CN106080763B - 一种基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统，包括终端执行模块、全液压转向器、动力模块、操作与控制模块。驾驶员通过操作信号输入装置形成转向指令信号，转向角传感器测得液压马达转动信号，两种信号经转速控制器比较放大后，输出控制电流，控制电液伺服阀开闭，液压泵输出相应的压力油驱动液压马达转向，构成液压马达转速的闭环控制。液压马达驱动全液压转向器，液压泵通过全液压转向器输出一定量的液压油，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，实现车辆转向。由于转向系统中油液传递动力及电缆线传递信号时不受方向限制，且实现油液运动的液压软管与电缆线具有较好柔性，可将转向操控部件和全液压转向器布置在车辆上的不同位置，实现转向远程或无线操作。

Description

一种基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统

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液压马达驱动转向系统。

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转向油缸，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，发明一种在较远距离处，通过操控液压马达驱动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（即无需通过人力转动全液压转向器），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液压马达驱动转向系统，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（由液压驱动代替人力转动），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液压马达驱动转向系统，由终端执行模块、全液压转向器、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°。

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与方向柱9通过花键相连，转动方向柱9，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的液压油排量，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出油口及第二油箱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、第二油箱11和滤油器12，动力模块11与全液压转向器20相连，为全液压转向器20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和第二油箱11，液压泵14从第二油箱11吸油，经滤油器12过滤；液压泵14出油口及第二油箱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；

操作与控制模块由转向角传感器6、信号输入装置31、转速控制器30、电液伺服阀5、溢流阀4、液压泵3、滤油器2、第一油箱1、液压马达7和联轴器8组成；液压马达7进油口、出油口通过软管分别与电液伺服阀5的出口、进口相连，电液伺服阀5输入端通过软管分别与液压泵3及第一油箱1相连；转向角传感器6设置在液压马达7主轴附近，用以检测液压马达7的转速与转向，转向角传感器6及信号输入装置31分别与转速控制器30的输入端连接，转速控制器30输出端与电液伺服阀5相连；液压马达7输出轴通过联轴器8与转向柱9相连，所述转向柱9连接全液压转向器20；所述第一油箱1和第二油箱11也可合并使用；

驾驶人员通过信号输入装置31形成转向指令信号，转向角传感器6测得液压马达7转动信号，转向指令信号与转动信号经转速控制器30比较放大后，输出控制电流，控制电液伺服阀5的开闭，液压泵3通过电液伺服阀5输出相应的压力油以驱动液压马达7转向，构成液压马达转速的闭环控制；液压马达7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将液压油传送到左转向油缸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，以实现利用操控信号输入装置31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，所述液压泵3从第一油箱1中吸取液压油并输出高压油液，经电液伺服阀5驱动液压马达7对外做功；所述速度控制器30根据转向角传感器6的转速检测信号及信号输入装置31的信号输入，通过控制电液伺服阀5的阀门开启大小来控制液压马达7的转速。构成液压马达闭环控制，可对液压马达的转速进行无级调整，使液压马达保持所要求的转向与转速。

本发明中，所述液压马达的调速系统为阀控液压马达伺服系统，也可采用其他具有类似马达调速功能的液压原理设计，相关变化都应落入本发明的保护范围。

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及第二油箱11、液压马达7与电液伺服阀5、电液伺服阀5与液压泵3及第一油箱1之间为液压软管相连；转向角传感器6与转速控制器30、转速控制器30与电液伺服阀5之间为电缆线相连；信号输入装置31与转速控制器30之间为电缆线相连或无线信号传递；全液压转向器20的阀芯与转向柱9为花键连接，转向柱9与液压马达7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，所述液压马达7和全液压转向器20为刚性耦合连接，可以集成为一整体安装布置。

本发明中，所述联轴器8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。

本发明中，信号输入装置31为电控手柄、电控式模拟方向盘、无线发送装置或其它具有类似功能的信号输入装置中的一种，驾驶人员通过操作信号输入装置形成位移或转角变化，给速度控制器30发出指令信号。若采用无线控制，则需加装无线发送装置。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，当液压马达7驱动全液压转向器阀芯16向左或向右转动时，与阀芯16相连的转向柱9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转动与阀芯16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流回第二油箱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，通过速度控制器30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采用双杆液压缸代替。

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，实现液压马达驱动全液压转向器，实现远程操作转向。

2、扩大了全液压转向器的安装范围，使其不局限于安装在驾驶室下部，增加了安装的灵活性。

3、更轻巧（由液压驱动代替人力转动），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为液压马达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第一油箱，2滤油器，3液压泵，4溢流阀，5电液伺服阀， 6转向角传感器，7液压马达，8联轴器，9方向柱，10操作与控制模块，11第二油箱，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转速控制器，31信号输入装置。

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为液压马达驱动全液压转向控制系统的示意图。信号输入装置31为电控手柄、电控式模拟方向盘或无线发送装置中的一种，驾驶人员通过信号输入装置31形成转向指令信号，转向角传感器6测得液压马达7转动信号，两种信号经转速控制器30比较放大后，输出控制电流，控制电液伺服阀5的开闭，输出相应的压力油驱动液压马达7转向，构成液压马达转速的闭环控制。液压马达7驱动全液压转向器20，液压泵14从第二油箱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可采用双杆液压缸。由于全液压转向器20的机械反馈随动性的功能，车轮26的摆角与液压马达7的转角成正相关变化。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但本发明并非局限于此，液压马达调速系统的相关变化都应落入本发明的保护范围。

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从第二油箱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回第二油箱11。此时，计量马达19的进、出口M1和M2均被阀芯16封闭，故计量马达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第二油箱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。液压马达7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回第二油箱11。在液压油流经过计量马达19的同时，由于计量马达转子和阀套18通过联动轴及拔销相连，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。液压马达7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，液压马达7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口流回第二油箱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。液压马达7持续转动，阀口才保持相应的开度，一旦液压马达7停止转动，阀口立刻关闭，转向停止。液压马达7转动越快，阀口开度越大，转向越快。液压马达7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 (5)

1.一种基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统，由终端执行模块、全液压转向器、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)；其中转向四连杆(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(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)与转向柱(9)通过花键相连，转动转向柱(9)，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)的液压油排量，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)出油口及第二油箱(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)、第二油箱(11)和滤油器(12)，动力模块与全液压转向器(20)相连，为全液压转向器(20)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)和第二油箱(11)，液压泵(14)从第二油箱(11)吸油，经滤油器(12)过滤；液压泵(14)出油口及第二油箱(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；

操作与控制模块由转向角传感器(6)、信号输入装置(31)、转速控制器(30)、电液伺服阀(5)、溢流阀(4)、液压泵(3)、滤油器(2)、第一油箱(1)、液压马达(7)和联轴器(8)组成；液压马达(7)进油口、出油口通过软管分别与电液伺服阀(5)的出口、进口相连，电液伺服阀(5)输入端通过软管分别与液压泵(3)及第一油箱(1)相连；转向角传感器(6)设置在液压马达(7)主轴附近，用以检测液压马达(7)的转速与转向，转向角传感器(6)及信号输入装置(31)分别与转速控制器(30)的输入端连接，转速控制器(30)输出端与电液伺服阀(5)相连；液压马达(7)输出轴通过联轴器(8)与转向柱(9)相连，所述转向柱(9)连接全液压转向器(20)；所述第一油箱(1)和第二油箱(11)也可合并使用；

驾驶人员通过信号输入装置(31)形成转向指令信号，转向角传感器(6)测得液压马达(7)转动信号，转向指令信号与转动信号经转速控制器(30)比较放大后，输出控制电流，控制电液伺服阀(5)的开闭，液压泵(3)通过电液伺服阀(5)输出相应的压力油以驱动液压马达(7)转向，构成液压马达转速的闭环控制；液压马达(7)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)将液压油传送到左转向油缸(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，以实现利用操控信号输入装置(31)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液压马达驱动转向系统，其特征在于全液压转向器(20)的转动力矩来自液压马达(7)，而非驾驶人员操纵方向盘通过人力方式驱动全液压转向器(20)。

3.根据权利要求1所述的基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统，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)及第二油箱(11)、液压马达(7)与电液伺服阀(5)、电液伺服阀(5)与液压泵(3)及第一油箱(1)之间为液压软管相连；转向角传感器(6)与转速控制器(30)、转速控制器(30)与电液伺服阀(5)之间为电缆线相连；信号输入装置(31)与转速控制器(30)之间为电缆线相连或无线信号传递；全液压转向器(20)的阀芯与转向柱(9)为花键连接，转向柱(9)与液压马达(7)之间为刚性耦合连接。

4.根据权利要求1所述的基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统，其特征在于信号输入装置(31)为电控手柄、电控式模拟方向盘或无线发送装置中任一种。

5.根据权利要求1所述的基于全液压转向器的液压马达驱动转向系统，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)采用双杆液压缸代替。