CN114526278A - 一种基于电液复合驱动的直线驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，包括能量回收部分、机械传动部分以及与机械传动部分传动连接的电力动力部分和液压动力部分，能量回收部分分别连接电力动力部分和液压动力部分；机械传动部分包括第一电动发电一体机，液压动力部分包括液压油缸，液压油缸的活塞和所述第一电动发电一体机的转轴分别传动连接所述机械传动部分，以使液压油缸的活塞进行直线运动。与现有技术相比，在工作过程中采用液压动力部分控制液压油缸的活塞的运动，采用电力动力部分控制液压油缸的活塞的速度、位移和精度，因此本发明综合了电力动力部分的高控制性和液压动力部分的传动功率密度高的优点，控制精度高、驱动能力强且功率密度高。

Description

一种基于电液复合驱动的直线驱动装置

技术领域

本发明涉及驱动装置，更具体地说涉及一种基于电液复合驱动的直线驱动装置。

背景技术

传统机械装备的驱动方式主要包括气压驱动、电机驱动和液压驱动，气压驱动的工作介质是空气，具有沾度较低、流动阻力较小和可集中供气的特性，但受到压缩性的局限，位置控制精度都较弱，而且，采用气压驱动的装置的额定工作压力等级较低，无法匹配大功率装备的压力需求；电机驱动具有结构简单、控制简单和精度高的优点，但对于应用到大功率装备中时，电机驱动中的电机的尺寸较大，特别是电机安装在执行机构中时，不仅存在安装空间限制的问题，还额外给执行机构增加了外部载荷，极大的影响了执行元件的承载能力；液压驱动具有功率密度高、动态响应快、压力等级高和过载能力强的优点，在大功率机械装备中得到广泛应用，但液压驱动存在能耗高和控制精度低的缺点。

有鉴于此，本发明人在此基础上进行深入研究，遂有本案的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制精度高、驱动能力强且功率密度高的基于电液复合驱动的直线驱动装置。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，包括能量回收部分、机械传动部分以及与所述机械传动部分传动连接的电力动力部分和液压动力部分，所述能量回收部分分别连接所述电力动力部分和所述液压动力部分；所述机械传动部分包括第一电动发电一体机，所述液压动力部分包括液压油缸，所述液压油缸的活塞和所述第一电动发电一体机的转轴分别传动连接所述机械传动部分，以使所述液压油缸的活塞进行直线运动。

所述机械传动部分包括连杆、可转动地曲柄及滑动配合的滑杆和滑槽，所述曲柄和所述第一电动发电一体机的转轴传动连接，所述连杆的一端铰接于所述曲柄上，所述连杆的另一端传动连接所述滑杆，所述滑杆和所述滑槽滑动配合，所述滑杆的第一端连接所述液压油缸的活塞。

所述电力动力部分还包括第一控制器，所述第一电动发电一体机的转轴传动连接所述螺纹套或所述曲柄，所述第一电动发电一体机与所述第一控制器双向电性连接。

所述液压动力部分包括还第二控制器、第二电机、液压泵、单向阀和三位四通换向阀；所述第二电机和所述液压泵同轴连接，所述液压泵的进油口连接油箱，所述液压泵的出油口连接所述单向阀的进油口，所述单向阀的出油口连接所述三位四通换向阀的P进油口，所述三位四通换向阀的T回油口连接油箱，所述三位四通换向阀的A工作口和B工作口分别与所述液压油缸的两有杆腔一一对应连接，所述液压油缸的活塞传动连接所述输出部分；其中，所述第二电机与第二控制双向电性连接。

所述液压泵的出油口和所述单向阀的进油口还共同连接卸荷阀，所述卸荷阀的回油口连接油箱。

所述能量回收单元包括储能单元和蓄能器，所述第一控制器和所述第二控制器的电源端分别电性连接所述储能单元的电源端，所述蓄能器分别连接所述单向阀的出油口和所述三位四通换向阀的P进油口。

还包括整机控制器和控制手柄，所述蓄能器的油口安装有压力传感器，所述控制手柄的信号输出端电连接所述整机控制器的信号输入端，所述压力传感器的采样端电连接所述整机控制器的信号输入端，所述整机控制器分别与所述第一电动发电一体机和所述第二电机双向电性连接。

所述储能单元包括充放电池。

所述充放电池为锂电池。

采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用第一电动发电一体机的转轴和液压油缸的活塞通过机械传动部分进行刚性连接，实现电液复合驱动，即在工作过程中采用液压动力部分控制液压油缸的活塞的运动，采用电力动力部分控制液压油缸的活塞的速度、位移和精度，因此本发明综合了电力动力部分的高控制性和液压动力部分的传动功率密度高的优点，控制精度高、驱动能力强且功率密度高。

2、通过第一电动发电一体机和蓄能器对负值负载工况进行能量回收，在负载缓慢移动时以电气式回收为主、液压式回收为辅的回收模式，在负载快速移动时以液压式回收为主、电气式回收为辅的回收模式，以此提高能量回收的效率，且回收的能量可以直接释放，提高了能量利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：

11-第一电动发电一体机； 12-第一控制器；

21-液压油缸； 22-第二控制器；

23-第二电机； 24-液压泵；

25-单向阀； 26-三位四通换向阀；

27-卸荷阀； 31-控制手柄；

32-整机控制器； 41-储能单元；

42-蓄能器； 5-压力传感器；

6-机械传动部分。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，如图1所示，包括电力动力部分、液压动力部分、能量回收部分、机械传动部分和执行部分，电力动力部分和液压传动部分均分别与机械传动部分传动连接，能量回收部分分别连接电力动力部分和液压动力部分；其中，电力动力部分包括第一电动发电一体机11，液压动力部分包括液压油缸21，第一电动发电一体机11和液压油缸21分别传动连接机械传动部分，以使液压油缸12的活塞进行直线运动。

在本实施例中，上述的机械传动部分的输出部分连接负载，该负载可为常规的工程机械，如装载机、抓木机或挖掘机等。

上述的机械传动部分6实质为机械耦合单元，其包括载体(图中未示出)及设置于载体(图中未示出)内的传动机构，载体可为箱体或壳体等安装件，传动机构包括丝杆及相互啮合的蜗轮蜗杆，丝杆可转动地架设于载体上，即丝杆可通过轴承等常规方式安装于载体上，丝杆上配设有螺纹套，丝杆的外螺纹与螺纹套的内螺纹相适配，并且，螺纹套可直线滑动安装于载体上，螺纹套的滑动结构为螺纹套对应于载体的部分设置有滑动凹槽，载体上设置有滑动块，滑动凹槽和滑动块滑动配合；第一电动发电一体机11安装在载体上，且第一电动发电一体机11的转轴传动连接蜗轮，两者采用常规方式连接，例如键联接等，蜗杆沿直线方向布置，且蜗杆和丝杆按常规方式传动连接，两者可采用轴联接；其中螺纹套传动连接液压油缸21的活塞，且丝杆和液压油缸21的活塞同轴布置。在本实施例中，丝杆为现有常规的滚珠丝杆。

在第一电动发电一体机11处于电动模式时，第一电动发电一体机11的转轴转动，以带动蜗轮转动，因蜗轮和蜗杆相啮合，使得蜗杆转动，从而使丝杆转动，因螺纹套与丝杆的螺旋配合，以使螺纹套在螺纹套的作用下沿直线滑动。

在第一电动发电一体机11处于发电模式时，液压油缸21的活塞的移动，使得第一电动发电一体机11获取机械能，并将机械能转换成电能，并存储在储能单元中。

进一步地，在实施例中上述传动机构还可以采用其他传动结构，例如，曲柄连杆机构，曲柄连杆机构包括曲柄、连杆、滑杆和滑槽，第一电动发电一体机11安装于载体内，第一电动发电一体机11的转轴和曲柄传动连接，连杆的一端铰接于曲柄上，且连杆的第一端位于曲柄的非中心位置，连杆的第二端固定连接滑杆的一端，其中连杆可采用转轴或短销等常规转动结构安装在曲柄上；滑槽设置于载体上，滑杆沿滑槽的方向布置，滑杆和滑槽滑动配合，且滑杆的两端分别伸出于滑槽的相应端，滑杆的第一端和液压油缸21的活塞的自由端传动连接。

此外，传动机构还可以为齿轮齿条结构，即传动机构包括相互啮合的齿轮和齿条，第一电动发电一体机11的转轴传动连接齿轮，齿条可直线滑动地安装于载体上，即载体上设置有沿直线布置的滑槽，齿条滑动设置于滑槽中，且齿条传动连接液压油缸21的活塞的自由端。

本发明中使用的机械传动部分，将第一电动发电一体机11和液压油缸21的活塞进行刚性连接，实现电液复合驱动，也就是说，液压动力部分利用液压被动控制液压油缸21的活塞的运动，第一电动发电一体机11主动控制液压油缸21的活塞的速度、位移和精度，这样综合电机的高控制性和液压动力部分的高功率密度的优点，以实现高精度和大功率输出的需求。

上述的电力动力部分还包括第一控制器12，第一控制器12的控制端电连接第一电动发电一体机11的信号输入端，以便通过第一控制器12对第一电动发电一体机11的转速进行控制。

上述的液压动力部分还包括还第二控制器22、第二电机23、液压泵24、单向阀25和三位四通换向阀26，液压动力部分的具体液压回路为：第二电机23的转轴和液压泵24的转轴相连接，且第二电机23和液压泵24同轴连接，液压泵24的进油口连接油箱，液压泵24的出油口连接单向阀25的进油口，单向阀25的出油口连接三位四通换向阀26的P进油口，三位四通换向阀26的T回油口连接油箱，且三位四通换向阀26的A工作口连接液压油缸的液压腔一，三位四通换向阀26的B工作口连接液压油缸21的液压腔二。其中，第二控制器22的控制端电连接第二电机21的驱动端，以控制第二电机21的启停；即，在第二电机23工作时，第二电机23的转轴带动液压泵24工作，以从油箱中吸油，并液压泵24的出油口泵出高压油。在本实施例中，三位四通换向阀26为电磁换向阀。

上述的能量回收部分包括储能单元41和蓄能器42，蓄能器42的油口分别连接单向阀25的出油口和三位四通换向阀的P进油口，其中，储能单元41的充放端分别电连接第一控制器12和第二控制22的电源端，第一控制器12和第二控制器22可以通过储能单元41进行供电。储能单元41包括充电电池(图中未示出)，充放电池可为常规的充放电池，优选的为锂电池；蓄能器42为常规的液压蓄能器。较佳地，液压泵24的出油口和单向阀25的进油口共同连接有卸荷阀27，卸荷阀27的回油口连接油箱；在蓄能器42的内部压力油的油压高于卸荷阀27的开启压力时，卸荷阀27打开，液压泵24的油液经卸荷阀27直接卸荷；在蓄能器42的内部无压力油或油液压力低于卸荷阀27的开启压力时，卸荷阀27关闭，液压泵24的油液经单向阀25为蓄能器42充油。

本发明使用液压动力部分，采用蓄能器42和液压泵24共同供油，同时卸荷阀27的设置，液压驱动过程中采用蓄能器42供油和液压泵24卸荷，以此确保本发明没有额外溢流损耗，提升本发明的能效。

本发明还设置有控制手柄31和整机控制器32，控制手柄31信号输出端电连接整机控制器32的信号输入端，该控制手柄31采用常规工程机械中的控制手柄，以输出摆角信号给整机控制器32，即，整机控制器32根据控制手柄31判断控制意图，该判断方式本领域的常规判断，故不再展开叙述。

进一步地，整机控制器32的信号输出端电连接第一控制器12的信号输入端，通过整机控制器32控制第一电动发电一体机11的转速、转矩和转角，通过上述的机械传动部分，控制液压油缸21的活塞的运动速度、输出力和位移；整机控制器32的信号输出端还电连接第二控制器22的信号输入端，以便整机控制器32根据第一电动发电一体机11的转速和控制手柄31的信号等参数输出控制信号给第二控制器22，第二控制器22控制第二电机23的参数，从而控制液压泵24的输出流量和压力。

进一步地，蓄能器42的油口处安装有压力传感器5，压力传感器5的采样端电连接整机控制器32的信号输入端，以通过压力传感器5对蓄能器42的油口压力进行检测。

进一步地，整机控制器32的信号输出端电连接三位四通换向阀26的电磁端，以通过对三位四通换向阀26的通断，实现与液压油缸21的通断。

本发明中，通过主动控制第一电动发电一体机11的电动模式和发电模式，以此满足轻和重等不同负载的驱动需求，具体工作过程为：

1、当负载较轻时，直线驱动装置启动，整机控制器32根据控制手柄12的状态进行操作，控制第二电机23带动液压泵24从油箱中吸油，并从液压泵24的出油口泵出高压油，并根据负载的移动方向对三位四通换向阀26进行控制，同时第一电动发电一体机11工作在发电模式，以便对液压油缸21活塞传递的部分能量进行回收。

2、当负载较重时，直线驱动装置启动，整机控制器32根据控制手柄12的状态进行操作，控制第二电机23带动液压泵24从油箱中吸油，并从液压泵24的出油口泵出高压油，并根据负载的移动方向，对三位四通换向阀26进行控制，同时第一电动发电一体机11工作在电动模式，以便与液压油缸21活塞共同推动负载运行。

在本实施例中，负载的轻重区分，为根据实际工况进行设定，在此不进行限定。

在上述过程中，整机控制器32通过压力传感器获取蓄能器42的压力数值，在整机控制器32检测到压力传感器的压力数值达到设定的目标阈值时，即蓄能器42的油口压力达到设定的目标阈值时，整机控制器32输出控制指令给第二控制器22，第二控制器22控制第二电机23停止工作，从而使液压泵24停止工作，然后根据负载的两种工况进行下述操作。

为方便描述，以面朝图1的左手边的左侧，右手边为右侧，负载的两种工况为正值负载和负值负载，这里的负值负载指的是负载的速度方向和力方向相同，正值负载指的是载的速度方向和力方向相反。本实施例中上述的直线运动为左右运动。

1、负值负载工况：

在负载向左移动(即负载力向左)，负载的速度方向为左，液压油缸21的活塞需要抑制负载作用力且向左伸出，通过控制液压油缸21的左腔压力以实现负载按目标速度缓慢朝左移动；

具体过程为：整机控制器32控制三位四通换向阀26工作于右工位，此时三位四通换向阀26的P进油口和A工作口导通，B工作口和T回油口导通，蓄能器42输出高压液油依次经P进油口和A工作口，流入液压油缸21的左腔，以驱动液压油缸21的活塞抵消其中大部分的负载作用力，与之同时，整机控制器32检测到液压油缸21活塞的目标速度较小时，即负载缓慢向左移动时，整机控制器32输出指令给第一控制器12，以使第一电动发电一体机11工作在发电模式，整机控制器32控制第一电动发电一体机11的转速，经机械传动部分6的耦合，控制液压油缸21活塞的速度，起到平衡另一部分负载作用力的效果，同时这一部分的负载作用力会驱动第一电动发电一体机11产生电能，并存储在储能单元中，即电气式回收；同时整机控制器32控制第二电机23的转速为零，即控制液压泵24的转速为零，且整机控制器32控制三位四通换向阀26的开口面积，以匹配负载作用力和蓄能器42的压力，以使液压油缸21左腔的液压油流回蓄能器41进行存储，实现液压式能量回收。

另外，在整机控制器32检测到液压油缸21活塞的目标速度较大时，即负载快速向左移动时，整机控制器32输出控制指令给第一控制器12，第一控制器12控制第一电动发电一体机11处于发电模式，以对第一电动发电一体机11的转速进行控制，以便回收负载产生的动能和/或势能，同时整机控制器32输出控制指令给第二控制器22，第二控制器22控制第二电机23的转速，以使液压泵23的转速为零，同时整机控制器32控制三位四通换向阀26的开口面积，以匹配负载作用力和蓄能器42的压力，以使蓄能器42回收大量油液，即通过蓄能器42回收大量的能量，从而实现液压式回收为主，电气式回收为辅的回收模式。

同理地，在负载向右移动(即负载力向右)，负载的速度方向为右，液压油缸21的活塞需要抑制负载作用力且向右伸出，实现通过控制液压油缸21的右腔压力以使负载按目标速度缓慢朝右移动，也采用上述相应的工作原理在负载缓慢移动时采用电气式回收为主，液压式回收为辅的回收模式，在负载快速移动时采用液压式回收为主，电气式回收为辅的回收模式。

需说明的是，整机控制器32根据控制手柄12的摆角信号判断控制手柄31的位移大小，即液压油缸31活塞的目标速度的大小，液压油缸31活塞的目标速度较大时即可判断负载在快速动作，液压油缸31活塞的目标速度较小时即可判断负载在缓慢动作。

需说明的是，上述负载移动的快慢的判断，根据实际情况进行设定，在此不进行限定。

2、正值负载工况：

以负载向左移动，负载的速度方向为右，液压油缸21需要克服负载作用力向右伸出，以克服负载作用力且向右移动；

具体过程为：整机控制器32控制三位四通换向阀26工作于右工位，此时三位四通换向阀26的P进油口和A工作口导通，B工作口和T回油口导通，蓄能器42输出高压液油依次经P进油口和A工作口，流入液压油缸21的左腔，以驱动液压油缸21的活塞抵消其中大部分的负载作用力，同时整机控制器32输出指令给第一控制器12，第一控制器12控制第一电动发电一体机11处于电动模式，并控制第一电动发电一体机11的转速，以经过机械传动部分6控制液压油缸21活塞的速度，平衡另一部分的负载作用力。

同理地，在负载向右移动，负载的速度方向为左，液压油缸21需要克服负载作用力且向左伸出时，整机控制器32控制三位四通换向阀26工作于左工位，此时三位四通换向阀26的P进油口和B工作口导通，A工作口和T回油口导通，蓄能器42输出高压油液依次经三位四通换向阀26的P进油口和B工作口，流入液压油缸21的右腔，以驱动液压油缸21的活塞向左移动，以平衡其中大部分的负载作用力，与之同时，整机控制器32根据控制手柄31输入的摆角信号以获取液压油缸21的活塞的目标速度，整机控制器32输出控制信号给第一控制器11，第一控制器11控制第一电动发电一体机11工作在电动模式，并控制第一电动发电一体机11的转速，经过上述的机械传动部分6对液压油缸21活塞的速度进行控制，平衡另一部分的负载作用力。

在本发明中，采用第一电动发电一体机11中的发电模式和蓄能器对负值负载工况进行能量回收，在负载缓慢运动时，采用电气式回收为主、液压式回收为辅的回收模式；在负载快速运动时，以液压式回收为主、电气式回收为辅的回收模式；这样，根据负载实际情况进行能力回收，提高能量回收的效率，同时回收的能量可以全部释放，提高能量的利用率。

以上所述仅为本实施例的优选实施例，凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化和修饰，均应属于本发明的权利要求范围。

Claims (9)

1.一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：包括能量回收部分、机械传动部分以及与所述机械传动部分传动连接的电力动力部分和液压动力部分，所述能量回收部分分别连接所述电力动力部分和所述液压动力部分；所述机械传动部分包括第一电动发电一体机，所述液压动力部分包括液压油缸，所述液压油缸的活塞和所述第一电动发电一体机的转轴分别传动连接所述机械传动部分，以使所述液压油缸的活塞进行直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述机械传动部分包括连杆、可转动地曲柄及滑动配合的滑杆和滑槽，所述曲柄和所述第一电动发电一体机的转轴传动连接，所述连杆的一端铰接于所述曲柄上，所述连杆的另一端传动连接所述滑杆，所述滑杆和所述滑槽滑动配合，所述滑杆的第一端连接所述液压油缸的活塞。

3.根据权利要求2所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述电力动力部分还包括第一控制器，所述第一电动发电一体机的转轴传动连接所述螺纹套或所述曲柄，所述第一电动发电一体机与所述第一控制器双向电性连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述液压动力部分包括还第二控制器、第二电机、液压泵、单向阀和三位四通换向阀；所述第二电机和所述液压泵同轴连接，所述液压泵的进油口连接油箱，所述液压泵的出油口连接所述单向阀的进油口，所述单向阀的出油口连接所述三位四通换向阀的P进油口，所述三位四通换向阀的T回油口连接油箱，所述三位四通换向阀的A工作口和B工作口分别与所述液压油缸的两有杆腔一一对应连接，所述液压油缸的活塞传动连接所述输出部分；其中，所述第二电机与第二控制双向电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述液压泵的出油口和所述单向阀的进油口还共同连接卸荷阀，所述卸荷阀的回油口连接油箱。

6.根据权利要求4所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述能量回收单元包括储能单元和蓄能器，所述第一控制器和所述第二控制器的电源端分别电性连接所述储能单元的电源端，所述蓄能器分别连接所述单向阀的出油口和所述三位四通换向阀的P进油口。

7.根据权利要求6所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：还包括整机控制器和控制手柄，所述蓄能器的油口安装有压力传感器，所述控制手柄的信号输出端电连接所述整机控制器的信号输入端，所述压力传感器的采样端电连接所述整机控制器的信号输入端，所述整机控制器分别与所述第一电动发电一体机和所述第二电机双向电性连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述储能单元包括充放电池。

9.根据权利要求8所述的一种基于电液复合驱动的直线驱动装置，其特征在于：所述充放电池为锂电池。

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