CN101768991A - 转向操作系统和方法及具有该转向操作系统的工作机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转向操作系统，包括一根操作杆，用于输入转向机构的转向指令；由所述操作杆致动的控制阀；以及有选择地与所述控制阀流体连通的多个液压致动器，所述多个液压致动器能够分别致动与转向机构可控连接的多个转向阀，根据所述转向指令改变转向机构的操作状态。本发明还公开一种转向操作方法，包括：通过一根操作杆输入转向机构的转向指令；响应于所述转向指令，使来自液压控制系统的流体通过控制阀选择地致动多个液压致动器；液压致动器通过致动与转向机构可控连接的转向阀，从而根据所述转向指令改变转向机构的操作状态。另外，本发明还公开一种具有上述转向操作系统的工作机械。

Description

转向操作系统和方法及具有该转向操作系统的工作机械

技术领域

本发明涉及一种转向操作系统和方法，更具体地涉及一种液压先导转向操作系统和方法；本发明还涉及具有所述转向操作系统的工作机械。

背景技术

车辆，例如运土和建筑机械等大型工作机械中具有转向机构使工作机械的牵引设备例如轮子与动力源分离或接合以实现转向需求。完全的机械转向纯粹利用驾驶员人力提供转向动力，往往需要施加很大的转向操纵力才能实现转向，驾驶员的劳动强度大，操作效率低。而电子转向系统则部件大多比较精密，这不仅造成成本提高，而且也影响电子转向系统的应用范围。

另外，现有的工作机械中需要使用两根操作杆来实现转向，分别控制车辆向左转向和向右转向，这使得驾驶员在驾驶过程中需要频繁地转换操作两根操作杆，增加了驾驶员的劳动强度，尤其在需较多转向的路况下更是如此，并且两根操作杆的设置通常不能保证其同时处于最佳操作位置，还会占据驾驶舱的更多空间，影响操作的舒适性和效率。现有技术中存在一种推土机转向液压制动操作系统，在该转向系统中尽管实现了一根操作杆控制，但其采用的先导阀结构复杂，对于常规的先导阀不能直接加以应用。

此外，转向系统还往往需要具有良好的可操控感，便于驾驶员根据路况的具体情形确定对操作杆进行操作的程度。例如实现不同大小的转弯。而现有技术往往不能实现良好的操控感，即不能满足操作杆和转向之间优化的对应关系。

因此，如何实现一种具有提高的性能的新型转向操作系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的一个或多个问题。

根据本发明的一个方面，提供一种转向操作系统，包括一根操作杆，用于输入转向机构的转向指令；由所述操作杆致动的控制阀；以及有选择地与所述控制阀流体连通的多个液压致动器，所述多个液压致动器能够分别致动与转向机构可控连接的多个转向阀，使得转向阀根据所述转向指令改变转向机构的操作状态。

在一种实施方式中，控制阀的出口压力与所述操作杆的偏移量成比例。

优选地，所述控制阀为先导式减压阀。

在一种实施方式中，所述转向机构包括离合器和制动器，多个转向阀的阀芯的运动分别与离合器和制动器操作状态的改变相关联。

在一种实施方式中，多个液压致动器按线性比例关系致动所述转向阀。

在一种实施方式中，所述液压致动器是柱塞缸。该柱塞缸包括缸体、推杆、柱塞；其中，在缸体内所述柱塞一端作用有一补偿弹簧，该补偿弹簧被预压缩。

根据本发明的另一方面，提供一种转向操作方法，包括：通过一根操作杆输入转向机构的任一转向指令；响应于所述转向指令，使来自液压控制系统的流体通过控制阀选择地致动多个液压致动器；所述液压致动器致动与转向机构可控连接的转向阀，从而根据转向指令改变转向机构的操作状态。

在一种实施方式中，所述控制阀的出口压力与所述操作杆的偏移量成比例。

在一种实施方式中，多个液压致动器按线性比例关系致动所述转向阀。

根据本发明的又一方面，还提供一种具有上述转向操作系统的工作机械。

附图说明

下面参照附图所示实施例详细说明本发明的转向操作系统，其中在所示的附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1示出了根据本发明的转向操作系统的一种实施方式的示意图；

图2是表示根据本发明的柱塞缸的示意图；

图3示出了图2中的柱塞的受力示意图；

图4是表示在本发明的一种可能实施方式中与离合器、制动器可控连接的转向阀的阀芯移动与操作杆的偏移角之间关系的特性曲线；

图5分别示出了在图4的实施方式中，由补偿弹簧、转向阀作用在柱塞上的力及两者合力与转向阀阀芯移动之间关系的特性曲线。

具体实施方式

参照以下对利用本发明的原理给出的示例性实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明的特征和优点。

图1示意性地示出了根据本发明的转向操作系统的一种示例性实施例。为了说明的目的，本实施例以应用在履带式推土机上的转向系统进行描述，其整体用附图标记100来表示。但本领域的技术人员能够理解，本发明的转向操作系统可以应用于任何种类的工作机械，例如装载机、挖掘机或建筑业中的其他机器或其它行业中诸如农业、林业的其它工作机械。

推土机包括动力装置、与地面接触的牵引装置、变速机构和转向机构。在图示的实施例中，履带式推土机100包括动力装置发动机13，牵引装置左、右转向轮71、72，变速机构(未示出)以及由左、右转向离合器61、62和左、右制动器51、52构成的转向机构。操作杆1设置在驾驶室内用作输入装置以输入转向机构的任一转向指令。用于履带式拖拉机的转向操作系统包括操作杆1，由操作杆致动的控制阀，与控制阀选择地流体连通的多个液压致动器，转向机构以及与其可控连接的多个转向阀。如下面详细描述的，控制阀优选为先导阀。液压制动器在所示的实施方式中具体为柱塞缸。

具体来说，图1中示意性地示出了为转向提供液压助力的液压控制系统。该液压控制系统包括油箱8、液压泵9、溢流阀10和先导阀2。其中，油箱8作为流体源为控制系统供应流体，液压泵9将来自油箱8的流体升压，然后通过图示中调节压力的溢流阀10作用后将流体经软管供应至先导阀2。应当注意，并不限于此处的溢流阀，还可以替代地使用任何具有压力调节作用的阀体。先导阀2和油箱8之间还连接形成有回油通道。如图所示，先导阀2的出油口分别通过软管连接到液压致动器，即示出的左、右柱塞缸31、32的一端上用以响应操作杆1的动作选择向柱塞缸中的一个提供致动流体。此处优选的先导阀2用于独立地控制到柱塞缸31、32或者到一个无流体通过位置的流体流动。由此，液压控制系统的这种结构，使得根据先导阀阀芯的位置可以分别形成油箱8-先导阀2-油箱8、油箱8-先导阀2-柱塞缸31-油箱8和油箱8-先导阀2-柱塞缸32-油箱8三个控制油路。

柱塞缸31、32的另一端分别与转向阀41、42和43、44相连。具体地，各个柱塞缸中的柱塞推动与其连接的相应转向阀的阀芯运动，使各个阀芯与柱塞形成关联运动。在本实施例中，柱塞缸31、32的柱塞能够分别推动转向阀41、42和转向阀43、44的阀芯直线运动。当然，并不限于直线运动，也可以形成其它关联运动方式，只要可以使两者之间具有线性关系即可。转向阀41、42和43、44的液压供应可以采用本领域中已知并理解的方式。例如，通过图示的行走泵11将来自油箱8的流体加压，然后通过例如溢流阀12的压力调节阀调压后将流体分别供应至各个转向阀。

由离合器61、62和制动器51、52组成的转向机构与转向阀42、44和41、43连接。发动机13与离合器61、62连接以为轮子71、72提供牵引动力。转向阀输出的流体分别为左右转向离合器61、62和左右制动器51、52提供液压致动力，转向阀阀芯的位置影响被引导到转向离合器、制动器的流体量和压力大小，相应地改变转向离合器和制动器与左右转向轮71、72的接合状态。

在工作机械的行驶过程中，当操作杆1未致动时，操作杆1通过先导阀2内的复位弹簧保持在中间位置、即零位，该中间位置与无流动状态对应。以下操作杆的行程、偏移角均是相对于此位置而言的。此时，来自液压泵9的流体在供应至先导阀2后即经回油通道返回油箱8，没有流体供应至柱塞缸31、32，从而并不对转向机构产生影响，即转向离合器61、62仍保持接合状态，制动器51、52仍保持脱离状态，履带式推土机100保持直线行驶状态。

当推土机100需要左转时，驾驶员将操作杆1向前推，从而将先导阀2与柱塞缸31之间的流路接通。流体进入柱塞缸31使其致动，从而使转向阀41、42的阀芯与其关联地直线运动，阀芯的运动相应地接通向左转向离合器61和制动器51的流体流动，从而产生液压致动力改变离合器和制动器的操作状态。例如使左转向离合器61的摩擦片和齿片逐渐松开不再传递力矩，切断发动机的动力，并致动制动器51使其逐渐接合，对左转向轮71产生制动力。由于右转向离合器62和制动器52的操作状态没有发生改变，仍分别保持在接合和脱离状态，右转向轮72以当前速度向前行驶，在其推动下实现推土机100向左转向。

相反地，当推土机100需要右转时，驾驶员将操作杆1向后拉，从而将先导阀2与柱塞缸32之间的流路接通，流体进入柱塞缸32使其致动，从而使转向阀43、44中的阀芯与其关联地直线运动，阀芯的运动相应地接通向右转向离合器62和制动器52的流体流动，从而产生液压致动力改变离合器和制动器的操作状态。例如使右转向离合器62的摩擦片和齿片逐渐松开不再传递力矩，切断发动机的动力，并致动制动器52使其逐渐接合，对右转向轮72产生制动力。由于左转向离合器61和制动器51的操作状态没有发生改变，仍分别保持在接合和脱离状态，左转向轮72以当前速度向前行驶，在其推动下实现推土机100向右转向。

在转向结束时，驾驶员松开操作杆1，操作杆1在先导阀2中的复位弹簧作用下恢复零位，使柱塞缸31或32中的流体经先导阀2的回油通道泄压，与转向离合器和制动器关联的阀芯在转向阀中的复位弹簧作用下沿相反方向运动，使转向离合器重新接合，并使制动器松开，推土机恢复直线行驶。

由此，本发明的转向操作系统通过对操作杆1进行前推和后拉操作即可实现双向转向。很明显，也可以设置成使操作杆的向前推对应于向右转向，使操作杆的向后拉对应于向左转向。

在本发明的一种优选实施方式中，操作杆的行程为66mm，偏移角在0°-28°之间。该范围的设计使操作系统更加符合人机工程学，例如在保证精确转向的同时，还能使驾驶员在驾驶座上不用动作太大幅度即能实现转向，使操作更加舒适。

有利地，先导阀2优选为先导式减压阀，其出口压力与操作杆1的偏移量成比例，例如起压600千帕，终压2000千帕。

操作杆1和先导阀之间的连接设置成使操作杆1的偏移量与先导阀的出口压力之间具有对应关系。在所示的实施方式中具体如图4所示，其示出了先导阀2的出口压力与操作杆1的偏移角之间关系的一种示例性特性曲线。可以看出，在0°-2°之间，先导阀2的出口压力随操作杆1的偏转没有变化。即在操作杆1的偏移角小于2°时，先导阀2并不向柱塞缸31、32提供流体。其结果是，驾驶员为实现转向，首先要向操作杆1施加一定的致动力使其偏转超过2°，即经过一段空行程。实践中可避免误碰到操作杆1而引起不期望的转向，避免了误操作。如图所示，当操作杆的偏移角超过20°时，先导阀2的出口压力也基本不变。而在在2°到20°之间，如图中的斜线所示，先导阀2的出口压力和操作杆1的偏移角之间呈很好的线性关系。

在本实施例中，来自先导阀2的流体液压致动柱塞缸31或32中的柱塞运动，柱塞又分别推动转向阀41、42和43、44的阀芯进行关联运动，而阀芯的位置确定致动转向机构的流体的压力，相应改变左、右转向离合器61、62、制动器51、52与左右转向轮的接合状态，由此先导阀2的出口压力与操作杆1的偏移角之间的比例关系，通过基本上呈线性的传递，使得左、右转向离合器61、62，制动器51、52的状态改变与先导阀2的出口压力，进而与操作杆1的偏移角之间具有比例关系。也就是说保证了操作杆1的偏移和转向结果之间的对应关系。使驾驶员通过选择地使操作杆1位于不同位置即可实现相应的转向效果，而且线性的传递使驾驶员有良好的操控感。由此实现了渐进的、敏感的转向操作性能。

下面描述一种具体的柱塞缸31、32结构实施例。图2中示出了这样一种柱塞缸的简化示意图。柱塞缸31、32包括缸体33、柱塞34、推杆36外，在缸体内柱塞一端还作用有补偿弹簧35。图3示出了柱塞缸31、32的受力示意图，流体产生的压强用P来表示，当流体推动柱塞34时，补偿弹簧35对柱塞34产生的压力用F₁表示，转向阀的阀芯对柱塞34的作用力用F₂来表示，柱塞34在上述三个作用力下推动阀芯运动，改变供应至左、右转向离合器61、62和制动器51、52的流体压力，使其接合状态发生变化，直到达到平衡状态。三个作用力的平衡关系为：

P*A＝F₁+F₂；

其中，A为柱塞的有效横截面积。

另外，图5分别示出了在图4的实施方式中，由补偿弹簧、转向阀作用在柱塞上的力及两者合力与转向阀阀芯移动之间关系的特性曲线。。其中，带菱形的直线表示补偿弹簧35上的力随转向阀41、42、43、44阀芯的位移变化的曲线，带矩形的直线表示转向离合器/制动器上的力随阀芯的位移变化的曲线，带三角的直线表示上述两个力的合力随阀芯位移变化的曲线。图中可以看出，在行程为零处，转向离合器/制动器上的力接近为零，而补偿弹簧此时的力为大约100牛，因此，加入补偿弹簧的预压缩力之后，两者合力为大约100牛，根据上述的公式，必须在柱塞34上施加大于该合力的力才能使柱塞34运动进而改变转向离合器/制动器的操作状态。反映在操作杆上，也就是操作杆需要一个起始的行程才能启动转向控制，从而保证了空行程的存在，防止误操作的产生，使操作更加安全，在本实施方式中，该大约100牛的起始力与操作杆2°的空行程相对应。

工业实用性

本发明的转向操作系统可以应用于各种工程机械中，在这些工程机械中，可以实现单操作杆转向，并且可以获得渐进的、精确的转向，节省操作力。下面结合具体例子对本发明的转向操作系统进行描述：

以左转为例。

在需要急转弯时，将操作杆1向前推动至最大偏移角处，即对应的66mm行程处，驾驶员的操作引起来自液压泵9的流体经先导阀2进入柱塞缸31，推动柱塞34进而使与其关联的转向阀41、42的两个阀芯移动相应的20mm的行程。如上所述，该行程与操作杆1的行程成比例。在阀芯移动0-8mm的过程中，流体致动左转向离合器61从接合状态完成分离，逐步切断发动机的动力。而此时制动器51并不受影响。在柱塞34继续推动两阀芯移动过程中，例如在10-20mm过程中，流体致动制动器51从松开状态逐渐接合，最终完全接合。这时左转向轮71的速度基本为零，与推土机右转向轮72的速度差最大，从而实现了向左转急弯。

在要经过半径较大的弯时，驾驶员将操作杆1选择向前推进，例如40mm，由于转向阀41、42的阀芯的移动与操作杆1的移动成比例，因此，两阀芯例如仅移动大约14mm。左转向离合器61在相应的阀芯移动8mm时完成完全脱离，但制动器51由于没有实现完全接合(例如在阀芯移动20mm时完全接合)，从而左转向轮71在惯性的作用下仍有一定速度，从而与右转向轮72的速度差相对小。因此与上一过程相比，可以实现向左转过较大半径的弯。

向右转向时将操作杆1向后拉，其它过程与上述一样。

因此，驾驶员可以根据路况的具体情形，选择对操作杆1动作的幅度。

采用本发明的转向操作系统，依靠液压为转向提供动力，减小了操作力，大大降低了驾驶员的操作强度，使操作更加舒适。例如在所示的实施方式中，驾驶员的最大操作力仅为40N，从而大大降低了驾驶员的操作力，提高了操作效率。另外，由于液体压力的连续性和良好的线性传递，可以获得渐进、敏感的操作。本发明的转向操作系统实现了通过一根操作杆控制双向转向，既减少了部件数量，增加了系统的稳定性，有利于使一根操作杆设置在最利于驾驶员操作的位置，避免了两个或多个操作杆之间的转换和可能由此引起的操作失误。而采用本发明的新型柱塞缸，使操作杆的偏移和转向之间的线性关系更好，且提供了一个操作杆的空行程，减少了误操作的可能。从而使转向操作更加精确、灵敏，操作员控制起来更加容易。

对于现有机械来说，仅需要很小的改动即可实现本发明的转向操作系统，因此本发明具有很好的适用性。

为了获得匹配的特性曲线，本领域的技术人员可以以已知的方式对柱塞的直径、弹簧的参数或者先导阀的起压和终压等进行改变以获得对应于各种具体应用的良好的线性关系。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明公开的各个特征进行各种修改或变型。例如，可以与操作杆连接有位移传感器，以便于驾驶员更加准确地控制操作杆的位置。另外，根据本发明的教导，本领域的技术人员可以对所述的实施方式中的具体比例关系进行修改，从而实现一根操作杆除了控制转向之外，还同时控制制动。显然，本领域技术人员通过研究说明书及实践可以获得其他实施方式。说明书和实施方式应当被认为仅仅是示例性的，真正的保护范围可以由后附权利要求书及按等同原则明确。

Claims (10)

1.一种转向操作系统，包括：

一根操作杆，用于输入转向机构的转向指令；

控制阀，其由所述操作杆致动；

有选择地与所述控制阀流体连通的多个液压致动器，其能够分别致动与转向机构可控连接的多个转向阀，使得转向阀根据所述转向指令改变转向机构的操作状态。

2.根据权利要求1所述的转向操作系统，其特征在于，所述控制阀的出口压力与所述操作杆的偏移量成比例。

3.根据权利要求1所述的转向操作系统，其特征在于，所述控制阀为先导式减压阀。

4.根据权利要求1所述的转向操作系统，其特征在于，所述转向机构包括离合器和制动器，所述多个转向阀的阀芯的运动分别与相应的离合器和制动器操作状态的改变相关联。

5.根据权利要求2所述的转向操作系统，其特征在于，所述多个液压致动器按线性比例关系致动所述转向阀。

6.根据权利要求1所述的转向操作系统，其特征在于，所述液压致动器是柱塞缸，所述柱塞缸包括缸体、推杆、柱塞；其中，在缸体内所述柱塞一端作用有一补偿弹簧，该补偿弹簧被预压缩。

7.一种转向操作方法，包括：

通过一根操作杆输入转向机构的任一转向指令；

响应于所述转向指令，使来自液压控制系统的流体通过控制阀选择地致动多个液压致动器；

所述液压致动器致动与转向机构可控连接的多个转向阀，从而根据所述转向指令改变转向机构的操作状态。

8.根据权利要求7所述的转向操作方法，其特征在于，所述控制阀的出口压力与操作杆的偏移量成比例。

9.根据权利要求8所述的转向操作方法，其特征在于，所述多个液压致动器按线性比例关系致动所述转向阀。

10.一种具有权利要求1所述的转向操作系统的工作机械。

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