CN114875983B

CN114875983B - 一种场地用电液混合动力轮式装载机

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Publication number: CN114875983B
Application number: CN202210707508.XA
Authority: CN
Inventors: 王军年; 朱振华; 强越; 周子栋; 刘哲
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2022-06-21
Filing date: 2022-06-21
Publication date: 2023-06-27
Anticipated expiration: 2042-06-21
Also published as: CN114875983A

Abstract

本发明公开了一种场地用电液混合动力轮式装载机，包括：前车体和后车体，通过铰接点连接，分别置于前车桥和后车桥之上；驱动电机，用于驱动后轴；工作电机，用于给液压系统建立高压；动力电池，布置在后车体上，通过驱动电机控制器和工作电机控制器给驱动电机和工作电机提供电能实现驱动；电池管理系统；主减速器；差速器；油泵；前轴分阀组，包括前轴驱动阀组、前轴制动阀组、工作分配阀组和转向分配阀组；后轴制动分配阀组；前轴轮毂液压马达；前轴湿式制动器和后轴湿式制动器；转向油缸；动臂油缸；摇臂油缸和其他机构；控制单元。本发明采用纯电动力源，可实现后驱或四驱模式，传递效率高，能耗低，布置变动小，适合场地范围内作业。

Description

一种场地用电液混合动力轮式装载机

技术领域

本发明涉及节能型工程机械领域，特别涉及一种场地用电液混合动力轮式装载机。

背景技术

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业或清扫作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

装载机铲装运输的一个作业循环由前进、铲装、后退、前进(动臂提升)、卸料、后退(动臂下降)6个工作段构成，周期较短，载荷变化频繁且变化范围很大，整车频繁起停，驾驶员需要频繁加减油门、变换挡位、控制转向、操控液压系统。其作业工况复杂多变，作业范围广，作业环境恶劣。因此导致发动机输出功率频繁变化，波动性很大，且不断启停，使发动机大部分时间处于低效率区，并且联合工况作业时对峰值功率的需求很大，因此不可避免地选择大功率发动机，使得装载机在大多数时间内处于“大马拉小车”的情况，油耗高，排放性差，发动机寿命较低。

传统的装载机由柴油发动机、液力变矩器、变速器和前后驱动桥组成。其中液力变矩器有三个泵，工作泵用于翻斗举升，转向泵用于转向，行走泵用于驱动变速器。由于其油耗高，排放性差，因此提出了油液混合和油电混合动力系统的装载机。目前，行业内的一些公司和有关高校已经在这两方面取得了一些进展。如：公开号US8914177B2的专利“HYBRIDWHEEL LOADER”的串联油电混合装载机，由发动机/电机发电，然后由电机驱动前后车轮，同时发动机/电机还驱动油泵，给工作装置供能，电池起“削峰填谷”的作用，使发动机保持在高效稳定区，减少能耗，排放性好。公开号CN209365888U的专利“一种油电混合动力装载机用传动装置”的并联油电混合装载机，可根据装载机的工作状况，提供多种传动模式。公开号CN202219726U的专利“轮毂马达液压驱动系统”的油液混合动力系统，采用前轮由轮毂液压马达驱动，后轮由发动机驱动，适用于附着系数较小的路面，当后轮打滑时，可通过前轮液压马达驱动，提高通过性。

但以上的装载机动力系统要么未考虑装载机本身的结构为铰接车辆，使得整车的布置复杂困难，容易与转向产生干扰，工作僵硬，难以适应一些恶劣环境，要么能耗较高，效率较低。鉴于此，发明了一种场地用电液混合动力轮式装载机。该发明通过动力电池提供能量，后轴采用电机加减速器和差速器驱动车轮，前轴采用液压驱动车轮，通过液压管路取代传动轴和万向节，布置简单，同时可将前轴的驱动、制动、转向、工作液压系统集成在一起，占用体积小，显著降低车重和成本。同时前轴采用轮毂液压马达，可适应装载机恶劣的作业环境以及复杂多变的作业工况，能显著提高坏路面通过性能，安全性能高。因采用动力电池作为动力源，续驶里程较低，因此较为适合在小场地进行作业，可白天作业，晚上充电，作业效率高，能耗低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种场地用电液混合动力轮式装载机，可提高传动系统效率，车辆布置简单方便，可充分利用电池能量，满足场地的高效作业。

本发明提供的技术方案为：一种场地用电液混合动力轮式装载机，包括：

前车体通过铰接点与后车体连接，并与铲斗连接，所述前车体和所述后车体分别置于前车桥和后车桥之上，所述前车桥和所述后车桥分别机械连接前车轮和后车轮；

动力电池，布置在后车体上，与驱动电机控制器、工作电机控制器和电池管理系统电连接；

所述驱动电机控制器与驱动电机电连接，所述工作电机控制器与工作电机电连接；

所述驱动电机的输出轴与主减速器的输入轴连接，所述主减速器的输出轴与差速器的壳体固连，所述差速器通过后车桥驱动所述后车轮；

所述工作电机的输出轴与油泵的输入轴连接，所述油泵的吸入管通过过滤器与油箱接通，吸取液压油；

所述油泵的排出管与前轴分阀组和后轴制动分配阀组相连，所述后轴制动分配阀组的排出管连通后轴湿式制动器；

所述前轴分阀组的排出管分别与前轴轮毂液压马达、前轴湿式制动器、转向油缸、动臂油缸、摇臂油缸和其他机构，所述前轴轮毂液压马达驱动所述前车轮；

控制单元，分别与所述电池管理系统、所述驱动电机控制器、所述工作电机控制器、所述油泵、所述前轴分阀组和所述后轴制动分配阀组采用电信号连接。

优选的是，所述前轴分阀组由前轴驱动阀组、工作分配阀组、转向分配阀组、前轴制动阀组组成，所述前轴驱动阀组的排出管连通所述前轴轮毂液压马达，所述工作分配阀组的排出管分别连接所述动臂油缸、所述摇臂油缸、所述其他机构，所述转向分配阀组的排出管连通所述转向油缸，所述前轴制动阀组的排出管连通所述前轴湿式制动器。

优选的是，所述油泵可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵；

所述前轴轮毂液压马达采用的是径向柱塞定量马达。

优选的是，作业时采用后驱模式，所述驱动电机用于驱动后轴，动力传递路径短且不存在二次能量转换，可以获得高驱动效率，同时所述工作电机可以建立高压油用于转向和作业；当通过坏路面时，可短时切换为四驱模式，此时所述驱动电机用于驱动后轴，所述工作电机可以建立高压油用于驱动所述前轴轮毂液压马达驱动前轴，同时额外动力还可根据需要用于转向和作业。

优选的是，当所述装载机进行制动减速时，可通过布置在后车体的所述驱动电机反拖发电进行制动能量回收，同时可通过布置在前车体的所述前轴轮毂液压马达反拖提高压力能进行制动能量回收。

优选的是，控制单元根据装载机的实际工况自动输出不同工作模式的控制信号或根据操作者意愿人为产生不同工作模式的控制信号，从而控制所述动力电池的充放电，所述驱动电机和所述工作电机的转矩和转速，所述油泵的排量，所述前轴分阀组和所述后轴制动分配阀组的各个电磁阀的通断和阀芯位置，实现工作模式的切换控制。

优选的是，所述装载机适合于便于设置充电设施的场地范围内作业。

本发明的有益效果是：

1.本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机通过电机驱动油泵，再经液压管路驱动前轮，摒弃了传统的通过及机械传动轴和铰接点的万向节的方案，易于布置、减少底盘质量，亦可减少缺少轴间差速器对于转向运动的影响和干扰，同时减少驱动转速和转矩波动，便于精确控制。同时将驱动、制动、转向、工作液压系统集成在一起，易于实现装载机驱动、制动、转向和工作的一体化控制。

2.本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机后轴尽管改为电驱动，但除了驱动电机以外，传动机构主体仍采用主减速器、差速器来驱动车轮，可减少更改原有轮式装载机的布置结构的设计优化工作量，工艺继承性也更好。同时通过电机驱动后轮，相较于传统发动机提供能量，大大提高了动力系统工作效率，改善了经济性。另外，因采用动力电池提供能量，续驶里程不高，考虑充电的便利性，因此本构型更加适用于场地范围内作业。

3.本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机前轴采用轮毂液压马达驱动车轮，可适应装载机恶劣的作业环境以及复杂多变的作业工况，能显著提高坏路面通过性能，安全性能高。

4.本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机在整车制动过程中，还可以利用后轴的驱动电机反拖再生制动发电对动力电池反向充电，以及前轴的轮毂液压马达反拖成为液压泵回馈制动能量，以液压能形式存储在高压蓄能器内，从而实现制动能量回收，可显著节约能量。

附图说明

图1为本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机动力系统的结构简图。

图2为本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机后轴制动分配阀组结构图。

图3为本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机前轴分阀组结构图。

图4为本发明的场地用电液混合动力轮式装载机工作分配阀组结构图。

图5为本发明所述的场地用电液混合动力轮式装载机转向分配阀组结构图。

图例说明：1、后车体；2、差速器；3、后车桥；4、后车轮；5、后轴湿式制动器；6、主减速器；7、驱动电机控制器；8、驱动电机；9、工作电机；10、工作电机控制器；11、油泵；12、过滤器；13、转向油缸；14、前轴轮毂液压马达；15、前车轮；16、前轴湿式制动器；17、前桥；18、前车体；19、前轴分阀组；20、动臂油缸；21、摇臂油缸；22、其他机构；23、铲斗；24、过滤器；25、电池管理系统；26、动力电池；27、控制单元；28、后轴制动分配阀组；100、前轴驱动阀组；101、工作分配阀组；102、转向分配阀组；103、前轴制动阀组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1至图5所示，本发明是用于提高混合动力装载机节能化水平的一种场地用电液混合动力轮式装载机。本发明所述装载机混合动力系统包括前车体18、前车轮15、前轴轮毂液压马达14、前轴湿式制动器16、前桥17、后车体1、后车轮4、后轴湿式制动器5、后桥3、转向油缸13、铲斗23。所述前车体18包含前轴分阀组19，所述后车体1包含动力电池26、电池管理系统25、驱动电机控制器7、驱动电机8、主减速器6、差速器2、工作电机控制器10、工作电机9、油泵11、过滤器12、油箱24、后轴制动分配阀组28、控制单元27，所述铲斗23包含动臂油缸20、摇臂油缸21、其他机构22。所述前轴分阀组19由前轴驱动阀组100、工作分配阀组101、转向分配阀组102、前轴制动阀组103组成。所述后轴制动分配阀组28具体结构详见图2，所述前轴驱动阀组100和所述前轴制动阀组103具体结构详见图3，所述工作分配阀组101具体结构详见图4，所述转向分配阀组102具体结构详见图5。

前车体18与后车体1通过铰接点连接，且与铲斗23连接，其置于前桥17之上。后车体1置于后桥3之上。两个转向油缸13分别设在铰接点的左右两侧，每个转向油缸13的两端分别与前车体18和后车体1连接，在装载机转向时，可通过两个转向油缸13的伸缩配合运动施加转向力，并配后前车轮15的差速运动实现装载机的转向。

后车体1中，动力电池26与驱动电机控制器7和工作电机控制器10以及电池管理系统25之间电连接，传递能量和信号。驱动电机控制器7与驱动电机8电连接，驱动电机8输出轴与主减速器6输入轴连接，主减速器6的输出轴与差速器2壳体固连，差速器2通过后车桥3驱动后车轮4。工作电机控制器10与工作电机9电连接，工作电机9输出轴与油泵11的输入轴连接，油泵11的吸入管通过过滤器12与油箱24接通，吸取液压油，排出管与前轴分阀组19和后轴制动分配阀组28相连。前轴分阀组19的排出管分为四条支路，一支进入转向油缸13，用于转向，一支进入前轴轮毂液压马达14，用于驱动前车轮15，一支进入前轴湿式制动器16，用于制动，一支进入动臂油缸20、摇臂油缸21和其他机构22，用于作业。后轴制动分配阀组28排出管连通后轴湿式制动器5，主要置于后桥3之上，用于制动。

前轴分阀组19结构如图3所示，主要置于前桥17之上，油泵11的排出管分别与前轴驱动阀组100、工作分配阀组101、转向分配阀组102、前轴制动阀组103连接，前轴驱动阀组100的输出管与前轴轮毂液压马达14的输入端连接，前轴制动阀组103的输出管与前轴湿式制动器16的输入端连接，工作分配阀组101的输出管与动臂油缸20、摇臂油缸21、其他机构22连接，转向分配阀组102与转向油缸13连接。

本发明中，油泵11可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵，前轴轮毂液压马达14采用径向柱塞定量马达。

控制单元27分别与电池管理系统25、驱动电机控制器7、工作电机控制器10、油泵11、前轴分阀组19、后轴制动分配阀组28采用电信号连接，用于控制动力电池26的充放电，驱动电机8和工作电机9的转矩和转速，油泵11的排量，前轴分阀组19和后轴制动分配阀组28的各个电磁阀的通断和阀芯位置。控制单元24可根据装载机的实际工况自动输出不同工作模式的控制信号，或根据操作者意愿人为产生不同工作模式的控制信号。

本发明的场地用电液混合动力轮式装载机主要采用后轮驱动车辆，驱动电机8用于驱动后轴，动力传递路径短且不存在二次能量转换，可以获得高驱动效率，同时工作电机9建立高压油用于转向和作业。驱动时，动力电池26放电，驱动电机8启动，从而通过主减速器6、差速器2、后车桥3驱动后车轮4。当通过后驱打滑无法通过的坏路面时，可短时切换为四驱模式，即驱动电机8用于驱动后轴，工作电机9启动，油泵11启动，前轴驱动阀组100接通以驱动前轴轮毂液压马达14，充分利用地面附着力。当需要转向时，转向分配阀组102接通，驱动转向油缸进行转向。制动时，动力电池26充电，可通过驱动电机8反拖发电进行制动能量回收以及前轴轮毂液压马达14反拖提高压力能进行制动能量回收，提高能量利用率，也可通过接通前轴制动阀组103和后轴制动分配阀组28实现车辆制动。作业时，工作分配阀组101接通，驱动动臂油缸20、摇臂油缸21和其他机构22，实现车辆作业。由于使用动力电池26作为动力源，续驶里程不高，因此较为适合于便于设置充电设施的场地范围内作业。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外地修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定地一般概念下，本发明并不限于特定地细节和这里出与描述的图例。

Claims

1.一种场地用电液混合动力轮式装载机，其特征在于，包括：

所述前轴分阀组由前轴驱动阀组、工作分配阀组、转向分配阀组、前轴制动阀组组成，所述前轴驱动阀组的排出管连通前轴轮毂液压马达，所述前轴轮毂液压马达驱动所述前车轮，所述工作分配阀组的排出管分别连接动臂油缸、摇臂油缸、其他机构，所述转向分配阀组的排出管连通转向油缸，所述前轴制动阀组的排出管连通前轴湿式制动器；

控制单元，分别与所述电池管理系统、所述驱动电机控制器、所述工作电机控制器、所述油泵、所述前轴分阀组和所述后轴制动分配阀组采用电信号连接，并通过控制所述动力电池的充放电，所述驱动电机和所述工作电机的转矩和转速，所述油泵的排量，所述前轴分阀组和所述后轴制动分配阀组的各个电磁阀的通断和阀芯位置，实现后驱模式和四驱模式两种工作模式的切换控制；

所述后驱模式主要用于作业，此时所述驱动电机用于驱动后轴，动力传递路径短且不存在二次能量转换，可以获得高驱动效率，同时所述工作电机可以建立高压油用于转向和作业；

所述四驱模式主要用于短暂通过后驱打滑无法通过的坏路面，此时所述驱动电机用于驱动后轴，所述工作电机可以建立高压油用于驱动所述前轴轮毂液压马达驱动前轴，同时额外动力还可根据需要用于转向和作业。

2.如权利要求1所述的一种场地用电液混合动力轮式装载机，其特征在于，所述油泵可采用容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高的轴向柱塞变量泵；

所述前轴轮毂液压马达采用的是径向柱塞定量马达。

3.如权利要求1所述的一种场地用电液混合动力轮式装载机，其特征在于，当所述装载机进行制动减速时，可通过布置在后车体的所述驱动电机反拖发电进行制动能量回收，同时可通过布置在前车体的所述前轴轮毂液压马达反拖提高压力能进行制动能量回收。

4.如权利要求1所述的一种场地用电液混合动力轮式装载机，其特征在于，所述装载机适合于便于设置充电设施的场地范围内作业。