轮式拖拉机全液压转向系统分析

轮式拖拉机全液压转向系统分析

王可洲

山东农业工程学院，250022

摘要：轮式拖拉机是农业机械化中不可或缺的动力设备,其转向系统对于提升驾驶操作性能和降低驾驶员的操作负担具有重要意义。全液压转向系统为轮式拖拉机的主流配置。本文基于液压转向系统分析了液压转向系统的组成及工作原理，对转向恒流泵的功能进行了介绍,对液压转向器的工作原理进行了详细的分析，同时给出了修改意见。

关键词：轮式拖拉机；全液压转向；恒流泵；液压转向器；

我国是一个农业大国，农业是国民经济基础。农业机械化可以有效增加农作物的产量及农民的收入，提高农业经济效益。因此，增加农机装备总量，采用先进技术装备农业机械实现农业机械化势在必行，没有农业机械化的发展就没有现代化的农业。农业现代化的关键动力设备就是拖拉机，其各项性能指标严重影响农业生产质量。

转向系统是拖拉机底盘四大系统之一，其作用是改变拖拉机的行驶方向或保证其直线行驶的稳定性，转向性能直接影响到拖拉机操纵稳定性及驾驶员的安全。转向精准、力度适中、回馈良好的转向系统是行车安全的关键。

拖拉机转向系统的发展经历了机械式转向系统、液压助力转向系统、电子液压助力转向系统等多个阶段。机械式转向系统结构简单、造价低，但转向费力，操控性能差。液压助力转向系统转向轻便、操控性能好，但受拖拉机布局的限制不便采用。随着液压技术的完善，功比大、布置方便的全液压转向系统被开发设计出来。

全液压转向系统中没有传统的机械转向器及转向传动机构，液压转向器和转向液压缸之间全部通过液压油管连接，液压液压缸与前轴等组成的转向梯形布置非常灵活，也方便前驱动系统零部件的布置。它能同时满足各方面的要求，保证拖拉机在田间作业、公路运输过程中，实现灵活、轻便地操作方向盘，在一定程度上减轻了劳动力，并使生产率得到大幅提高。

1．轮式拖拉机全液压转向系统的组成

轮式拖拉机全液压转向系统的液压系统如图所示，主要由动力元件、执行元件、控制调节元件、辅助元件及液压油组成。动力元件采用恒流液压泵，执行元件采用双出杆油缸，控制调节元件采用伺服阀、计量泵（组合于液压转向器内），辅助元件包括油箱、油管等元件。它是一套采用了机液伺服阀的位置随动伺服控制系统。

1-油箱 2-安全滤请器 3-引擎 4-恒流量液压泵 5-转向器总成 6-转向油缸

全液压转向系统液压原理图

恒流量液压泵是液压转向系统的动力源，由发动机通过皮带、皮带轮带动，液压泵从油箱吸油并以一定压力排出，将机械能转换为液体压力能，给转向器供应高压油。恒流泵由齿轮泵、节流阀、溢流阀组合而成。齿轮泵通过啮合的轮齿、壳体、端盖及配油装置形成变化的封闭容积，封闭容积增大把油箱中的液压油吸入；容积减小，液压油压力升高排出油泵。由于齿轮泵属于定量泵，排量不变，因此在液压转向系统中流量随发动机的转速变化而改变，发动机转速高时液压泵流量增大、压力升高，会导致转向操纵过于灵敏，转向稳定性下降；相反转速低时，导致转向沉重。为此，在转向液压系统中设置恒流溢流阀，通过溢流阀保证节流阀进出口压差不变，无论发动机转速如何变化，液压泵的输出流量不变，从而保证液压转向系统的操纵稳定性，保证转向安全可靠。

液压转向器是拖拉机液压转向系统的控制元件，它由机液伺服阀和摆线式计量马达组成，是一种摆线齿轮转阀式全液压转向器。机液伺服阀为转阀式结构，其通过转向盘操控，包括阀芯、阀套、扭杆弹簧等，其作用是根据转向盘的转动方向改变高压油流向转向油缸的不同油腔。计量马达亦称计量泵，由定子、转子等组成，其作用是计量控制流进转向液缸的液压油流量。转向器的阀芯与方向盘刚性连接、阀套与计量马达的转子刚性连接、阀芯与阀套柔性连接。

当方向盘转动时，阀芯转过一个小角度，由于计量马达的阻力矩作用，阀套暂不转到，这时扭杆弹簧变形，阀芯与阀套错开一个角度，将油路接通。由于油液的压力能，使计量马达旋转，液压油送至转向油缸，使转向轮偏转。计量马达转动工作时，通过联轴器带动阀套一起转动，消除阀套与阀芯之间的转角偏差，直到阀套、阀芯回到初始中立位置，将油路关闭，转向轮停止偏转。因此转向器仅能把与方向盘转角成一定比例的液压油送至转向油缸，使转向轮偏转对应于方向盘的一个角度。转向器的阀芯、阀套与计量马达的转子构成反馈回路，形成一个闭环控制系统。

2．轮式拖拉机全液压转向系统的工作原理

拖拉机直线行驶：当方向盘不转动时，三位四通伺服阀处于中间位置，油泵送来的高压油直接从P口经控制阀从T口回油，不经计量马达，转向油缸两腔的油液不进也不出，活塞不能左右移动，转向轮不偏转，拖拉机沿原先给定方向直线行驶。

拖拉机左转向行驶：当方向盘左转一个角度时，控制阀阀芯左转相应角度，与阀套形成周向间隙，相当于进入伺服阀左位，如图所示。高压油经P口进入计量马达，然后从A口进入转向油缸左腔；转向油缸左腔的油从B口经T口回油箱，液压缸活塞杆通过连杆、转向臂带动转向轮右转。

拖拉机右转向行驶：当方向盘右转一个角度时，控制阀阀芯右转相应角度，与阀套形成周向间隙，相当于进入伺服阀右位，如图所示。液压油经P口进入计量马达，然后从B口进入转向油缸右腔；转向油缸左腔的油从A口经T口回油箱，液压缸活塞杆通过连杆、转向臂带动转向轮右转。

当方向盘转动过程中在任意位置停止时，转向伺服阀的控制阀体通过计量泵转子转过与阀芯相同角度，抵消了伺服阀阀芯转动与阀体之间形成的间隙，伺服阀回至中位，计量马达不转动，液压缸位置不变。此时伺服阀工作状态与直线行驶工作状态相同，但拖拉机以一定的转弯半径行驶。

当系统发生故障（恒流泵或动力源失效）时，可手动操作转动方向盘使计量马达的转子转动，此时转向器内摆线齿轮马达充当液压泵泵的功能，将液压油从油箱中吸出、加压，以一定压力送至到转向油缸中，使液压缸活塞运动实现无动力转向。此时转向操纵沉重，仅能维持基本的转向需求。

3．全液压转向系统的不足、改进

本文讲述的全液压转向系统，虽然能实现拖拉机的正常转向，且转向轻便，但也存在诸多缺点，譬如它不能感知拖拉机行驶速度、转向速度等，从而改变转向操舵力，其改进方向是线控全液压转向系统。

线控全液压转向系统在全液压转向系统的基础上增加了一套电子控制系统。它由转向盘组件、转向执行组件和控制单元（ECU）三大主要部分以及故障自救系统、电源等辅助装置组成。电控单元可以根据行驶速度、路面情况、转向速度、转向角度等输入信号，按照预选设定的阻力矩与操舵力的关系、转向盘转角与转向轮偏转角之间关系等，经运算、对比、判断输出控制信号，通过电液伺服阀分配液压油给转向液压缸，实现电控转向。

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