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