CN101157359A - 一种液压底盘工程机械转向控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液压底盘工程机械转向控制系统所述控制系统包括液压马达转速传感器、转向角度传感器、控制器；所述液压马达转速传感器用于检测液压马达的转速；所述转向角度传感器用于检测转向程度；所述控制器根据上述传感器的检测值进行以下控制：当所述转向角度传感器的转向程度检测值超过预定的转向程度阀值，并且所述液压马达转速传感器检测获得的液压马达转速检测值超过预定的转速调整阀值时，则增加液压马达的排量以降低该工程机械的行驶速度。与现有技术相比，本发明提供的系统能够实时检测该工程机械的转向程度和行驶速度，当其超过一定的行驶速度且转向程度超过预定值时，自动降低该工程机械行驶速度，避免其由于转向速度过快而倾覆。

Description

一种液压底盘工程机械转向控制系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其是涉及一种采用液压底盘的工程机械的转向控制系统。

背景技术

一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分(Control Section)、工作机组成。原动机包括电动机、内燃机等。工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以及其它操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。

传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动(HydraulicPower Transmission)、液力传动(Fluid drive)和气压传动(Pneumatics)。

液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。

目前，随着国内外液压技术的发展，液压元件的性能不断提高，价格不断降低，并相继出现了工程机械专用液压件和液压系统。液压传动与控制技术在程机械中获得了广泛应用，并在许多场合开始替代传统的机械传动结构。

液压传动具有良好的操控特性，在低速大转矩传动、频繁启停换向、微速动作和点动操作等方面具有先天的优越性。很多工程机械和低速工程车辆行走系统采用液压驱动，克服了机械传动和液力机械传动的诸多缺点。例如，在工程机械中，开始广泛采用液压底盘代替传统的机械底盘。液压底盘将传统机械底盘采用机械方式实现的行走、制动、转向等动作改为液压驱动，克服了原有系统的许多缺点。

但是现有技术下，对液压系统的控制仍然存在一些问题。尤其是现有的液压底盘在实现对工程机械驱动的过程中，驱动液压泵工作的发动机的油门开度、液压泵或液压马达的排量等必须在操作者进行控制时才会发生改变，而工程机械的工作状况会随着工作状况的不同而不断变化，这些工作状况的变化需要实时调整液压行走系统的工作参数以适应这些变化。而现有技术下，控制系统不能对此自动做出反应，需要操作者凭借自己的经验进行调整，使工程机械的操作难度大，并且在操作者误操作时，可能造成事故。

行驶中进行转向是工程机械行驶过程中的一种重要工作状态，现有技术下，工程机械无法自动适应这一工作状态对行驶参数进行调整，当工程机械的行驶速度较快，而转向角度又比较大时，容易造成工程机械的倾翻。尤其是与普通车辆相比，工程机械往往具有较高的重心，在进行各种施工操作中，一般可以通过展开支撑腿等获得较好的固定，在行驶过程中，这种补救措施无法使用，如果出现上述行驶中转向的工作状态，就非常容易倾翻。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种液压底盘工程机械转向控制系统，该控制系统能够使工程机械行驶转向过程中，自动调整工作参数，以避免工程机械由于转向中速度过快而倾翻。

本发明提供的液压底盘工程机械转向控制系统，包括液压马达转速传感器、转向角度传感器、控制器；所述液压马达转速传感器用于检测液压马达的转速；所述转向角度传感器用于检测转向程度；所述控制器根据上述传感器的检测值进行以下控制：当所述转向角度传感器的转向程度检测值超过预定的转向程度阀值，并且所述液压马达转速传感器检测获得的液压马达转速检测值超过预定的转速调整阀值时，则增加液压马达的排量以降低该工程机械的行驶速度。

优选地，所述增加液压马达排量，具体是将液压马达排量调整到预定的一固定液压马达排量数值。

优选地，所述增加液压马达排量，具体方式如下：在控制器中存储与转速对应的转向程度-液压马达排量曲线，该曲线提供转向程度检测值和液压马达排量之间在一定行驶速度下的关系；所述增加液压马达排量的具体方式是，根据当前行驶速度下的所述曲线，将液压马达排量调整到对应当前转向程度检测值的数值。

优选地，所述增加液压马达排量，具体方式如下：首先将液压马达排量增加一个预定单位量，然后检测液压马达转速变化，据此判断当前行驶速度是否与当前转向程度检测值相适应；若不适应，则继续以上述步骤增加液压马达排量，直到当前行驶速度和当前转向程度检测值相适应；当两者相互适应时，则保持当前的液压马达排量。

优选地，所述转向角度传感器具体是检测方向盘旋转角度的方向盘角度传感器，所述转向程度检测值具体是该传感器检测获得的方向盘旋转角度。

优选地，所述转向角度传感器具体是检测转向轮转向偏角的转向偏角传感器，所述转向程度检测值具体是该传感器检测获得的转向轮转向偏角。

优选地，所述液压马达为电比例控制液压元件，控制其排量的方法是提供对应所需排量的输入电流。

优选地，当对液压马达传感器进行调整后，继续检测转向程度，当转向程度检测值小于转向程度阀值时，恢复液压马达排量到正常行驶状态。

与现有技术相比，本发明提供的系统在液压底盘工程机械上安装了转向角度传感器以及液压马达转速传感器，这些传感器能够实时检测该工程机械的转向程度和行驶速度，当其超过一定的行驶速度并且转向程度超过预定值时，控制器会自动调整所述液压马达的排量，使该工程机械的行驶速度降低，达到避免工程机械由于转弯中速度过快而倾覆的目的。

在本发明的优选实施例中，在控制器中存储有液压马达排量和转向程度在一定转向速度下的关系，当进行转向时，根据当前的行驶速度，查找该表，根据相应的转向程度确定相应的液压马达排量，从而获得最佳的转向效果。

在本发明的另一个优选实施例中，控制器根据检测获得的转向程度确定合适的速度值，并且在达到该速度值时，保持该行驶速度，直到转向角度发生改变。

附图说明

图1是一个单泵单马达的工程机械底盘的液压系统原理图；

图2是本发明第一实施例提供的工程机械转弯控制系统的结构示意图；

图3是本发明第一实施例工程机械转弯时的控制流程图；

图4是本发明第一实施例工程机械转弯时确定液压马达排量调整值的转向倾角和液压马达排量的关系曲线；

图5是本发明第二实施例工程机械转弯时的控制流程图。

具体实施方式

本发明实施例的基本思路是，检测工程机械的转向程度，当转向程度超过预定的转向程度阀值，并且行驶速度超过预定的转速调整阀值时，对该工程机械的液压马达排量进行适当调整，使该工程机械的行驶速度有所降低，避免倾覆。

上述通过降低转速避免工程机械转向时发生倾覆的原理如下所述。

根据牛顿第二定律，车辆匀速直线行驶时，其自身的驱动力恰好克服阻力，车辆即可保持直线匀速行驶状态。车辆需要转向时，需要向该车辆提供一个改变其直线运动方向的力，该力始终指向转向中心，称为向心力。另一方面而言，当该力不足时，车辆具有脱离转向轨道，继续沿直线方向运动的趋势，上述趋势使车辆似乎始终受到一个向外的拉力使其脱离期待的圆形转向轨迹，该虚拟的力称为离心力。要克服离心力，需要向车辆提供足够的向心力，该向心力和离心力大小相等方向相反，以支持车辆转向。一般在筑路时，会将转弯段的路修成里低外高的斜面，这样，路面对车辆的支撑力在水平方向的分力就可以作为向心力。如果车辆在水平路面上转向或者路面的水平方向的分力不足，甚至产生的是相反的力，则该向心力只能由车轮的侧向摩擦力提供。当车辆的摩擦力不足以产生该大小的力时，车辆就会在离心力的作用下侧翻。

车辆本身的抗侧翻的能力是车辆的固有参数固定的，与车辆的轮距、自重和重心位置有关，所以，应该限制车辆转向时离心力不超过某一个极限值。

车辆转向时的离心力的计算公式如下：

F＝mv²/r；其中，F：离心力；m：车辆自身质量；v：车速；r：转弯半径。

从上式可见，离心力的大小与车速的平方成正比，与转弯半径成反比。由于车辆转弯时，转弯半径往往由路面决定，难以改变，因此，一般由驾驶员控制车速以降低离心力，避免车辆倾覆。也就是通过车速调整适应转弯半径。本发明的目的就是要由控制器根据转弯半径的大小控制车速，实现对离心力的调整，避免离心力过大造成侧翻。

液压马达转速传感器表征了车速；车辆转向时，方向盘旋转角度越大，车轮偏离中间位置的角度就越大，车辆的转弯半径越小，可见，方向盘的旋转角度与1/r成正比。可以通过检测方向盘的偏转角度方便的获取1/r的特征量。另外也可以直接检测转向轮的转向偏角获取1/r的特征量。

以下说明本发明实施例应用的工程机械液压系统。请参看图1，该图为一个单泵单马达的工程机械底盘的液压系统原理图。

由图可知，该工程机械的液压底盘中，其行走机构包括发动机101、液压泵102、液压马达103。

所述发动机101作为原动机，向该工程机械提供动力。

所述液压泵102是整个行走液压系统的液压动力提供原件，向该行走液压系统提供压力油。

所述液压马达103为液压系统的工作元件，该液压马达103的旋转直接输出到车轮或者经过减速器输出到车轮，由该液压马达103的转速可以确定该工程机械的行驶速度。液压马达103优先选择电比例控制液压元件，由输入电流决定其排量，输入电流越大则其排量越小，相互之间基本为严格的线性关系。液压马达103的排量大小决定其输出力矩的大小，并且对液压系统的系统压力产生影响，液压马达排量增加，在一定范围内系统压力会增加，并且两者同样为线性关系。

上述液压底盘中，还包括转向机构和制动机构等行驶辅助机构。其中转向机构的液压元件包括转向泵104、转向器105、以及转向油缸106。所述转向泵104向转向油缸106提供液压油，所述转向器105根据外部的操作控制将转向泵104输出的液压油提供给转向油缸106，转向油缸106驱动转向杆伸缩，使转向轮偏离行驶中线，实现转向动作。

上述介绍的液压系统仅仅是液压底盘的一种最简单的系统，本发明第一实施例提供的液压底盘工程机械转向控制系统用于控制各种具有液压底盘工程机械的转向动作，其具体应用的液压底盘的液压系统可能比上述系统更为复杂，具体采用何种液压系统不妨碍本发明基本原理的应用。

请参看图2，该图示出本实施例提供的液压底盘工程机械转向控制系统的原理框图。

如图2所示，该液压底盘工程机械转弯控制系统包括液压马达转速传感器201、转向角度传感器202、以及控制器203。

所述液压马达转速传感器201，用于检测液压马达的转速，并输出检测结果。根据该转速以及工程机械中液压马达到车轮的传动关系，可以获知该工程机械的转速。具体采用何种传感器以及如何安装，在现有技术中存在很多方案并为本领域技术人员所公知，在此不作叙述。

所述转向角度传感器202，用于检测转向程度，并输出检测结果。所述转向角度传感器202存在多种选择，整个转向机构的各个部件凡是具有与转向程度相关的变化量都可以作为检测依据。例如，转向轮的转向偏角可以直接反应转向程度；转向油缸106伸缩杆的伸缩量也可以反应转向程度。本实施例优先选择方向盘偏离中心的旋转角度作为反应转向程度的检测量。采用该量的原因是，方向盘偏离中心的旋转角度变化显著，能够比较准确的测量；更重要的是，方向盘旋转角度作为控制量，在转向实际发生前即产生，使控制系统为转向而作的工作状态调整可及时做出。另外，还可以采用检测转向轮转向偏角的转向偏角传感器作为转向角度传感器，此时的检测值为转向轮转向偏角。

所述控制器203作为液压系统的核心控制部件，根据各个传感器的检测值以及预先设定的控制策略等对液压系统进行控制，包括调整油门开度以及液压泵、液压马达的排量。在本实施例中，仅仅关心该控制器203在转向过程中所起的控制作用。图2示出，该控制器203输出液压马达排量控制信号，该控制信号在转向过程中可以控制液压马达排量实现对工程机械行驶速度的控制。

本实施例中，所述控制器203对转弯过程的具体控制方法流程图请参见图3。以下结合该图作详细说明。

步骤S301，接收转向角度传感器202的转向程度检测值A。

当转向角度传感器202采用方向盘旋转角度传感器时，以其检测获得方向盘相对中间位置的旋转角度作为转向程度检测值A。该方向盘旋转角度可以反应操作者对转向角度的需求，并会实际控制转向轮产生相应的转向偏角。当转向角度传感器采用检测转向轮转向偏角的转向偏角传感器时，检测获得转向程度检测值A具体是转向轮转向偏角。

步骤S302，判断该转向程度检测值A是否大于预定的转向程度阀值AL；若是，则进入下一步；若否，则返回步骤S301。

如果转向程度并不很大，则工程机械因为转向而倾覆的可能性很小，不需要调整该工程机械的行驶速度，这样可以使工程机械行驶状态保持稳定。当转向程度较大时，则工程机械转向时若仍然保持原行驶速度，则可能导致倾覆，需要采取相应的措施。为了判断转向程度是否处于较大的范围，专门设立了转向程度阀值AL，作为判断转向程度是否达到需要对行驶速度进行调整的标准。该转向程度阀值AL在采用方向盘旋转角度检测转向程度时，为某一个方向盘旋转角度；当采用检测转向轮偏角检测转向程度时，为某一个转向偏角值。

还需要考虑，依据本方法进入转弯控制过程并对液压马达排量进行调整后，如果出现转向倾角不大的情况，则在该步骤检测获知该情况后，应当恢复原有的液压马达排量，使工程机械恢复原来的行驶速度。

步骤S303，判断当前液压马达转速S是否超过预定的转速调整阀值SL；若是，则进入下一步；若否，则返回步骤S301。

由液压马达转速S很低时，也就是其行驶速度很低，其转向程度即使很大，也不会产生倾覆的危险，因此，该工程机械无需改变行驶速度。当液压马达转速高于一定程度时，才需要进行转速调整。为此设定一个转速调整阀值Sm，作为判断需要进行速度调整的标准。当液压马达转速超过该阀值时，说明液压马达转速S过大，需要进行调整。

步骤S304，根据检测获得的转向程度，查阅对应当前行驶速度的转向程度-液压马达排量曲线，获得液压马达排量的需求值。

由于所述转向程度超过预定的转向程度阀值AL，并且液压马达转速超过了转速调整阀值SL，如果该工程机械以当前的速度进行这样倾角的转向，可能导致倾覆。为此，需要降低该工程机械的行驶速度。具体方式是增加液压马达的排量Vm，这样，在液压系统的功率不变的情况下，液压马达转速S将降低，从而使整个工程机械的行驶速度降低，达到避免车辆倾覆的效果。具体的转向程度和液压马达排量Vm的关系可以建立一个与当前行驶速度相关的关系曲线，图4示出一个在某一转速下该关系曲线的例子，根据测量获得的转向程度检测值A即可从该曲线获得对应的马达排量。从图4可知，当转向程度检测值A越大时，需要提供更大的马达排量Vm，获得降低行驶速度的效果。并且，最大可能的转向程度A_max，对应于最大马达排量V_mmax。上述关系曲线在控制器203中对应各个转速分别采用表格形式存储。上述转向程度根据采取的检测量不同，可以是方向盘旋转角度或者转向轮转向倾角。

步骤S305，根据所确定的液压马达排量，根据输入电流和液压马达排量的关系，控制器203为液压马达确定相应的输入电流值，并且向相应的功率原件输出反应该值大小的液压马达排量控制信号，该功率原件向液压马达提供该数值的输入电流。

由于液压马达为电比例控制液压元件，其排量由向其提供的输入电流控制，只要提供相应的电流，就可获得相应的液压马达排量。所述控制器203可根据液压马达排量和输入电流的关系，确定对应于所确定的液压马达排量的输入电流值。控制器203可以直接向所述液压马达提供该电流值，但是，控制器203往往并不具备足够的功率驱动能力，一般可以由控制器根据所确定的上述输入电流值，产生反应该电流值大小的液压马达排量控制信号，并将该值输出到相应的功率原件，控制该功率原件向液压马达提供该数值的输入电流。

步骤S306，返回步骤S301。

该步骤使系统继续检测转向程度以及液压马达转速，进行相应调整，使转向过程获得控制。

上述实施例提供的是一种优选方式，实际上可以有所变化。更一般的，步骤S304中，可以直接采用增加液压马达排量到某一个定值的方式，而不是根据转向程度-液压马达排量曲线进行调控。这种情况下，不论转向程度如何，只要判断需要为转向过程调整工程机械转速，就对其进行固定的调整。这种控制方式的优点是比较简单易行。

另外还可以采用的优选实施方式，是逐渐增加液压马达排量，并同时检测工程机械的行驶速度，直到转向程度和行驶速度获得匹配为止。以下第二实施例采用此种方式。由于该实施例的组成单元与上述第一实施例相同，因此，对其组成不再赘述，仅说明其控制方法。请参看图5，该图为该实施例控制方式的流程图，以下结合该图作简要介绍。

步骤S501，接收转向角度传感器202的转向程度检测值A。

步骤S502，判断该转向程度检测值A是否大于预定的转向程度阀值AL；若是，则进入下一步；若否，则返回步骤S501。

步骤S503，判断当前液压马达转速S是否超过预定的转速调整阀值SL；若是，则进入下一步；若否，则返回步骤S501。

步骤S504，增加液压马达排量一个单位值。

由于所述转向程度检测值A超过预定的转向程度阀值AL，并且液压马达转速超过了转速调整阀值SL，如果该工程机械以当前的速度进行这样倾角的转向，可能导致倾覆。为此，需要降低该工程机械的行驶速度。具体方式是逐渐增加液压马达排量V_m，这样，在液压系统的功率不变的情况下，液压马达的输出转速将降低，从而使整个工程机械的行驶速度降低。具体液压马达排量增加值需要根据转向倾角逐渐调整。

步骤S505，从液压马达转速传感器201获得当前的液压马达转速S。

由于液压马达排量增加，其转速也会有所变化。所以，需要进行实时检测，以便判断转速是否适应当前的转弯倾角。

步骤S506，判断液压马达转速与当前转向程度是否适应；若是，则进入下一步；若否，则返回步骤S504。

液压马达转速和转向程度的对应关系根据实验或者理论计算获得，并存储在控制器203中，若液压马达转速落入当前转向程度对应的合适转速范围内，则认为两者相适应。具体的试验或者理论计算方法需要结合具体工程机械的状况进行，本领域的技术人员依据现有技术提供的手段可以获得，在此不予详述。

步骤S507，保持当前的液压马达排量，并返回步骤S501。

该步骤使系统继续检测转向程度，并在该转向倾角变化时，对液压马达排量作相应调整。

上述第二实施例提供的方法，直接以行驶速度为标准，对液压马达排量进行调整，使行驶速度最终符合当前的转向倾角，这样可以避免在控制器203中存储许多数据，并可以避免调整液压马达排量产生的转速实际变化与理论有差异的情况。采用该方法的缺陷是难以一次调整到位。

上述实施例提供的转向控制方法，都是根据检测获得的工程机械转向程度，对液压马达排量进行相应的控制，以满足不同转向倾角下速度控制的需求，达到避免倾覆的效果。这些方法都适用于上述提供的转向控制系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述控制系统包括液压马达转速传感器、转向角度传感器、控制器；所述液压马达转速传感器用于检测液压马达的转速；所述转向角度传感器用于检测转向程度；所述控制器根据上述传感器的检测值进行以下控制：当所述转向角度传感器的转向程度检测值超过预定的转向程度阀值，并且所述液压马达转速传感器检测获得的液压马达转速检测值超过预定的转速调整阀值时，则增加液压马达的排量以降低该工程机械的行驶速度。

2.根据权利要求1所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述增加液压马达排量，具体是将液压马达排量调整到预定的一固定液压马达排量数值。

3.根据权利要求1所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述增加液压马达排量，具体方式如下：在控制器中存储与转速对应的转向程度-液压马达排量曲线，该曲线提供转向程度检测值和液压马达排量之间在一定行驶速度下的关系；所述增加液压马达排量的具体方式是，根据当前行驶速度下的所述曲线，将液压马达排量调整到对应当前转向程度检测值的数值。

4.根据权利要求1所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述增加液压马达排量，具体方式如下：首先将液压马达排量增加一个预定单位量，然后检测液压马达转速变化，据此判断当前行驶速度是否与当前转向程度检测值相适应；若不适应，则继续以上述步骤增加液压马达排量，直到当前行驶速度和当前转向程度检测值相适应；当两者相互适应时，则保持当前的液压马达排量。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述转向角度传感器具体是检测方向盘旋转角度的方向盘角度传感器，所述转向程度检测值具体是该传感器检测获得的方向盘旋转角度。

6.根据权利要求1-4任一项所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述转向角度传感器具体是检测转向轮转向偏角的转向偏角传感器，所述转向程度检测值具体是该传感器检测获得的转向轮转向偏角。

7.根据权利要求1-4任一项所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，所述液压马达为电比例控制液压元件，控制其排量的方法是提供对应所需排量的输入电流。

8.根据权利要求1-4任一项所述的液压底盘工程机械转向控制系统，其特征在于，当对液压马达传感器进行调整后，继续检测转向程度，当转向程度检测值小于转向程度阀值时，恢复液压马达排量到正常行驶状态。

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