液压系统在卡车中助力转向的应用

液压系统在卡车中助力转向的应用

汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面例向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。

汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械式转向器由转向器、转向操纵机构和转向传动机构三大部分组成。按照转向器的不同形式可分为循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式等转向器。不同的转向器有着不同的特点应用于不同的汽车上。其中小轿车上常用的是齿轮齿条式的转向器，动力式按照加力装置的不同可以分为液压助力式、气压助力式和电动助力式三种。气压助力式主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为3一7t并采用气压制动系的货车和客车上。由于气压系统的工作压力较低(一般不高于0.7MPa)，使得其部件的尺寸比较庞大；同时压缩空气工作时的噪声和滞后性使得这种助力方式的转向器只配置在极少一部分车辆上。相比之下，液压助力式的转向器成了当今汽车助力转向器的主流。

液压动力转向首先是在大型车辆上得到发展的，随着当时汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也随之增加，从而要求加大作用在转向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，最有效的方法就是在汽车转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发电机等，以液

力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩。使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。液压动力转向系统除了传统的机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。轿车对动力转向的要求与重型车辆不完全相同。比如大型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对噪声要求很高，轿车还要求装用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。

最初液压动力转向的控制阀采用滑阀式，即控制阀中的阀以轴向移动来控制油路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，宜于布置，使用性能较好。但是滑阀灵敏度不够高，后来逐渐被转阀代替。

20世纪50年代末沙基诺发明了转阀式液压动力转向，即控制阀中的阀芯以旋转运动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位，结构较复杂，特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高。但是其性能相对于滑阀有很大改进，达到令人满意的程度，并且在齿轮齿条式转向器中布置转阀比较容易，目前在轿车及大部分重型汽车上的液压动力转向采用的均是转阀式控制阀。

在大型汽车上装备液压动力转向系统有如下优点：

(1)减小驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便性。

(2)提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会受到转向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。

(3)衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转向

盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把握，应用动力转向可以使驾驶员较容易把握转向盘。

同时液压动力转向系统也有不足：

(1)选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。因此协调轻便性与路感的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大。

(2)即使在不转向时，油泵也一直运转，增加了能量消耗。

(3)存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。

(4)低温工作性能较差。

随着人们对汽车经济性、环保、安全性的日益重视以及大型汽车技术的发展，人们开始对液压动力转向存在的不足进行改进，开发出一些新型液压动力转向技术。这种技术上的改进主要围绕第(1)、(2)点不足。对第(1)点不足的主要改进措施是将车速引入动力转向系统，得到车速感应型助力特性，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。一种是机械式，通过与调速器及变速器相连的泵来控制油压阀，现在已经很少采用；另一种是电子控制式，通过传感器由EUC控制阀操作，现在用得比较多。对第(2)点不足，主要通过开发节能泵、提高系统的效率以及电控液压动力转向系统来加以改进。

液压式动力转向由于油压工作压力高，动力缸尺寸小、质量轻，结构紧凑，油液具有

不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收里面的冲击等优点而得到广泛应用。

液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和等组成。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，液压式动力机构可分为整体式、半整体式、转向加力器。机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起，这种三合一的部件称为整体式动力转向器（如图2-1）。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器（如图2-2），转向动力缸则做成部件。第三种方案是将机械转向器作为部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器（如图2-3）。

图2-1 整体式动力转向器

图2-2 半整体式动力转向器

图2-3 转向加力器

汽车直线行驶时，方向盘保持不动，转向器分配阀5处于中位常开，液压泵2卸载，液压油直接回油箱8。转向时，驾驶员旋转方向盘，螺杆作微前移或后移，转向器内滑阀偏离中间位置，压力油自液压泵出来，经液压控制集成元件4稳流稳压后，经转向器分配阀5，进入转向缸6，由液压缸推动转向轮转动，实现转向(如图2-4所示)。

1、3 过滤器 2 液压泵 4 液压控制集成元件

5 转向器分配阀 6 液压缸 7 单向阀 8 油箱

图2-4 常用转向液压系统工作原理

该系统在原通用转向液压系统上合理加设液控背压阀、带单向阀的节流阀、开式减压阀、中位为“H”型的液控三位四通换向阀。液控背压阀为当转向器分配阀工作(不在中位)时，控制支路系统产生背压，操作液控换向阀，使液压缸工作。带单向阀的节流阀为控制液控背压阀进出控制口的流量，即控制液控背压阀阀芯滑动速度。开式减压阀为系统压力随转向桥负荷上升，当高于低压转向器额定工作压力时，使支路(流入转向器)压力保持恒定，保证转向器压力不超过工作压力。三位四通换向阀起转向器分配阀作用，控制方向与转向器分配阀一致。

该系统在原通用转向液压系统上合理加设液控背压阀、带单向阀的节流阀、开式减压阀、中位为“H”型的液控三位四通换向阀。液控背压阀为当转向器分配阀工作(不在中位)时，控制支路系统产生背压，操作液控换向阀，使液压缸工作。带单向阀的节流阀为控制液控背压阀进出控制口的流量，即控制液控背压阀阀芯滑动速度。开式减压阀为系统压力随转向桥负荷上升，当高于低压转向器额定工作压力时，使支路(流入转向器)压力保持恒

定，保证转向器压力不超过工作压力。三位四通换向阀起转向器分配阀作用，控制方向与转向器分配阀一致。

(1)汽车直线行驶如图2-5所示：转向器分配阀在中位时，汽车处于直线行驶状态，转向液压系统无负载。根据液体工作特性，液体经过开式减压阀5直接进入转向分配阀8后全部回油箱1，其原因有两种：一是转向器分配阀8的中位油路接通结构为“H”型，“A1”“B1”“O1”“P1”口相互接通，系统无法建压；二是开式减压阀在系统无压力状态下无减压作用，整个支路无节流。液控背压阀7、液控换向阀8及液压缸10处于非工作状态。

(2)汽车左转向：如图2-5所示，方向盘向左转动，转向器分配阀8工作位置移到“平行”位置，压力油接通到液控换向阀9“平行”位置的方向控制口，支路成封闭回路，迅速建压到液控换向阀9的阀芯开启压力，推动阀芯，使液控换向阀9的工作位置移到“平行”位置。支路继续升压至液控背压阀7开启压力，压力油推开液控背压阀7、经过液控换向阀9进入液压缸10(执行元件)。同时，压力油经过单向节流阀6进入液控背压阀7的有杆腔，在保证液控换向阀9的阀芯彻底移动到换向位置的前提下，缓慢推动锥阀芯(相对液控阀的阀芯移动速度)至到最大开度，消除压力油经过液控背压阀7时产生的压力损失，并防止系统在高压状态下发热升温。执行系统压力随转向桥的负载升压，当压力升过减压阀的设定出口压力时，减压阀开始减压工作，始终保证转向器分配阀压力恒定，不超载，大大提高了转向器可靠性。

1 油箱 2 液压泵 3 单向阀 4蓄能器 5液控减压阀

6 单向节流阀 7液控背压阀 8 转向分配阀 9液控换向阀 10液压缸

图2-5 系统设计工作原理

(3)汽车右转向：方向盘向右转动，转向器分配阀8工作位置移到“交叉”位置，压力油进入液控换向阀9“交叉”位置的方向控制口，支路成封闭回路，迅速建压到液控换向阀9的阀芯开启压力，推动阀芯，使液控换向阀9的工作位置移到“交叉”位置。其他元件液体工作特性与左转向完全相同。左右转向转换工作过程关键特性：汽车在左右转向转换过程中转向器分配阀9阀芯回到中位位置(执行系统处于无压状态)后，又移到任一左右转向位置的瞬时，液控单向阀3阀芯在回位弹簧和单向节流阀6的作用下，迅速释放油液并关闭，使支路建压，迅速控制液控换向阀工作。