毕业设计（论文）-装载机线控转向技术的研究.doc

分类号： 学校代码： 10426 密级： 公开 学号： 2012030305 硕 士 学 位 论 文MASTER DEGREE THESIS装载机线控转向技术的研究研究作 者： 指导教师： 学科专业： 机械工程 专业代码： 080200 研究方向： 机电一体化技术 2015年 04月 10日 装载机线控转向技术的研究学位论文完成日期 ： 2015年4月10日 指 导 教 师 签 字： _答辩委员会成员签字：_ _ _ _ _ _ _青岛科技大学研究生学位论文装载机线控转向技术的研究摘 要经济发展的同时，我国对装载机的需求也在提高。而装载机转向系统存在的驾驶员无路感、转向模式单一且不可调、劳动强度大、噪音高及转向精度低且不灵敏等问题限制了装载机行业的进一步发展。针对这些问题，本课题通过融合机械设计技术、微电子技术、传感器技术，开展了装载机线控转向技术的研究。研制了空心棘轮式和锥齿轮式两种方向盘装置，并在空心棘轮式方向盘装置的基础上，开发了相应的路感电机控制模块，转角检测显示模块，轴角编码器辨向模块，分析解决线控转向技术中的路感模拟及模式切换，转角检测及转向显示等方面的技术问题。本课题设计的装载机线控转向系统主要是通过轴角编码器检测方向盘的转向数据，并将转向数据发送给控制器，控制器将获得的转角数据处理后，通过转向驱动机构控制装载机实现转向，同时将转向后信息反馈给控制器，将获得的信息进行分析后，实现转向。装载机线控转向系统取消了方向盘与车轮之间的传统联接，简化了结构，节省了空间，提高了安全性能，提高了设计效率。装载机线控转向系统自动化程度高，可为驾驶员提供可靠、舒适的模拟路感，对装载机的转向角度、旋转方向实时检测显示，并可根据实际需要设定全转向角度为180的工作模式和全转向角度为900的行走模式，使装载机具有两种不同的作业模式，因此装载机线控转向系统对提高我国装载机的整体技术水平和竞争力具有重要意义。关键词：装载机 线控转向 轴角编码器 路感 控制器I青岛科技大学研究生学位论文RESEARCH OF STEER-BY-WIRE TECHNOLOGY ON WHEEL LOAD ABSTRACTWith the rapid development of economy, the amount of loaders demand is increasing in China. However, the problem about loader steering system restricts the sustainable development of it, such as the drivers blind alley, not a single adjustable steering mode, labor-intensive, high noise, not sensitive to low precision and other problems. To solve these problems, through combining the mechanical design technology, microelectronic technology and sensor technology, the project makes a study on the loader wire steering system. The hollow ratchet wheel device and bevel gear wheel device are designed, and based on the hollow ratchet wheel steering wheel device, the road feeling motor control module, angle detection module, encoder module to identify are designed. Through the analysis of test platform, these problems about sense of the road, mode switching, corner detection, steering display are solved.In the loader wire steering system, the encoder which is installed on the steering wheel detects the data from the steering wheel, then the sensor pass the data to the ECU and get feedback from the steering control systems. Steering system gets instructions from the steering controller, and gets the information of the steering wheel condition, directs the movement of the steering system.In the loader wire steering system, the mechanical connecting between the steering wheel and the wheel is cancelled. With it, the Space is saved and the safety performance is improved and the design of the vehicle is more easy. The Loader wire steering system has a high degree of automation, it can improve the sense of the road and detect the loader steering angle and the rotation direction. Besides, it can Set the working mode and running mode on the basis of the two different working modes, their full steering angle is 180 or 900 . Therefore, the Loader wire steering system has important significance to improve our overall technical level and product competitiveness.KEY WORDS: loader steer-by-wire shaft encoder road feel controllerIII目 录1绪论11.1装载机概述11.1.1我国装载机发展历程21.1.2装载机发展趋势41.2几种装载机转向系统及存在的问题51.3装载机线控转向技术61.3.1线控转向技术国内外研究现状61.3.2装载机应用线控转向系统的优点71.4本章小结72装载机线控转向系统方案设计92.1装载机线控转向系统原理92.2装载机线控转向系统工作过程102.2.1电液比例阀102.2.2装载机前后车架铰接结构102.2.3液压油路原理102.2.4装载机线控转向系统具体工作过程112.3本章小结123装载机线控转向方向盘装置的设计133.1空心棘轮式方向盘装置133.1.1空心棘轮式方向盘装置设计背景133.1.2空心棘轮式方向盘装置原理133.2锥齿轮式车辆线控转向方向盘装置193.2.1锥齿轮式车辆线控转向方向盘装置设计背景193.2.2锥齿轮式车辆线控转向方向盘装置原理203.3路感反馈243.4本章小结254装载机线控转向系统硬件设计264.1硬件电路设计软件264.2原理图的绘制274.2.1几种元件库的元器件图及原理图274.2.2隔离电路的设计274.2.3辨向电路的设计294.2.4路感电机及控制电路334.2.5串口通信电路的设计344.2.6单片机最小系统354.2.7 LCD液晶显示电路374.3制作PCB电路板394.4轴角编码器的选型404.5本章小结425程序的编写与仿真调试435.1编程软件435.2程序编写445.2.1 主函数445.2.2液晶显示程序445.2.3按键操作程序455.2.4作业模式显示475.3仿真电路495.3.1软件介绍495.3.2 绘制电路图505.4本章小结51总结与展望52论文总结52论文展望53附录154附录265参考文献69致谢73攻读硕士期间发表的专利74独创性声明75关于论文使用授权的说明75VII青岛科技大学研究生学位论文1绪论在社会大发展的背景下，我国的科学技术在不断发展，科技水平在不断提高。在工程车辆方面，各种新的电子技术、微电子技术和传统机械技术不断融合，使工程车辆的自动化水平不断提高，综合科技含量达到了一个前所未有的水平。具体体现在各种电子技术、微型控制系统、传感器技术以及电液伺服与控制系统在传统的工程车辆中的应用，使现代化的工程车辆在人机效能、工作效率、工程质量、作业安全以及自动化程度等各个方面都有了相当大的提高，同时伴随着科学技术的不断发展，工程车辆正在向人工智能化方面，遥控自动化方面发展1。近些年来，伴随着我国经济的不断发展，城市化进程的不断加快，装载机等各种工程车辆的需求量也在不断增加，这给我国装载机的发展和研制提供了新的契机。而作为其中的组成部分，装载机转向系统的技术集成度较高，属于研究的重点。除此之外，装载机之类的工程车辆工作环境往往复杂，工作条件比较恶劣。同时由于装载机操作复杂，驾驶人员工作压力大，工作量繁重。为了提高人机效能及其可操作性，减轻工作人员的压力，对转向系统也提出了新的要求。因此，对于装载机转向技术的研究一直是科研攻关重点。本文将开展装载机线控转向技术方面的研究，将线控转向技术加以研究并应用到车架前后铰接式装载机上，使目前装载机上的全液压转向技术加以改善，提高装载机的转向准确度以及灵敏度，同时依据路况为装载机操纵者提供合适的路感2。将装载机作业过程与正常路面行驶过程分为两种模式，解决了两者之间存在的稳定性问题3。因此本设计方案将主要针对装载机线控转向系统进行展开，并进行相关的分析和探究4。1.1装载机概述装载机应用在各种工程中，它可以对松散的各种物料进行铲运或装卸作业，同时可在一定条件下进行适度铲掘11。为了适应不同的工作要求，装载机通用工作机构多种多样，并可根据实际情况更换8。装载机在各种道路、铁路、隧道等建设施工中应用广泛，同时具有作业效率高、操作轻便、转场自由等优点，市场需求量大，成为各种工程建设中不可或缺的工程装载车辆7。目前市场上的装载机种类多种多样，品种齐全。依据其底盘行驶机构的不同，可分为轮胎式和履带式两种类型装载机。履带式装载机的行走速度较慢且工作时机构不灵活，转移工作地点时需要相应的装载车辆，总体运行成本较高，因此正在逐渐被轮胎式所取代；轮胎式装载机具有各方面优点，机动性能好、易于操作、可自行转运等，因此应用前景更为广泛。而根据车架结构和转向方式的不同，轮胎式装载机又分为铰接车架转向、整体车架转向和差速转向三种类型9。其中铰接车架转向轮胎式装载机不需要复杂的驱动桥，容易制造，结构简单，转向性能好，运行效率高，正逐渐成为市场上的主流产品，如图1-1所示。图1-1 轮式装载机三维图Figure 1-1 Wheel loader 3-D pictures自1929年第一台装载机问世以来，随着市场需求的不断扩大，装载机行业发展非常迅速，先后出现过三次技术革新：第一次是在40年代末，由克拉克公司生产的一种新型装载机，第一次在装载机上使用液压机构，代替了传统的门架式结构，并且开发出了专用底盘，初步形成了装载机的原型，提高了作业效率，使装载机具有了一定的铲装功能；第二次是在50年代初，美国率先在装载机上使用液力传动，并把车架改为通过三点支撑的方式，使车辆的行驶性能有较大改善。柴油机液力变矩器、动力换档变速箱这些技术的完善使装载机开始进入专业化、系列化生产阶段；第三次是60年代，这时期铰接式装载机的出现简化了操作过程，提高了作业效率，人机效能得到进一步完善，对于作业环境的适应性更强。最终形成了由发动机、变矩器、驱动桥、变速箱，这四大件组成的现代装载机的基本结构10。1.1.1我国装载机发展历程我国真正意义上自主生产制造的第一台装载机是由上海港机厂在1958年制造的，该台机装载机的变速方式为滑动齿轮变速且使用单桥驱动模式。在1964年，天工所和厦工根据日本的一台型号为125A的装载机，在联合研制的基础上开发出了功率为100.57kw的Z435型装载机，该型装载机在国内首次使用了液压控制模式，并率先采用了液力传动，它在一定程度上弥补了我国工程机械产品上的不足。在60年代初，前后车架采用铰接连接方式的轮式装载机出现，为了填补国内在此方面的不足，天工所与天交局于1965年研发了型号为Z425装载机。后来，柳工和天工所合作，依据国外样机设计开发了型号为Z450型装载机。Z450型装载机设计较为全面，操纵、驱动等各方面整体性能达到了当时的世界先进水平，体现了我国第一代装载机的水平。Z450在总体性能方面具有动力性能好、挖掘力大、作业效率高等一系列优点5。在1978年，国家提出对装载机行业建立相应的规范，天工所根据已开发的Z450型轮式装载机制定了相应的行业规范12。在制定规范时，用“装”首字母Z来表示装载机，用“轮”首字母L来表示轮式，原先的Z450型的轮式装载机据此改为ZL50型的轮式装载机，由此制定出了以ZL50型为基础的轮式装载机规范，ZL轮式装载机规范的制定具有里程碑的意义，促进了我国装载机的规模化发展和精细化生产13。规范制定后，根据生产要求和实际情况，对国内装载机进行了不同的产业分工，从而形成了我国的装载机产业格局14。到1980年左右，我国装载机行业开始初具规模，装载机生产企业已接近三十家15。而经过几十年的长足发展，直到目前为止，我国轮式装载机已在原先的基础上发展了几代产品16。近年来，随着全球化的发展，我国通过引进国外先进技术加以充实和提高我国装载机科技含量和技术水平。我国的装载机行业在整个工程机械行业中比例较大，市场行情也比较特殊。在整个工程机械行业中装载机的销售量最大，其利润率却一直比其他工程机械低，而由于国民经济建设的需求强烈，装载机的需求量也一直居高不下。2007年以来，我国装载机行业的发展波荡起伏，但是整体需求在波动中上升，整体销量依然高于历史同期。销售规模直逼16万台大关，是2000年销售规模的八倍。随着装载机行业的生产规模不断扩大，国内开始出现产能过剩，企业的战略目标开始瞄向国外。2008年上半年，在国内经济政策不利等客观因素下，我国装载机市场依然增长势头十足。特别是伴随着出口规模的扩大，我国装载机市场开始呈现出一些新的特点。在经过几年近乎膨胀式的发展后，全国各大主要装载机生产企业的年产能都超过了2万台的规模，再加上前几年的装载机销售规模累积，使整个市场渐趋饱和。然而接下来全球爆发的金融危机，使整个工程机械行业受到了巨大冲击，我国的装载机行业也难以幸免，市场前景惨淡。在接下来的一年，我国装载机市场销售规模大幅缩减。但是在国家政策的推动下，我国装载机行业开始逐步回暖。到2010年，我国装载机行业市场规模已逐渐恢复并不断发展，展现出了新的生机和活力。从宏观角度分析，影响装载机行业发展的最主要四方面为工业化发展、城市化建设、道路基建和出口市场，因此我国装载机市场前景广阔。同时随着外资企业投入比例的不断扩大，整个行业面临新的变革和洗牌。技术水平高，规模大的企业会淘汰掉不具有竞争优势的企业，进一步加强行业集成度。整个装载机市场的竞争开始转向产品链上各个方面的竞争，竞争更加激烈19。机遇与挑战并存，面对新的装载机市场形势，我国企业要加强多层次的科研开发体系建设，建立新的营销模式，加强品牌建设，使我国的装载机行业进一步发展壮大，并取得市场主动权。1.1.2装载机发展趋势目前我国的轮式装载机已经从仅仅追求单机效率，向环保、安全、简化操作、自动化、智能化等方面发展。各主要轮式装载机厂家不断加大技术投入，推进技术革新，并根据自身优势采取适合自身的发展路线，使自己在装载机行业竞争中立于不败之地20。（1） 注重自身技术情况和传统优势，根据市场需求，定向研发更加适合需求的装载机，并进一步优化自身产品，加大研发投入和技术合作。 （2）注重环保，降低噪声分贝和尾气排放量，以达到噪声分贝要求和排放标准等各项环保指标。 （3）向全液压化、多功能化、人工智能化方向发展。使装载机带有多种作业机具，包括抓斗、侧卸斗、压实机具等，并采用快速更换机构，使司机在驾驶室内即可更换机具。 （4）对电子技术的加以应用，提高了信息化水平。 （5）注重人机效能，进一步提高装载机的操作性、安全性、舒适性。驾驶室开始具备FOPS&ROPS功能。 （6）外形设计追求美观，更加追求表面质量。国外的装载机都很注重外观造型的设计，采用较美观的曲面流线型设计。随着新型非金属材料不断出现，在覆盖件上开始大量推广使用。外表涂漆也不在单调，呈现出多姿多彩的改变，同时加入各种装饰，给人一种赏心悦目的感觉。 （7）进一步优化设计，并实现无人操作遥控作业。采用GPS或者北斗系统实现防盗、监控和远程信息反馈。 （8）进一步简化维修，提高产品的寿命和可靠性，同时减少保养次数以降低成本。推进检修智能化，使用电子监控技术，使装载机具有自我诊断功能，并完善装载机的维修方法。1.2几种装载机转向系统及存在的问题装载机的日常使用中，需要通过转向系统实现转向或者保持直线行驶。随着技术的发展，装载机的转向系统也在不断经历着技术革新。（1）机械转向系统装载机转向系统最初使用机械转向系统，内部采用机械联接，需要以驾驶员手动操纵力为动力实现转向，对驾驶员的要求较高，工作负荷较大。随着装载机在重量上的增加，宽基低压轮胎的使用，生产率的提高，要求转向系统能克服更大的阻力，这就需要增大方向盘直径来满足大转向力的要求21，这对驾驶员来说已经不可能靠机械转向轻松实现。因此机械转向系统在装载机上已逐渐淘汰。（2）液压动力转向当驾驶员只有通过外力的辅助作用才能满足装载机操作轻便和转向灵活的要求时，液压动力转向随之出现，并广泛地应用于各种车辆。液压动力转向装置主要由转向装置、液压油源和转向杆系等组成 22。1）液压助力转向系统为了克服机械转向系统的各种不足，人们根据需求研制出了液压助力转向系统。主要由转向阀，控制阀和转向油缸等组成，其中各部分之间依然保持机械联接。当驾驶员旋转方向盘时，方向盘旋转并通过转向机构来带动转向阀，接着液压油泵工作并输出液压油，输出的液压油通过转向阀输入到转向油缸中，由此推动转向机构，转向机构推动轮毂，从而实现转向。液压助力转向系统满足了吨位较低的装载机应用要求，而随着装载机朝着大吨位方向发展，重量越来越大，需要的液压推力更大，转向阀、控制阀也就越大，而传统的液压助力转向系统受驾驶员转动力矩的限制，已经无法满足使用要求。除此之外，液压助力转向系统存在着各种问题，如工作状态不稳定、结构复杂、损耗快、维修繁琐等，不再被生产厂家采用。2）全液压转向系统装载机全液压转向器通过转向柱和方向盘相联接，当驾驶员旋转方向盘时，方向盘旋转并通过连接机构使转向阀转动。改变阀芯与套的开度，实现液压油的变化，液压油量不同再通过机械传动反馈给阀套，实现闭环控制。油缸根据输出流量变化，控制车架转动。当不转向时，液压泵的进出油口接通，液压油回到油箱当中，车架不转向。此时不能产生转向力，方向盘上无反向阻力，驾驶员无路感。因转向器体积大，普通全液压转向系统已逐步被淘汰23。3）流量放大转向液压系统装载机流量放大转向液压系统是通过把一主滑阀串接在全液压转向器上，并对流量进行放大处理得到的，其中全液压转向器是先导。流量放大转向液压系统是用低压先行压力控制高压转向压力来完成转向的系统，流量放大转向液压系统的工作原理是小推大，即通过用小流量的开芯转向器控制流量放大阀。流量放大转向液压系统优点是所需的转向力小，转向灵活轻便，安全可靠。但也存在结构复杂，检修困难等问题。为降低系统油温，该液压系统还设置了散热器，增加了密封件和相关元件的使用寿命和工作可靠性。1.3装载机线控转向技术线控技术最初是被应用在航空航天领域中，由于其应用价值大，特点突出，逐步在汽车行业得到广泛应用24。线控技术是将原有的机械操控智能化，通过电传操作代替传统的机械操作。线控技术是闭环控制，在驾驶员通过线控技术进行操作时，系统也会把操作信息反馈给驾驶员，实现同步。线控转向技术的实现使得制动、油门踏板的取消成为可能，是汽车行业的一次革命性突破25。1.3.1线控转向技术国内外研究现状随着电子技术的发展成熟，车辆的各操纵系统也逐步向智能化方向发展，最终传统的机械操纵系统将被智能控制系统所取代27。最初德国人Kasselman等人试图通过导线把方向盘与转向轮进行连接，可是由于当时的技术发展水平有限，这种线控转向方式一直未能在汽车上得到实现28。直到1990年，德国的奔驰对汽车线控转向系统进行深入的研究，并在概念车F200Caring上加以应用，如图1-2所示。图1-2采用线控转向技术的F200-CaringFigure 1-2 Uses steer by wire technology F200-Caring这是世界上第一款带有线控技术的汽车，在F200Caring上，提出的线控技术核心是，取消方向盘、脚踏板、制动油路等设备，并通过操纵杆控制车身的所有运动。随后世界各大科研机构，汽车厂商等开始深入研究汽车线控转向系统。而众多汽车厂商也已根据自身公司实力研制出了本公司的汽车线控转向系统，并已在相关车型上对此系统进行了实验研究29。美国BEI Duncan公司在本公司的AGCO Challenger牵引车上使用线控转向系统替代原有的液压转向系统，降低了生产制造成本，提高了安全性、可靠性、工作效率。2012年日系豪华车英菲尼迪Q系列因为搭载了线控转向系统，被Popular Science杂志评选为“年度最佳新技术”大奖30。随着电子科学技术的发展，车辆各个系统的智能化程度将获得进一步发展，并最终取代传统的机械操纵模式。1.3.2装载机应用线控转向系统的优点线控转向系统的优点是：（1）可根据工作要求调节方向盘全转向圈数。当前我国的装载机转向系统依然是以全液压转向系统为主。在液压转向系统完成设计后，转向器完成定型，全转向圈数也随之确定。随之而来的问题是，在工作情况下为了减少作业强度，在实现全转向时希望减少方向盘旋转圈数；而在行驶过程中时为了提高行驶的稳定性、安全性，希望恢复方向盘最初的全转向圈数。这在传统装载机转向系统上是无法实现的，而线控转向技术恰好解决了这一问题。（2）提供更加合适的路感。驾驶员路感就是指作用在驾驶员手上的方向盘反力矩。在线控转向系统中，因为没有了直接的机械联接，无法通过机械机构提供路感，因此驾驶员的路感是通过相应装置模拟生成的。控制器根据实际行驶状态和路面状况把信号传递给路感模拟装置，为驾驶员提供更合适的路感。（3）简化系统，提高了效率和舒适度。采用线控转向系统后，许多机械联接机构被取消，简化整机的结构和设计难度，同时减轻了整机的重量，减少了额外的能量损耗，提高了工作效率和驾驶室的舒适度。（4）采用智能控制系统。目前已出现了应用在装载机上的GPS电子控制系统。采用GPS或者北斗系统实现防盗、监控和远程信息反馈，对装载机实现全方位管理31。1.4本章小结本章主要撰写了装载机的概述、装载机的发展历程和发展趋势；描述了线控转向技术的发展现状。并对装载机的四种不同的转向方式进行了着重分析，介绍了装载机安装线控转向系统的优势和重要性。2装载机线控转向系统方案设计2.1装载机线控转向系统原理图2-1为装载机的线控转向系统原理图。图2-1装载机的线控转向系统原理图Figure 2-1 The wire steering system of loader装载机线控转向系统的原理为：当驾驶员驾驶装载机转向时，安装在装载机转向轴上的轴角编码器检测到方向盘有转向输入，将检测到的数据发送给控制器，控制器将获得转角数据处理后，通过转向驱动机构控制装载机实现转向，同时将转向后信息反馈给控制器，以此来进行数据处理，进而实现转向。在转向过程中，控制器对转角和转动转矩等信息进行处理，控制路感反馈装置，从而使驾驶员获得合适的路感32。该转向系统初步设定为两种作业模式：工作模式和行驶模式。当装载机工作时，设定作业模式为工作模式，此时，方向盘只要转动180，即左右各打半圈就可实现装载机全转向，减轻了驾驶员的工作强度，提高了工作效率；当装载机正常行驶时，设定作业模式为行驶模式，此时，方向盘需要要转动900，即左右各打两圈半就可实现装载机全转向，保证了驾驶的稳定性和安全性。2.2装载机线控转向系统工作过程2.2.1电液比例阀应用在转向系统中的电液比例阀又称为电液比例方向流量阀，其工作原理是当输入不同的电压信号时，电磁铁会带动阀芯发生不同的位移，改变阀口开度大小，从而改变流过阀口的流量，控制转向。电液比例换向阀的特点：（1）电液比例阀中转换器的输入功率大，且额定工作压差比电液换向阀略高，但却比对应的电液伺服阀低，所以能耗要低，系统更加安全可靠。（2）电液比例阀可以根据控制要求，如开关方向阀那样采取不同的滑阀中位机能。（3）电液比例阀的阀芯运动参数，可以通过各种不同的方式实现反馈，且电液比例阀品种齐全、种类繁多，可以与其他电器元件组合使用形成各种系统，具有较强的控制精度和应用方便等特点33。2.2.2装载机前后车架铰接结构目前我国的装载机主要是前、后车架铰接式联接，如图2-2所示。而铰接式装载机前、后车架通过销轴联接，且通过转向油缸驱动前车架转向。图2-2前后车架铰接结构图Figure 2-2 Front and rear frame hinged structure diagram2.2.3液压油路原理图2-3为转向系统液压油路原理图。图2-3转向系统液压油路原理简图Figure 2-3 The diagram of the steering system hydraulic circuit在整个液压油路中使用的换向阀为三位四通阀，其特点是该阀可实现三位变换。当液压阀阀芯处于中位时，油路之间互不相通，当方向盘不旋转时，此时无转向信号，电磁铁不通电无吸力，此时的油缸保持在原位不动；当ECU通过传感器检测到方向盘左转信号时，液压油推动阀芯到右侧，左侧阀芯接通油泵与油缸，实现左转；当ECU通过传感器检测到方向盘右转信号时，液压油推动阀芯到左侧，右侧阀芯接通油泵与油缸，实现左转。2.2.4装载机线控转向系统具体工作过程装载机线控转向系统的工作过程为：驾驶员转动方向盘，安装在旋转轴上的空心式轴角编码器根据方向盘的转动实时检测方向盘旋转的角度，并将检测到的数据信息通过数据总线传给ECU。ECU对获得的数据信息进行处理分析，发出信号给电液比例阀，使电液比例阀依据ECU命令向转向油缸中注入所需要液压油量，液压油缸推动装载机前车架转向。前车架进行转向的同时，安装在销轴上的空心式轴角编码器实时检测旋转角度并输出数据信息给ECU控制器。ECU对获得数据信息根据相应的算法程序进行处理，并判断装载机前车架是否达到了方向盘的旋转角度，如果未达到方向盘转动角度，那么ECU控制整个转向系统按照原先的指令继续动作，直到达到方向盘转动角度，到此完成转向。2.3本章小结本章主要阐述了装载机线控转向系统的整体设计原理，对部分组成部件进行了介绍，介绍了在ECU控制下的线控装转向系统的工作过程。3装载机线控转向方向盘装置的设计3.1空心棘轮式方向盘装置3.1.1空心棘轮式方向盘装置设计背景当车辆行驶方向发生改变时，需要通过转向系统操纵车辆完成转向，转向系统为安全考虑要保持很好的稳定性，且能实现灵活转向，结构简单，维护方便，降低驾驶员操纵强度，提高效率。随着使用场合要求的提高和现代科学技术的发展，车辆总体性能需要进一步提高，特别是在转向系统方面，提出了转向稳定可靠、轻便灵活、转向功率大等技术要求。而在传统工程车辆转向系统中存在转向比固定、无路感反馈、灵敏度不可调、结构复杂及噪音高等问题34。为了提高装载机转向性能，需要在装载机上应用线控转向技术。线控转向技术是指通过微控元件控制转向系统的各部分组成，从而取代以前的机械或液压转向机构。线控转向技术的整个微控单元在控制过程中会将各个传感器检测到的实时路况信息进行实时反馈并传递给控制器，控制器把接收到的数据进行处理分析并输出转向控制信号，通过信号控制车辆实现线控转向，由于线控转向简化了结构，因此提高了设计效率、可靠性和安全系数。现有的转向技术方案主要是在装载机方向盘底部安装有一个全液压转向器，通过转动方向盘控制通往转向油缸的流量来实现转向，这种转向方式存在许多问题。首先，当转向器选定后，全转向时方向盘全转向圈数也就固定了，在进行工程作业时，就需要大量重复的旋转方向盘才能完成所需的工作，增加了劳动强度；其次，驾驶员在驾驶的过程中装载机没有合适的路感；再次，由于全液压转向器的位置特点，如此增加了结构的复杂程度和驾驶室的噪音。因此需要设计一种线控转向车辆方向盘装置，推动线控转向系统的开发、研制与应用。3.1.2空心棘轮式方向盘装置原理在本设计方案中，推出了一种用于线控转向上的方向盘装置，可以很好的实时检测方向盘的旋转角度，并为控制器提供转向信息，同时根据实时路况信息为驾驶者提供一种可行的路感，同时能根据不同的要求改变工作模式，使车辆的方向盘全转向所需的转动圈数可以改变，从而更好的适应需求35。为了解决上述技术问题，本设计采用下述技术方案：该装置主要由限位机构，二号齿轮轴，二号齿轮，一号棘爪盘，一号齿轮轴，一号齿轮，一号轴承座，电机，联轴器，四号轴承座，五号轴承座，三号轴承座，四号齿轮，四号齿轮轴，二号棘爪盘，三号齿轮，三号齿轮轴，轴角编码器，二号轴承座，箱体，二号棘轮，二号棘爪，二号扭转弹簧，五号齿轮，一号棘爪，一号扭转弹簧及一号棘轮组成；限位机构的上端固定安装在箱体上，二号齿轮轴与限位机构的下端固定联接，二号齿轮通过固定安装方式安装在二号齿轮轴上，一号棘轮和二号齿轮轴间采用固定安装方式，一号棘爪盘和一号齿轮轴间采用固定安装方式，一号棘爪盘上固定的销轴与一号棘爪与采取活动联接方式，一号棘爪通过一号扭转弹簧与一号棘轮之间配合安装，一号扭转弹簧安装在销轴上且一端固定联接在一号棘爪盘的固定销上、其另一端通过弹簧的扭转力压在一号棘爪的背面且使棘爪受力压向棘轮，电机通过其上端固定安装在箱体上，一号轴承座通过固定安装方式安装在箱体上，一号齿轮轴与一号轴承座之间通过轴承安装，一号齿轮通过固定安装的方式安装在一号齿轮轴上，五号齿轮通过固定安装的方式安装在五号轴承座上，四号轴承座通过固定安装方式安装在箱体上，五号轴承座与四号轴承座之间通过轴承安装，五号轴承座与电机外伸轴之间通过联轴器固定联接，一号齿轮通过啮合传动配合安装的方式与五号齿轮安装在一起，一号齿轮通过啮合传动配合安装的方式与五号齿轮安装在一起，三号齿轮通过啮合传动配合安装的方式与二号齿轮安装在一起，三号轴承座通过固定安装方式安装在箱体上，三号轴承座与四号齿轮轴之间安装有轴承，四号齿轮通过固定安装的方式安装在四号齿轮轴上，二号棘轮和三号齿轮轴间采用固定安装方式，二号棘爪盘和四号齿轮轴间采用固定安装，二号棘爪与二号棘爪盘上所固定的销轴采用活动联接，二号棘轮通过二号扭转弹簧与二号棘爪之间配合安装，二号扭转弹簧安装在销轴上且一端固定联接在二号棘爪盘的固定销上、其另一端通过弹簧的扭转力压在二号棘爪的背面且使棘爪受力压向棘轮，二号轴承座与三号齿轮轴之间通过轴承安装，方向盘的旋转轴与三号齿轮轴间通过方向盘杆联轴器固定联接，二号轴承座固定安装在箱体上，轴角编码器的空心轴套装在三号齿轮轴上且与三号齿轮轴间采用固定联接，轴角编码器外壳体固定安装在箱体上，三号齿轮通过固定安装方式安装在三号齿轮轴上，一号棘轮、一号棘爪、一号扭转弹簧、及一号棘爪盘组成一单向的传动机构，二号棘轮、二号棘爪、二号扭转弹簧、及二号棘爪盘组成另一单向的传动机构。二号齿轮轴的轴心线与一号齿轮轴的轴心线重合。四号齿轮轴的轴心线与三号齿轮轴的轴心线重合。电机外伸轴的轴心线与五号轴承座的轴心线重合。一号棘爪有一对，这对棘爪相对于一号棘爪盘的圆心呈中心对称安装。二号棘爪有一对，且这对棘爪相对于二号棘爪盘的圆心呈中心对称安装。采用本设计方案的有益效果是，能对方向盘的旋转角度进行准确地检测，电机只需要单方向的驱动即可在方向盘正反方向转动时给驾驶员提供舒适的路感，同时能根据不同的要求改变工作模式，使车辆完成全转向时所需的转动圈数可以改变，从而更好的适应需求，有很好的推广应用价值。图3-1是空心棘轮式线控转向车辆方向盘装置的主视图。图3-1中1限位机构，2二号齿轮轴，3二号齿轮，4一号棘爪盘，5一号齿轮轴，6一号齿轮，7一号轴承座，8电机，9联轴器，10四号轴承座，11五号轴承座，12三号轴承座，13四号齿轮，14四号齿轮轴，15二号棘爪盘，16三号齿轮，17三号齿轮轴，18轴角编码器，19二号轴承座。图3-1内啮合齿式车辆线控转向方向盘装置的主视图Figure 3-1 The main viewof the intermeshingsteering by wiresteeringdevice图3-2是图3-1空心棘轮式线控转向车辆方向盘装置的BB剖视图。图3-2中1限位机构，2二号齿轮轴，3二号齿轮，4一号棘爪盘，5一号齿轮轴，6一号齿轮，7一号轴承座，8电机，18轴角编码器。图3-2内啮合齿式车辆线控转向方向盘装置的B-B视图Figure 3-2 The B-B view of the intermeshing steer by wire steering device图3-3是图3-1空心棘轮式线控转向车辆方向盘装置的AA剖视图。图3-3中5一号齿轮轴，6一号齿轮，13四号齿轮，15二号棘爪盘，20箱体，21二号棘轮，22二号棘爪，23二号扭转弹簧，24五号齿轮，25一号棘爪，26一号扭转弹簧，27一号棘轮。 图3-3内啮合齿式车辆线控转向方向盘装置的A-A视图Figure 3-3 The A-A view of the intermeshing steer by wire steering device下面是本设计的具体实施方式。在图3-1、图3-2和图3-3中，该装置主要包括限位机构1，二号齿轮轴2，二号齿轮3，一号棘爪盘4，一号齿轮轴5，一号齿轮6，一号轴承座7，电机8，联轴器9，四号轴承座10，五号轴承座11，三号轴承座12，四号齿轮13，四号齿轮轴14，二号棘爪盘15，三号齿轮16，三号齿轮轴17，轴角编码器18，二号轴承座19，箱体20，二号棘轮21，二号棘爪22，二号扭转弹簧23，五号齿轮24，一号棘爪25，一号扭转弹簧26及一号棘轮27；限位机构1的上端固定安装在箱体20上，二号齿轮轴2与限位机构1的下端固定联接，二号齿轮3通过固定安装方式安装在二号齿轮轴2上，一号棘轮27和二号齿轮轴2间采用固定安装方式，一号棘爪盘4和一号齿轮轴5间采用固定安装方式，一号棘爪盘4上固定的销轴与一号棘爪25间采取活动联接方式，一号棘爪25通过一号扭转弹簧26与一号棘轮27之间配合安装，一号扭转弹簧26安装在销轴上且一端与一号棘爪盘4的固定销活动联接、其另一端通过弹簧的扭转力压在一号棘爪25的背面且使棘爪受力压向棘轮，通过螺栓联接把电机8固定在箱体20上，一号轴承座7通过固定安装方式安装在箱体20上，一号齿轮轴5与一号轴承座7之间通过轴承安装，一号齿轮6通过固定安装的方式安装在一号齿轮轴6上，五号齿轮24通过固定安装的方式安装在五号轴承座11上，四号轴承座10通过固定安装方式安装在箱体20上，五号轴承座11与四号轴承座10之间通过轴承安装，五号轴承座11与电机8外伸轴之间通过联轴器固定联接，一号齿轮6通过啮合传动配合安装的方式与五号齿轮24安装在一起，一号齿轮6通过啮合传动配合安装的方式与五号齿轮24安装在一起，三号齿轮16通过啮合传动配合安装的方式与二号齿轮3安装在一起，三号轴承座12通过固定安装方式安装在箱体20上，三号轴承座12与四号齿轮轴14之间通过轴承安装，四号齿轮13通过键连接的方式安装在四号齿轮轴14上，二号棘轮21和三号齿轮轴17间采用固定安装方式，二号棘爪盘15和四号齿轮轴14间采用固定安装，二号棘爪22与二号棘爪盘15上固定的销轴采取活动联接方式，二号棘轮22通过二号扭转弹簧23与二号棘爪之22间配合安装，二号扭转弹簧23安装在销轴上且一端二号棘爪盘15的固定销活动联接、其另一端通过弹簧的扭转力压在二号棘爪22的背面且使棘爪受力压向棘轮，二号轴承座19与三号齿轮轴17之间通过轴承安装，方向盘的旋转轴与三号齿轮轴17间通过方向盘杆联轴器固定联接，二号轴承座19通过螺栓连接的方式安装在箱体20上，轴角编码器18的空心轴套装在三号齿轮轴17上且与三号齿轮轴17间采用固定联接，轴角编码器18的外壳体通过螺栓连接的方式安装在箱体20上，三号齿轮16通过固定安装方式安装在三号齿轮轴17上。二号齿轮轴2的轴心线与一号齿轮轴5的轴心线重合。四号齿轮轴14的轴心线与三号齿轮轴17的轴心线重合。电机8外伸轴的轴心线与五号轴承座11的轴心线重合。一号棘爪25有一对，这对棘爪相对于一号棘爪盘4的圆心呈中心对称安装。二号棘爪22有一对，且这对棘爪相对于二号棘爪盘15的圆心呈中心对称安装。当操纵车辆向右转向时，顺时针打方向盘，带动方向盘的旋转轴旋转，并通过三号齿轮轴17的旋转带动二号棘轮21顺时针转动，通过齿轮的啮合传动关系带动二号齿轮3逆时针传动，二号齿轮3通过二号齿轮3带动一号棘轮27逆时针转动，此时在一号扭转弹簧26的扭转力作用下，一号棘爪25在一号棘轮27的齿背上滑动运行而不随一号棘轮27一起转动，而与二号棘爪盘15相连的二号棘爪22在二号扭转弹簧23的扭转力作用下运动到二号棘轮21的齿槽内，使二号棘爪22随二号棘轮21一起转动，进而带动二号棘爪盘15顺时针转动，二号棘爪盘15通过带动四号齿轮轴14顺时针转动，根据根据外啮合齿轮的传动关系，从而带动电机8逆时针转动，在此情况下，改变使电机8顺时针转动时的电流的大小，就可以产生合适的阻尼，从而根据路面实时状况为驾驶员提供合适的路感。当操纵车辆向左转向时，逆时针打方向盘，带动方向盘的旋转轴旋转，并通过三号齿轮轴17的旋转带动二号棘轮21逆时针转动，通过齿轮的啮合传动关系带动二号齿轮3顺时针传动，二号齿轮3通过二号齿轮3带动一号棘轮27顺时针转动，此时在一号扭转弹簧26的扭转力作用下，一号棘爪25运动到一号棘轮27的齿槽内使一号棘爪25随一号棘轮27一起转动，而与二号棘爪盘15相连的二号棘爪22在二号扭转弹簧23的扭转力在二号棘轮21的齿背上滑动运行而不随二号棘轮21转动，一号棘轮27转动带动一号棘爪盘4转动从而通过一号齿轮轴5顺时针转动，根据外啮合齿轮的传动关系，带动电机8逆时针转动，当改变驱动电机8顺时针转动时的电流大小，就可以产生合适的阻尼，进而根据路面实时状况为驾驶员提供合适的路感。当把轴角编码器18装在三号齿轮轴17上，其能够在方向盘转动时，对方向盘的转动角度进行实时监测，为控制器提供相关的转角数据；当限位机构1接收到不同的控制信号时，可以改变车辆的驾驶模式。在行驶模式下，为提高装载机的安全性，方向盘顺时针或逆时针转动两圈半，达到全转向位置；在工作模式下，为减轻劳动强度，方向盘顺时针或逆时针转动半圈，达到全转向位置，当方向盘转到极限位置时有机械装置进行限位。在本设计中，无论方向盘顺时针旋转或逆时针旋转，电机8的转动方向始终是逆时针，只需给电机8提供使其顺时针转动的电流既可以对方向盘产生需要的阻尼而无需改变电流方向，通过调整电机8中电流大小，就可根据需要为驾驶员提供舒适的路感。故本设计方案不但可以用轴角编码器实时检测方向盘的旋转角度，还可以根据路面实时状况为驾驶员提供合适的路感。在实际操作过程中，还可以转换方向盘的工作模式，调整车辆全转向圈数，以达到工作要求。3.2锥齿轮式车