某越野卡車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王占魁，姬虎艷

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710000）

前言

可翻轉(zhuǎn)駕駛室極大的簡(jiǎn)化了對(duì)車(chē)輛進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)的過(guò)程，堪稱(chēng)卡車(chē)行業(yè)中最經(jīng)典的設(shè)計(jì)之一，目前幾乎百分之百的平頭駕駛室重卡都支持翻轉(zhuǎn)功能，重型越野車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)有兩種方式：?jiǎn)闻e升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和雙舉升液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。普通駕駛室自重較輕翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)多數(shù)采用單舉升液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，防護(hù)型駕駛室由于自重原因大多采用雙舉升翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)時(shí)一般不過(guò)重心，舉升缸自帶機(jī)械鎖止系統(tǒng)防止油缸泄壓造成安全事故。由于是兩個(gè)油缸同時(shí)進(jìn)油，在油泵排量一定情況下一般舉升速度比較慢，本車(chē)為了改善這種情況采用了差動(dòng)泵，既保證了駕駛室舉升又不影響舉升速度。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

由于該重型越野卡車(chē)采用的是全防彈鋼板焊接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大，所以采用了在駕駛室的發(fā)動(dòng)機(jī)罩下、左、右豎梁各布置一個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸的雙缸舉升方案，而且，所用的兩個(gè)翻轉(zhuǎn)油缸從原理上實(shí)現(xiàn)了同步舉升，穩(wěn)定受力。為提高安全性，在右油缸上布置了安全鎖止機(jī)構(gòu)，防止意外卸壓時(shí)油缸回落，發(fā)生安全事故。翻轉(zhuǎn)時(shí)首先通過(guò)液壓油打開(kāi)駕駛室后懸置鎖止鎖，解除駕駛室后懸置對(duì)駕駛室后端的約束，然后左、右兩個(gè)油缸同時(shí)將舉升力作用駕駛室底板上，駕駛室在舉升力作用下繞左、右前懸置固定銷(xiāo)軸（同軸）向前方傾翻。該車(chē)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)主要由手電一體油泵總成、控制器、翻轉(zhuǎn)油缸、液壓油管、接頭、液壓油等組成（圖1）。手電一體油泵總成是能源裝置，其包括手動(dòng)泵總成（集成手動(dòng)換向控制裝置和油池）和電動(dòng)泵總成。手動(dòng)泵操作原理是通過(guò)操作翻轉(zhuǎn)搖臂推拉液壓泵的柱塞，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液壓能，將手油泵油池中的油液變成壓力油輸入油管。在手油泵上有控制油路方向的裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)此裝置可以實(shí)現(xiàn)油缸伸出或縮回（圖1）。電動(dòng)泵的操作原理和手動(dòng)泵一樣，只是通過(guò)電機(jī)代替人操作搖臂。手動(dòng)泵不依賴(lài)整車(chē)電源且可靠性較高，但通常情況下較為緩慢且費(fèi)力，電動(dòng)泵操作起來(lái)省時(shí)省力，本車(chē)采用的是組合油泵，即一般情況下擬使用電動(dòng)泵，當(dāng)電動(dòng)泵失效不能使用時(shí)使用手動(dòng)泵替代電動(dòng)泵功能翻轉(zhuǎn)駕駛室。

圖1 駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)布置圖

1.2 液壓原理

上升時(shí)，由手/電泵 A口泵出的高壓油又經(jīng)三通一路流向左、右液壓鎖進(jìn)行解鎖另一路流向主副油缸A口、D口進(jìn)入油缸大腔，驅(qū)動(dòng)活塞桿從而舉升駕駛室。下降時(shí)，經(jīng)手動(dòng)泵換向手柄換向后活塞桿縮回，油缸小腔的液壓油經(jīng)由B口流回油泵油箱。原理示意見(jiàn)圖2：

圖2 手/電油泵原理圖

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 某越野卡車(chē)駕駛室總圖參數(shù)

2.1.1 總體參數(shù)

外形（長(zhǎng)*寬*高）：2180mm*2393mm*1570mm；

翻轉(zhuǎn)角（最?。?8°

駕駛室總質(zhì)量：1900kg；

以前翻轉(zhuǎn)軸中心線與汽車(chē)中心線的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以汽車(chē)正常行駛方向的反方向?yàn)閄軸正方向，以垂直與地面向上為Y軸正方向，長(zhǎng)度單位為mm。駕駛室質(zhì)心坐標(biāo)X=560，Y=778；

圖3

2.1.2 懸置形式

前懸置采用橡膠懸置，后懸置采用減振彈性元件懸置。

2.1.3 翻轉(zhuǎn)形式

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)（手動(dòng)）液壓雙缸舉升機(jī)構(gòu)，向前翻轉(zhuǎn)。

2.2 翻轉(zhuǎn)駕駛室所需油缸舉升力的計(jì)算

為使駕駛室能夠繞翻轉(zhuǎn)軸（前懸置固定銷(xiāo)軸）翻轉(zhuǎn)，如圖 9，任意翻轉(zhuǎn)角度時(shí)，油缸提供的翻轉(zhuǎn)力矩必須等于或大于重力產(chǎn)生的力矩，我們分析時(shí)只需要求得油缸提供的翻轉(zhuǎn)力矩等于重力產(chǎn)生的力矩時(shí)油缸需提供翻轉(zhuǎn)力的方程，通過(guò)變量θ求出油缸需提供翻轉(zhuǎn)力的最大值，然后再根據(jù)力學(xué)原理分配給左、右油缸。

圖4 翻轉(zhuǎn)力矩分析圖

根據(jù)三角形面積相等原理：

即：

根據(jù)余弦定理：

代入得：

根據(jù)力矩平衡：

代入得：

即：

由圖可以看出，當(dāng)α=0°時(shí)，翻轉(zhuǎn)力約為13542N最大，單缸。

圖5 翻轉(zhuǎn)力變化圖

實(shí)際舉起力 F應(yīng)大于 Fmax：F=1.05Fmax=1.05×6771=7109.5N

2.3 油缸壓力的選擇計(jì)算

舉升駕駛室所需油壓（差動(dòng)泵）：

其中：η為系統(tǒng)內(nèi)部效率，取η=85%，R為油缸內(nèi)徑，r為活塞桿半徑。根據(jù)所選油缸參數(shù)（表1）則： P=6.67MPa，遠(yuǎn)小于所選油缸的工作壓力。

表1 左、右翻轉(zhuǎn)油缸基本參數(shù)

2.4 油缸與駕駛室的連接

圖6 滑槽連接示意圖

為避免汽車(chē)行駛時(shí)，因振動(dòng)造成油缸和駕駛室損壞，在油缸與駕駛室連接處采用滑槽式設(shè)計(jì)（圖6），允許駕駛室與油缸之間有較大的運(yùn)動(dòng)量。

2.5 限位器選擇

2.5.1 限位棘爪設(shè)計(jì)

某越野卡車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用限位棘爪選用現(xiàn)生產(chǎn)已有零件。

2.5.2 限位鉤回位彈簧的設(shè)計(jì)

某越野卡車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用限位棘爪回位彈簧選用現(xiàn)生產(chǎn)零件。

2.6 電動(dòng)(手動(dòng))油泵的參數(shù)選擇及計(jì)算

2.6.1系統(tǒng)參數(shù)選擇

油泵柱塞直徑：Ф4mm（電動(dòng)部分），Ф16mm（手動(dòng)部分）；油泵柱塞設(shè)計(jì)行程：2.75mm（電動(dòng)部分），23.5mm（手動(dòng)部分）；油泵手動(dòng)操作手柄長(zhǎng)：800mm；油泵額定輸出壓力：18MPa；電動(dòng)機(jī)功率：300W。

2.6.2 油箱容積的計(jì)算

駕駛室翻轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)舉升油缸在全行程所需油量為：

考慮油缸的用量及油管、油箱中還應(yīng)留有25% ～ 30%的空間，因此油箱容積選擇為800mL。

2.6.3 電動(dòng)泵油時(shí)間

電動(dòng)泵的流量為650ml/min。而人搖動(dòng)搖臂的周期為1.5s（40次/分），手動(dòng)油泵的排量為4.6ml/次，則液壓油缸的幾何流量為184ml/min（2個(gè)油缸），根據(jù)公式：

式中：Q——液壓油缸的幾何流量，Q=650ml/min；

S——油缸的有效面積，S=19.625cm2；

L——油缸行程，L=38.5cm；

S1——油缸大腔截面積1962.5mm2；

S2——油缸小腔截面積1256 mm2；根據(jù)式得出：

所以舉升駕駛室需要的時(shí)間為50.2s。

2.6.4 手動(dòng)泵油次數(shù)的計(jì)算

駕駛室上升時(shí)，需手動(dòng)泵油的次數(shù)是：

駕駛室下落時(shí)，需手動(dòng)泵油的次數(shù)是：

2.6.5 手動(dòng)泵操作力計(jì)算

圖7 手油泵手搖受力示意圖

由于系統(tǒng)油壓 P=6.67MPa可知道油泵活塞反作用力 F'為：

所選組合油泵中 L1=20施加力在 800mm處，即 L2=800mm，根據(jù)杠桿原理：

2.6.6 手動(dòng)泵油的操作行程

根據(jù)布置及油泵柱塞設(shè)計(jì)行程，可知手動(dòng)泵油時(shí)，操作手柄上下位移的全行程為：

2.7.7 油管的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工作壓力，某越野卡車(chē)選用工作壓力為37.5MPa，管接頭為 24°的卡套式接頭，管體材料為聚氨酯，工作溫度為-41℃～100℃的密封性能良好的現(xiàn)生產(chǎn)零件。

3 使用說(shuō)明

翻轉(zhuǎn)駕駛室前將車(chē)停在平坦的道路上，取出駕駛室內(nèi)未固定物品，關(guān)閉左右車(chē)門(mén)。翻轉(zhuǎn)時(shí)駕駛室前方嚴(yán)禁站人。

駕駛室翻轉(zhuǎn)：使用電動(dòng)翻轉(zhuǎn)時(shí)，打開(kāi)駕駛室副座椅椅框右側(cè)翹板開(kāi)關(guān)，將翻轉(zhuǎn)油泵的轉(zhuǎn)換手柄扳到“駕駛室上升”位，按動(dòng)電動(dòng)泵控制按鈕進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作；使用手動(dòng)翻轉(zhuǎn)時(shí)，直接將轉(zhuǎn)換手柄扳到“駕駛室上升”位進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作。確定油缸上棘爪與齒條鎖止后，方可進(jìn)行其它操作。

駕駛室回位：先使駕駛室上升，松開(kāi)油缸上棘爪與齒條鎖止。再將翻轉(zhuǎn)油泵轉(zhuǎn)換手柄扳到“駕駛室下降”位，持續(xù)按動(dòng)電動(dòng)泵控制按鈕或搖動(dòng)手搖泵使駕駛室下降，直到鎖止鉤插進(jìn)龍門(mén)架內(nèi)，手柄上感到有明顯增加的力為止。確定駕駛室回位，儀表臺(tái)中指示燈熄滅后，關(guān)閉駕駛室副座椅椅框右側(cè)翹板開(kāi)關(guān)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)組成翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)各零部件參數(shù)進(jìn)行校核，最終完成了某越野卡車(chē)駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)產(chǎn)品通過(guò)試制試驗(yàn)，滿(mǎn)足駕駛室的翻轉(zhuǎn)要求，施力符合人機(jī)要求，駕駛室翻轉(zhuǎn)速度也在合理范圍內(nèi)。