轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的構(gòu)造及助力原理

楊佩釗，范起飛，嚴(yán)慈磊（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的構(gòu)造及助力原理

楊佩釗，范起飛，嚴(yán)慈磊
（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了轉(zhuǎn)向器的發(fā)展。轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量對于汽車主動安全性來說非常重要，它不僅影響到汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性，而且關(guān)乎到駕駛員的生命安全問題。設(shè)計(jì)優(yōu)良的轉(zhuǎn)向器在減少交通事故方面起著重要作用。轉(zhuǎn)閥式的動力轉(zhuǎn)向器是一種非常典型的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)，它在降低駕駛員工作強(qiáng)度的同時(shí)更加提高了駕駛的安全性。文章介紹了轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的構(gòu)造，并分析了其助力原理。

轉(zhuǎn)閥式；構(gòu)造；助力原理

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.043

CLC NO.: U463.4Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-132-03

引言

動力轉(zhuǎn)向器，從實(shí)質(zhì)上來講，是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上發(fā)展來的。動力轉(zhuǎn)向傳動裝置的加入，使得駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力減輕了很多。駕駛員的負(fù)擔(dān)很輕，只需要一小部分力就能完成轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向的大部分則是由發(fā)動機(jī)驅(qū)動油泵來提供。本文通過德國ZF公司生產(chǎn)的8098型動力轉(zhuǎn)向器來介紹其動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的構(gòu)造，并且通過液壓油流向來說明其工作原理。

1、構(gòu)造

圖1是德國ZF公司生產(chǎn)的8098系列動力轉(zhuǎn)向器。它由三大部分組成，其中第一部分是機(jī)械式轉(zhuǎn)向器；第二部分是動力缸；第三部分是分配閥。油罐中儲存著系統(tǒng)工作所需的油，在發(fā)動機(jī)驅(qū)動下的轉(zhuǎn)向泵向動力轉(zhuǎn)向器供油，油液便從油罐進(jìn)入到轉(zhuǎn)向器。從轉(zhuǎn)向器流出的壓力油流回油罐，油液一直循環(huán)流動。

動力缸的移動能量來自兩端腔室的油壓差所產(chǎn)生的能量。動力缸由殼體和活塞構(gòu)成?；钊膬?nèi)部和螺桿的外部開有斷面近似半圓形的螺旋槽，兩者配合形成的管狀通道中放有很多鋼球。通常情況下，會將轉(zhuǎn)向軸和閥芯做成一個(gè)部分，螺桿和閥套則做成一個(gè)部分。轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)動的過程中，鋼球會在通道上循環(huán)往復(fù)的滾動，這一過程完成了螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動向活塞的直線運(yùn)動的轉(zhuǎn)換，并且也帶動了搖臂齒扇軸做轉(zhuǎn)動動作。通過銷使扭桿得到固定，并且與轉(zhuǎn)閥連接在一起。整個(gè)過程中，安全閥所起到的作用是降低轉(zhuǎn)向器內(nèi)油壓，以免過高的油壓對轉(zhuǎn)向器造成破壞。充油閥的作用是在轉(zhuǎn)向泵處于非工作狀態(tài)時(shí)，及時(shí)向轉(zhuǎn)向器補(bǔ)油。分配閥是一個(gè)關(guān)鍵的部件，閥套與閥芯之間的相對轉(zhuǎn)動量直接決定了液體流量的大小，同時(shí)也決定了助力的大小。

2、助力原理

2.1直線行駛工況

當(dāng)汽車直線行駛時(shí)，即方向盤位置不動時(shí)，扭桿不發(fā)生轉(zhuǎn)動，分配閥處在中間位置。圖2示出了壓力油在動力轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)中流動的過程。通常在轉(zhuǎn)向器殼體上開有油道，正常工作時(shí)，油液通過該油道進(jìn)入開孔的閥套。分配閥是由閥套和轉(zhuǎn)閥構(gòu)成的，閥套內(nèi)部開有6個(gè)溝槽，閥芯的外表也開有6個(gè)溝槽。閥套的構(gòu)槽與閥芯的溝槽兩者之間錯(cuò)開，彼此對應(yīng)，通過槽之間的間隙，油液到達(dá)活塞內(nèi)。由于汽車直線行駛時(shí)分配閥處在中間位置，油液流向了活塞的左右兩腔，最后經(jīng)過閥芯上的回油槽流回油罐。

2.2轉(zhuǎn)向行駛工況

汽車右轉(zhuǎn)向行駛，轉(zhuǎn)向盤需要右轉(zhuǎn),這使得轉(zhuǎn)向軸(閥芯)通過扭桿的作用向螺桿（閥套）傳遞扭矩，閥套偏離了初始的中間位置。此時(shí)閥套和閥芯產(chǎn)生相對移動，閥芯相對閥套右轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)角位移量，如圖3所示。這一角位移量，使得6個(gè)閥芯臺肩右側(cè)與閥套槽的間隙關(guān)閉，同時(shí)加大了6個(gè)閥芯臺肩左側(cè)與閥套槽之間的間隙，油液則從間隙流過。因此，壓力油得以流進(jìn)閥套上的軸向槽內(nèi)，再通過管狀的通道，進(jìn)入活塞的左腔。當(dāng)左腔中的壓力油量逐步加大時(shí)，右腔的壓力油則是以回油縫以及回油槽作為通道，進(jìn)入油罐。整個(gè)過程中，動力缸左右腔中都產(chǎn)生了一定的壓差，這也使得活塞向右移動，液壓助力右轉(zhuǎn)向得以實(shí)現(xiàn)。

汽車左轉(zhuǎn)向行駛，同理，閥芯相對閥套左轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)角位移量，如圖4所示。該角位移量使6個(gè)閥芯臺肩左側(cè)與閥套槽的間隙關(guān)閉，而相應(yīng)6個(gè)閥芯臺肩右側(cè)與閥套槽之間的間隙增大，即進(jìn)油縫增加開度，油液流過。因此，壓力油得以流進(jìn)閥套上的軸向槽內(nèi)，再通過管狀的通道，進(jìn)入活塞的右腔。此時(shí)，動力缸右腔的壓力油增加，活塞左腔的壓力油經(jīng)過回油縫和回油槽返回油罐。這一過程使得液壓助力右轉(zhuǎn)向得以實(shí)現(xiàn)。

扭桿是一個(gè)具有較好的旋轉(zhuǎn)彈性能力的元件。當(dāng)扭桿發(fā)生形變時(shí)，由于力的相互作用傳給方向盤反作用，而駕駛員可以感受到作用力的變化情況，即所謂的“路感”。汽車在運(yùn)行過程中，若是一直向一個(gè)方向轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向盤就保持某個(gè)角度不變，扭桿也保持相應(yīng)的狀態(tài)，所以閥芯和閥套保持著一個(gè)固定開度，動力缸油液差產(chǎn)生的力矩和回正力矩平衡，車輪轉(zhuǎn)角便保持一定。

2.3轉(zhuǎn)向回正性能

當(dāng)駕駛員對轉(zhuǎn)向盤的控制狀態(tài)改變時(shí)，由于扭桿的彈性特征，會使分配閥的位置回到中間狀態(tài)，關(guān)閉了分配閥閥套和閥芯間的間隙，動力缸左右腔壓力油壓力相當(dāng)，不存在壓差，也就不存在液壓助力作用了。不過，考慮到主銷后傾以及主銷內(nèi)傾的問題后，其所產(chǎn)生的回正力矩，會保證車輪回正而不需要駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.4轉(zhuǎn)向器的隨動作用

汽車在形式過程中，扭桿的扭轉(zhuǎn)速度是與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動速度相關(guān)的，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動得加快，也帶動了一系列的元件運(yùn)動。最先是閥套和閥芯產(chǎn)生的角位移量的增加，然后動力缸內(nèi)的油壓差逐步增大，引起轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)速度逐漸加快。由此可見，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動，前輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向盤加快轉(zhuǎn)動，前輪也加快轉(zhuǎn)動。當(dāng)失去轉(zhuǎn)向操縱力的時(shí)候，扭桿就會返回自由初始狀態(tài)，分配閥回到初始狀態(tài)，動力缸停止工作。這種動力缸隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時(shí)動力存在，轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動動力消失的作用叫做轉(zhuǎn)向器的隨動作用。

3、限制保護(hù)功能

通常在動力轉(zhuǎn)向器上安裝限制器，它的作用是減壓排油，防止在較大工作壓力下破壞轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向泵。圖5所示的是雙作用限位器，其組成包含兩個(gè)帶有彈簧的閥芯，分布在動力缸活塞兩端。

動力缸活塞在向右運(yùn)動的過程中，右側(cè)閥芯會逐漸向右側(cè)調(diào)節(jié)螺釘靠近。移動范圍到達(dá)極限時(shí)，右側(cè)閥芯被推入到活塞，引起左腔壓力增大，進(jìn)而導(dǎo)致左側(cè)閥芯被頂入活塞，這樣，就使得動力缸左腔的壓力油通過限位器閥孔，進(jìn)入活塞右腔，最后流到油罐中。當(dāng)動力缸活塞向左移動到極限位置時(shí)情況與之相反，原理相同。當(dāng)限位器處于工作狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)向器仍然可以擺動，但是由于動力缸兩腔壓差降低，液壓助力作用便大大下降，同時(shí)，轉(zhuǎn)向操縱力增大，直至極限位置。

4、助力失效

當(dāng)助力裝置發(fā)生故障時(shí)，液壓式助力轉(zhuǎn)向器就變成機(jī)械式，駕駛員依然能夠通過轉(zhuǎn)向器的機(jī)械部分使汽車轉(zhuǎn)向，但是液壓助力裝置已經(jīng)失效，所以駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)感覺到有沉重感。

5、結(jié)束語

本文對于轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的構(gòu)造進(jìn)行了比較系統(tǒng)的介紹，對其助力原理進(jìn)行了比較詳細(xì)的描述。此轉(zhuǎn)向器性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)先進(jìn)，最大的特點(diǎn)是靈敏度比較高、密封件數(shù)量比較少而且軸向尺寸短。雖然現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展越來越迅速，出現(xiàn)了諸如線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（4WS）等先進(jìn)的新轉(zhuǎn)向技術(shù)，但是它們在可靠性以及應(yīng)用技術(shù)方面，還是存在很多缺陷的。目前的主流應(yīng)用還是轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器，它依然具有良好的應(yīng)用前景。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造（第五版）（下冊）[M].北京：人民交通出版社，2010.

[2]劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3]畢大寧.汽車轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，1997.

[4]張宇飛.汽車轉(zhuǎn)向器總成發(fā)展趨勢的探討[J].研究與開發(fā)，2012.

[5]陸濤.斯太爾載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的檢查調(diào)整及故障排除[J].汽車診所，2008.

The structure of the rotary valve type power steering gear and power principle

Yang Peizhao,Fan Qifei,Yan Cilei
(university of changan automobile institute,Shaanxi Xi'an 710064)

The rapid development of automobile industry lead to the development of steering gear.Steering gear quality is very important for automotive active safety,because it not only affects the steering portability and handling stability,but also relates to the life safety of the driver.Excellent design of steering device plays an important role in reducing traffic accidents.Rotary valve type power steering gear is very typical in steering linkage,which reduces the work intensity of the driver and at the same time improves the driving safety.This paper introduces the steering structure of rotary valve type power steering gear and analyzes its power principle.

Rotary valve; Structure; Power principle

U463.4

A

1671-7988（2016）08-132-03

楊佩釗（1991—），男，碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院，車輛工程專業(yè)。