3500型非公路自卸車轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

徐國坪

摘 要：目前國內(nèi)汽車通用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器均采用小扭矩的轉(zhuǎn)向器，而非公路自卸車使用工礦較為惡劣，且整車載重量大，分配在前橋的載荷較大，因此單用目前市場上的轉(zhuǎn)向器很難滿足使用要求，為實(shí)現(xiàn)本車與市場上現(xiàn)有轉(zhuǎn)向器零件的通用，降低成本，該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用整體式轉(zhuǎn)向器帶外接助力缸形式，通過設(shè)計(jì)計(jì)算助力缸的參數(shù)來補(bǔ)償所需扭矩，使之與轉(zhuǎn)向器相匹配。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力轉(zhuǎn)向器；載荷大；通用化；降低成本；助力缸參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、概述

非公路自卸車，也稱寬體自卸車，指在重卡和工程機(jī)械技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)適用型自卸車，主要應(yīng)用在礦山、水利水電等工程作業(yè)中，用于剝離土石方、礦石、尾礦及廢料等，其工作特點(diǎn)為運(yùn)程短、承載重，常用大型電鏟或液壓鏟進(jìn)行裝載，往返于采掘點(diǎn)和卸礦點(diǎn)，是一種非公告產(chǎn)品，不允許在公路上行駛作業(yè)的運(yùn)輸車輛。

非公路自卸車上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能讓車輛按照駕駛?cè)说囊庾R正常行駛和轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響車輛的穩(wěn)定性和安全性，對保護(hù)車輛駕駛?cè)税踩⑻岣唏{駛?cè)斯ぷ鳁l件等方面具有重要作用。由于非公路自卸車在礦山環(huán)境下使用，工作強(qiáng)度大，零件損壞率高，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮零件的通用性，以減少礦山用戶的運(yùn)營成本、維修成本及運(yùn)輸設(shè)備的工作出勤率，實(shí)現(xiàn)利潤的最大化。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正是基于零件通用性、經(jīng)濟(jì)性而進(jìn)行的。

二、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成、工作原理及基本參數(shù)

1.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和工作原理

本轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向器、助力缸、油箱等組成，如圖1所示。

本轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有液壓助力部分，可以大大減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了汽車的機(jī)動(dòng)性。由發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵2，油液進(jìn)入轉(zhuǎn)向器上帶的分配閥3，分配閥3與方向盤通過機(jī)械連接，受方向盤控制。當(dāng)汽車直線行駛（方向盤不動(dòng)）時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)無高壓油路，油泵供給的液體油直接流回油箱。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)通過轉(zhuǎn)閥作用產(chǎn)生高壓油，高壓油通過分配閥3后分兩路，一路進(jìn)入轉(zhuǎn)向器5本體內(nèi)的活塞缸，活塞缸與輸出軸相連從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向，另一油路則進(jìn)入外接助力油缸，通過油缸推力帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器本體輸出扭矩不足的部分，由外接助力油缸進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｓ捎谵D(zhuǎn)向器的輸入端與輸出端之間保持機(jī)械聯(lián)系，因此在液壓助力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，駕駛員可以增大作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣的力，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急轉(zhuǎn)向。

2.基本參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷G1：107800N

（2）輪胎氣壓p=0.65MPa

（3）前橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂長L2=280mm

（4）助力缸臂長L3=202mm

本車選用的轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)為：

（1）最大輸出扭矩M1=6350N?m

（2）轉(zhuǎn)向器效率η1=90%

（3）轉(zhuǎn)向搖臂長度L1=230mm

（4）方向盤總?cè)?shù)圈n1=5.8圈

（5）轉(zhuǎn)向器工作壓力P1=15MPa

（6）轉(zhuǎn)向器工作流量Q1=16～22L/min

三、相關(guān)助力元件選型設(shè)計(jì)

1.確定轉(zhuǎn)向阻力矩

車輪原地轉(zhuǎn)向力矩一般是行駛轉(zhuǎn)向力矩的2～2.5倍。因此設(shè)計(jì)中采用原地轉(zhuǎn)向力矩做依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，這樣不僅能確保車輪原地轉(zhuǎn)向而且而能使車輛在不利的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和輪胎氣壓以及為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的各轉(zhuǎn)動(dòng)部位的阻力及輪胎變形力等多重因數(shù)的影響，要精確計(jì)算轉(zhuǎn)向阻力矩是十分困難的，因此行業(yè)上通常采用

的半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算原地轉(zhuǎn)向阻力矩，式中f=0.7。可求得MR=10243.497N?m

2.確定助力缸作用在轉(zhuǎn)向軸上的力矩

本車通過轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向助力缸的共同作用，來實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向，根據(jù)力矩平衡M2L2-M1L1η1，得出轉(zhuǎn)向器作用在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩M2為4694.5N?m，助力缸作用在轉(zhuǎn)向軸上的扭矩MZ為5548.997N?m。

3.確定助力缸參數(shù)

通過對轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng)的受力分析，可求得助力缸的推力F=274270N。

并根據(jù)

求得：

（1）當(dāng)助力缸的負(fù)載為推力時(shí)，助力缸缸筒直徑為67.6mm。

（2）當(dāng)助力缸的負(fù)載為拉力時(shí)，助力缸缸筒直徑為68.7mm，取助力缸缸徑 D-70mm。式中：液壓缸負(fù)載率=0.6，液壓缸的總效率 η=0.85。

4.確定系統(tǒng)流量

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的流量跟方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度以及轉(zhuǎn)向輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)角有關(guān)，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度一般取ω01=1.5r/s（即駕駛員每秒轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤1.5圈），而轉(zhuǎn)向輪的內(nèi)外轉(zhuǎn)向角度，可通過內(nèi)、外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖，作圖求得（如圖2所示）。根據(jù)整車參數(shù)求得本車轉(zhuǎn)向輪的內(nèi)轉(zhuǎn)向角度為33度，外轉(zhuǎn)向角度為26度。通過對轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，求出油缸最短長度l1=600m、最大伸長長度l2=900m，油缸行程為300mm。

根據(jù)流量公式

求得：

（1）當(dāng)油缸外推時(shí)壓力油由無桿腔進(jìn)入，求得輸入流量q1=17.9L/min 。

（2）當(dāng)油缸內(nèi)拉時(shí)壓力油由有桿腔進(jìn)入，求得輸入流量q2=14.2L/min 。

vm值可由轉(zhuǎn)向角速度、油缸行程等參數(shù)求得；

助力缸無桿腔側(cè)有效面積A1=0.0038465m2；

助力缸有桿腔側(cè)有效面積A2=0.0030427m2；

油缸容積效率ηv=1。

驗(yàn)證（1）、（2）的計(jì)算結(jié)果，由于助力缸所需要的流量在轉(zhuǎn)向器所需流量的范圍內(nèi)，因此所確定的助力缸助力缸尺寸滿足使用要求。取轉(zhuǎn)向器所需的最大流量作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的額定流量，即Q=22L/min。

5.泵排量的確定

本車的轉(zhuǎn)向油泵容積效率為η2=0.8。 由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)流量影響較大，因此根據(jù)使用工況及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)為轉(zhuǎn)向泵流量的拐點(diǎn)，則計(jì)算出油泵輸入軸轉(zhuǎn)速n2=1500r/min。根據(jù)排量與流量的關(guān)系，求出油泵排量V=21cm3/r。

6.管路內(nèi)徑計(jì)算

計(jì)算高壓管、吸油管及回油管內(nèi)徑，式中d 為管道內(nèi)徑，Q 為通過管道的流量，v為管道內(nèi)液流平均流速，v值取值如下：

（1）液壓泵吸油管道：0.5 m/s～1.5 m/s，一般取 1 m/s 以下，取 0.8 m/s。

（2）液壓系統(tǒng)壓油管道：3 m/s～6 m/s，壓力高時(shí)取大值，取5m/s。

（3）液壓系統(tǒng)回油管道：1.5 m/s～2.5 m/s，取2m/s。

計(jì)算出高壓管內(nèi)徑為10mm，回油管內(nèi)徑為16mm，吸油管內(nèi)徑為25mm。

結(jié)語

（1）本文通過對轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)相關(guān)元件進(jìn)行選型計(jì)算，提供一種轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)思路是在選定成熟轉(zhuǎn)向器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過增加輔助元件以補(bǔ)償轉(zhuǎn)向器扭矩不足的部分，并通過此方法尋求一種應(yīng)用于大扭矩需求的經(jīng)濟(jì)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)從轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)向阻力矩開始計(jì)算，利用轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)圖解法等計(jì)算助力缸、轉(zhuǎn)向油泵、液壓管路等元件的基本參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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