循环球转向器助力特性曲线影响因素分析

2022-02-21马园杰

液压与气动 2022年2期

马园杰，周旭

(湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002)

引言

循环球转向器是目前商用车广泛采用的转向器，具有助力大、稳定性好的特点。转向系统在工作时，由发动机通过皮带或者齿轮带动定排量的液压泵向转向器提供高压油。当驾驶员转动转向盘，在轮胎与地面阻力的作用下，转阀对液压油进行分配，高压油流向转向器上腔或下腔，在转向器两腔形成压差，油压较高的一侧推动活塞产生助力，联合手力克服轮胎与地面的阻力使车轮转向。

在转向器的设计当中，转向助力特性曲线对转向手力及助力油压有重要的影响，此前已有多名学者对转向器助力特性曲线进行研究。文献[1]分析了常流式电液动力转向系统存在的问题，通过增加皮囊式蓄能器、电磁减压阀等元件对循环球转向器的助力性能进行改进，增加了助力系统灵敏度与轻便性，为转向助力的设计开拓了新方向。文献[2]在单段圆弧坡口的基础上设计了一种复合棱边的坡口，通过试验得到复合棱边转向器的助力特性曲线，从结构上改变了转向助力特性曲线。文献[3]对转向助力特性曲线的特点进行分析，研究其对整车转向性能的影响，并对国内某款牵引车的转向性能进行改善。文献[4]在仿真软件Dymola中建立了转向器的机械子系统模型和液压子系统模型，通过仿真和试验验证了转向器模型的正确性，为转向器的优化提供了理论依据。

液压油流量、扭杆刚度、转阀结构参数、油品属性以及温度变化都会对助力特性曲线产生影响，因此，本研究建立转阀的数学模型，并根据生产商在转向器出厂试验时对转向助力特性曲线的检测方法，在AMESim中搭建转向器的参数化模型[5]，通过控制变量法仿真得到不同参数变化对转向助力特性曲线的影响规律。

1 转阀的工作原理

转阀作为循环球转向器的核心部件，其设计的好坏影响整个转向系统的助力特性。转阀主要结构包括阀芯、阀套和扭杆，阀芯与转向器输入轴作为一体[6]，阀套与螺杆作为一体，输入轴和螺杆通过扭杆进行连接，图1所示为转阀分解的三维模型。阀芯和阀套上加工有油孔和凹槽，阀芯加工凹槽后所形成的凸台与阀套上的凹槽形成配合，形成三位四通转阀[7]，图2所示为转阀工作原理截面图。

图1 转阀分解三维模型Fig.1 3D model of rotary valve decomposition

转动方向盘时，转向管柱带动阀芯转动，与阀套形成一定角度，进而改变油液的流向。图2b为直线行驶时，阀芯相对于阀套处于中间位置，阀芯凸台与阀套凹槽间两侧的阀口面积相等，来自油泵的液压油被均匀的分配到油缸上下两腔，因此不产生助力；图2a为向左转向时，阀芯相对于阀套逆时针转动，阀芯凸台左侧与阀套形成的阀口逐渐关闭，另一侧的阀口面积增大，油液通过阀芯上的油道流入液压缸下腔，在液压缸形成压力协助驾驶员向左转向，液压缸上腔的油液通过回油口流回储油罐；图2c所示为向右转向时，阀芯相对于阀套顺时针转动，阀芯凸台右侧与阀套形成的阀口逐渐关闭，凸台左侧与阀套形成的阀口面积逐渐增大，来自液压油泵的油液经阀口流入液压缸上腔，形成的压力协助驾驶员向右转向。

1.接油缸下腔 2.接油缸上腔 3.接回油孔 4.接进油孔图2 转阀工作原理截面图

2 助力特性曲线

转向助力特性曲线是以驾驶员转向盘手力矩M为横坐标，液压缸左右两腔的油液压差Δp为纵坐标而形成的助力特性曲线，典型的助力特性曲线如图3所示。

图3 典型的助力特性曲线Fig.3 Typiclehand power assist characteristic curve

由图3可知，在低手力输入区，即A区，对应的是驾驶员直线行驶状态，此时助力油压变化幅度较小，可以增加转向时的路感；B区对应的是从直线行驶到快速转向的过程，此时助力随转向手力开始变大；C区是指低速转向或驻车时的助力特性，此段助力对动力转向性能影响很大；D区是转向助力迅速增大区，类似于原地转向时的转向助力[8]。从转向助力特性曲线可以了解转向器的助力性能，同时也是转向器生产商出厂时要做的转向助力特性出厂试验。

3 转阀的结构特性

转阀结构中阀芯与阀套的相对转动控制阀口的开闭，决定液压油的流向，而转阀在设计时，也是通过改变阀刃口的结构，来改变阀口关闭时过流面积的变化速度，从而实现对转向助力特性曲线的控制。实际生产中常在阀芯刃口处加工切口，阀芯切口的结构使得在预开间隙关闭后油液仍能继续流通，从而使得在预开间隙关闭后油压不至于突然升高[9]。图4所示为转阀刃口棱边的示意图，切口的横截面是一段圆心不同于阀芯圆心，弧度比阀芯弧度大的一段圆弧。当阀芯相对于阀套进行转动时，阀口的关闭会经历2个阶段，第1个阶段是从0°～α1，阀口的预开间隙逐渐关闭，此时的节流面积包括预开间隙与短切口两部分；第2个阶段是从α1～α2，此时只有短切口的面积对液压油起节流作用，防止液压油在预开间隙关闭后瞬间升高。

图4 转阀刃口棱边结构示意图Fig.4 Structure diagram of rotary valve edge

转向器在进行助力特性试验时，通常是供给恒定流量的液压油，液压油均匀的分配至每个阀口[10]，因此经过每个阀口的流量为：

(1)

式中,Q—— 液压泵流出的总流量

QE—— 经过每个阀口的流量

N—— 并联阀数量

通过在阀刃口处加工切口，在预开间隙关闭过程中，即0°～α1，因阀芯相对的阀套的转角在6°左右，可以假定阀芯转过的弧长等于弦长，因此阀口面积减小端的过流面积S1随转角θ的变化关系为：

(2)

阀口面积增大端的过流面积S2随转角θ的变化关系为：

(3)

预开间隙关闭后，即α1～α2，此时阀口关闭端的过流面积仅有切口的面积，阀口关闭端的过流面积S1随转角θ的变化关系为：

(4)

阀口增大端的过流面积S2随转角θ的变化关系为：

(5)

4 转向器的结构参数与建模

AMESim软件是一款多领域集合的软件，仅需将所需的模块进行组合，并选择合适的子模型和参数设置，即可搭建出接近实体的模型[11]。液压转向系统包含液压部分和机械部分，选择AEMSim搭建系统的模型，并按照表1中转向器的结构参数设置模型中的参数。

表1 转向器结构参数Tab.1 Steering gear structure parameters

AMESim转向器模型如图5所示，由于AMESim软件不提供专门的转阀机构，转阀的模型可以由节流阀搭建的惠斯顿通桥代替[12]。但1个惠斯顿通桥仅代表2个阀口，实际转阀中有6个阀口，因此模型中由3个惠斯顿通桥代替实际中的转阀。由于实车发动机转速很不稳定，仿真时不易模拟[13]，因此模型中用定转速的电动机带动液压泵。根据试验的原理使转向器输出轴固定，因模型元件不能刚性连接，故以刚度为1e+9 N/m的弹簧限制输出轴的转动。转向器当中的扭杆用扭簧代替，并以扭簧上下转角差作为转阀开度的信号控制阀口面积的大小。

图5 AMESim转向器模型Fig.5 AMESim steering gear model

5 仿真结果与分析

仿真按照转向器生产商所做的转向助力特性曲线试验进行，图6所示为转向器做助力特性曲线的现场图。此试验台是一款综合试验台，可以做空载试验、回正试验等相关出厂试验。在做转向助力特性曲线试验时，需将转向器输出轴通过夹具固定不动，转向器输入轴与试验台加载端相连，将进出油管连接到转向器上，并根据转向器缸径的大小供给恒定流量的液压油。连接好以后仅需在操作台上进行操作，试验即可自动进行，试验台的加载端克服扭杆的刚度控制阀口开度的大小。加载完毕后整个转向助力特性曲线及相关参数即可自动生成，检测人员可根据试验数据判断此转向器是否符合出厂标准。

图6 助力特性曲线试验台Fig.6 Test bench for force characteristic curve

5.1 转向器供油量对转向助力特性的影响

转向器的供油量是指液压泵每分钟泵出油量，实车液压泵的供油量与发动机转速有关，同时也与液压泵的排量有关。故取液压泵转速为定转速1500 r/min，仿真仅考虑液压泵排量的影响，取液压泵的排量Q分别为14，18，22 L/min，控制其他物理量不变，设定扭杆刚度k为1.5 N·m/(°)，转阀短切口宽度W1为12 mm，温度T为70 ℃，油品选择使用较多的DFCV-S11。根据转向助力特性曲线的试验标准，设定转向盘以0.2 Hz、幅值为5°的正弦曲线进行转动。仿真得到供油量对转向手力矩和转向助力特性曲线的影响，如图7和图8所示。

图7 不同流量转向手力矩Fig.7 Steering hand torque at different flow rates

图8 不同流量转向助力特性曲线Fig.8 Power assist characterstic curves at different flow rates

从图7可以看出，随着供油量的增加，转向手力矩并没有发生变化，这是因为转向手力矩与扭杆的刚度有关，当扭杆刚度一定时，转向手力矩与转向角成比例关系。

从图8可以看出，随供油量的增加，相同手力的助力油压增大，这是因为供油量的增加，使得单位时间内进入油缸的液压油增多，因而助力增大。

5.2 扭杆刚度对转向助力特性的影响

扭杆是转向器中重要的零件[14]，其刚度的大小对转向助力矩和转向手力特性都有影响。实际生产中，难以检测扭杆刚度变化的助力特性，因此可以通过仿真的形式观察扭杆刚度对转向助力特性的影响。取扭杆的刚度k分别为1.3，1.4，1.5 N·m/(°)，控制液压泵的排量Q为18 L/min，转阀短切口宽度W1为12 mm，温度T为70 ℃，油品选择DFCV-S11。设定输入轴加载端以0.2 Hz、幅值为5°的正弦曲线进行转动，观察转向助力特性的变化。仿真得到不同扭杆刚度转向手力矩曲线，如图9所示，同时得到转向助力特性曲线，如图10所示。

图9 不同扭杆刚度的转向手力矩Fig.9 Steering hand torque at different torsion bar stiffness

图10 不同扭杆刚度的助力特性曲线Fig.10 Power assist characteristic curves atdifferent torsion bar stiffness

从图9可以看出，相同转向盘转角输入下，转向盘手力矩与扭杆刚度成正比关系，随着扭杆刚度的增加而增加。图10中助力特性曲线在直线行驶区域没有变化，在低速转向区域和原地转向区域助力特性曲线向外延伸。因此可以通过改变扭杆刚度的大小改变低速行驶时驾驶员的转向手力。

5.3 转阀短切口宽度对转向助力特性的影响

转阀参数的设置决定着在阀口关闭时过流面积的变化速度，实际生产中不同车型通常通过改变阀口短切口的长度来达到对液压压力变化的最佳控制。因此取不同宽度的短切口[15]，仿真得到其对转向助力特性曲线的影响。

通过取阀口短切口的宽度为8，12，16 mm，控制其他物理量不变，设定液压泵排量Q为18 L/min，扭杆刚度k为1.5 N·m/(°)，温度T为70 ℃，油品选择DFCV-S11。如图11所示为不同短切口宽度阀开口面积曲线，将不同短切口宽度的阀开口面积S曲线分别导入AMESim中，输入轴加载端以0.2 Hz、幅值为5°的转角进行转动，通过仿真模拟得到对应的转向助力特性曲线图，如图12所示。

图11 不同短切口宽度阀开口面积Fig.11 Valve opening area at different short notch widths

图12 不同宽度短切口助力特性曲线Fig.12 Power assist characteristic of short cut atdifferent short notch widths

从图12可以看出，短切口对助力的特性影响比较大。当W1=8 mm时，小角度直线行驶转向区的助力明显，这会造成高速行驶时转向发飘等现象，同时可以观察到助力曲线在预开间隙关闭时有微小的突变，这是因为短切口宽度过小导致预开间隙关闭瞬间液压油压力突变，对驾驶员转向手感造成影响。常用转向区变化比较缓慢，会使驾驶员转向手感不佳。随着W1宽度的增加，常用转向区外移，直线行驶时助力较小，这可以增加高速行驶时的路感特性[16]，低速转向时，助力油压可以迅速建立，使得低速转向更加轻便。

5.4 油品特性对转向助力特性的影响

转向器装车后，需要采用特定的液压油，不同属性的液压油对转向助力特性有不同影响[17]。转阀在进行工作时，其阀口是一种长方形节流口，根据长方形薄壁小孔流量公式，流过每个阀口的流量为：

(6)

式中，b—— 阀口宽度，mm

η—— 液压油动力黏度，Pa·s

p—— 油液的压力，MPa

液压油的动力黏度与密度的关系如式(7)所示：

η=ν·ρ

(7)

式中，ν—— 液压油的运动黏度，mm2/s

ρ—— 液压油密度，kg/m3

将式(7)代入式(6)可得：

(8)

因此可以看出助力油压与液压油的动力黏度和密度均有关系，可以通过仿真的形式观察其影响效果。

商用车目前最多使用的3种油品特性，如表2所示。

表2 油品特性Tab.2 Oil properties

固定其他参数不变，设定液压泵的排量Q为18 L/min，扭杆刚度k为1.5 N·m/(°)，阀芯短切口宽度W1为12 mm，温度T为70 ℃，输入轴加载端以0.2 Hz、幅值为5°的转角进行转动，进行仿真模拟得到不同油液属性助力特性曲线，如图13所示。

在以3种油品做台架试验时，模拟实车原地转向试验，转向器输入端以180 (°)/s的转速输入，转向器加载端以原地转向时的加载力加载在转向垂臂上，图14所示为连接好的试验台架。

设定试验温度为70 ℃，油泵供油量为18 L/min，分别用3种油品进行试验，观察转向手力矩的大小及其波动情况，试验结果如图15～图17所示。

从仿真结果可以看出，在直线行驶区域，转向手力基本一致，在低速转向区域，采用ATF-Ⅲ油液则需要较大的手力矩才能提供较大的助力。与试验结果相比较，采用ATF-Ⅲ油液在转向时需要的手力也偏大，并且随着油液黏度和密度的增大，转向手力变小，手力波动也较小，这是因为油液的黏度和密度增加，油液在转向器内的内泄漏量减小[18]，提供的助力相对较大，转向手力减小，且黏度增加有助于缓解手力波动。

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

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

5.5 温度变化对转向助力特性的影响

循环球转向器在发动机启动后液压油会持续在转向器内循环，液压油的温度也会逐渐升高，同时由于四季变化，液压油的温度也会在很大范围内变化。转向器的正常工作温度在30～120 ℃，超过此温度会对转向器的密封性能及使用寿命产生影响，因此研究温度对转向助力特性曲线的影响很有必要。AMESim仿真软件可以实现对温度的控制，选取温度5， 10， 30， 60， 90， 120 ℃分别进行仿真模拟，控制其他量不变，设定液压泵的排量Q为18 L/min，扭杆刚度k为1.5 N·m/(°)，转阀短切口宽度W1为12 mm，选用DFCV-S11油品进行仿真模拟。输入轴加载端以0.2 Hz、幅值为5°的转角曲线进行转动，仿真结果如图18所示。

从图18可以看出，温度在10 ℃以内时对助力特性影响较大，此时管路内油液的黏度很大，油泵出口的油压在一定的转向手力下就会增大。当温度在转向器正常工作范围内，助力特性曲线在低手力区及常用转向区基本没有区别，助力特性几乎重合。因此在寒冷天气时，在启动发动机后应使发动机运转一段时间，使转向器内的液压油形成一个循环建立液压油的温度，待液压油达到正常温度范围内方可行驶车辆，这样既可以提高转向器的使用寿命还可以保证行车安全。