CN104358853B - 液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置 - Google Patents

液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，包括一级差动轮系、二级差动轮系、液压系统、伺服电机、转速传感器、定轴轮系有级变速箱以及换向系统。本发明采用液压、机械双功率流传动，输出功率较大，其中双恒速调节方案，采用液压系统为恒速调节的主要执行系统，完成由负载突变引起大范围转速变化的调节，小功率的伺服电机作为恒速输出的辅助调节执行系统，完成小范围转速波动的快速调节；单恒速调节方案采用小功率的伺服电机作为恒速调节的执行系统，实现小幅度波动转速的快速调节。本装置对于恒速输出、无级变速、有级变速三种功能的创新性结合，满足了不同机构、不同工况环境对传动装置的要求。

Description

液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置
技术领域
本发明属于工程机械及生产制造设备领域，具体涉及一种差动轮系与液压、伺服电机相结合，液压与伺服电机双调节、无级调速与有级调速相结合的恒速且分段无级调速的输出装置。
背景技术
在自动化流水生产线上存在因传送带上负载变化而引起速度变化，机械手臂因传动带的速度变化而定位不精准的问题，同时，生产不同产品时，传送带需要不同速度；在精密机床加工时，负载变化，输出转速变化从而影响加工精度；在工程机械作业过程中，存在负载突变的问题，为保障作业的精准，需要恒定的转速与大范围的转速调节。
恒速输出主要有三种实现方式：液力式恒速输出装置、液压恒速传动装置以及双电机机械控制传动装置。目前国内外关于液压恒速输出的产品并不多见，大多采用的是基于液力技术的导叶可调式恒速输出装置，此装置主要针对于大功率机组，结构复杂且成本较高。更没有通过液压或液压与伺服电机双调节并与两个差动轮系相结合实现恒速输出的方案。
无级调速装置在机械各领域的应用相当广泛，可通过液压、液力或双电机传动系统实现无级调速且调速范围比较大。然而单纯的通过液压、液力传动实现的无级调速装置，虽然调速范围比较大，但是效率较低；对于双电机实现无级调速的装置，虽然调速灵活，效率较高，却无法承受载荷突变的冲击。
发明内容
为解决现有技术中恒速输出装置的结构复杂、效率低下以及无法承受负载突变冲击等诸多不足，本发明采用液压、机械双功率流传动，输出功率较大，无级变速控制灵活方便,合理的传动设计使液压功率分流比小，系统的效率提高，同时和机械式有级变速完美结合，可实现分段调速，优化传动比可实现全程调速。且与有级机械传动、液力机械自动变速传动相比，其动力性、经济性及排放性能均有较大的提高。本发明针对不同工况环境，设计两种方案：双恒速调节方案和单恒速调节方案。双恒速调节方案适用于动力源输出转速波动、存在较大负载突变并且需要恒速输出的工况环境；单恒速调节适用于动力源输出转速波动、不存在较大负载突变并且需要恒速输出的工况环境。
本发明的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，包括一级差动轮系、二级差动轮系、液压系统、伺服电机、转速传感器、定轴轮系有级变速箱以及换向系统。
转速变化的输入由动力源32提供，并通过主输入轴31将输入动力传递至一级差动轮系太阳轮1；一级差动轮系太阳轮1与一级差动轮系行星架4上的一级差动轮系行星轮2啮合，一级差动轮系行星架4与一级行星架输出轴16相连，进而与换向系统15连通。
所述的液压系统中的液压泵30通过第二啮合齿轮28与主输入轴31连通；液压系统中的液压马达18与二级差动轮系太阳轮24相连；伺服电机20通过第一啮合齿轮21与二级差动轮系齿圈22相连，二级差动轮系行星架25与二级行星架输出轴27相连，二级行星架输出轴27通过第三啮合齿轮26与一级差动轮系齿圈3相连；
所述的一级行星架输出轴16上安装有转速传感器监测齿轮19，其对应的转速传感器发出的信号经过编码器作用于伺服电机20。
所述的一级行星架输出轴16通过换向系统15将动力输入到有级变速系统12中，最终由输出主轴5输出恒定的转速；
所述的换向系统15中的换向齿轮13的啮合由双向离合器14控制；有级变速系统12中四对变速齿轮6、8、9、11的啮合由双向摩擦式离合器7、10控制；有级变速系统12的输入轴的一端安装有制动器17；
具体地，双恒速调节方案中所述的液压系统由油箱29、吸油过滤器35、回油过滤器36、液压泵30、单向阀39、冷却器37、安全溢流阀38、调速阀33、电液比例阀34、液压马达18以及各油管等组成，所述的油箱29中的液压油经过吸油过滤器35进入液压泵30，再经过单向阀39、调速阀33、电液比例阀34进入液压马达18，再经过冷却器37和回油过滤器36回到油箱29中，安全溢流阀38安装在单向阀39出口和冷却器37入口之间，当油压高于安全溢流阀38的设定值时，液压油不经过液压马达18，从安全溢流阀38回到油箱29中。转速传感器监测齿轮19所对应的转速传感器发出的信号经过放大器作用于所述的电液比例阀34，控制液压马达18的油液输入流量，进而控制液压马达18的输出转速。
与双恒速调节方案相比，单恒速调节方案的液压系统中不使用电液比例阀34，从转速传感器发出的信号不再通过放大器作用于电液比例阀34。
本发明的总体工作过程如下：
首先动力源32通过主输入轴31与一级差动轮系太阳轮1相连，提供一级差动轮系的主要动力；液压系统中的液压泵30从主输入轴31取力，再通过液压系统中的液压马达18传给二级差动轮系太阳轮24作为二级差动轮系的主要动力，而伺服电机20通过第一啮合齿轮21与二级差动轮系齿圈22相连，提供调节微小转速波动的动力，最后将二级差动轮系行星架25作为输出，通过第三啮合齿轮26与一级差动轮系齿圈3相连实现转速补偿，并通过一级差动轮系行星架4输出，最终实现恒速输出；一级行星架输出轴16依次与换向系统15和有级变速系统12相连来实现换向与有级调速；
通过手动调节液压系统中的调速阀33进行无级调速，控制输入到液压马达18的油液流量，进而控制液压马达18输出转速，从而改变一级差动轮系行星架4的输出转速。
在双恒速调节方案中，输出转速恒速的调节，是由液压与伺服电机双调节的。转速传感器监测齿轮19所对应的转速传感器发出的信号转速经过放大器作用于液压系统中的电液比例阀34，控制液压马达18的油液输入流量，进而控制液压马达18的输出转速；同时转速传感器发出的信号也经过编码器作用于伺服电机20，控制伺服电机20转速。
单恒速调节方案相对于双恒速调节方案，精简掉液压系统中的电液比例阀34，对转速波动的调节只由伺服电机20完成，即转速传感器监测齿轮19所对应的转速传感器只将信号通过编码器作用于伺服电机20，自动控制伺服电机20提供的补偿转速，不再作用于液压系统。
本装置的两套方案均采用以2K-H型差动轮系为无级变速与恒速输出的主体结构，以液压系统为无级调速的执行系统，配合定轴轮系的有级变速与换向装置来完成分段无级调速以及换向的功能，优化有级调速变速齿轮传动比可以实现全程调速。其中双恒速调节方案，采用液压系统为恒速调节的主要执行系统，完成由负载突变引起大范围转速变化的调节，小功率的伺服电机作为恒速输出的辅助调节执行系统，完成小范围转速波动的快速调节；单恒速调节方案采用小功率的伺服电机作为恒速调节的执行系统，实现小幅度波动转速的快速调节。对于2K-H型差动轮系，采用太阳轮与齿圈两个输入端，行星架一个输出端，多个行星轮的方案，分担较大的载荷，减少惯性力与离心力。
对于有级变速与换向功能的实现，本装置采用离合器与制动器结合的方案，并设计了延迟联动以保障装置的安全，即由高速挡变换为低速挡或者换向时，离合器先处于分离状态，制动器工作降速，最后离合器闭合实现降挡或换向。
本发明的有益效果在于：
本发明将液压、伺服电机、差动轮系三者结合在一起，实现了无级调速与恒速输出的功能；将无级调速与有级调速相结合，实现了分段调速，优化变速齿轮传动比，可以实现全程调速，调速范围较大。本发明的变速输入恒速输出装置主要针对于中小功率产品，将不稳定输入或不稳定负载引起的变化的输出转速转变为稳定转速输出，并且可以大范围进行无级调速。本装置能够有效改善现有技术中关于差动轮系与液压元件组合的机械传动装置在中小功率应用领域缺乏的局面。同时本装置对于恒速输出、无级变速、有级变速三种功能的创新性结合，满足了不同机构、不同工况环境对传动装置的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是双恒速调节方案中液压系统的原理图。
图3是单恒速调节方案中液压系统的原理图。
图中：
1、一级差动轮系太阳轮；2、一级差动轮系行星轮；3、一级差动轮系齿圈；
4、一级差动轮系行星架；5、输出主轴；6、8、9、11为四对变速齿轮；
7、10为双向摩擦式离合器；12、有级变速系统；13、换向齿轮；
14、双向离合器；15、换向系统；16、一级行星架输出轴；17、制动器；
18、液压马达；19、转速传感器监测齿轮；20、伺服电机；
21、第一啮合齿轮；22、二级差动轮系齿圈；23、二级差动轮系行星轮；
24、二级差动轮系太阳轮；25、二级差动轮系行星架；26、第三啮合齿轮；
27、二级行星架输出轴；28、第二啮合齿轮；29、液压油箱；30、液压泵；
31、主输入轴；32、动力源；33、调速阀；34、电液比例阀；
35、吸油过滤器；36、回油过滤器；37、冷却器；38、安全溢流阀；
39、单向阀。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步的介绍：
如图1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，包括一级差动轮系、二级差动轮系、液压系统、伺服电机、转速传感器、定轴轮系有级变速箱以及换向系统；
转速变化的输入由动力源32提供，并通过主输入轴31将输入动力传递至一级差动轮系太阳轮1，一级差动轮系太阳轮1与一级差动轮系行星架4上的一级差动轮系行星轮2啮合，一级差动轮系行星架4与一级行星架输出轴16相连，进而与换向系统15连通；
所述的液压系统中的液压泵30通过第二啮合齿轮28与主输入轴31连通；液压系统中的液压马达18与二级差动轮系太阳轮24相连；伺服电机20通过第一啮合齿轮21与二级差动轮系齿圈22相连，二级差动轮系行星架25与二级行星架输出轴27相连，二级行星架输出轴27通过第三啮合齿轮26与一级差动轮系齿圈3相连；
所述的一级行星架输出轴16上安装有转速传感器监测齿轮19，其对应的转速传感器发出的信号经过编码器作用于伺服电机20；
所述的一级行星架输出轴16通过换向系统15将动力输入到有级变速系统12中，最终由输出主轴5输出恒定的转速。
所述的换向系统15中的换向齿轮13的啮合由双向离合器14控制。
所述的有级变速系统12中四对变速齿轮6、8、9、11的啮合由双向摩擦式离合器7、10控制。
所述的有级变速系统12的输入轴的一端安装有制动器17。
如图2所示的双恒速调节方案中液压系统的原理图，所述的液压系统由油箱29、吸油过滤器35、回油过滤器36、液压泵30、单向阀39、冷却器37、安全溢流阀38、调速阀33、电液比例阀34、液压马达18以及各油管等组成，所述的油箱29中的液压油经过吸油过滤器35进入液压泵30，再经过单向阀39、调速阀33、电液比例阀34进入液压马达18，再经过冷却器37和回油过滤器36回到油箱29中，安全溢流阀38安装在单向阀39出口和冷却器37入口之间，当油压高于安全溢流阀38的设定值时，液压油不经过液压马达18，从安全溢流阀38回到油箱29中；转速传感器监测齿轮19所对应的转速传感器发出的信号经过放大器作用于所述的电液比例阀34，控制液压马达18的油液输入流量，进而控制液压马达18的输出转速。
如图3所示的单恒速调节方案中液压系统的原理图，所述的液压系统由油箱29、吸油过滤器35、回油过滤器36、液压泵30、单向阀39、冷却器37、安全溢流阀38、调速阀33、液压马达18以及各油管等组成，所述的油箱29中的液压油经过吸油过滤器35进入液压泵30，再经过单向阀39、调速阀33进入液压马达18，再经过冷却器37和回油过滤器36回到油箱29中，安全溢流阀38安装在单向阀39出口和冷却器37入口之间，当油压高于安全溢流阀38的设定值时，液压油不经过液压马达18，从安全溢流阀38回到油箱29中；从转速传感器发出的信号不作用于液压系统。
本发明的总体工作过程如下：
首先动力源32通过主输入轴31与一级差动轮系太阳轮1相连，提供一级差动轮系的主要动力；液压系统中的液压泵30从主输入轴31取力，再通过液压系统中的液压马达18传给二级差动轮系太阳轮24作为二级差动轮系的主要动力，而伺服电机20通过第一啮合齿轮21与二级差动轮系齿圈22相连，提供调节微小转速波动的动力，最后将二级差动轮系行星架25作为输出，通过第三啮合齿轮26与一级差动轮系齿圈3相连实现转速补偿，并通过一级差动轮系行星架4输出，最终实现恒速输出；一级行星架输出轴16依次与换向系统15和有级变速系统12相连来实现换向与有级调速；
通过手动调节液压系统中的调速阀33进行无级调速，控制输入到液压马达18的油液流量，进而控制液压马达18输出转速，从而改变一级差动轮系行星架4的输出转速。
在双恒速调节方案中，输出转速恒速的调节，是由液压与伺服电机双调节的。转速传感器监测齿轮19所对应的转速传感器发出的信号转速经过放大器作用于液压系统中的电液比例阀34，控制液压马达18的油液输入流量，进而控制液压马达18的输出转速；同时转速传感器发出的信号也经过编码器作用于伺服电机20，控制伺服电机20转速。
单恒速调节方案相对于双恒速调节方案，精简掉液压系统中的电液比例阀34，对转速波动的调节只由伺服电机20完成，即监测齿轮19只将信号通过编码器作用于伺服电机20，自动控制伺服电机20提供的补偿转速，不再作用于液压系统。
本装置的两套方案均采用以2K-H型差动轮系为无级变速与恒速输出的主体结构，以液压系统为无级调速的执行系统，配合定轴轮系的有级变速与换向装置来完成分段无级调速以及换向的功能，优化有级调速变速齿轮传动比可以实现全程调速。其中双恒速调节方案，采用液压系统为恒速调节的主要执行系统，完成由负载突变引起大范围转速变化的调节，小功率的伺服电机作为恒速输出的辅助调节执行系统，完成小范围转速波动的快速调节；单恒速调节方案采用小功率的伺服电机作为恒速调节的执行系统，实现小幅度波动转速的快速调节。对于2K-H型差动轮系，采用太阳轮与齿圈两个输入端，行星架一个输出端，多个行星轮的方案，分担较大的载荷，减少惯性力与离心力。
对于有级变速与换向功能的实现，本装置采用离合器与制动器结合的方案，并设计了延迟联动以保障装置的安全，即由高速挡变换为低速挡或者换向时，离合器先处于分离状态，制动器工作降速，最后离合器闭合实现降挡或换向。
以上对本发明进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，所述本说明书不应理解为对本发明的限制；以上所述的所有实施例只是本发明的较佳实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，包括一级差动轮系、二级差动轮系、液压系统、伺服电机、转速传感器、定轴轮系有级变速箱以及换向系统；其特征在于：
转速变化的输入由动力源(32)提供，并通过主输入轴(31)将输入动力传递至一级差动轮系太阳轮(1)，一级差动轮系太阳轮(1)与一级差动轮系行星架(4)上的一级差动轮系行星轮(2)啮合，一级差动轮系行星架(4)与一级行星架输出轴(16)相连，进而与换向系统(15)连通；
所述的液压系统中的液压泵(30)通过第二啮合齿轮(28)与主输入轴(31)连通；液压系统中的液压马达(18)与二级差动轮系太阳轮(24)相连；伺服电机(20)通过第一啮合齿轮(21)与二级差动轮系齿圈(22)相连，二级差动轮系行星架(25)与二级行星架输出轴(27)相连，二级行星架输出轴(27)通过第三啮合齿轮(26)与一级差动轮系齿圈(3)相连；
所述的一级行星架输出轴(16)上安装有转速传感器监测齿轮(19)，其对应的转速传感器发出的信号经过编码器作用于伺服电机(20)；
所述的一级行星架输出轴(16)通过换向系统(15)将动力输入到有级变速系统(12)中，最终由输出主轴(5)输出恒定的转速。
2.根据权利要求1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，其特征在于：
所述的换向系统(15)中的换向齿轮(13)的啮合由双向离合器(14)控制。
3.根据权利要求1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，其特征在于：
所述的有级变速系统(12)中四对变速齿轮(6、8、9、11)的啮合由双向摩擦式离合器(7、10)控制。
4.根据权利要求1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，其特征在于：
所述的有级变速系统(12)的输入轴的一端安装有制动器(17)。
5.根据权利要求1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，其特征在于：
所述的液压系统由油箱(29)、吸油过滤器(35)、回油过滤器(36)、液压泵(30)、单向阀(39)、冷却器(37)、安全溢流阀(38)、调速阀(33)、电液比例阀(34)、液压马达(18)以及各油管等组成，所述的油箱(29)中的液压油经过吸油过滤器(35)进入液压泵(30)，再经过单向阀(39)、调速阀(33)、电液比例阀(34)进入液压马达(18)，再经过冷却器(37)和回油过滤器(36)回到油箱(29)中，安全溢流阀(38)安装在单向阀(39)出口和冷却器(37)入口之间，当油压高于安全溢流阀(38)的设定值时，液压油不经过液压马达(18)，从安全溢流阀(38)回到油箱(29)中；
转速传感器监测齿轮(19)所对应的转速传感器发出的信号经过放大器作用于所述的电液比例阀(34)，控制液压马达(18)的油液输入流量，进而控制液压马达(18)的输出转速。
6.根据权利要求1所述的一种液压与伺服电机双调节的变速输入恒速输出装置，其特征在于：
所述的液压系统由油箱(29)、吸油过滤器(35)、回油过滤器(36)、液压泵(30)、单向阀(39)、冷却器(37)、安全溢流阀(38)、调速阀(33)、液压马达(18)以及各油管等组成，所述的油箱(29)中的液压油经过吸油过滤器(35)进入液压泵(30)，再经过单向阀(39)、调速阀(33)进入液压马达(18)，再经过冷却器(37)和回油过滤器(36)回到油箱(29)中，安全溢流阀(38)安装在单向阀(39)出口和冷却器(37)入口之间，当油压高于安全溢流阀(38)的设定值时，液压油不经过液压马达(18)，从安全溢流阀(38)回到油箱(29)中；从转速传感器发出的信号不作用于液压系统。
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