CN109203901A - 一种可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆及其工作方式 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆，属于非传统车辆行驶及作业过程中稳定性控制领域，尤其针对农业装备中的高地隙运输及作业车辆的稳定性与安全性控制技术。该车辆包括缓冲吸震装置、侧倾及俯仰角度随动机构、主动调节机构、车身机械结构和电液控制系统，本发明的高地隙车辆悬架系统通过缓冲吸震装置减弱路面颠簸对整车稳定性的影响并通过主动调节机构调节车辆负载的质心位置，避免产生过大的倾覆力矩导致整车失稳程度过大甚至危险事故的发生，提高车辆行驶及作业安全性能，本发明的悬架系统也可结合具体作业工况，应用于其他领域的作业平台，以保障其作业过程中的稳定性。

Description

一种可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆及其工作 方式

技术领域

本发明涉及非传统车辆行驶及作业过程中稳定性控制领域，具体涉及一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆及其工作方式。

背景技术

自走式高地隙车辆，由于其具有整车质心高、离地间隙大等结构特点，导致其行驶安全性及操纵稳定性易受到外部激励的影响，比如行驶在路面状况复杂的路面上或者外部侧向风较大时，其侧向及纵向的稳定性都难以得到保证；特别是农业装备中的高地隙作业车辆，常常在崎岖不平的路面条件下或在丘陵、山坡地带作业时，由于作业环境恶劣，整车的安全性及驾驶员的舒适性均受到较大影响，因此，对于高地隙作业平台的稳定性控制及底盘悬架系统的研究，一直是我国自走式非传统车辆作业过程中稳定性控制领域的重点研究方向。

在复杂路面条件下作业是农业机械装备中高地隙作业车辆的常态，同时在转弯工况下行驶存在一定危险，因此，研究高地隙车辆在行驶及作业工况下的稳定性控制系统对于提高行驶安全性及作业过程中的安全性及操纵稳定性具有重要意义，但现有的稳定性控制手段大多是基于传统车辆稳定性控制技术，而传统车辆失稳大多数为横摆失稳，较少发生侧翻及俯仰事故，因此在应用过程中，由于工作环境不同，类似的控制方法存在控制精度不佳、控制响应不足以及控制响应过度等诸多问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，针对复杂的作业环境下高地隙车辆侧倾及俯仰方向稳定性控制，利用主动调节机构，从根本上直接控制车辆负载的空间姿态，避免因重心偏移产生更大的倾覆力矩，保证高地隙车辆在行驶及作业过程中的安全性及操纵稳定性。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆，包括缓冲吸振装置、侧倾及俯仰角度随动机构、主动调节机构、车身机械结构和电液控制系统；其中：

所述缓冲吸震装置包括弹簧阻尼减震器Ⅰ、弹簧阻尼减震器Ⅱ、弹簧阻尼减震器Ⅲ、弹簧阻尼减震器Ⅳ；所述弹簧阻尼减震器Ⅰ、弹簧阻尼减震器Ⅱ、弹簧阻尼减震器Ⅲ、弹簧阻尼减震器Ⅳ的上端与上托板3均为平面铰连接，均可实现侧倾方向的旋转自由度；所述弹簧阻尼减震器Ⅰ、弹簧阻尼减震器Ⅱ、弹簧阻尼减震器Ⅲ、弹簧阻尼减震器Ⅳ的下端与下托板1均为平面铰连接，均可实现俯仰方向的旋转自由度。

所述侧倾及俯仰角度随动机构13包括侧倾方向铰接头131、侧倾与俯仰方向角度转换头132、俯仰方向铰接头133；所述侧倾方向铰接头131与上托板3构成移动副，在侧倾转动的同时上托板3还可进行平面移动，侧倾中心与负载18的质心高度可调；所述侧倾方向铰接头131与侧倾与俯仰方向角度转换头132通过两侧的铰接耳连接；所述侧倾与俯仰方向角度转换头132与俯仰方向铰接头133通过下部底座的铰接耳连接，实现俯仰方向的角度转动。

所述主动调节机构包括线位移传感器Ⅰ、液压油缸Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、液压油缸Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、液压油缸Ⅲ、线位移传感器Ⅳ、液压油缸Ⅳ；所述位移传感器Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、线位移传感器Ⅳ分别与液压油缸Ⅰ、液压油缸Ⅱ、液压油缸Ⅲ、液压油缸Ⅳ平行安装，保证各线位移传感器的位移量与各液压油缸的伸缩量相等；所述线位移传感器Ⅰ、液压油缸Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、液压油缸Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、液压油缸Ⅲ、线位移传感器Ⅳ、液压油缸Ⅳ的上端分别与上托板3、下托板1利用球铰接进行连接，构成球面副。

所述车身机械结构包括车体22、下托板1、上托板3、负载18；所述车体22与车轮21通过轴连接在一起，构成车辆的行走系统；所述车轮21由液压驱动，属于四轮独立液压驱动，车轮21上安装有轮速传感器20，实时测试车辆行走速度，车轮21及轮速传感器20共有四组；所述上托板3上安装有倾角传感器6，下托板1与俯仰方向铰接头133固定安装，上托板3与负载18固定安装。

所述电液控制系统包括动力源17、控制器19、倾角传感器6、位移传感器Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、线位移传感器Ⅳ、四个轮速传感器；所述动力源17与控制器19电连接；所述倾角传感器6、线位移传感器Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、线位移传感器Ⅳ、四个轮速传感器20与控制器19电连接。

一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆的工作方式，包括如下步骤：

a.在高地隙车辆行驶及作业过程中，当车辆行驶在崎岖不平的路面上或者行驶在坡地上时，车辆负载18及车体22发生相应角度的倾斜，倾角传感器6检测到倾斜角度后，将检测到的角度信息发送到控制器19中。

b.控制器19通过信息采集、运算分析、决策制定，将控制指令分别输出至主动调节机构中的液压油缸Ⅰ、液压油缸Ⅱ、液压油缸Ⅲ、液压油缸Ⅳ，分别控制各液压油缸的伸缩运动。

c. 液压油缸Ⅰ、液压油缸Ⅱ、液压油缸Ⅲ、液压油缸Ⅳ均作用于上托板3，从而带动侧倾及俯仰角度随动机构13；线位移传感器Ⅰ、线位移传感器Ⅱ、线位移传感器Ⅲ、线位移传感器Ⅳ和各轮速传感器20在运动过程中分别实时检测液压油缸Ⅰ、液压油缸Ⅱ、液压油缸Ⅲ、液压油缸Ⅳ的实际伸缩量和各车轮的实时轮速，并将检测到的数据发送至控制器19。

d. 控制器再次将各传感器测到的信息进行融合、运算分析得到偏差控制信号，将偏差控制信号再次发送至液压油缸Ⅰ、液压油缸Ⅱ、液压油缸Ⅲ、液压油缸Ⅳ，进而使上托板3及负载18运动。

e.高地隙车辆中侧倾及俯仰程度调节的电液控制系统不断重复以上步骤，直至车辆负载18回到平衡状态，减小车辆负载18重力及加速度产生的倾覆力矩。

本发明的有益效果在于：本发明的一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆，可推广应用于非传统车辆中类似的作业车辆，尤其针对农业装备中的高地隙作业机械，例如高地隙喷雾机等农业机械，由于其本身整机质心高、离地间隙大等结构特点，在行驶及作业过程中易发生由于外部激励（如复杂路面随机激励）等因素而导致的失稳状况，本发明可有效控制负载在空间姿态失衡状态下的车辆行驶安全性及操纵稳定性。具体来讲，依据本发明可以进行的工作方式如下：

1、当车辆左侧下陷，导致整车向左侧倾，车辆负载18重心向左偏移，产生绕左前轮和左后轮连线的倾覆力矩，有发生向左侧倾的危险，此时左侧的液压油缸Ⅱ伸长，右侧的液压油缸Ⅳ收缩，将车辆负载18的重心重新调节至平衡位置，尽管车体22向左侧倾，但整体重心依旧处于中心位置，依然能够保证车辆稳定前进；当车辆右侧下陷，导致整车向右侧倾时工作方式与此相反；

2、当车辆左前轮与右前轮下陷，导致整车向前俯仰，车辆负载18重心向前偏移，产生绕左前轮和右前轮连线的俯仰力矩，有发生向前俯仰的危险，此时车辆前置的液压油缸Ⅲ伸长，车辆后置的液压油缸Ⅰ收缩，将车辆负载18的重心重新调节至平衡位置，尽管车体22向前俯仰，但整体重心依旧处于中心位置，依然能够保证车辆稳定前进；当车辆左后轮与右后轮下陷，导致整车向后俯仰时工作方式与此相反；

3、当车辆左前轮下陷，车辆同时存在向左前方向的侧倾角与俯仰角，车辆负载18重心向左前方向偏移，此时左侧与前置的液压油缸Ⅱ与液压油缸Ⅲ伸长，右侧与后置的液压油缸Ⅳ与液压油缸Ⅰ收缩，将车辆负载18的质心重新调节至平衡状态，保证车辆能够稳定前进；当车辆右后轮下陷，导致整车重心向右后方向偏移时工作方式与此相反；

4、当车辆右前轮下陷，车辆同时存在向右前方向的侧倾角与俯仰角，车辆负载18重心向右前方向偏移，此时左侧与后置的液压油缸Ⅱ与液压油缸Ⅰ收缩，右侧与前置的液压油缸Ⅳ与液压油缸Ⅲ伸长，将车辆负载18的质心重新调节至平衡状态，保证车辆能够稳定前进；当车辆左后轮下陷，导致整车重心向左后方向偏移时工作方式与此相反。

本发明的有益效果还在于：本发明的悬架系统可通过快速拆装工具安装在大部分高地隙作业平台上，安装过程简单，维修方便，能够有效保证作业效率及行驶安全性及稳定性。

附图说明

图1为本发明的悬架系统整体轴测图。

图2为本发明应用于高地隙车辆后整体轴测图。

图3为本发明的侧倾及俯仰角度随动机构示意图。

附图标记：

1、下托板 2、弹簧阻尼减震器Ⅰ

3、上托板 4、线位移传感器Ⅰ

5、液压油缸Ⅰ 6、倾角传感器

7、弹簧阻尼减震器Ⅱ 8、线位移传感器Ⅱ

9、液压油缸Ⅱ 10、弹簧阻尼减震器Ⅲ

11、液压油缸Ⅲ 12、线位移传感器Ⅲ

13、侧倾及俯仰角度随动机构 131、侧倾方向铰接头

132、侧倾与俯仰方向角度转换头 133、俯仰方向铰接头

14、弹簧阻尼减震器Ⅳ 15、液压油缸Ⅳ

16、线位移传感器Ⅳ 17、动力源

18、车辆负载 19、控制器

20、轮速传感器 21、车轮 22、车体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。以下实施例为本发明应用于高地隙作业车辆的示例，以下描述本发明的工作过程：

实施例1：高地隙作业车辆在行驶及作业过程中，会面对各种不同的复杂路况。当单个轮胎突然遇到凹坑时，例如，当车辆左前轮、右前轮、左后轮或右后轮处于这种工况时，车体发生与路况相对应的质心位置偏移，同时车辆负载也会发生相应的质心偏移并产生一定的侧倾角及俯仰角，此时重力产生的倾覆力矩有可能使得车辆围绕左前轮的接地点发生侧倾或者俯仰的危险；倾角传感器在检测到相应的倾角变化信息后，传输给控制器，控制器结合轮速传感器的信息运算分析后作出决策并发出控制指令，由主动调节机构中的液压缸执行，重新调整负载的空间姿态并不断检测倾角及轮速信息，不断修正及调整，直至车辆恢复到能正常行驶的状态。

实施例2： 本实施例与实施例1的实施方式基本相同,不同之处在于当车辆一侧的两个轮胎同时突然遇到凹坑时，例如，当车辆左前轮与左后轮或左前轮与右前轮处于这种工况时，车体发生与路况相对应的质心位置偏移，同时车辆负载也会发生相应的质心偏移并产生一定的侧倾角及俯仰角，此时重力产生的倾覆力矩有可能使得车辆围绕左侧轮胎接地点连线或两前轮接地点连线发生侧倾或者俯仰的危险；倾角传感器在检测到相应的倾角变化信息后，传输给控制器，控制器结合轮速传感器的信息运算分析后作出决策并发出控制指令，由主动调节机构中的液压缸执行，重新调整负载的空间姿态并不断检测倾角及轮速信息，不断修正及调整，直至车辆恢复到能正常行驶的状态，同时，车辆右前轮与右后轮或左后轮与右后轮处于这种工况时，工作过程类似于本实施例。

本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆，其特征在于：包括缓冲吸震装置、侧倾及俯仰角度随动机构、主动调节机构、车身机械结构和电液控制系统；其中：

所述缓冲吸震装置包括弹簧阻尼减震器Ⅰ（2）、弹簧阻尼减震器Ⅱ（7）、弹簧阻尼减震器Ⅲ（10）、弹簧阻尼减震器Ⅳ（14）；所述弹簧阻尼减震器Ⅰ（2）、弹簧阻尼减震器Ⅱ（7）、弹簧阻尼减震器Ⅲ（10）、弹簧阻尼减震器Ⅳ（14）的上端与上托板（3）均为平面铰连接，均可实现侧倾方向的旋转自由度；所述弹簧阻尼减震器Ⅰ（2）、弹簧阻尼减震器Ⅱ（7）、弹簧阻尼减震器Ⅲ（10）、弹簧阻尼减震器Ⅳ（14）的下端与下托板（1）均为平面铰连接，均可实现俯仰方向的旋转自由度；

所述侧倾及俯仰角度随动机构（13）包括侧倾方向铰接头（131）、侧倾与俯仰方向角度转换头（132）、俯仰方向铰接头（133）；所述侧倾方向铰接头（131）与上托板（3）构成移动副，在侧倾转动的同时上托板（3）还可进行平面移动，侧倾中心与负载（18）的质心高度可调；所述侧倾方向铰接头（131）与侧倾与俯仰方向角度转换头（132）通过两侧的铰接耳连接；所述侧倾与俯仰方向角度转换头（132）与俯仰方向铰接头（133）通过下部底座的铰接耳连接，实现俯仰方向的角度转动；

所述主动调节机构包括线位移传感器Ⅰ（4）、液压油缸Ⅰ（5）、线位移传感器Ⅱ（8）、液压油缸Ⅱ（9）、线位移传感器Ⅲ（12）、液压油缸Ⅲ（11）、线位移传感器Ⅳ（16）、液压油缸Ⅳ（15）；所述位移传感器Ⅰ（4）、线位移传感器Ⅱ（8）、线位移传感器Ⅲ（12）、线位移传感器Ⅳ（16）分别与液压油缸Ⅰ（5）、液压油缸Ⅱ（9）、液压油缸Ⅲ（11）、液压油缸Ⅳ（15）通过底座平行安装，保证各线位移传感器的位移量与各液压油缸的伸缩量相等；所述线位移传感器Ⅰ（4）、液压油缸Ⅰ（5）、线位移传感器Ⅱ（8）、液压油缸Ⅱ（9）、线位移传感器Ⅲ（12）、液压油缸Ⅲ（11）、线位移传感器Ⅳ（16）、液压油缸Ⅳ（15）的安装底座上下两端分别与上托板（3）、下托板（1）利用球铰接进行连接，构成球面副；

所述车身机械结构包括车体（22）、下托板（1）、上托板（3）、负载（18）；所述车体（22）与车轮（21）通过轴连接在一起，构成车辆的行走系统；所述车轮（21）由液压驱动，属于四轮独立液压驱动，车轮（21）上安装有轮速传感器（20），实时测试车辆行走速度，车轮（21）及轮速传感器（20）共有四组；所述上托板（3）上安装有倾角传感器（6），下托板（1）与俯仰方向铰接头（133）固定安装，上托板（3）与负载（18）固定安装；

所述电液控制系统包括动力源（17）、控制器（19）、倾角传感器（6）、位移传感器Ⅰ（4）、线位移传感器Ⅱ（8）、线位移传感器Ⅲ（12）、线位移传感器Ⅳ（16）、四个轮速传感器（20）；所述动力源（17）与控制器（19）电连接；所述倾角传感器（6）、线位移传感器Ⅰ（4）、线位移传感器Ⅱ（8）、线位移传感器Ⅲ（12）、线位移传感器Ⅳ（16）、四个轮速传感器（20）与控制器（19）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有可调节侧倾及俯仰角悬架系统的高地隙车辆的工作方式，其特征在于：包括如下步骤：

a.在高地隙车辆行驶及作业过程中，当车辆行驶在崎岖不平的路面上或者行驶在坡地上时，缓冲吸震装置能够吸收部分由于路面不平造成的整车振动，但车辆负载（18）及车体（22）仍会发生相应角度的倾斜，倾角传感器（6）检测到倾斜角度后，将检测到的角度信息发送到控制器（19）中；

b.控制器（19）通过信息采集、运算分析、决策制定，将控制指令分别输出至主动调节机构中的液压油缸Ⅰ（5）、液压油缸Ⅱ（9）、液压油缸Ⅲ（11）、液压油缸Ⅳ（15），分别控制各液压油缸的伸缩运动；

c. 液压油缸Ⅰ（5）、液压油缸Ⅱ（9）、液压油缸Ⅲ（11）、液压油缸Ⅳ（15）均作用于上托板（3），从而带动侧倾及俯仰角度随动机构（13）；线位移传感器Ⅰ（4）、线位移传感器Ⅱ（8）、线位移传感器Ⅲ（12）、线位移传感器Ⅳ（16）和各轮速传感器（20）在运动过程中分别实时检测液压油缸Ⅰ（5）、液压油缸Ⅱ（9）、液压油缸Ⅲ（11）、液压油缸Ⅳ（15）的实际伸缩量和各车轮的实时轮速，并将检测到的数据发送至控制器（19）；

d. 控制器再次将各传感器测到的信息进行融合、运算分析得到偏差控制信号，将偏差控制信号再次发送至液压油缸Ⅰ（5）、液压油缸Ⅱ（9）、液压油缸Ⅲ（11）、液压油缸Ⅳ（15），进而使上托板（3）及负载（18）运动；

e.高地隙车辆中侧倾及俯仰程度调节的电液控制系统不断重复以上步骤，直至车辆负载（18）回到平衡状态，减小车辆负载（18）重力及加速度产生的倾覆力矩。