CN105711641B - 一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，包括前、后轮组两组独立的液压系统、防偏摆装置以及转向机械结构；两组液压系统组成结构形式相同；每组液压系统包括互为冗余的两组转向控制回路；一组转向控制回路包括一个转向信号油缸、转向油缸、蓄能器和安全阀组；转向信号油缸的油腔通过管路连接转向油缸的油腔，管路上依次安装蓄能器和安全阀组，蓄能器的开启压力大于半挂车正常转向时的额定工作压力；当液压系统的压力超过蓄能器的压力保护范围并达到安全阀组的保护压力时，安全阀组溢流并报警；转向时，通过鹅颈的取力机构带动液压系统中的转向油缸伸长或缩短，由液压系统带动安装在前后轮组上的转向机械机构，进而实现车轮的转动。

Description

一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统
技术领域
本发明涉及一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，属于特种车辆领域。
背景技术
某多轴半挂车结构尺寸大，长×宽为40m×6.4m、左右轮距为5.32m、轴距为30m，为了保证车辆转向时各车轮转角符合阿克曼原理(各车轮围绕同一中心转动)，车辆行必须采用全轮转向方式。并且，由于所运输产品的重要性，转向系统需具有较高的可靠性和安全性，避免单点故障引起转向功能失效。
国内现有的半挂车采用的液压机械转向系统，未充考虑冗余设计，当液压管路、机械连杆等发生故障时，将导致转向系统功能失效，影响车辆行驶和所运输产品的安全，因此液压机械转向系统的可靠性和安全性有待进一步提高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，提高了系统的稳定性和安全性。
本发明的技术解决方案是：一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，所述的多轴半挂车采用带有液压鹅颈的半挂车方式，其液压机械转向系统包括前、后轮组两组独立的液压系统、防偏摆装置以及转向机械结构；其中，两组液压系统组成结构形式相同；每组液压系统包括互为冗余的两组转向控制回路；一组转向控制回路包括一个转向信号油缸、转向油缸、蓄能器和安全阀组；
转向信号油缸的油腔通过管路连接转向油缸的油腔，管路上依次安装蓄能器和安全阀组，蓄能器的开启压力大于半挂车正常转向时的额定工作压力；当液压系统的压力超过蓄能器的压力保护范围并达到安全阀组的保护压力时，安全阀组溢流并报警；所述的防偏摆装置包括液控单向阀、节流阀和溢流阀；液控单向阀、节流阀和溢流阀并联后，连接液控单向阀出口端方向的一端通过管路连接一个转向油缸的无杆腔，另一端连接一个转向信号油缸的无杆腔；
转向时，通过鹅颈的取力机构带动液压系统中的转向油缸伸长或缩短，由液压系统带动安装在前后轮组上的转向机械机构，进而实现车轮的转动。
还包括液压泵站、多路阀和20个截止阀；其中，10个截止阀五个一组组成两组结构形式相同的逻辑控制单元，每个逻辑控制单元控制一组互为冗余的转向控制回路；8个截止阀中四个截止阀一组组成两组结构形式相同的转换控制单元；剩余的两个截止阀记为K1、K2；
逻辑控制单元中一个截止阀连接互为冗余的一组转向信号油缸的有杆腔；两个截止阀分别连接一组转向信号油缸的有杆腔和转向油缸有杆腔；一个截止阀连接互为冗余的一组转向油缸的有杆腔；一个截止阀连接一组互为冗余的转向信号油缸的无杆腔；
一组转换控制单元中的两个截止阀分别沟通液压泵站和多路阀与一组互为冗余的转向油缸的有杆腔，两个截止阀分别沟通液压泵站和多路阀与该组转向油缸的无杆腔；
K2通过转换控制单元沟通一组或者两组转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔；K1通过与其并联的减压阀配合，通过关闭K1实现上述一组或两组转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔的减压。
所述的转向机械结构包括转向支承轴、转向臂、边拉杆、横拉杆和纵拉杆；横拉杆通过拉杆臂与纵拉杆铰接，纵拉杆通过转向臂与边拉杆铰接；拉杆臂、转向臂均绕安装在车架上的转向支承轴转动；
转向油缸的活塞杆通过拉杆臂带动横拉杆水平方向横向摆动，横拉杆通过拉杆臂带动纵拉杆前后运动，通过纵拉杆推动转向臂最终带动边拉杆运动，边拉杆与车轮上方的回转臂铰接，进而带动车轮转向。
所述的纵拉杆和横拉杆采用双排布置型式。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1)通过采用前、后轮组独立式液压系统和双回路冗余设计，提高了转向液压系统的安全性和可靠性。
2)通过采用多层次液压系统压力安全保护措施，形成了多级压力保护。
3)通过采用防偏摆控制技术和双排拉杆布置，提高了半挂车直线行驶的稳定性，解决了路面干扰引起的车轮异常摆动问题。
附图说明
图1为本发明液压系统部分原理图；
图2为本发明前、后轮组独立式液压控制回路示意图；
图3为本发明液压系统控制回路采用多层次安全保护示意图；
图4为本发明液压系统控制回路设置温度补偿装置示意图；
图5为本发明防偏摆装置原理图；
图6为本发明转向机械结构组成简图。
具体实施方式
多轴半挂车采用带有液压鹅颈的半挂车方式，通过鹅颈的取力机构带动转向油缸伸长或缩短，再通过静液系统(液压系统+防偏摆装置)带动转向机械结构，最终实现车轮按照规定的转角关系转动。
如图1所示，半挂车采用静液系统带动转向机械结构实现车轮转向。转向液压系统由液压泵站1、转向信号油缸2-5、多路阀6、蓄能器7、安全阀组8(11)、防偏摆装置10(12)、温度补偿装置9(13)、前转向油缸14、15、后转向油缸16、17以及阀件(K1-K20为截止阀)和管路等组成，如图1所示。前转向油缸用于前轮组转向，后转向油缸用于后轮组转向。
其中，液压泵站1和多路阀6用于手动调整车轮转向角度，在正常转向时不参与工作。其中，K11-K15五个截止阀、K16-K20五个截止阀组成两组结构形式相同的逻辑控制单元，每个逻辑控制单元控制一组互为冗余的转向控制回路；K7-K10四个截止阀、K3-K6四个截止阀组成两组结构形式相同的转换控制单元；
K11连接一组转向信号油缸(转向信号油缸2、3)的有杆腔；K12分别为沟通、断开一组对应转向信号油缸3有杆腔和转向油缸17有杆腔；K13分别为沟通、断开一组对应转向信号油缸2有杆腔和转向油缸16有杆腔；K14连接一组转向油缸16、17的有杆腔；K15连接一组转向信号油缸2、3和转向油缸16、17的无杆腔；
K16连接一组转向信号油缸(转向信号油缸4、5)的有杆腔；K17分别为沟通、断开一组对应转向信号油缸5有杆腔和转向油缸15有杆腔；K18分别为沟通、断开一组对应转向信号油缸4有杆腔和转向油缸14有杆腔；K19连接一组转向油缸14、15的有杆腔；K20连接一组转向信号油缸4、5和转向油缸14、15的无杆腔；
第一组转换控制单元中的K7、K8分别沟通液压泵站1和多路阀6与后转向油缸16、17的有杆腔，K9、K10分别沟通液压泵站1和多路阀6与后转向油缸16、17的无杆腔；
第二组转换控制单元中的K3、K4分别沟通液压泵站1和多路阀6与前转向油缸14、15的有杆腔，K9、K10分别沟通液压泵站1和多路阀6与前转向油缸14、15的无杆腔；
K2通过第一组转向控制单元沟通一组或者转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔；K1通过与其并联的建压阀配合，通过关闭K1实现上述一组或两组转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔的建压。
液压泵站1用于为液压系统手动调节提供动力，液压泵站1高压出口通过管路与多路阀6连接；多路阀6与液压油缸通过管路连接，通过截止阀K1～K20的打开和关闭，将具有一定压力的液压油输送到液压油缸，并将液压油缸中的低压油返回至液压泵，使液压油缸伸长或缩短，最终通过液压油缸带动转向机械结构使车轮产生相应的转动。其中在手动调整车轮转向角度过程中，上述涉及各截止阀的开关状态如下表：
前轮组手动转向：
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K16 K17 K18 K19 K20
开 关 开 开 关 关 开 关 关 关 开
后轮组手动转向：
K1 K2 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15
开 关 开 开 关 关 开 关 关 关 开
在自动转向模式中，牵引车通过半挂车鹅颈取力机构驱动转向信号油缸运动，信号油缸内液压油受挤压产生油压，转向信号油缸大腔液压油被挤出，分别驱动前转向油缸和后转向油缸的大腔，实现半挂车的前、后轮组车轮的转向，此模式下，各截止阀的开关状态如下：
K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10
开 关 关 关 关 关 关 关 关 关
K11 K12 K13 K14 K15 K16 K17 K18 K19 K20
关 开 开 开 关 关 开 开 开 关
1.前、后轮组独立式液压系统
转向液压系统采用前、后轮组两套液压控制回路彼此独立的方式。转向控制回路设置了4个转向信号油缸，其中转向信号油缸4、5分别与前转向油缸14、15连接，信号油缸2、3与分别与后转向油缸16、17连接，见图1。前轮组和后轮组转向控制回路是完全独立的，互不影响，当其中一个转向控制回路发生故障时，另外的转向控制回路仍可以正常工作，见图2。
2.双回路冗余转向控制回路
前、后轮组液压回路(液压系统)中均采用双回路冗余设计，在正常情况下，前轮组和后轮组液压回路中各自有两个回路均参与工作，即：信号油缸4与前转向油缸14、信号油缸5与前转向油缸15为构成前轮组转向的液压回路；信号油缸2与后转向油缸16、信号油缸3与后转向油缸17构成后轮组转向的液压回路，见图1、图2。当前轮组或后轮组液压回路中一个液压回路发生故障时，另一个回路仍可以正常工作，形成冗余备份，以保证液压系统可以正常工作，进一步提高转向液压系统的安全性和可靠性。
3.多层次安全保护
转向液压系统采用静液传动方式，在每个液压控制回路中均综合采用蓄能器、安全阀组等部件，形成多层次安全保护，提高液压系统的安全性，见图3。具体方式如下：
1)半挂车正常转向时，转向液压系统的工作压力均不超过的额定工作压力。蓄能器的设定的开启压力大于半挂车正常转向时的额定工作压力，因此在正常行车状态下蓄能器不参与工作，蓄能器内无液压油充入；
2)如果在某些特殊情况下，转向液压系统中压力不断增高，超过额定工作压力值。当工作压力达到蓄能器设定的开启压力时，液压系统中的高压液压油被蓄能器吸收，以调节液压系统压力，起到进行缓冲，避免系统压力过高。当系统压力恢复正常后，蓄能器内多余液压油返回至液压系统中。
3)由于蓄能器内部容积的限制，当转向液压系统中压力增高较多时，蓄能器不能进一步吸收液压系统的液压油，无法实现对液压系统的全程保护。因此，液压系统中设置安全阀组，当液压系统的压力超过蓄能器的压力保护范围并达到安全阀组的保护压力时，安全阀组溢流并报警，保护液压系统免受损坏。
4.温度补偿装置
转向液压系统(自动转向时)采用静液系统，液压油均封闭在由管路及液压元件组成的容积固定的静液腔体内，静液系统易受环境温度的影响。当环境温度变化时，液压油体积会发生变化，而静液腔容积不变，则液压系统压力易出现较大波动，影响转向性能和安全性。
在液压系统中增加了温度补偿装置，可将静液系统的压力限定在一定的范围内，不受环境温度的影响。温度补偿装置P1、P2口分别连接两静液腔，O口接回油，见图4。温度补偿装置可以采用压缩气体平衡两静液腔的压力，在转向时，两静液腔P1、P2的一腔压力升高，一腔压力降低，总力不变，因此温度补偿装置的两储油腔容积不变，不会影响转向精度；当温度变化时两静液腔的容积同时发生变化，通过温度补偿装置两储油腔的容积变化，将静液系统的压力限定在一定范围内，消除环境温度变化对静液封闭腔压力的影响，可大大提高转向液压系统的安全性和可靠性，温度适应范围可达到-20℃～﹢40℃。
5.防偏摆装置
由于半挂车为超宽、超长车辆，液压转向系统的液压传递路径较长，并且当车辆较高速度行驶时，车轮由于受到振动、路面扰动等因素影响，车辆易出现偏摆现象，影响车辆行驶稳定性和安全性。因此，在与前转向油缸、后转向油缸连接管路中增加防偏摆装置，解决车辆行驶时因油缸引起的车轮偏摆现象，又不影响车辆正常转向功能，见图1。
防偏摆装置原理见图5。包括两组溢流阀、液控单向阀和节流阀，每组中的溢流阀、液控单向阀和节流阀并联后，液控单向阀的出口端作为输出端，分别记为A1、B1，另一端作为输入端，分别记为A、B；一个液控单向阀的进油端通过管路控制另一个液控单向阀，使其具有反向导通的功能；其中，A、B口连接转向信号油缸的无杆腔，A1、B1口连接前转向油缸或后转向油缸的无杆腔。在车辆正常转向过程中，压力升高的一腔通过先导回路将另一腔单向阀打开，从而保证正常转向功能。在直线行驶过程状态下，防偏摆装置通过节流孔将两端(A口和A1口、B口和B1口)液压油沟通，使其压力保持一致，保持行车稳定性。行车过程中，路况较差情况下，后转向油缸会随着负载发生变化，当负载变化超过设定安全压力时，防偏摆装置上安全阀打开，保护系统免受损害。
6.双排纵拉杆和横拉杆布置
半挂车采用静液系统带动转向机械结构实现车轮转向，转向机械结构采用杆系传动的方式最终带动前、后轮组的车轮转动，见图6。所述的转向机械结构包括转向支承轴18、转向臂19、边拉杆20、横拉杆21和纵拉杆22；横拉杆21通过拉杆臂23与纵拉杆22铰接，纵拉杆22通过转向臂19与边拉杆20铰接；拉杆臂23、转向臂19均绕安装在车架上的转向支承轴18转动；
前转向油缸14、15(后转向油缸16、17)的活塞杆通过拉杆臂23带动横拉杆21水平方向横向摆动，横拉杆21通过拉杆臂带动纵拉杆22前后运动，通过纵拉杆22推动转向臂19最终带动边拉杆20运动，边拉杆20与车轮上方的回转臂铰接，进而带动车轮转向。
在转向机械结构中，纵拉杆22和横拉杆21采用双排布置型式，始终保持其中有一排拉杆处于受拉力状态，不易出现弯曲失效，减小半挂车行驶过程中由于压杆变形造成的车轮左、右摆动。并且，纵拉杆和横拉杆采用双排布置型式，也对拉杆形成了冗余和备份，提高了结构的可靠性。具体连接关系为：两个拉杆臂23中心通过轴向支承轴铰接组成一个十字型连接单元，三个连接单元中同方向的拉杆臂的两端分别铰接两根横拉杆21，位于横拉杆两边的连接单元的另一拉杆臂两端铰接纵拉杆22，另外一个连接单元的拉杆臂两端铰接前转向油缸或后转向油缸。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，其特征在于：所述的多轴半挂车采用带有液压鹅颈的半挂车方式，其液压机械转向系统包括前、后轮组两组独立的液压系统、防偏摆装置以及转向机械结构；其中，两组液压系统组成结构形式相同；每组液压系统包括互为冗余的两组转向控制回路；一组转向控制回路包括一个转向信号油缸、转向油缸、蓄能器和安全阀组；
转向信号油缸的油腔通过管路连接转向油缸的油腔，管路上依次安装蓄能器和安全阀组，蓄能器的开启压力大于半挂车正常转向时的额定工作压力；当液压系统的压力超过蓄能器的压力保护范围并达到安全阀组的保护压力时，安全阀组溢流并报警；所述的防偏摆装置包括液控单向阀、节流阀和溢流阀；液控单向阀、节流阀和溢流阀并联后，连接液控单向阀出口端方向的一端通过管路连接一个转向油缸的无杆腔，另一端连接一个转向信号油缸的无杆腔；
转向时，通过鹅颈的取力机构带动液压系统中的转向油缸伸长或缩短，由液压系统带动安装在前后轮组上的转向机械机构，进而实现车轮的转动。
2.根据权利要求1所述的一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，其特征在于：还包括液压泵站、多路阀和20个截止阀；其中，10个截止阀五个一组组成两组结构形式相同的逻辑控制单元，每个逻辑控制单元控制一组互为冗余的转向控制回路；8个截止阀中四个截止阀一组组成两组结构形式相同的转换控制单元；剩余的两个截止阀记为K1、K2；
逻辑控制单元中一个截止阀连接互为冗余的一组转向信号油缸的有杆腔；两个截止阀分别连接一组转向信号油缸的有杆腔和转向油缸有杆腔；一个截止阀连接互为冗余的一组转向油缸的有杆腔；一个截止阀连接一组互为冗余的转向信号油缸的无杆腔；
一组转换控制单元中的两个截止阀分别沟通液压泵站和多路阀与一组互为冗余的转向油缸的有杆腔，两个截止阀分别沟通液压泵站和多路阀与该组转向油缸的无杆腔；
K2通过转换控制单元沟通一组或者两组转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔；K1通过与其并联的减压阀配合，通过关闭K1实现上述一组或两组转向信号油缸与对应的转向油缸的无杆腔的减压。
3.根据权利要求1所述的一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，其特征在于：所述的转向机械结构包括转向支承轴(18)、转向臂(19)、边拉杆(20)、横拉杆(21)和纵拉杆(22)；横拉杆(21)通过拉杆臂(23)与纵拉杆(22)铰接，纵拉杆(22)通过转向臂(19)与边拉杆(20)铰接；拉杆臂(23)、转向臂(19)均绕安装在车架上的转向支承轴(18)转动；
转向油缸的活塞杆通过拉杆臂(23)带动横拉杆(21)水平方向横向摆动，横拉杆(21)通过拉杆臂带动纵拉杆(22)前后运动，通过纵拉杆(22)推动转向臂(19)最终带动边拉杆(20)运动，边拉杆(20)与车轮上方的回转臂铰接，进而带动车轮转向。
4.根据权利要求3所述的一种用于多轴半挂车的液压机械转向系统，其特征在于：所述的纵拉杆(22)和横拉杆(21)采用双排布置型式。
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