小型車輛360°旋轉式轉向系統的研究

劉思璐　李孟渚　周坤

【摘 要】為解決傳統小型車輛在狹窄區域掉頭不方便以及如何提高小型工程車作業效率的問題，提出一種液壓驅動式底盤旋轉轉向裝置。該旋轉式轉向系統由液壓供油系統、旋轉轉盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成，并采用液壓泵/馬達獨立驅動回轉裝置及壓力補償系統，來實現小型車輛在狹窄區域的360° 全方位旋轉。旋轉系統的圓形托盤較好的彌補了汽車重心不穩時易傾倒的不足，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轉向時的“傾斜力矩”。所建立的分析模型對于小型車輛的轉向研究具有重要的參考價值。

【關鍵詞】小型車輛；旋轉轉向；液壓驅動；壓力補償

0 前言

在社會高速發展的今天，小型車輛發展尤為迅速，如私家車、叉車、工程車等。小型車輛的迅速發展極大的方便了我們的生活，但也漸漸突顯出了一個很現實的問題：傳統小型車輛在狹窄區域內掉頭很不方便，而且還很容易與其它物品發生碰擦事故，造成不必要的損失。同時隨著社會物流業及建筑業的快速發展，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，小型車輛的應用極其廣泛。然而對于這一類小型車輛，因其在短距離內往返次數較多，因此研究如何提高其作業效率問題實有必要。

就目前的叉車及小型工程車而言，雖然大多數都已依靠后輪的偏轉來實現轉彎，提高了其在短距離內的作業效率。但其在轉向過程中依然需要較大的空間來實現掉頭或轉彎，在一些較為狹窄的區域內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用場所受到了極大的限制。為解決傳統小型車輛轉向難、轉向空間大的問題，筆者在前期研究的基礎上，提出一種液壓驅動式底盤旋轉轉向裝置。該旋轉式轉向系統由液壓供油系統、旋轉轉盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成，并采用液壓泵/馬達獨立驅動回轉裝置及壓力補償系統，來實現小型車輛在狹窄區域的360°全方位旋轉。該轉向裝置的應用，將極大的提高小型車輛的作業效率，促進物流業及建筑行業的快速發展。

1 旋轉式轉向系統設計

傳統轉向方式是采用方向盤來控制車輪的偏轉從而實現轉向，這不僅需要較大的轉向空間，而且在狹窄區域需要操作人員具有較高的駕駛技巧，同時其轉彎效率也較低且極易發生碰擦事故。對于工程車而言，其短距離內多次反復轉向對車輛的磨損也較大，而且能耗也較高，這不符合當前社會低碳環保的理念。為解決小型車輛在狹窄區域轉向難的問題，提高小型工程車在短距離內的轉向效率，設計出如圖1所示的旋轉式轉向系統。

（a）旋轉式轉向系統 （b）模型車軸測圖

圖1 旋轉式轉向系統模型車

該旋轉式轉向系統由液壓供油系統、旋轉轉盤、伸縮液壓缸、底部托盤組成。汽車底盤下部是托盤式旋轉轉向系統，托盤上面為伸縮液壓缸，和液壓缸連接的是旋轉轉盤。當車輛啟用旋轉轉向系統時，由液壓系統給其底盤下部的液壓缸供油，從而使托盤下降，當液壓系統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，這時再由旋轉轉向系統將汽車方向偏轉至任意方位。

如圖1（a）所示，假設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，其會產生向車頭方向翻轉的趨勢，進而使得地面給予底部托盤左側方的支撐力。設地面給予底部托盤左側支撐力的合力為，且該集中力離伸縮液壓缸中心的距離為，則根據力矩平衡準則，推導出汽車不傾倒時應滿足：

∑F■？鄢L■=∑F■？鄢L■（1）

2 360°旋轉式轉向系統的工作原理

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

圖2 回轉控制流程圖

旋轉轉向系統的升降式旋轉臺工作機理如圖3所示，其基本組成為：車速感應器→液壓泵→升降式旋轉臺→水平度檢測系統→旋轉臺壓力補償裝置。該裝置通過車速感應器感應車速是否為零，若為零則連通由主液壓泵到升降式旋轉臺的油路，驅動安裝在旋轉臺上的液壓缸，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臺的油路，升降式旋轉臺無法啟用。當旋轉臺觸碰到地面后，由陀螺儀感應此時底部托盤的水平度是否在誤差允許范圍內，若底部水平度超過系統水平誤差極限，則啟用旋轉臺底部的壓力補償系統，由其來調節底部托盤的水平度，使其水平誤差極限在系統要求范圍內。

當汽車需要啟用旋轉轉向系統時，發動機驅動前泵，將液壓油經過減壓閥→泵合流閥→主控制閥，供給到汽車底盤下部的液壓缸，驅動底部托盤下降，逐漸支撐起汽車；當汽車處于懸空狀態時，由汽車駕駛室內操作面板上的功能按鈕控制主控制閥，從而實現汽車的360°的旋轉轉向；轉向剎車時，顯示器上的回轉操縱信號提示駕駛員按下剎車按鈕，激活回轉鎖緊裝置，啟動回轉制動電磁閥，使回轉制動器執行回轉剎車命令，實現回轉轉向的精準定位。當汽車旋轉轉向至目標方向時，由發動機驅動后泵，實現底盤下部的液壓桿回縮，使整個回轉轉向系統處于預備狀態。

3 結論

1）針對傳統小型車輛轉向難、效率低的現狀，本文提出一種底盤式液壓驅動的360°旋轉式轉向系統，該系統對于提高小型工程車的作業效率具有較大的促進作用；

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

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轉向時的“傾斜力矩”。

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