液壓雙回路在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的應(yīng)用

朱磊 張兆壯 趙錦

ZHU Lei et al

中國重汽集團(tuán)泰安五岳專用汽車有限公司 山東泰安 271000

1 前言

隨著我國交通道路設(shè)施的日新月異，車輛不斷增加，車輛的安全性能變得越來越重要。特別是工程車輛、重型卡車等載質(zhì)量大的汽車，由于車速及慣性作用，在遇到緊急突發(fā)事件時(shí)能否有效控制車輛的行駛變得尤為關(guān)鍵。對于多軸承載的重型車輛，轉(zhuǎn)向車橋多為兩根或者三根，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈會造成車輛方向無法控制而發(fā)生事故。液壓雙回路系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的回路組成，每個(gè)回路均包含主油泵、流量控制閥、單向閥、隨動轉(zhuǎn)向控制閥、液壓助力缸組。 當(dāng)某一回路突然失效時(shí)，另外一回路仍然能夠工作，從而保證車輛保持一定的轉(zhuǎn)向能力。

下面以一款8×8專用底盤為例，介紹液壓雙回路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 工作原理、計(jì)算公式及安裝調(diào)試。 該車型前兩橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動橋，單橋最大負(fù)荷25 t，每根車橋有兩根助力油缸。

2 液壓雙回路結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由雙聯(lián)泵、流量控制閥、單向閥、隨動轉(zhuǎn)向控制閥組、液壓助力缸等組成。其中雙聯(lián)泵是安裝在底盤發(fā)動機(jī)上的，采用的是伊頓葉片泵，單組最大壓力15 MPa，排量為36.4 ml/r，能夠提供兩個(gè)回路所需壓力和油液流量。

流量閥是用來控制系統(tǒng)流量的，因?yàn)榱髁康拇笮Q定著方向盤的方向感。流量過大打方向會感覺“發(fā)飄”，失去方向感，而流量過小會引起轉(zhuǎn)向發(fā)沉、滯后。

單向閥的作用是防止當(dāng)某一回路失效時(shí)，因失效回路的油缸組仍需跟正常工作回路中的油缸一起運(yùn)動，從而形成真空使轉(zhuǎn)向阻力增大。

隨動轉(zhuǎn)向控制閥組實(shí)際是安裝在雙回路轉(zhuǎn)向器內(nèi)的控制方向的轉(zhuǎn)向閥，由方向盤控制轉(zhuǎn)閥來實(shí)現(xiàn)換向，當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力Fb≥0.025～0.190 kN時(shí)，動力轉(zhuǎn)向器就應(yīng)該開始工作[1]。

助力缸分別安裝在前后兩根轉(zhuǎn)向車橋上，靠系統(tǒng)的壓力提供車輪轉(zhuǎn)向所需的轉(zhuǎn)向力。

3 工作原理

雙回路的控制需要合理分配助力油缸在兩回路上的位置。為了能夠?qū)崿F(xiàn)某一回路突然失效而前后兩根橋還能同時(shí)轉(zhuǎn)向， 需要把助力油缸前后交叉分別組成兩個(gè)回路，即前橋一根油缸與后橋一根油缸組成一條回路，這樣就保證了某一回路失效時(shí)另一回路仍能帶動該油缸組一起運(yùn)動，原理見圖1。

首先，雙聯(lián)泵分別為兩個(gè)回路提供油壓以保證油缸組的正常運(yùn)動，e1與 e3組 成一條回路，e2與 e4組成另一條回路，見圖2，兩條回路必須保證車輪轉(zhuǎn)向是一致的。由于各油缸在橋的兩邊對稱布置，且車輛左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時(shí)，左、右側(cè)轉(zhuǎn)向車輪分別為內(nèi)或外輪；無論左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎時(shí)，其內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角均保持一定的關(guān)系；當(dāng)車輛向左轉(zhuǎn)彎或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，其最大內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角相同；當(dāng)左轉(zhuǎn)彎時(shí)各軸左側(cè)缸為無桿腔工作，右側(cè)缸為有桿腔工作；反之右彎轉(zhuǎn)時(shí)各軸左側(cè)油缸為有桿腔工作，右側(cè)油缸為無桿腔工作。故當(dāng)車輛向左或向右轉(zhuǎn)過同樣的轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)，系統(tǒng)總的工作容積相等。

圖 2 轉(zhuǎn)向油缸布置簡圖

流量閥b控制油泵輸出流量的大小，可避免因流量過大而引起方向“發(fā)飄”。當(dāng)流量超過設(shè)定值后多余油液會通過卸油口流回油箱。

當(dāng)某一條回路突然失效時(shí)，該回路上的油缸組會跟隨另一條回路上的油缸組一起運(yùn)動，這就會造成油缸腔內(nèi)一側(cè)的體積增大，壓強(qiáng)減小，單向閥c也會因壓力差被打開，油箱內(nèi)的油液會及時(shí)補(bǔ)充到油缸內(nèi)，避免油缸內(nèi)出現(xiàn)真空現(xiàn)象。當(dāng)然，一條回路所提供的轉(zhuǎn)向力在原地打方向時(shí)會比較困難，但是在行駛途中，由于輪胎與地面是滾動摩擦，轉(zhuǎn)向阻力較小，因此能夠滿足最大工況下所需的轉(zhuǎn)向力。當(dāng)回路中流量小于限定值，亦即該回路出現(xiàn)故障后，流量指示閥會向駕駛員發(fā)出聲或光報(bào)警，此時(shí)應(yīng)及時(shí)停車檢查轉(zhuǎn)向油路系統(tǒng)，保證行車安全。

方向控制閥組與方向機(jī)組成一個(gè)半整體式轉(zhuǎn)向器，通過角傳動器、傳動軸與方向盤連接組成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過方向盤的轉(zhuǎn)動就可以實(shí)現(xiàn)油路的換向使車輪改變方向。

4 主要參數(shù)的計(jì)算

4.1 轉(zhuǎn)向阻力矩

利用Taborek公式計(jì)算輪胎阻力矩[2]：

式中，Gs為 車橋負(fù)荷，Gs=25 000×2×9.8 N=490 000 N；B為輪胎寬度，B=605 mm；e為中心銷偏心距，e=284 mm；μs為摩擦系數(shù)，一般取0.1～0.9，考慮到實(shí)際路況取μs=0.7。

代入數(shù)值計(jì)算得到：ML=50 436 Nm。

4.2 助力油缸輸出力矩

根據(jù)油泵輸出壓力F大小，選用合適缸徑大小的油缸，保證輸出的轉(zhuǎn)向力矩足夠克服輪胎轉(zhuǎn)向阻力矩。實(shí)際計(jì)算過程當(dāng)中應(yīng)當(dāng)考慮轉(zhuǎn)向極限位置時(shí)的有效力矩是否滿足條件：Mr≥ML。

按照設(shè)計(jì)要求選取的油缸參數(shù)：D=80 mm，d=40 mm，最高工作壓力18 MPa，工作行程300 mm。

液壓缸有效工作面積，有無桿腔和有桿腔之分：

式中，A無為無桿腔液壓缸有效工作面積；A有為有桿腔液壓缸有效工作面積；D為油缸缸徑，mm；d為油缸桿徑，mm；P為液壓缸的工作壓力,取轉(zhuǎn)向泵最高工作壓力P=15 MPa；ηm為液壓缸的機(jī)械效率，ηm=0.95；r為車橋轉(zhuǎn)向臂長度，r=2 5 0 m m；θ為轉(zhuǎn)向臂轉(zhuǎn)動角度(理論轉(zhuǎn)角：θ1=2 2°，θ2=24°，θ3=18.5°，θ1=20°)。

代入數(shù)值，計(jì)算可得：Mr=58 449 Nm＞ML，滿足要求。

4.3 系統(tǒng)流量

系統(tǒng)所需的流量Q即為單位時(shí)間內(nèi)油缸體積變化的大小，油泵的排量可以根據(jù)系統(tǒng)的流量來推算。在實(shí)際計(jì)算過程中還應(yīng)當(dāng)考慮系統(tǒng)的泄漏量，一般取1.1～1.2倍的系數(shù)。

在車輛使用上，一般要求方向盤能每秒轉(zhuǎn)動1～1.5圈，設(shè)計(jì)時(shí)取ω=1 r/s，故可確定車輛從直線行駛狀態(tài)至最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)所需時(shí)間：

式中，m為方向盤從中間位置轉(zhuǎn)到極限位置所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，一般為2～3[3]，這里取m=2.5 。

代入數(shù)值求得：ts=2.5 s。

轉(zhuǎn)向油缸的工作容積：V=A×L

式中，A為液壓缸有效工作面積，m2；L為各個(gè)液壓缸的工作行程，理論值：L1=96 mm，L2=110 mm，L3=80 mm，L4=90 mm。

式中，Q為系統(tǒng)流量；Vg為 油缸總體積變化的大?。╒g=V1+V2+ V3+ V4）。

代入數(shù)值計(jì)算得：系統(tǒng)流量Q=45 L/min。

因此，每條回路所選用流量閥的流量應(yīng)在25 L/min左右。

5 安裝調(diào)試與維修

5.1 安裝調(diào)試

a. 按照系統(tǒng)液壓原理圖，將兩個(gè)回路的各個(gè)元件連接好，要求元件安裝位置合理，管線走向美觀大方，并用管夾固定。膠管需按規(guī)定的彎曲半徑走線，不能出現(xiàn)急彎現(xiàn)象；

b. 怠速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，左右打方向盤至極限位置幾次，同時(shí)向轉(zhuǎn)向油箱注油，直至油箱中油面不再下降且沒有氣泡產(chǎn)生為止；

c. 在車輛空載和重載下進(jìn)行路試試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動方向盤時(shí)，應(yīng)能較為輕便和靈活；

d. 油路溫度不能超過允許的使用溫度，如果出現(xiàn)溫度過高的情況，應(yīng)當(dāng)在回路中增加散熱裝置，避免溫度過高對元件產(chǎn)生損壞。

5.2 維修

造成轉(zhuǎn)向失靈的原因具體到液壓系統(tǒng)，主要就是系統(tǒng)流量或者壓力不足，具體維修方法如下：

a. 若流量不足，需要檢查系統(tǒng)回路有沒有漏油的地方，還要確保液壓油箱內(nèi)有足夠的油量。另外若有臟物堵塞轉(zhuǎn)閥也可能會影響流量, 需要定期清洗或更換轉(zhuǎn)閥；

b. 通常在方向機(jī)的高壓油口安裝一個(gè)測壓接頭，可以外接壓力表，用來檢測系統(tǒng)壓力。啟動發(fā)動機(jī)，左右打方向，看壓力表的數(shù)值變化，若讀取不到壓力，可能是油路堵塞或者轉(zhuǎn)閥不起作用，需要清洗油路或者檢修轉(zhuǎn)閥。

從上面的分析可見，雙回路轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)具有較高的安全性，當(dāng)某一回路失效時(shí)，另一回路仍能保證車輛具有轉(zhuǎn)向能力，從而提高行車的安全。該系統(tǒng)在多橋轉(zhuǎn)向車輛上有廣泛的應(yīng)用前景。該車輛液壓雙回路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)較具代表性，可供初次使用液壓雙回路系統(tǒng)者參考。