某除雪車轉向機械結構改進以及液壓系統優化

關鍵詞：機場除雪車；三種轉向模式；ADAMS/VIEW；冗余結構；優化設計

中圖分類號：U463.45 收稿日期：2025-03-27 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.010

Improvement of Steering Mechanical Structure and Optimization of Hydraulic System for a Snow Removal Vehicle

Yuan Ziheng Yan LeileiWang LiyanZhou Liang Shaanxi Heavy-Duty Motor Compang Limited，Xi'an 71020o，China

Abstract：Inactualworkingenvironments，irportsnowrmovalvehiclesnedtomettherequirementsofchaisstenginnar rowspaces.Inresponsetoteserequirements，bottomplatesystemwiththreesteringmodes：frontwheelcentripetalandcrab shaped，is designed based on acertain type of snow removal vehicle chassis with a 4×4 drive form and single front axle steering.ADAMS/VIEWisappliedtocompleteKinematicsimulation.Andoptimizetehydraulicsystem，designasafetyredundancystructuret methesafetyrequirementsforuse.Practicehasproventhatthisoptimizationmeasureiseffective.Researchconclusionscanbeusedas a reference for relevant practitioners.

Key words：Airport snow removal vehicle; Thre steering modes;ADAMS/VIEW;Redundancy structure;Optimal design

1前言

長期以來，國內機場除雪裝備大部分依賴進口，國內無可靠大型綜合作業系統承載底盤。進口設備的采購成本高，且存在備件供應期長、本土化適配不足等問題。

根據機場除雪車作業環境的特點以及車輛需要高效完成除雪任務的指標，為某型機場除雪作業系統量身打造一款具有前輪、向心、蟹形三種轉向模式，且最小轉彎直徑小于 13m 的高性能機場除雪車底盤轉向系統。

2原轉向機械結構

2.1原機械結構布置

原車型采用斷開式轉向梯形獨立懸架，以保證一側車輪上下跳動時，不會影響另一側車輪[1]。

圖1a為前橋轉向橋機構布置簡圖2。其中，A點通過花鍵配合與轉向器連接； D 點 ，D^′ 點通過立軸與車架左右縱梁連接； H 點 ，H^′ 點與前橋輪邊總成連接； AB 表示轉向搖臂； BC 表示轉向直拉桿； CDEF 表示前橋擺臂（右）； FG 表示前橋輪邊橫拉桿（右）； GH 表示前橋轉向節臂（右）； EE^′ 表示前橋中間拉桿； OD^′E^′F^′ 表示前橋擺臂（左）; F^′G^′ 表示前橋輪邊橫拉桿（左）; G^′H^′ 表示前橋轉向節臂（左）； 表示前橋轉向助力缸。

圖1b為后橋非轉向橋機構布置簡圖[2]。其中，I點 ?^I′ 點通過支架與車架左右縱梁連接； K 點 ?K^′ 點與后橋輪邊總成連接； IJ 表示后橋輪邊橫拉桿（右）； JK 表示后橋轉向節臂（右）； I^′J^′ 表示后橋輪邊橫拉桿（左）； J^′K^′ 表示后橋轉向節臂（左）。

2.2原機械結構問題

2.2.1轉彎模式

原車型采取單前橋轉向的轉彎模式，車輛轉彎如圖2所示。

2.2.2原機械結構最小轉彎直徑

車輛的最小轉彎半徑 R_min 與其最大外輪轉角 β 軸距 L 及轉向輪的轉臂 Ψ_a 有關。該轉彎模式下的理論最小轉彎直徑 D 由以下公式求得[3]：

由于實際的斷開式轉向梯形結構不能保證設計的理論轉角與實際車輛運動轉角一致，會存在誤差，因此在實際求理論最小轉彎直徑 D_H 時，會在 D 的計算結果下再加上誤差值。這里的誤差值根據經驗常取 2m 。

D_H=D+2m

將車輛的相關參數代人式（1）式（2），計算出理論最小轉彎直徑為 21m ，遠遠大于 13m ，故不滿足最小轉彎直徑要求。

3轉向機械結構改進設計

3.1改進后機械結構布置

為滿足最小轉彎直徑的要求，在原有的轉向系統基礎上，保持前橋轉向橋機械結構不變，將后橋設計成轉向橋，實現車輛的前輪、向心、蟹形三種轉向模式[4]。

圖3為后橋轉向橋機構布置簡圖。其中， L 點 ?L^′"點通過立軸與車架左右縱梁連接； Q 點 ∴Q^′"點與后橋輪邊總成連接；SLMN表示后橋擺臂（右）； NP 表示后橋輪邊橫拉桿（右）; PQ 表示后橋轉向節臂（右）;MM'表示后橋中間拉桿； RL^′M^′N^′"表示后橋擺臂（左）； N^′P^′"表示后橋輪邊橫拉桿（左）; P^′Q^′"表示后橋轉向節臂（左）； SS^′"表示后橋轉向助力缸； RR^′"表示后橋轉向對中缸。

3.2轉彎模式

改進后的轉向梯形能夠實現車輛的前輪、向心、蟹形三種轉向模式，車輛向心轉彎如圖4a所示，車輛蟹形轉彎如圖4b所示。

3.3改進后機械結構最小轉彎直徑

該轉彎模式下的理論最小轉彎直徑由以下公式求得：

式中，δ為外輪轉角。

因此，理論最小轉彎直徑 12m ，滿足最小轉彎直徑（ 13m 的要求。

該車經過實車驗證，車輛的最小轉彎直徑實測值為11.7m ，與理論值基本一致，均滿足最小轉彎直徑要求。

4改進后前、后轉向模型的運動仿真

4.1運動仿真模型

在ADAMS/VIEW中搭建前后橋轉向梯形的運動仿真模型，前橋轉向梯形的運動仿真模型如圖5a所示；后橋轉向梯形的運動仿真模型如圖5b所示。

前輪轉向模式的運動仿真模型如圖6a所示；向心轉向模式的運動仿真模型如圖6b所示；蟹形轉向模式的運動仿真模型如圖6c所示。

前后橋轉向梯形左右輪轉角曲線[5]。模擬車輛蟹形右轉的情況下，前橋轉向梯形左右輪轉角曲線如圖7a所示；后橋轉向梯形左右輪轉角曲線如圖7b所示。

4.2前后橋轉向轉角關系

通過在ADAMS/VIEW中創建輪邊轉角函數得到向心左轉時前后橋車輪內外輪轉角關系以及助力缸位移量見表1。

從表1可以看出設計的前后橋轉向梯形在ADMAS中運動仿真時，當驅動時間一致時，前橋內外輪理論轉角與后橋內外輪理論轉角基本一致。因此在理論上轉向時的瞬時中心基本在同一點上，這就避免輪胎的側向磨損，提高路面適應性[6]。

5液壓系統優化

5.1液壓原理圖

a.前輪轉向：液壓油箱中轉向液壓油進入發動機驅動的前轉向油泵或分動器驅動的應急泵（主油路故障時）中[7]，經過應急閥流向轉向器，通過轉向器內部分配閥給前橋的助力缸供油，從而推動前橋的轉向桿件以達到使前橋車輪轉向的目的。并且轉向液壓油還通過應急閥流向對中缸，保證前輪轉向模式下后橋處于對中狀態。

b.向心、蟹形轉向：液壓油箱中轉向液壓油進入發動機驅動的后轉向油泵中，通過比例閥來控制液壓油流量與流向，從而控制后橋的轉向。

5.1.1應急閥原理

應急閥原理圖如圖9所示[8]。

前轉向油泵液壓油進應急閥P1口；應急泵液壓油進應急閥P2口。應急閥策略為流量優先，正常情況下P1直連A口給轉向器供油，此時P2直連T口直接流回轉向油箱。

當P1口流量下降至臨界點時，應急閥P2口直連A口，P1口直連T口。

5.1.2電磁換向閥原理

電磁換向閥原理圖如圖10所示。

應急閥的液壓油進入電磁換向閥A口。電磁換向閥通路通過電信號控制，斷電情況下A口直連C口給對中缸供油，此時A口與B口是斷開的。

通電情況下A口直連B口，液壓油流回轉向油箱，此時A口與C口是斷開的。

5.2方案設計

改進后的車輛前橋的轉向形式不變，車輪轉角由方向盤轉角決定，通過轉向器內部分配閥控制轉向油泵或者應急泵（主油路故障時）給前橋的助力缸供油，從而推動前橋的轉向桿件以達到使前橋車輪轉向的目的。后橋采用電控液壓轉向，由比例閥控制進入助力缸的液壓油流向和流量。由于后橋的轉向系統左右輪通過桿系連接，所以只需控制進人后橋助力缸的流量即可達到控制內外車輪轉角的目的。轉向角度采用閉環反饋控制，通過內置在前橋助力缸的位移傳感器，將前橋內輪的轉角信號送給控制單元，由控制單元發出指令控制比例閥的開口流量。同時用傳感器采集后橋助力缸反饋的位移信號，通過控制單元的比較處理，修正比例閥的開口流量，從而提高后橋車輪轉角的精度，前后橋助力缸位移量見表1。通過控制比例閥的流向即可實現車輛的向心蟹形轉向。

5.3冗余結構

a.增加后橋強制對中命令：當車速高于預設值時，通過控制液壓系統中電磁閥組的通斷電信號開關，完成系統強制從向心、蟹形切換到前輪轉向模式的命令，后橋的轉向系統采用液壓鎖止，不參與工作；當車速 v 低于預設值時，駕駛員可根據需要切換到前輪、向心、蟹形轉向模式。轉向模式切換控制圖如圖11所示。

b.前輪轉向模式增加應急轉向系統：該車型轉向系統在分動器上設有應急泵，前轉向油泵液壓回路失效時通過閥組切換應急泵輸出的液壓油進入轉向器的液壓油路，確保除雪作業過程中如遇轉向液壓主回路故障能夠及時駛離飛機跑道。

6結語

本文介紹了某機場除雪車轉向機械結構改進，以及液壓系統的優化，該設計結構已在實車上應用，設計可靠。通過將 4×4 驅動形式底盤車輛后橋改動為轉向橋，相比該車型前輪轉向模式，最小轉彎直徑可降低約50% ；并且后橋轉向是通過電信號來控制閥組，通過閥組控制后橋助力缸流量、流向，從而控制車輪轉向，反應時間短且可控；增加冗余結構，提高了汽車的使用安全性，保障了除雪作業過程中如遇轉向液壓主回路故障能夠及時駛離飛機跑道。

參考文獻：

[1]吉林工業大學汽車教研室.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，1981.

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[4]彭莫，刁增祥，姚國平.軍用汽車的發展趨勢[J].軍用汽車，1999（2）：19-20.

[5]李增剛.ADANS入門詳解與實例[M].北京：國防工業出版社，2010.

[6]彭莫，周良生，岳驚濤，等.多軸汽車[M].北京：機械工業出版社，2014.

[7]姜繼海，張健，張彪.液壓傳動M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2020.

[8]劉康寧.某種類型的多軸重型汽車轉向系統設計[J].專用汽車，2025（3）：29-32.

作者簡介：袁梓恒，男，1999年生，助理工程師，研究方向為車輛轉向設計。