装载机线控转向角度测量控制研究

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设 计 与 研 究 19装载机线控转向角度测量控制研究张义华 高公如 韩 斌 王安敏 赵海霞。 杨化林 张学春(1．常林集 团，临沂 276700；2．青 岛科技大学 ，青岛 266061)摘 要 ：装载机线控转向 系统将 自动控制 系统与液压 系统结合 ，取消装载机原来转向系统 中方向盘与转向轮之 间机械或液压连接 ，优化装载机转向系统的路 感与工况适应 ，便于与其它 系统集成 ，统一协调控制。提 出了一 种新的线控 转向装载机 的转 角的测量方案，更精确测量转 角数据 。设计优化装载机 线控转向液压 系统信号检测 ，更 好 满足 实际 需要 。

关键词 ：装载机 线控转向 测量控制引言线控转 向系统指通 过微 电子技术连接并控制转 向系统的各个元件来代替传统的机械或液压连接。用传感器记录驾驶者的转向数据，然后通过数据线将信号传递给车上 的微计算机 ，计算机综合这些和其它信 号做 出判 断后 ，再控制车辆的转 向角度 ，实现了方 向盘与转 向执行部分之间的无机械 和液压连接 的线控转 向。工程应用 中，控转 向系统可 以根据 不 同的工 况来 调节方 向盘 的转 动 圈数 ，分为行走模式 和作业模式 ，这样 就能在很 大程度上降低 劳动者工作强度 。紧急情 况下 ，为避免驾驶者的错误判断 ，这个系统还会忽略驾驶者 的转 向输人 ，平稳地将车保持在最安全的状态?。

装 载机作 为一种装卸成堆散料 和进行轻 度挖掘的专用 工程机械 ，已被广泛 应用到建 筑工 地 、矿 山、港 口、仓库 、料场等 国民经济的各个方面 ，成为现代化建设的重要装备I 。转 向系统是决定工程车辆安全性 和作业效率 的关键 总成 。轮式装载机为实现 良好 的转弯性能多采用销轴铰接形式 ，该车辆 的车架 由前后两段 车架 组成 ，前 、后 车架采用销轴铰接联接 ，并 由油缸使前后车架 保持或 改变相对夹角而使车辆以不 同的弯道行驶半径在地面运行l 3l。

随着应用场合工况要求 的提高和现代技术的发展 ，车辆转 向系统 的性能需要进一步提高 ，解决原 有的转 向系统 中存在着灵敏度不可调节 、没有路感等 问题 ，为提 高转向性能 ，科技工作者致力于研究线控转 向技术 。由于取消了方向盘和转向轮之间的机械 连接 ，完全摆脱 了传统转向系统的各种 限制 ，因此使车辆 的设计 、装配大为简 化 ，而 且还 可以 自由设计 车辆转 向的力传递特性和角传递特性 ，给车辆转向特性 的设计带来无限 的空间 ，是车辆转 向系统 的重大革新【4J。

1 装载机线控转向系统的组成线控转 向系统通常 由以下 四部分组成 ，具有力反馈 的电子方 向盘 ，液压系统 ，转 向油缸及 电控单元 。系统组成如 图 1所示 。线控转 向系统以 MCU为核心 ，检测来 自力反馈 电机 、方 向盘转 角传 感器 、压 差传感器 、车架转 角传感器等的信号，计算并得出相应的动作指令 ，控制比例减压 阀的位移 ，进而控制流量放大阀的位移 即改变液压缸的行程 ，实现转向控制。

1．方向盘；2．力反馈电机 ；3．方向盘转角传感器 ；4．微控制器 MCU；5．比例减压阀；6．溢流阀；7．控制泵 ；8．转向泵；9．油箱；1O．流量放大阀；11．压差传感器；12．转向液压缸 ；13．车架转角传感器图 1 线控转向系统组成2 装载机线控转 向角度检测装置的设计现有 的技术方案是在转 向油缸 的两端跨接安装直线位移传感器，通过测量转向油缸的伸缩量来间接测量车辆的转向角度，然而所需的传感器长度很大，转向油缸所处 的位置低 ，接近地 面，工作过程 中传感 器容易受到洒落奔跳的物料的冲击 ，以致破坏。铰接车辆的前后车架铰接处装有球铰 ，两者之间存 在着复杂 的相对转动 ，若检测装置设计不合理 ，易引起车辆转 向角度测量误 差 ，导致 转向控制失误 ，故如何准确测得前后 车架 的相对转向角度成为线控转向系统研究中的关键问题。

(1)角度检测装置的组成。本文设计 的用于轮式装载机转向角度检测装置，能够准确测得前后车架的相对转向角度 ，即装载机转向角度 ，且能够消除 因前后车架发生相对扭转、俯仰而引起的转角误差，检测铰接车架转向角度采用轴角编码器 ，直接检测装载机转向角度数据更精确。将传统两个液压缸使用的压力传感器改为压差传感20 现代制造技术与装备 2013第4期总第215期器 ，不仅简化系统 ，也为设计路感也提供 了更精确 的数据。设计 的轮式装载机转 向角度检测装置如图 2与图 3所示。

6 7 8 9 10 l1 121．前车架 ；2．支架 ；3．小同步带轮轴；4．轴承端盖；5．小 同步带轮；6．联轴器 ；7．车架角位移传感器；8．同步带 ；9．大 同步带轮 ；10．大同步带轮轴 ；11．销轴压板 ；12．后车架 ；13．销轴图 2 轮式装载机角度检测装置0图 3 角度检测装置的俯视图在图 2和图 3中，销轴压板与销轴焊接 固定联接 ，销轴压板与后 车架通过螺栓固定联接 ，前车架与后车架 由销轴铰接联接 ，该装置 主要 由支架 、小 同步带 轮轴 、轴 承端盖 、小同步带轮 、联轴器 、轴 角编码器 、同步带 、大 同步带轮和大同步带轮轴构成 ；支架通过螺栓 固定联接在前车架上 ，小同步带轮轴通过轴承安装在支架的轴承座上 ，小 同步带轮通过键固定联接在小同步带轮轴上 ，轴角编码器通过螺栓固定联接在支架的上端 ，轴角编码器的输入轴通过联轴器与小 同步带轮轴固定联接 ，大 同步带轮通过键 固定联接在大同步带轮轴上 ，所述大 同步带轮轴与销轴 同轴心线焊接 固定联接 ，同步带 安装在小 同步带轮和大 同步带轮上 。

轴承端盖通过螺栓同定安装在支架的轴承座上端。轴角编码器 的轴心线与小 同步带 轮轴的轴心线 同心安装 。

前车架 与后车架 由销轴铰接联接后 ，前后车架保持零度角转向时 ，划 出一条垂直通过销轴 13的轴心线的前后车架左右对称线 0～0，支架通过螺栓安装在使小同步带轮轴 的轴心线垂 直通过对称线 0—0、并使小同步带轮轴 的轴心线与销轴 的轴心线平行 的位置处。小同步带轮与大同步带轮安装于 同一平面上。

(2)角度检测装置 的角度检测原理 。当轮式装载机转向时，在转 向油缸的推动下 ，前车架与后车架之间会相对转过一定角度 ，由于大同步带轮与后车架 固定联接 ，故 同步带会带动小 同步带轮转过一定角度 ，从而使 与小 同步带轮轴 3联接的转角传感器转过相应角度，产生电信号输出 ，根据 同步带轮问的传 动比得到前后车架 的相对转向角度 。当前车架与后车架发生相对扭转 、俯仰时 ，柔性的同步带发生轻微扭动 ，避免 了因前车架与后 车架相对扭转 、俯仰而 引起 的小同步带轮 的附加转动带 来的附加转角误差 ，从 而实现准确测量轮式装载机转向角度的 目的 。

3 装载机线控转向工作原理本文对线控转 向进行 了创新设计 ，优化 了角度检测 ，并且采纳一个 压差传感器取代原有两个压力传感器。设计 的线控转向系统工作原理如 图 4所示 。

图 4 线控转向工作原理图当驾驶员转动方向盘时 ，方向盘轴角编码器检测方 向盘的转角信号 ，同时车架轴 角编码器检测装载机转 向角度信号 ，这两个信号同时送到 MCU，MCU对方向盘转角信号与装载机转 向角信号进行 比较 ，如果差值不为零 ，则根据差值的大小及符号输出控制指令，经过功率放大后驱动 比例减压阀输 出相应的控 制压力 ，控制流量放大阀主阀芯 的位移 ，从 而使车辆实现转 向；如果差值 为零 ，则MCU输 出给 比例减减压阀的电流变为零 ，此时控制压力也变为零 ，流量放大阀主阀芯回到中位 ，车辆停止转 向。

在转向系中安装有压差传感器 ，当转 向或在崎 岖不平的路面上行驶时 ，系统压力变化 ，压差传感 器将压差信号转换为电信号送到 MCU，经过计算后 向电子方向盘系统提供反馈力矩信号 ，以使驾驶员能感受到合适 的路感 。

4 结论本文对装载机线控转向原理与结构进行 了创新设计 ，采用直接检测装载机转向角度信号的设计方案，该装置为装载机提供了一种切实可行的装载机转向角度检测功能。转向角度检测装置采用同步带结构，避免了因前车架与后车架相对扭转 、俯仰而引起 的小 同步带轮的附加转动带来的附加转角误差 ，并且能够 承受部分来 自外界 的扰动 ，从而实现 了准确测量轮式装载机转向角度的 目的。

优化精简液压缸压力检测 ，为线控转 向的路感提供 了更设 计 与研 究为精确 的数据 ，使装载机线控转 向的性 能进一步提升。在工程 车辆的实 际运用 中 ，线控转 向可设置作业模式和行走模式 ，极大解放 了人力 ，是车辆智能化 的重要方 向。线控转 向技术必然会在工程车辆 中得到广泛的应用。

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Loaders Steer-by-wire Angle M easurement ControlZHANG Yihua ，GAO Gongru ，HAN Bin ，WANG Anmin ，ZHAIHaixia2
， YANG Hualin ，ZHANG Xuechun(1．Chang Linzhu group，Linyi 676700；2．Qingdao University ofScience＆Technology．Qingdao 266061)Abstract：L0ader's steer-by-wire svsteln combines the aut0maticcontrol system and hydraulic system．The system cancels loader originalsteering system that steering wheel with the front wheel mechanical orhydraulic connection， optimizing loader steering system conditionsadaptation， easily integrated with other systems， harmonization ofcontro1．Put forward a new measurement of a steer——by——wire loadersteering angel，which aims at a more accurate comer detection．Designand optimize loader’s steer-by—wire hydraulic system signal detection，and better meet the actnal needs.

Key words：loaders，steer-by-wire，measure and control··— 十一··—。—卜 ”—十一一——+一”十 ”-+-·—+-”-+-·-+-”+ ”+ ·+ ··-4-·-4-(上接第 12页)[2]诸乃雄．机床 动态设计原理与应用[M]．上海 ：同济大学 出版社 ．1987.

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M odal Analysis of CNC Vertical lathe Column Basedon the the ANSYS W orkbenchSUN Guangmin‘，AN Fengzhu(1．Tengzhou City Institute of Product Quality Supervision ＆Inspection，Tengzhou 277500；2．Shandong Cadre School of QualityTechnology and Supervision．Ji’nan 250014)Abstract：Lathe in the work by forced vibration or self-excitedvibration causes the machine column resonance phenomenon．Installedthe turret beams fixed on the track of the column
， therefore，theresonance of the column will cause the vibration of the tool，caused inthe process will not only afect the quality of the dynamic accuracy ofthe machine tool and the machined parts， and reduce productioneficiency and durability of the too1．Severe vibration or even reducesthe performance of the machine，associated with the noise generated bythe vihration will affect the health of the mac,hine workers．In thispaper，a model of CNC vertical lathe column as the research ohject，modeled with Solidworks and do modal analysis with ANSYSWorkbench extract its first six natural frequencies corresponding to thevibration mode．By analog simulation to find the weak links，it providessome guidance for future optimization designKey words：vertical lathe，modal analysis，ANASYS Workbench，natural frequency