非公路運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

徐世福，陳曉雯，劉俊

（陜汽集團(tuán)寶雞華山工程車輛有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000）

前言

隨著商用汽車的發(fā)展，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸增多，在商用汽車上必須裝備，首先是從減輕駕駛員疲勞，提升操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)；其次是從降低因在高速行駛過程中前輪爆胎而造成的事故。雖然會(huì)造成成本增加和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，但其優(yōu)勢(shì)明顯，得到了用戶的認(rèn)可，并在此行業(yè)迅速發(fā)展。隨著商用汽車專用化程度要求提高，車輛的載貨量要求不斷加大，這就對(duì)車輛的可靠性、靈活性要求不斷的提高，同時(shí)駕駛員也對(duì)車輛的可操控性、勞動(dòng)強(qiáng)度降低的要求趨勢(shì)日益增加。目前，非公路運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)使用的助力缸主要是安裝在車架上，由于安裝位置過高，導(dǎo)致傳動(dòng)效率低，轉(zhuǎn)向角度較小，執(zhí)行力小且性能不穩(wěn)定，整個(gè)行程中力值變化較大，在受到?jīng)_擊力時(shí)容易造成車架受力不平衡，也容易造成車架變形，進(jìn)而影響整車工作平穩(wěn)性、可靠性和安全性；車輛在工況差，環(huán)境惡劣的礦區(qū)內(nèi)，尤其是夏季出現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油高溫、油品失效、轉(zhuǎn)向器缸體出現(xiàn)早磨、易損，嚴(yán)重影響車輛的可靠性、安全性、高出勤率的要求，同時(shí)車輛在空載、滿載中出現(xiàn)不同程度的轉(zhuǎn)向沉重，特別是在原地起步打方向時(shí)，駕駛員出現(xiàn)打不動(dòng)方向的問題，嚴(yán)重影響了車輛的使用要求。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

非公路運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向散熱機(jī)構(gòu)組成。主要的特征是由循環(huán)球轉(zhuǎn)向器 、轉(zhuǎn)向器支架 、轉(zhuǎn)向油罐總成支架、轉(zhuǎn)向油罐總成、散熱器總成進(jìn)油管、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向泵回油管、轉(zhuǎn)向泵出油管、轉(zhuǎn)向助力油缸進(jìn)油管、轉(zhuǎn)向助力油缸回油管、散熱器總成支架、散熱器總成、散熱器總成進(jìn)油管、散熱器總成回油管、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿總成、車架總成、安裝平臺(tái)、方向盤總成、轉(zhuǎn)向管柱組成。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

動(dòng)力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一項(xiàng)提升舒適性的新技術(shù)，可以使駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)自動(dòng)提供轉(zhuǎn)向力，從而減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向勞動(dòng)強(qiáng)度，而助力轉(zhuǎn)向油就是一種加注在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)里面的液壓油，它主要起到傳遞轉(zhuǎn)向力和緩沖的作用。

轉(zhuǎn)向泵是通過轉(zhuǎn)向泵進(jìn)油管將轉(zhuǎn)向油罐的轉(zhuǎn)向低壓液壓油輸出至高壓液壓油，高壓液壓油通過轉(zhuǎn)向泵出油管一方面驅(qū)動(dòng)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)向垂臂前后擺動(dòng)，聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向前橋總成，另一方面高壓液壓油通過循環(huán)球轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向助力油缸同時(shí)連動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向前橋總成，低壓液壓油通過轉(zhuǎn)向助力油缸回油管，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成、散熱器總成進(jìn)油管進(jìn)入散熱器總成，充分的散熱，再通過散熱器總成回油管回流至轉(zhuǎn)向油罐。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，通過循環(huán)球轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向直拉桿擺動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，最終改變汽車的行駛方向。與此同時(shí)，循環(huán)球轉(zhuǎn)向器輸入軸還帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸產(chǎn)生液壓作用力，幫助駕駛員轉(zhuǎn)向操作。由于有轉(zhuǎn)向助力裝置的作用，駕駛員只需很小的轉(zhuǎn)向力矩，就能使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。

1.3 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)主要由方向盤總成、轉(zhuǎn)向管柱、循環(huán)球轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿總成、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿總成、轉(zhuǎn)向前橋輪轂、轉(zhuǎn)向泵組成。

1.3.1 轉(zhuǎn)向泵的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)向泵的驅(qū)動(dòng)裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)向控制閥裝置將油罐中低壓油轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏河汀?/p>

非公路運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力裝置是轉(zhuǎn)向泵，通過發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向油泵可以將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，起到減輕駕駛員的強(qiáng)度，提高可操縱性；管路內(nèi)的壓力通過安全閥控制，確保轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全；流量通過流量控制閥控制，確保車輛行駛時(shí)轉(zhuǎn)向的靈活性。

1.3.2 轉(zhuǎn)向節(jié)臂的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)向節(jié)臂是轉(zhuǎn)向橋的重要部件之一，保證行駛車輛隨時(shí)改變行駛方向，轉(zhuǎn)向節(jié)臂承受車輛前橋載荷，支承且?guī)?dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目標(biāo)。汽車在行駛情況下，承受著不同的沖擊復(fù)合載荷，因此要具有足夠高的強(qiáng)度。

1.3.3 轉(zhuǎn)向直拉桿總成的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)向直拉桿總成是將轉(zhuǎn)向搖臂傳遞來的力和運(yùn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向節(jié)臂。既有拉力也有壓力，直拉桿總成采用特種鋼生產(chǎn)的，保證使用綜合性能指標(biāo)。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)及懸架彈性變形相對(duì)于車架跳動(dòng)的空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用球銷連接可以避免轉(zhuǎn)向直拉桿總成與轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉問題。

1.3.4 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向器殼體、螺母、小鋼球及螺桿等組成，具有較高的傳動(dòng)效率、磨損小、壽命長(zhǎng)、操縱輕便、效率高、逆向效率好、回位迅速的特點(diǎn)，通過鋼球滾動(dòng)接觸來傳遞轉(zhuǎn)向力，具有較好的強(qiáng)度及耐磨性。變速比結(jié)構(gòu)具有較高剛度，間隙可調(diào)節(jié)進(jìn)一步提高壽命。

圖2 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的組成

1.3.5 方向盤的特點(diǎn)

方向盤通過花鍵與轉(zhuǎn)向軸相連接，消除來自道路的振動(dòng)。當(dāng)直線行駛時(shí)，從中間位置向左右方向的運(yùn)動(dòng)行程不得超過11°C-16°C，當(dāng)磨損嚴(yán)重行程超過26°C-32°C時(shí)，必須進(jìn)行調(diào)整。

1.4 轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向助力油缸、助力缸護(hù)罩（右置）、轉(zhuǎn)向助力油缸支座、U型螺栓、螺母、開口銷、助力節(jié)臂、前橋輪轂等組成。

圖3 轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)主要是助力駕駛員調(diào)整汽車方向，幫助駕駛員減輕操作方向盤的工作強(qiáng)度、提升汽車行駛的安全性。

1.4.1 助力液壓油及助力油缸的特點(diǎn)

助力轉(zhuǎn)向油是助力轉(zhuǎn)向泵里面用的一種特殊液壓油，使方向盤變的非常輕便。助力油缸提供助力保證足夠的轉(zhuǎn)向助力，達(dá)到提高操作靈活性及降低勞動(dòng)強(qiáng)度的效果；前橋輪轂由助力油缸推動(dòng)前橋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)如圖3（左極限48.3°），前橋輪轂由助力缸推動(dòng)前橋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)如圖2（右極限-48.3°）。利用直拉桿組成和助力油缸協(xié)調(diào)推動(dòng)前橋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，前橋輪轂可以在-48.3°-48.3°之間任意變化。

1.5 轉(zhuǎn)向散熱系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)向散熱系統(tǒng)由散熱器總成、散熱器支架、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油罐支架組成。

1.5.1 轉(zhuǎn)向油罐的特點(diǎn)

轉(zhuǎn)向油罐回油管從罐體的外部延伸到內(nèi)部，回油管位于罐體內(nèi)部的開口處且設(shè)置有濾芯，濾芯過濾精度小于 20微米，使液壓中小于20微米直徑顆粒濾除，使雜質(zhì)顆粒不會(huì)進(jìn)入轉(zhuǎn)閥間隙，避免雜質(zhì)顆粒對(duì)轉(zhuǎn)向器的損害，保證其正常工作。

轉(zhuǎn)向油罐內(nèi)液壓油熱態(tài)時(shí)（約63℃，用手摸感覺燙手），其液面高度確保位于HOT（熱）和COLD（冷）標(biāo)記之間。如冷態(tài)（約為 20℃），液面高度確保在 ADD(加）和 CLOD（冷）標(biāo)記之間。如液面高度不符合要求，加注轉(zhuǎn)向液至要求范圍。

1.5.2 散熱器總成的特點(diǎn)

散熱器總成、轉(zhuǎn)向油罐以及回油管保證液壓油良好的散熱性，轉(zhuǎn)向液壓油溫度不高于63℃，液壓油3000公里保養(yǎng)周期。

散熱器總成理論散熱面積不小于12m2，風(fēng)扇風(fēng)速需達(dá)到9m/s以上，散熱器電壓24V，散熱器要求最大過油量不小于32L/min；散熱器需經(jīng)過密封性試驗(yàn)檢測(cè)，要求400KPa下保壓3min，無油液滲漏現(xiàn)象；散熱器需帶溫度控制器，要求控制器在-30°C到120°C溫度范圍內(nèi)能夠正常工作，溫度控制器要求在45°C以上電源自動(dòng)接通，風(fēng)扇開啟實(shí)現(xiàn)降溫。

圖4 散熱器組成

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的效果

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體作用降低方向盤轉(zhuǎn)向力、提高低速大轉(zhuǎn)角，降低液壓油溫度；提高了可靠性、安全性、輕便性及靈敏性。提高轉(zhuǎn)向效率、增大轉(zhuǎn)向角度、消除轉(zhuǎn)向器總成損壞、早磨、消除助力缸損壞、消除車架總成的開裂。轉(zhuǎn)向力降低80%，助力液壓油控制在20℃-63℃，油品保養(yǎng)周期可以延長(zhǎng)1000公里，可靠性度提高83%，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合性能顯著提高。對(duì)于行駛在山區(qū)多彎公路上的汽車及工況惡劣復(fù)雜的情況下，效果特別明顯；減小了地面反沖對(duì)方向盤的影響；尤其在爆胎的情況下，可以很好地阻止車輪的突然跑偏，進(jìn)而改善轉(zhuǎn)向的安全性。

3 結(jié)論

文章主要介紹了一種非公路運(yùn)輸車動(dòng)力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，主要對(duì)于在復(fù)雜工況、惡劣天氣、承載能力大的情況，開發(fā)設(shè)計(jì)動(dòng)力助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于提高轉(zhuǎn)向靈活性、安全性、可靠性、降低駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低轉(zhuǎn)向液壓油溫度、提高車輛的可靠性、提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壽命、提高車輛的安全性提供一種有效的綜合的解決方案。