CN116404803A - 一种可变速变扭矩的电动缸及其工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可变速变扭矩的电动缸，涉及电动缸装置技术领域，包括缸体和驱动电机，所述缸体内安装有控制系统、无级变速器主动系统、无级变速器从动系统以及作用杆，其中，所述驱动电机与所述无级变速器主动系统传动连接；所述无级变速器主动系统与无级变速器从动系统通过缸带传动连接；所述无级变速器从动系统适于驱动所述作用杆运动；所述无级变速器主动系统上连接有与控制系统电连接的主动轴控制电机，所述无级变速器从动系统上连接有与所述控制系统电连接的从动轴控制电机。本发明还提供了一种工程机械。通过本发明方案，可以使得电动缸具有高效传动、高功率密度、高频响、耐冲击性强的特点。

Description

一种可变速变扭矩的电动缸及其工程机械
技术领域
本发明涉及电动缸装置技术领域，具体而言，涉及一种可变速变扭矩的电动缸及其工程机械。
背景技术
液压油缸和电机直驱型电动缸是工程机械目前最常见的末端执行器。阀控型油缸具有强过载和良好动态特性的优点，但其液压传动效率低下；泵控型油缸具有效率高的特点，但其动态特性不足；电机直驱型电动缸可以实现高效、高频响传动，但其功率密度低、耐冲击性差。因此，现有的液压油缸和电机直驱动型电动缸都无法满足工程机械高效传动、高功率密度、高频响、耐冲击性强的需求。
发明内容
本发明公开了一种可变速变扭矩的电动缸，结构简单，操作便利，旨在改善现有的液压油缸和电机直驱动型电动缸都无法满足工程机械高效传动、高功率密度、高频响、耐冲击性强的需求问题。
本发明采用了如下方案：
本申请提供了一种可变速变扭矩的电动缸，包括缸体、驱动电机和控制系统，所述缸体内设置有无级变速器主动系统、无级变速器从动系统以及作用杆，其中，所述驱动电机与所述无级变速器主动系统传动连接；所述无级变速器主动系统与无级变速器从动系统通过缸带传动连接；所述无级变速器从动系统适于驱动所述作用杆运动；所述无级变速器主动系统上连接有与控制系统电连接的主动轴控制电机，所述无级变速器从动系统上连接有与所述控制系统电连接的从动轴控制电机，所述主动轴控制电机与从动轴控制电机配置为能控制调节所述缸带与所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的连接位置以控制调节所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的传动比。
进一步地，所述无级变速器主动系统包括主动轴以及套接在所述主动轴上的主动轴顶盘和主动轴压盘，其中，所述主动轴与所述驱动电机传动连接；所述主动轴顶盘固定在所述主动轴靠近所述驱动电机的一侧；所述主动轴压盘活动连接在所述主动轴上，且连接至所述主动轴控制电机；所述缸带活动连接于所述主动轴顶盘和所述主动轴压盘之间，且适于在所述主动轴压盘运动靠近所述主动轴顶盘时被顶起以使得所述主动轴压盘的传动半径增大，并配置为能在所述主动轴压盘背离所述主动轴顶盘时使所述主动轴压盘的传动半径减小。
进一步地，所述主动轴压盘与所述主动轴通过螺纹连接，所述主动轴控制电机的输出轴上设置有主动轴压盘齿轮，所述主动轴压盘齿轮与所述主动轴压盘通过齿轮副连接，所述主动轴控制电机适于通过正转或者反转以控制所述主动轴压盘靠近或者背离所述主动轴顶盘。
进一步地，所述无级变速器从动系统包括从动轴以及套设在所述从动轴上的从动轴顶盘和从动轴压盘；其中，所述从动轴的一端通过伸缩机构连接所述作用杆，所述从动轴顶盘固定在所述从动轴上，所述从动轴压盘活动连接在所述主动轴上，且通过齿轮副连接至所述从动轴控制电机，所述从动轴压盘配置为能在所述从动轴控制电机的控制下靠近或者背离所述从动轴顶盘；所述缸带活动连接于所述从动轴顶盘与所述从动轴压盘之间。
进一步地，所述缸体内还设置有电连接至所述控制系统的制动控制电机，所述从动轴上设置有从动轴刹车蹄，所述制动控制电机的输出轴上连接有制动拉线齿轮，所述制动拉线齿轮通过弹簧自动伸缩器连接所述从动轴刹车蹄。
进一步地，所述伸缩机构包括套设在所述从动轴上的丝杆螺母，所述丝杆螺母外侧与所述作用杆固定连接，且在所述作用杆上设置有电连接至所述控制系统的位移传感器。
进一步地，所述从动轴压盘与所述主动轴压盘相对设置。
进一步地，所述主动轴顶盘、主动轴压盘以及从动轴顶盘和从动轴压盘均设置有适于与所述缸带连接的锥形面，且所述主动轴顶盘与主动轴压盘的锥形面相对设置，所述从动轴顶盘与从动轴压盘的锥形面相对设置。
本发明还提供了一种工程机械，包括上述任意一项所述的可变速变扭矩的电动缸。
进一步地，所述可变速变扭矩的电动缸设置有两个。
有益效果：本发明的电动缸带有无级变速装置，可根据负载实时调整转速转矩，当外负载大时，控制无级变速装置的传动比增大，起到减速增扭作用，以保证工程机械大铲掘力作业；外负载小时，无级变速装置传动比减少，起到增速减扭作用，以保证工程机械高速高效运行。
附图说明
图1是本发明实施例一种可变速变扭矩的电动缸的结构示意图；
图2是本发明实施例一种可变速变扭矩的电动缸的外部结构示意图；
图3是本发明实施例一种工程机械的应用示意图；
图标：驱动电机1；联轴器2；主动轴顶盘3；主动轴压盘4；主动轴压盘齿轮5；主动轴控制电机6；缸带7；主动轴轴承8；从动轴右轴承9；从动轴刹车蹄10；弹簧自动伸缩器11；制动拉线齿轮12；制动控制电机13；从动轴顶盘14；从动轴压盘15；从动轴压盘齿轮16；从动轴控制电机17；从动轴18；从动轴中间轴承19；丝杆螺母20；作用杆21；滚柱轴承22；位移传感器23；从动轴左轴承24；端面轴承25；缸体26；复合控制器27；电机控制器28；动力电池29；电手柄30；第一电动缸31；第二电动缸32。
具体实施方式
实施例
结合图1至图3所示，本实施例提供了一种工程机械，包括一种可变速变扭矩的电动缸。所述可变速变扭矩的电动缸，包括缸体26和驱动电机1，所述缸体26内安装有控制系统、无级变速器主动系统、无级变速器从动系统以及作用杆21，其中，所述驱动电机1与所述无级变速器主动系统传动连接；所述无级变速器主动系统与无级变速器从动系统通过缸带7传动连接；所述无级变速器从动系统连接所述作用杆21且适于驱动所述作用杆21运动；所述无级变速器主动系统上连接有与控制系统电连接的主动轴控制电机6，所述无级变速器从动系统上连接有与所述控制系统电连接的从动轴控制电机17，所述主动轴控制电机6与从动轴控制电机17配置为能控制调节所述缸带7与所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的连接位置以控制调节所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的传动比。
结合图3所示，本实施例中，所述工程机械可以包括有多个机械臂，每个机械臂均设置有一个所述可变速变扭矩的电动缸来驱动。例如包括有第一机械臂和第二机械臂，在第一机械臂铰接有第一电动缸31，第二机械臂铰接有第二电动缸32，可以实现联合驱动或者单独驱动。
结合图1所示，本实施例中，所述无级变速器主动系统包括主动轴以及套接在所述主动轴上的主动轴顶盘3和主动轴压盘4，其中，所述主动轴与所述驱动电机1传动连接；所述主动轴顶盘3固定在所述主动轴靠近所述驱动电机1的一侧；所述主动轴压盘4活动连接在所述主动轴上，且连接至所述主动轴控制电机6；所述缸带7活动连接于所述主动轴顶盘3和所述主动轴压盘4之间，且适于在所述主动轴压盘4靠近所述主动轴顶盘3时被顶起以使得所述主动轴压盘4的传动半径增大，并在所述主动轴压盘4背离所述主动轴顶盘3时使所述主动轴压盘4的传动半径减小。所述主动轴压盘4与所述主动轴通过螺纹连接，所述主动轴控制电机6的输出轴上设置有主动轴压盘齿轮5，所述主动轴压盘齿轮5与所述主动轴压盘4通过齿轮副连接，所述主动轴控制电机6适于通过正转或者反转以控制所述主动轴压盘4靠近或者背离所述主动轴顶盘3。
具体地，这里所述主动轴的一端通过联轴器2与驱动电机1的输出轴连接，所述驱动电机1上设置有电机控制器28，所述电机控制器28与控制系统电气连接，以接受所述控制系统的控制；所述主动轴的另一端通过主动轴轴承8安装在所述缸体26内，这里所述主动轴顶盘3可以一体成型在所述主动轴上，或者通过固定安装的方式安装在所述主动轴上，所述主动轴压盘4可活动地设置在所述主动轴上，主动轴压盘4与所述主动轴之间可以通过螺纹连接，以使得所述主动轴压盘4转动时，可以渐进地在所述主动轴上前后运动，以靠近或者背离所述主动轴顶盘3。所述主动轴顶盘3和主动轴压盘4设置有相对的锥形面，在锥形面上可以设置有渐开线锥齿用于跟缸带7啮合连接。所述主动轴侧边还设置有主动轴控制电机6，所述主动轴控制电机6的输出轴上设置有主动轴压盘齿轮5，所述主动轴压盘4的外侧设置有与所述主动轴压盘齿轮5相配合的啮合齿，且所述啮合齿在所述主动轴压盘4前后运动时始终与主动轴压盘齿轮5保持啮合。通过控制所述主动轴控制电机6的正转和反转，可以控制所述主动轴压盘4靠近或者背离所述主动轴顶盘3，从而控制所述缸带7与主动轴压盘4之间的连接位置，当所述主动轴压盘4靠近所述主动轴顶盘3时，所述缸带7被顶起，使得其与主动轴压盘4的连接位置升高，使主动轴压盘4的传动半径增大，反之则减小。这里所述主动轴控制电机6连接至所述控制系统，控制系统可以根据外部负载的大小自动控制所述主动轴控制电机6的正转和反转，以及转动的圈数等。
继续结合图1所示，所述无级变速器从动系统包括从动轴18以及套设在所述从动轴18上的从动轴顶盘14和从动轴压盘15；其中，所述从动轴18通过从动轴左轴承24、从动轴右轴承9以及从动轴中间轴承19安装在所述缸体26内。所述从动轴18的一端通过伸缩机构连接所述作用杆21，所述从动轴顶盘14固定在所述从动轴18上，所述从动轴压盘15活动连接在所述从动轴18上，且通过齿轮副连接至所述从动轴控制电机17，所述从动轴压盘15配置为能在所述从动轴控制电机17的控制下靠近或者背离所述从动轴顶盘14；所述缸带7活动连接于所述从动轴顶盘14与所述从动轴压盘15之间。这里所述从动轴18通过缸带7与主动轴传动连接。所述从动轴顶盘14可以一体成型在所述从动轴18上，或者通过可拆卸安装的方式固定在所述从动轴18上。所述从动轴压盘15通过齿轮副活动连接在所述从动轴18上；在所述从动轴18侧边设置有从动轴控制电机17，所述从动轴控制电机17固定在所述缸体26内，其输出轴上固定有从动轴压盘齿轮16，所述从动轴压盘齿轮16与所述从动轴压盘15通过齿轮啮合的方式连接，从动轴压盘15上的啮合齿可以采用渐开线齿，从而可以在所述从动轴压盘15前后运动时与所述从动轴压盘齿轮16始终保持连接。这里所述从动轴顶盘14和从动轴压盘15设置有相对的锥形面，在锥形面上可以设置有渐开线锥齿以用于跟缸带7啮合连接。缸带7被限制在所述主动轴顶盘3、主动轴压盘4以及从动轴顶盘14和从动轴压盘15的锥形面上，且通过调节主动轴压盘4和从动轴压盘15的位置，可以调节所述缸带7的连接位置，从而调节所述主动轴压盘4和从动轴压盘15的传动半径，以调节主动轴和传动轴的传动比。在另一实施例中，所述从动轴压盘15与所述主动轴压盘4相对设置。即所述主动轴压盘4和从动轴压盘15分别设置在所述缸带7相对的两侧。该设置可以使得在同时调节所述主动轴压盘4和从动轴压盘15时，缸带7的向下位置不会发生较大的偏移而影响传动效果和缸带7的寿命。
继续结合图1所示，本实施例中，在所述缸体26内还设置有电连接至所述控制系统的制动控制电机13，所述从动轴18上设置有从动轴刹车蹄10，所述制动控制电机13的输出轴上连接有制动拉线齿轮12，所述制动拉线齿轮12通过弹簧自动伸缩器11连接所述从动轴刹车蹄10。这里所述从动轴刹车蹄10为现有结构，其能在控制电机的控制下制动所述从动轴18，以使得从动轴18停转。所述从动轴刹车蹄10通过弹簧自动伸缩器11和制动拉线齿轮12与制动控制电机13连接，从而可以通过制动控制电机13控制从动轴刹车蹄10的工作。这里所述弹簧自动伸缩器11和制动拉线齿轮12为常用的制动配合机构，其工作方式为：制动控制电机13旋转拉起弹簧自动伸缩器11使其弹簧自动伸缩器11内部的棘轮卡死，从而使从动轴刹车蹄10抱死从动轴18，制动控制电机13再次旋转，拉起弹簧自动伸缩器11，使得弹簧自动伸缩器11内部棘轮自动解锁，使从动轴刹车蹄10脱开从动轴18。通过上述的制动机构，可以使得从动轴18均有刹车停机的保持功能。当然，上述的制动机构仅为其中一种实施例，还可以采用其他现有的制动方式来实现该制动和解除制动的动作。
所述从动轴18的末端通过伸缩机构以将从动轴18的旋转运动转化为伸缩运动。具体地，所述伸缩机构包括套设在所述从动轴18上的丝杆螺母20，所述丝杆螺母20外侧与所述作用杆21固定连接，且在所述作用杆21上设置有电连接至所述控制系统的位移传感器23。通过从动轴18旋转带动所述丝杆螺母20前后运动，进而带动固定在所述丝杆螺母20上的作用杆21进行伸缩运动。这里所述作用杆21固定在所述从动轴左轴承24和从动轴中间轴承19上方，且在所述缸体26上设置有用于固定所述作用杆的滚柱轴承22和端面轴承25。所述位移传感器23用于监测所述作用杆21的位置，并将该位置信息传递至所述控制系统上。
所述控制系统包括复合控制器27，所述复合控制器27连接有动力电池29供电，且所述复合控制器27电气连接所述电机控制器28、主动轴控制电机6、从动轴控制电机17以及制动控制电机13。另一实施例中，还设置有电手柄30，所述电手柄30与动力电池29、电机控制器28、复合控制器27设置有CAN信号传输。控制系统的工作原理为：电手柄30、作用杆21的位移传感器23向复合控制器27传感信号，复合控制器27利用接收到的传感信息经过控制算法计算后分别向电机控制器28、主动轴控制电机6、制动控制电机13、从动轴控制电机17发送控制信号，控制驱动电机1、主动轴控制电机6、制动控制电机13、从动轴控制电机17的正反转，进而控制无级变速器主动轴、从动轴18传动比的改变、制动器的动作与松开，以实现电动缸根据外负载实时调整转速转矩，达到高效传动的目的。本实施例中，所述复合控制器27为现有的控制装置，包括有伺服控制系统等。
通过该电动缸，可以实现如下多种工况的控制：
A：电动缸工作在低速大扭矩举升工况，具体如下：
电手柄30发送伸出控制指令给复合控制器27，复合控制器27发送控制信号给电机控制器28，电机控制器28控制电机正转，电机通过联轴器2带动主动轴正向旋转，复合控制器27控制主动轴控制电机6正转，主动轴压盘齿轮5通过齿轮副带动主动轴压盘4正向旋转，主动轴压盘4压向主动轴顶盘3，主动轴压盘4和主动轴顶盘3将缸带7顶起，使主动轴压盘4传动半径增大；此时，复合控制器27控制从动轴控制电机17反转，从动轴压盘15通过齿轮副带动从动轴压盘15反向旋转，从动轴压盘15背离从动轴顶盘14，从动轴顶盘14和从动轴压盘15将缸带7放下，使从动轴压盘15传动半径减少，使得无级变速器传动比增大，可以减速增扭；此过程中，主动轴通过缸带7带动从动轴18正向旋转，从动轴18通过螺母副带动丝杆螺母20移动，丝杆螺母20固连在作用杆21上，进而带动作用杆21减速增扭移动。
B：电动缸工作在高速小扭矩举升工况，具体如下：
本实施例与实施例A工作过程基本相同，区别仅在于：所述复合控制器27控制主动轴控制电机6反转，主动轴压盘齿轮5通过齿轮副带动主动轴压盘4反向旋转，主动轴压盘4背离主动轴顶盘3，主动轴压盘4和主动轴顶盘3将缸带7放下，主动轴压盘4传动半径减少，同理，从动轴压盘15和从动轴顶盘14将缸带7放下，从动轴压盘15传动半径减少，使无级变速器传动比减少，电动缸实现增速减扭举升。
C：电动缸工作在低速大扭矩下降工况，具体如下：
本实施例与实施例A工作过程基本相同，区别仅在于：所述电机控制器28控制驱动电机1反转，电动缸实现减速增扭下降。
D：电动缸工作在高速小扭矩下降工况，具体如下：
本实施例与实施例B型变速变扭矩电动缸实施例工作过程基本相同，区别仅在于：所述电机控制器28控制驱动电机1反转，电动缸实现增速减扭举升下降。
E：电动缸刹车保持与解除制动，具体如下：
（1）当电动缸需刹车保持时，复合控制器27控制制动控制电机13正向旋转，拉起弹簧自动伸缩器11，弹簧自动伸缩器11内部棘轮卡死，进而实现停机，从动轴刹车蹄10抱死所述从动轴18。
（2）当电动缸需解除制动时，复合控制器27控制制动控制电机13再次正向旋转，拉起弹簧自动伸缩器11，弹簧自动伸缩器11内部棘轮自动解锁，进而实现开机，从动轴刹车蹄10脱开从动轴18。
结合图3所示，在另一具体实施例中，在设置有第一电动缸31和第二电动缸32控制时，当工程机械在挖掘工况时，可以使第一电动缸31和第二电动缸32工作在低速大扭矩下降工况，以保证工程机械的大力铲掘；或者可以使第一个电动缸和第二电动缸32工作在高速小扭矩下降工况，以保证工程机械的高速度作业。
通过本发明实施例，可以使得电动缸的满足工程机械高效传动、高功率密度、高频响、耐冲击性强的需求。
应当理解的是：以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例，不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

Claims (10)

1.一种可变速变扭矩的电动缸，包括缸体、驱动电机和控制系统，其特征在于，所述缸体内设置有无级变速器主动系统、无级变速器从动系统以及作用杆，其中，所述驱动电机与所述无级变速器主动系统传动连接；所述无级变速器主动系统与无级变速器从动系统通过缸带传动连接；所述无级变速器从动系统连接所述作用杆且适于驱动所述作用杆运动；所述无级变速器主动系统上连接有与控制系统电连接的主动轴控制电机，所述无级变速器从动系统上连接有与所述控制系统电连接的从动轴控制电机，所述主动轴控制电机与从动轴控制电机配置为能控制调节所述缸带与所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的连接位置以控制调节所述无级变速器主动系统、无级变速器从动系统之间的传动比。
2.根据权利要求1所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述无级变速器主动系统包括主动轴以及套接在所述主动轴上的主动轴顶盘和主动轴压盘；其中，所述主动轴与所述驱动电机传动连接；所述主动轴顶盘固定在所述主动轴靠近所述驱动电机的一侧；所述主动轴压盘活动连接在所述主动轴上，且连接至所述主动轴控制电机；所述缸带活动连接于所述主动轴顶盘和所述主动轴压盘之间，且适于在所述主动轴压盘运动靠近所述主动轴顶盘时被顶起以使得所述主动轴压盘的传动半径增大，并配置为能在所述主动轴压盘背离所述主动轴顶盘时使所述主动轴压盘的传动半径减小。
3.根据权利要求2所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述主动轴压盘与所述主动轴通过螺纹连接，所述主动轴控制电机的输出轴上设置有主动轴压盘齿轮，所述主动轴压盘齿轮与所述主动轴压盘通过齿轮副连接，所述主动轴控制电机适于通过正转或者反转以控制所述主动轴压盘靠近或者背离所述主动轴顶盘。
4.根据权利要求2所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述无级变速器从动系统包括从动轴以及套设在所述从动轴上的从动轴顶盘和从动轴压盘；其中，所述从动轴的一端通过伸缩机构连接所述作用杆，所述从动轴顶盘固定在所述从动轴上，所述从动轴压盘活动连接在所述主动轴上，且通过齿轮副连接至所述从动轴控制电机，所述从动轴压盘配置为能在所述从动轴控制电机的控制下靠近或者背离所述从动轴顶盘；所述缸带活动连接于所述从动轴顶盘与所述从动轴压盘之间。
5.根据权利要求4所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述缸体内还设置有电连接至所述控制系统的制动控制电机，所述从动轴上设置有从动轴刹车蹄，所述制动控制电机的输出轴上连接有制动拉线齿轮，所述制动拉线齿轮通过弹簧自动伸缩器连接所述从动轴刹车蹄。
6.根据权利要求4所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述伸缩机构包括套设在所述从动轴上的丝杆螺母，所述丝杆螺母的外侧与所述作用杆固定连接，且在所述作用杆上设置有电连接至所述控制系统的位移传感器。
7.根据权利要求4所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述从动轴压盘与所述主动轴压盘相对设置。
8.根据权利要求4所述的可变速变扭矩的电动缸，其特征在于，所述主动轴顶盘、主动轴压盘以及从动轴顶盘和从动轴压盘均设置有适于与所述缸带连接的锥形面，且所述主动轴顶盘与主动轴压盘的锥形面相对设置，所述从动轴顶盘与从动轴压盘的锥形面相对设置。
9.一种工程机械，其特征在于，包括权利要求1-8任意一项所述的可变速变扭矩的电动缸。
10.根据权利要求9所述的工程机械，其特征在于，所述可变速变扭矩的电动缸设置有两个。
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