CN103625547A - 特种车辆的纯线性独立转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种车辆的纯线性独立转向装置，即本装置由旋转架、摆臂、支撑油缸和车桥构成独立悬挂体，主柱轴设于车架横梁并焊接连接，箱体和下盖板套入主柱轴并设于车架横梁底面，轴套套入主柱轴并通过两个轴承连接，旋转架顶端连接轴套外圈，轴套上端设有镶嵌式动态密封环，主柱轴下端设有垫圈和锁紧螺母用于压紧轴承，箱体两侧设有导向槽，齿条和磨耗板设于导向槽内，齿轮套入轴套位于箱体内并与轴套固定连接，齿轮齿条啮合，四个液压油缸分别位于箱体四角并活塞杆连接两根齿条的两端。本转向装置能使特种车辆实现多模式转向功能，且运动关系呈线性关系，使车辆按最理想的理论转向轨迹运行，最大限度减小轮胎的非正常磨损，降低运输成本。

Description

特种车辆的纯线性独立转向装置

技术领域

本发明涉及一种特种车辆的纯线性独立转向装置。

背景技术

普通两轴汽车或三轴卡车转向，普遍采用前轮主动转向，后轮依靠差速器被动转向。三轴以上的汽车吊，前一、二轴一般为连杆转向，后轴转向与普通车辆相同。由于无法实现“全轮转向”，故不足之处是最小转弯半径相对较大，狭窄地段接近目标时，需要多次前进、后退，转向效率较低。

特种车辆，如动力平板车和大件运输车辆的转向装置，目前存在多种形式，如图1所示为油缸推动双四边形连杆转向装置，该转向装置仅能实现“八字”转向，用在转向角度较小的场合，最大转角一般小于60度，该转向装置受各悬挂体1之间连杆2自身的关联性、运动机构的非线性条件限制，车辆在较大角度转向（20度以上）时，各车轮的实际运行轨迹与理论纯滚动轨迹偏离较大，加剧了轮胎的非正常磨损，造成运输成本的提高。如图2所示为油缸推动四连杆独立转向装置，该装置主要由油缸3、连杆4、摇臂5、弧形摆臂6构成。其中摇臂5的上部A点与连杆2铰连，下部与车桥悬挂体的转盘焊接成一体，摇臂3的B点与转盘中心为同一点。当油缸1推、拉弧形摆臂6时，可实现车辆的独立转向功能。但存在的不足有二，其一，油缸3的支座、弧形摆臂6的支座、摇臂5的A点与车桥悬挂体的转盘之间均为现场配焊，故，机构的运动精度难以保证；其二，该机构油缸3的行程与摇臂5的转角之间，实属于一种非线性函数关系，其输入与输出之间含有三角函数关系，当车桥悬挂体的转盘，即摇臂5处于两个不同的初始位置，例如0°和10°，给油缸一个位移δ时，摇臂5的转角却不同，且随着摇臂5的初始角的差距增大，其转角差也在增大。这种非线性机构，使悬挂体转盘的实际转角与所需的理论转角之间会形成较大的差异，转向过程中加剧了轮胎的非正常磨损，增加了运输成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种特种车辆的纯线性独立转向装置，利用本转向装置能使特种车辆实现直行、斜行、横行、中心回转及摆转等多模式转向功能，且主动件与被动件之间的运动关系呈线性关系，可使车辆各悬挂体及每个车轮的转角按最理想的理论转向轨迹运行，转向时具有角度精准、反应灵敏，转向后具有转角不漂移等特性，可最大限度地减小轮胎的非正常磨损，降低运输成本，增加经济效益及社会效益。

为解决上述技术问题，本发明特种车辆的纯线性独立转向装置包括车架横梁、旋转架、摆臂、支撑油缸和车桥，所述旋转架底端与所述摆臂一端铰接，所述摆臂另一端通过连接轴连接所述车桥，所述支撑油缸两端分别铰接于所述旋转架上部和摆臂中部；本转向装置还包括主柱轴、轴套、镶嵌式动态密封环、两个轴承、垫圈、锁紧螺母、箱体、下盖板、齿轮、第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸、第四液压油缸、两根磨耗板和两根齿条，所述主柱轴顶端设于所述车架横梁的圆套内并焊接连接，所述主柱轴台阶上平面与所述车架横梁下平面焊接为一体，所述箱体和下盖板中心开有通孔并依次套入所述主柱轴，所述箱体通过螺栓设于所述车架横梁底面，所述下盖板通过螺钉设于所述箱体开口面，所述轴套套入所述主柱轴并位于主柱轴台阶下平面，所述旋转架顶端连接所述轴套外圈，所述两个轴承分别设于所述轴套与主柱轴之间并分别位于所述轴套的上端和下端，所述镶嵌式动态密封环设于所述轴套与主柱轴之间并位于所述轴套上端，所述垫圈套入所述主柱轴下端并位于所述轴套底端，所述主柱轴下端设有外螺纹并所述锁紧螺母拧于所述主柱轴下端外螺纹，所述箱体内两侧面分别设有导向槽，所述两根齿条分别设于所述箱体两侧的导向槽内并沿导向槽移动，所述两根磨耗板分别设于所述箱体两侧的导向槽内并位于导向槽与齿条之间，所述齿轮中心开有通孔并套入所述轴套位于所述箱体内，所述齿轮与轴套通过螺栓固定连接并与两根齿条啮合，所述第一液压油缸和第二液压油缸分别设于箱体一侧并位于箱体两端，所述第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆分别连接同侧齿条的两端，所述第三液压油缸和第四液压油缸分别设于箱体另一侧并位于箱体两端，所述第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆分别连接同侧齿条的两端。

进一步，本装置还包括四个关节轴承，所述四个关节轴承分别设于所述两根齿条的两端并两根齿条两端分别通过所述四个关节轴承连接所述第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆。

进一步，本装置还包括密封圈，所述密封圈套入所述主柱轴下端并位于所述垫圈与轴套之间。

进一步，本装置还包括紧定螺钉，所述紧定螺钉拧于所述主柱轴底端并固定拧于所述主柱轴下端的锁紧螺母。

进一步，本装置还包括润滑油嘴，所述润滑油嘴设于所述轴套中部并连通轴套内腔。

进一步，所述磨耗板在与所述齿条的接触面上设有噙油槽。    

由于本发明特种车辆的纯线性独立转向装置采用了上述技术方案，即本装置由旋转架、摆臂、支撑油缸和车桥构成独立悬挂体，主柱轴设于车架横梁并焊接连接，箱体和下盖板套入主柱轴并设于车架横梁底面，轴套套入主柱轴并通过两个轴承连接，旋转架顶端连接轴套外圈，轴套上端设有镶嵌式动态密封环，主柱轴下端设有垫圈和锁紧螺母用于压紧轴承，箱体两侧设有导向槽，齿条和磨耗板设于导向槽内，齿轮套入轴套位于箱体内并与轴套固定连接，齿轮齿条啮合，四个液压油缸分别位于箱体四角并活塞杆连接两根齿条的两端。本转向装置能使特种车辆实现直行、斜行、横行、中心回转及摆转等多模式转向功能，且主动件与被动件之间的运动关系呈线性关系，可使车辆各悬挂体及每个车轮的转角按最理想的理论转向轨迹运行，转向时具有角度精准、反应灵敏，转向后具有转角不漂移等特性，可最大限度地减小轮胎的非正常磨损，降低运输成本，增加经济效益及社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为传统车辆的油缸推动双四边形连杆转向装置结构示意图；

图2为传统车辆的油缸推动四连杆独立转向装置结构示意图；

图3为本发明特种车辆的纯线性独立转向装置的结构示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为图3的A-A向视图；

图6为图5的B-B向放大图；

图7为本特种车辆的纯线性独立转向装置的液压控制示意图。

具体实施方式

如图3、图4、图5和图6所示，本发明特种车辆的纯线性独立转向装置包括车架横梁11、旋转架12、摆臂13、支撑油缸15和车桥16，所述旋转架12底端与所述摆臂13一端铰接，所述摆臂13另一端通过连接轴14连接所述车桥16，所述支撑油缸15两端分别铰接于所述旋转架12上部和摆臂13中部；本转向装置还包括主柱轴21、轴套22、镶嵌式动态密封环27、两个轴承23、垫圈24、锁紧螺母25、箱体31、下盖板32、齿轮33、第一液压油缸37、第二液压油缸38、第三液压油缸39、第四液压油缸40、两根磨耗板35和两根齿条34，所述主柱轴21顶端设于所述车架横梁11的圆套内并焊接连接，所述主柱轴21的台阶28上平面与所述车架横梁11下平面焊接为一体，所述箱体31和下盖板32中心开有通孔并依次套入所述主柱轴21，所述箱体31通过螺栓51设于所述车架横梁11底面，所述下盖板32通过螺钉52设于所述箱体31开口面，所述轴套22套入所述主柱轴21并位于主柱轴21的台阶28下平面，所述旋转架12顶端连接所述轴套22外圈，所述两个轴承23分别设于所述轴套22与主柱轴21之间并分别位于所述轴套22的上端和下端，所述镶嵌式动态密封环27设于所述轴套22与主柱轴21之间并位于所述轴套22上端，所述垫圈24套入所述主柱轴21下端并位于所述轴套22底端，所述主柱轴21下端设有外螺纹并所述锁紧螺母25拧于所述主柱轴21下端外螺纹，所述箱体31内两侧面分别设有导向槽55，所述两根齿条34分别设于所述箱体31两侧的导向槽55内并沿导向槽55移动，所述两根磨耗板35分别设于所述箱体31两侧的导向槽55内并位于导向槽55与齿条34之间，所述齿轮33中心开有通孔并套入所述轴套22位于所述箱体31内，所述齿轮33与轴套22通过螺栓26固定连接并与两根齿条34啮合，所述第一液压油缸37和第二液压油缸38分别设于箱体31一侧并位于箱体31两端，所述第一液压油缸37和第二液压油缸38的活塞杆分别连接同侧齿条的两端，所述第三液压油缸39和第四液压油缸40分别设于箱体31另一侧并位于箱体31两端，所述第三液压油缸39和第四液压油缸40的活塞杆分别连接同侧齿条的两端。

进一步，本装置还包括四个关节轴承36，所述四个关节轴承36分别设于所述两根齿条34的两端并两根齿条34两端分别通过所述四个关节轴承36连接所述第一液压油缸37、第二液压油缸38、第三液压油缸39和第四液压油缸40的活塞杆。

进一步，为避免灰尘等进入轴套下端轴承，本装置还包括密封圈29，所述密封圈29套入所述主柱轴21下端并位于所述垫圈24与轴套22之间。

进一步，为避免锁紧螺母25松动，本装置还包括紧定螺钉53，所述紧定螺钉53拧于所述主柱轴21底端并固定拧于所述主柱轴21下端的锁紧螺母25。

进一步，本装置还包括润滑油嘴54，所述润滑油嘴54设于所述轴套22中部并连通轴套22内腔。润滑油嘴为轴套内轴承提供所需的润滑油。

进一步，所述磨耗板35在与所述齿条34的接触面上设有噙油槽。噙油槽的设置可集聚一定的润滑油，为齿条的运动提供可靠的润滑作用。

本纯线性独立转向装置配以液压和电气控制系统，能使特种车辆实现直行、斜行、横行、中心回转及摆转等多模式转向功能。本装置中主动件与被动件之间的运动关系呈线性关系，其不含三角函数及二次项，即液压油缸的进、排油量及其行程与悬挂体转角之间的函数关系为纯粹的线性关系，当油缸的进、排油量受电液比例阀线性控制时，可使各悬挂体及每个车轮的转角按最理想的理论转向轨迹运行，转向时具有角度精准、反应灵敏，在液压控制系统设置液压锁时，车辆转向后具有转角不漂移等特性，克服了传统转向机构中主动件与被动件之间的非线性运动关系的弊端，可最大限度地减小轮胎的非正常磨损，降低运输成本，增加经济效益及社会效益。

本转向装置中，车架横梁用于传递载荷，旋转架、摆臂、连接轴、支撑油缸、主柱轴、轴套构成车辆的独立悬挂体，立柱轴为机加工件并固定设于车架横梁，构成转向机构的固定轴，轴套套入主柱轴并上下两端通过两个轴承连接，轴套构成转向机构的转动体，轴套上端设置的镶嵌式动态密封圈与主柱轴联合形成动态密封，防止灰尘进入轴承。主柱轴下部装有用来压紧轴承的垫圈和锁紧螺母。轴承可采用大锥角单列圆锥滚子轴承，用来承受和传递以轴向载荷为主的径向、轴向联合载荷。安装于车架横梁底面的箱体内设有驱动机构，包括齿轮、两根齿条和四个液压油缸，齿轮与轴套固定连接，两根齿条设于箱体两侧的导向槽内并与齿轮啮合，四个液压油缸分别驱动两根齿条移动并带动齿轮转动，齿轮带动轴套转动实现车辆转向，液压油缸的行程应满足独立悬挂体旋转±95度，液压油缸的有杆腔和无杆腔分别进出油时，推动齿条在导向槽内作往复运动，从而驱动齿轮转动，实现独立悬挂体的转向。齿轮和齿条的齿形为直齿，模数由独立悬挂体的转向力矩而定。齿条两端可采用关节轴承连接液压油缸的活塞杆，齿条两端设有叉形耳板，两耳板上开有安装销轴的圆孔，通过销轴连接外螺纹杆端关节轴承，叉形耳板与销轴之间为过度配合，并用销钉将销轴与叉形耳板锁紧，关节轴承另一端用螺纹与液压油缸的活塞杆相连接。该关节轴承除具有轴承的功能外，还具有5度偏摆角，可向齿条及液压油缸的活塞杆提供两个自由度，一是绕耳板内销轴中心线的旋转自由度，二是垂直于销轴中心线的摆动自由度。进而对液压油缸和齿条的制造误差和装配误差引起的不同心起到调节自动作用，避免齿条叉形耳板处产生不必要的内应力。磨耗板开有沉孔，通过螺钉固定在箱体的导向槽内，磨耗板与齿条接触面上加工有噙油槽。设置磨耗板具有多重作用，一是通过噙油槽集聚润滑油脂，为运动副提供润滑，二是当齿条磨损后可在磨耗板背面增加垫板来调节齿轮与齿条的径向间隙，三是当齿条磨损超过限度时，可以方便更换磨耗板，实现齿条与齿轮的可靠啮合。箱体开口面的下盖板用于防止灰尘进入箱体，并方便箱体内驱动机构的维护检修。

本转向装置在特种车辆上可视车辆横向轴距及纵向跨距尺寸安装，液压油缸中心线可与车辆纵向中心线垂直或平行布置，箱体组件用螺栓固定在车辆横梁底面，使箱体组件与车架形成一个整体结构，其强度及刚度足以满足所有车辆转向模式下的受力情况。

液压油缸行程满足使独立悬挂体旋转±95度。车辆未转向的初始位时，液压油缸活塞处于中间位，活塞杆预伸出量约为πD/4，D为齿轮节圆直径。油缸直径及活塞杆直径由各独立悬挂体的转向力矩、液压转向系统的压力等参数求得。齿轮、齿条模数依据各独立悬挂体的转向力矩求得。齿条与导向槽、磨耗板之间留有适当的运行及润滑间隙。

如图7所示，本转向装置的液压控制由第一液压油缸37、第二液压油缸38、第三液压油缸39、第四液压油缸40、两根齿条34、齿轮33以及电液比例换向阀块62、锁紧油路63、截止阀61等组成，截止阀61仅在液压系统初始调整时打开，其余时间关闭。其中，第一液压油缸37与第四液压油缸40、第二液压油缸38与第三液压油缸39的无杆腔并联，第一液压油缸37与第二液压油缸38、第三液压油缸39与第四液压油缸40的有杆腔并联，并与两根齿条34、齿轮33构成执行机构,锁紧油路63构成各液压油缸的“液压锁”。

为使车辆每个轮胎均做纯滚动，则要求每个独立悬挂体车桥的转角符合阿克曼转向原理，即每个车桥的转角各不相同。车辆转向时，通过PLC程控系统首先选择所需的转向模式，如“八字”转向、斜行、横行、摆转或中心回转。      通过转动车辆方向盘（转向器），带动其中的角位移传感器发出实时转向信号，经过电气控制系统处理后，传递给电液比例换向阀组（每个独立悬挂体各配置一个电液比例换向阀块），该阀组将各自流量阀（属电液比例换向阀的一部分）的通流口面积按所给信号大小设定好的比例开度关系打开，使液压油缸的大小腔充、排油，推动齿条往复运动，齿条驱动齿轮作定轴转动，并带动轴套及旋转架一同转动，从而精准地实现每个车桥的独立转向和车辆的整体转向。且从电液比例换向阀块控制电流输入到油缸伸缩位移量，再到车桥转向角度输出，三个参数之间完全呈线性关系变化，能够使车辆按最理想的理论转向轨迹运行，最大限度地减小轮胎的非正常磨损，降低运输成本。

车辆方向盘顺时针或逆时针转动时，为电液比例换向阀提供了“+”或“-”不同方向的电信号，使液压油缸的充、排油方向发生变化，实现车辆左转或右转的目的。当车桥及旋转架或齿轮转动角度为β时，则齿条及活塞杆的位移量为βπD/360，其中D为齿轮节圆直径。

当特种车辆的结构参数（如轴距、跨距、转心等）确定后，依据阿克曼转向原理，可得到不同转向模式下车辆各独立悬挂体的理论转角，即以距车辆转向中心远端的内侧独立悬挂体的转角为基准，可求得其它任一独立悬挂体的相对转角值。在直行、斜行、横行转向模式下，各独立悬挂体的转角相同，在“八字”转向、摆转、中心回转转向模式下，独立悬挂体的转角各不相同。

分别以实现直行、“八字”转向、斜行、横行、摆转及中心回转等功能为目的，对源于车辆方向盘产生的角位移信号的方向、大小，即电流信号的方向及强弱，以及每个电液比例换向阀块所需信号的方向、大小及其与之所对应的通流口开度的大小等参数进行编程，并以程序形式预先植入电气控制系统的PLC控制器内，作为各电液比例换向阀通流口开启面积大小的控制依据。  

通过电气控制系统，选择好所需的车辆转向模式，即从PLC控制器调用某个所需的转向控制程序段准备执行。

转动车辆方向盘，PLC控制器得到运行指令。方向盘的顺时针或逆时针转动，以及转动角度的大小为角位移传感器、电液比例换向阀提供“+”或“-”不同方向、不同强弱的电信号。该信号确定了电液比例换向阀通流口开启面积的大小。

高压液压油按照液压控制系统的路线进入液压油缸。此时，如果第一液压油缸与第四液压油缸的大腔进油，则第二液压油缸与第三液压油缸的大腔回油，同时，第二液压油缸小腔液压油进入第一液压油缸小腔，第三液压油缸小腔液压油进入第四液压油缸小腔。四个油缸分别推、拉两根齿条以相反方向运动，其中与第一液压油缸和第二液压油缸活塞杆连接的齿条向右移动，与第三液压油缸和第四液压油缸活塞杆连接的齿条向左移动，进而两根齿条同时驱动齿轮按顺时钟方向转动。

齿轮将转向力矩传递给轴套及旋转架，驱动独立悬挂体及车桥做绕立柱轴中心的旋转运动，从而实现了车桥的独立转向和车辆的整体转向。

随着方向盘的转动，驾驶员可判断此次转向是否到位，从而确定方向盘是否追加角度或停止转动。

以八轴线车辆为例，采用本转向装置可使车辆实现多种转向模式。

车辆直行时，液压油缸活塞处在中间位置，活塞杆伸出量约为πD/4，D为齿轮节圆直径。液压控制系统中的“液压锁”锁紧液压油缸活塞杆伸出量，设定车辆直线行驶，即直行模式。

车辆“八字”转向时，独立悬挂体为每个车轮提供的转角恰好是车轮在各自转向半径下做纯滚动所需的转角。“八字”转向是最常用的一种转向模式，可使车辆获得最小转弯半径，并使轮胎磨损最小。

车辆斜行时，所有独立悬挂体及车轮朝同一方向运行，运行方向与车辆纵向中心线夹角为α，而且α≠0，α=0时则为直行模式。

车辆横行时，所有独立悬挂体及车轮转至与车辆纵向中心线成90度夹角方向，当选择横行模式时，转角不再响应方向盘，可使所有独立悬挂体及车轮自行转动+90度或-90度。

车辆中心回转时，所有独立悬挂体及车轮的转角绕车辆平台面的几何中心做回转运动，车辆就会绕自身平台的几何中心位置作中心回转。

车辆摆转时，车辆绕某铅垂线做回转运动，该铅垂线可在车辆平台面之内或之外，当该铅垂线在车辆平台面的几何中心时，车辆做中心回转。此时，需要输入转心与车辆平台面的几何中心之间的相对坐标值，由程序计算每个独立悬挂体的转角及其所对应的电液比例换向阀块的电流值，控制各通流口的开度大小。

Claims (6)

1.一种特种车辆的纯线性独立转向装置，包括车架横梁、旋转架、摆臂、支撑油缸和车桥，所述旋转架底端与所述摆臂一端铰接，所述摆臂另一端通过连接轴连接所述车桥，所述支撑油缸两端分别铰接于所述旋转架上部和摆臂中部，其特征在于：本转向装置还包括主柱轴、轴套、镶嵌式动态密封环、两个轴承、垫圈、锁紧螺母、箱体、下盖板、齿轮、第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸、第四液压油缸、两根磨耗板和两根齿条，所述主柱轴顶端设于所述车架横梁的圆套内并焊接连接，所述主柱轴台阶上平面与所述车架横梁下平面焊接为一体，所述箱体和下盖板中心开有通孔并依次套入所述主柱轴，所述箱体通过螺栓设于所述车架横梁底面，所述下盖板通过螺钉设于所述箱体开口面，所述轴套套入所述主柱轴并位于主柱轴台阶下平面，所述旋转架顶端连接所述轴套外圈，所述两个轴承分别设于所述轴套与主柱轴之间并分别位于所述轴套的上端和下端，所述镶嵌式动态密封环设于所述轴套与主柱轴之间并位于所述轴套上端，所述垫圈套入所述主柱轴下端并位于所述轴套底端，所述主柱轴下端设有外螺纹并所述锁紧螺母拧于所述主柱轴下端外螺纹，所述箱体内两侧面分别设有导向槽，所述两根齿条分别设于所述箱体两侧的导向槽内并沿导向槽移动，所述两根磨耗板分别设于所述箱体两侧的导向槽内并位于导向槽与齿条之间，所述齿轮中心开有通孔并套入所述轴套位于所述箱体内，所述齿轮与轴套通过螺栓固定连接并与两根齿条啮合，所述第一液压油缸和第二液压油缸分别设于箱体一侧并位于箱体两端，所述第一液压油缸和第二液压油缸的活塞杆分别连接同侧齿条的两端，所述第三液压油缸和第四液压油缸分别设于箱体另一侧并位于箱体两端，所述第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆分别连接同侧齿条的两端。

2.根据权利要求1所述的特种车辆的纯线性独立转向装置，其特征在于：本装置还包括四个关节轴承，所述四个关节轴承分别设于所述两根齿条的两端并两根齿条两端分别通过所述四个关节轴承连接所述第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸和第四液压油缸的活塞杆。

3.根据权利要求1或2所述的特种车辆的纯线性独立转向装置，其特征在于：本装置还包括密封圈，所述密封圈套入所述主柱轴下端并位于所述垫圈与轴套之间。

4.根据权利要求1或2所述的特种车辆的纯线性独立转向装置，其特征在于：本装置还包括紧定螺钉，所述紧定螺钉拧于所述主柱轴底端并固定拧于所述主柱轴下端的锁紧螺母。

5.根据权利要求1或2所述的特种车辆的纯线性独立转向装置，其特征在于：本装置还包括润滑油嘴，所述润滑油嘴设于所述轴套中部并连通轴套内腔。

6.根据权利要求1或2所述的特种车辆的纯线性独立转向装置，其特征在于：所述磨耗板在与所述齿条的接触面上设有噙油槽。

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