CN105090427A - 一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，包括装置输入轴、液压传动支路、装置输出轴、箱体、第一行星排、第二行星排、用于对第一行星排中的齿圈及第二行星排中的齿圈起制动作用的制动器、以及用于控制所述制动器的传动系统。本发明的变速范围较大，并且能够满足中大型工程机械对传动系统的要求。

Description

一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置

技术领域

本发明属于机械与液压传动及控制技术领域，涉及一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置。

背景技术

液压传动具有质量轻、体积小、功率密度大，容易实现无级调速及自动控制等优点，但同时存在传动效率低等不足之处，尤其在高速和低速传动工况，传动效率低这一不足更加突出。齿轮机械传动具有传递运动准确可靠、瞬时传动比恒定、结构紧凑、可实现较大传动比、传递功率大及传动效率高等优点，但不易实现自动变速，更无法实现无级变速。中大型工程机械在作业时，传动系统往往需要传递较大功率，且要求能根据作业工况和负载大小变化对动力源进行高效率的速度和扭矩变换。单一使用机械传动或液压传动都难于完美满足中大型工程机械对传动系统的要求。

为解决上述问题，新型机械液压混合传动装置成为研究方向之一。此类混合传动装置综合了机械与液压两种传动方式的优点，目前主要有两种结构形式：一种是机械传动支路与液压传动支路串联，在液压马达或液压式变速机构的输出端和行走机构(或工作装置)之间设置机械式变速装置，实现分段的无级变速，扩大传动系统的变速范围，提高传动效率；另一种是机械传动支路与液压传动支路并联，即所谓的功率分流传动，把发动机输出功率分成机械和液压两股“功率流”，经机械传动支路的功率流能够保持高效率传递，同时利用液压功率流的可控性，使这两股功率流在重新汇合时实现总输出转速/扭矩的无级调节，上述混合传动将机械传动的高效率和液压传动无级调速的优点相结合，得到既具有无级调速性能，又具有较高效率和较宽调速范围的变速装置。其中两支路并联方案中，液压传动支路一般只需传递部分功率，其余功率由具有较高传动效率的机械传动支路承担，大大提高了传动系统的效率，又可获得较大范围的无级调速性能，能够满足中大型负载作业车辆的使用要求，对提升整机作业性能、节能降耗具有重要意义。

目前已有的机械液压混合传动方案中，液压传动支路多采用容积调速回路，可分为变量泵-定量马达、定量泵-变量马达及变量泵-变量马达三种类型。理论上，这三种容积调速回路均能用于机械-液压混合传动装置，但若采用上述回路作为液压支路，功率流的传递始终是单向的，混合传动装置的总输出速度，仅是在机械传动支路输出速度的基础上“增加”了液压传动支路的速度，变速范围扩大的能力有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，该装置的变速范围较大，并且能够满足中大型工程机械对传动系统的要求。

为达到上述目的，本发明所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置包括装置输入轴、液压传动支路、装置输出轴、箱体、第一行星排、第二行星排、用于对第一行星排中的齿圈及第二行星排中的齿圈起制动作用的制动器、以及用于控制所述制动器的传动系统；

第一二次元件及第二二次元件串联连接，第一二次元件的输出轴与装置输入轴相连接，第一行星排的太阳轮与装置输入轴相连接，第一行星排的行星架与装置输出轴相连接，第二行星排的太阳轮与第二二次元件的输出轴相连接，第二行星排的行星架固定于箱体上，第一行星排的齿圈与第二行星排的齿圈相连接，液压传动支路的输出轴与第一二次元件的斜盘及第二二次元件的斜盘相连接。

所述传动系统包括油箱、第一齿轮泵、蓄能器、电磁换向阀及单向节流阀，油箱的出油口经第一齿轮泵与蓄能器的入口相连通，蓄能器的出口依次经电磁换向阀及单向节流阀与制动器的进油口相连通。

所述传动系统还包括第一过滤器及第一溢流阀，第一齿轮泵的出口分为两路，其中一路经第一溢流阀与油箱的回油口相连通，另一路经第一过滤器与蓄能器的进口相连通。

所述液压传动支路包括第二齿轮泵、第一节流阀第二节流阀、第一电比例阀、第二电比例阀、第一斜盘执行液压缸及第二斜盘执行液压缸，油箱经第二齿轮泵后分为两路，其中一路经第一节流阀与第一电比例阀的进油口相连通，另一路经第二节流阀与第二电比例阀的进油口相连通，第一电比例阀的出油口与第一斜盘执行液压缸的进油口相连通，第一斜盘执行液压缸的活塞杆与第一二次元件的斜盘相连接，第二电比例阀的出油口与第二斜盘执行液压缸的进油口相连通，第二斜盘执行液压缸的活塞杆与第二二次元件的斜盘相连接。

还包括第二过滤器，油箱的出油口经第二过滤器与第一齿轮泵的进油口及第二齿轮泵的进油口相连通。

所述液压传动支路还包括压力切断阀、第三节流阀、第一单向阀、第二单向阀、第二溢流阀、第三溢流阀、第四溢流阀及冲洗阀；

第一二次元件的第一工作油口与压力切断阀的第一进油口、第一单向阀的出口、第二溢流阀的进口、冲洗阀的第一进口及第二二次元件的第一工作油口相连通，第一二次元件的第二工作油口与压力切断阀的第二进油口、第二单向阀的出口、第三溢流阀的进口、冲洗阀的第二进口及第二二次元件的第二工作油口相连通，第二齿轮泵的出口与第三节流阀的进口相连通，第四溢流阀的进口与第一单向阀的进口、第二单向阀的进口、第二溢流阀的出口、第三溢流阀的出口及第二齿轮泵的出口相连通，第四溢流阀的出口及冲洗阀的出口与油箱的进口相连通。

油箱的进口经冷却器与第四溢流阀的出口及冲洗阀的出口相连通。

油箱的入口经冷却器与第四溢流阀的出口及冲洗阀的出口相连通。

所述第一二次元件的输出轴上设有第一齿轮，装置输入轴上设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮；

所述第二二次元件的输出轴上设有第三齿轮，第二行星排的太阳轮上设有与所述第三齿轮相啮合的第四齿轮。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置在工作时，通过第一行星排及第二行星排作为机械传动支路，并以第一二次元件及第二二次元件组成的容积调速回路作为液压回路，通过制动器进行纯机械传动与机械液压混合传动的传动切换，实现机械与液压两种方式的混合传动，提高变速的范围，并满足中大型工程机械对传动系统的要求。另外，第一二次元件及第二二次元件既可作为液压马达使用，又可作为液压泵使用，工作时，通过调节斜盘方向和角度，第一二次元件及第二二次元件可在转速-扭矩坐标平面的四象限内工作，实现机械能和液压能的相互转换，利用容积调速回路不仅完全具备变量泵-变量马达调速系统的优点，而且通过改变第一二次元件及第二二次元件的作业工况，实现泵-马达和马达-泵两种液压回路，工作时，可从装置输出轴获取动力并返回装置输入轴，功率流的传递变为双向传递，不仅能在机械传动支路输出速度的基础上增加液压传动支路的速度，还可减去液压传动支路的速度，不仅使本发明具有较高的传动效率，且进一步扩大了变速范围，实现变速范围的翻倍。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中传动系统及液压传动支路的结构示意图。

其中，1为箱体、2为第二齿轮、3为第一齿轮、4为第一二次元件、5为制动器、6为第二二次元件、7为第三齿轮、8为第四齿轮、9为第一行星排、10为第二行星排、11为冷却器、12为单向节流阀、13为电磁换向阀、14为蓄能器、151为第一溢流阀、152为第二溢流阀、153为第三溢流阀、154为第四溢流阀、16为第一过滤器、17为第一齿轮泵、18为第二齿轮泵、19为第二过滤器、201为第一电比例阀、202为第二电比例阀、211为第一斜盘执行液压缸、212为第二斜盘执行液压缸、221为第一节流阀、222为第二节流阀、223为第三节流阀、23为冲洗阀、24为压力切断阀、251为第一单向阀、252为第二单向阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置包括装置输入轴、液压传动支路、装置输出轴、箱体1、第一行星排9、第二行星排10、第一行星排9、第二行星排10、用于对第一行星排9中的齿圈及第二行星排10中的齿圈起制动作用的制动器5、以及用于控制所述制动器5的传动系统；第一二次元件4及第二二次元件6串联连接，第一二次元件4的输出轴与装置输入轴相连接，第一行星排9的太阳轮与装置输入轴相连接，第一行星排9的行星架与装置输出轴相连接，第二行星排10的太阳轮与第二二次元件6的输出轴相连接，第二行星排10的行星架固定于箱体1上，第一行星排9的齿圈与第二行星排10的齿圈相连接，液压传动支路的输出轴与第一二次元件4的斜盘及第二二次元件6的斜盘相连接。

需要说明的是，所述传动系统包括油箱、第一齿轮泵17、蓄能器14、电磁换向阀13及单向节流阀12，油箱的出油口经第一齿轮泵17与蓄能器14的入口相连通，蓄能器14的出口依次经电磁换向阀13及单向节流阀12与制动器5的进油口相连通。所述传动系统还包括第一过滤器16及第一溢流阀151，第一齿轮泵17的出口分为两路，其中一路经第一溢流阀151与油箱的回油口相连通，另一路经第一过滤器16与蓄能器14的进口相连通。

所述液压传动支路包括第二齿轮泵18、第一节流阀221、第二节流阀222、第一电比例阀201、第二电比例阀202、第一斜盘执行液压缸211及第二斜盘执行液压缸212，油箱经第二齿轮泵18后分为两路，其中一路经第一节流阀221与第一电比例阀201的进油口相连通，另一路经第二节流阀222与第二电比例阀202的进油口相连通，第一电比例阀201的出油口与第一斜盘执行液压缸211的进油口相连通，第一斜盘执行液压缸211的活塞杆与第一二次元件4的斜盘相连接，第二电比例阀202的出油口与第二斜盘执行液压缸212的进油口相连通，第二斜盘执行液压缸212的活塞杆与第二二次元件6的斜盘相连接。另外，本发明还包括第二过滤器19，油箱的出油口经第二过滤器19与第一齿轮泵17的进油口及第二齿轮泵18的进油口相连通。

所述液压传动支路还包括压力切断阀24、第三节流阀223、第一单向阀251、第二单向阀252、第二溢流阀152、第三溢流阀153、第四溢流阀154及冲洗阀23；第一二次元件4的第一工作油口与压力切断阀24的第一进油口、第一单向阀251的出口、第二溢流阀152的进口、冲洗阀23的第一进口及第二二次元件6的第一工作油口相连通，第一二次元件4的第二工作油口与压力切断阀24的第二进油口、第二单向阀252的出口、第三溢流阀153的进口、冲洗阀23的第二进口及第二二次元件6的第二工作油口相连通，第二齿轮泵18的出口与第三节流阀223的进口相连通，第四溢流阀154的进口与第一单向阀251的进口、第二单向阀252的进口、第二溢流阀152的出口、第三溢流阀153的出口及第二齿轮泵18的出口相连通，第四溢流阀154的出口及冲洗阀23的出口与油箱的进口相连通。

油箱的入口经冷却器11与第四溢流阀154的出口及冲洗阀23的出口相连通，第一二次元件4的输出轴上设有第一齿轮3，装置输入轴上设有与所述第一齿轮3相啮合的第二齿轮2；所述第二二次元件6的输出轴上设有第三齿轮7，第二行星排10的太阳轮上设有与所述第三齿轮7相啮合的第四齿轮8。

装置输入轴转速分两路，其中一路为液压传动支路，通过第一二次元件4及第二二次元件6排量的调节，将转速传递到第二行星排10的太阳轮，另一路为机械传动支路，输入转速直接传递到第一行星排9的太阳轮，再将转速传递到第一行星排9的行星架，即装置输出轴；第二行星排10的齿圈与第一行星排9的齿圈相连，将第二行星排10中太阳轮的转速传递到第一行星排9的齿圈，利用行星排三构件之间的关系，两支路传递的转速在第一行星排9的行星架汇合，得到最终输出转速。

其中，行星排三构件之间的关系如下：

n_s+kn_r-(1+k)n_c＝0(1)

M_s:M_r:M_c＝1:k:-(1+k)(2)

其中，n_s、n_r和n_c分别为行星排太阳轮、齿圈及行星架的转速；M_s、M_r及M_c分别为行星排太阳轮、齿圈及行星架的扭矩；k为行星排特性参数。

在第一行星排9及第二行星排10联结成一体的齿圈和箱体1之间设置制动器5，通过调节制动器5的开闭实现混合无级变速装置工况间的切换。

制动器5闭锁时，第一行星排9和第二行星排10的齿圈固定于箱体1上，第一二次元件4及第二二次元件6处于零排量，第二行星排10处于自由状态，第二行星排10的太阳轮转速无法传递到第一行星排9的齿圈，故液压传动支路传递的转速不能作用于第一行星排9的行星架，此时变速装置处于纯机械传动工况。

制动器5开启时，第一行星排9和第二行星排10的齿圈不受限制，利用行星排三构件之间的关系将液压传动支路的转速传递到第一行星排9的行星架，液压传动支路和机械传动支路的转速汇合，叠加后得到最终输出转速，此时变速装置处于机械与液压混合传动工况；调节液压传动支路中第一二次元件4及第二二次元件6的排量，从而改变液压传动支路输出转速的大小和方向，从而实现对装置输出轴转速的控制，混合传动可分为增速和减速两种工况。

设n_i和n_o分别为装置输入轴的转速及装置输出轴的转速；n_sa、n_ra和n_ca分别为第一行星排9的太阳轮、齿圈和行星架的转速；k_a和k_b分别为第一行星排9和及第二行星排10的特性参数；η_v4和η_v6分别为第一二次元件4及第二二次元件6的容积效率；q₄和q₆分别为第一二次元件4及第二二次元件6的排量；n₂、n₃、n₆和n₇分别为第二齿轮2、第一齿轮3、第三齿轮7及第四齿轮8的转速；z₂、z₃、z₆和z₇分别为第二齿轮2、第一齿轮3、第三齿轮7及第四齿轮8的齿数；本发明在三种工况下的输入输出速度关系(传动比)如下：

1)纯机械传动工况

如图1所示，变速装置的总传动比i为装置输出转速n_o与输入转速n_i之比，即第一齿轮3和第二齿轮2及第三齿轮7及第四齿轮8组成的定轴齿轮副传动比i₁和i₂分别为在此工况下，n_i＝n_sa，n_o＝n_ca，n_ra＝0，变速装置的总传动比为

$i=\frac{n_o}{n_i}=\frac{n_{ca}}{n_{sa}}=\frac{1}{1+k_a}---\left(3\right)$

车辆工作过程中，纯机械传动能够满足作业要求时，应尽量使用纯机械传动工况，以获得较高的传动效率。

2)混合传动增速工况

混合传动增速工况可在纯机械传动的基础上增大输出速度。如图1所示，此工况下，第一行星排9的太阳轮和齿圈转向相同(n_ra>0)，第二行星排10的行星架与箱体1固定，则n_cb＝0，第一行星排9及第二行星排10的齿圈联结一体，故转向相同且均为正，第二行星排10的行星架固定(n_cb＝0)，此时第二行星排10的太阳轮转向为负(n_sb<0)，变速装置的总传动比i为

$i=\frac{n_o}{n_i}=\frac{n_{ca}}{n_{sa}}=\frac{1}{1+k_a}+\frac{k_a{\mathrm{\&eta;}}_{v4}{\mathrm{\&eta;}}_{v6}{q}_4}{i_1{i}_2{k}_b(1+k_a)q_6}---\left(4\right)$

增速工况可满足转场等工况所需的较高速度要求。

3)混合传动减速工况

当纯机械传动工况不能满足车辆作业的负载要求，或车辆需要输出较低的稳定作业速度时，采用混合传动减速工况可起到减速(增扭)的作用，达到作业要求。此外，车辆起步时，采用此工况可获得较为平稳的起步性能，如图1所示，减速工况下，第一行星排9的太阳轮和齿圈转向相反(n_ra<0)，第二行星排10的行星架与箱体1固定，则n_cb＝0，由行星排三构件转速关系可知，此时第二行星排10的太阳轮转向为正(n_sb>0)，变速装置的总传动比i为

$i=\frac{n_o}{n_i}=\frac{n_{ca}}{n_{sa}}=\frac{1}{1+k_a}-\frac{k_a{\mathrm{\&eta;}}_{v4}{\mathrm{\&eta;}}_{v6}{q}_4}{i_1{i}_2{k}_b(1+k_a)q_6}---\left(5\right)$

机械液压混合无级变速装置采用液压控制系统，主要完成对第一二次元件4、第二二次元件6和制动器5的控制。其中，第一二次元件4及第二二次元件6的控制液压回路由两个电比例阀、两个斜盘执行液压缸、压力切断阀24、三个节流阀、两个单向阀、三个溢流阀、冲洗阀23及冷却器11组成；制动器5的控制液压回路由电磁换向阀13、单向节流阀12、蓄能器14、两个滤油器及溢流阀组成。

对第一二次元件4及第二二次元件6的控制采用第一电比例阀201及第一电比例阀202来实现，通过给第一电比例阀201及第二电比例阀202分别输入控制信号，从而控制第一斜盘执行液压缸211的活塞杆位置及第二斜盘执行液压缸212的活塞杆位置，从而实现对第一二次元件4及第二二次元件6的控制，从而获得所需的传动比，以图2中第一电比例阀201为例，在电信号作用下阀芯右移，第一斜盘执行液压缸211右侧充油，左侧泄油，液压缸活塞杆左移，第一二次元件4的斜盘顺时针旋转；若在电信号作用下阀芯左移，则第一斜盘执行液压缸211的左侧充油，右侧泄油，液压缸活塞杆右移，第一二次元件4的斜盘逆时针旋转，第一电比例阀201及第二电比例阀202在不同电信号的控制下，可调节第一二次元件4及第二二次元件6获得不同的斜盘角度，进而得到目标排量。如图1所示，以二次元件的斜盘顺时针超过中位时为正向，当第一二次元件4斜盘方向为正，第二二次元件6的斜盘方向为负时，第一二次元件4-第二二次元件6处于泵-马达工况，混合传动装置处于增速工况；反之，当第一二次元件44斜盘方向为负，第二二次元件6的斜盘方向为正时，第一二次元件4-第二二次元件6处于马达-泵工况，混合传动装置处于减速工况。

本发明采用电磁换向阀13作为制动器5开闭的控制元件，在控制信号作用下，电磁换向阀13右位接通时，液压系统开始对制动器5的执行液压缸充油，在制动器5的执行液压缸活塞杆的推动下，制动器5主动片和从动片接合，液压支路参与速度叠加；电磁换向阀13左位接通时，制动器5的执行液压缸快速泄油，制动器5的主动片和从动片分离，液压支路不参与速度叠加。

Claims (8)

1.一种采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，包括装置输入轴、液压传动支路、装置输出轴、箱体(1)、第一行星排(9)、第二行星排(10)、用于对第一行星排(9)中的齿圈及第二行星排(10)中的齿圈起制动作用的制动器(5)、以及用于控制所述制动器(5)的传动系统；

第一二次元件(4)及第二二次元件(6)串联连接，第一二次元件(4)的输出轴与装置输入轴相连接，第一行星排(9)的太阳轮与装置输入轴相连接，第一行星排(9)的行星架与装置输出轴相连接，第二行星排(10)的太阳轮与第二二次元件(6)的输出轴相连接，第二行星排(10)的行星架固定于箱体(1)上，第一行星排(9)的齿圈与第二行星排(10)的齿圈相连接，液压传动支路的输出轴与第一二次元件(4)的斜盘及第二二次元件(6)的斜盘相连接。

2.根据权利要求1所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，所述传动系统包括油箱、第一齿轮泵(17)、蓄能器(14)、电磁换向阀(13)及单向节流阀(12)，油箱的出油口经第一齿轮泵(17)与蓄能器(14)的入口相连通，蓄能器(14)的出口依次经电磁换向阀(13)及单向节流阀(12)与制动器(5)的进油口相连通。

3.根据权利要求2所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，所述传动系统还包括第一过滤器(16)及第一溢流阀(151)，第一齿轮泵(17)的出口分为两路，其中一路经第一溢流阀(151)与油箱的回油口相连通，另一路经第一过滤器(16)与蓄能器(14)的进口相连通。

4.根据权利要求3所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，所述液压传动支路包括第二齿轮泵(18)、第一节流阀(221)、第二节流阀(222)、第一电比例阀(201)、第二电比例阀(202)、第一斜盘执行液压缸(211)及第二斜盘执行液压缸(212)，油箱经第二齿轮泵(18)后分为两路，其中一路经第一节流阀(221)与第一电比例阀(201)的进油口相连通，另一路经第二节流阀(222)与第二电比例阀(202)的进油口相连通，第一电比例阀(201)的出油口与第一斜盘执行液压缸(211)的进油口相连通，第一斜盘执行液压缸(211)的活塞杆与第一二次元件(4)的斜盘相连接，第二电比例阀(202)的出油口与第二斜盘执行液压缸(212)的进油口相连通，第二斜盘执行液压缸(212)的活塞杆与第二二次元件(6)的斜盘相连接。

5.根据权利要求4所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，还包括第二过滤器(19)，油箱的出油口经第二过滤器(19)与第一齿轮泵(17)的进油口及第二齿轮泵(18)的进油口相连通。

6.根据权利要求5所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，所述液压传动支路还包括压力切断阀(24)、第三节流阀(223)、第一单向阀(251)、第二单向阀(252)、第二溢流阀(152)、第三溢流阀(153)、第四溢流阀(154)及冲洗阀(23)；

第一二次元件(4)的第一工作油口与压力切断阀(24)的第一进油口、第一单向阀(251)的出口、第二溢流阀(152)的进口、冲洗阀(23)的第一进口及第二二次元件(6)的第一工作油口相连通，第一二次元件(4)的第二工作油口与压力切断阀(24)的第二进油口、第二单向阀(252)的出口、第三溢流阀(153)的进口、冲洗阀(23)的第二进口及第二二次元件(6)的第二工作油口相连通，第二齿轮泵(18)的出口与第三节流阀(223)的进口相连通，第四溢流阀(154)的进口与第一单向阀(251)的进口、第二单向阀(252)的进口、第二溢流阀(152)的出口、第三溢流阀(153)的出口及第二齿轮泵(18)的出口相连通，第四溢流阀(154)的出口及冲洗阀(23)的出口与油箱的进口相连通。

7.根据权利要求6所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，油箱的进口经冷却器(11)与第四溢流阀(154)的出口及冲洗阀(23)的出口相连通。

8.根据权利要求1所述的采用二次元件的机械液压混合无级变速装置，其特征在于，所述第一二次元件(4)的输出轴上设有第一齿轮(3)，装置输入轴上设有与所述第一齿轮(3)相啮合的第二齿轮(2)；

所述第二二次元件(6)的输出轴上设有第三齿轮(7)，第二行星排(10)的太阳轮上设有与所述第三齿轮(7)相啮合的第四齿轮(8)。