乘用車機械轉向系統(tǒng)的控制閥設計

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2017 屆畢業(yè)設計（論文） 題 目：乘用車機械轉向系統(tǒng)的控制閥設計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 指導老師： 起訖日期： 2017 年 4 月 摘 要 本文研究的是乘用車液壓助力轉向系統(tǒng)控制閥的設計，通過對整車的動力學分析，摘要 利用液壓助力轉向系統(tǒng)中液壓泵與控制閥的特性 ,對這三者進行匹配 ,從而保證轉向盤的轉動力矩 ,使其在滿足轉向輕便性的同時滿足 轉向的靈敏性。 本文通過對液壓助力轉向系統(tǒng)中的液壓泵與控制閥進行設計分析，最后將優(yōu)化的計算結果導入到模型中將兩者聯(lián)合仿真。分析轉向盤在不同車速下的力矩特性 ,對液壓助力轉向系統(tǒng)與整車的匹配有一定的指導作用。 論文介紹了助力轉向系統(tǒng)在國內外的發(fā)展應用情況、各種類型的助力轉向系統(tǒng)的優(yōu)缺點以及助力轉向系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢 ,并闡述了助力轉向系統(tǒng)的基本工作原理和組成部分。 分析乘用車的轉向特性 ,確定影響轉向的整車參數(shù)，并確定不同車速下，轉向盤轉向的力矩特性 ,結合液壓泵與控制閥的特性，對液壓泵最大流量、排量、高速時的流量減 少量進行匹配設計，并確定控制閥的特性參數(shù)。 關鍵字： 液壓 轉向 控制閥 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 錄 摘 要 ........................................................................................................... I ...................................................................................................... 錄 ............................................................................................................ 1 第一章 緒論 ................................................................................................. 2 題的研究背景 ............................................................................................. 2 .............................................................................. 2 文研究的主要內容與方法 ......................................................................... 4 文主要內容 ............................................................................................................... 4 文研究思路 .............................................................................................................. 4 第二章仿真模型的建立 ................................................................................ 5 型的建立 .................................................................................................... 5 第三章液壓助力轉向系統(tǒng) ............................................................................ 6 向系統(tǒng)的運動分析 ..................................................................................... 6 向系統(tǒng)控制閥的設計 ................................................................................. 7 第四章總結與展望 ....................................................................................... 12 文總結 ...................................................................................................... 12 望 ............................................................................................................ 13 參考文獻 ..................................................................................................... 14 致謝 ............................................................................................................. 15 第一章 緒論 2 第一章 緒論 乘用車轉向系統(tǒng)，即按照駕駛員的意愿 保持或改變汽車行駛方向的機構 ,它對整車的操縱穩(wěn)定性、舒適性以及行駛安全性均有重大的影響。 最早的機械轉向系統(tǒng)，完全是是依靠人力作用在方向盤上，通過轉向機構進行轉向，特別對于大型和重型的乘用車 ，往往比較費勁，容易造成駕駛疲勞。因此，人們開始研究對機械轉向系統(tǒng)添加輔助動力，從而提高駕駛員的駕駛舒適性。機械液壓助力轉向是車用車中最常見的一種助力方式，這種助力方式是將一部分發(fā)動機動力輸出轉化成液壓泵壓力，通過控制閥對液壓油流動方向和流量的調節(jié)作用，對轉向系統(tǒng)施加輔助作用力，從而使輪胎轉向。因此控制閥的設計，是機械轉向系統(tǒng)設計中最重要的環(huán)節(jié)之一。 在轉向系統(tǒng)的設計中 ,一直存在著轉向輕便性與轉向靈敏性的矛盾。增大轉向系統(tǒng)的傳動比，轉向輕便性好轉 ,但是轉向靈敏性降低；減小轉向系統(tǒng)的傳動比 ,轉向靈敏性提高 ,但 是轉向輕便性變差。 為了解決這個矛盾 ,汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展（圖 1機械轉向器到了助力轉向裝置。助力轉向系統(tǒng)的形式有液壓助力轉向系統(tǒng) ,電控液壓助力轉向系統(tǒng)、電控助力轉向系統(tǒng)、線控轉向系統(tǒng) ',。 液壓助力轉向系統(tǒng)按照控制閥、液壓泵、動力缸、轉向器的位置的不同可分 3 為四類 ,包括整體式、聯(lián)閥式、連桿式、半份置式。整體式即是控制閥、轉向器與動力缸三者全部集成在一起當控制閥與動力缸集成在一起 ,而轉向器分開安裝時即為聯(lián)閥式。當動力缸單獨安裝放置 ,控制閥位于轉向器之后時為連桿式。動力缸 不僅單獨安裝 ,且控制閥安裝與轉向器上時為半份置式。這些組合方式主要受以下因數(shù)的約束與限制：車輛載荷 ,拆卸與安裝轉向器的便利性，液壓管路的布置、長度，是否容易引起振動 ,動力缸能承受的載荷等等。 液壓助力轉向系統(tǒng)又可以分為常壓式和常流式兩種基本類型。常壓式液壓助力轉向系統(tǒng)只被少數(shù)的重型汽車所采用 ,而常流式液壓助力轉向系統(tǒng)則廣泛用于各種汽車上。 其中控制閥是液壓助力轉向系統(tǒng)的關鍵組成部分 ,它的主流形式有滑閥式與轉閥式兩種 ,從名稱上就可以看出兩者的區(qū)別 ,即滑閥式是利用閥芯與閥體的相對位移來控制液壓油的流動與壓力 ,轉 閥式是運用閥芯與閥套的相對角位移來控制液壓油的流動。這兩種形式各有優(yōu)缺點 ,如于滑閥式控制閥結構簡單 ,生產工藝性較好 ,易于布置 ,使用性能較好。轉閥式控制閥相對滑閥式控制閥靈敏度要高 ,密封件要少 ,并且結構較為先進 ,但是結構相對要復雜 ,如轉閥式控制閥的閥芯是利用扭桿彈簧來回位。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展 ,這些已不算很難的問題 ,所以轉閥式控制閥無論在國內還是國外都得到了廣泛的發(fā)展與應用。 隨著液壓助力轉向系統(tǒng)的廣泛應用與發(fā)展 ,人們對動力轉向系統(tǒng)的要求也與日俱增。人們要求裝有液壓助力轉向機構的車輛 ,它在運動上要能保持駕駛員轉動轉向盤轉角與轉向輪轉角保持一定的比例關系。隨著路面給予轉向輪的阻力的增大或者減小 ,作用在方向盤上的手力應該相應的增大或者減小。并且規(guī)定了液壓助力轉向系統(tǒng)的在駕駛員的手力達到一定程度時必須開始工作的標準 ,這個標準對于不同形式的車輛有所不同。還規(guī)定了車輛轉向后 ,轉向盤應能自動回正 ,液壓助力轉向系統(tǒng)不應阻礙車輛的自動回正。另外液壓系統(tǒng)的工作應該很靈敏 ,在突然打轉角轉向時 ,液壓系統(tǒng)內的壓力能很快達到最大值。當液壓轉向系統(tǒng)失靈后 ,駕駛員任然能操縱轉向盤 ,僅用機械系統(tǒng)進行轉向。 最后就是液壓助力轉向系統(tǒng)的密封性能要好 ,內外泄露要盡量的少 ,尤其是外泄漏 ,要基本杜絕。 第一章 緒論 4 文研究的主要內容與方法 文主要內容 本文首先進行的是對整車的動力學分析 ,涉及的主要是轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)相關的部分 ,無論采用何種助力轉向形式 ,對整車的轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)動力學分析都是不可避免的 ,也是助力轉向器設計的依據(jù)。通過轉向系統(tǒng)的動力學分析 ,確定影響轉向輪轉向 ,會造成轉向輪產生附加轉角的因數(shù) ,以及影響轉向輕便性與轉向靈敏性的因數(shù) ,對它們進行分析 ,可以簡化的簡化 ,該著重考慮的重點考慮。在根據(jù)本課題選定的是 ,對其液壓泵、轉向閥、動力缸 進行匹配。最后再對整車操縱穩(wěn)定性進行仿真分析 ,來確定其匹配性能有所提高。 文研究思路 在具體的研究過程中 ,采用三維多體動力學軟件對整車除液壓助力轉向部分進行建模 ,在一維系統(tǒng)仿真軟件中對液壓助力轉向部分。然后進行聯(lián)合仿真 ,并對的液壓泵以及轉向閥展開設計。最后與整車的匹配分析 ,并進行操穩(wěn)性驗證。 5 第二章 仿真模型的建立 圖 2壓助力轉向系統(tǒng) 液壓助力轉向系統(tǒng)的模型如圖 2示，這是一個完整的液壓助力轉向系統(tǒng)一維系統(tǒng)圖 ,系統(tǒng)圖中包括了液壓泵、控制閥、動力缸、安 全閥、原動機、高壓油管、低壓油管等。在這個模型中有兩個與外界的接口 ,一個是方向盤的轉向角 ,這個是對液壓系統(tǒng)的輸入 ,液壓系統(tǒng)對這個輸入的干擾很小 ,為了簡化 ,假設液壓系統(tǒng)沒有對轉向盤轉角以阻力反饋由于轉向盤轉角的作用 ,使控制閥產生一個轉角 ,進而動力缸兩端有壓差 ,推動齒條助力 ,這個助力作用就是另一個是接口 ,在這個助力的過程中 ,齒條反饋相當大 ,反饋回來的就是齒條上的位移與速度 ,如下圖一所示已經標出了兩個接口的位置 ,以及與其他軟件的輸入輸出數(shù)據(jù)的關系。 第三章液壓助力轉向系統(tǒng) 6 第三章液壓助力轉向系統(tǒng) 對轉向系統(tǒng) 的幾何運動學分析主要是對轉向傳動機構的轉向梯形進行優(yōu)化 分析。汽車的轉向參數(shù)設置得不好可以影響輪胎的使用壽命 ,降低其行駛平順性 ,也可能引起側滑導致側翻等安全事故。因此需要對汽車的轉向參數(shù)進行優(yōu)化。 3向理論 根據(jù)如圖一 轉向理論 ,O 點為瞬時轉動中心。 b 的取值為兩主銷中心線的延長線與地面之間交點的距離 ,如式一所示。但是 ,的這種取值使得求解得的內、外側轉向輪的轉角誤差較大。當用 去代替 r 時 ,其與空間分法的結果差別很小 ,與試驗結果吻合較好 ,計算也很簡單 ,此時 b 的取值如式 (3式（ 3較大的改進。根據(jù)轉向理論可以得出外側車輪轉向角與內側車輪轉向角符合是（ 3關系。 7 上述情況還是過于理想 ,在實際的汽車轉向過程中 ,僅在停車過程等低速轉向行駛時 ,離心力幾乎為零 ,整車側向力也為零 ,瞬時轉動中心在后軸的延長線上。但是絕大多數(shù)情況下瞬時轉動中心并不在后軸的延長線上 ,由于輪胎的彈性特性以及塑性特性 ,瞬時轉向中心一般在前后軸軸線之間的區(qū)域內。 在實際的轉向梯形的設計中 ,常使車輛左右車輪的轉向角在理論轉向與平行轉向之間。所謂平行轉向即是指車輛在轉向時 ,左右車輪的轉向角大小相等。在近代 汽車轉向系的設計中 ,常使轉向時的內側車輪轉角小于對應的轉角 ,外側車輪轉角大于對應的轉角。因此內、外側車輪的轉向差就要比轉角小 ,這樣的設計可以允許較高的側向加速度 ,給轉向桿系帶來的運動學問題也相對較少。 向系統(tǒng)控制閥的設計 液壓助力轉向系統(tǒng)的控制閥具有對稱的結構 ,在很多文獻中都將控制閥等效為惠斯通模型 ,如圖（ 3示。在圖中 , 與 分別為控制閥的入口流量與出口流量 , 實際上在助力轉向系統(tǒng)沒有外泄漏時 ，分別為控制閥的入口壓力與出口壓力 ,在工作過程中， 分別為兩路液體入口流量 ,它們的和等于入 口流量與 分別為對應流道的出口流量 , 與 與尺分別為負載即動力缸兩端的油壓 , 為負載流量 , 為負載壓力。 第三章液壓助 力轉向系統(tǒng) 8 3制閥等效為惠斯通模型 從圖（ 3可得控制閥的流量方程與負載的流量方程 ,如（ 3（ 3（ 3示： （ 3 （ 3 （ 3 對于控制閥這樣的閥體 ,它的閥流量可以用薄壁小孔的節(jié)流公式（ 3確定。 （ 3 將式（ 3入式（ 3（ 3可得： （ 3 3 9 該液壓助力轉向系統(tǒng)的控制閥是轉閥式流量控制閥 ,它是在一定壓力差下 ,通過改變閥口的流通面積大小來控制流量的大小。流量控制閥是利用小孔節(jié)流原理工作的 ,作為節(jié)流口的小孔通常有三種形式 ,薄壁小孔、短孔和細長孔 ,液壓助力轉向系統(tǒng)的控制閥是薄壁小孔 ,其小孔節(jié)流的流量公式如（ 3示。 液壓助力轉向系統(tǒng)控制閥的工作原理如下圖 3畫陰影線部分就是控制閥 ,右邊的腔室是動力缸。從圖中也可以看出 ,控制閥是具有對稱結構的可控節(jié)流閥。當車輛啟動后 ,發(fā)動機帶動圖中 P 處的液壓泵 ,液壓泵對控制閥提供 一個連續(xù)的有一定壓力作用的液流 ,在駕駛員未轉動方向盤時 ,控制閥的滑閥處于中位 ,A、 B 兩端壓力相等 ,動力缸活塞不發(fā)生位移 ,此時沒有助力 ,液壓油經管路 T 又流回液壓泵。當駕駛員轉動方向盤時 ,控制閥的滑閥離開中位 ,A、 假如 A 端閥口面積增大 ,則 B 端閥口面積減小 ,A 端壓力增大 如圖所示則腔室 A 壓力大 ,從而推動活塞向另一邊運動 ,也就是這樣 ,液壓助力轉向系統(tǒng)實現(xiàn)了助力的工作。 圖 3制閥的工作原理 圖（ 3出了控制閥的等效模型 ,在進行壓力和流量計算時 ,做了一些簡化的假設忽略了一些管道 與腔室的壓力損失 ,,因為這些地方的壓力所示很小認為油液是不可壓縮的 ,這樣就不用考慮密度的變化 ,實際上油液的密度變化也非常小 ,第三章液壓助力轉向系統(tǒng) 10 可以忽略不計。 根據(jù)圖（ 3等效模型可得壓力平衡關系： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 根據(jù)等效模型還可得流量的平衡關系： （ 3 （ 3 （ 3 （ 3 式中 —— 管路 對應的壓強。 當控制閥的閥芯發(fā)生轉動時 ,節(jié)流小孔的寬度則相應的由初始間隙發(fā)生變化 ,它的變化是一側閥口增 大 ,而另一側減小 ,它們的閥口寬度如式（ 3（ 3 （ 3 （ 3 下面僅以閥口較小側為例計算控制閥的輸入壓強 ,將式（ 3式（ 3入式（ 3得： （ 3 11 動力轉向器的輸入轉矩與輸出轉矩之間的變化關系曲線如下圖 3示，它是用來評價動力轉向器的主要特性指標。而輸出轉矩等于動力缸的兩端壓差乘以工作面積和作用的力臂 ,對于以確定的結構 ,動力缸的工作面積與其作用的力臂為常量 ,所以動力轉向器的輸入轉矩與輸出轉矩之間的變 化關系即為輸入轉矩與輸出油壓之間的變化關系 ,式一的推導過程也體現(xiàn)了出了控制閥油壓與閥芯轉角的關系 ,不過一般應用油壓與方向盤的轉角關系來反映控制閥的流量特性 ,因為人們更加關心駕駛員給轉向盤的直接輸入與油壓助力的關系。 在圖 3 ,橫坐標表示輸入轉矩 ,縱坐標表示輸出油壓。這個曲線可分為個區(qū)段 ,在輸入轉矩不大時 ,即圖中的區(qū)段 ,它代表的是汽車在直線行駛時 ,是道路不平、駕駛員不自覺的輕微轉動方向盤等小轉角區(qū)段 ,此時曲線基本上是線性的 ,且液壓油壓力值較小區(qū)段是一個平滑的過渡階段 ,它連接到區(qū)段區(qū)段是車輛在常用的車速進行 轉向行駛時液壓油壓力區(qū)段 ,它要求作用力明顯 ,油壓曲線的斜率變化較大 ,這樣才能給駕駛員以手感 ,提高轉向安全性區(qū)段就是之前提到原地轉向時的液壓油壓力 ,原地轉向時轉向阻力距最大 ,需要的助力相應也最大 ,所以油壓曲線呈陡而直狀上升。 圖 3入轉矩與輸出油壓關系圖 第四章總結與展望 12 第四章總結與展望 本文運用現(xiàn)代設計方法對液壓助力轉向系統(tǒng)與整車的匹配做了研究。首先利用液壓系統(tǒng)仿真軟件和多體動力學仿真軟件分別對液壓助力轉向系統(tǒng)與整車進行建模 ,分析模型的可行性與正確性。然后將兩者聯(lián)合仿真 ,進行匹配設計。最后將匹配 好的優(yōu)選模型進行操縱穩(wěn)定性仿真分析。具體如下步驟 : 1) 對液壓助力轉向系統(tǒng)的液壓泵、控制閥、動力缸等建立模型 ,建立一維的液壓系統(tǒng)模型 ,并初步驗證模型的正確性。建立整車的簡化模型 ,對轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)重點建模 ,并初步驗證模型的正確性。 2) 對整車模型與液壓模型進行聯(lián)合仿真 ,并對特定的整車模型進行液壓助力轉向系統(tǒng)的匹配設計 ,確保兩者的通訊交流順利。 3) 分析整車在轉向過程中附加轉角特性以及阻力矩的影響因數(shù) ,對這些影響轉向性能的整車參數(shù)進行確定。根據(jù)液壓助力轉向系統(tǒng)需要提供助力的大小去確定液壓泵的最大壓力以及最大流量 ,然后根 據(jù)高速時車輛助力的減少量去確定高速時液壓泵流量的減少量 ,通過這樣來選取液壓泵。在確定流量減少量的時候需要借助控制閥流量、壓力等特性來完成 ,這樣也可以選取控制閥的參數(shù)。然后將選取好的模型參數(shù)輸入到模型中進行聯(lián)合仿真 ,并確定模型的正確性。 4) 對完整的整車模型進行操縱穩(wěn)定性仿真 ,進行的操縱穩(wěn)定仿真有穩(wěn)態(tài)回轉試驗、轉向回正性試驗、轉向輕便性試驗。驗證匹配設計的合理性 ,達到兼顧手感與輕便性的結果。 13 望 本文研究的是液壓助力轉向系統(tǒng)與整車的匹配 ,對匹配的工作做了一些研究 ,但是在廣度和深度上還有待繼續(xù)研究。加之 本人能力有限 ,在今后該方面的工作開展中還需繼續(xù)從如下幾個方面改進： 1) 需要做模型車的操縱穩(wěn)定性試驗來模型的正確性。尤其是經過匹配設計后的整車模型 ,是否改善了整車的操穩(wěn)性 ,還需要大量的試驗來對比驗證。 2) 輪胎模型的建立要結合實際車輛的情況。 3) 可以將液壓助力轉向系統(tǒng)與整車的匹配擴展到助力轉向系統(tǒng)與整車的匹配。 參考文獻 14 參考文獻 1) 陳家瑞主編 M], 北京機械工業(yè)出版社 ,2003. 2) 劉照 D] 華中科技大學 ,2004, 3) 朱俊液壓助力轉向與整車匹配的研究 [D] 吉林 大學 ,2008 4) 朱海 D] 吉林大學 ,2004. 5) 劉民 D] 航天發(fā)射技術 ,2012 年第 4 期 6) 李紅海 D] 重慶交通大學 ,2013 7) 高翔 ,沈曉豐 ,夏長高 ,王若平 J] 制造技術與機床 ,2015 年第 6 期 8) 郭孔輝著 M] 吉林吉林科學技術出版社 ,2008 年 3 月第 4 版 9) 王洋 D]江蘇理工大學 ,2012. 10) 趙萬里電控 液壓助力轉向系統(tǒng)的節(jié)能分析與建模仿真〔 D〕江蘇大學 ,2014. 11) 2005. 12) F A ]. 2008, 36313) ,,. A to J］ 2003,27 ( 1) :19 － 26． 15 致謝 時間過得很快，差不多經歷了三個月的畢業(yè)設計接近尾聲。對我而言，完成此次畢業(yè)設計可以說是對這大學四年所學習到的專業(yè)知識做了一次最好的實踐性總結，其時間之長、設計 內容之廣、工作量之大是四年大學學習生涯中任何一次課程設計所不能比擬的。經過這次畢業(yè)設計，使我對機械轉向的系統(tǒng)的原理及結構有了更進一步的認識，同時，提高了 ~~~~~~等工程制圖軟件的應用能力，加深了對書本上理論知識的理解，為將來的工作奠定了較好的基礎。 本次畢業(yè)設計得以順利的完成，首先要感謝的就是帶我畢業(yè)設計的老師，師，感謝他的悉心指導和耐心幫助，······知識水平有限，在設計中常常遇到問題，是老師不厭其煩地指導、點播迷津，提供相關資料，才使設計順利完成。老師的耐心講解，使我如沐春風，不僅如此，老師嚴 謹?shù)闹螌W態(tài)度和高尚的敬業(yè)情操深深折服了我， 并將積極影響我今后的學習和工作 。對此，我向我們的洪榮晶老師致以最真誠的謝意。 其次，要感謝我的研究生學長和我的同學們，感謝他們在我畢業(yè)設計過程中陷入困境時對我伸出的援助之手。沒有他們對我的幫助，我的畢業(yè)設計不可能完成的這么快。感謝從我進入大學以來，學校所有老師在學習方面和生活方面對我的關心。同時也感謝為我們畢業(yè)設計辛苦的所有老師。 我也非常感謝我的父母，感謝他們無條件地一直支持我、養(yǎng)育我，使我能全身心地投入到學習中，在此，我想對我的父母說：你們辛苦了，謝謝你們！ 最 后，很感謝閱讀這篇畢業(yè)設計的你們，感謝你們抽出寶貴的時間來閱讀這篇畢業(yè)設計。