非接触式转向限位的比例控制系统及比例控制方法

摘要

本发明公开一种非接触式转向限位的比例控制系统及比例控制方法，是基于位移传感技术与定量比例溢流液压技术而设计的，该比例控制系统包括液压油箱、定量转向泵、开关溢流阀模块、流量放大阀模块、转向器模块、正反转意图传感器总成、电比例溢流阀模块、转向油缸、位移传感器总成和控制器；该比例控制方法为通过位移传感器采集铰接体或转向油缸的相对位移变化量，控制器根据不同的工况向电比例溢流阀模块发出控制信号，控制电比例溢流阀模块的工作情况，实现转向终点的缓冲限位功能或快速反向转向功能等等。本发明为电比例非接触式、连续性区间控制，部件之间冲击小，安全可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及大型铰接转向车辆（如铰接式矿卡、轮式装载机等）的非接触式转向限位的比例控制系统及比例控制方法。

背景技术

对于大型、重型铰接转向车辆，当整车转向至最大转向角位置时，有3种主要原因会导致前后铰接装置的较大冲击：（1）车身质量惯性大；（2）操作者的转向手感/路感误差导致转向盘或者转向手柄（joystick）过度操作；（3）转向液压系统没能及时节流调速（及时溢流或者转向泵的流量没能及时快速调低）。这种转向终点的巨大冲击力对车身结构可靠性、液压系统可靠性、甚至整车的寿命和可靠性，驾乘人员舒适性造成了很大影响。目前重型铰接转向车辆的终点限位技术有较大缺点和不足，探索新的转向及限位控制方法已经成为必要。

1）纯机械式的橡胶阻尼缓冲限位技术，是目前国内、国际普遍采用的铰接转向限位技术。主要由转向限位橡胶块、焊接式刚性转向限位支座、转向油缸、转向液压系统组成。其原理是：车辆转向到极限位置（最大转向角）时，限位橡胶块首先与转向限位支座接触，利用限位橡胶块的阻尼吸能缓冲特性，延长缓冲碰撞时间，减小转向极限位置的冲击力。剩余没有被限位橡胶块吸收的转向能量再通过限位支座的刚性冲击最终消除。其优点是结构简单、成本低廉，可靠性高，其技术不足主要有：

（1）转向限位橡胶块的阻尼吸能能力有限，导致转向终点的冲击力很大；

（2）转向限位橡胶块的安装精度、刚性限位座的焊接加工精度要求高；

（3）由于转向终点位置的冲击比较大，转向液压系统因压力流量突然变化可靠性下降、车辆因时常激烈振动可靠性下降、驾驶室操作人员的不适等现象。

（4）限位橡胶块阻尼缓冲性能对环境温度敏感，温度过低或过高时易失效。

（5）在重型、大型铰接式车辆上限位橡胶块体积比较大，上述缺点表现的更加明显。

2）机械顶杆切断阀式的转向缓冲限位技术，目前国、内外个别铰接转向车辆采用的转向转向限位技术。主要由液压切断阀、限位座、管路系统组成。其原理是在流量放大阀、转向器、转向油缸之间串联接入两个切断阀，在最大转向角位置时，切断进入转向油缸大小腔的液压油，从而实现转向极限位置的缓冲。其优点是切断迅速、减震效果较好、环境适应性较强。其技术不足主要有：

（1）切断阀是开关原理，切断瞬间，液压系统内部压力冲击还是比较大；

（2）对切断阀和限位块（杆）的安装制造精度要求较高，调校难度大；

（3）是接触式的，部件之间冲击大，易失效。

3）开关电磁切断阀式的转向缓冲限位技术：目前国、内外铰接转向车辆极少使用。其结构、原理、技术特点与机械顶杆式切断阀的转向缓冲限位技术类似。不同点是将机械液压顶杆改为电磁感应式，为非接触式的，限位部件本身不易损坏失效。其技术不足是：

（1）电磁开关对应的是点切断控制；

（2）车架由于转向惯性超过这个点位后，切断缓冲功能失效。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供了一种适用于铰接转向车辆的基于位移传感技术与定量比例溢流液压技术的非接触式转向限位的比例控制系统及比例控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种非接触式转向限位的比例控制系统，是在铰接转向车辆上应用的基于位移传感技术与定量比例溢流液压技术的非接触式转向限位的比例控制系统，包括液压油箱、定量转向泵、开关溢流阀模块、流量放大阀模块、转向器模块、正反转意图传感器总成、电比例溢流阀模块、转向油缸、位移传感器总成和控制器；

所述的液压油箱、定量转向泵、开关溢流阀模块、流量放大阀模块、转向器模块、电比例溢流阀模块、转向油缸通过液压油管依次连接，形成液压油回路；

所述的正反转意图传感器总成安装在转向器模块上；

所述的正反转意图传感器总成、电比例溢流阀模块、位移传感器总成和手动开关的电路接线端子分别与控制器上相应的接口相连接；

所述的位移传感器总成采用角位移传感器总成或线位移传感器总成；

当位移传感器总成采用角位移传感器总成时，所述角位移传感器总成包括拨叉机构和角位移传感器；所述角位移传感器总成的拨叉机构安装在车辆的转向铰接体上；所述角位移传感器安装在拨叉机构上，并与控制器相连接；

当位移传感器总成采用线位移传感器总成时，所述线位移传感器总成的线位移传感器安装在转向油缸上（即是说线位移传感器可以安装在转向油缸内部，也可以安装在转向油缸外部），并与控制器相连接。

在本发明中所述角位移传感器总成的拨叉机构的作用是将车架的转向角转化为角位移传感器的转角，并且要保证转换后的角度不超过角位移传感器的有效转角。

作为本发明的进一步说明，上述的比例控制系统还包括机械式的橡胶阻尼缓冲装置。该装置采用的是目前现有技术中的常规设计，主要目的是当转向限位电比例控制系统出现故障失效时，车辆转向仍可以利用机械式的橡胶阻尼缓冲装置进行缓冲，进一步保证车辆的安全可靠性。

作为本发明的进一步说明，上述的比例控制系统还包括手动开关，所述的手动开关与控制器相连接。设置手动开关，使本发明的比例控制系统具备电比例溢流控制功能手动关闭的功能，即当不需要此种功能时，司机可以通过手动开关关闭比例控制限位功能；此时方向盘/方向机/转向器的正反转意图传感器总成的信号、移传感器的位置信号被屏蔽，整车按照一般性转向工况正常转向；此时转向终点的电比例控制限位功能失效整机通过胶阻尼缓冲辅助限位装置实现缓冲限位。

作为本发明的进一步说明，上述的电比例溢流阀模块上集成有安全旁路。当位移传感器总成、电比例溢流阀模块、控制器发生故障时，可以通过安全旁路保证正常的转向功能，保证人员和车辆的安全；此时转向终点的电比例控制限位功能失效，整机通过胶阻尼缓冲辅助限位装置实现缓冲限位。

作为本发明的进一步说明，上述的控制器采用CPU（中央处理器）或引擎控制模块ECM。其具有电流/电压-开度/流量对应标定功能。

一种非接触式转向限位的比例控制方法，包括以下步骤：

首先，在铰接转向车辆上安装如上所述非接触式转向限位的比例控制系统；

其次，包括以下控制步骤：

（1）当位移传感器总成采用角位移传感器总成时，车辆适时转向角为A，角位移传感器的触发临界转向角为A₁，ΔA=A-A₁为角位移传感器位移适时输入量，A_MAX为最大有效转向角，0位为整车转向铰接体前后对直，即0转向角度；包括以下控制模式：

① A < A₁时，一般性转向工况-电比例控制模式：此时整车在[0，A₁）区间内一般性正常正反转向，比例溢流控制限位功能屏蔽；控制器屏蔽的转向控制信号主要是正反转意图传感器总成输出的反转意图电信号；此时角位移传感器未被触发；角位移比例溢流控制功能处于关闭状态，此时车辆处于一般性正常转向状态，由方向机的转向器模块、流量放大阀模块正常控制转向；

② A₁ ≤ A ≤ A_MAX时，转向限位工况-电比例控制模式：此时整车在[A₁，A_MAX]区间的内仍保持正向转向，并逐渐接近有效转向角终点A_MAX，此时控制限位功能开启；当转向角大小为A₁角度，此时角位移传感器被触发输出有效电信号，并且整车仍按照原来方向转向直至最大转向角位置；控制器接收角位移传感器输出的电信号，然后输出线比例电信号给电比例溢流阀模块，电比例溢流阀模块根据输入的线比例电信号控制进入转向油缸大小腔的油量，从而实现节流调速目的；随着主转向油路流量的减小和转向阻力矩的作用下车辆转向速度迅速降低，当整车转向至转向终点位置时，转向的残余惯性能量已经大幅衰减，从而实现转向终点的缓冲限位功能；

③ A₁≤A≤ A_MAX区间内，整机快速反转工况-电比例控制模式：此时整车在[A₁, A_MAX]区间的某个点开始反向转向；正反转意图传感器总成采集到转向器模块进行反向转向动作信息时，正反转意图传感器总成将反转意图电信号输入给控制器，控制器发出信号中断电比例溢流阀模块溢流，实现车辆的快速反向转向，保证转向安全可靠；

（2）当位移传感器总成采用线位移传感器总成时，车辆适时转向角为A时对应的转向油缸适时行程为S；线位移传感器的触发临界转向角为A₁时对应的临界行程为S₁；ΔS=S-S₁为线位移传感器位移适时输入量；S_MAX为转向油缸最大有效行程；ΔSmax为线位移最大输入位移量；包括以下控制模式：

① S < S₁，一般性转向工况-电比例控制模式：此时整车在[0，S₁）区间内一般性正常正反转向，比例溢流控制限位功能屏蔽；控制器屏蔽的转向控制信号主要是正反转意图传感器总成输出的反转意图电信号；此时线位移传感器未被触发；线位移比例溢流控制功能处于关闭状态，此时车辆处于一般性正常转向状态，由方向机的转向器模块、流量放大阀模块正常控制转向；

② S₁ ≤ S ≤ S_MAX时，转向限位工况-电比例控制模式：此时整车在[S₁，S_MAX]区间的内仍保持正向转向，并逐渐接近有效行程终点S_MAX，此时控制限位功能开启；当转向角大小为A₁角度，对应转向油缸的行程为S₁，此时线位移传感器被触发输出电信号，并且整车仍按照原来方向转向直至最大转向角位置；控制器接收线位移传感器输出的电信号，然后输出线比例电信号给电比例溢流阀模块，电比例溢流阀模块根据输入的线比例电信号控制进入转向油缸大小腔的油量，从而实现节流调速目的；随着主转向油路流量的减小和转向阻力矩的作用下车辆转向速度迅速降低，当整车转向至转向终点位置时，转向的残余惯性能量已经大幅衰减，从而实现转向终点的缓冲限位功能；

③ S₁ ≤ S ≤ S_MAX区间，整机快速反转工况-电比例控制模式：此时整车在[S₁，S_MAX]区间的某个点开始反向转向；正反转意图传感器总成采集到转向器模块进行反向转向动作信息时，正反转意图传感器总成将反转意图电信号输入给控制器，控制器发出信号中断电比例溢流阀模块溢流，实现车辆的快速反向转向，保证转向安全可靠。

在本发明中，控制器根据缓冲区间角/ 线位移的范围和缓冲溢流阀的电流调节范围，比例计算(一定的数值计算方法)出在缓冲区间内任意位置所对应的缓冲电流值；然后输出线比例电信号给电比例溢流阀模块，控制其工作状态。

本发明的控制原理：

（1）在最大转向角附近位置时，角位移传感器根据转轴角位移变化量Δ1（或者线位移传感器根据转向油缸的活塞杆和缸体的相对位移变化量Δ1），角位移传感器（或者线位移传感器）输出比例性的电压/电流信号Δ2，其中Δ1/Δ2为线性比例关系；

（2）电比例溢流阀的电控信号变化值Δ3与溢流开度/流量变化值Δ4，也为线比例控制关系。

（3）控制器通过软件按照一定的计算方法实现Δ2与Δ3的比例控制关系，从而实现Δ1→Δ2→Δ3→Δ4的比例控制关系。即最终实现车辆铰接体的相对位移/电比例溢流阀的流量控制关系。

（4）车辆需要反转时，利用其他信号中断溢流，实现快速反转功能。

（5）电比例溢流模式的自动选择：基于车速大小、发动机转速、油门位置开度等参数，选择不同的溢流模式；

（6）电比例溢流控制功能关闭：狭小作业空间，作业环境恶劣的工况下，需要手动关闭该功能。

本发明的优点：

（1）部件之间的冲击小，安全可靠，结构改装容易，成本小，使用寿命长。本发明为电比例非接触式控制，限位缓冲控制装置不发生物理接触，部件本身可靠性高；而且是连续性区间控制，不是开关式点控制。

（2）内嵌式可编程控制器通过软件实现标定/设置/编辑功能：如最大转向角附近位移提前控制量；溢流阀的动作延时、溢流阀的开度/流量、记忆功能等。

（3）司机根据自己对舒适性、及转向的准确与及时性感觉，调节缓冲时间，从而降低最大转向角附近由于手动操作和车身惯性引起的过度转向，大幅降低转向极限位置前后车体冲击力。

附图说明

图1是本发明中一实施例（采用角位移传感器）的结构示意图。

图2是图1中控制器的主要接口示意图。

图3是本发明中另一实施例（采用线位移传感器）的结构示意图。

图4是图3中控制器的主要接口示意图。

附图标记：1-液压油箱，2-定量转向泵，3-开关溢流阀模块，4-流量放大阀模块，5-转向器模块，6-正反转意图传感器总成，7-电比例溢流阀模块，8-转向油缸，9-角位移传感器，10-拨叉机构，11-控制器，12-手动开关，13-线位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1、2所示，一种在铰接转向车辆上应用的基于位移传感技术与定量比例溢流液压技术的非接触式转向限位的比例控制系统，包括液压油箱1、定量转向泵2、开关溢流阀模块3、流量放大阀模块4、转向器模块5、正反转意图传感器总成6、电比例溢流阀模块7、转向油缸8、角位移传感器总成、控制器11、手动开关12和机械式的橡胶阻尼缓冲装置；

所述的液压油箱1、定量转向泵2、开关溢流阀模块3、流量放大阀模块4、转向器模块5、电比例溢流阀模块7、转向油缸8通过液压油管依次连接，形成液压油回路；

所述的正反转意图传感器总成6安装在转向器模块5上；

所述的正反转意图传感器总成6、电比例溢流阀模块7、角位移传感器总成和手动开关12的电路接线端子分别与控制器11上相应的接口相连接；

所述角位移传感器总成包括拨叉机构10和角位移传感器9；所述角位移传感器总成的拨叉机构10安装在车辆的转向铰接体上；所述角位移传感器9安装在拨叉机构10上，并与控制器11相连接。

所述的电比例溢流阀模块7上集成有安全旁路。所述的控制器11采用CPU。

一种非接触式转向限位的比例控制方法，包括以下步骤：

首先，在铰接转向车辆上安装如上所述非接触式转向限位的比例控制系统；

其次，车辆适时转向角为A，角位移传感器9的触发临界转向角为A₁，ΔA=A-A₁为角位移传感器9位移适时输入量，A_MAX为最大有效转向角，0位为整车转向铰接体前后对直，即0转向角度；控制方法包括：

① A < A₁时，一般性转向工况-电比例控制模式：此时整车在[0，A₁）区间内一般性正常正反转向，比例溢流控制限位功能屏蔽；控制器11屏蔽的转向控制信号主要是正反转意图传感器总成6输出的反转意图电信号；此时角位移传感器9未被触发；角位移比例溢流控制功能处于关闭状态，此时车辆处于一般性正常转向状态，由方向机的转向器模块5、流量放大阀模块4正常控制转向；

② A₁ ≤ A ≤ A_MAX时，转向限位工况-电比例控制模式：此时整车在[A₁，A_MAX]区间的内仍保持正向转向，并逐渐接近有效转向角终点A_MAX，此时控制限位功能开启；当转向角大小为A₁角度，此时角位移传感器9被触发输出电信号，并且整车仍按照原来方向转向直至最大转向角位置；控制器11接收角位移传感器9输出的电信号，然后输出线比例电信号给电比例溢流阀模块7，电比例溢流阀模块7根据输入的线比例电信号控制进入转向油缸（8）大小腔的油量，从而实现节流调速目的；随着主转向油路流量的减小和转向阻力矩的作用下车辆转向速度迅速降低，当整车转向至转向终点位置时，转向的残余惯性能量已经大幅衰减，从而实现转向终点的缓冲限位功能；

③ A₁≤A≤ A_MAX区间内，整机快速反转工况-电比例控制模式：此时整车在[A₁, A_MAX]区间的某个点开始反向转向；正反转意图传感器总成6采集到转向器模块5进行反向转向动作信息时，正反转意图传感器总成6将反转意图电信号输入给控制器11，控制器11发出信号中断电比例溢流阀模块7溢流，实现车辆的快速反向转向，保证转向安全可靠；

实施例2：

一种在铰接转向车辆上应用的基于位移传感技术与定量比例溢流液压技术的非接触式转向限位的比例控制系统，包括液压油箱1、定量转向泵2、开关溢流阀模块3、流量放大阀模块4、转向器模块5、正反转意图传感器总成6、电比例溢流阀模块7、转向油缸8、线位移传感器总成、控制器11、手动开关12和机械式的橡胶阻尼缓冲装置；

所述的液压油箱1、定量转向泵2、开关溢流阀模块3、流量放大阀模块4、转向器模块5、电比例溢流阀模块7、转向油缸8通过液压油管依次连接，形成液压油回路；

所述的正反转意图传感器总成6安装在转向器模块5上；

所述的正反转意图传感器总成6、电比例溢流阀模块7、线位移传感器总成和手动开关12的电路接线端子分别与控制器11上相应的接口相连接；

所述线位移传感器总成的线位移传感器13安装在转向油缸8上，并与控制器11相连接。

所述的电比例溢流阀模块7上集成有安全旁路。所述的控制器11采用引擎控制模块ECM。

一种非接触式转向限位的比例控制方法，包括以下步骤：

首先，在铰接转向车辆上安装如上所述非接触式转向限位的比例控制系统；

其次，车辆适时转向角为A时对应的转向油缸适时行程为S；线位移传感器13的触发临界转向角为A₁时对应的临界行程为S₁；ΔS=S-S₁为线位移传感器13位移适时输入量；S_MAX为转向油缸最大有效行程；ΔSmax为线位移最大输入位移量；控制方法包括：

① S < S₁，一般性转向工况-电比例控制模式：此时整车在[0，S₁）区间内一般性正常正反转向，比例溢流控制限位功能屏蔽；控制器11屏蔽的转向控制信号主要是正反转意图传感器总成6输出的反转意图电信号；此时线位移传感器13未被触发；线位移比例溢流控制功能处于关闭状态，此时车辆处于一般性正常转向状态，由方向机的转向器模块5、流量放大阀模块4正常控制转向；

② S₁ ≤ S ≤ S_MAX时，转向限位工况-电比例控制模式：此时整车在[S₁，S_MAX]区间的内仍保持正向转向，并逐渐接近有效行程终点S_MAX，此时控制限位功能开启；当转向角大小为A₁角度，对应转向油缸8的行程为S₁，此时线位移传感器13被触发输出电信号，并且整车仍按照原来方向转向直至最大转向角位置；控制器11接收线位移传感器13输出的电信号，然后输出线比例电信号给电比例溢流阀模块7，电比例溢流阀模块7根据输入的线比例电信号控制进入转向油缸8大小腔的油量，从而实现节流调速目的；随着主转向油路流量的减小和转向阻力矩的作用下车辆转向速度迅速降低，当整车转向至转向终点位置时，转向的残余惯性能量已经大幅衰减，从而实现转向终点的缓冲限位功能；

③ S₁ ≤ S ≤ S_MAX区间，整机快速反转工况-电比例控制模式：此时整车在[S₁，S_MAX]区间的某个点开始反向转向；正反转意图传感器总成6采集到转向器模块5进行反向转向动作信息时，正反转意图传感器总成6将反转意图电信号输入给控制器11，控制器11发出信号中断电比例溢流阀模块7溢流，实现车辆的快速反向转向，保证转向安全可靠。