CN105144997A - 一种割草机车架姿态调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种割草机车架姿态调节装置，属于坐骑式割草机主动安全技术领域。本发明包括气体弹簧、空气供应系统和控制系统，四个气体弹簧分别设于左前轮、左后轮、右前轮、右后轮与车架之间，控制系统的电子控制单元根据气体压力、车架高度及车架倾角的给定值分别与气体压力、车架高度及车架倾角的实测值之差，使稳压罐气体压力维持在给定压力范围内，控制四个高度阀对气体弹簧进行充放气使车架具有合适高度，以适应对车架离地间隙的要求。本发明在平坦草坪上作业时可降低车架高度，使重心降低，以改善高速作业时行驶稳定性；在凹凸草坪上行驶或作业时可升高车架高度，改善整机通过性，提高了作业安全性。

Description

一种割草机车架姿态调节装置

技术领域

本发明属于坐骑式割草机主动安全技术领域，尤其是涉及一种融合车架调平控制、车架高度调节技术的坐骑式割草机车架姿态调节装置。

背景技术

随着经济和城市建设的发展，各大城市都竞相兴建主题公园、体育场和高尔夫球场，这些场所基本上配套有大面积的草坪绿地，这些草坪绿地的修剪是后期管理的一项重要内容，采用机械化作业不仅可以提高生产效率降低管理费用，而且还可以提高草坪修剪质量。与手推割草机、手持割草机及肩背割草机相比，坐骑式零转弯半径(ZeroTurnRadius，简称ZTR)割草机由于采用驱动轮正反转实现割草机的原地转向功能，改善作业人员工作环境，降低劳动强度使工作效率得以提高。可以进入难以够着的区域进行割草作业，受狭窄空间限制的影响小，扩大了作业范围，具有更灵活的操控性能和更高的工作效率。可以预见，具有零转弯半径功能的割草机是坐骑式ZTR割草机未来的发展方向。

图1是扬州维邦园林机械有限公司生产的WBZ系列坐骑式ZTR割草机，行驶系统的前轴及后轴通过刚性连接件与车架直接固定，使车架高度一经确定就不能再改变。这种车轴与车架刚性连接的坐骑式ZTR割草机在作业时严重存在不足：一是由于车架高度不能再改变，在凹凸草坪上作业时车架底部容易与凸起物顶上，使车轮丧失抓地力而原地滑转，导致整机通过性差；二是一种车架高度难以修剪出具有多种草丛高度的景观要求；三是斜坡作业时，由于车架不能调平，整机容易侧向失稳而发生侧翻。

发明内容

为了克服WBZ系列割草机的这些不足之处，本发明提出以气体弹簧为执行元件、能主动调节车架前后左右四端高度的一种坐骑式车架姿态调节装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种坐骑式割草机车架姿态调节装置，装配于安装了动力系统、操纵系统、制动系统和刀盘的车架与行驶系统之间，车架姿态调节装置由气体弹簧、横向稳定杆、纵向拉力杆、空气供应系统和电子控制系统(ECU)组成，其中气体弹簧为车架姿态调整提供动力，主要由上盖板、橡胶气囊和活塞底座组成，上盖板固定于车架上，底座固定于车轴上，调控时向气体弹簧充入高压气体，气体弹簧高度方向上膨胀，推动车架高度提升，相反给气体弹簧放气，弹簧内部气压减低，在车架重力作用下车架高度下降；横向稳定杆和纵向拉力杆共同承受和传递车架的各项非垂向力及力矩，其中纵向拉力杆前端通过橡胶衬套固定于车架，后端通过橡胶衬套固定于车轴上，而横向稳定杆两端通过橡胶衬套固定于车轴上，中部通过U型螺栓固定于车架；空气供应系统由空气压缩机、空气过滤器、空气干燥器、稳压罐、电磁气阀和连接气管组成，为气体弹簧提供高压、干净的空气；控制系统实时监测车架姿态并根据采样信号主动适应环境变化，主要由手动输入面板、倾角传感器、电子控制单元、常断开关、电源和信号传输线等组成。

本发明的具体技术方案为包括气体弹簧、空气供应系统和控制系统。所述气体弹簧包括左前侧气体弹簧、左后侧气体弹簧、右前侧气体弹簧和右后侧气体弹簧，所述左前侧气体弹簧、左后侧气体弹簧、右前侧气体弹簧和右后侧气体弹簧分别设于左前轮、左后轮、右前轮、右后轮与车架之间。所述空气供应系统包括空滤器、空气压缩机、干燥器、稳压罐、气体分配阀、左前侧高度阀、左后侧高度阀、右前侧高度阀和右后侧高度阀；空气压缩机的空气入口前端设置空滤器，所述空气压缩机的空气出口通过气管与稳压罐连接，所述所述空气压缩机与稳压罐之间的管路上设有干燥器；所述稳压罐通过气管与气体分配阀的进气口连接，气体分配阀设有四路出气口，通过气管分别连接左前侧高度阀、左后侧高度阀、右前侧高度阀和右后侧高度阀；所述左前侧高度阀通过气管连接左前侧气体弹簧，所述左后侧高度阀通过气管连接左后侧气体弹簧，所述右前侧高度阀通过气管连接右前侧气体弹簧，所述右后侧高度阀通过气管连接右后侧气体弹簧。所述控制系统包括手动输入面板、气体压力传感器、倾角传感器、高度传感器和电子控制单元；用于采集稳压罐气压的气体压力传感器，所述倾角传感器水平设于车架上用于采集左右侧车架的倾角，四个高度传感器为左前侧高度传感器、左后侧高度传感器、右前侧高度传感器和右后侧高度传感器，分别设于左前侧气体弹簧、左后侧气体弹簧、右前侧气体弹簧和右后侧气体弹簧与车架的连接处；手动输入面板、气体压力传感器、倾角传感器、高度传感器分别与电子控制单元相连。所述电子控制单元采用PID控制算法，根据手动输入面板的给定值与倾角传感器、高度传感器的实测值的偏差计算出高度控制信号，所述电子控制单元根据高度控制信号控制左前侧高度阀、左后侧高度阀、右前侧高度阀和右后侧高度阀作调节动作；所述电子控制单元根据稳压罐的压力给定值与气体压力传感器的实测值的偏差计算出压力控制信号，所述电子控制单元根据压力控制信号控制继电器调节空气压缩机维持稳压罐气体压力。

所述电子控制单元对车架高度控制过程为，高度传感器对车架实际高度进行检测，电子控制单元对根据手动输入面板输入车架目标高度与车架实际高度的偏差进行计算判断，并向左前侧高度阀、左后侧高度阀、右前侧高度阀和右后侧高度阀分别发出控制指令：若为正值，则发送高度阀进行充气指令，直到车架升到目标高度为止；若为负值，向电磁阀发送排气指令，直到车架下降到目标高度为止；若为零，则不向高度阀发送指令，维持现状。

所述车架调平过程，根据倾角传感器的倾角信号计算控制指令，若为正值，右前侧高度阀和右后侧高度阀保持关闭，左前侧高度阀和左后侧高度阀进行充气直到车架恢复水平为止；若为负值，右前侧高度阀和右后侧高度阀保持关闭，而左前侧高度阀和左后侧高度阀进行充气直到车架恢复水平为止；若为零，则不向电磁阀发送指令，维持现状。

本发明的有益效果为：1)本发明的在凹凸草坪上可以提高车架离地间隙，减少刀盘与地面突出物撞击的几率，改善通过性。2)本发明在平坦草坪上可以降低车架离地间隙，降低重心高度提高行驶稳定性。3)本发明在斜坡割草作业时，通过改变车架单侧高度，车架变为水平，使整机重心调整到水平面，抗侧翻性能得到改善，提高在斜坡作业的安全性。

附图说明

图1为WBZ系列坐骑式ZTR割草机车架与行驶轮系的装配关系图。

图2为本发明的控制系统组成图。

图3为本发明的空气供应系统结构图。

图4为本发明的控制流程图。

图5为本发明的横向稳定杆结构图。

图6为本发明的纵向拉力杆结构图。

图7为本发明的主程序流程图。

图8为本发明横向平面的车架升降示意图。

图9为本发明在斜坡作业横向平面的车架姿态调节图。

图10为装配了本发明的坐骑式工作状态图。

图中：101车架，102刀盘，103座椅，104ROPS，105驱动轮，106前轮。

201电子控制单元，202气体压力传感器，203左前高度传感器，204左后高度传感器，205右前高度传感器，206右后高度传感器，207倾角传感器，208手动输入面板，209蓄电池，210继电器。

301空滤器，302空气压缩机，303干燥器，304稳压罐，306A左前侧高度阀，306B左后侧高度阀，305气体分配阀，307A左前侧气体弹簧，307B左后侧气体弹簧，308A右前侧气体弹簧，308B右后侧气体弹簧，309A右前侧高度阀，309B右后侧高度阀。

501稳定杆，502衬套，503支座，504螺栓，505缓冲套，506座圈，507螺母，508双头螺柱，509车轴支座总成，510车架支座总成。

601车架连接端，602拉力杆，603车轴连接端。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明割草机车架姿态调节装置进一步的详细描述。附图来说明本发明。

图2为本发明的控制系统组成图，由手动输入面板208、气体压力传感器202、倾角传感器207、高度传感器、电子控制单元201、高度阀和继电器210及蓄电池组成。其中，电子控制单元201即为汽车的ECU，可以根据手动输入面板208及传感器组的相关信号，进行比较、计算及判断，再对执行机构发送控制指令；传感器组由高度传感器、气体压力传感器202和倾角传感器207组成，可以实时采集车架高度、储气罐304气压及车架倾角信号；高度阀根据控制信号对气体弹簧进行充放气以实现车架姿态的调节，继电器则对空气压缩机302进行控制以维持稳压罐304气体稳定；手动输入面板208可以为作业人员输入车架高度及倾角的目标值；蓄电池209为整个系统提供电力。电子控制单元201根据手动输入面板208的给定值与倾角传感器207、高度传感器的实测值的偏差计算出高度阀控制信号，电子控制单元201根据高度阀控制信号控制高度阀作调节动作；所述电子控制单元201根据稳压罐304的压力给定值与气体压力传感器202的实测值的偏差计算出压力控制信号，所述电子控制单元201根据压力控制信号控制继电器210调节空气压缩机302维持稳压罐304气体压力。

图3为本发明的空气供应系统结构图，由空滤器301、空气压缩机302、干燥器303、稳压罐304、气体分配阀305、左前侧高度阀306A、左后侧高度阀306B、右前侧高度阀309A和后侧高度阀309B组成。其中，所述空气压缩机302的进气口前端设置空滤器301，而其出气口与干燥器303进口通过气管连接，干燥器303出口通过管道与稳压罐304进气口相通，稳压罐304出口通过气管与气体分配阀305的进气口连通，气体分配阀305设有四路出气口，通过气管分别连接左前侧高度阀306A、左后侧高度阀306B、右前侧高度阀309A和右后侧高度阀309B的充气口，左前侧高度阀306A充放口通过气管连接左前侧气体弹簧307A，左后侧高度阀306B充放口通过气管连接左后侧气体弹簧307B，右前侧高度阀309A充放口通过气管连接右前侧气体弹簧308A，右后侧高度阀309B充放口通过气管连接右后侧气体弹簧308B，左前侧高度阀306A、左后侧高度阀306B、右前侧高度阀309A和右后侧高度阀309B的排气口露在大气环境中。

图4为本发明的控制流程图，电子控制单元201分别根据左前侧高度传感器203、左后侧高度传感器204、右前侧高度传感器205及右后侧高度传感器206、倾角传感器207及气体压力传感器202采集得到的测量值与给定数值之差应用PID算法计算出控制量进行控制空气压缩机302的继电器210、左前侧高度阀306A、左后侧高度阀306B、右前侧高度阀309A及右后侧高度阀309B，以实现稳压罐304内气体压力稳定和ZTR割草机具有理想的车架姿态。

图5为本发明的横向稳定杆结构图，由稳定杆501、车轴支座总成509和车架支座总成510等组成。稳定杆501的两端通过车轴支座总成509与左右侧车轴连接，而中部通过车架支座总成510与车架101连接。车轴支座总成509包括橡胶缓冲套505、座圈506、螺母507、双头螺柱508，车架支座总成510包括橡胶衬套、支座和螺栓。

图6为本发明的纵向拉力杆结构图，由车架连接端601、拉力杆602和车轴连接端603组成，其中，为了便于可以长度调节，车架连接端601与拉力杆602通过螺纹连接，而车轴连接端603与拉力杆602通过焊接紧固。另外，为了避免纵向拉力杆与车轴、车架的刚性连接，车架连接端601和车轴连接端603的孔内嵌套有橡胶衬套。

图7为本发明的控制主程序流程图，电子控制单元201工作时，首先，以参考压力与实测压力之差是否小于0.3MPa为依据，如果是，直接执行下一步；否则，发送指令使空气压缩机302的继电器201闭合，直到稳压罐304气体压力恢复到参考压力止。然后，根据参考高度与测量高度之差是否为零依据，如果为零，直接执行下一步，否则，如果大于零，高度阀充气阀全部打开进行充气直到偏差为零，如果小于零，高度阀排气阀全部打开进行排气直到直到偏差为零。最后，根据车架101的倾角传感器207是否为零依据，如果为零，结束本采样周期，进下一周期；否则，如果大于零，左侧高度阀充气阀打开进行充气直到恢复到零为止，如果小于零，右侧高度阀充气阀打开进行充气直到倾角恢复到零为止。

图8为安装了本发明的割草机车架升降效果图。

图9为安装了本发明的坐骑式割草机车架姿态调节效果图。

图10为安装了本发明的坐骑式ZTR割草机结构图。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，包括气体弹簧、空气供应系统和控制系统；

所述气体弹簧包括左前侧气体弹簧(307A)、左后侧气体弹簧(307B)、右前侧气体弹簧(308A)和右后侧气体弹簧(308B)，所述左前侧气体弹簧(307A)、左后侧气体弹簧(307B)、右前侧气体弹簧(308A)和右后侧气体弹簧(308B)分别设于左前轮、左后轮、右前轮、右后轮与车架(101)之间；

所述空气供应系统包括空滤器(301)、空气压缩机(302)、干燥器(303)、稳压罐(304)、气体分配阀(305)、左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)；所述空气压缩机(302)的空气入口处设置空滤器(301)，空气压缩机(302)的空气出口通过气管与稳压罐(304)连接，所述空气压缩机(302)与稳压罐(304)之间的管路上设有干燥器(303)；所述稳压罐(304)通过气管与气体分配阀(305)的进气口连接，气体分配阀(305)设有四路出气口，且通过气管分别连接左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)及右后侧高度阀(309B)的充气口；所述左前侧高度阀(306A)的充放口通过气管连接左前侧气体弹簧(307A)，所述左后侧高度阀(306B)的充放口通过气管连接左后侧气体弹簧(307B)，所述右前侧高度阀(309A)的充放口通过气管连接右前侧气体弹簧(308A)，所述右后侧高度阀(309B)的充放口通过气管连接右后侧气体弹簧(308B)；所述左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)的排气口直接朝向外部环境；

所述控制系统包括手动输入面板(208)、气体压力传感器(202)、倾角传感器(207)、四个高度传感器、电子控制单元(201)、四个高度阀和继电器(210)；所述气体压力传感器(202)设于稳压罐(304)内，倾角传感器(207)水平设于车架(101)上，四个高度传感器为左前侧高度传感器(203)、左后侧高度传感器(204)、右前侧高度传感器(205)和右后侧高度传感器(206)，分别设于左前侧气体弹簧(307A)、左后侧气体弹簧(307B)、右前侧气体弹簧(308A)和右后侧气体弹簧(308B)与车架(101)的连接处；手动输入面板(208)、气体压力传感器(202)、倾角传感器(207)、四个高度传感器、四个高度阀和继电器(210)分别通过信号线与电子控制单元(201)相连；所述电子控制单元(201)采用PID控制算法，根据手动输入面板(208)的给定值与倾角传感器(207)、高度传感器的实测值的偏差计算出高度控制信号，所述电子控制单元(201)根据高度控制信号控制左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)作调节动作；所述电子控制单元(201)根据稳压罐(304)的压力给定值与气体压力传感器(202)的实测值的偏差计算出压力控制信号，所述电子控制单元(201)根据压力控制信号控制继电器(210)调节空气压缩机(302)维持稳压罐气体压力。

2.根据权利要求1所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，还包括横向稳定杆，所述横向稳定杆包括稳定杆(501)、车轴支座总成(509)和车架支座总成(510)；所述稳定杆(501)的两端通过车轴支座总成(509)与左右侧车轴连接，稳定杆(501)中部通过车架支座总成(510)与车架(101)连接。

3.根据权利要求1所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，还包括纵向拉力杆，所述纵向拉力杆包括车架连接端(601)、拉力杆(602)和车轴连接端(603)，所述车架连接端(601)与拉力杆(602)通过螺纹连接，所述车轴连接端(603)与拉力杆焊接紧固；所述车架连接端(601)通过螺栓与车架(101)连接，所述车轴连接端(603)通过螺栓与后车轴连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，所述车架连接端(601)和车轴连接端(603)的孔内嵌套有橡胶衬套。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，所述稳压罐(304)气体压力低于稳压罐(304)的压力给定值时，继电器(210)闭合空气压缩机(302)运行；稳压罐气压大于等于稳压罐(304)的压力给定值时，继电器(210)断开则空气压缩机(302)停止运行。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，所述左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)均为电磁气阀。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，所述电子控制单元(201)对车架(101)高度控制过程为，四个高度传感器对车架(101)实际高度进行检测，电子控制单元(201)对根据手动输入面板(208)输入车架(101)目标高度与车架(101)实际高度的偏差进行计算判断，并向左前侧高度阀(306A)、左后侧高度阀(306B)、右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)分别发出控制指令：若为正值，则发送高度阀进行充气指令，直到车架(101)升到目标高度为止；若为负值，向高度阀发送排气指令，直到车架(101)下降到目标高度为止；若为零，则不向高度阀发送指令，维持现状。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种割草机车架姿态调节装置，其特征在于，所述车架(101)调平过程，根据倾角传感器(207)的倾角信号计算控制指令，若为正值，右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)保持关闭，左前侧高度阀(306A)和左后侧高度阀(306B)进行充气直到车架(101)恢复水平为止；若为负值，右前侧高度阀(309A)和右后侧高度阀(309B)保持关闭，而左前侧高度阀(306A)和左后侧高度阀(306B)进行充气直到车架(101)恢复水平为止；若为零，则不向高度阀发送指令，维持现状。