CN105377677B - 用于使串联式轴或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于使串联式或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置和方法。该类型的车辆包括设置有串联式轴或履带式轴(3，7)的至少一个本体部件(1，5)。至少一个本体部件(1，5)包括主本体(9，9b)和辅助本体(11，11b)，该辅助本体(11，11b)连接至主本体(9，9b)以围绕车辆的纵向轴线(10)或与其基本上平行的轴线旋转。串联式轴或履带式轴(3，7)大致刚性地连接至所述主本体，并且本体部件(1，5)具有至少一个致动器(12，12b)，所述至少一个致动器(12，12b)用以控制主本体(9，9b)与辅助本体之间的旋转运动。这种方式使辅助本体的尤其是相对于围绕车辆的纵向轴线(10)的旋转的位置和运动状态的变化布置成在致动器(12，12b)中引起推动或牵拉运动，该推动或牵拉运动使辅助本体(11，11b)转向以进行旋转运动，从而将辅助本体布置至大致水平位置。
Description
背景技术
本发明涉及用于使串联式轴或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置。
这种类型的解决方案的一个重要应用领域是用于使具有例如铰接式转向装置的车辆的舱室的侧倾稳定的稳定系统。在林业机器中发现了如下这种类型的一个车组，其驾驶员由于处于摇摆的车辆的工作环境中而通常接受到已发现对健康有害的具有随机变化的振幅的许多低频(0.5Hz至10Hz)振动。这种振动对驾驶员的不良影响是疲劳、较低工作效率以及针对肌肉骨骼系统和脊椎尤其是下背部的应力。Griffin(1990)以及Dupruis和Zerlett(1986)等等已经讨论了这种振动对身体健康的影响。在林业机器尤其是传送器的情况中，已知相对于机器的纵向轴线的横向运动或侧向摇摆(lateral sway)是最有危害的。摇摆通常是由传送器的车轮或履带在一侧上越过高的障碍物比如岩石或树桩而引起的。地形越不平坦并且车辆速度越高，这些摇摆通常就会越强。
车辆的摇摆不仅影响驾驶员的舒适性，而且影响车辆的稳定性尤其是林业机器的地形友好性。通过抑制摇摆，能够提高车辆的速度，这直接影响车辆的输出。
例如，在本林业机器中已经以不同的方式解决了上述缺点。简单的方式是用特定的摇杆串联式轴来替换双车轮轴，这是由于摇杆串联式轴趋向使由障碍物引起的摇摆大致减半，其中，该摇杆串联式轴由于车轮之间的传动效应而在一定程度上使车辆的摇摆均衡。另一方面，该解决方案导致获得两个较小的摇摆而不是取决于障碍物的尺寸和形状的仅一个摇摆，取决于障碍物的尺寸和形状的仅一个摇摆是不受欢迎的。也可以通过使用例如由汽车工业开发的主动悬架来降低针对驾驶员的加速度。然而，这种类型的主动悬架不会消除针对舱室的并且尤其是根据研究对健康最具危害的低频侧向摇摆。
林业机器大多具有双本体结构，在这种情况下，前部件和后部件通过具有两个自由度的接头彼此连接，该接头使机器可以转向并且在两个部件的轴静止固定于本体部件的情况下通常还允许这些本体部件相对于彼此旋转。另一个常规布置为如下的方式：该方式在尚未在位于机器的本体之间的接头中实施允许本体大致相对于机器的纵向轴线的旋转的自由度的情况下，将一个本体的轴布置成摇杆轴。
在机械动力传输中，通常使用普通轴和摇杆串联式轴两者。摇杆串联式轴通常固定至本体。串联式轴将引力和表面压力更均匀地分布给地形并且在一定程度上使摇摆均衡。在任何情况下，由于较大的接触表面和较低的表面压力，因此串联式轴通常允许在斜坡地形和差的承载地形条件方面的更好的改进。借助于串联式轴，也可以在基本不影响地面间隙的情况下使机器的重心降低，并且这有利地影响机器的稳定性。普通的双车轮轴可以既固定地又以铰接的方式紧固至本体，即作为摆动轴。第二轴通常是固定轴，而另一个轴摆动。
在公开的专利EP 0824413中，车厢的摆动运动由如下装置控制：在该装置中，相对于车辆的纵向轴线大致摆动的轴布置至前本体，该前本体以旋转的方式布置至后本体。前本体还具有用于控制该摆动轴的至少一个致动器。前本体的重心的沿相对于前本体的纵向轴线的横向方向的转移在致动器中引起推动或牵拉运动，这种运动使重心的转移均衡，直到致动器中实现平衡并且前本体处于大致水平位置中为止。以这种方式，可以降低或完全消除由地形不平而引起的前本体的侧倾。由于通过该类型的装置所移动的质量相对较小，因此装置中所需的液压动力的需求不会过高。
以上所描述的装置在控制摆动轴时工作良好，但其不能同样地应用于对安装在串联式轴上的车轮进行控制。由于在林业机器中串联式轴的使用持续增长，因此有关串联式轴的摇摆运动的控制也变得比以前更重要。
已知的解决方案确实能够使舱室中的驾驶员保持持续地定向成大致水平。然而，当稳定轴定位地较高时，不能够避免由上述侧向摆动或侧倾引起的作用于驾驶员上的侧向平移运动。这在用于林业机器舱室的若干已知的稳定装置中成为问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于避免上述问题中的至少主要问题的装置和方法。该目的以下述这种方式来实现：用于使串联式轴或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置和方法具有根据本发明的实施方式中所描述的特征。
特别地，存在的问题可以通过组合本申请所公开的特征的方式来解决。
在下文中公开了本发明的优选实施方式。
当车辆的舱室或其他部分相对于车辆的主本体进行旋转运动时，有利的是将这样的部分的旋转轴线定位成尽可能地靠近车辆正在行进的地形表面，在这种情况下，还能够使车辆的侧向摇摆的强度减至最小。换言之，能够抑制作用在驾驶员上的旋转并且甚至还能够完全消除与位置较高的稳定轴相关的旋转。当车辆具有控制轮对的摆动轴时，该解决方案实施起来非常简单。在配备有串联式轴或履带式轴的机器中，该问题的解决方案明显更具挑战性。理论上，能够通过用新型的摇杆串联式轴替换摆动轴来将类似解决方案应用于车辆。则这种类型的摇杆串联式轴可以被应用于相对于车辆的纵向轴线摆动并且同时相对于车辆的主本体摆动。然而，这种摇杆串联式轴的接头构造将由于其需求而变得较大且昂贵。该结构的昂贵性通过以下事实加以解释：由于其至地形表面的彼此分开比较远的四个接触点，因此当使用铰接式转向装置使车辆转向时，与不会沿侧向方向破坏地面的更常规的双车轮摆动轴相比，摇杆串联式轴将引起对本体结构的相当大的力。在具有铰接式转向装置的车辆中比如林业机器中，这种现象尤其突出。
由于其较大的结构，因此机器的主要尺寸和重量也将会增加，这将削弱车辆的操作及输运性能。
在本方案中，已经通过为车辆提供单独的辅助本体来避免这些问题。该辅助本体进而大致同心地铰接至车辆的主本体，该主本体具有配备有差速齿轮的普通的串联式轴或履带式轴。当将该方案应用于具有铰接式转向装置的车辆时，因此，主本体以已知的方式将具有铰接式转向装置的车辆的转向接头与串联式轴或履带式轴连接，所述串联式轴或履带式轴刚性地布置至主本体。因此，像之前一样，应力从转向接头传递至紧固串联式或履带式轴的螺栓而无需在其间具有如摆动轴或履带式轴所需的重型的承载系统。
由于本发明的方案不需要将摇杆串联式轴单独地铰接至承受由于地形和动力传输所产生的力的车辆本体，其还主要能够防止车辆的静负载增加。同时，已经能够保持车辆的铰接机构尽可能简单，并且车辆的液压装置或转向装置基本不会变得比以前更复杂。
当将舱室安装于可移动的辅助本体上时，在舱室的常规的抗侧倾和稳定方案中，舱室与辅助本体之间的加热、通风和控制装置线缆和管道不会被指向其的连续摩擦损坏。因此，与能够仅仅调节舱室的水平位置的结构相比，车辆的操作可靠性得到大大改善。
本发明还提供了其他可观的优点。因此，除了提高驾驶员的舒适性和的人体工程性能，还能够以较高的速度驱动车辆，这提高了生产率。由于相对于主本体支承舱室的辅助本体或者安置在该主本体上的一些其他辅助本体可以保持在比之前更直的位置中，因此例如越过相当高以及所谓“矮的”障碍物比如地形中的岩石或树桩的能力显然比现有技术的解决方案更好。当能够在车辆的前本体与后本体两者中利用串联式轴结构时，车轮的表面压力比之前分布在基部上的压力更均匀，由此，在更容易地在软的基部上移动的同时减少了由林业机器以其他方式引起的地形和根系统的损坏。相应地，能够减小针对单个的串联式或一半的履带式轴系统(位于机器的同一侧上的串联式或履带式轴系统的车轮对)上的峰值载荷，同时，该载荷更均匀地分布在机器的所有车轮上。
当将本解决方案应用于林业机器例如用于较窄地点上的高的林业机器时，以及尤其是高高地坐落在林业机器顶部上的货舱空间可以在不损坏道路边上的树木的情况下行驶穿过甚至较窄的伐木道路。这是可能的，因为车辆本体可以比以前更好保持在大致竖向位置中。以这种方式，能够避免由侧倾引起的对周围树木的损坏。
另外，减小了对车辆本体和车轴的应力，因此也降低了维护和修理的必要性。
在下文中公开了本发明的其他优点，其中，对本发明的特定实施方式进行更详细地描述。
附图说明
在下文中，将参照附图对本发明的一些优选实施方式进行更详细地说明，在附图中：
图1示出了将本发明的本体结构布置到林业机器中的示意性轴侧图，
图2示出了根据图1的林业机器的前本体结构的局部详细剖视图，
图3是辅助本体与主本体如何连结在一起的示意图，
图4和图5示出了当越过障碍物时本发明的装置如何运转，
图6示出了本体结构的替代性实施方式，以及
图7示出了根据图6的待安装在辅助本体上的货舱空间。
具体实施方式
本发明的图未按比例示出用于使串联式轴或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置，而是这些图是示意性的，其原则上图示了优选实施方式的结构和操作。在附图中由附图标记指示的结构部件与在该说明书中设置有附图标记的结构部件相对应。
在下文中，本装置的结构和操作在林业机器环境中表达。虽然示出的实施方式为具有铰接式转向装置的林业机器，但本发明的装置不限于这种操作环境而是也可以用于其他车辆中——单本体车辆和多本体车辆两者中，不管这些车辆是否设置有铰接式转向装置。
如在图1中可以看到的，用于车辆的装置的优选实施方式包括林业机器，其中，该图示出了前本体1和布置在前本体上的舱室2。前本体设置有延伸至前本体的两侧的串联式轴3，其中，仅沿其行进方向位于右手侧的串联式轴配备有车轮4。后本体5通过具有两个自由度的本体接头6连接至前本体。后本体也设置有延伸至后本体两侧的串联式轴7，其中在图中，仅沿其行进方向位于右手侧的串联式轴配备有车轮8。连接前本体与后本体的接头以本身已知的方式允许下述方面：前本体和后本体基本上相对于车辆的纵向轴线旋转(旋转接头使能够适应地形的形状)以及前本体和后本体相对于彼此以及相对于与接头(铰接式转向接头)相交的竖向轴线旋转。
虽然下面参照具有车轮的串联式轴对解决方案进行描述，但本装置还可以通过例如在本体的相反两侧上设置有履带的轴来实施代替具有车轮的串联式轴。这种类型的串联式轴或履带式轴优选地摆动，但下文中所公开的操作理念也可以以非摆动串联式轴或履带式轴实施。
前本体1或后本体5中的至少一者由主本体9和辅助本体11形成，该辅助本体11连接至主本体9以相对于车辆的纵向轴线10或基本上平行的轴线侧向地旋转。纵向轴线在本文中指的是与车辆的驱动方向大致平行的轴线。当车辆的前本体和后本体优选地设置有串联式轴3和串联式轴7并且优选地设置有摆动车轮轴时，这些串联式轴中的至少一个串联式轴大致刚性地连接至所述类型的主本体9。则，正在被讨论的本体还具有至少一个致动器12，该致动器12用以控制主本体与辅助本体之间的旋转运动。作用在舱室2上的侧向摇摆和由它们引起的运动状态的变化以及由于由地球重力引起的加速度矢量而发生的位置变化在致动器12中启动牵拉运动，以补偿这种位置变化。
由于这种旋转运动，辅助本体可以布置成保持大致水平，并且可以降低或消除由对于车辆的而言不平坦的地形所引起的辅助本体的侧倾。在本文中，水平位置指的是空间的法线取向，在该水平位置中，空间的底部表面——在这种情况下，例如舱室的地板——是基本水平的并且在舱室中驾驶车辆的驾驶员坐在基本直立位置中。
例如图2和图3更详细地示出了形成前本体和/或后本体的主本体9以及相对于车辆的纵向轴线10或基本上平行的轴线旋转的辅助本体11。如由图中示出的实施方式所指示的，辅助本体优选地应当通过旋转接头而连接至主本体，图中的旋转接头由至少两个承载系统13和14形成以提供足够的结构刚度。此外，有利的是将旋转接头的旋转轴线布置成与允许前本体和后本体相对于车辆的纵向轴线旋转的本体接头6的旋转轴线大致重叠(congruent)。该旋转接头的旋转轴线在本文中用图2和图3中标记的主本体的纵向轴线10来表示。简而言之，如图2所示旋转接头可以通过使用如下的本体接头6来提供，该本体接头6允许前本体和后本体相对于车辆的纵向轴线旋转并且该本体接头6作为第二承载系统14。
在图3的实施方式中，辅助本体11经由主本体9和辅助本体11内大致平行的交叉结构布置至主本体9。因此，至少两个凸缘15从辅助本体抵靠主本体中的交叉壁16延伸；该图仅示出了壁中的前对壁。交叉壁和凸缘通过承载附接至彼此，所述承载优选地在车辆的纵向轴线的方向上彼此相距微小的距离以允许其相对于纵向轴线10相对旋转。
在其最简单的形式中，对主本体9和辅助本体11的相对旋转进行控制的致动器12包括液压致动器或气压致动器，该液压致动器或气压致动器连接至两个本体部件中的相对的凸耳17和18，如图2所示。然而，并不阻止使用如下的线性马达或一些其他致动器，所述线性马达或其他致动器结合适当的变速器或操作机构并且能够足够快地运动。
在实施方式中，其中，车辆中的串联式轴或履带式轴3和7连接至本体1和5中的接纳串联式轴或履带式轴的主本体9和9b，辅助本体11和11b两者还布置成相对于车辆的纵向轴线10或与车辆的纵向轴线10大致平行的轴线而旋转。这种类型的车辆优选地具有用于致动器12和12b的彼此独立的两个控制系统。第一控制系统例如控制前本体1中的主本体与辅助本体之间的侧倾。第二控制系统例如控制后本体5中的主本体与辅助本体之间的侧倾。对后本体致动器的操作进行控制的这种类型的控制系统同时优选地与将车辆的前本体与后本体连接起来的本体接头6的控制系统相配合。
图6和图7中示出了最后提到的该实施方式。在该实施方式中，配装有通向主本体9b的承载的辅助本体11b在其相反端部处经由本体接头6配装有通向前本体的承载，其同时形成系统中所需的旋转接头的第二承载系统。根据图7，林业机器的货舱空间19大致刚性地布置至辅助本体，这意味着在驾驶期间保持货舱空间的水平位置能够布置成通过使用控制本体接头的操作的致动器以及与主本体9b连接的致动器两者来进行。
图4和图5表示了本装置和方法的操作。因此，在图4中，车辆接近从周围地形20竖向地升高并且位于车辆的一侧上的障碍物。如图5所示，车辆的左手侧车轮的串联式轴通过使由障碍物引起并且尤其指向舱室2的侧向摇摆的摆动运动均衡而开始越过障碍物21。同时，在车辆中控制其操作的控制系统和传感器对车辆中的运动状态的变化并且特别是由于由地球重力引起的加速度矢量引发的位置变化进行检测，并且在致动器12中启动牵拉运动，以补偿位置变化。
辅助本体11通常在侧向方向上保持水平并且使围绕辅助本体的纵向轴线旋转的角速度保持为零。在一些情况下，在使辅助本体暂时倾斜会提高对侧向摇摆的补偿的情况下，还可以优选的是使辅助本体临时倾斜。这例如可以在下述情况下完成，其中，受控制的接头或致动器的机械游隙防止将侧倾完全校正至水平，但侧向摇摆的补偿应当在两个方向上都是可能的。
致动器12的牵拉运动在支承舱室2的辅助本体11中引起围绕纵向轴线10的旋转，通过该旋转使否则有害的侧向摇摆被迅速且能量有效地补偿。当该系统充分迅速并恰当地工作时，所述辅助本体11能够优选地至少相对于与纵向轴线10平行的轴线保持大致静止而不发生旋转，并且铰接在辅助本体11下面并且具有其串联式轴的主本体9根据地形的形状而移动。
对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术的进步，所描述的解决方案的基本理念可以以各种方式实施。因此，所公开的发明及其实施方式不限于以上示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
因此，本装置可以——根据以上所陈述的——包括仅具有一个本体部件1的车辆，该一个本体部件1设置有串联式轴3或履带式轴。这种类型的本体部件包括主本体9和辅助本体11，该辅助本体11连接至主本体9以在车辆行进的主方向上相对于纵向轴线旋转，由此串联式轴或履带式轴大致刚性地连接至主本体。
通过为本体部件1设置位于主本体9与辅助本体11之间的至少一个致动器12，能够以受控的方式管理主本体与辅助本体的相对旋转运动。这种类型的控制在沿横向于车辆的纵向方向的方向起作用的力指向车辆时发生。因此，辅助本体的相对于地球重力(水平面)保持水平的位置可以例如通过本身已知的惯性传感器比如倾斜计、陀螺仪、各种一轴或多轴加速度传感器、或者以上各者中的一者或更多者的组合来测量。同时，还有利的是例如用陀螺仪来监控辅助本体在各个时刻的角速度和角加速度。基于测量数据，在致动器12中实现了推动或牵拉运动，该推动或牵拉运动用以使辅助本体转向进而相对于主本体旋转，以保持辅助本体的大致水平位置。为了确保实现适当的推动或牵拉运动，还能够测量主本体与辅助本体之间的旋转角度。
优选地，能够将作为本身已知的嵌入式控制系统的控制模块的多个部分的所述传感器布置并集成在所述控制模块内侧并且在其紧邻区域中。
在优选实施方式中，辅助本体11通过旋转接头布置至主本体9，该旋转接头可以包括例如在旋转轴线的方向上彼此相距一定距离的至少两个同心承载系统。
Claims (7)
1.一种用于使串联式或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的装置，其中，
所述车辆包括通过本体接头(6)连接至彼此的至少两个本体部件(1，5)，
所述本体部件(1，5)设置有串联式或履带式轴(3，7)，
至少一个本体部件(1，5)包括主本体(9，9b)和辅助本体(11，11b)，所述辅助本体(11，11b)连接至所述主本体(9，9b)以围绕所述车辆的纵向轴线(10)或与所述车辆的所述纵向轴线(10)基本上平行的轴线旋转，由此
所述辅助本体(11，11b)通过旋转接头布置至所述主本体(9，9b)，以及
所述串联式或履带式轴(3，7)大致刚性地连接至所述主本体(9，9b)，以及
所述本体部件(1，5)具有至少一个致动器(12，12b)，所述至少一个致动器(12，12b)用以以下述方式控制所述主本体(9，9b)和所述辅助本体(11，11b)的相对旋转运动：
所述辅助本体的位置和运动状态的变化布置成在所述致动器(12，12b)中引起推动或牵拉运动，所述推动或牵拉运动使所述辅助本体(11，11b)转向以进行旋转运动，从而将所述辅助本体布置至大致水平位置，
其特征在于，
所述辅助本体(11，11b)经由所述辅助本体(11，11b)和所述主本体(9，9b)内的大致平行的交叉结构布置至所述主本体(9，9b)，使得
至少两个凸缘(15)从所述辅助本体抵靠所述主本体中的交叉壁(16)延伸，以及
所述交叉壁和所述凸缘通过形成旋转接头的承载系统(13，14)附接至彼此，由此
所述承载系统(13，14)在所述车辆的所述纵向轴线(10)的方向上彼此相距一定距离，以允许所述承载系统(13，14)相对于所述纵向轴线的相对旋转，以及
所述旋转接头的旋转轴线布置成与所述本体接头(6)的旋转轴线大致重叠。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述辅助本体的位置和运动状态的所述变化与围绕所述车辆的所述纵向轴线(10)的旋转相关。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述本体部件(1，5)包括前本体部件和后本体部件，所述前本体部件与所述后本体部件通过具有至少两个自由度的本体接头(6)连接至彼此，
所述本体接头允许所述前本体部件和所述后本体部件大致相对于所述车辆的所述纵向轴线(10)旋转以及所述前本体部件和所述后本体部件相对于彼此以及相对于与所述本体接头相交的竖向轴线旋转。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述本体部件(1，5)两者均设置有串联式轴或履带式轴(3，7)。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述车辆的串联式轴或履带式轴(3，7)两者均连接至接纳所述串联式轴的所述本体部件(1，5)中的所述主本体(9，9b)，由此
辅助本体(11，11b)两者均布置成能够相对于相应的主本体的所述纵向轴线(10)旋转。
6.一种用于使串联式或履带式轴与车辆本体之间能够进行旋转运动的方法，其中，
所述车辆形成为包括通过本体接头(6)连接至彼此的至少两个本体部件(1，5)，
所述本体部件(1，5)设置有串联式或履带式轴(3，7)，
至少一个本体部件(1，5)由主本体(9，9b)和以可旋转的方式连接至所述主本体(9，9b)的辅助本体(11，11b)形成，并且所述辅助本体能够沿相对于所述车辆的纵向轴线(10)的横向方向旋转，以及
所述辅助本体(11，11b)通过旋转接头布置至所述主本体(9，9b)，以及
所述串联式轴(3，7)大致刚性地连接至所述主本体(9，9b)，以及
所述本体部件(1，5)设置有至少一个致动器(12，12b)，所述至少一个致动器(12，12b)用于以下述方式控制所述主本体(9，9b)和所述辅助本体(11，11b)的相对旋转运动，
所述辅助本体的位置和运动状态的变化在所述致动器(12，12b)中引起推动或牵拉运动，所述推动或牵拉运动使所述辅助本体(11，11b)转向以进行旋转运动，
所述推动运动使所述辅助本体转向至大致水平位置，
其特征在于，
所述辅助本体(11，11b)经由所述辅助本体(11，11b)和所述主本体(9，9b)内的大致平行的交叉结构布置至所述主本体(9，9b)，使得
至少两个凸缘(15)从所述辅助本体抵靠所述主本体中的交叉壁(16)延伸，以及
所述交叉壁和所述凸缘通过形成旋转接头的承载系统(13，14)附接至彼此，以及
所述承载系统(13，14)设定为在所述车辆的所述纵向轴线(10)的方向上彼此相距一定距离，从而允许所述承载系统(13，14)相对于所述纵向轴线的相对旋转，由此
所述旋转接头的旋转轴线布置成与所述本体接头(6)的旋转轴线大致重叠。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述辅助本体的位置和运动状态的所述变化与围绕所述车辆的所述纵向轴线(10)的旋转相关。
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