一种集成式混联取力系统及起重机的制作方法

1.本发明涉及一种集成式混联取力系统及起重机，属于工程机械技术领域。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，全球对环境治理、能源短缺等问题持续关注，国家对工程机械行业的能源消耗不断重视，整个工程机械行业朝着节能减排的方向发展。目前，传统汽车起重机通过发动机驱动底盘行驶和上车作业，由于底盘行驶功率远高于上车作业，发动机根据底盘行驶需要进行匹配。在上车作业时，由于发动机功率大，发动机往往不能在高效区工作，造成燃油消耗率较高，同时伴随大量有害气体的排放，经济性较差。为解决此问题，市场上出现了油电混合驱动上车作业系统，发动机、电机同轴布置，两者可单独或一起驱动上车作业，但由于缺少专用耦合机构，发动机工作时，电机不对发动机进行调速仅调节扭矩，调节时容易存现顿挫、抖动，且发动机难以长期工作在最佳经济区间。此外，由于取力器为固定速比，上车作业速度取决于发动机转速，高速作业时，发动机转速高、噪声大，油耗高；低速作业时，发动机转速无法降低到怠速以下，作业微动性难以保证。
3.现有的混合动力取力系统工作原理如图1所示，此系统有两种作业模式，一种是发动机工作时，动力经发动机、离合器、变速箱、取力器、电机及液压油泵传递给上车进行作业，此时电机空转；另一种模式，电机直接驱动液压泵，通过液压系统驱动上车进行作业，此时，电机输入端传动轴和变速箱取力器在电机作用下空转。
4.现有的起重机工作过程，存在以下缺点：电机与取力器同轴相连，电机个数与取力器相同。如果上车液压系统需要变速箱有多个取力器，则需要多个电机，系统成本急剧增加，且电机需要空间较大，实际车辆难以布置；起重机采用电机进行上车作业时，电机会带动取力器一起转动，增加了额外的转动惯量，耗电量增大；起重机采用发动机进行上车作业时，发动机会带动电机转子转动，增加了额外的转动惯量，耗油量增加，两种方式均不是最经济的方案；取力器采用固定速比，上车作业速度完全取决于动力源转速，动力源难以工作在最佳经济区间。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种集成式混联取力系统及起重机，解决了现有技术中取力器速比不可调，发动机高速输出噪声大、油耗高的问题，同时也避免了电机在调节发动机输出扭矩时带来的顿挫感。
6.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
7.一种集成式混联取力系统，包括动力电池、bms、高压配电单元、obc、外接电源、mcu、取力器、液压油泵和用于无级调速的耦合器；
8.耦合器内部包括输入轴、输出轴和调节耦合器转速及扭矩的电机；
9.动力电池通过bms与高压配电单元连接；
10.高压配电单元通过mcu连接电机，为电机提供电源；
11.外接电源通过obc连接高压配电单元，为电机提供电源及对动力电池进行充电；
12.耦合器输入轴与取力器连接，输出轴与液压油泵连接。
13.进一步地，前述耦合器包括第一速比调节齿轮组、行星架、第二调节齿轮组、太阳轮、外齿圈、第一电机和第二电机；
14.第一速比调节齿轮组包括第一速比调节齿轮和第二速比调节齿轮, 第二速比调节齿轮组包括第三速比调节齿轮和第四速比调节齿轮，输入轴包括第一输入轴和第二输入轴；
15.第一输入轴与第一速比调节齿轮同轴连接，第一输入轴外接取力器，第二速比调节齿轮与行星架连接；
16.行星架通过行星轮外接外齿圈，内接太阳轮；
17.第二输入轴与第二电机转子连接，第二输入轴与第三速比调节齿轮同轴连接，第四速比调节齿轮与太阳轮同轴连接；
18.输出轴与外齿圈连接，外齿圈与第一电机的转子同轴连接。
19.进一步地，前述还包括制动元件；
20.第一速比调节齿轮通过制动元件和耦合器壳体连接；
21.第三速比调节齿轮通过制动元件和耦合器壳体连接。
22.进一步地，前述制动元件是离合器或制动器。
23.进一步地，前述第一电机壳体与耦合器内部壳体连接，第二电机壳体与耦合器内部壳体连接。
24.进一步地，前述还包括离合器，离合器连接第一输入轴的输入端。
25.一种起重机，包括前述任一项的一种集成式混联取力系统。
26.本发明所达到的有益效果：
27.1、耦合器速比无级可调，减少了发动机转速工作范围，降低了产品噪声，同时提高了输出转速范围；
28.2、实现发动机和电机三个动力源的单独或混联输入，提高了起重机的工况适应能力；
29.3、第二电机对耦合器输出转速进行调节，第一电机对耦合器输出扭矩进行调节，使发动机扭矩、转速始终工作在最佳经济区间，提高了发动机效率，降低了燃油消耗；
30.4、双电机通过耦合器进行转速、扭矩调节，输出扭矩不发生波动，上车作业稳定；
31.5、在第二电机调速过程中，当第二电机扭矩与转速方向相反时，电机进行能量回收，可以为电池进行充电，节约能耗；
32.6、某一输入轴单独运行时，另一输入轴锁死，减少了额外的转动惯量，降低了系统消耗。
附图说明
33.图1是现有的混合动力取力系统；
34.图2是本发明集成式混联取力耦合器第一实施例；
35.图3是本发明集成式混联取力耦合器第二实施例；
36.图4是本发明集成式混联取力耦合器第三实施例；
37.图5是本发明集成式混联动力取力系统。
38.图中附图标记的含义：1-第一速比调节齿轮组；2-行星架；3-第二调节齿轮组；4-太阳轮；5-外齿圈；6-制动元件；8-第一电机；9-第二电机；10-离合器；1a-第一速比调节齿轮; 1b-第二速比调节齿轮；3a-第三速比调节齿轮；3b-第四速比调节齿轮。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
40.本实施例公开了一种集成式混联取力耦合器，如图2所示，该耦合器包括差动轮系，第一输入轴通过第一速比调节齿轮组1与行星架2连接，第一速比调节齿轮组1包括第一速比调节齿轮1a和第二速比调节齿轮1b，第一输入轴与第一速比调节齿轮1a同轴连接，第一速比调节齿轮1a还通过制动元件6和耦合器壳体连接，实现第一输入端的解锁与锁止，制动元件优选离合器或制动器，第二速比调节齿轮1b与行星架2连接。
41.第二输入轴与第二电机9转子连接，第二电机9壳体与耦合器壳体连接，通过第二速比调节齿轮组3与太阳轮4连接，第二速比调节齿轮组3包括第三速比调节齿轮3a和第四速比调节齿轮3b，第三速比调节齿轮3a通过制动元件和耦合器壳体连接，实现第二输入轴的解锁与锁止，第四速比调节齿轮3b与太阳轮4同轴连接。
42.外齿圈5的轴与第一电机8的转子同轴连接，第一电机8壳体与耦合器壳体连接，电机输出轴即为耦合器输出轴，行星架2外接外齿圈5，内接太阳轮4。
43.第一速比调节齿轮组1、第二速比调节齿轮组3用于调整输入轴速比，制动元件6用于锁止或解锁输入轴，均可根据实际使用条件选择安装或取消。
44.根据行星齿轮差动轮系特性可知，第一输入轴和第二输入轴扭矩可按照固定比例耦合传递至外齿圈5，即两输入轴扭矩按照某一固定比例分配，合力输出至外齿圈5。第一电机8对差动轮系的外齿圈5输出扭矩进行最终调节，实现系统的混联。当第一输入轴转速不变时，第二输入轴转速变化会使输出轴转速发生变化，从而实现对输出轴转速的无级调节。当第二输入轴转速与第一输出轴转速方向相同时，第二输入轴转速越高，耦合器输出转速越低，最小可以为零转速，此时第二电机9进行能量回收；第二输入轴转速与第一输出轴转速方向相反时，第二输入轴转速越高，耦合器输出转速越高，此时第二电机9输出动力。当第一输入轴上的制动元件6结合时，第一输入轴、第一速比调节齿轮组1、行星架2与耦合器壳体成锁死状态，仅第二输入轴通过太阳轮4、外齿圈5、第一电机8带动输出轴转动，此状态下第一输入轴动力切断。当第二输入轴上的制动元件6结合时，第二输入轴、第二速比调节齿轮组3、太阳轮4与耦合器壳体成锁死状态，仅第一输入轴通过行星架2、外齿圈5、第一电机8带动输出轴转动，此状态下第二输入轴动力切断。
45.当动力耦合器第一输入轴为常转型时，如图3所示，动力耦合器输入轴可在输入端增加离合器10，当需要切断动力时，离合器分离。该耦合器工作过程与图2耦合器一致，仅增加了离合器用于切断输入轴动力。
46.第一电机8、第二电机9可在耦合器内部集成安装，如图2、图3所示，也可安装在耦合器外部，如图4所示。
47.下文主要以图示2耦合器进行详细介绍：
48.汽车起重机混联取力系统如图5所示，第一输入轴与变速箱取力器（或发动机取力器）连接，输出轴与液压油泵连接，液压油泵输出高压油为上车作业系统提供动力。
49.动力电池通过bms(电池管理系统)与高压配电单元连接，通过电机控制器mcu1和电机控制器mcu2为第二电机9和第一电机8提供电源，电机控制器mcu1与耦合器第二电机9连接，电机控制器mcu2与耦合器第一电机8连接。外接电源通过obc（车载充电机）、高压配电单元可以为电机提供电源，同时为动力电池充电。
50.本发明的集成式混联取力作业系统具有三条作业路径：混动模式、纯油模式、纯电模式。
51.当无外接电源、电池电量充足时，驾驶员可以选择混联动力工作模式。此模式下，驾驶员启动发动机，结合取力器后，耦合器内的制动元件6自动分离，发动机和第二电机9通过差动轮系并串联第一电机8共同作用实现动力输出。第二电机9主要作用是对输出转速进行调节。第一电机8根据吊重情况输出扭矩，降低差动轮系齿圈的整体负载。通过第二电机9调速和第一电机8调节扭矩，发动机始终工作在最佳转速、扭矩区间，降低了发动机燃油消耗。
52.当外接电源时，驾驶员可以选择纯电工作模式，此模式下第一输入轴上的制动元件6结合，耦合器变成固定速比取力器。需要小扭矩输出时，第一电机8直接输出动力（也可由第二电机9通过太阳轮4和外齿圈5输出动力）。需要大扭矩输出时，第一电机8和第二电机9共同作用输出动力。此模式下取力器输入动力切断。
53.当无外接电源、电池电量不足时，驾驶员可以选择纯油工作模式，此模式下第二输入轴上的制动元件6结合，耦合器变成固定速比取力器，发动机扭矩和转速根据重物和上车油门开度进行相应调整。此模式下第一电机8、第二电机9的输入动力切断（或电机空转）。
54.本实施例还涉及一种起重机，应用前述的集成式混联取力系统，解决了现有技术中取力器速比不可调，发动机高速输出噪声大、油耗高的问题，同时也避免了电机在调节发动机输出扭矩时带来的顿挫感。
55.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。