雙向行駛車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究與應(yīng)用

謝瑩山,陳 紅，王 博

(蕪湖佳景科技有限公司,安徽 蕪湖 241002)

1 引言

在某些特種車領(lǐng)域，由于作業(yè)場地的限制(如隧道、森林等)，車輛駛?cè)胫?，難以實現(xiàn)調(diào)頭，車輛返回時，只能采取倒車模式，操作困難。

結(jié)合市場實際需求，我司研發(fā)并生產(chǎn)了雙向行駛特種車輛，能提高車輛的機動性能，主要面向特種作業(yè)場地的小眾化市場。主要闡述雙向行駛車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理研究，以及實車的應(yīng)用。

2 常規(guī)商用車轉(zhuǎn)向原理

如圖1所示，常規(guī)商用車(以單轉(zhuǎn)向橋為例)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理[3，6]：轉(zhuǎn)向泵一般為葉片泵，部分礦用工程車選用齒輪泵，隨發(fā)動機運轉(zhuǎn)常轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)向機為循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器，控制閥一般為常流式轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)閥為三位閥：左轉(zhuǎn)向位、直行位、右轉(zhuǎn)向位。

車輛直行工況：轉(zhuǎn)向機控制閥處于中位，轉(zhuǎn)向泵直接與轉(zhuǎn)向油壺連同，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)處于無負(fù)載常流工況。

圖1 常規(guī)單轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向原理

轉(zhuǎn)向工況：車輛轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向控制閥處于轉(zhuǎn)向位，經(jīng)由轉(zhuǎn)向泵的壓力油推動活塞其助力作用，通過機械傳動機構(gòu)驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)向[1]。

3 設(shè)計輸入及系統(tǒng)功能需求

3.1 設(shè)計輸入

影響到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的主配置如下：

車輛驅(qū)動型式：4×2

前軸：9T轉(zhuǎn)向橋

后軸：9T轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋

駕駛室：前/后

發(fā)動機：YC6K10

輪胎：385/60R22.5

允許車貨總重：18 t。

出于成本考慮，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)希望用一個動力輸出，通過回路控制，實現(xiàn)兩側(cè)駕駛室的轉(zhuǎn)向操縱功能。

3.2 系統(tǒng)功能需求

為了方便描述，把轉(zhuǎn)向橋端駕駛室定義為主駕駛室，轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋端駕駛室定義為副駕駛室。

當(dāng)駕駛員在主駕駛室操作時，主駕駛室端轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)工作，副駕駛端轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)不工作，轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋輪胎需保持直線行駛狀態(tài)，由轉(zhuǎn)向橋?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

反之，當(dāng)駕駛員在副駕駛室操作時，副駕駛室端轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)工作，主駕駛端轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)不工作，轉(zhuǎn)向橋輪胎需保持直線行駛狀態(tài)，由轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

針對上述使用功能需求，對轉(zhuǎn)向液壓控制系統(tǒng)需要涉及到幾個基本功能：動力源切換，非轉(zhuǎn)向功能執(zhí)行橋?qū)χ墟i橋，鎖橋液壓回路保壓，鎖橋液壓回路調(diào)壓。

4 液壓基本回路介紹

根據(jù)功能需求進行工程轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需用到調(diào)壓回路、減壓回路、保壓回路、方向控制回路。結(jié)合車輛的使用要求，初選滿足使用條件的基本液壓回路如下：

4.1 調(diào)壓回路

如圖2所示，系統(tǒng)的壓力可由與先導(dǎo)溢流閥1的遙控口相連通的遠程調(diào)壓閥2進行遠程調(diào)節(jié)。遠程調(diào)壓閥2的調(diào)整壓力應(yīng)低于溢流閥1的調(diào)整壓力，否則閥2不起作用[2,4,5]。

4.2 減壓回路

如圖3所示，液壓泵1除了供給主工作回路的壓力油外，還經(jīng)由減壓閥2、單向閥3及換向閥4進入工作液壓缸5。根據(jù)工作所需力的大小，可用減壓閥來調(diào)節(jié)。

圖2 調(diào)壓回路

圖3 減壓回路

4.3 保壓回路

如圖4所示，采用液控單向閥和蓄能器的保壓回路。

壓緊工件的動作：換向閥1DT通電，液壓缸壓緊工件，同時向蓄能器充壓，達到一定壓力后，1DT斷電，單向閥和蓄能器共同作用，保持液壓缸的壓緊力；

放松工件動作：換向閥2DT、3DT通電。液控單向閥打開，液壓缸縮回，蓄能器回路切斷壓力保持。

本回路保壓時間長、壓力穩(wěn)定、壓力保持可靠。

圖4 保壓回路

4.4 方向控制回路

如圖5所示，采用兩位四通閥的方向控制回路。電磁閥斷電，壓力油進入有桿腔，推動活塞工作；電磁閥通電時，壓力油進入無桿腔，活塞反向運動。

5 設(shè)計與應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)原理

如圖6所示， 液壓系統(tǒng)動力源，主要來源于轉(zhuǎn)向泵14，由發(fā)動機驅(qū)動；轉(zhuǎn)向泵產(chǎn)生的液壓能可提供給轉(zhuǎn)向換向回路及液壓鎖橋回路。

由于轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)為常流式，僅當(dāng)在轉(zhuǎn)向橋有轉(zhuǎn)向趨勢或正在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向泵14才能實現(xiàn)液壓回路的壓力建立，且液壓回路壓力的大小與車輪轉(zhuǎn)向阻力成正比。為了確保液壓鎖橋回路的液壓能量能滿足使用要求，需要配備額外的補償動力源。

圖5 方向控制回路

1、轉(zhuǎn)向橋 2、轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋 3、前對中油缸 4、后對中油缸 5、前轉(zhuǎn)向器 6、后轉(zhuǎn)向器 7、蓄能罐 8、單向閥 9、兩位四通電磁換向閥——轉(zhuǎn)向 10、兩位四通電磁換向閥——鎖橋 11、兩位兩通電磁閥 12、壓力繼電器 13、電動轉(zhuǎn)向泵 14、轉(zhuǎn)向泵 15、轉(zhuǎn)向油壺

正向行駛工況：兩位四通換向電磁閥9、10同處于一位。對轉(zhuǎn)向換向回路而言，動力源由轉(zhuǎn)向泵14通過兩位四通換向電磁閥9，從P經(jīng)由A口，傳遞至前轉(zhuǎn)向器5的P口，經(jīng)由前轉(zhuǎn)向器5的T口流向轉(zhuǎn)向油壺15；后轉(zhuǎn)向器6通過兩位四通換向電磁閥9的B、T口，直接與轉(zhuǎn)向油壺相連。對液壓鎖橋回路而言，動力源根據(jù)壓力繼電器設(shè)定值，對蓄能罐7進行充能，經(jīng)由兩位四通換向電磁閥10的P、A口流向后橋2的對中油缸4，對轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋2實現(xiàn)液壓鎖止；轉(zhuǎn)向橋1的對中油缸3通過兩位四通換向電磁閥10的B、T口直接與轉(zhuǎn)向油壺15相連。

反向行駛工況：兩位四通換向電磁閥9、10同處于二位。對轉(zhuǎn)向換向回路而言，動力源由轉(zhuǎn)向泵14通過兩位四通換向電磁閥9，從P經(jīng)由B口，傳遞至后轉(zhuǎn)向器6的P口，經(jīng)由后轉(zhuǎn)向器6的T口流向轉(zhuǎn)向油壺15；前轉(zhuǎn)向器5通過兩位四通換向電磁閥9的A、T口，直接與轉(zhuǎn)向油壺相連。對液壓鎖橋回路而言，動力源根據(jù)壓力繼電器設(shè)定值，對蓄能罐7進行充能，經(jīng)由兩位四通換向電磁閥10的P、B口流向轉(zhuǎn)向橋1的對中油缸3，對前橋?qū)崿F(xiàn)液壓鎖止；轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋2的對中油缸4通過兩位四通換向電磁閥10的A、T口直接與轉(zhuǎn)向油壺15相連。

原理考慮了冗余設(shè)計，實際在車輛應(yīng)用過程中，由于鎖橋回路基本不會有壓力損失，電動轉(zhuǎn)向泵13不配備，亦能滿足使用要求。

5.2 實際應(yīng)用案例

結(jié)合項目開發(fā)需求，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理搭載到整車上驗證，功能滿足使用要求，實現(xiàn)了雙側(cè)駕駛室轉(zhuǎn)向操縱功能(圖7)。

圖7 特種雙向行駛消防車

6 結(jié)語

本文結(jié)合項目開發(fā)需求，對特種車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計思路進行了詳細闡述。

常規(guī)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于行業(yè)發(fā)展已經(jīng)成熟，大部分液壓回路都已集成到零部件，如動力轉(zhuǎn)向機集成了三位換向閥(滑閥或轉(zhuǎn)閥)，溢流閥集成到轉(zhuǎn)向泵或轉(zhuǎn)向器[1，6]。針對特種車輛的使用需求，市場上很難找到成熟的轉(zhuǎn)向部件資源來滿足設(shè)計工況需求，由于用量少，零部件廠家基本不會針對小眾化的產(chǎn)品進行開發(fā)設(shè)計。根據(jù)車輛的應(yīng)用功能需求，利用常見的液壓控制回路和成熟的轉(zhuǎn)向部件，組合出滿足車輛使用要求的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，開拓了特種車輛專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計的思路。