工程機械三自由度鉸接底盤及越障控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工程機械三自由度鉸接底盤及越障控制方法，該底盤包括前車體和后車體和三自由度鉸接裝置，三自由度鉸接裝置前端與前車體相連，后端與后車體相連；前車體相對于后車體具有橫擺、側傾和俯仰三個自由度；所增加的俯仰自由度使得前車體和后車體之間可以產生俯仰運動，當車輛遇到大尺度障礙時，通過調整前車體和后車體之間的俯仰角度使其形成Λ型，可以避免大尺度障礙刮碰底盤，當車輛經過深V型地形時，通過調整前車體和后車體之間的俯仰角度使其形成V型，從而避免車輛前端與V型地形發(fā)生碰撞，提高了車輛的通過性。
【專利說明】
工程機械三自由度鉸接底盤及越障控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于車輛底盤技術領域，具體涉及一種用于工程機械的三自由度鉸接底盤及越障控制方法。
【背景技術】
[0002]搶險救援中，滑坡塌方清理、道路疏通、鋼筋混凝土破碎切割、救援現場清障等作業(yè)主要依靠挖掘機、裝載機和起重機等工程機械完成，可見工程機械在搶險救援中發(fā)揮著巨大作用。然而，現有的工程機械缺乏高機動救援車輛專用底盤，其機動能力差，且在狹小區(qū)域、復雜地形下無法通過，導致救援不及時和效率低下，加劇了損害程度。由于現有底盤多為一體式結構，當車輛通過凸起障礙物，經常出現刮碰底盤的情況，甚至無法通過，為了解決這種局限，現有技術主要采用可控懸架系統(tǒng)，如油氣懸架和空氣懸架等，通過充油或充氣來升高懸架，從而達到升高底盤的目的。然而，當底盤升高之后，車輛的側向穩(wěn)定性降低，容易導致車輛失穩(wěn)，嚴重時甚至發(fā)生翻車事故。特別的，對于大尺寸的凸起障礙物，即使調整懸架行程，也無法保證車輛能夠順利通過。
[0003]另外，當車輛經過深V型地形時，一體式結構底盤無法保證車輛順利通過。現有的鉸接式底盤形式多為單自由度，前車體和后車體鉸接在一起形成橫擺轉向，如鉸接式裝載機，也有部分鉸接式底盤采用雙自由度，前車體和后車體除了能夠相對橫擺轉向外，還可以發(fā)生相對側傾擺動。無論是單自由度鉸接底盤，還是雙自由度鉸接底盤，都無法保證車輛通過大尺寸的凸起障礙物和深V型地形。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于工程機械的三自由度鉸接底盤及越障控制方法，克服現有技術中工程機械底盤無法跨越大尺寸凸起障礙物的局限，還可以解決車輛無法通過深V形障礙路面的問題，提高工程車輛的通過性和機動性。
[0005 ]本發(fā)明為解決上述問題，通過以下技術方案實現:
[0006]一種工程機械三自由度鉸接底盤，主要由前車體2、三自由度鉸接裝置I和后車體3依次連接構成;其中三自由度鉸接裝置I前端與前車體2相連，三自由度鉸接裝置I后端與后車體3相連;前車體2相對于后車體3具有橫擺、側傾和俯仰三個自由度。其中，橫擺自由度用于實現底盤的鉸接轉向功能，側傾自由度用于當車輛一側車輪越過障礙時提高車輛的側傾穩(wěn)定性，俯仰自由度用于實現車輛跨越大尺寸凸起障礙物以及通過深V型障礙路面。
[0007]所述的三自由度鉸接裝置I，包括相互旋轉連接的鉸接架甲10和鉸接架乙11，該旋轉運動產生前車體2相對于后車體3的側傾自由度；
[0008]還包括俯仰液壓缸，其一端與后車體3鉸接，另一端與鉸接架甲1鉸接，鉸接架甲10的兩端通過軸承甲14和軸承乙17與后車體3旋轉連接，俯仰液壓缸的伸縮運動產生前車體2相對于后車體3的俯仰自由度；
[0009]還包括并聯的轉向液壓缸甲15和轉向液壓缸乙16，它們的兩端分別與鉸接架乙11和前車體2鉸接，鉸接架乙11通過上鉸耳111、下鉸耳112與前車體2鉸接，轉向液壓缸甲15和轉向液壓缸乙16的伸縮運動產生前車體2相對于后車體3的橫擺自由度。
[0010]優(yōu)選地，所述的俯仰液壓缸是并聯的多于兩個的液壓缸。
[0011]所述的鉸接架甲10上的圓柱孔105與鉸接架乙11上的圓柱軸115旋轉連接，所述的鉸接架甲10上的接頭甲101與軸承甲14旋轉連接，軸承甲14固定在后車架30的側板304上面，接頭乙102的連接方式與接頭甲完全相同；鉸接架甲10上的鉸耳甲103與俯仰液壓缸的活塞桿鉸接相連，俯仰液壓缸的缸筒端與后車架30上的鉸耳丁 302鉸接；
[0012]所述的鉸接架乙11的上鉸耳111與前車架20上的橫梁甲201鉸接，下鉸耳112與前車架20上的橫梁乙202鉸接;鉸接架乙11上的右鉸耳113與轉向液壓缸甲15的活塞桿鉸接，轉向液壓缸甲15的缸筒端與前車架20上的鉸耳丙203鉸接，鉸接架乙11上的左鉸耳114與轉向液壓缸乙16的連接方式與右鉸耳113完全相同。
[0013]所述的前車體2由前車架20、右前懸架21、左前懸架22、右前輪23和左前輪24組成，所述的右前懸架21和左前懸架22連接在前車架20上面，右前輪23與右前懸架21連接，左前輪24和左前懸架22連接；
[0014]所述的后車體3由后車架30、右后懸架31、左后懸架32、右后輪33和左后輪34組成，所述的右后懸架31和左后懸架32連接在后車架30上面，右后輪33與右后懸架31連接，左后輪34和左后懸架22連接。
[0015]優(yōu)選地，所述的右前輪23、左前輪24、右后輪33和左后輪34均為獨立驅動。
[0016]一種基于上述工程機械三自由度鉸接底盤的越障控制方法，包括以下步驟:
[0017](I)判定車輛當前的行駛路況；
[0018](2)根據路況信息，控制俯仰液壓缸的伸縮動作；
[0019](3)俯仰液壓缸復位。
[0020]具體地，步驟(I)中所述的車輛當前的行駛路況包括大尺度Λ型凸起障礙路面、深V型障礙路面、水平或小尺度障礙路面。
[0021]步驟(2)的具體控制方法為:
[0022]Α.若判定當前路況為水平或小尺度障礙路面時，俯仰液壓缸復位并鎖死，此時前車體2和后車體3處于水平狀態(tài)，兩者之間的俯仰夾角為0° ;
[0023]B.若判定當前路況為大尺度Λ型凸起障礙路面，當右前輪23和左前輪24越過Λ型凸起障礙40的頂端，而右后輪33和左后輪34尚未越過Λ型凸起障礙40時，俯仰液壓缸同步收縮，俯仰液壓缸的收縮位置取決于Λ型凸起障礙40的尺寸；當達到指定位置后，俯仰液壓缸停止收縮，該位置能夠保證車輛底盤不會和Λ型凸起障礙40頂端接觸，保持當前的收縮位置，直到整車越過Λ型凸起障礙40頂端；當整車越過Λ型凸起障礙40的頂端后，俯仰液壓缸復位到初始狀態(tài)；
[0024]C.若判定當前路況為深V型障礙路面，當右前輪23和左前輪24越過深V型障礙41的底端，而右后輪33和左后輪34尚未越過深V型障礙41的底端時，俯仰液壓缸同步伸長，俯仰液壓缸的伸長位置取決于深V形障礙尺寸；當達到指定位置后，俯仰液壓缸停止伸長，該位置能夠保證車輛最前端和深V形障礙路面不發(fā)生碰撞，保持當前的伸長位置，直到整車越過深V形障礙底端;當整車越過深V形障礙底端后，俯仰液壓缸復位到初始狀態(tài)。
[0025]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明中的前車體和后車體在中間鉸接位置具有橫擺、側傾和俯仰三個自由度;所增加的俯仰自由度使得前車體和后車體之間可以產生俯仰運動，當車輛遇到大尺度障礙時，通過調整前車體和后車體之間的俯仰角度使其形成Λ型，可以避免大尺度障礙刮碰底盤，當車輛經過深V型地形時，通過調整前車體和后車體之間的俯仰角度使其形成V型，從而避免車輛前端與V型地形發(fā)生碰撞，提高了車輛的通過性。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明整體結構示意圖
[0027]圖2為三自由度鉸接裝置示意圖
[0028]圖3(a)為鉸接架甲后軸測圖，圖3(b)為鉸接架甲前軸測圖
[0029]圖4(a)為鉸接架乙前軸測圖，圖4(b)為鉸接架乙后軸測圖
[0030]圖5為前車架結構示意圖
[0031]圖6為后車架結構示意圖
[0032]圖7為越障控制方法的流程圖
[0033]圖8為車輛越過Λ型凸起障礙時的底盤俯仰調整示意圖
[0034]圖9為車輛越過深V型障礙時的底盤俯仰調整示意圖
[0035]圖中:
[0036]1、三自由度鉸接裝置，1、鉸接架甲，11、鉸接架乙，12、俯仰液壓缸甲，13、俯仰液壓缸乙，14、軸承甲，15、轉向液壓缸甲，16、轉向液壓缸乙，17、軸承乙，101、接頭甲，102、接頭乙，103、鉸耳甲，104、鉸耳乙，105、圓柱孔，111、上鉸耳，112、下鉸耳，113、右鉸耳，114、左鉸耳，115、圓柱軸。
[0037]2、前車體，20、前車架，21、右前懸架，22、左前懸架，23、右前輪，24、左前輪，201、橫梁甲，202、橫梁乙，203、鉸耳丙。
[0038]3、后車體，30、后車架，31、右后懸架，32、左后懸架，33、右后輪，34、左后輪，301、上橫梁，302、鉸耳丁，303、鉸耳戊。
[0039]40、Λ型障礙，41、V型障礙
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對發(fā)明進行詳細介紹。
[0041]圖1為本發(fā)明的工程機械三自由度鉸接底盤的整體結構示意圖，主要由前車體2、三自由度鉸接裝置I和后車體3依次連接構成；其中三自由度鉸接裝置I前端與前車體2相連，三自由度鉸接裝置I后端與后車體3相連;前車體2相對于后車體3具有橫擺、側傾和俯仰三個自由度。其中，橫擺自由度用于實現底盤的鉸接轉向功能，側傾自由度用于當車輛一側車輪越過障礙時提高車輛的側傾穩(wěn)定性，俯仰自由度用于實現車輛跨越大尺寸凸起障礙物以及通過深V型障礙路面。
[0042]圖2為三自由度鉸接裝置I的結構示意圖，包括相互旋轉連接的鉸接架甲10和鉸接架乙11，該旋轉運動產生前車體2相對于后車體3的側傾自由度;三自由度鉸接裝置I還包括俯仰液壓缸，其一端與后車體3鉸接，另一端與鉸接架甲10鉸接，鉸接架甲10的兩端通過軸承甲14和軸承乙17與后車體3旋轉連接，俯仰液壓缸的伸縮運動產生前車體2相對于后車體3的俯仰自由度;三自由度鉸接裝置I還包括并聯的轉向液壓缸甲15和轉向液壓缸乙16，它們的兩端分別與鉸接架乙11和前車體2鉸接，鉸接架乙11通過上鉸耳111、下鉸耳112與前車體2鉸接，轉向液壓缸甲15和轉向液壓缸乙16的伸縮運動產生前車體2相對于后車體3的橫擺自由度。
[0043]具體地，所述的俯仰液壓缸可以為單個液壓缸，也可以是并聯的多于兩個液壓缸，圖2中實例為兩個液壓缸，即俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13。
[0044]結合圖3和圖4，可見所述的鉸接架甲10上的圓柱孔105與鉸接架乙11上的圓柱軸115相互配合連接在一起，鉸接架甲10和鉸接架乙11可以繞圓柱軸115的軸線自由轉動，形成側傾自由度。
[0045]所述的鉸接架甲10上的接頭甲101與軸承甲14連接，軸承甲14固定在后車架30的側板304上面，接頭乙102的連接方式與接頭甲完全相同，接頭甲101和接頭乙102使得鉸接架甲10可以和后車架30發(fā)生相對轉動，形成俯仰自由度。鉸接架甲10上的鉸耳甲103與俯仰液壓缸甲12的活塞桿鉸接相連，俯仰液壓缸甲12的缸筒端與后車架30上的鉸耳丁 302鉸接在一起。鉸接架甲10上的鉸耳乙104與俯仰液壓缸乙13的連接方式與鉸耳甲103完全相同。
[0046]所述的鉸接架乙11的上鉸耳111與前車架20上的橫梁甲201鉸接，下鉸耳112與前車架20上的橫梁乙202鉸接，鉸接架乙11和前車架20可以相對轉動，形成橫擺自由度。鉸接架乙11上的右鉸耳113與轉向液壓缸甲15的活塞桿鉸接在一起，轉向液壓缸甲15的缸筒端與前車架20上的鉸耳丙203鉸接在一起。鉸接架乙11上的左鉸耳114與轉向液壓缸乙16的連接方式與右鉸耳113完全相同。
[0047]所述的前車體2主要由前車架20、右前懸架21、左前懸架22、右前輪23和左前輪24組成。所述的右前懸架21和左前懸架22都連接在前車架20上面，右前輪23與右前懸架21連接，左前輪24和左前懸架22連接。
[0048]圖5為前車架20的結構示意圖，可見其主要包含有橫梁甲201，橫梁乙202，鉸耳丙203，側板甲204和側板乙205組成，所述的橫梁甲201和橫梁乙202的兩端分別固定在側板甲204和側板乙205上面，鉸耳丙203固定在側板甲204上面。
[0049]所述的后車體3主要由后車架30、右后懸架31、左后懸架32、右后輪33和左后輪34組成。所述的右后懸架31和左后懸架32都連接在后車架30上面，右后輪33與右后懸架31連接，左后輪34和左后懸架22連接。
[0050]圖6為后車架30的結構示意圖，主要包含有側板甲304、側板乙305和上橫梁301，上橫梁301上固聯著鉸耳丁302和鉸耳戊303。
[0051 ] 可選地，所述的右前輪23、左前輪24、右后輪33和左后輪34均為獨立驅動。
[0052]一種針對上述工程機械三自由度鉸接底盤的越障控制方法，主要指車輛越過大尺度凸起Λ型障礙和深V型障礙時對俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13的控制，圖7所示為俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13的控制流程圖，包括以下步驟:
[0053](I)判定車輛當前的行駛路況；
[0054](2)根據路況信息，控制俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13的伸縮動作；
[0055](3)俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13復位。
[0056]具體地，步驟(I)中所述的車輛當前的行駛路況主要包括三種路況，大尺度Λ型凸起障礙路面、深V型障礙路面、水平或小尺度障礙路面。
[0057]步驟(2)的具體控制方法為:
[0058]A.若判定當前路況為水平或小尺度障礙路面時，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13復位并鎖死，使得前車體2和后車體3處于水平狀態(tài)，兩者之間的俯仰夾角為0°;
[0059]B.若判定當前路況為大尺度Λ型凸起障礙路面，如圖8所示，當底盤上兩個前輪(右前輪23和左前輪24)越過Λ型凸起障礙40的頂端，而兩個后輪(右后輪33和左后輪34)尚未越過Λ型凸起障礙40時，為了防止底盤接觸到Λ型凸起障礙40的頂端，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13同步收縮，在俯仰液壓缸拉力作用下，前車體2后端和后車體3前端都向上運動，此時，前車體2和后車體3呈Λ型，這樣就可以避免車輛底盤接觸到Λ型凸起障礙40的頂端。俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13的收縮位置取決于Λ型凸起障礙40的尺寸，Λ型凸起障礙40越高，則要求俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13收縮越多，當達到指定位置后，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13停止收縮，該位置能夠保證車輛底盤不會和Λ型凸起障礙40頂端接觸，保持當前的收縮位置，直到整車越過Λ型凸起障礙40頂端，即右后輪33和左后輪34越過Λ型凸起障礙40頂端。當整車越過Λ型凸起障礙40的頂端后，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13復位到初始狀態(tài)；
[0060]C.若判定當前路況為深V型障礙路面，如圖9所示，當底盤上兩個前輪(右前輪23和左前輪24)越過深V型障礙41的底端，而倆后輪(右后輪33和左后輪34)尚未越過深V型障礙41的底端時，為了防止車輛最前端與深V形障礙41發(fā)生碰撞，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13同步伸長，在倆俯仰液壓缸推力作用下，前車體2后端和后車體3前端都向下運動，此時，前車體2和后車體3呈V型，這樣就可以避免車輛前端與深V形障礙路面發(fā)生碰撞。俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13的伸長位置取決于深V形障礙尺寸，深V形障礙越深，則要求俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13伸長越多，當達到指定位置后，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13停止伸長，該位置能夠保證車輛最前端和深V形障礙路面不發(fā)生碰撞，保持當前的伸長位置，直到整車越過深V形障礙底端。當整車越過深V形障礙底端后，俯仰液壓缸甲12和俯仰液壓缸乙13復位到初始狀態(tài)。
[0061]上述實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結構、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【主權項】
1.一種工程機械三自由度鉸接底盤，包括前車體(2)和后車體(3)，其特征在于: 還包括三自由度鉸接裝置(I)，三自由度鉸接裝置(I)前端與前車體(2)相連，后端與后車體(3)相連;前車體(2)相對于后車體(3)具有橫擺、側傾和俯仰三個自由度； 所述的三自由度鉸接裝置(I)，包括相互旋轉連接的鉸接架甲(10)和鉸接架乙(11)，該旋轉運動產生前車體(2)相對于后車體(3)的側傾自由度。2.根據權利要求1所述的一種工程機械三自由度鉸接底盤，其特征在于: 所述的三自由度鉸接裝置(I)，還包括俯仰液壓缸，其一端與后車體(3)鉸接，另一端與鉸接架甲(10)鉸接，鉸接架甲(10)的兩端通過軸承甲(14)和軸承乙(17)與后車體(3)旋轉連接，俯仰液壓缸的伸縮運動產生前車體(2)相對于后車體(3)的俯仰自由度； 所述的三自由度鉸接裝置(I)，還包括并聯的轉向液壓缸甲(15)和轉向液壓缸乙(I6)，它們的兩端分別與鉸接架乙(11)和前車體(2)鉸接，鉸接架乙(11)通過上鉸耳(111)、下鉸耳(112)與前車體(2)鉸接，轉向液壓缸甲(15)和轉向液壓缸乙(16)的伸縮運動產生前車體(2)相對于后車體(3)的橫擺自由度。3.根據權利要求2所述的一種工程機械三自由度鉸接底盤，其特征在于: 所述的俯仰液壓缸是并聯的多于兩個的液壓缸。4.根據權利要求2所述的一種工程機械三自由度鉸接底盤，其特征在于: 所述的鉸接架甲(1)上的圓柱孔(105)與鉸接架乙(I I)上的圓柱軸(115)旋轉連接，所述的鉸接架甲(10)上的接頭甲(101)與軸承甲(14)旋轉連接，軸承甲(14)固定在后車架(30)的側板(304)上面，接頭乙(102)的連接方式與接頭甲完全相同；鉸接架甲(1)上的鉸耳甲(103)與俯仰液壓缸的活塞桿鉸接相連，俯仰液壓缸的缸筒端與后車架(30)上的鉸耳丁 (302)鉸接； 所述的鉸接架乙(11)的上鉸耳(111)與前車架(20)上的橫梁甲(201)鉸接，下鉸耳(112)與前車架(20)上的橫梁乙(202)鉸接;鉸接架乙(11)上的右鉸耳(113)與轉向液壓缸甲(15)的活塞桿鉸接，轉向液壓缸甲(15)的缸筒端與前車架(20)上的鉸耳丙(203)鉸接，鉸接架乙(11)上的左鉸耳(114)與轉向液壓缸乙(16)的連接方式與右鉸耳(113)完全相同。5.根據權利要求1所述的一種工程機械三自由度鉸接底盤，其特征在于: 所述的前車體(2)由前車架(20)、右前懸架(21)、左前懸架(22)、右前輪(23)和左前輪(24)組成，所述的右前懸架(21)和左前懸架(22)連接在前車架(20)上面，右前輪(23)與右前懸架(21)連接，左前輪(24)和左前懸架(22)連接； 所述的后車體(3)由后車架(30)、右后懸架(31)、左后懸架(32)、右后輪(33)和左后輪(34)組成，所述的右后懸架(31)和左后懸架(32)連接在后車架(30)上面，右后輪(33)與右后懸架(31)連接，左后輪(34)和左后懸架(22)連接。6.根據權利要求5所述的一種工程機械三自由度鉸接底盤，其特征在于: 所述的右前輪(23)、左前輪(24)、右后輪(33)和左后輪(34)均為獨立驅動。7.—種基于權利要求2至4中任一項所述的工程機械三自由度鉸接底盤的越障控制方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)判定車輛當前的行駛路況； (2)根據路況信息，控制俯仰液壓缸的伸縮動作； (3)俯仰液壓缸復位。8.根據權利要求7所述的越障控制方法，其特征在于: 步驟(I)中所述的車輛當前的行駛路況包括大尺度Λ型凸起障礙路面、深V型障礙路面、水平或小尺度障礙路面。9.根據權利要求7所述的越障控制方法，其特征在于: 步驟(2)的具體控制方法為: Α.若判定當前路況為水平或小尺度障礙路面時，俯仰液壓缸復位并鎖死，此時前車體(2)和后車體(3)處于水平狀態(tài)，兩者之間的俯仰夾角為0° ; B.若判定當前路況為大尺度Λ型凸起障礙路面，當右前輪(23)和左前輪(24)越過Λ型凸起障礙(40)的頂端，而右后輪(33)和左后輪(34)尚未越過Λ型凸起障礙(40)時，俯仰液壓缸同步收縮，俯仰液壓缸的收縮位置取決于Λ型凸起障礙(40)的尺寸；當達到指定位置后，俯仰液壓缸停止收縮，該位置能夠保證車輛底盤不會和Λ型凸起障礙(40)頂端接觸，保持當前的收縮位置，直到整車越過Λ型凸起障礙(40)頂端；當整車越過Λ型凸起障礙(40)的頂端后，俯仰液壓缸復位到初始狀態(tài)； C.若判定當前路況為深V型障礙路面，當右前輪(23)和左前輪(24)越過深V型障礙(41)的底端，而右后輪(33)和左后輪(34)尚未越過深V型障礙(41)的底端時，俯仰液壓缸同步伸長，俯仰液壓缸的伸長位置取決于深V形障礙尺寸；當達到指定位置后，俯仰液壓缸停止伸長，該位置能夠保證車輛最前端和深V形障礙路面不發(fā)生碰撞，保持當前的伸長位置，直到整車越過深V形障礙底端;當整車越過深V形障礙底端后，俯仰液壓缸復位到初始狀態(tài)。
【文檔編號】B62D21/15GK106080781SQ201610726299
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月25日
【發(fā)明人】李學飛, 王繼新, 李健, 曹玥, 倪志學, 仝展, 汪昶, 李博宇
【申請人】吉林大學