乘用车机械转向系统的控制阀设计

2017 届毕业设计（论文） 题 目：乘用车机械转向系统的控制阀设计 专 业： 班 级： 姓 名： 指导老师： 起讫日期： 2017 年 4 月 摘 要 本文研究的是乘用车液压助力转向系统控制阀的设计，通过对整车的动力学分析，摘要 利用液压助力转向系统中液压泵与控制阀的特性 ,对这三者进行匹配 ,从而保证转向盘的转动力矩 ,使其在满足转向轻便性的同时满足 转向的灵敏性。 本文通过对液压助力转向系统中的液压泵与控制阀进行设计分析，最后将优化的计算结果导入到模型中将两者联合仿真。分析转向盘在不同车速下的力矩特性 ,对液压助力转向系统与整车的匹配有一定的指导作用。 论文介绍了助力转向系统在国内外的发展应用情况、各种类型的助力转向系统的优缺点以及助力转向系统今后的发展趋势 ,并阐述了助力转向系统的基本工作原理和组成部分。 分析乘用车的转向特性 ,确定影响转向的整车参数，并确定不同车速下，转向盘转向的力矩特性 ,结合液压泵与控制阀的特性，对液压泵最大流量、排量、高速时的流量减 少量进行匹配设计，并确定控制阀的特性参数。 关键字： 液压 转向 控制阀 he of is of of At to it to of to on in to be of of a of of of of of of to of it is of is of in of of At 目 录 摘 要 . I . 录 . 1 第一章 绪论 . 2 题的研究背景 . 2 . 2 文研究的主要内容与方法 . 4 文主要内容 . 4 文研究思路 . 4 第二章仿真模型的建立 . 5 型的建立 . 5 第三章液压助力转向系统 . 6 向系统的运动分析 . 6 向系统控制阀的设计 . 7 第四章总结与展望 . 12 文总结 . 12 望 . 13 参考文献 . 14 致谢 . 15 第一章 绪论 2 第一章 绪论 乘用车转向系统，即按照驾驶员的意愿 保持或改变汽车行驶方向的机构 ,它对整车的操纵稳定性、舒适性以及行驶安全性均有重大的影响。 最早的机械转向系统，完全是是依靠人力作用在方向盘上，通过转向机构进行转向，特别对于大型和重型的乘用车 ，往往比较费劲，容易造成驾驶疲劳。因此，人们开始研究对机械转向系统添加辅助动力，从而提高驾驶员的驾驶舒适性。机械液压助力转向是车用车中最常见的一种助力方式，这种助力方式是将一部分发动机动力输出转化成液压泵压力，通过控制阀对液压油流动方向和流量的调节作用，对转向系统施加辅助作用力，从而使轮胎转向。因此控制阀的设计，是机械转向系统设计中最重要的环节之一。 在转向系统的设计中 ,一直存在着转向轻便性与转向灵敏性的矛盾。增大转向系统的传动比，转向轻便性好转 ,但是转向灵敏性降低；减小转向系统的传动比 ,转向灵敏性提高 ,但 是转向轻便性变差。 为了解决这个矛盾 ,汽车转向系统的发展（图 1机械转向器到了助力转向装置。助力转向系统的形式有液压助力转向系统 ,电控液压助力转向系统、电控助力转向系统、线控转向系统 ,。 液压助力转向系统按照控制阀、液压泵、动力缸、转向器的位置的不同可分 3 为四类 ,包括整体式、联阀式、连杆式、半份置式。整体式即是控制阀、转向器与动力缸三者全部集成在一起当控制阀与动力缸集成在一起 ,而转向器分开安装时即为联阀式。当动力缸单独安装放置 ,控制阀位于转向器之后时为连杆式。动力缸 不仅单独安装 ,且控制阀安装与转向器上时为半份置式。这些组合方式主要受以下因数的约束与限制：车辆载荷 ,拆卸与安装转向器的便利性，液压管路的布置、长度，是否容易引起振动 ,动力缸能承受的载荷等等。 液压助力转向系统又可以分为常压式和常流式两种基本类型。常压式液压助力转向系统只被少数的重型汽车所采用 ,而常流式液压助力转向系统则广泛用于各种汽车上。 其中控制阀是液压助力转向系统的关键组成部分 ,它的主流形式有滑阀式与转阀式两种 ,从名称上就可以看出两者的区别 ,即滑阀式是利用阀芯与阀体的相对位移来控制液压油的流动与压力 ,转 阀式是运用阀芯与阀套的相对角位移来控制液压油的流动。这两种形式各有优缺点 ,如于滑阀式控制阀结构简单 ,生产工艺性较好 ,易于布置 ,使用性能较好。转阀式控制阀相对滑阀式控制阀灵敏度要高 ,密封件要少 ,并且结构较为先进 ,但是结构相对要复杂 ,如转阀式控制阀的阀芯是利用扭杆弹簧来回位。随着现代技术的发展 ,这些已不算很难的问题 ,所以转阀式控制阀无论在国内还是国外都得到了广泛的发展与应用。 随着液压助力转向系统的广泛应用与发展 ,人们对动力转向系统的要求也与日俱增。人们要求装有液压助力转向机构的车辆 ,它在运动上要能保持驾驶员转动转向盘转角与转向轮转角保持一定的比例关系。随着路面给予转向轮的阻力的增大或者减小 ,作用在方向盘上的手力应该相应的增大或者减小。并且规定了液压助力转向系统的在驾驶员的手力达到一定程度时必须开始工作的标准 ,这个标准对于不同形式的车辆有所不同。还规定了车辆转向后 ,转向盘应能自动回正 ,液压助力转向系统不应阻碍车辆的自动回正。另外液压系统的工作应该很灵敏 ,在突然打转角转向时 ,液压系统内的压力能很快达到最大值。当液压转向系统失灵后 ,驾驶员任然能操纵转向盘 ,仅用机械系统进行转向。 最后就是液压助力转向系统的密封性能要好 ,内外泄露要尽量的少 ,尤其是外泄漏 ,要基本杜绝。 第一章 绪论 4 文研究的主要内容与方法 文主要内容 本文首先进行的是对整车的动力学分析 ,涉及的主要是转向系统与悬架系统相关的部分 ,无论采用何种助力转向形式 ,对整车的转向系统与悬架系统动力学分析都是不可避免的 ,也是助力转向器设计的依据。通过转向系统的动力学分析 ,确定影响转向轮转向 ,会造成转向轮产生附加转角的因数 ,以及影响转向轻便性与转向灵敏性的因数 ,对它们进行分析 ,可以简化的简化 ,该着重考虑的重点考虑。在根据本课题选定的是 ,对其液压泵、转向阀、动力缸 进行匹配。最后再对整车操纵稳定性进行仿真分析 ,来确定其匹配性能有所提高。 文研究思路 在具体的研究过程中 ,采用三维多体动力学软件对整车除液压助力转向部分进行建模 ,在一维系统仿真软件中对液压助力转向部分。然后进行联合仿真 ,并对的液压泵以及转向阀展开设计。最后与整车的匹配分析 ,并进行操稳性验证。 5 第二章 仿真模型的建立 图 2压助力转向系统 液压助力转向系统的模型如图 2示，这是一个完整的液压助力转向系统一维系统图 ,系统图中包括了液压泵、控制阀、动力缸、安 全阀、原动机、高压油管、低压油管等。在这个模型中有两个与外界的接口 ,一个是方向盘的转向角 ,这个是对液压系统的输入 ,液压系统对这个输入的干扰很小 ,为了简化 ,假设液压系统没有对转向盘转角以阻力反馈由于转向盘转角的作用 ,使控制阀产生一个转角 ,进而动力缸两端有压差 ,推动齿条助力 ,这个助力作用就是另一个是接口 ,在这个助力的过程中 ,齿条反馈相当大 ,反馈回来的就是齿条上的位移与速度 ,如下图一所示已经标出了两个接口的位置 ,以及与其他软件的输入输出数据的关系。 第三章液压助力转向系统 6 第三章液压助力转向系统 对转向系统 的几何运动学分析主要是对转向传动机构的转向梯形进行优化 分析。汽车的转向参数设置得不好可以影响轮胎的使用寿命 ,降低其行驶平顺性 ,也可能引起侧滑导致侧翻等安全事故。因此需要对汽车的转向参数进行优化。 3向理论 根据如图一 转向理论 ,O 点为瞬时转动中心。 b 的取值为两主销中心线的延长线与地面之间交点的距离 ,如式一所示。但是 ,的这种取值使得求解得的内、外侧转向轮的转角误差较大。当用 去代替 r 时 ,其与空间分法的结果差别很小 ,与试验结果吻合较好 ,计算也很简单 ,此时 b 的取值如式 (3式（ 3较大的改进。根据转向理论可以得出外侧车轮转向角与内侧车轮转向角符合是（ 3关系。 7 上述情况还是过于理想 ,在实际的汽车转向过程中 ,仅在停车过程等低速转向行驶时 ,离心力几乎为零 ,整车侧向力也为零 ,瞬时转动中心在后轴的延长线上。但是绝大多数情况下瞬时转动中心并不在后轴的延长线上 ,由于轮胎的弹性特性以及塑性特性 ,瞬时转向中心一般在前后轴轴线之间的区域内。 在实际的转向梯形的设计中 ,常使车辆左右车轮的转向角在理论转向与平行转向之间。所谓平行转向即是指车辆在转向时 ,左右车轮的转向角大小相等。在近代 汽车转向系的设计中 ,常使转向时的内侧车轮转角小于对应的转角 ,外侧车轮转角大于对应的转角。因此内、外侧车轮的转向差就要比转角小 ,这样的设计可以允许较高的侧向加速度 ,给转向杆系带来的运动学问题也相对较少。 向系统控制阀的设计 液压助力转向系统的控制阀具有对称的结构 ,在很多文献中都将控制阀等效为惠斯通模型 ,如图（ 3示。在图中 , 与 分别为控制阀的入口流量与出口流量 , 实际上在助力转向系统没有外泄漏时 ，分别为控制阀的入口压力与出口压力 ,在工作过程中， 分别为两路液体入口流量 ,它们的和等于入 口流量与 分别为对应流道的出口流量 , 与 与尺分别为负载即动力缸两端的油压 , 为负载流量 , 为负载压力。 第三章液压助 力转向系统 8 3制阀等效为惠斯通模型 从图（ 3可得控制阀的流量方程与负载的流量方程 ,如（ 3（ 3（ 3示： （ 3 （ 3 （ 3 对于控制阀这样的阀体 ,它的阀流量可以用薄壁小孔的节流公式（ 3确定。 （ 3 将式（ 3入式（ 3（ 3可得： （ 3 3 9 该液压助力转向系统的控制阀是转阀式流量控制阀 ,它是在一定压力差下 ,通过改变阀口的流通面积大小来控制流量的大小。流量控制阀是利用小孔节流原理工作的 ,作为节流口的小孔通常有三种形式 ,薄壁小孔、短孔和细长孔 ,液压助力转向系统的控制阀是薄壁小孔 ,其小孔节流的流量公式如（ 3示。 液压助力转向系统控制阀的工作原理如下图 3画阴影线部分就是控制阀 ,右边的腔室是动力缸。从图中也可以看出 ,控制阀是具有对称结构的可控节流阀。当车辆启动后 ,发动机带动图中 P 处的液压泵 ,液压泵对控制阀提供 一个连续的有一定压力作用的液流 ,在驾驶员未转动方向盘时 ,控制阀的滑阀处于中位 ,A、 B 两端压力相等 ,动力缸活塞不发生位移 ,此时没有助力 ,液压油经管路 T 又流回液压泵。当驾驶员转动方向盘时 ,控制阀的滑阀离开中位 ,A、 假如 A 端阀口面积增大 ,则 B 端阀口面积减小 ,A 端压力增大 如图所示则腔室 A 压力大 ,从而推动活塞向另一边运动 ,也就是这样 ,液压助力转向系统实现了助力的工作。 图 3制阀的工作原理 图（ 3出了控制阀的等效模型 ,在进行压力和流量计算时 ,做了一些简化的假设忽略了一些管道 与腔室的压力损失 ,因为这些地方的压力所示很小认为油液是不可压缩的 ,这样就不用考虑密度的变化 ,实际上油液的密度变化也非常小 ,第三章液压助力转向系统 10 可以忽略不计。 根据图（ 3等效模型可得压力平衡关系： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 根据等效模型还可得流量的平衡关系： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 式中 管路 对应的压强。 当控制阀的阀芯发生转动时 ,节流小孔的宽度则相应的由初始间隙发生变化 ,它的变化是一侧阀口增 大 ,而另一侧减小 ,它们的阀口宽度如式（ 3（ 3 （ 3 （ 3 下面仅以阀口较小侧为例计算控制阀的输入压强 ,将式（ 3式（ 3入式（ 3得： （ 3 11 动力转向器的输入转矩与输出转矩之间的变化关系曲线如下图 3示，它是用来评价动力转向器的主要特性指标。而输出转矩等于动力缸的两端压差乘以工作面积和作用的力臂 ,对于以确定的结构 ,动力缸的工作面积与其作用的力臂为常量 ,所以动力转向器的输入转矩与输出转矩之间的变 化关系即为输入转矩与输出油压之间的变化关系 ,式一的推导过程也体现了出了控制阀油压与阀芯转角的关系 ,不过一般应用油压与方向盘的转角关系来反映控制阀的流量特性 ,因为人们更加关心驾驶员给转向盘的直接输入与油压助力的关系。 在图 3 ,横坐标表示输入转矩 ,纵坐标表示输出油压。这个曲线可分为个区段 ,在输入转矩不大时 ,即图中的区段 ,它代表的是汽车在直线行驶时 ,是道路不平、驾驶员不自觉的轻微转动方向盘等小转角区段 ,此时曲线基本上是线性的 ,且液压油压力值较小区段是一个平滑的过渡阶段 ,它连接到区段区段是车辆在常用的车速进行 转向行驶时液压油压力区段 ,它要求作用力明显 ,油压曲线的斜率变化较大 ,这样才能给驾驶员以手感 ,提高转向安全性区段就是之前提到原地转向时的液压油压力 ,原地转向时转向阻力距最大 ,需要的助力相应也最大 ,所以油压曲线呈陡而直状上升。 图 3入转矩与输出油压关系图 第四章总结与展望 12 第四章总结与展望 本文运用现代设计方法对液压助力转向系统与整车的匹配做了研究。首先利用液压系统仿真软件和多体动力学仿真软件分别对液压助力转向系统与整车进行建模 ,分析模型的可行性与正确性。然后将两者联合仿真 ,进行匹配设计。最后将匹配 好的优选模型进行操纵稳定性仿真分析。具体如下步骤 : 1) 对液压助力转向系统的液压泵、控制阀、动力缸等建立模型 ,建立一维的液压系统模型 ,并初步验证模型的正确性。建立整车的简化模型 ,对转向系统与悬架系统重点建模 ,并初步验证模型的正确性。 2) 对整车模型与液压模型进行联合仿真 ,并对特定的整车模型进行液压助力转向系统的匹配设计 ,确保两者的通讯交流顺利。 3) 分析整车在转向过程中附加转角特性以及阻力矩的影响因数 ,对这些影响转向性能的整车参数进行确定。根据液压助力转向系统需要提供助力的大小去确定液压泵的最大压力以及最大流量 ,然后根 据高速时车辆助力的减少量去确定高速时液压泵流量的减少量 ,通过这样来选取液压泵。在确定流量减少量的时候需要借助控制阀流量、压力等特性来完成 ,这样也可以选取控制阀的参数。然后将选取好的模型参数输入到模型中进行联合仿真 ,并确定模型的正确性。 4) 对完整的整车模型进行操纵稳定性仿真 ,进行的操纵稳定仿真有稳态回转试验、转向回正性试验、转向轻便性试验。验证匹配设计的合理性 ,达到兼顾手感与轻便性的结果。 13 望 本文研究的是液压助力转向系统与整车的匹配 ,对匹配的工作做了一些研究 ,但是在广度和深度上还有待继续研究。加之 本人能力有限 ,在今后该方面的工作开展中还需继续从如下几个方面改进： 1) 需要做模型车的操纵稳定性试验来模型的正确性。尤其是经过匹配设计后的整车模型 ,是否改善了整车的操稳性 ,还需要大量的试验来对比验证。 2) 轮胎模型的建立要结合实际车辆的情况。 3) 可以将液压助力转向系统与整车的匹配扩展到助力转向系统与整车的匹配。 参考文献 14 参考文献 1) 陈家瑞主编 M, 北京机械工业出版社 ,2003. 2) 刘照 D 华中科技大学 ,2004, 3) 朱俊液压助力转向与整车匹配的研究 D 吉林 大学 ,2008 4) 朱海 D 吉林大学 ,2004. 5) 刘民 D 航天发射技术 ,2012 年第 4 期 6) 李红海 D 重庆交通大学 ,2013 7) 高翔 ,沈晓丰 ,夏长高 ,王若平 J 制造技术与机床 ,2015 年第 6 期 8) 郭孔辉著 M 吉林吉林科学技术出版社 ,2008 年 3 月第 4 版 9) 王洋 D江苏理工大学 ,2012. 10) 赵万里电控 液压助力转向系统的节能分析与建模仿真 D江苏大学 ,2014. 11) 2005. 12) F A . 2008, 36313) ,. A to J 2003,27 ( 1) :19 26 15 致谢 时间过得很快，差不多经历了三个月的毕业设计接近尾声。对我而言，完成此次毕业设计可以说是对这大学四年所学习到的专业知识做了一次最好的实践性总结，其时间之长、设计 内容之广、工作量之大是四年大学学习生涯中任何一次课程设计所不能比拟的。经过这次毕业设计，使我对机械转向的系统的原理及结构有了更进一步的认识，同时，提高了 等工程制图软件的应用能力，加深了对书本上理论知识的理解，为将来的工作奠定了较好的基础。 本次毕业设计得以顺利的完成，首先要感谢的就是带我毕业设计的老师，师，感谢他的悉心指导和耐心帮助，知识水平有限，在设计中常常遇到问题，是老师不厌其烦地指导、点播迷津，提供相关资料，才使设计顺利完成。老师的耐心讲解，使我如沐春风，不仅如此，老师严 谨的治学态度和高尚的敬业情操深深折服了我， 并将积极影响我今后的学习和工作 。对此，我向我们的洪荣晶老师致以最真诚的谢意。 其次，要感谢我的研究生学长和我的同学们，感谢他们在我毕业设计过程中陷入困境时对我伸出的援助之手。没有他们对我的帮助，我的毕业设计不可能完成的这么快。感谢从我进入大学以来，学校所有老师在学习方面和生活方面对我的关心。同时也感谢为我们毕业设计辛苦的所有老师。 我也非常感谢我的父母，感谢他们无条件地一直支持我、养育我，使我能全身心地投入到学习中，在此，我想对我的父母说：你们辛苦了，谢谢你们！ 最 后，很感谢阅读这篇毕业设计的你们，感谢你们抽出宝贵的时间来阅读这篇毕业设计。