轮式铰接装载机线控转向角度检测实现方案

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现阶段我 国正处在经济快速发展期 ，各地施工建设项目不断增 多，我国装载机制造行业也随着蓬勃发展 ，与此同时 国内同行业竞 争者不 断增多 ，再加上国外 知名 品牌大批涌人 国内市场 ，导致我 国装载机行业竞争激烈程度空前绝后。现各主要装载机制造企业为争夺市澈争 主动权 ，大大加快了新产品开发 、新技术应用速度 ，各企业基本上都 出现了高技术水平的第二代产品。但 目前还有很大的改进空间 ，如在减少工作者劳动 强度 、提高整机 能效 、操作智能化人性化等方面。本文就 以此为突破点 ，设计了轮式铰接装 载机线控转 向系统的液压系统 以及-种应用于此系统的车架转角检测装置 ，并在样 车上进行 了试验 ，结果表明该线控转向系统可以满足装载机实际工作要求 。

1 线控转向技术概述线控转向系统指通过微电子技术连接并控制转 向系统的各个元件来代替传统的机械或液压连接的转向系统l 2。线控转 向系统取消 了转向盘和转 向轮之 间的机械连接，完全摆脱 了传统转 向系统的各种 限制 ，使车辆 的设计 、装配大为简化，给 车辆转 向特性 的设计 带来无限 的空 间，是车辆转向系统的重大革新 。虽然该技术在汽车领域 已成为研究热点，但在工程机械领域只有几个国际著名公司进行 了相关研究，国内相关研究 的报道更是很少 。

本文研究的线控转向技术是采用智能控制基本方法 ，结合轮式铰接装 载机的工作环境特 性加以具体实现 的。

在装载机行驶过程中用传感器采集驾驶者的转向数据，然后 通过数据线将 信号传递给装载机 上的微型计算机 ，计算 机综合这些 和其 它装载机工作状 态信号做 出判断后 ，再控制 车辆 的转 向角度 ，实现了方向盘 与转 向执行部分之 间的无机械 和液压连接 的线控转向。本线控转 向系统可以根据不同的工况来调节方向盘的转动圈数，分为行走模式 和作业模式 ，这样就能在很 大程度上降低劳动者工作强度l 3l。该系统还可以从信号中提取出最能够反映装载机 实际轮子状态和路面状况的信息 ，作为方 向盘 回正力矩的控制变量，使方向盘向驾驶员只提供有用信息，从而提供更符合驾驶员喜好的路感”。而且 紧急情况下 ，为避免驾驶者的错误判断，这个系统还会忽略驾驶者 的转向输入，平稳地将车保持在最安全的状态。

2 装载机线控转向技术实现方案2.1系统组成及工作原理本项设计方案采用 比例减压阀控制优先型流量放 大阀来实现线控转 向，系统原 理如 图 1所示 ，在本系统 中，取消了原有的方 向盘和全液压转 向器 ，取而代之的是具有力反馈特性 的电子方 向盘和三通 比例减压阀 ，这样 方向盘与转 向油缸 之间就没有传统 的机械 和液 压联 系了 ，只有导线进行连接。其工作过程为 ：驾驶员转动方 向盘带动转角传感器转 动 ，此时微控单 元(MCU)检测铰接车架轴角编码器 的输 出值与方向盘转角传感器 的输出值是 否相 同，如果相 同，流量放大 阀主 阀芯处 在中间位置 ，油路不导通 ，转 向油缸不动作 ，将车架保持现有转向位置不动 ；如果不相 同，则根据差值的大邪符号产生不同的控制电流去控制相应的 比例电磁铁使 比例减压阀输 出相应的控制压力 ，控制流量放大阀主阀芯的位移 ，使转向泵 与左右转 向油缸接通 ，通过控制转 向油缸的位移来实现装载机转 向，当二者的差值为零时 ，MCU输出给比例减压 阀的电流变为零 ，此时控制压力也变为零 ，流量放大阀主阀芯回到 中位 ，车辆停 止转 向。转 向盘转速越快 ，比例减压阀输出先导油流量越大 ，流量放大 阀主阀芯两端 的压差就越大 ，阀芯轴 向位移也就越 大 ，通流 面积就越 大 ，输入到转 向缸 的流量就越大 ，装 载机铰接车架 转向就越快 ，从而实现 了流量 的比例放大控制。

同时为了给驾驶者提供舒适 的路感 ，方向盘底部装有直流力反馈 电机 ，其反馈力矩由 MCU根据车辆行驶速度 、转向角度来实时控制 。其工作过程为 ：MCU检测安装在转向油缸上的压差传感器 的输出值 ，在转向过程 中，由于转向油缸压力升高，压差传感器输 出电压大小也随之升高 ，MCU根据压差传感器反馈电压值的大型符号输出相应的控制 电流控制力反馈电机转动 的方 向和输出力矩 的大小 ，当停止转 向后 ，转向油缸 中的压力 降到接 近为零 ，此时力反馈 电机 的控制电流也变为零 ；如果在正 常行驶过程中，驾驶员没有转动方 向盘 ，轮胎遇到障碍物时会导致转向油缸相应 的腔中压力发 生变化 ，从而使压 差传感器现代制造技术与装备 2013第3期总第214期1.左转 向油缸 ；2.右转 向油缸 ；3.压差传感器 ；4.流量放 大阀 主阀；5.流量放大阀优先阀 ；6.转 向泵 ；7.控制泵 ；8.方 向盘转角传感器 ；9.力反馈电机；10.方 向盘图 1 线控转 向系统组成原理 图的输 出电压发生变化 ，最终导致力反馈 电机的控制电流尧生变化 ，从而使驾驶员能够有合适的路感 。

由于本 系统采用 的是优先型流量放大 阀与卸载阀配套使用，除优先供应转向系统外，还可以使转向系统多余的油合流到装载机工作 系统 ，这样就可以降低工作泵 的排量 ，以满足低压大流量 的作业状况 。当工作系统的压力超过卸载阀调定压力时 ，转 向部分多余的油就 经卸载 阀直接回油，以满足高压小流量时的作业工况 ，降低了液压系统的温升 ，提高柴油机功率的利用率41。

2.2 装载机转向角度检测装置本项研究专门设计了-种新 型的装 载机转角检测装置应用于销轴 铰接装载机 ，代替了现有转 向系统中用位移传感器来检测前后车架之间相对转角大小 ，这种方 案是在转 向油缸的两端跨接安装轴向尺寸很大 的直线位 移传感器，通过测量转向油缸的伸缩量来间接测量车辆的转 向角度 。在实际应用 中这种长度很大 的转 向油缸所 处的位置 比较接近地面 ，车辆工作过程中安装在油缸上的位移传感器容易受到洒落奔跳 的物料的冲击 ，以致破坏位移传感器 。由此本 文设计 了-种新型的销轴铰接装载机转 向角度检测装置来克服上述缺点 ，如图 2所示 。该装置能够准确测得前后 车架 的相对转 向角度 ，且能够消除因前后车架发生相对扭转、俯仰而引起 的转角误差。并且该转角检测装置安装在销轴 铰接装载机前后两个车架铰接处，这样距离地面远，能减少路面洒落奔跳物料的冲击，使其工作性能更加安全可靠，寿命也更长。

从图 3中可以看出该转 角检测装置在后车架 的部分由支架固定联接在销轴压板上 ，拨杆轴通过轴承安装在支架的轴承座 内，轴角编码器 固定安装在支架 的上端 ，轴角 编码 器 的输 入轴通 过联 轴器与拨 杆轴 的上端 固定联接，并且保证轴角编码器的轴心线与拨杆轴的轴心线同心安装 ，拨杆 固定联接在拨杆轴上 ，这样就可以通过拨杆1.前车架 ；2.支撑座；3.弹簧 ；4.弧形梁 ；5.拨块；6.拨杆 ；7.支架 ；8.拨杆轴 ；9.联轴器 ；10.轴角编码 器 ；11.销轴压板 ；12.后车架 ；13.销轴 ；14.轴承；15.短轴 ；16.低摩擦系数材料衬层图 2 销轴铰接装载机转向角度检测装置图图 3 图 2的 A-A剖视 图的转动来反应前后车架之间的相对转动。为 了减少附加转角误差 ，在前车架上设计 了-个独特的弧形梁 ，其两端固定联接在前车架 的支撑座上 ，弧形梁的两个侧面与拨块下端槽 口内的两个侧面动配合连接 ，拨块上端槽 口内的两个侧面与拨杆左端的两个侧 面动配合连接 。其 中拨块下侧通过弹簧联接在前车架上，并在其槽 口内通过短轴安装有轴承 ，在弹簧 的作用下 ，轴承的外圈与弧形梁 的上表面相接触 ，如图 3所示 。弧形梁与轴承外圈接触的上表面为圆弧 曲面 ，弧形梁 的两个侧面安装有低摩擦系数材料衬层 ，其 中低摩擦 系数材料衬层选用聚 四氟乙烯 材料或高密度聚 乙烯材料都可。

当销轴铰接装载机转向时，在转 向油缸的推动下 ，前车架与后车架之 间会转过-定角度 ，固定在前车架上的弧形梁通过拨块带动拨杆绕拨杆轴的轴线转过相应的角度 ，从而使与拨杆轴通过联轴器联接的轴角编码器转过相应的角度 ，产生电信号输 出，测得前车架与后 车架之 间的相对转 向角度 。-般装载机工作环境恶劣 ，路面多为不平 ，再加上装载货物时输出功率加大 ，装载机 自身振动会大大增加，前后车架之间就会发生相对扭转或俯仰。当前车架与后车架发生相对扭转时 ，前车架会带动弧形梁摆动 ，弧形梁与拨块之间会有滑动运动 ，由于拨块下端槽 口内的轴承 的外圈与弧形梁的上表面相接触 ，故弧形梁 的摆动只会使拨块上下运动 ，此运动不会使拨块带动拨 杆绕拨杆轴轴线转动 ，不会产生附加 的转角误差。当前车架与后车架发生相对俯仰时 ，拨杆会在拨块上端槽 口内上下滑动 ，此运动不会引起拨杆绕拨杆轴轴线的转动 ，故不工 艺 与 装 备 59会产生 附加 的转角误差。从而实现准确测量销轴铰接车辆转 向角度 的目的。

3 结 论本文设计 了用三通 比例减 压阀控制流量放大阀组成的线控转 向系统及具有力 反馈特性 、转 向灵敏度可调的电子转向盘子系统。在装载机上采用该技术后，可以解决装载机作业效率与高速行走稳定性之问的矛盾，即在提高作业效率的同时降低操作人员的劳动强度。本系统中由于方 向盘子系统与外界 只是通过 电线连接 ，不需要 额外的动力，也使装配过程得到简化，因此能降低驾驶室内噪声 和节约其空间 ，使驾驶室设计更符合人性化 ，从 而很好地提高了驾驶舒适性 。并且线控转 向技术在装载机上 的成熟应用也 有助于今后实现 装载机整体控制 的智 能化 ，将装载机的开发带人-个新 的阶段 ，由此该线控系统具有很大 的推广实用价值 。