混合动力装载机动力耦合装置的制作方法
专利名称：混合动力装载机动力耦合装置的制作方法
技术领域：
本发明是涉及一种用于工程机械领域，特别是涉及一种在装载机等工程机械中用混合动力技术对驱动电机和发动机的动力进行耦合的混合动力装载机动力耦合装置。
背景技术：
装载机等工程机械具有工作循环周期短、输出功率周期性波动强、传动效率低、能耗高、排放污染严重等特点。混合动力技术尤其擅长解决这种输出功率在一定范围内有规律波动的机动设备的节能减排问题。装载机的典型工况可以描述为插入物料-铲装-举升-卸载-空载返程，其中插入工况需要很大的牵引力，但车速极低。传统装载机通过在传动系中装备液力变矩器实现“增扭降速”功能，将发动机的转矩放大数倍以满足装载机对牵引力要求，随着牵引力的增加车速不断降低，当牵引力达到最大时车速趋近于零。此时发动机处于满负荷运行状态， 油耗率很高，此时装载机的牵引力虽然很大但车速极低，因此装载机的有效输出功率较低， 最终表现为装载机的传动效率很低。装载机插入物料工况的传动效率较低是由液力变矩器在高变矩比段传动效率较低的特性引起的。此外，由于装载机的液力变矩器一般不具备 “闭锁”功能，导致装载机运输工况传动系统传动效率很低；装载机的液力变矩器一般不具备“负穿”特性，传统装载机改造成混合动力装载机后，难以实现混合动力系统的制动能量回收功能，而装载机的一个工作循环中至少包括3次制动过程，且装载机整车质量巨大，又是全时4轮驱动结构，其制动过程蕴含着巨大能量，混合动力装载机如不能对制动能量加以回收将是一大缺陷。国内已公布关于混合动力耦合装置的专利主要集中于汽车领域，关于混合动力工程机械的专利较少且都集中于液压系统的改造和能量回收功能上。其中有以下两个专利与本专利有关
1,200920099353. 6 “行星机构动力耦合器”，该实用新型专利在结构上与本发明相似， 但比本发明多了一组(湿式多片)制动器，从结构布置和工作模式控制上要繁琐得多，且该机构是应用在混合动力汽车上的，不适于在装载机领域的特殊使用工况和功能特性。2,200710077643. 6 “工程机械用混合动力装置”，该发明利和本发明同属工程机械领域，通过一套装置实现发动机单独驱动或电机单独驱动控制功能，在方便接入电源的施工地点采用电机驱动，在不方便接入电源的施工地点采用发动机驱动。
发明内容
本发明的目的就是提供一种适于装载机领域的特殊使用工况和功能特性，可以实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)、电机驱动模式、发动机驱动模式、 电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种工作模式，且通过对Cl离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制，使混合动力装载机能在各种工作模式之间灵活切换的混合动力装载机动力耦合装置。
本发明的解决方案是这样的本发明具有由太阳轮，行星架和齿圈构成的双星行星机构，所述的太阳轮是与发动机的动力输出轴相连，所述的行星架的一端是与驱动电机的动力输出轴相连，行星架的另一端与Cl离合器的主动部分相连，所述的齿圈与C2离合器的主动部分相连；所述的Cl离合器和所述的C2离合器的从动部分与变速器输入轴相连。上述技术方案，利用行星机构的2自由度结构实现了混合动力装载机双动力输入-单动力输出的特殊要求，并且通过Cl离合器和C2离合器的接合/分离控制与发动机和驱动电机的运行状态控制，实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)， 发动机驱动模式，电机驱动模式，驱动发电模式，电机助力模式和再生制动模式等6种工作模式，满足装载机对复杂多变工况的动力要求。为了适应装载机驱动工作装置的要求，所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵和转向泵相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥相连。本发明的优点是可以取消传统装载机的液力变矩器，利用混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)实现电力变矩，而且还可以实现电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种混合动力装载机的工作模式，通过对 Cl离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制在各种工作模式之间灵活切换。
附图是本发明的实施例。附图1是本发明的结构示意图。附图2是本发明在电力变矩模式(插入物料工况)混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图3是本发明电机驱动模式和再生制动模式下混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图4是本发明发动机驱动模式、驱动发电模式和电机助力模式下混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图5是说明本发明的工作模式及相关部件的工作状态。
具体实施方式
附图中各标号明细如下
1-驱动电机、2-太阳轮、3-发动机、4-发动机动力输出轴、5-驱动电机转子、6-驱动电机动力输出轴、7-行星机构动力耦合装置、8-齿圈、9-行星架、10-C1离合器、11-C2离合器、12-变速器输入轴、13-变速器、14-工作泵、15-转向泵、16-内行星齿轮、17-外行星齿轮、18-双星行星机构、19-行星机构转速虚拟杠杆、20-双行星轮机构受力运动分析图、 21-行星架转矩、22-行星架转速、23-行星架转矩/转速坐标轴、24-齿圈转矩/转速坐标轴、25-太阳轮转矩/转速坐标轴、26-齿圈转矩、27-齿圈转速、28-太阳轮转速、29-太阳轮转矩、30-电机动力输出轴、31-装载机的驱动桥
本发明具有由太阳轮2，行星架9和齿圈8构成的双星行星机构18，所述的太阳轮2是与发动机动力输出轴4相连，所述的行星架9的一端是与驱动电机动力输出轴6相连，行星架9的另一端与Cl离合器10的主动部分相连，所述的齿圈8与C2离合器11的主动部分相连；所述的Cl离合器10和所述的C2离合器11的从动部分与变速器输入轴12相连。
所述的太阳轮2是与内行星齿轮16相啮合，内行星齿轮16是与外行星齿轮17相啮合，内行星齿轮16和外行星齿轮17的回转中心均在行星架9上，外行星齿轮17是与齿圈8相啮合。为了适应装载机既要驱动传动系统又要驱动工作装置的要求，所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵14和转向泵15相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥31相连。这种动力连接方式可以实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)、电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种工作模式，且通过对Cl离合器10和C2离合器11的接合控制与发动机3和驱动电机1的工作状态控制在各种驱动模式之间灵活切换，使混合动力装载机能够快速切换到更节能的工作模式。下面结合附图详细说明本发明的一个工作实例。1、电力变矩模式(插入物料工况)
如图2所示，电力变矩模式要求Cl离合器10分离，C2离合器11接合，发动机3驱动， 驱动电机1反转发电，各部件的工作状态如附图5所示。此时动力耦合装置的双星行星机构18处于2自由度状态，其受力、运动和动力传动特点分析如下
动力耦合装置的核心部件是图2中的双星行星机构18，该机构的各构件转速和转矩关系如(1) (2)式所示
ffltorf = (Hs+(! — / ) _咖⑴
磁-太阳轮转速，即为发动机的转速；
-行星架转速，即为驱动电机的转速； —-齿圈转速，这里假设为动力耦合装置输出转速； p -行星机构的特征参数，P =太阳轮齿数/齿圈齿数<1)； 双星行星机构18的3个构件的转速符合公式(1)，在图2中表示3个构件转速行星机构转速虚拟杠杆19上的节点总在一条直线上。 jis Dbl—=-~^ = -IW(2) p (i-p)
Ts -太阳轮转矩，即为发动机转矩；
Tn -行星架转矩，即为驱动电机的转矩；
IW -齿圈转矩，这里假设为动力耦合装在输出的转矩
双星行星机构18的3个构件的转矩符合公式(2)，在图2中将行星机构转速虚拟杠杆 19上3个构件所受的“转矩”看成为作用在杠杆上的“力”，3个机构转矩(21、沈、29)之间的“距离”看成为杠杆的“力臂”，则以任何一点为“支点”，另外两点的“力”值与“力臂”值之积满足杠杆平衡原理，因此虚拟杠杆对于分析行星机构的转速和转矩关系是方便的工具。在忽略摩擦的情况下，按照功率平衡原理得双星行星机构的输入功率等于输出功率，即
权利要求
1.一种混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于具有由太阳轮(2)，行星架(9)和齿圈(8)构成的双行星轮行星机构，所述的太阳轮(2)是与发动机(3)的动力输出轴(4)相连， 所述的行星架(9)的一端是与驱动电机(1)的动力输出轴(6)相连，行星架(9)的另一端与 Cl离合器(10)的主动部分相连，所述的齿圈(8)与C2离合器(11)的主动部分相连；所述的Cl离合器(10)和所述的C2离合器(11)的从动部分与变速器输入轴(12)相连。
2.根据权利要求1所述的混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于所述的太阳轮 (2)是与内行星齿轮(16)相啮合，内行星齿轮(16)是与外行星齿轮(17)相啮合，内行星齿轮(16)和外行星齿轮(17)的回转中心均在行星架(9)上，外行星齿轮(17)是与齿圈(8)相啮合。
3.根据权利要求1所述的混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵(14)和转向泵(15)相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥(31)相连。
全文摘要
一种混合动力装载机动力耦合装置。其特点是由太阳轮，行星架和齿圈构成的双星行星机构，太阳轮是与发动机的动力输出轴相连，行星架的一端是与驱动电机的动力输出轴相连，行星架的另一端与C1离合器的主动部分相连，齿圈与C2离合器的主动部分相连；C1离合器和的C2离合器的从动部分与变速器输入轴相连。其优点是取消传统装载机的液力变矩器，利用混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)实现电力变矩，此外还可以实现电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种混合动力装载机的工作模式，通过对C1离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制在各种工作模式之间灵活切换。
文档编号B60K6/36GK102303518SQ20111018372
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者于远彬, 戴群亮, 曾小华, 王伟, 王庆年, 王鹏宇, 章二平, 邹乃威 申请人:广西柳工机械股份有限公司
技术领域：
本发明是涉及一种用于工程机械领域，特别是涉及一种在装载机等工程机械中用混合动力技术对驱动电机和发动机的动力进行耦合的混合动力装载机动力耦合装置。
背景技术：
装载机等工程机械具有工作循环周期短、输出功率周期性波动强、传动效率低、能耗高、排放污染严重等特点。混合动力技术尤其擅长解决这种输出功率在一定范围内有规律波动的机动设备的节能减排问题。装载机的典型工况可以描述为插入物料-铲装-举升-卸载-空载返程，其中插入工况需要很大的牵引力，但车速极低。传统装载机通过在传动系中装备液力变矩器实现“增扭降速”功能，将发动机的转矩放大数倍以满足装载机对牵引力要求，随着牵引力的增加车速不断降低，当牵引力达到最大时车速趋近于零。此时发动机处于满负荷运行状态， 油耗率很高，此时装载机的牵引力虽然很大但车速极低，因此装载机的有效输出功率较低， 最终表现为装载机的传动效率很低。装载机插入物料工况的传动效率较低是由液力变矩器在高变矩比段传动效率较低的特性引起的。此外，由于装载机的液力变矩器一般不具备 “闭锁”功能，导致装载机运输工况传动系统传动效率很低；装载机的液力变矩器一般不具备“负穿”特性，传统装载机改造成混合动力装载机后，难以实现混合动力系统的制动能量回收功能，而装载机的一个工作循环中至少包括3次制动过程，且装载机整车质量巨大，又是全时4轮驱动结构，其制动过程蕴含着巨大能量，混合动力装载机如不能对制动能量加以回收将是一大缺陷。国内已公布关于混合动力耦合装置的专利主要集中于汽车领域，关于混合动力工程机械的专利较少且都集中于液压系统的改造和能量回收功能上。其中有以下两个专利与本专利有关
1,200920099353. 6 “行星机构动力耦合器”，该实用新型专利在结构上与本发明相似， 但比本发明多了一组(湿式多片)制动器，从结构布置和工作模式控制上要繁琐得多，且该机构是应用在混合动力汽车上的，不适于在装载机领域的特殊使用工况和功能特性。2,200710077643. 6 “工程机械用混合动力装置”，该发明利和本发明同属工程机械领域，通过一套装置实现发动机单独驱动或电机单独驱动控制功能，在方便接入电源的施工地点采用电机驱动，在不方便接入电源的施工地点采用发动机驱动。
发明内容
本发明的目的就是提供一种适于装载机领域的特殊使用工况和功能特性，可以实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)、电机驱动模式、发动机驱动模式、 电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种工作模式，且通过对Cl离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制，使混合动力装载机能在各种工作模式之间灵活切换的混合动力装载机动力耦合装置。
本发明的解决方案是这样的本发明具有由太阳轮，行星架和齿圈构成的双星行星机构，所述的太阳轮是与发动机的动力输出轴相连，所述的行星架的一端是与驱动电机的动力输出轴相连，行星架的另一端与Cl离合器的主动部分相连，所述的齿圈与C2离合器的主动部分相连；所述的Cl离合器和所述的C2离合器的从动部分与变速器输入轴相连。上述技术方案，利用行星机构的2自由度结构实现了混合动力装载机双动力输入-单动力输出的特殊要求，并且通过Cl离合器和C2离合器的接合/分离控制与发动机和驱动电机的运行状态控制，实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)， 发动机驱动模式，电机驱动模式，驱动发电模式，电机助力模式和再生制动模式等6种工作模式，满足装载机对复杂多变工况的动力要求。为了适应装载机驱动工作装置的要求，所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵和转向泵相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥相连。本发明的优点是可以取消传统装载机的液力变矩器，利用混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)实现电力变矩，而且还可以实现电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种混合动力装载机的工作模式，通过对 Cl离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制在各种工作模式之间灵活切换。
附图是本发明的实施例。附图1是本发明的结构示意图。附图2是本发明在电力变矩模式(插入物料工况)混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图3是本发明电机驱动模式和再生制动模式下混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图4是本发明发动机驱动模式、驱动发电模式和电机助力模式下混合动力装载机动力耦合装置的动力传递路径示意图。附图5是说明本发明的工作模式及相关部件的工作状态。
具体实施方式
附图中各标号明细如下
1-驱动电机、2-太阳轮、3-发动机、4-发动机动力输出轴、5-驱动电机转子、6-驱动电机动力输出轴、7-行星机构动力耦合装置、8-齿圈、9-行星架、10-C1离合器、11-C2离合器、12-变速器输入轴、13-变速器、14-工作泵、15-转向泵、16-内行星齿轮、17-外行星齿轮、18-双星行星机构、19-行星机构转速虚拟杠杆、20-双行星轮机构受力运动分析图、 21-行星架转矩、22-行星架转速、23-行星架转矩/转速坐标轴、24-齿圈转矩/转速坐标轴、25-太阳轮转矩/转速坐标轴、26-齿圈转矩、27-齿圈转速、28-太阳轮转速、29-太阳轮转矩、30-电机动力输出轴、31-装载机的驱动桥
本发明具有由太阳轮2，行星架9和齿圈8构成的双星行星机构18，所述的太阳轮2是与发动机动力输出轴4相连，所述的行星架9的一端是与驱动电机动力输出轴6相连，行星架9的另一端与Cl离合器10的主动部分相连，所述的齿圈8与C2离合器11的主动部分相连；所述的Cl离合器10和所述的C2离合器11的从动部分与变速器输入轴12相连。
所述的太阳轮2是与内行星齿轮16相啮合，内行星齿轮16是与外行星齿轮17相啮合，内行星齿轮16和外行星齿轮17的回转中心均在行星架9上，外行星齿轮17是与齿圈8相啮合。为了适应装载机既要驱动传动系统又要驱动工作装置的要求，所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵14和转向泵15相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥31相连。这种动力连接方式可以实现混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)、电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种工作模式，且通过对Cl离合器10和C2离合器11的接合控制与发动机3和驱动电机1的工作状态控制在各种驱动模式之间灵活切换，使混合动力装载机能够快速切换到更节能的工作模式。下面结合附图详细说明本发明的一个工作实例。1、电力变矩模式(插入物料工况)
如图2所示，电力变矩模式要求Cl离合器10分离，C2离合器11接合，发动机3驱动， 驱动电机1反转发电，各部件的工作状态如附图5所示。此时动力耦合装置的双星行星机构18处于2自由度状态，其受力、运动和动力传动特点分析如下
动力耦合装置的核心部件是图2中的双星行星机构18，该机构的各构件转速和转矩关系如(1) (2)式所示
ffltorf = (Hs+(! — / ) _咖⑴
磁-太阳轮转速，即为发动机的转速；
-行星架转速，即为驱动电机的转速； —-齿圈转速，这里假设为动力耦合装置输出转速； p -行星机构的特征参数，P =太阳轮齿数/齿圈齿数<1)； 双星行星机构18的3个构件的转速符合公式(1)，在图2中表示3个构件转速行星机构转速虚拟杠杆19上的节点总在一条直线上。 jis Dbl—=-~^ = -IW(2) p (i-p)
Ts -太阳轮转矩，即为发动机转矩；
Tn -行星架转矩，即为驱动电机的转矩；
IW -齿圈转矩，这里假设为动力耦合装在输出的转矩
双星行星机构18的3个构件的转矩符合公式(2)，在图2中将行星机构转速虚拟杠杆 19上3个构件所受的“转矩”看成为作用在杠杆上的“力”，3个机构转矩(21、沈、29)之间的“距离”看成为杠杆的“力臂”，则以任何一点为“支点”，另外两点的“力”值与“力臂”值之积满足杠杆平衡原理，因此虚拟杠杆对于分析行星机构的转速和转矩关系是方便的工具。在忽略摩擦的情况下，按照功率平衡原理得双星行星机构的输入功率等于输出功率，即
权利要求
1.一种混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于具有由太阳轮(2)，行星架(9)和齿圈(8)构成的双行星轮行星机构，所述的太阳轮(2)是与发动机(3)的动力输出轴(4)相连， 所述的行星架(9)的一端是与驱动电机(1)的动力输出轴(6)相连，行星架(9)的另一端与 Cl离合器(10)的主动部分相连，所述的齿圈(8)与C2离合器(11)的主动部分相连；所述的Cl离合器(10)和所述的C2离合器(11)的从动部分与变速器输入轴(12)相连。
2.根据权利要求1所述的混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于所述的太阳轮 (2)是与内行星齿轮(16)相啮合，内行星齿轮(16)是与外行星齿轮(17)相啮合，内行星齿轮(16)和外行星齿轮(17)的回转中心均在行星架(9)上，外行星齿轮(17)是与齿圈(8)相啮合。
3.根据权利要求1所述的混合动力装载机动力耦合装置，其特征在于所述的变速器为双输出变速器，其中一个输出轴与工作泵(14)和转向泵(15)相连，另一个输出轴与装载机的驱动桥(31)相连。
全文摘要
一种混合动力装载机动力耦合装置。其特点是由太阳轮，行星架和齿圈构成的双星行星机构，太阳轮是与发动机的动力输出轴相连，行星架的一端是与驱动电机的动力输出轴相连，行星架的另一端与C1离合器的主动部分相连，齿圈与C2离合器的主动部分相连；C1离合器和的C2离合器的从动部分与变速器输入轴相连。其优点是取消传统装载机的液力变矩器，利用混合动力装载机的电力变矩模式(对应插入物料工况)实现电力变矩，此外还可以实现电机驱动模式、发动机驱动模式、电机助力模式、驱动发电及再生制动模式等6种混合动力装载机的工作模式，通过对C1离合器和C2离合器的接合控制与发动机和驱动电机的工作状态控制在各种工作模式之间灵活切换。
文档编号B60K6/36GK102303518SQ20111018372
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月1日 优先权日2011年7月1日
发明者于远彬, 戴群亮, 曾小华, 王伟, 王庆年, 王鹏宇, 章二平, 邹乃威 申请人:广西柳工机械股份有限公司
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