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第4章 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
第4章 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4．1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求
車輛機(jī)械在行駛和作業(yè)中，需要利用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來改變其行駛方向或保持直線行駛，應(yīng)能保持底盤直線行駛的穩(wěn)定性并能根據(jù)要求靈活地改變行駛方向。因此對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求是：
1．保證工作穩(wěn)定可靠，確保行車安全。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳動鏈各環(huán)節(jié)的間隙、方向盤的自由行程應(yīng)盡量減小，以保證直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏度，設(shè)計(jì)時必須考慮零件承受路面對其作用的交變沖擊載荷，以保證機(jī)構(gòu)和零件有足夠的強(qiáng)度和壽命。在發(fā)動機(jī)怠速時，應(yīng)能正常轉(zhuǎn)向，而且要考慮在發(fā)動機(jī)或油路發(fā)生故障時有應(yīng)急轉(zhuǎn)向措施。
2．礦用車輛運(yùn)輸機(jī)械在作業(yè)中要頻繁轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向系操作要求輕便靈活，以減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。
3．液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組合和元件的選擇對能量的利用、系統(tǒng)成本以及機(jī)構(gòu)的壽命影響很大，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要使用經(jīng)濟(jì)耐久。
對于大型礦用自卸車，采用動力轉(zhuǎn)向，對動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求是：
1．要有隨動作用，系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是跟隨控制呀的運(yùn)動而工作，即轉(zhuǎn)向輪或前、后車架始終追隨對轉(zhuǎn)向控制閥的操縱并保持一定的比例關(guān)系。
2．操縱方向盤時，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生加力的作用要迅速、靈敏，與作用在方向盤上的手力相協(xié)調(diào)。
3．司機(jī)操縱方向盤時有“路感” ，即能及時地將路面對轉(zhuǎn)向阻力的影響反映到方向盤上，使作用在方向盤上的手力隨轉(zhuǎn)向阻力的增大而增大。
4．轉(zhuǎn)向后應(yīng)能自動回正，并應(yīng)使車輛具有直線行駛穩(wěn)定性。
4．2 轉(zhuǎn)向方式及轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)方框圖
4.2.1 輪式車輛轉(zhuǎn)向方式
輪式車輛的轉(zhuǎn)向方式主要有偏轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)向、鉸接式轉(zhuǎn)向和滑移式轉(zhuǎn)向三種。
偏轉(zhuǎn)車輪轉(zhuǎn)向，是一種最常見的轉(zhuǎn)向方式，通常用在整體式車架的車輛上，它是利用車輪的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的，根據(jù)偏轉(zhuǎn)車輪的不同，有前輪轉(zhuǎn)向，后輪轉(zhuǎn)向和前后輪同時轉(zhuǎn)向等不同形式。車輛上采用較多的是偏轉(zhuǎn)前輪轉(zhuǎn)向，駕駛員對行駛方向的判斷較準(zhǔn)確，利于駕駛安全。后輪轉(zhuǎn)向一般用于前方裝有工作裝置的機(jī)械，駕駛員不能按前輪偏轉(zhuǎn)方式來估計(jì)行駛方向，轉(zhuǎn)向操縱比較困難。
鉸接式轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)是當(dāng)工作裝置裝在前車架上兩段車架相對偏轉(zhuǎn)時，司機(jī)面向始終與前車架一致，有利于迅速對準(zhǔn)作業(yè)面，提高生產(chǎn)率。
滑移式轉(zhuǎn)向方式的車架是整體的，它依靠改變左右兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)向來操縱行駛方向，其轉(zhuǎn)向原理與履帶車輛相似。
大型礦用自卸車采用偏轉(zhuǎn)前輪的轉(zhuǎn)向方式。
4.2.2 轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)方框圖
大型礦用自卸車采用液壓動力轉(zhuǎn)向的隨動系統(tǒng)，其方框圖如圖4.1所示。
輔助泵Q
流量分配閥的先導(dǎo)閥
流量分配閥
轉(zhuǎn)向角
轉(zhuǎn)向閥芯位移
轉(zhuǎn)向油缸位移
轉(zhuǎn)向閥
轉(zhuǎn)向泵Q
反饋
圖4.1 液壓轉(zhuǎn)向隨動系統(tǒng)方框圖
4．3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的選擇
液壓轉(zhuǎn)向?qū)μ岣哕囕v生產(chǎn)率和改進(jìn)操縱性能都很重要，具有重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，對地面沖擊能起緩沖作用，動作迅速，啟動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的型式很多，選擇時應(yīng)結(jié)合具體條件分析比較多種方案，決定選型的主要因素有：轉(zhuǎn)向方式、可利用來布置轉(zhuǎn)向元件的空間、流量和轉(zhuǎn)向力矩的要求等。
輪式車輛行走機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)種類很多，綜合起來基本上有兩種形式：液壓助力轉(zhuǎn)向，又稱為液壓機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ；從方向盤到導(dǎo)向輪之間沒有機(jī)械式連接的液壓轉(zhuǎn)向系，通常稱為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
（一）液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)向器，控制閥和轉(zhuǎn)向油缸等組成，各部分之間均保持機(jī)械聯(lián)系。液壓助力轉(zhuǎn)向具有操縱輕便，轉(zhuǎn)向靈敏，隨動精度高，可根據(jù)需要增設(shè)作用元件來取得較理想的“路感”，當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠蛻化為機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置實(shí)現(xiàn)應(yīng)急轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種車輛。但是，由于這類裝置保留了復(fù)雜的轉(zhuǎn)向桿系，總體布置欠靈活，此外應(yīng)用于大流量液壓系統(tǒng)中時系統(tǒng)效率較低，因此在低速車輛上逐漸被全液壓轉(zhuǎn)向裝置取代。
（二）全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輸出端與輸入端之間沒有機(jī)械聯(lián)系的液壓動力轉(zhuǎn)向裝置。全液壓轉(zhuǎn)向具有操縱靈活省力，結(jié)構(gòu)簡單，總體布置方便以及動力油源中斷后仍能實(shí)現(xiàn)人力轉(zhuǎn)向等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于全液壓轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向工況時無“路感”，隨同精度較低，反應(yīng)較慢，以及當(dāng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身發(fā)生故障時，不能蛻變?yōu)闄C(jī)械轉(zhuǎn)向裝置繼續(xù)工作等缺點(diǎn)，使用范圍受到限制，一般用于時速低于50公里/小時的車輛。
對于大型礦用自卸車，其最高轉(zhuǎn)速不高于50km/h，要求液壓系統(tǒng)布置方便，操縱省力，安裝適應(yīng)性好等，因此選用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
4．4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.4.1 轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算
載荷是確定液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力、流量以及液壓元件規(guī)格的依據(jù)，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)淖饔昧ψ鳛橛?jì)算載荷是必要的，車輛所受的載荷是經(jīng)常變化的，很難用計(jì)算方法加以確定，往往是以主要影響因素來估計(jì)。
運(yùn)輸機(jī)械在作業(yè)時，除了在彎道行駛時必須將輪胎與地面進(jìn)行相對偏轉(zhuǎn)外，某些工況要求在非行駛狀態(tài)，將輪胎相對地面偏轉(zhuǎn)以調(diào)整機(jī)械的方向，即原地轉(zhuǎn)向。此時，輪胎與地面之間的摩擦阻力矩一般為行駛轉(zhuǎn)向時的2～3倍。以原地轉(zhuǎn)向時阻力矩作為計(jì)算力矩能保證不利條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)向。
為了便于估算，將輪胎與地面的接觸面積假定為：以論寬度B為直徑的圓面積。轉(zhuǎn)向輪繞主銷原地轉(zhuǎn)向時，輪胎與地面之間的摩擦阻力矩為：
Nm （4-1）
式中：—轉(zhuǎn)向輪的荷重，N
—有效摩擦系數(shù)，由圖4.2確定
—輪胎寬度，m
—主銷偏移距，一般取0.3 m
轉(zhuǎn)向輪載荷較輕，對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操縱性都會有影響，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在品軍的液壓負(fù)載到最大的液壓負(fù)載之間具有良好的性能，只有遇到較輕的液壓負(fù)載工況時才表現(xiàn)出不穩(wěn)定（發(fā)漂），異常動作和反應(yīng)不正常。這種現(xiàn)象主要由于在不同的液壓負(fù)載下輪胎的彈性系數(shù)和轉(zhuǎn)向閥的流量增益性能的變化所引起，所以液壓系統(tǒng)的阻尼作用和轉(zhuǎn)向閥的增益數(shù)值必須調(diào)整到適應(yīng)整個工作范圍。
108t大型礦用自卸車采用偏轉(zhuǎn)前輪的轉(zhuǎn)向方式，滿載時前軸的載荷為總重的34﹪，故轉(zhuǎn)向輪的荷重為：
=（108+85）×1000×9.8×34﹪=643076 N
圖4.2 摩擦系數(shù)曲線
由湘潭電機(jī)廠資料，輪胎寬度為 = 0.83m，為主銷偏移距，一般取 = 0.3m，根據(jù)的值由圖4.2來選取有效摩擦系數(shù)的值為=0.29。將以上各參數(shù)代入式（4-1）可算得轉(zhuǎn)向阻力矩：
= 78263 Nm
4.4.2 轉(zhuǎn)向油缸參數(shù)的確定
偏轉(zhuǎn)車論液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向液壓缸的布置在很大程度上決定于空間布置的可能性。當(dāng)液壓缸及活塞桿鉸點(diǎn)的位置初步確定后原則上應(yīng)充分利用液壓缸行程及力臂，當(dāng)轉(zhuǎn)向液壓缸推拉扇形轉(zhuǎn)臂（或轉(zhuǎn)向節(jié)臂）時，由于左右車輪偏轉(zhuǎn)角及方向的對稱性，應(yīng)盡量使液壓缸相對扇形轉(zhuǎn)臂銷軸在左右對稱偏轉(zhuǎn)角時的力臂相等，并盡可能增加以充分利用液壓缸的行程，即確定最大的以及相應(yīng)的行程。
轉(zhuǎn)向液壓缸最大的總推力為：
（4-2）
在計(jì)算液壓缸內(nèi)徑時要以單個液壓缸的最大推力來計(jì)算。對于大型礦用自卸車，由于工作條件較惡劣，轉(zhuǎn)向阻力矩大，故用兩個轉(zhuǎn)向液壓缸，轉(zhuǎn)向油缸采用交叉連接的形式（圖4.3）。
則液壓缸的內(nèi)徑為： （4-3）
式中：—液壓缸活塞桿直徑
轉(zhuǎn)向油缸的行程為
（4-4）
圖4.3 交叉連接液壓缸
式中：—轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角
轉(zhuǎn)向液壓缸容積為：
（4-5）
根據(jù)同類參考和實(shí)際參數(shù)，取最小轉(zhuǎn)向力臂為=110 mm 。代入式（4-2）可得液壓缸最大的總推力為：
=711482 N
根據(jù)大型礦用自卸車的設(shè)計(jì)參數(shù)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力為≤ 20MPa，由于大型礦用自卸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞的功率大，應(yīng)采用高壓，取其系統(tǒng)壓力為= 20MPa。轉(zhuǎn)向液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動時的速度之比：
（4-6）
計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否要設(shè)計(jì)緩沖裝置，速比不宜過大或過小，以免產(chǎn)生過大的背壓或造成活塞桿太細(xì)，穩(wěn)定性不好，可參考表4.1確定。
表4.1 壓力—速比表
公稱壓力，MPa
≤10
12.5～20
＞20
1.33
1.46，2
2
根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力為= 20MPa，選取速比為=2。則單個液壓缸的最大推力為總推力的，即
kN
在計(jì)算油缸內(nèi)徑時先暫不計(jì)有桿腔活塞桿直徑，則油缸內(nèi)徑為：
=174 mm
液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑值的計(jì)算值要按國標(biāo)規(guī)定的液壓缸的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，如與標(biāo)準(zhǔn)液壓缸參數(shù)相近，最好選用國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸，免于自行設(shè)計(jì)加工。常用液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑見表4.2和表4.3：
表4.2 常用液壓缸內(nèi)徑（mm）
40
50
63
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
表4.3 活塞桿直徑（mm）
速比
缸徑
40
50
63
80
90
100
110
1.46
22
28
35
45
50
55
63
3
45
50
60
70
80
速比
缸徑
125
140
160
180
200
220
250
1.46
70
80
90
100
110
125
140
3
90
100
110
125
140
根據(jù)表4.2，實(shí)際取液壓缸內(nèi)徑=200mm，由=2可以選油缸活塞桿直徑=140mm。選取的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑可以滿足式（4-3）的要求。
根據(jù)同類參考，取偏轉(zhuǎn)輪最大轉(zhuǎn)角=40°，則由式（4-4）可求得轉(zhuǎn)向油缸的行程：
=141mm
實(shí)際行程取=145mm。
將以上所得參數(shù)代入式（4-5）得油缸容量為：
= L
4.4.3 轉(zhuǎn)向器參數(shù)的確定
大型礦用自卸車采用全液壓轉(zhuǎn)向器，根據(jù)配油裝置的不同，分為擺線轉(zhuǎn)閥式和擺線滑閥式兩種，其中以擺線轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用最為廣泛。液壓轉(zhuǎn)向器是全液壓轉(zhuǎn)向裝置的核心部分，方向盤的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角之間的比例是通過轉(zhuǎn)向器擺線泵的計(jì)量作用保證的。如果轉(zhuǎn)向油缸的容積一定，車論偏轉(zhuǎn)相同的角度時，擺線泵的排量越大，則方向盤的轉(zhuǎn)動圈數(shù)越少，因此轉(zhuǎn)向器排量是擺線泵，也是全液壓轉(zhuǎn)向器最主要的參數(shù)，其計(jì)算公式為：
（4-7）
式中：—轉(zhuǎn)向液壓缸容積
—方向盤從一側(cè)轉(zhuǎn)至另一側(cè)的圈數(shù)
—油缸的容積效率
根據(jù)計(jì)算所得的排量，從全液壓轉(zhuǎn)向器系列標(biāo)準(zhǔn)中選擇合適的轉(zhuǎn)向器。
方向盤的圈數(shù)選擇要求轉(zhuǎn)向時駕駛員要能及時操作，保證轉(zhuǎn)向的安全，一般取3～8，大型礦用自卸車的運(yùn)行速度較低，可以取大點(diǎn)，這里取=7。油缸的容積效率由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取=0.98，則代入式（4-7）可求得全液壓轉(zhuǎn)向器的排量：
=1002 ml/r
選取排量為1000ml/r的轉(zhuǎn)向器。
4.4.4 油泵參數(shù)的確定
油缸內(nèi)徑確定后，轉(zhuǎn)向速度決定于回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向器的速度。當(dāng)油泵的流量無法滿足轉(zhuǎn)向所需的流量時，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動困難，司機(jī)操縱大力；當(dāng)油泵的流量過大時，系統(tǒng)效率低，功率浪費(fèi)。在確定轉(zhuǎn)向時間時，油泵的流量應(yīng)保證方向盤的轉(zhuǎn)速為1r/s左右。因此，轉(zhuǎn)向油泵的流量應(yīng)與轉(zhuǎn)向器的排量相適應(yīng)，其計(jì)算公式為：
（4-8）
式中：—方向盤轉(zhuǎn)速，取=60r/min
將及代入式（4-8）求得油泵流量：
=60L/min
則轉(zhuǎn)向泵排量為：
= 40 ml/r
4．5 擬定液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖
圖4.4 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理圖
轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理圖如圖4.4所示。轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)由液壓泵1、全液壓轉(zhuǎn)向器3、轉(zhuǎn)向油缸4等組成。轉(zhuǎn)向泵從油箱吸油，將輸出的油直接供給全液壓轉(zhuǎn)向器，全液壓轉(zhuǎn)向器的回油通過串聯(lián)在油路上的回油濾清器回油箱，當(dāng)轉(zhuǎn)動全液壓轉(zhuǎn)向器的時，油液經(jīng)轉(zhuǎn)向器進(jìn)入轉(zhuǎn)向油缸，在油缸活塞上產(chǎn)生足夠的壓力使車輛轉(zhuǎn)向，當(dāng)壓力超過系統(tǒng)壓力時，油液經(jīng)溢流閥直接回油箱，轉(zhuǎn)向器里的雙向緩沖閥使轉(zhuǎn)向平穩(wěn)。
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