B雙回路轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)A

1、雙回路轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)一. 冃U言眾所周知在行走車輛上，必須有可使駕駛員對(duì)車輛行駛方向?qū)嵤┛刂频霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)。 在輕型車輛上，由于多采用單橋轉(zhuǎn)向，且轉(zhuǎn)向橋負(fù)荷小，因此轉(zhuǎn)向阻力也小。通常在 這些車輛上，利用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)即可達(dá)到使駕駛員輕松、方便地控制車輛行駛方向的 目的。而在重型車輛上，由于轉(zhuǎn)向橋負(fù)荷大，因此轉(zhuǎn)向阻力很大，如采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)，全憑駕駛員的力量控制車輛行駛方向就很難、甚至無法實(shí)現(xiàn)。因此在這類車輛上 就必須采用轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)。二. 雙回路轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的組成及分析圖一為雙回路轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖，從圖中可見該系統(tǒng)主要由油泵組、閥組、油 缸組、油箱等組成。卩動(dòng)機(jī)驅(qū)牛車輪驅(qū)動(dòng)Of6尋

2、圖一）雙回路轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖調(diào)速閥的作用是：保證當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化后，進(jìn)入液壓系統(tǒng)工作機(jī)構(gòu)的油液流量基本保 持不變。溢流閥的作用是：保證系統(tǒng)的工作壓力不得大于限定的值，以防止系統(tǒng)元件的過載。 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(dòng)，從而形成真空使轉(zhuǎn)向阻力增大。流量指示閥的作用是：當(dāng)回路中流量小于限定值，亦即該回路出現(xiàn)故障后，向駕駛員發(fā) 出聲或光報(bào)警，保證行車安全。順序閥的作用是：保證在配備應(yīng)急泵的回路中, 當(dāng)主泵正常工作時(shí) , 由主泵向系統(tǒng)液壓工作元件供油 , 而讓應(yīng)急泵輸出的油液直接回油箱 ; 當(dāng)主泵失效時(shí)，關(guān)閉主泵 b2 同液壓工作元

3、件 間的通道，而使應(yīng)急泵向系統(tǒng)液壓工作元件供油。三位四通轉(zhuǎn)向控制隨動(dòng)閥的作用是：通過車輛方向盤的轉(zhuǎn)角輸入及轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角反饋來 控制其換向，從而控制車輛的行駛方向，該閥的中位為H 機(jī)能。油缸組的作用是：當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，向轉(zhuǎn)向輪提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力。在本雙回路液壓系統(tǒng)中，有 兩個(gè)油缸組g 1、g 2。通過上面的分析及圖一中所示可見：該系統(tǒng)由兩個(gè)相互獨(dú)立的回路組成，每個(gè)回路均包 含了主油泵、調(diào)速閥、溢流閥、流量指示閥、單向閥、三位四通轉(zhuǎn)向控制隨動(dòng)閥及油缸組， 這是它們的相同之處。不同之處在于回路U比回路I多一個(gè)由驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)的應(yīng)急油泵，以及 決定是由主泵還是應(yīng)急泵向系統(tǒng)工作元件供油的順序控制閥。該系統(tǒng)為以方向盤

4、的轉(zhuǎn)角為輸 入, 轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角為輸出的液壓飼服控制系統(tǒng)。三 . 系統(tǒng)的工作原理 車輛行駛轉(zhuǎn)向時(shí)，為使轉(zhuǎn)向輪在該過程中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，保證整機(jī)行駛及操縱穩(wěn)定性，應(yīng)盡 量使各轉(zhuǎn)向輪繞同一瞬心作純滾動(dòng)。 因此必須有一套轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系聯(lián)接各轉(zhuǎn)向橋 , 使各個(gè)轉(zhuǎn)向 輪按一定的轉(zhuǎn)角關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)。 故各個(gè)轉(zhuǎn)向助力油缸的運(yùn)動(dòng)均受到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系的限制, 而按一定的關(guān)系同步運(yùn)動(dòng)，各油缸以及兩個(gè)回路的工作壓力相同。同時(shí)這樣也可保證當(dāng)某一回路失效 后, 另一回路仍能發(fā)揮轉(zhuǎn)向助力的作用。從圖一中可見：1. 正常情況下當(dāng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，泵 bl , b2分別向兩個(gè)回路提供壓力油。其中在回路U中，泵b2提供的壓力油使二位四通順序閥換向，

5、從而使泵b2提供的油液流向回路U的液壓工作元件，而車輛行駛時(shí)由應(yīng)急泵提供的油液經(jīng)該閥后直接流回油箱。車輛直線行駛時(shí)，兩個(gè)三位四通閥處于中位，由于兩個(gè)閥的中位機(jī)能為H機(jī)能，泵bl,b2 低壓卸荷，油缸的兩腔接低壓油，不向轉(zhuǎn)向輪提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的自動(dòng)回正及對(duì) 中機(jī)構(gòu)作用下，車輛保持直線行駛。當(dāng)駕駛員通過轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤使車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，三位四通轉(zhuǎn)向控制隨動(dòng)閥換向，使油缸按設(shè)計(jì) 要求，一腔接壓力油，一腔接回油至油箱，這樣油缸輸出動(dòng)力使轉(zhuǎn)向車輪按要求的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)到方向盤輸入角所預(yù)定的位置上后，又通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系的反饋?zhàn)饔檬谷凰耐?轉(zhuǎn)向控制隨動(dòng)閥回到中位，從而保證對(duì)車輛行駛方向的可控制性。2

6、. 當(dāng)某一回路出現(xiàn)故障時(shí)當(dāng)回路I出現(xiàn)故障時(shí)，回路I的流量指示閥向駕駛員報(bào)警以引起駕駛員的注意。同時(shí)由 于兩個(gè)回路的相互獨(dú)立性，回路U仍保持正常工作，向回路的油缸提供壓力油，從而向轉(zhuǎn)向 輪提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力。同理當(dāng)回路U完全失效時(shí)，回路I可保證系統(tǒng)正常工作。而當(dāng)回路U僅僅 是主泵b2損壞，或回路I,U的主泵同時(shí)損壞，亦或發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，只要車輛在行走，應(yīng)急 泵可向回路u中的液壓工作元件供油，從而保證車輛有一定的轉(zhuǎn)向能力。四.系統(tǒng)的布置及分析在QY80的設(shè)計(jì)中，我們采用了半分置式轉(zhuǎn)向液壓助力系統(tǒng)。即兩個(gè)三位四通轉(zhuǎn)向控制隨 動(dòng)閥、兩個(gè)溢流閥、兩個(gè)單向閥均集成安裝在轉(zhuǎn)向器中，而其它液壓系統(tǒng)元件單獨(dú)布置。由于主

7、泵bi、b2均由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了簡(jiǎn)化泵的安裝，我們采用了雙聯(lián)泵。為了便于布 置及設(shè)計(jì)，將應(yīng)急泵布置在QY80的分動(dòng)箱上，由驅(qū)動(dòng)輪通過傳動(dòng)軸與分動(dòng)箱輸出軸驅(qū)動(dòng)，這樣只要車輛行駛、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)急泵就能正常工作向系統(tǒng)供油。在系統(tǒng)中，油缸的布置及在兩回路中的配置是很重要的，需要綜合考慮多方面的因素。在QY80雙回路轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，從泵和閥的選型及使用、兩個(gè)回路載荷分配均勻 程度、在正常或僅有一個(gè)回路工作時(shí)應(yīng)使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系承擔(dān)盡量小的負(fù)荷、減少機(jī)械傳動(dòng)損 失提高系統(tǒng)工作效率以及左或右轉(zhuǎn)彎時(shí)操縱力及工作壓力相近等多方面考慮，我們選擇了圖 二所示油缸的配置方案。g2#車輛前進(jìn)方向（圖二）轉(zhuǎn)向油缸布

8、置圖我們確定將轉(zhuǎn)向油缸布置在各個(gè)轉(zhuǎn)向橋上，且每個(gè)轉(zhuǎn)向輪各配置一個(gè)轉(zhuǎn)向油缸，這樣整 機(jī)共有8個(gè)轉(zhuǎn)向油缸，油缸的布置如圖二所示。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)是油缸的動(dòng)力可較直接地作 用到轉(zhuǎn)向輪上克服轉(zhuǎn)向阻力，因此系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)損失小，工作效率較高，并且轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系 承受的載荷較小。同時(shí)，為了在某一回路失效而由另一回路提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力時(shí)，有較高的機(jī)械 傳動(dòng)效率，且轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系承受較小的負(fù)荷，我們確定了每個(gè)回路的油缸組均由四個(gè)分別布 置在四個(gè)轉(zhuǎn)向橋上的油缸構(gòu)成這樣一種油缸配置方案。對(duì)于采用上面油缸配置方案的兩個(gè)回路，其油缸分別在各個(gè)轉(zhuǎn)向橋上左、右布置的組合 方案有很多。從油泵及閥組的合理選型和使用方面考慮，我們確定應(yīng)盡量

9、使兩個(gè)工作回路的 工作流量接近，這樣，可使兩個(gè)回路中的工作負(fù)荷分配較為均勻，便于泵和閥的選型。同時(shí) 對(duì)兩個(gè)回路中油缸的布置，我們還考慮盡量使每個(gè)轉(zhuǎn)向橋上兩個(gè)油缸輸出的動(dòng)力與其對(duì)應(yīng)的 轉(zhuǎn)向橋上轉(zhuǎn)向阻力基本平衡，盡量減小轉(zhuǎn)向橋之間的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系的負(fù)荷。此外，還應(yīng)使每 個(gè)回路在車輛由直線行駛狀態(tài)至向左或右轉(zhuǎn)彎狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)工作壓力及轉(zhuǎn)彎速度基本相同。 這樣可使系統(tǒng)工作較平穩(wěn)，操縱力及壓力曲線對(duì)稱。為此，我們選用了如圖二所示的油缸配 置及布置方案，即由一、四橋左側(cè)油缸和二、三橋右側(cè)油缸組成回路I的油缸組，由一、四 橋右側(cè)油缸和二、三橋左側(cè)油缸組成回路U的油缸組的布置及配置方案。五 . 系統(tǒng)的計(jì)算及分析1

10、. 轉(zhuǎn)向阻力的分析及計(jì)算單個(gè)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力為 FLF l =Gl x f式(1)中:Gl -單個(gè)轉(zhuǎn)向輪上的負(fù)荷f -轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)與地面間的摩擦系數(shù)由于車輛轉(zhuǎn)向時(shí)最大的轉(zhuǎn)向阻力出現(xiàn)在原地轉(zhuǎn)向過程中，此時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力約為行駛時(shí)轉(zhuǎn) 向阻力的24倍。為了使車輛具有原地轉(zhuǎn)向能力，同時(shí)為保證在行駛過程中，一個(gè)回路所提 供的動(dòng)力能保證車輛的轉(zhuǎn)向需要，我們以車輛的原地轉(zhuǎn)向阻力作為系統(tǒng)的阻力進(jìn)行各項(xiàng)分析 計(jì)算。車輛原地轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)必須克服其與地面之間的附著力，才能實(shí)現(xiàn)。故車輛的 原地轉(zhuǎn)向阻力等于車輪的附著力。設(shè)車輛的重心在車輛縱向中心線上，即: 每個(gè)轉(zhuǎn)向橋左、右輪承受相同載荷，故各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的負(fù)荷GL

11、相等; 原地轉(zhuǎn)向時(shí) , 轉(zhuǎn)向輪與地面之間的摩擦系數(shù)等于附著系數(shù)書；則由式(1)得：F l =Gl X f整機(jī)總的轉(zhuǎn)向阻力為Fz , Fz =2 Fl =2 Gl X f2. 轉(zhuǎn)向阻力功的分析及計(jì)算 當(dāng)車輛行駛時(shí)，從對(duì)方向的控制上來說，主要有直線行駛、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎三種工況。 由于轉(zhuǎn)向時(shí)的對(duì)稱性，即：在左轉(zhuǎn)彎時(shí)各左側(cè)車輪作為內(nèi)輪，右側(cè)車輪作為外輪；而在右轉(zhuǎn) 彎時(shí)，左側(cè)車輪作為外輪，右側(cè)車輪作為內(nèi)輪。同時(shí)在設(shè)計(jì)及使用上要求車輛向左或右轉(zhuǎn)向 時(shí)，有相同的轉(zhuǎn)向能力。因此，當(dāng)左、右轉(zhuǎn)向輪負(fù)荷相同時(shí)，其左右轉(zhuǎn)時(shí)的阻力功相等。故 我們?cè)谙旅鎯H計(jì)算車輛由直線行駛至左、或右轉(zhuǎn)最小轉(zhuǎn)彎半徑的一種工況。由總體及轉(zhuǎn)向

12、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)情況已知各橋轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角如下：一橋內(nèi)轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角 INmax外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 1ymax二橋內(nèi)轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 2Nmax,外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 2ymax三橋內(nèi)轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角 3Nmax，外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 3ymax四橋內(nèi)轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 4Nmax，外轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角B 4ymax各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的車輪轉(zhuǎn)臂，即轉(zhuǎn)向橋主銷中心線 與地面的交點(diǎn)至轉(zhuǎn)向輪中心線與地面交點(diǎn)間的距離 rL (見圖三)分別為：一橋r1L；二橋r2L；三橋r3L；四橋r4L。單個(gè)轉(zhuǎn)向輪從直線行駛狀態(tài)開始向左或右偏轉(zhuǎn)至最大轉(zhuǎn)角所作的阻力功為 vy。從圖三可見，可按 下式近似計(jì)算，式中 9為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角 。WL =Fl

13、x 2n X rL x 9 -360 (2)由式(2)計(jì)算得各橋轉(zhuǎn)向阻力功為：WLi=Fl x 2 n x r 1L x( 9 1Nmax+ 9 1ymax)* 360W l2=fl x 2 n x r2L x ( 9 2Nmax+ 9 2ymax) * 360W L3=Fl X 2 nX r 3L X ( 9 3Nmax+ 9 3ymax)* 360W4=Fl x 2 n x r 4L x ( 9 4Nmax+ 9 4ymax) * 360車輛從直線行駛狀態(tài)向左或右轉(zhuǎn)彎至其最小轉(zhuǎn)彎 半徑狀態(tài)時(shí)的總的轉(zhuǎn)向阻力功為wzwz =wy1 +wy2 +wy3 +wl43. 轉(zhuǎn)向阻力功率的計(jì)算(圖三)轉(zhuǎn)

14、向輪簡(jiǎn)圖由于交通法規(guī)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作速度有所要求，即車輛必須在一定的時(shí)間內(nèi)，由直線行 駛狀態(tài)進(jìn)入其最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)，且在車輛使用上，一般要求方向盤能每秒轉(zhuǎn)動(dòng)11.5圈，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)間的ts。在設(shè)計(jì)中，確定其方向 盤的最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1圈/秒，故車輛從直線行駛狀態(tài)到最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)的最短時(shí)間為t smin。- !則最大轉(zhuǎn)向阻力功率為NFmaxNFmax =WFmax /t smin( 3)，廠4. 系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算一一根據(jù)轉(zhuǎn)向助力油缸在車輛上的布置情況，初步選定油缸的缸徑為D、桿徑為d。由于各油缸在橋的兩邊對(duì)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

15、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)車輛向左或右轉(zhuǎn)同樣的轉(zhuǎn) 彎半徑時(shí)，系統(tǒng)油缸的總工作容積相等。根據(jù)轉(zhuǎn)向輪最大轉(zhuǎn)角以及油缸在車輛上的布置情況， 計(jì)算出各橋油缸有桿腔和無桿腔在車輛從直線行駛狀態(tài)到向左或右轉(zhuǎn)向至最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài) 時(shí)的最大工作容積為：一軸有桿腔 Wy ,無桿腔 Ww ；二軸有桿腔 V2y，無桿腔V2W；三軸有 桿腔V，無桿腔V3w；四軸有桿腔V2y，無桿腔V4W。故車輛從直線行駛狀態(tài)到

16、向左或右轉(zhuǎn)向至最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)時(shí)總的油缸工作容積為VgV g =工 Viy +z Viw系統(tǒng)流量為Q,從滿足最短轉(zhuǎn)彎時(shí)間考慮：Q=Vg /t smin (4)系統(tǒng)功率為 Nx：NX =NFmax / n(5)n為系統(tǒng)總的效率由于 N x =PX Q(6)式中 P 為系統(tǒng)工作壓力，所以系統(tǒng)壓力為 :P=Nx /Q5. 兩個(gè)回路的計(jì)算及分析a) . 流量計(jì)算及分析從前面的分析可知，在QY80產(chǎn)品上當(dāng)車輛從直線行駛狀態(tài)至最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)時(shí)，回路I左轉(zhuǎn)的油缸工作總?cè)莘eV】i等于回路U右轉(zhuǎn)的油缸工作總?cè)莘eVn r ;回路I右轉(zhuǎn)的油缸工作總?cè)莘eV】r等于回路U左轉(zhuǎn)的油缸工作總?cè)莘eVn |。即：V i 叫

17、r =V1w +V2y +V3y +V4wV I r =Vn i =V1y +V2w +V3w +V4y則：V】i N I r =Vn r /V ni =Vii /V ni =Vn r /V I r =K經(jīng)計(jì)算， K=0.976因?yàn)?Q=V/t ，由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)油缸在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系統(tǒng)作用下，保持同步工作，故有QI i /Qn i =Qn r /QI r =Qnr /Qn i =QI i /QI r =K=0.976因此可見兩個(gè)回路流量基本相同，同時(shí)，無論左轉(zhuǎn)向，還是右轉(zhuǎn)向各回路中的流量也基 本一致。b) . 負(fù)荷計(jì)算及分析由于各轉(zhuǎn)向缸與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)向橋構(gòu)成了一剛性的同步運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故兩個(gè)回路中

18、工作壓 力基本相等。因此兩回路的功率 NI 及 Nn 分別為 ：NI =PQI ;Nn =PQn故 ： NI i /N n i =NI i /N I r =K=0.976NI r /N n r =Nn i /N n r =1/K=1.023故兩回路的負(fù)荷也基本相等。c). 動(dòng)力在轉(zhuǎn)向桿系間的傳遞計(jì)算及分析由于油缸所作的功為 ：WgWg =PX Vg x n(7)式中 ：Vg 為油缸工作容積， n 為系統(tǒng)總的效率。根據(jù)式 (2) 及式 (7) 可得車輛從直線行駛狀態(tài)到向左或右轉(zhuǎn)向至最小轉(zhuǎn)彎半徑狀態(tài)時(shí)各轉(zhuǎn) 向輪原地轉(zhuǎn)向阻力功及各油缸所作功。各橋的油缸作的功及其轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力功計(jì)算如下：內(nèi)輪油缸作的功為 ： WgN =Px n x Vw外輪油缸作的功為 ： Wgy =Px n x Vy內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力功為：WLn =Fl XrL x 0Nmax X2n+ 360外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力功為：WLy = F_XrL x Qymax X 2n+360油缸作的功為：W = WgN + Wgy轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力功為：W = WLn + WLy兩者的差值為:wg - w計(jì)算結(jié)果如下:油缸作的功w Q)轉(zhuǎn)向輪