(diǎn)A與閥芯的點(diǎn)B之間的距離是閥口的最短距離，而且隨著閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離逐漸減少，即閥口的過流面積隨著閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)而逐漸減少。當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)角φe≤φ≤φf轉(zhuǎn)向控制閥完全關(guān)閉角時(shí)，預(yù)開隙關(guān)閉后，轉(zhuǎn)向螺桿與閥芯的最短距離是點(diǎn)A與點(diǎn)O1距離減少R2。由此可見，轉(zhuǎn)向控制閥的閥口過流面積隨著閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，且需分兩個(gè)區(qū)間來計(jì)算，一個(gè)區(qū)間為預(yù)開隙關(guān)閉前，另一個(gè)區(qū)間為預(yù)開隙關(guān)閉后。

圖7 轉(zhuǎn)向控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部

(1)預(yù)開隙關(guān)閉角φe的求解

(3)

通過計(jì)算得：

∠BOD=

(4)

則：

(5)

(2)轉(zhuǎn)向控制閥完全關(guān)閉角φf的求解

在△DOB中根據(jù)勾股定理得：

(6)

在△BOC中根據(jù)余弦定理得：

(7)

則：

(8)

(3)預(yù)開隙關(guān)閉前閥口過油面積的求解

在△AOB中根據(jù)余弦定理得：

(9)

則閥口過油面積為：

(10)

(4)預(yù)開隙關(guān)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(shè)定為兩段，所以在不考慮泵的內(nèi)漏等因素的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)向油泵的流量為Q時(shí)，且預(yù)開隙關(guān)閉之前，通過閥口的流量QE=Q/6；當(dāng)預(yù)開隙關(guān)閉之后，通過閥口的流量QE=Q/3。所以根據(jù)式(1)、(2)、(10)、(12)得到下面p與M的關(guān)系式。

當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ<φe時(shí)，轉(zhuǎn)向工作壓力為：

(13)

當(dāng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度φe≤φ≤φf時(shí)：

p=

(14)

如果不考慮加工誤差、內(nèi)漏等影響，根據(jù)設(shè)計(jì)需求設(shè)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(zhuǎn)向控制閥的手力特性曲線存在一個(gè)拐點(diǎn)δ。但由于實(shí)際生產(chǎn)中必然存在各零件的加工誤差，轉(zhuǎn)向控制閥本身的內(nèi)泄漏、轉(zhuǎn)向油泵的內(nèi)泄漏等因素，使得實(shí)際生產(chǎn)出來的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向控制閥手力特性曲線的分析

3.1 轉(zhuǎn)向控制閥手力特性曲線的分段分析

假設(shè)將轉(zhuǎn)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(shí)不需要轉(zhuǎn)向器產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力，此時(shí)曲線應(yīng)是呈低而平的形狀，如圖9曲線的A段。這段曲線反映轉(zhuǎn)向控制閥的靈敏度和背壓，如果A段曲線越接近橫坐標(biāo)軸，背壓越低；A段曲線越短，轉(zhuǎn)向控制閥的靈敏度就越高。但靈敏度太高，路面狀況會(huì)過多傳到方向盤，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生打手現(xiàn)象，容易造成司機(jī)疲勞。

(2)車輛原地轉(zhuǎn)向或者車輛調(diào)頭時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力大，所以需要轉(zhuǎn)向器提供足夠大的轉(zhuǎn)向助力才能轉(zhuǎn)向。此時(shí)壓力p隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向器提供轉(zhuǎn)向助力效果要明顯。從不提供轉(zhuǎn)向助力到需要提供轉(zhuǎn)向助力的反應(yīng)時(shí)間短。所以此時(shí)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(gè)過渡的D段。此區(qū)段要求過渡要平滑，對(duì)車輛開始轉(zhuǎn)向有一定影響。

3.2 影響手力特性曲線的參數(shù)分析

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

(2)預(yù)開隙。預(yù)開隙的設(shè)計(jì)是影響曲線的A段區(qū)間。從上面的手力特性曲線的理論計(jì)算可知，預(yù)開隙的大小影響轉(zhuǎn)向控制閥的閥口過流面積。而過流面積的大小則影響整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失，即系統(tǒng)的背壓。預(yù)開隙過小則背壓過高，但預(yù)開隙增大，則過流面積增大，轉(zhuǎn)向控制閥工作時(shí)閥芯需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也增大，根據(jù)式(1)可知，轉(zhuǎn)向力矩也增大。

(3)副油口。副油口的設(shè)計(jì)是影響曲線的B段區(qū)間。副油口短且小，則B段區(qū)間曲線的斜率的變化大，這種副油口容易產(chǎn)生液壓哨聲；副油口長(zhǎng)且大，則B段區(qū)間的斜率的變化平緩。同時(shí)副油口的大小也會(huì)影響轉(zhuǎn)向控制閥的閥口過流面積的大小，從而影響轉(zhuǎn)向力矩的大小，副油口大則轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)小一點(diǎn)；如果車輛一般都在高速行駛時(shí)，則將副油口設(shè)計(jì)大一點(diǎn)，防止車輛在高速行駛時(shí)發(fā)飄。

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

(5)閥芯。轉(zhuǎn)向螺桿的加工精度、轉(zhuǎn)向控制閥的配制誤差等影響C段區(qū)間。

4 結(jié)束語

通過對(duì)轉(zhuǎn)向控制閥的手力特性曲線的探討，方便在設(shè)計(jì)過程中根據(jù)車輛的使用要求來設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出適合車輛使用的轉(zhuǎn)向控制閥，滿足車輛操控要求的液壓轉(zhuǎn)向器。