動(dòng)力轉(zhuǎn)向器控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

徐　靜　劉　?！≡S　燕

(1.武漢東湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430212；2.湖北三環(huán)汽車方向機(jī)有限公司，湖北 咸寧 437100；東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430212)

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動(dòng)力轉(zhuǎn)向器控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

徐靜1劉海2許燕3

(1.武漢東湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430212；2.湖北三環(huán)汽車方向機(jī)有限公司，湖北 咸寧 437100；東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430212)

分析了兩種不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的控制閥，分別介紹這兩種動(dòng)力控制閥的工作原理及油路走向，并通過(guò)對(duì)這兩種控制閥結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，得出更有利于提高控制閥靈敏度和穩(wěn)定性的構(gòu)造，可供實(shí)際加工參考。

控制閥結(jié)構(gòu)油路靈敏度穩(wěn)定性

0　引言

在汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向器起著至關(guān)重要的作用。動(dòng)力轉(zhuǎn)向器可根據(jù)控制閥的運(yùn)動(dòng)方式不同而分為兩種：轉(zhuǎn)閥式和滑閥式[1]。本文主要介紹轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的控制閥的構(gòu)造及原理。轉(zhuǎn)閥式控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于控制閥的油路走向，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，控制閥的靈敏度及穩(wěn)定性在很大程度上決定了汽車轉(zhuǎn)向功能的優(yōu)劣[2][3]。

1　動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的三件套式控制閥結(jié)構(gòu)

1.1構(gòu)造展示

如圖1所示，這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的控制閥結(jié)構(gòu)是由螺桿軸、閥套和輸入軸三個(gè)核心零件構(gòu)成的。在螺桿軸的圓周方向上分別均勻分布著三個(gè)進(jìn)油口、三個(gè)回油口和六個(gè)出油口(其中三個(gè)油口通往殼體上腔、另外三個(gè)油口通殼體下腔)，其內(nèi)表面上開(kāi)有同閥套相配合的六個(gè)同樣寬度的縱向油槽。

圖1　三件套式控制閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Three-piece type control valve structure diagram

閥套的外表面上切有六條不貫通的縱向油槽，且每?jī)蓚€(gè)油槽之間分布有等值的鍵寬，用來(lái)與螺桿軸內(nèi)表面的縱向油槽配合形成油液的流動(dòng)間隙。閥套外圓面的下端開(kāi)有矩形缺口，而輸入軸下端安裝的定位銷卡入此缺口中，保證轉(zhuǎn)動(dòng)輸入軸時(shí)，閥套能隨輸入軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

輸入軸為空心管形軸件，下端開(kāi)有盲孔，彈性元件——扭桿的一端裝配于該盲孔中，然后通過(guò)銷聯(lián)接與輸入軸固定在一起。扭桿的另一端與螺桿軸的底部的內(nèi)孔相配合，同樣通過(guò)銷聯(lián)接與螺桿軸固定在一起(見(jiàn)圖1)。

1.2轉(zhuǎn)向器工作原理分析

如下圖中結(jié)構(gòu)所示，汽車在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，一方面駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤將轉(zhuǎn)向力矩傳至輸入軸，輸入軸通過(guò)銷帶動(dòng)閥套轉(zhuǎn)動(dòng)；另一方面，來(lái)自地面的阻力矩通過(guò)搖臂軸和活塞作用于螺桿軸上，使螺桿軸暫時(shí)固定。由于輸入軸與螺桿軸之間以彈性扭桿相連，故輸入軸(閥套)與螺桿軸之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)角(該相對(duì)轉(zhuǎn)角等于扭桿的扭轉(zhuǎn)角)，即閥套外表面上的鍵與螺桿軸內(nèi)表面的油槽產(chǎn)生相對(duì)角位移，則此時(shí)控制閥開(kāi)啟，壓力油流入對(duì)應(yīng)的液壓腔(殼體上腔或下腔)，該壓力油推動(dòng)活塞直線運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)搖臂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力[5][6]。

1.2.1汽車直線行駛

當(dāng)汽車處于直線行駛狀態(tài)時(shí)，由閥套外表面與螺桿軸內(nèi)表面配合所形成的控制閥結(jié)構(gòu)位于中間常開(kāi)位置(如圖3中間視圖所示)，閥套的每個(gè)鍵相對(duì)于螺桿軸的油槽兩側(cè)的間隙值都相等，來(lái)自油泵的高壓油從轉(zhuǎn)向器閥體的進(jìn)油口進(jìn)入，經(jīng)由螺桿軸外表面進(jìn)油口流入其內(nèi)腔，并通過(guò)閥套與螺桿軸之間的常開(kāi)間隙經(jīng)回油口回到儲(chǔ)油罐，此時(shí)殼體上下兩腔的油壓相同，齒條活塞處于中間平衡位置，沒(méi)有助力作用。

圖2　轉(zhuǎn)向器裝配及油路走向示意圖

1.輸入軸 2.閥套 3.螺桿軸 4.搖臂軸 5.活塞 A.閥體進(jìn)油口 B.螺桿軸進(jìn)油口C.螺桿軸出油口(通下腔) D.閥體斜油口 E.殼體深油孔 F.螺桿軸出油口(通上腔)

1.Input shaft 2.Valve sleeve 3.Screw shaft 4.Rocker arm shaft 5.piston A.The valve inlet B.The screw shaft inlet C.The screw shaft oil outlet(Lead to inferior cavity) D.The valve oil oblique mouth E.Shell oil deep hole F.The screw shaft oil outlet(Pass on the upper cavity)

圖3　汽車轉(zhuǎn)向示意圖

1.2.2汽車轉(zhuǎn)向行駛

左轉(zhuǎn)向時(shí)，輸入軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)閥套相對(duì)螺桿軸左轉(zhuǎn)，使得每個(gè)閥套鍵左側(cè)與螺桿軸油槽之間的間隙都關(guān)閉(如圖3左側(cè)視圖所示)。轉(zhuǎn)向油泵供油從閥體進(jìn)油口流入，依次通過(guò)螺桿軸進(jìn)油口、出油口、閥體上的斜油孔進(jìn)入殼體上的深油孔，最終通往殼體下腔，并推動(dòng)活塞沿軸線往上腔運(yùn)動(dòng)(油路走向見(jiàn)圖2中A→B→C→D→E)，殼體上腔油液通過(guò)回油口流回儲(chǔ)油罐。

右轉(zhuǎn)向時(shí)，輸入軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)閥套相對(duì)螺桿軸右轉(zhuǎn)，從而關(guān)閉了每個(gè)閥套鍵右側(cè)同螺桿軸油槽的間隙(如圖3右側(cè)所示)。來(lái)自油泵的高壓油從閥體進(jìn)油口通入螺桿軸上的進(jìn)油孔，流經(jīng)螺桿軸出油孔后直接進(jìn)入殼體上腔，并在活塞左側(cè)產(chǎn)生助力作用，推動(dòng)其往下腔移動(dòng)(油路走向見(jiàn)圖2中A→B→F)，殼體下腔油按相反油路返回儲(chǔ)油罐。

2　動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)

2.1構(gòu)造展示

如圖4所示，相較于三件套控制閥結(jié)構(gòu)，兩件套式少了一個(gè)閥套。在三件套式結(jié)構(gòu)中，是利用閥套外表面每?jī)蓚€(gè)油槽之間的鍵與螺桿軸內(nèi)表面的油槽之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)控制閥的開(kāi)啟。但在兩件套式結(jié)構(gòu)中，則是在輸入軸外圓面上切有三長(zhǎng)、三短共六個(gè)縱向油槽，并利用兩兩油槽之間的鍵與螺桿軸內(nèi)油槽之間的相對(duì)位置控制油路走向，故這種結(jié)構(gòu)就不再需要閥套。

圖4　兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Two-piece type control valve structure diagram

長(zhǎng)、短油槽在輸入軸的不同轉(zhuǎn)向過(guò)程中，起著引導(dǎo)油液通入不同壓力腔的作用，因此螺桿軸的構(gòu)造相對(duì)于三件套式而言，也進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整：在其外圓表面上保留了九個(gè)油孔——三個(gè)進(jìn)油口、三個(gè)回油口及三個(gè)通往殼體上腔的油口。

2.2轉(zhuǎn)向原理分析

此種結(jié)構(gòu)在汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向器各個(gè)部件狀態(tài)與三件套式相同。現(xiàn)僅討論汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)的工作原理。

汽車左轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，輸入軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其外圓面上的鍵相對(duì)于螺桿軸內(nèi)表面的油槽產(chǎn)生左轉(zhuǎn)角位移，來(lái)自轉(zhuǎn)向油泵的油液從閥體進(jìn)油口輸入，通過(guò)油道進(jìn)入螺桿軸外圓面上的進(jìn)油口，流經(jīng)輸入軸外圓上的長(zhǎng)油槽，被引入螺桿軸內(nèi)腔下端，并經(jīng)由其下端上的孔流出，從而通入殼體下腔(油路走向如圖所示)，殼體上腔油液通過(guò)回油口流回儲(chǔ)油罐。

汽車右轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，輸入軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其外圓上的鍵與螺桿軸內(nèi)油槽產(chǎn)生右向相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)自油泵的高壓油自閥體進(jìn)油口進(jìn)入后，經(jīng)油道流入螺桿軸進(jìn)油口，然后從輸入軸外表面的短油槽流出，通入螺桿軸上出油孔，流向殼體上腔(油路走向如圖6所示)。此時(shí)，殼體下腔油液通過(guò)回油口流回儲(chǔ)油罐。

圖5　兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)左轉(zhuǎn)油路走向示意圖

Fig.5Two-piece type control valve structure left oil to the sketch

1.螺桿軸進(jìn)油口 2.輸入軸長(zhǎng)油槽 3.螺桿軸下端通孔

1.The screw shaft oil outlet 2.Input shaft long sump 3.The lower end of the screw shaft through hole

圖6　兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)右轉(zhuǎn)油路走向示意圖

Fig.6Two-piece type control valve structure right oil to the sketch

1.螺桿軸進(jìn)油口 2.輸入軸短油槽 3.螺桿軸出油口

1.The screw shaft oil outlet 2.Input shaft Short sump 3.The screw shaft oil outlet

3　對(duì)比分析

通過(guò)上述分析，可以看出，兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)相較于三件套式而言，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一：減少了一個(gè)閥套零件，節(jié)約了一定的生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

第二：兩件套式控制閥在輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，利用其自身鍵寬直接與螺桿軸油槽產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)角的方式開(kāi)啟，沒(méi)有中間傳力零件，從而避免了傳動(dòng)過(guò)程中的間隙，提高了閥的靈敏度。

第三：閥套屬于薄壁零件，零件厚度約為4～5毫米，但轉(zhuǎn)向器的使用溫度一般為-40 ℃～120 ℃，極限壓力為15 MPa甚至更高。兩件套的控制閥沒(méi)有使用閥套，從而避免了閥發(fā)卡的隱患，提高了轉(zhuǎn)向器的穩(wěn)定性。D

第四：將同等缸徑(φ120缸徑)的兩種控制閥結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行空載試驗(yàn)、力特性試驗(yàn)和功能試驗(yàn)，所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：

目前，這種兩件套式控制閥結(jié)構(gòu)已在該公司的生產(chǎn)過(guò)程中得到全面應(yīng)用，且效益良好。

表1　試驗(yàn)對(duì)比分析

[1]張靜，方世杰.循環(huán)球轉(zhuǎn)向器螺桿的可靠性計(jì)算[J].煤礦機(jī)械，2006,27(2)：187-188.

[2]姜華平.控制閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)及原理分析[J].濟(jì)南交專學(xué)報(bào) 1993,(2).

[3]苗立冬，夏長(zhǎng)高，高翔.循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)，2002,23(3)：50-53.

[4]李松和.控制閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)原理及使用維護(hù)[J].汽車技術(shù)，1998,(6)：36-38.

[5]黎啟柏，謝卓偉，高佑方.恒流控制閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997,25(11)：74-79.

[6]畢大寧.汽車轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，1998.

Power steering control valve structural design optimization

XuJing1LiuHai2XuYan3

(1.WuhanDonghuUniversitySchoolofMechanicalEngineering,HubeiWuhan430212; 2HubeiTri-RingMotorSteeringGearCo.LtdHubeiXianNing437100; 3.TechnologycenterofDongfengMotorCorporationHubeiWuhan430212)

This paper analyses the two different structure of the rotary valve structure, lists the working principle and oil circuit of power steering gear in different tectonic. Through analysis the two kinds of structure proves the more conducive to improve the structure of the rotary valve sensitivity and stability. It can be used for reference in the actual processing.

rotary valve structureoil-waysensitivitystability

1006-8244(2016)01-021-04

2015-12-10

徐靜(1988-)，女，河南信陽(yáng)人，助教，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方向教學(xué)工作。聯(lián)系電話：13419529694

U463.44+2

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