CN101511662B - 四轮驱动系统 - Google Patents

Abstract

用于双侧对称车辆的四轮驱动系统，其特征是前轮和后轮的独立驱动系统。每个驱动系统可操作以独立地驱动每个轮。车辆的后轮是转向轮，转向轮与车辆框架连接以围绕竖直轴线独立地转动。由控制器控制车辆的转向和驱动。后轮的独立转向与所有四个轮的独立动力的组合可为车辆提供零转弯半径以改善机动性并提高在不稳定表面上的牵引力。

Description

四轮驱动系统

本发明要求2005年9月7日提交的美国临时申请第60/714,588号的权益。

发明背景

总是要在车辆、尤其是重型装备车辆、拖拉机等的牵引力和机动性之间协调。通常对拖拉机不考虑四轮驱动系统，因为认为慎重考虑驱动轮上的重量分布和双侧独立制动就已足够了。此外，很难为这种车辆的前转向轮提供驱动力。如果给予转向轮以驱动能力，则使转向轮更大对于更大的牵引力是有利的。但是，较大的前转向轮会与车辆的框架相干涉，由此限制其实用性。此外，驱动转向轮所需要的常规差速齿轮复杂且昂贵。由于零转弯半径车辆能有在车辆的长度范围内沿相反方向转向的优点，就更需要提高牵引力。某些这种车辆具有围绕竖直轴线枢转的转向轮来代替方向较不稳定的脚轮。本发明涉及其中围绕转向轮的竖直轴线驱动和转动转向轮以控制其转向和推进力的零转弯半径车辆。

现有技术简述

业已使用各种装置来减小四轮驱动车辆的转弯半径。久保田公司(Kubota)使用双速转向机构，该机构中相对于后轴对的前轴使用可变速度。久保田公司还制造用离合器来代替后轮之间差速齿轮的系统，从而在轻微转向时，该系统实际上是三个外侧轮被驱动的四轮车辆。其他公司已使用其中整个轴围绕其竖直轴线枢转的可转向轴。减小转弯半径而保持四轮驱动的其他方法包括四轮转向、诸如由英格索兰(Ingersoll Rand)提供的滑动转向以及铰接式转向。但是，除了滑动转向，这些装置中没有一个允许零转弯半径。此外，本领域已知的零转弯半径车辆如上所述由于驱动转向轮很复杂并未设有四轮驱动装置。开发本发明以通过提供也具有零转弯半径能力的四轮驱动车辆来克服现有装置的这些和其它缺点。

发明内容

一种用于双侧对称车辆的四轮驱动系统，所述车辆分别具有成对前轮和后轮，所述系统包括：第一驱动系统，所述第一驱动系统用于使每个所述前轮围绕水平轴线独立地向前和反向转动以推进所述车辆；第二驱动系统，所述第二驱动系统用于使每个所述后轮围绕水平轴线独立地沿相同的方向并以相似的速度转动以推进所述车辆，所述各后轮还与所述车辆连接以分别围绕竖直轴线转动超过180度，第三驱动系统使所述后轮围绕竖直轴线独立地转动以使所述车辆转向；以及控制器，所述控制器与所述第一、第二和第三驱动系统连接以控制其操作来使所述车辆转向和推进所述车辆，当执行接近零转弯半径的急转弯时，所述控制器操纵所述第一驱动系统，以使所述前轮沿相对方向同时转动。

该驱动系统包括液压泵或马达。第二驱动系统包括两个泵，一个用于向后轮传递推进力，而另一个用于向后轮传递转向力。

在一种替代构型中，用于前轮的第一驱动系统包括动力源、连接到动力源的功率分配器以及与功率分配器和前轮连接的一对相对的驱动机构。每个驱动机构包括与功率分配器连接的第一差动离合器和与第一差动离合器连接的第二差动离合器。第一和第二制动装置连接在第一和第二差动离合器之间以控制从功率分配器传递到每个轮的动力。操作第一和第二制动装置来控制从动力源传递到轮的驱动动力的程度和方向。在较佳实施例中，液压泵用作制动装置，而采用了适当的阀和控制器，就不再需要独立的泵了。

附图说明

在根据附图研究以下说明书时本发明的其它目的和优点会显现出来，附图中：

图1是根据本发明的四轮驱动系统的示意图；

图2和3分别是车辆的后转向轮之一的正视图和立体图；

图4是用于车辆的前轮的较佳驱动系统的示意图；以及

图5用于车辆的后轮的较佳驱动系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，将描述根据本发明的四轮驱动系统。该系统用于驱动双侧对称车辆并使其转向。这种车辆包括耕作设备、拖拉机、割草机和包括前轮2、4和后轮6、8的其它类型的重型机械。第一驱动系统10与前轮连接以使各轮沿向前或相反方向围绕水平轴线独立地转动来推进车辆。除了通过以不同速度或沿不同方向转动轮2和4来实现有限的转向之外，这些轮具有相对于车辆的固定竖直轴线且因此不可转向。控制器12与第一驱动系统连接来控制通过第一驱动系统传递到前轮的驱动动力或驱动力。

第二驱动系统14与控制器和后轮6和8连接以使各轮沿向前或相反方向围绕水平轴线独立地转动来推进车辆。因此车辆具有在控制器12的控制下的四轮驱动能力，这有助于车辆经过不稳定的地面。

与前轮不同，后轮6、8是转向轮。为了适应其转向，后轮与车辆连接以围绕竖直轴线转动。在图2和3中示出具有水平轴线H和竖直轴线V的后轮6之一，该水平轴线H穿过轴16的中心，而竖直轴线V穿过竖直轴18的中心。该竖直轴在其下端连接到框架20，框架20上下穿过轮的侧面。水平轴16与框架的下端连接。如图3所更具体地示出那样，轮竖直轴18穿过车辆的框架22并可相对于框架转动。这使轮6能够围绕竖直轴线V转动以使车辆转向。较佳的是，轮可转动经过360度。另一后轮8以也与轮6相同的方式连接成可转向。

转向组件24连接在控制器12与后轮6和8之间，如图1所示。转向系统可操作以使轮围绕其竖直轴线独立地转动。因为后轮可转动经过360度，车辆具有能够在其长度范围内转弯的零转弯半径。请参阅图3，用于各轮的转向系统包括一马达26，该马达由控制器12控制以使竖直轴18转动，从而使关联的转向轮6转动。马达可以是电动机、液压马达或空气马达，如本领域的普通技术人员会理解的那样。根据图3所示本发明的较佳实施例，马达26包括液压泵。控制器控制泵26和竖直轴18之间的阀(未示出)以控制流到轴的液压流体的传送，从而使轴沿两相反方向转动。因此，每个可转向的后轮6和8包括用于推进的第二驱动系统14和用于转向的转向组件24。

各轮包括连接到控制器12以提供指示各轮的水平转动的方向和速度以及后轮相对于其竖直轴线的转动位置的现有技术中已知的反馈信号的传统传感器3、5、7和9。反馈信号可用于使车辆的驾驶员对控制器的某些输入无效，以防止以危险的方式驱动车辆。例如，在车辆的向前速度增加时使车辆的转弯半径增加以防止车辆由于高速转弯太急而倾翻。

图4中示出用于车辆的前轮的较佳驱动系统。美国专利第6,957,731号中披露了该驱动系统。图4的驱动系统包括通过驱动轴106与功率分配器104连接的动力源102。功率分配器包括输出轴108和110，轴108和110分别连接到第一差动离合器112和114。第一差动离合器112和114具有单个输入和两个输出，单个输入从输出轴108、110接收来自功率分配器的动力，而两个输出通过其相应的输出轴连接到第二差动离合器130、132。更具体地说，输出轴134和136将第一差动离合器112连接到第二差动离合器130，而输出轴138和140将第一差动离合器114连接到第二差动离合器132。输出轴134、138沿第一方向转动，而输出轴136、140沿相反方向转动。第二差动离合器130和132具有两个输入和单个输出。因为分配器将相同的输出传递到各差动离合器，所以驱动系统是双侧对称的。

每个第二差动离合器具有与轮2、4连接的输出驱动轴128和129。每个差动离合器的操作由制动装置124、126、142和144个别地控制。这些制动装置是包括泵或发电机的任何常规类型。来自制动装置之一的制动作用减慢或停止相应轴沿第一方向的转动并与其所连接的第一差动轴的差动离合器配合，由此能够将动力传递到沿相反方向转动的输出轴。该转动轴传递动力以使也连接到第二差动离合器的另一输出轴转动。因为操作者通过控制器12独立地控制制动装置，就可控制从动力源施加到各轮的驱动力的量来沿向前或相反方向推进车轮以及提供车辆的协调转向。

例如，如果制动构件124、126配合，则来自动力源的动力分别通过输出轴136和140传递到第二差动离合器130、132，由此有利于反向运动。如果制动构件142、144配合，则来自动力源的动力分别通过输出轴134和138传递到第二差动离合器130、132，由此提供向前运动。

为了向右转，制动构件142、126配合，则来自动力源的动力分别通过输出轴134和140传递到第二差动离合器130、132，由此有利于零半径向右转。通过使制动构件124和144配合来完成零半径左转。

将参照图5描述用于各后转向轮6和8较佳驱动和转向系统。用于各转向轮的驱动系统14包括与控制器相连接的第一可变排量泵150，该泵将液压流体馈送到第一液压马达152，该液压马达又与后轮之一的水平轴16连接。通过轮框架20来实现该连接。用于各后转向轮的转向系统24包括第二可变排量泵154，该泵将液压流体馈送到第二液压马达156，该液压马达156在控制器的控制下与轮的竖直轴18连接。第一液压马达152致动水平轴以向前或向后驱动轮。第二液压马达156致动竖直轴以使轮向左或向右转。从位于水平轴16和竖直轴18上的传统传感器15和17分别向现有技术中已知的控制器12发送反馈信号。

通过使第二液压马达156转动角度来实现竖直轴线转动。编码器向控制器12发送信号使得控制器得知每个后轮指向的角度。由于这种设置，后轮可围绕其竖直轴线转动比常规牵引或转向轮大得多的角度。

液压马达还可用来代替图4所示的驱动系统独立地驱动前轮2和4。马达会在控制器的控制下由可变排量泵以类似于图5的用于后轮的水平轴驱动系统的方式来提供液压油。此外，每个驱动和转向马达可包括本领域已知的电动或气动马达。

操作时，操作者可使用操纵杆(未示出)来向用来推进车辆并使车辆转向的控制器提供输入。如果操作者总是将操纵杆向左推，则车辆会保持静止，但后轮会围绕其竖直轴线转动，并会指向与前轮方向成90度的方向，且还因此指向与机器所面对的位置成90度的方向。如果操作者然后向前移动操纵杆，仍然总是保持其向左，则车辆开始进行左手急转弯。右前轮会向前滚动，且左前轮会向后滚动，两者都有动力。后轮会向前驱动，它们会以相对于车辆所面向的位置的垂直方向将车辆的后部向右推。如果然后操作者向后拉操纵杆，仍然总是保持操纵杆向左，则将左前轮2向前驱动并将右前轮4反向驱动。

后轮不会相对于其竖直轴线变化，但其水平转动会反向。如果用于前轮的驱动系统是图4所示的类型，则用于代替致动器的泵可用来提供液压油以驱动后轮。系统内整合有阀，因此液压油沿适当的方向行进，穿过后轮上的轮马达。

尽管已对本发明的较佳形式和实施例进行了说明和描述，但显然对于本领域的技术人员来说可进行各种更改和改变而不偏离以上所阐述的本发明的概念。

Claims (14)

1.一种用于双侧对称车辆的四轮驱动系统，所述车辆分别具有成对前轮和后轮，所述系统包括：

(a)第一驱动系统，所述第一驱动系统用于使每个所述前轮围绕水平轴线独立地向前和反向转动以推进所述车辆；

(b)第二驱动系统，所述第二驱动系统用于使每个所述后轮围绕水平轴线独立地沿相同的方向并以相似的速度转动以推进所述车辆，

(c)所述各后轮还与所述车辆连接以分别围绕竖直轴线转动超过180度，

(d)第三驱动系统使所述后轮围绕竖直轴线独立地转动以使所述车辆转向；以及

(e)控制器，所述控制器与所述第一、第二和第三驱动系统连接以控制其操作来使所述车辆转向和推进所述车辆，当执行接近零转弯半径的急转弯时，所述控制器操纵所述第一驱动系统，以使所述前轮沿相对方向同时转动。

2.如权利要求1所述的四轮驱动系统，其特征在于，各轮包括用于产生与所有的所述轮的转速和所述后轮相对于所述竖直轴线的位置有关的信号的传感器，所述控制器与所述轮传感器相连接，由此所述控制器可补偿未由操作者的输入所提供的轮的转速。

3.如权利要求1所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第一和第二驱动系统中的至少一个包括：

(a)动力源；

(b)功率分配器，所述功率分配器与所述动力源连接；以及

(c)一对相对的驱动机构，所述驱动机构与所述功率分配器和所述轮连接，每个驱动机构包括：

(1)第一差动离合器和第二差动离合器，所述第一差动离合器与所述功率分配器连接，而所述第二差动离合器与所述第一差动离合器连接；以及

(2)第一和第二制动装置，所述第一和第二制动装置连接在所述第一和第二差动离合器之间以控制从所述功率分配器传递到所述轮的动力，由此，操作所述第一和第二制动装置来控制从所述动力源传递到所述轮的驱动动力的程度和方向。

4.如权利要求1所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第一、第二和第三驱动系统中的至少一个包括泵、交流发电机、发电机以及机械驱动器中的一个。

5.如权利要求1所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第一、第二和第三驱动系统中的至少一个包括液压泵和液压马达。

6.如权利要求5所述的四轮驱动系统，其特征在于，还包括连接在所述控制器和所述液压马达之间的可变排量泵。

7.如权利要求1所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第二驱动系统包括与第一液压马达连接的第一泵，用于将动力分别传递到每个所述后轮的所述水平轴以进行推进，所述第三驱动系统包括与第二液压马达连接的第二泵，用于将动力分别传递到每个所述后轮的所述竖直轴以进行转向。

8.一种用于车辆的转向机构，包括：

(a)一对轴；

(b)一对轮，所述轮与所述轴连接，以便被驱动而分别围绕水平轴线转动，所述轮还可相对于所述轴围绕竖直轴主动转过超过180度；

(c)第一驱动系统和第二驱动系统，所述第一驱动系统与前轮相连接，以使所述前轮围绕所述水平轴线向前和反向转动，所述第二驱动系统与该对轮相连接，以使所述轮围绕所述竖直轴独立地转动；以及

(d)控制器，所述控制器与所述第一和第二驱动系统相连接，用于控制所述第一和第二驱动系统的运行，以便根据操作者对所述控制器的输入而使所述车辆转向和推进，当执行接近零转弯半径的急转弯时，所述控制器操纵所述第一驱动系统，以使所述前轮沿相对方向同时转动。

9.一种用于具有一纵轴和一对前轮以及一对后轮的双侧对称车辆的四轮驱动系统，包括：

(a)推进驱动系统，所述推进驱动系统用于使所述前轮围绕水平轴线向前和反向转动以推进所述车辆，所述推进驱动系统还使所述后轮围绕水平轴向沿相同的方向并以相似的速度转动以推进所述车辆；

(b)所述后轮还与所述车辆相连接，用于分别围绕竖直轴转动；

(c)转向驱动系统，所述转向驱动系统用于使所述后轮围绕竖直轴相对于所述车辆纵轴转动到90度，以使所述车辆转向；以及

(d)控制器，所述控制器与所述推进驱动系统和转向驱动系统相连接，用于控制所述推进驱动系统和所述转向驱动系统的运行，以使所述车辆推进和转向，当执行接近零转弯半径的急转弯时，所述控制器操纵所述推进驱动系统，以使所述前轮沿相对方向同时转动。

10.如权利要求9所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述推进驱动系统包括用于所述前轮的第一驱动系统和用于所述后轮的第二驱动系统。

11.如权利要求10所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第一驱动系统使每个所述前轮独立地转动。

12.如权利要求10所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述第二驱动系统使每个所述后轮独立地转动。

13.如权利要求9所述的四轮驱动系统，其特征在于，所述转向驱动系统使所述后轮分别围绕竖直轴独立地转动。

14.如权利要求9所述的四轮驱动系统，其特征在于，各轮包括用于产生与所有的所述轮的转速和所述后轮相对于所述竖直轴线的位置有关的信号的传感器，所述控制器与所述轮传感器相连接，由此所述控制器可补偿未由操作者的输入所提供的轮的转速。

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