CN102372025B - 电控闭式液压转向系统、控制方法和具有该系统的车辆 - Google Patents

电控闭式液压转向系统、控制方法和具有该系统的车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电控闭式液压转向系统和具有该系统的车辆。该液压转向系统包括：液压转向装置，其包括转向助力油缸；变量泵，通过主油路直接向转向助力油缸提供液压油，其中，变量泵的输出流量和油路走向由电信号控制；以及控制器，与变量泵信号连接，用于根据车辆工况和车轮转向需求信号，计算出变量泵的输出流量并确定油路走向，据此输出用于控制所述变量泵的电信号。本发明通过泵控缸原理，实现了车辆转向的闭式液压控制，系统根据转向需求提供液压功率，充分利用发动机或其传动元件的输出功率，实现了节能需求，减少了系统元件，有助于对车辆配置进行优化和减重，可适用于各种工程机械车辆或专用车辆的转向控制。

Description

电控闭式液压转向系统、控制方法和具有该系统的车辆
技术领域
本发明涉及一种适用于工程车辆的电控闭式液压转向系统和转向控制方法，本发明还涉及一种具有该液压转向系统的车辆。
背景技术
随着工程机械车辆或专用车辆等向重载方向的发展，多桥承载、多桥转向和多转向模式等功能显得尤为必要。
对于现有的多桥车辆而言，主要是通过油泵-控制阀组-转向助力油缸的控制方式或者液压助力加机械导向的控制方式来实现车辆液压转向的。例如由齿轮泵提供动力油源、由溢流阀保证系统压力、由调速阀调节系统流量，在转向工作和不工作时，系统一直保持充足的流量和压力，主要通过溢流阀进行溢流。
总体而言，在传统车辆的转向液压系统中，不仅存在由于控制元件过多和布置复杂造成故障点增多、系统可靠性降低的问题，还存在由于采用阀对液压系统进行节流和换向切换，使得系统发热量增加和损耗功率增加的问题。
现有的小车或微型车辆的转向技术在美国专利US7434655B2和PCT国际专利申请WO2006023469A2中有披露，主要通过电机驱动双向定量泵，由泵提供油源给转向助力双作用油缸，其节能程度得到提升。但由于车辆电源功率和转向助力双作用油缸等因素的影响，其驱动功率小和转向助力小，不适合在重载的工程机械或专用车辆上使用。
发明内容
本发明目的在于提供一种适合工程车辆使用的电控闭式液压转向系统，以节约能源、降低系统发热量。
本发明的另一目的在于提供一种电控闭式液压转向控制方法。
本发明的目的还在于提供一种具有电控闭式液压转向系统的车辆。
为此，本发明一方面提供了一种电控闭式液压转向系统，包括：液压转向装置，其包括转向助力油缸；变量泵，通过主油路直接向转向助力油缸提供液压油，其中，变量泵的输出流量和油路走向由电信号控制；以及控制器，与变量泵信号连接，用于根据车辆工况和车轮转向需求信号，计算出变量泵的输出流量并确定油路走向，据此输出用于控制所述变量泵的电信号。
进一步地，上述控制器还用于根据车桥转向传感器反馈的车轮转向角信号修正变量泵的输出流量。
进一步地，上述变量泵由发动机或其传动元件驱动，上述控制器还根据发动机或其传动元件的转速的变化对变量泵的排量进行修正控制。
进一步地，上述电控闭式液压转向系统还包括并联在主油路上的实现液压油散热和更换功能的冲洗阀。
进一步地，上述变量泵为电控轴向柱塞变量泵。
进一步地，上述车辆工况包括车速信号、转向模式、发动机或其传动元件的转速信号、油泵输出信号和车轮转向角信号。
进一步地，上述系统还包括辅助控制阀组，其中，该辅助控制阀组包括：在主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置的用于实现锁止功能的液压锁，两液压锁的控制油路上设置有外接油源的锁定控制阀或连接在主油路上的选择阀。
进一步地，上述辅助控制阀组还包括在主油路的互为供油和回油的两管路之间设置的实现互锁和卸荷功能的安全控制阀。
进一步地，上述辅助控制阀组还包括：在主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置的用于实现溢流和补油功能的单向溢流补油阀。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有上述构造的电控闭式液压转向系统的车辆。
进一步地，上述车辆包括多个转向桥，各转向桥上设有一套液压转向装置，各液压转向装置的变量泵均由车辆发动机或其传动元件提供动力，控制器与各液压转向装置的变量泵和辅助控制阀组信号连接。
进一步地，上述车辆包括多个转向桥，这些转向桥分为若干组，每一组转向桥上设有一套液压转向装置。
本发明还提供了一种电控闭式液压转向控制方法，包括以下步骤：利用变量泵直接向转向桥的转向助力油缸的主油路提供液压油，以控制转向助力油缸的伸出和缩回；根据车辆工况和车轮转向需求信号，计算出变量泵的输出流量和确定油路走向，据此控制变量泵；以及根据转向桥反馈的车轮转向角信号修正变量泵的输出流量，以控制转向助力油缸的伸出量和缩回量。
进一步地，在上述控制方法中，在主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置用于实现锁止功能的液压锁，以实现转向助力油缸的转向锁定。
进一步地，在上述控制方法中，选择电控轴向柱塞变量泵作为变量泵，并使电控轴向柱塞变量泵由发动机或其传动元件驱动，同时根据发动机或其传动元件的转速变化修正变量泵的排量。
本发明通过泵控缸原理，实现了车辆转向的闭式液压控制，系统由车辆发动机提供动力源，根据转向需求由柱塞闭式变量泵提供油压功率即压力和流量，充分利用发动机或其传动元件的输出功率，极大地节约了车辆运行过程中的能源和功率消耗，通过阀件互锁实现了转向控制的稳定操纵和安全控制，有效减少了车辆转向系统需求各种元件，避免了阀控缸所造成控制复杂、系统发热等问题，提高了车辆布置空间的利用率，成为一种全新的车辆转向控制模式，可适用于各种工程机械车辆或专用车辆的转向控制。
本发明采用转向助力油缸，增大了车桥转向助力和有效降低了车辆转向液压压力需求，为节能和节约布置空间提供条件。
除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。
附图说明
构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：
图1示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的控制原理示意图；
图2示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的液压转向装置的原理框图；
图3示出了图2所示液压转向装置的一种变型结构；
图4示出了图2所示液压转向装置的另一种变型结构；以及
图5示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的车辆转向逻辑控制框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的原理示意图。如图1所示，电控闭式液压转向系统包括液压转向装置和控制器60，该液压转向装置包括：由左转向助力油缸21和右转向助力油缸22构成的双转向助力油缸20(参见图2)，双转向助力油缸20设置在转向桥梯形臂40的转向节臂41、42和车桥50之间，向转向桥梯形臂40提供转向推动力；变量泵10，由车辆发动机或其传动元件例如变速箱、车桥取力器或分动箱(未示出)提供动力，通过主油路向双转向助力油缸20提供液压油；以及在主油路上设置的与中位锁定相关的辅助控制阀组30。
变量泵10外接控制油源，根据电控接口信号进行输入和输出调整。在本实施例中，变量泵10优选为电控轴向柱塞变量泵，其流量正比于驱动转速和排量。由于轴向柱塞变量泵直接由车辆发动机及其传动元件驱动，其油泵转速则为车辆发动机或其传动元件的转速。
在发动机改变的情况下，油泵转速随之改变，但输出流量仍可以保持不变，这可通过调节油泵摆角(斜盘倾角)来实现。另外，电控轴向柱塞变量泵的油路走向(与双转向助力油缸的伸出或缩回相关联)也是通过调节斜盘倾角来实现的。
控制器60与变量泵10和辅助控制阀组30信号连接，控制器60可以为可编程逻辑控制器(PLC)或微机控制单元等，通过对变量泵10的流量输出和油路走向进行控制，实现了车辆转向助力油缸的伸出和缩回或者中位锁定，进而满足车轮的转向需求。
在多桥车辆的一可选实施例中，各转向桥上分别对应一套液压转向装置，并共用一控制器60。其中，各转向桥上的液压转向装置的变量泵10均由车辆发动机提供动力。
在多桥车辆的另一可选实施例中，这些转向桥分为若干组，每一组转向桥上设有一套液压转向装置。
通过变量泵控制双转向助力油缸，实现了车辆转向的闭式液压控制，系统根据转向需求提供油压功率，充分利用了发动机输出功率，实现了节能需求，减少了系统元件，有助于对车辆配置进行优化和减重，可适用于各种工程机械车辆或专用车辆的转向控制。
图2示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的液压转向装置的原理框图。如图2所示，辅助控制阀组30主要包括：单向溢流补油阀31、32，安全控制阀33，以及液压锁35、36及其锁定控制阀34。
单向溢流补油阀31、32分别设置在主油路的互为供油和回油的两管路上，单向溢流补油阀31、32之间接补油口，以实现溢流和补油功能。安全控制阀33设置在主油路的互为供油和回油的两管路之间，以实现互锁和卸荷功能。液压锁35、36分别设置在主油路的互为供油和回油的两管路上，以实现锁止功能。锁定控制阀34设置在液压锁35、36的控制油路上，该控制油路与外接油源相连。
单向溢流补油阀31、安全控制阀33、锁定控制阀34等辅助控制阀组可与轴向柱塞变量泵10形成整体配置，液压锁35、36可与转向助力油缸20形成整体配置。
变量泵10外接控制油源，根据电控接口信号进行输出和输出调整。整个系统可以外接补油或内置补油泵，锁定控制阀34可外接控制油源。通过安全控制阀33和锁定控制阀34以及变量泵10的联合控制，实现转向中位的锁定，也可实现车轮的左右转向，单向溢流补油阀31、32可以实现系统的安全溢流和低压位的补油。
图3示出了图2所示液压转向装置的一种变型。本液压转向装置与图2所示的液压转向装置不同之处在于，在主油路上并联接出冲洗阀，以便实现系统内液压油的更换和散热。
图4示出了图2所示液压转向装置的另一种变型。本液压转向装置与图2所示的液压转向装置不同之处在于，增加了选择阀37，选择阀37设置在液压锁35、36的控制油路上并且并联在主油路上，如此省略了锁定控制阀34的外接控制油源。
下面结合图5对车辆转向控制方式进行说明。
图5示出了根据本发明电控闭式液压转向系统的车辆转向逻辑控制框图。如图5所示，控制器60根据车辆转向需求信号和车辆工况例如转向模式、车速信号、发动机转速、油泵输出以及车轮转向需求信号，计算出轴向柱塞变量泵10理论所需的输出流量和确定油路走向，并据此对轴向柱塞变量泵的流量输出和辅助控制阀组所需动作进行控制，同时根据车桥转向传感器实时反馈的车轮转向角信号对轴向柱塞变量泵10的流量输出进行修正，直至实现稳定的闭环控制。
其中，转向模式对于多桥车辆而言，通常包括正常转向、后桥锁死、蟹行转向等，而车速信号影响着转向模式的选择。对于单桥转向的车辆而言，车速信息和转向模式在计算时可以不加以考虑。
控制器60所获得的油泵输出(信息)包括压力信息和流量信息，系统所需的压力由变量泵10本身的结构来保证，控制器60还根据发动机或其它能够满足动力需求的传动元件例如转速的变化对变量泵10的油泵摆角进行调整，使得变量泵10的流量输出可不受发动机转速改变的影响，进而实现对变量泵的油泵输出的精细控制。
油路走向的控制是由变量泵实现的，在辅助控制阀组的配合下实现了车辆转向助力油缸的伸出、缩回或者中位锁定，而转向助力油缸的伸出、缩回和中位锁定则直接对应于车桥的左转向、右转向和中位锁定。转向助力油缸在车辆转向时所需的油量的多少和油路走向由控制器根据车辆工况和车辆转向需求信号计算出，并通过轴向柱塞变量泵的油泵摆角的改变来实现输出油量和油料走向的控制。
具体地，车辆转向需求信号由方向盘上的传感器提供，在确定的转向模式和车速信息下，控制器根据车辆转向需求信号和当前的各车轮转向角信号，计算出各车桥转向所需的变量泵的输出流量，在输出流量确定时，可对当前的油泵摆角进行调整，以便变量泵的输出流量与车辆转向的需要相符合，同时根据车桥转向传感器反馈的车轮转向角信号对变量泵的输出流量进行反馈修正，直至实现稳定的闭环控制。
在此过程中，当发动机转速发生变化时，及时调整油泵摆角，以避免发动机转速变化对变量泵的流量输出造成影响，如此实现了：泵输出-油缸伸出-转向角度的闭环和反馈修正控制以及转向需求-PLC-泵输出的精细控制。
与现有技术相比，本发明在转向节能性和安全性方面的优越性表现如下：
一、本发明有效节约了车辆运行过程中的能源和功率消耗，实现了转向控制的稳定操纵和安全控制，有效减少了车辆转向系统需求各种元件、避免了现有技术的阀控缸所造成控制复杂、系统发热等问题，提高了车辆布置空间的利用率，成为一种全新的车辆转向控制模式。
二、本发明由车辆发动机提供动力源，根据转向需求和发动机或其它能够满足动力需求的传动元件的转速由轴向柱塞变量泵提供油压功率，能够满足工程机械或重载车辆大轴荷(大于10吨)的车桥大转向力需求和大转向流量需求，能够实现工程机械或重载车辆多桥车辆(大于或等于2桥)的多桥转向各种模式(特例如转向中位的锁止)和转向轻便、转向智能化控制，避免了转向过程中驱动系统的发热量高(如已有专利技术的电机发热量高)等缺点。本发明采用双转向助力油缸，增大了车桥转向助力和有效降低了车辆转向液压压力需求，为节能和节约布置空间提供条件。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种电控闭式液压转向系统，其特征在于，包括：
液压转向装置，其包括：转向助力油缸；变量泵，通过主油路直接向所述转向助力油缸提供液压油，其中，所述变量泵的输出流量和油路走向由电信号控制；以及
控制器，与所述变量泵电信号连接，用于根据车辆工况和车轮转向需求信号，计算出所述变量泵的输出流量和油路走向，据此输出用于控制所述变量泵的电信号。
2.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述控制器还用于根据车桥转向传感器反馈的车轮转向角信号修正所述变量泵的输出流量。
3.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述变量泵由发动机或其传动元件驱动，所述控制器还用于根据发动机或其传动元件的转速的变化对所述变量泵的排量进行修正控制。
4.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，还包括并联在所述主油路上的用于实现液压油散热和更换功能的冲洗阀。
5.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述变量泵为电控轴向柱塞变量泵。
6.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述车辆工况包括车速信号、转向模式、发动机或其传动元件的转速信号、油泵输出信号和车轮转向角信号。
7.根据权利要求1所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，还包括辅助控制阀组，其中，所述辅助控制阀组包括：在所述主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置的用于实现锁止功能的液压锁，所述两液压锁的控制油路上设置有外接油源的锁定控制阀或连接在所述主油路上的选择阀。
8.根据权利要求7所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述辅助控制阀组还包括：在所述主油路的互为供油和回油的两管路之间设置的用于实现互锁和卸荷功能的安全控制阀。
9.根据权利要求7所述的电控闭式液压转向系统，其特征在于，所述辅助控制阀组还包括：在所述主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置的用于实现溢流和补油功能的单向溢流补油阀。
10.一种具有根据权利要求1至9中任一项所述的电控闭式液压转向系统的车辆。
11.根据权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述车辆包括多个转向桥，各所述转向桥上设有一套所述液压转向装置，各所述液压转向装置的变量泵均由车辆发动机或其传动元件提供动力，所述控制器与各所述液压转向装置的变量泵和辅助控制阀组信号连接。
12.根据权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述车辆包括多个转向桥，所述多个转向桥分为若干组，每一组所述转向桥上设有一套所述液压转向装置。
13.一种电控闭式液压转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用变量泵直接向转向桥的转向助力油缸的主油路提供液压油，以控制所述转向助力油缸的伸出和缩回；
根据车辆工况、车轮转向需求信号和当前的所述转向桥的车轮转向角信号，计算出所述变量泵的输出流量和确定油路走向，并据此控制所述变量泵；以及
根据转向桥反馈的车轮转向角信号修正所述变量泵的输出流量，以控制所述转向助力油缸的伸出量和缩回量。
14.根据权利要求13所述的电控闭式液压转向控制方法，其特征在于，在所述主油路的互为供油和回油的两管路上分别设置用于实现锁止功能的液压锁，以实现所述转向助力油缸的转向锁定。
15.根据权利要求13所述的电控闭式液压转向控制方法，其特征在于，选择电控轴向柱塞变量泵作为变量泵，并使所述电控轴向柱塞变量泵由发动机或其传动元件驱动，同时根据所述发动机或其传动元件的转速变化修正所述变量泵的排量。
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