徐金志

前言

駕駛室液壓翻轉機構已廣泛應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機構的設計。該翻轉裝置采用一種手動柱塞泵驅動的單液壓缸來實現(xiàn)翻轉，液壓缸下安裝點布置在車架右縱梁上，上安裝點布置在駕駛室右地板縱梁上，通過集成在柱塞泵中的換向閥改變油缸進、回油方向，使駕駛室繞前支撐的翻轉中心點翻轉上升或下降，該裝置在汽車中的布置形式如圖1所示。

1、液壓翻轉機構的原理

如圖2所示該液壓翻轉機構的原理圖，該系統(tǒng)為手動柱塞泵供油，差動傳動液壓缸施力的液壓系統(tǒng)，手動泵在溢流閥調(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，流經(jīng)換向閥上B通道，首先進入液壓鎖的鎖緊缸，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)壓力進一步升高，繼續(xù)流經(jīng)液控單向閥后進入液壓缸下腔，使液壓缸上升，此時液壓缸上腔的油液經(jīng)換向閥上A通道同樣進入液壓缸上腔，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；當轉動換向閥處在另一功能位置時，手動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。汽車行駛時，液壓缸活塞桿處于最底端。

2、設計計算及校核

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×寬×高)：2190mm×2490mm×2000mm；

設計最大翻轉角度：35°；

駕駛室總重：850kg；

駕駛室質心坐標：以駕駛室翻轉中心為坐標原點，在二維側向視圖上的駕駛室質心坐標為：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：駕駛室懸置為四點懸浮式結構，即前后懸置在車輛行駛中有較大的跳動量。

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，即液壓缸通過固定在駕駛室地板縱梁上的上支架直接連接。

假設駕駛室最大跳動量為 h，根據(jù)該跳動量，液壓缸缸筒底部該為擴筒式結構，如圖4中虛線框內(nèi)所示，擴筒段（又稱為空行程段）長度L應該大于駕駛室最大跳動量，以確保駕駛室在跳動行程范圍內(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程中液壓缸對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鉸鏈連接，稱為鉸鏈式液壓缸，該連接方式采用的液壓缸為等缸徑結構，不采用底部擴筒式結構。駕駛室鎖止時，液壓缸活塞處于缸筒降最底部，這時鉸鏈與上支架間的距離為H，H值應大于駕駛室最大跳動量，行車時，駕駛室跳動，鉸鏈繞K點旋轉，且鉸鏈與上支架始終不接觸，舉升時，活塞桿上升，鉸鏈繞K點旋轉直至與上支架接觸，并推動駕駛室繞旋轉點翻轉。

因空間的限制，液壓缸的布置角度β較大，80°左右，駕駛室振動的跳動量幾乎與液壓缸活塞桿移動量一致，在惡劣路況下快速行駛時，連接方式一會存在擴筒段內(nèi)液體上下流動不暢，致使液壓缸對駕駛室產(chǎn)生一定阻尼作用[2]。該阻尼作用會導致駕駛室底部異響、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式液壓缸的軟連接。

2.3 翻轉駕駛室液壓缸舉升力的計算

根據(jù)駕駛室底部空間，設計出的液壓缸下支點位置、液壓缸工作起始位置及駕駛室翻轉開始位置相對于翻轉中心坐標如圖6所示。

由圖中坐標可以得出：

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

根據(jù)圖7，可計算出駕駛室頂起的最大翻轉力：

為了順利翻起駕駛室，液壓缸的舉升力F應該大于駕駛室最大頂起力Fmax，則：

2.4 液壓缸壓力的校核計算

根據(jù)該重卡駕駛室的特點，采用液壓缸的基本參數(shù)如表1所示：

表1

由于液壓缸為差動式結構，實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 鉸鏈干涉的校核計算

前已述及，液壓缸與駕駛室采用鉸鏈式軟連接的好處是可避免駕駛室振動的跳動量引起的液壓缸與駕駛室干涉。下面需要對該設計進行跳動干涉校核，圖8所示為駕駛室鎖緊時，即汽車正常行駛狀態(tài)時液壓缸上下端各點相對于翻轉中心的坐標位置。根據(jù)B點與C點的豎直方向坐標可知，鉸鏈與上支架接觸前，液壓缸上端可允許最大豎直跳動距離為：21+28.5=49.5mm，而該駕駛室懸置設計最大允許跳動量 H1≤40mm?？梢婑{駛室最大跳動量40mm小于鉸鏈與上支架干涉時的豎直距離 49.5mm，即鉸鏈在任何路況下不與上支架干涉，滿足設計要求。

2.6 前翻限位器的設計及液壓缸行程校核

根據(jù)駕駛室最大翻轉 35°的總體要求，考慮到安全因素，需要設計前翻轉限位器，即控制駕駛室最大翻轉角度的限位支架。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關鍵點R、S、T相對于翻轉中心的的坐標。由該坐標可以計算出，當駕駛室翻轉至限位器拉直時，即 R、S、T三點共線時，駕駛室翻轉至最大角度35°，此時，C隨翻轉中心變化到 C’位置，經(jīng)計算得出AC’=764mm<液壓缸最大長度780mm，故限位器的設計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計

為了保證在翻轉后，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，液壓缸上設計了安全撐桿機構，如圖10所示，安裝在液壓缸上撐點上的安全撐桿上帶有4個方孔，駕駛室翻轉至一定角度時，固定在缸體上的卡爪在彈簧作用下落到方孔內(nèi)，此時即使液壓系統(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。

設計要點：要控制好卡爪中心與方孔中心的距離，即控制 L1、L2、L3、L4的長度，尤其要注意，駕駛室翻轉至最大角度時，要保證卡爪落入到最下面的方孔。

駕駛室正常下降時，需要操作拉絲，將卡爪張開。

2.8 手動柱塞泵的參數(shù)選擇及計算

1）柱塞泵參數(shù)選擇：手動柱塞泵的總體參數(shù)如表2所示：

表2

2）儲油量的計算：整個翻轉系統(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<柱塞泵儲油量440ml，故泵的儲油量滿足要求。

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

4）手動泵操作力的計算

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

3、小結

該重卡駕駛室翻轉機構采用手動柱塞泵驅動單液壓缸式結構，液壓缸與駕駛室的連接方式采用鉸鏈式液壓的軟連接。經(jīng)過對該機構的計算，相關計算結果如表3所示：

表3

另外對前翻限位器及液壓缸安全撐桿的設計做了簡要敘述。

[1] 潘習炎,段奇德,朱碧霞,等.汽車駕駛室液壓翻轉機構的設計與制造 [J].汽車科技,2001(4):10-12.

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

[3] 向繼偉,王璜,張路陽等.某型越野汽車駕駛室翻轉系統(tǒng)設計[J].2009中國汽車工程學會論文集,2009:1439-1446.