汽车转阀式动力转向器的设计与应用

QICH E ZHU ANF ASHI DONGLIZHU ANXI ANGQI DE SHEJI YU YINGYONG 汽车转阀式动力 转向器的设计与应用 毕大宁 编著 人 民 交 通 出 版 社 内 容 提 要 本 书着 重介绍 循环球 结构 的整 体转 阀式 动力 转 向器 的设 计方 法、性能 预 测、试验方 法、装配 调整和 在整 车上的 匹配 设计 可供 汽车 设计、制造 人员 参考使 用。 汽车转阀式动力 转向器的设计与应用 毕大宁 编著 插图设计: 高静芳 版式设计: 崔凤莲 责任校对: 尹 静 人民 交通 出版社 出版发 行 100013 北 京和 平里东 街 10 号 各地 新华 书店经 销 人 民交通 出版 社印刷 厂印 刷 × 开本 : 787 1092 1/ 32 印张: 字 数: 千 199 年 月 第 1 版

199 年 月 第 版第 次印 刷 印 数: 册 定价 : 元 ISBN 7－114－ － · 前 言 近年来 随着我国 汽车工 业的迅猛 发展 作 为汽车 的重 要安全件—— 汽车转向器的生产水平也有了很大提高。在汽车转向器 生产行业 里 70 年 代推广 了循环 球转向 器 80 年代 开发和推 广了循环 球变传 动比转向 器 对 提高我 国汽车 转向 轻便性水平起了很大的推动作用。到了 90 年代 驾驶员对汽车转向性能的要求有了进一步的提高 要求转向更轻便、操纵更灵敏。过去采用循环球转向器和循环球变比转向器只能相对的解决 转向轻便 性和操 纵灵敏性 问题 要想从 根本上 解决 这两个问题只有安装动力转向器。因此 除重型汽车和高档轿车早已安装动力转向器外 近年来在中型货车、豪华客车及中档轿车上都已开始安装动力转向器。随着动力转向器技术水平的提高、生产规模的扩大和市场的需要 其它一些车型也必将陆续安装动力转向器。 目前国 内这些车 型和国 外同类汽 车的 发展 趋势一 样 都采用了整体式动力转向器。除轿车全部采用了齿轮齿条整体式动力 转向器外 其它 车型大 都采用循 环球整 体式动 力转 向器。在这些动力转向器中 其控制阀也由过去广泛采用的滑阀式结构几乎全部改为转阀式结构。 本书着重介绍循环球结构的整体转阀式动力转向器的设计方法、性能 预测、 装 试验方 法、 配调整和 在整 车上的 匹配 设计。 作 者 目 录第一章 转阀式动力转向器概论 …………………………… 1 第一节 结构特点求理

……………………………………… ……………………………………… ………………………………………

1 3 8

第第第

二三二

章节节 选

设作型

计用与

要原设

计 定定 测算法

……………………………………… ………………………………… ………………………………… …………………………………

12 16

12 第

第一节 二四第

节

章五

章

参数的确结

构强试

的度验

确计方

第三章 41

第51

性能计算与预

………………………………………… …………………………………………

第六章 装配与调

整 ……………………………………… 60第七章 在整车上的匹配设

计 …………………………… 65 第一章 转阀式动力转向器概论 第一 节 结 构 特 点 转阀式 动力转向 器属整 体式动力 转向 器的 一种 是整 体式动力 转向器的 最新结 构 代 表着整体 式动力 转向器 的发 展方向。 这种 动 力转 向 器的 结 构主 要 由机 械 部 分和 液 压部 分 组成。其机械部分与循环球机械转向器基本一样 由壳体、循环球螺杆螺母部分、齿条齿扇部分、侧盖及调整螺栓等组成。其液压部分由控制阀、油缸及活塞等主要件组成。 在这种动力转向器中 壳体是承受高压的 最大工作压力已达 15M Pa 壳体上部又作为油缸的缸筒。在控制阀部分 阀体又作为转向器上盖用 转向轴同时又作为转阀的阀芯 二者之间是阀套。转向轴与螺杆由扭杆连接。螺母和齿条是一体的 同时又起活塞的作用。齿扇与齿扇轴仍为一体 同时又作为动力 转向器输 出力矩 传力件 所以比 一般机 械转向 器齿 扇轴直径加大。这类动力转向器中主要件的结构类似 但不同动力转向器在结构上又各有特点。 图 1 显示一个典型的转阀式动力转向器的结构。它的特点是铝合金壳体加缸套结构 转阀为标准型钢阀整体式结构阀的轴向定位靠壳体下部调整螺栓支撑。侧盖采用了钢丝挡圈限位结构。 1 第二 节 设 计 要 求 转阀式动力转向器的设计必须能达到以下 8 个方面的要求: 1． 为用户提供不同要求的转向手力特性 动力转 向器的性 能一般 用转向手 力特 性表 示 即 转向 手力与输出载荷 用工作压力代表 的关系曲线。 典型的转向手力特性曲线如图 2 所示。该曲线表示了动力转向器随着转向手力增加输出载荷增大的不同情况。在低输入手 力和高输 入手力 时 两 者输出载 荷增加 的速度 显然 是不同的。 设计时要 求在直 线行驶位 置附近 由 于转向 阻力 较小 希望外助 力作用增 加的小 些 机 械转向 的程 度相对 大些使驾驶员在此范围小角度转向时对地面阻力变化的感觉更直接一些。在大角度转向时 此时转向

阻力较大 希望外助力大些 使驾驶员转向轻便些 即此时输出载荷明显增加。 如图 2 所 示 应把典型 转向手 力特 性曲线划分为四个区间。A区即直线行驶位置附近小 角度 转向 区 该区间输 出载荷 增加 的较小 B 区 属 常 用 转 向区 该区 间动 力转 向器助力 作用 增长 明显 对整车 转向性 能有 较大影响。需要通过调整各 图 2 典型转 向手力 特性 曲线结构 参数满 足不 同驾 3驶员对不同车型转向性能的不同要求。车型不同该区间的位 ～ 之置也不同 一般在转向轮内轮 转角 20° 30° 间 相当于 转向手力 在最 大 手力 的 20 ～30 之 间 C 区 为 最大 转 角 区 接近于原地转向情况 此时转向阻力最大 需要输出载荷迅速增大实现较大的助力作用 介于 A 区和 B 区之间的区间为 临界转换区 —— D 区 它是汽 车从直 线行驶位 置附 近小角 度转 向向快速转向的过渡区 它的大小由阀的预开间隙、扭杆回位力等参 数决 定 该 区对 开 始助 力 转向 的 效果 影 响较 大 不 容 忽略。 转向手力特性直接决定该动力转向器的 。 “路 “路感” 所谓感”就是驾驶员在实现转向动作的同时 通过转向器获得对路面状况和阻力变化的直接感觉。这种感觉是驾驶员在驾驶车 “辆过程中不可缺少的。 路感”的获得是通过转向器实现的 所以路 感的 大 小与 转向 器特 别是 动 力转 向 器 的结 构 有直 接 关系。“路感”的大小通常用常用转向区路感强度值来表示。 路感强度的定义为转向手力增加单位值时相应输出载荷的变化量。一般推荐用转向手力特性中相当于 1/ 4 最大载荷点的斜率来代表 用 E 表示路感强度 图 3 。 E Δ / Δ dp / dF p F 1 在转阀 式动力转 向器的 设计中 要根 据用 户的需 要调 整不同的 转向手力 特性 可以通 过改变扭 杆的刚 度和改 变转 阀刃口的过流面积来调整转向手力特性供用户选用。扭杆刚度的变化 可以用改 变扭杆 直径和长 度的办法 实现 改变 刃口 过流面积可以用改变阀预开间隙和改变刃口切口形状和尺寸来实现。进行不同的调整方式可以得出不同的转向手力特性 按前述方法分析和计算可以得出不同的路感强度大小。 2． 提高动力转向器单位质量输出扭矩 动力转向器的单位质量输出扭矩是整体式动力转向器的 4 图 3 路感 强度 图解重要评价指标。提高单位质量输出扭矩的途径主要为减轻转向器自重和提高系统工作压力。国外的转阀式动力转向器的单位质量输出扭矩最高的已达 160 N ·m / kg 以上。 减轻壳 体的质量 可在 保证壳 体强度 的前 提下减 薄壳 体的壁厚 和将壳体 设计得 更紧凑 再有一 个办法 就是改 变壳 体的材料 由球墨铸铁改为更轻的铝合金或镁

合金。这样可以降低壳体的质量达到减轻转向器自重的目的。 简化转 向器其它 分总成 的结构 选择 合理 地减少 质量 的结构方案 在强度允许的前提下将零部件尽量设计的小巧 亦可达到减轻转向器自重的目的。 提高系统工作压力主要靠提高油泵的工作压力和提高动力转向器各部位密封能力来实现。现在与动力转向器配套的油泵大 都采用叶 片式油 泵 国 外的叶片 泵的最 大工作 压力 已达 15M Pa 而国内目前生产的叶片泵多为 10～13M P a 。这也是为什么国外整体式动力转向器的单位质量输出扭矩比国内高的主要原因之一。 提高转阀式动力转向器的单位质量输出扭矩可以使转向 5器设计的更轻 对减轻整车自重是有利的。 3． 提供不同的角传动比 动力 转 向器 角 传动 比 的大 小 直接 影 响 整车 行 驶的 机 动性 角传动比越小机动性越好。机械转向器角传动比小了增大了转向手力 动力转向器由于有了转向助力作用 使减小转向器传动比成为可能。转向器角传动比与转向器总圈数有直接 ±5°关系 由于 动力 转向 器输出 角基 本要求 在 90° 范围 所 以由公式 2 知道角传动比小了转向器总圈数也要减少。 ｉφ ｎ·360° 2式中: ｉ—— 转向器角传动比 φ—— 转向器输出角度 ｎ —— 转向器总圈数。 根据人们的习 惯 一般动 力转向器总圈数 应在 4. 5～5. 5圈 动力转向器角传动比应在 18～22 之间。 4． 密封性能好 内外泄漏小 对动力转向器而言 密封性能好坏直接影响其工作性能所以必须提高内外密封性能 不准外泄漏和沿滑动副渗油 内泄漏也必须控制在规定的范围内 越小越好。特别是在长时间使用后内泄漏也不得有明显增加 亦应在标准规定值以内。 密封性 能好坏和 内外泄 漏大小主 要与 加工 精度的 控制、密封结构和元件设计以及密封元件本身质量有关系。前两点靠工艺和设计保证 而密封元件本身的质量是靠配套厂保证。 “O 型橡胶 密封圈的尺 寸国内现 有密封元件质量 问题较大。 ”不准确 耐油 橡胶材质 易老化 变形 后尺寸 不恢 复 不 能保 持??性 是 主 要 问 题 带 骨 架 油 封 刃 口 的 微 观 裂 纹 废 品 率 达45 造成沿滑 动副密封 面渗油 聚四 氟乙 烯密 封圈弹 性差作为轴上的密封圈装配或拆卸时张开后不恢复原尺寸都是造成影响密封质量下降的重要原因。因此为解决上述质量问题 6必须选择好的密封元件配套厂 选择高质量的耐油橡胶材质改善 橡胶 配 方和 成型 工 艺 保 证元 件 尺寸 防止 产 生微 观 裂纹 对聚四氟乙烯原料进行改性或开发高质量替代产品 提高其弹性都是至关重要的。其次要保证装配时不损坏密封元件改善装配工艺 必要时采用专门工具进行装

配。 5． 强度要好 寿命要长 所设计的动力转向器必须保证足够的强度和寿命。一方面从设 计上保证 强度 另一方 面要从材 料和零 件加工 及热 处理上保证达到设计要求。这就要求提高设计水平和提高工艺水平 使我们设计和生产的新型动力转向器的水平得到提高达到和超过国外同类产品的水平。 6． 安装方便可靠 在动力转向器设计中 必须考虑安装方便和可靠。一是装拆容 易 包括 每 个固 定 螺栓 都 容易 装 卸 行 程限 位 阀容 易 调整。二是动力转向器本身刚性要好 特别是动力转向器输出扭矩大 这一点特别重要。对于尺寸较长的动力转向器必须考虑安装辅助支撑的位置和固定的结构。三是必须考虑与其连接的辅助 件装拆方 便 如 转向轴 连接万向 节、输出 摇臂和 拉杆、支架等。 只有在 动力转向 器设计 中保证安 装方 便和 可靠 才能 确保在装车使用中的可靠性。 7． 成本低 在设计此类动力转向器时 必须充分考虑制造的成本。应通过对 结构的合 理选型 结合 生产厂家 的设备 条件和 工艺 水平把制 造成本控 制得尽 量低 这样才可 能保证 生产厂 家的 效益。 8． 系列化设计 在设计 此类动力 转向器 产品时 从一 开始 就要立 足于 系 7列化设计 把产品以输出扭矩分成几档 提高产品的标准化和通用化程度。力争用较少的产品种类涵盖从轻型车到重型车各种车型 以利厂家组织生产提高效益。 第三 节 作 用 原 理 如图 4 所示 动力转向系统由转向油罐 1、转向油泵 2、转 图 4 动 力转向 系统 图 1－转 向油罐 2－转 向油 泵 3－转向管 路 4－动力 转向器 8向管路 3、动力转向器 4 组成。动力转向器可以是滑阀式结构的 也可以是转阀式结构的 这里主要介绍的是转阀式动力转向器的作用原理。 一般是 由转向油 泵不停 顿的随发 动机 转动 而工作 把 油从油罐吸出向动力转向器控制阀供油。无转向动作时 控制阀处于常开中间位置 油通过控制阀直接回到转向油罐。 当转 向轴输入 一个转 向指令时 由于 转向 轴 阀芯 与 转向螺杆一般都是通过扭杆连接的 转向螺杆通过转向螺母 齿条活塞 、齿扇轴、摇臂、拉杆与车轮连接在一起。此时由于地面转向阻力大 所以转向螺杆以下都是不动的 转向轴 阀芯在外 力的 作 用下 将克 服扭 杆弹 性 产生 一 个 相对 阀 套的 角 位移 使转阀每个台肩一侧油路全开 另一侧全闭。这样油泵供来的油沿被打开的油路向油缸中相应的一腔供油。由于油是不可压缩的 充满油的一腔继续被供油就会膨胀 只有推动齿条活塞移动。而此时齿条活塞通过齿扇轴、摇臂、拉杆与车轮相连 由 于地 面 转向 阻 力较 大 在 活塞 上 产 生阻 力 阻止 其 移动 使

该 腔油 压 升高 直 到 油压 在 活塞 一 侧 产生 的 推力 足 够大 超过地面转向阻力在活塞上形成的阻力后活塞开始移动通过这些中间传力件带动车轮转向。这样的过程实际上是动态过程: 即转 向轴开始 转动打 开了油路 油 泵向 工作腔 供油当地面转向阻力大时活塞不动 工作腔油压就会不断增大 油压大到一定程度在活塞一侧产生的推力大到能克服车轮的转向阻力就会推动活塞带动车轮转向。车轮转向阻力减小 在活塞上产生的阻力也会减小 工作腔油压也会相应降低 降到仍能维持车轮继续转动。此时另一腔的油在活塞推动下沿回油路回到转向油罐。转向轴停止转动时 在扭杆弹性恢复力和油压力的继续作用下 阀芯和阀套回到中间常开位置 油泵供来的油不再流入任何一腔 直接回到转向油罐 直到下一次转向 9动作开始又重复上述过程。所以 动力转向系统是一个典型的液压随动系统 所有的工作过程都是在动态下实现的。关于该系统阀 的振动带 来的影 响就不在 本文中讨 论了 但设 计者 应该在设计和使用中给予重视。 图 4 的结构是轿车动力转向系统常用的结构。转向油泵较小 直接装在转向油罐内部 进油阻力小 节省了 油泵散热好 结构紧凑。 转阀的工作 原理见图 5。该 图是一种典型的 六槽式转 阀 图 5 转 阀工作 原理 图 1－阀套 2－阀 芯 3－扭杆的结构 在阀套 1 的 内孔表面有轴向 盲槽 两 端不通 阀芯 2的外表 也开有与 阀套槽 错开的槽 其台 肩与阀 套槽之 间在 圆周方向 有一定的 间隙 该间隙 我们称之 为这种 常流式 阀的 预开间隙。在阀芯内部的是扭杆了。在阀套、阀芯上分布着进油孔、回油孔和到上下腔的油孔。如图所示的六槽式转阀则均匀分布各 三个孔道 该结 构到下 腔油孔是 利用阀 芯内部 的扭 杆孔 所以在阀芯上还开有三个孔 其他结构是利用壳体上的深长孔或 壳体外的 外接管 把油引向 下腔 则这三 个孔仍 开在 阀套上。如果是八槽式转阀则均匀分布各四个孔道。 10 不转向时 如图 5 中图所示 此时阀芯相对阀套处于中间位置 阀芯每个台肩相对阀套槽两侧的间隙相等 全部油道是相通的。油泵来油从进油口进入阀套通过台肩与槽之间的常开间隙经过回油口回到转向油罐。此时到上下两腔的油道也是常通的 所以不向上下两腔的任何一腔供油。 左转向时如图 5 左图所示 此时阀芯相对阀套左转 关闭了每个阀芯台肩左侧与阀套槽的间隙。油泵来油经过阀套进油口、相应阀芯台肩右侧与阀套槽之间扩大的间隙、阀芯上的孔道和 阀芯内的 扭杆孔 全部流入 壳体下腔 推 动活塞 起助 力作用。壳体上腔的油则按相反的油路流回转向油罐。 右转向时则如图 5 右图所示 阀芯相对阀套

右转 关闭了每个阀芯台肩右侧与阀套槽的间隙。油泵来油经过阀套进油口、相应阀芯台肩左侧与阀套槽之间扩大的间隙、阀套上的孔道流入壳体上腔 推动活塞起助力作用。壳体下腔的油则按相反的油路流回转向油罐。 11 第二章 选型与设计 第一 节 参数 的确定 转阀式动力转向器设计的主要参数为缸径、工作压力、输出扭矩。一般以输出扭矩为代表 不同的前轴负荷需要不同的输出扭矩的动力转向器与之匹配。输出扭矩的大小取决于油缸工作面积、油泵最大压力和扇形齿分度圆半径。对于转阀式动力转向器输出扭矩计算时应以油缸两腔中最小工作面积计算 即油缸工作面积减去螺杆外径所占的面积。 M p S0- S1 R F 3式中: M —— 动力转向器输出扭矩 N · m p —— 油泵最大工作压力 M Pa 2 S 0 —— 油缸工作面积 m 2 S 1 —— 螺杆外径所占面积 m R F —— 扇形齿分度圆半径 m 。 油缸工作面积取决于油缸缸径。为使动力转向器的系列能 覆盖 整 个 车 型 系列 缸 径的 范 围 常 用 为 110mm 、 mm 、 10090mm 、80mm 和 70mm 等 这 也是 与国家 标准 缸径系 列推 荐值 密封圈国家标准直接相关的。 油泵的最大工作压力多采用 10M Pa 、 M Pa 、 M Pa 等 13 15这也是目前叶片式转向油泵常用工作压力范围。 汽车转 向轴负荷 范围较 大 从 可能采 用动 力转向 器的 汽 12车转向轴负荷 8～80k N 这样 大的范围 系列化产品一般 需采用 8～9 个品种的动力转向器才能满足需要。如果能用较少的机型满 足需要 最好的 办法是 采用变更 油泵最 大工作 压力 的办法 采 用 2～ 3 个油 泵最 大工 作 压力 采用 4～ 5 个油 缸 缸径 分别组合起来组成 10～12 个品种的动力转向器组成一个产品系列。 表 1 列出了国外和国内公司典型的转阀式动力转向器产品系列参数。 从表 1 我们 可以 知道美 国 T RW 公 司最新 T A S 系列 转阀式动力转向器参数情况。它由 9 个型号组成 适应前轴负荷12～82kN 其 较大型号.