三一泵车底盘动力转向系统及其传动比

时间：2023-10-08 理论教育 版权反馈

【摘要】：三一泵车底盘全部采用动力转向系统。转向盘转角增量与转向盘同侧的转向节的转角相应增量之比iω称为转向系统传动比。机械转向系统同时满足转向省力和转向灵敏要求的程度是有限的，因此，三一泵车底盘全部采用动力转向系统。

三一泵车底盘动力转向系统及其传动比

1.转向系统概述

转向系统是通过对左、右转向车轮不同转角之间的合理匹配来保证泵车能沿着设想的轨迹运动的机构。

2.转向系统的功用　　泵车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓泵车转向。就轮式泵车而言，实现泵车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使泵车转向桥（一般是前桥）上的车轮（转向轮）相对于泵车纵轴线偏转一定角度。在泵车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使泵车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复泵车行驶方向的专设机构，即称为泵车转向系统。

泵车转向系统的功用是改变和保持泵车的行驶方向。

3.转向系统的分类　　按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统。

机械转向系统：机械转向系统是以人力作为唯一的转向动力源，其中所有传动件都是机械的；动力转向系统：兼用驾驶员体力和发动机（或电机）的动力为转向动力的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。在正常情况下，泵车转向所需能量只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机（或电机）通过转向加力装置提供的，但在转向加力装置失效时，一般还能由驾驶员独立承担泵车转向任务，保证泵车安全行驶。

三一泵车底盘全部采用动力转向系统。

4.转向系统的基本组成

转向系统的基本组成包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分。

①转向操纵机构：驾驶员操纵转向器的工作机构，主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

②转向器：将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在泵车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。

③转向传动机构：将转向器输出的力和运动传给车轮（转向节），并使左、右车轮按一定关系进行偏转的机构。

5.泵车转向系统的基本参数与概念

两侧转向轮偏转角之间的理想关系式：为了避免泵车在转向时产生路面对泵车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损，要求泵车转向时所有车轮均做纯滚动。这只有在所有车轮的轴线都交于一点时方能实现，如图3-41a所示。对于只用前桥转向的三轴泵车，由于中轮和后轮的轴线总是平行的，并不存在理想的转向中心，可以用一根与中、后轮轴线等距的平行线为假想的与原三轴泵车相当的双轴泵车的后轮轴线。此交点O称为转向中心，如图3-41b所示。由图可见，内转向轮偏转角β应大于外转向轮偏转角α。假设在车轮为绝对刚体的条件下，角α与β的理想关系式应是：cotα=cotβ+B/L。式中，B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L为泵车轴距；e为外转向轮外胎面中心与主销轴延长线和地面相交点之间的距离。

图3-41 两侧转向轮偏转角之间的理想关系

泵车前轮处于最大转角状态行驶时，泵车前轴离转向中心O最远点车轮胎面中心在地面形成的轨迹圆半径，称为前外轮最小转弯半径R_外min：R_外min=L/Sinα_max+e泵车底盘内侧转向轮的最大偏转角α_max一般为35°～42°，泵车底盘的前外轮最小转弯半径约为10～12m。

转向系统角传动比：转向盘转角增量与转向垂臂转角的相应增量之比i_ω1称为转向器角传动比。转向垂臂转角增量与转向盘同侧的转向节的转角相应增量之比i_ω2称为转向传动机构角传动比。转向盘转角增量与转向盘同侧的转向节的转角相应增量之比i_ω称为转向系统传动比。显然i_ω=i_ω1×i_ω2。转向系统角传动比越大，则为了克服一定的地面转向阻力矩所需的转向盘上的转向力矩便越小。但过大，将导致转向操纵不够灵敏，即为了得到一定的转向节偏转角所需的转向盘转角过大。所以，选取时应适当兼顾转向省力和转向灵敏的要求。

机械转向系统同时满足转向省力和转向灵敏要求的程度是有限的，因此，三一泵车底盘全部采用动力转向系统。

图3-42 泵车底盘操纵机构与转向器布置图

1—转向盘 2—转向柱管支架 3—锁止手柄 4—转向柱管 5—导向销 6—转向操纵机构支架 7—上万向节 8—花键轴 9—花键套 10—下万向节 11—角转向器 12—中间传动轴 13—动力转向器 14—转向垂臂 15—转向直拉杆

图3-42所示为泵车底盘操纵机构与转向器布置图。转向操纵机构包括转向盘1、转向柱管4、花键轴8、花键套9、上万向节7、下万向节10等。转向柱管4通过转向操纵机构支架6和转向柱管支架2固定在驾驶室内前围板上。

逆时针旋转锁止手柄3，用力向上拉动或向下推动转向盘1，可调整转向盘1的上下位置；向外拉动转向盘1或向内推动转向盘1可调整前后位置。调整完毕后，顺时针旋转锁止手柄3直到锁紧为止。

转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证泵车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。转向传动机构按照悬架的分类可分为与非独立悬架配用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构两大类，三一泵车底盘现有转向传动机构为与非独立悬架配用的转向传动机构。图3-43所示为泵车底盘转向传动机构，它主要包括转向垂臂2、转向直拉杆6、转向节臂5及由梯形臂3和转向横拉杆4组成的转向梯形。泵车底盘前桥仅为转向桥，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成转向梯形，布置在前桥之后，当转向轮处于与泵车直线行驶相应的独立位置时，梯形臂3与转向横拉杆4在道路平行的水平面内的交角θ<90°。

图3-43 转向传动机构

1—动力转向器 2—转向垂臂 3—梯形臂 4—转向横拉杆 5—转向节臂 6—转向直拉杆

6.转向传动机构

以泵车向左转向为例：通过转向操纵机构和动力转向器使转向垂臂2向前摆动，带动转向直拉杆6前移，再通过转向节臂促使左车轮绕主销中心向左偏转。通过转向梯形使右车轮按一定角度关系向左偏转，实现泵车向左转向行驶。下面具体介绍转向传动机构主要组成零件的结构。

（1）转向垂臂转向垂臂的功用是把转向器输出的力和运动传给直拉杆，进而推动转向轮偏转。图3-44所示为泵车底盘采用的转向垂臂与转向臂轴结构。它采用40Cr钢锻造加工而成，上端加工出带细齿花键的锥孔与转向臂轴连接，下端通过球头销与转向直拉杆连接。为了保证转向垂臂轴在中间位置时从转向垂臂起始的全套转向传动机构也处于中间位置，在转向臂轴的外端面和转向垂臂锥孔外端面上刻有短线，作为装配标志，装配应使两个零件上标记对齐。

（2）转向直拉杆转向直拉杆的功用是将转向垂臂传来的力和运动传给转向节臂。它所受的力既有拉力也有压力。如图3-46所示为泵车底盘转向直拉杆结构。在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对车架跳动时，转向直拉杆、转向垂臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，三者间的连接都采用球头销。中间杆1是一根钢管，其前、后端加工有螺纹（图中分别为左、右端），将活动接头3旋入一定长度，并用卡箍将其可靠锁紧，有效防止螺纹松脱。因为有了活动接头，可以在小范围内调整转向直拉杆的总长度，单边调整范围一般为±15mm，向伸长方向调整时，应特别注意保证活动接头的螺纹超过卡箍最内边15mm，以防止连接不可靠。球头销5的尾端用开槽螺母6固定在转向垂臂的下端。中间杆的后端与活动接头连接，活动接头同样装有球头销，并和转向节臂相连。

图3-44 转向垂臂与转向臂轴

1—转向臂轴 2—转向垂臂 3—止锁垫圈 4—垂臂螺母

图3-45 转向横拉杆

1—接头 2—横拉杆杆体 3—夹紧螺栓

图3-46 转向直拉杆

1—中间杆 2—卡箍 3—活动接头 4—端盖 5—球头销 6—开槽螺母

　　（3）转向横拉杆转向横拉杆的功用是联系左、右梯形臂并使其协调工作。它在泵车行驶过程中反复承受拉力和压力，因此多用高强冷拉钢管制作。(www.daowen.com)

它在泵车行驶过程中反复承力，因此多用高强冷拉钢管制作。如图3-45所示，转向横拉杆由横拉杆体2和旋装在两端的接头1组成。两端接头结构相同（但螺纹的旋向相反），接头旋装到横拉杆体上后，用夹紧螺栓3夹紧。横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋，因此在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆体2，即可改变转向横拉杆的总长度，从而调整转向轮前束。

7.动力转向系统与动力转向器

泵车底盘动力转向系统是在驾驶员的控制下，借助于发动机带动转向油泵产生的液体压力来实现车轮转向。相对于机械转向系，对动力转向系统的要求是：在保证转向灵敏性不变的条件下，有效地提高转向操纵轻便性，提高响应特性，保证高速行车安全，减少转向盘的冲击。

（1）动力转向系统的功用

①泵车转弯时，减少驾驶员对转向盘的操纵力。

②限制转向系统的减速比。

③在原地转向时，能提供必要的助力。

④限制车辆高速或在薄冰上的助力，具有较好的转向稳定性。

⑤在动力转向系统失效时，能保持机械转向系统的有效工作。

（2）动力转向系统的分类

①动力转向系统按控制方式不同可分为普通动力转向系统和电控动力转向系统。

②其中普通动力转向系统按传动介质的不同，可以分为气压式和液压式两种，其中液压式按液流形式，又可分为常压式和常流式两种。常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以采用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使泵车有可能续驶一定距离。常流式的优点则是结构简单，油泵寿命较长，泄漏较少，消耗功率较小。泵车底盘采用常流式动力转向器。

③按转向控制阀阀芯的运动方式，可分为滑阀式和转阀式动力转向系统，泵车底盘采用转阀式动力转向系统。

（3）液压常流转阀式动力转向系统基本工作原理图3-47所示为泵车底盘采用的液压常流转阀式动力转向系统工作原理图。

图3-47 液压常流转阀式动力转向系统工作原理

1—转向油罐 2—转向油泵进油管 3—回油管 4—转向油泵 5—转阀 6—转向油泵出油管 7—动力转向器

系统主要由转向油泵4、动力转向器7、转向油罐1、油管等组成。转阀5集成在动力转向器内（图3-47箭头所示）。动力转向油泵内集成了流量控制阀及压力控制阀。转向油泵借助发动机的动力，产生高压油，转动方向盘可带动转阀动作，高压油进入动力转向器的上腔或下腔，推动活塞向上腔或向下腔运动，活塞上加工有齿条，齿条与转向臂轴上的齿扇相配合，带动转向臂轴旋转，将力传给转向传动机构。

转阀工作原理：

①泵车直线行驶。当泵车直线行驶时，转阀处于中间位置，如图3-48b所示，来自转向油泵的工作油液向阀套8的两个进油口同时进油，油液通过预开隙进入阀芯9的凹槽，再通过阀芯9的回油孔进入阀芯9与扭力杆6间空腔A，再经过阀套8的回油孔通过回油管流回油罐1，形成油路循环。另一回路是转向油泵4压入阀套8的油经过预开隙进入阀套8左右两侧的出油孔，其中一路进入转向器上腔，另一路进入转向器的下腔。由于转向器上下腔均进油，且油压相等，更由于油路连通回油管道而建立不起高压，因此动力转向器不起助力作用。

②泵车左转弯。当泵车左转弯时，转向盘带动转向轴转动并带动扭力杆6，扭力杆6端头与阀芯9用销7连接，因而带动阀芯9转动一个角度，这时阀套8的进油口一侧的预开隙被关闭，另一侧的预开隙开度打开，压力油经扭力杆6与螺杆轴10的间隙，通过孔B和螺杆轴10与活塞11的间隙通到转向器下腔，活塞向上移动，已就是说转向臂轴顺时针转，带动转向垂臂前摆，起到助力作用，泵车向左转弯，如图3-48a所示。

活塞上腔的油液被压出，通过阀套与阀芯间间隙流回转向油罐。

③泵车右转弯。当泵车右转弯时，转向盘带动转向轴转动并带动扭力杆，扭力杆6端头与阀芯9用销7连接，因而带动阀芯转动一个角度，这时阀套的进油口一侧的预开隙被关闭，另一侧的预开隙开度打开，压力油通过阀套与阀芯间间隙压入上腔，活塞11向下移动，已就是说转向臂轴逆时针转，带动转向垂臂后摆，起到助力作用，泵车向右转弯。活塞下腔的油液通过螺杆轴10与活塞11的间隙和孔B，再通过阀芯9与扭力杆6间空腔A进入回油孔，流回转向油罐1，如图3-48c所示。

图3-48 转阀工作原理

1—转向液罐 2—转向液泵进液管 3—回液管 4—转向液泵 5—转向液泵出液管 6—扭力杆 7—销 8—阀套 9—阀芯 10—螺杆轴 11—活塞

当转向盘停在某一位置不再继续转向时，阀芯9在液力和扭力杆的作用下，沿转向盘转动方向旋转一个角度，使之与阀套8相对角位移量减小，上、下腔油压差减小，但仍有一定的助力作用。此时的助力转矩与车轮的回正力矩相平衡，使车轮维持在某一转向位置上。

在转向过程中，如果转向盘转动速度也加快，阀套8与阀芯9的相对角量也大，上、下腔的油压差也相应加大，前轮偏转的速度也加快，如转向盘转动的慢，前轮偏转的也慢，或转向盘转在某一位置不变，对应着前轮也在某一位置上不变。此即称“渐进随动作用”。

如果驾驶员放松转向盘，阀芯回到中间位置，失去了助力作用，转向轮在回正力矩的作用下自动回位。

一旦液压助力装置失效，该动力转向器即变为机械转向器。此时转向盘转动，带动阀芯转动，阀芯下端边缘有缺口，转过一定角度后，带动螺杆轴10转动，而活塞11上加工有螺纹槽，通过钢球与螺杆轴形成运动副，实现纯机械转向操作。

（4）动力转向油泵动力转向油泵是泵和控制阀有机的组合，泵车底盘采用双作用叶片式转向油泵。

①双作用式叶片转向油泵工作原理。在转子每旋转一周的过程中，每个工作空间（或容腔）完成两次吸油和两次压油，故属双作用式。该泵有两个吸油区和两个压油区，且它们所对应的中心角是对称的。

②流量、安全控制阀的工作原理。流量、安全控制阀的工作原理如图3-49所示，转向油泵在发动机的驱动下，给动力转向系统供油，随着发动机转速的变化，使通过节流孔的流量发生变化，从而使节流孔两端的压差Δp（Δp=p₁-p₂）发生变化，这样使稳流阀的受力随转速的变化而变化。当转向油泵的转速超过一定值（一般在1000r/min左右）后，随转速增加，稳流阀的开口逐渐增大，溢流增大使转向油泵输出一个相对稳定的流量，可使转向盘保持良好的稳定性。当外界负荷超过转向油泵的最高压力时，安全阀开启卸荷，可防止系统过载，保护液压转向系统。