双冗余液压缸驱动的转向系统及车辆的制作方法

1.本发明涉及多编组车辆转向系统设计领域，尤其涉及一种用于智能轨道快运列车的双冗余液压缸驱动的转向系统及包含该转向系统的车辆。


背景技术：

2.智能轨道快运列车是一种融合了现代有轨电车和公交汽车各自优势的新型交通工具。它设计的最高时速为70公里，因为不依赖钢轨形势，所以它的一条运行线建设周期仅需要一年，便能快速投入使用。另外，智能轨道快运列车还具有轻轨、地铁等轨道列车的零排放、无污染的特性，并支持多种供电方式。由于采用高铁柔性编组的模式，智能轨道快运列车还能根据客流变化调节自身的运输能力，比如采用标准的3节编组时，列车可载客超过300人，采用5节编组时，列车可载客超过500多人，能有效解决普通公交车载客量小的缺陷，大大提高运输能力。
3.目前，较多的智能轨道快运列车具有三节编组，6个车轴，各个车轴的转向方式通过液压油缸来驱动。转向系统作为智能轨道快运列车的关键技术之一，其安全性和可靠性尤为重要。现有技术中的转向系统，只有一个液压缸用于驱动车桥转向。车辆在左转和右转时，车桥的受力大小不一致，长期下去会造成车辆左右轮胎磨损严重。此外，在只有单个液压缸工作的情况下，如果智能轨道快运列车在运行过程中转向油缸失效，那么很有可能产生交通事故，造成非常严重的后果。
4.因此本发明提出一种双冗余液压缸驱动转向系统以及包含该转向系统的车辆，用于提升车辆转向时的安全性和可靠性。


技术实现要素：

5.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
6.本发明提出一种用于智能轨道快运列车的双冗余液压缸驱动转向系统以及包含该转向系统的车辆，能够更好地解决目前智能轨道快运列车的转向系统单个液压缸产生的风险问题。
7.根据上述目的，本发明提供一种双冗余液压缸驱动的转向系统，其中该转向系统包括一个电子控制单元以及互相独立的第一液压系统和第二液压系统，该第一液压系统包括：第一泵站、第一控制阀组、以及第一转向油缸，该第二液压系统包括：第二泵站、第二控制阀组、以及第二转向油缸，
8.该第一转向油缸和该第二转向油缸对称布置，安装于车桥横梁上，通过对应的泵站提供的液压，驱动车辆执行转向工作，
9.该电子控制单元基于某一转向所需要的目标转向力，按照一定分配比例给该第一
液压系统和该第二液压系统分配液压，使得该第一转向油缸与该第二转向油缸的实际转向力之和等于该目标转向力，其中在相同条件下的左转和右转时，该第一液压系统和该第二液压系统的液压分配比例互补，以使得车桥左转时受到的实际转向力之和与车桥与右转时受到的实际转向力之和相等。
10.在一实施例中，该第一液压系统和该第二液压系统的液压分配比例为1：1。
11.在一实施例中，该第一转向油缸和该第二转向油缸的内部分别设有第一压力传感器和第二压力传感器，用于采集该第一转向油缸和该第二转向油缸内的油液压力值并反馈至该电子控制单元，该电子控制单元基于所采集的油液压力值控制该第一转向油缸和该第二转向油缸内的油液压力。
12.在一实施例中，该电子控制单元通过判断该第一压力传感器和该第二压力传感器反馈的该油液压力值是否在正常范围，判断该第一转向油缸和该第二转向油缸处于正常状态还是失效状态。
13.在一实施例中，响应于该第一转向油缸和该第二转向油缸皆处于正常状态，该电子控制单元控制该第一液压系统和该第二液压系统同时运转，共同执行转向工作。
14.在一实施例中，响应于其中一个转向油缸处于失效状态时，该电子控制单元切断失效的转向油缸对应的液压系统，仅控制正常的转向油缸对应的液压系统进行转向工作，此时单个转向油缸的实际转向力等于目标转向力。
15.根据上述目的，本发明还提供一种车辆，该车辆包括上述的一种双冗余液压缸驱动的转向系统。
16.本发明提供的双冗余液压缸驱动的转向系统以及包含该转向系统的车辆，通过将两个单出杆液压缸对称布置，形成两套独立的液压系统驱动转向油缸，从而解决了车辆左右转向时车辆受力不一致的问题，同时也避免了智能轨道快运列车在运行过程中单个油缸的失效风险，提高了系统的持久性和安全性。
附图说明
17.在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
18.图1示出了本发明的一种双冗余液压缸驱动的转向系统的方案示意图；
19.图2示出了本发明的一种双冗余液压缸驱动的转向系统的结构示意图；以及
20.图3示出了本发明的一种双冗余液压缸驱动的转向系统中的转向油缸结构示意图。
21.附图标记说明：
22.10：电子控制单元；
23.11：第一液压系统；
24.12：第二液压系统；
25.110：第一泵站；
26.120：第二泵站；
27.111：第一控制阀组；
28.121：第二控制阀组；
29.112：第一转向油缸；
30.122：第二转向油缸；
31.1120：第一压力传感器；
32.1220：第二压力传感器；
33.20：车桥；
34.201：车桥横梁；
35.202：左梯形连杆；
36.203：右梯形连杆；
37.311：第一转向油缸的有杆腔；
38.312：第一转向油缸的无杆腔；
39.321：第二转向油缸的有杆腔；以及
40.322：第二转向油缸的无杆腔。
具体实施方式
41.以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
42.尽管为使解释简单化将下述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
43.为了更好地理解本发明，首先请参看图1，图1示出了本发明的一种双冗余液压缸驱动的转向系统的方案示意图。
44.本发明提供的双冗余液压缸驱动的转向系统包括一个电子控制单元10，两套独立的液压系统，分别为第一液压系统11以及第二液压系统12。第一液压系统11中包括第一泵站110、第一控制阀组111、以及第一转向油缸112；第二液压系统12中包括第二泵站120、第二控制阀组121、以及第二转向油缸122。
45.液压系统的作用是通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，分别为动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件(附件)、和液压油。液压系统可分为两大类：液压传动系统和液压控制系统。液压传动系统是以传递动力和运动为主要功能。液压控制系统则要使液压系统输出满足特定的性能要求(特别是动态性能)，通常所说的液压系统主要是指液压传动系统。本发明中用到的第一液压系统11和第二液压系统12也都是液压传动系统。液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作；液压动力部分包括液压源、液压控制部分、和液压执行部分。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按照实际要求来选择。
46.本发明中的转向油缸是液压缸，是液压传动系统中的执行元件，它是把液压转换成机械能的能量转换装置。它在实现直线往复运动或摆动运动时，可免去减速装置，并且没有转动间隙，运动平稳因此在各类机械的液压系统中得到广泛运用。液压缸输出力和活塞
有效面积及其两边的压差成正比。液压缸基本上由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和密封装置组成。液压缸的结构有活塞缸、柱塞缸、摆动缸三大类，活塞缸和柱塞缸实现直线往复运动，输出速度和推力；摆动缸实现往复运动，输出角速度和转矩。液压缸除了单个地使用外，还可以两个或多个组合起来或和其他机构组合起来使用，以完成特殊功用。
47.目前，现有技术的转向车桥拥有一套液压系统，车辆的转向是通过单个转向油缸来驱动的。该转向油缸是单活塞杆液压缸，它只有一端有活塞杆。其两端有进油口和出油口，都可通压力油或回油进行双向运动，以实现车辆转向。但是因为转向油缸的左右腔的有效工作面积不相等，通常无杆腔的工作面积大，有杆腔的工作面积小，所以在施加相同压力的情况下，活塞向左、右产生的推力和速度是不同的。这就使得车辆在进行左右转向时，车桥的受力大小是不一致的，长时间下去，车辆的轮胎会磨损严重，不但会增加车辆的维护成本，而且有可能发生交通事故。
48.此外，因为现有技术的转向系统中只有一个转向油缸，而该液压缸具有密封损坏的风险。在运行过程中，如果液压缸的密封装置发生问题，导致有杆腔和无杆腔之间的油液无法建立压力，从而致使转向失效。转向失效在车辆的运行过程中是非常严重的事故，它有可能在成严重的人员伤亡。
49.图1中的双冗余液压缸驱动的转向系统可以有效地解决现有技术中存在的缺陷。图1中的电子控制单元10，又称“行车电脑”，它的用途是控制车辆的行驶状态以及实现各种其他功能。主要是利用各种传感器、总线的数据采集与交换，来判断车辆的状态以及司机的意图并通过执行器来操控车辆。
50.在本发明中，电子控制单元10基于某一转向所需要的目标转向力，按照一定分配比例给第一液压系统11和第二液压系统12分配液压，使得两套液压系统中的实际转向力之和等于电子控制单元10提供的目标转向力。而且，在外界其他条件都相同的情况下，当车辆在左转和右转时，第一液压系统11和第二液压系统12分配到的液压比例是互补的。也就是说，如果在车辆左转时，第一液压系统11与第二液压系统12的液压分配比例为a:(1-a)；那么在外界其他条件都相同的情况下，车辆右转时，第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为(1-a):a。
51.并请结合图2，图2示出了本发明的一种双冗余液压缸驱动的转向系统的结构示意图。图2中的第一转向油缸112和第二转向油缸122是对称布置的，它们的缸体安装于车桥横梁201上，第一转向油缸112的推杆安装于车桥20的左梯形连杆202，第二转向油缸122的推杆安装于车桥20的右梯形连杆203上。因为两套液压系统完全相同，并且两个转向油缸也是完全相同且对称布置，所以当其他条件都相同，只有车辆转向不同的情况下，车桥左转时受到的实际转向力之和与车桥右转时受到的实际转向力之和相等。
52.当电子控制单元10接收到驾驶员向左转的要求，在确定好方向后，得到该转向的目标转向力。正常情况下，第一转向油缸112和第二转向油缸122同时动作。第一泵站110和第二泵站120也同时启动，第一控制阀组111控制第一转向油缸112回缩，第二控制阀组121控制第二转向油缸122伸出。此时，车桥20受到的作用力为第一转向油缸112的有杆腔拉力加第二转向油缸122的无杆腔推力。
53.在实施例一中，电子控制单元10接收到向左转的指示要求，并且得到向左转时需要的目标转向力。电子控制单元10基于这个目标转向力，按照一定比例给第一液压系统11
和第二液压系统12分配液压。假设第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为3:7，第一液压系统11中第一泵站110需要提供的液压为3p,则第二液压系统12中第二泵站120需要提供的液压为7p。此时，第一转泵站110和第二泵站120同时运行，按分配比例提供液压。第一控制阀组111和第二控制阀组121分别控制第一转向油缸112和第二转向油缸122的伸缩情况。
54.具体如图3所示，第一转向油缸112和第二转向油缸122都是单活塞杆液压缸，其结构由缸筒、活塞、活塞杆、端盖、支架和密封件等组成。当车辆向左转动时，在第一转向油缸112中，压力油从左油口进入第一转向油缸112的有杆腔311，推动活塞向右运动，第一转向油缸112进行回缩；同时，在第二转向油缸122中，压力油从左油口进入第二转向油缸122的无杆腔322，推动活塞向右运动，第二转向油缸122进行伸出。
55.根据公式f＝p
×
s可知,车辆左转时，车桥20受到的实际转向力为第一转向油缸112的有杆腔拉力3p
×s有
与第二转向油缸122的无杆腔推力7p
×s无
之和，即f
左实际
＝3p
×s有
+7p
×s无
。
56.当在外界条件都不变的情况下，比如要求的转速，转弯的角度等都相同，只有方向不同时，车桥20左转时受到的实际转向力之和与车桥20右转时受到的实际转向力之和相等。
57.当电子控制单元10接收到驾驶员向右转的要求，得到车辆右转时的目标转向力与实施例一中左转时的目标转向力相同。正常情况下，第一转向油缸112和第二转向油缸122同时动作。第一泵站110和第二泵站120也同时启动，第一控制阀组111控制第一转向油缸112伸出缩，第二控制阀组121控制第二转向油缸122回缩。此时，车桥20受到的作用力为第一转向油缸112的无杆腔推力加第二转向油缸122的有杆腔拉力。
58.在实施例二中，电子控制单元10接收到向右转的指示要求，并且得到向右转时需要的目标转向力。电子控制单元10基于这个目标转向力，按照一定比例给第一液压系统11和第二液压系统12分配液压。因为相同条件下，车辆左转时第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为3:7。要使最后车辆左转时受到的实际转向力之和等于车辆右转时受到的实际转向力之和，第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例就要互补。所以在本实施例中，第一液压系统11和第二液压系统12的分配液压比例为7:3。第一液压系统11中第一泵站110需要提供的液压为7p,第二液压系统12中第二泵站120需要提供的液压为3p。此时，第一转泵站110和第二泵站120同时运行，按分配比例提供液压。第一控制阀组111和第二控制阀组121分别控制第一转向油缸112和第二转向油缸122的伸缩情况。
59.具体如图3所示，当车辆向右转向时，在第一转向油缸112中，压力油从右油口进入第一转向油缸112的无杆腔312，推动活塞向左运动，第一转向油缸112进行伸出；同时，在第二转向油缸122中，压力油从右油口进入第二转向油缸122的有杆腔321，推动活塞向左运动，第二转向油缸122进行回缩。
60.根据公式f＝p
×
s可知,车辆右转时，车桥20受到的实际转向力为第一转向油缸112的无杆腔推力7p
×s无
与第二转向油缸122的有杆腔推力3p
×s有
之和，即f
右实际
＝7p
×s无
+3p
×s有
。
61.通过公式可见，当其他条件都相同的情况下，车辆左转和右转时需要的目标转向力都相同时，车桥20左转时受到的第一液压系统11和第二液压系统12提供的实际转向力之
和等于车桥20右转时受到的第一液压系统11和第二液压系统12提供的实际转向力之和。
62.在该双冗余液压缸驱动的转向系统的实际运用中，由于各种客观因素的原因，比如两个转向油缸的有杆腔和无杆腔的工作面积在制造上并不能保证完全一致，以及因为天气、或路况等外在的不可控原因，这就容易导致即使驾驶员设置的除了左右转向不同外，其余外在条件都是相同的，但是仍然无法确保车桥在转向时，车桥左转受到的实力转向力之和完全相等于车桥右转受到的实力转向力之和。
63.更优地，当第一液压系统11和第二液压系统12的分配比例为1:1的情况下，在外界条件都相同时，车桥20左转时受到的实际转向力之和与车桥20右转时受到的实际转向力之和达到相等的效果最好。
64.在实施例三中，电子控制单元10接收到向左转的指示要求，并且得到向左转时需要的目标转向力。电子控制单元10基于这个目标转向力，按照一定比例给第一液压系统11和第二液压系统12分配液压。此时，第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为1：1，第一液压系统11中第一泵站110需要提供的液压为p,则第二液压系统12中第二泵站120需要提供的液压也为p。随后，第一泵站110和第二泵站120同时运行，按分配比例提供液压。第一控制阀组111控制第一转向油缸112回缩，第二控制阀组121控制第二转向油缸122伸出。
65.根据公式f＝p
×
s可知,车辆左转时，车桥20受到的实际转向力为第一转向油缸112的有杆腔拉力p
×s有
与第二转向油缸122的无杆腔推力p
×s无
之和，即f
左实际
＝p
×s有
+p
×s无
。
66.在本实施例的情况下，在右转目标转向力与左转目标转向力相同时，因为第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为1：1，第一液压系统11中第一泵站110需要提供的液压为p,则第二液压系统12中第二泵站120需要提供的液压也为p。随后，第一泵站110和第二泵站120同时运行，按分配比例提供液压。第一控制阀组111控制第一转向油缸112伸出，第二控制阀组121控制第二转向油缸122回缩。
67.根据公式f＝p
×
s可知,车辆右转时，车桥20受到的实际转向力为第一转向油缸112的无杆腔推力p
×s有
与第二转向油缸122的有杆腔拉力p
×s无
之和，即f
右实际
＝p
×s有
+p
×s无
。
68.此时，在实际情况下，车桥20左转时受到的实际转向力之和与车桥20右转时受到的实际转向力之和最为接近相等，即在第一液压系统11和第二液压系统12的液压分配比例为1：1的情况下，车桥左右转向时受力最为一致，本发明达到的技术效果最好。
69.继续参看图1和图2，第一转向油缸112和第二转向油缸122的内部分别各自设有一个压力传感器，第一压力传感器1120和第二压力传感器1220。第一压力传感器1120用于采集第一转向油缸112内的油液压力值，第二压力传感器1220用于采集第二转向油缸122内的油液压力值，并将两个转向油缸内的压力值转换为电信号，反馈上传到电子控制单元10，使得电子控制单元10能够实时监测控制第一转向油缸112和第二转向油缸122内的油液压力值。
70.电子控制单元10通过第一压力传感器1120和第二压力传感器1220上传的压力值，判断第一转向油缸112的和第二转向油缸122内的压力值是否在正常范围内，从而判断两个转向油缸是处于正常状态还是失效状态。上述的压力值的正常范围是一个静态范围，不随
车辆的运行状态而发生范围上的改变。
71.当电子控制单元10确认第一转向油缸112和第二转向油缸122都处于正常状态时，电子控制单元10控制第一液压系统11和第二液压系统12同时运转，执行转向工作。具体为，第一泵站110和第二泵站120同时启动，第一控制阀组111和第二控制阀组121按照转向要求控制第一转向油缸112和第二转向油缸122伸出或缩回。
72.当电子控制单元10发现某一转向油缸处于失效状态时，电子控制单元10立即切断该失效的转向油缸所对应的液压系统，仅控制另一正常的转向油缸执行转向工作。在这种仅有单个转向油缸运行的情况下，该单个油缸的是实际转向力等于电子控制单元10确定的目标转向力。
73.具体为，在实施例四中，电子控制单元10已经确定了转向以及目标转向力的大小。电子控制单元10发现第一压力传感器1120反馈的第一转向油缸112的油液压力值不在正常范围内，判断得第一转向油缸112处于失效状态时，比如第一转向油缸112的密封装置出现了问题导致密封失效。此时该失效的第一转向油缸112的有杆腔和无杆腔之间油液串通，第一转向油缸112内部的第一压力传感器1120监测到的油液压力值明显低于正常压力值范围。电子控制单元10立即控制第一泵站110停止运行，控制第一控制阀组111的内阀换向，使得该失效的第一转向油缸112处于无动作的浮动状态，并且不输出作用力。同时，第二转向油缸122正常工作，车桥20仅随第二转向油缸122的作用力进行转向，与此同时，第一转向油缸112被带动随车桥20的转向而动作。而且，在这种仅有第二转向油缸122工作的情况下，该第二转向油缸122的实际转向力等于电子控制单元10确定的目标转向力。
74.本发明还提供了一种车辆，该车辆包含了一种双冗余液压缸驱动的转向系统，其具体特征如上所述，这边就不再赘述。
75.本发明中所提及的双冗余液压缸驱动转向系统，根据不同的控制精度及响应需求，可选用不同规格的元器件，根据不同程度安全性需求考虑所增加的一系列冗余及故障诊断功能设计方案，均属于本公开内容。
76.本发明公开的一种双冗余液压缸驱动转向系统以及包含该转向系统的车辆，通过将两个单出杆液压缸对称布置，同时工作，并结合两套独立的液压系统实现对于转向油缸的驱动，从而解决了车辆左右转向时车桥受力不一致的问题，同时也避免了智能轨道快运列车在运行过程中当油缸的失效风险，提高了车辆的行驶过程中的安全性和可靠性，满足了车辆安全行驶的需求。
77.提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。