CN104727371A - 输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统 - Google Patents

Abstract

输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统本发明涉及一种输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，它采用双行星轮系作为动力耦合元件，实现了装载机的输出功率分流式传动。发动机输入轴与第一锁止器的旋转部分连接，并通过第一齿轮与前排行星轮系齿圈同轴固连的第二齿轮啮合，二号电机转子一端与太阳轮连接，另一端与第二锁止器旋转部分连接，后排齿圈与一号电机转子连接，行星轮系的行星架与输出轴连接。根据整机运行状况和动力电池荷电状态，通过对第一锁止器和第二锁止器的接合控制，可以控制装载机在发动机启动模式、纯电驱动模式、发动机单独驱动模式、功率分流模式和再生制动模式等5种工作模式之间灵活切换，提高了装载机传动系统效率，有效提高装载机的燃油经济性。

Description

输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统

技术领域

本发明涉及一种混合动力装载机的动力传动系统，特别涉及一种输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统。

背景技术

目前，以小松、日立建机等为代表的工程机械巨头投入了大量的人力、财力、物力进行了混合动力装载机的研究，取得了一些成效。但国内外对混合动力装载机的研究多停留在串联式系统和并联式系统上。其中，串联式混合动力装载机成本较高；并联式混合动力装载机对发动机工作点的调整作用较小，并且多数在传动系统中仍保留了液力变矩器，节能效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统。

本发明由发动机、输入轴、第一齿轮、第二齿轮、行星齿轮系、输出轴、一号电机、二号电机、动力电池、逆变器、锁止器和液压工作系统组成。所述发动机与输入轴和第一齿轮刚性连接，第一齿轮与第二齿轮啮合，行星齿轮系的行星架与输出轴连接；所述行星齿轮系包括太阳轮、前排行星轮、前排齿圈、后排行星轮、后排齿圈和前、后行星排共用的行星架，其中前排行星轮和后排行星轮的参数完全相同并加工于同一根轴上，前排齿圈和后排齿圈的参数完全相同；第二齿轮与行星齿轮系中的前排齿圈同轴固连，太阳轮与二号电机转子一端连接，后排齿圈与一号电机转子连接；所述动力电池通过逆变器分别与一号电机和二号电机电连接；所述锁止器包括第一锁止器和第二锁止器，其中第一锁止器旋转部分与输入轴连接，固定部分固连于车架，第二锁止器旋转部分与二号电机转子另一端连接，固定部分固连于车架；所述液压工作系统与输入轴连接。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1．本发明相对于现有混合动力系统，采用了结构紧凑的行星轮系作为动力耦合元件，实现了装载机的输出功率分流式传动；

2．本发明取消了液力变矩器，提高了传动系统效率，可有效提高装载机的燃油经济性；

3．本发明在铲掘工况下运行时，在保证牵引力不减小的情况下，能够防止电机产生堵转，避免电机烧毁。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明的结构组成与工作原理示意图；

图2是本发明发动机静止启动模式的动力传递路线图；

图3是本发明发动机行车启动模式的动力传递路线图；

图4是本发明纯电驱动的动力传递路线图；

图5是本发明低速发动机单独驱动模式的动力传递路线图；

图6是本发明高速发动机单独驱动模式的动力传递路线图；

图7是本发明低速功率分流模式的动力传递路线图；

图8是本发明高速功率分流模式的动力传递路线图；

图9是本发明在低速功率分流模式下的杠杆模型图；

图10是本发明发动机关闭时再生制动模式的动力传递路线图；

图11是本发明发动机运转时再生制动模式的动力传递路线图。

图中：1.第二锁止器，2.二号电机，3.前排齿圈，4.太阳轮，5.前排行星轮，6.后排行星轮，7.后排齿圈，8.一号电机，9.动力电池，10.逆变器，11.行星架，12.输出轴，13.发动机，14.输入轴，15.第一锁止器，16.第一齿轮，17.第二齿轮，18.液压工作系统。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的实施例，该实施例由发动机13、输入轴14、第一齿轮16、第二齿轮17、行星齿轮系、输出轴12、一号电机8、二号电机2、动力电池9、逆变器10、锁止器和液压工作系统18组成。

所述发动机13与输入轴14和第一齿轮16刚性连接，第一齿轮16与第二齿轮17啮合，行星齿轮系的行星架11与输出轴12连接。

所述行星齿轮系包括太阳轮4、前排行星轮5、前排齿圈3、后排行星轮6、后排齿圈7和前、后行星排共用的行星架11，其中前排行星轮5和后排行星轮6的参数完全相同并加工于同一根轴上，前排齿圈3和后排齿圈7的参数完全相同；第二齿轮17与行星齿轮系中的前排齿圈3同轴固连，太阳轮4与二号电机2转子一端连接，后排齿圈7与一号电机8转子连接。

所述动力电池9通过逆变器10分别与一号电机8和二号电机2电连接。

所述锁止器包括第一锁止器15和第二锁止器1，其中第一锁止器15旋转部分与输入轴14连接，固定部分固连于车架，第二锁止器1旋转部分与二号电机2转子另一端连接，固定部分固连于车架。

所述液压工作系统18与输入轴14连接。

本发明的工作过程和原理如下：

1．发动机启动模式

根据整机运行状况，发动机启动模式分为静止启动和行车启动两种子模式。发动机静止启动模式的动力传递路线如图2，发动机行车启动模式的动力传递路线如图3。

这两种子模式的共同特征是：第一锁止器15分离，动力电池9放电，一号电机8以电动马达的形式工作，将电能转化为机械能，动力经后排齿圈7、后排行星轮6、前排行星轮5、前排齿圈3、第二齿轮17、第一齿轮16和输入轴14传递到发动机13，发动机13启动。两种子模式的区别是：在发动机静止启动模式下，第二锁止器1接合，二号电机2和太阳轮4转速为零，由于整机惯量远大于发动机惯量，此时行星架11的转速近乎为零；在发动机行车启动模式下，第二锁止器1分离，二号电机2以电动马达的形式工作，将电能转化为机械能，产生的动力经太阳轮4、前排行星轮5、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮。

2．纯电驱动模式

纯电驱动模式主要用于当动力电池9处于许用状态时，装载机起步和低速行驶等低负荷工况，动力传递路线如图4。

在此模式下，第一锁止器15接合，第二锁止器1分离，动力电池9放电，二号电机2以电动马达的形式工作，将电能转化为机械能，动力经太阳轮4、前排行星轮5、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮；发动机13、输入轴14、第一齿轮16、第二齿轮17、前排齿圈3、后排齿圈7和一号电机8固定。

3．发动机单独驱动模式

根据整机运行状况，发动机单独驱动模式分为低速发动机单独驱动和高速发动机单独驱动两种子模式。低速发动机单独驱动模式主要用于装载机低负荷行驶，整机行驶功率需求低于发动机在高效区所能提供的最小功率，且动力电池9荷电状态（SOC）值较低致使其无法正常输出电能时的工况，动力传递路线如图5；高速发动机单独驱动模式主要用于装载机中负荷行驶，整机行驶功率需求处于发动机高效区时的工况，动力传递路线如图6。

这两种子模式的共同特征是：第一锁止器15分离，发动机13工作，动力经输入轴14、第一齿轮16、第二齿轮17、前排齿圈3、前排行星轮5、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮，装载机行驶所需全部动力均来自于发动机13；后排齿圈7和一号电机8空转。两种子模式的区别是：在低速发动机单独驱动模式下，第二锁止器1分离，二号电机2以发电机的形式工作，将机械能转化为电能，使发动机13输出的动力一部分用于驱动装载机行驶，另一部分以电能的形式充入动力电池9内，此时装载机处于电子无级变速状态；在高速发动机单独驱动模式下，第二锁止器1接合，二号电机2和太阳轮4固定，发动机13输出的动力全部用于驱动装载机行驶。

4．功率分流模式

根据整机运行状况，功率分流模式分为低速功率分流和高速功率分流两种子模式。低速功率分流模式主要用于铲掘、举升等低速高负荷工况，动力传递路线如图7；高速功率分流模式主要用于装载机转换场地过程中的高速行驶，动力传递路线如图8。

这两种子模式的共同特征是：第一锁止器15和第二锁止器1分离，发动机13工作，动力经输入轴14、第一齿轮16、第二齿轮17、前排齿圈3、前排行星轮5、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮；一号电机8和二号电机2均在工作，装载机处于电子无级变速状态。

两种子模式的区别是：

在低速功率分流模式下，二号电机2以发电机的形式工作，将发动机13输出的部分动力转化为电能，动力电池9放电，与二号电机2同时给一号电机8提供电能；一号电机8以电动马达的形式工作，将电能转化为机械能，产生的动力经后排齿圈7、后排行星轮6、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮，与发动机13共同提供牵引力；发动机13输出的部分动力经输入轴14传递至液压工作系统18。在高速功率分流模式下，一号电机8以发电机的形式工作，将发动机13输出的部分动力转化为电能，并提供给二号电机2；二号电机2以电动马达的形式反转工作，将电能转化为机械能，产生的动力经太阳轮4、前排行星轮5、行星架11和输出轴12，最终传递至驱动车轮，与发动机13共同提供牵引力。

分别设发动机13为ICE、太阳轮4为S、行星架11为C、前排齿圈3为R1、后排齿圈7为R2。

在低速功率分流模式下，当装载机车轮发生堵转时，输出轴12连同行星架11的转速为零，即：

n_C=0                                                                  （1）

此时本发明的杠杆模型如图9。

根据前行星排运动特性方程：

n_S+αn_R1=（α+1）n_C                                                        （2）

其中，α=Z_R1/Z_S，3/4≤α≤4

则有：

n_S=-αn_R1                                                               （3）

由于前排行星轮5和后排行星轮6、前排齿圈3和后排齿圈7的参数分别完全相同，因此：

n_R1=n_R2                                                                （4）

在此模式下，发动机13始终处于运行状态，且本发明中前排齿圈3的转速始终与发动机13成正比，即：

n_R1∝n_ICE≠0                                                            （5）

根据（3）、（4）、（5）可知，在低速功率分流模式下，当装载机车轮堵转时，太阳轮4的转速n_S和后排齿圈7的转速n_R2均不为零，即与太阳轮4连接的二号电机2和与后排齿圈7连接的一号电机8的转速均不为零，两个电机均不发生堵转。

由图9中的转矩杠杆关系可知，太阳轮4、行星架11、前排齿圈3、后排齿圈7之间的转矩关系如下：

T_C=T_R1-T_R2+T_S                                                          （6）

T_R1-T_R2=αT_S                                                            （7）

其中，T_R1由发动机13提供，T_R2由一号电机8提供，T_S由二号电机2提供。

由（6）和（7）可得：

T_C=（α+1）T_S                                                            （8）

根据（8）可知，本发明在低速功率分流模式下可提供较大的牵引转矩。

因此，本发明在铲掘工况下运行时，在保证牵引力不减小的情况下，能够防止电机产生堵转，避免电机烧毁。

5．再生制动模式

当动力电池9处于正常工作状态时，可进行再生制动。根据整机运行状况，再生制动模式分为发动机关闭时再生制动模式和发动机运转时再生制动模式。发动机关闭时再生制动模式主要用于纯电驱动模式下的制动，动力传递路线如图10；发动机运转时再生制动模式主要用于非纯电驱动模式下的制动，动力传递路线如图11。

这两种子模式的共同特征是：第二锁止器1分离，二号电机2以发电机的形式工作，并提供制动力，装载机动能转化为电能并充入动力电池9中；两种子模式的区别是：在发动机关闭时再生制动模式下，第一锁止器15接合，发动机13、输入轴14、第一齿轮16、第二齿轮17、前排齿圈3、后排齿圈7和一号电机8固定；在发动机运转时再生制动模式下，第一锁止器15分离，一号电机8也以发电机的形式工作，与二号电机2共同提供制动力，并共同向动力电池9充电。

需要指出的是，当电机不足以提供所需制动力矩时，装载机将采用再生制动和摩擦制动共同作用的联合制动模式。

Claims (5)

1.一种输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，由发动机（13）、输入轴（14）、第一齿轮（16）、第二齿轮（17）、行星齿轮系、输出轴（12）、一号电机（8）、二号电机（2）、动力电池（9）、逆变器（10）、锁止器和液压工作系统（18）组成，其特征在于：发动机（13）与输入轴（14）和第一齿轮（16）刚性连接，第一齿轮（16）与第二齿轮（17）啮合，行星齿轮系的行星架（11）与输出轴（12）连接。

2.根据权利要求1所述的输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，其特征在于：第二齿轮（17）与行星齿轮系中的前排齿圈（3）同轴固连，太阳轮（4）与二号电机（2）转子一端连接，后排齿圈（7）与一号电机（8）转子连接。

3.根据权利要求1所述的输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，其特征在于：动力电池（9）通过逆变器（10）分别与一号电机（8）和二号电机（2）电连接。

4.根据权利要求1所述的输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，其特征在于：第一锁止器（15）旋转部分与输入轴（14）连接，固定部分固连于车架，第二锁止器（1）旋转部分与二号电机（2）转子另一端连接，固定部分固连于车架。

5.根据权利要求1所述的输出功率分流式混合动力装载机动力传动系统，其特征在于：液压工作系统（18）与输入轴（14）连接。