基于某多橋重卡的應急系統方案設計與分析

沈亞東

摘 要：根據客戶提供的多橋重卡使用經驗和企業(yè)技術研發(fā)需求，本設計提出用大流量蝶閥轉向器、應急泵、應急閥以及控制系統組成應急安全方案，能夠應對特定路況、突發(fā)設備故障等故障風險，從而達到保障重型設備能夠平穩(wěn)、可控、安全等指標。本方案設計已經運用于國內軍用多橋重卡項目，整體運轉效果非常優(yōu)秀，同時針對部件設計中容易出現失效部位進行應力分析，為部件工藝提供技改思路、合理結構以及適用參數，從而保證零部件和系統的穩(wěn)定性、可靠性。

關鍵詞：多橋重卡 恒流泵 動能失效 蝶閥轉向器 應急系統

Design and Analysis of Emergency System based on a Multi Bridge Heavy Truck

Shen Yadong

Abstract：According to the use experience of multi bridge heavy truck provided by customers and the technical R & D needs of enterprises， this design proposes to use large flow butterfly valve steering gear， emergency pump， emergency valve and control system to form an emergency safety scheme， which can deal with the failure risks such as specific road conditions and sudden equipment failure， so as to ensure the stability， controllability and safety of heavy equipment. The scheme design has been applied to the domestic military multi bridge heavy truck project， and the overall operation effect is very excellent. At the same time， the stress analysis is carried out for the parts prone to failure in the component design， so as to provide technical transformation ideas， reasonable structure and applicable parameters for the component process， so as to ensure the stability and reliability of parts and systems.

Key words：multi bridge heavy truck， constant flow pump， kinetic energy failure， butterfly valve， steering gear， emergency system

1 引言

城市化發(fā)展讓運輸行業(yè)成為國民經濟正常運轉的血脈，各種結構的重型機械運行安全成為重中之重。幾十噸重卡走山路，在失去動力的情況下出現后退且速度很低地遛車無法控制方向盤將是災難性的。正常行駛前橋在前，當在崎嶇路上往后溜車時，后橋在前也是整個汽車安全系統的重中之重。從整個規(guī)范和安全性的角度，本文提出用占空比為定值的恒流泵與輔助直流電機作為輔助輸出系統，同時將差異化壓力單向閥控制的應急閥和壓力傳感器作為控制單元，組成整個應急總體方案解決動能失效問題，從而為重型運輸提供技術保障，助力運輸技術安全創(chuàng)新發(fā)展。

2 方案設計

前橋超過7噸的大負荷的工程車、重卡等在發(fā)動機突然熄火等特殊緊急情況造成液壓轉向系統失去動力源，由于無助力過載扭矩容易形成失控，轉向失效對高速行駛的車輛是非常危險的。方案原理設計中提出在車輛的分動箱或者主驅動輪上裝載應急泵和輔助直流電機，同時借助應急閥切換流量，從而保證在失去動能的情況下提供液壓動力，給予轉向器一定助力控制方向，保證安全停靠。

2.1 液壓系統設計

本設計中借用傳統思路通過扭桿的線性轉動以及良好的彈性回復原理，將受力傳導于“絲桿”結構從而開啟油缸，設計中用碟簧代替扭桿結構，初始轉動方向盤，過載從而帶動閥芯軸向竄動，從而建立差壓。后閥高壓油進入轉向器活塞油缸，推動活塞油缸移動，經過活塞油缸的高壓油進入后橋轉向油缸，推動后橋輪胎轉動。如圖1所示，對于轉向器閥口的氣壓損失之后必須要有相應的輔助泵給予壓力能替代原有助力泵。同時在副泵工作時應急閥必須與之配合形成系統成為應急系統的備用方案，應急閥在壓力閥的控制下形成有效、快捷、安全地切換。

2.2 恒流泵設計理論

本設計就是借助偏心結構特點使得柱塞在偏心輪的推動下按正弦波運動，吸油時間和柱塞完成一個正弦波時間之比（占空比）是一個定值。應急泵的吸油壓力基本上是一定的，吸油孔的直徑是固定的，在試驗室初期速度低于600r/min時流量成上升趨勢，同一側吸油口相差一定位置度，在試驗室用直流電機作為故障時的驅動能量，啟動之時兩個呼吸口流量之和作為總流量的主要參數，但是在達到一定速度后，整個偏心凸輪軸的單個周期則作為一個總量來看待。如圖2所示，速度提高到一定值時，吸油的多少就取決于吸油時間在一個正弦波里的占空比，而與泵的轉速無關，因此應急泵的轉速達到一定轉速后，泵的輸出流量就恒定，從而保證泵發(fā)熱量少，泵的工況大大改善，因此泵的壽命和可靠性大大提高。

2.3 應急閥設計

應急閥是整個控制單元的重中之重關系到整個系統能否正常運行的命脈，本設計中應急閥承載著壓力反饋和應急切換流量的關鍵節(jié)點。當主泵正常運行時，應急流量從備用G點直接回油箱，同時指示燈形成不了回路形成電路“0”給予控制器。當主泵出現問題啟用備用“主驅”的時候，同時也考慮切換備用流量問題，以10L/min為界限進行直流電機切換保證高速行駛在前進顛簸路段正常行駛。

3 結構分析

本設計中單閥液壓流量40L/min，采用雙閥設計最大流量在80L/min左右，最多可接14個外接油缸。螺桿與轉向器輸入軸相連接，當方向盤轉動時，轉向器輸入軸帶動螺桿隨之轉動，安裝在螺桿上的螺母通過循環(huán)球運動副實現轉動的同時并左右移動，螺母左右運動時，通過齒輪齒條運動副實現轉向器輸出軸輸出垂臂轉動，其中各部件受力非常關鍵。

3.1 導管變形

本設計中選用相交式內外螺旋滾道，由于其具有較好的承載能力被廣泛應用，導管對于傳動結構至關重要，鋼球是受力的載體，那么導管如果出現變形、翹曲整個運行系統則會損壞，尤其是當鋼球滾珠在外循環(huán)滾道發(fā)生卡滯時，整個手感非常沉重，導致駕駛員根本無法運行。舌片內表面施加力50N，在舌片內根部拉應力最大為143MPa，鋼球導管的材質是08F，其的屈服應力175MPa。鋼球導管的安全系數取1.2，故舌片能承受的最大徑向力50N，在上舌片處鋼球傳力三角形的最大夾角是25°。

3.2 螺桿軌道擠壓

轉向螺桿應力過大，才會出現轉向螺桿疲勞失效的現象，因此 需要通過分析找出在運動過程中應力過大的位置，并提出改善的建議。滾珠絲杠軌道的應力分布情況如圖3所示，最大應力在154MPa。實際設計的軌道是四點接觸，但是裝配要求特別高，要求在三組螺距之內小于8μm，所以需要選配鋼球。同時徑向在固定螺母情況下，測量150mm長的接觸段的螺桿跳動必須保持在0.03mm以內，整體零部件加工才能保證螺桿螺母裝配之后無卡滯、間隙晃動、自由旋轉、應力過大變形等問題。

3.3 蝶形彈簧受力曲線

本設計中采用印度Mubea蝶形彈簧，蝶型彈簧主要是承受軸向載荷的錐形盤片，一般受力情況下，其盤片是恒定不變的，載荷均勻分布在內邊緣和下外表邊緣。多閥大流量選用組合蝶形彈簧，因其變形量是單簧的數倍，實際受力主要受切向應力影響，下表面承受變應力，其詳細計算受力如圖4所示。

采用背對背結構，四組共八片彈簧。材料選用50Crv4，在變形量為4mm的軸向位移的情況下，軸向載荷可以達到3kN并且屈服強度達到800MPa。本設計軸中閥口采用多端線設計，在正常使用中只需2.2mm左右的軸向位移量，在多油缸同時使用才需達到極端位置。通過作圖可以看到基本呈現一個線性的關系，在往復或者形成左右不同擺角時能夠及時改變形變，從而確保油壓的準確輸出，保證扭轉的手感。

方案中應用大流量蝶閥轉向器、應急泵、應急閥以及控制系統組成整個應急系統。該方案已經成功運用于軍用項目中，解決了重卡、工程車行駛動能失效、崎嶇山路溜坡等特殊危險情況。本方案將“安全駕駛”理念放在第一位，通過技術創(chuàng)新實現了安全指標要求，也為行業(yè)規(guī)范提供了一定的參考思路。

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