工程机械三自由度铰接底盘及越障控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种工程机械三自由度铰接底盘及越障控制方法，该底盘包括前车体和后车体和三自由度铰接装置，三自由度铰接装置前端与前车体相连，后端与后车体相连；前车体相对于后车体具有横摆、侧倾和俯仰三个自由度；所增加的俯仰自由度使得前车体和后车体之间可以产生俯仰运动，当车辆遇到大尺度障碍时，通过调整前车体和后车体之间的俯仰角度使其形成Λ型，可以避免大尺度障碍刮碰底盘，当车辆经过深V型地形时，通过调整前车体和后车体之间的俯仰角度使其形成V型，从而避免车辆前端与V型地形发生碰撞，提高了车辆的通过性。
【专利说明】
工程机械三自由度铰接底盘及越障控制方法
技术领域
[0001]本发明属于车辆底盘技术领域，具体涉及一种用于工程机械的三自由度铰接底盘及越障控制方法。
【背景技术】
[0002]抢险救援中，滑坡塌方清理、道路疏通、钢筋混凝土破碎切割、救援现场清障等作业主要依靠挖掘机、装载机和起重机等工程机械完成，可见工程机械在抢险救援中发挥着巨大作用。然而，现有的工程机械缺乏高机动救援车辆专用底盘，其机动能力差，且在狭小区域、复杂地形下无法通过，导致救援不及时和效率低下，加剧了损害程度。由于现有底盘多为一体式结构，当车辆通过凸起障碍物，经常出现刮碰底盘的情况，甚至无法通过，为了解决这种局限，现有技术主要采用可控悬架系统，如油气悬架和空气悬架等，通过充油或充气来升高悬架，从而达到升高底盘的目的。然而，当底盘升高之后，车辆的侧向稳定性降低，容易导致车辆失稳，严重时甚至发生翻车事故。特别的，对于大尺寸的凸起障碍物，即使调整悬架行程，也无法保证车辆能够顺利通过。
[0003]另外，当车辆经过深V型地形时，一体式结构底盘无法保证车辆顺利通过。现有的铰接式底盘形式多为单自由度，前车体和后车体铰接在一起形成横摆转向，如铰接式装载机，也有部分铰接式底盘采用双自由度，前车体和后车体除了能够相对横摆转向外，还可以发生相对侧倾摆动。无论是单自由度铰接底盘，还是双自由度铰接底盘，都无法保证车辆通过大尺寸的凸起障碍物和深V型地形。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用于工程机械的三自由度铰接底盘及越障控制方法，克服现有技术中工程机械底盘无法跨越大尺寸凸起障碍物的局限，还可以解决车辆无法通过深V形障碍路面的问题，提高工程车辆的通过性和机动性。
[0005 ]本发明为解决上述问题，通过以下技术方案实现:
[0006]一种工程机械三自由度铰接底盘，主要由前车体2、三自由度铰接装置I和后车体3依次连接构成;其中三自由度铰接装置I前端与前车体2相连，三自由度铰接装置I后端与后车体3相连;前车体2相对于后车体3具有横摆、侧倾和俯仰三个自由度。其中，横摆自由度用于实现底盘的铰接转向功能，侧倾自由度用于当车辆一侧车轮越过障碍时提高车辆的侧倾稳定性，俯仰自由度用于实现车辆跨越大尺寸凸起障碍物以及通过深V型障碍路面。
[0007]所述的三自由度铰接装置I，包括相互旋转连接的铰接架甲10和铰接架乙11，该旋转运动产生前车体2相对于后车体3的侧倾自由度；
[0008]还包括俯仰液压缸，其一端与后车体3铰接，另一端与铰接架甲1铰接，铰接架甲10的两端通过轴承甲14和轴承乙17与后车体3旋转连接，俯仰液压缸的伸缩运动产生前车体2相对于后车体3的俯仰自由度；
[0009]还包括并联的转向液压缸甲15和转向液压缸乙16，它们的两端分别与铰接架乙11和前车体2铰接，铰接架乙11通过上铰耳111、下铰耳112与前车体2铰接，转向液压缸甲15和转向液压缸乙16的伸缩运动产生前车体2相对于后车体3的横摆自由度。
[0010]优选地，所述的俯仰液压缸是并联的多于两个的液压缸。
[0011]所述的铰接架甲10上的圆柱孔105与铰接架乙11上的圆柱轴115旋转连接，所述的铰接架甲10上的接头甲101与轴承甲14旋转连接，轴承甲14固定在后车架30的侧板304上面，接头乙102的连接方式与接头甲完全相同；铰接架甲10上的铰耳甲103与俯仰液压缸的活塞杆铰接相连，俯仰液压缸的缸筒端与后车架30上的铰耳丁 302铰接；
[0012]所述的铰接架乙11的上铰耳111与前车架20上的横梁甲201铰接，下铰耳112与前车架20上的横梁乙202铰接;铰接架乙11上的右铰耳113与转向液压缸甲15的活塞杆铰接，转向液压缸甲15的缸筒端与前车架20上的铰耳丙203铰接，铰接架乙11上的左铰耳114与转向液压缸乙16的连接方式与右铰耳113完全相同。
[0013]所述的前车体2由前车架20、右前悬架21、左前悬架22、右前轮23和左前轮24组成，所述的右前悬架21和左前悬架22连接在前车架20上面，右前轮23与右前悬架21连接，左前轮24和左前悬架22连接；
[0014]所述的后车体3由后车架30、右后悬架31、左后悬架32、右后轮33和左后轮34组成，所述的右后悬架31和左后悬架32连接在后车架30上面，右后轮33与右后悬架31连接，左后轮34和左后悬架22连接。
[0015]优选地，所述的右前轮23、左前轮24、右后轮33和左后轮34均为独立驱动。
[0016]一种基于上述工程机械三自由度铰接底盘的越障控制方法，包括以下步骤:
[0017](I)判定车辆当前的行驶路况；
[0018](2)根据路况信息，控制俯仰液压缸的伸缩动作；
[0019](3)俯仰液压缸复位。
[0020]具体地，步骤(I)中所述的车辆当前的行驶路况包括大尺度Λ型凸起障碍路面、深V型障碍路面、水平或小尺度障碍路面。
[0021]步骤(2)的具体控制方法为:
[0022]Α.若判定当前路况为水平或小尺度障碍路面时，俯仰液压缸复位并锁死，此时前车体2和后车体3处于水平状态，两者之间的俯仰夹角为0° ;
[0023]B.若判定当前路况为大尺度Λ型凸起障碍路面，当右前轮23和左前轮24越过Λ型凸起障碍40的顶端，而右后轮33和左后轮34尚未越过Λ型凸起障碍40时，俯仰液压缸同步收缩，俯仰液压缸的收缩位置取决于Λ型凸起障碍40的尺寸；当达到指定位置后，俯仰液压缸停止收缩，该位置能够保证车辆底盘不会和Λ型凸起障碍40顶端接触，保持当前的收缩位置，直到整车越过Λ型凸起障碍40顶端；当整车越过Λ型凸起障碍40的顶端后，俯仰液压缸复位到初始状态；
[0024]C.若判定当前路况为深V型障碍路面，当右前轮23和左前轮24越过深V型障碍41的底端，而右后轮33和左后轮34尚未越过深V型障碍41的底端时，俯仰液压缸同步伸长，俯仰液压缸的伸长位置取决于深V形障碍尺寸；当达到指定位置后，俯仰液压缸停止伸长，该位置能够保证车辆最前端和深V形障碍路面不发生碰撞，保持当前的伸长位置，直到整车越过深V形障碍底端;当整车越过深V形障碍底端后，俯仰液压缸复位到初始状态。
[0025]本发明的有益效果在于:本发明中的前车体和后车体在中间铰接位置具有横摆、侧倾和俯仰三个自由度;所增加的俯仰自由度使得前车体和后车体之间可以产生俯仰运动，当车辆遇到大尺度障碍时，通过调整前车体和后车体之间的俯仰角度使其形成Λ型，可以避免大尺度障碍刮碰底盘，当车辆经过深V型地形时，通过调整前车体和后车体之间的俯仰角度使其形成V型，从而避免车辆前端与V型地形发生碰撞，提高了车辆的通过性。
【附图说明】
[0026]图1为本发明整体结构示意图
[0027]图2为三自由度铰接装置示意图
[0028]图3(a)为铰接架甲后轴测图，图3(b)为铰接架甲前轴测图
[0029]图4(a)为铰接架乙前轴测图，图4(b)为铰接架乙后轴测图
[0030]图5为前车架结构示意图
[0031]图6为后车架结构示意图
[0032]图7为越障控制方法的流程图
[0033]图8为车辆越过Λ型凸起障碍时的底盘俯仰调整示意图
[0034]图9为车辆越过深V型障碍时的底盘俯仰调整示意图
[0035]图中:
[0036]1、三自由度铰接装置，1、铰接架甲，11、铰接架乙，12、俯仰液压缸甲，13、俯仰液压缸乙，14、轴承甲，15、转向液压缸甲，16、转向液压缸乙，17、轴承乙，101、接头甲，102、接头乙，103、铰耳甲，104、铰耳乙，105、圆柱孔，111、上铰耳，112、下铰耳，113、右铰耳，114、左铰耳，115、圆柱轴。
[0037]2、前车体，20、前车架，21、右前悬架，22、左前悬架，23、右前轮，24、左前轮，201、横梁甲，202、横梁乙，203、铰耳丙。
[0038]3、后车体，30、后车架，31、右后悬架，32、左后悬架，33、右后轮，34、左后轮，301、上横梁，302、铰耳丁，303、铰耳戊。
[0039]40、Λ型障碍，41、V型障碍
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图对发明进行详细介绍。
[0041]图1为本发明的工程机械三自由度铰接底盘的整体结构示意图，主要由前车体2、三自由度铰接装置I和后车体3依次连接构成；其中三自由度铰接装置I前端与前车体2相连，三自由度铰接装置I后端与后车体3相连;前车体2相对于后车体3具有横摆、侧倾和俯仰三个自由度。其中，横摆自由度用于实现底盘的铰接转向功能，侧倾自由度用于当车辆一侧车轮越过障碍时提高车辆的侧倾稳定性，俯仰自由度用于实现车辆跨越大尺寸凸起障碍物以及通过深V型障碍路面。
[0042]图2为三自由度铰接装置I的结构示意图，包括相互旋转连接的铰接架甲10和铰接架乙11，该旋转运动产生前车体2相对于后车体3的侧倾自由度;三自由度铰接装置I还包括俯仰液压缸，其一端与后车体3铰接，另一端与铰接架甲10铰接，铰接架甲10的两端通过轴承甲14和轴承乙17与后车体3旋转连接，俯仰液压缸的伸缩运动产生前车体2相对于后车体3的俯仰自由度;三自由度铰接装置I还包括并联的转向液压缸甲15和转向液压缸乙16，它们的两端分别与铰接架乙11和前车体2铰接，铰接架乙11通过上铰耳111、下铰耳112与前车体2铰接，转向液压缸甲15和转向液压缸乙16的伸缩运动产生前车体2相对于后车体3的横摆自由度。
[0043]具体地，所述的俯仰液压缸可以为单个液压缸，也可以是并联的多于两个液压缸，图2中实例为两个液压缸，即俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13。
[0044]结合图3和图4，可见所述的铰接架甲10上的圆柱孔105与铰接架乙11上的圆柱轴115相互配合连接在一起，铰接架甲10和铰接架乙11可以绕圆柱轴115的轴线自由转动，形成侧倾自由度。
[0045]所述的铰接架甲10上的接头甲101与轴承甲14连接，轴承甲14固定在后车架30的侧板304上面，接头乙102的连接方式与接头甲完全相同，接头甲101和接头乙102使得铰接架甲10可以和后车架30发生相对转动，形成俯仰自由度。铰接架甲10上的铰耳甲103与俯仰液压缸甲12的活塞杆铰接相连，俯仰液压缸甲12的缸筒端与后车架30上的铰耳丁 302铰接在一起。铰接架甲10上的铰耳乙104与俯仰液压缸乙13的连接方式与铰耳甲103完全相同。
[0046]所述的铰接架乙11的上铰耳111与前车架20上的横梁甲201铰接，下铰耳112与前车架20上的横梁乙202铰接，铰接架乙11和前车架20可以相对转动，形成横摆自由度。铰接架乙11上的右铰耳113与转向液压缸甲15的活塞杆铰接在一起，转向液压缸甲15的缸筒端与前车架20上的铰耳丙203铰接在一起。铰接架乙11上的左铰耳114与转向液压缸乙16的连接方式与右铰耳113完全相同。
[0047]所述的前车体2主要由前车架20、右前悬架21、左前悬架22、右前轮23和左前轮24组成。所述的右前悬架21和左前悬架22都连接在前车架20上面，右前轮23与右前悬架21连接，左前轮24和左前悬架22连接。
[0048]图5为前车架20的结构示意图，可见其主要包含有横梁甲201，横梁乙202，铰耳丙203，侧板甲204和侧板乙205组成，所述的横梁甲201和横梁乙202的两端分别固定在侧板甲204和侧板乙205上面，铰耳丙203固定在侧板甲204上面。
[0049]所述的后车体3主要由后车架30、右后悬架31、左后悬架32、右后轮33和左后轮34组成。所述的右后悬架31和左后悬架32都连接在后车架30上面，右后轮33与右后悬架31连接，左后轮34和左后悬架22连接。
[0050]图6为后车架30的结构示意图，主要包含有侧板甲304、侧板乙305和上横梁301，上横梁301上固联着铰耳丁302和铰耳戊303。
[0051 ] 可选地，所述的右前轮23、左前轮24、右后轮33和左后轮34均为独立驱动。
[0052]一种针对上述工程机械三自由度铰接底盘的越障控制方法，主要指车辆越过大尺度凸起Λ型障碍和深V型障碍时对俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13的控制，图7所示为俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13的控制流程图，包括以下步骤:
[0053](I)判定车辆当前的行驶路况；
[0054](2)根据路况信息，控制俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13的伸缩动作；
[0055](3)俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13复位。
[0056]具体地，步骤(I)中所述的车辆当前的行驶路况主要包括三种路况，大尺度Λ型凸起障碍路面、深V型障碍路面、水平或小尺度障碍路面。
[0057]步骤(2)的具体控制方法为:
[0058]A.若判定当前路况为水平或小尺度障碍路面时，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13复位并锁死，使得前车体2和后车体3处于水平状态，两者之间的俯仰夹角为0°;
[0059]B.若判定当前路况为大尺度Λ型凸起障碍路面，如图8所示，当底盘上两个前轮(右前轮23和左前轮24)越过Λ型凸起障碍40的顶端，而两个后轮(右后轮33和左后轮34)尚未越过Λ型凸起障碍40时，为了防止底盘接触到Λ型凸起障碍40的顶端，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13同步收缩，在俯仰液压缸拉力作用下，前车体2后端和后车体3前端都向上运动，此时，前车体2和后车体3呈Λ型，这样就可以避免车辆底盘接触到Λ型凸起障碍40的顶端。俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13的收缩位置取决于Λ型凸起障碍40的尺寸，Λ型凸起障碍40越高，则要求俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13收缩越多，当达到指定位置后，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13停止收缩，该位置能够保证车辆底盘不会和Λ型凸起障碍40顶端接触，保持当前的收缩位置，直到整车越过Λ型凸起障碍40顶端，即右后轮33和左后轮34越过Λ型凸起障碍40顶端。当整车越过Λ型凸起障碍40的顶端后，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13复位到初始状态；
[0060]C.若判定当前路况为深V型障碍路面，如图9所示，当底盘上两个前轮(右前轮23和左前轮24)越过深V型障碍41的底端，而俩后轮(右后轮33和左后轮34)尚未越过深V型障碍41的底端时，为了防止车辆最前端与深V形障碍41发生碰撞，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13同步伸长，在俩俯仰液压缸推力作用下，前车体2后端和后车体3前端都向下运动，此时，前车体2和后车体3呈V型，这样就可以避免车辆前端与深V形障碍路面发生碰撞。俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13的伸长位置取决于深V形障碍尺寸，深V形障碍越深，则要求俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13伸长越多，当达到指定位置后，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13停止伸长，该位置能够保证车辆最前端和深V形障碍路面不发生碰撞，保持当前的伸长位置，直到整车越过深V形障碍底端。当整车越过深V形障碍底端后，俯仰液压缸甲12和俯仰液压缸乙13复位到初始状态。
[0061]上述实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种工程机械三自由度铰接底盘，包括前车体(2)和后车体(3)，其特征在于: 还包括三自由度铰接装置(I)，三自由度铰接装置(I)前端与前车体(2)相连，后端与后车体(3)相连;前车体(2)相对于后车体(3)具有横摆、侧倾和俯仰三个自由度； 所述的三自由度铰接装置(I)，包括相互旋转连接的铰接架甲(10)和铰接架乙(11)，该旋转运动产生前车体(2)相对于后车体(3)的侧倾自由度。2.根据权利要求1所述的一种工程机械三自由度铰接底盘，其特征在于: 所述的三自由度铰接装置(I)，还包括俯仰液压缸，其一端与后车体(3)铰接，另一端与铰接架甲(10)铰接，铰接架甲(10)的两端通过轴承甲(14)和轴承乙(17)与后车体(3)旋转连接，俯仰液压缸的伸缩运动产生前车体(2)相对于后车体(3)的俯仰自由度； 所述的三自由度铰接装置(I)，还包括并联的转向液压缸甲(15)和转向液压缸乙(I6)，它们的两端分别与铰接架乙(11)和前车体(2)铰接，铰接架乙(11)通过上铰耳(111)、下铰耳(112)与前车体(2)铰接，转向液压缸甲(15)和转向液压缸乙(16)的伸缩运动产生前车体(2)相对于后车体(3)的横摆自由度。3.根据权利要求2所述的一种工程机械三自由度铰接底盘，其特征在于: 所述的俯仰液压缸是并联的多于两个的液压缸。4.根据权利要求2所述的一种工程机械三自由度铰接底盘，其特征在于: 所述的铰接架甲(1)上的圆柱孔(105)与铰接架乙(I I)上的圆柱轴(115)旋转连接，所述的铰接架甲(10)上的接头甲(101)与轴承甲(14)旋转连接，轴承甲(14)固定在后车架(30)的侧板(304)上面，接头乙(102)的连接方式与接头甲完全相同；铰接架甲(1)上的铰耳甲(103)与俯仰液压缸的活塞杆铰接相连，俯仰液压缸的缸筒端与后车架(30)上的铰耳丁 (302)铰接； 所述的铰接架乙(11)的上铰耳(111)与前车架(20)上的横梁甲(201)铰接，下铰耳(112)与前车架(20)上的横梁乙(202)铰接;铰接架乙(11)上的右铰耳(113)与转向液压缸甲(15)的活塞杆铰接，转向液压缸甲(15)的缸筒端与前车架(20)上的铰耳丙(203)铰接，铰接架乙(11)上的左铰耳(114)与转向液压缸乙(16)的连接方式与右铰耳(113)完全相同。5.根据权利要求1所述的一种工程机械三自由度铰接底盘，其特征在于: 所述的前车体(2)由前车架(20)、右前悬架(21)、左前悬架(22)、右前轮(23)和左前轮(24)组成，所述的右前悬架(21)和左前悬架(22)连接在前车架(20)上面，右前轮(23)与右前悬架(21)连接，左前轮(24)和左前悬架(22)连接； 所述的后车体(3)由后车架(30)、右后悬架(31)、左后悬架(32)、右后轮(33)和左后轮(34)组成，所述的右后悬架(31)和左后悬架(32)连接在后车架(30)上面，右后轮(33)与右后悬架(31)连接，左后轮(34)和左后悬架(22)连接。6.根据权利要求5所述的一种工程机械三自由度铰接底盘，其特征在于: 所述的右前轮(23)、左前轮(24)、右后轮(33)和左后轮(34)均为独立驱动。7.—种基于权利要求2至4中任一项所述的工程机械三自由度铰接底盘的越障控制方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)判定车辆当前的行驶路况； (2)根据路况信息，控制俯仰液压缸的伸缩动作； (3)俯仰液压缸复位。8.根据权利要求7所述的越障控制方法，其特征在于: 步骤(I)中所述的车辆当前的行驶路况包括大尺度Λ型凸起障碍路面、深V型障碍路面、水平或小尺度障碍路面。9.根据权利要求7所述的越障控制方法，其特征在于: 步骤(2)的具体控制方法为: Α.若判定当前路况为水平或小尺度障碍路面时，俯仰液压缸复位并锁死，此时前车体(2)和后车体(3)处于水平状态，两者之间的俯仰夹角为0° ; B.若判定当前路况为大尺度Λ型凸起障碍路面，当右前轮(23)和左前轮(24)越过Λ型凸起障碍(40)的顶端，而右后轮(33)和左后轮(34)尚未越过Λ型凸起障碍(40)时，俯仰液压缸同步收缩，俯仰液压缸的收缩位置取决于Λ型凸起障碍(40)的尺寸；当达到指定位置后，俯仰液压缸停止收缩，该位置能够保证车辆底盘不会和Λ型凸起障碍(40)顶端接触，保持当前的收缩位置，直到整车越过Λ型凸起障碍(40)顶端；当整车越过Λ型凸起障碍(40)的顶端后，俯仰液压缸复位到初始状态； C.若判定当前路况为深V型障碍路面，当右前轮(23)和左前轮(24)越过深V型障碍(41)的底端，而右后轮(33)和左后轮(34)尚未越过深V型障碍(41)的底端时，俯仰液压缸同步伸长，俯仰液压缸的伸长位置取决于深V形障碍尺寸；当达到指定位置后，俯仰液压缸停止伸长，该位置能够保证车辆最前端和深V形障碍路面不发生碰撞，保持当前的伸长位置，直到整车越过深V形障碍底端;当整车越过深V形障碍底端后，俯仰液压缸复位到初始状态。
【文档编号】B62D21/15GK106080781SQ201610726299
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月25日
【发明人】李学飞, 王继新, 李健, 曹玥, 倪志学, 仝展, 汪昶, 李博宇
【申请人】吉林大学