转阀式动力转向器手力特性曲线理论计算

肖健勇，张鹏

(1.江门市兴江转向器有限公司，广东 江门 529030;2.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700)

0 引言

动力转向器手力特性曲线是评价转向器性能的一个重要指标。通过转向手力特性曲线可以得到转向最大力矩、工作最高油压、背压、左右转向的对称度等数据。通过下述的计算方法计算出来的结果与实际检验结果作对比，两者非常接近，这对于设计有很大的启发。

1 工作原理介绍

首先，简单介绍一下动力转向器转阀的工作原理［1］:

如图1所示，左、中、右三图为转向器转阀的3个截面，为了方便理解，把左右两个截面用虚线表示在中图上。根据中间的图可以看出，当中间阀芯向左转动的时候，进油口与下腔之间的过流面积逐渐增大，与上腔的过流面积逐渐减少，而回油口与下腔之间的过流面积逐渐减少，与上腔的过流面积逐渐增大，此时进油口与下腔之间压力升高，上腔与回油口之间压力不变。当阀芯不断转动，使进油口与下腔油压所提供的驱动力足以使轮胎转向时，阀芯螺杆一起转动，在转向阻力不变的情况下，阀芯螺杆之间将相对静止地一起转动，从而实现汽车转向。反之阀芯向右转动亦然。

2 转向手力特性曲线数据计算

由上述可见，在额定转矩内，转向力随转向阻力的变化而变化，而转向力与油压成正比，在一定流量的情况下，油压与过流面积有关，过流面积随阀芯与螺杆的相对位置的变化而变化。简单一句，转动阀芯改变过流面积产生不同的转向力矩。根据薄壁小孔过流公式:

式中:Cd为流量系数，取0.7;

A0为小孔面积;

ρ为液体密度，取900 kg/m2;

QE为流量，取16 L/min。

由式(1)可知:

式(2)中可以看出，压强p与A0成反比，现在只需要研究A0的变化即可得出p的变化。

如图2所示为阀芯与螺杆的一个阀口的加工参数，其余阀口参数一致。将阀口处放大如图3所示。

BC段圆弧为以D为圆心半径20.28加工出来的一段圆弧。在计算其阀口过流面积时，需找出其最小的过流面积。由图2和图3分析，当阀芯顺时针刚开始转动时，阀口AB之间距离最短，过流面积逐渐减少，当转动到线段DB和OB重合后，螺杆点A与阀芯之间阀口最小距离出现在AD的连线上，其值为－20.28(BC段圆弧加工半径)，当点C转到与点A重合时，阀口全关，油压达到最高。

由上述分析可见，在计算阀口过流面积时需分2段进行，一段为∠AOB范围，另外一段为∠BOC范围。

阀芯转动角度在∠AOB内时:

由相似三角形定理:

由式(3)、(4)计算出:

根据勾股定理得:

根据之前分析:当阀芯相对螺杆转角α小于3.12°时，其最小过流宽度b为AB间的连线位置。当相对转角α大于3.12°时，其最小过流宽度b=－20.28(BC段圆弧加工半径)。

假定阀芯与螺杆之间油口长度为L，则过流面积:

当α≤3.12°时，根据余弦定理:

当α＞3.12°时，根据余弦定理:

而对于转阀的手力特性曲线，其纵坐标为p，在上述已经分析得出p与变量α有关。下面讨论其横坐标F。

手力特性曲线的F其实为扭杆变形所产生的力矩。而扭杆只是连接在阀芯与螺杆之间，其变形量与阀芯与螺杆的相对转角有关。下面来研究扭杆扭力的变化情况。

根据圆截面扭杆弹簧扭矩计算公式:

式中:M为扭杆两端作用力矩;

G为扭杆剪切模量(钢为75460 N/mm2);

d为扭杆本体直径;

l为扭杆计算长度;

α为扭杆两端相对转角。

图4为需要计算的扭杆参数，其中间小端与两端大端的过渡部分为圆弧过渡，查表计算其过渡部分的当量长度得:

l=146.5

所以式(7)化简为:

经过上述一系列的分析，将式(2)、(5)、(6)、(8)结合起来，即可得出p与M之间的一个关系式:

即

当α≤3.12°时

当 α ＞3.12°时

根据式(9)、(10)，利用计算机计算其理论曲线如图5所示。

图6为随机抽取的同计算型号一致的一台产品出厂试验曲线。

由图5、6两图对比可看出有两点比较明显的区别:

(1)理论曲线图5曲线在4～5 N·m处出现一个小小的拐点;

(2)理论手力特性曲线相对于实际的检测结果稍微有点窄。

上述两个区别主要形成原因:

(1)由于在转角α=3.12°前后使用了式(9)、(10)两个不同的压力与扭矩关系式，使两者之间的变化趋势有微小的变化，因而造成曲线上看到的一个小小的拐点。

(2)而实际生产过程中，由于加工的精度问题，生产出来的产品总会有一点配合间隙，而这一配合间隙正好起到一个缓冲的作用，使理论曲线上出现的拐点能够比较平滑地过渡。

(3)同样的，由于间隙的问题，使实际的油液的过流面积比理论计算的稍微大一点，所以会出现实际检测结果比理论计算的图形会稍宽。

(4)当然图6只是随机抽取的一个样品的试验结果，正好出来的效果比计算的结果稍宽，由于加工误差，也会发现实际试验出来的结果比计算结果要稍微窄。这些变动对于机械加工是很难避免的，一般规定产品手力在最高压力13 MPa的条件下处于6.5～8.5 N·m的范围。在初期设计中也已经考虑了加工误差和配合间隙的影响，因此，初期设计理论计算的手力特性曲线会处于7.5 N·m中间值偏小的7 N·m左右的范围，然后进行试加工，并进行一段时间内的生产跟踪，直到产品质量稳定且满足要求为止。

3 结束语

总体来说，对于上述提到的手力特性曲线的理论计算方法有一定的参考价值，而由于实际加工的误差(如阀口加工误差、扭杆粗细等)和配合间隙(阀芯与螺杆之间的配合)之间的影响，往往实际值比计算值略大，按笔者的个人经验，扭力一般大0.5 N·m。同时由于现时螺杆加工阀槽的加工工艺有铣槽和挖槽两种，而挖槽相对于铣槽手力曲线也略宽，因此，在初期设计过程中需考虑种种因素的影响，这样的计算结果才越接近真实值，同时也结合实际试验情况积累经验，对理论计算结果添加修正值，这样才会使设计更准确，设计周期更短。

【1】动力转向器工作原理［OL］．http://www.doc88.com/p－574882265765.html．