CN104565016B - 一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，属于林用车辆底盘技术领域。所述铰接装置包括后底架、仿生双球铰、牛角缓冲器、缓冲气囊副和前底架。装置整体设有三级缓冲，分别是关节软组织中的软基缓冲、牛角缓冲和气囊缓冲；后底架和前底架对称设置并通过仿生双球铰连接，两者的开口端向外，仿生双球铰上对称设置有牛角缓冲器，每个牛角缓冲器的一端固定在仿生双球铰上，另一端通过缓冲气囊副设置在前底架的凹槽内。本发明通过设置三级缓冲，有助于提高林用车辆的蛇行灵活性和运行平稳性，简化车辆整体构型，并降低噪声和能量损耗。

Description

一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置

技术领域

本发明涉及一种铰接装置，具体涉及一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，属于林用车辆底盘技术领域。

背景技术

中国国土面积大，森林覆盖面积广，林区作业场合多。林用车辆是一种适应林区环境的载人运货特种装备，然而林区地形复杂，地面也因土丘、坡道、沟壑和沼泽多见而变得崎岖不平，使得行走其中的林用车辆容易出现翻车、转向失稳和物资脱落等问题，在越野性能和稳定性等方面给林用车辆提出了很高的设计要求。

铰接装置是林用车辆前车和后拖之间的连接机构，属于林用车辆的“腰部”，要求有连接强度高、转向灵活和可调平衡等功能。目前常见机构有机械连接销轴和销轴配合调平衡液压缸两种机构，前者具有调平衡性能差和噪音大等不足，后者需要配备复杂的液压系统，转向灵活性和造价上存有不足。

因此设计一种具有负重能力强、蛇行灵活稳定性和自适应平衡等高性能的林用车辆底盘铰接新装置是非常必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，采用三级缓冲，实现对整车行驶的有效缓冲，保证其行驶过程中的平衡稳定性，并提高其对路况的适应能力。

一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，该铰接装置包括后底架、仿生双球铰和前底架，其中后底架和前底架的中心均加工有通孔，两者之间通过仿生双球铰连接；

所述仿生双球铰包括胫骨、股骨和关节软组织；关节软组织包括外聚氨酯层、过渡球层和内聚氨酯层，三者为半径依次缩小、不完整的球形腔体，其中股骨为空腔结构，胫骨的头部为球体，其半径小于内聚氨酯层半径；

所述内聚氨酯层、过渡球层和外聚氨酯层依次套装在胫骨头部的球体上，套装后的胫骨整体设置在股骨的腔体内并漏出尾部；仿生双球铰通过胫骨和股骨的尾部设置在后底架和前底架的通孔上。

所述股骨为圆弧矩形柱体，其沿轴向加工有纵截面为弧矩形的囊腔，外聚氨酯层与囊腔的圆角配合，并能在囊腔内实现最大距离为15mm的直线移动。

所述胫骨的中部为锥体；股骨囊腔的内壁沿轴向对称加工有两道平行滑槽；胫骨和股骨的圆周面上均沿轴向加工有通孔，通孔内设置销轴，两者的尾部均沿轴向延伸形成尾托；

所述仿生双球铰还包括环形韧带，其为环形结构，端面沿轴向延伸形成锥体，圆周面对称向外延伸形成滑块；环形韧带的锥体端套装在胫骨的球头上，并与胫骨的尾托位置相对应，其上的滑块能与股骨囊腔内壁的滑槽滑动配合。

所述过渡球层球体的被截部分大于内聚氨酯层，两者之间为有缝嵌套，缝隙之间添加润滑剂。

所述前底架上加工有凹槽，所述胫骨的圆周面沿轴向向外延伸形成突起，突起上加工有螺纹孔；

所述铰接装置还包括牛角缓冲器，其包括调节轴、外控制钮、活塞连杆、密封装置、活塞、液压油和腔体，其中腔体为一端开口一端封闭的弧形腔体；活塞和外控制钮上分别加工有通槽；

活塞设置在腔体内腔，外控制钮活动设置在腔体的开口端，两者之间还通过密封装置进行密封连接，活塞和外控制钮上的通槽位置相对应，并设置有活塞连杆，外控制钮上设置有调节轴，腔体的内腔还充满液压油；牛角缓冲器通过调节轴与胫骨突起的螺纹孔螺纹连接，并通过腔体的封闭端设置在前底架的凹槽内。

所述活塞和外控制钮上分别加工有三道且两两互成120°的弧形通槽，活塞的中心还对称加工有喇叭形通孔；相对的弧形通槽之间均设置有活塞连杆，活塞的弧形通槽内还设置有调节扇叶，调节扇叶穿过活塞连杆。

采用两个牛角缓冲器对称设置，前底架上对称加工有凹槽，胫骨的圆周面上对称形成带有螺纹孔的突起。

所述腔体的封闭端通过缓冲气囊副设置在前底架的凹槽内。

所述缓冲气囊副包括缓冲气囊和气囊安装座，缓冲气囊呈环状，其中心加工有通孔与腔体配合；前底架的凹槽为纵截面为弧矩形的凹槽，缓冲气囊通过气囊安装座设置在凹槽内，气囊安装座外形尺寸与凹槽相配合。

所述后底架和前底架均为底部敞口的框架结构，两者的前部均为梯形，后部为矩形，且两者的顶面加工有通孔，前底架的两个梯形面上对称加工有纵截面为弧矩形的凹槽。

有益效果：

(1)本发明提高了林用车辆的曲线通过性能和路况适应能力。前后底架通过仿生球铰连接，通过球体腔与球体相互嵌套，后底架以铰接点为支点可在空间中旋转并允许做小范围的直线移动，实现了在不平整路段对整车行驶的有效缓冲，即提高其曲线通过性能，又提高了其对路况的适应能力。

(2)本发明可大幅度的简化车辆整体构型并减小整车工作中的噪声。仿生球铰链利用内外聚氨酯层的软基体薄层的弹性形变实现缓冲，可摆脱复杂的液压装置、机械铰接和转向架，精简了整车构型。添加润滑油配合聚氨酯的形变也可减小铰接部分的摩擦和碰撞，从而降低林用车辆行驶时的噪声。另外，通过不定期更换聚氨酯和添加润滑油，确保整车处于在一个正常的工作状态，也能提高林用车辆的使用寿命。

(3)本发明还对称设置有牛角缓冲器实现牛角缓冲，其一端固定在仿生双球铰，另一端固定在前底架上。活塞在活塞连杆拉动情况下，液压油发挥阻碍缓冲作用，确保了车辆转弯时的平稳性，减小了后底架对前底架的反作用力，也保证了整车在行驶时的可靠性，且结构简单有效。

(4)本发明还设置有缓冲气囊副实现气囊缓冲，设置在前底架的凹槽上，从而完成了整个装置的三级缓冲，即软基组织缓冲、牛角缓冲和气囊缓冲。三级缓冲的缓冲效果能够有效可靠地保证整车在工作过程中平稳性，减少不必要的碰撞和摩擦，降低动力传递过程中的能量损耗，提高整车的使用寿命。

附图说明

图1是本发明铰接装置的轴测爆炸图。

图2是本发明仿生双球铰的轴测爆炸图。

图3是本发明牛角缓冲器的局部剖视图。

图4是本发明调节扇叶的孔径调节原理图。

图5是本发明缓冲气囊副的安装示意图。

其中，1-后底架 2-仿生双球铰 3-前底架 4-缓冲气囊副 5-牛角缓冲器 6-股骨7-外聚氨酯层 8-过渡球层 9-销轴 10-胫骨 11-环形韧带 12-内聚氨酯层 13-调节轴14-外控制钮 15-密封装置 16-活塞连杆 17-活塞 18-液压油 19-腔体 20-调节扇叶 21-缓冲气囊 22-气囊安装座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，该铰接装置包括后底架1、仿生双球铰2、前底架3、缓冲气囊副4和牛角缓冲器5。装置整体设三级缓冲副，分别是关节软组织中的软基缓冲、牛角缓冲和气囊缓冲，三者相辅相成，从而实现了林用底盘的自适应平衡。

所述后底架1和前底架3均为底部敞口的框架结构，两者的前部均为梯形，后部为矩形，且两者的顶面上均加工有通孔，前底架3的两个梯形面上还对称加工有纵截面为圆弧矩形的凹槽。

后底架1和前底架3对称设置并通过仿生双球铰2连接，两者的开口端向外，仿生双球铰2上对称设置有牛角缓冲器5，每个牛角缓冲器5的一端固定在仿生双球铰2上，另一端通过缓冲气囊副4设置在在前底架3的凹槽内。

如图2所示，仿生双球铰2仿生于人的膝关节，其包括胫骨10、销轴9、股骨6、环形韧带11和关节软组织，其中关节软组织包括外聚氨酯层7、过渡球层8和内聚氨酯层12，两者采用耐磨性能优越的聚氨酯材料。

所述胫骨10的头部为球体，中部为锥体，尾部为多节圆柱体，其最外节圆柱体的直径最大作为尾托，尾部圆周面沿轴向加工有通孔用于安放销轴9。在不干涉的条件下，胫骨10的尾部圆周面上还沿轴向向外延伸形成两柱型突起，两柱型突起上各开有螺纹孔，用于实现牛角缓冲器5上调节轴13的安装和定位。

所述股骨6为圆弧矩形柱，其圆周面上也沿轴向加工有通孔用于安放销轴9，尾部也形成尾托，股骨6上沿轴向加工有纵截面为圆弧矩形的囊腔，囊腔刚好容纳外聚氨酯层7，即外聚氨酯层7与圆角配合，并允许外聚氨酯层7在囊腔中做最大距离为15mm的直线滑动，囊腔内壁沿径向对称加工有两道平行滑槽。

上述中，两道平行滑槽的底面之间的距离大于外聚氨酯层7的外侧直径，但小于囊腔在纵截面上的最长直线距离(外聚氨酯层7外侧直径D+15mm)，这样可以防止环形韧带11从股骨6脱落。

所述环形韧带11为环形结构，其端面沿轴向延伸形成锥体，圆周面对称向外形成滑块，并能够与股骨6内的两道平行滑槽配合，即通过滑槽实现与股骨6的连接并实现在股骨6中的移动。

仿生双球铰2中各部件的安装关系如下：

胫骨10由内而外穿过后底架1的通孔，通过其尾托和销轴9实现了胫骨10与后底架1的固定。股骨6由内而外穿过前底架3的通孔，也通过其尾托和中部贯通的销轴9实现了股骨6与前底架3的固定。

内聚氨酯层12、过渡球层8和外聚氨酯层7是半径值逐渐变大、不完整的球形腔体，三者依次嵌套在胫骨10的球头上，嵌套后的胫骨10整体设置在股骨6的囊腔内。利用软基体薄层的弹性形变，将内聚氨酯层12套于胫骨10的球头上，作为下层关节软组织。同理实现外聚氨酯层7与过渡球层8的嵌套，外聚氨酯层7作为上层关节软组织。过渡球层8为金属体，过渡球层8球体的被截部分大于内聚氨酯层12，即实现过渡球层8与内聚氨酯层12的有缝嵌套，两者之间的缝隙用于添加润滑剂，从而形成双球铰的模型。环形韧带11的锥体套装在胫骨10的球头上。

上述中，在关节软组织中金属层与金属层(即胫骨10的球头与过渡球层8)两硬基之间用软基材料即内聚氨酯层12和外聚氨酯层7隔开，减少了金属与金属间的摩擦力、降低了噪音，从而实现了整车的一级缓冲，即软基缓冲。

上述中，由于过渡球层8和柔性关节软组织的引入使得在高负载的工况下，后底架1能更容易地跟随前底架3发生转向。路面情况好时，双球铰发挥着单球铰一样的缓冲作用；在较大的弯道及大颠簸路面的情况下，双球互相分担旋转角度，从而减小铰接处热量的产生。

上述中，胫骨10可以在股骨6的囊腔中实现以铰接点为支点的旋转和空间上短距离的直线移动，其在外聚氨酯层7的带动下实现上下直线移动，且上下移动的最大距离为15mm。安装时向股骨6一侧挤压并旋转胫骨10，带动环形韧带11产生旋转至滑块与股骨6的滑槽配合，从而带动胫骨10在股骨6的囊腔内滑动。如此就可以防止林用车辆在颠簸路面发生后架前翻的事故。

如图3所示，牛角缓冲器5包括调节轴13、外控制钮14、密封装置15、活塞连杆16、活塞17、液压油18、腔体19和调节扇叶20，其中腔体19作为安装载体，其为一端开口一端封闭的弧形腔体；活塞17和外控制钮14为圆柱体，两者分别沿周向加工有三道且两两互成120°的弧形通槽，使得受力更加均匀，活塞17的中心沿轴向对称加工有喇叭形通孔。

上述各部件的安装关系如下：

活塞17设置在腔体19内，外控制钮14活动设置在腔体19的开口端，两者之间还通过密封装置15进行密封连接。活塞17和外控制钮14上的通槽位置相对应，相对的通槽之间均设置有活塞连杆16，活塞连杆16、活塞17和外控制钮14三者之间通过阶梯轴实现定位。三根活塞连杆16的两端在通槽中活动，可以实现外控制钮14与活塞17的同步转动。腔体19的内腔还充满液压油18，其封闭端通过缓冲气囊副4设置在前底架3的凹槽内。

外控制钮14上设置有调节轴13，即调节轴13的一端设置在外控制钮14上，可以带动外控制钮14的转动。调节轴13的另一端与胫骨10上的螺纹孔为螺纹连接，将整个牛角缓冲器5固定于胫骨10上。调节轴13的设立是为了便于调整牛角缓冲器5与胫骨10之间的距离，在活塞连杆16的牵引下，活塞17跟随胫骨10的摆动在腔体19中迎着液压油18的阻力往复移动。

上述中，当车辆转向时即前底架3发生转动，后底架1受仿生双球铰2的牵引出现受迫转动，胫骨10在平面中以铰接点为支点产生左右转动，带动调节轴13、活塞连杆16和活塞17左右摆动，而腔体19的封闭端固定在前底架3上，则活塞17在腔体19中迎着液压油18移动，液压油18对活塞17的作用力实现了转向时的缓冲，使整车的转向更为平稳。

如图4所示，活塞17的弧形通槽中设置有调节扇叶20，调节扇叶20穿过活塞连杆16，可绕活塞连杆16转动，旋转外控制钮14，三根活塞连杆16同步产生受迫近心转动，带动调节扇叶20运动，三个调节扇叶20逐渐遮蔽三个弧形通槽。弧形通槽被完全遮蔽后，活塞17在腔体19内腔运动时，液压油18只能从活塞17中心的对称喇叭通孔中流过。

因此，缓冲力度最大时，液压油18通过活塞17的途径为活塞17喇叭通孔；缓冲力度最小时，液压油18通过活塞17的途径为活塞17上的三个弧形通槽和喇叭通孔。调节扇叶20藏于活塞17的三个扇叶腔即弧形通槽中，无干涉现象。此外，通过旋转外控制钮14可自主调节孔径大小，调节缓冲力度，从而能够适应不同路面工况。

如图5所示，缓冲气囊副4包括缓冲气囊21和气囊安装座22，其中，缓冲气囊21呈环状，中心的通孔与牛角缓冲器5的腔体19贴合。气囊安装座22实现缓冲气囊21的固定，即缓冲气囊21通过气囊安装座22安装于前底架3的凹槽中，气囊安装座22外形尺寸与凹槽相配合。

在底架发生翻转动作时，牛角缓冲器5发生跟随的翻转动作挤压缓冲气囊22，缓冲气囊21发生弹性形变，腔体19与缓冲气囊21粘合，一侧受拉一侧受压，缓冲气囊21产生的力反作用于牛角缓冲器5，让牛角缓冲器5有回复起始状态的趋势。由于缓冲气囊21的缓冲作用，可以提高铰接车辆的行驶平稳性和路况适应能力。

本发明针对的是林用特种车辆，该铰接装置有助于提高林用车辆的蛇行灵活性和自适应平衡功能，三级缓冲的实现有助于提高空车及载人运货情况下整车的稳定性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于，该铰接装置包括后底架(1)、仿生双球铰(2)和前底架(3)，其中后底架(1)和前底架(3)的中心均加工有通孔，两者之间通过仿生双球铰(2)连接；

所述仿生双球铰(2)包括胫骨(10)、股骨(6)和关节软组织；关节软组织包括外聚氨酯层(7)、过渡球层(8)和内聚氨酯层(12)，三者为半径依次缩小、不完整的球形腔体，其中股骨(6)为空腔结构，胫骨(10)的头部为球体，其半径小于内聚氨酯层(12)半径；

所述内聚氨酯层(12)、过渡球层(8)和外聚氨酯层(7)依次套装在胫骨(10)头部的球体上，套装后的胫骨(10)整体设置在股骨(6)的腔体内并漏出尾部；仿生双球铰(2)通过胫骨(10)和股骨(6)的尾部设置在后底架(1)和前底架(3)的通孔上。

2.如权利要求1所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述股骨(6)为圆柱体，其沿轴向加工有纵截面为圆角矩形的囊腔，外聚氨酯层(7)与囊腔的圆角配合，并能在囊腔内实现最大距离为15mm的直线移动。

3.如权利要求2所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述胫骨(10)的中部为锥体；股骨(6)囊腔的内壁沿轴向对称加工有两道平行滑槽；胫骨(10)和股骨(6)的圆周面上均沿轴向加工有通孔，通孔内设置销轴(9)，两者的尾部均沿轴向延伸形成尾托；

所述仿生双球铰(2)还包括环形韧带(11)，其为环形结构，端面沿轴向延伸形成锥体，圆周面对称向外延伸形成滑块；环形韧带(11)的锥体套装在胫骨(10)的球头上，并与胫骨(10)的尾托位置相对应，其上的滑块能与股骨(6)囊腔内壁的滑槽滑动配合。

4.如权利要求1或3所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述过渡球层(8)球体的被截部分大于内聚氨酯层(12)，两者之间为有缝嵌套，缝隙之间添加润滑剂。

5.如权利要求4所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述前底架(3)上加工有凹槽，所述胫骨(10)的圆周面沿轴向向外延伸形成突起，突起上加工有螺纹孔；

所述铰接装置还包括牛角缓冲器(5)，其包括调节轴(13)、外控制钮(14)、活塞连杆(16)、密封装置(15)、活塞(17)、液压油(18)和腔体(19)，其中腔体(19)为一端开口一端封闭的弧形腔体；活塞(17)和外控制钮(14)上分别加工有通槽；

活塞(17)设置在腔体(19)内腔，外控制钮(14)活动设置在腔体(19)的开口端，两者之间还通过密封装置(15)进行密封连接，活塞(17)和外控制钮(14)上的通槽位置相对应，并设置有活塞连杆(16)，外控制钮(14)上设置有调节轴(13)，腔体(19)的内腔还充满液压油(18)；牛角缓冲器(5)通过调节轴(13)与胫骨(10)突起的螺纹孔螺纹连接，并通过腔体(19)的封闭端设置在前底架(3)的凹槽内。

6.如权利要求5所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述活塞(17)和外控制钮(14)上分别加工有三道且两两互成120°的弧形通槽，活塞(17)的中心还对称加工有喇叭形通孔；相对的弧形通槽之间均设置有活塞连杆(16)，活塞(17)的弧形通槽内还设置有调节扇叶(20)，调节扇叶(20)穿过活塞连杆(16)。

7.如权利要求5或6所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：采用两个牛角缓冲器(5)对称设置，前底架(3)上对称加工有凹槽，胫骨(10)的圆周面上对称形成带有螺纹孔的突起。

8.如权利要求5所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述腔体(19)的封闭端通过缓冲气囊副(4)设置在前底架(3)的凹槽内。

9.如权利要求8所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述缓冲气囊副(4)包括缓冲气囊(21)和气囊安装座(22)，缓冲气囊(21)呈环状，其中心加工有通孔与腔体(19)配合；前底架(3)的凹槽为纵截面为圆弧矩形的凹槽，缓冲气囊(21)通过气囊安装座(22)设置在凹槽内，气囊安装座(22)外形尺寸与凹槽相配合。

10.如权利要求1或9所述的一种仿生型自适应平衡的林用底盘铰接装置，其特征在于：所述后底架(1)和前底架(3)均为底部敞口的框架结构，两者的前部均为梯形，后部为矩形，且两者的顶面加工有通孔，前底架(3)的两个梯形面上对称加工有纵截面为圆弧矩形的凹槽。