某越野卡車駕駛室翻轉系統設計

王占魁，姬虎艷

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710000）

前言

可翻轉駕駛室極大的簡化了對車輛進行維修養護的過程，堪稱卡車行業中最經典的設計之一，目前幾乎百分之百的平頭駕駛室重卡都支持翻轉功能，重型越野車駕駛室翻轉系統有兩種方式：單舉升液壓翻轉系統和雙舉升液壓翻轉系統。普通駕駛室自重較輕翻轉系統多數采用單舉升液壓翻轉機構，防護型駕駛室由于自重原因大多采用雙舉升翻轉機構，翻轉時一般不過重心，舉升缸自帶機械鎖止系統防止油缸泄壓造成安全事故。由于是兩個油缸同時進油，在油泵排量一定情況下一般舉升速度比較慢，本車為了改善這種情況采用了差動泵，既保證了駕駛室舉升又不影響舉升速度。

1 方案設計

1.1 系統組成

由于該重型越野卡車采用的是全防彈鋼板焊接結構，質量大，所以采用了在駕駛室的發動機罩下、左、右豎梁各布置一個翻轉油缸的雙缸舉升方案，而且，所用的兩個翻轉油缸從原理上實現了同步舉升，穩定受力。為提高安全性，在右油缸上布置了安全鎖止機構，防止意外卸壓時油缸回落，發生安全事故。翻轉時首先通過液壓油打開駕駛室后懸置鎖止鎖，解除駕駛室后懸置對駕駛室后端的約束，然后左、右兩個油缸同時將舉升力作用駕駛室底板上，駕駛室在舉升力作用下繞左、右前懸置固定銷軸（同軸）向前方傾翻。該車翻轉系統液壓系統主要由手電一體油泵總成、控制器、翻轉油缸、液壓油管、接頭、液壓油等組成（圖1）。手電一體油泵總成是能源裝置，其包括手動泵總成（集成手動換向控制裝置和油池）和電動泵總成。手動泵操作原理是通過操作翻轉搖臂推拉液壓泵的柱塞，使機械能轉換成液壓能，將手油泵油池中的油液變成壓力油輸入油管。在手油泵上有控制油路方向的裝置，通過旋轉此裝置可以實現油缸伸出或縮回（圖1）。電動泵的操作原理和手動泵一樣，只是通過電機代替人操作搖臂。手動泵不依賴整車電源且可靠性較高，但通常情況下較為緩慢且費力，電動泵操作起來省時省力，本車采用的是組合油泵，即一般情況下擬使用電動泵，當電動泵失效不能使用時使用手動泵替代電動泵功能翻轉駕駛室。

圖1 駕駛室翻轉系統布置圖

1.2 液壓原理

上升時，由手/電泵 A口泵出的高壓油又經三通一路流向左、右液壓鎖進行解鎖另一路流向主副油缸A口、D口進入油缸大腔，驅動活塞桿從而舉升駕駛室。下降時，經手動泵換向手柄換向后活塞桿縮回，油缸小腔的液壓油經由B口流回油泵油箱。原理示意見圖2：

圖2 手/電油泵原理圖

2 設計計算

2.1 某越野卡車駕駛室總圖參數

2.1.1 總體參數

外形（長*寬*高）：2180mm*2393mm*1570mm；

翻轉角（最小）：28°

駕駛室總質量：1900kg；

以前翻轉軸中心線與汽車中心線的交點為坐標原點，以汽車正常行駛方向的反方向為X軸正方向，以垂直與地面向上為Y軸正方向，長度單位為mm。駕駛室質心坐標X=560，Y=778；

圖3

2.1.2 懸置形式

前懸置采用橡膠懸置，后懸置采用減振彈性元件懸置。

2.1.3 翻轉形式

翻轉機構采用電動（手動）液壓雙缸舉升機構，向前翻轉。

2.2 翻轉駕駛室所需油缸舉升力的計算

為使駕駛室能夠繞翻轉軸（前懸置固定銷軸）翻轉，如圖 9，任意翻轉角度時，油缸提供的翻轉力矩必須等于或大于重力產生的力矩，我們分析時只需要求得油缸提供的翻轉力矩等于重力產生的力矩時油缸需提供翻轉力的方程，通過變量θ求出油缸需提供翻轉力的最大值，然后再根據力學原理分配給左、右油缸。

圖4 翻轉力矩分析圖

根據三角形面積相等原理：

即：

根據余弦定理：

代入得：

根據力矩平衡：

代入得：

即：

由圖可以看出，當α=0°時，翻轉力約為13542N最大，單缸。

圖5 翻轉力變化圖

實際舉起力 F應大于 Fmax：F=1.05Fmax=1.05×6771=7109.5N

2.3 油缸壓力的選擇計算

舉升駕駛室所需油壓（差動泵）：

其中：η為系統內部效率，取η=85%，R為油缸內徑，r為活塞桿半徑。根據所選油缸參數（表1）則： P=6.67MPa，遠小于所選油缸的工作壓力。

表1 左、右翻轉油缸基本參數

2.4 油缸與駕駛室的連接

圖6 滑槽連接示意圖

為避免汽車行駛時，因振動造成油缸和駕駛室損壞，在油缸與駕駛室連接處采用滑槽式設計（圖6），允許駕駛室與油缸之間有較大的運動量。

2.5 限位器選擇

2.5.1 限位棘爪設計

某越野卡車駕駛室翻轉機構用限位棘爪選用現生產已有零件。

2.5.2 限位鉤回位彈簧的設計

某越野卡車駕駛室翻轉機構用限位棘爪回位彈簧選用現生產零件。

2.6 電動(手動)油泵的參數選擇及計算

2.6.1系統參數選擇

油泵柱塞直徑：Ф4mm（電動部分），Ф16mm（手動部分）；油泵柱塞設計行程：2.75mm（電動部分），23.5mm（手動部分）；油泵手動操作手柄長：800mm；油泵額定輸出壓力：18MPa；電動機功率：300W。

2.6.2 油箱容積的計算

駕駛室翻轉時，兩個舉升油缸在全行程所需油量為：

考慮油缸的用量及油管、油箱中還應留有25% ～ 30%的空間，因此油箱容積選擇為800mL。

2.6.3 電動泵油時間

電動泵的流量為650ml/min。而人搖動搖臂的周期為1.5s（40次/分），手動油泵的排量為4.6ml/次，則液壓油缸的幾何流量為184ml/min（2個油缸），根據公式：

式中：Q——液壓油缸的幾何流量，Q=650ml/min；

S——油缸的有效面積，S=19.625cm2；

L——油缸行程，L=38.5cm；

S1——油缸大腔截面積1962.5mm2；

S2——油缸小腔截面積1256 mm2；根據式得出：

所以舉升駕駛室需要的時間為50.2s。

2.6.4 手動泵油次數的計算

駕駛室上升時，需手動泵油的次數是：

駕駛室下落時，需手動泵油的次數是：

2.6.5 手動泵操作力計算

圖7 手油泵手搖受力示意圖

由于系統油壓 P=6.67MPa可知道油泵活塞反作用力 F'為：

所選組合油泵中 L1=20施加力在 800mm處，即 L2=800mm，根據杠桿原理：

2.6.6 手動泵油的操作行程

根據布置及油泵柱塞設計行程，可知手動泵油時，操作手柄上下位移的全行程為：

2.7.7 油管的選型設計

根據系統工作壓力，某越野卡車選用工作壓力為37.5MPa，管接頭為 24°的卡套式接頭，管體材料為聚氨酯，工作溫度為-41℃～100℃的密封性能良好的現生產零件。

3 使用說明

翻轉駕駛室前將車停在平坦的道路上，取出駕駛室內未固定物品，關閉左右車門。翻轉時駕駛室前方嚴禁站人。

駕駛室翻轉：使用電動翻轉時，打開駕駛室副座椅椅框右側翹板開關，將翻轉油泵的轉換手柄扳到“駕駛室上升”位，按動電動泵控制按鈕進行翻轉操作；使用手動翻轉時，直接將轉換手柄扳到“駕駛室上升”位進行翻轉操作。確定油缸上棘爪與齒條鎖止后，方可進行其它操作。

駕駛室回位：先使駕駛室上升，松開油缸上棘爪與齒條鎖止。再將翻轉油泵轉換手柄扳到“駕駛室下降”位，持續按動電動泵控制按鈕或搖動手搖泵使駕駛室下降，直到鎖止鉤插進龍門架內，手柄上感到有明顯增加的力為止。確定駕駛室回位，儀表臺中指示燈熄滅后，關閉駕駛室副座椅椅框右側翹板開關。

4 結論

本文通過方案設計，設計計算，對組成翻轉系統各零部件參數進行校核，最終完成了某越野卡車駕駛室翻轉系統的設計。所設計產品通過試制試驗，滿足駕駛室的翻轉要求，施力符合人機要求，駕駛室翻轉速度也在合理范圍內。