一种装载机用三段式液压机械无级传动装置的制作方法

发明涉及一种无级传动装置，具体涉及一种三段式液压机械复合无级传动装置，属于动力传动技术领域。

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，液压变矩器效率较低，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。

卡特皮勒公司的cn104136812a、cn104136813a、us2006/0276291a1公布了一种装载机用多挡液压机械变速器，包含两个连续变速的液压机械段和一个高速液压机械段，两个连续的液压机械段分别用于起步和低速作业，高速液压机械段用于行走转场。由于采用液压机械功率的两路复合，液压路只传递部分功率，故传动效率较液力机械动力换挡变速箱有较大的提高。但连续的液压机械段与高速液压机械段之间切换，液压元件的速度不连续，离合器存在速差，不能实现动力换挡。

zf公司us8328676b2公布了一种装载机液压机械传动装置，采用2个或者3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。2个液压机械段传动方案所需的液压元件功率较大；3个液压机械段传动方案，第ⅱ与第ⅲ段之间切换依然存在液压元件的速度不连续。

danarexroth公司us2014/0305113a1公布了一种2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ep2280192b1公布了一种3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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种装载机用三段连续式液压机械传动装置，采用五杆分汇流机构实现三个连续的液压机械段，分别用于起步、低速作业和高速行走；倒车挡包含两个液压机械段。三个工作段连续变速，液压元件的速度连续变化，离合器无速差切换，操纵简单，传动效率高。

所述的装载机用三段式液压机械无级传动装置包括：输入部分、液压调速回路、分汇流机构、液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构、液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构、液压机械ⅲ段定轴齿轮传动机构、倒挡机构和输出部分；

所述输入部分包括：轴a、固接在轴a上的齿轮a和齿轮s、轴b和固接在轴b上的齿轮t；所述齿轮a和分汇流机构相连，所述齿轮s和齿轮t啮合；来自于发动机的机械功率通过轴a输入后分成两路：一路依次通过齿轮s、齿轮t、轴b传递给液压调速回路；另一路依次通过齿轮a传递给分汇流机构；

所述液压调速回路包括：液压泵、液压马达和补油泵；所述液压泵为双向变量泵；所述液压泵与液压马达组成闭式液压回路，所述补油泵维持闭式液压回路的低压压力，并为液压泵提供控制油压；所述液压泵与轴b固连；所述液压泵将来自于轴b的机械功率转化为液压能后通过液压回路传递给液压马达；所述液压马达将液压能转化为机械能传递至分汇流机构；

所述分汇流机构包括由第一太阳轮、双星轮、行星架、第二太阳轮组成的外啮合双星排和第一齿圈、第二齿圈；所述第一太阳轮和液压马达固连，所述第一齿圈和齿轮c固连，所述齿轮c和输入机构中的齿轮a啮合；所述第二齿圈和齿轮r固连；所述第二太阳轮和齿轮p固连；所述行星架和齿轮q固连；

所述液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮m、离合器kv1、齿轮d、和齿轮f；所述齿轮m与所述分汇流机构中的齿轮r啮合；所述离合器kv1的主动端与支撑在壳体上的齿轮d的齿轮轴固连，被动端与所述齿轮m相连；所述齿轮d和齿轮f啮合，所述齿轮f和输出部分相连；

所述液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮n和离合器kv2；所述齿轮n和所述分汇流机构中的齿轮p啮合；所述离合器kv2的主动端与支撑在壳体上的齿轮d的齿轮轴固连，被动端与齿轮n相连；

所述液压机械ⅲ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮j、齿轮i和离合器kv3；所述分汇流机构中的齿轮q通过齿轮j与所述齿轮i啮合；所述离合器kv3的主动端与支撑在壳体上的齿轮h的齿轮轴固连，被动端与齿轮i相连；

所述倒档机构包括：离合器kr1、离合器kr2、齿轮k、齿轮l和齿轮e；所述齿轮k和液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构中的齿轮m啮合；所述齿轮l和液压机械段定轴齿轮ⅱ传动机构中的齿轮n啮合；所述离合器kr1和离合器kr2的主动端均与支撑在壳体上的齿轮e的齿轮轴固连，离合器kr1的被动端与齿轮k相连，离合器kr2的被动端与齿轮l相连；所述齿轮e和齿轮f啮合，齿轮f和输出部分相连；

所述输出部分包括：齿轮h、与齿轮h相啮合的齿轮g、支撑在壳体上且与齿轮g同轴固接的输出轴；所述齿轮f与所述齿轮h同轴固接。

有益效果：

(1)本发明采用五杆分汇流机构，可实现三个连续的液压机械段，第ⅰ段用于起步，第ⅱ段用于低速作业，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。

(2)本发明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。全程无级调速，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。

(3)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。

(4)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。

(5)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、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-齿轮a、5-第一齿圈、6-齿轮c、7-第一太阳轮、8-液压马达、9-双星轮、10-离合器kv2、11-齿轮d、12-离合器kr2、13-齿轮e、14-齿轮f、15-齿轮g、16-输出轴、17-齿轮h、18-离合器kv3、19-齿轮i、20-离合器kr1、21-齿轮j、22-齿轮k、23-齿轮l、24-齿轮m、25-离合器kv1、26-齿轮n、27-齿轮p、28-齿轮q、29-齿轮r、30-第二太阳轮、31-行星架、32-第二齿圈、33-取力轴a、34-齿轮s、35-齿轮t、36-取力轴b。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种装载机用三段式液压机械复合无级传动装置，包含三个液压机械段，采用液压机械段起步，能够提高低速传动效率。相比于装载机液力机械动力换挡变速箱，本实施例所提供的传动装置可大幅提高传动装置的传动效率，并可使发动机常工作于经济转速区间，降低装载机的油耗和噪音水平。

该传动装置采用行星机构进行液压功率和机械功率的汇流，由三段分矩汇速(inputsplit)形式的液压机械段连续衔接而成。第ⅰ段用于起步，第ⅱ段用于低速作业工况，第ⅲ段用于高速行走。由于采用液压功率和机械功率复合，传动效率较液力机械动力换挡变速箱高；可保证作业和转场过程中的高传动效率和低油耗。倒车工况为两段，分别为倒挡液压机械ⅰ段和倒挡液压机械ⅱ段。

如图1所示，该传动装置具体包括：输入部分、液压调速回路、分汇流机构、液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构、液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构、液压机械ⅲ段定轴齿轮传动机构、倒挡机构和输出部分。

其中输入部分包括：取力轴a33、固接在取力轴a33上的齿轮a4和齿轮s34、取力轴b36和固接在取力轴b36上的齿轮t35；齿轮a4和分汇流机构中的齿轮c6啮合，齿轮s34和齿轮t35啮合。取力轴b36与液压泵2固连；来自于发动机的机械功率通过取力轴a33输入后分成两路：一路依次通过齿轮s34、齿轮t35、取力轴b36传递给液压调速回路；另外一路依次通过齿轮a4、齿轮c6传递给分汇流机构。

液压调速回路包括：液压泵2、液压马达8和补油泵3；液压泵2为双向变量泵，液压马达8为定量马达；液压泵2与液压马达8组成闭式液压回路，补油泵3维持闭式液压回路的低压压力，并为液压泵2提供控制油压。液压泵2与取力轴b36固连，液压马达8和分汇流机构中的第一太阳轮7固连。来自于取力轴b36的机械功率通过液压泵2转化为液压能后通过液压回路传递给液压马达8，液压马达8将液压能转化为机械能驱动太阳轮7，从而将这部分功率重新传递回机械回路。

分汇流机构为由外啮合双星排和附加两个齿圈(第一齿圈5、第二齿圈32)组成的五杆机构，所述外啮合双星排包括由第一太阳轮7、双星轮9、行星架31和第二太阳轮30；机械路动力从第一齿圈5输入，液压路功率从第一太阳轮7输入，第二齿圈32、第二太阳轮30、行星架31分别为液压机械ⅰ段、液压机械ⅱ段、液压机械ⅲ段的输出。其中第一太阳轮7和液压马达8固连；第一齿圈5和齿轮c6固连，齿轮c6和输入机构的齿轮a4啮合；第二齿圈32和齿轮r29固连，齿轮r29和液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构中的齿轮m24啮合；第二太阳轮30和齿轮p27固连，齿轮p27和液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构中的齿轮n26啮合；行星架31和齿轮q28固连，齿轮q28和液压机械ⅲ段定轴齿轮传动机构齿轮j21相啮合。来自于输入机构和液压调速回路的功率分别通过齿轮c6和第一太阳轮7输入，经分汇流机构汇流后可分别通过齿轮r29、齿轮p27、齿轮q28输出对应于液压机械ⅰ，ⅱ，ⅲ段档位，具体档位情况取决于液压机械ⅰ，ⅱ，ⅲ段档位的离合器接合状况。

液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮r29、齿轮m24、离合器kv125、齿轮d11和齿轮f14。其中齿轮m24和齿轮r29啮合，另一侧和倒档机构中的齿轮k22相啮合；离合器kv125的主动端与支撑在壳体1上的齿轮d11的齿轮轴固连，被动端与齿轮m24相连，当离合器kv125接合时，齿轮m24能够将动力传递至齿轮d11。齿轮d11和齿轮f14相啮合，齿轮f14和输出部分的齿轮h17固连。当离合器kv125接合时，来自于分汇流机构的功率通过液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构输出，功率流向为齿轮r29、齿轮m24、齿轮d11、齿轮f14、齿轮h17。

液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮p27、齿轮n26、离合器kv210以及与液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构共用的齿轮d11和齿轮f14。其中齿轮n26和齿轮p27啮合，齿轮n26另一侧和倒档机构中的齿轮l23相啮合；离合器kv210的主动端与支撑在壳体1上的齿轮d11的齿轮轴固连，被动端与齿轮n26相连，当离合器kv125接合时，齿轮n26能够将动力传递至齿轮d11。齿轮d11和齿轮f14相啮合，齿轮f14和输出部分的齿轮h17固连。当离合器kv210接合时，来自于分汇流机构的功率通过液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构输出，功率流向为齿轮p27、齿轮n26、齿轮d11、齿轮f14、齿轮h17。

液压机械ⅲ段定轴齿轮传动机构包括：齿轮q28、齿轮j21、齿轮i19和离合器kv318。其中齿轮j21一侧和齿轮q28啮合，另一侧和齿轮i19相啮合；离合器kv318的主动端与支撑在壳体1上的齿轮h17的齿轮轴固连，被动端与齿轮i19相连，当离合器kv318接合时，齿轮i19能够将动力传递至齿轮h17。当离合器kv318接合时，来自于分汇流机构的功率通过液压机械段ⅲ定轴齿轮传动机构输出，功率流向为齿轮q28、齿轮j21、齿轮i19、齿轮h17。

倒档机构包括：离合器kr120、离合器kr212、齿轮k22、齿轮l23、齿轮e13和齿轮f14。其中齿轮k22和液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构中的齿轮m24啮合；齿轮l23和液压机械段定轴齿轮ⅱ传动机构中的齿轮n26啮合；离合器kr120和离合器kr212的主动端均与支撑在壳体1上的齿轮e13的齿轮轴固连，离合器kr120的被动端与齿轮k22相连，离合器kr212的被动端与齿轮l23相连，当离合器kr120接合时，齿轮k22能够将动力传递至齿轮13e，当离合器kr212的接合时，齿轮l23能够将动力传递至齿轮e13；齿轮e13和齿轮f14啮合，齿轮f14和输出部分中的齿轮h17固连。当离合器kr120接合时，来自于液压机械ⅰ段定轴齿轮传动机构的功率经过齿轮m24、齿轮k22、齿轮e13、齿轮f14、齿轮h17反向输出，为倒挡液压机械ⅰ段档位。当离合器kr212接合时，来自于液压机械ⅱ段定轴齿轮传动机构的功率经过齿轮n26、齿轮l23、齿轮e13、齿轮f14、齿轮h17反向输出，为倒挡液压机械ⅱ段档位。

输出部分包括：齿轮h17、与齿轮h17相啮合的齿轮g15、支撑在壳体1上且与齿轮g15同轴固接的输出轴16，发动机动力经过液压机械变速箱后通过输出部分输出到装载机的前后桥。

本实施例的传动装置具有两个取力口，为pto1和pto2，分别连接轴a33和轴b36。

该无级传动装置各段的传动原理为：

第一段为液压机械ⅰ段：发动机经过轴a33输入的功率一路经过齿轮s34、齿轮t35传递到液压泵2，再传递到液压马达8、第一太阳轮7；另一路经过齿轮a4、齿轮c6传递到第一齿圈5，两路功率在分汇流机构中汇合。在该模式下，离合器kv125接合，汇合后的功率从第二齿圈32输出，然后依次经过齿轮r29、齿轮m24、离合器kv125、齿轮d11、齿轮f14、齿轮h17和齿轮g15输出。

第二段为液压机械ⅱ段：发动机经过轴a33输入的功率一路经过齿轮s34、齿轮t35传递到液压泵2，再传递到液压马达8、第一太阳轮7；另一路经过齿轮a4、齿轮c6传递到第一齿圈5，两路功率在分汇流机构中汇合。在该模式下，离合器kv210接合，汇合后的功率从第二太阳轮30输出，然后依次经过齿轮p27、齿轮n26、离合器kv210、齿轮d11、齿轮f14、齿轮h17和齿轮g15输出。

第三段为液压机械ⅲ段：发动机经过轴a33输入的功率一路经过齿轮s34、齿轮t35传递到液压泵2，再传递到液压马达8、第一太阳轮7；另一路经过齿轮a4、齿轮c6传递到第一齿圈5，两路功率在分汇流机构中汇合。在该模式下，离合器kv318接合，汇合后的功率从行星架31输出，然后依次经过齿轮q28、齿轮j21、齿轮i19、离合器kv318、齿轮h17和齿轮g15输出。。

倒挡液压机械ⅰ段：发动机经过轴a33输入的功率一路经过齿轮s34、齿轮t35传递到液压泵2，再传递到液压马达8、第一太阳轮7；另一路经过齿轮a4、齿轮c6传递到第一齿圈5，两路功率在分汇流机构中汇合。在该模式下，离合器kr120接合，汇合后的功率从第二齿圈32输出，经过齿轮r29、齿轮m24、齿轮k22、离合器kr120、齿轮e13、齿轮f14、齿轮h17和齿轮g15输出。

倒挡液压机械ⅱ段：发动机经过轴a33输入的功率一路经过齿轮s34、齿轮t35传递到液压泵2，再传递到液压马达8、第一太阳轮7；另一路经过齿轮a4、齿轮c6传递到第一齿圈5，两路功率在分汇流机构中汇合。在该模式下，离合器kr212接合，汇合后的功率从第二太阳轮30输出，经过齿轮p27、齿轮n26、齿轮l23、离合器kr212、齿轮e13、齿轮f14、齿轮h17和齿轮g15输出。

本发明的换段逻辑如表1所示。

表1三段式液压机械换段逻辑

本发明可实现动力换段，段间衔接时，可先接合下一段的离合器，再分离上一段的离合器，实现动力的不中断传递，保证动力传输的不中断，提高作业效率，并保证换挡的舒适性。

本实施例中匹配5吨装载机，液压泵、马达的转速随车速的变速规律如图2所示，液压泵的转速恒定，与发动机转速成比例。液压马达的转速不断变化，从而实现输出转速的无级调节。液压泵的最大压力随车速的变速规律如图3所示，压力随液压机械段的增加逐步降低。本实施例的最大输出转矩随车速的变速规律如图4所示，效率曲线如图5所示，实线为纯液压机械ⅰ段、液压机械ⅱ段和液压机械ⅲ段的效率曲线，虚线为液力机械动力换挡变速箱的效率曲线。由此可知，本实施例中的传动装置的传动效率明显高于液力机械动力换挡变速箱。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。