专利名称：用于城市快速公交系统的客车底盘铰接系统及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于城市快速公交系统(Bus Rapid Transit简称BRT)客车，具 体涉及发动机后置式客车的底盘铰接系统。
背景技术：
快速公交系统是一种介于快速轨道交通与常规公交之间的新型公共客运系统，是 一种大运量交通方式，通常也被称作“地面上的地铁系统”。城市快速公交系统客车一般是 由前、后两个车体组成的大型铰接车辆，前、后车体通过铰接装置铰接在一起。前车体有两 个车桥前车桥是转向桥，后车桥是支持桥；后车体只有一个驱动桥，位于后车体的后部。 发动机和传动装置都布置在后车体上，以满足城市快速公交系统客车低地板的要求。整个 客车是依靠后车体的推动向前行进，所以是顶推式铰接车辆，其传动布置方法使客车在行 驶时会产生一个绕转盘中心竖轴的转矩，这个转矩会改变车辆的驾驶特性，一是，如果铰接 系统太过无阻尼地转动，当地面提供给中轴车轮的侧向力较小时(如雨雪路面等)，车辆的 后车体就容易将中轴侧向推出，严重时前、后车体发生“V”型剪切；二是，如果在高速行驶 的过程中铰接系统太过无阻尼，车辆行驶就不会稳定，当在高速行驶时突然采取制动，由于 惯性力作用，车辆的中轴受到突然增大的推力，后车体容易将中轴推出，使车辆失稳；第三， 在转弯过程中，如果铰接系统阻尼过小，当车速较高时，容易发生V型剪切；如果阻尼较大， 在转弯过程中必要的转动会被阻止，前、后车体倾向于向前直行；当在转弯过程中突然采取 制动，由于惯性力的作用使中轴的转矩增大，此时当地面提供给中轴车轮的侧向力不足时， 前、后车体很容易发生V型剪切，造成事故。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术中客车铰接系统的中轴转矩造成车辆驾驶特性 改变的不足，提供一种能够随车辆运行状态变化而改变阻尼力的客车底盘铰接系统，以保 证城市快速公交系统客车的安全行驶。本发明的另一目的是提供该铰接系统安全行驶的工 作方法。本发明铰接系统采用的技术方案是由转盘装置，液压系统和系统控制单元E⑶ 组成，转盘装置包括连接于前转盘架和后转盘架之间的转盘，在转盘中心位置处活动连接 位于转盘垂直中心线上的顶杆，顶杆的上端自由端连接铰接角传感器；液压系统包括设置 于后转盘架上且随后转盘架转动的左液压缸、右液压缸、液压集成块、液压泵和储油罐，左 液压缸和右液压缸的液压臂上分别套有一个圆柱螺旋压缩弹簧，左液压缸和右液压缸的前 后腔交叉相接且油路通过液压集成块相通；系统控制单元ECU包括微处理器CPU及分别与 其连接的点火开关、车速传感器、转向盘角度传感器、铰接角传感器、倒车控制开关、液位传 感器、压力传感器、各个电磁阀、制动单元、发动机控制电路和液压泵。铰接系统的工作方法是包括系统控制单元E⑶先自检，系统控制单元E⑶通过铰 接角传感器判断前、后车体的铰接状态，在客车达到最大安全转弯转角时圆柱螺旋压缩弹簧压缩至最短且给前车体力矩以抵消驱动力在转盘中心处产生的转矩，在车辆方向回正过 程中使后车体回到直线行驶位置；当铰接角传感器检测的铰接角不为0°时，圆柱螺旋压 缩弹簧的一侧受到压缩，系统控制单元ECU控制第一电磁阀和/或第二电磁阀的开启和关 闭来改变节流阀和/或另一节流阀的通、断状态，改变液压油的流速以改变阻尼力；当铰接 角为0°时，圆柱螺旋压缩弹簧由压缩状态回到自由状态，微处理器CPU发出控制信号使第 一、第二电磁阀关闭，左液压缸和右液压缸被锁死；当客车直行时，微处理器CPU接收到铰 接角为0°，使第一、第二电磁阀关闭，液压油由第二电磁阀的出油口流入不导通的节流阀， 左液压缸和右液压缸被锁死；客车倒车时，微处理器CPU接收到倒车控制开关的倒车信号 且判断，若转向盘角度传感器检测到转向盘未转向且铰接角传感器检测到铰接角为0°时， 关闭第一、二电磁阀使前、后车体作为一个整体运动；当微处理器CPU通过转向盘角度传感 器和铰接角传感器检测到转向盘转向角度不为零和/或铰接角不为0°时，系统控制单元 ECU发出控制信号使第一、二电磁阀打开。本发明的有益效果是1、本铰接系统的铰接装置具有铰接前、后车体和提供随车辆运行状况而改变的阻 尼力，是在现有的技术水平下生产城市快速公交系统客车用的铰接系统，制造成本低，有利 于实现城市快速公交系统客车的国产化，同样可用于其它发动机后置式大型铰接客车的底 盘铰接系统。2、在本铰接系统中加装了圆柱螺旋压缩弹簧，在大角度转弯时提供较大的力矩， 使车辆转弯时的稳定性增强。在车辆转弯至最大安全转弯转角时使圆柱螺旋压缩弹簧压缩 至最短，实现了对最大铰接角的自锁功能，将铰接角限制在最大安全转弯转角的范围内，可 防止第二桥发生侧滑以及前、后车体发生剪切。使用圆柱螺旋压缩弹簧后不用再使用其它 装置来限制铰接角的无限制增大，节省了成本。3、铰接系统工作时，系统控制单元ECU不仅提供了安全模式，而且提供了故障模 式，使车辆在出现故障后仍能安全低速地行驶到维修场所进行维修。4、微处理器CPU提供了与外设备进行诊断、升级的接口，当需要对系统控制单元 ECU进行升级时，可以通过此接口进行通信，节省了更换电气装置的成本，并且为车辆维护、 升级提供了方便。
图1是本发明铰接系统的结构示意图；图2是液压系统工作原理图；图3是电气控制原理框图；图中，1.前转盘架；2.转盘；3.顶杆；4.铰接角传感器；5.销轴；6.圆柱螺旋压缩 弹簧；7.储油罐；8.右液压缸；9.后转盘架；10.液压管；11.左液压缸；12.液压集成块； 13.电缆；14-1、14-2.单向阀；15.第一电磁阀；16.节流阀；17.第二电磁阀；18.节流阀； 19-1、19-2.单向溢流阀；20.第一接口 ；21.第二接口 ；22.单向阀；23.液压泵；24.第三接 口 ；25.蓄能器；26.接线端子。
具体实施例方式本发明城市快速公交系统客车底盘铰接系统由转盘装置，液压系统和系统控制单 元E⑶组成。如图1，转盘装置包括转盘2、与前车体相连的前转盘架1和与后车体相连的后转 盘架9，转盘2连接于前转盘架1和后转盘架9之间。液压系统包括液压泵23、左液压缸11 和右液压缸8。两个圆柱螺旋压缩弹簧6分别套在左液压缸11和右液压缸8的液压臂上， 当铰接角为0°时，圆柱螺旋压缩弹簧6以自由状态套在左液压缸11和右液压缸8的液压 臂上。圆柱螺旋压缩弹簧6前、后端分别由固定在左液压缸11和右液压缸8上的圆柱螺旋 压缩弹簧座支撑。左液压缸11和右液压缸8的前端分别用销轴5固定在转盘2的外轴承 瓦的后部，后端也用销轴固定在后转盘架9的后端。左液压缸11、右液压缸8、液压泵23、液 压集成块12、接线端子26以及储油罐7 —同固定安装在后转盘架9上，或者可以安装在其 它方便的位置。左液压缸11、右液压缸8、液压泵23、液压集成块12以及储油罐7通过液压 管10连接在一起，其中的液压泵23、液压集成块12以及储油罐7可以安装于左液压缸11 和右液压缸8之间。液压集成块12上安装有所有的液压阀。当车辆转弯时，左液压缸11、 右液压缸8、液压集成块12以及储油罐7随后转盘架9转动。在转盘2中心位置设置顶杆 3，顶杆3的下端活动连接于转盘2的中心位置，顶杆3的上端为自由端，顶杆3位于转盘2 的垂直中心线上，在顶杆3的上端自由端上安装铰接角传感器4，由顶杆3的上端自由端顶 起和放开，用于判断前、后车体的铰接角是否为0°。如图2所示，左、右液压缸11、8的前、后腔交叉相接通，这两个液压缸之间的油路 通过液压集成块12相通。左液压缸11通过液压管10与液压集成块12上的第一接口 20 相连，右液压缸8通过液压管10与液压集成块12上的第二接口 21相连。储油罐7与液压 泵23相连，液压泵23通过液压集成块12上的第三接口 24与液压集成块12相通，第三接 口 24通过单向阀22连接蓄能器25，蓄能器25分别连通单向溢流阀19_1、19_2，即单向溢 流阀19-1、19-2出油口与蓄能器25、单向阀22串联后于第三接口 24相通。在液压集成块 12上设置液压油路，将各个电磁阀15、17、单向溢流阀19-1和19-2都安装在液压集成块12 上。液压集成块12内部的液压油路设计如下第一接口 20通过串联一个单向阀14-1与 第一电磁阀15的进油口相通，第二接口 21同样串联另一个单向阀14-2与第一电磁阀15 的进油口相通；第一电磁阀15的出油口通过节流阀16与第二电磁阀17的进油口相连；第 二电磁阀17的出油口通过另一节流阀18与两只单向溢流阀19-1、19-2相通，两只单向溢 流阀19-1、19-2分别与第一接口 20、第二接口 21相通；节流阀16的出油口有一定的开度， 另一节流阀18的出油口完全关闭。将液压泵23的动力电机M以及各个电磁阀15、17分别 连接系统控制单元E⑶，系统控制单元E⑶内置微处理器CPU。当液压系统的压力过大时， 液压油通过单向溢流阀19-1和/或19-2流回蓄能器25。液压泵23用于向液压系统中泵 油，当液压系统的压力低于正常压力时，微处理器CPU接收到压力传感器的信号，并向液压 泵23发出控制信号，使液压泵23开始向液压系统泵油；油液经过单向阀22流入储能器25 以及液压管路中；压力恢复正常后停止泵油。如图3所示，系统控制单元E⑶包括微处理器CPU以及分别连接微处理器CPU的 各种开关、各个电磁阀、各种传感器、显示灯、制动单元、发动机控制电路和液压泵23等。本 发明微处理器CPU的信号输入端分别与车辆的点火开关、车速传感器、转向盘角度传感器、
6铰接角传感器4、倒车控制开关、液位传感器以及压力传感器相连；微处理器CPU的输出端 分别与第一、第二电磁阀15、17、位于仪表板上的显示灯和警示铃、制动单元、发动机控制电 路、液压泵23相连；微处理器CPU通过CAN总线与车辆电控系统相连；微处理器CPU还提 供诊断、升级的接口，可以与外部设备进行通信，对系统控制单元ECU进行升级。转向盘角 度传感器用于向微处理器CPU传递转向盘转向角的信息。压力传感器用于向微处理器CPU 传递液压系统内的压力信息。液位传感器位于储油罐7的内部，用于监测储油罐7内的液 压油量。当储油罐7内液压油的液位低于最低允许液位时，系统控制单元ECU通过液位传 感器监测到油量不足信号，并使铰接客车仪表板上的显示灯发出警示信号，提醒驾驶者。点 火开关用于向微处理器CPU传送车辆的点火信息。车速传感器向微处理器CPU传送车速信 息。倒车控制开关用于向微处理器CPU传送车辆倒车信息。本发明所有的接线端都通过图1中的电缆13与接线端子26相连，并与系统控制 单元E⑶连接。本发明在工作时，转盘装置主要实现对客车前、后车体的铰接功能，为客车在不同 的运行状态下提供不同的阻尼力。在车辆达到最大安全转弯转角时圆柱螺旋压缩弹簧6压 缩至最短，而且圆柱螺旋压缩弹簧6在车辆大角度转弯时可以给前车体一个较大的力矩， 防止中轴侧向滑出，同时在方向回正过程中，对后车体的弹簧力使后车体快速回到直线行 驶位置。液压系统通过控制液压回路通断的方法来限制转盘装置的铰接角的无限增大，当 铰接角传感器4检测的铰接角不为0°时，使圆柱螺旋压缩弹簧6的某一侧受到压缩，液压 系统中通过控制第一电磁阀15和/或第二电磁阀17的开启和关闭来改变节流阀16和/或 另一节流阀18的通、断状态，以此来改变液压系统中液压油的流速，进而改变阻尼力。在左 液压缸11和右液压缸8的液压臂上装圆柱螺旋压缩弹簧6的作用是在车辆大角度转弯时 给前车体一个较大的力矩，以抵消驱动力在转盘2中心处产生的转矩，防止中轴侧向滑出； 在车辆方向回正过程中，对后车体的圆柱螺旋压缩弹簧6的力使后车体快速回到直线行驶 位置；圆柱螺旋压缩弹簧6通过自身压高对铰接角有自锁功能，限制了前、后车体铰接角的 无限制增大。系统控制单元ECU主要用于控制液压系统中的两个电磁阀15、17、向制动单 元、发动机控制单元发出指令，控制车辆的车速，使客车安全行驶。系统控制单元ECU为铰接系统提供两种控制模式安全模式和故障模式。安全模 式是指在系统控制单元ECU检测铰接系统没有出现故障的情况下为铰接系统提供合理的 控制模式，以使车辆安全行驶；故障模式是指在系统控制单元ECU检测到第一电磁阀15和 /或第二电磁阀电磁阀17、铰接角传感器4、转向盘角度传感器、倒车控制开关等出现故障 的情况下为铰接系统提供特殊的控制模式，最大限度地保证车辆以及乘客的安全。当系统控制单元ECU通过点火开关检测到车辆点火启动时，系统控制单元ECU首先对 铰接系统进行一次自检，若检测后没发现系统故障，就进入安全模式，并且判断当前车辆铰接 状态；若发现故障，就进入故障模式。在车辆运行过程中，若检测到故障，同样进入故障模式。在故障模式下，铰接系统允许客车以低于15km/h的车速缓慢行驶。此时微处理 器CPU向警示铃发出信号，使警示铃鸣叫，警示驾驶者；微处理器CPU向车辆电控系统发出 信号，使车辆的紧急双闪灯闪亮，警示其它车辆和行人；微处理器CPU通过车速传感器采集 车速信号，当车速高于15km/h时，向制动单元发出制动信号，采取适当的制动，降低车速， 同时向发动机控制电路发出控制信号，控制发动机在合理的低速状态下运转，保证车速低于 15km/h。在安全模式下当车辆刚点火启动自检后，通过铰接角传感器4判断前、后车体的 铰接状态。如果铰接角不为0°，微处理器CPU向第二电磁阀17发出控制信号，使其打开。当车辆直行时，微处理器CPU接收到铰接角传感器4的前、后车体铰接角为0°的 信号时，使第一电磁阀15、第二电磁阀17处于关闭状态。此时液压油由第二电磁阀17的出 油口流入不导通的节流阀18，因此液压油不流通，左、右液压缸11、8被锁死，前、后车体成 为一个整体。当车辆转弯时，以向右转向为例微处理器CPU接收到转向盘角度传感器的转弯 信号，并结合车速信号进行判断。如果转弯时车速低于最大安全转弯车速(以15km/h为 例)，微处理器CPU向第二电磁阀17发出控制信号，使第二电磁阀17打开。此时，左液压 缸11的液压臂伸长，右液压缸8的液压臂缩短，同时右侧的圆柱螺旋压缩弹簧6受到压缩。 左液压缸11的活塞前腔以及右液压缸8的活塞后腔的油量变少，图2中左侧的液压线路变 成有压线路。此时液压油由液压集成块12的第一接口 20进入，经过单向阀14-1、第一电 磁阀15、第二电磁阀17与两侧的单向溢流阀19-1和19-2相通，并经过第二接口 21流到 左液压缸11的活塞后腔和右液压缸8的前腔，使左、右液压缸中的液压油在液压集成块12 中流动；在回到直线行驶位置的过程中，前、后车体的铰接角逐渐较小，左液压缸11的活塞 向后运动，右液压缸8的活塞向前运动，此时右侧液压线路为有压线路，液压油由液压集成 块接口 21流入，经单向阀14-2、第一电磁阀15、第二电磁阀17与单向溢流阀19_1和19_2 相通，经过第一接口 20流到左液压缸11的活塞前腔和右液压缸8的后腔。此过程中铰接 系统的阻尼力主要由圆柱螺旋压缩弹簧6提供。当前、后车的夹角为0°时，圆柱螺旋压缩 弹簧6由压缩状态回到自由状态，同时铰接角传感器4发出铰接角为0°的信号，微处理器 CPU发出控制信号，使电磁阀15和17关闭，前、后车体锁死。如果转弯时车速高于15km/h，微处理器CPU发出控制信号，打开电磁阀15和17， 使液压系统中液压油流速减小，增大系统的阻尼。车辆在转弯过程中，微处理器CPU接收车速传感器信号，并运算出加速度。在制动 或突然加速时，如果加速度超过零界值(此零界值为中轴产生侧滑时的最小加速度值)，微 处理器CPU向第一、第二电磁阀15和17发出控制信号，使第一、第二电磁阀15和17开启， 增大阻尼，提高制动过程中前、后车的稳定性。当车辆左转弯时，液压系统的工作过程和上述右转弯时相反。铰接车倒车时是后车体牵引前车体向后行进，此时，微处理器CPU接收到倒车控 制开关的倒车信号，并且进行过判断。如果转向盘角度传感器检测到转向盘未转向，且铰接 角传感器4检测到铰接角为0°时，关闭电磁阀15和17，使前、后车体作为一个整体运动。 当微处理器CPU通过转向盘角度传感器和铰接角传感器4检测到转向盘转向角度不为零和 /或铰接角不为0°时，系统控制单元ECU发出控制信号，使电磁阀15和17打开，液压系统 中有一定的阻尼，使车辆稳定倒车。
权利要求
一种用于城市快速公交系统的客车底盘铰接系统，由转盘装置，液压系统和系统控制单元ECU组成，其特征是转盘装置包括连接于前转盘架(1)和后转盘架(9)之间的转盘(2)，在转盘(2)中心位置处活动连接位于转盘(2)垂直中心线上的顶杆(3)，顶杆(3)的上端自由端连接铰接角传感器(4)；液压系统包括设置于后转盘架(9)上且随后转盘架(9)转动的左液压缸(11)、右液压缸(8)、液压集成块(12)、液压泵(23)和储油罐(7)，左液压缸(11)和右液压缸(8)的液压臂上分别套有一个圆柱螺旋压缩弹簧(6)，左液压缸(11)和右液压缸(8)的前后腔交叉相接且油路通过液压集成块(12)相通；系统控制单元ECU包括微处理器CPU及分别与其连接的点火开关、车速传感器、转向盘角度传感器、铰接角传感器(4)、倒车控制开关、液位传感器、压力传感器、各个电磁阀、制动单元、发动机控制电路和液压泵(23)。
2.根据权利要求1所述的底盘铰接系统，其特征是液压集成块(12)上设置有第一、 第二电磁阀(15、17)、两个节流阀(16、18)、两个单向溢流阀(19-1、19-2)以及三个单向阀 (14-1、14-2、22)和一个蓄能器(25)；左液压缸(11)通过液压管(10)与液压集成块(12) 的第一接口(20)相连，右液压缸(8)通过液压管(10)与液压集成块的第二接口(21)相 连，连接储油罐(7)的液压泵(23)通过第三接口(24)与液压集成块(12)相通；第一接口 (20)通过串联一个单向阀(14-1)与第一电磁阀(15)的进油口相通，第二接口(21)串联另 一个单向阀(14-2)与第一电磁阀(15)的进油口相通；第一电磁阀(15)的出油口通过节流 阀(16)与第二电磁阀(17)的进油口相连；第二电磁阀(17)的出油口通过另一节流阀(18) 与两个单向溢流阀(19-1、19-2)相通，两个单向溢流阀(19-1、19-2)分别与第一接口(20)、 第二接口(21)相通；两个单向溢流阀(19-1、19-2)出油口与蓄能器(25)、单向阀(22)串 联后与第三接口(24)相通。
3.一种用于城市快速公交系统的客车底盘铰接系统的工作方法，其特征是包括如下方法(A)系统控制单元ECU先自检，系统控制单元ECU通过铰接角传感器(4)判断前、后车 体的铰接状态，在客车达到最大安全转弯转角时圆柱螺旋压缩弹簧(6)压缩至最短且给前 车体力矩以抵消驱动力在转盘(2)中心处产生的转矩，在车辆方向回正过程中使后车体回 到直线行驶位置；(B)当铰接角传感器(4)检测的铰接角不为0°时，圆柱螺旋压缩弹簧(6)的一侧受到 压缩，系统控制单元ECU控制第一电磁阀(15)和/或第二电磁阀(17)的开启和关闭来改 变节流阀(16)和/或另一节流阀(18)的通、断状态，改变液压油的流速以改变阻尼力；当 铰接角为0°时，圆柱螺旋压缩弹簧(6)由压缩状态回到自由状态，微处理器CPU发出控制 信号使第一、第二电磁阀(15、17)关闭，左液压缸(11)和右液压缸(8)被锁死；(C)当客车直行时，微处理器CPU接收到铰接角为0°，使第一、第二电磁阀(15、17)关 闭，液压油由第二电磁阀(17)的出油口流入不导通的节流阀(18)，左液压缸(11)和右液压 缸⑶被锁死；(D)客车倒车时，微处理器CPU接收到倒车控制开关的倒车信号且判断，若转向盘角度 传感器检测到转向盘未转向且铰接角传感器(4)检测到铰接角为0°时，关闭第一、二电磁 阀(15、17)使前、后车体作为一个整体运动；当微处理器CPU通过转向盘角度传感器和铰接 角传感器(4)检测到转向盘转向角度不为零和/或铰接角不为0°时，系统控制单元ECU发出控制信号使第一、二电磁阀(15、17)打开。
全文摘要
本发明公开一种用于城市快速公交系统的客车底盘铰接系统及工作方法，由转盘装置，液压系统和系统控制单元ECU组成，转盘装置包括连接于前转盘架和后转盘架之间的转盘，在转盘中心位置处活动连接位于转盘垂直中心线上的顶杆，顶杆的上端自由端连接铰接角传感器；液压系统包括设置于后转盘架上且随后转盘架转动的左液压缸、右液压缸、液压集成块、液压泵和储油罐，左液压缸和右液压缸的液压臂上分别套有一个圆柱螺旋压缩弹簧，左液压缸和右液压缸的前后腔交叉相接且油路通过液压集成块相通；系统控制单元ECU包括微处理器CPU。本发明在大角度转弯时提供较大的力矩，实现对最大铰接角的自锁功能，防止第二桥发生侧滑以及前、后车体发生剪切。
文档编号B62D5/06GK101934819SQ201010262349
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月25日 优先权日2010年8月25日
发明者何仁, 李楠, 陈士安 申请人:江苏大学