某重型卡车驾驶室翻转机构的设计

徐金志

前言

驾驶室液压翻转机构已广泛应用于重型载货汽车中[1]。本文介绍了某重型卡车的驾驶室液压翻转机构的设计。该翻转装置采用一种手动柱塞泵驱动的单液压缸来实现翻转，液压缸下安装点布置在车架右纵梁上，上安装点布置在驾驶室右地板纵梁上，通过集成在柱塞泵中的换向阀改变油缸进、回油方向，使驾驶室绕前支撑的翻转中心点翻转上升或下降，该装置在汽车中的布置形式如图1所示。

1、液压翻转机构的原理

如图2所示该液压翻转机构的原理图，该系统为手动柱塞泵供油，差动传动液压缸施力的液压系统，手动泵在溢流阀调定压力下工作，输出的压力油在换向阀处于图示 P、O位置时，流经换向阀上B通道，首先进入液压锁的锁紧缸，克服锁紧缸中的组合弹簧力，使锁紧缸活塞杆推出，开启液压锁后，系统压力进一步升高，继续流经液控单向阀后进入液压缸下腔，使液压缸上升，此时液压缸上腔的油液经换向阀上A通道同样进入液压缸上腔，液压油缸上、下腔压力差作用使液压缸活塞杆快速上升，驾驶室向前翻转；当转动换向阀处在另一功能位置时，手动泵输出的压力油打开液控单向阀，使液压缸下腔的压力油先后流经液控单向阀、节流阀、换向转阀通道、背压阀后回流至油箱，液压缸的活塞杆下降，驾驶室向下翻转。汽车行驶时，液压缸活塞杆处于最底端。

2、设计计算及校核

2.1 总体参数

该重卡驾驶室总体参数如下：

外形尺寸(长×宽×高)：2190mm×2490mm×2000mm；

设计最大翻转角度：35°；

驾驶室总重：850kg；

驾驶室质心坐标：以驾驶室翻转中心为坐标原点，在二维侧向视图上的驾驶室质心坐标为：驾驶室前后方向x=690，驾驶室高度方向z=886.5；

驾驶室悬置形式：驾驶室悬置为四点悬浮式结构，即前后悬置在车辆行驶中有较大的跳动量。

2.2 液压缸与驾驶室的连接方式的选择

液压缸与驾驶室的连接方式有两种：

连接方式一：如图3所示的连接方式称为硬连接，即液压缸通过固定在驾驶室地板纵梁上的上支架直接连接。

假设驾驶室最大跳动量为 h，根据该跳动量，液压缸缸筒底部该为扩筒式结构，如图4中虚线框内所示，扩筒段（又称为空行程段）长度L应该大于驾驶室最大跳动量，以确保驾驶室在跳动行程范围内，液压缸活塞处于空行程范围内，这样可以消除汽车行驶过程中液压缸对驾驶室悬置减震效果的影响。

连接方式二：如图5所示的连接方式称为软连接，即在液压缸的上端与上支架之间增加一个铰链连接，称为铰链式液压缸，该连接方式采用的液压缸为等缸径结构，不采用底部扩筒式结构。驾驶室锁止时，液压缸活塞处于缸筒降最底部，这时铰链与上支架间的距离为H，H值应大于驾驶室最大跳动量，行车时，驾驶室跳动，铰链绕K点旋转，且铰链与上支架始终不接触，举升时，活塞杆上升，铰链绕K点旋转直至与上支架接触，并推动驾驶室绕旋转点翻转。

因空间的限制，液压缸的布置角度β较大，80°左右，驾驶室振动的跳动量几乎与液压缸活塞杆移动量一致，在恶劣路况下快速行驶时，连接方式一会存在扩筒段内液体上下流动不畅，致使液压缸对驾驶室产生一定阻尼作用[2]。该阻尼作用会导致驾驶室底部异响、液压缸及驾驶室损坏等现象的发生[3]。连接方式二则不存在上述现象。因此液压缸与驾驶室的连接方式采用铰链式液压缸的软连接。

2.3 翻转驾驶室液压缸举升力的计算

根据驾驶室底部空间，设计出的液压缸下支点位置、液压缸工作起始位置及驾驶室翻转开始位置相对于翻转中心坐标如图6所示。

由图中坐标可以得出：

则液压缸起始翻转力臂 O D = OA·sinθ =688.9×sin35.76=402mm

根据图7，可计算出驾驶室顶起的最大翻转力：

为了顺利翻起驾驶室，液压缸的举升力F应该大于驾驶室最大顶起力Fmax，则：

2.4 液压缸压力的校核计算

根据该重卡驾驶室的特点，采用液压缸的基本参数如表1所示：

表1

由于液压缸为差动式结构，实际液体作用面积为活塞杆截面积。则举升驾驶室所需油压

式中：η—液压系统内部效率，取η=90%。

校核结果显示，举升驾驶室所需油压P最大为21.2Mpa，小于液压缸额定工作压力，所选择的液压缸满足举升要求。

2.5 铰链干涉的校核计算

前已述及，液压缸与驾驶室采用铰链式软连接的好处是可避免驾驶室振动的跳动量引起的液压缸与驾驶室干涉。下面需要对该设计进行跳动干涉校核，图8所示为驾驶室锁紧时，即汽车正常行驶状态时液压缸上下端各点相对于翻转中心的坐标位置。根据B点与C点的竖直方向坐标可知，铰链与上支架接触前，液压缸上端可允许最大竖直跳动距离为：21+28.5=49.5mm，而该驾驶室悬置设计最大允许跳动量 H1≤40mm。可见驾驶室最大跳动量40mm小于铰链与上支架干涉时的竖直距离 49.5mm，即铰链在任何路况下不与上支架干涉，满足设计要求。

2.6 前翻限位器的设计及液压缸行程校核

根据驾驶室最大翻转 35°的总体要求，考虑到安全因素，需要设计前翻转限位器，即控制驾驶室最大翻转角度的限位支架。限位器总成一端安在车架纵梁上，另一端安装在固定在驾驶室地板纵梁上的前悬置托架上，如图9所示的布置。图中也列出了限位器三个关键点R、S、T相对于翻转中心的的坐标。由该坐标可以计算出，当驾驶室翻转至限位器拉直时，即 R、S、T三点共线时，驾驶室翻转至最大角度35°，此时，C随翻转中心变化到 C’位置，经计算得出AC’=764mm<液压缸最大长度780mm，故限位器的设计满足液压缸在工作行程范围内的要求。

2.7 液压缸安全撑杆的设计

为了保证在翻转后，在液压系统失效的情况下，驾驶室不出现突然降落的现象，液压缸上设计了安全撑杆机构，如图10所示，安装在液压缸上撑点上的安全撑杆上带有4个方孔，驾驶室翻转至一定角度时，固定在缸体上的卡爪在弹簧作用下落到方孔内，此时即使液压系统失效，卡爪能撑住安全撑杆，防止驾驶室下落，起到安全保障作用。

设计要点：要控制好卡爪中心与方孔中心的距离，即控制 L1、L2、L3、L4的长度，尤其要注意，驾驶室翻转至最大角度时，要保证卡爪落入到最下面的方孔。

驾驶室正常下降时，需要操作拉丝，将卡爪张开。

2.8 手动柱塞泵的参数选择及计算

1）柱塞泵参数选择：手动柱塞泵的总体参数如表2所示：

表2

2）储油量的计算：整个翻转系统液压缸所需油量最大，液压缸所需最大油量为：

加上液压锁及管路油量，系统所需油量总量 V总=400ml<柱塞泵储油量440ml，故泵的储油量满足要求。

3）泵油次数的计算：从前面计算的结果可知，驾驶室从最低翻转至最高，液压缸总行程为764-475=289mm，根据原理图2可知，差动缸上升过程中，泵进缸内的油仅为活塞杆行程引起的油量变化，则手动泵泵油次数为：

4）手动泵操作力的计算

根据随车工具尺寸，泵油杆尺寸为500mm，根据图11可计算出手动泵最大操作力为：

3、小结

该重卡驾驶室翻转机构采用手动柱塞泵驱动单液压缸式结构，液压缸与驾驶室的连接方式采用铰链式液压的软连接。经过对该机构的计算，相关计算结果如表3所示：

表3

另外对前翻限位器及液压缸安全撑杆的设计做了简要叙述。

[1] 潘习炎,段奇德,朱碧霞,等.汽车驾驶室液压翻转机构的设计与制造 [J].汽车科技,2001(4):10-12.

[2] 章宏甲,黄谊.液压传动[M].北京：机械工业出版社,1997.

[3] 向继伟,王璜,张路阳等.某型越野汽车驾驶室翻转系统设计[J].2009中国汽车工程学会论文集,2009:1439-1446.