工程机械-液控转向制动系统设计新突破

宋金宝，田从丰，李荣绪
（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

［摘要］通过对推土机转向制动系统现状的分析，设计一种新型液控转向制动系统，并详细介绍了液控转向制动阀结构原理，建立其工作过程的数学模型，基于SimulationX软件对影响转向制动压力变化的主要因素进行分析，确定液控转向制动阀的主要参数，并通过试验验证了仿真模型的正确性。试验结果表明，新型液控转向制动系统能很好地实现履带车辆的转向制动功能，使转向制动压力保持较好的压力随动性，可为改善转向操纵舒适性提供参考。

［关键词］履带车辆；转向制动系统；SimulationX；试验

DOI:10.14189/j.cnki.cm1981.2016.07.007 
［收稿日期］2016-01-04 
［通讯地址］宋金宝，山东省济宁市327国道58号山推国际事业园工程机械研究总院

履带推土机转向制动系统主要包括转向器、转向器控制油路、制动器和制动器控制油路，通过转向器和制动器的控制油路实现工作状态的改变。转向制动系统的性能关系到驾驶员的行驶安全和作业效率，因此其结构设计至关重要。

目前履带车辆普遍使用的转向制动系统通常采用机械连杆拉动机械转向联动装置或助力机构，先由转向器控制油路控制转向离合器，然后再通过制动器控制油路控制制动器，根据操作手柄的摆角，控制机械联动装置的拉紧力和位移，由制动器和转向离合器从动鼓的分离程度，控制机械设备的转弯半径。图1为机械转向制动阀结构原理。

图1　机械转向制动阀结构及原理

1. 转向摇臂 2. 转向阀套 3. 转向阀调制弹簧 4. 转向阀芯 5. 转向阀活塞 6. 转向阀芯复位弹簧 7. 制动摇臂8. 制动阀套 9. 制动阀调制弹簧 10. 制动阀活塞 11. 制动阀芯 12. 制动弹簧

目前机械连杆转向制动系统主要存在以下问题：

（1）由于转向制动系统的驱动力直接取决于驾驶员的操作力，而手动操作常常存在较大误差，导致转向制动系统的控制精度较低；同时，手动操作对驾驶员的操作经验提出了更高的要求，增加了操作者的劳动强度，容易产生疲劳，影响行驶安全。

（2）复杂的机械连杆机构安装、调试困难，控制精度低、响应速度慢。

（3）车辆先转向后制动的实现过程，依赖转向制动阀内转向摇臂与制动阀的自由行程，自由行程调定的精确度以及转向操作的速度对转向制动动作有直接影响。转向手柄操作较快时，转向离合器和制动器压力的随动性易产生制动压力随转向压力同时上升的情况，在实施制动时无法提前有效分离动力传递，对传动系统损害较大。

2.1　系统原理

新型液控转向制动系统利用先导液控手柄直接控制转向离合器油液通断，而制动器油液由先导液控的制动阀进行控制，液控手柄为比例减压阀，输出压力与操作角度或行程有关；脚制动踏板为常泄油的比例减压阀；在转向离合器、脚制动踏板、制动阀液控先导端之间设有梭阀，以实现转向离合器压力或脚制动踏板压力对制动阀的不同控制方式；为保证履带车辆的安全性，系统设有停车制动阀，以实现停车制动功能。在新型液控先导式转向制动系统中，停车制动阀采用二位三通阀实现制动器油液的压力通断。图2为液控转向制动系统液压原理图。

该液控转向制动系统的工作原理为：当车辆需要大转弯时，脚踏板位置不动，操作液控手柄向一侧较小行程，转向离合器压力逐渐上升，转向离合器逐渐分离，其压力作为制动阀先导控制端，液压力小于另一端弹簧力，制动器压力仍为最大值，实现车辆转大弯；继续向一侧操作转向手柄，转向离合器压力继续升高，当转向压力作为制动阀先导压力大于另一侧弹簧力时，推动制动阀移动，制动器油液开始经制动阀泄压，制动器接合实施制动，实现车辆转小弯；当踩下脚制动踏板时，可使液压油直接作用于制动阀先导端，推动制动阀移动，使制动器接合，实现车辆紧急制动。此系统控制简单，先导液控转向制动阀结构简单，转向离合器压力作为制动阀控制压力，因此转向制动压力随动性好。不过由于液控手柄最大流量一般不超过20L/ min，要求转向离合器泄漏量不能过大，因此适合用于中小功率履带车辆。

图2　液控转向制动系统液压原理

1. 液控手柄 2. 梭阀 3. 液控转向制动阀 4. 液压脚制动阀 5. 停车制动阀 6. 左制动器 7. 左转向离合器 8. 右制动器 9. 右转向离合器

2.2　液控转向制动阀数学模型的建立

液控转向制动系统的关键是液控转向制动阀的合理设计。根据履带车辆的转向制动原理，需保证先转向后制动，即在转向离合器未有效切断动力前，制动器尚未有效啮合。另外，在实际设计中，考虑到转向操作时速度很快，在已实现转向制动时，制动器内可能存在残压，因此根据制动器实际工作情况，当转向离合器压力达到最大值时，要求制动器压力小于0.2MPa。

根据液控转向制动阀的结构原理，转向离合器油液通过细长孔a进入制动阀先导端，其流量为

式中D1为制动阀芯先导端大径；D2为制动阀芯先导端小径；l1为细长孔a的长度；μ为油液的动力粘度；PC为转向离合器压力；P1为来自转向离合器的油液作用在制动阀先导端的压力。

而制动器压力同样通过细长孔b始终作用在制动阀先导端，其流量为

式中d为制动阀芯反馈压力作用面直径；l1为细长孔a的长度；PB为转向离合器压力；PB为转向离合器压力；P2为来自制动器油液作用在制动阀先导端的压力。

根据液控转向制动阀的原理，制动阀芯受力方程为

式中F0为制动阀压力弹簧安装载荷；k1为制动阀压力弹簧刚度系数；X为制动阀芯位移；X0为制动阀压力弹簧安装高度。

推土机实施制动时，P口压力与制动器压力PB断开，制动器压力PB与T口相同，制动器压力开始下降，制动阀位移在X1与X2之间达到平衡状态，此时制动阀复位弹簧处于相对平衡状态，即可认为制动阀复位弹簧力为一定值C，［C=F0+k1（X+X0）］，则

转向制动过程需满足先转向后制动，因此对于转向离合器、制动器及液控转向制动阀应满足

式中C1为制动器泄压状态下制动阀压力弹簧最大弹簧力；C2为制动器泄压状态下制动阀压力弹簧最小弹簧力；PCmin为转向离合器最小开启压力；PBmax为制动器最大开启压力；PCmax为转向离合器最大开启压力。

因此，可得出制动阀阀杆通径D1、制动反馈活塞直径D2与制动阀达到平衡位置时复位弹簧力C的关系。根据式（2）可得出转向制动过程中转向离合器压力PC、制动器压力PB之间的关系。(www.xing528.com)

根据式（5）可知，转向压力与制动压力对制动阀杆的作用力之和与制动阀复位弹簧力保持平衡，在制动压力下降、转向压力上升过程中，制动阀杆的位移基本不变，制动阀处于一个相对平衡状态，制动阀杆与阀体的开度可看作一定值，则此时制动阀复位弹簧力即为定值。因此制动阀复位弹簧的设计受阀体结构、安装尺寸等影响。

基于液控转向制动阀的原理及数学模型，在仿真软件SimulationX中搭建制动先导液控转向制动系统仿真模型。仿真模型部分参数设置为系统压力2.5MPa，制动器油缸活塞外径240mm、内径200mm，制动器油缸弹簧安装载荷20888N，弹簧刚度系数为899.36N/mm等。根据式（5）可知，影响转向制动压力变化的主要因素有2个，一是外部油液通过梭阀对制动阀芯的液压先导力作用面积与制动器反馈压力作用面积之比，二是制动阀压力弹簧参数。制动阀压力弹簧参数中最主要的是安装载荷，虽然弹簧刚度系数有一定影响，但由于转向制动压力变化较快，弹簧刚度系数的总体影响较小，在此不作具体分析。

图3为制动阀先导压力在制动阀左侧不同作用面积下的转向制动压力变化曲线。从图中可以看出，制动阀先导阀芯小径越大，制动器压力变化初始位置越滞后；制动器压力与转向离合器压力交点位置越高，转向制动效果越好。这是因为制动阀先导阀大径为19mm不变，小径越大，转向离合器压力（作为制动阀液压先导力）作用面积越小，而推动制动阀移动的液压先导力越大，则需要更高的转向离合器压力才能推动制动阀芯移动，因此制动器压力与转向离合器压力的交点位置越高。

图3　不同液压先导作用面积下转向制动压力变化

但制动阀先导阀芯小径不能无限制增大，从图中可知，在制动阀先导阀芯小径为13mm时，制动器内油液已无法完全泄压，这是因为液压先导作用面积过小，转向离合器压力升至最高2.5MPa时，仍无法推动制动阀芯到最大位移，制动器内油液无法完全泄掉。

图4所示为制动阀压力弹簧安装载荷对制动压力变化的影响。从图中可以看出，制动阀压力弹簧安装载荷越大，制动器压力变化趋势基本不变，但压力变化初始位置越滞后，制动器压力与转向离合器压力交点位置越高，转向制动效果越好。这是因为，在制动阀芯结构不变，液压先导力作用面积、制动器压力反馈作用面积等参数不变的情况下，制动阀压力弹簧安装载荷越大，需要的液压先导力越大，才能推动制动阀芯移动，制动器内油液开始泄压的初始位置滞后，因此制动器压力与转向离合器压力的交点位置越高。

图4　不同制动阀压力弹簧安装载荷下转向制动压力变化

但制动阀压力弹簧安装载荷不能无限制增大，从图中可以看出，在安装载荷为450N时，制动器内压力已无法完全下降到零。这是因为制动阀压力弹簧安装载荷太大，在转向离合器压力已升至最高2.5MPa时，仍无法推动制动阀芯到最大位置，制动器内油液无法完全泄压。

另外，转向阀芯先导作用面积、制动阀芯压力反馈孔直径、制动阀芯压力反馈作用面积等参数也会影响转向制动阀压力变化，分析过程基本相同，不再赘述。

综上所述，确定制动先导液控转制动阀的主要参数：制动阀先导阀芯大径为19mm，小径为10mm，制动阀压力弹簧刚度系数为27N/mm，安装载荷为358N。

根据GB/T 25609-2010《土方机械步行操纵式机器的制动系统性能要求和试验方法》进行装机试验。

试验系统压力调节为2.5MPa左右，确定系统参数后进行了实车试验，图5为实车测试转向制动压力变化曲线。从图5可以看出，转向制动压力曲线能较好地实现转向制动动作，在50h试验验证过程中效果良好。同时，试验结果也验证了仿真模型的正确性，说明仿真模型可为提高液控转向制动系统的可靠性提供设计依据。

图6为采用MICO脚制动踏板液控转向制动阀的制动性能曲线。从曲线可以看出，在操作脚制动踏板后，左右制动压力迅速下降至0.2MPa左右，由于制动速度快，制动器内油液存在残压，故左右制动器油液压力没有立即下降为零，而0.2MPa残压在合理范围内，不足以对制动性能产生影响。同时试验结果表明，两侧制动器压力变化协调性较好，该系统能较好地保证制动器内油液的泄压，实现推土机的紧急制动。

图5　转向制动压力变化曲线

图6　液控脚制动踏板制动性能曲线

（1）分析了目前广泛应用的机械连杆转向制动系统现状，指出其存在的结构复杂、安装调试困难、控制精度低、响应速度慢、操纵力大、压力随动性受机械机构影响较大等问题，另外机械连杆转向制动系统对驾驶员的操作经验要求较高，增加了劳动强度，影响作业安全及效率。

（2）设计一种新型液控转向制动系统，利用液压先导手柄、液控转向制动阀、液压踏板等液压元件实现行车转向、停车制动、紧急制动等功能。

（3）建立了该系统主要元件——液控转向制动阀的数学模型，并基于SimulationX软件对影响转向制动压力变化的2个主要因素进行了分析，一是外部油液通过梭阀对制动阀芯的液压先导力作用面积与制动器反馈压力作用面积之比，二是制动阀压力弹簧参数。对于制动阀压力弹簧参数，主要分析弹簧的安装载荷。通过仿真分析，确定了制动阀芯各个结构参数及弹簧参数。

（4）对该液控转向制动系统进行了装机试验验证。试验结果表明：在进行转向动作时，转向制动压力曲线能较好地实现转向制动动作；在进行紧急制动时，两侧制动器压力变化协调性较好，能很好地实现紧急制动功能；试验结果验证了仿真模型的正确性，说明仿真模型可为提高液控转向制动系统的可靠性提供设计依据。

［参考文献］

［1］ 机械设计手册编委会编著. 机械设计手册［M］.北京，机械工业出版社，2004.

［2］ 刘艳芳. SimulationX精解与实例：多学科领域系统动力学建模与仿真［M］. 北京，机械工业出版社，2010.

Design of new-type hydraulic control steering brake system for bulldozer

SONG Jin-bao，TIAN Cong-feng，LI Rong-xu

［中图分类号］TH137.7

［文献标识码］B

［文章编号］1001-554X（2016）07-0068-04