双向行驶车辆转向系统研究与应用

谢莹山,陈 红，王 博

(芜湖佳景科技有限公司,安徽 芜湖 241002)

1 引言

在某些特种车领域，由于作业场地的限制(如隧道、森林等)，车辆驶入之后，难以实现调头，车辆返回时，只能采取倒车模式，操作困难。

结合市场实际需求，我司研发并生产了双向行驶特种车辆，能提高车辆的机动性能，主要面向特种作业场地的小众化市场。主要阐述双向行驶车辆转向系统原理研究，以及实车的应用。

2 常规商用车转向原理

如图1所示，常规商用车(以单转向桥为例)的转向系统原理[3，6]：转向泵一般为叶片泵，部分矿用工程车选用齿轮泵，随发动机运转常转；转向机为循环球式液压助力转向器，控制阀一般为常流式转阀结构，转阀为三位阀：左转向位、直行位、右转向位。

车辆直行工况：转向机控制阀处于中位，转向泵直接与转向油壶连同，转向液压系统处于无负载常流工况。

图1 常规单转向桥转向原理

转向工况：车辆转向时，转向控制阀处于转向位，经由转向泵的压力油推动活塞其助力作用，通过机械传动机构驱动车轮转向[1]。

3 设计输入及系统功能需求

3.1 设计输入

影响到转向系统设计的主配置如下：

车辆驱动型式：4×2

前轴：9T转向桥

后轴：9T转向驱动桥

驾驶室：前/后

发动机：YC6K10

轮胎：385/60R22.5

允许车货总重：18 t。

出于成本考虑，转向系统希望用一个动力输出，通过回路控制，实现两侧驾驶室的转向操纵功能。

3.2 系统功能需求

为了方便描述，把转向桥端驾驶室定义为主驾驶室，转向驱动桥端驾驶室定义为副驾驶室。

当驾驶员在主驾驶室操作时，主驾驶室端转向操纵系统工作，副驾驶端转向操纵系统不工作，转向驱动桥轮胎需保持直线行驶状态，由转向桥实现转向功能。

反之，当驾驶员在副驾驶室操作时，副驾驶室端转向操纵系统工作，主驾驶端转向操纵系统不工作，转向桥轮胎需保持直线行驶状态，由转向驱动桥实现转向功能。

针对上述使用功能需求，对转向液压控制系统需要涉及到几个基本功能：动力源切换，非转向功能执行桥对中锁桥，锁桥液压回路保压，锁桥液压回路调压。

4 液压基本回路介绍

根据功能需求进行工程转化，转向系统需用到调压回路、减压回路、保压回路、方向控制回路。结合车辆的使用要求，初选满足使用条件的基本液压回路如下：

4.1 调压回路

如图2所示，系统的压力可由与先导溢流阀1的遥控口相连通的远程调压阀2进行远程调节。远程调压阀2的调整压力应低于溢流阀1的调整压力，否则阀2不起作用[2,4,5]。

4.2 减压回路

如图3所示，液压泵1除了供给主工作回路的压力油外，还经由减压阀2、单向阀3及换向阀4进入工作液压缸5。根据工作所需力的大小，可用减压阀来调节。

图2 调压回路

图3 减压回路

4.3 保压回路

如图4所示，采用液控单向阀和蓄能器的保压回路。

压紧工件的动作：换向阀1DT通电，液压缸压紧工件，同时向蓄能器充压，达到一定压力后，1DT断电，单向阀和蓄能器共同作用，保持液压缸的压紧力；

放松工件动作：换向阀2DT、3DT通电。液控单向阀打开，液压缸缩回，蓄能器回路切断压力保持。

本回路保压时间长、压力稳定、压力保持可靠。

图4 保压回路

4.4 方向控制回路

如图5所示，采用两位四通阀的方向控制回路。电磁阀断电，压力油进入有杆腔，推动活塞工作；电磁阀通电时，压力油进入无杆腔，活塞反向运动。

5 设计与应用

5.1 系统原理

如图6所示， 液压系统动力源，主要来源于转向泵14，由发动机驱动；转向泵产生的液压能可提供给转向换向回路及液压锁桥回路。

由于转向液压系统为常流式，仅当在转向桥有转向趋势或正在转向时，转向泵14才能实现液压回路的压力建立，且液压回路压力的大小与车轮转向阻力成正比。为了确保液压锁桥回路的液压能量能满足使用要求，需要配备额外的补偿动力源。

图5 方向控制回路

1、转向桥 2、转向驱动桥 3、前对中油缸 4、后对中油缸 5、前转向器 6、后转向器 7、蓄能罐 8、单向阀 9、两位四通电磁换向阀——转向 10、两位四通电磁换向阀——锁桥 11、两位两通电磁阀 12、压力继电器 13、电动转向泵 14、转向泵 15、转向油壶

正向行驶工况：两位四通换向电磁阀9、10同处于一位。对转向换向回路而言，动力源由转向泵14通过两位四通换向电磁阀9，从P经由A口，传递至前转向器5的P口，经由前转向器5的T口流向转向油壶15；后转向器6通过两位四通换向电磁阀9的B、T口，直接与转向油壶相连。对液压锁桥回路而言，动力源根据压力继电器设定值，对蓄能罐7进行充能，经由两位四通换向电磁阀10的P、A口流向后桥2的对中油缸4，对转向驱动桥2实现液压锁止；转向桥1的对中油缸3通过两位四通换向电磁阀10的B、T口直接与转向油壶15相连。

反向行驶工况：两位四通换向电磁阀9、10同处于二位。对转向换向回路而言，动力源由转向泵14通过两位四通换向电磁阀9，从P经由B口，传递至后转向器6的P口，经由后转向器6的T口流向转向油壶15；前转向器5通过两位四通换向电磁阀9的A、T口，直接与转向油壶相连。对液压锁桥回路而言，动力源根据压力继电器设定值，对蓄能罐7进行充能，经由两位四通换向电磁阀10的P、B口流向转向桥1的对中油缸3，对前桥实现液压锁止；转向驱动桥2的对中油缸4通过两位四通换向电磁阀10的A、T口直接与转向油壶15相连。

原理考虑了冗余设计，实际在车辆应用过程中，由于锁桥回路基本不会有压力损失，电动转向泵13不配备，亦能满足使用要求。

5.2 实际应用案例

结合项目开发需求，转向系统原理搭载到整车上验证，功能满足使用要求，实现了双侧驾驶室转向操纵功能(图7)。

图7 特种双向行驶消防车

6 结语

本文结合项目开发需求，对特种车辆的转向系统设计思路进行了详细阐述。

常规车辆的转向系统，由于行业发展已经成熟，大部分液压回路都已集成到零部件，如动力转向机集成了三位换向阀(滑阀或转阀)，溢流阀集成到转向泵或转向器[1，6]。针对特种车辆的使用需求，市场上很难找到成熟的转向部件资源来满足设计工况需求，由于用量少，零部件厂家基本不会针对小众化的产品进行开发设计。根据车辆的应用功能需求，利用常见的液压控制回路和成熟的转向部件，组合出满足车辆使用要求的转向系统，开拓了特种车辆专业系统设计的思路。