大卡車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 大卡車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 緒論1.1問(wèn)題的提出隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)多年的高速發(fā)展，尤其是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的逐年加大，使得大型汽車的生產(chǎn)在近年來(lái)呈現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展。而大型載貨汽車由于具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低的特點(diǎn)，逐漸成為公路運(yùn)輸?shù)氖走x。2007年大型卡車市場(chǎng)為2.85萬(wàn)輛，中型卡車市場(chǎng)為17.5萬(wàn)輛，大型卡車占整體市場(chǎng)的比例為60%，大型載貨汽車的生產(chǎn)與開發(fā)成為國(guó)內(nèi)載貨汽車生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。汽車技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的進(jìn)一步提高，使載貨汽車用戶對(duì)車輛的性能水平要求越來(lái)越高，而越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力使整車廠家的產(chǎn)品開發(fā)周期不斷縮短。如何使車輛開發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案都得到充分的分析與篩選

2、，使其性能得到有效控制，以保障在限定的周期內(nèi)開發(fā)出性能優(yōu)越的汽車產(chǎn)品，已成為大型載貨汽車產(chǎn)品研發(fā)部門所關(guān)注的重要課題。由于汽車保有量的增加和社會(huì)生活汽車化而造成交通錯(cuò)綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增大，這就要求減輕駕駛疲勞。在汽車向輕便靈活、容易駕駛的方向發(fā)展的同時(shí)，對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求也提到日程上來(lái)。要求其成本低，性能方面能適應(yīng)車速變化，實(shí)現(xiàn)變特性的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，并且可以與不同類型的大型汽車相適應(yīng)、相匹配。大型載貨汽車和其它車輛相比具有一些顯著的特點(diǎn)，為保障大型載貨汽車良好的轉(zhuǎn)向性能，必須對(duì)這些特點(diǎn)及由此引發(fā)的問(wèn)題進(jìn)行專門的研究。按照GB1589一2004“道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值”的要求

3、，每側(cè)單輪胎的車軸軸荷限值為7噸，6x4載貨車的設(shè)計(jì)軸荷之和可達(dá)30噸，車長(zhǎng)可達(dá)12m，鉸接式列車的車長(zhǎng)可至16.sm。同時(shí)，GB7258一2004“機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件”要求車輛必須能夠通過(guò)外徑25m內(nèi)徑10.6m的通道。另外，載貨汽車公路運(yùn)輸?shù)母咚倩l(fā)展趨勢(shì)也已是不爭(zhēng)的事實(shí)，尤其國(guó)家于2004年5月開始的治理公路運(yùn)輸車輛超限超載專項(xiàng)工作的開展，使以提高行駛速度來(lái)帶動(dòng)運(yùn)輸效率的提高成為載貨汽車設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。高的運(yùn)輸速度對(duì)車輛的操縱性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。為在法規(guī)允許的情況下盡可能提高車輛的運(yùn)輸能力，大型車的設(shè)計(jì)軸荷及外廓尺寸基本接近法規(guī)的限值。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸，7噸的軸荷使動(dòng)力轉(zhuǎn)向器成為必

4、選的配置，如何合理匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，提高車輛的轉(zhuǎn)向能力并保持操縱路感值得進(jìn)行進(jìn)一步的研究。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎能力的要求，給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的課題。對(duì)于長(zhǎng)軸距的汽車，必須通過(guò)增加轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角才能提高其轉(zhuǎn)彎能力。對(duì)于載貨車慣常采用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)很容易造成轉(zhuǎn)向輪與周邊部件干涉及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)卡死、左右轉(zhuǎn)向不對(duì)稱等后果。因此，必須建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的輔助分析方法，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力和水平。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能和整車及其它總成、系統(tǒng)的性能息息相關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要考慮整車及其它總成的性能。首先，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)整車所要求的車輪轉(zhuǎn)角，這為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配提出了基本要求

5、。其次，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架系統(tǒng)必須有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，這就對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了附加的要求。這兩項(xiàng)要求基本可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析解決，而和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的行駛穩(wěn)定性及行駛路感則必須在整車層面進(jìn)行計(jì)算分析。綜上所述，隨著我國(guó)大型載貨汽車的發(fā)展，新的問(wèn)題及要求不斷涌現(xiàn)，在車輛設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域尚存在很多的問(wèn)題需要研究和解決，如何使基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合，將研究成果最大限度地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程，不斷提高大型載貨汽車的性能水平是擺在汽車產(chǎn)品研究與開發(fā)人員面前的重要課題。1.2汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成汽車在行駛過(guò)程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是

6、，駕駛員通過(guò)一套專設(shè)的機(jī)構(gòu)，使汽車轉(zhuǎn)向橋(一般是前橋)上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在汽車直線行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面例向干擾力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時(shí)，駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車恢復(fù)原來(lái)的行駛方向。這一套用來(lái)改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系。因此，汽車轉(zhuǎn)向系的功用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。按照轉(zhuǎn)向器的不同形式可分為循環(huán)球式、齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式等轉(zhuǎn)向器。不同的

7、轉(zhuǎn)向器有著不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的汽車上。其中小轎車上常用的是齒輪齒條式的轉(zhuǎn)向器。在本文的后面分析中，就是以這種轉(zhuǎn)向器來(lái)做分析的。動(dòng)力式按照加力裝置的不同可以分為液壓助力式、氣壓助力式和電動(dòng)助力式三種。氣壓助力式主要應(yīng)用于一部分其前軸最大軸載質(zhì)量為3一7t并采用氣壓制動(dòng)系的貨車和客車上。由于氣壓系統(tǒng)的工作壓力較低(一般不高于0.7MPa)，使得其部件的尺寸比較龐大；同時(shí)壓縮空氣工作時(shí)的噪聲和滯后性使得這種助力方式的轉(zhuǎn)向器只配置在極少一部分車輛上。相比之下，液壓助力式的轉(zhuǎn)向器成了當(dāng)今汽車助力轉(zhuǎn)向器的主流。機(jī)械轉(zhuǎn)向系機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱

8、機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。1一轉(zhuǎn)向盤；2一轉(zhuǎn)向軸；3一轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)；4一轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；5一轉(zhuǎn)向器；6-轉(zhuǎn)向搖臂；7一轉(zhuǎn)向直拉桿；8一轉(zhuǎn)向節(jié)臂；9一左轉(zhuǎn)向節(jié)；10、12一梯形臂；11一轉(zhuǎn)向橫拉桿；13一右轉(zhuǎn)向節(jié)圖1-1機(jī)械轉(zhuǎn)向系示意圖圖1-1所示為機(jī)械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤1施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向軸2、轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)3和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸4輸入轉(zhuǎn)向器5。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向搖臂6，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向直拉桿7傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)9上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂8，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。為使右轉(zhuǎn)向節(jié)13及其支承的右轉(zhuǎn)向輪隨之偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，還設(shè)置7轉(zhuǎn)向梯

9、形。轉(zhuǎn)向梯形由固定在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)上的梯形臂10、12和兩端與梯形臂作球鉸鏈連接的轉(zhuǎn)向橫拉桿n組成。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列部件和零件，均屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。由轉(zhuǎn)向搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列部件和零件(不含轉(zhuǎn)向節(jié))，均屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。目前，許多國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中采用了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置(轉(zhuǎn)向萬(wàn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸)。這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的幾何參數(shù)，便可滿足各種變型車的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器同軸線的情況下，其間也可采用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，以補(bǔ)償由于部件在車上的安裝誤差和安裝基體(駕駛室、車架)的變形所造成的二者軸線實(shí)際上的不重合

10、。轉(zhuǎn)向盤在駕駛室安放的位置與各國(guó)交通法規(guī)規(guī)定車輛靠道路左側(cè)還是右側(cè)通行有關(guān)。包括我國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家規(guī)定車輛右側(cè)通行，相應(yīng)地應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤安置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員的左方視野較廣闊，有利于兩車安全交會(huì)。相反，在一些規(guī)定車輛靠左側(cè)通行的國(guó)家和地區(qū)使用的汽車上，轉(zhuǎn)向盤則應(yīng)安置在駕駛室右側(cè)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置提供的。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置失效時(shí)，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置而形成的。對(duì)最大總質(zhì)

11、量在12t以上的大型汽車而言，一旦動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置失效，駕駛員通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系加于轉(zhuǎn)向節(jié)的力遠(yuǎn)不足以使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。故這種汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)當(dāng)特別可靠。圖1-2動(dòng)力轉(zhuǎn)向系示意圖圖1-2為一種液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的組成和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的管路布置示意圖。其中屬于動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的部件是：轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸。當(dāng)駕駛員逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(左轉(zhuǎn)向)時(shí)，轉(zhuǎn)向搖臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿前移。直拉桿的拉力作用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，使之右移。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿還帶動(dòng)轉(zhuǎn)向控制閥中的滑閥，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的右腔接通液面壓力為零的轉(zhuǎn)向油罐。轉(zhuǎn)向油泵的高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左腔，于是轉(zhuǎn)向動(dòng)力

12、缸的活塞上受到向右的液壓作用力便經(jīng)推桿施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿上，也使之右移。這樣，駕駛員施于轉(zhuǎn)向盤上很小的轉(zhuǎn)向力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向阻力矩。1.3動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展汽車轉(zhuǎn)向一直存在著“輕”與“靈”的矛盾。盡管，人們采用了變速比轉(zhuǎn)向器等手段，但始終不能從根本上解決這一矛盾。在20世紀(jì)50年代初出現(xiàn)了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)，比較好地緩解了“輕”與“靈”的矛盾，符合人們對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性更高的要求，在保證其他性能的條件下，能大大降低轉(zhuǎn)向盤上的手力，特別是原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤上的手力。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向首先是在大型車輛上得到發(fā)展的，隨著當(dāng)時(shí)汽車裝載質(zhì)量和整備質(zhì)量的增加，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中所需克服的前輪轉(zhuǎn)向阻

13、力矩也隨之增加，從而要求加大作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力，使駕駛員感到“轉(zhuǎn)向沉重”。當(dāng)前軸負(fù)荷增加到某一數(shù)值后，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪就很吃力。為使駕駛員操縱輕便和提高車輛的機(jī)動(dòng)性，最有效的方法就是在汽車轉(zhuǎn)向系中加裝轉(zhuǎn)向助力裝置，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)油泵、空氣壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉(zhuǎn)向的力矩。使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉(zhuǎn)向，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了行駛安全性。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向器以外，尚需增加控制閥、動(dòng)力缸、油泵、油罐和管路等。轎車對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的要求與重型車輛不完全相同。比如大型車輛對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的要求較低，轎車則對(duì)噪聲要求很高，轎車還要求裝用的轉(zhuǎn)

14、向器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要更簡(jiǎn)單、尺寸更小、成本更低等。但是重型車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展無(wú)疑為轎車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。開始階段液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動(dòng)來(lái)控制油路?；y式控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥靈敏度不夠高，后來(lái)逐漸被轉(zhuǎn)閥代替。20世紀(jì)50年代末沙基諾發(fā)明了轉(zhuǎn)閥式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，即控制閥中的閥芯以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制油路。與滑閥相比，轉(zhuǎn)閥的靈敏度高、密封件少、結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)。雖然由于轉(zhuǎn)閥利用扭桿彈簧來(lái)使閥回位，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是對(duì)扭桿的材質(zhì)和熱處理工藝要求較高。但是其性能相對(duì)于滑閥有很大改進(jìn)，達(dá)到令人滿意的程度，并且在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中

15、布置轉(zhuǎn)閥比較容易，目前在轎車及大部分重型汽車上的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向采用的均是轉(zhuǎn)閥式控制閥。在大型汽車上裝備液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)減小駕駛員的疲勞強(qiáng)度。動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的力，提高轉(zhuǎn)向輕便性。 (2)提高轉(zhuǎn)向靈敏度?？梢员容^自由地根據(jù)操縱穩(wěn)定性要求選擇轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，不會(huì)受到轉(zhuǎn)向力的制約。允許轉(zhuǎn)向車輪承受更大的負(fù)荷，不會(huì)引起轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題。(3)衰減道路沖擊，提高行駛安全性。液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不平度對(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊；另一方面，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，如果發(fā)生爆胎，將導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向盤難以把握，應(yīng)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以使駕駛員較容易把握轉(zhuǎn)向盤。同時(shí)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有不足：(1)選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，助力特性就確定了，不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此協(xié)調(diào)輕便性與路感的關(guān)系困難。低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過(guò)輕、“路感”差，甚至感覺(jué)汽車發(fā)“飄”，從而影響操縱穩(wěn)定性；而按高速性能要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過(guò)大。(2)即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了能量消耗。(3)存在滲油與維護(hù)問(wèn)題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。(4)低溫工作性能較差。隨著人們對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保、安全性的日益重