小型車輛360°旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究

劉思璐　李孟渚　周坤

【摘 要】為解決傳統(tǒng)小型車輛在狹窄區(qū)域掉頭不方便以及如何提高小型工程車作業(yè)效率的問題，提出一種液壓驅(qū)動式底盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向裝置。該旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓供油系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成，并采用液壓泵/馬達獨立驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置及壓力補償系統(tǒng)，來實現(xiàn)小型車輛在狹窄區(qū)域的360° 全方位旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的圓形托盤較好的彌補了汽車重心不穩(wěn)時易傾倒的不足，通過地面施加給托盤的反抗力矩能較好的平衡汽車在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向時的“傾斜力矩”。所建立的分析模型對于小型車輛的轉(zhuǎn)向研究具有重要的參考價值。

【關(guān)鍵詞】小型車輛；旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向；液壓驅(qū)動；壓力補償

0 前言

在社會高速發(fā)展的今天，小型車輛發(fā)展尤為迅速，如私家車、叉車、工程車等。小型車輛的迅速發(fā)展極大的方便了我們的生活，但也漸漸突顯出了一個很現(xiàn)實的問題：傳統(tǒng)小型車輛在狹窄區(qū)域內(nèi)掉頭很不方便，而且還很容易與其它物品發(fā)生碰擦事故，造成不必要的損失。同時隨著社會物流業(yè)及建筑業(yè)的快速發(fā)展，社會對于像叉車和工程車一類的小型車輛的需求量越來越大。尤其在港口、車站、機場、超市及工地等地方，小型車輛的應(yīng)用極其廣泛。然而對于這一類小型車輛，因其在短距離內(nèi)往返次數(shù)較多，因此研究如何提高其作業(yè)效率問題實有必要。

就目前的叉車及小型工程車而言，雖然大多數(shù)都已依靠后輪的偏轉(zhuǎn)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，提高了其在短距離內(nèi)的作業(yè)效率。但其在轉(zhuǎn)向過程中依然需要較大的空間來實現(xiàn)掉頭或轉(zhuǎn)彎，在一些較為狹窄的區(qū)域內(nèi)只能依靠人工處理一些實際的工程問題，因此該類工程車的應(yīng)用場所受到了極大的限制。為解決傳統(tǒng)小型車輛轉(zhuǎn)向難、轉(zhuǎn)向空間大的問題，筆者在前期研究的基礎(chǔ)上，提出一種液壓驅(qū)動式底盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向裝置。該旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓供油系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成，并采用液壓泵/馬達獨立驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置及壓力補償系統(tǒng)，來實現(xiàn)小型車輛在狹窄區(qū)域的360°全方位旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)向裝置的應(yīng)用，將極大的提高小型車輛的作業(yè)效率，促進物流業(yè)及建筑行業(yè)的快速發(fā)展。

1 旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向方式是采用方向盤來控制車輪的偏轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這不僅需要較大的轉(zhuǎn)向空間，而且在狹窄區(qū)域需要操作人員具有較高的駕駛技巧，同時其轉(zhuǎn)彎效率也較低且極易發(fā)生碰擦事故。對于工程車而言，其短距離內(nèi)多次反復(fù)轉(zhuǎn)向?qū)囕v的磨損也較大，而且能耗也較高，這不符合當前社會低碳環(huán)保的理念。為解決小型車輛在狹窄區(qū)域轉(zhuǎn)向難的問題，提高小型工程車在短距離內(nèi)的轉(zhuǎn)向效率，設(shè)計出如圖1所示的旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

（a）旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng) （b）模型車軸測圖

圖1 旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型車

該旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓供油系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成。汽車底盤下部是托盤式旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，托盤上面為伸縮液壓缸，和液壓缸連接的是旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤。當車輛啟用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，由液壓系統(tǒng)給其底盤下部的液壓缸供油，從而使托盤下降，當液壓系統(tǒng)的供油壓力足以支撐汽車重量時，托盤將支撐汽車使其處于懸空狀態(tài)，這時再由旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將汽車方向偏轉(zhuǎn)至任意方位。

如圖1（a）所示，假設(shè)汽車懸空時車頭所受的不平衡集中力為，該集中力離伸縮液壓缸中心的距離為L1，這時汽車由于重心前移，其會產(chǎn)生向車頭方向翻轉(zhuǎn)的趨勢，進而使得地面給予底部托盤左側(cè)方的支撐力。設(shè)地面給予底部托盤左側(cè)支撐力的合力為，且該集中力離伸縮液壓缸中心的距離為，則根據(jù)力矩平衡準則，推導(dǎo)出汽車不傾倒時應(yīng)滿足：

∑F■？鄢L■=∑F■？鄢L■（1）

2 360°旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

為較好滿足汽車能通過底部托盤的支撐，實現(xiàn)汽車在任意方位的轉(zhuǎn)向，該旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓泵——馬達獨立驅(qū)動回轉(zhuǎn)裝置，其回轉(zhuǎn)控制流程圖如圖2所示。其中，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)由主泵→泵合流/分流閥→主控制閥→回轉(zhuǎn)馬達→油箱組成。同時，回轉(zhuǎn)機構(gòu)具有馬達驅(qū)動動能、慣性制動功能、停車制動功能、左右旋轉(zhuǎn)功能等。回轉(zhuǎn)液壓馬達組件由液壓馬達、停車制動器和制動閥組件構(gòu)成，其依靠來自減壓閥的先導(dǎo)壓力油控制回轉(zhuǎn)制動閥，實現(xiàn)是否回轉(zhuǎn)制動。通過高速液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)機構(gòu)，小型車輛可完成在任意位置360°的回轉(zhuǎn)，并且能夠在任意位置停止。

圖2 回轉(zhuǎn)控制流程圖

旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的升降式旋轉(zhuǎn)臺工作機理如圖3所示，其基本組成為：車速感應(yīng)器→液壓泵→升降式旋轉(zhuǎn)臺→水平度檢測系統(tǒng)→旋轉(zhuǎn)臺壓力補償裝置。該裝置通過車速感應(yīng)器感應(yīng)車速是否為零，若為零則連通由主液壓泵到升降式旋轉(zhuǎn)臺的油路，驅(qū)動安裝在旋轉(zhuǎn)臺上的液壓缸，使底部托盤下降；若車速不為零，則無法連通主液壓泵到升降式旋轉(zhuǎn)臺的油路，升降式旋轉(zhuǎn)臺無法啟用。當旋轉(zhuǎn)臺觸碰到地面后，由陀螺儀感應(yīng)此時底部托盤的水平度是否在誤差允許范圍內(nèi)，若底部水平度超過系統(tǒng)水平誤差極限，則啟用旋轉(zhuǎn)臺底部的壓力補償系統(tǒng)，由其來調(diào)節(jié)底部托盤的水平度，使其水平誤差極限在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)。

當汽車需要啟用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，發(fā)動機驅(qū)動前泵，將液壓油經(jīng)過減壓閥→泵合流閥→主控制閥，供給到汽車底盤下部的液壓缸，驅(qū)動底部托盤下降，逐漸支撐起汽車；當汽車處于懸空狀態(tài)時，由汽車駕駛室內(nèi)操作面板上的功能按鈕控制主控制閥，從而實現(xiàn)汽車的360°的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向剎車時，顯示器上的回轉(zhuǎn)操縱信號提示駕駛員按下剎車按鈕，激活回轉(zhuǎn)鎖緊裝置，啟動回轉(zhuǎn)制動電磁閥，使回轉(zhuǎn)制動器執(zhí)行回轉(zhuǎn)剎車命令，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向的精準定位。當汽車旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向至目標方向時，由發(fā)動機驅(qū)動后泵，實現(xiàn)底盤下部的液壓桿回縮，使整個回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于預(yù)備狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）針對傳統(tǒng)小型車輛轉(zhuǎn)向難、效率低的現(xiàn)狀，本文提出一種底盤式液壓驅(qū)動的360°旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于提高小型工程車的作業(yè)效率具有較大的促進作用；

2）該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)控制設(shè)計，能使目標車輛旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向時，精準定位。同時底盤下部的壓力補償系統(tǒng)較好的彌補了地面水平度誤差較大時，車輛不能啟用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不足；

3）汽車底盤下部的圓形托盤較好的彌補了汽車重心不穩(wěn)時易傾倒的不足，通過地面施加給托盤的反抗力矩能較好的平衡汽車在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向時的“傾斜力矩”。

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