CN104058002B - 一种四轮四方向行驶车辆转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮四方向行驶车辆转向装置，其特征在于：在两个前转向轮的旁边依次设置有左转向油缸和右转向油缸，车辆左侧的前转向轮和后转向轮以及车辆右侧的前转向轮和后转向轮的四根轴线相交于左转向轮和右转向轮之间的对称轴线的一点上，另外，在左侧的前转向臂和后转向臂之间以及在右侧的前转向臂和后转向臂之间铰接有四工位双作用油缸，在前转向轮固定不动，后转向轮发生转向时，后转向轮中的左转向轮与右转向轮的轴线相交于两个前转向轮的中心线的连线上。本发明采用液压和机械构件的方式代替了计算机编程控制四个电机转向的方式，提高了四轮四方向行驶车辆转向装置的可靠性，同时降低了成本。

Description

一种四轮四方向行驶车辆转向装置

技术领域

本发明涉及一种转向装置，尤其涉及一种四轮四方向行驶车辆转向装置，且特别适用于叉车。

背景技术

对于四轮四方向行驶车辆具有纵向行驶和横向行驶功能，特别是对于四轮四方向行驶侧面叉车，它具有平衡重式叉车、侧面叉车、前移式叉车、固定平台搬运车的功能，实现了一机多用的目的，使其能适应于各种领域的物料搬运，尤其是在狭窄通道行驶以及对于装载长的物料，更显优势。

然而，四轮四方向行驶车辆的转向机构区别于常规的四轮驱动车辆的转向机构，四轮四方向行驶车辆在纵向行驶过程中，要求两个前轮在左右转向时，两个车轮的轴线要求必须交在前、后轮的对称中心线上一点。对于平行四边形转向机构，由于其转角相等，不能满足车轮的轴线交在中心线上的一点，如图1、2所示；对于单梯形和双梯形转向机构，不能实现90度切换的要求，如图3、4所示。

相对于常规的四轮驱动车辆的转向机构，四轮四方向行驶车辆的转向系统的技术要求和技术含量均较高，目前，国内外能生产的厂家很小。对于现有的四轮四方向行驶车辆的转向装置，生产厂家一般采用计算机编程的方式控制四个电机转向，这种方法的参数设定都依赖于理想的平坦的路面，然而，车辆在行驶过程中的实际路面远远偏离理想路面要求，导致四个车轮的转向阻力相差很大，使得四个转向电机载荷差别很大，易造成个别电机的堵转，从而使电机和电控设备的故障出现率很大，使得转向系统的可靠性差，且容易损坏，同时，使用四个转向电机和四套转向电控设备的费用较高，也造成了车辆的购车成本和维修费用大大提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种可靠性高，成本低的四轮四方向行驶车辆转向装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种四轮四方向行驶车辆转向装置，包括机架、对称设置在该机架前、后、左、右四个方向交汇处的转向轮，每个转向轮上铰接有转向臂，其特征在于：在两个前转向轮的两侧依次设置有左转向油缸和右转向油缸，左转向油缸和右转向油缸一端与各自的转向臂铰接，另一端与机架铰接，左转向油缸的有杆腔与右转向油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，在左转向油缸和右转向油缸之间设有双向液压锁，车辆在前后纵向行驶过程中，当发生左右转向时，车辆左侧的前转向轮和后转向轮以及车辆右侧的前转向轮和后转向轮的四根轴线相交于左转向轮和右转向轮之间的对称轴线的一点上；另外，在左侧的前转向臂和后转向臂之间以及在右侧的前转向臂和后转向臂之间铰接有四工位双作用油缸，每个四工位双作用油缸包括前油缸和后油缸，左侧的前油缸的无杆腔与右侧的后油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，左侧的后油缸的无杆腔与右侧的前油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，同时，在前转向轮固定不动，后转向轮发生转向时，后转向轮中的左转向轮与右转向轮的轴线相交于两个前转向轮的中心线的连线上。

优选地，针对叉车轮距规格，后转向臂长度为222mm，前转向臂长度为198mm，铰接在前转向臂与后转向臂之间的四工位双作用油缸的活塞杆全部缩回时的长度为1408mm。

作为改进，在每个四工位双作用油缸的前油缸和后油缸的有杆腔和无杆腔之间设有双向液压锁，转向轮在外部环境作用下，使得油缸不易出现窜动。

与现有技术相比，由于本发明的优点在于：在车辆纵向行驶过程中，每个四工位双作用油缸的前、后油缸的活塞杆缩回并锁定，作为连杆使用，在纵向行驶左右转向时，左转向油缸或右转向油缸进油，由于左转向油缸的有杆腔与右转向油缸的无杆腔截面积设置为相等，同时左转向油缸的有杆腔与右转向油缸的无杆腔通过油路串联在一起，保证了左转向油缸与右转向油缸活塞杆的的同步动作，使得前转向轮中的左转向轮和右转向轮的转角相等，同时，通过两个四工位双作用油缸的连杆作用，将前转向轮中的左转向轮和右转向轮的转动传递给后转向轮中的左转向轮和右转向轮，从而满足左转向轮和右转向轮的转角对应相等，使得转向轮的四根轴向相交于在左、右转向轮的对称轴线上，满足了车辆纵向行驶的要求；在车辆横向行驶过程中，两个前转向轮固定，两个后转向轮转向，两个四工位双作用油缸经过切换，四工位双作用油缸的每个前油缸的活塞杆处于缩回工况，每个后油缸的活塞杆全部伸出，此时，四个转向轮在横向行驶状态下全部对正，当车辆右转弯时，压力油流入左侧的四工位双作用油缸的后油缸的有杆腔，左侧的后油缸的活塞杆缩回，使得左后侧的转向轮逆时针转动，同时，由于左侧的后油缸的无杆腔与右侧的前油缸的无杆腔油路连接，在左侧的后油缸的活塞杆缩回的过程中，左侧的后油缸的无杆腔压力油进入右侧的前油缸的无杆腔内，从而推动右侧的前活塞杆伸出，进而推动右后侧的转向轮逆时针转动，同时，由于左侧的后油缸的无杆腔与右侧的前油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，使得左侧的后活塞杆的缩短量与右侧的前活塞杆的伸长量相等，此时，后左转向轮的转角小于右后侧转向轮的转角，两个四工位双作用油缸作为摆杆使用，实现了后转向轮中的左转向轮与右转向轮的轴线相交于两个前转向轮的中心线的连线上，满足了车辆向右转弯的动作要求，当车辆向左转弯时，其原理与右转弯相同，本发明采用液压和机械构件的方式代替了计算机编程控制四个电机转向的方式，提高了四轮四方向行驶车辆转向装置的可靠性，同时降低了成本。

附图说明

图1是现有平行四边形转向机构的结构示意图；

图2是现有平行四边形转向机构的另一个结构示意图；

图3是现有单梯形转向机构的结构示意图；

图4是现有双梯形转向机构的结构示意图；

图5是本发明实施例中车辆纵向行驶时左转向轮左右转向时的结构示意图；

图6是本发明实施例中车辆纵向行驶时左转向轮左右转向时的另一个结构示意图；

图7是本发明实施例中车辆纵向行驶时右转向轮左右转向时的结构示意图；

图8是本发明实施例中车辆纵向行驶时四个转向轮左右转向时的结构示意图；

图9是本发明实施例中车辆纵向行驶时四轮转向的结构示意图；

图10是本发明实施例中四轮四方向行驶车辆转向装置纵向行驶转向的结构示意图；

图11是本发明实施例中车辆横向行驶时转向轮的结构示意图；

图12是本发明实施例中车辆横向行驶时转向轮左右转向时的结构示意图；

图13是本发明实施例中车辆横向行驶时后转向轮轴线相交的结构示意图；

图14是本发明实施例中车辆横向行驶时后转四轮转向的结构示意图；

图15是本发明实施例中四轮四方向行驶车辆转向装置横向行驶转向的结构示意图；

图16是本发明实施例中四轮四方向行驶车辆转向装置的液压原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至16所示，本实施中的四轮四方向行驶车辆转向装置，包括机架1，四个转向轮21、22、23、24，依次包括前左转向轮22、前右转向轮21、后左转向轮23、后右转向轮24，四个转向臂31、32、33、34，依次包括前左转向臂32、前右转向臂31、后左转向臂33、后右转向臂34，两个四工位双作用油缸41、42，依次为左四工位双作用油缸42和右四工位双作用油缸41，以及两个转向油缸51、52，依次为左转向油缸52、右转向油缸51。

其中，四个转向轮21、22、23、24对称设置在该机架1前、后、左、右四个方向交汇处，每个转向轮21、22、23、24上铰接有转向臂31、32、33、34，具体为前左转向轮22上铰接前左转向臂32、前右转向轮21上铰接前右转向臂31、后左转向轮23上铰接后左转向臂33、后右转向轮24上铰接后右转向臂34，前转向臂32、31与后转向臂33、34的长度不等，且左转向臂32、33和右转向臂31、34关于左转向轮22、23和右转向轮21、24的对称轴线对称布置，在两个前转向轮22、21的两侧依次设置有左转向油缸52和右转向油缸51，左转向油缸52和右转向油缸51一端与各自的转向臂铰接，另一端与机架铰接，具体为左转向油缸52一端与前左转向臂32铰接，另一端机架1铰接，同时，右转向油缸51一端与前右转转向臂31铰接，另一端机架1，如图8所示，另外，左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51的无杆腔油路连接且截面积相等，在左转向油缸52的无杆腔和右转向油缸51的有杆腔之间设有双向液压锁，车辆在前后纵向行驶过程中，当发生左右转向时，车辆的前左转向轮22、前右转向轮21、后左转向轮23和后右转向轮24的四根轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线的一点上。

另外，两个四工位双作用油缸41、42依次铰接在左侧的前转向臂和后转向臂之间以及在右侧的前转向臂和后转向臂之间，具体为左四工位双作用油缸42铰接在前左转向臂32和后左转向臂33之间；右四工位双作用油缸41铰接在前右转向臂31和后右转向臂34之间，每个四工位双作用油缸41、42包括前油缸和后油缸，分别为前左油缸421、后左油缸422、前右油缸411和后右油缸412，前左油缸421的无杆腔与后右油缸412的无杆腔油路连接且截面积相等，后左油缸422的无杆腔与前右油缸411的无杆腔油路连接且截面积相等，同时，在前转向轮22、21固定不动，后转向轮23、24发生转向时，后左转向轮23与后右转向轮24的轴线相交于两个前转向轮22、21的中心线的连线上，如图14所示。

本实施例中的四轮四方向行驶车辆转向装置采用液压和机械构件的方式，实现了车辆纵向行驶和横向行驶的功能，以下，针对车辆的纵向行驶功能和横向行驶功能分别对该四轮四方向行驶车辆转向装置进行阐述。

车辆在纵向行驶过程中的工作原理为：在车辆纵向行驶过程中，四工位双作用油缸41、42的前左油缸421、后左油缸422、前右油缸411和后右油缸412的活塞杆缩回并锁定，作为连杆使用，在纵向行驶左右转向时，左转向油缸52或右转向油缸51进油，由于左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51的无杆腔截面积设置为相等，同时左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51的无杆腔通过油路串联在一起，保证了左转向油缸52与右转向油缸51活塞杆的的同步动作，使得前左转向轮22和前右转向轮21的转角相等，同时，通过两个四工位双作用油缸41、42的连杆作用，将前左转向轮22和前右转向轮21的转动传递给后左转向轮23和后右转向轮24，从而满足左转向轮22、23和右转向轮21、24的转角对应相等，使得转向轮的四根轴向相交于在左转向轮22、23和右转向轮21、24的对称轴线上，满足了车辆纵向行驶的要求。

接着对车辆纵向行驶过程中的机构参数作简要分析。

根据四轮四方向行驶车辆的纵向行驶功能，在纵向行驶过程中车辆左右转向，要求转向轮的轴线交在左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线上。具体包括三种情形：第一种，当两个左转向轮22、23在左右转向时，前左转向轮22与后左转向轮23的轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线上，如图5、6所示；第二种，当两个右转向轮21、24在左右转向时，前右转向轮21与后右转向轮24的轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线上，如图7所示；第三种，当四个转向轮21、22、23、24在同时发生左右转向时，前左转向轮22、前右转向轮21、后左转向轮23与后右转向轮24的四根轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线的同一点上，如图8所示。

首先，针对第一种情形，两个左转向轮22、23在左右转向时，转向机构满足以下运动方程：

ctgβ-ctgα＝2M/L(1)

式中，α为内轮转角，β为外轮转角，M为前转向轮21、22与后转向轮23、24之间的轮距，L为左转向轮22、23与右转向轮21、24之间轮距。

对于式(1)，它是前左转向轮22与后左转向轮23的轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线上的必要条件。由此可确定转向机构的几何参数，具体为针对叉车轮距规格，由于M和L为已经确定的轮距，故还有后左转向臂33的长度m1，后左转向臂33的转向臂角θ1，前左转向臂32的长度m2，前左转向臂32的转向臂角θ2，四个参数待确定，而这四个参数可通过图解法反复作图确定，同时结合式(1)中的运动方程进行验算，求得的结果为，后左转向臂33的长度m1＝222mm，后左转向臂33的转向臂角θ1＝47°，前左转向臂32的长度m2＝198mm，前左转向臂32的转向臂角θ2＝54°，当这四个参数确定之后，铰接在前转向臂31、32与后转向臂33、34之间的四工位双作用油缸41、42的活塞杆全部缩回时的长度n也就确定了，结果n＝1408mm。

针对第二种情形，对于两个右转向轮21、24在左右转向时的要求，由于前右转向臂31和后右转向臂34的具体位置关系满足：在右转向轮21、24发生转向时，前右转向轮21与后右转向轮24的轴线相交于左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线上，由于，右转向臂31、34以左转向臂32、33关于该左转向轮22、23和右转向轮21、24之间的对称轴线对称布置，因此，一方面，它们的机构参数相同，另一方面，在车辆纵向行驶时，只要第一种情形能够满足要求，第二种情形也能满足要求。

针对第三种情形，对于前后四个转向轮22、21、23、24在左右转向时的要求，由于转向轮22、21、23、24和转向臂32、31、33、34的对称布置，以及通过将左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51的无杆腔截面积设置为相等，同时左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51通过油路串联在一起，保证了左转向油缸52与右转向油缸51的活塞杆的动作同步，并且使得左转向轮22、23和右转向轮21、24的转角对应相等，从而使得转向轮22、21、23、24的四根轴线交在左转向轮22、23和右转向轮21、24的对称轴线上的一点，满足了车辆纵向行驶的要求。

另外，根据四轮四方向行驶车辆的横向行驶功能，在横向行驶时，两前转向轮22、21固定，后转向轮23、24转向，同时，两个后转向轮23、24在左右转向时，后左转向轮23与后右转向轮24的轴线相交于两个前转向轮22、21的中心线的连线上，如图11所示。

首先，根据在横向行驶转向时，后左转向轮23与后右转向轮24的轴线相交于两个前转向轮22、21的中心线的连线上的要求，对于横向行驶时，转向机构的几何参数进行论述。

由于本实施例中的转向装置同时满足纵向和横向行驶时的要求，因此，纵向行驶的几何参数必须同时满足横向行驶转向的要求。M和L为已经确定的轮距，后左转向臂33的长度m1、后左转向臂33的转向臂角θ1、前左转向臂32的长度m2、前左转向臂32的转向臂角θ2以及四工位双作用油缸41、42的活塞杆全部缩回时的长度n，这五个参数在纵向行驶时都已确定。同时，在纵向行驶时，两个四工位双作用油缸42、41的前油缸421、411和后油缸422、412的活塞杆都是处于缩回状态，并被锁定，作为四杆机构的连杆使用；而在横向行驶时，由于前转向轮22、21固定，后转向轮23、24转向，转向机构由曲柄连杆机构变为摆杆机构，四工位双作用油缸42、41的功用由连杆变为摆杆。当车辆右转弯时，左四工位双作用油缸42的长度n1缩短，右四工位双作用油缸41的长度n2伸长，且左、右四工位双作用油缸42、41也是同步动作的，故左、右四工位双作用油缸42、41的伸长量和缩短量相等，此时车辆后左转向轮23的转角小，后右转向轮24的转角大，从而实现两个后转向轮23、24的轴线交点在两前转向轮22、21的中心线的连线上的要求。通过图解法反复作图确定，同时结合运动方程：ctgβ-ctga＝M/L进行验算，求得的结果为，车辆后方的转向臂m1’＝222mm，车辆后方的转向臂角θ1’＝47°，转向轮中位时四工位双作用油缸的长度n’＝1408mm，经验算，车辆的转角误差小于1％。达到了较高的转向精度，如图13所示。

现将横向行驶过程和机理再做进一步描述。

在车辆横向行驶过程中，左转向油缸52和右转向油缸51全部伸出，推动前左转向轮22和前右转向轮21转动，在90°切换后，利用双向液压锁锁定，使得前左转向轮22和前右转向轮21固定，后左转向轮23和后右转向轮24转向，同时，两个四工位双作用油缸42、41经过切换，前左油缸421和前右油缸411的活塞杆处于缩回工况，后左油缸422和后右油缸412的活塞杆伸出时，四个车轮在横向行驶状态下全部对正。

当车辆右转弯时，压力油从P口流入左四工位双作用油缸42的后左油缸422的有杆腔，后左油缸422的活塞杆缩回，使得后左转向轮23逆时针转动，同时，由于后左油缸422的无杆腔与前右油缸411的无杆腔油路连接，在后左油缸422的活塞杆缩回的过程中，后左油缸412的无杆腔压力油进入前右油缸411的无杆腔内，从而推动前右油缸的活塞杆伸出，进而推动后右转向轮24逆时针转动，同时，由于后左油缸422的无杆腔与前右油缸411的无杆腔油路连接且截面积相等，使得后左油缸的活塞杆的缩短量与前右油缸的活塞杆的伸长量相等，此时，后左转向轮23的转角小于后右转向轮24的转角，通过设定两个四工位双作用油缸42、41的长度，实现了后左转向轮23与后右转向轮24的轴线相交于两个前转向轮22、21的中心线的连线上，满足了车辆向右转弯的动作要求，当车辆向左转弯时，压力油从P1口流入右侧四工位双作用油缸41的后右油缸412的有杆腔，从T1口流回，其原理与右转弯相同，如图12、15所示。

由于车辆具有纵向行驶和横向行驶功能，最后，结合图16，对车辆的纵向和横向行驶的切换进行介绍。

纵向到横向的切换，2DT通电，第一二位四通电磁阀61由常开状态转成关闭状态，4DT通电，第一三位四通电磁阀71左位使能，压力油进入左转向油缸52的无杆腔推动活塞杆顶出，因为左转向油缸52的有杆腔与右转向油缸51的无杆腔是串联起来的，左、右转向油缸52、51的同步动作，具体为左转向油缸52有杆腔的压力油进入右转向油缸51的无杆腔，把右转向油缸51的活塞杆推出，左、右转向油缸52、51的活塞杆同时推动前转向轮22、21转动，前转向轮22、21与后转向轮23、24通过两个四工位双作用油缸42、41连接，此时四工位双作用油缸42、41作为连杆使用，两个前转向轮22、21分别带动两个后转向轮23、24转动，左右转向油缸52和右转向油缸51把前左转向轮22和前右转向轮21推转到位，前转向轮22、21在横向对正之后，左、右转向油缸52、51被双向液压锁锁定，此时两前转向轮22、21处在固定状态。接着7DT通电，第二三位四通电磁阀72左位使能，两个四工位双作用油缸42、41的后左油缸422和后右油缸412的无杆腔进油，后左油缸422和后右油缸412的活塞杆推动两个后转向轮23、24继续转动，活塞杆到位后，此时后转向轮23、24在横向对正，从而回到横向行驶状态，同时，利用设置在后左油缸422的无杆腔和有杆腔之间以及后右油缸412的无杆腔和有杆腔之间的双向液压锁，后转向轮23、24在外部环境作用下，使得油缸不易出现窜动。

横向到纵向的切换，2DT通电，第一二位四通电磁阀61由常开状态转成关闭状态，3DT通电，第一三位四通电磁阀71右位使能，压力油进入右转向油缸51的有杆腔推动活塞杆缩回，同理由于左、右转向油缸52、51的同步动作，左、右转向油缸51、52的活塞杆同时缩回，拉动前转向轮22、21转动，到位后，前转向轮22、21在纵向对正。5DT通电，第二二位四通电磁阀62左位使能，压力油进入两个四工位双作用油缸42、41的前左油缸421和前右油缸411的有杆腔，使两根前活塞杆全部缩回，接着6DT通电，第二三位四通电磁阀72右位使能，两个四工位双作用油缸42、41的后左油缸422和后右油缸412的有杆腔进油，两个后油缸的活塞杆全部缩回到位，拉动两个后转向轮23、24转动，此时两个后转向轮23、24在纵向对正，从而回到纵向行驶状态，同时，利用设置在后左油缸422的无杆腔和有杆腔之间、后右油缸412的无杆腔和有杆腔之间、前左油缸421的无杆腔和有杆腔之间以及前右油缸411的无杆腔和有杆腔之间的双向液压锁，转向轮21、22、23、24在外部环境作用下，使得油缸不易出现窜动。

综上，本发明采用液压和机械构件的方式代替了计算机编程控制四个电机转向的方式，提高了四轮四方向行驶车辆转向装置的可靠性，同时降低了成本。

Claims (3)

1.一种四轮四方向行驶车辆转向装置，包括机架、对称设置在该机架前、后、左、右四个方向交汇处的转向轮，每个转向轮上铰接有转向臂，其特征在于：在两个前转向轮的两侧依次设置有左转向油缸和右转向油缸，左转向油缸和右转向油缸一端与各自的转向臂铰接，另一端与机架铰接，左转向油缸的有杆腔与右转向油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，在左转向油缸和右转向油缸之间设有双向液压锁，车辆在前后纵向行驶过程中，当发生左右转向时，车辆左侧的前转向轮和后转向轮以及车辆右侧的前转向轮和后转向轮的四根轴线相交于左转向轮和右转向轮之间的对称轴线的一点上；另外，在左侧的前转向臂和后转向臂之间以及在右侧的前转向臂和后转向臂之间铰接有四工位双作用油缸，每个四工位双作用油缸包括前油缸和后油缸，左侧的前油缸的无杆腔与右侧的后油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，左侧的后油缸的无杆腔与右侧的前油缸的无杆腔油路连接且截面积相等，同时，在前转向轮固定不动，后转向轮发生转向时，后转向轮中的左转向轮与右转向轮的轴线相交于两个前转向轮的中心线的连线上。

2.根据权利要求1所述的四轮四方向行驶车辆转向装置，其特征在于：后转向臂长度为222mm，前转向臂长度为198mm，铰接在前转向臂与后转向臂之间的四工位双作用油缸的活塞杆全部缩回时的长度为1408mm。

3.根据权利要求1或2所述的四轮四方向行驶车辆转向装置，其特征在于：在每个四工位双作用油缸的前油缸和后油缸的有杆腔和无杆腔之间设有双向液压锁。