蔡 靜 過學迅 方志剛 徐冠能

1.武漢理工大學，武漢，430070 2.廣西汽車拖拉機研究所，柳州，545000

0 引言

隨著液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在各級各類汽車上得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多學者對液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力性能進行了研究。畢大寧［1］與朱駿［2］分別從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靈敏度特性曲線和手力特性曲線分析了系統(tǒng)的助力性能；Kang等［3］分析了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力和流量的振動特性；文獻［4-7］研究了滑閥式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。但是，針對轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)助力性能影響的研究較少。在對轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行匹配設(shè)計時，十分有必要清楚各參數(shù)對助力性能的影響及影響程度。本文參考Birsching［8］建立的轉(zhuǎn)閥的二維模型，利用AMESim軟件和LMS Virtual.Lab Motion軟件建立了轉(zhuǎn)閥式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，采用正交試驗分析方法，分析了系統(tǒng)供油量、轉(zhuǎn)閥閥口尺寸及扭桿剛度對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能的影響。

1 轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)及工作原理簡介

轉(zhuǎn)閥在液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中控制著助力壓力的大小和方向。圖1a所示為六槽式轉(zhuǎn)閥的截面結(jié)構(gòu)，它由閥套、閥芯及扭桿組成，閥套和閥芯上均勻分布著3組進油孔、回油孔以及到轉(zhuǎn)向動力缸左右腔的油孔。其中，到轉(zhuǎn)向動力缸右腔的油路為閥芯孔與扭桿之間的徑向間隙。閥套的內(nèi)表面開有軸向盲槽，閥芯的外表面開有與閥套表面臺肩相配合的槽，閥芯臺肩與閥套槽在圓周方向留有預開間隙。

轉(zhuǎn)閥工作時，閥芯與閥套相對轉(zhuǎn)動，假設(shè)閥芯相對閥套順時針轉(zhuǎn)動，節(jié)流孔1和節(jié)流孔3的過流面積逐漸增大，節(jié)流孔2和節(jié)流孔4的過流面積逐漸減小以趨于關(guān)閉。由于轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的對稱性，其他進油口處的節(jié)流口工作方式相同，因此可將圖1a所示的轉(zhuǎn)閥表示為圖1b所示的轉(zhuǎn)閥模型。由圖1b可以看出，該轉(zhuǎn)閥由3組完全相同的惠斯通電橋式結(jié)構(gòu)的油路并聯(lián)而成。圖1b中，帶有向上箭頭的節(jié)流孔表示在閥芯相對閥套順時針轉(zhuǎn)動時，過流面積逐漸增大的節(jié)流孔，帶有向下箭頭的節(jié)流孔表示過流面積逐漸減小的節(jié)流孔。

圖1 轉(zhuǎn)閥模型

2 轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性曲線的分析

轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力性能可以用轉(zhuǎn)向靈敏度特性曲線表示，也可以用轉(zhuǎn)向手力特性曲線表示。由于轉(zhuǎn)向扭桿是線性彈簧，轉(zhuǎn)向手力特性曲線中的轉(zhuǎn)向手力矩大小與轉(zhuǎn)向靈敏度特性曲線中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角大小成比例關(guān)系，二者的比值即為扭桿剛度。但轉(zhuǎn)向手力特性曲線包含了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦力矩，即在曲線原點左右會出現(xiàn)一段助力壓力很小的干摩擦力矩段。因此相對于轉(zhuǎn)向靈敏度曲線，轉(zhuǎn)向手力特性曲線表現(xiàn)出一定的滯后現(xiàn)象。

2.1 轉(zhuǎn)向靈敏度特性曲線

轉(zhuǎn)閥工作過程中，節(jié)流孔的突然閉合會導致油壓的突然升高，對轉(zhuǎn)向操作不利，因此閥芯刃口上通常加工有短切口，用于減緩節(jié)流孔關(guān)閉時閥口過流面積的變化，避免系統(tǒng)壓力出現(xiàn)突變，實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力變化理想控制。圖2為轉(zhuǎn)閥刃口示意圖。

圖2 轉(zhuǎn)閥刃口示意圖

轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)尺寸確定后，根據(jù)薄壁小孔節(jié)流公式可以得出每個節(jié)流孔口壓力隨閥芯與閥套相對轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，圖1b所示的12個節(jié)流孔中，有6個節(jié)流孔的過流面積隨著閥芯相對閥套的轉(zhuǎn)動逐漸增大，其節(jié)流作用可忽略不計，只留下過流面積逐漸減小的節(jié)流孔，這些節(jié)流孔對轉(zhuǎn)向助力起主要作用。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油量［8］為

式中，Cq為流量系數(shù)；ρ為油液密度，kg／m3；A為單個閥口過流面積，m2；Δp為動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力壓力，Pa。

閥口過流面積A為［1］

式中，R為閥芯半徑，mm；L1為預開間隙，mm；L2為短切口周向長度，mm；W1為預開間隙的軸向有效長度，mm；W2為短切口的軸向長度，mm；ψ為閥芯與閥套的相對轉(zhuǎn)角；α1為預開間隙關(guān)閉時閥芯相對閥套轉(zhuǎn)過的角度，（°）；α2為短切口關(guān)閉時閥芯相對閥套轉(zhuǎn)過的角度，（°）。

圖3所示為某轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)向靈敏度曲線，其閥口預開間隙在相對轉(zhuǎn)角1°左右關(guān)閉，閥口接近完全關(guān)閉時，系統(tǒng)助力壓力可達10MPa。

圖3 轉(zhuǎn)向靈敏度特性曲線

2.2 轉(zhuǎn)向手力特性曲線

圖4所示為某動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向手力特性曲線，曲線1、3為轉(zhuǎn)向盤從中間位置分別向左右兩個方向轉(zhuǎn)動時動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出壓力的變化曲線，曲線2、4為轉(zhuǎn)向盤回程時的壓力變化曲線。轉(zhuǎn)向手力特性曲線分為A、B、C、D 四個區(qū)間［1-2］。

（1）區(qū)間A為汽車直線行駛位置附近的助力區(qū)。區(qū)間A的寬度影響系統(tǒng)助力性能，過寬會造成動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力反應(yīng)不靈敏，過窄則系統(tǒng)助力反應(yīng)過于靈敏，駕駛手感不好。區(qū)間A的橫坐標范圍應(yīng)不小于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干摩擦力矩，否則駕駛員在進行轉(zhuǎn)向操作時，在克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干摩擦階段就會有助力產(chǎn)生，即稍有轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動，車輛行駛路線就會產(chǎn)生較大偏移，車輛直線行駛能力差。

圖4 轉(zhuǎn)向手力特性曲線

（2）區(qū)間B為車輛從直線行駛位置附近的小角度轉(zhuǎn)向區(qū)向快速轉(zhuǎn)向區(qū)C的過渡區(qū)域，即臨界轉(zhuǎn)換區(qū)。B區(qū)末端對應(yīng)的助力系統(tǒng)壓力影響車輛的急速避障能力，該值越小，避障能力越差；但是隨著該值的增大，車輛中心區(qū)行駛手感變差。

（3）區(qū)間C屬于常用轉(zhuǎn)向區(qū)，是助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域。在區(qū)間C內(nèi)，系統(tǒng)助力壓力的增加速度和區(qū)間末端助力壓力的大小對車輛的轉(zhuǎn)向性能有直接影響。壓力增大速度越快，助力反應(yīng)越靈敏；區(qū)間末端壓力越大，車輛的急速避障能力越好，但該值過大，車輛中心區(qū)中心區(qū)行駛手感變差。

（4）區(qū)間D為車輛低速行駛的大助力區(qū)，系統(tǒng)助力壓力大小接近原地轉(zhuǎn)向工況，此時的轉(zhuǎn)向阻力最大，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力壓力迅速增大以滿足轉(zhuǎn)向需求。

3 聯(lián)合仿真模型的建立及驗證

3.1 聯(lián)合仿真模型的建立

分析國產(chǎn)某車型的助力性能，在AMEsim軟件中建立該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓模塊模型，在LMS Virtual.Lab Motion軟件中建立整車動力學分析模型并進行聯(lián)合仿真?？紤]轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的對稱性，取圖1b中的一個分支建立仿真模型，并將各個閥口的過流面積設(shè)置為原面積的3倍，模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 模型基本參數(shù)

3.2 聯(lián)合仿真模型驗證

使用建立的模型進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗和急速避障試驗。車輛急速避障試驗［2］，即車輛以較低車速穩(wěn)定行駛時，前方突然出現(xiàn)障礙物，駕駛員需要快速對轉(zhuǎn)向盤施加較大的轉(zhuǎn)角，使車輛繞過障礙物。文中的車輛以20km／h穩(wěn)定行駛時，1s內(nèi)給轉(zhuǎn)向盤施加300°轉(zhuǎn)角，分析急速避障角輸入時所需要的轉(zhuǎn)向盤手力矩。轉(zhuǎn)向輕便性試驗和急速避障試驗的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向手力矩曲線分別如圖5、圖6所示。對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果可知，試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)一致，因此該聯(lián)合仿真模型能代表原車物理模型。

圖5 轉(zhuǎn)向輕便性試驗

4 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能正交試驗研究

使用建立的聯(lián)合仿真模型進行正交試驗，分析液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對助力性能的影響，并對系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)做出優(yōu)化。

圖6 急速蔽障試驗

4.1 試驗指標的確定

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在滿足轉(zhuǎn)向輕便性的同時應(yīng)具有一定的“路感”。本試驗以QC／T 480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》中汽車轉(zhuǎn)向輕便性試驗綜合評價計分值為轉(zhuǎn)向輕便性評價指標；以路感強度即轉(zhuǎn)向手力特性曲線中相當于1／4最大載荷點的斜率為“路感”的評價指標［1］。

4.2 試驗因素及水平的確定

液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能影響較大的主要參數(shù)有轉(zhuǎn)閥閥口尺寸、扭桿剛度及動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油量。因此，選擇的試驗因素為節(jié)流口的預開間隙量、短切口周向長度、扭桿剛度及動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油量。為研究各因素的上下波動對助力性能的影響，各因素水平均取為3。確定的正交試驗條件如表2所示。

表2 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能正交試驗條件

4.3 試驗計劃的安排

根據(jù)所選因素數(shù)和確定的水平數(shù)，不考慮因素間的交互作用，選擇L9（34）型正交表安排試驗，具體試驗計劃如表3所示。

表3 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能正交試驗布局

表3中的轉(zhuǎn)向輕便性綜合評價計分值分三步計算，先根據(jù) GB／T 6323.5-1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法 轉(zhuǎn)向輕便性試驗》中規(guī)定的算法計算出轉(zhuǎn)向盤的平均操舵力和最大操舵力，再根據(jù)QC／T 480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標限值與評價方法》中的規(guī)定分別求出轉(zhuǎn)向盤平均操舵力和最大操舵力的評價計分值，最后計算出轉(zhuǎn)向輕便性試驗的綜合評價計分值。在計算各項指標評價計分值時，大于100分的分值按100分計，因此本次試驗中有4組試驗的轉(zhuǎn)向輕便性綜合評價計分值為100分。

4.4 試驗結(jié)果分析

對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分別計算出各因素第i水平所在試驗中對應(yīng)的轉(zhuǎn)向輕便性綜合評價計分值及路感強度值的平均值ki與極差K。試驗數(shù)據(jù)的處理結(jié)果記錄在表4中。

由表4可知，試驗分析的4個因素對轉(zhuǎn)向輕便性影響最大的是系統(tǒng)供油量，其次分別是扭桿剛度、短切口周向?qū)挾?，影響最小的因素為預開間隙量；對路感強度影響最大的影響因素為扭桿剛度，其次為短切口周向?qū)挾取⑾到y(tǒng)供油量，影響最小的因素為預開間隙量。

表4 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力性能正交試驗結(jié)果

由于不同指標對應(yīng)的最優(yōu)方案不相同，于是采用綜合平衡法［9］確定系統(tǒng)最終的最優(yōu)方案，對于因素A、B、D均取第一水平值大小；因素C為轉(zhuǎn)向輕便性指標最主要的影響因素，取水平二值C2。因此，確定方案A1B1C2D1為最后優(yōu)化結(jié)果。

5 優(yōu)化結(jié)果分析

改進前后的轉(zhuǎn)向盤手力矩隨轉(zhuǎn)角變化曲線與轉(zhuǎn)向手力特性曲線如圖7所示，改進前后的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)與評價指標如表5所示，改進后的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在進行轉(zhuǎn)向輕便性試驗時的最大手力矩為4.5N·m，位于ZF公司的最佳手力矩3～5N·m范圍內(nèi)［2］。改進后方案在保證轉(zhuǎn)向輕便性的同時路感由10.766增加到28.421，系統(tǒng)參數(shù)得到明顯優(yōu)化。

圖7 改進前后對比

表5 改進前后系統(tǒng)參數(shù)與評價指標

6 結(jié)論

（1）對動力轉(zhuǎn)系系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輕便性影響最大的參數(shù)為系統(tǒng)供油量，影響最小的參數(shù)為節(jié)流口預開間隙量；對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路感強度影響最大的參數(shù)為扭桿剛度，影響最小的參數(shù)為節(jié)流口預開間隙量。

（2）優(yōu)化后的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大手力矩減小，且“路感”增強，系統(tǒng)參數(shù)得到明顯優(yōu)化。

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