CN111942469A - 工程车辆的转向系统和挖掘装载机 - Google Patents

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周朋辉
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Abstract

本公开提供一种工程车辆的转向系统和挖掘装载机。转向系统包括：方向控制装置，包括方向盘、转向油缸和转向轮，转向油缸与方向盘和转向轮传动连接；位移传感器，被配置为检测转向油缸的活塞位移；回正电机，与转向轮传动连接以驱动转向轮回正；和控制器，与位移传感器和回正电机信号连接，被配置为根据位移传感器检测的活塞位移发出控制信号以控制回正电机驱动转向轮回正。挖掘装载机包括前述转向系统。本公开利于提升转向系统的操纵轻便性。

Description

工程车辆的转向系统和挖掘装载机
技术领域
本公开涉及工程车辆领域，特别涉及一种工程车辆的转向系统和挖掘装载机。
背景技术
轮式工程车辆由于车体沉重、轮胎尺寸较大，又经常行驶在施工现场的道路上，使用条件恶劣，转向阻力矩大且转向频繁，若使用机械式转向系统将难以达到操纵轻便和转向迅速的目的。为了减轻驾驶员的疲劳，多数工程车辆都采用液压动力转向系统。全液压式转向系统作为液压动力转向系统的一类，具有转向操作轻便、工作稳定、整车布置方便的特点，在中低速轮式工程车辆上被广泛应用，近年来已逐渐应用于挖掘装载机等机型。
装有全液压转向系统的挖掘装载机在使用过程中，驾驶员需经常进行转向操作，然而目前的挖掘装载机产品不具备自动回正功能，且因采用全液压转向方式，挖掘装载机的方向盘无法实现在左右转动终点的限位，使得驾驶员难以确定挖掘装载机的方向和位置，仅能通过转向操作时观察车辆行走路径来感知转向车轮是否回正以及转向轮处于何种角度，这不利于减轻驾驶员操作强度。
发明内容
本公开的目的在于提供一种工程车辆的转向系统和挖掘装载机，以提升转向系统的操纵轻便性。
本公开的第一方面提供一种工程车辆的转向系统，包括：
方向控制装置，包括方向盘、转向油缸和转向轮，所述转向油缸与所述方向盘和所述转向轮传动连接；
位移传感器，被配置为检测所述转向油缸的活塞位移；
回正电机，与所述转向轮传动连接以驱动所述转向轮回正；和
控制器，与所述位移传感器和所述回正电机信号连接，被配置为根据所述位移传感器检测的活塞位移发出控制信号以控制所述回正电机驱动所述转向轮回正。
根据本公开的一些实施例，所述方向控制装置还包括：
液压泵；和
全液压转向器，所述全液压转向器的进油口和回油口分别与所述液压泵的出油口和液压油箱连接，所述全液压转向器的两个转向油口分别与所述转向油缸的两个工作油口连接。
根据本公开的一些实施例，所述全液压转向器为负载敏感全液压转向器，所述方向控制装置还包括设置于所述液压泵和所述全液压转向器之间的优先阀。
根据本公开的一些实施例，所述方向控制装置还包括：
转向轴，所述转向轴与所述方向盘固定连接，所述转向轴与所述全液压转向器传动连接，所述回正电机与所述转向轴传动连接；和
转向管，与所述转向轴可旋转地相对设置。
根据本公开的一些实施例，所述转向系统还包括回正传动机构，所述回正传动机构包括：
第一齿轮，与所述转向轴固定连接；和
第二齿轮，与所述回正电机和所述第一齿轮传动连接。
根据本公开的一些实施例，所述方向控制装置还包括设置于所述转向油缸和所述转向轮之间的连杆机构。
根据本公开的一些实施例，所述位移传感器设置于所述转向油缸上。
根据本公开的一些实施例，所述转向系统还包括与所述控制器信号连接的显示装置，所述显示装置被配置为显示所述转向油缸的活塞位移和/或显示根据所述转向油缸的活塞位移计算出的所述转向轮的转角。
根据本公开的一些实施例，所述转向系统还包括固定连接于所述转向管上的支座，所述回正电机和所述控制器安装于所述支座上。
根据本公开的一些实施例，所述控制器被配置为当所述转向油缸的活塞位移的绝对值逐渐减小时，控制所述回正电机通电，直至所述转向油缸的活塞移动至居中位置，所述转向轮回正。
根据本公开的一些实施例，所述转向系统还包括与所述控制器信号连接的控制开关，所述控制开关被配置为切换所述转向系统的转向模式。
根据本公开的一些实施例，所述控制器被配置为当所述控制开关开启时，控制所述回正电机通电，直至所述转向油缸的活塞移动至居中位置，所述转向轮回正。
本公开的第二方面提供一种挖掘装载机，包括本公开第一方面所述的转向系统。
本公开提供的工程车辆的转向系统和挖掘装载机中，控制器根据位移传感器检测的转向油缸的活塞位移向回正电机发出控制信号，控制回正电机驱动转向轮自动回正，利于提升转向系统的操纵轻便性。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1为本公开一些实施例的转向系统的结构示意图。
图1中，各附图标记分别代表：
1、全液压转向器；2、优先阀；3、第一齿轮；4、控制器；5、方向盘；6、转向轴；7、转向管；8、支座；9、回正电机；10、第二齿轮；11、显示装置；12、转向油缸；13、连杆机构；14、位移传感器；15、液压泵；16、转向轮；17、液压油箱；18、控制开关。
A、全液压转向器的第一转向油口；B、全液压转向器的第二转向油口；P1、全液压转向器的进油口；P2、优先阀的进油口；T、全液压转向器的回油口；LS1、全液压转向器的控制油口；LS2、优先阀的控制油口；CF、优先阀的第一出油口；EF、优先阀的第二出油口。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，这些技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
如图1所示，本公开的一些实施例提供一种工程车辆的转向系统，包括方向控制装置、位移传感器14、回正电机9和控制器4。
方向控制装置包括方向盘5、转向油缸12和转向轮16，转向油缸12与方向盘5和转向轮16传动连接。位移传感器14被配置为检测转向油缸12的活塞位移。回正电机9与转向轮16传动连接以驱动转向轮16回正。控制器4与位移传感器14和回正电机9信号连接，控制器4被配置为根据位移传感器14检测的活塞位移发出控制信号以控制回正电机9驱动转向轮16回正。
本公开实施例提供的工程车辆的转向系统中，控制器根据位移传感器检测的转向油缸的活塞位移向回正电机发出控制信号，控制回正电机驱动转向轮自动回正，利于提升转向系统的操纵轻便性，并且无需设置转向轮角度传感器或方向盘力矩传感器等传感装置。
在一些实施例中，方向控制装置还包括液压泵15和全液压转向器1。全液压转向器1的进油口和回油口分别与液压泵15的出油口和液压油箱17连接，全液压转向器1的第一转向油口A和第二转向油口B分别与转向油缸12的两个工作油口连接。
在一些实施例中，全液压转向器1为负载敏感全液压转向器，方向控制装置还包括设置于液压泵15和全液压转向器1之间的优先阀2。液压泵15可以向工程车辆的转向油路和工作油路供油，负载敏感全液压转向器和优先阀2可以按照转向油路的要求，将液压泵15输出的流量优先提供给转向油路以保证执行转向动作的需求，而不受负载压力及方向盘转速的影响，使转向动作平滑、可靠，液压泵15剩余的流量则提供给工作油路。
如图1所示，优先阀2的进油口P2与液压泵的出油口连接，优先阀2的第一出油口CF与负载敏感全液压转向器的进油口P1连接，液压泵15输出的流量优先通过优先阀2的第一出油口CF提供给负载敏感全液压转向器所在的转向油路，优先阀2的第二出油口EF与工程车辆的工作油路连接，优先阀2的控制油口LS2与负载敏感全液压转向器的控制油口LS1连接。
在一些实施例中，方向控制装置还包括转向轴6和转向管7。转向轴6与方向盘5固定连接，例如通过设置于方向盘5上的花键结构与方向盘5固定连接。转向轴6与全液压转向器1传动连接，例如通过设置于转向轴6上的花键结构安装于全液压转向器1上。回正电机9与转向轴6传动连接。转向管7与转向轴6可旋转地相对设置。
在一些实施例中，转向系统还包括回正传动机构，回正传动机构可以是齿轮传动机构，回正传动机构包括第一齿轮3和第二齿轮10。第一齿轮3与转向轴6固定连接，例如可以将第一齿轮3通过平键配合的方式安装于转向轴6上。第二齿轮10与回正电机9传动连接，第二齿轮10与第一齿轮3传动连接。
在一些实施例中，方向控制装置还包括设置于转向油缸12和转向轮16之间的连杆机构13。如图1所示，转向油缸12为双作用油缸，转向油缸12的活塞两端均设置有活塞杆，设置于转向油缸两侧的两个连杆机构13的一端与转向油缸12的活塞两端的两根活塞杆通过万向节连接，两个连杆机构13的另一端与转向轮16连接，连杆机构13和转向油缸12的活塞杆组成转向系统的转向梯形结构。
在一些实施例中，位移传感器14设置于转向油缸12上，例如可以设置于转向油缸12的内部或外部，作为内置式或外置式位移传感器。
在一些实施例中，转向系统还包括与控制器4信号连接的显示装置11，显示装置11被配置为显示转向油缸12的活塞位移和/或显示根据转向油缸12的活塞位移计算出的转向轮16的转角。显示装置11可以是单独设置的显示器，也可以集成于工程车辆的驾驶室的显示面板中。设置显示装置11便于工程车辆的驾驶员通过显示装置11所显示的数据观察转向轮16的转向状态，进而快速判断转向轮16是否回正。
在一些实施例中，转向系统还包括固定连接于转向管7上的支座8，回正电机9和控制器4安装于支座8上。
在工程车辆行驶过程中，当驾驶员进行转向操作后，需要操作方向盘5使转向轮16回正。在工程车辆的行驶过程中，转向系统可以通过位移传感器14检测的转向油缸12的活塞位移的变化情况判断驾驶员的操作意图，在驾驶员需要使转向轮16回正时，转向系统启用自动回正功能，从而降低驾驶员的操作强度，提升驾驶员的操纵舒适性。
当转向油缸12的活塞位移的绝对值逐渐增大或保持不变时，表明驾驶员正在操纵方向盘5使转向轮16转向，或工程车辆处于直线行驶状态；当转向油缸12的活塞位移的绝对值逐渐减小时，表明驾驶员已完成转向操作，正在操作方向盘5使转向轮16回正。
为降低驾驶员的操作强度，提升驾驶员的操纵舒适性，在一些实施例中，控制器4被配置为当转向油缸12的活塞位移的绝对值逐渐减小时，控制回正电机9通电，直至转向油缸12的活塞移动至居中位置，转向轮16回正。
工程车辆的转向系统通常具有多种转向模式，例如两轮转向、四轮转向和蟹行转向。工程车辆在各种转向模式之间切换时，转向油缸12的活塞需要回到居中的位置，以使转向轮16回正。
在一些实施例中，转向系统还包括与控制器4信号连接的控制开关18，控制开关18被配置为切换转向系统的转向模式。
为了快速地切换转向系统的转向模式，在一些实施例中，控制器4被配置为当控制开关18开启时，控制回正电机9通电，直至转向油缸12的活塞移动至居中位置，转向轮16回正。
根据控制器4的上述配置，当工程车辆的驾驶员操作方向盘5使转向轮16回正或切换转向系统的转向模式时，即当转向油缸12的活塞位移的绝对值逐渐减小时或用于切换转向系统的转向模式的控制开关开启时，转向系统的自动回正功能开启，控制器4根据位移传感器14检测的转向油缸12的活塞位移，向回正电机9发送控制信号，回正电机9通电并以一定的输出转速和输出转矩工作，驱动转向轮16回正。
在一些实施例中，在上面所描述的控制器可以实现为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称：PLC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。
下面结合图1进一步说明本公开一些实施例的工程车辆的转向系统的工作原理。
如图1所示，工程车辆的转向系统包括方向控制装置、位移传感器14、控制器4、支座8、回正传动机构、回正电机9、显示装置11和控制开关。
方向控制装置包括方向盘5、转向轴6、转向管7、液压泵15、优先阀2、全液压转向器1、转向油缸12、连杆机构13和转向轮16。其中，方向盘5、转向轴6、全液压转向器1、转向油缸12、连杆机构13和转向轮16依次传动连接，形成完整的传动链。液压泵15、优先阀2、全液压转向器1、转向油缸12通过液压管路按照对应的油口连接，组成工程车辆的转向油路。
控制器4与位移传感器14、回正电机9、显示装置11和控制开关18信号连接。位移传感器14设置于转向油缸12上，可以实时检测转向油缸12的活塞位移，并将检测的活塞位移发送至控制器4。控制开关18用于切换转向系统的转向模式。显示装置11用于显示转向油缸12的活塞位移和/或显示根据转向油缸12的活塞位移计算出的转向轮16的转角。
回正传动机构包括相互啮合的第一齿轮3和第二齿轮10，第一齿轮3安装于转向轴6上，回正电机9的输出轴与第二齿轮10连接。
在转向系统的自动回正功能未开启的情况下，回正电机9处于断电状态，此时第一齿轮3、第二齿轮10和回正电机9处于随动状态。
当转向油缸12的活塞位移的绝对值逐渐减小时或用于切换转向系统的转向模式的控制开关开启时，转向系统的自动回正功能开启。控制器4根据位移传感器14检测的活塞位移向回正电机9发出控制信号，回正电机9根据控制器4发出的控制信号提供转向轮16回正所需的动力，依次驱动第二齿轮10、第一齿轮3、转向轴6，转向轴6依次驱动全液压转向器1、转向油缸12、连杆机构13和转向轮16并驱动方向盘5，使转向轮16和方向盘5自动回正。
对位移传感器14检测的活塞位移作如下定义：转向轮16处于非转向状态，即转向油缸12的活塞处于居中位置时，位移传感器14检测的活塞位移为0；转向轮16处于左转向状态时，位移传感器14检测的活塞位移为负值；转向轮16处于右转向状态时，位移传感器14检测的活塞位移为正值。
若位移传感器14检测的活塞位移为负值，控制器4控制回正电机9以恒转速顺时针转动驱动第二齿轮10、第一齿轮3、转向轴6，使方向盘5右转，使转向油缸12的活塞位移逐渐增大，直至活塞位移为0。
若位移传感器14检测的活塞位移为正值，控制器4控制回正电机9以恒转速逆时针转动驱动第二齿轮10、第一齿轮3、转向轴6，使方向盘5左转，使转向油缸12的活塞位移逐渐减小，直至活塞位移为0。
若位移传感器14检测的活塞位移为0，说明转向油缸12的活塞已处于居中位置，转向轮16已完成回正，控制器6控制回正电机9断电，转向系统的自动回正功能关闭。
本公开实施例的工程车辆的转向系统具有以下优点至少之一：
转向系统可以根据驾驶员的意图，在驾驶员操作方向盘使转向轮回正时或在切换转向系统的转向模式时启用自动回正功能，利于减轻驾驶员转向操作强度。
自动回正功能不启用时，回正电机和回正传动机构处于随动状态，不会增加转向操纵阻力，利于提升转向系统的操纵轻便性，利于减轻驾驶员转向操作强度。
控制器根据转向油缸的活塞位移控制回正电机驱动转向油缸，可以实现对转向油缸的闭环控制，使自动回正功能启用后，转向油缸的活塞可以准确到位，利于降低因转向油缸内泄导致的由方向盘控制的转向油缸活塞位置或车轮转角的实际值与期望值产生的偏差。
用于显示转向油缸的活塞位移和/或根据转向油缸的活塞位移计算出的转向轮的转角的显示装置便于驾驶员快速判断转向轮是否回正。
转向系统将转向油缸的活塞位移信号作为控制器控制转向轮自动回正的检测信号，无需设置转向轮角度传感器或方向盘力矩传感器等传感装置。
转向系统可与工程车辆常用的转向管柱结构兼容，无需增加额外安装空间，适合安装于多种工程车辆中，利于推广应用。
本公开的一些实施例还提供一种挖掘装载机，包括前述转向系统。本公开实施例提供的挖掘装载机具有前述转向系统的相应优点。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。

Claims (13)

1.一种工程车辆的转向系统，其特征在于，包括：
方向控制装置，包括方向盘(5)、转向油缸(12)和转向轮(16)，所述转向油缸(12)与所述方向盘(5)和所述转向轮(16)传动连接；
位移传感器(14)，被配置为检测所述转向油缸(12)的活塞位移；
回正电机(9)，与所述转向轮(16)传动连接以驱动所述转向轮(16)回正；和
控制器(4)，与所述位移传感器(14)和所述回正电机(9)信号连接，被配置为根据所述位移传感器(14)检测的活塞位移发出控制信号以控制所述回正电机(9)驱动所述转向轮(16)回正。
2.根据权利要求1所述的转向系统，其特征在于，所述方向控制装置还包括：
液压泵(15)；和
全液压转向器(1)，所述全液压转向器(1)的进油口和回油口分别与所述液压泵(15)的出油口和液压油箱(17)连接，所述全液压转向器(1)的两个转向油口分别与所述转向油缸(12)的两个工作油口连接。
3.根据权利要求2所述的转向系统，其特征在于，所述全液压转向器(1)为负载敏感全液压转向器，所述方向控制装置还包括设置于所述液压泵(15)和所述全液压转向器(1)之间的优先阀(2)。
4.根据权利要求2所述的转向系统，其特征在于，所述方向控制装置还包括：
转向轴(6)，所述转向轴(6)与所述方向盘(5)固定连接，所述转向轴(6)与所述全液压转向器(1)传动连接，所述回正电机(9)与所述转向轴(6)传动连接；和
转向管(7)，与所述转向轴(6)可旋转地相对设置。
5.根据权利要求4所述的转向系统，其特征在于，还包括回正传动机构，所述回正传动机构包括：
第一齿轮(3)，与所述转向轴(6)固定连接；和
第二齿轮(10)，与所述回正电机(9)和所述第一齿轮(3)传动连接。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转向系统，其特征在于，所述方向控制装置还包括设置于所述转向油缸(12)和所述转向轮(16)之间的连杆机构(13)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的转向系统，其特征在于，所述位移传感器(14)设置于所述转向油缸(12)上。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的转向系统，其特征在于，还包括与所述控制器(4)信号连接的显示装置(11)，所述显示装置(11)被配置为显示所述转向油缸(12)的活塞位移和/或显示根据所述转向油缸(12)的活塞位移计算出的所述转向轮(16)的转角。
9.根据权利要求4或5所述的转向系统，其特征在于，还包括固定连接于所述转向管(7)上的支座(8)，所述回正电机(9)和所述控制器(4)安装于所述支座(8)上。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的转向系统，其特征在于，所述控制器(4)被配置为当所述转向油缸(12)的活塞位移的绝对值逐渐减小时，控制所述回正电机(9)通电，直至所述转向油缸(12)的活塞移动至居中位置，所述转向轮(16)回正。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的转向系统，其特征在于，还包括与所述控制器(4)信号连接的控制开关(18)，所述控制开关(18)被配置为切换所述转向系统的转向模式。
12.根据权利要求11所述的转向系统，其特征在于，所述控制器(4)被配置为当所述控制开关(18)开启时，控制所述回正电机(9)通电，直至所述转向油缸(12)的活塞移动至居中位置，所述转向轮(16)回正。
13.一种挖掘装载机，其特征在于，包括根据权利要求1至10中任一项所述的转向系统。
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