基于某多橋重卡的應(yīng)急系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與分析

沈亞東

摘 要：根據(jù)客戶提供的多橋重卡使用經(jīng)驗(yàn)和企業(yè)技術(shù)研發(fā)需求，本設(shè)計(jì)提出用大流量蝶閥轉(zhuǎn)向器、應(yīng)急泵、應(yīng)急閥以及控制系統(tǒng)組成應(yīng)急安全方案，能夠應(yīng)對(duì)特定路況、突發(fā)設(shè)備故障等故障風(fēng)險(xiǎn)，從而達(dá)到保障重型設(shè)備能夠平穩(wěn)、可控、安全等指標(biāo)。本方案設(shè)計(jì)已經(jīng)運(yùn)用于國(guó)內(nèi)軍用多橋重卡項(xiàng)目，整體運(yùn)轉(zhuǎn)效果非常優(yōu)秀，同時(shí)針對(duì)部件設(shè)計(jì)中容易出現(xiàn)失效部位進(jìn)行應(yīng)力分析，為部件工藝提供技改思路、合理結(jié)構(gòu)以及適用參數(shù)，從而保證零部件和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

關(guān)鍵詞：多橋重卡 恒流泵 動(dòng)能失效 蝶閥轉(zhuǎn)向器 應(yīng)急系統(tǒng)

Design and Analysis of Emergency System based on a Multi Bridge Heavy Truck

Shen Yadong

Abstract：According to the use experience of multi bridge heavy truck provided by customers and the technical R & D needs of enterprises， this design proposes to use large flow butterfly valve steering gear， emergency pump， emergency valve and control system to form an emergency safety scheme， which can deal with the failure risks such as specific road conditions and sudden equipment failure， so as to ensure the stability， controllability and safety of heavy equipment. The scheme design has been applied to the domestic military multi bridge heavy truck project， and the overall operation effect is very excellent. At the same time， the stress analysis is carried out for the parts prone to failure in the component design， so as to provide technical transformation ideas， reasonable structure and applicable parameters for the component process， so as to ensure the stability and reliability of parts and systems.

Key words：multi bridge heavy truck， constant flow pump， kinetic energy failure， butterfly valve， steering gear， emergency system

1 引言

城市化發(fā)展讓運(yùn)輸行業(yè)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的血脈，各種結(jié)構(gòu)的重型機(jī)械運(yùn)行安全成為重中之重。幾十噸重卡走山路，在失去動(dòng)力的情況下出現(xiàn)后退且速度很低地遛車無(wú)法控制方向盤將是災(zāi)難性的。正常行駛前橋在前，當(dāng)在崎嶇路上往后溜車時(shí)，后橋在前也是整個(gè)汽車安全系統(tǒng)的重中之重。從整個(gè)規(guī)范和安全性的角度，本文提出用占空比為定值的恒流泵與輔助直流電機(jī)作為輔助輸出系統(tǒng)，同時(shí)將差異化壓力單向閥控制的應(yīng)急閥和壓力傳感器作為控制單元，組成整個(gè)應(yīng)急總體方案解決動(dòng)能失效問題，從而為重型運(yùn)輸提供技術(shù)保障，助力運(yùn)輸技術(shù)安全創(chuàng)新發(fā)展。

2 方案設(shè)計(jì)

前橋超過7噸的大負(fù)荷的工程車、重卡等在發(fā)動(dòng)機(jī)突然熄火等特殊緊急情況造成液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失去動(dòng)力源，由于無(wú)助力過載扭矩容易形成失控，轉(zhuǎn)向失效對(duì)高速行駛的車輛是非常危險(xiǎn)的。方案原理設(shè)計(jì)中提出在車輛的分動(dòng)箱或者主驅(qū)動(dòng)輪上裝載應(yīng)急泵和輔助直流電機(jī)，同時(shí)借助應(yīng)急閥切換流量，從而保證在失去動(dòng)能的情況下提供液壓動(dòng)力，給予轉(zhuǎn)向器一定助力控制方向，保證安全停靠。

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中借用傳統(tǒng)思路通過扭桿的線性轉(zhuǎn)動(dòng)以及良好的彈性回復(fù)原理，將受力傳導(dǎo)于“絲桿”結(jié)構(gòu)從而開啟油缸，設(shè)計(jì)中用碟簧代替扭桿結(jié)構(gòu)，初始轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，過載從而帶動(dòng)閥芯軸向竄動(dòng)，從而建立差壓。后閥高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向器活塞油缸，推動(dòng)活塞油缸移動(dòng)，經(jīng)過活塞油缸的高壓油進(jìn)入后橋轉(zhuǎn)向油缸，推動(dòng)后橋輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，對(duì)于轉(zhuǎn)向器閥口的氣壓損失之后必須要有相應(yīng)的輔助泵給予壓力能替代原有助力泵。同時(shí)在副泵工作時(shí)應(yīng)急閥必須與之配合形成系統(tǒng)成為應(yīng)急系統(tǒng)的備用方案，應(yīng)急閥在壓力閥的控制下形成有效、快捷、安全地切換。

2.2 恒流泵設(shè)計(jì)理論

本設(shè)計(jì)就是借助偏心結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得柱塞在偏心輪的推動(dòng)下按正弦波運(yùn)動(dòng)，吸油時(shí)間和柱塞完成一個(gè)正弦波時(shí)間之比（占空比）是一個(gè)定值。應(yīng)急泵的吸油壓力基本上是一定的，吸油孔的直徑是固定的，在試驗(yàn)室初期速度低于600r/min時(shí)流量成上升趨勢(shì)，同一側(cè)吸油口相差一定位置度，在試驗(yàn)室用直流電機(jī)作為故障時(shí)的驅(qū)動(dòng)能量，啟動(dòng)之時(shí)兩個(gè)呼吸口流量之和作為總流量的主要參數(shù)，但是在達(dá)到一定速度后，整個(gè)偏心凸輪軸的單個(gè)周期則作為一個(gè)總量來(lái)看待。如圖2所示，速度提高到一定值時(shí)，吸油的多少就取決于吸油時(shí)間在一個(gè)正弦波里的占空比，而與泵的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此應(yīng)急泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，泵的輸出流量就恒定，從而保證泵發(fā)熱量少，泵的工況大大改善，因此泵的壽命和可靠性大大提高。

2.3 應(yīng)急閥設(shè)計(jì)

應(yīng)急閥是整個(gè)控制單元的重中之重關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的命脈，本設(shè)計(jì)中應(yīng)急閥承載著壓力反饋和應(yīng)急切換流量的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。當(dāng)主泵正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)急流量從備用G點(diǎn)直接回油箱，同時(shí)指示燈形成不了回路形成電路“0”給予控制器。當(dāng)主泵出現(xiàn)問題啟用備用“主驅(qū)”的時(shí)候，同時(shí)也考慮切換備用流量問題，以10L/min為界限進(jìn)行直流電機(jī)切換保證高速行駛在前進(jìn)顛簸路段正常行駛。

3 結(jié)構(gòu)分析

本設(shè)計(jì)中單閥液壓流量40L/min，采用雙閥設(shè)計(jì)最大流量在80L/min左右，最多可接14個(gè)外接油缸。螺桿與轉(zhuǎn)向器輸入軸相連接，當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向器輸入軸帶動(dòng)螺桿隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在螺桿上的螺母通過循環(huán)球運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)并左右移動(dòng)，螺母左右運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過齒輪齒條運(yùn)動(dòng)副實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向器輸出軸輸出垂臂轉(zhuǎn)動(dòng)，其中各部件受力非常關(guān)鍵。

3.1 導(dǎo)管變形

本設(shè)計(jì)中選用相交式內(nèi)外螺旋滾道，由于其具有較好的承載能力被廣泛應(yīng)用，導(dǎo)管對(duì)于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，鋼球是受力的載體，那么導(dǎo)管如果出現(xiàn)變形、翹曲整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)則會(huì)損壞，尤其是當(dāng)鋼球滾珠在外循環(huán)滾道發(fā)生卡滯時(shí)，整個(gè)手感非常沉重，導(dǎo)致駕駛員根本無(wú)法運(yùn)行。舌片內(nèi)表面施加力50N，在舌片內(nèi)根部拉應(yīng)力最大為143MPa，鋼球?qū)Ч艿牟馁|(zhì)是08F，其的屈服應(yīng)力175MPa。鋼球?qū)Ч艿陌踩禂?shù)取1.2，故舌片能承受的最大徑向力50N，在上舌片處鋼球傳力三角形的最大夾角是25°。

3.2 螺桿軌道擠壓

轉(zhuǎn)向螺桿應(yīng)力過大，才會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向螺桿疲勞失效的現(xiàn)象，因此 需要通過分析找出在運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)力過大的位置，并提出改善的建議。滾珠絲杠軌道的應(yīng)力分布情況如圖3所示，最大應(yīng)力在154MPa。實(shí)際設(shè)計(jì)的軌道是四點(diǎn)接觸，但是裝配要求特別高，要求在三組螺距之內(nèi)小于8μm，所以需要選配鋼球。同時(shí)徑向在固定螺母情況下，測(cè)量150mm長(zhǎng)的接觸段的螺桿跳動(dòng)必須保持在0.03mm以內(nèi)，整體零部件加工才能保證螺桿螺母裝配之后無(wú)卡滯、間隙晃動(dòng)、自由旋轉(zhuǎn)、應(yīng)力過大變形等問題。

3.3 蝶形彈簧受力曲線

本設(shè)計(jì)中采用印度Mubea蝶形彈簧，蝶型彈簧主要是承受軸向載荷的錐形盤片，一般受力情況下，其盤片是恒定不變的，載荷均勻分布在內(nèi)邊緣和下外表邊緣。多閥大流量選用組合蝶形彈簧，因其變形量是單簧的數(shù)倍，實(shí)際受力主要受切向應(yīng)力影響，下表面承受變應(yīng)力，其詳細(xì)計(jì)算受力如圖4所示。

采用背對(duì)背結(jié)構(gòu)，四組共八片彈簧。材料選用50Crv4，在變形量為4mm的軸向位移的情況下，軸向載荷可以達(dá)到3kN并且屈服強(qiáng)度達(dá)到800MPa。本設(shè)計(jì)軸中閥口采用多端線設(shè)計(jì)，在正常使用中只需2.2mm左右的軸向位移量，在多油缸同時(shí)使用才需達(dá)到極端位置。通過作圖可以看到基本呈現(xiàn)一個(gè)線性的關(guān)系，在往復(fù)或者形成左右不同擺角時(shí)能夠及時(shí)改變形變，從而確保油壓的準(zhǔn)確輸出，保證扭轉(zhuǎn)的手感。

方案中應(yīng)用大流量蝶閥轉(zhuǎn)向器、應(yīng)急泵、應(yīng)急閥以及控制系統(tǒng)組成整個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)。該方案已經(jīng)成功運(yùn)用于軍用項(xiàng)目中，解決了重卡、工程車行駛動(dòng)能失效、崎嶇山路溜坡等特殊危險(xiǎn)情況。本方案將“安全駕駛”理念放在第一位，通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了安全指標(biāo)要求，也為行業(yè)規(guī)范提供了一定的參考思路。

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