CN108006188A - 一种双速液压混合动力驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双速液压混合动力驱动系统，属于动力传动领域。二位四通电磁换向阀位于液压调速回路的主油路上，控制油路的通断和切换，变换油流的方向，进而控制液压调速回路的工作状态；液压调速回路的主油路分别与双向变量泵和双向变量马达连接；采用液压机械段起步，可以实现零速起步，在低速时综合机械传动与液压传动提高传动系统的传动效率，且换段切换只需要操作电磁换向阀，就可以实现液压机械段切换到纯机械段，在高速时采用纯机械传动实现高速高效率传动。结构紧凑，降低了工艺和加工成本，且易于布置，能够大幅度节省布置空间。

Description

一种双速液压混合动力驱动系统
技术领域
本发明涉及一种双速液压混合动力驱动系统，属于动力传动领域。
背景技术
液压混合动力驱动通过综合机械功率和液压功率，可实现高效的无级传动，能够使发动机维持稳定的负荷，提高燃油经济性，广泛应用于工程机械传动系统中。
专利CN104136813A多档液压机械变速器包含两个连续变速的液压机械段和一个高速液压机械段，两个连续的液压机械段分别用于起步和低速作业，高速液压机械段用于行走。由于采用液压机械功率的两路复合，液压路只传递部分功率，故传动效率较液力机械动力换挡变速箱有较大的提高。但正倒车变换需要进行离合器的切换，操纵稍为复杂。
专利CN201710299592.5公布了一种装载机用三段式液压机械无级传动装置，包含了三个液压机械段，采用液压机械段起步，能够提高低速传动效率。但是由于整体结构复杂，工艺及加工困难，难以实现产品化，且制造成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术结构复杂导致体积大，换挡控制操纵复杂的问题，提供一种双速液压混合动力驱动系统，该系统改进了现有无级变速器的结构，采用液压混合动力驱动，通过控制电磁换向阀的通断可以实现双速模式：在低速时，液压机械共同驱动，可以实现零速起步、无级传动；在高速时，纯机械传动，保证传动系统的高效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种双速液压混合动力驱动系统，包括：机械传动装置、二位四通电磁换向阀和液压调速回路。机械传动装置包括：前传动齿轮传动机构，行星变速机构，主减速齿轮传动机构，输入轴和输出轴；
所述前传动齿轮传动机构包括齿轮和齿轮；
所述行星变速机构包括太阳轮,行星架和齿圈；
所述主减速齿轮传动机构包括齿轮和齿轮；
所述的机械传动装置，发动机通过输入轴与前传动齿轮传动机构的齿轮相连，前传动齿轮传动机构的齿轮与行星变速机构的行星架相连，行星变速机构的太阳轮与双向变量泵相连，行星变速机构的齿圈与主减速齿轮传动机构的齿轮和双向变量马达相连，主减速齿轮传动机构的齿轮与输出轴相连。发动机的动力经输入轴、齿轮和齿轮传递到行星变速机构的行星架进行分流，然后在主减速齿轮传动机构进行汇矩，经齿轮、齿轮和输出轴作用到车辆上。
二位四通电磁换向阀位于液压调速回路的主油路上，控制油路的通断和切换，变换油流的方向，进而控制液压调速回路的工作状态；
液压调速回路的主油路分别与双向变量泵和双向变量马达连接；
液压调速回路包括：双向变量泵和补油泵；双向变量马达，溢流阀，单向阀，滤清器，热交换器，油箱，以及第一油路a和第二油路b。
所述的液压调速回路，即由液压泵和液压马达组成的闭式液压回路。第一油路a和第二油路b分别连接于双向变量泵和双向变量马达的两端，其间通过二位四通电磁换向阀控制油路的通断和切换。在第一油路a和第二油路b上均布置有溢流阀和单向阀，溢流阀的作用主要起到定压作用，保持阀进口处的压力接近于恒定。单向阀的作用是固定油液的流向，不允许反向倒流。在液压调速回路中还布置有补油泵，及与之相配套的滤清器。此外，在油箱处布置有热交换器，以防止油液温度过高，造成液压控制装置无法正常工作。
工作过程：用于起步或低速行驶时，二位四通电磁换向阀工作在双向变量泵与双向变量马达相接通的状态，此时，无级变速装置处于液压机械段。发动机动力经输入轴输入后，经前传动齿轮传动机构进入到行星变速机构的行星架，然后进行功率分流，一路功率经行星变速机构的太阳轮传递到双向变量泵，再经双向变量马达传递到主减速齿轮传动机构，一路功率经行星变速机构的齿圈传递到主减速齿轮传动机构，两路功率在主减速齿轮传动机构进行汇流，再经输出轴作用到车辆上。在液压调速回路中，双向变量泵通过控制单元进行转速调节，油液经第一油路a通过二位四通电磁换向阀流进双向变量马达，带动双向变量马达工作，溢流阀起定压作用。补油泵吸取油箱的油液通过单向阀供应到第一油路a和第二油路b，补充内泄的油液损失以及维持第一油路a和第二油路b的压力。
用于高速行驶时，二位四通电磁换向阀工作在双向变量泵与双向变量马达断开连接的状态，此时，无级变速装置处于纯机械段。发动机动力经输入轴输入后，经前传动齿轮传动机构进入到行星变速机构的行星架，由于双向变量泵与双向变量马达处于断开状态，双向变量泵转速为0，对行星变速机构的太阳轮起制动作用，故太阳轮转速为0，此时动力经行星变速机构输出到主减速齿轮传动机构，然后经输出轴作用于车辆上。在液压调速回路中，双向变量泵转速为0，双向变量马达在行星变速机构齿圈的带动下空转。
行星变速机构转速关系式：
nt+knq-(1+k)nj＝0
其中，nt为行星变速机构太阳轮的转速，nq为行星变速机构齿圈的转速，nj为行星变速机构行星架的转速，k为行星排特性参数。
行星变速机构转矩关系式：
Tt:Tq:Tj＝1:k:-(1+k)
其中，Tt为行星变速机构太阳轮的转矩，Tq为行星变速机构齿圈的转矩，Tj为行星变速机构行星架的转矩。
因此，经发动机输出到车辆上的转速为：
其中，n0为输出转速，ne为发动机转速，np为双向变量泵转速，iq为前传动比，i0为主减速比。
有益效果
1、本发明的一种双速液压混合动力驱动系统采用控制电磁换向阀的方式进行液压换段实现双速模式，具有液压机械段和纯机械段，在低速时属于液压机械传动，在高速时属于纯机械传动。
2、本发明的一种双速液压混合动力驱动系统结构简单紧凑，由于采用电磁换向阀换段，机械传动无需布置离合器或制动器进行换段，传动装置体积小，降低了工艺和加工成本，且易于布置，能够大幅度节省布置空间。
3、本发明的一种双速液压混合动力驱动系统采用液压与机械功率复合，实现高传动效率及无级变速；可实现动力换挡，保证动力的不中断输出，提高作业效率；可使发动机常工作于经济转速，提高了燃油经济性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
1-发动机，2-前传动齿轮传动装置，3-行星变速机构，4-主减速齿轮传动装置，5-双向变量泵，6-双向变量马达。
图2为机械传动装置结构示意图；
7-齿轮，8-齿轮，9-太阳轮，10-行星架，11-齿圈，12-齿轮，13-齿轮，14-输入轴，15输出轴。
图3为液压控制装置结构示意图；
16-补油泵，17-二位四通电磁换向阀，18-溢流阀，19-单向阀，20-滤清器，21-热交换器，22-油箱，23-第一油路a，24-第二油路b。
图4为电磁换向阀结构示意图；
图5为换向阀通口P与A接通，B与T接通时的工作示意图；
其中，功率传递方向如图中虚线箭头所示；
图6为换向阀通口P与T接通时的工作示意图；
其中，功率传递方向如图中虚线箭头所示；
图7为车辆工作状况车速的仿真示意图；
图8为本发明的其他连接结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现目的而采用的技术手段与功效，以下结合原理图，对本发明提出的新型反比例减压阀的具体方案、结构、特征及功效进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种双速液压混合动力驱动系统，包括：机械传动装置、17和液压调速回路。机械传动装置包括：前传动齿轮传动机构2，行星变速机构3，主减速齿轮传动机构4，输入轴14和输出轴15；
如图2所示，所述的机械传动装置，发动机1通过输入轴14与前传动齿轮传动机构2的齿轮7相连，前传动齿轮传动机构2的齿轮8与行星变速机构3的行星架10相连，行星变速机构3的太阳轮9与双向变量泵5相连，行星变速机构3的齿圈11与主减速齿轮传动机构4的齿轮12和双向变量马达6相连，主减速齿轮传动机构4的齿轮13与输出轴15相连。发动机1的动力经输入轴14、齿轮7和齿轮8传递到行星变速机构3的行星架10进行功率分流，然后在主减速齿轮传动机构4进行汇流，经齿轮12、齿轮13和输出轴15作用到车辆上。
如图3所示，液压调速回路包括：双向变量泵5和补油泵16；双向变量马达6，溢流阀18，单向阀19，滤清器20，热交换器21，油箱22，以及第一油路a23和第二油路b24。
所述的液压调速回路，即由液压泵和液压马达组成的闭式液压回路。第一油路a23和第二油路b24分别连接于双向变量泵5和双向变量马达6的两端，其间通过二位四通电磁换向阀17控制油路的通断和切换。在第一油路a23和第二油路b24上均布置有溢流阀18和单向阀19，溢流阀18的作用主要起到定压作用，保持阀进口处的压力接近于恒定。单向阀19的作用是固定油液的流向，不允许反向倒流。在液压调速回路中还布置有补油泵16，及与之相配套的滤清器20。此外，在油箱22处布置有热交换器21，以防止油液温度过高，造成液压控制装置无法正常工作。
如图4所示，二位四通电磁换向阀17利用电磁铁的通电吸和与断电释放而直接推动阀芯来控制油路的通断和切换，变换油流的方向。
如图5所示，当二位四通电磁换向阀17的通口P与A接通，B与T接通时，双向变量泵5与双向变量马达6相接通，发动机1的动力依次通过输入轴14，齿轮7，齿轮8，行星架10输入到行星变速机构3。然后进行功率分流，一路功率经行星变速机构3的太阳轮9传递到双向变量泵5，再经双向变量马达6传递到主减速齿轮传动机构4，一路功率经行星变速机构3的齿圈11传递到主减速齿轮传动机构4，两路功率在主减速齿轮传动机构4进行汇流，经齿轮12、齿轮13、输出轴15作用到车辆上。功率传递路线如图中虚线箭头所示。在液压调速回路中，双向变量泵5通过控制单元进行转速调节，油液经第一油路a23通过二位四通电磁换向阀17流进双向变量马达6，带动双向变量马达6工作，溢流阀18起定压作用。补油泵16吸取油箱22的油液通过单向阀19供应到第一油路a23和第二油路b24，补充内泄的油液损失以及维持第一油路a23和第二油路b24的压力。此时，车辆行驶在液压机械段低速工作模式下，属于液压机械复合传动。
液压机械复合传动输出转速为：
其中，ε为排量比。
如图6所示，当二位四通电磁换向阀17的通口P与T接通时，双向变量泵5与双向变量马达6断开连接，发动机1的动力依次通过输入轴14，齿轮7，齿轮8，行星架10输入到行星变速机构3。由于双向变量泵5与双向变量马达6断开连接，因此双向变量泵5的转速为0，与之相连的行星变速机构3的太阳轮9转速也为0，即双向变量泵5对太阳轮9起制动作用，于是机械路功率经行星变速机构3后，依次经齿圈11，齿轮12，齿轮13，输出轴15传递到车辆上。功率传递路线如图中虚线箭头所示，发动机1的动力经行星变速机构3输出到主减速齿轮变速机构4。在液压调速回路中，双向变量泵5的转速为0，制动行星变速机构3的太阳轮9，双向变量马达6在行星变速机构3的齿圈11的带动下空转。此时，车辆由低速工作模式切换到高速工作模式，属于纯机械传动。
纯机械传动的输出转速为：
如图7所示，一种双速液压混合动力驱动系统车辆工作状况示意图。首先二位四通电磁换向阀17接通，双向变量泵5与双向变量马达6相接通，此时车辆工作在液压机械段低速状态，从图中可以看出，车速先从0逐渐升高到55km/h。在500s的时候对二位四通电磁换向阀17进行换向，双向变量泵5与双向变量马达6断开连接，此时车辆工作在纯机械段高速状态，从图中可以看出，车速由55km/h又逐渐升高到70km/h。
如图8所示，一种双速液压混合动力驱动系统机械传动装置与液压调速回路与发动机的其他连接结构示意图。发动机1通过前传动齿轮传动机构2与行星变速机构3的齿圈相连，行星变速机构3的太阳轮与双向变量泵5相连，行星变速机构3的行星架与双向变量马达和主减速齿轮传动机构相连。具体的工作方式及输入输出转速关系参考本专利的工作过程及具体实施方式。
以上所述为本专利的工作原理与结构形式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双速液压混合动力驱动系统，其特征在于：包括：机械传动装置、二位四通电磁换向阀(17)和液压调速回路；二位四通电磁换向阀(17)位于液压调速回路的主油路上，控制油路的通断和切换，变换油流的方向，进而控制液压调速回路的工作状态；
机械传动装置包括：前传动齿轮传动机构(2)，行星变速机构(3)，主减速齿轮传动机构(4)，输入轴(14)和输出轴(15)；
所述前传动齿轮传动机构(2)包括齿轮(7)和齿轮(8)；
所述行星变速机构(3)包括太阳轮(9),行星架(10)和齿圈(11)；
所述主减速齿轮传动机构(4)包括齿轮(12)和齿轮(13)；
发动机(1)通过输入轴(14)与前传动齿轮传动机构(2)的齿轮(7)相连，前传动齿轮传动机构(2)的齿轮(8)与行星变速机构(3)的行星架(10)相连，行星变速机构(3)的太阳轮(9)与双向变量泵(5)相连，行星变速机构(3)的齿圈(11)与主减速齿轮传动机构(4)的齿轮(12)和双向变量马达(6)相连，主减速齿轮传动机构(4)的齿轮(13)与输出轴(15)相连；
所述液压调速回路的主油路分别与双向变量泵(5)和双向变量马达(6)连接。
2.如权利要求1所述的一种双速液压混合动力驱动系统，其特征在于：所述液压调速回路包括：双向变量泵(5)、补油泵(16)、双向变量马达(6)、溢流阀(18)、单向阀(19)、滤清器(20)、热交换器(21)、油箱(22)、第一油路a(23)和第二油路b(24)；
所述的液压调速回路，即由液压泵和液压马达组成的闭式液压回路；第一油路a(23)和第二油路b(24)分别连接于双向变量泵(5)和双向变量马达(6)的两端，其间通过二位四通电磁换向阀(17)控制油路的通断和切换；在第一油路a(23)和第二油路b(24)上均布置有溢流阀(18)和单向阀(19)，溢流阀(18)的作用主要起到定压作用，保持阀进口处的压力接近于恒定；单向阀(19)的作用是固定油液的流向，不允许反向倒流；在液压调速回路中还布置有补油泵(16)，及与之相配套的滤清器(20)；此外，在油箱(22)处布置有热交换器(21)，以防止油液温度过高，造成液压控制装置无法正常工作。
3.如权利要求1或2所述的一种双速液压混合动力驱动系统，其特征在于：所述系统的工作过程为：用于起步或低速行驶时，二位四通电磁换向阀工作在双向变量泵与双向变量马达相接通的状态，此时，无级变速装置处于液压机械段；发动机动力经输入轴输入后，经前传动齿轮传动机构进入到行星变速机构的行星架，然后进行功率分流，一路功率经行星变速机构的太阳轮传递到双向变量泵，再经双向变量马达传递到主减速齿轮传动机构，一路功率经行星变速机构的齿圈传递到主减速齿轮传动机构，两路功率在主减速齿轮传动机构进行汇流，再经输出轴作用到车辆上；在液压调速回路中，双向变量泵通过控制单元进行转速调节，油液经第一油路a通过二位四通电磁换向阀流进双向变量马达，带动双向变量马达工作，溢流阀起定压作用；补油泵吸取油箱的油液通过单向阀供应到第一油路a和第二油路b，补充内泄的油液损失以及维持第一油路a和第二油路b的压力；
用于高速行驶时，二位四通电磁换向阀(17)工作在双向变量泵与双向变量马达断开连接的状态，此时，无级变速装置处于纯机械段；发动机动力经输入轴输入后，经前传动齿轮传动机构进入到行星变速机构的行星架，由于双向变量泵与双向变量马达处于断开状态，双向变量泵转速为0，对行星变速机构的太阳轮起制动作用，故太阳轮转速为0，此时动力经行星变速机构输出到主减速齿轮传动机构，然后经输出轴作用于车辆上；在液压调速回路中，双向变量泵转速为0，双向变量马达在行星变速机构齿圈的带动下空转；
行星变速机构转速关系式：
nt+knq-(1+k)nj＝0
其中，nt为行星变速机构太阳轮的转速，nq为行星变速机构齿圈的转速，nj为行星变速机构行星架的转速，k为行星排特性参数；
行星变速机构转矩关系式：
Tt:Tq:Tj＝1:k:-(1+k)
其中，Tt为行星变速机构太阳轮的转矩，Tq为行星变速机构齿圈的转矩，Tj为行星变速机构行星架的转矩；
因此，经发动机输出到车辆上的转速为：
<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <msub> <mi>i</mi> <mi>q</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，n0为输出转速，ne为发动机转速，np为双向变量泵转速，iq为前传动比，i0为主减速比。
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