某越野卡车驾驶室翻转系统设计

王占魁，姬虎艳

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710000）

前言

可翻转驾驶室极大的简化了对车辆进行维修养护的过程，堪称卡车行业中最经典的设计之一，目前几乎百分之百的平头驾驶室重卡都支持翻转功能，重型越野车驾驶室翻转系统有两种方式：单举升液压翻转系统和双举升液压翻转系统。普通驾驶室自重较轻翻转系统多数采用单举升液压翻转机构，防护型驾驶室由于自重原因大多采用双举升翻转机构，翻转时一般不过重心，举升缸自带机械锁止系统防止油缸泄压造成安全事故。由于是两个油缸同时进油，在油泵排量一定情况下一般举升速度比较慢，本车为了改善这种情况采用了差动泵，既保证了驾驶室举升又不影响举升速度。

1 方案设计

1.1 系统组成

由于该重型越野卡车采用的是全防弹钢板焊接结构，质量大，所以采用了在驾驶室的发动机罩下、左、右竖梁各布置一个翻转油缸的双缸举升方案，而且，所用的两个翻转油缸从原理上实现了同步举升，稳定受力。为提高安全性，在右油缸上布置了安全锁止机构，防止意外卸压时油缸回落，发生安全事故。翻转时首先通过液压油打开驾驶室后悬置锁止锁，解除驾驶室后悬置对驾驶室后端的约束，然后左、右两个油缸同时将举升力作用驾驶室底板上，驾驶室在举升力作用下绕左、右前悬置固定销轴（同轴）向前方倾翻。该车翻转系统液压系统主要由手电一体油泵总成、控制器、翻转油缸、液压油管、接头、液压油等组成（图1）。手电一体油泵总成是能源装置，其包括手动泵总成（集成手动换向控制装置和油池）和电动泵总成。手动泵操作原理是通过操作翻转摇臂推拉液压泵的柱塞，使机械能转换成液压能，将手油泵油池中的油液变成压力油输入油管。在手油泵上有控制油路方向的装置，通过旋转此装置可以实现油缸伸出或缩回（图1）。电动泵的操作原理和手动泵一样，只是通过电机代替人操作摇臂。手动泵不依赖整车电源且可靠性较高，但通常情况下较为缓慢且费力，电动泵操作起来省时省力，本车采用的是组合油泵，即一般情况下拟使用电动泵，当电动泵失效不能使用时使用手动泵替代电动泵功能翻转驾驶室。

图1 驾驶室翻转系统布置图

1.2 液压原理

上升时，由手/电泵 A口泵出的高压油又经三通一路流向左、右液压锁进行解锁另一路流向主副油缸A口、D口进入油缸大腔，驱动活塞杆从而举升驾驶室。下降时，经手动泵换向手柄换向后活塞杆缩回，油缸小腔的液压油经由B口流回油泵油箱。原理示意见图2：

图2 手/电油泵原理图

2 设计计算

2.1 某越野卡车驾驶室总图参数

2.1.1 总体参数

外形（长*宽*高）：2180mm*2393mm*1570mm；

翻转角（最小）：28°

驾驶室总质量：1900kg；

以前翻转轴中心线与汽车中心线的交点为坐标原点，以汽车正常行驶方向的反方向为X轴正方向，以垂直与地面向上为Y轴正方向，长度单位为mm。驾驶室质心坐标X=560，Y=778；

图3

2.1.2 悬置形式

前悬置采用橡胶悬置，后悬置采用减振弹性元件悬置。

2.1.3 翻转形式

翻转机构采用电动（手动）液压双缸举升机构，向前翻转。

2.2 翻转驾驶室所需油缸举升力的计算

为使驾驶室能够绕翻转轴（前悬置固定销轴）翻转，如图 9，任意翻转角度时，油缸提供的翻转力矩必须等于或大于重力产生的力矩，我们分析时只需要求得油缸提供的翻转力矩等于重力产生的力矩时油缸需提供翻转力的方程，通过变量θ求出油缸需提供翻转力的最大值，然后再根据力学原理分配给左、右油缸。

图4 翻转力矩分析图

根据三角形面积相等原理：

即：

根据余弦定理：

代入得：

根据力矩平衡：

代入得：

即：

由图可以看出，当α=0°时，翻转力约为13542N最大，单缸。

图5 翻转力变化图

实际举起力 F应大于 Fmax：F=1.05Fmax=1.05×6771=7109.5N

2.3 油缸压力的选择计算

举升驾驶室所需油压（差动泵）：

其中：η为系统内部效率，取η=85%，R为油缸内径，r为活塞杆半径。根据所选油缸参数（表1）则： P=6.67MPa，远小于所选油缸的工作压力。

表1 左、右翻转油缸基本参数

2.4 油缸与驾驶室的连接

图6 滑槽连接示意图

为避免汽车行驶时，因振动造成油缸和驾驶室损坏，在油缸与驾驶室连接处采用滑槽式设计（图6），允许驾驶室与油缸之间有较大的运动量。

2.5 限位器选择

2.5.1 限位棘爪设计

某越野卡车驾驶室翻转机构用限位棘爪选用现生产已有零件。

2.5.2 限位钩回位弹簧的设计

某越野卡车驾驶室翻转机构用限位棘爪回位弹簧选用现生产零件。

2.6 电动(手动)油泵的参数选择及计算

2.6.1系统参数选择

油泵柱塞直径：Ф4mm（电动部分），Ф16mm（手动部分）；油泵柱塞设计行程：2.75mm（电动部分），23.5mm（手动部分）；油泵手动操作手柄长：800mm；油泵额定输出压力：18MPa；电动机功率：300W。

2.6.2 油箱容积的计算

驾驶室翻转时，两个举升油缸在全行程所需油量为：

考虑油缸的用量及油管、油箱中还应留有25% ～ 30%的空间，因此油箱容积选择为800mL。

2.6.3 电动泵油时间

电动泵的流量为650ml/min。而人摇动摇臂的周期为1.5s（40次/分），手动油泵的排量为4.6ml/次，则液压油缸的几何流量为184ml/min（2个油缸），根据公式：

式中：Q——液压油缸的几何流量，Q=650ml/min；

S——油缸的有效面积，S=19.625cm²；

L——油缸行程，L=38.5cm；

S1——油缸大腔截面积1962.5mm2；

S2——油缸小腔截面积1256 mm2；根据式得出：

所以举升驾驶室需要的时间为50.2s。

2.6.4 手动泵油次数的计算

驾驶室上升时，需手动泵油的次数是：

驾驶室下落时，需手动泵油的次数是：

2.6.5 手动泵操作力计算

图7 手油泵手摇受力示意图

由于系统油压 P=6.67MPa可知道油泵活塞反作用力 F'为：

所选组合油泵中 L1=20施加力在 800mm处，即 L2=800mm，根据杠杆原理：

2.6.6 手动泵油的操作行程

根据布置及油泵柱塞设计行程，可知手动泵油时，操作手柄上下位移的全行程为：

2.7.7 油管的选型设计

根据系统工作压力，某越野卡车选用工作压力为37.5MPa，管接头为 24°的卡套式接头，管体材料为聚氨酯，工作温度为-41℃～100℃的密封性能良好的现生产零件。

3 使用说明

翻转驾驶室前将车停在平坦的道路上，取出驾驶室内未固定物品，关闭左右车门。翻转时驾驶室前方严禁站人。

驾驶室翻转：使用电动翻转时，打开驾驶室副座椅椅框右侧翘板开关，将翻转油泵的转换手柄扳到“驾驶室上升”位，按动电动泵控制按钮进行翻转操作；使用手动翻转时，直接将转换手柄扳到“驾驶室上升”位进行翻转操作。确定油缸上棘爪与齿条锁止后，方可进行其它操作。

驾驶室回位：先使驾驶室上升，松开油缸上棘爪与齿条锁止。再将翻转油泵转换手柄扳到“驾驶室下降”位，持续按动电动泵控制按钮或摇动手摇泵使驾驶室下降，直到锁止钩插进龙门架内，手柄上感到有明显增加的力为止。确定驾驶室回位，仪表台中指示灯熄灭后，关闭驾驶室副座椅椅框右侧翘板开关。

4 结论

本文通过方案设计，设计计算，对组成翻转系统各零部件参数进行校核，最终完成了某越野卡车驾驶室翻转系统的设计。所设计产品通过试制试验，满足驾驶室的翻转要求，施力符合人机要求，驾驶室翻转速度也在合理范围内。