陳誠，顧晉

(1. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北十堰442002;2. 東風(fēng)汽車傳動軸有限公司，湖北十堰442054)

轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥刃口的結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)向器靜特性有著重要影響，零件加工時由于外圓圓跳動誤差的存在，導(dǎo)致轉(zhuǎn)閥刃口局部形狀發(fā)生急劇變化，使實際靜特性曲線不穩(wěn)定，并與理想曲線有較大差異，最終使動力轉(zhuǎn)向器總成性能下降。

關(guān)于轉(zhuǎn)閥油槽和閥芯凸鍵的尺寸及分度誤差對靜特性的影響已經(jīng)有所研究，但目前尚無對轉(zhuǎn)閥外圓圓跳動影響的定量分析。對影響刃口形狀的因素進(jìn)行計算和分析，從工藝角度考慮如何減小或消除這些因素的影響，從而可以提高刃口形狀精度，保證動力轉(zhuǎn)向器的靜特性曲線穩(wěn)定并符合要求。

1 轉(zhuǎn)閥靜特性設(shè)計計算

圖1 動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥示意圖

動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥一般由閥套、閥芯和扭桿構(gòu)成。文中論述的整體式轉(zhuǎn)閥是將閥套和螺桿軸做成一體、閥芯和輸入軸做成一體，因此由螺桿軸、輸入軸和扭桿組合成轉(zhuǎn)閥。如圖1 所示，螺桿軸和輸入軸上都加工有油孔，螺桿軸內(nèi)孔上用撈槽機(jī)加工的油槽和輸入軸外圓銑削加工出的凸鍵(也稱為棱)配合，形成轉(zhuǎn)閥的主體部分。

轉(zhuǎn)向時，輸入軸相對于螺桿軸轉(zhuǎn)動，輸入軸的棱一側(cè)間隙逐漸開大，過流面積逐漸增大;而另一側(cè)間隙逐漸減小，過流面積逐漸減小，直到完全關(guān)閉，形成建立壓力的過程。在進(jìn)行轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計時，就是通過改變閥刃口的結(jié)構(gòu)，來改變閥口關(guān)閉時過流面積變化的速度，從而實現(xiàn)對液壓壓力變化的最佳控制。

轉(zhuǎn)閥靜特性包括手力特性曲線和和靈敏度性能曲線。助力油壓對應(yīng)于轉(zhuǎn)向手力矩構(gòu)成手力特性曲線，對應(yīng)于轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)角則構(gòu)成靈敏度性能曲線。因為扭桿本身是一個線性扭簧，所以這兩條曲線呈比例關(guān)系。但轉(zhuǎn)向手力矩包括摩擦附加變量，在測試時出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，因此只選擇靈敏度性能曲線進(jìn)行分析。

現(xiàn)以長坡口(也稱刃口或棱邊)轉(zhuǎn)閥為例，計算轉(zhuǎn)閥的靈敏度特性。假設(shè):轉(zhuǎn)向器無內(nèi)泄漏;加工無誤差;沿途壓力損失不計;轉(zhuǎn)向器活塞不動。

如圖2 所示，輸入軸外圓半徑為R，預(yù)開間隙寬度為A2，刃口軸向長度為W2，在輸入軸的刃口上加工有半徑為R2、寬度為A1、軸向長度為W 的圓弧形坡口。α1為預(yù)開隙夾角，α2為坡口棱邊與閥套油槽夾角。常流式轉(zhuǎn)向器液壓油流量是恒定的，通過單個閥口的流量QE為:

式中:Q 為通過轉(zhuǎn)閥的總流量(mm3/s);n 為并聯(lián)閥的總數(shù)量。

圖2 長坡口轉(zhuǎn)閥刃口示意圖

同時，可將轉(zhuǎn)閥閥口看作一個長方形薄壁小孔，不考慮坡口，則其流量公式為:

式中:p 為工作油壓(MPa);η 為液壓油動力黏度(Pa·s)。

轉(zhuǎn)閥從中間常流狀態(tài)到一側(cè)間隙完全閉合，經(jīng)過兩個階段，下面分別計算:

(1)輸入軸預(yù)開間隙完全閉合前，即輸入軸相對螺桿軸轉(zhuǎn)角φ=0 ～α1時，見圖2。

無坡口的一段閥口，其軸向?qū)挾葹?W2－W)，其瞬時寬度b'為:

式中:R 為輸入軸外圓半徑(mm);φ 為相對轉(zhuǎn)角(°)。

有坡口的一段閥口，見圖3，寬度為b，即圖中的AB 段，∠AOB=α1－φ，在△AOB 中，根據(jù)余弦定理

圖3 預(yù)開隙閉合前坡口瞬時寬度幾何計算

將式(3)、(4)代入式(1)、(2)中，可得:

(2)預(yù)開間隙閉合后，閥口全部閉合前，即φ=α1～α2時，見圖4。

圖4 預(yù)開隙閉合后坡口瞬時寬度幾何計算

圖中L2為偏心距，β 為閥槽邊角。這時只有坡口段節(jié)流。在△O1OC 中，O1C =b +R2，根據(jù)余弦定理:

因此可以得出這一階段壓力相對于轉(zhuǎn)角的公式，即:

由式(5)、(6)即可得出轉(zhuǎn)閥在單方向上的靈敏度曲線，即壓力p 關(guān)于轉(zhuǎn)角φ 的函數(shù)。

2 圓跳動對靈敏度的影響

圖5 為輸入軸精磨刃口截面圖。

圖5 輸入軸刃口截面圖

在△AOB 中，OA = R，AB = R2，OB = L2(偏心距)，點A 為刃口上任意一點。根據(jù)余弦定理得:

輸入軸外圓在加工時，如果點A 外圓產(chǎn)生跳動Δr，即相當(dāng)于外圓半徑產(chǎn)生微小變量(Δr ＜＜R)，則點A'相對于豎直方向夾角改變?yōu)棣?，因此代入式(7)得:

由于實際生產(chǎn)過程中外圓跳動要求比較嚴(yán)格，因此可以只考慮外圓跳動不大于0.02 的情況。

將AB =23.8，OA =14.25，OB =10，Δr =0.02分別代入式(7)、(8)中，可分別得到θ 和θ'。經(jīng)計算得:θ=157.5°、θ' =157°;θ－θ' =0.5°。

同理可得:Δr = 0.01 時，θ － θ' = 0.3°;Δr =0.005 時，θ－θ' =0.1°。

因此可以計算出當(dāng)產(chǎn)生角度增量時，刃口寬度A1相應(yīng)的變化量ΔA1如下:

Δr=0.005 時，ΔA1=Rsin0.1 =14.25 ×0.001 7 =0.024

Δr=0.01 時，ΔA1=Rsin0.3 =14.25 ×0.005 2 =0.07

Δr=0.02 時，ΔA1=Rsin0.5 =14.25 ×0.008 7 =0.13

因此可以得出結(jié)論:輸入軸刃口處外圓精磨加工時產(chǎn)生相對大的圓跳動，則將使刃口寬度發(fā)生變化。

由式(5)和(6)可以看出:如果外圓跳動導(dǎo)致刃口寬度增加，將增大輸入軸相對螺桿軸的轉(zhuǎn)角，即閥口全部閉合的轉(zhuǎn)角增大，靈敏度曲線開口相對于理想曲線將變寬。從直線行駛到快速轉(zhuǎn)向的臨界轉(zhuǎn)換區(qū)增大，使動力轉(zhuǎn)向器的路感變?nèi)?同時使原地轉(zhuǎn)向力增大，手感相對沉重。

從前面的分析計算知，必須要將精磨后的輸入軸外圓跳動限制在不大于0.005，才能保證刃口寬度誤差在不大于0.05 范圍內(nèi)。

3 外圓跳動原因分析與改善

由于生產(chǎn)過程中影響輸入軸刃口寬度超差的因素較多，暫不考慮熱處理前加工六分油槽精度以及熱處理變形產(chǎn)生的影響，僅針對熱處理后輸入軸加工工藝進(jìn)行簡要分析。

熱處理后的輸入軸加工工藝為:先對輸入軸兩端中心孔進(jìn)行研磨，然后以兩中心孔定位精磨兩端外圓，最后以兩中心孔定位精磨刃口。

中心孔是輸入軸在熱處理后磨削加工中的定位基準(zhǔn)，因此應(yīng)嚴(yán)格要求中心孔的研磨精度;其次，可以用工藝保證能力更好的數(shù)控外圓磨床取代高精度外圓磨床，用于精磨輸入軸刃口;最后，還可以采用復(fù)合型磨床加工輸入軸，利用中心孔定位，一次裝夾就將外圓及刃口加工完成。不但提高生產(chǎn)效率，更重要的是可以解決中心孔兩次定位裝夾產(chǎn)生的外圓跳動問題，使得其誤差理論上只是機(jī)床加工誤差，最大程度上消除外圓跳動對刃口的影響。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)閥坡口形狀、長度和寬度直接影響到動力轉(zhuǎn)向器靜特性是否合乎理想曲線以及是否穩(wěn)定。建立輸入軸外圓跳動與刃口寬度變化的數(shù)學(xué)關(guān)系，對深入研究轉(zhuǎn)閥靜特性有重要意義。

采用合理的工藝可以盡可能消除外圓跳動造成的影響。但是，由于輸入軸6 個棱的刃口寬度隨著外圓跳動產(chǎn)生的是相對不均衡的變化，其影響比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。

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