CN117360608A - 一种电动方向盘及轮式农机转向系统 - Google Patents

一种电动方向盘及轮式农机转向系统 Download PDF

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CN117360608A CN202311446949.XA CN202311446949A CN117360608A CN 117360608 A CN117360608 A CN 117360608A CN 202311446949 A CN202311446949 A CN 202311446949A CN 117360608 A CN117360608 A CN 117360608A
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尹建军
赵奇奇
张丁
史燕芸
周脉乐
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Abstract

本发明提供了一种电动方向盘及轮式农机转向系统，包括方向盘、手球、转轴、行星齿轮组、电磁离合器、电滑环、力矩电机安装壳、力矩电机、贯通式编码器、控制器板、力矩电机驱动器、转向传动轴、转向轮偏角检测装置、全液压转向装置和转向油缸补油装置；本发明通过转向补油回路设计，弥补了全液压转向器的内部泄露导致的转向油缸行程不足的缺陷。采用PD控制方式，无论是手动操作方向盘还是电动控制方向盘，转向轮偏角与电动方向盘转角均具有确定对应关系。当手动操作方向盘，驾驶员通过手球相位即可感知车轮偏转角和车身姿态，提升了轮式农机的操作体验。

Description

一种电动方向盘及轮式农机转向系统
技术领域
本发明属于轮式农机驾驶领域领域，尤其涉及一种电动方向盘及轮式农机转向系统。
背景技术
自动转向控制是农机自动导航的基础，电动方向盘作为执行环节是导航系统中的核心技术之一，其操控性能会直接影响到导航控制的实际效果。目前市面上的电动方向盘产品分为两种：一种是通过电机直接驱动方向盘完成自动转向，比如：日本拓普康AES-25、上海联适导航AF300、上海华测领航员CES-T1；另一类是采用电机通过传动机构来驱动方向盘来完成自动转向，比如：美国约翰迪尔公司的ATU200、美国天宝公司的EZ-Steer、北京合众思壮科公司的EAS100。上述电动方向盘产品开发未考虑农机转向系统中全液压转向器的内部油液泄露，且存在高转速时驱动扭矩小的问题。
全液压转向器是轮式农机转向系统常用的液压元器件，但其固有弊端是方向盘带动转向器分配油液时存在内部泄露，致使转向油缸行程不足，转向轮转角存在偏差，方向盘转角与车轮偏角无确定对应关系，方向盘无零位，驾驶员无法通过方向盘转角来感知车轮偏角，仅靠直觉感受车体偏转状态，对驾驶员操作要求高，在车速高时不宜操控车辆，存在安全隐患。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的一个方式的目的之一是提供一种电动方向盘，结构紧凑，提供高速大扭矩输出，便于轮式农机后装使用。同时可以自动与手动驾驶之间自由切换，在电磁离合器作用下手动操作方向盘手感轻，未增加驾驶员的操作强度。
本发明的一个方式的目的之一是提供一种轮式农机转向系统，通过转向补油回路设计，弥补了全液压转向器的内部泄露导致的转向油缸行程不足的缺陷。采用PD控制方式，无论是手动操作方向盘还是电动控制方向盘，转向轮偏角与电动方向盘转角均具有确定对应关系。当手动操作方向盘，驾驶员通过手球相位即可感知车轮偏转角和车身姿态，提升了轮式农机的操作体验。
注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。
本发明提供了一种电动方向盘及安装该方向盘的轮式农机转向系统，可根据自动或手动驾驶需要切换为自动和手动两种模式，具有方向盘相位感知功能。当自动驾驶时电动方向盘高速大扭矩输出，给上位机提供方向盘绝对转角和转向轮实际转角，且具有方向盘极限位置限制功能，无需堵转报警。当手动操作方向盘，驾驶员通过手球相位即可感知车轮偏转角和车身姿态，提升了轮式农机的操作体验。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种电动方向盘，包括方向盘、手球、转轴、行星齿轮组、电磁离合器、电滑环、力矩电机安装壳、力矩电机、贯通式编码器、控制器板和力矩电机驱动器；
所述手球设于方向盘上；
所述方向盘设于电磁离合器上；
所述电磁离合器设于转轴上；
所述电滑环连接于电磁离合器下方；
所述行星齿轮组设于转轴上，且与电滑环底部连接；
所述力矩电机设于行星齿轮组下方，力矩电机输出端与行星齿轮组连接，力矩电机外部设有力矩电机安装壳；
所述贯通式编码器设于转轴上，用于检测转轴转动角度。
控制器板、继电器和力矩电机驱动器设于力矩电机安装壳外部。
上述方案中，所述电磁离合器包括电磁离合器输出盘和电磁离合器输入盘；
所述电磁离合器输出盘设于转轴上，并与方向盘连接；
所述电磁离合器输入盘可选择的雨电磁离合器输出盘连接，且电磁离合器输入盘与电滑环连接。
上述方案中，所述电滑环包括电滑环转子和电滑环定子；
所述电滑环转子设于电滑环定子上方，电滑环转子与电磁离合器连接；电滑环定子与行星齿轮组连接；
所述电滑环转子包括转环、动触头和导电柱；动触头可移动的设于转环上，导电柱设于动触头上；
所述电滑环定子包括定环、接线柱和导电环；接线柱设于定环上，导电环设于接线柱上，导电环与导电柱接触。
上述方案中，所述行星齿轮组包括行星架、内齿轮、行星齿轮和中心齿轮；
所述行星架设于电滑环上；
所述内齿轮设于力矩电机安装壳上；
所述行星齿轮设于行星架上，并分别与中心齿轮和内齿轮啮合；
所述中心齿轮设于转轴上。
上述方案中，所述控制器板分别与贯通式编码器和力矩电机驱动器连接，接收贯通式编码器检测的转动角度信息，控制力矩电机驱动器驱动力矩电机转动。
一种轮式农机转向系统，包括上述的电动方向盘、转向传动轴、转向轮偏角检测装置、全液压转向装置和转向油缸补油装置；
所述电动方向盘通过转向传动轴与全液压转向装置连接；
所述全液压转向装置用于带动转向轮转动；
所述转向轮偏角检测装置与电动方向盘连接，用于检测转向轮偏角并传递给电动方向盘；
所述转向油缸补油装置与电动方向盘和全液压转向装置连接，用于根据电动方向盘的信号对全液压转向装置进行补油。
上述方案中，所述转向轮偏角检测装置包括角度传感器、转向节和转向立轴连接盘；
所述角度传感器设于转向立轴连接盘上；
所述转向节设于转向立轴连接盘，转向节包括转向臂和转向立轴；
所述全液压转向器装置带动转向立轴时，角度传感器检测转向立轴的转角获得转向轮偏角。
进一步的，所述全液压转向装置包括油泵、分流阀、全液压转向器、单向阀、滤油器和液压油箱；
液压油箱、滤油器、油泵、分流阀、全液压转向器和液压油箱依次组成液压回路，其中油泵和液压油箱之间还设有溢流阀；
全液压转向器通过转向油缸带动转向轮转动。
上述方案中，所述转向油缸补油装置包括电磁比例调速阀、三位四通电磁换向阀和单向阀；
转向油缸补油装置与分流阀并联，电磁比例调速阀与分流阀连接，三位四通电磁换向阀与电磁比例调速阀连接，单向阀与电磁比例调速阀和转向油缸连接，电磁比例调速阀与控制器板连接。
上述方案中，所述电动方向盘与三位四通电磁换向阀连接；
方向盘转动时，贯通式编码器获取转轴的实际转动角度，转向轮偏角检测装置获取转向轮实际偏角，均传递给控制器板；若方向盘实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板控制力矩电机停转；若方向盘实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板控制力矩电机转动；若转向轮实际偏角与期望偏角满足误差，控制器板控制转向油缸补油装置不对全液压转向装置进行补油；若转向轮实际偏角与期望偏角不满足误差，控制器板控制转向油缸补油装置对全液压转向装置进行补油。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、根据本发明的一个方式，本发明的电动方向盘由力矩电机、行星齿轮减速器、电磁离合器、编码器和控制器板等元器件集成组装而成，结构紧凑，提供高速大扭矩输出，便于轮式农机后装使用。
2、根据本发明的一个方式，本发明可以在自动与手动驾驶之间自由切换，在电磁离合器作用下手动操作方向盘手感轻，未增加驾驶员的操作强度。
3、根据本发明的一个方式，本发明通过转向补油回路设计，弥补了全液压转向器的内部泄露导致的转向油缸行程不足的缺陷。采用PD控制方式，无论是手动操作方向盘还是电动控制方向盘，转向轮偏角与电动方向盘转角均具有确定对应关系。当手动操作方向盘，驾驶员通过手球相位即可感知车轮偏转角和车身姿态，提升了轮式农机的操作体验。
4、根据本发明的一个方式，本发明的电动方向盘以转向轮偏角为零作为基准参考，通过标定转向轮偏角与电动方向盘转角关系，转向系统具有方向盘相位感知和位置保持功能，可给上位机提供方向盘绝对转角和转向轮实际转角。
5、根据本发明的一个方式，具有极限位置限制功能，无需堵转报警。
注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个方式并不一定必须具有所有上述效果。可以从说明书、附图、权利要求书等的记载显而易见地看出并抽出上述以外的效果。
附图说明
图1是本发明一实施方式的转向系统结构组成左右二等角轴测图；
图2是本发明一实施方式的转向系统结构组成上下二等角轴测图；
图3是本发明一实施方式的转向系统结构组成主视图；
图4是图3的A-A剖视图；
图5是图3的B-B剖视图；
图6是本发明一实施方式的电动方向盘结构组成主视图；
图7是图6的C-C剖视图；
图8是本发明一实施方式的电动方向盘结构组成上视图；
图9是图8的D-D斜剖视图；
图10是本发明的电动方向盘拆去外壳的结构组成主视图；
图11是本发明的电动方向盘拆去外壳的结构组成右视图；
图12是图11的E-E面剖视图；
图13是图11的F-F面剖视图；
图14是本发明的电动方向盘拆去外壳的结构组成俯视图；
图15是本发明的电动方向盘拆去外壳的结构组成左视图；
图16是本发明的电动方向盘拆去外壳的结构组成正等轴测图；
图17是本发明的电动方向盘的电滑环结构组成主视图；
图18是图17的G-G面剖视图；
图19是本发明一实施方式的全液压转向装置和转向油缸补油装置的液压回路图；
图20是本发明一实施方式的转向系统的电气连接框图；
图21是本发明一实施方式的转向系统的PD控制原理图；
图22是本发明一实施方式的车轮偏角与方向盘转角关系图。
图中：I、电动方向盘；II、转向轮偏角检测装置；III、全液压转向装置；IV、转向油缸补油装置；1、转向立柱；2、转向拉杆；3L、左转向轮；3R、右转向轮；4L、左转向油缸；4R、右转向油缸；5、全液压转向器；6、分流阀；7、组合阀；701、电磁比例调速阀；702、三位四通电磁换向阀；703、单向阀；8、方向盘；9、U形固定板；10、转向传动轴；11、万向节联轴器；12、角度传感器固定支撑盘；13、角度传感器连接盘；14、角度传感器护壳；15、角度传感器；16、槽销；17、转向节；171、转向臂；172、转向立轴；18、转向立轴连接盘；19、手球；20、上护壳；21、带销轴的连接板；22、带杆抱箍；23、转轴；24、电磁离合器；2401、电磁离合器输出盘；2402、电磁离合器输入盘；25、内齿轮；26、行星齿轮；27、中心齿轮；28、电滑环转子；2801、转环；2802、动触头；2803、导电柱；29、电滑环定子；2901、定环；2902、接线柱；2903、导电环；30、力矩电机安装壳；31、下护壳；32、力矩电机；33、花键联轴套；34、贯通式编码器；35、行星架；36、半抱箍；37、套管；38、加长螺栓；39、输入/输出插头；40、编码器连接板；41、控制器板；42、供电端子排；43、电压转换器；44、继电器；45、力矩电机驱动器；46、油泵；47、滤油器；48、液压油箱；49、溢流阀。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1至图8所示为所述电动方向盘及安装该方向盘的轮式农机转向系统的一种较佳实施方式。
一种轮式农机转向系统，包括电动方向盘I、转向传动轴10、转向轮偏角检测装置II、全液压转向装置III和转向油缸补油装置IV；
所述电动方向盘I通过转向传动轴10与全液压转向装置III连接；
所述全液压转向装置III用于带动转向轮转动；
所述转向轮偏角检测装置II与电动方向盘I连接，用于检测转向轮偏角并传递给电动方向盘I；
所述转向油缸补油装置IV与电动方向盘I和全液压转向装置III连接，用于根据电动方向盘I的信号对全液压转向装置III进行补油。
所述电动方向盘I包括方向盘8、手球19、转轴23、行星齿轮组、电磁离合器24、电滑环、力矩电机安装壳30、力矩电机32、贯通式编码器34、控制器板41和力矩电机驱动器45；
所述手球19设于方向盘8上；
所述方向盘8设于电磁离合器24上；
所述电磁离合器24设于转轴23上；
所述电滑环连接于电磁离合器24下方；
所述行星齿轮组设于转轴23上，且与电滑环底部连接；
所述力矩电机32设于行星齿轮组下方，力矩电机32输出端与行星齿轮组连接，力矩电机32外部设有力矩电机安装壳30；
所述贯通式编码器34设于转轴23上，用于检测转轴23转动角度。
控制器板41、继电器44和力矩电机驱动器45设于力矩电机安装壳30外部。
所述电磁离合器24包括电磁离合器输出盘2401和电磁离合器输入盘2402；
所述电磁离合器输出盘2401设于转轴23上，并与方向盘8连接；
所述电磁离合器输入盘2402可选择的雨电磁离合器输出盘2401连接，且电磁离合器输入盘2402与电滑环连接。
所述电滑环包括电滑环转子28和电滑环定子29；
所述电滑环转子28设于电滑环定子29上方，电滑环转子28与电磁离合器24连接；电滑环定子29与行星齿轮组连接；
所述电滑环转子28包括转环2801、动触头2802和导电柱2803；动触头2802可移动的设于转环2801上，导电柱2803设于动触头2802上；
所述电滑环定子29包括定环2901、接线柱2902和导电环2903；接线柱2902设于定环2901上，导电环2903设于接线柱2902上，导电环2903与导电柱2803接触。
所述行星齿轮组包括行星架35、内齿轮25、行星齿轮26和中心齿轮27；
所述行星架35设于电滑环上；
所述内齿轮25设于力矩电机安装壳30上；
所述行星齿轮26设于行星架35上，并分别与中心齿轮27和内齿轮25啮合；
所述中心齿轮27设于转轴23上。
所述控制器板41分别与贯通式编码器34和力矩电机驱动器45连接，接收贯通式编码器34检测的转动角度信息，控制力矩电机驱动器45驱动力矩电机32转动。
所述转向轮偏角检测装置II包括角度传感器15、转向节17和转向立轴连接盘18；
所述角度传感器15设于转向立轴连接盘18上；
所述转向节17设于转向立轴连接盘18，转向节17包括转向臂171和转向立轴172；
所述全液压转向装置III带动转向立轴172时，角度传感器15检测转向立轴172的转角获得转向轮偏角。
所述全液压转向装置III包括油泵46、分流阀6、全液压转向器5、单向阀703、滤油器47和液压油箱48；
液压油箱48、滤油器47、油泵46、分流阀6、全液压转向器5和液压油箱48依次组成液压回路，其中油泵46和液压油箱48之间还设有溢流阀49；
全液压转向器5通过转向油缸带动转向轮转动。
所述转向油缸补油装置IV包括电磁比例调速阀701、三位四通电磁换向阀702和单向阀703；
转向油缸补油装置IV与分流阀6并联，电磁比例调速阀701与分流阀6连接，三位四通电磁换向阀702与电磁比例调速阀701连接，单向阀703与电磁比例调速阀701和转向油缸连接，电磁比例调速阀701与控制器板41连接。
所述电动方向盘I与三位四通电磁换向阀702连接；
方向盘8转动时，贯通式编码器34获取转轴23的实际转动角度，转向轮偏角检测装置II获取转向轮实际偏角，均传递给控制器板41；若方向盘8实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板41控制力矩电机32停转；若方向盘8实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板41控制力矩电机32转动；若转向轮实际偏角与期望偏角满足误差，控制器板41控制转向油缸补油装置IV不对全液压转向装置III进行补油；若转向轮实际偏角与期望偏角不满足误差，控制器板41控制转向油缸补油装置IV对全液压转向装置III进行补油。
根据本实施例，优选的，所述电动方向盘I的转轴23通过花键联轴套34与转向立柱1内的转向传动轴10连接，转向传动轴10通过万向节联轴器11连接到全液压转向器5的计量马达转子上。电动方向盘I的下护壳31上固结带销轴的连接板21，通过螺栓将半抱箍36和带杆抱箍22合围到转向立柱1上，带销轴的连接板21的销轴穿过带杆抱箍22杆上的孔，使电动方向盘I的固定部分与转向立柱成为一体。根据连接位置要求，可以调节带杆抱箍22与带销轴的连接板21的配合高度，以适应不同主机的转向立柱结构。
如图5所示，根据本实施例，优选的，转向轮偏角检测装置II包括由角度传感器护壳14、角度传感器15、角度传感器连接盘13、角度传感器固定支撑盘12和转向立轴连接盘18。通过沉头螺钉将角度传感器15的法兰面与角度传感器连接盘13固结，在角度传感器连接盘13的上方同轴固结角度传感器护壳14，在角度传感器连接盘13的下方同轴固结角度传感器固定支撑盘12。角度传感器固定支撑盘12与U形固定板9焊接，通过紧定螺栓将U形固定板9固结到转向桥横梁上。转向立轴连接盘18一端与转向立轴172通过槽销16固结，另一端与角度传感器固定支撑盘12的定位孔同轴空套，角度传感器15的D型伸出轴与转向立轴连接盘18的D型孔配合。转向臂171与转向立轴172固结成转向节17，转向节17与车轮轮辋固结，转向立轴172可绕横梁端部的管轴转动。当转向油缸伸缩时，通过左、右侧的转向节17和转向拉杆2形成的梯形转向机构作用下，使转向轮绕转向立轴172的轴心偏转。本实施例中，检测右转向轮3R相对转向桥横梁的偏转角，通过检测转向立轴172的转角获得。采用角度传感器固定支撑盘12与U形固定板9焊接的方式，是优先保证角度传感器15的D型伸出轴与转向立轴172同心度的条件下，又使角度传感器15的外壳与转向桥横梁固定，获得准确的车轮偏转角的同时，不会因角度传感器15的D型伸出轴与转向立轴172不同心而损坏角度传感器15。
如图6至图17所示，根据本实施例，优选的，所述电动方向盘I顶部的方向盘8与电磁离合器的输出盘2401通过螺栓固结，电磁离合器的输出盘2401与转轴23通过平键连接。电磁离合器的输入盘2402下方连接电滑环转子28，电滑环转子28下方连接行星架35。电磁离合器的输入盘2402与电滑环转子28通过螺栓同轴固结。行星架35上圆周均布3个行星齿轮26，分别与固结在力矩电机安装壳30的内齿轮25、空套在转轴23上的中心齿轮27啮合。中心齿轮27的法兰面与力矩电机32的输出端连接，力矩电机32的固定面与力矩电机安装壳30通过螺钉连接。中心齿轮27空心管部分与力矩电机32紧密配合，内置滚动轴承空套在转轴23上。电滑环定子29、内齿轮25与力矩电机安装壳30通过螺栓连接成一体。下护壳31通过4个拧入力矩电机安装壳30的管套37定位，加长螺栓38穿过管套37、下护壳31、上护壳20的对应孔，将下护壳31与上护壳20固结，起到防淋雨和防灰尘的作用。这样，当力矩电机32转动时，力矩电机32的输出端带动中心齿轮27转动，经过与行星齿轮26、内齿轮25啮合后，行星架35获得减速，带动电滑环转子28与电磁离合器的输入盘2402一起转动。若电磁离合器24得电结合，电磁离合器的输出盘2401将随同电磁离合器的输入盘2402一起转动，从而带动转轴23转动，方向盘8也随动。若电磁离合器24分离，即使电磁离合器的输入盘2402转动，转轴23无扭矩输入，方向盘8也不动。若电磁离合器24分离，人工手动扳动方向盘8，直接带动转轴23转动，与常规方向盘操作无异。在力矩电机安装壳30底部固结编码器连接板40，贯通式编码器34安装在编码器连接板40下方，与花键联轴套33同轴安装在转轴23上。贯通式编码器34的动圈通过锁紧螺钉夹紧花键联轴套33外表面，随同花键联轴套33一起转动，即可获得转轴23的旋转角度。
参加图10至图16，根据本实施例，优选的，转向系统的控制器板41、供电端子排42、继电器44、力矩电机驱动器45通过螺钉安装在力矩电机安装壳30的外表面上。电压转换器43和2个多芯的输入/输出插头39固定在下护壳31底面，1个插头给电动方向盘I内的力矩电机32、力矩电机驱动器45、电磁离合器24提供直流电源和角度传感器15的信号输入，1个插头给电磁比例调速阀701、三位四通电磁换向阀702的线圈提供控制信号，并输出转轴23绝对转角。
如图17和图18所示，根据本实施例，优选的，所述电滑环转子28的转环2801和电滑环定子29的定环2901由绝缘材料制成。定环2901分层装有2条互不相通的导电环2903，分别与定环2901外表面的接线柱2902相连。转环2801装有弹性材料制成的导电动触头2802，分别与转环2801端面的导电柱2803相连。电滑环定子29的导电环2903与电滑环转子28的动触头2802保持旋转接触，给随行星架35旋转的电磁离合器输入盘24供电。
如图19所示，根据本实施例，优选的，所述全液压转向装置III由油泵46、分流阀6、全液压转向器5、溢流阀49、单向阀703、转向油缸4L、转向油缸4R、滤油器47和液压油箱48组成。当方向盘8不转动时，全液压转向器5的转阀阀芯处于中间位置，从油泵46来的压力油从P口进入转阀后，不经过计量马达而直接从T口流回油箱48，通向转向油缸的A口和B口处于关闭状态。当方向盘8右转时，全液压转向器5的计量马达转子被转向传动轴10带动右转，转阀阀芯右转，P口的液压油通过计量马达后，从A口进入转向油缸，使车轮左偏转。从转向油缸流出的液压油经B口回油箱49。当方向盘8停止转动时，计量马达停止转动，转阀在回位弹簧的作用下转动到阀芯的中间位置，P口的压力油重新回液压油箱49，A口和B口又处于关闭状态。由于计量马达与方向盘8联动，计量马达所转过的圈数与方向盘的转角成正比。所以，在全液压转向器5无内部泄露的情况下，理论上进入转向油缸的液压油流量与方向盘的转角成正比，方向盘8的转角与转向轮的偏角一一对应。同理，方向盘左转时的情况与右转时相反。当液压油源发生故障，不能给转向油缸供油时，用手动转动方向盘8带动计量马达转子转动，这时计量马达起到泵的作用，吸开全液压转向器5内的单向阀向转向油缸供油，实现手动转向。由于此时的转向动力由人力产生，操作方向盘的手感会变的沉重。
根据本实施例，优选的，为了保证全液压转向器5内部润滑和防止卡死，全液压转向器5的阀套与壳体间存在微小间隙配合，在压力油大压差作用下会产生内泄漏。随着使用时长加大，阀套与壳体的磨损越大，内泄漏加剧。内泄漏使全液压转向器5分配给转向油缸的流量减小，导致转向油缸行程不足，造成车轮实际偏角小于期望偏角。这种转向轮偏角误差长期积累，对应转向轮中位的方向盘8上的手球19位置不断变动，手球19丧失中位指示功能，从而影响驾驶员对转向轮偏转角度位置的判断，不利于驾驶的安全性。因此转向油缸补油装置IV，是从分流阀6并联分流出来，通过由电磁比例调速阀701、三位四通电磁换向阀702、单向阀703组成的组合阀7来实现对全液压转向器5内泄露进行实时供油补偿。
如图20所示，根据本实施例，优选的，所述转向系统的电气元件由蓄电池组供2直流电，经过稳压模块和电压转换器43，供电给角度传感器15、贯通式编码器34、力矩电机驱动器45、继电器44和控制器板41。所述电动方向盘I的控制器板41通过继电器44对三位四通电磁换向阀702的线圈得电或失电控制。当方向盘8右转时，三位四通电磁换向阀702的左线圈得电、右线圈失电，三位四通电磁换向阀702处于左位，油液补向左侧管路到转向油缸；当方向盘8左转时，三位四通电磁换向阀702的右线圈得电、左线圈失电，三位四通电磁换向阀702处于右位，油液补向右侧管路到转向油缸；当方向盘8停转时，左线圈和右线圈均失电，三位四通电磁换向阀702处于中位，由阀芯中位机能限制停止补油。电磁比例调速阀701的供电电压按全液压转向器的内泄漏量设定，稳定转向油缸补油装置IV的补油量。这样，不管方向盘8是手动还是电动，全液压转向装置III和转向油缸补油装置IV同时向转向油缸供油。
如图21所示，根据本实施例，优选的，所述电动方向盘I的控制器板41接收切换开关信号，发出指令给继电器44使电磁离合器24得电或失电，使电磁离合器输入盘2402与电磁离合器输出盘2401结合或分离，电动方向盘I处于电动或手动模式。当电动方向盘I处于手动模式时，控制器板41发出指令给力矩电机驱动器45，使力矩电机32停转，转向系统的运行控制方式采用单闭环PD控制。方向盘8转动时，由编码器获得方向盘8带动转轴23的实际转角。将方向盘实际转角作为方向盘期望转角，控制器板41的控制程序由图22标定出的转向轮偏角与方向盘转角关系获得转向期望偏角。控制器板41发送指令给继电器44使组合阀7动作给转向油缸补油。角度传感器15反馈转向轮偏转角度，与转向轮期望偏角比较，若偏角差值达到误差允许值，组合阀不再补油，控制器板41发送指令给继电器44使三位四通电磁换向阀702处于中位。这样，保证方向盘8上的手球19具有稳定的零位，方向盘转角与转向轮偏角形成确定的一一对应关系，利于驾驶员操控车辆，提高了驾驶安全性。
如图22所示，根据本实施例，优选的，受全液压转向装置III极限位置限制，设定左转方向盘到左极限位置对应转向轮3R左转到最大左偏角θmn；右转方向盘到右极限位置对应转向轮3R右转到最大右偏角θmax。转向车轮回正时，角度传感器15角度值标定为零度，对应电动方向盘I的贯通式编码器34转角为零度，方向盘手球19位于正上方位置。控制器板41接收上位机发出的转向轮转向与转角指令时，标定贯通式编码器34与角度传感器15实时采集的角度信号，使转向轮偏角与方向盘转角形成确定对应关系。
根据本实施例，优选的，当电动方向盘I处于电动模式时，控制器板41发出指令给力矩电机驱动器45，使力矩电机32按指令正转或反转，转向系统的运行控制方式采用双闭环PD控制。控制器板41接收上位机的转向轮期望偏角信号，由图22标定出的转向轮偏角与方向盘转角关系获得方向盘期望转角。方向盘8转动时，由贯通式编码器34获得方向盘8带动转轴23的实际转角，与方向盘期望转角比较后，控制器板41发出指令给力矩电机驱动器45使力矩电机32按指令转动。同时，控制器板41发送指令给继电器，使组合阀7动作给转向油缸补油。若方向盘实际转角与方向盘期望转角满足误差要求，力矩电机32停转。角度传感器15反馈车轮偏转角度，与转向轮期望偏角比较，若转向轮偏角差值达到误差允许值，组合阀7不再补油，三位四通电磁换向阀702处于中位。当车辆自动驾驶时，该系统能提供可靠的转向控制。以转向轮转角为零作为基准参考，根据标定出的转向轮偏角与方向盘转角关系，所述转向系统具有方向盘相位感知和位置保持功能，可给上位机实时提供方向盘绝对转角和车轮实际偏角。
根据本实施例，优选的，所述电动方向盘I的控制器板41接收上位机发出的方向盘转向与转角指令，由于有监测转向轮偏角的角度传感器15和贯通式编码器34的反馈，电动方向盘I在达到转向轮极限位置时自动停转，无需堵转报警。若角度传感器15发生故障，依靠贯通式编码器34的角度反馈，力矩电机32带动方向盘8也不会超越方向盘极限位置。若角度传感器15和贯通式编码器34同时发生故障，则控制器板41发出故障报警，电磁离合器24处于分离状态，力矩电机32停转。此时，该转向系统保持常规转向系统功能，仍可由人工操作方向盘。
本发明既适用于前转向农用车辆，如轮式拖拉机、乘坐式插秧机，也适用于后转向车辆如玉米收获机、小麦收获机，既可以满足复杂道路转运条件下手动驾驶车辆，也可实现轮式农机田间作业的自动驾驶作业。
应当理解，虽然本说明书是按照各实施方式描述的，但并非每实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动方向盘，其特征在于，包括方向盘(8)、手球(19)、转轴(23)、行星齿轮组、电磁离合器(24)、电滑环、力矩电机安装壳(30)、力矩电机(32)、贯通式编码器(34)、控制器板(41)和力矩电机驱动器(45)；
所述手球(19)设于方向盘(8)上；
所述方向盘(8)设于电磁离合器(24)上；
所述电磁离合器(24)设于转轴(23)上；
所述电滑环连接于电磁离合器(24)下方；
所述行星齿轮组设于转轴(23)上，且与电滑环底部连接；
所述力矩电机(32)设于行星齿轮组下方，力矩电机(32)输出端与行星齿轮组连接，力矩电机(32)外部设有力矩电机安装壳(30)；
所述贯通式编码器(34)设于转轴(23)上，用于检测转轴(23)转动角度。
控制器板(41)、继电器(44)和力矩电机驱动器(45)设于力矩电机安装壳(30)外部。
2.根据权利要求1所述的电动方向盘，其特征在于，所述电磁离合器(24)包括电磁离合器输出盘(2401)和电磁离合器输入盘(2402)；
所述电磁离合器输出盘(2401)设于转轴(23)上，并与方向盘(8)连接；
所述电磁离合器输入盘(2402)可选择的雨电磁离合器输出盘(2401)连接，且电磁离合器输入盘(2402)与电滑环连接。
3.根据权利要求1所述的电动方向盘，其特征在于，所述电滑环包括电滑环转子(28)和电滑环定子(29)；
所述电滑环转子(28)设于电滑环定子(29)上方，电滑环转子(28)与电磁离合器(24)连接；电滑环定子(29)与行星齿轮组连接；
所述电滑环转子(28)包括转环(2801)、动触头(2802)和导电柱(2803)；动触头(2802)可移动的设于转环(2801)上，导电柱(2803)设于动触头(2802)上；
所述电滑环定子(29)包括定环(2901)、接线柱(2902)和导电环(2903)；接线柱(2902)设于定环(2901)上，导电环(2903)设于接线柱(2902)上，导电环(2903)与导电柱(2803)接触。
4.根据权利要求1所述的电动方向盘，其特征在于，所述行星齿轮组包括行星架(35)、内齿轮(25)、行星齿轮(26)和中心齿轮(27)；
所述行星架(35)设于电滑环上；
所述内齿轮(25)设于力矩电机安装壳(30)上；
所述行星齿轮(26)设于行星架(35)上，并分别与中心齿轮(27)和内齿轮(25)啮合；
所述中心齿轮(27)设于转轴(23)上。
5.根据权利要求1所述的电动方向盘，其特征在于，所述控制器板(41)分别与贯通式编码器(34)和力矩电机驱动器(45)连接，接收贯通式编码器(34)检测的转动角度信息，控制力矩电机驱动器(45)驱动力矩电机(32)转动。
6.一种轮式农机转向系统，包括权利要求1-5任意一项所述的电动方向盘(I)，其特征在于，还包括转向传动轴(10)、转向轮偏角检测装置(II)、全液压转向装置(III)和转向油缸补油装置(IV)；
所述电动方向盘(I)通过转向传动轴(10)与全液压转向装置(III)连接；
所述全液压转向装置(III)用于带动转向轮转动；
所述转向轮偏角检测装置(II)与电动方向盘(I)连接，用于检测转向轮偏角并传递给电动方向盘(I)；
所述转向油缸补油装置(IV)与电动方向盘(I)和全液压转向装置(III)连接，用于根据电动方向盘(I)的信号对全液压转向装置(III)进行补油。
7.根据权利要求6所述的轮式农机转向系统，其特征在于，所述转向轮偏角检测装置(II)包括角度传感器(15)、转向节(17)和转向立轴连接盘(18)；
所述角度传感器(15)设于转向立轴连接盘(18)上；
所述转向节(17)设于转向立轴连接盘(18)，转向节(17)包括转向臂(171)和转向立轴(172)；
所述全液压转向器装置带动转向立轴(172)时，角度传感器(15)检测转向立轴(172)的转角获得转向轮偏角。
8.根据权利要求6所述的轮式农机转向系统，其特征在于，所述全液压转向装置(III)包括油泵(46)、分流阀(6)、全液压转向器(5)、单向阀(703)、滤油器(47)和液压油箱(48)；
液压油箱(48)、滤油器(47)、油泵(46)、分流阀(6)、全液压转向器(5)和液压油箱(48)依次组成液压回路，其中油泵(46)和液压油箱(48)之间还设有溢流阀(49)；
全液压转向器(5)通过转向油缸带动转向轮转动。
9.根据权利要求8所述的轮式农机转向系统，其特征在于，所述转向油缸补油装置(IV)包括电磁比例调速阀(701)、三位四通电磁换向阀(702)和单向阀(703)；
转向油缸补油装置(IV)与分流阀(6)并联，电磁比例调速阀(701)与分流阀(6)连接，三位四通电磁换向阀(702)与电磁比例调速阀(701)连接，单向阀(703)与电磁比例调速阀(701)和转向油缸连接，电磁比例调速阀(701)与控制器板(41)连接。
10.根据权利要求6所述的轮式农机转向系统，其特征在于，所述电动方向盘(I)与三位四通电磁换向阀(702)连接；
方向盘(8)转动时，贯通式编码器(34)获取转轴(23)的实际转动角度，转向轮偏角检测装置(II)获取转向轮实际偏角，均传递给控制器板(41)；若方向盘(8)实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板(41)控制力矩电机(32)停转；若方向盘(8)实际转动角度与期望转动角度满足误差要求，控制器板(41)控制力矩电机(32)转动；若转向轮实际偏角与期望偏角满足误差，控制器板(41)控制转向油缸补油装置(IV)不对全液压转向装置(III)进行补油；若转向轮实际偏角与期望偏角不满足误差，控制器板(41)控制转向油缸补油装置(IV)对全液压转向装置(III)进行补油。
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