新型閥特性控制式電液助力轉(zhuǎn)向器

肖健勇，張鵬

(1. 江門市興江轉(zhuǎn)向器有限公司，廣東江門529030; 2. 廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州510700)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，車輛行駛高速化，人們對汽車轉(zhuǎn)向操控的輕便性和高速行駛穩(wěn)定性的要求越來越高。由于傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向器本身結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限，其轉(zhuǎn)向手力特性曲線只能是唯一，使轉(zhuǎn)向操控的輕便性和高速行駛的穩(wěn)定性互為對立，即當(dāng)提高了轉(zhuǎn)向輕便性則穩(wěn)定性會降低，反則亦然，因此，傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向器只能在兩者之間取一平衡點，并不能滿足人們越來越高的駕駛要求。

隨著轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了電液助力轉(zhuǎn)向器、電動助力轉(zhuǎn)向器和在研發(fā)的線控助力轉(zhuǎn)向器，前兩者在國內(nèi)外轎車上已經(jīng)廣泛使用。但在國內(nèi)，雖然電動助力轉(zhuǎn)向器在轎車上已慢慢開始使用，但是在中、大型的客車上，由于技術(shù)的限制，仍然在使用傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向器。但客車在道路上行駛也進(jìn)入了高速化，這樣為迎合更高的駕駛要求，某單位經(jīng)多年的努力研發(fā)了適用于中、大型客車的循環(huán)球式電液助力轉(zhuǎn)向器。

1 研發(fā)進(jìn)度

所研發(fā)的電液助力轉(zhuǎn)向器為一種新型閥特性控制式電液助力轉(zhuǎn)向器，目前已經(jīng)針對各種前橋負(fù)荷開發(fā)了5 種不同輸出扭矩的產(chǎn)品，均已通過了國家認(rèn)可的臺架、道路等試驗，并已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。到10 月的跟蹤統(tǒng)計，裝車試驗使用的電液助力轉(zhuǎn)向器已在路面行駛了半年，里程約5 000 km，期間我司對車輛跟蹤檢測，并沒有發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題，目前該車仍在正常使用中。

2 理論依據(jù)［1］

根據(jù)薄壁小孔過流公式：

式中： Cd為流量系數(shù);

A0為小孔面積;

ρ 為液體密度;

QE為流量。

由式(1) 可知：

根據(jù)圓截面扭桿彈簧扭矩計算公式：

式中： M 為扭桿兩端作用力矩;

G 為扭桿剪切模量;

d 為扭桿本體直徑;

l 為扭桿計算長度;

α 為扭桿兩端相對轉(zhuǎn)角。

由式(2) 和式(3)，由于主閥采用轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，主閥上的高、低速節(jié)流口面積與α 的變化成比例關(guān)系，也就是說通過α與A0的關(guān)系可以得出p 與M 兩者的關(guān)系式。

3 設(shè)計原理

如圖1 所示，該結(jié)構(gòu)原理為國外的一個新型電液助力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，與文中的研發(fā)設(shè)計原理相同。該結(jié)構(gòu)主閥閥芯分為高速、低速節(jié)流孔，負(fù)責(zé)控制油路流量的走向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向，而旁通閥連接高速節(jié)流孔并受其控制。

下面來分析不同車速下的手力特性曲線的差異：

原地轉(zhuǎn)向時：

旁通閥全關(guān)，高速節(jié)流孔不起作用，A0為低速節(jié)流孔面積，轉(zhuǎn)向手力特性完全由低速節(jié)流孔控制，此時轉(zhuǎn)向手力最小，如圖2 所示為停車時特性曲線。

車速為中等速度或高速時：

旁通閥閥口有一定開度，當(dāng)主閥閥芯轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向器低速節(jié)流孔和高速節(jié)流孔慢慢關(guān)閉，當(dāng)高速節(jié)流孔過流面積大于旁通閥閥口開度時，A0為低速節(jié)流孔面積和旁通閥閥口開度面積之和，而旁通閥閥口開度只受車速影響，在車速一定的情況下，其開度不變，所以手力特性曲線的變化此時只受低速節(jié)流孔面積變化影響; 當(dāng)高速節(jié)流孔隨著主閥閥芯的轉(zhuǎn)動不斷變小，直到高速節(jié)流孔過流面積比旁通閥閥口小時，A0為低速、高速節(jié)流孔面積之和，手力特性曲線的變化受低速節(jié)流孔和高速節(jié)流孔的總開度影響，隨著主閥閥芯的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，兩者的節(jié)流孔過流面積慢慢減少，轉(zhuǎn)向壓力不斷升高最后達(dá)到最大工作壓力。

在上述過程中，我們可以了解到，主閥閥芯開始轉(zhuǎn)向階段過流面積為低速節(jié)流孔和旁通閥閥口總過流面積，由于增加了旁通閥閥口的過流面積，所以在同樣的扭轉(zhuǎn)角度下，相對于原地轉(zhuǎn)向時，發(fā)生壓力的變化會稍微慢，由圖2 可以清楚地看到中速時特性曲線比停車時特性曲線變化緩慢，而高速時特性曲線又比中速時變化更緩慢，這都是隨著車速增加，旁通閥閥口開度逐漸增大所造成的手力特性曲線變化的效果。實際車輛行駛過程中的轉(zhuǎn)向一般所需轉(zhuǎn)向扭矩比原地轉(zhuǎn)向時低得多，而轉(zhuǎn)向扭矩的大小取決于液壓壓力，也就是說車輛行駛過程中轉(zhuǎn)向性能取決于手力特性曲線的低壓力區(qū)域，所以，通過減緩此區(qū)域手力特性曲線的變化速度，可增強轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的目的。

同時，由于旁通閥閥口是連接高速閥閥口，受高速閥閥口的影響，所以，隨著主閥的轉(zhuǎn)動，高速閥閥口的關(guān)閉，最終使油壓達(dá)到最高。對于一些流量控制式的電控液壓助力轉(zhuǎn)向器，其只有低速閥口，沒有高速閥口，雖然同樣能達(dá)到增強轉(zhuǎn)向輕便性和高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的目的，但是由于旁通閥的開度不受主閥控制，也就是說，當(dāng)旁通閥打開后，即使主閥已經(jīng)關(guān)閉，液壓油也會從旁通閥回流到油罐上，這種設(shè)計會造成車輛行駛后油壓不能達(dá)到最高壓力。在正常行駛的車況下，這一設(shè)計和文中設(shè)計的電液助力轉(zhuǎn)向器不會有多大區(qū)別，但是在緊急轉(zhuǎn)向的情況下，由于其不能達(dá)到最高壓力，同時旁通閥把液壓油分流到油罐上，對于急速轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向器的反應(yīng)速度也會造成影響。從安全性方面文中設(shè)計的這一結(jié)構(gòu)已經(jīng)充分考慮對安全方面的影響。

4 結(jié)語

該新型閥特性控制式電液助力轉(zhuǎn)向器既能達(dá)到原地轉(zhuǎn)向的輕便性，又能達(dá)到高速轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，同時相對于其他流量式控制的電液轉(zhuǎn)向器，安全性方面更高。

圖3 是我司其中一款新型閥特性控制式電液助力轉(zhuǎn)向器在不同車速下手力特性曲線的合成圖。

【1】郭曉林，季學(xué)武，陳奎元.電控液壓助力軸向系統(tǒng)助力特性研究與分析方法［C］.第五屆全國液體傳動與控制學(xué)術(shù)會議暨2008年中國航空學(xué)會液壓與氣動學(xué)術(shù)會議論文集，2008.