CN108278348B - 一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置 - Google Patents

一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置。取消了效率低的纯液压段，采用实现三个液压机械段，分别用于低速作业、中速行走和高速行走；三个工作段液压元件的速度连续变化，所需液压元件的功率较小，操纵简单，传动效率高。倒车挡包含两个液压机械段，满足倒车的车速要求。

Description

一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置
技术领域
本发明属于动力传动技术领域，涉及一种无级传动装置，更确切的说是一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置。
背景技术
目前，工程机械装载机普遍采用液力机械动力换挡变速箱，由于装载作业的需要，车速及发动机负荷变化剧烈，液力变矩器效率较低，导致传动系统最高传动效率约为75％。
静液传动可方便实现无级调速，使装载机发动机常工作于经济转速区间，可提高整车的能源利用效率；但由于静液传动所用的液压泵马达闭式调速回路的效率也较低，故较动力换挡液力机械变速箱，静液传动的提升潜力有限。
液压机械传动通过机械功率和液压功率的复合，可实现高效的无级传动，使发动机维持稳定的负荷，有利于提高燃油经济性，成为装载机传动系统的发展方向之一，国内外工程机械厂家积极开展该传动技术的研究。
DanaRexroth公司专利US2014/0305113A1公布了一种两段式液压机械传动装置，纯液压段起步以及液压机械段作业及行走。DanaRexroth公司专利EP2280192B1公布了一种三段式液压机械传动装置，纯液压段起步，两个液压机械段分别用于作业和行走，可获得较高的传动效率。但两种方案均采用液压段起步，效率较液压机械段起步低。
ZF公司US8328676B2公布了一种装载机液压机械传动装置，采用两个或者三个液压机械段，采用分速汇矩(Outputsplit)和分速汇速(Compoundsplit)的功率分流形式，传动效率更高。但采用这两种功率分流形式所需的液压元件功率较大，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供本发明提供一种工程机械用三段连续式液压机械传动装置，取消了效率低的纯液压段，采用实现三个液压机械段，分别用于低速作业、中速行走和高速行走；三个工作段液压元件的速度连续变化，所需液压元件的功率较小，操纵简单，传动效率高。倒车挡包含两个液压机械段，满足倒车的车速要求。
本发明的技术方案如下：
一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置，包括壳体、主输入轴、主输出轴、液压泵和液压马达；
所述主输入轴一端与工程机械的发动机组动力连接，所述主输入轴另一端动力连接一作业泵，所述主输入轴贯穿所述壳体并与所述壳体活动连接，所述主输入轴上固定设置有一第五齿轮；
所述主输出轴用于为工程机械的行走、作业和转向输出动力，所述主输出轴与所述壳体活动连接，所述主输出轴上固定设置有一第二十九齿轮；
所述液压泵的动力输入轴与所述壳体活动连接，所述液压泵的动力输入轴位于所述壳体内的部分固定设置有一第四齿轮，所述第四齿轮与所述第五齿轮相啮合；
所述液压马达的动力输出轴与所述壳体活动连接，所述液压马达的动力输出轴位于所述壳体内的部分固定设置有一第二十二齿轮；
所述液压泵与所述液压马达组成闭式液压回路；
还包括第一半轴，所述第一半轴一端与所述壳体活动连接，另一端固定设置有一第八太阳轮，所述第一半轴上设置有一第六齿轮，所述第六齿轮与所述第五齿轮相啮合；
还包括第二半轴，所述第二半轴与所述第一半轴同轴设置，所述第二半轴一端与所述壳体活动连接，另一端固定设置有一第十太阳轮；所述第二半轴上设置有一第一K2离合器以及一第一K3离合器，所述第二半轴上转动设置有第十七齿轮和第十五齿轮，所述第十七齿轮与所述第一K3离合器的主动端动力连接，所述第十五齿轮与所述第一K2离合器的主动端动力连接；
还包括第十一行星架，所述第十一行星架上设置有多个第七行星轮和多个第九行星轮，所述第七行星轮与所述第八太阳轮动力连接，所述第九行星轮与所述第十太阳轮动力连接；
所述第十一行星架固定连接有一第一K1离合器，所述第一K1离合器的主动端与所述第十五齿轮动力连接；
还包括一第一中间轴，所述第一中间轴设置于所述壳体内并与所述壳体活动连接，所述第一中间轴上活动设置有一第十九齿轮以及一第二十一齿轮，所述第十九齿轮与所述第二十二齿轮相啮合，所述第第二十一齿轮与所述第十五齿轮相啮合，所述第一中间轴上固定设置有一第二十四齿轮以及一第二十五齿轮，所述第二十四齿轮与所述第十七齿轮相啮合，所述第二十五齿轮与所述第二十九齿轮相啮合，所述第一中间轴上还设置有一第一KV离合器，所述第一KV离合器的主动端与所述第二十一齿轮相啮合；
还包括第二中间轴、第二十八齿轮和第二十六齿轮，所述第二十八齿轮固定设置于所述第二中间轴上，所述第二十六齿轮转动设置于所述第二中间轴上，所述第二十八齿轮与所述第二十九齿轮相啮合，所述第二中间轴上还设置有一第一KR离合器，所述第一KR离合器的主动端与所述第二十六齿轮相啮合；
还包括同轴固定设置的第十二齿轮和第十三齿轮，所述第十二齿轮与所述第九行星轮相啮合，所述第十三齿轮与所述第十九齿轮相啮合。
可选的，还包括补油泵，所述补油泵与所述液压泵动力连接。
本发明有益效果是：
(1)采用液压与机械的功率复合，液压路只传递部分功率，大部分功率通过机械路传递，实现高传动效率及无级变速，可提高作业效率和降低发动机的油耗。
(2)采用内外啮合双联行星排分汇流机构，可实现三个连续的液压机械段，第Ⅰ段用于低速作业，第Ⅱ段用于中速作业以及行驶工况，第Ⅲ段用于高速行走；液压机械段起步，可提高低速的传动效率；段间切换只需操纵1个离合器，可实现平滑切换。
(3)实现无级调速，可使发动机常工作于经济转速，提高了燃油经济性，降低了发动机的噪声。
(4)可实现段间离合器的零速差切换，提高了离合器摩擦片的寿命，简化了换挡逻辑和操纵系统的设计。
(5)由于液压调速系统的存在，可实现动力换挡，先接合下一段的离合器，再松开上一段的离合器，保证动力的不中断输出，提高了作业效率。
(6)除分汇流机构，其他部分采用定轴齿轮传动，一方面可实现装载机传动装置输入和输出的中心降距，另一方面可降低工艺和加工成本。
附图说明
图1为本发明的液压机械复合无级传动装置的传动简图；
图2为本发明的液压泵与马达转速图；
图3为本发明的液压泵最大压力图；
图4为本发明的最大输出转矩图；
图5为本发明的效率图。
其中，1-壳体、2-液压泵、3-补油泵、4-第四齿轮、5-第五齿轮、6-第六齿轮、7-第七行星轮、8-第八太阳轮、9-第九行星轮、10-第十太阳轮、11-第十一行星架、12-第十二齿轮、13-第十三齿轮、14-第一K1离合器、15-第十五齿轮、16-第一K2离合器、17-第十七齿轮、18-第一K3离合器、19-第十九齿轮、20-液压马达、21-第二十一齿轮、22-第二十二齿轮、23-第一KV离合器、24-第二十四齿轮、25-第二十五齿轮、26-第二十六齿轮、27-第一KR离合器、28-第二十八齿轮、29-第二十九齿轮、30-主输入轴、31-主输出轴、32-作业泵。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的工程机械用三段式机械复合无级传动装置，包括壳体1、主输入轴30、主输出轴31、液压泵2和液压马达20；所述主输入轴30一端与工程机械的发动机组动力连接，所述主输入轴30另一端动力连接一作业泵32，所述主输入轴30贯穿所述壳体1并与所述壳体1活动连接，所述主输入轴30上固定设置有一第五齿轮5；所述主输出轴31用于为工程机械的行走、作业和转向输出动力，所述主输出轴31与所述壳体1活动连接，所述主输出轴31上固定设置有一第二十九齿轮29；所述液压泵2的动力输入轴与所述壳体1活动连接，所述液压泵2的动力输入轴位于所述壳体1内的部分固定设置有一第四齿轮4，所述第四齿轮4与所述第五齿轮5相啮合；所述液压马达20的动力输出轴与所述壳体1活动连接，所述液压马达20的动力输出轴位于所述壳体1内的部分固定设置有一第二十二齿轮22；所述液压泵2与所述液压马达20组成闭式液压回路；还包括第一半轴，所述第一半轴一端与所述壳体1活动连接，另一端固定设置有一第八太阳轮8，所述第一半轴上设置有一第六齿轮6，所述第六齿轮6与所述第五齿轮5相啮合；还包括第二半轴，所述第二半轴与所述第一半轴同轴设置，所述第二半轴一端与所述壳体1活动连接，另一端固定设置有一第十太阳轮10；所述第二半轴上设置有一第一K2离合器16以及一第一K3离合器18，所述第二半轴上转动设置有第十七齿轮17和第十五齿轮15，所述第十七齿轮17与所述第一K3离合器18的主动端动力连接，所述第十五齿轮15与所述第一K2离合器16的主动端动力连接；还包括第十一行星架11，所述第十一行星架11上设置有多个第七行星轮7和多个第九行星轮9，所述第七行星轮7与所述第八太阳轮8动力连接，所述第九行星轮9与所述第十太阳轮10动力连接；所述第十一行星架11固定连接有一第一K1离合器14，所述第一K1离合器14的主动端与所述第十五齿轮15动力连接；还包括一第一中间轴，所述第一中间轴设置于所述壳体1内并与所述壳体1活动连接，所述第一中间轴上活动设置有一第十九齿轮19以及一第二十一齿轮21，所述第十九齿轮19与所述第二十二齿轮22相啮合，所述第第二十一齿轮21与所述第十五齿轮15相啮合，所述第一中间轴上固定设置有一第二十四齿轮24以及一第二十五齿轮25，所述第二十四齿轮24与所述第十七齿轮17相啮合，所述第二十五齿轮25与所述第二十九齿轮29相啮合，所述第一中间轴上还设置有一第一KV离合器23，所述第一KV离合器23的主动端与所述第二十一齿轮21相啮合；还包括第二中间轴、第二十八齿轮28和第二十六齿轮26，所述第二十八齿轮28固定设置于所述第二中间轴上，所述第二十六齿轮26转动设置于所述第二中间轴上，所述第二十八齿轮28与所述第二十九齿轮29相啮合，所述第二中间轴上还设置有一第一KR离合器27，所述第一KR离合器27的主动端与所述第二十六齿轮26相啮合；还包括同轴固定设置的第十二齿轮12和第十三齿轮13，所述第十二齿轮12与所述第九行星轮9相啮合，所述第十三齿轮13与所述第十九齿轮19相啮合；还包括补油泵3，所述补油泵3与所述液压泵2动力连接，为整车提供工作和转向所需的油压。
本发明中的工程机械用三段式机械复合无级传动装置，其换挡逻辑如下表所示(表示需要接合的离合器)：
Figure GDA0002072819440000051
以工程机械的前进为例，进一步说明本发明中的工程机械用三段式机械复合无级传动装置的工作原理：
第一段为液压机械Ⅰ段，发动机输入功率通过主输入轴30输入，一方面，经第五齿轮5和第四齿轮4传递到液压泵2，液压泵2与液压马达20组成闭合回路，液压泵2转动使液压马达20同步转动，同时液压泵2带动补油泵3工作，为整车提供工作和转向所需的油压；另一方面，经第六齿轮6传递到第八太阳轮8。
此时，第一K1离合器14和第一KV离合器23均接合，第八太阳轮8上的功率经第七行星轮7和第九行星轮9传递到第一K1离合器14，第一K1离合器14驱动第十五齿轮15，功率通过第十五齿轮15、第二十一齿轮21和第一KV离合器23传递到第二十五齿轮25，再由第二十五齿轮25经第二十九齿轮29传递到主输出轴31。
第二段为液压机械Ⅱ段，当需要将档位由第一段换到第二段时，由于第七行星轮7、第八太阳轮8、第九行星轮9和第十太阳轮10形成的差速结构，可以先接合第一K2离合器16，再分离第一K1离合器14，以保证动力的不中断输出，提高作业效率。
具体的，发动机输入功率通过主输入轴30输入，一方面，经第五齿轮5和第四齿轮4传递到液压泵2，液压泵2与液压马达20组成闭合回路，液压泵2转动使液压马达20同步转动，同时液压泵2带动补油泵3工作，为整车提供工作和转向所需的油压；另一方面，经第六齿轮6传递到第八太阳轮8，第八太阳轮8上的功率经第七行星轮7和第九行星轮9传递到第十太阳轮10，再经过第一K2离合器16、第十五齿轮15、第二十一齿轮21、第一KV离合器23传递到第二十五齿轮25，再由第二十五齿轮25经第二十九齿轮29传递到主输出轴31。
第三段为液压机械Ⅲ段，此时，只有第一K3离合器18接合，发动机输入功率通过主输入轴30输入，一方面，经第五齿轮5和第四齿轮4传递到液压泵2，液压泵2与液压马达20组成闭合回路，液压泵2转动使液压马达20同步转动，同时液压泵2带动补油泵3工作，为整车提供工作和转向所需的油压；另一方面，经第六齿轮6传递到第八太阳轮8，第八太阳轮8上的功率经第七行星轮7和第九行星轮9传递到第十太阳轮10，再经过第一K3离合器18、第十七齿轮17、第二十四齿轮24和第二十九齿轮29传递到主输出轴31。
上述三段档位中，发动机传入的功率，均通过一机械路和一液压路传递，机械路即为各齿轮与离合器间的功率传递，液压路即为液压泵2和液压马达20穿入第二十二齿轮22，再经过第十九齿轮19、第十三齿轮13和第十二齿轮12传递到第九行星轮9，大部分功率通过机械路传递，液压路只传递少部分功率，实现了高传递效率及无级变速，达到了提高作业效率、降低发动机油耗的技术效果。
图2为液压泵2、变量马达转速图，图中，曲线1为纯液压段变量马达转速，曲线2为液压机械Ⅰ段变量马达转速，曲线3为液压机械Ⅱ段变量马达转速，曲线4为液压泵2的转速。
图3为本发明的液压泵2最大压力图，图中，曲线1表示纯液压段的液压泵2工作压力，曲线2表示液压机械Ⅰ段的液压泵2工作压力，曲线3表示液压机械Ⅱ段的液压泵2工作压力。
图4为本发明的最大输出转矩图，图中，曲线1表示纯液压段的最大输出转矩，曲线2表示液压机械Ⅰ段的最大输出转矩，曲线3表示液压机械Ⅱ段的最大输出转矩。
图5为本发明的效率图，图中，实线1为液压机械Ⅰ段的效率曲线，实线2为液压机械Ⅱ段的效率曲线，实线3为液压机械Ⅲ段的效率曲线，虚线为装载机传统液力机械动力换挡变速箱的效率曲线。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置，其特征在于：包括壳体、主输入轴、主输出轴、液压泵和液压马达；
所述主输入轴一端与工程机械的发动机组动力连接，所述主输入轴另一端动力连接一作业泵，所述主输入轴贯穿所述壳体并与所述壳体活动连接，所述主输入轴上固定设置有一第五齿轮；
所述主输出轴用于为工程机械的行走、作业和转向输出动力，所述主输出轴与所述壳体活动连接，所述主输出轴上固定设置有一第二十九齿轮；
所述液压泵的动力输入轴与所述壳体活动连接，所述液压泵的动力输入轴位于所述壳体内的部分固定设置有一第四齿轮，所述第四齿轮与所述第五齿轮相啮合；
所述液压马达的动力输出轴与所述壳体活动连接，所述液压马达的动力输出轴位于所述壳体内的部分固定设置有一第二十二齿轮；
所述液压泵与所述液压马达组成闭式液压回路；
还包括第一半轴，所述第一半轴一端与所述壳体活动连接，另一端固定设置有一第八太阳轮，所述第一半轴上设置有一第六齿轮，所述第六齿轮与所述第五齿轮相啮合；
还包括第二半轴，所述第二半轴与所述第一半轴同轴设置，所述第二半轴一端与所述壳体活动连接，另一端固定设置有一第十太阳轮；所述第二半轴上设置有一第一K2离合器以及一第一K3离合器，所述第二半轴上转动设置有第十七齿轮和第十五齿轮，所述第十七齿轮与所述第一K3离合器的主动端动力连接，所述第十五齿轮与所述第一K2离合器的主动端动力连接；
还包括第十一行星架，所述第十一行星架上设置有多个第七行星轮和多个第九行星轮，所述第七行星轮与所述第八太阳轮动力连接，所述第九行星轮与所述第十太阳轮动力连接；
所述第十一行星架固定连接有一第一K1离合器，所述第一K1离合器的主动端与所述第十五齿轮动力连接；
还包括一第一中间轴，所述第一中间轴设置于所述壳体内并与所述壳体活动连接，所述第一中间轴上活动设置有一第十九齿轮以及一第二十一齿轮，所述第十九齿轮与所述第二十二齿轮相啮合，所述第二十一齿轮与所述第十五齿轮相啮合，所述第一中间轴上固定设置有一第二十四齿轮以及一第二十五齿轮，所述第二十四齿轮与所述第十七齿轮相啮合，所述第二十五齿轮与所述第二十九齿轮相啮合，所述第一中间轴上还设置有一第一KV离合器，所述第一KV离合器的主动端与所述第二十一齿轮相啮合；
还包括第二中间轴、第二十八齿轮和第二十六齿轮，所述第二十八齿轮固定设置于所述第二中间轴上，所述第二十六齿轮转动设置于所述第二中间轴上，所述第二十八齿轮与所述第二十九齿轮相啮合，所述第二中间轴上还设置有一第一KR离合器，所述第一KR离合器的主动端与所述第二十六齿轮相啮合；
还包括同轴固定设置的第十二齿轮和第十三齿轮，所述第十二齿轮与所述第九行星轮相啮合，所述第十三齿轮与所述第十九齿轮相啮合。
2.如权利要求1所述的一种工程机械用三段式机械复合无级传动装置，其特征在于：还包括补油泵，所述补油泵与所述液压泵动力连接。
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