汽車液壓助力轉(zhuǎn)向器手力轉(zhuǎn)向單向閥設(shè)計*

金洪陽 ，陳 誠 ，項佳雯

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

載重汽車普遍裝有液壓助力轉(zhuǎn)向器（以下簡稱動力轉(zhuǎn)向器），在汽車轉(zhuǎn)向時為汽車提供助力。轉(zhuǎn)向油泵把發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，動力轉(zhuǎn)向器再把液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能作用在轉(zhuǎn)向輪上幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向[1-2]。如果出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火或轉(zhuǎn)向油泵損壞等異常情況時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失去助力，完全依靠駕駛員作用在方向盤上的手力來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。由于轉(zhuǎn)向油泵不能正常工作，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回油管路不通暢，回油阻力很大，使得手力轉(zhuǎn)向異常困難。在極端情況下，如果出現(xiàn)回油管路堵塞問題，將無法進(jìn)行手力轉(zhuǎn)向，增加了汽車行駛的風(fēng)險。因此，需要設(shè)計一種動力轉(zhuǎn)向器手力轉(zhuǎn)向單向閥，保證油路出現(xiàn)故障時將進(jìn)、回油路導(dǎo)通，使轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向油泵失效時仍具有機(jī)械轉(zhuǎn)向的能力。

1 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理分析

如圖1 所示，典型動力轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)由油壺、吸油管、油泵、壓力油管、動力轉(zhuǎn)向器總成和回油管等組成。

圖1 典型動力轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)

油泵不停頓地隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動而工作，把油液從油壺吸出后，通過壓力油管向動力轉(zhuǎn)向器供油。無需轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向器控制閥處于常開中間位置，油液通過控制閥及回油管直接回到油壺。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)向油泵的類型很多，有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵，也有少量車型采用滾子油泵，其中葉片泵得到越來越廣泛的應(yīng)用，因為葉片泵在不轉(zhuǎn)動或損壞時容易形成自然通道[3]。

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全性中必須考慮液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中助力系統(tǒng)失效的情況。法規(guī)要求在助力失效的情況下仍然可以機(jī)械性地轉(zhuǎn)動方向盤來轉(zhuǎn)向，而且這個轉(zhuǎn)向盤力要足夠小。另外，還要保證在車輛助力失效下，駕駛?cè)嗽谡鎸嵉穆窙r中還能足夠安全地駕駛車輛[4-6]。因此，為了安全起見，還是需要在液壓系統(tǒng)里另加單向閥配置成小循環(huán)回路，以解決在油泵不工作時可能出現(xiàn)的阻撓活塞運(yùn)動的液壓自鎖現(xiàn)象[7-9]。

2 總體設(shè)計方案

殼體是動力轉(zhuǎn)向器的裝配基礎(chǔ)件，動力轉(zhuǎn)向器控制油路流向和流量的核心部件為轉(zhuǎn)閥，轉(zhuǎn)閥裝配在如圖2 所示的閥體里，而閥體裝配在殼體上，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)油管和回油管分別與閥體上的進(jìn)油口和回油口相連。

圖2 動力轉(zhuǎn)向器閥體

如圖3、圖4 所示，閥體進(jìn)油口與閥體內(nèi)部進(jìn)油道直接相通，閥體回油口則通過斜油孔與閥體內(nèi)部回油道相通。

圖3 閥體K向視圖

圖4 閥體G-G剖視圖

在動力轉(zhuǎn)向器閥體進(jìn)油道和回油道之間設(shè)置一個手力轉(zhuǎn)向單向閥，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作時，進(jìn)油道壓力遠(yuǎn)大于回油道，在壓力差的作用下單向閥關(guān)閉，油路不通。當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火或轉(zhuǎn)向油泵出現(xiàn)故障時，進(jìn)油道壓力降低，回油阻力增大，一旦回油管路上的壓力高于進(jìn)油管路壓力，該單向閥開啟，將轉(zhuǎn)向器進(jìn)、回油路導(dǎo)通，油液不返回油壺和油泵，在轉(zhuǎn)向器內(nèi)部形成小循環(huán)，此時依靠駕駛員的手力驅(qū)動方向盤，即可實現(xiàn)手力轉(zhuǎn)向[10]。

3 基于單向閥的小循環(huán)回路設(shè)計

以某型號動力轉(zhuǎn)向器為例，如圖5、圖6 所示，在閥體與轉(zhuǎn)向器殼體的結(jié)合面鉆出直徑為的封鉚孔和Φ4.8±0.10 的單向閥孔，并在鉆單向閥孔的同時，用麻花鉆鉆出頂角為118°的錐面，用于實現(xiàn)單向閥鋼球的密封。

圖5 閥體單向閥封鉚孔位置示意圖

圖6 閥體J-J局部剖視圖

裝配閥體總成時，如圖7 所示，將單向閥鋼球從閥體封鉚孔裝入，落到單向閥密封錐面上，再將彈性圓柱銷從封鉚孔裝入，最后在油壓機(jī)上將封鉚鋼球壓入封鉚孔，封鉚鋼球直徑略大于封鉚孔內(nèi)徑，保證封鉚的可靠性和密封性。封鉚后鋼球頂部略低于閥體端面，且與彈性圓柱銷具有一定的初始壓力，使單向閥鋼球可靠地貼合在單向閥密封錐面上。所采用的彈性圓柱銷又稱彈簧銷，是一種無頭中空的柱形體，軸向開槽，兩頭端部有倒角，用于零件之間的定位、連接、固定等。

圖7 閥體總成局部剖視圖

正常工作狀態(tài)下，進(jìn)油道油液壓力遠(yuǎn)高于回油道，壓力差將單向閥鋼球4 可靠地壓緊到單向閥密封錐面上實現(xiàn)密封，進(jìn)、回油道不導(dǎo)通。當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火或轉(zhuǎn)向油泵出現(xiàn)故障時，動力轉(zhuǎn)向器閥體進(jìn)油口和進(jìn)油道里的油液壓力急劇下降，而回油口和回油道里的回油阻力上升，當(dāng)如圖6 所示的回油道3 處的壓力大于進(jìn)油道2 處的壓力時，單向閥鋼球在壓力差的作用下克服彈性圓柱銷的初始壓力反向上浮，回油道的油液不再返回油壺和油泵，而是通過單向閥孔直接回到進(jìn)油道，形成內(nèi)部液壓小循環(huán)回路?；赜偷烙鸵簤毫档?，大大減小回油阻力，實現(xiàn)手力轉(zhuǎn)向。以某型號動力轉(zhuǎn)向器為例，其采用的彈性圓柱銷型號為Q5280622；參考GB/T 308.1—2013《滾動軸承 球 第1 部分：鋼球》，單向閥鋼球材料為GCr15，單向閥鋼球硬度為HRC 62～66，單向閥鋼球公稱直徑為9/32"，封鉚鋼球公稱直徑為7/32"。

4 總結(jié)

在動力轉(zhuǎn)向器閥體進(jìn)油道與回油道之間安裝單向閥，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作時利用壓差實現(xiàn)密封。當(dāng)發(fā)動機(jī)熄火或轉(zhuǎn)向油泵出現(xiàn)故障時，回油管壓力增加，反向推動單向閥，將進(jìn)油道與回油道導(dǎo)通，在轉(zhuǎn)向器內(nèi)部實現(xiàn)液壓小循環(huán)回路，減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回油阻力，實現(xiàn)手力轉(zhuǎn)向，可靠地保證了行車安全。