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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 I 摘要 四輪轉(zhuǎn)向是指汽車的后輪也和前輪一樣具有一定的轉(zhuǎn)向功能，不僅可以與前輪同 方向轉(zhuǎn)向，也可以與前輪反方向轉(zhuǎn)向。四輪轉(zhuǎn)向汽車的環(huán)保性和節(jié)能性與現(xiàn)代汽車的 設(shè)計理念相吻合，它適應汽車未來發(fā)展的趨勢，存在廣闊的發(fā)展前景。本文對液壓式 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究，主要工作如下： 對課題進行了文獻檢索，查看了相關(guān)資料；對國內(nèi)外四輪轉(zhuǎn)向汽車的研究現(xiàn)狀進 行了詳細的介紹，明確了設(shè)計的基本內(nèi)容及需解決的主要問題；對四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行 了分析，包括受力分析和運動學分析；設(shè)計了三種四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案， 經(jīng)過對比分析，選定其中一種作為最終的液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案；確定該方案中液 壓系統(tǒng)的參數(shù)；對該方案中液壓系統(tǒng)的液壓缸進行設(shè)計和計算；對該方案中液壓系統(tǒng) 的液壓元件進行選取。 關(guān)鍵詞：四輪轉(zhuǎn)向；系統(tǒng)分析；液壓系統(tǒng)；液壓缸；液壓元件 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 II ABSTRACT Four-wheel steering refers to the rear car and has some of the same front steering function, can not only with front wheel steering, also can in opposite direction with front wheel steering. Four-wheel steering the environment protection and energy conservation car with modern car design idea coincide, it to adapt to automobile future development trends, existing broad development prospects. Based on the hydraulic four-wheel steering system and main work is as follows: On issues of literature retrieval, examined the related material; To domestic and international research status of four-wheel steering cars were introduced in detail, has been clear about the design of the basic content and the main problems need to be solved; For four- wheel steering system is analyzed, including stress analysis and kinematics analysis; Design three four-wheel steering automobile steering hydraulic system scheme, through comparative analysis, select one as the final the hydraulic four-wheel steering system solution; To determine this scheme hydraulic system parameters; For this scheme of the hydraulic cylinder hydraulic system design and calculation; For this scheme of the hydraulic system for selecting hydraulic element. Key words: Four-wheel steering; System analysis; Hydraulic system; The hydraulic cylinder; Hydraulic components 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 目錄 摘要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 緒論 .1 1.1 選題的背景及目的 .1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .1 1.3 設(shè)計的基本內(nèi)容 .5 1.4 設(shè)計解決的主要問題 .6 第 2 章 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 .7 2.1 前輪轉(zhuǎn)向汽車與四輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析對比 .7 2.1.1 前輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析 .7 2.1.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析 .7 2.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車受力分析 .9 2.3 本章小結(jié) .10 第 3 章 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案的確定 .11 3.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案一 .11 3.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案二 .12 3.3 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案三 .13 3.4 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案的確定 .14 3.5 本章小結(jié) .15 第 4 章 轉(zhuǎn)向液壓缸的設(shè)計與計算 .16 4.1 設(shè)計的主要技術(shù)指標和要求 .16 4.2 轉(zhuǎn)向液壓缸的主要尺寸的確定 .16 4.2.1 轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑及活塞桿直徑的確定 .16 4.2.2 轉(zhuǎn)向液壓缸外徑及缸筒壁厚的確定 .18 4.2.3 轉(zhuǎn)向液壓缸導向長度、活塞寬度和導向套滑動面長度的確定 .18 4.2.4 轉(zhuǎn)向液壓缸所受壓力的確定 .18 4.2.5 轉(zhuǎn)向液壓缸最大流量和最大速度的確定 .19 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 4.2.6 液壓缸缸筒底部厚度的確定 .19 4.2.7 液壓缸活塞往復運動時的速度之比的確定 .20 4.2.8 液壓缸活塞行程時間的確定 .20 4.2.9 液壓缸所做的功和功率的確定 .21 4.3 液壓缸強度的校核 .21 4.3.1 缸筒壁厚強度校核 .21 4.3.2 活塞桿強度校核 .22 4.4 本章小結(jié) .22 第 5 章 液壓元件的選取 .23 5.1 液壓泵的選擇 .23 5.1.1 計算液壓泵的最大工作壓力 .23 5.1.2 計算液壓泵的最大流量 .23 5.1.3 液壓泵規(guī)格的選擇 .23 5.1.4 計算液壓泵的驅(qū)動功率并選擇電動機 .24 5.2 液壓執(zhí)行元件的選擇 .24 5.2.1 液壓缸的選擇 .24 5.2.2 液壓馬達的選擇 .24 5.3 液壓控制閥的選擇 .25 5.4 液壓輔助元件的選擇 .25 5.4.1 油箱的選擇 .25 5.4.2 油管和油管接頭的選擇 .25 5.4.3 蓄能器的選擇 .26 5.4.4 液壓工作介質(zhì)、過濾器和壓力表的選擇 .27 5.5 本章小結(jié) .27 結(jié)論 .28 參考文獻 .29 致謝 .30 附錄 A.31 附錄 B.37 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 1.1 選題的背景及目的 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車行駛速度的提高及道路行使密度的增大，作為實現(xiàn)主 動安全性的方法之一的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)日益受到重視。四輪轉(zhuǎn)向的主要優(yōu)點是在轉(zhuǎn)向時 能夠保持重心偏角基本為零，極大地改善了橫擺角速度和側(cè)向加速度的瞬態(tài)性能指標。 另外低速時能夠減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，使汽車在低速行使時更加靈活，而且還能獨立 地控制汽車的運動軌跡與姿態(tài)，使方向角與姿態(tài)角重合，提高汽車的側(cè)向穩(wěn)定性；高 速行駛時同相位轉(zhuǎn)向，方向盤到后輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎力的時間相對滯后，使車身方向與實際 行駛方向的偏差減小，從而具有較好的穩(wěn)定感。近幾年，載貨車和專用作業(yè)車的噸位 逐漸增大，有的總重量已超過 30t，汽車車軸由兩軸增加多軸，因而工程機械操縱的 靈活性和穩(wěn)定性要求顯得越來越重要。在電子技術(shù)不斷提高，控制理論不斷完善的前 提下，開展四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)的研究已是眾多汽車廠商能否占有市場的關(guān)鍵。四輪轉(zhuǎn)向技 術(shù)是未來重型汽車轉(zhuǎn)向靈活性的發(fā)展趨勢，在高速發(fā)展的現(xiàn)代化社會，高的機械效率 和低的能量消耗在汽車設(shè)計中具有很重要的地位。四輪轉(zhuǎn)向汽車與現(xiàn)代化的設(shè)計理念 相吻合，即它的環(huán)保性和節(jié)能性，它適應汽車發(fā)展的趨勢，存在廣闊的市場前景。 本課題旨在對汽車四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)原理進行簡單介紹，結(jié)合發(fā)展現(xiàn)狀， 給出電液控制式四輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的設(shè)計過程，為設(shè)計開發(fā)四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供參考依 據(jù)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 所謂四輪轉(zhuǎn)向，即 4WS(4 Wheel Steering)，是指后輪也和前輪一樣具有一定的 轉(zhuǎn)向功能，不僅可以與前輪同方向轉(zhuǎn)向，也可以與前輪反方向轉(zhuǎn)向。其主要目的是增 強轎車在高速行駛或在側(cè)向風力作用下的操縱穩(wěn)定性，改善低速時的操縱輕便性，在 轎車高速行駛時便于由個車道向另一個車道的移動調(diào)整，以減少調(diào)頭時的轉(zhuǎn)彎半徑。 汽車的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在 20 世紀 80 年代中期開始發(fā)展，四輪轉(zhuǎn)向主要有兩種方式：當 后輪轉(zhuǎn)向與前輪轉(zhuǎn)向方向相同時稱為同向位轉(zhuǎn)向；當后輪轉(zhuǎn)向與前輪轉(zhuǎn)向方向相反時 稱為逆向位轉(zhuǎn)向。四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)目前被很多公司所采用，其中大多應用在了大型車輛 上，也有一些 SUV 以及跑車具有四輪轉(zhuǎn)向的功能。配備四輪轉(zhuǎn)向之后，車輛可以減少 轉(zhuǎn)彎半徑、提高低速行駛時的機動性以及高速行駛時的操縱性和可控制能力。我們以 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 2 德爾福公司的 OUADRASTEER 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例對四輪轉(zhuǎn)向進行介紹，它也是目前最為 先進的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之一。OUADRASTEER 是在傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上增加了一個電動 盾輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。系統(tǒng)有四個主要部件前輪定位傳感器、可轉(zhuǎn)向的整體準雙曲面后 軸、電動機驅(qū)動的執(zhí)行器以及一個控制單元。前輪定位傳感器和車輛速度傳感器連續(xù) 不斷地向控制單元報告數(shù)據(jù)，控制單元根據(jù)報告的數(shù)據(jù)確定后輪合適的角度。通過計 算，決定正確的操作階段。該系統(tǒng)有三種主要運行方式：負相、中相、正相。低速行 駛時后輪轉(zhuǎn)彎方向與前輪相反，這就是負相。中速行駛時，后輪筆直而保持中相。 高速行駛時。后輪處于正相，和前輪轉(zhuǎn)彎方向相同。在低速行駛時，負相拖曳操縱， 尾部跟隨車輛的真實軌跡，比兩輪轉(zhuǎn)向更緊密。這使得在城市交通中的駕駛更容易。 低速操縱時，如倒車上船板或野營帶拖車停車時，OUADRASTEER 將使操縱更容易。倒 拖車時。負相極大地改進拖車對轉(zhuǎn)向動作的反應，更容易使車輛就 QUADRASTEER 提高 了車輛的高速行駛平穩(wěn)性。高速行駛時后輪和前輪的轉(zhuǎn)向相同，有助于減少車輛側(cè)滑 或扭擺，對平衡車輛在超車、變道、或躲避不平路面時的反應均有幫助。此外， OUADRASTEER 和四輪驅(qū)動系統(tǒng)也可以完全兼容，并能提高四輪驅(qū)動系統(tǒng)的性能，根據(jù) 制造廠商的要求，既能由駕駛員選擇，又能實現(xiàn)全自動化。比如，使用選擇界面，駕 駛員就能調(diào)節(jié)不同駕駛條件下后輪轉(zhuǎn)向的性能。選擇模式包括一個一般駕駛，個拖 車拖運，個兩輪轉(zhuǎn)向。如果四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)損壞的話。QUADRSEER 系統(tǒng)還可控制回到 正常兩輪轉(zhuǎn)向模式。4WD 可以兼容 4WS，但是功能不同，但是有重合，起到的作用， 設(shè)計的目的也不是很相同，4WS 是對車的狀態(tài)的調(diào)整，還具有減少側(cè)風對車身的影響。 近幾年國內(nèi)外都在積極開展四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)。從英國利蘭公司 1934 年開始生產(chǎn)四 軸載貨汽車算起，至今已有 60 多年的歷史。然而在一些工業(yè)發(fā)達國家卻由于法規(guī)方 面的原因，在相當長的時間內(nèi)一直不允許使用四軸車，在這方面較為典型的例子是原 聯(lián)邦德國和美國。因此也就限制了四軸汽車的發(fā)展。但是由于四軸汽車比三軸和兩軸 汽車裝載質(zhì)量大，有利于改善交通擁擠狀況，1985 年原聯(lián)邦德國巴特勒研究所建議 將四軸汽車作為改善交通流量的載貨汽車,1989 年本茨公司生產(chǎn)了 1320 輛四軸汽車， 具有 90 年代先進水平。四軸汽車的轉(zhuǎn)向靈活性差，于是有了雙前軸轉(zhuǎn)向汽車。進入 20 世紀 90 年代，電子技術(shù)的高速發(fā)展和微電腦在汽車上應用日趨成熟，使汽車開始 進入智能化階段。1985 年日產(chǎn)汽車公司推出世界上第一套用于轎車的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （電子控制液壓工作式） ，并把它命名為“高性能主動懸掛” 。同時本系統(tǒng)增加了滯后 控制，即讓后輪轉(zhuǎn)向時間比前輪稍微延遲一些。這種控制方法的應用避免了后輪和前 輪在同一時間內(nèi)做同相位轉(zhuǎn)向時后輪防礙車身旋轉(zhuǎn)的情況，消除了轉(zhuǎn)彎開始時汽車偏 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 3 擺的滯后，得到自然的轉(zhuǎn)向反應性。 “高性能主動懸掛”是四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法的 一次突破。新的控制理論不斷地與四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)相結(jié)合，例如自適應控制，模糊控制， 最優(yōu)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，使得四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)設(shè)計理念模塊化， 智能化。日產(chǎn)汽車公司之四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(HICAS)(Irie，1989；Furukawa，1989)利用 后輪先中立再同相位轉(zhuǎn)向之車輛重心側(cè)滑角控制方法，此四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括：偵測車 速及方向盤轉(zhuǎn)動量之傳感器、接受車速及方向盤轉(zhuǎn)動量之輸入以計算后輪轉(zhuǎn)角大小之 控制器、液壓系統(tǒng)及安全裝置。當控制器接受車速及方向盤轉(zhuǎn)動量之輸入時，會立即 經(jīng)控制器計算出后輪所需之轉(zhuǎn)角后，傳送訊號至液壓系統(tǒng)，進而推動后輪至所要求之 轉(zhuǎn)角。日產(chǎn)汽車公司之后又研發(fā)出利用后輪先逆向立轉(zhuǎn)向再同相位轉(zhuǎn)向之四輪轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)(SUPERIdlCAS)(Egudli，1989)。此四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)系利用控制器接受車速傳感器及 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器之訊號來計算出后輪所需之轉(zhuǎn)角，繼而使液壓系統(tǒng)推動后輪轉(zhuǎn)向， 而此四輪轉(zhuǎn)向車輛之后輪轉(zhuǎn)角最多只可達到 1 度。此四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)亦配有安全裝置， 當四輪轉(zhuǎn)向車輛因液壓系統(tǒng)或控制器發(fā)生故障時，安全裝置會令后輪恢復至中立轉(zhuǎn)向， 使車輛回復至一般前輪轉(zhuǎn)向車輛之操作，以免造成行車之危險。 從 20 世紀初(1907 年)，日本政府頒發(fā)第一個關(guān)于四輪轉(zhuǎn)向的專利證書開始，對 于汽車四輪轉(zhuǎn)向的研究一直伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展而進行著。二戰(zhàn)期間，美國的一些 軍用車輛和工程車輛上采用一種前、后輪逆相位偏轉(zhuǎn)的簡單機械式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以 適應惡劣的路況，改善汽車低速轉(zhuǎn)向時的機動性能。1962 年，在日本汽車工程協(xié)會 的技術(shù)會議上，提出了后輪主動轉(zhuǎn)向的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，開始了現(xiàn)代四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研 究。在 70 年代末，本田和馬自達積極投入到四輪轉(zhuǎn)向的開發(fā)。1985 年，日本的尼桑 在客車上應用了世界上第一例實用的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，應用在一種車型的高性能主動控 制懸架上。隨著對四輪轉(zhuǎn)向這一領(lǐng)域研究的不斷進展，出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不 同控制策略的實用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。一般來說，四輪轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)向過程中，根據(jù)不同 的行駛條件，前、后輪轉(zhuǎn)向角之間應遵循一定的規(guī)律。目前，典型四輪轉(zhuǎn)向汽車的后 輪偏轉(zhuǎn)規(guī)律是： (1)逆相位轉(zhuǎn)向 在低速行駛或者方向盤轉(zhuǎn)角較大時，前、后輪實現(xiàn)逆相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn)方 向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相反，且偏轉(zhuǎn)角度隨方向盤轉(zhuǎn)角增大而在一定范圍內(nèi)增大(后輪 最大轉(zhuǎn)向角一般為 5左右)。這種轉(zhuǎn)向方式可改善汽車低速時的操縱輕便性，減小 汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高汽車的機動靈活性。便于汽車掉頭轉(zhuǎn)彎、避障行駛、進出車庫 和停車場。 (2)同相位轉(zhuǎn)向 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 4 在中、高速行駛或方向盤轉(zhuǎn)角較小時，前、后輪實現(xiàn)同相位轉(zhuǎn)向，即后輪的偏轉(zhuǎn) 方向與前輪的偏轉(zhuǎn)方向相同(后輪最大轉(zhuǎn)角一般為 1左右)。使汽車車身的橫擺角速 度大大減小，可減小汽車車身發(fā)生動態(tài)側(cè)偏的傾向，保證汽車在高速超車、進出高速 公路、高架引橋及立交橋時，處于不足轉(zhuǎn)向狀態(tài)?，F(xiàn)在，有許多四輪轉(zhuǎn)向汽車把改善 汽車操縱性能的重點放在提高汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性上，而不過分要求汽車在低 速行駛時的轉(zhuǎn)向機動靈活性。其工作特點是低速時汽車只采用前輪轉(zhuǎn)向，只在汽車行 駛速度達到一定數(shù)值后(如 50kmh)，后輪才參與轉(zhuǎn)向，進行同相位四輪轉(zhuǎn)向。與普 通的前輪轉(zhuǎn)向汽車相比，四輪轉(zhuǎn)向汽車具有如下特點： 優(yōu)越性： (1)轉(zhuǎn)向操作的響應加快，準確性提高； (2)轉(zhuǎn)向操作的機動靈活性和行駛穩(wěn)定性提高； (3)抗側(cè)向干擾的穩(wěn)定性好； (4)超車時，變換車道更容易，減小了汽車產(chǎn)生擺尾和側(cè)滑的可能性。 不足性： (1)低速轉(zhuǎn)向時，汽車尾部容易碰到障礙物； (2)實現(xiàn)理想控制的技術(shù)難度大； (3)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、成本高； (4)轉(zhuǎn)向過程中，阿克曼定理難保證。 進入上世紀九十年代，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，使得電子技術(shù)廣泛應用于提高車輛 總體性能上，尤其是改善車輛操縱穩(wěn)定性方面，加上現(xiàn)代控制理論的應用，以及計算 機模擬仿真技術(shù)的融入，使得 4WS 發(fā)展更加成熟、應用更為廣泛在工程機械領(lǐng)域，由 于工程車輛行走條件以及自身總體布置等要求，需要的車輛行駛速度可以很低，但轉(zhuǎn) 向的功能要求很高，所以普通兩輪轉(zhuǎn)向車輛難以實現(xiàn)。由于四輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)彎半徑 明顯小于前輪轉(zhuǎn)向車輛(最高時可以縮小一半)，使工程車輛在狹窄場地具有良好的通 過性。四輪轉(zhuǎn)向已在從國外引進的工程車輛上得到實際應用，如美國 CMI Terex 的 四履帶水泥攤鋪機 SF-3004 和美國 Case 公司的 560 挖溝機等。其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要采用 SAUER 公司提供的電液轉(zhuǎn)向系(EHPS)?；镜霓D(zhuǎn)向系由先導閥和電液轉(zhuǎn)向組合閥塊組 成，組合閥塊控制輸出到轉(zhuǎn)向缸的油流與先導閥的輸人油流成正例。此系統(tǒng)還可用控 制手柄實現(xiàn)電子信號輸入，以及加入微控制器實現(xiàn)電子信號輸入。 電液轉(zhuǎn)向系的優(yōu)點：很高的轉(zhuǎn)向壓力只需要較小的轉(zhuǎn)向液壓缸；輔助閥的低壓可 以降低系統(tǒng)的噪聲；當泵失效時可以實現(xiàn)手動緊急制動；降低車輛的側(cè)偏加速度：微 控制器可以實現(xiàn)無轉(zhuǎn)向漂流，可變轉(zhuǎn)向比，自動轉(zhuǎn)向，以及 CAN 總線接口等?？v觀工 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 5 程機械的發(fā)展，在技術(shù)上大致經(jīng)歷了三次革命：柴油機的出現(xiàn)、液壓技術(shù)的廣泛應用 以及電子技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)的廣泛應用。要使工程機械高效節(jié)能，就要對發(fā)動 機和傳動系統(tǒng)進行控制，合理分配功率，使其處于最佳工況；為了減輕駕駛員勞動強 度和改善操縱性能，需要采用自動控制，實現(xiàn)工程機械自動化；要完成高技能的作業(yè)， 就需要智能化；為了提高安全性，需要安全控制，進行運行狀態(tài)監(jiān)視，故障自動報警； 隨著建設(shè)領(lǐng)域的擴展，為了避免人員到達無法及不易接近的場所及作業(yè)環(huán)境十分惡劣 的地方去作業(yè)，需要采用遠距離遙控和無人駕駛技術(shù)。這一切都說明了工程機械當前 的主要問題是控制問題。要解決控制問題，必須引人具有良好控制性能和信息處理能 力的電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和電液控制技術(shù)以及相應的軟件控制技術(shù)為一體的先進的 控制器。 基于四輪轉(zhuǎn)向的發(fā)展方向，目前國內(nèi)外的公司對于四輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)的控制主要采用 的是數(shù)字控制，這是鑒于數(shù)字控制的很多優(yōu)點：程序化控制，控制器按照所設(shè)計的控 制規(guī)律進行運算和數(shù)字信息的處理，主要通過程序(即軟件)來實現(xiàn)，若改變控制規(guī)律 只需改變軟件，而不必改變系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)：控制精度高，在模擬控制系統(tǒng)中，控制 器的精度由元件的精度而定，數(shù)字控制器精度由字長決定；穩(wěn)定性好；軟件復用，在 模擬系統(tǒng)中，需用相同的硬件環(huán)境實現(xiàn)，數(shù)字控制器是程序控制，只需要設(shè)計和編寫 實現(xiàn)其模型的子程序模塊，即可方便地實現(xiàn)多個功能的環(huán)節(jié)。 目前各個廠家大多采用的是 PLC、單片機應用于四輪轉(zhuǎn)向控制器中，功能基本能 夠?qū)崿F(xiàn)，相比較之下。信號處理能力較強的數(shù)字信號處理器(DSP)各方面均性能優(yōu)于 以上三種處理器。DSP(Digital Signal Processor)是新世紀數(shù)字化革命的核心。它 是一種獨特的微處理器，具有可編程性，且實時運行速度遠遠超過通用微處理器。強 大的數(shù)據(jù)處理能力和高速的運行速度，是 DSP 最值得稱道的兩大特色。DSP 芯片是一 種特別適合進行數(shù)字信號處理的微處理器。它強調(diào)運算處理的實時性，因此除了具備 普通微處理器所強調(diào)的高速運算和控制功能外，主要針對實時數(shù)字信號處理，在處理 器結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)流程上做了很大的改動。它具有靈活、精確、可靠性好、體 積小、功耗低和易于大規(guī)模集成等優(yōu)點。 1.3 設(shè)計的基本內(nèi)容 1確定四輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案 2各液壓回路的設(shè)計 3繪制液壓系統(tǒng)圖 4繪制壓力控制回路圖 5繪制流量控制回路圖 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 6 6繪制方向控制回路圖 1.4 設(shè)計解決的主要問題 1. 四輪轉(zhuǎn)向汽車的系統(tǒng)分析 2. 通過各種方案的對比確定四輪轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的最優(yōu)方案 3. 轉(zhuǎn)向液壓缸的設(shè)計 4. 液壓系統(tǒng)的液壓元件的選取 5. 繪制液壓系統(tǒng)圖及相應液壓回路圖 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 7 第 2 章 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 2.1 前輪轉(zhuǎn)向汽車與四輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析對比 2.1.1 前輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析 圖 2.1前輪轉(zhuǎn)向示意圖 如圖 2.1 所示，O 點就是該車輛的轉(zhuǎn)向軸線或轉(zhuǎn)向中心。從轉(zhuǎn)向軸線 O 到車輛的 縱向?qū)ΨQ面的距離為 R，稱為車輛轉(zhuǎn)彎半徑。如圖中所示，輪式車輛轉(zhuǎn)向時內(nèi)外導向 輪對于車輛本身是不相等的，即 a 和 b，這兩個角的對應關(guān)系如式 （2.1）LNMctg （2.2） 式中M兩側(cè)主銷中心距離； L前后輪距； 由上式可以得出當內(nèi)輪轉(zhuǎn)為 時，外輪轉(zhuǎn)角 （2.3）LMctgarb 2.1.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車車輪運動學分析 如圖 2.2 所示，如果前橋主銷之間距離 等于后輪兩主銷之間的距離 時，即1M2 （2.4）2 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 圖 2.2四輪轉(zhuǎn)向示意圖 則有： （2.5）11LMctgtb （2.6）22tt （2.7）12Lctg 式中 、 兩側(cè)主銷中心距離；1M2 、 后輪到轉(zhuǎn)向中心線的軸向距離；L 當前、后橋兩主銷之間的距離 不相等時， 時，要滿足通過各個車M21L 輪幾何軸線的垂直平面都應相交于同一條直線上，則 （2.8）ctgt 1212 由上式可得： 與 的差值越大， 與 也越大。而當轉(zhuǎn)向輪偏角較大時，1212 前 后輪的瞬時轉(zhuǎn)向中心就不會重合，其差值隨著 與 差值的增大而增大，使機械在1M2 轉(zhuǎn)向半徑較小時，轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生一定的滑移。因此應盡量減小 與 的差值，最好相12 等。在此選擇二者相等，由此可得： （2.9）21 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 （2.10）LMctgarb21 （2.11）21 2.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車受力分析 圖2.3四輪轉(zhuǎn)向汽車車體受力分析圖 車輛在行駛中的受力如圖2.3所示。圖中x，y為車體坐標；X，Y為路面坐標；上 面為車體俯視圖；左下角為車體側(cè)面；右下角為車輪路面對輪胎的橫向力 和 ，yfFr 縱向力是 和 ，垂直方向的力是 和 。這里下標f和r分別代指前后輪。車體xfFr zfFz 的動力學方程為： （2.12）rVmxyrxryrfxffyf sincosincos （2.13）ryrrfyffxf （2.14）rIFLFL zrxrrfxffyf sicsics 式中 車身質(zhì)量；m 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 、 車身沿x，y軸速度；xV r車身旋轉(zhuǎn)角速度； 、 一前后輪轉(zhuǎn)角；fr 、 一車身質(zhì)點到前后輪的距離；fLr 轉(zhuǎn)動慣量；zI 當車輛在原地轉(zhuǎn)向時，其系統(tǒng)質(zhì)心不動；故 和 以及r均為0，此時系統(tǒng)可簡xVy 化為一單自由度的模型。動力學方程為： （2.15） niizzFMdtaJ1 即： （2.16）21az 式中 轉(zhuǎn)動慣量；zJ 轉(zhuǎn)角加速度；a 轉(zhuǎn)向力矩；1M 摩阻力距；2 2.3 本章小結(jié) 本章對四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了分析，對比了前輪轉(zhuǎn)向汽車與四輪轉(zhuǎn)向汽車 車輪運動學分析，并對四輪轉(zhuǎn)向汽車進行了受力分析。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 第章 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案的確定 3.1 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案一 圖 3.1四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)圖 如圖 3.1 所示，四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案一的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如下: 結(jié)構(gòu)組成：油箱、過濾器、液壓泵、電動機、先導型電磁溢流閥、調(diào)速閥、壓力 表、壓力表開關(guān)、蓄能器（以上均使用一個） 、兩個三位四通電液比例換向閥、八個 單向閥、四個同步閥、四個液壓缸。 工作原理：同步閥和一對轉(zhuǎn)向液壓缸組成前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，通過兩個電液 比例換向閥控制前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向，前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)用同步閥來 實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)向液壓油缸的同步。當電液比例換向閥位于左位時，液壓泵供油經(jīng)電液比 例換向閥、分流閥向兩個液壓缸無桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向外 伸出，有桿腔的油液經(jīng)單向閥及電液比例換向閥流回油箱；當電液比例換向閥右位工 作時，液壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥，分流閥向液壓缸有桿腔輸入等量的油液，兩液 壓缸的活塞桿同步向內(nèi)縮回，無桿腔的油液經(jīng)單向閥及電液比例換向閥流回油箱。先 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 導型電磁溢流閥設(shè)定系統(tǒng)的供油壓力(基本可以保證在工作狀態(tài)下，保持泵的出口壓 力恒定)。當方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后經(jīng)過電位傳感器向控制器輸入電壓信號，控制器 經(jīng)過計算、分析，向電液比例換向閥組施加電信號，電信號經(jīng)過放大，控制電液比例 換向閥的開口，通過電液比例換向閥來控制流入轉(zhuǎn)向液壓缸的流量與閥的開口成正比， 從而控制轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿的伸長量，間接達到控制各個轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度的目的。 為了提高控制精度，四個轉(zhuǎn)向輪上均裝有非接觸式霍爾效應傳感器，并通過傳感器把 各輪的實際轉(zhuǎn)角反饋給控制器，控制器再經(jīng)過計算、分析，重新發(fā)出指令信號，糾正 希望轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差。 3.2 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案二 圖 3.2四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)圖 如圖 3.2 所示，四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案二的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如下: 結(jié)構(gòu)組成：油箱、過濾器、液壓泵、電動機、先導型電磁溢流閥、調(diào)速閥、壓力 表、壓力表開關(guān)、蓄能器（以上均使用一個） 、兩個三位四通電液比例換向閥、兩個 同步閥、四個二位三通換向閥、四個平衡閥、四個液壓缸。 工作原理：同步閥和一對轉(zhuǎn)向液壓缸組成前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，通過兩個電液 比例換向閥控制前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向，前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)用同步閥來 實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)向液壓油缸的同步。當電液比例換向閥位于左位時，液壓泵供油經(jīng)電液比 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 例換向閥、同步閥和平衡閥向兩個液壓缸無桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿 同步向外伸出，有桿腔的油經(jīng)二位三通換向閥和電液比例換向閥流回油箱；當電液比 例換向閥右位工作時，液壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥、分流集流閥（同步閥）和平衡 閥向液壓缸有桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向內(nèi)縮回，無桿腔的油經(jīng) 二位三通換向閥和電液比例換向閥流回油箱。當系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)不同步的時 候，運行較快的液壓缸排除的油會通過二位三通換向閥向另一相連的液壓缸補油，糾 正同步閥產(chǎn)生的同步誤差。平衡閥起平衡支撐的作用。先導型電磁溢流閥設(shè)定系統(tǒng)的 供油壓力(基本可以保證在工作狀態(tài)下，保持泵的出口壓力恒定)。當方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向 指令后經(jīng)過電位傳感器向控制器輸入電壓信號，控制器經(jīng)過計算、分析，向電液比例 換向閥組施加電信號，電信號控制經(jīng)過放大控制比例閥的開口，同時泵經(jīng)溢流閥向系 統(tǒng)提供恒壓油流，通過電液比例換向閥組來控制流入轉(zhuǎn)向液壓缸的流量與閥的開口成 正比，從而控制轉(zhuǎn)向液壓油缸活塞桿的伸長量，間接達到控制各個轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度 的目的。為了提高控制精度，四個轉(zhuǎn)向輪上均裝有非接觸式霍爾效應傳感器，并通過 傳感器把各輪的實際轉(zhuǎn)角反饋給控制器，控制器再經(jīng)過計算、分析，重新發(fā)出指令信 號，糾正希望轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差。 3.3 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案三 圖 3.3四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)圖 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 14 如圖 3.3 所示，四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案三的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如下: 結(jié)構(gòu)組成：油箱、過濾器、液壓泵、電動機、先導型電磁溢流閥、調(diào)速閥、壓力 表、壓力表開關(guān)、蓄能器（以上均使用一個） 、兩個三位四通電液比例換向閥、四個 同步液壓馬達、八個單向閥、兩個溢流閥、四個二位四通換向閥、四個液壓缸。 工作原理：兩個同步馬達、兩個二位四通換向閥和兩個轉(zhuǎn)向液壓缸組成前、后輪 轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，通過兩個電液比例換向閥控制前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向， 前、后輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)用同步馬達來實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)向液壓油缸的同步。當電液比例換向閥位 于右位時，液壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥、兩個同步液壓馬達和兩個二位四通換向閥 向兩個液壓缸無桿腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向外伸出，有桿腔的油 液經(jīng)二位四通換向閥和電液比例換向閥流回油箱；當電液比例換向閥左位工作時，液 壓泵供油經(jīng)電液比例換向閥、兩個同步液壓馬達和兩個二位四通換向閥向液壓缸有桿 腔輸入等量的油液，兩液壓缸的活塞桿同步向內(nèi)縮回，無桿腔的油液經(jīng)二位四通換向 閥和電液比例換向閥流回油箱。當系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)出現(xiàn)不同步時，運行較快的液 壓缸多余的油經(jīng)單向閥和溢流閥流回油箱；當由于某只液壓缸運行較慢致使它所在的 油路發(fā)生真空時，由它所連接的單向閥經(jīng)油箱吸油對其所在的油路進行補油。先導型 電磁溢流閥設(shè)定系統(tǒng)的供油壓力(基本可以保證在工作狀態(tài)下，保持泵的出口壓力恒 定)。當方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后經(jīng)過電位傳感器向控制器輸入電壓信號，控制器經(jīng)過 計算、分析，向電液比例換向閥組施加電信號，電信號控制經(jīng)過放大控制比例閥的開 口，同時泵經(jīng)先導型電磁溢流閥向系統(tǒng)提供恒壓油流，通過電液比例換向閥組來控制 流入轉(zhuǎn)向液壓缸的流量與閥的開口成正比，從而控制轉(zhuǎn)向液壓缸活塞桿的伸長量，間 接達到控制各個轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度的目的。為了提高控制精度，四個轉(zhuǎn)向輪上均裝有 非接觸式霍爾效應傳感器，并通過傳感器把各輪的實際轉(zhuǎn)角反饋給控制器，控制器再 經(jīng)過計算、分析，重新發(fā)出指令信號，糾正希望轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差。 3.4 四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案的確定 上述三個方案中，方案一中，分流閥和一對轉(zhuǎn)向液壓油缸組成前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行 機構(gòu)，通過兩個流量比例控制閥控制前、后輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向，前、后輪 轉(zhuǎn)向機構(gòu)用分流閥來實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)向液壓油缸的同步。本文使用的轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)采用單 活塞桿轉(zhuǎn)向液壓油缸，單活塞桿轉(zhuǎn)向液壓油缸有桿腔和無桿腔的面積不相等，因此單 活塞桿雙作用油缸在伸出和縮進時工作特性不一致。方案一中同步閥首先在兩個轉(zhuǎn)向 液壓油缸之間分配流量，確保轉(zhuǎn)向液壓油缸在靜態(tài)時同步，當四輪轉(zhuǎn)向汽車在運動過 程中轉(zhuǎn)向時，車輪負載會發(fā)生變化且同步閥響應速度比較慢，執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)性能不理 想，較容易產(chǎn)生同步誤差。方案二與方案三作比較，由于方案三中有四只二位四通換 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 向閥，他們可以改變四個轉(zhuǎn)向液壓缸油液的流動方向，使四只液壓缸活塞桿既可以同 時同步運行，也可以根據(jù)需要各自運行，可以使汽車實現(xiàn)縱向行駛、橫向行駛、縱向 45 度行駛、橫向 45 度行駛等多種行駛方式，所以方案三的轉(zhuǎn)向方式更多、實用性更 強、控制精度更高、響應速度更快，所以最終選定方案三作為本次設(shè)計的液壓式四輪 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案。 3.5 本章小結(jié) 本章列出了四輪轉(zhuǎn)向汽車液壓系統(tǒng)的三種方案，并分別介紹了三種方案中液壓系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，通過對四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的三種方案進行對比分 析，最終選定方案三作為本次設(shè)計的液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 第章 轉(zhuǎn)向液壓缸的設(shè)計與計算 4.1 設(shè)計的主要技術(shù)指標和要求 1.車自重 17 噸，總重量 30 噸； 2.液壓缸行程 L=250mm、負載力 F=24000N、液壓泵供油壓力 =20MPa。nP 4.2 轉(zhuǎn)向液壓缸的主要尺寸的確定 4.2.1 轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑 D 及活塞桿直徑 d 的確定 （a）無桿腔進油 （b）有桿腔進油 圖 4.1 液壓缸主要設(shè)計參數(shù) 如圖 4.1 所示可得：無桿腔為主工作腔 （4.1）mFAP/ax21 有桿腔為主工作腔 （4.2）/ax121 （4.3）4DA （4.4）/)(22d 式中 主工作腔壓力，Pa；1P 回油腔壓力，Pa；2 無桿腔活塞的有效面積， ；1A2m 液壓缸有桿腔活塞的有效面積， ；2 D、d液壓缸活塞直徑、活塞桿直徑，m； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 17 液壓缸的最大負載力，N；maxF 液壓缸機械效率，一般取 =0.900.97；m 通常，液壓缸以無桿腔作為主工作腔，即活塞桿受壓工作，活塞面積為 （4.5）)(12APFAm 表 4.1 按工作壓力選取桿徑比 Dd 工作壓力/MPa 5.0 5.07.0 7.0 d/D 0.50.55 0.620.70 0.7 已知液壓泵供油壓力 P=20Mpa7.0Mpa，所以由表 4.1 可取 d/D=0.7 則轉(zhuǎn)向液壓缸無桿腔直徑 D 得： （4.6） 214PF 假設(shè)回油口壓力為零，可得： （4.7）m dD)(421 由上式可得轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑 D： D=57mm （4.8） 則活塞桿直徑 d=0.7D=570.7=39.9mm （4.9） 表 4.2 液壓缸內(nèi)徑系列和活塞桿直徑系列 液壓缸內(nèi)徑系列 （GB/T2348-1993）/mm 8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、90、10 0、 110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、3 60 活塞桿直徑系列 （GB/T2348-1993）/mm 4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、3 2、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、12 5、140、160、180、200、220、250、280、320、360 液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的最終確定值按上表就近圓整為標準值，以便選取 標準缸或自行設(shè)計缸時采用標準的密封件，所以由表 4.2 可取 轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑 D=63mm 活塞桿直徑 d=40mm 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 18 4.2.2 轉(zhuǎn)向液壓缸外徑 及缸筒壁厚 的確定1D 表 4.3 液壓缸缸筒外徑與缸筒內(nèi)徑和額定壓力的關(guān)系 缸筒內(nèi)徑 D額定壓 力/MPa 40 50 63 80 100 125 140 材料 工程液壓缸 缸筒外徑 1D162025 32 50 50 50 54 60 60 60 63.5 76 76 83 83 95 95 102 102 121 121 121 127 146 146 152 152 168 168 168 168 20 45 45 45 已知額定壓力 P=20 MPa，缸筒內(nèi)徑 D=63mm，所以由表 4.3 可知轉(zhuǎn)向液壓缸的缸 筒外徑 可取 76，即 =76mm11 則可知轉(zhuǎn)向液壓缸的缸筒壁厚 mD5.62371 （4.10） 由表 4.3 也可知所選尺寸的液壓缸的材料是 45 鋼 4.2.3 轉(zhuǎn)向液壓缸導向長度 H、活塞寬度 B 和導向套滑動面長度 A 的確定 轉(zhuǎn)向液壓缸導向長度 H 44mm 初選 H=44mm263052DL 轉(zhuǎn)向液壓缸活塞寬度 B=（0.61.0）D=（0.61.0）63 初取 B=50mm 轉(zhuǎn)向液壓缸導向套滑動面長度 A=（0.61.6）D=（0.61.6）63 初取 A=63mm 4.2.4 轉(zhuǎn)向液壓缸所受壓力的確定 油液作用在單位面積上的壓強 （4.11）AFP 式中F作用在活塞上的載荷，N； A活塞的有效工作面積， ；2m 其中 1.8640631.222 xdD 3102m F=24000N 所以 （4.12MPaxAFP29.1086.3 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 19 ） 最高允許壓力 ，也是動態(tài)試驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。maxP 各國規(guī)范通常規(guī)定為 MPa5.1max 耐壓試驗壓力 ，是檢查液壓缸質(zhì)量時所需承受的試驗壓力，即在此壓力下不tP 出現(xiàn)變形、裂縫或破裂。各國規(guī)范多數(shù)規(guī)定為 Pat5.1 所以可知計算所得的液壓缸所受的壓力符合要求 4.2.5 轉(zhuǎn)向液壓缸最大流量和最大速度的確定 液壓缸的最大流量 （4.13）maxaxAvq 式中 液壓缸的最大速度， ；maxvs 液壓缸的有效面積， ；A2 其中 1.86 （4.1440631.222 xdD 3102m ） 液壓缸的最大流量 可估算為第 5 章 5.1.2 中計算所得的液壓泵的最大流量 ，maxq pq 即 =3.6 或 0.06 maxqpinLs310 （4.15） 所以 （4.1603.186.0maxa Aqvs ） 4.2.6 液壓缸缸筒底部厚度的確定 缸筒底部為平面時，其厚度 可按照四周嵌入的圓盤強度公式進行近似的計算1 （4.17）pD243.0 式中 筒內(nèi)最大工作壓力，MPa；p 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 20 筒底材料許用應力，MPa； = ， 為材料抗拉強度，n 為安全ppbb 系數(shù)，一般取 n=5； 計算厚度外直徑，m；2D 其中筒內(nèi)最大工作壓力約等于液壓泵供油壓力，即 =20 MPanPp 由于液壓缸的材料是 45 鋼，查表知 45 鋼的材料抗拉強度為 600 MPa，所以 =600 MPa， 所以 = MPa （4.18bp12056b ） mm （4.19.432dD ） 式中D、d液壓缸活塞直徑、活塞桿直徑，m； 所以 （4.20mp10.92x51.43.043.021 ） 則初選 =10mm （4.211 ） 4.2.7 液壓缸活塞往復運動時的速度之比的確定 液壓缸活塞往復運動時的速度之比 （4.2222214dDAv ） 式中 活塞桿伸出速度， ；1vmin/ 活塞桿縮回速度， ；2 D液壓缸活塞直徑， ； d活塞桿直徑， ； 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 21 所以 （4.2368.14063422221 dDAv ） 4.2.8 液壓缸活塞行程時間的確定 活塞桿伸出 （4.243 2105xQSt ） 活塞桿縮回 （4.253 2105xSdDt ） 式中Q流量， ；minL S活塞行程，m； D缸筒直徑，m； d活塞桿直徑，m； 其中 S=250mm Q =3.6 inL 所以 （4.26sxxSDt 78.060.312514.5015932 ） （4.27sxxxQSdt 46.060.312541.515 9232 ） 4.2.9 液壓缸所做的功和功率的確定 液壓缸所做的功 （4.28FSW ） 液壓缸的功率 （4.29tN ） 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 22 式中F液壓缸的負載力，N； S活塞行程，m； t活塞運動時間，s； 其中 F=24000N S=250mm t=0.46+0.78=1.24s 所以 （4.30JxFSW60125403 ） （4.31WtN7.8.6 ） 4.3 液壓缸強度的校核 4.3.1 缸筒壁厚強度校核 由于 10 所以缸筒壁厚按厚壁進行校核8.4136D （4.32 13.402yPD ） 式中 試驗壓力。當缸的額定壓力 16MPa 時，取 =1.5 ；當yPnyPn 16MPa 時，取 =1.25 ；nynP D缸筒內(nèi)徑； 缸筒材料許用應力， = ， 為材料抗拉強度，n 為安全系bb 數(shù)， 一般取 n=5； 由于 =20MPa16 MPa，所以取 =1.25 =1.2520=25 MPanPyPn 由于液壓缸的材料是 45 鋼，查表知 45 鋼的材料抗拉強度為 600 MPa，所以 =600 MPa， 所以 = MPa b12056nb 所以 6.5= （4.3329.61.3x5-43.1402 yPD ） 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 23 所以 成立 13.402yPD 所以缸筒壁厚強度符合要求 4.3.2 活塞桿強度校核 （4.34Fd4 ） 式中 F活塞桿所受負載； 活塞桿材料許用應力， = ， 為材料抗拉強度，n 為安全系bb 數(shù)，一般取 n=1.4； 由上面式子可知 = 428.57 MPa4.160nb 所以 40=d （4.3545.87.2.30 xF ） 所以 成立d4 所以活塞桿強度符合要求 4.4 本章小結(jié) 本章對轉(zhuǎn)向液壓缸進行了設(shè)計與計算，確定了轉(zhuǎn)向液壓缸的主要尺寸，包括轉(zhuǎn)向 液壓缸內(nèi)徑 D 及活塞桿直徑 d 的確定；轉(zhuǎn)向液壓缸外徑及缸筒壁厚的確定；轉(zhuǎn)向液壓 缸導向長度 H、活塞寬度 B 和導向套滑動面長度 A 的確定；液壓缸缸筒底部厚度的確 定；轉(zhuǎn)向液壓缸所受壓力的確定；轉(zhuǎn)向液壓缸最大流量和最大速度的確定；液壓缸活 塞往復運動時的速度之比的確定；液壓缸活塞行程時間的確定；液壓缸所做的功和功 率的確定。并對液壓缸強度的校核，包括缸筒壁厚強度校核，活塞桿強度校核。 第 5 章 液壓元件的選取 5.1 液壓泵的選擇 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 24 5.1.1 計算液壓泵的最大工作壓力 p （5.1）p1 式中 液壓缸的最大工作壓力，MPa；1p 系統(tǒng)進油路上的總壓力損失，可按經(jīng)驗進行估算，簡單的系統(tǒng)取 =（0.20.5） Pa；610 已知 = =20MPa1Pn 所以 =20 +0.5 =20.5 MPa （5.2pp1 ） 5.1.2 計算液壓泵的最大流量 pq 由于所設(shè)計的液壓系統(tǒng)有多個液壓缸，所以液壓泵的最大流量為 （5.3）maxqKvp 式中 系統(tǒng)所需流量， ；pqinL K系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般取 1.11.3； 同時動作的液壓缸的最大流量，一般取 23 ；max inL 初取K=1.2 =3 或 0.05maxqinLsm10 所以 =1.23=3.6 或 0.06 （5.4Kvpins310 ） 5.1.3 液壓泵規(guī)格的選擇 為保證液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，所選液壓泵應有較大的最大功率、容積效率和總效率， 根據(jù)液壓泵的最大工作壓力和最大流量，參考機械設(shè)計手冊（第五版）第四卷 表 21-5-4，最終系統(tǒng)液壓泵選擇為內(nèi)嚙合楔塊式齒輪泵。 5.1.4 計算液壓泵的驅(qū)動功率并選擇電動機 由于工作循環(huán)中，液壓泵的壓力和流量比較恒定，所以液壓泵的驅(qū)動功率 應pP 按下式計算 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 25 （5.5pqP ） 式中 液壓泵的最大流量， ；pqminL 液壓泵的最大工作壓力，MPa； 液壓泵的總效率，齒輪泵一般取 90%；p 所以 82 W （5.6%906.352xqpP ） 所以電動機初選為型號為 Y801-2 的三相異步電動機。 5.2 液壓執(zhí)行元件的選擇 5.2.1 液壓缸的選擇 根據(jù)第四章中對液壓缸的設(shè)計與計算，并結(jié)合以往經(jīng)驗對液壓缸結(jié)構(gòu)及其各部件 結(jié)構(gòu)的選取如下： 1.液壓缸選為單活塞桿轉(zhuǎn)向液壓缸 2.缸筒與缸蓋的連接型式選用內(nèi)螺紋連接 3.缸筒材料選用 45 鋼 4.活塞結(jié)構(gòu)形式選擇整體式活塞 5.活塞與活塞桿連接形式選擇卡環(huán)連接 6.活塞密封結(jié)構(gòu)選擇 O 型密封圈 7.活塞材料選用 45 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 8.活塞桿桿體選用實心桿 9.活塞桿材料選用 45 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 10.活塞桿導向套結(jié)構(gòu)形式選用端蓋式導向套 11.活塞桿導向套材料選用灰鑄鐵 12.活塞與活塞桿的密封件選用 O 型密封圈加擋圈 13.活塞桿的防塵圈選用 ASW 型防塵圈 5.2.2 液壓馬達的選擇 根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，并結(jié)合以往經(jīng)驗，液壓馬達選?。?四只額定壓力為 1625MPa、排量為 525mL 、轉(zhuǎn)速為1r 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 26 5004000r 、輸出轉(zhuǎn)矩為 1764Nm、型號為 CM5，由天津液壓機械集團公1min 司生產(chǎn)的齒輪式液壓馬達。 5.3 液壓控制閥的選擇 由于最終選定方案三作為本次設(shè)計的液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案，所以由圖 3.3 可 知，液壓系統(tǒng)選擇的液壓控制閥有： 一個先導型電磁溢流閥、一個調(diào)速閥、兩個三位四通電液比例換向閥、兩個溢流 閥、四個二位四通換向閥。 所選的液壓控制閥均選擇液壓標準件控制閥。 5.4 液壓輔助元件的選擇 5.4.1 油箱的選擇 整體式油箱、兩用油箱和獨立郵箱是三種常見的類型，而獨立油箱應用最為廣泛， 所以本液壓系統(tǒng)選擇獨立油箱。 油箱容量的經(jīng)驗公式為 （5.7pqV ） 式中V油箱的有效容積，L； 液壓泵的總額定流量， ；pqminL 經(jīng)驗系數(shù)，對低壓系統(tǒng)， =24，對中壓系統(tǒng)， =57，對中、高 壓或大功率系統(tǒng)， =612； 初取 =4 所以 43.6=14.4L （5.8pqV ） 表 5.1 液壓泵站油箱公稱容量系列（JB/T 7938-1999） 液壓泵站油箱公稱量系列 （JB/T 7938-1999）/L 2.5 4.0 6.3 10 16 25 40 63 100 160 油箱的有效容積的最終確定值按上表就近圓整為標準值，所以由表 5.1 可知： 液壓系統(tǒng)可選擇公稱容量為 16L 的油箱。 5.4.2 油管和油管接頭的選擇 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 27 常用的油管有硬管和軟管兩類，一般盡量選用硬管，所以本液壓系統(tǒng)選用鋼管。 管道內(nèi)徑及壁厚是管道的兩個主要參數(shù)，計算公式如下 （5.9）vqd4 （5.10）bpn2 式中q通過油管的最大流量， ；sm3 油管中允許流量， ；（由于系統(tǒng)所用的是高壓管，所以 v 取 2.5） 油管內(nèi)徑，； 油管壁厚，； 管內(nèi)最高工作壓力，MPa； 管材抗壓強度，MPa；（由于管材是 45 鋼，所以 =600 MPa）b b 安全系數(shù)；（由于系統(tǒng)最高的工作壓力為 20 MPa，大于 17.5 MPa， 所以 n 取 4） 所以 （5.11）mxvqd05.2143603 （5.12）pnb.52 表 5.2 液壓系統(tǒng)用硬管外徑系列（GB/T 2351-1993） 液壓系統(tǒng)用硬管外徑系列 （GB/T 2351-1993）/mm 4、5、6、8、10、12、(14)、16、 （18） 、 20、 （22） 、25、 （28） 、32、 （34） 、38、40、 （42） 、 50 液壓系統(tǒng)用硬管外徑的最終確定值按上表就近圓整為標準值，所以由表 5.2 可知： 液壓系統(tǒng)可選擇外徑為 6mm 的鋼制油管。 油管接頭選擇卡套式接頭。 5.4.3 蓄能器的選擇 蓄能器的充氣壓力是蓄能器的重要參數(shù)，用于蓄能的充氣壓力在等溫工作過程時 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 28 按下式計算 （5.13）np5.0 式中 充氣壓力，MPa；0p 液壓系統(tǒng)最高工作壓力，MPa；n 所以 =0.520=10 MPa （5.14np5.0 ） 蓄能器有彈簧加載、重力加載和氣體加載三種類型，本系統(tǒng)選擇氣體加載式的隔 離型皮囊式蓄能器。蓄能器的皮囊材質(zhì)選擇標準丁清橡膠。蓄能器的液壓工作介質(zhì)選 擇石油基液壓液和水。 5.4.4 液壓工作介質(zhì)、過濾器和壓力表的選擇 由于本液壓系統(tǒng)中包含伺服系統(tǒng)，對液壓工作介質(zhì)要求較高，所以本系統(tǒng)選擇高 粘度指數(shù)液壓油。 由于本液壓系統(tǒng)用到電液比例閥，所以本系統(tǒng)中過濾器選擇精過濾器，壓力表選 擇電接點式壓力表。 5.5 本章小結(jié) 本章對四輪轉(zhuǎn)向汽車的液壓系統(tǒng)的液壓元件進行了選取，包括液壓泵的選擇、液 壓執(zhí)行元件的選擇、液壓控制閥的選擇和液壓輔助元件的選擇。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 29 結(jié)論 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，汽車行駛速度的提高及道路行使密度的增大，作為實現(xiàn)主 動安全性的方法之一的四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)日益受到重視。本文著重對四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向 液壓系統(tǒng)進行了研究，本文所做工作及取得結(jié)論如下： 1. 收集整理四輪轉(zhuǎn)向汽車及四輪轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)相關(guān)資料，了解到四輪 轉(zhuǎn)向技術(shù)目前被很多公司所采用，其中大多應用在了大型車輛上，它適應汽車發(fā)展的 趨勢，存在廣闊的發(fā)展前景。 2. 對前輪轉(zhuǎn)向汽車和四輪轉(zhuǎn)向汽車進行了對比分析，凸顯出四輪轉(zhuǎn)向汽車的許 多優(yōu)點，如增強轎車在高速行駛或在側(cè)向風力作用下的操縱穩(wěn)定性，改善低速時的操 縱輕便性，以及減少調(diào)頭時的轉(zhuǎn)彎半徑等。 3. 本文設(shè)計了三種四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，通過對它們的響應速度、控 制的準確性、同步精度、系統(tǒng)的復雜程度和系統(tǒng)的可行性等方面進行對比分析，最終 選定方案三作為本次設(shè)計的液壓式四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案。 4. 本文對選定的四輪轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)方案三中的轉(zhuǎn)向液壓缸進行了設(shè) 計和計算，繪制了液壓缸的裝配圖，并對液壓元件進行了選取，它們都很匹配本液壓 系統(tǒng)的要求和需要，本液壓系統(tǒng)具有很強的可行性。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 30 參考文獻 1黃瀅.液壓同步系統(tǒng).北京:化學工業(yè)出版社,2010. 2宋薇,程樹珍.液壓傳動設(shè)計指南. 北京:化學工業(yè)出版社,2009. 3鄧英劍,劉志勇.液壓與氣壓傳動. 北京:國防工業(yè)出版社,2007. 4張利平.液