CN104742966A - 一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，应用于汽车转向领域，该装置主要包括开关阀，减压阀、单向阀、横向拉杆伸缩缸、机液伺服控制阀、角位移放大机构等元件。通过机液伺服控制阀对横向拉杆伸缩缸进行伺服控制，有效保证了各转向轮满足阿克曼转向条件；通过横向拉杆伸缩缸和机液伺服控制阀的负反馈控制，实现车辆高精度的动态纯滚动转向；通过开关阀、减压阀和单向阀自动对反馈腔进行补油，消除负压的产生。优选地，机液伺服控制装置中的分段多级凸轮曲线，可实现横向拉杆伸缩缸机液锁定，保障系统纯滚动转向效应的同时降低了其高速行驶时的风险，由此提升多轴车辆高速行驶的安全性。

Description

一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，应用于汽车转向领域。

背景技术

大型轮式车辆广泛应用于基础设施建设及军事重工领域，如大吨位全地面起重机、大型运梁车和矿用自卸车等民用装备和大型导弹运输车、重型电子发射车和牵引运载车等军用特种车辆。多轴转向可显著提升大型轮式车辆的低速行驶机动灵活性和高速行驶操纵稳定性，已成为衡量现代大型重载车辆发展水平的关键技术之一。同时，高性能多轴转向技术的发展有助于推动类车机器人、多轮月球车等前沿载运装备技术的发展。因此，突破多轴转向核心技术对推动高性能载运装备的发展有着重要意义。

由于大型多轴车辆的转向负载大，且各轮转角间需保证一定的几何关系，传统的转向梯形机构虽然有助于保证各轮在转向时的转角关系，但梯形机构自身存在转向误差，随着转向角度的增大误差越明显，从而加大车辆转向阻力和车胎磨损程度，影响行车稳定性和驾驶舒适性。因此，具有转向控制精度高、可靠性强、安全性好的纯滚动转向技术是多轴车辆转向技术的发展方向之一。

当前，车辆的纯滚动转向技术主要围绕纯滚动转向机构和电液控制回路两方面展开：（1）在纯滚动转向机构方面：采用优化方法（如通过虚拟样机技术）对梯形机构进行优化，使优化后的梯形机构逼近阿克曼机构，从而提高转向精度（如参考专利201110097127.6和93104300.x）；或添加辅助装置如通过在梯形机构中设置长度调节装置（如螺母、滑槽和凸轮板等），使横向拉杆杆长可变，实现车轮纯滚动转向，以减小车胎磨损（如参考专利201110154053.5和US7077232）；或设计新型转向装置如车辆转向时通过控制轨迹，使执行机构沿着纯滚动轨迹移动，使整车全轮绕着共同的瞬时转动中心转动，实现转向轮的阿克曼转向（如参考专利201010605436.6）。（2）在电液控制回路方面：采用直接横向拉杆驱动转向方式，如用双出杆液压缸替换横向拉杆作为执行器，并结合电液控制阀和抑制路面扰动载荷的控制方法，增强转向系统稳定性（如参考专利EP1852329A2）；或采用电液比例系统实现转向，如通过电控换向阀和比例节流阀分别实现换向和流量精确控制，从而通过各元件的匹配动作实现比例转向，其响应速度快且转向操作灵敏（如参考专利201210370470.8）；或采用电液伺服系统实现转向，如采用伺服比例阀控制双转向助力缸，驱动转向梯形转向，不仅驱动负载大且频响高、无零位死区（如参考专利201010255429.5）。

现有的专利有助于提高多轴车辆的转向灵活性和动态转向精度，但仍存在以下一些不足，主要表现为：

1）车辆纯滚动驱动的可靠性有待提高。在多轴车辆纯滚动转向设计中，一般采用电液或电控系统驱动转向梯形机构，使各转向轮（尽可能）满足阿克曼转向条件，实现纯滚动转向。同时为进一步提高响应速度和精度，采用高频响伺服阀或伺服电机驱动转向机构精确转向，但这种驱动方式涉及到电子闭环控制，而电子系统易受到环境、振动等影响而失效，导致转向系统无法正常工作，产生诸如转向失控等安全隐患。

2）纯滚动转向梯形机构的优质设计遇到瓶颈。优质的转向梯形结构是多轴车辆实现纯滚动转向的关键，其结构特性直接决定着车辆转向精度。当前常利用外接长度调节装置（如螺母、滑槽和凸轮板等）通过改变横向拉杆长度以实现车辆的纯滚动转向，但由于转向轮转向角度小，调节装置的调节区域受限，导致车辆转向控制困难且精度低。为提高转向精度且实现纯滚动转向，也通过增大梯形结构的方法扩大有效控制区域，然而这却带来了转向梯形机构尺寸大、布置困难等不利因素（参考专利201110154053.5）。

3）纯滚动状态下动态转向的安全性有待加强。针对当前常规转向梯形而言，车辆高速行驶时常在小转角范围内转向，若此时转向机构出现故障，易产生巨大危害（如轮胎侧滑、转向失控等），因此其安全性尤为重要。然而，现有具备纯滚动功能的转向机构，在车辆高速行驶转向安全性方面存在缺陷，有待进一步改进。

发明内容

本发明公开了一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，通过机液伺服控制阀对横向拉杆伸缩缸进行伺服控制，有效保证了各转向轮满足阿克曼转向条件；通过横向拉杆伸缩缸和机液伺服控制阀的负反馈控制，实现车辆高响应和高精度的动态纯滚动转向；通过开关阀、减压阀和单向阀自动对反馈腔进行补油，消除系统内负压，提高液压系统稳定性。优选地，机液伺服控制装置中的分段多级凸轮曲线，可实现横向拉杆伸缩缸机液锁定，保障系统纯滚动转向效应的同时降低了其高速行驶时的风险，由此提升多轴车辆高速行驶的安全性。

本发明的技术方案在于：

一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，包括横向拉杆伸缩缸9和机液伺服控制阀13；横向拉杆伸缩缸9的活塞部分与一侧的第一梯形臂8铰接，横拉杆伸缩缸9的缸体部分与另一侧的第二梯形臂10铰接；

所述的横向拉杆伸缩缸9的左工作腔D1与机液伺服控制阀13的右工作油口B相连，右工作腔D2与机液伺服控制阀13的左工作油口A相连；横向拉杆伸缩缸9的左反馈腔E1与机液伺服控制阀13的右控制端口C2相连，右反馈腔E2与机液伺服控制阀13的左控制端口C1相连；机液伺服控制阀13的回油口T通回油箱1，进油口P与液压泵2出口相连，机液伺服控制阀13的上机械控制端F1与角位移放大机构14相连；角位移放大机构14与车辆一侧转向节12连接；机液伺服控制阀13的下机械控制端F2与开关阀3的机械控制端相连。

机液伺服控制阀13包括横向阀体18、垂向阀体44、阀套19、阀芯29、凸轮27、凸轮轴42、阀芯弹簧16、左阀套弹簧35和右阀套弹簧26；

横向阀体18上侧外表面开有四个阀口自左向右依次为：左控制端口C1、第一工作油口A、第二工作油口B、右控制端口C2，横向阀体18下侧外表面开有三个阀口自左向右依次为：第一回油口T1、进油口P和第二回油口T2；

阀套19安装在横向阀体18内且可沿轴向往复移动，阀套19左端与左阀套弹簧35接触，其右端与右阀套弹簧26接触，且阀套19上开有五个环槽自左向右依次为：第一阀套环槽20、第二阀套环槽21、第三阀套环槽22、第四阀套环槽23和第五阀套环槽24；阀套左阶梯端面41与密封盖34和横向阀体18形成阀套左控制腔33，阀套右阶梯端面45与横向阀体18内壁形成阀套右控制腔25，左控制端口C1与阀套左控制腔33连通，右控制端口C2与阀套右控制腔25连通；

阀芯29安装在阀套19内且可沿轴向往复移动，阀芯29左端与阀芯弹簧16接触，阀芯弹簧16左端与弹簧座17接触；阀芯29的右端安装阀芯顶杆头28，阀芯顶杆头28与凸轮27接触，且阀芯29外表面开有三个环槽自左向右依次为：第一阀芯环槽32、第二阀芯环槽31、第三阀芯环槽30。

第二阀芯环槽31、第三阀套环槽22和进油口P始终保持相互连通状态；第一阀芯环槽32、第一阀套环槽20和第一回油阀口T1始终保持相互连通状态；第三阀芯环槽30、第五阀套环槽24和第二回油阀口T2始终保持相互连通状态。

机液伺服控制阀的凸轮轴42依靠上轴承37和下轴承39安装在垂向阀体44内部，凸轮27安装在凸轮轴42的轴肩上，通过凸轮键38进行圆周定位，且通过套筒43对凸轮27进行轴向定位；并由上轴承盖36和下轴承盖40共同保证垂向阀体44的密封性。

凸轮27的轮廓曲线分为有效作用区域圆弧段QS、WV、UT和过渡圆弧段TQ、SW、VU；其中圆弧段QS又可分为圆弧段QH和SH，两圆弧段对应的圆心角α₃、α₄均大于30°，圆弧段GH和PH所对应的圆心角α₁、α₂为临界锁定转角且其值范围为5°~30°；圆弧段GH和PH的半径均为R1，圆弧段GQ的半径从R1均匀变化至R2，R1和R2的差值为0.2~8mm，圆弧段PS的半径从R1均匀变化至R3，R1和R3的差值为0.2~8mm。

机液伺服控制阀13是三位四通机液换向阀，该阀也是零开口四边滑阀。

角位移放大机构14的输入轴48与转向节12连接，输出轴47与机液伺服控制阀上机械控制端F1连接，角位移放大机构14的传动比为1~10，角位移放大机构的箱体46内壁上设有限位销49，且限位销49位于传动元件51的限位槽50内。

开关阀3进油口与液压泵2出口相连，开关阀3的出油口与减压阀4的进油口相连，减压阀4的出油口同时与第一单向阀5和第二单向阀6的进油口相连，第一单向阀的5的出油口与左反馈腔E1相连，第二单向阀6的出油口与右反馈腔E2相连。

开关阀3为常闭的二位二通机动阀；当车桥转向轮回复至中位时，凸轮27触发开关阀3换向至接通状态。

减压阀4为定值减压阀，其压力定值为1~20MPa。

本发明的优点：

1）采用液压力线性负反馈机构，实现车辆精确纯滚动转向。横向拉杆可变的梯形机构代替传统横向拉杆定长的梯形机构，当车辆转向时，横向拉杆伸缩缸的反馈腔通过控制机液伺服控制阀的阀套控制腔（即将横向拉杆长度变化量转化为压力反馈信号控制阀套控制腔），以调节横向拉杆的长度，梯形机构由传统的单自由度驱动转变为双自由度驱动，实现双侧车轮的精确伺服纯滚动转向。

2）通过机液耦合方式驱动横向拉杆伸缩缸，提高多轴车辆纯滚动转向的可靠性。设计新型机液伺服阀，该阀内置的凸轮机构将车辆转向轮的转向旋转运动转化为阀芯的往复直线移动，以驱动机液伺服控制阀的开闭，即由车轮自身转向角度的变化直接控制横拉杆伸缩缸长度的变化，实现机液伺服控制，消除电子系统的故障干扰，提高多轴车辆纯滚动转向的可靠性。

3）横向拉杆伸缩缸采用机液控制式锁定，有效提升多轴车辆高速行驶时的安全性。车辆高速行驶时转向角度常工作在小转角范围，通过设置凸轮的临界角，进而通过机液控制方式直接锁定横向拉杆，将变胞转向梯形重新转化为常规转向梯形。由此，可有效避免机构变胞部分发生故障时所导致的危险，在保障变胞机构纯滚动转向效应（小转角时，定长度横向拉杆也可近似实现阿克曼转向）的同时降低其高速行驶时的风险，提升了多轴车辆高速行驶的安全性。

附图说明

图1是表征横向拉杆长度与两侧轮转角关系的示意图

图2是基于本发明的多轴车辆转向系统的简化示意图。

图3是机液伺服控制阀的内部结构图。

图4是图3在F-F方向的剖面示意图。

图5是机液伺服控制阀内凸轮的曲线轮廓图。

图6是角位移放大机构的内部机构示意图。

图7是车辆转向轮由中位向右位旋转时本发明的工作原理图。

图8是车辆转向轮由右位向中位回转时本发明的工作原理图。

图9是补油回路工作原理图。

图中：1、油箱，2、液压泵，3、开关阀，4、减压阀，5、第一单向阀，6、第二单向阀，7、左转向轮，8、第一梯形臂，9、横向拉杆伸缩缸，10、第二梯形臂，11、右转向轮，12、转向节，13、机液伺服控制阀，14、角位移放大机构，15、溢流阀，16、阀芯弹簧，17、弹簧座，18、横向阀体，19、阀套，20、第一阀套环槽，21、第二阀套环槽，22、第三阀套环槽，23、第四阀套环槽，24、第五阀套环槽，25、阀套右控制腔， 26、右阀套弹簧，27、凸轮，28、阀芯顶杆头，29、阀芯，30、第三阀芯环槽，31、第二阀芯环槽，32、第一阀芯环槽，33、阀套左控制腔，34、密封盖，35、左阀套弹簧，36、上轴承盖，37、上轴承，38、凸轮键，39、下轴承，40、下轴承盖，41、阀套左阶梯端面，42、凸轮轴，43、套筒，44、垂向阀体，45、阀套右阶梯端面，46、箱体，47、输出轴，48、输入轴，49、限位销，50、限位槽，51、传动元件。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1是表征横向拉杆长度与两侧轮转角关系的示意图。

 多轴车辆在转向时，所有车轮均处于纯滚动转向状态，即满足阿克曼转向定理，轮胎的磨损会显著降低，由此可提高车辆行驶的稳定性和安全性。多轴车辆包括多个转向桥（一般转向桥数n≥3），当在转向过程中，若要保证各转向轮纯滚动，可依据阿克曼定理计算得出各轮所需要的转角。以第n桥转向桥为例，如图1所示，设经过阿克曼定理计算得出的纯滚动条件下左右侧轮的转角分别为αn和βn，左右侧轮的梯形臂长度均为m，轮胎处于中位时梯形臂与转向桥轴的夹角为γ，两侧转向轮主销间的距离为K。

传统多轴车辆转向系统均采用转向梯形机构进行驱动，但转向梯形机构驱动的转向桥仅有一个转向自由度，仅能保证两侧转向轮中的一侧轮转角与目标完全一致；而另一侧轮转角仅能通过转向梯形机构拟合，尽可能使两侧轮转角满足阿克曼条件，即传统转向梯形机构不能严格实现左右侧的纯滚动转向。

若考虑横向拉杆可自由伸缩，当左右侧轮实现纯滚动转向时，可依据相应转向模式下的阿克曼定理，计算得出的满足阿克曼转角关系的第n桥左右侧轮转角值即αn和βn。依据机构的几何尺寸和几何关系，可计算图中转向横拉杆所在位置CD段的长度，即：

机液伺服控制装置包括开关阀3，减压阀4、第一单向阀5、第二单向阀6、横向拉杆伸缩缸9、机液伺服控制阀13、角位移放大机构14。

其中，横向拉杆伸缩缸9的活塞部分与一侧的第一梯形臂8铰接，横拉杆伸缩缸9的缸体部分与另一侧的第二梯形臂10铰接。

所述的横向拉杆伸缩缸9的左工作腔D1与机液伺服控制阀13右工作油口B相连，右工作腔D2与机液伺服控制阀13的左工作油口A相连，且左工作腔D1和右工作腔D2的有效工作面积相等，横向拉杆伸缩缸9的左反馈腔E1与机液伺服控制阀的右控制端口C2相连，右反馈腔E2与机液伺服控制阀13的左控制端口C1相连，且左反馈腔E1和右反馈腔E2的有效工作面积相等；机液伺服控制阀13的回油口T通回油箱1，进油口P与液压泵2的出口相连，机液伺服控制阀13的上机械控制端F1与角位移放大机构14相连，角位移放大机构14与车辆一侧转向节12连接，机液伺服控制阀13的下机械控制端F2与开关阀3的机械控制端相连。

开关阀3的进油口与液压泵2出口相连，开关阀3的出油口与减压阀4的进油口相连，减压阀4的出油口与第一单向阀5、第二单向阀6的进油口相连，第一单向阀5的出油口与左反馈腔E1相连，第二单向阀6的出油口与右反馈腔E2相连。

图3~4是机液伺服控制阀13的结构示意图。图3中，横向阀体18上侧外表面开有四个阀口自左向右依次为：左控制端口C1、第一工作油口A、第二工作油口B、右控制端口C2，横向阀体18下侧外表面开有三个阀口自左向右依次为：第一回油口T1、进油口P和第二回油口T2，且第一回油口T1和第二回油口T2通过连接管件交汇而形成该阀回油口T。

阀套19安装在横向阀体18内部，阀套19左端与左阀套弹簧35接触，其右端与右阀套弹簧26接触，阀套19可在横向阀体18内沿轴向往复移动，且阀套19上开有五个环槽自左向右依次为：第一阀套环槽20、第二阀套环槽21、第三阀套环槽22、第四阀套环槽23和第五阀套环槽24；阀套左阶梯端面41与密封盖34和横向阀体18形成左控制腔33，阀套右阶梯端面45与横向阀体18内壁形成阀套右控制腔25，且左控制腔33和右控制腔25的有效作用面积相等；左控制腔33与阀体18的左控制端口C1连通，阀套右控制腔25与阀体18的右控制端口C2连通。左阀套弹簧35和右阀套弹簧26均为软弹簧，其弹力远远小于阀套左控制腔33和阀套右控制腔25液压力。

阀芯29安装在阀套19内部，阀芯29左端与阀芯弹簧16接触，阀芯弹簧16左端与弹簧座17接触；阀芯29的右端安装阀芯顶杆头28，阀芯顶杆头28与凸轮27接触，阀芯29可在阀套19内沿轴向往复移动，且阀芯29外表面开有三个环槽自左向右依次为：第一阀芯环槽32、第二阀芯环槽31、第三阀芯环槽30。

第二阀芯环槽31、第三阀套环槽22和进油口P始终保持相互连通状态；第一阀芯环槽32、第一阀套环槽20和第一回油阀口T1始终保持相互连通状态；第三阀芯环槽30、第五阀套环槽24和第二回油阀口T2始终保持相互连通状态。

如局部放大图Ⅳ、Ⅴ所示，t1和t2为阀芯上两个轴肩的宽度，h1和h2为与轴肩对应的阀套内侧环槽的宽度，且t1=h1，t2=h2，即机液伺服控制阀13为零开口四边滑阀。

图4中，凸轮轴42依靠上轴承37和下轴承39安装在垂向阀体44内部，凸轮27安装在凸轮轴42的轴肩上，通过凸轮键38进行周向定位，且通过套筒43对凸轮27进行轴向定位。并由上轴承盖36和下轴承盖40共同保证垂直阀体44的密封性及上轴承37和下轴承39的预紧。

优选的机液伺服控制阀13是三位四通机液换向阀。

图5是机液伺服控制阀内凸轮的曲线轮廓图。

凸轮机构的凸轮曲线是驱动控制机液伺服控制阀的关键，由上述的公式（1）可知，横向拉杆长度与车辆类型和所在的转向桥的数量有关，所以凸轮曲线的设计与车辆自身转向特性有关，不同类型的多轴车辆的各转向桥的驱动凸轮曲线均不相同。以某大型多轴车辆第七转向桥的凸轮曲线的设计为例。多轴车辆在不同行驶工况具有不同的适应转向模式如最小转弯半径模式、防止车尾偏摆转向模式和蟹形转向模式等，根据所需转向模式的数量，凸轮可设计成多段的曲线轮廓，分别与不同模式对应。

本例中，设计具有三段有效作用圆弧段的凸轮，有效圆弧段QS、WV、UT分别对应上述三种转向模式，圆弧段TQ、SW、VU为其过渡圆弧段，使用者可根据实际情况切换需要的转向模式。转向模式的切换只需在凸轮轴42上安装回转分度装置F3，利用如拨叉式、电动式切换等。类似的，可以选取更多段圆弧以对应更多的转向模式，或用多片凸轮组合方式形成多种转向模式的切换。

 由上述公式（1）可得横向拉杆长度变化与车辆转向角度的关系。据此圆弧段QS又可细分为圆弧段QH和SH，两圆弧段对应的圆心角α₃、α₄均大于30°，圆弧段GH和PH所对应的圆心角α₁、α₂为临界锁定转角且幅值范围为5°~30°；圆弧段GH和PH的半径均为R1，圆弧段GQ的半径从R1均匀变化至R2，R1和R2的差值为0.2~8mm；圆弧段PS的半径从R1均匀变化至R3，R1和R3的差值为0.2~8mm。所述的圆心角α₁、α₂、α₃和α₄的大小与机液伺服控制阀12的安装位置有关，如将其安装在车辆右侧，则α₁>α₂,α₃>α₄，反之则α₂>α₁,α₄>α₃。

图5中，阀芯顶杆头28和凸轮27始终保持接触，当凸轮27 逆时针或顺时针旋转时，阀芯顶杆头28首先在圆弧段GH或PH上运动（即阀芯顶杆头位于Ⅰ位置），阀芯29无轴向移动（即凸轮27旋转角度小于临界锁定转角α₁或α₂时，阀芯29不移动阀未开启）；当凸轮继续旋转，其旋转角度大于α₁或α₂，阀芯顶杆头28在圆弧段GQ或PS上运动（即阀芯顶杆头位于Ⅱ或Ⅲ位置），机液伺服控制阀13开启，所在圆弧的半径与R1的半径差决定了阀芯29 的轴向移动距离和阀的开口量。

在设计凸轮的曲线轮廓时，半径R1至R2以及R1至R3的变化程度与凸轮旋转角度的范围有关，当角度范围越大时，半径的变化越平缓，凸轮的刚性冲击越大；反之，半径的变化越剧烈，凸轮的刚性冲击越小。

图6是角位移放大机构的内部机构示意图。图中，输入轴48和输出轴47可旋转的支撑在箱体46中，且两轴可通过传动元件51相互传递转矩。

角位移放大机构的输入轴48与转向节12连接，角位移放大机构的输出轴47与机液伺服控制阀的上机械控制端F1连接。

箱体46内壁上设有限位销49，且限位销49位于传动元件51的限位槽50内。

车辆大部分工况下向左或向右转向的角度均小于30°，即车轮转向角度的范围约为60°，若将转向轮的旋转运动直接传递给机液伺服阀控制阀，此时，凸轮转向角度的范围约为60°，凸轮与阀芯顶杆头的作用圆弧半径变化大，导致阀芯控制困难且精度低。为此引入角位移放大机构14，该机构可对车辆转向角度进行放大（1~10倍），并通过各连接装置，将车轮转向运动转化成凸轮的旋转运动，以驱动机液伺服控制阀开闭。此外角位移放大机构的限位装置，可以有效消除因运动传递机构的故障或旋转角度过大所带来的隐患，从而可靠保证转向安全性。

优选的，带有限位功能的角位移放大机构的具体结构形式有多种：如一级齿轮传动结构、二级齿轮传动结构、链传动结构和带传动结构等，本发明以一级齿轮传动机构为例进行说明。

图7~8是车辆转向时机液伺服控制阀工作原理图。

机液伺服控制装置可应用于具有两个或两个以上车桥的多轴车辆，且在车辆的每一转向桥设置机液伺服控制装置。该车辆的第一桥及其后各转向桥可以采用机械式或机液伺服等转向助力方式进行主动转向，并由机液伺服控制装置控制横向拉缸伸缩缸长度的变化，从而调节各桥左、右转向轮的转向角度。

以某大型多轴车辆第七转向桥为例，将机液伺服控制阀13和角位移放大机构14安装在车辆的右侧。

结合图2至图7，当车辆第七桥转向轮由中位向右位旋转时，车辆转向运动信号由转向节12传出，首先输入角位移放大机构14并对转角信号进行放大，通过传动联接机构带动凸轮顺时针旋转，当转向角度小于临界锁定转角α1时，机液伺服控制阀未开启，横向拉杆伸缩缸长度不变；当凸轮转角大于临界锁定角时，凸轮曲线半径变化量为ΔR1，则阀芯29向右轴向移动Δx1，机液伺服控制阀开启，此时高压油从进油口P流入并依次经过第三阀套环槽22、第二阀芯环槽31、第四阀套环槽23和工作油口B再流入横向拉杆伸缩缸9的左工作腔D1，推动横向拉杆伸缩缸工作腔活塞9A向右移动，横向拉杆伸缩缸总长度增大，而工作腔D2的油液依次经过工作油口A、第二阀套环槽21、第一阀芯环槽32、第一阀套环槽20和第一回油口T1流回油箱；此过程中机液伺服控制阀13处于右位工作（即进油口P通工作油口B，第一回油口T1通工作油口A）。

横向拉杆伸缩缸工作腔活塞9A向右移动过程的同时，带动反馈腔活塞9B向右移动，则右反馈腔E2的压力升高，其高压油经左控制端口C1反馈至阀套左控制腔33，推动阀套19向右轴向移动距离Δy1，且具有关闭阀口的趋势，右控制腔25的油液通过右控制端口C2流入左反馈腔E1。上述机液伺服控制阀13控制横向拉杆伸缩缸9的过程为动态调节过程，当横向拉杆伸缩缸9的总长度变化至目标长度L1时，阀套右控制腔25、阀套左控制腔33、左反馈腔E1和右反馈腔E2压力平衡，阀口关闭且阀套19轴向停止移动，即机液伺服控制阀13又回复至中位（其阀套和阀芯位置关系如图b所示）。此时横向拉杆伸缩缸总长度从初始长度L变化至L1，其变化量为ΔL1。

图8中，当车辆第七桥转向轮由右位向中位回转时，车辆的转向运动传递至凸轮，带动凸轮27逆时针旋转，凸轮转向角度减小，同时凸轮曲线半径变化量为ΔR2，则阀芯29向左轴向移动Δx2，机液伺服控制阀开启，此时高压油从进油口P流入并依次经过第三阀套环槽22、第二阀芯环槽31、第二阀套环槽21和工作油口A后流入横向拉杆伸缩缸左工作腔D2，推动横向拉杆伸缩缸工作腔活塞向左移动，横向拉杆伸缩缸总长度增大，而工作腔D1的油液依次经过工作油口B、第四阀套环槽23、第三阀芯环槽30、第五阀套环槽24和第二回油口T2流回油箱；此过程中机液伺服控制阀13处于左位工作如图c所示（即进油口P通工作油口A，第一回油口T2通工作油口B）。当转向角度进一步减小至临界锁定转角α₁之内时，机液伺服控制阀关闭，横向拉杆伸缩缸长度锁定不变。

横向拉杆伸缩缸工作腔活塞9A向左移动的同时，带动反馈腔活塞9B向左移动，则左反馈腔E1的压力升高，其高压油经左控制端口C2反馈至右控制腔25，推动阀套19向左轴向移动距离Δy2，且具有关闭阀口的趋势；左控制腔33的油液通过左控制端口C1流入左反馈腔E2。上述机液伺服控制阀13控制横向拉杆伸缩缸9的过程为动态调节过程，当横向拉杆伸缩缸总长度变化至目标长度L2时，左控制腔25、右控制腔33、左反馈腔E1和右反馈腔E2压力平衡，阀口关闭且阀套19轴向停止不动（其阀套和阀芯位置关系如图d所示），即机液伺服控制阀13又回复至中位。此时横向拉杆伸缩缸总长度从初始长度L1变化至L2，其变化量为ΔL2。

横向拉杆伸缩缸左反馈腔E1和右反馈腔E2的有效作用面积均为d，阀套左控制腔33和阀套右控制腔25的有效作用面积为均D，通过设计凸轮曲线可使变量Δx1，Δy1，ΔR1满足以下关系，即，由于左反馈腔E1和阀套右控制腔25的体积和等于右反馈腔E2和阀套左控制腔33的体积和，当机液伺服控制阀工作时，横向拉杆伸缩缸长度的变化量ΔL1与阀套的移动量Δy1之间关系取决于控制腔的面积比，即，因此通过设计凸轮的半径差ΔR1，可确定横向拉缸伸缩缸长度的变化量ΔL1，即。同理通过设计凸轮的半径差ΔR2，可确定横向拉缸伸缩缸的变化量ΔL2，即。因此，可通过控制凸轮曲线的半径变化量ΔR1或ΔR2来控制横向拉杆长度Lcd，实现梯形机构转向横拉杆长度的变化，以保证左右侧转向轮绕车辆瞬时转动中心旋转，实现车辆纯滚动转向。通过机液耦合方式将车辆转向轮的转向旋转运动转化为阀芯的往复直线移动，以控制机液伺服控制阀的开闭，即由车轮自身的转向直接控制横拉杆伸缩缸长度的变化，排除电气故障的干扰，提升多轴车辆纯滚动转向过程可靠性。

本具体实施针对车辆转向轮从中位至右位和右位至中位两个过程中，机液伺服控制装置的工作原理进行描述；车辆转向轮从中位至左位和左位至中位两个过程中机液伺服控制装置的工作原理相同，在此不再赘述。

结合图7~8可知，常规转向梯形机构的横向拉杆长度为定值，无法通过横向拉杆的长度调节实现左右侧轮纯滚动。一般通过四杆机构的优化设计，使转向梯形近似满足阿克曼梯形的转角关系，即呈现出两侧转向轮在小转角范围时实际转角与阿克曼转角间偏差很小，而在大转角范围时实际转角与阿克曼转角间偏差才显著增大。因此，在车辆高速行驶时，本发明的技术方案在小转角范围内利用凸轮曲线半径不变化致使阀不开启来锁定横向拉杆，既保证左右侧轮转角尽可能满足阿克曼转向关系，又显著提升高速行驶的安全性。通过合理设定临界锁定转角值，如设定其值为正负5°~30°，即转向轮从中位向左（或向右）转向 5°~30°，并以一侧的转向角度作为控制基准。最终，以临界角度值为分界线，在大角度范围（多为低速行驶）内通过横向拉杆伸缩缸的实时调节，由此保证左右侧轮的精确纯滚动转向；而在小角度范围内，通过锁定横向拉杆伸缩缸，保证高速行驶的安全性并兼顾左右侧轮的近似纯滚动转向。

上述转向过程存在四杆机构与五杆机构的切换，即小转向范围为四杆机构，而大转角范围为五杆机构；同时，存在自由度数量的切换，即小转角范围为单自由度转向，而大转角范围为双自由度转向。可见，在具有横向拉杆伸缩缸的转向梯形机构中，由于通过该伸缩缸锁定与否的控制，将导致转向梯形机构在转向过程中存在机构拓扑结构的改变和自由度数的改变。然而，变拓扑结构和变自由度是变胞机构的两个充要条件，这一具有横向拉杆伸缩缸的转向梯形机构，可称之为变胞转向梯形，而横向拉杆伸缩缸为该变胞转向梯形的变胞部分。因此，该变胞转向梯形机构为优质的纯滚动转向机构设计创造了条件。

优选的，在多轴车辆每一车桥设置机液伺服控制装置，可将机液伺服控制阀和角位移放大机构安装在车桥右或左侧转向节上，并在车辆纯滚动转向过程中发挥重要作用。

优选的，开关阀3为常闭的二位二通机动阀；当车桥转向轮回中位时，机液伺服控制阀凸轮轴42触发开关阀3换向至接通状态。

机液伺服控制阀内的凸轮结构将车辆转向运动转化为阀芯的往复直线移动，以控制机液伺服控制阀。凸轮结构的关键参数（如凸轮的偏心距、基圆半径等等）决定阀芯运动方向和移动距离。实际运用中也可采用其他运动转化机构（如螺旋传动、齿轮齿条等机构）实现该功能，其原理相同在此不再赘述。

图9是补油回路工作原理图。横向拉杆伸缩缸9的左反馈控制腔E1和右反馈控制腔E2为封闭容腔，若因横向拉杆伸缩缸9的加工误差或长时间磨损，导致油缸产生内泄漏或者外泄漏，由于左反馈控制腔E1、右反馈控制腔E2为精密的控制腔，为防止控制腔因泄漏量的积累，导致控制阀套19运动时产生较大误差，故设计补油回路对系统进行补油，同时防止反馈控制腔产生负压，以提高控制效果。

补油回路工作原理：当凸轮27旋转回原位时（即车辆转向轮转向角度为0°），机液伺服控制阀触发开关阀3开启即处于右位状态，高压油依次经过开关阀3、减压阀4，再分别经过第一单向阀5和第二单向阀6对横向拉杆伸缩缸9的左反馈腔E1和右反馈腔E2进行补油。由于此时左反馈腔和右反馈腔均被封闭住，此时这两个容腔为封闭容腔，高压油通过减压阀4对封闭腔进行补油，直至压力充到减压阀的调定压力为止。所述减压阀为定值式减压阀，可通过减压阀设定反馈控制腔的调定压力，可将其压力调定为1~20Mpa范围内的某一定值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：包括横向拉杆伸缩缸（9）和机液伺服控制阀（13）；横向拉杆伸缩缸（9）的活塞部分与一侧的第一梯形臂（8）铰接，横拉杆伸缩缸（9）的缸体部分与另一侧的第二梯形臂（10）铰接；

所述的横向拉杆伸缩缸（9）的左工作腔（D1）与机液伺服控制阀（13）的右工作油口（B）相连，右工作腔（D2）与机液伺服控制阀（13）的左工作油口（A）相连；横向拉杆伸缩缸（9）的左反馈腔（E1）与机液伺服控制阀（13）的右控制端口（C2）相连，右反馈腔（E2）与机液伺服控制阀（13）的左控制端口（C1）相连；机液伺服控制阀（13）的回油口（T）通回油箱（1），进油口（P）与液压泵（2）出口相连，机液伺服控制阀（13）的上机械控制端（F1）与角位移放大机构（14）相连；角位移放大机构（14）与车辆一侧转向节（12）连接；机液伺服控制阀（13）的下机械控制端（F2）与开关阀（3）的机械控制端相连。

2. 根据权利要求1所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：机液伺服控制阀（13）包括横向阀体（18）、垂向阀体（44）、阀套（19）、阀芯（29）、凸轮（27）、凸轮轴（42）、阀芯弹簧（16）、左阀套弹簧（35）和右阀套弹簧（26）；

横向阀体（18）上侧外表面开有四个阀口自左向右依次为：左控制端口（C1）、第一工作油口（A）、第二工作油口（B）、右控制端口（C2），横向阀体（18）下侧外表面开有三个阀口自左向右依次为：第一回油口（T1）、进油口（P）和第二回油口（T2）；

阀套（19）安装在横向阀体（18）内且可沿轴向往复移动，阀套（19）左端与左阀套弹簧（35）接触，其右端与右阀套弹簧（26）接触，且阀套（19）上开有五个环槽自左向右依次为：第一阀套环槽（20）、第二阀套环槽（21）、第三阀套环槽（22）、第四阀套环槽（23）和第五阀套环槽（24）；阀套左阶梯端面（41）与密封盖（34）和横向阀体（18）形成阀套左控制腔（33），阀套右阶梯端面（45）与横向阀体（18）内壁形成阀套右控制腔（25），左控制端口（C1）与阀套左控制腔（33）连通，右控制端口（C2）与阀套右控制腔（25）连通；

阀芯（29）安装在阀套（19）内且可沿轴向往复移动，阀芯（29）左端与阀芯弹簧（16）接触，阀芯弹簧（16）左端与弹簧座（17）接触；阀芯（29）的右端安装阀芯顶杆头（28），阀芯顶杆头（28）与凸轮（27）接触，且阀芯（29）外表面开有三个环槽自左向右依次为：第一阀芯环槽（32）、第二阀芯环槽（31）、第三阀芯环槽（30）。

3. 根据权利要求2所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：第二阀芯环槽（31）、第三阀套环槽（22）和进油口（P）始终保持相互连通状态；第一阀芯环槽（32）、第一阀套环槽（20）和第一回油阀口（T1）始终保持相互连通状态；第三阀芯环槽（30）、第五阀套环槽（24）和第二回油阀口（T2）始终保持相互连通状态。

4.根据权利要求2所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：所述的机液伺服控制阀的凸轮轴（42）依靠上轴承（37）和下轴承（39）安装在垂向阀体（44）内部，凸轮（27）安装在凸轮轴（42）的轴肩上，通过凸轮键（38）进行圆周定位，且通过套筒（43）对凸轮（27）进行轴向定位；并由上轴承盖（36）和下轴承盖（40）共同保证垂向阀体（44）的密封性。

5. 根据权利要求2所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：所述的凸轮（27）的轮廓曲线分为有效作用区域圆弧段（QS）、（WV）、（UT）和过渡圆弧段（TQ）、（SW）、(VU)；其中圆弧段（QS）又可分为圆弧段（QH）和（SH），两圆弧段对应的圆心角α3、α4均大于30°，圆弧段（GH）和（PH）所对应的圆心角α1、α2为临界锁定转角且其值范围为5°~30°；圆弧段（GH）和（PH）的半径均为（R1），圆弧段（GQ）的半径从（R1）均匀变化至（R2），（R1）和（R2）的差值为0.2~8mm，圆弧段（PS）的半径从（R1）均匀变化至（R3），（R1）和（R3）的差值为0.2~8mm。

6. 根据权利要求2所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：所述的机液伺服控制阀（13）是三位四通机液换向阀，该阀也是零开口四边滑阀；所述的左工作腔（D1）和右工作腔（D2）的有效工作面积相等，左反馈腔（E1）和右反馈腔（E2）的有效工作面积相等，左控制腔（33）和右控制腔（25）的有效作用面积相等。

7. 根据权利要求1所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：该角位移放大机构（14）的输入轴（48）与转向节（12）连接，输出轴（47）与机液伺服控制阀上机械控制端（F1）连接，角位移放大机构（14）的传动比为1~10，角位移放大机构的箱体（46）内壁上设有限位销（49），且限位销（49）位于传动元件（51）的限位槽（50）内。

8.根据权利要求1所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：所述的开关阀（3）进油口与液压泵（2）出口相连，开关阀（3）的出油口与减压阀（4）的进油口相连，减压阀（4）的出油口同时与第一单向阀（5）和第二单向阀（6）的进油口相连，第一单向阀的（5）的出油口与左反馈腔（E1）相连，第二单向阀（6）的出油口与右反馈腔（E2）相连。

9. 根据权利要求2所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：开关阀（3）为常闭的二位二通机动阀；当车桥转向轮回复至中位时，凸轮（27）触发开关阀（3）换向至接通状态。

10. 根据权利要求1所述的一种用于多轴车辆纯滚动转向的机液伺服控制装置，其特征在于：所述的减压阀（4）为定值减压阀，其压力定值为1~20MPa。