3500型非公路自卸车转向助力系统选型设计

徐国坪

摘 要：目前国内汽车通用的动力转向器均采用小扭矩的转向器，而非公路自卸车使用工矿较为恶劣，且整车载重量大，分配在前桥的载荷较大，因此单用目前市场上的转向器很难满足使用要求，为实现本车与市场上现有转向器零件的通用，降低成本，该车转向系统采用整体式转向器带外接助力缸形式，通过设计计算助力缸的参数来补偿所需扭矩，使之与转向器相匹配。

关键词：动力转向器；载荷大；通用化；降低成本；助力缸参数设计

中图分类号：U462 文献标识码：A

一、概述

非公路自卸车，也称宽体自卸车，指在重卡和工程机械技术基础上进行系统设计的经济适用型自卸车，主要应用在矿山、水利水电等工程作业中，用于剥离土石方、矿石、尾矿及废料等，其工作特点为运程短、承载重，常用大型电铲或液压铲进行装载，往返于采掘点和卸矿点，是一种非公告产品，不允许在公路上行驶作业的运输车辆。

非公路自卸车上的转向系统能让车辆按照驾驶人的意识正常行驶和转向，转向系统的好坏直接影响车辆的稳定性和安全性，对保护车辆驾驶人安全、提高驾驶人工作条件等方面具有重要作用。由于非公路自卸车在矿山环境下使用，工作强度大，零件损坏率高，因此，设计时需充分考虑零件的通用性，以减少矿山用户的运营成本、维修成本及运输设备的工作出勤率，实现利润的最大化。本系统的设计正是基于零件通用性、经济性而进行的。

二、转向系统的组成、工作原理及基本参数

1.转向系统的组成和工作原理

本转向系统主要由转向油泵、转向器、助力缸、油箱等组成，如图1所示。

本转向系统具有液压助力部分，可以大大减轻驾驶员的劳动强度，并提高了汽车的机动性。由发动机动力带动转向油泵2，油液进入转向器上带的分配阀3，分配阀3与方向盘通过机械连接，受方向盘控制。当汽车直线行驶（方向盘不动）时，系统内无高压油路，油泵供给的液体油直接流回油箱。当转动方向盘时，此时转向器内通过转阀作用产生高压油，高压油通过分配阀3后分两路，一路进入转向器5本体内的活塞缸，活塞缸与输出轴相连从而带动转向轮转向，另一油路则进入外接助力油缸，通过油缸推力带动转向轮，从而实现转向器本体输出扭矩不足的部分，由外接助力油缸进行补偿的功能。由于转向器的输入端与输出端之间保持机械联系，因此在液压助力系统发生故障时，驾驶员可以增大作用在转向盘轮缘的力，以实现应急转向。

2.基本参数

（1）转向轴负荷G1：107800N

（2）轮胎气压p=0.65MPa

（3）前桥转向节臂长L2=280mm

（4）助力缸臂长L3=202mm

本车选用的转向器主要参数为：

（1）最大输出扭矩M1=6350N?m

（2）转向器效率η1=90%

（3）转向摇臂长度L1=230mm

（4）方向盘总圈数圈n1=5.8圈

（5）转向器工作压力P1=15MPa

（6）转向器工作流量Q1=16～22L/min

三、相关助力元件选型设计

1.确定转向阻力矩

车轮原地转向力矩一般是行驶转向力矩的2～2.5倍。因此设计中采用原地转向力矩做依据进行计算，这样不仅能确保车轮原地转向而且而能使车辆在不利的条件下实现转向。由于转向系统受到转向轴的负荷，路面阻力和轮胎气压以及为转动转向轮要克服的各转动部位的阻力及轮胎变形力等多重因数的影响，要精确计算转向阻力矩是十分困难的，因此行业上通常采用

的半经验公式来计算原地转向阻力矩，式中f=0.7。可求得MR=10243.497N?m

2.确定助力缸作用在转向轴上的力矩

本车通过转向器和转向助力缸的共同作用，来实现车辆的转向，根据力矩平衡M2L2-M1L1η1，得出转向器作用在转向轴上的扭矩M2为4694.5N?m，助力缸作用在转向轴上的扭矩MZ为5548.997N?m。

3.确定助力缸参数

通过对转向拉杆系统的受力分析，可求得助力缸的推力F=274270N。

并根据

求得：

（1）当助力缸的负载为推力时，助力缸缸筒直径为67.6mm。

（2）当助力缸的负载为拉力时，助力缸缸筒直径为68.7mm，取助力缸缸径 D-70mm。式中：液压缸负载率=0.6，液压缸的总效率 η=0.85。

4.确定系统流量

转向系统的流量跟方向盘转动角速度以及转向轮的内外转角有关，方向盘转动角速度一般取ω01=1.5r/s（即驾驶员每秒转动方向盘1.5圈），而转向轮的内外转向角度，可通过内、外车轮转角关系图，作图求得（如图2所示）。根据整车参数求得本车转向轮的内转向角度为33度，外转向角度为26度。通过对转向梯形机构进行运动分析，求出油缸最短长度l1=600m、最大伸长长度l2=900m，油缸行程为300mm。

根据流量公式

求得：

（1）当油缸外推时压力油由无杆腔进入，求得输入流量q1=17.9L/min 。

（2）当油缸内拉时压力油由有杆腔进入，求得输入流量q2=14.2L/min 。

vm值可由转向角速度、油缸行程等参数求得；

助力缸无杆腔侧有效面积A1=0.0038465m2；

助力缸有杆腔侧有效面积A2=0.0030427m2；

油缸容积效率ηv=1。

验证（1）、（2）的计算结果，由于助力缸所需要的流量在转向器所需流量的范围内，因此所确定的助力缸助力缸尺寸满足使用要求。取转向器所需的最大流量作为转向系统的额定流量，即Q=22L/min。

5.泵排量的确定

本车的转向油泵容积效率为η2=0.8。 由于发动机的转速变化对系统流量影响较大，因此根据使用工况及经验设计，取发动机转速为1000r/min时为转向泵流量的拐点，则计算出油泵输入轴转速n2=1500r/min。根据排量与流量的关系，求出油泵排量V=21cm3/r。

6.管路内径计算

计算高压管、吸油管及回油管内径，式中d 为管道内径，Q 为通过管道的流量，v为管道内液流平均流速，v值取值如下：

（1）液压泵吸油管道：0.5 m/s～1.5 m/s，一般取 1 m/s 以下，取 0.8 m/s。

（2）液压系统压油管道：3 m/s～6 m/s，压力高时取大值，取5m/s。

（3）液压系统回油管道：1.5 m/s～2.5 m/s，取2m/s。

计算出高压管内径为10mm，回油管内径为16mm，吸油管内径为25mm。

结语

（1）本文通过对转向助力系统相关元件进行选型计算，提供一種转向助力系统的设计方法，整个设计思路是在选定成熟转向器产品的基础上，通过增加辅助元件以补偿转向器扭矩不足的部分，并通过此方法寻求一种应用于大扭矩需求的经济型转向系统。

（2）系统设计从转向桥的转向阻力矩开始计算，利用转向梯形机构图解法等计算助力缸、转向油泵、液压管路等元件的基本参数。

参考文献

[1]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[2] 王望予.汽车设计（4版）[M].北京：机械工业出版社，2004.endprint