CN104443025A - 一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，该转向***包括横向拉杆伸缩缸、左转向助力缸、右转向助力缸、液控单向阀、第一伺服比例阀、第二伺服比例阀以及电联于两阀间的控制器。通过两个伺服比例阀对三个执行器进行电液伺服复合控制，以任意调节两侧转向轮的转角，有效保证了各转向轮满足实现纯滚动所需的阿克曼转向条件，从而实现高响应和高精度的动态转向。优选的该转向***，还包含外控式的液控单向阀，可将横向拉杆伸缩缸电液锁定，保障***纯滚动转向效应的同时降低了其高速行驶时的风险，由此提升多轴车辆高速行驶的安全性。本发明还公开了一种面向多轴车辆纯滚动的转向控制方法及一种具有所述转向***的多轴车辆。

Description

一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***及控制方法
技术领域
本发明涉及一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***及转向控制方法，应用于汽车转向领域，本发明还涉及一种具有该电液伺服转向***的多轴车辆。
背景技术
大型轮式车辆广泛应用于基础设施建设(如大吨位全地面起重机、大型运梁车和矿用自卸车等民用装备)及军事重工领域(如大型导弹运输车、重型电子发射车和牵引运载车等军用特种车辆)。高性能多轴转向可显著提升大型轮式车辆的低速行驶机动灵活性和高速行驶操纵稳定性，并有助于推动类车机器人、多轮月球车等相关技术的发展，已成为衡量现代大型重载车辆和前沿运载装备发展水平的关键技术之一，其核心技术突破有着重要意义。
然而，针对大型多轴车辆而言，其转向负载大，且各轮转角间需保证一定的几何关系，传统的机械摇臂式液压助力转向***虽然有助于保证各轮间的转角关系，但存在转向模式单一、灵活性差等明显缺陷。该类***已逐步向具有灵活性强、动态转向精度高，且驱动力矩大的电液控制转向***方向发展。
当前，电液控制转向***设计主要围绕转向梯形机构和电液控制回路两方面展开：(1)在转向梯形机构方面：通过虚拟样机技术或优化算法对梯形机构进行优化，使优化后的梯形机构逼近阿克曼机构，从而提高转向精度(如参考专利201110097127.6和93104300.x)；或通过在梯形机构中添加固定槽滚子副或凸轮转动副，使横向拉杆杆长可变，实现车轮纯滚动转向，以减小车胎磨损(如参考专利201110154053.5和01252825.3)。(2)电液控制回路方面：采用直接横向拉杆驱动转向方式，如用双出杆液压缸替换横向拉杆作为执行器，并结合电液控制阀和抑制路面扰动载荷的控制方法，增强转向***稳定性(如参考专利EP1852329A2)；或采用电液比例***实现转向，如通过电控换向阀和比例节流阀分别实现换向和流量精确控制，从而通过各元件的匹配动作实现比例转向，其响应速度快且转向操作灵敏(如参考专利201210370470.8)；或采用电液伺服***实现转向，如采用伺服比例阀控制双转向助力缸，驱动转向梯形转向，不仅驱动负载大且频响高、无零位死区(如参考专利201010255429.5)。
现有的专利有助于提高多轴车辆的转向灵活性和动态转向精度，但仍存在以下一些不足，主要表现为：
1)纯滚动转向梯形机构的优质设计遇到瓶颈。多轴车辆实现全轮纯滚动转向可显著降低轮胎的磨损，并提高行驶稳定性。然而，由于传统设计转向梯形机构为四杆机构，通过优化转向梯形机构仅近似而无法严格满足纯滚动的阿克曼转角关系，因而无法实现真正意义上的纯滚动。此外，通过对转向机构变形进行纯滚动转向的机构(如参考专利201210423486.0、201010605346.6等)，满足了机构学上的纯滚动条件，却带来转弯半径大、布置困难等问题。因此，在实现纯滚动转向梯形的机构设计方面仍需进一步提升。
2)无法有效实现在纯滚动条件下高响应的精确动态转向。多轴车辆的转向***要求具有高响应高精度转向梯形，同时也要求各转向轮尽可能满足阿克曼转向条件。当前的转向***设计主要围绕上述一方面展开(如专利201010255429.5通过电液伺服控制提升转向响应速度和精度；专利201110154053.5和01252825.3利用新型结构设计实现纯滚动)。然而，由于多数具有纯滚动功能的结构设计无法同时有效实现高响应的精确控制，如何实现结构创新和有效控制相融合，突破纯滚动条件下的高响应精确动态转向***设计，这方面仍存在明显不足。
3)纯滚动状态下动态转向的安全性有待加强。针对当前常规转向梯形而言，车辆高速行驶时常在小转角范围内转向，若此时转向机构出现故障，易产生巨大危害(如轮胎侧滑、转向失控等)，因此其安全性尤为重要。然而，现有具备纯滚动功能的转向机构，在车辆高速行驶转向安全性方面存在缺陷，有待进一步改进。
发明内容
本发明目的在于提供一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，通过双伺服比例阀对多执行器进行电液伺服复合控制，以保证各转向轮满足实现纯滚动所需的阿克曼转向条件，并实现高响应和高精度的动态转向；优选的，该转向***可将横向拉杆伸缩缸电液锁定，保障转向***纯滚动转向效应的同时降低其高速行驶时的风险，提升多轴车辆高速行驶的安全性。本发明的另一目在于提供一种面向多轴车辆纯滚动的转向控制方法。本发明的目的还在于提供一种具有所述转向***的多轴车辆。
为达到上述目的本发明采用的技术方案之一如下：
一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，所述多轴车辆包括第一桥和在后各转向桥，用于在后各转向桥的电液伺服转向***包括油箱1、液压泵2、第一伺服比例阀4、车架16、左转向助力缸9、右转向助力缸14；左转向助力缸9的有杆腔和右转向助力缸14的无杆腔形成第一工作油路R1，左转向助力缸9的无杆腔和右转向助力缸14的有杆腔形成第二工作油路R2，第一工作油路R1和第二工作油路R2两工作油路分别与第一伺服比例阀4的A、B工作油口相连接；
所述的电液伺服转向***包括横向拉杆伸缩缸12、第二伺服比例阀22、电子控制***；
横向拉杆伸缩缸12的活塞部分与一侧的第一梯形臂10铰接，横向拉杆伸缩缸12的缸体部分与另一侧的第二梯形臂13铰接；
横向拉杆伸缩缸12的两个工作容腔分别与第二伺服比例阀22的A、B工作油口相连，分别形成第三工作油路R3和第四工作油路R4；第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22的P口分别与进油油路相连，第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22的T口均与油箱1相通；
电子控制***用于根据被控转向桥左、右侧轮目标转角计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第二伺服比例阀输出与所述横向拉杆伸缩缸目标长度相对应的指令信号，并向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第一伺服比例阀输出与所述右或左侧轮目标转角相对应的指令信号，同时根据所述的被控转向桥的横向拉杆伸缩缸位移反馈信号和右或左侧轮反馈转角信号，实时调节所述的各指令信号。
横向拉杆伸缩缸12为双出杆缸，所述的横向拉杆伸缩缸两侧有杆腔的有效工作面积相等。
该***中含有第一液控单向阀5、第二液控单向阀6、第三液控单向阀19和第四液控单向阀20，其分别串接在第一工作油路R1、第二工作油路R2、第三工作油路R3、第四工作油路R4四个油路上；
所述的第一液控单向阀5和第二液控单向阀6的先导油均由第一电磁换向阀3控制；所述的第三液控单向阀19和第四液控单向阀20的先导油均由第一电磁换向阀23控制；所述的第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23均为两位三通阀。
该***包括第一补油溢流阀组7、第二补油溢流阀组8、第三补油溢流阀组17和第四补油溢流阀组18，其分别串接在第一工作油路R1、第二工作油路R2、第三工作油路R3、第四工作油路R4四个油路上。
第一补油溢流阀组7、第二补油溢流阀组8、第三补油溢流阀组17和第四补油溢流阀组18具有相同的结构，其各包括一个溢流阀24和一个单向阀25，且单向阀25与溢流阀24并联，单向阀25用于使溢流阀24进口与出口之间处于正向截止和反向导通状态。
电子控制***包括：控制器21、用于检测所述转向桥右或左侧轮转角的转角传感器15、用于检测所述横向拉杆伸缩缸长度的位移传感器11、第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23；
该控制器21电联于第一伺服比例阀4、第二伺服比例阀22、转角传感器15和位移传感器11、第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23；
其中控制器21、第一伺服比例阀4、横向拉杆伸缩缸12和位移传感器11形成横向拉杆伸缩缸长度的闭环控制；同时控制器21、第二伺服比例阀22、右转向助力缸14、左转向助力缸9和右或左转角传感器15形成右或左侧轮转角的闭环控制。
本发明还包括另一技术特征：
一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的转向控制方法，包括以下步骤：
步骤一：电液伺服转向***将被控转向桥的左、右侧轮目标转角信号输入至所述转向桥的控制器；
步骤二：判断是否需要在转向轮中位左右侧的临界锁定角度范围内锁定横向拉杆伸缩缸：若不需要，跳转至步骤三；若需要，跳转至步骤九；
步骤三：控制器根据左、右侧车轮目标转角信号计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，并以该目标长度和右或左侧轮的目标转角作为两个控制目标对***进行控制；
步骤四：检测被控转向桥横向拉杆伸缩缸的实际长度及右或左侧轮的实际转角；
步骤五：计算横向拉杆伸缩缸实际长度与目标长度间偏差，同时计算右或左侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤六：根据横向拉杆伸缩缸长度偏差信号，控制器向第二伺服比例阀发送第一路指令信号，以控制第二伺服比例阀工作；同时根据右或左侧车轮转角偏差信号向第一伺服比例阀发送第二路指令信号，以控制第一伺服比例阀工作；
步骤七：第二伺服比例阀输出液压信号控制横向拉杆伸缩缸伸缩，使横向拉杆伸缩缸的实际长度接近目标长度，第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右或左侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤八：控制器根据位移传感器和转角传感器反馈的横向拉杆伸缩缸的实际长度和右或左侧轮的实际转角，实时调节所述的两路指令信号，在两路指令信号共同控制下，转向梯形机构实现纯滚动转向，使左、右侧轮达到目标转角；
步骤九：判断右或左侧轮转角是否大于临界锁定转角：若大于，跳转至步骤三；若不大于，跳转至步骤十；
步骤十：设定第二伺服比例阀处于中位，第二电磁方向阀得电，将第三液控单向阀和第四液控单向阀的先导油通回油，使横向拉杆伸缩缸锁定。
步骤十一：与步骤十同步，检测被控转向桥右或左侧轮的实际转角；
步骤十二：计算右或左侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤十三：根据右或左侧车轮转角偏差信号，控制器向第一伺服比例阀发送指令信号控制第一伺服比例阀工作；
步骤十四：第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右或左侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤十五：控制器根据转角传感器反馈的右或左侧轮的实际转角，实时调节所述的指令信号，在指令信号的控制下，转向梯形机构实现转向，使右或左侧轮达到目标转角。
所述的临界锁定转角为正负5°～15°。
所述的控制器21为可编程逻辑控制器或单片机，所述控制器的响应频率与所述第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22的响应频率相适配。
本发明具备的有益效果是：
1)基于电液伺服控制的变长度横向拉杆设计转向梯形机构，突破了优质纯滚动转向机构的设计瓶颈。通过将横向拉杆伸缩缸替换传统转向梯形中的转向横拉杆，并应用电液伺服***对其进行精确控制，使原有转向梯形的四杆机构变为内置横向拉杆伸缩缸的五杆机构。该机构具备双自由度，可同时控制双侧车轮转向角度，实现双侧车轮的阿克曼转向；同时，具有布置方便、操作省力且转弯半径小等优点，从结构上为实现高响应、高精度的阿克曼转向创造了条件。
2)通过双侧梯形臂和横向拉杆的电液伺服复合控制，实现纯滚动条件下高响应高精度的动态转向。通过伺服比例阀控制双侧梯形臂，提供转向驱动力矩，实现梯形机构高响应高精度的转向控制；同时通过伺服比例阀控制横向拉杆伸缩缸，实现伸缩缸高响应的动态变长度控制。由此通过双伺服比例阀对三个执行器(具有两个自由度)进行电液伺服复合控制，可任意调节两侧转向轮的转角，实现双侧轮转角完全满足多轴车辆转向所需要的阿克曼条件，并保障纯滚动转向过程的高响应和高精度。
3)横向拉杆伸缩缸采用电液控制式锁定，有效提升多轴车辆高速行驶时的安全性。车辆高速行驶时转向角度常工作在小转角范围，通过电液控制式锁定横向拉杆，将其由变胞转向梯形重新转化为常规转向梯形。由此，可有效避免机构变胞部分发生故障时所导致的危险，在保障变胞机构纯滚动转向效应(小转角时，定长度横向拉杆也可近似实现阿克曼转向)的同时降低其高速行驶时的风险，提升了多轴车辆高速行驶的安全性。
附图说明
图1是一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***示意图，
图2是表征横向拉杆长度与两侧轮转角关系的示意图，
图3是一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的控制原理框图，
图4是本发明电液伺服转向***的控制方法流程图，
图5是本发明应用于多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的原理图。
图中：1、油箱，2、液压泵，3、第一电磁换向阀，4、第一伺服比例阀，5、第一液控单向阀，6、第二液控单向阀，7、第一补油溢流阀组，8、第二补油溢流阀组，9、左转向助力缸，10、第一梯形臂，11、位移传感器，12、横向拉杆伸缩缸，13、第二梯形臂，14、右转向助力缸，15、转角传感器，16、车架，17、第三补油溢流阀组，18第四补油溢流阀组，19、第三液控单向阀，20、第四液控单向阀，21、控制器，22、第二伺服比例阀，23、第二电磁换向阀，24、溢流阀，25、单向阀，R1、第一工作油路，R2、第二工作油路，R3、第三工作油路，R4、第四工作油路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，说明本发明的具体实施方式。
图1是一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***示意图。
一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，所述多轴车辆包括第一桥和在后各转向桥，用于在后各转向桥的电液伺服转向***包括油箱1、液压泵2、第一伺服比例阀4、车架16、左转向助力缸9、右转向助力缸14；左转向助力缸9的活塞杆与第一梯形臂10铰接，其缸体与车架16铰接，且右转向助力缸11的活塞杆与第二梯形臂13铰接，其缸体也与车架16铰接；左转向助力缸9的有杆腔和右转向助力缸14的无杆腔形成第一工作油路R1，左转向助力缸9的无杆腔和右转向助力缸14的有杆腔形成第二工作油路R2，R1和R2两工作油路分别与第一伺服比例阀4的A、B工作油口相连接。
所述的电液伺服转向***还包括横向拉杆伸缩缸12、第二伺服比例阀22和电子控制***。
横向拉杆伸缩缸12的活塞部分与一侧的第一梯形臂10铰接，横向拉杆伸缩缸12的缸体部分与另一侧的第二梯形臂13铰接。
横向拉杆伸缩缸12的两个工作容腔分别与第二伺服比例阀22的A、B工作油口相连，分别形成第三工作油路R3和第四工作油路R4；第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22的P口均与进油油路相连，第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22的T口均与油箱1相通。
优选地，横向拉杆伸缩缸12为双出杆缸，所述的横向拉杆伸缩缸两侧有杆腔的有效工作面积相等。
优选地，一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***中含有第一液控单向阀5、第二液控单向阀6、第三液控单向阀19和第四液控单向阀20，其分别串接在R1、R2、R3、R4四个油路上。所述的第一液控单向阀5和第二液控单向阀6的先导油均由第一电磁换向阀3控制；所述的第三液控单向阀19和第四液控单向阀20的先导油均由第一电磁换向阀23控制；所述的第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23为两位三通阀。
优选地，一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***包括第一补油溢流阀组7、第二补油溢流阀组8、第三补油溢流阀组17、第三补油溢流阀组18，其分别串接在R1、R2、R3、R4四个油路上。第一补油溢流阀组7、第二补油溢流阀组8、第三补油溢流阀组17、第四补油溢流阀组18具有相同的结构，各包括一个溢流阀24和一个单向阀25，且单向阀25与溢流阀24并联，单向阀25用于使溢流阀24的进口与出口之间处于正向截止和反向导通状态。
电子控制***包括：控制器21、用于检测所述转向桥右(或左)侧轮转角的转角传感器15、用于检测所述横向拉杆伸缩缸长度的位移传感器11、第一电磁换向阀、第二电磁换向阀；该控制器21电联于第一伺服比例阀4、第二伺服比例阀22、转角传感器15、位移传感器11、第一电磁换向阀和第二电磁换向阀。
图2是表征横向拉杆长度与两侧轮转角关系的示意图。
多轴车辆在转向时，所有车轮均处于纯滚动转向状态，即满足阿克曼转向定理，轮胎的磨损会显著降低，由此可提高车辆行驶的稳定性和安全性。多轴车辆包括多个转向桥(一般转向桥数n≥3)，当在转向过程中，若要保证各转向轮纯滚动，可依据阿克曼定理计算得出各轮所需要的转角。以第n桥转向桥为例，如图所示，设经过阿克曼定理计算得出的纯滚动条件下左右侧轮的转角分别为αn和βn，左右侧轮的梯形臂长度均为m，轮胎处于中位时梯形臂与转向桥轴的夹角为γ，两侧转向轮主销间的距离为K。
传统多轴车辆转向***均采用转向梯形机构进行驱动，但转向梯形机构驱动的转向桥仅有一个转向自由度，仅能保证两侧转向轮中的一侧轮转角与目标完全一致；而另一侧轮转角仅能通过转向梯形机构拟合，尽可能使两侧轮转角满足阿克曼条件，即传统转向梯形机构不能严格实现左右侧的纯滚动转向。
若考虑横向拉杆可自由伸缩，当左右侧轮实现纯滚动转向时，可依据相应转向模式下的阿克曼定理，计算得出的满足阿克曼转角关系的第n桥左右侧轮转角值即αn和βn。依据机构的几何尺寸和几何关系，可计算图中转向横拉杆所在位置CD段的长度，即：
L cd 2 [ m ( sin ( π - γ + β n ) - sin ( γ + α n ) ) ] 2 + [ K 2 + m cos ( π - γ + β n ) + K 2 - m cos ( γ + α n ) ] 2 - - - ( 1 )
可见，CD段的长度与两侧轮的转角α和β有关，显然CD段长度随转向角度变化而变化。若要两侧轮同时满足阿克曼条件，横向拉杆的长度需要实时变化，即伸长或缩短以满足阿克曼条件。此外，上式除αn、βn和Lcd三个变量外其余均为常量，通过其中两个变量可结合上式求出另外一个变量，即有αn＝f(βn,Lcd)。因此，可通过控制右侧轮转角βn和横向拉杆长度Lcd来控制左侧轮转角αn，使两侧轮转角满足阿克曼条件，实现纯滚动。当然，也可通过控制左侧轮转角αn和横向拉杆长度Lcd来控制右侧轮转角βn，其原理是一致的。
图3是一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的控制原理框图。
结合图1至图3，所述的电子控制***用于根据被控转向桥左、右侧轮目标转角计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第二伺服比例阀22，输出与所述横向拉杆伸缩缸目标长度相对应的指令信号；同时，向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第一伺服比例阀4，输出与所述右(或左)侧轮目标转角相对应的指令信号，并根据所述的被控转向桥的横向拉杆伸缩缸位移反馈信号和右(或左)侧轮反馈转角信号，实时调节所述的各指令信号。
多轴车辆根据第一桥转角(方向盘控制方向机进行转向，常为机械液压控制方式)和选定的转向模式，可依据阿克曼定理计算出在后各转向桥满足纯滚动转向要求的各桥左、右侧轮转角，设第n桥为被控转向桥，第n桥左、右侧轮的目标转角为αn和βn。
结合图1至图3，所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的工作原理如下：
首先，第n桥左、右侧轮转角αn、βn作为目标转角输入至控制器，控制器根据公式(1)计算出横向拉杆伸缩缸的所需长度Lcd，并将此长度Lcd和右侧轮转角βn(此处以右转向轮为例，将其换为左转向轮原理类似)分别作为目标长度和目标转角进行控制。
其次，横向拉缸伸缩缸12上安装的位移传感器11检测到横向拉缸伸缩缸12的实际位移，依据横向拉缸伸缩缸12的结构尺寸，可计算出其实际长度Lcd'，控制器通过实际长度与目标长度进行比较计算，可得到长度偏差信号ΔLcd＝Lcd-Lcd'；同时，右转向轮主销处安装的转角传感器15检测到右侧轮的实际转角βn'，控制器通过实际转角与目标转角进行比较计算，可得到转角偏差信号Δβn＝βn-βn'。
再次，控制器依据长度偏差信号ΔLcd和转角偏差信号Δβn，通过相应的控制算法如比例控制、PID控制或其他控制方式，将偏差信号ΔLcd和Δβn分别转换为第一路指令信号μ1和第二路指令信号μ2；两路指令信号μ1和μ2分别控制第一伺服比例阀4和第二伺服比例阀22动作，使阀芯产生相应的位移。
然后，第二伺服比例阀22为三位四通阀，当其处于交叉位时，横向拉杆伸缩缸12的F腔进高压油，E腔回油，此时横向拉杆伸缩缸12处于伸长状态。当其处于平行位时，横向拉杆伸缩缸12的E腔进高压油，F腔回油，此时横向拉杆伸缩缸12处于缩短状态。当其处于“O”型中位时，横向拉杆伸缩缸12的E腔和F腔封闭，此时横向拉杆伸缩缸12不伸缩。长度偏差信号ΔLcd导致第二伺服比例阀4阀芯动作产生相应的开口量，使横向拉杆伸缩缸12产生伸缩，并使其呈现出实际长度Lcd'接近目标长度Lcd的趋势，进而减小长度偏差信号，使之成为负反馈闭环控制。
同时，第一伺服比例阀4为三位四通阀，当其处于交叉位时，右转向助力缸14的有杆腔和左转向助力缸9的无杆腔均通高压油，右转向助力缸14的无杆腔和左转向助力缸9的有杆腔均通回油；此时右转向助力缸14处于缩短状态，左转向助力缸9处于伸长状态，转向梯形逆时针转动。当第一伺服比例阀4处于平行位时，右转向助力缸14的无杆腔和左转向助力缸9的有杆腔均通高压油，右转向助力缸14的有杆腔和左转向助力缸9的无杆腔均通回油，此时右转向助力缸14处于伸长状态，左转向助力缸9处于缩短状态，转向梯形机构顺时针转动。当第一伺服比例阀4处于“O”型中位时，左转向助力缸9和右转向助力缸14的有杆腔和无杆腔均封闭，此时左转向助力缸9和右转向助力缸14均不伸缩。转角偏差信号Δβn导致第一伺服比例阀4阀芯动作产生相应的开口量，使右转向助力缸14和左转向助力缸9产生伸缩，并使右侧轮呈现出实际转角βn'接近目标转角βn的趋势，进而减小转角偏差信号，使之成为负反馈闭环控制。
最后，通过两个伺服比例阀分别对横向拉杆伸缩缸、左右侧转向助力缸的控制，实现对转向梯形机构的二自由度控制，进而实现对左、右侧轮转角的精确闭环控制，有效保证双侧轮转角完全满足多轴车辆转向所需要的阿克曼条件，实现纯滚动转向。由于执行器均为电液伺服控制，具有高响应和高精度，保障了纯滚动动态转向的高响应和高精度。
当需封闭横向拉杆伸缩杆12两腔使其保持不伸缩状态，若仅使第二伺服比例阀22处于中位，由于滑阀泄漏，无法保证横向拉杆伸缩缸12的精确锁定。若在第二伺服比例阀22处于中位基础之上，并将第三液控单向阀19和第四液控单向阀20的先导油通过第二电磁换向阀23通回油，即可通过两路液控单向阀精确锁定横向拉杆伸缩缸12，保证横向拉杆伸缩缸12不伸缩。
同理，当需封闭左、右转向助力缸各工作容腔，使其保持不伸缩状态，若仅使第一伺服比例阀4处于中位，由于滑阀泄漏，无法保证左、右转向助力缸的精确锁定。若在第一伺服比例阀4处于中位基础之上，并将第一液控单向阀5和第二液控单向阀6的先导油通过第一电磁换向阀3通回油，即可通过两路液控单向阀精确锁定左、右转向助力缸，保证左、右转向助力缸不伸缩。
本发明涉及到的第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23均为两位三通阀，通过两位三通阀的换向功能，可将各液控单向阀的控制油在通高压油和通回油间切换。若将此第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23换为两位两通阀，由于先导油路只有接通高压油和断开高压油两种状态，将在液控单向阀的先导控制腔形成死容腔，无法有效保证液控单向阀的卸压，进而导致液控单向阀无法正常工作。因此，第一电磁换向阀3和第二电磁换向阀23须选用两位三通阀。
当横向拉杆伸缩缸、左右转向助力缸处于锁定封闭状态，且此时多轴车辆转向轮受到强烈的外负载冲击时，将在横向拉杆伸缩缸、左右转向助力缸产生瞬间高压，通过合理设置各溢流阀组中溢流阀的调定压力，即可有效保护各液压缸免遭瞬间高压的损坏。需要注意的是，当封闭容腔通过溢流阀溢流后易产生负压，此时可通过与溢流阀并联的单向阀进行补油，消除负压的产生。
上述说明以右侧轮转角为控制目标。若将其换为以左侧轮转角为控制目标，其原理类似，即可通过控制横向拉杆伸缩缸和左侧轮转角来控制右侧轮转角，最终实现左、右侧轮转向的精确控制。因所涉及的控制方法类似，不予赘述。
图4是本发明电液伺服转向***的控制方法流程图。
包括以下步骤：
步骤一：电液伺服转向***将被控转向桥的左、右侧轮目标转角信号输入至所述转向桥的控制器；
步骤二：判断是否需要在转向轮中位左右侧的临界锁定角度范围内锁定横向拉杆伸缩缸：若不需要，跳转至步骤三；若需要，跳转至步骤九；
步骤三：控制器根据左、右侧车轮目标转角信号计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，并以该目标长度和右(或左)侧轮的目标转角作为两个控制目标对***进行控制；
步骤四：检测被控转向桥横向拉杆伸缩缸的实际长度及右(或左)侧轮的实际转角；
步骤五：计算横向拉杆伸缩缸实际长度与目标长度间偏差，同时计算右(或左)侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤六：根据横向拉杆伸缩缸长度偏差信号，控制器向第二伺服比例阀发送第一路指令信号，以控制第二伺服比例阀工作；同时根据右(或左)侧车轮转角偏差信号向第一伺服比例阀发送第二路指令信号，以控制第一伺服比例阀工作；
步骤七：第二伺服比例阀输出液压信号控制横向拉杆伸缩缸伸缩，使横向拉杆伸缩缸的实际长度接近目标长度，第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右(或左)侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤八：控制器根据位移传感器和转角传感器反馈的横向拉杆伸缩缸的实际长度和右(或左)侧轮的实际转角，实时调节所述的两路指令信号，在两路指令信号共同控制下，转向梯形机构实现纯滚动转向，使左、右侧轮达到目标转角；
步骤九：判断右(或左)侧轮转角是否大于临界锁定转角：若大于，跳转至步骤三；若不大于，跳转至步骤十；
步骤十：设定第二伺服比例阀处于中位，第二电磁换向阀得电，将第三液控单向阀和第四液控单向阀的先导油通回油，使横向拉杆伸缩缸锁定；
步骤十一：与步骤十同步，检测被控转向桥右(或左)侧轮的实际转角；
步骤十二：计算右(或左)侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤十三：根据右(或左)侧车轮转角偏差信号，控制器向第一伺服比例阀发送指令信号控制第一伺服比例阀工作；
步骤十四：第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右(或左)侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤十五：控制器根据转角传感器反馈的右(或左)侧轮的实际转角，实时调节所述的指令信号，在指令信号的控制下，转向梯形机构实现转向，使右(或左)侧轮达到目标转角。
所述的临界锁定转角为正负5°～15°，即可以设置向左或向右的临界锁定转角为5°～15°中的某一数值。
所述的控制器为可编程逻辑控制器或单片机，所述控制器的响应频率与所述第一伺服比例阀和第二伺服比例阀的响应频率相适配。
通过两个伺服比例阀对横向拉杆伸缩缸、左右侧转向助力缸分别进行电液伺服控制，以有效保证双侧轮转角完全满足多轴车辆转向所需要的阿克曼条件，实现高响应和高精度纯滚动转向。横向拉杆伸缩缸的电液伺服控制为精确纯滚动转向创造了条件。为进一步提升车辆高速行驶的安全性，可将横向拉杆伸缩缸电液锁定，即将横向拉杆伸缩缸的长度锁定，车辆高速行驶时，这种方式可降低因横向拉杆伸缩缸的电液伺服控制***故障导致的风险。
常规转向梯形机构的横向拉杆长度为定值，无法通过横向拉杆的长度调节实现左右侧轮纯滚动。一般通过四杆机构的优化设计，使转向梯形近似满足阿克曼梯形的转角关系，即呈现出两侧转向轮在小转角范围时实际转角与阿克曼转角间偏差很小，而在大转角范围时实际转角与阿克曼转角间偏差才显著增大。因此，在车辆高速行驶时，本发明的技术方案在小转角范围内锁定横向拉杆，既保证左右侧轮转角尽可能满足阿克曼转向关系，又显著提升高速行驶的安全性。通过合理设定临界锁定角度值，如设定其为正负5°～15°，即转向轮从中位向左(或向右)转向5°～15°，并以一侧的转向角度作为控制基准。最终，以临界角度值为分界线，在大角度范围(多为低速行驶)内通过横向拉杆伸缩缸的实时调节，由此保证左右侧轮的精确纯滚动转向；而在小角度范围内，通过锁定横向拉杆伸缩缸，保证高速行驶的安全性并兼顾左右侧轮的近似纯滚动转向。
上述转向过程存在四杆机构与五杆机构的切换，即小转向范围为四杆机构，而大转角范围为五杆机构；同时，存在自由度数量的切换，即小转角范围为单自由度转向，而大转角范围为双自由度转向。可见，在具有横向拉杆伸缩缸的转向梯形机构中，由于通过该伸缩缸锁定与否的控制，将导致转向梯形机构在转向过程中存在机构拓扑结构的改变和自由度数的改变。然而，变拓扑结构和变自由度是变胞机构的两个充要条件，这一具有横向拉杆伸缩缸的转向梯形机构，可称之为变胞转向梯形，而横向拉杆伸缩缸为该变胞转向梯形的变胞部分。因此，该变胞转向梯形机构为优质的纯滚动转向机构设计创造了条件。
图5是本发明应用于多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的原理图。
本发明的电液伺服转向***可用于具有两个(或两个以上)车桥的多轴车辆。该车辆的第一桥一般采用机械式或机液伺服等转向助力方式，其后各桥均采用本发明的电液伺服转向***，针对应用本发明电液伺服转向***的转向桥而言，可有效保证该桥的左右侧转向轮满足纯滚动所需的阿克曼转向条件，进而使其后各桥实现高响应和高精度的动态纯滚动转向。
此外，若第一桥也采用本发明的电液伺服转向***，可实现全桥线控转向。此时方向盘处转角传感器将方向盘转角信号转换为电信号输入控制器，控制器依据相应转向模式计算所有转向桥(包括第一桥)的目标转角，随后通过各桥具有的电液伺服转向***进行精确控制。由此有效保证全部转向桥的左右侧转向轮满足纯滚动所需的阿克曼转向条件，进而使全桥实现高响应和高精度的动态纯滚动转向。
各桥具有的电液伺服转向***可由液压泵统一供油，并统一回油箱，即上述各桥的电液伺服转向***采用并联的方式，将进油路连接至液压泵2的出口，回油路并联接回油箱1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，所述多轴车辆包括第一桥和在后各转向桥，用于在后各转向桥的电液伺服转向***包括油箱（1）、液压泵（2）、第一伺服比例阀（4）、车架（16）、左转向助力缸（9）、右转向助力缸（14）；左转向助力缸（9）的有杆腔和右转向助力缸（14）的无杆腔形成第一工作油路(R1)，左转向助力缸（9）的无杆腔和右转向助力缸（14）的有杆腔形成第二工作油路(R2)，第一工作油路(R1)和第二工作油路(R2)两工作油路分别与第一伺服比例阀（4）的A、B工作油口相连接；
其特征在于：所述的电液伺服转向***包括横向拉杆伸缩缸（12）、第二伺服比例阀（22）、电子控制***；
横向拉杆伸缩缸（12）的活塞部分与一侧的第一梯形臂（10）铰接，横向拉杆伸缩缸（12）的缸体部分与另一侧的第二梯形臂（13）铰接；
横向拉杆伸缩缸（12）的两个工作容腔分别与第二伺服比例阀（22）的A、B工作油口相连，分别形成第三工作油路(R3)和第四工作油路(R4)；第一伺服比例阀（4）和第二伺服比例阀（22）的P口均与进油油路相连，第一伺服比例阀（4）和第二伺服比例阀（22）的T口均与油箱（1）相通；
电子控制***用于根据被控转向桥左、右侧轮目标转角计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第二伺服比例阀，输出与所述横向拉杆伸缩缸目标长度相对应的指令信号；同时，向所述的被控转向桥所在的电液伺服转向***中的第一伺服比例阀，输出与所述右或左侧轮目标转角相对应的指令信号，并根据所述的被控转向桥的横向拉杆伸缩缸位移反馈信号和右或左侧轮反馈转角信号，实时调节所述的各指令信号。
2. 根据权利要求1所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，其特征在于：横向拉杆伸缩缸（12）为双出杆缸，所述的横向拉杆伸缩缸两侧有杆腔的有效工作面积相等。
3. 根据权利要求1所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，其特征在于：该***中还含有第一液控单向阀（5）、第二液控单向阀（6）、第三液控单向阀（19）和第四液控单向阀（20），其分别串接在第一工作油路(R1)、第二工作油路(R2)、第三工作油路(R3)、第四工作油路(R4)四个油路上；
所述的第一液控单向阀（5）和第二液控单向阀（6）的先导油均由第一电磁换向阀（3）控制；所述的第三液控单向阀（19）和第四液控单向阀（20）的先导油均由第二电磁换向阀（23）控制；所述的第一电磁换向阀（3）和第二电磁换向阀（23）均为两位三通阀。
4. 根据权利要求1所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，其特征在于：该***还包括第一补油溢流阀组（7）、第二补油溢流阀组（8）、第三补油溢流阀组（17）和第四补油溢流阀组（18），其分别串接在第一工作油路(R1)、第二工作油路(R2)、第三工作油路(R3)、第四工作油路(R4)四个油路上。
5. 根据权利要求4所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，其特征在于：第一补油溢流阀组（7）、第二补油溢流阀组（8）、第三补油溢流阀组（17）和第四补油溢流阀组（18）具有相同的结构，其各包括一个溢流阀（24）和一个单向阀（25），且单向阀（25）与溢流阀（24）并联。
6. 根据权利要求1所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***，其特征在于：电子控制***包括：控制器（21）、用于检测所述转向桥右或左侧轮转角的转角传感器（15）、用于检测所述横向拉杆伸缩缸长度的位移传感器（11）、第一电磁换向阀（3）和第二电磁换向阀（23）；
控制器（21）电联于第一伺服比例阀（4）、第二伺服比例阀（22）、转角传感器（15）、位移传感器（11）、第一电磁换向阀（3）和第二电磁换向阀（23）；
其中控制器（21）、第二伺服比例阀（22）、横向拉杆伸缩缸（12）和位移传感器（11）形成针对横向拉杆伸缩缸长度的闭环控制；同时控制器（21）、第一伺服比例阀（4）、右转向助力缸（14）、左转向助力缸（9）和右或左的转角传感器（15）形成针对右或左侧轮转角的闭环控制。
7. 一种可用于权利要求1所述的一种面向多轴车辆纯滚动的电液伺服转向***的转向控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：电液伺服转向***将被控转向桥的左、右侧轮目标转角信号输入至所述转向桥的控制器；
步骤二：判断是否需要在转向轮中位左右侧的临界锁定角度范围内锁定横向拉杆伸缩缸：若不需要，跳转至步骤三；若需要，跳转至步骤九；
步骤三：控制器根据左、右侧车轮目标转角信号计算出横向拉杆伸缩缸的目标长度，并以该目标长度和右或左侧轮的目标转角作为两个控制目标对***进行控制；
步骤四：检测被控转向桥横向拉杆伸缩缸的实际长度及右或左侧轮的实际转角；
步骤五：计算横向拉杆伸缩缸实际长度与目标长度间偏差，同时计算右或左侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤六：根据横向拉杆伸缩缸长度偏差信号，控制器向第二伺服比例阀发送第一路指令信号，以控制第二伺服比例阀工作；同时根据右或左侧车轮转角偏差信号向第一伺服比例阀发送第二路指令信号，以控制第一伺服比例阀工作；
步骤七：第二伺服比例阀输出液压信号控制横向拉杆伸缩缸伸缩，使横向拉杆伸缩缸的实际长度接近目标长度，第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右或左侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤八：控制器根据位移传感器和转角传感器反馈的横向拉杆伸缩缸的实际长度和右或左侧轮的实际转角，实时调节所述的两路指令信号，在两路指令信号共同控制下，转向梯形机构实现纯滚动转向，使左、右侧轮达到目标转角；
步骤九：判断右或左侧轮转角是否大于临界锁定转角：若大于，跳转至步骤三；若不大于，跳转至步骤十；
步骤十：设定第二伺服比例阀处于中位，第二电磁换向阀得电，将第三液控单向阀和第四液控单向阀的先导油通回油，使横向拉杆伸缩缸锁定步骤十一：与步骤十同步，检测被控转向桥右或左侧轮的实际转角；
步骤十二：计算右或左侧轮实际转角与目标转角间偏差；
步骤十三：根据右或左侧车轮转角偏差信号，控制器向第一伺服比例阀发送指令信号控制第一伺服比例阀工作；
步骤十四：第一伺服比例阀输出液压信号控制左、右侧转向助力缸伸缩，使右或左侧轮的实际转角接近目标转角；
步骤十五：控制器根据转角传感器反馈的右或左侧轮的实际转角，实时调节所述的指令信号，在指令信号的控制下，转向梯形机构实现转向，使右或左侧轮达到目标转角。
8. 一种可用于权利要求7所述的转向控制方法，其特征在于：所述的临界锁定转角为正负5°~15°。
9. 一种可用于权利要求7所述的转向控制方法，其特征在于：所述的控制器（21）为可编程逻辑控制器或单片机，所述控制器的响应频率与所述第一伺服比例阀（4）和第二伺服比例阀（22）的响应频率相适配，且第一伺服比例阀（4）和第二伺服比例阀（22）在5%阀芯位移下的响应频率不小于40Hz，在100%阀芯位移下的响应频率不小于20Hz。
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