动力转向器控制阀结构设计的优化

徐　静　刘　海　许　燕

(1.武汉东湖学院 机械工程学院，湖北 武汉 430212；2.湖北三环汽车方向机有限公司，湖北 咸宁 437100；东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430212)



动力转向器控制阀结构设计的优化

徐静1刘海2许燕3

(1.武汉东湖学院 机械工程学院，湖北 武汉 430212；2.湖北三环汽车方向机有限公司，湖北 咸宁 437100；东风汽车公司技术中心，湖北 武汉 430212)

分析了两种不同结构的动力转向器的控制阀，分别介绍这两种动力控制阀的工作原理及油路走向，并通过对这两种控制阀结构的对比分析，得出更有利于提高控制阀灵敏度和稳定性的构造，可供实际加工参考。

控制阀结构油路灵敏度稳定性

0　引言

在汽车的动力转向系统中，转向器起着至关重要的作用。动力转向器可根据控制阀的运动方式不同而分为两种：转阀式和滑阀式[1]。本文主要介绍转阀式动力转向器的控制阀的构造及原理。转阀式控制阀的结构设计关键在于控制阀的油路走向，当驾驶员转动方向盘时，控制阀的灵敏度及稳定性在很大程度上决定了汽车转向功能的优劣[2][3]。

1　动力转向器的三件套式控制阀结构

1.1构造展示

如图1所示，这种动力转向器的控制阀结构是由螺杆轴、阀套和输入轴三个核心零件构成的。在螺杆轴的圆周方向上分别均匀分布着三个进油口、三个回油口和六个出油口(其中三个油口通往壳体上腔、另外三个油口通壳体下腔)，其内表面上开有同阀套相配合的六个同样宽度的纵向油槽。

图1　三件套式控制阀结构示意图Fig.1　Three-piece type control valve structure diagram

阀套的外表面上切有六条不贯通的纵向油槽，且每两个油槽之间分布有等值的键宽，用来与螺杆轴内表面的纵向油槽配合形成油液的流动间隙。阀套外圆面的下端开有矩形缺口，而输入轴下端安装的定位销卡入此缺口中，保证转动输入轴时，阀套能随输入轴同步转动[4]。

输入轴为空心管形轴件，下端开有盲孔，弹性元件——扭杆的一端装配于该盲孔中，然后通过销联接与输入轴固定在一起。扭杆的另一端与螺杆轴的底部的内孔相配合，同样通过销联接与螺杆轴固定在一起(见图1)。

1.2转向器工作原理分析

如下图中结构所示，汽车在转向过程中，一方面驾驶员通过转动方向盘将转向力矩传至输入轴，输入轴通过销带动阀套转动；另一方面，来自地面的阻力矩通过摇臂轴和活塞作用于螺杆轴上，使螺杆轴暂时固定。由于输入轴与螺杆轴之间以弹性扭杆相连，故输入轴(阀套)与螺杆轴之间会产生一个相对转角(该相对转角等于扭杆的扭转角)，即阀套外表面上的键与螺杆轴内表面的油槽产生相对角位移，则此时控制阀开启，压力油流入对应的液压腔(壳体上腔或下腔)，该压力油推动活塞直线运动从而带动摇臂轴转动，实现转向助力[5][6]。

1.2.1汽车直线行驶

当汽车处于直线行驶状态时，由阀套外表面与螺杆轴内表面配合所形成的控制阀结构位于中间常开位置(如图3中间视图所示)，阀套的每个键相对于螺杆轴的油槽两侧的间隙值都相等，来自油泵的高压油从转向器阀体的进油口进入，经由螺杆轴外表面进油口流入其内腔，并通过阀套与螺杆轴之间的常开间隙经回油口回到储油罐，此时壳体上下两腔的油压相同，齿条活塞处于中间平衡位置，没有助力作用。

图2　转向器装配及油路走向示意图

1.输入轴 2.阀套 3.螺杆轴 4.摇臂轴 5.活塞 A.阀体进油口 B.螺杆轴进油口C.螺杆轴出油口(通下腔) D.阀体斜油口 E.壳体深油孔 F.螺杆轴出油口(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)

图3　汽车转向示意图

1.2.2汽车转向行驶

左转向时，输入轴逆时针旋转，带动阀套相对螺杆轴左转，使得每个阀套键左侧与螺杆轴油槽之间的间隙都关闭(如图3左侧视图所示)。转向油泵供油从阀体进油口流入，依次通过螺杆轴进油口、出油口、阀体上的斜油孔进入壳体上的深油孔，最终通往壳体下腔，并推动活塞沿轴线往上腔运动(油路走向见图2中A→B→C→D→E)，壳体上腔油液通过回油口流回储油罐。

右转向时，输入轴顺时针旋转，并带动阀套相对螺杆轴右转，从而关闭了每个阀套键右侧同螺杆轴油槽的间隙(如图3右侧所示)。来自油泵的高压油从阀体进油口通入螺杆轴上的进油孔，流经螺杆轴出油孔后直接进入壳体上腔，并在活塞左侧产生助力作用，推动其往下腔移动(油路走向见图2中A→B→F)，壳体下腔油按相反油路返回储油罐。

2　动力转向器的两件套式控制阀结构

2.1构造展示

如图4所示，相较于三件套控制阀结构，两件套式少了一个阀套。在三件套式结构中，是利用阀套外表面每两个油槽之间的键与螺杆轴内表面的油槽之间的相对转角来实现控制阀的开启。但在两件套式结构中，则是在输入轴外圆面上切有三长、三短共六个纵向油槽，并利用两两油槽之间的键与螺杆轴内油槽之间的相对位置控制油路走向，故这种结构就不再需要阀套。

图4　两件套式控制阀结构示意图Fig.4　Two-piece type control valve structure diagram

长、短油槽在输入轴的不同转向过程中，起着引导油液通入不同压力腔的作用，因此螺杆轴的构造相对于三件套式而言，也进行了适当调整：在其外圆表面上保留了九个油孔——三个进油口、三个回油口及三个通往壳体上腔的油口。

2.2转向原理分析

此种结构在汽车直线行驶时，转向器各个部件状态与三件套式相同。现仅讨论汽车转向行驶时的工作原理。

汽车左转向行驶时，输入轴逆时针旋转，其外圆面上的键相对于螺杆轴内表面的油槽产生左转角位移，来自转向油泵的油液从阀体进油口输入，通过油道进入螺杆轴外圆面上的进油口，流经输入轴外圆上的长油槽，被引入螺杆轴内腔下端，并经由其下端上的孔流出，从而通入壳体下腔(油路走向如图所示)，壳体上腔油液通过回油口流回储油罐。

汽车右转向行驶时，输入轴顺时针转动，其外圆上的键与螺杆轴内油槽产生右向相对转动，来自油泵的高压油自阀体进油口进入后，经油道流入螺杆轴进油口，然后从输入轴外表面的短油槽流出，通入螺杆轴上出油孔，流向壳体上腔(油路走向如图6所示)。此时，壳体下腔油液通过回油口流回储油罐。

图5　两件套式控制阀结构左转油路走向示意图

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

1.螺杆轴进油口 2.输入轴长油槽 3.螺杆轴下端通孔

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

图6　两件套式控制阀结构右转油路走向示意图

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

1.螺杆轴进油口 2.输入轴短油槽 3.螺杆轴出油口

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

3　对比分析

通过上述分析，可以看出，两件套式控制阀结构相较于三件套式而言，具有以下优点：

第一：减少了一个阀套零件，节约了一定的生产成本，经济效果显著。

第二：两件套式控制阀在输入轴转动时，利用其自身键宽直接与螺杆轴油槽产生相对转角的方式开启，没有中间传力零件，从而避免了传动过程中的间隙，提高了阀的灵敏度。

第三：阀套属于薄壁零件，零件厚度约为4～5毫米，但转向器的使用温度一般为-40 ℃～120 ℃，极限压力为15 MPa甚至更高。两件套的控制阀没有使用阀套，从而避免了阀发卡的隐患，提高了转向器的稳定性。D

第四：将同等缸径(φ120缸径)的两种控制阀结构分别进行空载试验、力特性试验和功能试验，所得到的试验数据如下表所示：

目前，这种两件套式控制阀结构已在该公司的生产过程中得到全面应用，且效益良好。

表1　试验对比分析

[1]张静，方世杰.循环球转向器螺杆的可靠性计算[J].煤矿机械，2006,27(2)：187-188.

[2]姜华平.控制阀式动力转向器的结构及原理分析[J].济南交专学报 1993,(2).

[3]苗立冬，夏长高，高翔.循环球式液压助力转向系统分析[J].江苏大学学报，2002,23(3)：50-53.

[4]李松和.控制阀式动力转向器的结构原理及使用维护[J].汽车技术，1998,(6)：36-38.

[5]黎启柏，谢卓伟，高佑方.恒流控制阀式动力转向器的动态和静态特性研究[J].华南理工大学学报，1997,25(11)：74-79.

[6]毕大宁.汽车转阀式动力转向器的设计和应用[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

徐静(1988-)，女，河南信阳人，助教，从事机械设计及理论方向教学工作。联系电话：13419529694

U463.44+2

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