传统液压动力转向系统

    一、传统液压动力转向系统的组成与工作原理

    液压式动力转向系统的组成与工作原理分贝如图5-1-1和图5-1-2所示。它主要有转向油泵、动力缸、转向控制阀、机械转向器和转向传动机构构成。

    1.转向油泵

     转向轴泵是液压传动转向系统的动力源，它由发动机带动工作，在转向时向动力油缸提供高压液压油使其产生机械推力。

    转向油泵的常见形式有齿轮泵，转子泵和叶片泵等。

     2.动力缸

    动力缸是一个双向作用缸，它的作用时在转向控制阀的控制下，将转向油泵提供的液压力转变为机械力，以帮助推动转向轮偏转或回正。

    动力缸常根据动力转向系统的结构形式和不同的布置要求而单独设置或与机械式转向器制成一体，图5-1-2中为单独设置式。

    3.转向控制阀

    转向控制阀依其结构与工作原理的不同，可分为滑阀式（直线形成随动阀）、转向阀式和阀瓣式（角行程随动阀）几种形式。图5-1-2为滑阀式。

    4.安全装置

    在动力转向系统工作时，动力活塞的移动速度除随转向盘的转动速度（控制阀的开度）变化外，还去取决于油泵的供油量。如果油泵国内共有不足，会使转向动力活塞的移动速度变慢，转向沉重，当油泵供油量过大时，又会使转向动力过分灵敏，使转向发飘。油泵的供油量受发动机的转速影响较大。当发动机怠速时，油泵应有足够的供油量，以满足转向助力的需要，但当发动机高速运转时，则需要对油泵的供油量进行必要的限制。为此，如图5-1-2所示，在转向油泵的出油口处装有油量孔4和溢流阀两组成的限流装置，当油泵的排油量过大时，溢流阀打开，使一部分工作油经溢流阀返回油泵进油孔口，以维持油泵供油量的稳定。

    在行车时，一旦转向油泵失效或发动机突然熄火，为保证汽车的安全行驶，应能以人力顺利实现转向。为此，在系统的高、低压油路间还装有一个强制转向单向阀5，在正常情况下，单向阀5是关闭的。在油泵不能正常工作的情况下转向时，单向阀5在进、回油管路压差的作用下打开，形成动力油缸左、右缸小循环通路，保证动力油缸左、右腔顺利排油和充油，减小液压阻力。安全阀6的作用是限制系统的做高压力，以防止机件过载损坏。

    液压动力转向系统中均应设置上述安全装置，以确保行车安全。

    二、传统液压动力转向系统的结构形式

    液压式动力转向系统按其液流形式、控制阀、动力缸和转向器的结构位置关系不同可分为以下几种类型：

    1.按液流形式不同分为常压式与常流式

    常压式动力转向系统是指汽车不转向时，液压系统内的工作油总是保持高压，控制阀总是关闭的。常压式动力转向系统需设置储能器，油泵排出的高压油储存在储能器中，达到一定压力后油泵即卸载而空转。

    常流式动力转向系统是指汽车不转向时，控制阀中的滑阀（或转阀）总是处与于中间位置。进油阀和回油阀均处于打开状态，高、低压油路保持畅通，液压系统一直处于“短路”的低压常流状态。目前汽车上，特别是中小型车辆上使用的动力转向系统多为常流式。

    2.按动力缸、控制阀与转向器的结构关系不同分为整体式，半整体式和分开式三种，转向控制阀和转向器合制为一个整体式的称为整体式，动力缸。控制阀和转向器三者为独立结构并分开布置的称为分开式，动力缸与转向控制阀合制为一体，而与转向器分开布置的称为半分开式。费整体式动力转向系统多用于大。重型车辆。三种形式如图5-1-3所示。

    3.以转向控制阀的结构和工作原理不同，动力转向系统可分为滑阀式，转阀式和半阀式，具体结构特点在后面的章节中详述。

    第二节 液压动力转向系统的构造与工作原理

    通过转向控制阀实现转向时动力缸的随动加力控制是液压式动力转向的核心，本节将以转向控制阀为核心讲述各种液压动力转向系统的构造与工作原理。

    一、整体滑阀式液压动力转向系统

    如图5-1-4所示，整体滑阀式液压动力转向系统主要由油泵、油箱 和制成一体的循环球式转向器、转向控制阀、动力缸组成。动力缸与转向器外壳制成一体，动力缸活塞与转向器螺母制成一体；滑阀的构造见图5-1-5，带有回转槽的滑阀通过推力轴承安装在转向螺杆上，阀体与转向器外壳制成一体。滑阀两端设有导向板，导向板与阀体两端保持很小的轴向间隙X，在滑阀阀体的四周对称布置有反向作用柱塞。自由状态下，反作用柱塞在其缸筒内反作用弹簧（滑阀定中弹簧）的作用下压紧在滑阀导向板上，使滑阀位于阀体的中间位置。反作用柱塞缸桶通过油道与滑阀的高压油腔相通，使助力油压同时作用于反作用柱塞，滑阀的定中力与助力油压成正比，在转向盘上形成转向阻力矩成正比的转向路感。

    1.汽车直行时的工作状态

    如图5-1-5所示，当汽车处于直行状态时，转向盘保持中间位置且不受转向力矩的作用；汽车转向轮在前轮定位的作用下处于自然直行位置。此时，反作用柱塞弹簧（亦称为定中弹簧）的弹力使反作用柱塞前后端同时压紧转向器外壳和滑阀两端的导向板，使滑阀和转向螺杆同时处于中间位置，位于滑阀中间位置的进油口和两侧位置的回油口均处于开启状态，由转向油泵进入控制阀的高压油直接回流到油箱，动力缸的左右腔均处于低压状态，系统处于不工作状态，转向油泵也处于卸荷状态，转动阻力很小。

    2.汽车右转转向时的工作状态

    如图5-1-6所示，当汽车右转向时，驾驶员在转向盘上市价又转向操纵力矩，通过螺杆向右推动齿条螺母，而此时车轮回正力矩和转向阻力矩经转向传动件回传到转向摇臂轴齿扇，形成阻力值转向器齿条螺母向右运动的阻力，使转向螺杆受到向左的反力而克服反力而克服反力活塞弹簧弹簧力带动滑阀相对于阀体左移，使滑阀右腔进油口关闭，回油口开打的同时，左腔回油口关闭进油口大开，高压油充入动力缸左腔推动动力活塞右移产生右移转向加力作用，使前轮向右偏转。在转向盘继续转动过程中，上述加力作用一直存在，实现右转向，当转向盘停止转动时，转向螺杆不再推动螺母继续右移，但动力活塞油压的作用下继续向右移动，带动螺母、螺杆和滑阀一起向右移动，使左腔进油口开度减小，并适度打开左腔回油口，使部分液压油回流，流向动力缸左腔的优雅减小，油缸推力与转向轮回正力矩保持平衡。此时，动力活塞停止移动，实现保持固定转向角转向。

    在转向回正时，驾驶员回转转向盘使转向螺杆带动滑阀进一步向中间位置移动，左右腔进、回油口均被打开，系统处于低压状态，加力作用消失，转向轮在回正力矩的作用下随之回正。当转向盘回正速度大于转向轮自动回正速度或转向轮回正受到阻碍时，转向螺杆带动滑阀向左移动，动力缸产生使转向轮向左偏转的加力作用，强制转向轮回正。

    通过上述转向过程分析可知，汽车前轮转向偏转的方向。角度和速度完全与转向盘转动的方向、角度和速度成正比——具有随动性，时对动力转向的普遍要求之一。

    3.汽车左转向时的工作状态

    当驾驶员进行左转向操作时，向转向盘施加左转向力矩，控制滑阀和动力缸随之产生于右转向相反的动作，实现左转向加力。左转向的加力、保持和回证过程、工作原理与右转向时相似，再次不再重复叙述。

    值得强调的是：不论转向盘处于直行还是治安想位置，当转向轮受到路面干扰而发生偏转时，都将通过机械传动反馈作用于转向控制阀上，使动力缸产生与车轮偏转方向相反的加力作用而阻止其偏转，从而使汽车保持形式方向的稳定。——这是汽车装备动力转向系统后获得的有一个重要性能改进。

    4.转向“路感”的形成

    所谓的“路感”就是转向系统把转向阻力情况成正比例反映到转向盘上的特性，体整体滑阀式动力转向系统工作时也会产生“路感”。工作时，反作用弹簧的压缩弹力和加力油压推力经反力活塞共同作用在导向板上（相当于增加可反作用弹簧的刚度），使转动螺杆所需的力矩与转向力大小成正比，回传到转向盘上即使驾驶员产生转向“路感”——具有“路感”是对动力转向的普遍要求之二。

    5.液压助力失效时的安全工作状态

    在液压助力失效的情况下转向时，转向螺杆首先在转向摇臂阻力的作用下产生轴向移动，使导向板与转向控制阀的轴向间隙消失，随即螺杆被轴向定位，继续转动转动盘时即靠机械力直接带动转向螺母作轴向移动实现转向——具有实效安全保护是对动力转向系统的普遍要求之三。

    不过在液压助力失效转向时，因无助力作用需施加在转向盘上的转向力矩较大，转向较为沉重。此时设在动力转向器上的强制转向阀将被打开，使动力缸左右腔联通，以减小动力油缸产生的液压阻力，防止转向过于沉重。

    二、整体瓣阀式液压动力转向系统

    1.系统的构造

    与整体滑阀式的主要区别在于集成于动力转向器内的转向控制阀结构不同，其构造如图5-1-7所示。

    动力油缸、控制阀与机械转向器制成一体。阀瓣共分为两组，其阀体与转向螺杆固定装配成一体，两组可在阀体内作一定角度转动的止回阀则与扭力杆的外端（后端）固定连接，扭力杆的内端（前端）与转向螺杆固定链接，转向轴通过花键与扭力杆的外端相连。

    2.汽车直行时的工作状态

    两组瓣阀控制着动力缸左、右两腔的进油、回油两组通道，如图5-1-8所示。

    当转向盘处于中间位置无转向力矩时，扭力杆使两组止回阀均处于中间位置，动力缸左右腔的进、回油路均处于打开状态，两腔油压同时处于低压状态而不产生加力作用，转向油泵也处于卸荷状态。

    3.汽车右转向时的工作状态

    汽车右转向时的工作状态如图5-1-9所示。

    转向盘向右转动时，扭力弹簧产生顺时针方向扭转变形，两组瓣阀同时相对于阀体产生转动，使右转向助力腔进油阀V2打开，回油阀V4关闭（或开度减小），左转向助力腔进油阀V1关闭（或开度减小）、回油阀V3打开，右腔增压， 左腔排油产生助力作用。

    当转向盘停止转动而处于维持转向状态时，第一二回阀处于固定位置，动力活塞在油压的作用下继续向加力方向移动以微小距离，使转向螺杆所受阻力减小，带有扭转应力的扭力杆带动阀体及螺杆向顺时针方向转动一定的角度，使V1V4口处形成一定间隙产生分流，流向动力缸右腔的液压力减小，直到与转向轮回正力矩对助力活塞的作用力相平衡，转向轮保持转向角固定不变。

    当驾驶员向左回转转向时，第一、二止回阀首先相对于阀体作逆时针转动，使V1、V4口处形成一定间隙产生分流，流向动力缸右腔的液压力减小，直到与转向轮回正力矩对助力活塞的作用力相平衡，转向轮保持转向角固定不变。

    当驾驶员向左回转转向盘时，第一、二止回阀首先相对于阀体作逆时针转动，使V1V4开口度增大，V1V4开口度增大，V2V4开口度减小（或关闭），转向轮受到回正力矩作用而回正或动力缸产生左转向推力使转向轮克服回正阻力而回正。

    4.汽车转向时的工作状态

 汽车左转时的加力过程与右转向时相同，只是方向相反。如图5-1-10所示。

    5.转向“路感”的形成

    在转向过程中，扭力杆受转向盘上转向力矩作用而产生的扭转变形量取决于转向轮受到的偏转阻力的大小，助力腔产生的油压大小正好与扭力杆的形成量取决于转向轮受到的偏转阻力的大小，助力腔产生的油压大小正好与扭力杆的变形量成正比。因此，驾驶员可从转向盘上获得转向“路感”。

    图5-1-11所示为作用于转向比的转矩与市价在转向盘与转矩之间的关系。虚线表示机械转向装置的特性，其输入转矩与输出转矩成正比关系。实线表示动力转向装置的特性，由于在OA段之间不形成助力油压，所以表现出与机械转向相同的特性；控制阀从A点开始打开在动力缸内形成油压，当输入转轴继续增加时，作用于转向臂的转矩显著上升，当系统油压继续上升达到安全阀的设定油压*约8MPa）时，由于油压不再继续上升，特性曲线又到与机械转向装置特性相通的斜率。实际上由于系统摩擦的存在而使特性曲线发生本图所示的位移，图中转向特性曲线为abc，回正特性曲线则为dea。

    6.液压助力失灵时的安全工作状态

    当转向油泵等发生故障不能产生助力油压时，动力转向装置将与人力转向系统一样工作，转动转向盘扭力杆受扭力变形使止回阀碰触阀体，并带动它与螺杆一起转动，实现人力转向以保证汽车正常行驶，不过操纵转向盘所需的转向力要大些。

    三、整体转阀式液压动力转向系统

    1.系统的构造组成

    整体转阀式动力转向系统应用广泛，如图5-1-12所示为北京切诺基整体转阀式动力转向器构造图。其控制阀主要由阀体12、阀芯11和扭力杆等原件组成。阀体通过前端定位缺口和螺杆上的定位销与转向螺杆连为一体，阀芯在前端通过定位销与转向枢轴连为一体，扭力杆前端与转向螺杆（即阀体）用柱销链接，后端与转向枢轴即阀芯用柱销链接，然后与转向轴相连。

    2.汽车直行时的工作状态

    图5-1-13为转向阀的横剖面图。

    从图中可以看出，在阀体内圆柱表面和阀芯的外表面分别制有4组8条沟槽，阀体径向对称开有4条高压进油油道P和4条通向动力缸右腔的油道C1、4条通向动力缸左腔的油道C，阀芯径向对称开有4条回油道R。

    当扭力杆不受力（即转向盘处与直行位置）时阀芯与阀体处于图示的压力油道进油道P、动力缸油道C1、C和回油道R互通的“三口互通”状态，从油泵进入控制阀的液压油经回油道R直接流回油箱，动力缸的两腔均处于压力相等的抵押状态，不产生助力作用。此时由于“三口互通”，整个系统也处于低压卸荷状态。

    汽车右转向时的工作状态

    当向右转动转向盘（或转向轮受路面向左偏转力干扰）时，扭力杆受到顺时针方向扭力并发生扭转变形，阀芯即与阀体相对转动产生角位移，“三口互通”关系发生改变，动力缸左腔油道C1与高压进口P隔离并与回油道R联通，同时动力缸右腔油道C与回油道R隔离并与进油道P连通。此时，动力缸右腔充入高压油产生助力作用，左腔低压油则经过回油道R排回油箱，产生右转向助力作用。随着转向盘的继续转动，这种助力作用也将持续存在。

    当转向盘停止专盯而处于维持转向状态时，转向输入轴的位置被固定，动力活塞在油压的作用下继续向加力方向移动一微小距离，使转向螺杆所受阻力减小，受扭力杆扭力的带动，阀体向顺时针方向转动一定角度，使高压油进口P、动力缸右腔油道口C与回油道R处形成一定间隙，使工作油分流，流向动力缸右腔的液压力减小并与转向轮回正力矩保持平衡，转向轮保持转向角度不变。

    当驾驶员向左回转转向盘时，阀芯首先相对于阀体作逆时针转动、使P、C口与R口间的开口度增大，右助力腔泄压，转向轮即可在回正力矩的作用下随即回正，如转向偏回转较快或转向轮回正遇到阻力时，扭力杆即在转向盘回正力作用下产生逆时针扭转变形，动力缸右腔油道C与进油口P隔离，左腔油道C1与R隔离并与P连通，使动力缸左腔产生助力而带动转向轮克服回正阻力矩回正。

    4.汽车左转向时的工作状态

    汽车左转向时的工作原理与过程与右转向时相似，只是方向相反。

    5.转向“路感”的形成

    在汽车转向时，控制阀扭力杆受转向力作用产生的变形量（即阀芯与阀体的相对转动量，亦即动力缸助力腔进油通道大小正好与扭力杆变形量成正比。故驾驶员可从转向盘上获得“路感”。

归纳前述几种形式液压动力转向系统的“路感”形成可以看出：液压动力传向系统的“路感”与路面转向阻力和扭力杆的刚度成正比，与系统液压油的压力成反比。

    6.液压助力失灵时的安全工作状态

    整体转阀式动力转向器控制阀常采用失效安全保护套结构实在转向枢轴（又称转向阀杆）的前端与转向螺杆间制有较大啮合侧隙的花键或扇形凸缘，其作用有三：首先是较大的啮合侧隙可允许阀芯与阀体间隙作相对较位移，实现转向液压助力控制，二是当转向力矩过大使扭力杆变形达到极限时，花键或扇形凸缘的侧隙消失而产生啮合作用，使转向枢轴上的扭力直接传给螺杆，防止扭力杆过载损坏，三是当液压系统出现故障而不产生助力时，花键或扇形凸缘啮合部分可直接将转向盘上的转向力矩传给螺杆实现转向。当液压系统出现故障而不能产生转向助力时，将造成“转向沉重”；当扭力杆断裂时，会突然失去转向“路感”。

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