转向器转向控制阀的手力特性曲线分析

李炳宏

江门市兴江转向器有限公司，广东江门 529050

0 引言

液压转向器在汽车上的应用较广泛，主要为车辆转向时提供转向助力，使驾驶员操纵更加轻便，更加舒适。随着人们生活水平的提高，汽车驾驶员对液压转向器的需求不只是简单的产生助力，还要求液压转向器根据车况的不同提供更加贴切的转向助力。

为了使液压转向器能更好地适配车辆，本文从转向器的工作原理[1]、转向控制阀手力特性曲线的理论计算等来探讨转向控制阀的手力特性曲线。

1 转向器的工作原理

1.1 车辆直线行驶

汽车直线行驶时，转向油泵供给液压油从进油口进入，但由于此时转向控制阀处于中间位置，即转向控制阀的进油孔、进上腔油孔、进下腔油孔、回油孔相通，如图1所示。然后液压油经转向控制阀的预开隙直接与回油口相通，并从回油口回到油罐[1]。 因此转向器两个工作腔油压相等，不产生转向助力，活塞不推输出轴转动，汽车保持直线行驶，如图2所示。

图1 直线行驶时转向控制阀状态

图2 直线行驶时转向器油路示意

1.2 车辆转向行驶

右转向时，方向盘向右转动，带动阀芯克服扭杆的变形阻力向右转动，这样阀芯与转向螺杆之间预开隙发生变化，进油孔与进上腔油孔之间的过流面积越来越大，进油孔与进下腔油孔之间的过流面积越来越小。图3给出了右转向行驶时转向控制阀状态，即阀芯转动到完全闭合角时的转向控制阀的状态。随着阀芯的转动，转向油泵、进油孔和上腔建立起高压，下腔由于与油罐相通，一直处于低压状态，使得上下两腔产生压力差，当该压力差作用在活塞上并能推动活塞克服转向阻力而产生位移，带动臂轴转动就实现车辆向右转向，如图4所示。反之则能实现车辆向左转向。

图4 右转向时转向器油路示意

由转向器原理可以看出，转向器为车辆提供助力，转向控制阀的控制和分配液压助力是重要的一环，通常使用转向控制阀的手力特性曲线来表示。

2 转向控制阀手力特性曲线的理论计算

由图5的转向控制阀手力特性曲线可知，转向控制阀手力特性曲线是反映阀芯转动扭矩(转向力矩)M与转向工作压力p的关系。而由转向控制阀的工作原理可知，在一定的流量下，阀芯转动扭矩M与阀芯转动角度φ有关。转向工作压力p与转向控制阀的阀口的过流面积S0有关。转向控制阀的阀口的过流面积S0与阀芯转动角度φ有关。下面从理论计算来讨论M、p、S0、φ之间关系，进而计算出转向控制阀手力特性曲线。

图5 转向控制阀手力特性曲线

根据扭杆弹簧的扭转变形角公式可得阀芯转动扭矩M与阀芯转动角度φ关系为：

(1)

式中：M为阀芯转动扭矩；

φ为阀芯转动角度；

G为材料的切变模量(转向器的扭杆的材料是40Cr，切变模量G=81 000 N/mm2)；

L为扭杆的有效工作长度(L=l+2l0，扭杆过渡部分的当量长度l0可查表求得)。

根据薄壁小孔过流公式可得出转向工作压力p与转向控制阀的阀口的过流面积S0的关系[2]为：

(2)

式中：p为工作压力；

ρ为液压油密度，取900 kg/m3；

QE为通过阀口的流量；

Cd为流量系数，转向器行业一般取0.7；

S0为转向控制阀的阀口的过流面积。

转向控制阀的阀口设定有两段，一段为预开隙，一段为副油口，如图6所示。预开隙是转向螺杆的阀槽宽度W1与阀芯槽键宽度W2之差的1/2。副油口是以芯阀外圆圆心O偏移距离L3所得的点O1为圆心、R2为半径产生圆弧与阀芯外圆相交形成的小段圆弧，即BC段圆弧，如图7所示。

图6 阀口展开

由图7可知，当阀芯的转动角度φ<φe预开隙完成关闭且在阀芯所转动角度范围内时，预开隙关闭前转向螺杆上的点A与阀芯的点B之间的距离是阀口的最短距离，而且随着阀芯转动，点A与点B之间的距离逐渐减少，即阀口的过流面积随着阀芯转动而逐渐减少。当阀芯转角φe≤φ≤φf转向控制阀完全关闭角时，预开隙关闭后，转向螺杆与阀芯的最短距离是点A与点O1距离减少R2。由此可见，转向控制阀的阀口过流面积随着阀芯的转动而变化，且需分两个区间来计算，一个区间为预开隙关闭前，另一个区间为预开隙关闭后。

图7 转向控制阀内部结构局部

(1)预开隙关闭角φe的求解

(3)

通过计算得：

∠BOD=

(4)

则：

(5)

(2)转向控制阀完全关闭角φf的求解

在△DOB中根据勾股定理得：

(6)

在△BOC中根据余弦定理得：

(7)

则：

(8)

(3)预开隙关闭前阀口过油面积的求解

在△AOB中根据余弦定理得：

(9)

则阀口过油面积为：

(10)

(4)预开隙关闭后阀口过油面积的求解

(11)

则阀口过油面积为：

(12)

而且由于阀口设定为两段，所以在不考虑泵的内漏等因素的影响，当转向油泵的流量为Q时，且预开隙关闭之前，通过阀口的流量QE=Q/6；当预开隙关闭之后，通过阀口的流量QE=Q/3。所以根据式(1)、(2)、(10)、(12)得到下面p与M的关系式。

当阀芯转动角度φ<φe时，转向工作压力为：

(13)

当阀芯转动角度φe≤φ≤φf时：

p=

(14)

如果不考虑加工误差、内漏等影响，根据设计需求设定W1、W2、W3、L、L1、L2、L3，R、R2、d代入式(13)或(14)就可绘制出图8的理论手力特性曲线。

由图8可看出，理论上的转向控制阀的手力特性曲线存在一个拐点δ。但由于实际生产中必然存在各零件的加工误差，转向控制阀本身的内泄漏、转向油泵的内泄漏等因素，使得实际生产出来的转向控制阀的手力特性曲线(图5)是平滑过渡的。

图8 理论手力特性曲线

3 转向控制阀手力特性曲线的分析

3.1 转向控制阀手力特性曲线的分段分析

假设将转向控制阀的手力特性曲线分为4段，如图9所示[3]。

图9 手力特征曲线分段

(1)车辆在直线行驶时不需要转向器产生转向助力，此时曲线应是呈低而平的形状，如图9曲线的A段。这段曲线反映转向控制阀的灵敏度和背压，如果A段曲线越接近横坐标轴，背压越低；A段曲线越短，转向控制阀的灵敏度就越高。但灵敏度太高，路面状况会过多传到方向盘，严重时还会产生打手现象，容易造成司机疲劳。

(2)车辆原地转向或者车辆调头时，转向阻力大，所以需要转向器提供足够大的转向助力才能转向。此时压力p随转向力矩M增大而快速升高，如图9曲线的C段所示。

(3)在常用的快速转向行驶时，转向器提供转向助力效果要明显。从不提供转向助力到需要提供转向助力的反应时间短。所以此时曲线的斜率变化较大，曲线由弯变陡，如图9曲线的B段所示。

(4)曲线的A与B段之间有一个过渡的D段。此区段要求过渡要平滑，对车辆开始转向有一定影响。

3.2 影响手力特性曲线的参数分析

(1)流量。手力特性曲线对流量的变化是相当敏感的，随着流量的增大，曲线向纵坐标轴靠拢，反之曲线则偏离纵坐标轴。由式(13)或(14)可以看出，在同一压力时，随着流量的增大，转向力矩会渐渐减小。

(2)预开隙。预开隙的设计是影响曲线的A段区间。从上面的手力特性曲线的理论计算可知，预开隙的大小影响转向控制阀的阀口过流面积。而过流面积的大小则影响整个系统的压力损失，即系统的背压。预开隙过小则背压过高，但预开隙增大，则过流面积增大，转向控制阀工作时阀芯需转动的角度也增大，根据式(1)可知，转向力矩也增大。

(3)副油口。副油口的设计是影响曲线的B段区间。副油口短且小，则B段区间曲线的斜率的变化大，这种副油口容易产生液压哨声；副油口长且大，则B段区间的斜率的变化平缓。同时副油口的大小也会影响转向控制阀的阀口过流面积的大小，从而影响转向力矩的大小，副油口大则转向力矩大。如果车辆一般在城市道路上行驶(如公交车)，车速比较低，就需要将副油口设计小一点；如果车辆一般都在高速行驶时，则将副油口设计大一点，防止车辆在高速行驶时发飘。

(4)扭杆。扭杆是定中元件，起到克服摩擦阻力使阀芯自动回位的作用。由式(1)可知，随着扭杆直径增大或长度的减少，转向力矩会增大，同时阀芯的回位性能增大。

(5)阀芯。转向螺杆的加工精度、转向控制阀的配制误差等影响C段区间。

4 结束语

通过对转向控制阀的手力特性曲线的探讨，方便在设计过程中根据车辆的使用要求来设定相应参数，从而设计出适合车辆使用的转向控制阀，满足车辆操控要求的液压转向器。