CN105270469B - 一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统，包括蓄电池、信号输入装置、控制器、减速器、全液压转向器、液压泵、转向油缸和转向四连杆。驾驶员通过操作信号输入装置，通常为电控手柄或电控式模拟方向盘，形成转向指令控制电机的转动，经与电机相连的减速器减速增扭后驱动全液压转向器，液压泵通过全液压转向器输出一定量的液压油，将油液传送到转向油缸，推动油缸活塞杆伸缩并拉动与车轮相连的转向臂，使车轮偏转，实现车辆左、右转向。由于全液压转向系统中的油液和电传动中的电流用于传递动力时不受方向限制，且实现油液运动的液压软管以及电流运动的电缆线具有较好的柔性，因而可将转向操控部件和全液压转向器相对灵活地布置在车辆上的不同位置，实现转向的远程操作或无线操作。

Description

一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统

技术领域

本发明涉及一种非公路车辆的转向系统，尤其涉及一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统。

背景技术

全液压转向器是由随动转阀和摆线转定子副组成的一种摆线转阀式转向器。它与供油泵、溢流阀（或分流阀）、转向油缸及其它连接附件组成的全液压转向系统，广泛应用于农业机械、园林机械、道路养护机械、林业机械、工程机械和矿山机械等低速重载车辆上。

现有的全液压转向系统是依靠驾驶人员转动方向盘提供旋转力，方向盘带动一根长轴，长轴直接插入联接着全液压转向器的转向柱，与方向盘一起转动。转动全液压转向器的转向柱，即开启了全液压转向器内的油道，使得液压泵供出的液压油经过全液压转向器输入到油缸，使油缸伸缩运动，从而实现动力转向。由于方向盘、长轴、转向柱及全液压转向器之间的相对刚性的联接关系，全液压转向器通常必须放置在驾驶室下方，以便于驾驶人员的转向操作，同时进行其它的驾驶、作业操作等。但当全液压转向器在驾驶室下方布置相对困难，或需要远距离转向操作时，这种依靠驾驶人员直接操作全液压转向器的方式不易实现。

工程机械机体沉重、轮胎尺寸大、经常在施工现场较差的路况下行驶，转向阻力矩大。在使用全液压转向系统时，转动方向盘的操纵力只是驱动全液压转向器工作的力，而迫使车轮偏转的力是转向油缸提供的，故驾驶人员通过它可以用较小的操纵力实现较大的转向力控制。又由于工程机械工作期间转向频繁，要求能够灵活地改变车辆行驶方向；驾驶人员转向时，全液压转向器起随动转阀的作用，转向反馈迅速，滞后时间短，能够达到方向盘偏转，车轮即时偏转的效果。故采用全液压转向系统可实现车辆转向性能安全、可靠，操纵轻便、灵活，其中的核心转向控制元件是全液压转向器。

基于这种需求，在继续以全液压转向器作为液压动力转向的前提下，发明一种较远距离操控全液压转向器的转向系统。驾驶人员可在驾驶室内（或与之较远距离的位置），无需直接转动方向盘，即可进行转向操作。本发明可实现驾驶人员与全液压转向器之间远距离转向操作，使得全液压转向器的安装位置相对灵活，有利于机器的整体协调布置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统，在实现与原来液压转向系统相同转向功能的基础上，具有更加轻巧（由电力代替转向人力），更远距离，甚至无线远程操控转向的优点。同时，本发明还可增强驾驶室结构设计的灵活性和活动空间。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统，由终端执行模块、全液压转向器模块、动力模块和操作与控制模块组成，其中：

终端执行模块包括左转向油缸27、右转向油缸23、转向四连杆28及车轮26，转向四连杆28由转向横拉杆22、前桥25、左转向臂29和右转向臂24组成，左转向油缸27、右转向油缸23的活塞杆分别与左转向臂29、右转向臂24铰接，左转向臂29和右转向臂24一端分别通过转向横拉杆22铰接相连；左转向臂和右转向臂另一端分别与位于两侧车轮26共同铰接在前桥25上，通过左转向油缸27或右转向油缸23的活塞杆的伸缩可拉动左转向臂29和右转向臂24，从而实现车轮26的偏转，完成车辆转向；转向四连杆28使车辆转向时，位于两侧的车轮26得到合理的偏转角匹配，从而使车轮26绕同一瞬时转向中心，在不同的圆周上作纯滚动；根据车辆具体转向需求合理调整，通常车辆外前轮最大转角为35°~40°；

全液压转向器模块即为全液压转向器20，所述全液压转向器20由阀套18、阀芯16、回位弹簧17、计量马达19和单向阀15等组成，计量马达19为由定子和转子组成的一对内啮合齿轮，转子和阀套18通过联动轴及拔销相连，在转向时保证阀套18与转子同步；阀芯16与蜗轮轴7通过花键相连，转动蜗轮轴7，通过改变其旋向及旋速，可使得全液压转向器20控制进入左转向油缸27及右转向油缸23的液压油，进而改变油缸的伸、缩速度；转向停止时，回位弹簧17与阀芯16及阀套18相连，可确保阀芯16和阀套18能够回到中位状态。阀套18的P口、T口分别与动力模块的液压泵14出油口及油箱11相连，阀套18的L口、R口分别与终端执行模块的左转向油缸27、右转向油缸23相连；所述阀芯16相对阀套18转动一圈，输出油量即为全液压转向器20的排量，供油量的多少与全液压转向器20的转角成正比；

动力模块包括液压泵14、液压软管21、溢流阀13、油箱11和滤油器12，液压泵14与动力装置相连，为液压泵14提供动力驱动；液压泵14通过液压软管21依次连接滤油器12和油箱11，液压泵14从油箱11吸油，经滤油器12过滤；液压泵14出油口及油箱11之间设有溢流阀13；液压油的压力要满足位于两侧的车轮26偏转所需克服的阻力矩需要；

操作与控制模块由蓄电池1、信号输入装置2、控制器3、电机4、电机联轴器5和减速器10组成，蓄电池1、信号输入装置2和电机4分别与控制器3相连，电机4通过电机联轴器5与减速器的蜗杆轴6相连。减速器的蜗轮轴7一端可通过花键与全液压转向器20相连；另一端需外伸，便于驾驶人员紧急情况下快速安装一转动装置进行手动转向控制；

驾驶人员通过信号输入装置2，通常为电控手柄或电控式模拟方向盘，输入指令，控制电机4运转，经减速器10减速增扭后驱动全液压转向器20，液压泵14通过全液压转向器20输出一定量的液压油，经过液压软管21将油液传送到左转向油缸27及右转向油缸23，推动油缸活塞杆伸缩并拉动与车轮26相联的左转向臂29和右转向臂24，使左、右车轮26偏转，以实现利用操控电控手柄或电控式模拟方向盘来代替人力转动方向盘控制全液压转向器20的目的。

本发明中，终端执行模块中的油缸与全液压转向器20、全液压转向器20与动力模块中的液压泵14及油箱11之间为液压软管相连；蓄电池1与控制器3、控制器3与电机4之间为电缆线相连；信号输入装置2与控制器3之间为电缆线相连或无线信号传递；全液压转向器20的阀芯16与减速器10、减速器10与电机4之间为刚性耦合连接。

本发明中，液压软管和电缆线都具有柔性，可远距离布置各模块的相对位置，使得转向系统的布置更加灵活。

本发明中，信号输入装置2为电控手柄31、电控式模拟方向盘32、无线发送装置30或其它具有类似功能的信号输入装置中的一种，驾驶人员通过操作电控手柄31（或电控式模拟方向盘32）形成位移或转角变化，经控制器3改变电机4的扭矩及转速。若采用无线控制，则需加装无限发送装置30。具体信号输入方式可根据车辆转向需要和操作者的操纵习惯等设定。

本发明中，蓄电池1为车载12V或24V蓄电池。电机4为有刷直流电机、无刷直流电机或具有类似功能的其他电机。电机4经过减速器10减速增扭，其扭矩是为了满足其转子转动的扭矩需要，即克服转动的阻力矩。同时要满足转速的需要，转速通常与驾驶人员转动电控式模拟方向盘32的速度（时间）相一致（工程机械车辆一般为80r/min-100r/min）。高速电机转速高，扭矩小，控制稳定性相对较好。减速器10的应用使得高转速电机经过减速增扭后，能够实现低转速大扭矩的要求。减速器10输出扭矩需满足全液压转向器20转动力矩的变化，实现全液压转向器20的连续转动。

本发明中，为使所述的减速器10达到较大的减速比和较小的体积，可采用蜗轮蜗杆减速器，行星减速器或具有类似功能的其他减速器中的一种。为便于驾驶人员紧急情况下快速安装一转动装置进行手动转向，所述的蜗轮蜗杆减速器应避免自锁。

本发明中，根据机械传动的传动比需要，电机4与全液压转向器20之间也可不设置减速器10，将电机4与全液压转向器20通过转向柱直接相连。但全液压转向器20驱动力矩较大，转速较低；通常电机轴的输出扭矩较小，转速较高。两者在扭矩、转速等参数匹配时，选用的电机体积较大、成本较高，输出扭矩和转速的控制会相对困难。

本发明中，当减速器10驱动全液压转向器阀芯16向左或向右转动时，与阀芯16相连的蜗轮轴7将克服阀芯16与阀套18间的回位弹簧17的弹力，使阀芯16相对于阀套18产生了一定量的转角（通常该转角>1.5°~2°），阀芯16与阀套18中位时处于封闭状态的油槽即可沟通，且随着其相互间的转角增大，各配油槽的开口亦随之增大，进入全液压转向器20进油口的油液经过阀芯16、阀套18及阀体的配油槽进入到计量马达19内，推动计量马达19的转子相对于定子做行星运动。由于计量马达19转子与阀套18是通过联动轴及拔销机械联接的，计量马达19转子的同向自转运动（与阀芯16的转动方向相同）将带动阀套18与阀芯16转动相同角度。阀芯16停止转动时，阀芯16与阀套18间的配油槽关闭，进入全液压转向器20的油液不经过转子而直接通过阀套18和阀芯16端部的两排小孔进入阀芯16内部，又从阀套18的回油孔经油口T流回油箱11，车轮26亦停止偏转，形成随动功能。

本发明中，由于阀芯16进油凹槽两侧都有一定的覆盖量（通常为0.5mm），即阀芯16有0.5mm的死区。使得全液压转向器20存在转向死区，转动电控手柄31或电控式模拟方向盘32在其空行程内，不产生实际的转向效果。为改善这一现象，可测定死区范围，通过控制器3越过死区转角，提高转向操作的灵敏度与安全性。

本发明中，所述联轴器根据实际情况需要，可替换为有类似联轴器功能的联接元件，如花键联接等。为防止蜗轮轴7的轴向窜动，需用卡环固定其相对位置，避免蜗轮轴7的外花键与阀芯16的内花键分离。

本发明中，所述转向四连杆28可采用六连杆机构、对顶曲柄滑块或具有类似能够实现转向功能的转向机构中的一种。左转向油缸27和右转向油缸23可采用一根单作用式油缸或一根双作用式油缸中的一种。

本发明中，电机4、减速器10和全液压转向器20均为刚性耦合连接，可以集成为一整体安装布置。

本发明的有益效果：

1、改良传统的手握方向盘的转向方式，提供一种新的转向操作方式。由驾驶人员通过信号输入装置，实现电机驱动全液压转向器，实现远程操作转向。

2、更轻巧（由电力驱动代替人力转动），仅需操作电控手柄或电控式模拟方向盘即可实现转向，操纵轻便。

附图说明

图1为电驱动全液压转向控制系统的示意图。

图2为全液压转向器中位时的工况图。

图3为右转向时的工况图。

图4为左转向时的工况图。

图5为全液压转向器工作原理示意图。

图中标号：1蓄电池，2信号输入装置，3控制器，4电机，5电机联轴器，6蜗杆轴，7蜗轮轴，8蜗杆，9蜗轮，10减速器，11油箱，12滤油器，13溢流阀，14液压泵，15单向阀，16阀芯，17回位弹簧，18阀套，19计量马达，20全液压转向器，21液压软管，22转向横拉杆，23右转向油缸，24右转向臂，25前桥，26车轮，27左转向油缸，28转向四连杆，29左转向臂，30无线发送装置，31电控手柄，32电控式模拟方向盘。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：图1为电驱动全液压转向控制系统的示意图。信号输入装置2为电控手柄31、电控式模拟方向盘32或无线发送装置30中的一种，驾驶人员通过信号输入装置2形成位移或转角变化，经控制器3驱动电机4运转。电机4经电机联轴器5将动力传递给蜗杆轴6。蜗轮轴7与全液压转向器的阀芯16通过花键相连，传递动力。液压泵14从油箱11吸入液压油，经液压软管21进入全液压转向器20后，再经液压软管21进入左转向油缸27及右转向油缸23。由于左转向油缸27的有杆腔与右转向油缸23的无杆腔相通，左转向油缸27的无杆腔与右转向油缸23的有杆腔相通，因此两个转向油缸相对于各自的铰点产生相同方向的力矩，推动左转向臂29和右转向臂24绕转向节旋转，实现车轮26（与转向臂相连）的转向。转向四连杆可使转向时左、右前轮得到合理的偏转角匹配，从而使车轮26绕同一瞬时转向中心，在不同的圆周上作纯滚动。所述的连杆机构不具有唯一性，也可选用其他转向机构，如六连杆机构、对顶曲柄滑块或具有类似能够实现转向功能的转向机构中的一种。左转向油缸27和右转向油缸23可采用一根单作用式油缸或一根双作用式油缸中的一种。由于全液压转向器20的机械反馈随动性的功能，车轮26的摆角与电机4的转角成正相关变化。

图2为全液压转向器中位时的工况图。车轮26保持直线行驶，全液压转向器20在中位状态，液压泵14从油箱11吸入液压油，经出油口输送到阀套18的进油口P。液压油经阀芯16中的通道由全液压转向器20的出口T回油箱11。此时，计量马达19的进出口M1和M2均被阀芯16封闭，故马达19停止不动。转向油缸的两组腔室的进出口亦均被阀芯16封闭，来自液压泵14的液压油不经转向油缸而直接流回油箱11，车轮26留在现有的偏转角位置上。

图3为右转向时的工况图。电机4顺时针转动一定角度（大于转向死区的角度），进入全液压转向器20的P口的油流经阀芯16中的通道由M1口进入计量马达19，并经M2及阀芯16内通道进入右转向油缸23的有杆腔及左转向油缸27的无杆腔，推动活塞杆伸缩，实现车轮26偏转；右转向油缸23的无杆腔及左转向油缸27的有杆腔内液压油经阀芯16出口T回油箱11。在液压油流经过计量马达19的同时，由于计量马达轴与阀套18相连，故阀套18亦沿阀芯16转动方向转动。当车轮转动角度为α，阀套18转角达到阀芯16的转角，计量马达19产生的反馈信号消除了阀芯16相对阀套18的转角差时，阀套18与阀芯16的阀口重新处于相对的中位。液压油不再流入计量马达19，车轮26可在任意位置上实现停止偏转。

图4为左转向时的工况图。电机4逆时针转动一定角度（大于转向死区的角度），可实现车辆的左转向。工作原理与右转向相同。

图5为全液压转向器工作原理示意图。右转向时，电机4带动阀芯16转动，液压油通过阀套18上的P孔经由阀芯16上的槽从M1孔流出，然后经过全液压转向器20上的孔进入计量马达19的进油容腔，推动计量马达19旋转。计量马达19回油容腔的液压油经过M2孔，然后通过阀芯16的槽经由R孔流向左转向油缸27的无杆腔与右转向油缸23的有杆腔，推动活塞杆伸缩。左转向油缸27的有杆腔与右转向油缸23的无杆腔内的回油通过阀芯16上的槽经由T口流回油箱11。计量马达19的旋转通过联动轴及回位弹簧17带动阀套18一起旋转，使阀口趋于关闭，形成随动系统。电机4持续转动，阀口才保持相应的开度，一旦电机4停止转动，阀口立刻关闭，转向停止。电机4转动越快，阀口开度越大，转向越快。电机4转到极限位置，左转向油缸27、右转向油缸23也运动到极限行程，车轮达到最大偏转角（通常车辆外前轮最大转角为35°~40°）。

Claims (6)

1.一种基于全液压转向器的电机驱动转向系统，由终端执行模块、全液压转向器模块、动力模块和操作与控制模块组成，其特征在于：

终端执行模块包括左转向油缸(27)、右转向油缸(23)、转向四连杆(28)及车轮(26)，转向四连杆(28)由转向横拉杆(22)、前桥(25)、左转向臂(29)和右转向臂(24)组成，左转向油缸(27)、右转向油缸(23)的活塞杆分别与左转向臂(29)、右转向臂(24)铰接，左转向臂(29)和右转向臂(24)一端分别通过转向横拉杆(22)铰接相连，另一端分别与位于两侧的车轮(26)共同铰接在前桥(25)上，通过左转向油缸(27)及右转向油缸(23)的活塞杆的伸缩拉动左转向臂(29)和右转向臂(24)，从而实现车轮(26)的偏转，完成车辆转向；

全液压转向器模块即为全液压转向器(20)，所述全液压转向器(20)由阀套(18)、阀芯(16)、回位弹簧(17)、计量马达(19)和单向阀(15)组成，计量马达(19)为由定子和转子组成的一对内啮合齿轮，转子和阀套(18)通过联动轴及拔销相连，在转向时保证阀套(18)与转子同步；阀芯(16)与蜗轮轴(7)通过花键相连，转动蜗轮轴(7)，通过改变其旋向及旋速，使全液压转向器(20)控制进入左转向油缸(27)及右转向油缸(23)的液压油，进而改变油缸的伸、缩速度；回位弹簧(17)分别与阀芯(16)及阀套(18)相连，转向停止时，以确保阀芯(16)和阀套(18)能够回到中位状态；阀套(18)的P口、T口分别与动力模块的液压泵(14)出油口及油箱(11)相连，阀套(18)的L口、R口分别与终端执行模块的左转向油缸(27)、右转向油缸(23)相连；所述阀芯(16)相对阀套(18)转动一圈，输出油量即为全液压转向器(20)的排量；供油量的多少与全液压转向器(20)的转角成正比；

动力模块包括液压泵(14)、液压软管(21)、溢流阀(13)、油箱(11)和滤油器(12)，动力装置与液压泵(14)相连，为液压泵(14)提供动力驱动；液压泵(14)通过液压软管(21)依次连接滤油器(12)和油箱(11)，液压泵(14)从油箱(11)吸油，经滤油器(12)过滤；液压泵(14)出油口及油箱(11)之间设有溢流阀(13)，液压油的压力要满足位于两侧的车轮(26)偏转所需克服的阻力矩需要；

操作与控制模块由蓄电池(1)、信号输入装置(2)、控制器(3)、电机(4)、电机联轴器(5)和减速器(10)组成，蓄电池(1)、信号输入装置(2)和电机(4)分别与控制器(3)相连，电机(4)通过电机联轴器(5)与减速器的蜗杆轴(6)相连，减速器的蜗轮轴(7)一端通过花键与全液压转向器(20)相连；另一端需外伸，便于驾驶人员紧急情况下快速安装一转动装置进行手动转向控制；

驾驶人员通过信号输入装置(2)，输入指令，控制电机(4)运转，经减速器(10)减速增扭后驱动全液压转向器(20)，液压泵(14)通过全液压转向器(20)输出一定量的液压油，经过液压软管(21)将油液传送到左转向油缸(27)及右转向油缸(23)，推动油缸活塞杆伸缩并拉动与车轮(26)相联的左转向臂(29)和右转向臂(24)，使左、右车轮(26)偏转，以实现利用操控电控手柄或电控式模拟方向盘来代替人力转动方向盘控制全液压转向器(20)的目的。

2.根据权利要求１所述的基于全液压转向器的电机驱动转向系统，其特征在于终端执行模块中的油缸与全液压转向器(20)、全液压转向器(20)与动力模块中的液压泵(14)及油箱(11)之间为液压软管相连；蓄电池(1)与控制器(3)、控制器(3)与电机(4)之间为电缆线相连；信号输入装置(2)与控制器(3)之间为电缆线相连或无线信号传递；全液压转向器(20)的阀芯(16)与减速器(10)、减速器(10)与电机(4)之间为刚性耦合连接。

3.根据权利要求１所述的基于全液压转向器的电机驱动转向系统，其特征在于信号输入装置(2)为电控手柄(31)、电控式模拟方向盘(32)或无线发送装置(30)中的一种。

4.根据权利要求１所述的基于全液压转向器的电机驱动转向系统，其特征在于蓄电池(1)为车载12V或24V蓄电池，电机(4)为有刷直流电机或无刷直流电机。

5.根据权利要求１所述的基于全液压转向器的电机驱动转向系统，其特征在于所述的减速器(10)为蜗轮蜗杆减速器或行星减速器中的一种。

6.根据权利要求１所述的基于全液压转向器的电机驱动转向系统，其特征在于所述转向四连杆(28)采用六连杆机构或对顶曲柄滑块中的一种代替；左转向油缸(27)和右转向油缸(23)采用一根单作用式油缸或一根双作用式油缸中的一种代替。