汽车液压助力转向器手力转向单向阀设计*

2023-10-18金洪阳项佳雯

南方农机 2023年21期

金洪阳，陈诚，项佳雯

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002）

载重汽车普遍装有液压助力转向器（以下简称动力转向器），在汽车转向时为汽车提供助力。转向油泵把发动机的机械能转换为液压能，动力转向器再把液压能转换成机械能作用在转向轮上帮助驾驶员进行转向[1-2]。如果出现发动机熄火或转向油泵损坏等异常情况时，转向系统失去助力，完全依靠驾驶员作用在方向盘上的手力来实现转向。由于转向油泵不能正常工作，转向系统回油管路不通畅，回油阻力很大，使得手力转向异常困难。在极端情况下，如果出现回油管路堵塞问题，将无法进行手力转向，增加了汽车行驶的风险。因此，需要设计一种动力转向器手力转向单向阀，保证油路出现故障时将进、回油路导通，使转向器在转向油泵失效时仍具有机械转向的能力。

1 动力转向系统工作原理分析

如图1 所示，典型动力转向液压系统由油壶、吸油管、油泵、压力油管、动力转向器总成和回油管等组成。

图1 典型动力转向液压系统

油泵不停顿地随着发动机转动而工作，把油液从油壶吸出后，通过压力油管向动力转向器供油。无需转向时，转向器控制阀处于常开中间位置，油液通过控制阀及回油管直接回到油壶。动力转向系统采用的转向油泵的类型很多，有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵，也有少量车型采用滚子油泵，其中叶片泵得到越来越广泛的应用，因为叶片泵在不转动或损坏时容易形成自然通道[3]。

在转向系统安全性中必须考虑液压助力转向系统中助力系统失效的情况。法规要求在助力失效的情况下仍然可以机械性地转动方向盘来转向，而且这个转向盘力要足够小。另外，还要保证在车辆助力失效下，驾驶人在真实的路况中还能足够安全地驾驶车辆[4-6]。因此，为了安全起见，还是需要在液压系统里另加单向阀配置成小循环回路，以解决在油泵不工作时可能出现的阻挠活塞运动的液压自锁现象[7-9]。

2 总体设计方案

壳体是动力转向器的装配基础件，动力转向器控制油路流向和流量的核心部件为转阀，转阀装配在如图2 所示的阀体里，而阀体装配在壳体上，动力转向系统进油管和回油管分别与阀体上的进油口和回油口相连。

图2 动力转向器阀体

如图3、图4 所示，阀体进油口与阀体内部进油道直接相通，阀体回油口则通过斜油孔与阀体内部回油道相通。

图3 阀体K向视图

图4 阀体G-G剖视图

在动力转向器阀体进油道和回油道之间设置一个手力转向单向阀，转向系统正常工作时，进油道压力远大于回油道，在压力差的作用下单向阀关闭，油路不通。当发动机熄火或转向油泵出现故障时，进油道压力降低，回油阻力增大，一旦回油管路上的压力高于进油管路压力，该单向阀开启，将转向器进、回油路导通，油液不返回油壶和油泵，在转向器内部形成小循环，此时依靠驾驶员的手力驱动方向盘，即可实现手力转向[10]。

3 基于单向阀的小循环回路设计

以某型号动力转向器为例，如图5、图6 所示，在阀体与转向器壳体的结合面钻出直径为的封铆孔和Φ4.8±0.10 的单向阀孔，并在钻单向阀孔的同时，用麻花钻钻出顶角为118°的锥面，用于实现单向阀钢球的密封。

图5 阀体单向阀封铆孔位置示意图

图6 阀体J-J局部剖视图

装配阀体总成时，如图7 所示，将单向阀钢球从阀体封铆孔装入，落到单向阀密封锥面上，再将弹性圆柱销从封铆孔装入，最后在油压机上将封铆钢球压入封铆孔，封铆钢球直径略大于封铆孔内径，保证封铆的可靠性和密封性。封铆后钢球顶部略低于阀体端面，且与弹性圆柱销具有一定的初始压力，使单向阀钢球可靠地贴合在单向阀密封锥面上。所采用的弹性圆柱销又称弹簧销，是一种无头中空的柱形体，轴向开槽，两头端部有倒角，用于零件之间的定位、连接、固定等。

图7 阀体总成局部剖视图

正常工作状态下，进油道油液压力远高于回油道，压力差将单向阀钢球4 可靠地压紧到单向阀密封锥面上实现密封，进、回油道不导通。当发动机熄火或转向油泵出现故障时，动力转向器阀体进油口和进油道里的油液压力急剧下降，而回油口和回油道里的回油阻力上升，当如图6 所示的回油道3 处的压力大于进油道2 处的压力时，单向阀钢球在压力差的作用下克服弹性圆柱销的初始压力反向上浮，回油道的油液不再返回油壶和油泵，而是通过单向阀孔直接回到进油道，形成内部液压小循环回路。回油道油液压力降低，大大减小回油阻力，实现手力转向。以某型号动力转向器为例，其采用的弹性圆柱销型号为Q5280622；参考GB/T 308.1—2013《滚动轴承球第1 部分：钢球》，单向阀钢球材料为GCr15，单向阀钢球硬度为HRC 62～66，单向阀钢球公称直径为9/32"，封铆钢球公称直径为7/32"。