1、通常的液压动力转向系统由油泵、转阀和一个联接转向装置的双作用式油缸。转阀作为一个可变的约束能将压力作用到转向盘扭转方向确定的油缸一侧。最大油泵压力10MPa，流量范围69L/min.动力转向转阀控制系统的反应，图1是不同加工方法的典型液压助力曲线。中间区域用于在直路，公路，高速公路的行驶时，转弯区域用于在车速20km以下的转弯行驶时，停车区域用于在低速和停车调整位置时。 Figure 2 shows the typical valve noise produced 很容易接受的是，线性的转弯区域曲线可以获得最佳的路感，这种类型的助力曲线使得输出力与驾驶员从转向盘的输入扭矩成比例。图2是不同的限
2、流边加工方法产生的典型的转阀噪音。高精度磨削加工的阀噪音最低，但是，它只能得到一个折中的助力曲线和很高的加工成本。钻和铣加工工艺简单成本低，但是有很高的噪音，还有折中的助力曲线。滚刻加工有能力达到几乎是任何曲线，但是，有一个折中的噪音。世界上多数生产厂为了低噪音的需要而采用高精度的磨削。Figure 3 Schematic of a Conventional Power Steering System.图3是转阀在动力转向系统中的位置。常规的动力转向转阀常规的动力转向转阀主要由两部分组成，一个是输入轴、另一个是支承在输入轴上的阀套。在输入轴的外表面和阀套的内径，这两个零件都有延轴线伸展的盲槽。
3、（见图4）这两个零件上盲槽的边缘相互作用形成节流口。为了控制节流口的形状和产生相应的助力曲线，用上文提到的方法修整了输入轴槽的边缘。转动方向盘使扭杆产生扭转变形来控制输入轴和阀套的相对转动角度。由于受到转向阻力的限制，输入轴从中立位置开始转动，并进而产生压力的上升。这个压力作用到转向盘扭转方向确定的双作用式油缸的一侧。Figure 4 Input Shaft and Sleeve.多数液压动力转向的转阀在输入轴和阀套上都采用8个槽，这些槽相互作用构成16个独立的节流口，形成了一个类似惠斯通电桥的系统。（见图5）。相对转动使得这些节流口一半关上，一半打开。Figure 5 Wheatstone
4、Bridge Representation of a Conventional 8 slot Power Steering Valve.例如一个向左的转向，节流口A和D的面积减少，产生了节流，同时节流口B和C打开。由于流量是固定的，阀内部的节流增加导致压力上升。由于节流口B打开，油缸的右腔与泵的压力口联通，节流口C打开，油缸的左腔与油箱的回油口联通。油缸的压力将帮助转向盘转动。向右转向是相同的作用，节流口B和C关上，同时节流口A和D打开。导致油缸的另一腔的压力增加，产生助力在相反的方向。图6和图7显示的是典型的转向过程的流量分配。为了便于说明只画了一半的惠斯通电桥。Figure 6 Flow
5、and Pressure relationship for a vehicle negotiating a typical constant radius bend. 图6.汽车以一个恒定转弯半径行进时的流量和压力的关系。图6中可以看到没有流量进入油缸，这种情况车轮不改变它的状态。要保持车轮的偏转，这时仍需要助力来抵消路面产生的反力。Figure 7 Flow and Pressure relationship for a vehicle performing a parking manoeuvre. 图7 为操纵停车时的流量和压力的关系图7 显示在停车过程中车轮不断的转动，有较多的流量流入油
6、缸。在图6和图7在一半阀里流量被分成4条油路。这些油路称为分支，每个分支形成桥的一边，每个桥有2个分支。节流口A和C形成一个分支，节流口B和D形成另一个分支。节流口A,B,C和D一起形成一个桥。不对称的结构 流量没有必要流过所有的分支，某些设计在助力时仅仅流过一半的分支。这些阀定义为“不对称”。一个阀的每一个分支平均的流过总流量，称为对称。图6和图7是对称阀。Figure 8 Asymmetric valve flow and pressure distribution for a constant radius bend manoeuvre.图8是汽车以一个恒定转弯半径行进时不对称阀的流量和
7、压力的关系。Figure 9 Asymmetric valve flow and pressure distribution for a parking manoeuvre. In the asymmetric cases of Figures 8 and 9, orifice图9为操纵停车时的不对称阀的流量和压力的关系图8和图9 不对称阀的状态，节流口D先于A关上，导致全部流量通过节流口A。这样的好处是节流口A可以是复杂的形状，同时节流口D变得非常简单。节流口A变得两倍大，这样降低了限流边的对深度的要求。不对称阀的缺点是噪声变大。让液体流过高的宽高比的节流口是减少噪声的比较好的方法。高的宽高
8、比需要采用最多的节流口数量和最大的节流口长度，高的宽高比增加了节流口的粘滞现象也就减少了气穴的数量。通常磨削加工的低噪声阀的精度通常的对称式低噪声转阀可以最大限度的利用限流边的长度，对于8个槽的16个边通常每个都设计成16mm，限流边的总长度就是256mm，一半被用来产生节流压力。为了得到想要的过流面积，长的限流边就要减少限流边的深度。例如7.5 l/min的流量达到8 MPa所需要的全部节流面积是近似的为1.2 mm2。按照上面的例子，节流边的长度是128 mm，一个能选择的节流边的深度是9微米。平均3微米的误差对助力曲线的宽度有很大的影响，从噪声的角度看，如果某个比其它的边深3微米，那么，
9、多数的液体将流过这个边导致噪声问题。节流口的类型 动力转向的转阀有两种节流口构造，产生这两种几何形状节流口的根本原因是加工上的问题。只有输入轴的边可以修整，阀套的边很难修整。第一种几何形状节流口称为“向上流边”（图10）,有一个锥形的入口和尖锐的出口。第二种几何形状节流口称为“向下流边”（图10）,有一个尖锐的入口和锥形的出口。Figure 10 UpflowEdge shape.Figure 11 Downflow Edge shape. 通常的动力转向转阀节流口A和B是上流边，而节流口C和D是下流边。对称结构阀在工作时液体同时受到这两种节流口的节流作用。不对称结构阀可以设计成只有上流边节流
10、作用，也可以只有下流边节流作用。以前对气穴的研究 在多数公开发表的文献中将噪声产生的原因归结为气穴现象。参考1中对气穴机理的解释是：在一个范围内的液体流过小孔时，哪里的局部压力使流速加快，减少了液体的汽化压力。液体中充满一个个的气泡。在这个范围内的液体中溶解的气体释放出来，接着一些液体汽化充满了气穴的空间，这些气泡被液体带到高压的下游，在那里气泡开始破裂。气泡破裂以前一定数量的势能被释放出来，产生空穴的体积和压向墙壁。气泡破裂过程伴随体积的收缩增加了液体冲向中心的动能，从外向内的压力作用停止动能变成了势能，在中心的压力是瞬时的极高。在固体附近连成一串的聚爆,导致的液压冲击是造成金属腐蚀的主要原
11、因并且发出噪声。 在参考资料2中有更详细的关于气泡破裂和同时产生噪声的介绍。“一个泡沫在金属壁附近破裂，形成一个不均匀的微小液流冲向气泡中心，并且冲向金属壁。这样高速度的液流冲击金属壁，产生能导致损坏的高压冲击，并发出噪声。空穴现象产生的噪声的频率是12到15 kHz，空穴现象能单独产生15 to 22 dBA的噪声（参考1）。最初产生的气泡是困难的，可以解释为很高的液体张力。例如，水的张力为101.3 MPa，气泡的形成必须从稀薄的污点或微小的粒子，这些粒子通常是未溶解的的气体形成的微小气泡（参考1）。 核子理论可以通过船用螺旋桨的气穴现象证明，为了产生稳定的气穴现象，在螺旋桨的前方电解水以
12、得到氢气微型气泡。没有氢气微型气泡时的气穴现象是不稳定的。（参考3）可以用柏努利方程解释流体通过一个节流口后压力降低（参考4）。这个方程显示液体的流速增加，压力以流速的平方的关系减少。文献中提到，减少气穴现象的主要途径是利用节流口的背压。这可以通过在第一个节流口的下游设置另一个节流来实现，第二个节流口升高所有的上游压力通过一个固定的数量，以便在第一个节流口最小的压力高于油液的蒸汽压力。这种减少气穴现象的方法被称为“分段”，分段在参考1.5.6.7和9中被提到。通过引导气泡在远离阀边的地方破裂来减少气穴现象的影响。（参考1.8.和9）建议采用抛光气穴现象附近的金属表面，以减少气穴的产生。（参考1
13、）资料很少提到节流口的几何形状对气穴现象的影响，参考5已经对转向泵的旁路阀产生噪声的进行了分析，这种节流口从本质上说是圆形的。已经发现渐增的节流口对气穴现象的主要影响是在锥形的入口处。对渐大的锥形的节流出口进行了试验，结果显示这样会增加噪声。已经试验了一个由小角度加增锥度构成的滑阀，这个阀已经发现有很好的抑制气穴现象的作用，节流口的尺寸没用给出，但是从图上看来，节流口有一个很高的宽高比。在动力转向转阀的应用动力转向的转阀产生两种噪声，第一种噪声像“嘶嘶”的声音，另一种像“口哨”声。嘶嘶是最普通的噪声，造成50 dBA 到 65 dBA的噪声。嘶嘶是明确的气穴现象，口哨声是真正的问题，产生的噪声
14、达到90 dBA。一般公认的噪声水平应该在50 到60 dBA之间（在阀体表面100mm处测量）。对口哨声的产生机理不完全清楚。从几何学角度，更多的从向上流和向下流来区分不同的噪声关系。设计并制造了单个的节流边来试验节流口形状对噪声的影响。试验装置有一个观察窗，可以看到液体的流动并且可以用显微镜以1：1的比例拍照。图12和图13是从单个节流边试验装置拍摄的照片Figure 12 Upflow Edge, 20 deg. chamfer, 10 l/min,20度斜面80 deg C, 2.1 MPa, 53 dBA.Figure 13 Downflow Edge, 20 deg. chamfe
15、r, 10 l/min80 deg C, 0.7 MPa, 55 dBA.图12和图13 显示的是气穴现象。这些图对识别气穴现象的产生位置有特殊的作用。上流情况有两个产生位置。第一个在斜面与输入轴外圆的交线处，第二个在阀套的边。下流的情况只有一个气穴现象的产生位置。阀套的边是一个强烈的气穴现象产生源。已经证明20度的斜面角度向上流，对气穴现象有更多的抑制作用，图14显示的是两种类型的情况下节流面积减少时，压力与噪声的关系。一个噪声峰值对应气穴现象刚刚开始的时候。Figure 14 Noise Performance of a 20 deg. chamfer,斜面 10 I/min, 80 de
16、g C.噪声测试装置的环境噪声低于转向器转阀大约15 dBA，图14显示上流情况能更多的抑制气穴的产生。下流情况在0.4 MPa时开始产生气穴，有一个峰值在1.0 MPa时。第二个峰值是下流边开始发出更能增加噪声水平的口哨声。两种不同的节流口的下游有背压时的情况（见图15）。文献中提到这将减少气穴现象使阀安静。每种节流口被设置成4.1MPa的压力降并施加一个外部的背压，直到气穴现象完全消失。Figure 15 Effect of Back pressure on orifice noise level, 20 deg. chamfer, 10 l/min, 80 deg C. 4.1 MPa
17、pressure drop.上流边的情况像预期的那样，噪声水平稳定直到背压使气穴现象消失，这种情况的噪声水平被显著的降低了，下流边的情况由于应用了背压使最初的噪声增加。这个过程一个强烈的口哨声显现出来。即使背压达到了三分之一的使气穴消失的压力，噪音强度仍然没有从最初的水平降低，进一步研究显示，要提高下流边的性能需要小于10度的倾斜角和大的宽高比。实际上，小的倾斜角和大的宽高比可以使下流边获得更好的噪声方面的性能。这是由于在输入轴和阀套间产生了粘滞损失，在阀套槽的尖角边的有效的设置背压在节流口的入口，小的角度和高的宽高比的缺点是斜面必须加工得足够得精确，以保证获得可以控制的助力特性曲线。图14和
18、图15显示的是节流口的形状与噪声的关系，20度斜角的下流边有一个相当差的噪声性能，而同时上流边则可以预言的。BISHOP的ATS转阀的发明起源于这种研究。背压在动力转向转阀的应用 研究显示应用背压在上流边能减少噪声，背压以前也用于减少动力转向转阀的噪声，但是，这样做增加了能力损失。Figure 16 External backpressure applied to a conventional symmetric power steering valve. 图16外部的背压应用于常规的对称动力转向转阀。图16显示了常规的对称动力转向转阀在最大的负荷情况，在车轮转动角速度为零时的全部助力。这种情
19、况通过一个额外的节流口产生的外部的背压有效的减少了噪声。背压是一个固定值，即使是在不需要液压助力的时候。这样增加了燃料消耗，流量在8l/min时0.3 MPa的压力降低消耗的燃料大约是0.1l/100km。BISHOP的 ATS转阀 ATS阀利用背压减少噪声，而且没有多余的能量损失。Figure 17 ATS Rotary Valve Schematic Diagram.ATS转阀原理图图17显示了三个ATS阀与普通液压转向器转阀的主要的不同。第一不同是油缸已经从其中的半桥分离，如果在与油缸相连的桥里有足够的流通面积，这样做并不影响阀的性能。这第一个不同不是新的，在速度敏感型里有很多的应用（参
20、考11，12和13）。第二个不同是设置了另外的节流口，额外的节流口产生背压来减少前面的气穴现象。由于结构和流量在阀的内部的分流，由于这个节流口产生的额外的燃料消耗不超过0.01 l/min。实际上通过优化阀的设计，有些ATS阀比现在通用的磨削加工的阀还节省燃料。更多的关于如何利用这个额外的节流口的解释在下一章节。第三个不同限流边C* 和 D*的设计，通常的节流口在输入轴和阀套向一个方向转动时关上，而向另一方向转动时打开。限流边C* 和 D*设计成永远不会完全打开，为前面正在关上的节流口提供一个固定的背压（见图18）。这些边从完全打开到停止，已经与阀套的边重叠很多比转阀尖角的重叠。Figure
21、18 Operation of Back Pressure Edges C* and D* 边C* 和 D*产生背压的作用A more descriptive analysis of edges C* and D* as well as all of the other edges is provided in Reference 14. 参考资料14中有更多的关于限流边C* 和 D*其他边的分析。Figure 19 Flow and Pressure Distribution（分配）of the ATS Valve at Maximum Operating Pressure.ATS的功能在达
22、到最大工作压力时，对于采用半桥表示时，所有的液体流过四条路径中的一条。但是采用了三级压力降，每一级都设计有充足的背压来阻止前一个节流产生气穴现象。这些三级组合的压力降作用在有缸，因而没用降低效率。（见图19） 在图20所示，如果车轮有转动，一些流量被分配到有油缸的桥路。 Figure 20 Flow and pressure distribution of the ATS valve during a typical parking manoeuvre.（停车操纵） 一旦E, H和D边关闭，在恒定尺寸的节流口C产生最小1.2 MPa的压力降，由于实用的设计在节流口A产生最小1.0 MPa的压力
23、降。因此当E, H和D边关闭，阀的节流压力降约为2.2 MPa。为了控制助力曲线的形状，节流口E在压力达到2.2 MPa前处于开启状态。助力曲线的形状通过节流口A和E的几何形状控制，实现图20，21和22中显示的与转动的关系。节流口B和F控制相反方向的曲线形状。Figure 21 Flow and pressure distribution of the ATS valve during a constant radius cornering manoeuvre.在中间位置，大部分的流量通过有有缸的桥路，额外的节流口产生最小的压力降。Figure 22 Flow and pressure di
24、stribution of the ATS valve in the neutral position.图20，21和22在三种转向情况的流量分配，图23显示转阀全部范围的流量分配比例（百分数）。Figure 23 Flow Proportion Through Cylinder Bridge Throughout the Operating Range.ATS阀可以通过滚刻的方法加工，几乎可以实现任何的曲线，它能与高精度磨削产生的曲线相媲美，如果需要也能产生线性的特性曲线。Figure 24 Hydraulic Assistance Curve for the ATS Valve.通过ATS
25、阀可以达到高精度磨削阀的噪声水平，而不需要（+/- 2 um）的极其高的公差。相同功能的ATS阀可以将输入轴限流边的深度公差加大4-5倍。ATS液压转阀的精度要求 在8 MPa 和 7.5 l/min时，是比较ATS阀与常规的磨削的低噪声阀对加工精度的需求的最好情况。这时液体流过八条可能流动路径中的两种，并且只有两个限流边控制大部分的压力降。这些限流边约为16mm，对于相同的节流面积时深度为35微米。与一个常规的深度9微米的磨削阀相比，大的深度使得ATS阀对于加工误差的敏感较小。Figure 25 Typical Noise Level of the ATS Valve.一个超过50件样品批次的试验结果。 完成了一个关于ATS阀噪声性能的统计学方面的试验研究（见图26）。用这个结果与通常的对称结构的磨削阀和通常的对称结构的滚刻阀比较。Figure 26 Statistical Distribution of Noise Performance.摘要为了使液压动力转向的转阀安静需要极高的精度和高的成本，一个液压阀的基本噪声要求，通过低精度要求低成本的阀实现的概念已经得到发展。BISHOP的ATS阀还可以实现更好的助力曲线，得到更好的转向感觉。
