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1、(10)申请公布号 CN 103935396 A (43)申请公布日 2014.07.23 CN 103935396 A (21)申请号 201410156091.8 (22)申请日 2014.04.18 B62D 5/08(2006.01) (71)申请人 采埃孚商用车转向机 （山东） 有限公 司 地址 250107 山东省济南市历城区遥墙镇临 港开发区机场路 4647 号 (72)发明人 冯明飞 (74)专利代理机构 济南信达专利事务所有限公 司 37100 代理人 罗文曌 (54) 发明名称 一种循环球动力转向机阀芯、 含有该阀芯的 螺杆总成及轻手力转向机 (57) 摘要 本发明提供一种。
2、循环球动力转向机阀芯、 含 有该阀芯的螺杆总成及轻手力转向机。阀芯油槽 刃口的切口形状是由多个点构成的样条曲线。螺 杆总成采用大直径贯穿式结构的螺杆， 并通过限 位销实现阀芯与螺杆的转动限位。与现有技术相 比， 本发明的轻手力转向机显著减轻了驾驶员方 向盘的输入手力， 减小了摩擦阻力， 操纵柔和平 顺， 无转向粘滞、 发卡现象， 路感清晰。 在保证直线 行驶时的稳定性的同时， 常用转向角度内液压助 力介入迅速， 从而有效减轻操纵力， 具有很好的推 广应用价值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 。
3、权利要求书1页 说明书6页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103935396 A CN 103935396 A 1/1 页 2 1. 一种循环球动力转向机阀芯， 包括圆柱状阀芯本体， 阀芯本体外壁开有若干油槽， 油 槽的长度方向与阀芯本体的轴向一致， 其特征在于 ： 油槽刃口切口形状是由多个点构成的 样条曲线， 各点的位置由该点的 角度和该点到阀芯外圆的距离 A 决定 , 所述 角度指 样条曲线上一点与阀芯外圆圆心连接成的直线同阀芯油槽的对称中心线所组成的角度 , ( ) 18.93 19.3519.7920.2420.6821.1221.5622.0022.4422.8823.32 A。
4、(mm)0.424 0.2230.1010.0530.040.0320.0260.0220.0180.0080 与 A 的取值如上表所示。 2. 根据权利要求 1 所述的阀芯， 其特征在于 ： ( ) 18.93 19.1119.3519.5719.7920.0120.2420.4620.6820.9021.12 A(mm)0.424 0.3240.2230.1460.1010.0720.0530.0440.040.0350.032 ( ) 21.34 21.56 21.78 22.00 22.22 22.44 22.66 22.88 23.10 23.32 A(mm)0.029 0.026 。
5、0.023 0.022 0.021 0.018 0.013 0.008 0.003 0 与 A 的取值如上表所示。 3. 循环球动力转向机螺杆总成， 主要由阀芯、 螺杆及扭杆构成， 其特征在于所述阀芯为 权利要求 1 或 2 所述阀芯。 4. 根据权利要求 3 所述的螺杆总成， 其特征在于 ： 所述螺杆轴心设有贯穿式通孔， 阀芯 主体部分及扭杆均设置在通孔内， 阀芯未插入螺杆通孔的一端设有花键， 阀芯插入螺杆通 孔的一端通过销子与扭杆一端相固定， 扭杆另一端与螺杆远离阀芯的一端通过压入销钉固 定连接， 阀芯与螺杆通过限位销实现转动限位， 限位销穿过阀芯的限位孔并与螺杆紧配合。 5. 根据权利要。
6、求 4 所述的螺杆总成， 其特征在于 ： 阀芯外径与螺杆内孔之间设置有径 向滚针轴承， 两个径向滚针轴承分别设置于油槽的两侧。 6. 根据权利要求 4 或 5 所述的螺杆总成， 其特征在于 ： 螺杆外径不小于 39mm。 7. 轻手力转向机， 主要由壳体、 壳体盖、 螺杆总成、 齿条活塞及齿形扇轴总成构成， 螺杆 总成、 齿条活塞及齿形扇轴总成均设置在壳体与壳体盖构成的空间内， 螺杆总成水平设置 在壳体上部， 螺杆总成中的螺杆与齿条活塞内孔螺纹配合， 齿条活塞下部的齿条与设置在 壳体下部的齿形扇轴总成的扇形齿轴螺纹配合， 其特征在于所述螺杆总成为权利要求 2 所 述螺杆总成。 8. 根据权利要。
7、求 7 所述的转向机， 其特征在于螺杆与壳体及壳体盖之间均设置有垫圈 和轴向止推滚针轴承。 权 利 要 求 书 CN 103935396 A 2 1/6 页 3 一种循环球动力转向机阀芯、 含有该阀芯的螺杆总成及轻 手力转向机 技术领域 0001 本发明涉及转向机生产技术领域， 具体的说是一种循环球动力转向机阀芯、 含有 该阀芯的螺杆总成及轻手力转向机及轻手力。 背景技术 0002 目前广泛应用的循环球式液压助力转向机主要由壳体， 循环球螺杆螺母总成， 齿 扇轴几大结构件组成， 其中液压助力的控制主要通过集成于螺杆总成中的转向控制阀来实 现。 转向控制阀的形式主要为滑阀式和转阀式。 其中滑阀式。
8、由于结构复杂已经被逐步淘汰， 转阀式因其结构紧凑， 控制灵敏度高而得到广泛使用。转阀相关零部件的结构尺寸和几何 参数以及各相对运动零部件之间的摩擦状态， 决定了转向机的手力特性， 即阀特性曲线， 其 表征的是驾驶员方向盘输入扭矩与转向机液压助力大小以及输出扭矩之间的关系。 因此阀 特性曲线的优劣会直接反馈到驾驶员的操作感受上， 手力特性的不同会导致驾驶员的路感 差异明显。 0003 随着商用车领域的载重量的日益增长， 转向桥的负载逐步加大， 驾驶员对方向盘 的操纵会随之变得沉重。虽然可通过提高转向系统的助力压力来提高输出扭矩， 但系统压 力仅决定了转向机的峰值扭矩， 而对驾驶员的操纵感觉没有直。
9、接的改善。为减轻转向机手 力， 主要通过调整转阀中阀芯的刃口几何形状， 降低扭杆刚度， 减小转向机内部的摩擦阻力 三种途径来实现。现有技术中， 针对刃口几何形状的设计计算偏于理论分析， 如果刃口几 何形状设计复杂， 常规的磨削加工工艺难以保证几何形状的准确度， 因此目前基本采用的 方法是采用一个倒角或数个不同半径的圆弧来构成刃口的几何形状， 如专利 CN94202303.X 以及 CN201220546707.9 中所描述的形状， 导致在转动过程中控制油的流量变化不柔和， 手 力改善效果不明显， 并且在建立压力过程中会出现突变导致转向抖动。而针对扭杆刚度的 调整， 现有产品的结构多采用非贯穿式。
10、螺杆结构， 如专利 CN201320305563.2 所描述， 或者 是转阀与螺杆采用分离式， 如专利 CN99224497.8 所述， 该类结构总长度短， 导致通过增加 扭杆长度来降低刚度的方法难以实现。仅能够单靠减小扭杆直径来减轻手力， 然而由于扭 杆直径过小， 其强度和稳定性亦均显著降低， 扭杆转角过大时极限状态下扭杆可能断裂， 另 一方面扭杆刚度的过度降低将影响转向机的自动回正性能， 导致直线行驶时驾驶员感觉方 向发飘， 指向不准等。 此外， 现有产品结构大都通过在螺杆端面加工托耳或锥形槽来满足转 阀转动限位机构的需要， 如专利 CN200720087046.7 所述， 导致螺杆的轴向。
11、定位困难， 只能 靠一个径向轴承实现定位和降低摩擦， 轴承承受较大轴向力， 难以进一步降低摩擦阻力。 因 此单纯依靠减小扭杆直径来减轻转向机手力， 无法获得显著的效果。 发明内容 0004 本发明的技术任务是解决现有技术的不足， 提供一种具有特殊刃口几何形状的循 环球动力转向机阀芯。 说 明 书 CN 103935396 A 3 2/6 页 4 0005 本发明进一步的技术任务是提供含有上述阀芯的轻手力转向机螺杆总成 ； 本发明第三个技术任务是提供含有上述螺杆总成的轻手力转向机。 0006 本发明的技术方案是按以下方式实现的， 一种循环球动力转向机阀芯， 包括圆柱 状阀芯本体， 阀芯本体外壁开。
12、有若干油槽， 油槽的长度方向与阀芯本体的轴向一致， 其特点 是油槽刃口切口形状是由多个点构成的样条曲线， 各点的位置可通过极坐标系 （,） 来 定义， 角度是指样条曲线上一点与阀芯外圆圆心连接成的直线同阀芯油槽的对称中心线 所组成的角度， 为极坐标系中的极角, 为点到极坐标中心的距离， 即极径， 为直观反映出 阀芯刃口对应各点的过流间隙， 通常将极径 改为由点到阀芯外圆的距离 A 来表示。某一 特定过流间隙值对应的油压压力值是一定的， 而阀特性曲线是是一个连续曲线， 决定其优 良的并不是某一瞬间的压力， 而是压力的上升过程是否平顺。 而保证阀特性曲线形状平滑、 柔顺、 无波动的关键在于， 阀套。
13、和阀芯相对转动过程中， 阀芯刃口的过流间隙变化合理， 过 渡柔和。申请人通过大量计算、 实验得到一组理想的 （A， ） 值， 使得阀套和阀芯相对转动 过程中， 阀芯刃口的过流间隙变化合理， 过渡柔和， 在确保液压助力介入迅速， 降低手力的 同时， 使阀特性曲线平顺柔和， 与 A 的取值如上表所示。 0007 为了进一步提升阀特性曲线平顺柔和性， 与 A 优选上表所示取值。 0008 上述阀芯可以是六槽式阀芯， 也可以是八槽式阀芯。除去刃口切口形状之外的其 它技术特征均与现有技术中的六槽式或八槽式阀芯相同， 只要槽的宽度和长度以及孔径相 匹配， 可以与任何公知技术中的阀套 （内孔开有油槽） 配合。
14、构成转阀 ； 与螺杆 （内孔开有油 槽） 及扭杆构成循环球动力转向机螺杆总成。 0009 为了达到更好的技术效果， 上述循环球动力转向机螺杆总成优选以下结构 ： 所述 螺杆轴心设有贯穿式通孔， 阀芯主体部分及扭杆均设置在通孔内， 阀芯未插入螺杆通孔的 一端设有花键， 阀芯插入螺杆通孔的一端通过销子与扭杆一端相固定， 扭杆另一端与螺杆 远离阀芯的一端通过压入销钉固定连接， 阀芯与螺杆通过限位销实现转动限位， 限位销穿 过阀芯的限位孔并与螺杆紧配合。 0010 为了进一步减小摩擦阻力， 可以在阀芯外径与螺杆内孔之间设置径向滚针轴承， 两个径向滚针轴承分别设置于油槽的两侧。 0011 螺杆外径不小于。
15、 39mm。 0012 申请人经实验证实， 上述螺杆总成应用于转向机生产时可以获得均好的手力特性 说 明 书 CN 103935396 A 4 3/6 页 5 曲线， 能够有效减轻操纵力。这里所说的转向机的基本结构与现有技术中转向机的基本结 构相同， 主要由壳体、 壳体盖、 螺杆总成、 齿条活塞及齿形扇轴总成构成， 螺杆总成、 齿条活 塞及齿形扇轴总成均设置在壳体与壳体盖构成的空间内， 螺杆总成水平设置在壳体上部， 螺杆总成中的螺杆与齿条活塞内孔螺纹配合， 齿条活塞下部的齿条与设置在壳体下部的齿 形扇轴总成的扇形齿轴螺纹配合， 其特点是所述螺杆总成为上述循环球动力转向机螺杆总 成。 0013 。
16、为了降低螺杆转动的摩擦阻力， 可以在螺杆与壳体及壳体盖之间分别设置垫圈和 轴向止推滚针轴承。 0014 本发明与现有技术相比所产生的有益效果是 ： 与有技术相比， 本发明的轻手力转向机显著减轻了驾驶员方向盘的输入手力， 减小了 摩擦阻力， 操纵柔和平顺， 无由较大摩擦阻力引起的转向粘滞、 发卡现象， 路感清晰。 在保证 直线行驶时的稳定性的同时， 常用转向角度时液压助力介入迅速， 从而有效减轻操纵力。 具 体来说 ： （一） 提供一种新的刃口几何形状， 由多个点构成的样条曲线， 每一个点的位置决定了 对应转向角度下的阀的过流面积。 该特征的刃口几何形状可以实现在小转向角度时保证过 流面积过度平。
17、缓确保在直线行驶或小角度转向时转向助力增长平缓， 避免转向发飘。而在 常用转向角度范围内， 增加过流面积， 使油压快速建立以产生助力， 进而减轻方向盘机械操 纵手力， 对降低手力的关键作用。 0015 （二） 将螺杆设计为大直径贯穿式结构。螺杆内孔在提供控制液油路的同时， 也扭 杆可以一直延伸到螺杆的末端， 为扭杆长度的增加提供了足够空间， 因而避免了现有结构 只能通过减小扭杆直径的方式来降低扭杆刚度， 在保证零件可靠性的同时能够降低手力。 0016 （三） 通过改变转阀转动限位结构形式 （阀芯与螺杆通过限位销实现转动限位） ， 无 需在端面加工托耳来进行转动限位， 允许贯穿式螺杆可采用两端轴。
18、向定位方式， 并通过两 个端面止推滚针轴承显著降低螺杆转动的摩擦阻力。而较大的外径可放置更多循环钢球， 在减小每个钢球接触应力的同时进一步降低了摩擦阻力。 从而避免了只能通过一个径向球 轴承来定位螺杆， 由于额外轴向力施加在轴承上而导致摩擦阻力增大。 0017 （四） 阀芯与螺杆内孔需要配合足够紧密以实现对控制液的密封作用， 在阀芯外径 与螺杆内孔之间设置两个径向滚针轴承， 可以减小阀芯和螺杆内孔因紧密配合而产生的摩 擦阻力， 降低转向机手力。 附图说明 0018 附图 1 是本发明轻手力循环球动力转向机结构示意图 ； 附图 2 是图 1 中转向机的 F-F 截面图 ； 附图 3 是图 2 所。
19、示转向机 B 区域的放大视图 ； 附图 4 是图 1 中阀芯结构图 ； 附图 5 是图 4 中阀芯的 D-D 截面 ； 附图 6 是图 5 中阀芯截面的放大视图 ； 附图 7 是图 6 中 X 区域的放大视图 ； 附图 8 是图 1 中转向机的 C-C 截面图 ； 说 明 书 CN 103935396 A 5 4/6 页 6 附图 9 是本发明转向机手力特性曲线对比图。 0019 图中， 1.壳体， 2.齿条活塞， 3.销子， 4.密封圈， 5.限位销， 6.螺杆， 7.径向滚针轴 承， 8. 阀芯 （输入轴） ， 9. 轴密封， 10. 垫圈， 11. 轴向止推滚针轴承， 12. 扇形齿轴，。
20、 13. 循环 钢球， 14. 轴向止推滚针轴承， 15. 扭杆， 16. 垫圈， 17. 密封圈， 18. O 型圈， 19. 螺栓， 20. 壳 体盖， 21. 密封圈， 22. 压入销钉， 23. 花键， 24. 油槽， 25. 阀芯油槽对称中心线， 26. 阀芯 外圆截面中心与样本曲线点连接线， 27. 高压进油槽， 28. 回油槽。 具体实施方式 0020 下面结合附图对本发明的一种循环球动力转向机阀芯、 含有该阀芯的螺杆总成及 轻手力转向机作以下详细说明。 0021 如附图1、 2、 3、 8所示， 轻手力转向机主要由壳体1、 壳体盖20、 螺杆总成、 齿条活塞 2 及齿形扇轴总成。
21、构成。 0022 壳体盖 20 通过螺栓固定于壳体 1 开口端， 螺杆总成、 齿条活塞 2 及齿形扇轴总成 均设置在壳体 1 与壳体盖 20 形成的空间内。 0023 齿条活塞 2、 齿形扇轴总成的结构与现有技术转向机中齿条活塞及齿形扇轴总成 的结构相同。齿条活塞 2 设置在壳体 1 上部， 并与壳体 1 滑动配合。齿条活塞 2 加工有通 孔， 孔内加工循环钢球 13 所用滚道， 螺杆 6 旋入并穿过齿条活塞 2 内孔。齿条活塞 2 下部 齿条与设置在壳体下部的齿形扇轴总成的扇形齿轴 12 螺纹配合。 0024 螺杆总成由阀芯 8、 螺杆 6 及扭杆 15 构成。 0025 螺杆6为贯穿式大直。
22、径的结构形式， 轴心设有贯穿式通孔。 螺杆6的外径为39mm， 内径为 23mm。螺杆 6 一端坐落于壳体 1 的内孔， 另一端以同样的方式坐落在壳体盖 20 的内 孔内， 且两端分别带有垫片 10、 16 以及轴向止推滚针轴承 11、 14。 0026 阀芯 8 主体部分穿过壳体 1 并插入螺杆 6 的通孔内。阀芯 8 位于壳体 1 外的一端 加工有花键 23， 用于通过传动轴与方向盘传动连接。阀芯 8 插入螺杆 6 通孔的一端通过销 子 3 与扭杆 15 的一端相固定。扭杆 15 的另一端与螺杆 6 通过压入销钉 22 固定连接。阀 芯 8 与螺杆 6 通过限位销 5 实现转动限位， 限位。
23、销 5 穿过阀芯 8 的限位孔并与螺杆 6 紧配 合。阀芯 8 与螺杆 6 之间的机械配合需提供液压油的密封功能， 因此两者之间的配合间隙 十分紧密。本发明在所使用阀芯 8 油槽 24 的两侧增加两个径向滚针轴承 7。该滚针轴承通 过选配用以保证轴承 7 的外径与螺杆 6 的内孔配合为过盈配合， 从而在保证阀芯轴向定位 准确的同时， 也消除了由于阀芯 8 和螺杆 6 紧密配合而产生的摩擦阻力。 0027 如附图 4-7 所示， 上述阀芯 8 为圆柱状结构。阀芯 8 一端加工有花键 23 主体部分 均匀分布有 6 条油槽 24， 油槽 24 的长度方向与阀芯 8 的轴向一致。阀芯的刃口形状通过 。
24、样条曲线来实现。样条曲线各点的位置可通过极坐标系 （,） 来定义， 角度是指样条 曲线上一点与阀芯外圆圆心连接成的直线 26 同阀芯油槽的对称中心线 25 所组成的角度， 为极坐标系中的极角 , 为点到极坐标中心的距离， 即极径， 为直接反映出阀芯刃口对应 各点的过流间隙， 将极径 改为由点到阀芯外圆的距离 A 来表示更为直观。附图 5 为阀 芯油槽和刃口的实际几何形状， 组成该样条曲线的各点的位置由图 6 所示的 角度和点 到阀芯外圆的距离 A 来决定。图 7 为该刃口的详细几何形状， 对应每个角度的距离 A 分别 为 d1,d2,d3,di。该距离表征了助力油的过流间隙， 阀芯与阀套之间相。
25、对转动角度变 说 明 书 CN 103935396 A 6 5/6 页 7 化时， 过流间隙随之变化并影响液压助力的压力值， 从而决定了阀特性曲线的形状。 当阀芯 刃口几何形状确定后， 在阀套与阀芯相对转动过程中的任一瞬间， 过流间隙为确定值， 该过 流间隙可通过几何运算得知。 相应的， 当过流间隙值确定时， 根据通用的流体力学公式可以 计算出对应的助力油压力值。因此某一特定过流间隙值对应的油压压力值是一定的， 而阀 特性曲线是一个连续曲线， 决定其优良的并不是某一瞬间的压力， 而是压力的上升过程是 否平顺。而保证阀特性曲线形状平滑、 柔顺、 无波动的关键在于， 阀套和阀芯相对转动过程 中， 。
26、阀芯刃口的过流间隙变化合理， 过渡柔和， 这就需要刃口的样条曲线上各点的距离的设 计最优化。 本发明着重减轻输入轴手力， 力求增大在常用转向范围内的压力值上升速度， 使 液压助力介入灵敏， 从而减轻操纵力， 经过大量计算和实验， 最终得出的样条曲线上各点的坐标 （21 组） 如上表所示。 0028 将表中坐标值绘制成曲线， 如图 7 所示。通过该曲线的形状可看出， 在小转动角度 情况下， 过流间隙较小且过渡缓慢， 助力上升平缓， 避免直线行驶时的发飘。而在较大转动 角度下， 连通高压进油槽27的过流间隙的增加明显， 同时另一侧通向回油槽28的过流间隙 及时关闭， 致使助力压力上升迅速， 从而及。
27、时提供液压助力， 减轻方向盘的机械输入扭矩。 此外， 为实现对刃口几何形状的精确控制， 采用挤压成型的工艺代替磨削成型， 加工时间短 且加工质量稳定。 0029 上述转向机机械传动通过以下方式实现， 方向盘通过传动轴、 阀芯花键 23 与阀芯 （输入轴） 8 连接。输入扭矩通过阀芯 8、 扭杆 15 传递给螺杆 6。螺杆 6 与齿条活塞 2 之间带 有循环钢球 13 并通过螺纹驱动方式将螺杆 6 的转动转换为活塞 2 平动， 然后活塞 2 通过齿 条将力传递到扇形齿轴 12 上输出。液压部分的控制主要通过螺杆 6 与阀芯 8 配合组成的 转阀来实现。如附图 2 所示。由于扭杆 15 的弹性变形。
28、， 阀芯 8 与螺杆 6 将存在相对转动， 通过阀芯刃口形状与螺杆油槽之间的过流间隙变化与开合， 实现对助力油的流向以及压力 的控制。当阀芯 8 与螺杆 6 的相对转角足够大时， 通向活塞 2 一侧的高压油路完全打开， 低 压油路关闭， 而相对应另一侧的高压油路完全关闭， 低压油路打开， 液压助力达到最大值， 此时转动限位销 5 与阀芯 8 上与其同轴的孔一端接触， 阀芯 8 与螺杆 6 实现刚性连接一同 转动， 如图 1 所示。齿条活塞 2 的外圆和内孔分别带有密封圈 21 和密封圈 4， 用于封闭活塞 两侧油腔， 当一侧连通高压油时， 液压油推动活塞向另一侧移动。 0030 上述循环球动力。
29、转向机所用扭杆 15 采用相对大的直径用于保证扭杆的强度和疲 劳性能， 同时由于螺杆6为贯穿式， 为扭杆15的设计和布置提供了充足的空间， 因此螺杆长 度明显增加， 通过公式 （一） 可看出扭杆长度增加可降低扭杆扭矩。 0031 T=GIp/L （一） 其中 ；T扭矩 ； Ip截面极惯性矩 ； 扭转角 ； 说 明 书 CN 103935396 A 7 6/6 页 8 G剪切模量 ； L扭杆长度 ； 如图 9 所示， 横坐标为输入手力， 纵坐标为液压助力压力值。图中实线为本发明所述转 向机的手力特性曲线， 虚线为一种现有普通转向机手力特性曲线。 对比可知， 本发明所述转 向机在小转动角度情况下压。
30、力建立过程平缓， 保证直线行驶稳定性， 而在常用转角范围内 在较小幅度的输入手力增加下液压助力值迅速上升， 助力效果明显， 从而有效降低机械输 入手力。 说 明 书 CN 103935396 A 8 1/7 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 9 2/7 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 10 3/7 页 11 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 11 4/7 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 12 5/7 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 13 6/7 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 14 7/7 页 15 图 9 说 明 书 附 图 CN 103935396 A 15 。