徐州徐工挖掘机械有限公司
摘要：针对轮式挖掘机的全液压转向系统在高速行驶时存在方向盘发飘问题，优化设计了电控全液压转向系统，增大车辆高速行驶时方向盘转向操纵力矩，提高了车辆高速行驶稳定性，为高机动轮式工程车辆的电控转向系统设计及应用提供了依据。
关键词：轮式挖掘机 转向系统 电控全液压
轮式挖掘机（以下简称轮挖）是以轮胎作为行走部件的挖掘机械，以其机动、灵活、高效等鲜明特点，在社区建设、市政工程等方面应用广泛[1]。国产轮挖的行驶速度多为20-35 km/h，我司生产的轮挖行驶速度可达60 km/h以上，能够适应高速越野工况，在处置抗险救灾等紧急情况时更加高效灵活。
转向系统是影响轮式机械行驶安全的关键系统之一。轮式工程机械普遍采用全液压转向系统[2]，这种转向系统是在转向盘和转向传动机构之间、利用全液压转向器直接控制转向油缸实现转向，具有布置方便、操作轻便、反应快捷、转向灵活等优点[3]。但该系统在应用中也可能产生转向轮跑偏、转向轮晃动严重、前轮摆头等问题[4]，尤其应用在轮挖上时，在高速行驶状态下易出现方向盘发飘现象，影响车辆高速行驶的稳定性和驾驶员操作手感。
针对上述技术技术问题，本文优化设计了电控全液压转向系统，增大了车辆高速行驶时方向盘正常转向操纵力矩，解决了样机方向盘发飘问题。
1 样机主要参数
底盘系统模型，其主要技术参数如表1所示。
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2.1 总体方案
电控全液压转向系统总体方案如图1所示。转向管柱下端和角传动器相连实现换向，角传动器与全液压转向器之间设计有电控单元，电控单元与角传动器、全液压转向器之间通过联轴器相连。在车辆高速行驶状态下，电控单元对转向管柱施加一个额外力矩，进而抑制方向盘操纵力矩过轻导致的方向盘发飘问题。
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（1）转向管柱；（2）角传动器；（3）联轴器；
（4）电控单元；（5）全液压转向器
图1 电控全液压转向器总体方案
电控单元装置的结构，其主要构成有：（1）助力电机；（2）力矩传感器；（3）蜗轮蜗杆机构。助力电机力矩施加在输出轴上。
2.2 关键元器件设计
（1）力矩传感器
结合车辆结构特点，本文选择某公司生产的SX-4428扭矩传感器，它通过测量转角差间接得到转向力矩，其主要技术参数
SX-4428扭矩传感器主要参数：
供电电压：4.5～5.5 V 转角范围：-5°～5°灵敏度：0.388～0.412 V/°
使用环境：-40 ℃～85 ℃ 使用寿命：1000万次
为保证力矩的精度，采用差分信号输出，信号处理电路如图2所示，力矩传感器输出电压和相对转角的关系如图3所示。
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图3 扭矩传感器输出电压与相对转角的关系
扭矩传感电路的主副回路构成一个冗余结构，提高电动助力转向系统（EPS）的安全性和可靠性。即使其中一路发生故障，另外一路仍能维持系统正常工作。该系统使用相同的主、辅电路连接成桥式电路，可以检测电路故障。电源脚和接地脚相互独立，通过控制单元内的主、辅电路分离，使电控单元（ECU）成为一个冗余系统。
当扭杆扭转角度超过5°时，应增加限位。原因在于：（1）扭转角度超5°时，扭矩传感器力矩不再变化；（2）扭转角度过大，扭杆材料可能产生塑性变形影响力矩测试精度。本文通过在输入和输出轴之间设计限位卡槽进行限位。
（2）蜗轮蜗杆设计
为增加导程角，提高传动效率，同时避免发生自锁，本文采用双头蜗杆。通过计算分析，确定蜗轮蜗杆的基本尺寸。
蜗轮蜗杆基本尺寸：传动比：16.5 蜗杆头数Z1： 2 蜗轮齿数Z2：33 压力角：20°
结合标准GB17675-1999设计要求及蜗轮蜗杆的传动比，根据蜗轮蜗杆和电机的需求，匹配的直流电机的主要参数。
直流电机主要参数：额定转矩：2.0 N·m 额定转速：1050 r/min 空载转速：2000 r/min
额定电流：40A 工作温度：-40℃～85℃
（3）方向盘助力装置
本文所选助力装置的外形。该助力装置的润滑形式为脂润滑，转动力矩为1.2±0.3N·m，工作环境温度为-40℃-+85℃。
直流电机需要匹配专用驱动器。为减少元器件数量，减小结构尺寸，减少控制线路，增加可靠性，将控制器与驱动器集成，对关键元器件进行固定装置结构设计。
3 结语
对全液压转向系统方案进行电控改制，形成电控全液压转向系统，有效解决了轮挖在高速行驶时方向盘发飘问题，提高了车辆行驶稳定性和驾驶舒适性，同时为高机动轮式工程机械的转向系统设计提供了实际参考。
参考文献：
[1] 黄东胜，邱斌. 现代挖掘机械[M]. 北京：人民交通出版社，2003：1.
[2] 吴丽丽. 轮式工程车辆全液压转向系统的性能分析[J].建筑机械，2017（04）：75-78.
[3] 张长伟，郁录平，薛雪，等. 全液压转向系统的原理及其设计[J]. 机械研究与应用，2015，28（03）：141-143.
[4] 于平年. 全液压转向系统常见故障原因分析及排除措施[J]. 新疆农机化，2009（05）：36-38.