一种电力液压并行驱动的工程机械行走系统

本发明涉及一种行走系统，尤其是一种电力液压并行驱动的工程机械行走系统。

背景技术：

随着日益严峻的环境问题及能源危机，节能减排和绿色环保的理念获得越来越多国家的认可与关注。工程机械(也称为工程车辆)由于工作环境恶劣，路面崎岖不平，工况复杂多变，其行走系统的能耗通常相对较高，传统的工程机械多采用由变矩器+变速箱组成的“双变”液力传动装置实现变速变矩。液力传动具有输出转速随负载的增大而自动下降的较“软”的工作特性，能够防止发动机过载，但其传动效率较低，变矩比受转速影响较大，尤其是在重负载下需要系统输出高功率时，传动效率反而大幅下降，不仅降低作业效率，而且造成巨大的能源浪费。

电动化工程机械被认为是一种理想的驱动方式之一，然而，工程机械的工况和工作模式与一般的车辆具有较大的区别，电驱动技术在工程机械行走系统领域的研究尚处于起步阶段，亟需解决如下问题：

(1)极限工况下的低速大扭矩驱动：电机工作在近零转速时，转矩可控性差，其可输出功率大幅降低，难以在装载机铲装、推土机挖沟等极限工况下提供充足的动力。若采用单独的高能量电池+电机+变矩器-变速箱的行走驱动系统采用了能耗较高的变矩器且无法能量回收，导致整体效率不高，能耗相对较高。而高能量电池+电机+变速箱的行走驱动系统取消了变矩器，提高了整车的节能效果，但由于电机自身输出峰值功率的限制(一般为额定功率的2倍且在近零转速大大降低)也导致该系统存在近零转速驱动能力不足等问题。

(2)装机功率匹配难：工程机械作业时的平均功率仅为瞬时峰值功率的1/3-1/4，若为满足极限工况需求，按照峰值功率选取驱动电机，将存在较大的装机功率盈余，且无法有效保证驱动电机工作点持续运行于高效区，经济性差。

(3)能量回收工况波动剧烈：为了满足长时作业需求，电动工程机械一般采用能量型电池作为能源，难以实现大倍率电流充放电，进而无法高效回收频繁启停时的瞬时大功率制动能量。

有鉴于此，本申请人对上述问题进行了深入的研究，遂有本案产生。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能耗相对较低、驱动力充足且经济性好的电力液压并行驱动的工程机械行走系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力液压并行驱动的工程机械行走系统，包括机械传动部分以及分别与所述机械传动部分传动连接的电力驱动部分、液压驱动部分和行走执行部分，所述机械传动部分包括相互平行布置的电力输入轴、液压输入轴、动力输出轴、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第四传动轴、第五传动轴、第六传动轴和第七传动轴，所述电力输入轴和所述电力驱动部分传动连接，所述液压输入轴和所述液压驱动部分传动连接，所述动力输出轴和所述行走执行部分传动连接，所述电力输入轴上设置有输入齿轮，所述第一传动轴上设置有第一齿轮和与所述输入齿轮啮合的第二齿轮，且所述第一传动轴和所述第二传动轴之间通过第一离合器连接，所述第二传动轴上设置有第三齿轮，所述第三传动轴和所述液压输入轴之间通过第二离合器连接，且所述第三传动轴上设置有与所述第二齿轮啮合的第四齿轮，所述第四传动轴上设置有与所述第二齿轮啮合的第五齿轮，且所述第四传动轴和所述第五传动轴之间通过第三离合器连接，所述第五传动轴上设置有与所述第三齿轮啮合的第六齿轮，所述第六传动轴上设置有与所述第一齿轮啮合的第七齿轮，且所述第六传动轴和所述第七传动轴之间通过第四离合器连接，所述第七传动轴上设置有与所述第三齿轮啮合的第八齿轮。

作为本发明的一种改进，所述电力驱动部分包括第一电动发电一体机、与所述第一电动发电一体机电连接的第一电机控制模块以及与所述第一电机控制模块电连接的充放电池，所述第一电动发电一体机的转轴与所述电力输入轴传动连接。

作为本发明的一种改进，所述液压驱动部分包括泵马达一体机、主泵、与所述主泵的进油口连接的油箱、与所述主泵的出油口连接的第一两位两通电磁换向阀、与所述第一两位两通电磁换向阀的出油口连通的三位四通电磁换向阀，所述三位四通电磁换向阀的回油口与所述油箱连接，所述三位四通电磁换向阀的两个出油口分别连接通过液压油管与所述泵马达一体机的两个油口一一对应连接，且两个所述液压油管上分别连接有与所述油箱连接的补油管，所述补油管上设置有单向阀，所述泵马达一体机的转轴与所述液压输入轴传动连接。

作为本发明的一种改进，所述主泵的出油口以及所述泵马达一体机的两个油口上还分别连接有第一安全阀，各所述第一安全阀的回油口都与所述油箱连接。

作为本发明的一种改进，所述第一两位两通电磁换向阀的出油口还连接有第二两位两通电磁换向阀，所述第二两位两通电磁换向阀的出油口分别连接有液压蓄能器和第二安全阀，所述第二安全阀的回油口都与所述油箱连接。

作为本发明的一种改进，所述第一两位两通电磁换向阀和所述第二两位两通电磁换向阀的出油口分别连接有压力传感器。

作为本发明的一种改进，还包括工作及转向液压装置，所述主泵的出油口同时与所述工作及转向液压装置连接。

作为本发明的一种改进，所述主泵上连接有第二电动发电一体机，所述第二电动发电一体机上电连接有第二电机控制模块，所述第二电机控制模块与所述充放电池电连接。

作为本发明的一种改进，所述充放电池为锂电池。

作为本发明的一种改进，所述油箱的出油口上安装有过滤器。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明综合了电动化驱动系统和液压驱动系统的优点，采用电力驱动部分和液压驱动部分共同驱动机械行走，综合发挥电传动调速性能好和液压传动功率密度高的优势，能耗相对较低、驱动力充足且经济性好。

2、在高速工况下，利用泵马达一体机输出扭矩弥补第一电动发电一体机工作在恒功率区因转速提高导致扭矩不足的问题，当负责铲装堵转工况时，利用变量泵/马达输出扭矩辅助行走电机驱动，在工程机械执行工程操作(如装载机铲装、推土机挖沟等)的极限工况下，利用泵马达一体机输出扭矩辅助第一电动发电一体机驱动行走，还得第一电动电机一体机所需要的功率等级大大降低。

3、本发明的机械传动部分取消了方向离合器及对应的齿轮，利用第一电动发电一体机、泵马达一体机能够正反转的特性实现整车前进、倒车，提高了整车传动的效率、减小了外油路的安装空间、简化了电气控制、机械结构，大大提高了整车的可靠性和降低了成本，经济性好。

4、由于工程机械的工作及转向液压装置在工作时，存在很大程度的溢流损耗，通过液压蓄能器将该部分损耗能量进行回收，可用于行液压驱动部分或工作及转向液压装置再利用。

5、通过设置充放电池和液压蓄能器，实现大倍率电流充放电，能够高效回收频繁启停时的瞬时大功率制动能量。

附图说明

图1为本发明电力液压并行驱动的工程机械行走系统的结构示意图。

图中标示对应如下：

100-机械传动部分；101-第一传动轴；

102-第二传动轴；103-第三传动轴；

104-第四传动轴；105-第五传动轴；

106-第六传动轴；107-第七传动轴；

109-电力输入轴；110-液压输入轴；

111-动力输出轴；112-输入齿轮；

121-第一齿轮；122-第二齿轮；

123-第三齿轮；124-第四齿轮；

125-第五齿轮；126-第六齿轮；

127-第七齿轮；128-第八齿轮；

129-输出齿轮；131-第一离合器；

132-第二离合器；133-第三离合器；

134-第四离合器；200-电力驱动部分；

210-第一电动发电一体机；220-第一联轴器；

300-液压驱动部分；310-泵马达一体机；

311-第一安全阀；312-第二联轴器；

320-主泵；321-第二电动发电一体机；

330-油箱；331-过滤器；

340-第一两位两通电磁换向阀；

341-第二两位两通电磁换向阀；

342-液压蓄能器；343-第二安全阀；

344-压力传感器；350-三位四通电磁换向阀；

351-单向阀；500-工作及转向液压装置、

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例提供一种电力液压并行驱动的工程机械行走系统，包括机械传动部分100以及分别与机械传动部分100传动连接的电力驱动部分200、液压驱动部分300和行走执行部分(图中未示出)，其中，行走执行部分为常规的工程机械(如挖土机、装载机或抓木机等)所采用的轮式行走机构或履带式行走机构，并非本实施例的重点，此处不再详述。

机械传动部分100实质是一个动力耦合箱，其包括箱体、设置在箱体内且相互平行布置的电力输入轴109、液压输入轴110、动力输出轴111、第一传动轴101、第二传动轴102、第三传动轴103、第四传动轴104、第五传动轴105、第六传动轴106和第七传动轴107，其中，第一传动轴101和第二传动轴102呈直线依次布置，第三传动轴103和液压输入轴110呈直线依次布置，第四传动轴104和第五传动轴105呈直线依次布置，第六传动轴106和第七传动轴107呈直线依次布置。此外，电力输入轴109和电力驱动部分200传动连接，液压输入轴110和液压驱动部分300传动连接，动力输出轴111和行走执行部分传动连接。需要说明的是，上述输入轴或输出轴仅是轴的命名，并不代表该轴只能实现扭矩输入或扭矩输出，在某些工作条件下，输入轴可能实现的是扭矩输出功能，输出轴可能实现的是扭矩输入功能，同样的，下文将会提及的输入齿轮和输出齿轮也仅是齿轮的命名。

电力输入轴109上设置有输入齿轮112，第一传动轴101上设置有第一齿轮121和与输入齿轮112啮合的第二齿轮122，且第一传动轴101和第二传动轴102之间通过第一离合器131连接，第二传动轴102上设置有第三齿轮123，第三传动轴103和液压输入轴110之间通过第二离合器132连接，且第三传动轴103上设置有与第二齿轮122啮合的第四齿轮124，第四传动轴104上设置有与第二齿轮122啮合的第五齿轮125，即第二齿轮122同时与输入齿轮112、第四齿轮124和第五齿轮125啮合；第四传动轴104和第五传动轴105之间通过第三离合器133连接，第五传动轴105上设置有与第三齿轮123啮合的第六齿轮126，第六传动轴106上设置有与第一齿轮121啮合的第七齿轮127，且第六传动轴106和第七传动轴107之间通过第四离合器134连接，第七传动轴107上设置有与第三齿轮123啮合的第八齿轮128，动力输出轴111上设置有与第三齿轮123啮合的输出齿轮129，即第三齿轮123同时与输出齿轮129、第六齿轮126和第八齿轮128啮合，各齿轮之的齿数可根据实际需要设定。

第一离合器131、第三离合器133和第四离合器134对应机械传动部分100的三个速比挡位，第二离合器132的连接或断开决定了液压驱动部分300是否与电力驱动部分200耦合，当然，箱体还需要设置与各离合器配合的三挡变速机构，具体的变速机构与常规的变速箱所配合的变速机构相同，此处不再详述。需要说明的是，三挡变速只是现有的工程机械锁使用的多档变速的一种，也可以根据实际需要将其设置有三挡以上的变速。

本实施例提供的机械传动部分100，取消了传统工程机械采用的方向离合器及所对应的齿轮，利用下文将会提及的第一电动发电一体机210和泵马达一体机310能够正反转的特性实现整车前进、倒车，该方案提高了整车传动的效率、减小了外油路的安装空间、简化了电气控制、机械结构，大大提高了整车的可靠性和降低了成本。

本实施例提供的电力液压并行驱动的工程机械行走系统有单行走电机驱动、单变量泵/马达驱动、行走电机和变量泵/马达复合驱动三种驱动模式，使用时，机械传动部分100根据驾驶挡位及驱动模式的条件进行相应的离合器结合，通过相应齿轮输出动力，此处以采用三挡变速机构为了进行说明：

在单行走电机驱动模式下，电力驱动部分200单独驱动，当挡位为一挡时，第三离合器133结合(即处于传动连接状态)，其他离合器分离(即处于非传动连接状态)，电力驱动部分200提供的动力依次经电力输入轴109、第一传动轴101、第四传动轴104、第五传动轴105、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分；当挡位为二挡时，第四离合器134结合，其他离合器分离，电力驱动部分200提供的动力依次经电力输入轴109、第一传动轴101、第六传动轴106、第七传动轴107、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分；当挡位为三挡时，第一离合器131结合，其他离合器分离，电力驱动部分200提供的动力依次经电力输入轴109、第一传动轴101、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分。

在单变量泵/马达驱动模式下，液压驱动部分300单独驱动，当挡位为一挡时，第二离合器132和第三离合器133结合，其他离合器分离，液压驱动部分300提供的动力依次经液压输入轴110、第三传动轴103、第一传动轴101、第四传动轴104、第五传动轴105、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分；当挡位为二挡时，第二离合器132和第四离合器134结合，其他离合器分离，液压驱动部分300提供的动力依次经液压输入轴110、第三传动轴103、第一传动轴101、第六传动轴106、第七传动轴107、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分；当挡位为三挡时，第一离合器131和第二离合器132结合，其他离合器分离，液压驱动部分300提供的动力依次经液压输入轴110、第三传动轴103、第一传动轴101、第二传动轴102和动力输出轴111传递到行走执行部分。

在行走电机和变量泵/马达复合驱动模式下，电力驱动部分200和液压驱动部分300同时进行驱动，各挡位状态下个离合器的动作与在单变量泵/马达驱动模式下相同，电力驱动部分200和液压驱动部分300的动力在第二齿轮122处耦合，共同带动第二齿轮122转动，然后将动力沿对应的传动轴传递到行走执行部分。

电力驱动部分200包括第一电动发电一体机210、与第一电动发电一体机210电连接的第一电机控制模块(图中未示出)以及与第一电机控制模块电连接的充放电池(图中未示出)，其中，第一电动发电一体机210的转轴通过第一联轴器220与电力输入轴109传动连接，此外，充放电池优选为锂电池。需要说明的是，本实施例中提及的电动发电机一体机都为同时具有电动机和发电机功能的电动/发电机，其可从市场上直接购买获得。

液压驱动部分300包括泵马达一体机310、主泵320、与主泵320的进油口连接的油箱330、与主泵320的出油口连接的第一两位两通电磁换向阀340、与第一两位两通电磁换向阀340的出油口连通的三位四通电磁换向阀350，其中，泵马达一体机310的转轴通过第二联轴器312与液压输入轴110传动连接。需要说明的是，泵马达一体机310和主泵320都是可同时具有变量泵和液压马达功能的变量泵/马达，其可从市场上直接购买获得。

泵马达一体机310具有两个油口，当其中一个油口作为进油口时，另一个油口作为出油口。泵马达一体机310的两个油口上分别连接有第一安全阀311，各第一安全阀311的回油口都与油箱330连接，以回收液压油。

主泵320上连接有第二电动发电一体机321，具体的，第二电动发电一体机321的转轴和主泵320的转轴通过联轴器同轴连接。第二电动发电一体机321上电连接有第二电机控制模块(图中未示出)，第二电机控制模块与充放电池电连接，这样能够利用主泵320的反转驱动第二电动发电一体机321发电实现储能。优选的，本实施例提供的工程机械行走系统还包括工作及转向液压装置500，该工作及转向液压装置500为常规的工程机械上用于驱动工作单元动作以及转向的液压装置，并非本实施例的重点，此处不再详述。主泵320的出油口同时与工作及转向液压装置500连接，即在常规的工作及转向液压装置500中并行接入液压驱动部分300，可充分利用工作及回转液压系统500的富余动力，较为节能，具体的，由于工程机械(如装载机等)工作及转向液压装置500在工作时，存在很大程度的溢流损耗，通过下文将会提及的液压蓄能器342将该部分损耗能量进行回收，用于液压驱动部分300或工作及转向液压装置500再利用。此外，主泵320的出油口上也连接有一个第一安全阀311，该第一安全阀311的回油口也与油箱330连接，以保护主泵320。

油箱330的出油口上安装有过滤器331，主泵320的进油口通过过滤器331与油箱330连接，避免油箱330中混入的污染物堵塞液压通道。第一两位两通电磁换向阀340的进油口与主泵320的出油口连接，由于主泵320的出油口还连接有第一安全阀311的进油口和工作及转向液压装置500，因此，第一两位两通电磁换向阀340的进油口实质上也与第一安全阀311的进油口和工作及转向液压装置500连接。

优选的，第一两位两通电磁换向阀340的出油口还连接有第二两位两通电磁换向阀341，具体的，第一两位两通电磁换向阀340的出油口与第二两位两通电磁换向阀341的进油口连接，第二两位两通电磁换向阀341的出油口分别连接有液压蓄能器342和第二安全阀343，第二安全阀343的回油口与油箱330连接，这样，当工程机械执行工程操作工况时，其特点是低转速、大扭矩、短时间，该工况的特点与液压蓄能器342的工作特性很好的吻合，可以采用液压蓄能器9为泵马达一体机310供油。此外，在本实施例中，第一两位两通电磁换向阀340和第二两位两通电磁换向阀341的出油口分别连接有压力传感器344。

三位四通电磁换向阀350具有一个进油口、一个回油口和两个出油口，三位四通电磁换向阀350的进油口与第一两位两通电磁换向阀340的出油口连接，其实质也同时与第二两位两通电磁换向阀341的进油口连接，三位四通电磁换向阀350的回油口与油箱330连接，三位四通电磁换向阀350的两个出油口分别连接通过液压油管与泵马达一体机310的两个油口一一对应连接，且两个液压油管上分别连接有与油箱330连接的补油管，各补油管上都设置有单向阀351，这样泵马达一体机310可以利用补油管进行补油，同时能够防止回流。

优选的，在本实施例中，第一电动发电一体机210和泵马达一体机310的转轴上都安装有转速传感器，第一电动发电一体机210上的转速传感器与第一电机控制器通讯拦截，泵马达一体机310上的转速传感器与第二电机控制器通讯连接，以便对应的电机控制器读取对应的转速和转矩信号。

如上文所述，本实施例提供的电力液压并行驱动的工程机械行走系统有单行走电机驱动、单变量泵/马达驱动、行走电机和变量泵/马达复合驱动三种驱动模式，在单变量泵/马达驱动模式，发挥变量泵马达一体机310匹配液压蓄能器342工作在低速大扭矩的优势，主要负责起步工况；在单行走电机驱动模式，发挥第一电动发电一体机210效率高的优势，主要负责中低速工况；在行走电机和变量泵/马达复合驱动模式，当负责高速工况时，利用马达一体机310输出扭矩弥补第一电动发电一体机210工作在恒功率区因转速提高导致扭矩不足的问题，当负责执行工程操作(如铲装堵转等)工况时，利用马达一体机310输出扭矩辅助第一电动发电一体机210驱动，使得第一电动发电一体机210的功率等级大大降低。各电磁换向阀的具体控制方式如下表所示(表中的上下和左右方位位图1所示的方位)：

本实施例提供的电力液压并行驱动的工程机械行走系统，采用液压蓄能器-变量泵/马达对作为行走电机的第一电动发电一体机210通过机械传动部分100(动力耦合箱)进行耦合驱动，并取消了传统工程机械(如装载机或挖掘机等)使用的变矩器，在近零转速或峰值负载工况下，利用液压马达(即泵马达一体机310)辅助电动机(即第一电动发电一体机210)输出瞬时大扭矩，满足极限工况的驱动需求，第一电动发电一体机210只需输出一个平均扭矩；在负值负载工况下，利用液压蓄能器342和锂电池组成的双能量回收单元分别实现对瞬时大功率和稳定小功率能量的高效复合式回收。

由于装载机或挖掘机等工程机械一次作业工况复杂、频繁，使得制动频率高，而传统制动系统采用摩擦制动的方式，制动系统的寿命难以评估导致可靠性存在隐患，为解决该问题，优选的，在本实施例提供了一种提出优先电机制动模式能量回收，次变量泵/马达制动模式能量回收的策略，因为电气回路效率高于液压回路，同时，由于制动扭矩较大，实现能量回收效果明显，大大提升了整车巡航能力，具体方式如下：结合锂电池的soc值进行模式判断，当soc值处于可充电状态，利用第一电动发电一体机210和/或第二电动发电一体机321输出反向扭矩，在负载状态下产生反电动势，对制动产生的能量进行回收利用，存储至锂电池中；当soc值处于不可充电或充电效率低的状态，利用变量泵/马达工作在泵模式，将工程机械行驶的动能转换为压力能并存储至液压蓄能器342中，特别地，当整车行驶在高速滑行工况，可进行液压式能量回收。

具体的，在能量回收方面，主要由工作及转向液压装置500能量回收和再生制动两个部分组成。对于工作及转向液压装置500能量回收，当工作及转向液压装置500存在可回收能量时，通过工程机械的整机控制器(该控制器为常规的控制器，但并不属于本实施例的一部分，当然也可以在本实施例中增加一个独立的控制器，使用时将该控制器与整机控制器通讯连接)对连接在第二两位两通电磁换向阀341的出油口的压力传感器344监测，判断液压蓄能器342是否处于可回收状态，当断液压蓄能器342处于可回收状态时，第一两位两通电磁换向阀340工作在下工位、第二两位两通电磁换向阀341工作在右工位，对能量进行回收；对于再生制动，整机控制器对锂电池的soc值进行监测，当soc值处于可回收状态时，进行电气式能量回收，由整机控制控制器通过第一电机控制器对第一电动发电一体机210发送转矩模式请求，并由整机控制器对电子制动踏板开度信号接收、处理，为其赋值制动扭矩，当soc值处于不可回收状态或回收效率低时，进行液压式能量回收，由液压蓄能器342进行能量回收，此时，泵马达一体机310工作在泵工况，第二两位两通电磁换向阀341工作在右工位，三位四通电磁换向阀350在前进制动时处于下工位、倒车制动时处于上工位，当整车行驶在高速滑行工况，进行液压式能量回收，其控制方式同上。

本实施例提供的工程机械行走系统应用于工程机械时，其工作原理如下：利用工程机械的整机控制器对对两个电机控制器的反馈转速和反馈转矩信号、工程机械的电子油门开度信号、制动踏板开度信号、工程机械行走系统的压力传感器压力反馈信号、电池管理系统soc信号等进行采集和数据处理，对各驱动工况以及制动能量回收方式进行判断，同时，由整机控制器执行预先制定的控制策略，对本实施例中的两个电机控制器、三个电磁换向阀、四个离合器发送控制信号，从而控制第一电动发电一体机210和泵马达一体机310输出动力、三个电磁换向阀的阀芯位移、四个离合器的结合或脱离，进而实现各驱动工况及能量回收方式。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。