摘 要

随着经济的发展，我国的交通越来越发达，汽车保有量越来越多，而随之而来的交通事故也越来越多。这其中不乏由于汽车操作性能不过关而引发的意外，因此人们对于汽车的稳定性和机动性的要求也越来越高。传统汽车的前轮转向系统在行驶中转弯半径较大，在高速行驶时的机动性较差。如果在前轮转向系统的基础上给底盘安装后轮转向系统，使之成为四轮转向，则大大改善了这个问题。汽车四轮转向系统中的后轮可以独立转向，在低速时可以减小汽车转弯半径使之更加灵活，在高速时可以减小汽车侧向加速度和横摆角使之更加稳定。

本文设计了一个可用于商用车的后轮转向及回正双功能液压缸，主要工作如下：

1. 分析了国内外的四轮转向技术，对比它们的优缺点，为后面的设计打下基础。
2. 完成了转向及回正双功能液压缸的结构设计，保证汽车在四轮转向系统故障时可以继续行驶，在没有故障时液压缸的回正部分不会对转向产生阻力。
3. 根据课题要求设计计算了转向及回正双功能液压缸的缸体、活塞杆、活塞、导向套、端盖的尺寸，并设计了导向、密封、防尘装置。

关键词：商用车；四轮转向；液压缸；后轮转向

Abstract

With the development of economy, the traffic of our country is more and more developed, the number of cars is more and more, and the traffic accidents are more and more. Among them, there are many accidents caused by the poor performance of the car, so the requirements for the stability and mobility of the car are getting higher and higher. The front wheel steering system of traditional automobile has a large turning radius in driving, and its maneuverability is poor at high speed. If the rear wheel steering system is installed on the basis of the front wheel steering system to make it a four-wheel steering, this problem will be greatly improved. The rear wheel of the four-wheel steering system can turn independently, the turning radius of the car can be reduced to make it more flexible at low speed, and the lateral acceleration and yaw angle of the car can be reduced to make it more stable at high speed.

In this paper, a rear wheel steering and return dual-function hydraulic cylinder for commercial vehicles is designed. The main work is as follows:

1) the four-wheel steering technology at home and abroad is analyzed, and their advantages and disadvantages are compared in order to lay the foundation for the following design.

2) the structure design of steering and correcting dual-function hydraulic cylinder is completed to ensure that the vehicle can continue to drive when the four-wheel steering system fails, and the return part of the hydraulic cylinder will not produce resistance to steering when there is no fault.

3) according to the requirements of the subject, the dimensions of the cylinder block, piston rod, piston, guide sleeve and end cover of the steering and realigning dual-function hydraulic cylinder are designed, and the guiding, sealing and dustproof devices are designed.

Key words：Commercial vehicle；Four-wheel steering；Hydraulic cylinder；Rear wheel steering

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 本课题的研究背景及其意义 1

1.2 后轮转向技术介绍 2

1.3 国内外研究现状 3

1.4 本课题的主要内容 3

第2章 双功能液压缸结构的设计 5

2.1 液压缸结构的设计 5

2.2 液压缸回正部分的工作原理 6

2.3 液压缸转向部分的工作原理 6

2.4 本章小结 6

第3章 液压缸具体尺寸的计算 7

3.1 液压缸设计的主要零件和作用 7

3.2 液压缸缸体的计算与设计 8

3.3 活塞杆的计算与设计 11

3.4 液压缸工作行程的计算 13

3.5 活塞的计算与设计 14

3.6 导向套的计算与设计 15

3.7 缸盖的计算与设计 16

3.8 缸体长度的选取与液压缸安装结构的设计 17

3.9 本章小结 17

第4章 液压缸中其他装置的设计 18

4.1 缓冲装置的设计 18

4.2 排气装置的设计 18

4.3 油口的设计 19

4.4 导向的设计 19

4.5 密封的设计 20

4.6 防尘的设计 20

4.7 本章小节 21

第5章 总结与展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 24

绪 论

本课题的研究背景及其意义

自从德国发明家卡尔·本茨在1886年研制出的第一辆汽车以来，转眼已经过去了140余年。在这一个多世纪的时间里，人们的生活质量日新月异，尤其在交通水平上日渐发达，公路越来越多，随之带来的汽车需求量也越来越多。与此同时，交通事故的发生次数也在逐年上涨，这其中不乏由于汽车性能的不足而导致的意外。而四轮转向技术由于可以有效地改善商用车在低速行驶时的机动性和在高速行驶时的稳定性而越来越受到关注，它相当于在商用车的前轮安装了转向系统的同时在后轮也安装了转向系统，可以与前轮转向汽车完美结合^[1]。

图 1‑1后轮转向的工作相位

在此之前，汽车都是使用前轮进行转向，而前轮转向的转弯半径较大，机动性较差，这是因为汽车的后轮只是随着前轮的运动而运动，它并不具有转向功能，这样汽车在低速行驶时会受到前轮最大转角的制约而不能有效地减小转弯半径因此使汽车的机动性能变差；而在高速行驶时由于汽车的侧向加速度和横摆角不能受到有效控制会使汽车容易侧滑。而相比于普通的前轮转向汽车，在汽车的后轮布置转向的功能拥有着其无法比较的优势：如图1-1所示，汽车在高速行驶时转向，汽车同相位转向（前轮和后轮的转向相同），可以有效地减小汽车侧向加速度和横摆角，从而使汽车不容易发生侧滑，使汽车高速行驶时更加稳定。在低速行驶时转向，汽车逆相位转向（前轮和后轮的转向相反），可以有效减小汽车的最小转弯半径，从而使汽车在低速行驶时更加灵活^[2]。

给汽车后轮安装转向系统确实有着明显优势，但同样它也有着诸如可靠性低、占用空间、结构复杂等不可回避的缺点。若汽车在高速行驶时后轮转向系统出现问题，后轮不受控制随意摆动，会对驾驶员的生命安全造成严重威胁^[3]。因此，要开发一个转向及回正双功能的液压缸，它可以在后轮转向系统发生故障时起作用，将不受控制的后轮锁死在中间位置，也就是回正，让汽车依旧可以保持前轮转向的状态行驶，确保汽车在后轮转向系统出现问题时仍能继续行驶，而在没有故障时，液压缸内的回正部分又不能对转向产生阻力。

目前一些重型车辆专用车辆为了提升操控性能已经安装了四轮转向功能，但与轿车和轻型车不同，这些车辆的轴荷更大，在行驶和转向过程中车轮的侧滑力更大，而轻型车的转向回正机构的能力不能承受这样的负荷，导致行驶时车辆的稳定性下降^[4]。

本课题的研究对象为商用车辆，商用车分为货车和9座以上的客车，多为大型车辆。目前国内的四轮转向技术主要集中在乘用车上，在商用车上的研究少之又少。转向回正机构在四轮转向技术中有着不可代替的作用，而目前设置有四轮转向系统的商用车上分别安装了具有转向功能的转向液压缸和回正功能的回正液压缸，而这两套装置安装难度大且空间需求大。具有转向和回正双功能的液压缸可以有效改善这一问题。本课题就是通过研究从而确定一个适用于商用车的能实现后轮转向及回正双功能的液压缸设计方案。

后轮转向技术介绍

从转向的方式划分，后轮转向可分为后轮随动转向和后轮主动转向两种。

后轮随动转向：

见图1-2，后轮随动转向结构简单，仅在后轮与悬挂、悬挂与车神之间安装了橡胶软垫，这些橡胶可以让悬挂和车神的连接更加柔和^[5]。

在汽车转弯的过程中，由于橡胶的弹性，后悬挂连接点的橡胶在横向力的作用下会发生弹性形变，从而驱动车轮做一定的角度变化，橡胶软垫的柔软程度决定了这个角度。橡胶越硬，后轮可变转向角度越小，但悬挂刚度增高，稳定性好。橡胶越柔软，后轮的可变角越大，但悬挂刚度小且不稳定。因此，有必要比较设计的优缺点，并根据汽车的实际使用目的进行调整，通常，后轮的转向角度都小于3度^[6]。

虽然这是一种被动转向机构，但其结构比较简单，技术含量和成本较低。因此它可以应用于某些经济型汽车。

图 1‑2 后轮随动转向

后轮主动转向：

见图1-3，对于大型汽车而言，不断增加的轴距为汽车提供了更大的空间，但也影响了汽车的操控性。在汽车低速行驶时会增加汽车的转弯半径，而在高速行驶时的稳定性也会降低。加入后轮转向系统后就可以改善轴距加长后对汽车行驶造成的负面作用。主动式后轮转向系统的结构并不复杂，它是采用了一套丝杠螺母机构，电机驱动螺母带动导螺杆产生轴向运动，这个轴向运动会带动后轮产生一定的转向，当车速超过60 km/h时，汽车进行同相位转向，使车辆在高速行驶时更加稳定。而在车速不超过60 km/h时进行逆相位转向，使车辆在低速行驶时更加灵活^[7]。

该主动式后轮转向系统的技术内容主要集中在控制系统上，工作时，它会接收车辆行驶中的各种动态信号，并综合判断和输出合适的转向角，任何的计算上的错差都可能使汽车不受控制^[8]。

图 1‑3 后轮主动转向

国内外研究现状

早在上个世纪20世纪初，日本政府就颁发了第一个四轮转向技术证书，而在上个世纪八十年代，本田和几家汽车公司就为汽车市场带来了第一批具有后轮转向技术的车型。四轮转向系统主要是参考日产的HICAS系统制造，但它们并没有继续。通用汽车的Quadrasterer系统在2000年生产的全尺寸皮卡和保时捷928虽然也具有后轮转向功能，但它仅在制动时控制后轴扭矩。而国内关于后轮转向技术的研究尚且还处于空白阶段^[9]。

回正机构在四轮转向系统中至关重要，目前国外的一些车企在四轮转向系统中采用的回正机构已经非常成熟，他们的回正方式也不尽相同。而国内目前在这项技术上的研究也还处于空白阶段。

本课题的主要内容

本课题是针对商用车设计一个可实现后轮转向及回正双攻能的液压缸，参数如表1：

表 1 商用车参数

本课题主要研究内容如下：

第二章：根据题目要求结合现有后轮转向和回正机构的技术，并对比它们的优缺点，确定技术方案。

第三章：设计并计算缸体、活塞杆、活塞、导向套、端盖的具体尺寸参数，并确定它们的技术要求。

第四章：设计液压缸中的缓冲、密封及防尘装置。

第五章：总结与展望

双功能液压缸结构的设计

液压缸结构的设计

设计液压缸的结构是设计中最重要的一个步骤，也是第一步要完成的步骤。因为如果液压缸的结构设计有差错，之后会引出一系列问题，比如达不到设计要求、制造成本高、结构复杂等。

液压缸的结构设计是非常灵活的，只要不影响后期安装且可以满足设计需求，就可以设计出多种液压缸。但有一条原则是设计中必须要主要的：在满足设计要求的前提下，尽可能使液压缸的结构更简单、工作更可靠、成本更低。

因为本题目的要求是，可以确保在出现故障时能仍可以正常行驶，在正常工作时不对转向产生阻力。所以此液压缸的结构与一般的液压缸有一些区别。

液压缸的结构如图2-1所示：

图 2‑1 转向及回正双功能液压缸结构

此液压缸包括缸体、活塞杆、大套筒、小套筒、第一回正活塞以及第二回正活塞。

缸体中的油腔被隔壁分成转向缸和回正缸。缸体上分别设有连通液压控制阀的第一到第五油液通道。缸体两端安装用来密封油腔的缸盖。缸体外设有支脚，用来把液压缸安装到车架支座上。

活塞杆贯穿缸体并凸伸于缸体的两端以便于拆卸安装，在转向缸内的活塞杆上设有转向活塞，并且转向缸被此活塞分成左转向油腔与右转向油腔，转向活塞与活塞杆一体成型。

大套筒和小套筒都在回正缸内，大套筒在小套筒外部，且固定于缸体内，小套筒固定在活塞杆上，两个套筒中间的缝隙形成油腔，在两套筒靠近回正缸的一侧都设置了限位凸台，而第一回正活塞和第二回正活塞设置在回正缸内切卫浴限位凸台的左右两端，因此回正缸通过两个活塞而分割为左回正油腔和右回正活塞。

左转向油腔与第一油液通道连通，右转向油腔与第二油液通道连通，左回正油腔与第三油液通道连通，右回正油腔与第四油液通道连通，两个活塞的限位凸台间的缝隙与第五油液道连通。

液压缸通过液压油路可以精确控制活塞的位移。液压油路中包含各种电子阀，以及一个能与汽车控制单元通信的后轮转向控制单元，并以此确定后轮转向角度。该单元会将后轮的转向角转换成液压缸内活塞的位移。

液压缸回正部分的工作原理

用电磁阀控制液压缸，当使用其回正功能时，通过第三油液通道向回正缸中的左回正油腔供油，当油液充满左回正油腔后继续充油，这时，过量的油液会推动第一回正活塞向右移动，直到第一回正活塞抵触到大套筒上的限位凸台为止。右回正油腔与左回正油腔同时充油，第二回正活塞上没有负载，会比第一回正活塞先抵触到大套筒上的限位凸台。此时，第一回正活塞和第二回正活塞把活塞杆夹紧，所以，活塞杆不能相对于缸体位移。此外，两个回正活塞中间的油腔与第五油液通道相连通，所以这里的油液可以照常排出，从而实现回正功能。

液压缸转向部分的工作原理

使用其转向功能时，当水平向右侧转向时，利用第一油液通道向左转向油腔供油，转向活塞推动活塞杆向右移动，活塞杆从而推动第二回正活塞移动，这时右回正油腔中的油液通过第四油液通道排出。当水平向左侧转向时，利用第二油液通道向右转向油腔充油，油液推动活塞杆左移，活塞杆推动第一回正活塞移动，这时做回正油腔中的油液通过第三油液通道排出。由于两个回正活塞中间的油腔始终通过第五油液通道与一低压油液相连通，因此不会形成负压，从而实现转向功能。

本章小结

本章确定了液压缸的设计方案，介绍了液压缸各部分元件的结构，并分析了液压缸内转向及回正部分的工作原理。在设计过程中需对液压缸的结构进行反复推敲，否则达不到设计要求。

液压缸具体尺寸的计算

设计液压缸时必须要处理好各个参数间的关系。这其中压力和流量是起到决定作用的两个参数，所以这两个参数十分重要。液压缸能提供的工作输出力以及输出速度会影响液压缸活塞的直径，所以流量和压力之间就有着决定与被决定的关系。通常来说液压机械需首先确定可以提供足够的输出力以此使牵引负载正常工作，确定完负载力之后才能考虑工作快慢的问题。对于一定的负载力，工作压力越大，液压缸机构尺寸越小，对应的流量越小，反之亦然。但是提高压力后会出现密封困难的问题，所以对于液压缸材料的要求就会提高，制造成本也相应提高，因此不是压力越大越好，需要视实际情况来决定，所以压力与流量间的关系是设计液压缸时需要处理好的^[10]。

液压缸设计的主要零件和作用

1. 缸体：即液压缸主体。通常对缸体内孔表面粗糙度的要求为0.16-0.32 μm，来保证活塞在缸体内顺利滑动且不影响密封效果。此外，缸体还要承受内部油液的压力和外部的负载力，因此对缸体的强度和刚度都有着特殊要求。油液通道通常焊在缸体的外圆两端，并与内孔相通来保证油液的进出。

2. 活塞：活塞的作用是把液压缸内的液压能转化称机械能，活塞两端的面积会直接影响缸内的作用力大小。活塞与活塞杆和缸体之间要设置密封，来防止液压缸内部泄漏导致作用力不足。