专利名称：车辆转向轮自动对中单元、包括其的车辆及自动对中方法
技术领域：
本发明涉及一种用于车辆转向轮的自动对中单元及方法，以及包括这种自动对中单元的车辆，特别地涉及工程车辆或轮式起重机。
背景技术：
目前，工程车辆为应对复杂路面状况，一般都设有实现多种转向模式功能的装置。车辆在转向模式切换过程中，需有一套车轮对中方 法，以保证车辆在正常行驶状态下车轮处于中位。术语“多种转向模式”指的是车辆的多种转向形式。常见的转向形式有前桥(前组)独立转向、后桥(后组)独立转向、小转弯(又称协调)转向、蟹行转向等。小转弯转向时，前组车轮和后组车轮的转向方向相反，可以实现最小的转弯半径，故称小转弯转向；蟹行转向时，前组车轮和后组车轮的转向方向相同，可以实现像螃蟹行走一样运动，故称蟹行转向。图I为常见的四种转向模式示意图。现有技术中通常采用两种方法来实现车轮的对中。第一种方法是自动对中，即采用对中油缸进行中位对中，其控制方式如图2所示。该方法在车桥上安装有专门的对中油缸4，当进行模式转向时(如小转弯和蟹行)，转向泵I向第一控制阀组2供油，第一控制阀组通过阀位控制，由Al、BI 口向转向油缸供油实现转向动作，同时该阀控制T、N、X 口，使第二控制阀组3卸荷，从而使对中油缸A、B腔为低压，对中油缸处于解锁状态，车轮可正常转向；当进行转向模式切换(如需切换成前桥独立转向)，第一控制阀组通过T、N、X 口将转向泵提供的高压油引入第二控制阀组，第二控制阀组通过阀位切换，使高压油作用对中油缸A、B腔，从而使对中缸处于中位锁止状态，后桥不转向。第二种方法是手动对中采用限位开关进行位置检测，其安装方式如图3所示。其在车桥一侧安装有限位开关1，一般置于车桥中心线上，在车桥主销中心处，安装有挡块2，挡块2与限位开关相对，可随车轮转动而转动。当车轮处于中位状态时，挡块2与限位开关I接触，限位开关闭合(或关断)；当车轮处在非中位状态时，挡块2与限位开关I脱离，限位开关关断(或闭合)。通常采用该方法的转向系统如图4，当多种转向模式阀切换到小转弯和蟹行转向位置(即阀体处于左侧第2个位置和第4个位置)时，前、后组转向液压油缸为一串联结构，驾驶员通过操纵方向盘可带动后轮偏转，在偏转过程中，如限位开关闭合(或关断)，则说明后轴处于中位状态。采用图2所示的对中技术时，需增加对中缸,系统结构复杂,成本高。采用图3、图4所示的对中技术时，无法实现自动对中功能，当进行转向模式切换时，前桥必须首先回中位，否则在进行转向模式切换后，前桥与后桥无法实现理想转角关系；当进行对中操作时，由于限位开关只能检测中位一点，因此无法判定车轮转角是偏左还是偏右，使用不方便。在现有技术中，采用油缸进行车轮自动对中，这种系统复杂，成本较高，不利于在两桥式车辆上推广。另外，采用传统的限位开关进行对中，操作不便，无法实现自动对中。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作方便、结构简单的转向轮自动对中装置及方法，该装置及方法可实现车轮在任意姿态下进行转向模式切换时的自动对中，并保证车轮始终处于对中位置，减小轮胎磨损，防止高速行驶时车轮的摆动。根据本发明的一方面提供了一种使车辆的转向轮自动对中的自动对中单元，其中，所述自动对中单元包括液压转向器，其控制所述车辆的前桥的转动；电液比例阀组，其控制所述车辆的后桥的转动；角度传感器，其用于检测转角并将转角信号传递给控制器，所述角度传感器包括安装在所述前桥上的用于检测前轮的转角的前桥传感器和安装在所述后桥上的用于检测后轮的转角的后桥传感器；控制器，所述控制器是可编程的，从而设置有控制程序，所述控制程序的算法函数为z=g (X，Y)，其中X为前桥角度，Y为后桥角度，Z为车辆在转向模式中以及转向模式切换时对后轮的转角的控制要求；所述控制器接收来自所述前桥传感器的角度信号，根据选定的转向模式，按照所述控制器的控制程序来控制电 液比例阀组，带动转向油缸运动，从而实现所述车辆在转向模式和转向模式切换时对后轮的转角的控制要求。优选地，当转向模式切换成前桥独立转向模式时，在前桥传感器检测转向模式及前轮转角的同时，引入控制算法，即，使所述控制程序的算法函数中Y值为0，则程序控制算法函数为
fz-g (x)i此时后桥的转角不随前桥转角运动，自动回至中位，达到对中效果。优选地，所述控制程序的算法函数Z=g (X，Y)为同一转向轴的内、外轮转角关系为Coti^i-Cotai=KyLi不同转向轴的同一侧车轮的转角关系应满足Lj/Lj^tan a j /tan a j Lj/Lj^tan β Jtan β j其中，K—两主销落地点间的距离；Li——车辆第i轴到转向中心线的距离，i取1，2，3......Lj——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ；β i——车辆第i轴外轮转角，i取I，2，3......；a j——车辆第i轴内轮转角，i取1，2，3......；L——转向中心到内轮主销的距离；β j——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ；a j——车辆第j轴外轮转角，j=i+l。优选地，所述转向模式是前桥独立转向、后桥独立转向、小转弯转向、蟹行转向等。优选地，所述自动对中单元还包括设置在电液比例阀组中的双向液压锁，当所述后桥的转向油缸至所述中位时，所述电液比例阀组保持失电状态，所述后桥的油缸靠所述双向液压锁锁死，保证行车安全。优选地，所述自动对中单元还包括齿轮泵、旁通阀和溢流阀。根据本发明的另一方面，还提供了一种车辆，其中，所述车辆包括前述任一种所述的自动对中单元。根据本发明的再一方面，还提供了一种使车辆的转向轮自动对中的自动对中方法，其中，所述自动对中方法包括设置液压转向器，其控制所述车辆的前桥的转动；设置电液比例阀阻，其控制所述车辆的后桥的转动；设置角度传感器；其用于检测转角并将转角信号传递给控制器，所述角度传感器包括安装在所述前桥上的用于检测前轮的转角的前桥传感器和安装在所述后桥上的用于检测后轮的转角的后桥传感器；设置控制器，所述控 制器是可编程的，从而设置有控制程序，所述控制程序的算法函数为z=g (X，Y)，其中X为前桥角度，Y为后桥角度，Z为车辆在转向模式中以及转向模式切换时对后轮的转角的控制要求；所述控制器接收来自所述前桥传感器的角度信号，根据选定的转向模式，按照所述控制器的控制程序来控制电液比例阀组，带动转向油缸运动，从而实现所述车辆在转向模式和转向模式切换时对后轮的转角的控制要求。优选地，当转向模式切换成前桥独立转向模式时，在前桥传感器检测转向模式及前轮转角的同时，使所述控制程序的算法函数中Y值为0，则程序控制算法函数为
(z = g (x)i
LJ = O此时后桥的转角不随前桥转角运动，自动回至中位，达到对中效果。优选地，所述控制程序的算法函数Z=g (X，Y)为同一转向轴的内、外轮转角关系为cot β j-cot a ^KZL1不同转向轴的同一侧车轮的转角关系应满足Lj/Lj^tan a Jtan a j Lj/Lj^tan β Jtan β j其中，K—两主销落地点间的距离；Li——车辆第i轴到转向中心线的距离，i取1，2，3......Lj——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ；β i——车辆第i轴外轮转角，1取1，2，3......；a j——车辆第i轴内轮转角，i取1，2，3......；L——转向中心到内轮主销的距离；β j——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ；a j——车辆第j轴外轮转角，j=i+l。优选地，所述转向模式是前桥独立转向、后桥独立转向、小转弯转向、蟹行转向等。优选地，还在电液比例阀组中设置有双向液压锁，当所述后桥的转向油缸至所述中位时，所述电液比例阀组保持失电状态，所述后桥的油缸靠所述双向液压锁锁死，保证行车安全。优选地，所述自动对中单元还包括齿轮泵、旁通阀和溢流阀。本发明的优点和有益的效果在于，本发明采用角度传感器，利用程序语言进行自动对中，成本较低。另外本发明还能获得以下有益的效果结构简单，本发明中采用程序控制语言，实现多转向模式切换过程中的自动切换，省略了专门的对中油缸，简化了系统；操作方便，本系统由于检测转角信号，可在任意转角姿态下实现多模式的切换，而不需先回中位再进行对中；安全可靠，本系统实时检测后桥转角信号，当后桥不在中位时，可给出报警，保证行车安全。
本发明的其他特征和优点从如下的描述并从所涉及的附图中获得，其中图I示出了现有技术中的转向模式示意图；图2示出了现有技术中的对中油缸工作方式； 图3示出了现有技术中的限位开关安装方式；图4不出了现有技术中的一种多模式转向系统的控制原理；图5示出了根据本发明的自动对中转向原理；图6示出了根据本发明的小转弯或蟹行模式下控制流程图；图7示出了根据本发明的小转弯或蟹行模式切换为前桥独立转向控制流程图；图8示出了用于说明阿克曼定理的两轴车辆的内外轮关系的简图；图9不出了多轴车辆的内外轮关系的简图。
具体实施例方式如图5所示，本发明采用全液压控制系统，前桥由液压转向器2直接控制，后桥通过电液比例阀3控制，通过安装在前后桥上的角度传感器，检测转角信号，根据设定的控制策略，实现转角控制要求。当进行模式转向时(如小转弯和蟹行)，其控制流程如图6。控制器通过检测前组车轮转角信号，并根据选择的转向模式，按照所设定的控制程序输出不同的电流信号，从而控制电液比例阀开口度、液压油的流量，使转向油缸按照驾驶员的操作意图推动车轮转动。程序控制的算法函数为z=g (x，Y)，其中X为前桥角度，Y为后桥角度，Z为车辆在转向模式中以及转向模式切换时对后轮的转角的控制要求，则当进行转向模式切换时，如切换成前桥独立转向，其控制流程如图7。在前桥传感器检测转向模式及前轮转角的同时，通过已知的方式(例如通过设置在驾驶室操作台中的按钮的触发)引入控制算法，即，使所述控制程序的算法函数中Y值为0，则程序控制算法函数为
\z = g (X)<
I产O此时后桥转角不随前桥转角运动，自动回至中位，达到对中效果，同时，在电液比例阀组中，设置有双向液压锁，当后组转向油缸至中位时，电磁阀保持失电状态，后组油缸靠双向液压锁锁死，保证行车安全。下面对上述的程序控制算法函数Z=g (X，Y)进行说明。该函数是根据阿克曼定理获得的。
阿克曼定理是本领域公知的，即汽车只有前轮转向时，在忽略轮胎侧偏角影响的情况下，两转向前轮轴的延长线应交在两后轮轴的延长线上，如图8(8卩，两轴车辆内外轮关系简图)所示。、%分别表示前轴内、外转向车轮转角。L为汽车轴距，B为两主销落地点之间的距离，则梯形机构应保证内、外转向轮之间有如下关系
cotf/ ；, -COt^1 -BiL这就是阿克曼定理。同理，对于多轮转向车辆，为使所有车轮都能绕同一个瞬时转向中心在不同的圆周上作无滑动的纯滚 动，在忽略轮胎侧偏角的影响下，所有轮的轴延长线应交于一点，即多个轴的车轮转角都应满足阿克曼定理，如图9 (即，多轴车辆内外轮关系简图)所示。首先定义以下参数；K—两主销落地点间的距离；Li——车辆第i轴到转向中心线的距离，i取1，2，3......Lj——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ； β i——车辆第i轴外轮转角，1取1，2，3......；a j——车辆第i轴内轮转角，i取1，2，3......；L——转向中心到内轮主销的距离；β j-车辆第j轴外轮转角，j=i+l ;a j——车辆第j轴外轮转角，j=i+l。根据图9 (即，多轴车辆内外轮关系简图)，由于同一转向轴的内、外轮转角关系符合阿克曼原理，可以得到cot a J=LZLicot β j= (L+K) /Li从而就得出了本申请中的程序控制算法函数Z=g (X，Y)即，同一转向轴的内、外轮转角关系为Coti^i-Cotai=KyLi不同转向轴的同一侧车轮的转角关系应满足Lj/Lj^tan a Jtan a jLj/Lj^tan β Jtan β j各个实施方式的不同特征还能优选地彼此组合，以便不需要将这些实施方式认为是严格的单独的变型。
权利要求
1.一种使车辆的转向轮自动对中的自动对中单元，其特征在于，所述自动对中单元包括 液压转向器(2)，其控制所述车辆的前桥的转动； 电液比例阀组(3)，其控制所述车辆的后桥的转动； 角度传感器，其用于检测转角并将转角信号传递给控制器，所述角度传感器包括安装在所述前桥上的用于检测前轮的转角的前桥传感器和安装在所述后桥上的用于检测后轮的转角的后桥传感器； 控制器，所述控制器是可编程的，从而设置有控制程序，所述控制程序的算法函数为z=g (X，Y)，其中X为前桥角度，Y为后桥角度，Z为车辆在转向模式中以及转向模式切换时对后轮的转角的控制要求； 所述控制器接收来自所述前桥传感器的角度信号，根据选定的转向模式，按照所述控制器的控制程序来控制电液比例阀组，带动转向油缸运动，从而实现所述车辆在转向模式和转向模式切换时对后轮的转角的控制要求。
2.根据权利要求I所述的自动对中单元，其特征在于， 当转向模式切换成前桥独立转向模式时，在前桥传感器检测转向模式及前轮转角的同时，引入控制算法，即，使所述控制程序的算法函数中Y值为O，则程序控制算法函数为i= = g O) t JF = O 此时后桥的转角不随前桥转角运动，自动回至中位，达到对中效果。
3.根据权利要求I或2所述的自动对中单元，其特征在于，所述控制程序的算法函数Z=g (X，Y)为 同一转向轴的内、外轮转角关系为 cot β j-cot a J=KZLi 不同转向轴的同一侧车轮的转角关系应满足 Lj/Lj^tan a Jtan α」β Jtan β j 其中， K—两主销落地点间的距离； Li—车辆第i轴到转向中心线的距离，i取1，2，3...... Lj——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ； ——车辆第i轴外轮转角，i取1，2，3......； Qi——车辆第i轴内轮转角，i取1，2，3......； L——转向中心到内轮主销的距离； β j-车辆第j轴外轮转角，j=i+l ; a j-车辆第j轴外轮转角，j=i+lo
4.根据权利要求I所述的自动对中单元，其特征在于，所述转向模式是前桥独立转向、后桥独立转向、小转弯转向、蟹行转向等。
5.根据权利要求I所述的自动对中单元，其特征在于，所述自动对中单元还包括设置在电液比例阀组中的双向液压锁，当所述后桥的转向油缸至所述中位时，所述电液比例阀组保持失电状态，所述后桥的油缸靠所述双向液压锁锁死，保证行车安全。
6.根据权利要求I所述的自动对中单元，其特征在于，所述自动对中单元还包括齿轮泵、旁通阀和溢流阀。
7.—种车辆，其特征在于，所述车辆包括前述权利要求中任一项所述的自动对中单元。
8.—种使车辆的转向轮自动对中的自动对中方法，其特征在于，所述自动对中方法包括 设置液压转向器(2)，其控制所述车辆的前桥的转动； 设置电液比例阀阻(3 )，其控制所述车辆的后桥的转动； 设置角度传感器；其用于检测转角并将转角信号传递给控制器，所述角度传感器包括安装在所述前桥上的用于检测前轮的转角的前桥传感器和安装在所述后桥上的用于检测后轮的转角的后桥传感器； 设置控制器，所述控制器是可编程的，从而设置有控制程序，所述控制程序的算法函数为Z=g (X，Y)，其中X为前桥角度，Y为后桥角度，Z为车辆在转向模式中以及转向模式切换时对后轮的转角的控制要求； 所述控制器接收来自所述前桥传感器的角度信号，根据选定的转向模式，按照所述控制器的控制程序来控制电液比例阀组，带动转向油缸运动，从而实现所述车辆在转向模式和转向模式切换时对后轮的转角的控制要求。
9.根据权利要求8所述的自动对中方法，其特征在于， 当转向模式切换成前桥独立转向模式时，在前桥传感器检测转向模式及前轮转角的同时，使所述控制程序的算法函数中Y值为O，则程序控制算法函数为 此时后桥的转角不随前桥转角运动，自动回至中位，达到对中效果。
10.根据权利要求8或9所述的自动对中方法，其特征在于，所述控制程序的算法函数Z=g (X，Y)为 同一转向轴的内、外轮转角关系为 cot β「cot a ±=KZLi 不同转向轴的同一侧车轮的转角关系应满足 Li/L^tan a Jtan αLi/L^tan β Jtan β j 其中， K—两主销落地点间的距离； Li—车辆第i轴到转向中心线的距离，i取1，2，3...... Lj——车辆第j轴外轮转角，j=i+l ； ——车辆第i轴外轮转角，i取1，2，3......； Qi——车辆第i轴内轮转角，i取1，2，3......； L——转向中心到内轮主销的距离； β j-车辆第j轴外轮转角，j=i+l ; a j-车辆第j轴外轮转角，j=i+lo
11.根据权利要求8所述的自动对中方法，其特征在于，所述转向模式是前桥独立转向、后桥独立转向、小转弯转向、蟹行转向等。
12.根据权利要求8所述的自动对中方法，其特征在于，还在电液比例阀组中设置有双向液压锁，当所述后桥的转向油缸至所述中位时，所述电液比例阀组保持失电状态，所述后桥的油缸靠所述双向液压锁锁死，保证行车安全。
13.根据权利要求8所述的自动对中方法，其特征在于，所述自动对中单元还包括齿轮泵、旁通阀和溢流阀。
全文摘要
本发明提供了一种使车辆的转向轮自动对中的自动对中单元，其中，所述自动对中单元包括一种使车辆的转向轮自动对中的自动对中单元，其特征在于，所述自动对中单元包括液压转向器；电液比例阀组；角度传感器；控制器，所述控制器是可编程的，从而设置有控制程序，所述控制程序的算法函数为Z=g(X，Y)；所述控制器接收来自所述前桥传感器的角度信号，根据选定的转向模式来控制电液比例阀组，带动转向油缸运动，从而实现所述车辆在转向模式和转向模式切换时对后轮的转角的控制要求。本发明还涉及包括这种自动对中单元的车辆，特别地涉及工程车辆或轮式起重机。另外，本发明也涉及使车辆的转向轮自动对中的方法。
文档编号B62D9/00GK102910202SQ20121042293
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者叶海翔, 朱长建, 刘威, 史飞, 张付义 申请人:徐州重型机械有限公司