某重型卡車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

徐金志

前言

駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于重型載貨汽車中[1]。本文介紹了某重型卡車的駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該翻轉(zhuǎn)裝置采用一種手動(dòng)柱塞泵驅(qū)動(dòng)的單液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，液壓缸下安裝點(diǎn)布置在車架右縱梁上，上安裝點(diǎn)布置在駕駛室右地板縱梁上，通過(guò)集成在柱塞泵中的換向閥改變油缸進(jìn)、回油方向，使駕駛室繞前支撐的翻轉(zhuǎn)中心點(diǎn)翻轉(zhuǎn)上升或下降，該裝置在汽車中的布置形式如圖1所示。

1、液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原理

如圖2所示該液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原理圖，該系統(tǒng)為手動(dòng)柱塞泵供油，差動(dòng)傳動(dòng)液壓缸施力的液壓系統(tǒng)，手動(dòng)泵在溢流閥調(diào)定壓力下工作，輸出的壓力油在換向閥處于圖示 P、O位置時(shí)，流經(jīng)換向閥上B通道，首先進(jìn)入液壓鎖的鎖緊缸，克服鎖緊缸中的組合彈簧力，使鎖緊缸活塞桿推出，開啟液壓鎖后，系統(tǒng)壓力進(jìn)一步升高，繼續(xù)流經(jīng)液控單向閥后進(jìn)入液壓缸下腔，使液壓缸上升，此時(shí)液壓缸上腔的油液經(jīng)換向閥上A通道同樣進(jìn)入液壓缸上腔，液壓油缸上、下腔壓力差作用使液壓缸活塞桿快速上升，駕駛室向前翻轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)換向閥處在另一功能位置時(shí)，手動(dòng)泵輸出的壓力油打開液控單向閥，使液壓缸下腔的壓力油先后流經(jīng)液控單向閥、節(jié)流閥、換向轉(zhuǎn)閥通道、背壓閥后回流至油箱，液壓缸的活塞桿下降，駕駛室向下翻轉(zhuǎn)。汽車行駛時(shí)，液壓缸活塞桿處于最底端。

2、設(shè)計(jì)計(jì)算及校核

2.1 總體參數(shù)

該重卡駕駛室總體參數(shù)如下：

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：2190mm×2490mm×2000mm；

設(shè)計(jì)最大翻轉(zhuǎn)角度：35°；

駕駛室總重：850kg；

駕駛室質(zhì)心坐標(biāo)：以駕駛室翻轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在二維側(cè)向視圖上的駕駛室質(zhì)心坐標(biāo)為：駕駛室前后方向x=690，駕駛室高度方向z=886.5；

駕駛室懸置形式：駕駛室懸置為四點(diǎn)懸浮式結(jié)構(gòu)，即前后懸置在車輛行駛中有較大的跳動(dòng)量。

2.2 液壓缸與駕駛室的連接方式的選擇

液壓缸與駕駛室的連接方式有兩種：

連接方式一：如圖3所示的連接方式稱為硬連接，即液壓缸通過(guò)固定在駕駛室地板縱梁上的上支架直接連接。

假設(shè)駕駛室最大跳動(dòng)量為 h，根據(jù)該跳動(dòng)量，液壓缸缸筒底部該為擴(kuò)筒式結(jié)構(gòu)，如圖4中虛線框內(nèi)所示，擴(kuò)筒段（又稱為空行程段）長(zhǎng)度L應(yīng)該大于駕駛室最大跳動(dòng)量，以確保駕駛室在跳動(dòng)行程范圍內(nèi)，液壓缸活塞處于空行程范圍內(nèi)，這樣可以消除汽車行駛過(guò)程中液壓缸對(duì)駕駛室懸置減震效果的影響。

連接方式二：如圖5所示的連接方式稱為軟連接，即在液壓缸的上端與上支架之間增加一個(gè)鉸鏈連接，稱為鉸鏈?zhǔn)揭簤焊祝撨B接方式采用的液壓缸為等缸徑結(jié)構(gòu)，不采用底部擴(kuò)筒式結(jié)構(gòu)。駕駛室鎖止時(shí)，液壓缸活塞處于缸筒降最底部，這時(shí)鉸鏈與上支架間的距離為H，H值應(yīng)大于駕駛室最大跳動(dòng)量，行車時(shí)，駕駛室跳動(dòng)，鉸鏈繞K點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，且鉸鏈與上支架始終不接觸，舉升時(shí)，活塞桿上升，鉸鏈繞K點(diǎn)旋轉(zhuǎn)直至與上支架接觸，并推動(dòng)駕駛室繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)翻轉(zhuǎn)。

因空間的限制，液壓缸的布置角度β較大，80°左右，駕駛室振動(dòng)的跳動(dòng)量幾乎與液壓缸活塞桿移動(dòng)量一致，在惡劣路況下快速行駛時(shí)，連接方式一會(huì)存在擴(kuò)筒段內(nèi)液體上下流動(dòng)不暢，致使液壓缸對(duì)駕駛室產(chǎn)生一定阻尼作用[2]。該阻尼作用會(huì)導(dǎo)致駕駛室底部異響、液壓缸及駕駛室損壞等現(xiàn)象的發(fā)生[3]。連接方式二則不存在上述現(xiàn)象。因此液壓缸與駕駛室的連接方式采用鉸鏈?zhǔn)揭簤焊椎能涍B接。

2.3 翻轉(zhuǎn)駕駛室液壓缸舉升力的計(jì)算

根據(jù)駕駛室底部空間，設(shè)計(jì)出的液壓缸下支點(diǎn)位置、液壓缸工作起始位置及駕駛室翻轉(zhuǎn)開始位置相對(duì)于翻轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)如圖6所示。

由圖中坐標(biāo)可以得出：

則液壓缸起始翻轉(zhuǎn)力臂 O D = OA·sinθ =688.9×sin35.76=402mm

根據(jù)圖7，可計(jì)算出駕駛室頂起的最大翻轉(zhuǎn)力：

為了順利翻起駕駛室，液壓缸的舉升力F應(yīng)該大于駕駛室最大頂起力Fmax，則：

2.4 液壓缸壓力的校核計(jì)算

根據(jù)該重卡駕駛室的特點(diǎn)，采用液壓缸的基本參數(shù)如表1所示：

表1

由于液壓缸為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，實(shí)際液體作用面積為活塞桿截面積。則舉升駕駛室所需油壓

式中：η—液壓系統(tǒng)內(nèi)部效率，取η=90%。

校核結(jié)果顯示，舉升駕駛室所需油壓P最大為21.2Mpa，小于液壓缸額定工作壓力，所選擇的液壓缸滿足舉升要求。

2.5 鉸鏈干涉的校核計(jì)算

前已述及，液壓缸與駕駛室采用鉸鏈?zhǔn)杰涍B接的好處是可避免駕駛室振動(dòng)的跳動(dòng)量引起的液壓缸與駕駛室干涉。下面需要對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行跳動(dòng)干涉校核，圖8所示為駕駛室鎖緊時(shí)，即汽車正常行駛狀態(tài)時(shí)液壓缸上下端各點(diǎn)相對(duì)于翻轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)位置。根據(jù)B點(diǎn)與C點(diǎn)的豎直方向坐標(biāo)可知，鉸鏈與上支架接觸前，液壓缸上端可允許最大豎直跳動(dòng)距離為：21+28.5=49.5mm，而該駕駛室懸置設(shè)計(jì)最大允許跳動(dòng)量 H1≤40mm?？梢婑{駛室最大跳動(dòng)量40mm小于鉸鏈與上支架干涉時(shí)的豎直距離 49.5mm，即鉸鏈在任何路況下不與上支架干涉，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6 前翻限位器的設(shè)計(jì)及液壓缸行程校核

根據(jù)駕駛室最大翻轉(zhuǎn) 35°的總體要求，考慮到安全因素，需要設(shè)計(jì)前翻轉(zhuǎn)限位器，即控制駕駛室最大翻轉(zhuǎn)角度的限位支架。限位器總成一端安在車架縱梁上，另一端安裝在固定在駕駛室地板縱梁上的前懸置托架上，如圖9所示的布置。圖中也列出了限位器三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)R、S、T相對(duì)于翻轉(zhuǎn)中心的的坐標(biāo)。由該坐標(biāo)可以計(jì)算出，當(dāng)駕駛室翻轉(zhuǎn)至限位器拉直時(shí)，即 R、S、T三點(diǎn)共線時(shí)，駕駛室翻轉(zhuǎn)至最大角度35°，此時(shí)，C隨翻轉(zhuǎn)中心變化到 C’位置，經(jīng)計(jì)算得出AC’=764mm<液壓缸最大長(zhǎng)度780mm，故限位器的設(shè)計(jì)滿足液壓缸在工作行程范圍內(nèi)的要求。

2.7 液壓缸安全撐桿的設(shè)計(jì)

為了保證在翻轉(zhuǎn)后，在液壓系統(tǒng)失效的情況下，駕駛室不出現(xiàn)突然降落的現(xiàn)象，液壓缸上設(shè)計(jì)了安全撐桿機(jī)構(gòu)，如圖10所示，安裝在液壓缸上撐點(diǎn)上的安全撐桿上帶有4個(gè)方孔，駕駛室翻轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)，固定在缸體上的卡爪在彈簧作用下落到方孔內(nèi)，此時(shí)即使液壓系統(tǒng)失效，卡爪能撐住安全撐桿，防止駕駛室下落，起到安全保障作用。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：要控制好卡爪中心與方孔中心的距離，即控制 L1、L2、L3、L4的長(zhǎng)度，尤其要注意，駕駛室翻轉(zhuǎn)至最大角度時(shí)，要保證卡爪落入到最下面的方孔。

駕駛室正常下降時(shí)，需要操作拉絲，將卡爪張開。

2.8 手動(dòng)柱塞泵的參數(shù)選擇及計(jì)算

1）柱塞泵參數(shù)選擇：手動(dòng)柱塞泵的總體參數(shù)如表2所示：

表2

2）儲(chǔ)油量的計(jì)算：整個(gè)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓缸所需油量最大，液壓缸所需最大油量為：

加上液壓鎖及管路油量，系統(tǒng)所需油量總量 V總=400ml<柱塞泵儲(chǔ)油量440ml，故泵的儲(chǔ)油量滿足要求。

3）泵油次數(shù)的計(jì)算：從前面計(jì)算的結(jié)果可知，駕駛室從最低翻轉(zhuǎn)至最高，液壓缸總行程為764-475=289mm，根據(jù)原理圖2可知，差動(dòng)缸上升過(guò)程中，泵進(jìn)缸內(nèi)的油僅為活塞桿行程引起的油量變化，則手動(dòng)泵泵油次數(shù)為：

4）手動(dòng)泵操作力的計(jì)算

根據(jù)隨車工具尺寸，泵油桿尺寸為500mm，根據(jù)圖11可計(jì)算出手動(dòng)泵最大操作力為：

3、小結(jié)

該重卡駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)柱塞泵驅(qū)動(dòng)單液壓缸式結(jié)構(gòu)，液壓缸與駕駛室的連接方式采用鉸鏈?zhǔn)揭簤旱能涍B接。經(jīng)過(guò)對(duì)該機(jī)構(gòu)的計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表3所示：

表3

另外對(duì)前翻限位器及液壓缸安全撐桿的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要敘述。

[1] 潘習(xí)炎,段奇德,朱碧霞,等.汽車駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造 [J].汽車科技,2001(4):10-12.

[2] 章宏甲,黃誼.液壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[3] 向繼偉,王璜,張路陽(yáng)等.某型越野汽車駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].2009中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)論文集,2009:1439-1446.