基于某多桥重卡的应急系统方案设计与分析

沈亚东

摘 要：根据客户提供的多桥重卡使用经验和企业技术研发需求，本设计提出用大流量蝶阀转向器、应急泵、应急阀以及控制系统组成应急安全方案，能够应对特定路况、突发设备故障等故障风险，从而达到保障重型设备能够平稳、可控、安全等指标。本方案设计已经运用于国内军用多桥重卡项目，整体运转效果非常优秀，同时针对部件设计中容易出现失效部位进行应力分析，为部件工艺提供技改思路、合理结构以及适用参数，从而保证零部件和系统的稳定性、可靠性。

关键词：多桥重卡 恒流泵 动能失效 蝶阀转向器 应急系统

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

城市化發展让运输行业成为国民经济正常运转的血脉，各种结构的重型机械运行安全成为重中之重。几十吨重卡走山路，在失去动力的情况下出现后退且速度很低地遛车无法控制方向盘将是灾难性的。正常行驶前桥在前，当在崎岖路上往后溜车时，后桥在前也是整个汽车安全系统的重中之重。从整个规范和安全性的角度，本文提出用占空比为定值的恒流泵与辅助直流电机作为辅助输出系统，同时将差异化压力单向阀控制的应急阀和压力传感器作为控制单元，组成整个应急总体方案解决动能失效问题，从而为重型运输提供技术保障，助力运输技术安全创新发展。

2 方案设计

前桥超过7吨的大负荷的工程车、重卡等在发动机突然熄火等特殊紧急情况造成液压转向系统失去动力源，由于无助力过载扭矩容易形成失控，转向失效对高速行驶的车辆是非常危险的。方案原理设计中提出在车辆的分动箱或者主驱动轮上装载应急泵和辅助直流电机，同时借助应急阀切换流量，从而保证在失去动能的情况下提供液压动力，给予转向器一定助力控制方向，保证安全停靠。

2.1 液压系统设计

本设计中借用传统思路通过扭杆的线性转动以及良好的弹性回复原理，将受力传导于“丝杆”结构从而开启油缸，设计中用碟簧代替扭杆结构，初始转动方向盘，过载从而带动阀芯轴向窜动，从而建立差压。后阀高压油进入转向器活塞油缸，推动活塞油缸移动，经过活塞油缸的高压油进入后桥转向油缸，推动后桥轮胎转动。如图1所示，对于转向器阀口的气压损失之后必须要有相应的辅助泵给予压力能替代原有助力泵。同时在副泵工作时应急阀必须与之配合形成系统成为应急系统的备用方案，应急阀在压力阀的控制下形成有效、快捷、安全地切换。

2.2 恒流泵设计理论

本设计就是借助偏心结构特点使得柱塞在偏心轮的推动下按正弦波运动，吸油时间和柱塞完成一个正弦波时间之比（占空比）是一个定值。应急泵的吸油压力基本上是一定的，吸油孔的直径是固定的，在试验室初期速度低于600r/min时流量成上升趋势，同一侧吸油口相差一定位置度，在试验室用直流电机作为故障时的驱动能量，启动之时两个呼吸口流量之和作为总流量的主要参数，但是在达到一定速度后，整个偏心凸轮轴的单个周期则作为一个总量来看待。如图2所示，速度提高到一定值时，吸油的多少就取决于吸油时间在一个正弦波里的占空比，而与泵的转速无关，因此应急泵的转速达到一定转速后，泵的输出流量就恒定，从而保证泵发热量少，泵的工况大大改善，因此泵的寿命和可靠性大大提高。

2.3 应急阀设计

应急阀是整个控制单元的重中之重关系到整个系统能否正常运行的命脉，本设计中应急阀承载着压力反馈和应急切换流量的关键节点。当主泵正常运行时，应急流量从备用G点直接回油箱，同时指示灯形成不了回路形成电路“0”给予控制器。当主泵出现问题启用备用“主驱”的时候，同时也考虑切换备用流量问题，以10L/min为界限进行直流电机切换保证高速行驶在前進颠簸路段正常行驶。

3 结构分析

本设计中单阀液压流量40L/min，采用双阀设计最大流量在80L/min左右，最多可接14个外接油缸。螺杆与转向器输入轴相连接，当方向盘转动时，转向器输入轴带动螺杆随之转动，安装在螺杆上的螺母通过循环球运动副实现转动的同时并左右移动，螺母左右运动时，通过齿轮齿条运动副实现转向器输出轴输出垂臂转动，其中各部件受力非常关键。

3.1 导管变形

本设计中选用相交式内外螺旋滚道，由于其具有较好的承载能力被广泛应用，导管对于传动结构至关重要，钢球是受力的载体，那么导管如果出现变形、翘曲整个运行系统则会损坏，尤其是当钢球滚珠在外循环滚道发生卡滞时，整个手感非常沉重，导致驾驶员根本无法运行。舌片内表面施加力50N，在舌片内根部拉应力最大为143MPa，钢球导管的材质是08F，其的屈服应力175MPa。钢球导管的安全系数取1.2，故舌片能承受的最大径向力50N，在上舌片处钢球传力三角形的最大夹角是25°。

3.2 螺杆轨道挤压

转向螺杆应力过大，才会出现转向螺杆疲劳失效的现象，因此 需要通过分析找出在运动过程中应力过大的位置，并提出改善的建议。滚珠丝杠轨道的应力分布情况如图3所示，最大应力在154MPa。实际设计的轨道是四点接触，但是装配要求特别高，要求在三组螺距之内小于8μm，所以需要选配钢球。同时径向在固定螺母情况下，测量150mm长的接触段的螺杆跳动必须保持在0.03mm以内，整体零部件加工才能保证螺杆螺母装配之后无卡滞、间隙晃动、自由旋转、应力过大变形等问题。

3.3 蝶形弹簧受力曲线

本设计中采用印度Mubea蝶形弹簧，蝶型弹簧主要是承受轴向载荷的锥形盘片，一般受力情况下，其盘片是恒定不变的，载荷均匀分布在内边缘和下外表边缘。多阀大流量选用组合蝶形弹簧，因其变形量是单簧的数倍，实际受力主要受切向应力影响，下表面承受变应力，其详细计算受力如图4所示。

采用背对背结构，四组共八片弹簧。材料选用50Crv4，在变形量为4mm的轴向位移的情况下，轴向载荷可以达到3kN并且屈服强度达到800MPa。本设计轴中阀口采用多端线设计，在正常使用中只需2.2mm左右的轴向位移量，在多油缸同时使用才需达到极端位置。通过作图可以看到基本呈现一个线性的关系，在往复或者形成左右不同摆角时能够及时改变形变，从而确保油压的准确输出，保证扭转的手感。

方案中应用大流量蝶阀转向器、应急泵、应急阀以及控制系统组成整个应急系统。该方案已经成功运用于军用项目中，解决了重卡、工程车行驶动能失效、崎岖山路溜坡等特殊危险情况。本方案将“安全驾驶”理念放在第一位，通过技术创新实现了安全指标要求，也为行业规范提供了一定的参考思路。

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