CN114604313B - 一种农用四轮机具行走驱动系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农用四轮机具行走驱动系统及控制方法，属于农业机械技术领域，前轮采用差速转向，后轮通过控制系统可随动或偏转车轮实现四轮转向，解决了普通四轮底盘无法原地转向的难题，避免随动轮在后退或黏湿土壤下方向不可控问题，提升了四轮底盘的灵活性和对不同土壤环境的适应性，提高了整个机具的稳定性，结构紧凑，占用空间小，应用前景广泛。

Description

一种农用四轮机具行走驱动系统及控制方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，具体涉及一种农用四轮机具行走驱动系统及控制方法。

背景技术

现有农用机具底盘常用的转向方式有滑移转向(也称为差速转向)、铰接式转向和偏转车轮转向。

差速转向是利用左右轮胎行走速度的差异完成转向，该转向系统和行走系统集成在一起。双履带式联合收获装备多采用此转向方式，通过对单边履带动力的通断或制动实现大、小半径转弯及掉头，差速转向机构紧凑、整机尺寸小，可完成原地转向，但存在轮胎磨损严重的问题。

铰接式转向大多应用于两(多)段车架式机具，相邻两段车架用销轴连接，并利用油缸推力使两段车架发生相对偏转实现转向，该结构转向灵敏，转向半径小，农用装载车辆一般采用该转向方式，但采用分体式车架使得整体机具的抗稳定性较低。

偏转车轮转向结构较为紧凑一般采用梯形转向机构，通过转向油缸伸缩完成转向轮的偏转，一般有前轮转向、后轮转向或者四轮转向，现有轮式联合收获装备一般采用后轮偏转，前轮驱动差速，四轮拖拉机及高地隙植保装备常采用前轮偏转转向，四轮偏转转向半径更小，更灵活，目前多应用于工程机械中小型装载机，但四轮偏转车轮转向也存在最小转弯半径，无法原地转向，且转向驱动桥承载能力不如刚性驱动桥，四轮差速转向对轮胎磨损尤为严重，且对土壤破坏大，严重降低了整车在狭小空间作业的能力。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种农用四轮机具行走驱动系统及控制方法，前轮采用差速转向，后轮通过控制系统可随动或偏转车轮实现四轮转向，解决了普通四轮底盘无法原地转向的难题。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种农用四轮机具行走驱动系统，所述系统包括转向液压系统、行走动力系统、转弯控制系统，所述转向液压系统包括油箱、滤清器、发动机、转向泵、三位四通电磁阀、两位两通电磁阀、双向液压油缸、溢流阀，所述行走动力系统包括电比例变量泵a、电比例变量泵b、定量马达a和定量马达b，所述电比例变量泵a、b与定量马达a、b组成并联闭式回路，所述发动机将动力传递给电比例变量泵a后再通过液压系统将动力传递给定量马达a，定量马达a将动力传递给右前轮，驱动右前轮前进，所述电比例变量泵b和定量马达b也通过独立的液压系统，驱动左前轮前进，所述转弯控制系统采集的直行、转向、切换控制关联的信号包括速度控制手柄电流信号I、方向盘转角传感器信号ω、左后轮转角传感器信号α、右后轮转角传感器信号β、两轮/四轮切换按钮信号s、转弯控制系统，信号输出给电比例变量泵a、电比例变量泵b、三位四通电磁阀的C端、三位四通电磁阀的D端、两位两通电磁阀E，所述两轮/四轮切换按钮选择转向方式，当按下所述按钮时输出信号s＝1，此时为四轮转向，再次按下按钮后弹出，输出信号s＝0，此时为两轮转向。

作为本发明的进一步改进，左前轮和右前轮的转速通过转弯控制系统输出给电比例变量泵a、b的控制电流大小决定，输出电流越大行走速度越快，反之越慢。

作为本发明的进一步改进，所述转弯控制系统通过所述转向液压系统完成，发动机动力输出给转向泵，液压油从油箱出来经过滤清器，到转向泵出来，分两路，一路通过溢流阀连接回油箱，从而控制系统压力，另一路与三位四通电磁阀连接，三位四通电磁阀与两位两通电磁阀并联后接双向液压油缸，最后回油箱，当三位四通电磁阀的C端(左)得电时P与A接通，B与T接通，两位两通电磁阀的E得电使P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸的左边进入，右边流出，推动液压缸向右运动，后轮向右偏转，机具左转，当三位四通电磁阀的D端得电时P与B接通，A与T接通，且P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸的右边进入，左边流出，推动液压缸向左运动，后轮向左偏转，机具右转，当三位四通电磁阀在中位时P与T接通，A与B断开，此时若P1与T1联通，则双向液压油缸两端接通，液压缸可左右随动，此时转向只由所述行走动力系统控制左右前轮的差速来控制机具。

本发明还公开了一种控制上述的农用四轮机具行走驱动系统的控制方法，所述控制方法采用两轮/四轮切换按钮选择转向的方式，具体步骤如下：

一.机具发动；

二.初始化机具轴距H和轮距B，同时初始化输出信号，包括电比例变量泵a、b的初始值i₁＝i₂＝0，三位四通电磁阀的C、D两端信号初始值i_C＝i_D＝0，两位两通电磁阀的初始信号i_E＝0；

三.检测两轮/四轮切换按钮信号s，如当s＝1时，转到步骤四，如当s＝0时，转到步骤八；

四.当s＝1时，采用四轮转向，同时两位两通电磁阀的E端得电，i_E＝1，P₁、T₁断开，转弯控制系统检测方向盘转角ω，当-5≤ω≤5时，转到步骤五，当ω＜-5时，转到步骤六，当ω＞5时，转到步骤七；

五.当-5≤ω≤5时，转弯控制系统检测速度控制手柄电流信号I，并将检测信号值分别输出给电比例变量泵a和电比例变量泵b，即i₁＝i₂＝I；此时电比例变量泵a、b以相同的速度驱动机具直行，否则返回步骤四；

六.当ω＜-5时，机具向左拐弯，转弯控制系统读取左后轮转角α，根据方向盘角度ω和α控制三位四通电磁阀通断，根据α控制电比例变量泵a、b的控制电流，当

时，三位四通电磁阀的C端得电，即i_c＝1，当

时三位四通电磁阀的D端得电，即i_D＝1，当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀回中位，此时前轮按后轮转角α匹配差速，左转时，右前轮控制电流保持不变，即i₂＝I，保证车速不加快，左前轮按比例减速。机具四轮转弯时，四个轮子绕原点做纯滚动，左右前轮的转速比

则有

式中H为机具轴距，B为轮距，左右前轮转速比与后轮转角匹配，电比例变量泵a、b的控制电流比为λ₁，即

则

否则返回步骤四；

七.当ω＞5时，机具向右拐弯，转弯控制系统读取右后轮转角β，根据方向盘角度ω和β控制三位四通电磁阀通断，根据β控制比例变量泵a、b的控制电流。当

时，三位四通电磁阀的D端得电，即i_D＝1；当

时，三位四通电磁阀的C端得电，即i_c＝1；当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀回中位，此时前轮按后轮转角β匹配差速，右转时，左前轮控制电流保持不变，即i₁＝I，保证车速不加快，右前轮按比例减速。与左拐类似，此时左右前轮转速比

则有

要保证左右前轮转速比与后轮转角匹配，需保证电比例变量泵a、b的控制电流比也为λ₂，即

则

否则返回步骤四；

八.当s＝0时，采用两轮转向，三位四通电磁阀复位，P与T接通，A、B均断开，两位两通阀复位P₁与T₁接通，即双向液压油缸左右两侧连通，两后轮可随动，左右两前轮根据方向盘转角差速，当-5≤ω≤5时直行，i₁＝i₂＝I，当ω＜-5时，机具左拐，

i₂＝I，当ω＞5时，机具右拐，i₁＝I，

否则返回步骤三；

九.发动机关闭，机具停止运行。

本发明的有益效果有如下几点：

(1)采用两轮/四轮切换按钮选择转向方式，操作者可根据行走环境自由选择行走方式，当机具在转场或者硬质地面行走时采用前轮差速转向，后轮随动，可实现原地转向，操作灵活效率高，当在田间作业或者地面环境较恶劣时，采用四轮转向，后轮受控不易打滑下陷；

(2)差速转向和四轮转向通过转弯控制系统相结合，转向半径更小，更灵活，提高了整车狭小空间作业的能力；

总之，本发明的农用四轮机具行走驱动系统及控制方法，前轮采用差速转向，后轮通过控制系统可随动或偏转车轮实现四轮转向，解决了普通四轮底盘无法原地转向的难题，避免随动轮在后退或黏湿土壤下方向不可控问题，提升了四轮底盘的灵活行和对不同土壤环境的适应性，提高了整个机具的稳定性，结构紧凑，占用空间小，应用前景广泛。

附图说明

图1示出了本发明的农用四轮机具行走驱动系统的行走动力系统液压简图；

图2示出了本发明的农用四轮机具行走驱动系统的转向液压系统原理图；

图3示出了本发明的农用四轮机具在直走、转向的切换控制示意简图；

图4示出了本发明的农用四轮机具转向状态的示意简图；

图5示出了本发明的农用四轮机具行走驱动系统的控制方法示意图；

附图标识列表：

1、电比例变量泵a；2、电比例变量泵b；3、定量马达a；4、定量马达b；9、油箱；10、滤清器；11、发动机；12、转向泵；5、三位四通电磁阀；6、两位两通电磁阀；7、双向液压油缸；8、溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一种农用四轮机具行走驱动系统，所述系统包括转向液压系统、行走动力系统、转弯控制系统，如图2所示，所述转向液压系统包括油箱9、滤清器10、发动机11、转向泵12、三位四通电磁阀5、两位两通电磁阀6、双向液压油缸7、溢流阀8，如图1所示，所述行走动力系统包括电比例变量泵a1、电比例变量泵b2、定量马达a3和定量马达b4，所述电比例变量泵a1、b2与定量马达a3、b4组成并联闭式回路，所述发动机11将动力传递给电比例变量泵a1后再通过液压系统将动力传递给定量马达a3，定量马达a3将动力传递给右前轮，驱动右前轮前进，所述电比例变量泵b2和定量马达b4也通过独立的液压系统，驱动左前轮前进，如图3-图4所示，所述转弯控制系统采集的直行、转向、切换控制关联的信号包括速度控制手柄电流信号I、方向盘转角传感器信号ω、左后轮转角传感器信号α、右后轮转角传感器信号β、两轮/四轮切换按钮信号s、转弯控制系统，信号输出给电比例变量泵a、电比例变量泵b、三位四通电磁阀5的C端、三位四通电磁阀5的D端、两位两通电磁阀6的E端，所述两轮/四轮切换按钮选择转向方式，当按下所述按钮时输出信号s＝1，此时为四轮转向，再次按下按钮后弹出，输出信号s＝0，此时为两轮转向。

左前轮和右前轮的转速通过转弯控制系统输出给电比例变量泵a1、b2的控制电流大小决定，输出电流越大行走速度越快，反之越慢。

如图2所示，所述转弯控制系统通过所述转向液压系统完成，发动机11动力输出给转向泵12，液压油从油箱9出来经过滤清器10，到转向泵12出来，分两路，一路通过溢流阀8连接回油箱9，从而控制系统压力，另一路与三位四通电磁阀5连接，三位四通电磁阀5与两位两通电磁阀6并联后接双向液压油缸7，最后回油箱9，当三位四通电磁阀5的C端(左)得电时P与A接通，B与T接通，两位两通电磁阀6的E得电使P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸7的左边进入，右边流出，推动液压缸向右运动，后轮向右偏转，机具左转，当三位四通电磁阀5的D端得电时P与B接通，A与T接通，且P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸7的右边进入，左边流出，推动液压缸向左运动，后轮向左偏转，机具右转，当三位四通电磁阀5在中位时P与T接通，A与B断开，此时若P1与T1联通，则双向液压油缸7两端接通，液压缸可左右随动，此时转向只由所述行走动力系统控制左右前轮的差速来控制机具。

当机具在转场或者硬质地面行走时采用前轮差速转向，后轮随动，可实现原地转向，操作灵活效率高，当在田间作业或者地面环境较恶劣时，采用四轮转向，后轮受控不易打滑下陷。为了解决这个问题，本发明还公开了一种控制上述的农用四轮机具行走驱动系统的控制方法，方向盘最大行程为3圈，即1080°，后轮主动转向时内侧车轮角度范围为40°，则内侧车轮每转1°对应方向盘角度为27°，如图5所示，本发明结合两轮/四轮切换按钮选择转向的方式，控制方法具体步骤如下：

一.机具发动；

二.初始化机具轴距H和轮距B，同时初始化输出信号，包括电比例变量泵a1、b2的初始值i₁＝i₂＝0，三位四通电磁阀5的C、D两端信号初始值i_c＝i_D＝0，两位两通电磁阀6的初始信号i_E＝0；

三.检测两轮/四轮切换按钮信号s，如当s＝1时，转到步骤四，如当s＝0时，转到步骤八；

四.当s＝1时，采用四轮转向，同时两位两通电磁阀6的E端得电，i_E＝1，P₁、T₁断开，转弯控制系统检测方向盘转角ω，当-5≤ω≤5时，转到步骤五，当ω＜-5时，转到步骤六，当ω＞5时，转到步骤七；

五.当-5≤ω≤5时，转弯控制系统检测速度控制手柄电流信号I，并将检测信号值分别输出给电比例变量泵a1和电比例变量泵b2，即i₁＝i₂＝I；此时电比例变量泵a1、b2以相同的速度驱动机具直行，否则返回步骤四；

六.当ω＜-5时，机具向左拐弯，转弯控制系统读取左后轮转角α，根据方向盘角度ω和α控制三位四通电磁阀5通断，根据α控制电比例变量泵a1、b2的控制电流，当

时，三位四通电磁阀5的C端得电，即i_c＝1，当

时三位四通电磁阀5的D端得电，即i_D＝1，当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀5回中位，此时前轮按后轮转角α匹配差速，左转时，右前轮控制电流保持不变，即i₂＝I，保证车速不加快，左前轮按比例减速。机具四轮转弯时，四个轮子绕原点做纯滚动，左右前轮的转速比

则有

式中H为机具轴距，B为轮距，左右前轮转速比与后轮转角匹配，电比例变量泵a1、b2的控制电流比为λ₁，即

则

否则返回步骤四；

七.当ω＞5时，机具向右拐弯，转弯控制系统读取右后轮转角β，根据方向盘角度ω和β控制三位四通电磁阀5通断，根据β控制比例变量泵a、b的控制电流。当

时，三位四通电磁阀5的D端得电，即i_D＝1；当

时，三位四通电磁阀5的C端得电，即i_c＝1；当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀5回中位，此时前轮按后轮转角β匹配差速，右转时，左前轮控制电流保持不变，即i₁＝I，保证车速不加快，右前轮按比例减速。与左拐类似，此时左右前轮转速比

则有

要保证左右前轮转速比与后轮转角匹配，需保证电比例变量泵a1、b2的控制电流比也为λ₂，即

则

否则返回步骤四；

八.当s＝0时，采用两轮转向，三位四通电磁阀5复位，P与T接通，A、B均断开，两位两通阀6复位P₁与T₁接通，即双向液压油缸7左右两侧连通，两后轮可随动，左右两前轮根据方向盘转角差速，当-5≤ω≤5时直行，i₁＝i₂＝I，当ω＜-5时，机具左拐，

i₂＝I，当ω＞5时，机具右拐，i₁＝I，

否则返回步骤三；

九.发动机11关闭，机具停止运行。

本发明的有益效果有如下几点：

(1)采用两轮/四轮切换按钮选择转向方式，操作者可根据行走环境自由选择行走方式，当机具在转场或者硬质地面行走时采用前轮差速转向，后轮随动，可实现原地转向，操作灵活效率高，当在田间作业或者地面环境较恶劣时，采用四轮转向，后轮受控不易打滑下陷；

(2)差速转向和四轮转向通过转弯控制系统相结合，转向半径更小，更灵活，提高了整车狭小空间作业的能力；

总之，本发明的农用四轮机具行走驱动系统及控制方法，前轮采用差速转向，后轮通过控制系统可随动或偏转车轮实现四轮转向，解决了普通四轮底盘无法原地转向的难题，避免随动轮在后退或黏湿土壤下方向不可控问题，提升了四轮底盘的灵活行和对不同土壤环境的适应性，提高了整个机具的稳定性，结构紧凑，占用空间小，应用前景广泛。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种农用四轮机具行走驱动系统的控制方法，所述农用四轮机具行走驱动系统包括转向液压系统、行走动力系统、转弯控制系统，所述转向液压系统包括油箱(9)、滤清器(10)、发动机(11)、转向泵(12)、三位四通电磁阀(5)、两位两通电磁阀(6)、双向液压油缸(7)、溢流阀(8)，所述行走动力系统包括电比例变量泵a(1)、电比例变量泵b(2)、定量马达a(3)和定量马达b(4)，所述电比例变量泵a(1)、b(2)与定量马达a(3)、b(4)组成并联闭式回路，所述发动机(11)将动力传递给电比例变量泵a(1)后再通过液压系统将动力传递给定量马达a(3)，定量马达a(3)将动力传递给右前轮，驱动右前轮前进，所述电比例变量泵b(2)和定量马达b(4)也通过独立的液压系统，驱动左前轮前进，所述转弯控制系统采集的直行、转向、切换控制关联的信号包括速度控制手柄电流信号I、方向盘转角传感器信号ω、左后轮转角传感器信号α、右后轮转角传感器信号β、两轮/四轮切换按钮信号s、转弯控制系统，信号输出给电比例变量泵a(1)、电比例变量泵b(2)、三位四通电磁阀(5)的C端、三位四通电磁阀(5)的D端、两位两通电磁阀(6)的E端，所述两轮/四轮切换按钮选择转向方式，当按下两轮/四轮切换按钮时输出信号s＝1，此时为四轮转向，再次按下按钮后弹出，输出信号s＝0，此时为两轮转向，左前轮和右前轮的转速通过转弯控制系统输出给电比例变量泵a(1)、b(2)的控制电流大小决定，输出电流越大行走速度越快，反之越慢，所述转弯控制系统通过所述转向液压系统完成，发动机(11)动力输出给转向泵(12)，液压油从油箱(9)出来经过滤清器(10)，到转向泵(12)出来，分两路，一路通过溢流阀(8)连接回油箱(9)，从而控制系统压力，另一路与三位四通电磁阀(5)连接，三位四通电磁阀(5)与两位两通电磁阀(6)并联后接双向液压油缸(7)，最后回油箱(9)，当三位四通电磁阀(5)的C端得电时P与A接通，B与T接通，两位两通电磁阀(6)的E得电使P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸的左边进入，右边流出，推动液压缸向右运动，后轮向右偏转，机具左转，当三位四通电磁阀(5)的D端得电时P与B接通，A与T接通，且P1与T1断开，则液压油从双向液压油缸(7)的右边进入，左边流出，推动液压缸向左运动，后轮向左偏转，机具右转，当三位四通电磁阀(5)在中位时P与T接通，A与B断开，此时若P1与T1联通，则双向液压油缸(7)两端接通，液压缸可左右随动，此时转向只由所述行走动力系统控制左右前轮的差速来控制机具，其特征在于，所述控制方法采用两轮/四轮切换按钮选择转向的方式，具体步骤如下：

一.机具发动；

二.初始化机具轴距H和轮距B，同时初始化输出信号，包括电比例变量泵a(1)、b(2)的初始值i₁＝i₂＝0，其中i₁指的是电比例变量泵a(1)初始值，i₂指的是电比例变量泵b(2)初始值，三位四通电磁阀(5)的C、D两端信号初始值i_C＝i_D＝0，i_C指的是三位四通电磁阀(5)C端信号初始值，i_D指的是三位四通电磁阀(5)D端信号初始值，两位两通电磁阀(6)的E端初始信号i_E＝0；

三.检测两轮/四轮切换按钮信号s，如当s＝1时，转到步骤四，如当s＝0时，转到步骤八；

四.当s＝1时，采用四轮转向，同时两位两通电磁阀(6)得电P₁、T₁断开，转弯控制系统检测方向盘转角ω，当-5°≤ω≤5°，转到步骤五，当ω＜-5°，转到步骤六，当ω＞5°时，转到步骤七；

五.当-5°≤ω≤5°时，转弯控制系统检测速度控制手柄电流信号I，并将检测信号值分别输出给电比例变量泵a(1)和电比例变量泵b(2)，即i₁＝i₂＝I；此时电比例变量泵a(1)、b(2)以相同的速度驱动机具直行，否则返回步骤四；

六.当ω＜-5°时，机具向左拐弯，转弯控制系统读取左后轮转角α，根据方向盘角度ω和α控制三位四通电磁阀(5)通断，根据α控制电比例变量泵a(1)、b(2)的控制电流，当

时，三位四通电磁阀(5)的C端得电，即i_c＝1，当

时三位四通电磁阀(5)的D端得电，即i_D＝1，当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀(5)回中位，此时前轮按后轮转角α匹配差速，左转时，右前轮控制电流保持不变，即i₂＝I，保证车速不加快，左前轮按比例减速，机具四轮转弯时，四个轮子绕原点做纯滚动，左右前轮的转速比

则有

式中H为机具轴距，B为轮距，左右前轮转速比与后轮转角匹配，电比例变量泵a(1)、b(2)的控制电流比为λ₁，即

则

否则返回步骤四；

七.当ω＞5°时，机具向右拐弯，转弯控制系统读取右后轮转角β，根据方向盘角度ω和β控制三位四通电磁阀(5)通断，根据β控制比例变量泵a(1)、b(2)的控制电流，当

时，三位四通电磁阀(5)的D端得电，即i_D＝1；当

时，三位四通电磁阀(5)的C端得电，即i_c＝1；当

时i_c＝i_D＝0，三位四通电磁阀(5)回中位，此时前轮按后轮转角β匹配差速，右转时，左前轮控制电流保持不变，即i₁＝I，保证车速不加快，右前轮按比例减速，与左拐类似，此时左右前轮转速比

则有

要保证左右前轮转速比与后轮转角匹配，需保证电比例变量泵a(1)、b(2)的控制电流比也为λ₂，即

则

否则返回步骤四；

八.当s＝0时，采用两轮转向，三位四通电磁阀(5)复位，P与T接通，A、B均断开，两位两通电磁阀(6)复位P₁与T₁接通，即双向液压油缸(7)左右两侧连通，两后轮可随动，左右两前轮根据方向盘转角差速，当-5°≤ω≤5°时直行，i₁＝i₂＝I，当ω＜-5°时，机具左拐，

i₂＝I，当ω＞5°时，机具右拐，i₁＝I，

否则返回步骤三；

九.发动机(11)关闭，机具停止运行。

2.根据权利要求1所述的一种农用四轮机具行走驱动系统的控制方法，其特征在于，按下两轮/四轮切换按钮时按钮输出信号s＝1，此时为四轮转向，再次按下按钮后弹出，输出信号s＝0，此时为两轮转向。

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