CN103935398A - 工程机械及其转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械的转向装置，包括变速箱、转向马达、传输动力至两终端输出轴的主传动轴及齿轮系，所述转向装置设置第一行星排、第二行星排和第三行星排，且所述三个行星排的太阳轮均与所述主传动轴刚性连接；还设置第一锥齿轮副和第二锥齿轮副，所述变速箱输出动力经所述第一锥齿轮副传输至所述第一行星排，所述转向马达输出转向动力经所述第二锥齿轮副传输至所述第二行星排；动力经所述第二和第三行星排的行星架至所述终端输出轴。通过上述设置，使其结构简单、紧凑，实现工程机械的原地转向特性，且提升其转向的灵敏性。在此基础上，本发明还提供一种具有上述转向装置的工程机械。

Description

工程机械及其转向装置

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种转向装置。此外，本发明还涉及一种具有上述转向装置的工程机械。

背景技术

履带式工程机械在行驶时与地面的接触面积大，通过性好，能够适应各种恶劣路况；且承载能力强，能够提高工程机械的作用性能。但是，采用履带的工程机械在工作工程中的转向存在一定局限性，特别是作业空间较小需要原地转向时。

目前，国内履带式工程机械通常采用的转向机构分为：独立式转向机构和差速式转向机构。其中，独立式转向机构由转向离合器和制动器实现工程机械的转向，依靠转向离合器的摩擦力使车辆单侧制动或降低速度，从而使两侧履带以不同速度行驶，实现转向。此种方式依靠离合器和制动器的摩擦实现转向，其操作力较大，且转向半径较大，无法实现原地转向；另外，转向时内部功率损耗较大，降低了发动机的工作效率。

利用差速原理能够实现原地转向，即通过转向机构控制输出至两侧履带的输出轴的转速，使左右两侧的履带的速度大小相等，方向相反，从而使工程机械绕其中心转动，实现原地转向。

现行差速式转向方式中，有的采用锥齿轮建立转向机构，结构比较复杂，占用空间较大；虽然可进行原地转向，但是当两侧履带的负荷不相同时，难以平衡两侧输出轴的动力，确保履带式工程机械的安全有效的工作性能。

在不同的作业环境中，现行的履带式工程机械的原地转向的转向特性较差，若两侧地面的阻力不同，操作费力，转向灵敏性差，无法确保履带式工程机械有效的转向。

有鉴于此，如何设计工程机械的转向装置，使其结构简单、紧凑，改善工程机械的原地转向特性，且提升灵敏性和适应性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述存在的缺陷，本发明要解决的技术问题在于提供一种工程机械的转向装置，通过对工程机械转向装置的优化设计，使转向装置的结构简单、紧凑，能够实现原地转向，从而提升工程机械转向的灵敏性。在此基础上，本发明还提供一种具有上述转向装置的工程机械。

本发明提供的转向装置用于工程机械的转向，包括变速箱、转向马达、传输动力至两终端输出轴的主传动轴及齿轮系，所述转向装置设置第一行星排、第二行星排和第三行星排，且所述第一行星排、所述第二行星排和所述第三行星排的太阳轮均与所述主传动轴刚性连接；

还设置第一锥齿轮副和第二锥齿轮副，所述变速箱输出动力经所述第一锥齿轮副传输至所述第一行星排，所述转向马达输出转向动力经所述第二锥齿轮副传输至所述第二行星排；

动力经所述第二行星排和所述第三行星排的行星架至所述终端输出轴。

优选地，所述第二行星排的第二行星架刚性连接所述第一行星排的第一齿圈。

优选地，所述第一行星排、所述第二行星排和所述第三行星排的齿圈齿数与太阳轮齿数的比值满足下列关系：

a₁-1＝a₂＝a₃

其中，

a₁为所述第一行星排中第一齿圈齿数和第一太阳轮齿数的比值；

a₂为所述第二行星排中第二齿圈齿数和第二太阳轮齿数的比值；

a₃为所述第三行星排中第三齿圈齿数和第三太阳轮齿数的比值。

优选地，所述第一锥齿轮副中的第一大锥齿轮刚性连接所述第一行星排的第一行星架；工程机械直线行驶时，动力经所述第一行星排的第一行星轮分别传至所述第一行星排的第一齿圈和第一太阳轮。

优选地，所述第二锥齿轮副中的第二大锥齿轮刚性连接所述第二行星排的第二齿圈；工程机械原地转向时，动力经所述第二行星排的第二行星轮分别传至所述第一行星排的第一太阳轮和所述第二行星排的第二行星架。

优选地，所述第二行星架和所述第三行星排的第三行星架分别与相应的终端输出轴刚性连接。

本发明还提供一种工程机械，包括转向装置，所述转向装置为以上任一项所述的转向装置。

优选地，所述工程机械为履带式工程机械。

与现有技术相比，本发明另辟蹊径对工程机械的转向装置优化设计，使得履带式工程机械的转向装置结构简单、紧凑，能够有效实现原地转向，提升转向装置的转向特性。具体地，本方案中的工程机械的转向装置包括变速箱、转向马达、传输动力至两终端输出轴的主传动轴及齿轮系；该转向装置设置与主传动轴连接的第一行星排、第二行星排和第三行星排，并且，三个行星排通过各自的太阳轮与主传动轴刚性连接，以使三个行星排均可传输动力至两终端输出轴；其中，变速箱输出动力经第一锥齿轮副传输至第一行星排，转向马达输出转向动力经第二锥齿轮副传输至第二行星排，最后，动力经第二、第三行星排的行星架传输至终端输出轴。

通过上述设置，本发明中的转向装置中的变速箱和转向马达分别将动力传输至不同的行星排，充分利用行星排多点啮合传动的特性，使径向力平衡，提升运动平稳性，提高转向装置抗冲击和抗振动的能力。并且，通过连接于主传动轴的三个行星排不仅能够建立各自可独立传输动力的路径，又可建立相互协同传递动力的路径。如此，当工程机械直线行驶时，转向马达无动力输出，变速箱输出动力传输至第一行星排，再由第一行星排分动至第二行星排和第三行星排，第二和第三行星排的行星架能够传输大小相等、转向相同的动力和转速，最终至终端输出轴，驱动工程机械的直线行驶；而当工程机械原地转向时，变速箱无动力输出，转向马达输出动力至第二行星排，动力由该第二行星排的第二行星架传输至一侧终端输出轴，还能够通过第二行星排传输至第一行星排的太阳轮，并将动力由主传动轴传至第三行星排，再由第三行星排的第三行星架传输至另一侧的终端输出轴，从而使两侧的终端输出轴输出的动力大小相等，方向相反，实现原地转向。显然，通过共轴设置的三个行星排能够灵活实现直线行驶和原地转向的功能，并且，结构简单、紧凑，有效缩减了该转向装置的尺寸，可进一步提升工程机械的紧凑性、降低工程机械的整体尺寸。

在本发明的优选方案中，第二行星排的第二行星架刚性连接第一行星架的第一齿圈，也就是说，第一齿圈与第二行星架同轴转动。如此，变速箱和转向马达的传输动力还能够通过刚性连接的第一齿圈与第二行星架传输，以使动力有效传输至两终端输出轴，从而，提升转向装置的转向特性，改善转向的灵活性。

附图说明

图1为本发明所提供的履带式工程机械的转向装置的结构示意图。

图中：

第一行星排A、第二行星排B、第三行星排C、变速箱M、转向马达N；

第一行星架11、第一齿圈12、第一太阳轮13、第一行星轮14、第二行星架21、第二齿圈22、第二太阳轮23、第二行星轮24、第三行星架31、第三齿圈32、第三太阳轮33、第三行星轮34、第一大锥齿轮41、第一小锥齿轮42、第二大锥齿轮51、第二小锥齿轮52；

主传动轴10、右终端输出轴20、左终端输出轴30。

具体实施方式

基于现有技术中的转向装置存在的问题，本发明的核心是提供一种工程机械的转向装置，该转向装置的结构简单、紧凑，能够实现履带式工程机械的原地转向，其转向灵敏性高、负荷工况下转向适应性强。本发明的另一核心是提供一种具有上述转向装置的工程机械。

不失一般性，本实施方式以履带式工程机械为例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合说明书附图具体说明本实施方式。

请参见图1，图1为本发明所提供履带式工程机械的转向装置的结构示意图。

如图1所示，本实施例中，履带式工程机械的转向装置包括变速箱M、转向马达N、传输动力至两终端输出轴的主传动轴10及齿轮系，该转向装置设置第一行星排A、第二行星排B和第三行星传输变速箱M及转向马达N的动力，其中，三个行星排均通过各自的太阳轮与主传动轴10刚性连接。显然，通过行星排共轴传动，能够紧凑设计转向装置、缩减其占用工程机械的空间尺寸，进一步优化履带式工程机械结构的紧凑性。并且，利用三个行星排啮合的对称性，能够使径向力平衡，提升转向装置在工作过程中的抗冲击和抗振动的能力，提高转向装置的使用寿命。

同时，变速箱M输出动力经第一锥齿轮副传输至第一行星排A，转向马达N输出转向动力经第二锥齿轮副传输至第二行星排B，而第二行星排B的第二行星架21与右终端输出轴20刚性连接，第三行星排C的第三行星架31与左终端输出轴30刚性连接，第三齿圈32固定设置。如此，两种动力源均可通过相应的行星排的行星架直接传输分配，并充分利用各个行星排的多点啮合的传动特性，平稳地将动力分配至第二行星排B的第二行星架21和第三行星排C的第三行星架31，再驱动两终端输出轴。且，通过第一锥齿轮副和第二锥齿轮副改变输出动力的方向，利于将动力传输至行星排，使转向装置的结构紧凑。

其中，主传动轴10为连接和装配各个配件，并能够将来自变速箱M、转向马达N的动力传输至两端的主要传动轴；而两终端输出轴分别与对应终端传动连接，驱动履带转动，即右终端输出轴20连接右终端传动机构，驱动右侧履带转动，左终端输出轴30连接左终端传动机构，驱动左侧履带转动。

当履带式工程机械直线行驶时，转向马达N无动力输出，变速箱M输出动力传输至第一行星排A，再由第一行星排A分动至第二行星排B和第三行星排C，第二行星排B和第三行星排C的行星架能够传输大小相等、转向相同的动力和转速，最终至终端输出轴，驱动工程机械的直线行驶。

而当工程机械原地转向时，变速箱M无动力输出，转向马达N输出动力至第二行星排B，动力由该第二行星排B的第二行星架21传输至一侧终端输出轴，还能够通过第二行星排B传输至第一行星排A的第一太阳轮13，并将动力由主传动轴10传至第三行星排C，再由第三行星排C的第三行星架31传输至另一侧的终端输出轴，从而使两侧的终端输出轴输出的动力大小相等，方向相反，实现原地转向。

通过连接于主传动轴10的三个行星排不仅能够建立各自可独立传输动力的路径，又可建立相互协同传递动力的路径。

需要说明的是，本文中采用“第一、第二、第三”限定转动装置中的行星排，其中，第一行星排A为传输分配变速箱M直线行驶动力的行星排，第二行星排B为传输分配转向马达N转向动力的行星排，且动力最终由第二行星排B和第三行星排C传输至两终端输出轴。显然，“第一、第二”限定行星排，只是为了表述方便，以使方案容易理解，对本申请请求保护的技术方案并不构成限制。

进一步地，第二行星架21刚性连接第一行星排A的第一齿圈12。如此，变速箱M输出至第一行星架11的动力传输至与第一行星轮14相互啮合的第一齿圈12后，再直接传输至第二行星架21；同时，还可使转向马达N输出至第二齿圈22的转向动力由第二行星轮24传输至第二行星架21，然后直接传输至第一行星排A。从而，提升动力传输的可靠性及稳定性，有效改善履带式工程机械直线行驶及其原地转向的灵活性及可靠性。

本实施例中，变速箱M还可设置传输动力至第一行星排A的第一锥齿轮副，其中，第一小锥齿轮42轴设于履带式工程机械的变速箱M，与第一小锥齿轮42啮合的第一大锥齿轮41刚性连接第一行星架11。通过第一锥齿轮副改变变速箱M输出动力的方向，并降低变速箱M的输出转速、增大其输出转矩，将动力有效地传递至第一行星排A。

当然，转向马达N也可设置传输动力至第二行星排B的第二锥齿轮副，其中，第二小锥齿轮52设于履带式工程机械的转向马达N，与第二小锥齿轮52啮合的第二大锥齿轮51刚性连接第二齿圈22。从而，改变转向马达N的转向动力，同时，降低转向马达N的输出转速、增大其输出转矩，将动力由第二大椎齿轮有效传输至第二行星排B。

本文中，刚性连接的两构件可看成一个整体，也就是说，当相互刚性连接的两构件之一发生转动时，另一构件同时发生转动且无相对转动。

以图1所示的转向装置结构为例，当履带式工程机械仅进行直线行驶时，其转向马达N无动力输入，而由变速箱M传输动力，其动力传输主要通过两条路径传输：

右侧传输路径：动力由变速箱M输入第一小锥齿轮42，经第一大锥齿轮41-第一行星架11-第一行星轮14-第一齿圈12-第二行星架21-右终端输出轴20；

左侧传输路径：动力由变速箱M输入第一小锥齿轮42，经第一大锥齿轮41-第一行星架11-第一行星轮14-第一太阳轮13-主传动轴10-第三太阳轮33-第三行星轮34-第三行星架31-左终端输出轴30。

其中，当动力传输第二行星架21时，由第二行星架21-第二行星轮24-第二太阳轮23-主传动轴10，再传输至两终端输出轴；

当然，当动力由第一太阳轮13传输至主传动轴10时，同样还可影响第二太阳轮23的转动，进而将动力传输至右终端输出轴20。

当履带式工程机械进行原地转向时，其变速箱M无动力输入，而由转向马达N传输动力，其动力传输主要通过两条路径传输：

右侧传输路径：动力由转向马达N输入第二小锥齿轮52，经第二大锥齿轮51-第二齿圈22-第二行星轮24-第二行星架21-右终端输出轴20；

左侧传输路径：动力由转向马达N输入第二小锥齿轮52，经第二大锥齿轮51-第二齿圈22-第二行星轮24-第一太阳轮13-主传动轴10-第三太阳轮33-第三行星轮34-第三行星架31-左终端输出轴30。

其中，动力由第二行星轮24传输至第一太阳轮13，能够通过第二行星轮24-第二太阳轮23-主传动轴10-第一太阳轮13，还能够通过第二行星轮24-第二行星架21-第一齿圈12-第一行星轮14-第一太阳轮13。

由上述传输路线的分析可知，第二行星排B是动力传输及分配的综合影响因素，能够同时对左右终端输出轴的转矩和动力起作用，在履带式工程机械直线行驶和原地转向时具有不同的作用。

在履带式工程机械直线行驶时，若两侧履带的负荷不相同时，该第二行星排B能够将转矩从一侧转换至另一侧，从而平衡左右两终端输出轴的转矩，使左右两终端输出轴仍保持转速大小相等、转向相同，从而，使履带式工程机械直线行驶。

在履带式工程机械原地转向时，若两侧履带受到的底面阻力、负荷不相同时，该第二行星排B将动力转矩从一侧转换至另一侧，使左右两终端输出轴动力产生差异，如此，履带式工程机械将不严格原地转向。

通过上述动力传输特点，并结合行星排齿轮传动时实现原地转向的运动特性方程分析可得：

第一行星排A：n₁₃+a₁n₁₂-(1+a₁)n₁₁＝0

第二行星排B：n₂₃+a₂n₂₂-(1+a₂)n₂₁＝0

第三行星排C：n₃₃+a₃₁n₃₂-(1+a₃)n₃₁＝0

式中，a₁，a₂，a₃分别表示第一、第二、第三行星排参数，其值为各自行星排的齿圈齿数与太阳轮齿数的比值，且满足a₁-1＝a₂＝a₃；n_i表示图1中构件i的转速。

并且本方案中，n₁₃＝n₂₃＝n₃₃，n₄₁＝n₁₁，n₅₁＝n₂₂，n₂₀＝n₂₁＝n₁₂，n₃₀＝n₃₁。

由上述公式及相关转速关系可得：

右终端输出轴20的转速： $n_{20}=\frac{(1+a_1)n_{41}+a_2{n}_{52}}{1+a_1+a_2}$

左终端输出轴30的转速： $n_{30}=\frac{(1+a_1)(1+a_2)n_{41}-a_1{a}_2{n}_{51}}{(1+a_3)(1+a_1+a_2)}$

根据左右两终端输出轴的关系式，并在a₁-1＝a₂＝a₃条件下，分析该转向装置的工作原理：

当仅由变速箱M提供动力，而转向马达N无动力时，n₅₁＝0，又由于a₂＝a₃，可得n₂₀＝n₃₀，即履带式工程机械的左右两终端输出轴的转速大小相等、方向相同，履带式工程机械直线行驶。

当仅由转向马达N提供动力，而变速箱M无动力时，n₄₁＝0，又由于a₁-1＝a₂＝a₃，可得n₂₀＝-n₃₀即履带式工程机械的左右两终端输出轴的转速大小相等、方向相反，履带式工程机械原地转向。

如若变数箱和转向马达N同时提供动力，n₅₁≠0且n₄₁≠0，根据a₁-1＝a₂＝a₃，可得

右终端输出轴20的转速： $n_{20}=\frac{(1+a_1)n_{41}+a_2{n}_{51}}{1+a_1+a_2}$

左终端输出轴30的转速： $n_{30}=\frac{(1+a_1)n_{41}+a_2{n}_{51}}{1+a_1+a_2}$

假定第二大椎齿轮逆时针转动时，转速n₅₁为正，则可知，n₂₀＞n₃₀，履带式工程机械向右转向；第二大椎齿轮顺时针转动时，转速n₅₁为负，则可知，n₂₀＜n₃₀，履带式工程机械向左转向。显然，转向马达N的转动方向决定履带式工程机械的转向，并且，通过转向马达N转速的改变，还可控制两侧履带转速的差值，从而使履带式工程机械以不同的转向半径进行转向，进一步提高该转向装置对不同转向半径的需求。

显然，通过优化设计该转向装置中固定三个行星排参数，使其满足a₁-1＝a₂＝a₃，能够实现履带式工程机械的直线行驶和原地转向。当然，在满足该条件的前提下，还可根据履带式工程机械的实际要求设计传动比，以提升该转向装置的适应性。

需要说明的是，本文中的方位词左和右以图1中各个构件位于图中及各个构件之间的相互位置关系来定义，只是为了表达技术方案的清楚及方便；应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求的保护范围。

除了上述转向装置外，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括以上所述的转向装置。该工程机械的其他结构可参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的工程机械及其转向装置进行了详细介绍。本文中仅针对本发明的具体例子进行了阐述，以上具体实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明特点的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种工程机械的转向装置，包括变速箱(M)、转向马达(N)、传输动力至两终端输出轴的主传动轴(10)及齿轮系，其特征在于，所述转向装置设置第一行星排(A)、第二行星排(B)和第三行星排(C)，且所述第一行星排(A)、所述第二行星排(B)和所述第三行星排(C)的太阳轮均与所述主传动轴(10)刚性连接；

还设置第一锥齿轮副和第二锥齿轮副，所述变速箱输(M)出动力经所述第一锥齿轮副传输至所述第一行星排(A)，所述转向马达(N)输出转向动力经所述第二锥齿轮副传输至所述第二行星排(B)；

动力经所述第二行星排(B)和所述第三行星排(C)的行星架至所述终端输出轴。

2.根据权利要求1所述的工程机械的转向装置，其特征在于，所述第二行星排(B)的第二行星架(21)刚性连接所述第一行星排(A)的第一齿圈(12)。

3.根据权利要求2所述的工程机械的转向装置，其特征在于，所述第一行星排(A)、所述第二行星排(B)和所述第三行星排(C)的齿圈齿数与太阳轮齿数的比值满足下列关系：

a₁-1＝a₂＝a₃

其中，

a₁为所述第一行星排(A)中第一齿圈(12)齿数和第一太阳轮(13)齿数的比值；

a₂为所述第二行星排(B)中第二齿圈(22)齿数和第二太阳轮(23)齿数的比值；

a₃为所述第三行星排(C)中第三齿圈(32)齿数和第三太阳轮(33)齿数的比值。

4.根据权利要求3所述的工程机械的转向装置，其特征在于，所述第一锥齿轮副中的第一大锥齿轮(41)刚性连接所述第一行星排(A)的第一行星架(11)；工程机械直线行驶时，动力经所述第一行星排(A)的第一行星轮(14)分别传至所述第一行星排(A)的第一齿圈(12)和第一太阳轮(13)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的工程机械的转向装置，其特征在于，所述第二锥齿轮副中的第二大锥齿轮(51)刚性连接所述第二行星排(B)的第二齿圈(22)；工程机械原地转向时，动力经所述第二行星排(B)的第二行星轮分别传至所述第一行星排(A)的第一太阳轮(13)和所述第二行星排(B)的第二行星架(21)。

6.根据权利要求5所述的工程机械的转向装置，其特征在于，所述第二行星架(21)和所述第三行星排(C)的第三行星架(31)分别与相应的终端输出轴刚性连接。

7.一种工程机械，包括转向装置，其特征在于，所述转向装置为权利要求1至6中任一项所述的转向装置。

8.根据权利要求7所述的工程机械，其特征在于，所述工程机械为履带式工程机械。