一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置及其控制方法与流程

1.本发明属于拖拉机传动转向技术领域，具体涉及一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置及其控制方法。


背景技术：

2.我国一直是农业大国，随着科技的不断进步，田间作业用的大功率拖拉机需求逐步增大。随着环境问题的重视以及国家能源政策和经济发展水平的利好影响，自上世纪70年代以来，电动拖拉机得到快速发展，农用电动拖拉机的室内外使用得到大幅度提升。拖拉机转向需要用到转向装置，现有技术中的拖拉机转向装置，在转向时不便于对其控制，另外其最小转向半径过大。
3.现有技术中的拖拉机转向装置至少存在如下问题：
4.(1)传统的用于拖拉机的差速转向装置多用于履带式拖拉机，无法在轮式拖拉机上应用实现；
5.(2)传统的用于轮式拖拉机的转向装置结构简单，较多无法实现主动差速转向，且由于在田间作业，左右车轮易因摩擦力不同易产生滑移，偏转；
6.(3)传统的用于燃油轮式拖拉机的差速转向装置结构复杂，机械
‑
液压并联式响应慢，且存在液压油泄露的风险；
7.(4)传统的用于电动轮式拖拉机的主动式差速转向装置结构复杂，往往需要多个电机分别控制两侧轮速，耗电量大，需要的电池电源成本高；
8.(5)传统的用于轮式拖拉机的差速转向装置结构复杂，传动过程复杂，且即使正常直线行驶左右也会因左右车轮摩擦不同产生滑移，效率低且期间之间的磨损大，装置使用寿命短。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了解决上述现有技术上存在的问题，提供一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置及其控制方法，本装置可以精确地控制不同驱动半轴之间的转速，同时不允许直线行驶时左右车轮产生滑移，且转向时主动差速，可以实现更小的转向半径，并且制造起来既简单且成本又底。
10.本实用发明的目的之一通过以下技术方案实现：
11.一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置，包括：
12.驱动差速器，所述驱动差速器包括差速器壳体和差速器齿轮机构；
13.差速器壳体，包括壳体和设置在壳体一端的端面齿圈，所述端面齿圈与壳体绕其中心轴线一体传动，所述壳体内形成有差速器齿轮机构的安装空间；
14.差速器齿轮机构，包括左侧半轴齿轮、第一行星齿轮、第二行星齿轮、行星轴、右侧动力输出齿轮和动力输出轴ⅲ；所述第一行星齿轮和第二行星齿轮能够绕所述壳体的中心轴线进行转动，第一、二行星齿轮通过行星轴相对安装在所述壳体上，所述行星轴沿壳体的
径向设置且由第一、二行星齿轮的轴心处穿过，行星轴与壳体两侧的安装孔转动连接，第一、二行星齿轮均分别与左侧半轴齿轮和右侧动力输出齿轮啮合，左侧半轴齿轮与左侧半轴固定连接，以实现对左侧车轮的驱动，右侧动力输出齿轮与动力输出轴ⅲ连接；
15.发动机装置，包括发动机和动力输出锥齿轮ⅰ，所述动力输出锥齿轮ⅰ安装在发动机的动力输出轴ⅰ上；所述动力输出锥齿轮ⅰ与所述端面齿圈啮合；
16.两级降速机构，设置在差速器齿轮机构的动力输出侧，所述两级降速机构包括一级降速机构和二级降速机构，两级降速机构的动力输入侧与动力输出轴ⅲ连接；两级降速机构的动力输出侧与右侧半轴固定连接。
17.作为优选方案，一、二级降速机构内均设置有行星齿轮组。
18.作为优选方案，所述一级降速机构包括一级太阳轮、一级行星齿轮、一级内外齿圈和行星齿轮架，一级内外齿圈包括齿圈本体，在齿圈本体的内环面上形成有内齿圈，在齿圈本体的一侧端面上形成有环形外齿圈，一级太阳轮与所述右侧半轴连接，用于将动力传递给一级降速机构，多个一级行星齿轮安装在行星齿轮架一侧，一级行星齿轮同时与一级太阳轮的外齿和一级内外齿圈的内齿圈啮合，以通过一级行星齿轮与一级太阳轮的传动比关系获得降速。
19.作为优选方案，所述二级降速机构包括二级太阳轮、二级内齿圈和二级行星齿轮，所述二级行星齿轮安装在行星齿轮架的另一侧，二级内齿圈固定设置，二级行星齿轮分别与二级太阳轮和二级内齿圈啮合，用于将一级降速机构输入的动力传递给二级太阳轮，所述二级太阳轮与右侧半轴连接，以实现对右侧车轮的驱动。
20.作为优选方案，所述合成式主动差速转向装置还包括锥齿轮调速机构，锥齿轮调速机构包括电动机、动力输出锥齿轮ⅱ，所述动力输出锥齿轮ⅱ安装在所述电动机的动力输出轴ⅱ上，所述动力输出锥齿轮ⅱ与一级内外齿圈的外齿圈啮合，用于将电动机的动力传递给一级行星齿轮，以实现电动机与发动机的动力耦合至一级行星齿轮并进行动力输送。
21.作为优选方案，一级降速机构和二级降速机构的行星齿轮组的传动比不同。
22.作为优选方案，所述锥齿轮调速机构还包括安装在左侧半轴处的转速传感器ⅰ、安装在右侧半轴处的转速传感器ⅱ、安装在转向机构上的转角传感器、设置在动力输出轴ⅱ的一侧的调速电子制动器以及调速电子控制器，调速电子控制器分别与所述转速传感器ⅰ、二和转角传感器信号连接，用于接收转速传感器ⅰ、二分别测得的左、右半轴的转速以及转角传感器测得的转向机构的转向实时信号，调速电子控制器经过计算后向电动机和调速机构制动器发出控制信号，控制电动机输出应有的转速并控制调速机构制动器的启停，调速机构制动器用于对电动机的动力输出轴ⅱ进行制动并停止电动机。
23.作为优选方案，所述调速电子控制器与电动机一体设置并信号连接。
24.本方案的另一目的,是公开一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置的控制方法，其具体方法如下：
25.(1)、电动拖拉机启动后，整车进入系统自检；
26.(2)、步骤的整车系统自检通过后，调速电子控制器通过转角传感器获取转向机构的转向信号，以及通过转速传感器ⅰ、二分别对应获取左、右半轴的转速信号；
27.(3)、根据步骤获取的转向机构的转向信号和左、右半轴的转速信号，调速电子控
制器计算出左、右半轴所需的轴间差速转速，并比较所需的轴间差速转速与实际的左、右半轴的转速差；
28.(4)、若所需求的左、右半轴的差速转速与实际的左、右半轴的转速差在系统允许的调整范围内，则根据转向情况来调整发动机与电动机动力耦合部分的一级行星齿轮的转速，从而实现右侧半轴的转速的调整，以合理地匹配当前转向情况的转速；若所需求的左、右半轴的差速转速与实际的左右半轴转速差未在系统允许的调整范围内，或转角传感器和转速传感器ⅰ、二有故障时，则实现在故障模式下行驶。
29.作为优选方案，所述步骤中，若所需求的左、右半轴的差速转速与实际的左、右半轴的转速差在系统允许的调整范围内，可根据转向情况采取如下三种调整策略：不采取任何调整动作、调整电动机的转速或启停调速机构制动器。
30.本发明至少具有如下有益效果：
31.其一、在现有技术的基础上，实现了对两侧半轴差速驱动转向进行精确控制，解决了拖拉机田间作业转向半径过大、操作笨拙的问题。利用动力输入侧的动力驱动、行星齿轮组的传动比以及电动机转速对一侧半轴的转速调整。实现了两侧半轴迅速响应的等速或差速驱动转向，大幅度降低了拖拉机的最小转向半径，提高了拖拉机对环境的适应性。无需转向时，电控锥齿轮调速机构通过传感器的信号调整一侧车轮转速，避免了正常直线行驶时非人为因素导致的行驶状况(如因左右侧车辆阻力不同导致的直线行驶时左右侧半轴转速不同的偏转情况以及滑移等)；需要转向时，通过电控锥齿轮调速机构调整一侧半轴转速，从而主动调整两侧半轴转速差来达到主动差速转向的目的。
32.其二、通过设置两级降速机构和锥齿轮调速机构，其中一级行星齿轮与二级行星齿轮共用行星齿轮架，可以实现发动机与电动机耦合动力由一级行星齿轮通过行星齿轮架传递给二级行星齿轮，二级外齿圈固定，一方面满足与二级行星齿轮的啮合关系，实现第二级降速机构满足降速的要求，另一方面对电动机的动力输出轴起支撑作用；二级行星齿轮与右侧半轴固定连接，可根据行驶情况的不同输出与左侧半轴配对的转速，将发动机与电动机合后动力输出给右侧车轮。
33.其三、本方案，改进了拖拉机的转向差速器的控制方法，系统自检通过后车速电子控制器收集来自左、右侧车轮测速传感器反馈的信息、方向盘转角传感器反馈的信息以及电动机转轴信息，车速电子控制器根据获取的信息，向电动机及制动器发出控制信号，从而拖拉机选择四种不同的换向模式，实现了差速器的主动控制，在拖拉机进行直线行驶或者转向时，电子控制器接收来自转向器转角的信息，并通过电控锥齿轮机构对啮合的行星齿轮组进行转速控制，进而调整单侧半轴的转速，从而实现两侧半轴等速或差速驱动转向，大幅度降低了拖拉机的最小转向半径，由此提高了拖拉机的田间作业效率，提高了拖拉机的敏捷性，也提高了能源的使用效率。避免了直线行驶时非人为因素导致的车辆偏转，提高了拖拉机对环境的适应性。
附图说明
34.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明主动差速转向装置的结构原理示意图；
36.图2为本发明中驱动差速器的结构原理图；
37.图3为本发明中一级降速机构的结构原理图；
38.图4为本发明中二级降速机构的结构原理图；
39.图5为本发明中主动差速转向装置的三维结构图；
40.图6为本发明中驱动差速器的结构图；
41.图7为本发明中锥齿轮调速电子控制器的信号控制原理图；
42.图8为本发明中控制方法的步骤流程图；
43.图9为本发明中故障模式的关系图；
44.图中标记：1、驱动差速器，1
‑
1、壳体，1
‑
2、端面齿圈，2、左侧半轴齿轮，3、第一行星齿轮，4、第二行星齿轮，5、行星轴，6、右侧动力输出齿轮，7、左侧半轴，8、右侧半轴，10、动力输出轴ⅲ，11、发动机，12、动力输出锥齿轮ⅰ，911、一级太阳轮，912、一级行星齿轮，913、一级内外齿圈，914、行星齿轮架，921、二级太阳轮，922、二级内齿圈，923、二级行星齿轮，41、电动机，42、动力输送锥齿轮ⅱ，43、动力输出轴ⅱ，51、转速传感器ⅰ，52、转速传感器ⅱ，53、转角传感器，54、调速电子制动器，55、调速电子控制器，a、发动机动力输入，b、电动机动力输入。
具体实施方式
45.以下通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。
46.需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。
47.图1和图5实施例中，合成式主动差速转向装置，包括驱动差速器1、设置在驱动差速器1动力输出侧的两级降速机构、设置在驱动差速器1动力输入侧的发动机装置，驱动差速器1的动力输出侧分别将动力输送至左侧半轴7和右侧半轴8，对于左侧半轴7和驱动差速器1而言，两者之间再无中间传动环节，对于右侧半轴8和驱动差速器1而言，驱动差速器1通过两级降速机构实现动力输送。
48.本实施例中，发动机装置包括发动机11、动力输出锥齿轮ⅰ12和动力输出轴ⅰ13，所述动力输出锥齿轮ⅰ12安装在发动机11的动力输出轴ⅰ13上；所述动力输出锥齿轮ⅰ12与驱动差速器1的动力输入侧实现传动连接。发动机11通过与差速器壳体的啮合关系，来将发动机11的动力实现传递。
49.图2和图6所示，本方案中，驱动差速器1包括差速器壳体和差速器齿轮机构；差速器壳体，包括壳体1
‑
1和设置在壳体1
‑
1一端的端面齿圈1
‑
2，端面齿圈1
‑
2与壳体1
‑
1绕其中
心轴线一体传动，所述壳体1
‑
1内形成有差速器齿轮机构的安装空间；差速器齿轮机构，包括左侧半轴齿轮2、第一行星齿轮3、第二行星齿轮4、行星轴5、右侧动力输出齿轮6和动力输出轴ⅲ10；动力通过发动机11的动力输出锥齿轮ⅰ12传递给端面齿圈1
‑
2，通过端面齿圈1
‑
2的带动，差速器壳体将动力传递给与之连接的行星轴5，行星轴5与端面齿圈1
‑
2保持水平面平行，行星轴5可采用分离的两段结构或整体上下贯通的一段结构，其中左侧半轴7与动力输出轴ⅲ10的同轴线设置。
50.该实施例中，第一行星齿轮3和第二行星齿轮4能够绕所述壳体1
‑
1的中心轴线进行转动，第一、二行星齿轮3、4通过行星轴5相对安装在所述壳体1
‑
1上，所述行星轴5沿壳体1
‑
1的径向设置且由第一、二行星齿轮3、4的轴心处穿过，行星轴5与壳体1
‑
1两侧的安装孔转动连接，行星轴5与第一、二行星齿轮3、4共同绕左侧半轴7旋转。
51.第一、二行星齿轮3、4分别与左侧半轴齿轮2和右侧动力输出齿轮6啮合，以通过啮合关系将动力同时传递给左侧半轴齿轮2和右侧动力输出齿轮6，左侧半轴齿轮2与左侧半轴7同轴心硬连接，以完成实现对左侧车轮的驱动，右侧动力输出齿轮6与动力输出轴ⅲ10同轴心硬连接，以实现右侧动力的输出给两级降速机构中的一级降速机构。
52.本实施例中，两级降速机构设置在差速器齿轮机构的动力输出侧，两级降速机构包括一级降速机构和二级降速机构，两级降速机构的动力输入侧与动力输出轴ⅲ10连接；两级降速机构的动力输出侧与右侧半轴8固定连接，用于当发动机11正常转动时，通过两级降速机构实现右侧半轴8转速低于左侧半轴7的转速。
53.图3所示，一级降速机构包括一级太阳轮911、一级行星齿轮912、一级内外齿圈913和行星齿轮架914，一级内外齿圈913包括齿圈本体，在齿圈本体的内环面上形成有内齿圈，在齿圈本体的一侧端面上形成有环形外齿圈，一级太阳轮911与动力输出轴ⅲ10同心硬连接，实现一级降速机构的动力获取，并通过啮合关系将获取的动力传递给一级行星齿轮912，多个一级行星齿轮912安装在行星齿轮架914一侧，一级行星齿轮912同时与一级太阳轮911的外齿和一级内外齿圈913的内齿圈啮合，以通过一级行星齿轮912与一级太阳轮911的传动比关系获得一级降速。
54.本实施例中，如图1，还包括电控锥齿轮调速机构，锥齿轮调速机构包括电动机41、动力输出锥齿轮ⅱ42和控制系统，所述动力输出锥齿轮ⅱ42安装在所述电动机41的动力输出轴ⅱ43上，所述动力输出锥齿轮ⅱ42与一级内外齿圈913的外齿圈啮合，用于将电动机41的动力传递给一级行星齿轮912，以实现电动机41与发动机11的动力耦合至一级行星齿轮912并进行动力输送。
55.控制系统包括转速传感器ⅰ51、转速传感器ⅱ52、转角传感器53、调速电子制动器54和调速电子控制器55，,转速传感器ⅰ51安装在左侧半轴7处，用于获取左侧半轴7的转速信号，转速传感器ⅱ52安装在右侧半轴8处，用于获取右侧半轴8的转速信号，转角传感器53安装在转向杆上，用于获取转向杆的转角信号，调速电子控制器55用于获取左、右侧半轴7、8的转速信号和转向杆的转角信号，经过计算后向电动机41和调速电子制动器54发送控制信号，控制电动机41输出应有的转速以及控制调速机构制动器54的启停，调速机构制动器54安装在动力输出轴ⅱ43的一侧，用于对电动机41的动力输出轴ⅱ43进行制动并停止电动机41。
56.本实施例中，电动机41的动力输出锥齿轮ⅱ42通过与一级内外齿圈913的啮合关
系，将电动机41的动力传递给一级行星齿轮912，至此，电动机41的动力与发动机11的动力耦合至一级行星齿轮912并进行输出。
57.本方案中，一、二级降速机构内均设置有行星齿轮组，一级降速机构和二级降速机构的行星齿轮组的传动比不同。两级降速机构共用行星齿轮架914，发动机11与电动机41耦合后的动力由一级行星齿轮912传递给行星齿轮架914，并进一步传递给二级行星齿轮923。
58.图4所示，该实施例中，二级降速机构包括二级太阳轮921、二级内齿圈922和二级行星齿轮923，二级行星齿轮923安装在行星齿轮架914上，并位于以及一级行星齿轮912的另一侧，二级行星齿轮923设置在二级太阳轮921和二级内齿圈922之间，分别与二级太阳轮921和二级内齿圈922啮合，用于将一级降速机构输入的动力传递给二级太阳轮921，二级行星齿轮923通过啮合关系将动力传递给二级太阳轮921，由于二级内齿圈922固定设置，一方面能够满足与二级行星齿轮923的啮合关系，使得二级降速机构满足二级降速要求，另外一方面对于动力输出轴ⅱ43起到支撑作用。二级太阳轮921与右侧半轴8同轴心硬连接，可以根据行驶情况的不同，输出与左侧半轴7匹配的转速，将发动机11与电动机41耦合后的动力传递给右侧车轮，以实现对右侧车轮的驱动。
59.本实施例中，所述调速电子控制器55与电动机41一体设置并信号连接。调速电子控制器安装固定在电动机41上。
60.如上所述，只有发动机11工作而电动机41不工作时，由两级降速机构的传动关系导致右侧半轴8的转速低于左侧半轴7的转速，在发动机11正常工作时，通过调速电子控制器55以及转速传感器ⅰ51、转速传感器ⅱ52、转角传感器53和调速电子制动器54，实现转向模式的匹配。
61.本实施例中，如图7
‑
9所示，还提供一种用于拖拉机的合成式主动差速转向装置的控制方法，具体方法如下：1、电动拖拉机启动后，整车进入系统自检；2、步骤1的整车系统自检通过后，调速电子控制器55通过转角传感器53获取转向机构的转向信号，以及通过转速传感器ⅰ、ⅱ51、52分别对应获取左、右半轴7、8的转速信号；3、根据步骤2获取的转向机构的转向信号和左、右半轴7、8的转速信号，,调速电子控制器55计算出左、右半轴7、8所需的轴间差速转速，并比较所需的轴间差速转速与实际的左、右半轴7、8的转速差；4、若所需求的左、右半轴7、8的差速转速与实际的左、右半轴7、8的转速差在系统允许的调整范围内，则根据转向情况根据转向情况采取如下三种调整策略：不采取任何调整动作、调整电动机41的转速或启停调速机构制动器54；来调整发动机11与电动机41动力耦合部分一级行星齿轮912的转速和调整右侧半轴8的转速，实现合理地匹配当前转向情况的转速。
62.本方案中，具体包括直线行驶模式、左转向行驶模式、右转向行驶模式和故障模式，具体如下。
63.1、直线行驶模式：转角传感器53、转速传感器ⅰ51、转速传感器ⅱ52向调速电子控制器55发送信号，调速电子控制器55接收到当前无转角的实时信号并且左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差处于允许的范围内，并且所有传感器读数正常，调速电子控制器55根据内部编辑好的角速度函数、转向角度和车辆尺寸计算出每毫秒应有的差速转速并控制电动机41调整转速达到目标转速n
q
，此时右侧半轴8的转速经电动机41调整后达到n0，此时右侧半轴8的转速等于左侧半轴7的转速，通过调速电子控制器55的实时调控，左右车轮转速相同，车辆实现直线行驶。
64.2、左转向行驶模式：转角传感器53、转速传感器ⅰ51、转速传感器ⅱ52向调速电子控制器55发送信号，调速电子控制器55接收到当前向左转向的转角的实时信号并且左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差处于允许的范围内，并且所有传感器读数正常，调速电子控制器55根据内部编辑好的角速度函数、转向角度和车辆尺寸计算出每毫秒应有的差速转速并控制电动机41调整转速达到目标转速n
q
，此时右侧半轴8的转速经电动机41调整后达到n2，此时右侧半轴8的转速大于左侧半轴7的转速并与当前的转向角度匹配，即n2＝l(n0),(n2＞n0)，通过调速电子控制器55的实时调控，实现主动差速，右侧车轮转速大于左侧车轮，车辆进行左转向行驶。
65.3、右转向行驶模式：转角传感器53、转速传感器ⅰ51、转速传感器ⅱ52向调速电子控制器55发送信号，调速电子控制器55接收到当前向左转向的转角的实时信号并且左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1差处于允许的范围内，并且所有传感器读数正常，调速电子控制器55根据内部编辑好的角速度函数，转向角度，车辆尺寸等计算出每毫秒应有的差速转速并控制电动机41调整转速达到目标转速n
q
，此时右侧半轴8的转速经电动机调整后达到n2，此时右侧半轴8的转速小于左侧半轴7的转速并与当前的转向角度匹配，即n2＝l(n0),(n2＜n0)，此时，若转角传感器53传送给调速电子控制器55已达到极限转角的信号，且左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差处于允许的范围内，则调速电子控制器55控制调速机构制动器，对动力输出轴ⅱ43进行制动并停止电动机41，通过调速电子控制器55的实时调控，实现主动差速，右侧车轮转速小于左侧车轮，车辆进行右转向行驶。
66.4、故障模式：左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差未处于允许的范围内且调速电子控制器55判别当前状态可调控，首先利用调速电子控制器55对电动机41进行调速，经过调速后使左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差处于允许的范围内后继续进行操作；当转角传感器53、转速传感器ⅰ51或转速传感器ⅱ52有故障时，或左侧半轴7的转速n0与右侧半轴8的转速n1以及之间的转速差未处于允许的范围内且调速电子控制器55判别当前车速、转角下不可调控时，调速电子控制器55控制调整电动机41转速，使其弥补两级降速机构的降速，使右侧半轴8的转速n1与动力输出轴ⅲ10的转速n3相等，此时，主动差速转向装置变为被动差速转向装置，实现的效果与普通差速器无异，以装置的可靠性的提升。
67.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。