一种原地转向装置、工程机械及推土机控制方法与流程

本发明涉及推土机技术领域，尤其涉及一种原地转向装置、工程机械及推土机控制方法。

背景技术

对于推土机等重型工程机械，在工作过程中往往需要进行转向以适应不同的作业，如普通左转向、普通右转向、差速转向和原地转向。其中，原地转向是指在车辆停止时转动转向操作装置，使得车辆围绕车体中心某点进行转向的一种方式。具体地，在受限空间，推土机需要转向掉头时，若不能原地转向，则需要反复进出，不仅浪费时间，而且增加油耗，可操控性也较差，目前国内的推土机，一般采用差速转向控制系统来实现原地转向，当需要原地转向时，切断变速箱的动力，启动马达，推土机处于非工作状态，即处于空档处。相对于不带差速机构的工程机械，带差速机构的工程机械，虽然结构相对复杂，但是其能够实现原地转向且工作时转弯半径相对小，能够较好适应狭小空间作业要求。

专利“cn103318247b，一种工程机械及其转向装置”中虽然也能够实现原地转向，但是其转向时，转向动力经马达输出齿轮传至转向齿轮，转向齿轮分别与惰轮和一侧太阳轮啮合，惰轮与另一侧太阳轮啮合，其结构设计复杂，且不够紧凑。同时该专利的技术方案中的转向结构，正常直线行驶时，动力由两侧的行星齿圈输入动力、太阳轮制动、行星架输出动力。在原地转向时，动力由两侧的太阳轮输入动力、行星齿圈制动、行星架输出动力。这就使得正常直线行驶时，由于发动机功率输出较大，其转向制动的减速比相对较小，进而使得终传动结构的减速比相对较大且结构复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种原地转向装置、工程机械及推土机控制方法，用于解决现有技术中推土机原地转向结构中存在的结构不紧凑、体积大，油耗大且转向时间长的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种原地转向装置，包括：

中央传动轴，连接于变速结构的输出端，所述变速结构用于控制输出的转速；

行星排，设置于所述中央传动轴的两端，所述行星排的太阳轮连接于所述中央传动轴，所述行星排的行星架连接于输出轴，所述输出轴连接于终传动结构；

马达，其输出端设置有马达输入侧小伞齿轮，所述马达输入侧小伞齿轮与所述行星排的行星齿圈的伞齿轮部啮合。

优选地，还包括制动器，所述行星排的行星架连接于制动器，且连接于所述行星排的行星轮，所述中央传动轴连接于所述太阳轮，所述行星齿圈的内齿轮部与所述行星轮啮合。

优选地，所述变速结构经伞齿轮组连接于所述中央传动轴，所述伞齿轮组包括动力输入侧小伞齿轮和与所述动力输入侧小伞齿轮啮合的动力输入侧大伞齿轮，所述动力输入侧大伞齿轮设置于所述中央传动轴。

优选地，还包括电控模块，所述电控模块包括控制对应档位的功能块，及连接于对应档位的所述功能块的电控按钮和压力开关，以及连接于所述功能块的手柄；

所述电控按钮用于控制动作的开关，所述压力开关用于判断液压油路内的油压；

所述功能块用于接收和处理所述电控按钮、所述压力开关和所述手柄状态信息的电信号，并输出电信号控制对应档位的阀动作。

优选地，还包括并联设置的液压油路，所述液压油路分别驱动对应的档位离合器松开或闭合；

原地转向时，通过所述液压油路和所述电控模块控制所述太阳轮制动，使所述变速结构内的ⅰ档离合器和ⅱ档离合器同时闭合。

优选地，所述马达输入侧小伞齿轮与所述马达的输出端之间设置有圆锥滚子轴承。

本发明还提供了一种工程机械，包括所述的原地转向装置。

本发明还提供了一种推土机控制方法，利用所述的原地转向装置，该方法包括以下步骤：

推土机正常行驶时，马达不工作，变速结构输出的动力经所述变速结构传递至中央传动轴，并传递至行星排的行星架，最后经输出轴传递至终传动结构；

推土机原地转向时，所述变速结构不输出动力，所述行星排的太阳轮制动，所述马达输出的动力经马达输入侧小伞齿轮所述行星排的行星齿圈的伞齿轮部传递至行星架，最后，经所述行星架和所述输出轴传递至所述终传动结构。

优选地，推土机原地转向时，ⅰ档离合器和、ⅱ档离合器同时闭合。

优选地，通过触发所述原地转向装置的电控模块的电控按钮将所述电控按钮产生的电信号传递至对应档位的功能块，并通过所述电控模块的功能块识别推土机的手柄的状态信息；

同时，通过所述电控模块的压力开关判断液压油路内的油压，并将电信号传递至对应档位的功能块；

所述功能块处理所述电控按钮、所述压力开关和所述手柄的状态信息的电信号，并输出电信号控制对应档位的相关阀工作。

本发明的有益效果：

本发明中通过设计马达输入侧小伞齿轮，省去了传统推土机通过增加惰轮实现原地转向的复杂结构，使其同时与左右行星排的行星齿圈上的伞齿轮部啮合即可实现转向功能，使得推土机驾驶室高度降低，结构简单紧凑，占用空间少。由于推土机可以实现原地转向，在受限的空间内，需要转向掉头时，推土机只需少量进出即可实现掉头，不需要反复进出，节约了时间。

同时，因本发明中的原地转向装置使推土机原地转向的转弯半径小，还具有降低油耗，可操控性好的优点。相较于不能实现原地转向的推土机，该可实现原地转向的推土机在不同工况下能够快速、灵活地转向，机动性更好。

附图说明

图1是本发明的推土机的动力传动结构示意图；

图2是本发明的原地转向装置的结构示意图；

图3是本发明的变速箱内控制各档位离合器的液压油路的示意图；

图4是本发明的变速箱电控前进档功能模块的工作程序；

图5是本发明的变速箱电控后退档功能模块的工作程序；

图6是本发明的变速箱电控ⅰ档功能模块的工作程序；

图7是本发明的变速箱电控ⅱ档功能模块的工作程序；

图8是本发明的变速箱电控ⅲ档功能模块的工作程序。

图中：

1、中央传动轴；2、变速结构；3、行星排；31、行星齿圈；311、伞齿轮部；32、太阳轮；33、行星架；34、行星轮；

4、输出轴；

5、马达；6、马达输入侧小伞齿轮；

7、制动器；

8、动力输入侧小伞齿轮；

9、动力输入侧大伞齿轮；

10、圆锥滚子轴承；11、发动机动力系统；12、液压油路；13、终传动结构；14、支撑轴承；15、前进档位功能块；16、后退档位功能块；17、ⅰ档档位功能块；18、ⅱ档档位功能块；19、ⅲ档档位功能块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明的目的是提供一种原地转向装置，该转向装置可以实现工程机械的原地转向，且结构紧凑，从而节约时间和降低油耗。本发明的另一目的是提供一种包括上述原地转向装置的工程机械。

如图1和图2所示，为某推土机的动力传递示意图，推土机的动力系统主要包括发动机动力系统11，变速结构2、原地转向装置。其中变速结构2为推土机的变速箱，用于控制推土机在各个档位下工作时的输出转速。动力经发动机输出，传递至变速箱中，变速箱通过伞齿轮组啮合将动力传递至控制推土机转向的转向结构，分别经两侧传递至终传动结构13。

如图1所示，该实施例中变速箱结构为五个行星排结构，变速箱内的各个档位行星排包括第一档位行星排ⅰ、第二档位行星排ⅱ、第三档位行星排ⅲ、前进档行星排f和倒档行星排r。其中，变速箱输入端动力来自于发动机动力系统11中的发动机。

推土机的原地转向装置包括中央传动轴1，中央传动轴1连接于变速箱的输出端，中央传动轴1的两侧设有左右行星排3，行星排3包括行星齿圈31、行星轮34、行星架33和太阳轮32。

上述变速箱通过伞齿轮组啮合将动力传递至原地转向装置，其中伞齿轮组包括动力输入侧小伞齿轮8和动力输入侧大伞齿轮9，动力输入侧小伞齿轮8连接推土机的变速箱的输出端，动力输入侧小伞齿轮8与动力输入侧大伞齿轮9啮合，动力输入侧大伞齿轮9与中央传动轴1连接。

此外，中央传动轴1由左右对称的支撑轴承14支撑，中央传动轴1还与太阳轮32花键连接，支撑轴承14外侧为太阳轮32，太阳轮32为渐开线圆柱直齿轮，太阳轮32还与行星轮34外啮合，行星轮34与行星架33连接传动，行星架33与输出轴4花键连接输出动力至终传动结构13。

上述行星轮34的数量为多个，可根据结构空间布置，本实施例中行星轮34为三个，行星轮34为渐开线圆柱直齿轮，三个所述行星轮34设置在行星架33上，行星轮34还与行星齿圈31内啮合，行星齿圈31内侧为渐开线圆柱内齿轮部，外侧为伞齿轮部311，行星齿圈31的内齿轮部与行星轮34啮合，行星齿圈31外侧伞齿轮部311的一侧与马达输入侧小伞齿轮6啮合，马达输入侧小伞齿轮6依靠圆锥滚子轴承10支撑，马达输入侧小伞齿轮6还与马达5花键连接。

行星排3的行星架33还与制动器7连接，制动器7为常闭式离合器，常闭式状态是指推土机发动机熄火时，两侧制动器7内部摩擦片与外齿片均闭合起到制动作用。

推土机的发动机工作，进行空档、前进或后退动作时，两侧的制动器7的内部摩擦片与外齿片分离，不起制动作用。推土机发动机工作，进行左转向或者右转向时，一侧制动器7内部摩擦片与外齿片分离，不起制动作用，另一侧制动器7内部摩擦片与外齿片闭合，起制动作用。

此外，上述原地转向装置还包括电控模块和并联设置的液压油路12，电控模块包括控制各个档位的功能块，以及连接于功能块的电控按钮和压力开关。电控按钮为触发各个相关动作的阀动作的开关，压力开关用于判断液压油路12内的油压。功能块用于接收和处理电控按钮和压力开关的电信号，并输出电信号控制推土机的动作。

推土机正常行驶时，通过并联的液压油路12和电控模块使得如图1所示中的变速箱的ⅰ档离合器和ⅱ档离合器松开，然后通过闭合正常行驶所需档位的对应的离合器，即可实现正常行驶。如推土机以前进ⅰ档行驶，则同时闭合前进档离合器和ⅰ档离合器。推土机正常行驶时，马达5不工作，由于马达5与马达输入侧小伞齿轮6连接，马达输入侧小伞齿轮6又与左右行星排3的行星齿圈31连接，进而行星齿圈31制动，动力由变速箱的动力由动力输入侧小伞齿轮8输入，经动力输入侧大伞齿轮9-中央传动轴1-两侧的太阳轮32-两侧的行星轮34-两侧的行星架33-两侧的输出轴4，两侧输出同速同向转动。

此时，计算动力输入侧小伞齿轮8到输出轴4的总传动比如下：

右侧传动路线的传动比为：(z2/z1)×[1+(z4/z3)]；

左侧传动路线的传动比为：(z2/z1)×[1+(z4/z3)]；

其中，z1表示动力输入侧小伞齿轮8的齿数，z2表示与动力输入侧大伞齿轮9的齿数，z3表示太阳轮32的齿数，z4表示与行星轮34啮合的行星齿圈31的内齿轮部的齿数。

由以上可以看出，右侧传动路线和左侧传动路线由动力输入侧小伞齿轮8到输出轴4的总传动比大小相等，方向相同。也就是说，推土机正常行驶时，动力输入侧小伞齿轮8的动力向输出轴4传递的动力大小相等、方向相同。即左右两侧的输出轴4的动力输出大小相等、方向相同。

在推土机原地转向时，马达5为推土机的原地转向提供动力，上述原地转向结构中由马达5提供的动力经马达输入侧小伞齿轮6和行星齿圈6的伞齿轮部311啮合来实现动力传动。因相对车体中心，两侧的行星排3对称布置。此时，动力由马达5传递至两侧行星排3的行星齿圈31，再经行星齿圈31传递至行星架33，最后经输出轴4传递至终传动结构13。此时，车体中心两侧的行星排3的太阳轮32处于制动状态。

具体地，推土机原地转向时，通过并联的液压油路12和电控模块使得图1所示中的变速箱的ⅰ档离合器和ⅱ档离合器同时闭合，变速箱动力输入侧小伞齿轮8制动，传来的动力切断，由于动力输入侧小伞齿轮8与动力输入侧大伞齿轮9啮合，动力输入侧大伞齿轮9与中央传动轴1连接，中央传动轴1又与太阳轮32连接，进而原地转向装置中行星排3的太阳轮32制动。

此时动力由马达5输入，具体地，转向动力经马达5输出至马达输入侧小伞齿轮6，马达输入侧小伞齿轮6分别与左右行星排3的行星齿圈31的伞齿轮部311啮合。左右行星排3的行星齿圈31输入大小相等，方向相反的动力，而此时太阳轮32制动，左右行星架33分别输出大小相等、方向相反的动力，实现原地转向。马达5可以实现逆时针和顺时针两个方向转向，进而可实现向左原地转向和向右原地转向。

推土机原地转向时，变速箱的转速为零，即推土机处于空档位置，动力输入侧小伞齿轮8传递的动力切断。此时，启动马达5，马达5输出的动力经两路传递，动力传递路线为：

右侧传动路线：动力由马达5输出，马达输入侧小伞齿轮6输入，经与右侧行星齿圈31的伞齿轮部311啮合动力传递至右侧行星齿圈31-右侧行星轮34-右侧行星架33-右侧输出轴4。

左侧传动路线：动力由马达5输出，马达输入侧小伞齿轮6输入，经与左侧行星齿圈31的伞齿轮部311啮合动力传递至左侧行星齿圈31-左侧行星轮34-左侧行星架33-左侧输出轴4；

上述右侧、左侧传动路线自太阳轮32到输出轴4的传动部件相同，只是马达输入侧小伞齿轮6同时与左右行星排3的行星齿圈31啮合，输出大小相等方向相反的动力，计算马达5到行星齿圈31的传动比如下：

右侧传动路线的传动比为：-z6/z5；左侧传动路线的传动比为：z6/z5。

其中，z5表示马达输入侧小伞齿轮6的齿数，z6表示与马达5输入侧大伞齿轮啮合的行星齿圈31的伞齿轮部311的齿数。

此时计算行星齿圈31到输出轴4的传动比如下：

右侧传动路线的传动比为：1+(z3/z4)；

左侧传动路线的传动比为：1+(z3/z4)；

其中，z3表示太阳轮32的齿数，z4表示与行星轮34啮合的行星齿圈31的内齿轮部的齿数。

这样计算动力由马达5传递至输出轴4的总传动比如下：

右侧传动路线的传动比为：(-z6/z5)×[1+(z3/z4)]；

左侧传动路线的传动比为：(z6/z5)×[1+(z3/z4)]；

由以上可以看出，右侧传动路线和左侧传动路线由马达5到输出轴4传动比大小相等，方向相反。也就是说，启动马达5后，根据行星排原理，左右两侧行星齿圈31的动力输入大小相等、方向相反，并且太阳轮32制动，所以左右两侧行星架33输出大小相等、方向相反的作用力，从而使推土机实现原地转向。

当推土机原地转向结束后，再同时将变速箱内闭合的ⅰ档离合器和ⅱ档离合器通过液压油路12和电控模块松开，操作人员即可根据需要进行推土机的下一步动作。

当推土机差速转向时，来自变速箱的动力切断，马达5启动，此时，变速箱内所有档位离合器均松开，此时太阳轮32空转，消耗部分动力。马达5输出的动力传递路线与上述推土机原地转向时一致，不再赘述，即左右两侧行星齿圈31的动力输入大小相等、方向相反，由于此时左右两侧的太阳轮32未制动，又左右两侧太阳轮32为一连接件，存在动力输出，即太阳轮32的动力输出通过中央传动轴1、动力输入侧大伞齿轮9和变速箱输入侧小伞齿轮传递至变速箱内的档位行星排和相关的齿轮组件，通过其空转将动力消耗掉，因此，左右两侧行星排3的行星架33输出大小不相等、方向相反的作用力，推土机向速度较慢的一侧转向，从而实现推土机的差速转向。

图3为推土机变速箱内控制各档位离合器的液压油路的示意图。控制变速箱内各档位的液压油路12并列设置，亦即各档位离合器的闭合或松开互不干扰，可以根据需要分别闭合或松开。

如图4-图8为推土机的各个档位的功能模块的工作程序。上述电控模块包括分别为电控ⅰ档功能模块、电控ⅱ档功能模块、电控ⅲ档功能模块、电控后退档功能模块和电控前进档功能模块。上述各个功能模块均包括功能块、电控按钮和压力开关，上述电控按钮用于控制动作的开关，压力开关用于判断液压油路12内的油压；上述各个档位的功能块用于接收和处理电控按钮和压力开关的电信号，并输出电信号控制对应档位的阀动作。

上述各个功能模块能够识别档位信息，并加入手柄状态识别。当手柄处于前进档或者后退档时，推土机相应档位能够闭合，推土机能够直线行驶。如推土机以前进ⅰ档行驶，则通过电控前进档功能模块和电控ⅰ档功能模块，同时闭合前进档离合器和ⅰ档离合器，同时通过其他的液压油路控制转向制动中的两侧制动器7均分离。

手柄处于左转向或者右转向时，推土机相应档位能够闭合，推土机能够转向行驶，如推土机以前进ⅰ档转向，则通过电控前进档功能模块和电控ⅰ档功能模块，同时闭合前进档离合器和ⅰ档离合器，同时通过其他的液压油路控制转向制动中的两侧制动器7一个闭合，另外一个分离。

当手柄处于中位，并且原地转向时，通过电控ⅰ档功能模块和电控ⅱ档功能模块的指令，同时闭合ⅰ档离合器和ⅱ档离合器，同时通过其他的液压油路控制转向制动中的两侧制动器7均分离，变速箱内的动力输入侧的小伞齿轮处于制动状态，无动力输出，进而能够通过马达驱动实现原地转向。

具体地，以前进档位说明，如图4所示，当档位信号大于0时，为前进档位信息，通过压力开关判断液压油路12是否建立油压，进而通过前进档位功能块15，实现前进档的变量终端输出，进而控制相关阀的开度实现油压改变逐步达到规定的水平，进而实现前进档位。

以后退档位说明，如图5所示，当档位信号小于0时，为后退档位信息，通过压力开关判断液压油路12是否建立油压，进而通过后退档位功能块16，实现后退档的变量终端输出，进而控制相关阀的开度实现油压改变逐步达到规定的水平，进而实现后退档位。

以ⅰ档档位说明，如图6所示，当档位信号等于1时，为ⅰ档档位信息，通过压力开关判断液压油路12是否建立油压，进而通过ⅰ档档位功能块17，实现ⅰ档的变量终端输出，进而控制相关阀的开度实现油压改变逐步达到规定的水平，进而实现ⅰ档档位。

以ⅱ档档位说明，如图7所示，当档位信号等于2时，为ⅱ档档位信息，通过压力开关判断液压油路12是否建立油压，进而通过ⅱ档档位功能块18，实现ⅱ档的变量终端输出，进而控制相关阀的开度实现油压改变逐步达到规定的水平，进而实现ⅱ档档位。

以ⅲ档档位说明，如图8所示，当档位信号等于3时，为ⅲ档档位信息，通过压力开关判断液压油路12是否建立油压，进而通过ⅲ档档位功能块19，实现ⅲ档的变量终端输出，进而控制相关阀的开度实现油压改变逐步达到规定的水平，进而实现ⅲ档档位。

以上在前进、后退、ⅰ档、ⅱ档和ⅲ档档位功能块工作时，可以设定一定的时间进行控制相关阀的开度，进而使得换档平稳，减少冲击和油压精确等优点，进而相对普通手柄操作相关阀的开闭，电控换档具有更加响应准确，舒适性好的优点。

与现有技术相比，本实施例中提供的转向装置在推土机原地转向时，两侧行星齿圈31输入大小相等、方向相反的动力，通过并联的液压油路12和电控模块借助变速箱现有结构使得变速箱动力输入侧小伞齿轮8制动，进而使中央传动轴1两侧行星排3的太阳轮32制动，从而行星架33可以输出大小相等、方向相反的作用力。

当推土机不进行原地转向时，该原地转向装置动力由两侧的太阳轮32输入动力、行星齿圈31制动、行星架33输出动力，这使得其转向制动部分的减速比更大，进而使得终传动结构13的减速比设计可相对较小，使得推土机整体结构较紧凑。

在原地转向时，通过设计合适的马达5的输出功率，使得动力由两侧的行星齿圈31输入动力、太阳轮32制动、行星架33输出动力能够满足使用要求。同时通过巧妙设计马达输入侧小伞齿轮6，省去传统推土机通过增加惰轮实现原地转向的复杂结构，使其同时与左右行星排3的行星齿圈31上的伞齿轮部311啮合即可实现转向功能，使得推土机驾驶室高度降低，结构简单紧凑，占用空间少。由于推土机可以实现原地转向，在空间受限需要转向掉头时，推土机只需少量进出即可实现掉头，不需要反复进出，节约时间。同时，因推土机原地转向的转弯半径小，还具有降低油耗，可操控性好的优点。

相较于不能实现原地转向的推土机，该可实现原地转向的推土机在不同工况情况下能够快速、灵活地转向，机动性更好。

同时，相对于采用中央传动轴1处专门增加制动离合器结构，本实施例中的推土机转向时，采用并联设置液压油路12和电控模块控制方式使得现有变速箱内的第一档位离合器ⅰ和第二档位离合器ⅱ同时闭合，实现变速箱输入侧小伞齿轮制动、进而制动太阳轮32，实现原地转向。

除了上述原地转向装置外，本发明还提供一种工程机械，该工程机械的其他结构可参考现有技术，这里不再赘述。本发明除了用于推土机外，还可以用于推耙机、装载机等其他类似工程机械结构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。