裝載機串並聯液壓混合動力控制系統及控制方法與流程

2023-08-01 01:39:36

本發明屬於工程機械動力控制系統技術領域，適用於混合動力裝載機，具體涉及一種裝載機串並聯液壓混合動力控制系統及控制方法。

背景技術：

現有技術中的裝載機作業過程中，需要頻繁啟停和往復運動，要求駕駛員連續改變油門開度，這不僅會嚴重縮短發動機的使用壽命，還會使發動機頻繁處於經濟低效區，導致發動機的油耗偏高。此外，頻繁制動不僅浪費能量，還會導致系統發熱和元件損耗。傳統裝載機一般都裝有液力變矩器，而液力變矩器在低速重載工作時傳動效率低，造成了嚴重的能量浪費。

現有的傳統裝載機的動力控制系統普遍存在油耗高、排放差且低速重載時傳動效率低的缺點，同時制動能量通常以熱的形式被浪費。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的技術問題，本發明提供了裝載機串並聯液壓混合動力控制系統及控制方法，該系統油耗低、排放性好且能夠回收制動能量，結合說明書附圖，本發明的技術方案如下：

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，所述混合動力控制系統由發動機1、第一變量泵2、轉向工作系統3、第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5、油箱6、第二兩位兩通換向閥7、液壓蓄能器8、溢流閥9、第三兩位兩通換向閥10、變量泵/馬達11、前橋12、耦合器13、手剎14、變速箱15、離合器16、液力變矩器17和後橋18組成；

所述發動機1分別與液力變矩器17和第一變量泵2連接，第一變量泵2的出油口與轉向工作系統3相連，第二變量泵4與第一變量泵2同軸連接，第二變量泵4的出油口與第一兩位兩通換向閥5的進油口相連，變量泵/馬達11的進油口與第三兩位兩通換向閥10的出油口相連，第三兩位兩通換向閥10的進油口、第一兩位兩通換向閥5的出油口以及溢流閥9的進油口均分別與第二兩位兩通換向閥7的出油口連通，第二兩位兩通換向閥7的進油口與液壓蓄能器8的出油口連通，第二變量泵4的進油口、變量泵/馬達11的出油口、第一變量泵2的進油口以及溢流閥9的出油口均與油箱6連接；

所述變量泵/馬達11的輸出軸通過耦合器13與前橋12連接；

所述液力變矩器17的輸出端經離合器16與變速箱15連接，變速箱15的動力輸出端一路與後橋18連接，另一路依次經手剎14和耦合器13與前橋12連接；

進一步地，所述耦合器13具有變速比，所述耦合器13連接於變量泵/馬達11的馬達端，使變量泵/馬達11高速運轉，提高變量泵/馬達11運行效率；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，所述控制方法為混合驅動控制模式；

所述混合驅動控制模式的過程為：裝載機起動後，當裝載機的需求功率大於發動機1的燃油高效區功率的上限，且液壓蓄能器8內的壓力值高於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入混合驅動模式，此時，離合器16接合，第一兩位兩通換向閥5斷開，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥均聯通，第二變量泵4的排量為零，變量泵/馬達11工作在馬達狀態，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，液壓蓄能器8中的液壓油依次經第二兩位兩通換向閥7、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12，另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18；此時，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括純液壓驅動控制模式；

所述純液壓驅動控制模式的過程為：裝載機起動後，當裝載機的需求功率小於發動機1的燃油高效區功率的下限，且液壓蓄能器8內的壓力高於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入純液壓驅動控制模式，此時，離合器16分離，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均聯通，第一兩位兩通換向閥5斷開，第二變量泵4排量為零，變量泵/馬達11工作在馬達狀態，發動機帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，液壓蓄能器8中液壓油依次經過第二兩位兩通換向閥7、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，另外，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12；另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括發動機單獨驅動控制模式；

所述發動機單獨驅動控制模式的過程為：裝載機起動後，當裝載機的需求功率處於發動機1的燃油高效區，或當裝載機工作需求的功率高於發動機1燃油高效區功率的上限且液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入發動機單獨驅動模式，此時，離合器16接合，第一兩位兩通換向閥5、第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均斷開，第二變量泵4和變量泵/馬達11排量均為零，發動1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12；此時，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11空轉；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括怠速充壓控制模式；

所述怠速充壓控制模式的過程為：起動發動機1熱機或裝載機臨時停車時，當液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最高工作壓力值，所述混合動力控制系統進入怠速充壓控制模式，此時，離合器16分離，第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7均聯通，第三兩位兩通換向閥10斷開，調節發動機工作點使其工作在燃油高效區，調節第一變量泵2排量為零，調節第二變量泵4工作在泵狀態，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第一變量泵2處於空轉狀態，第二變量泵4使油箱6的液壓油依次經過第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7，最終給液壓蓄能器8充能，此時，變量泵/馬達11不工作；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括起車控制模式；

所述起車控制模式的過程為：裝載機起車時，當液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最低工作壓力值時，所述混合動力控制系統進入起車控制模式，此時，離合器16處於分離狀態，第一兩位兩通換向閥5和第三兩位兩通換向閥10均聯通，第二兩位兩通換向閥7斷開，變量泵/馬達11工作在馬達狀態，調節發動機1工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，第二變量泵4使油箱6液壓油依次經過第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，另外，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12；另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括行車充壓控制模式；

所述行車充壓控制模式的過程為：裝載機起動後，當裝載機的需求功率低於發動機1的燃油高效區功率的下限，且液壓蓄能器8內的壓力值低於設定的最高工作壓力值時，所述混合動力控制系統進入行車充壓驅動模式，此時，離合器16接合，第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7均聯通，第三兩位兩通換向閥10斷開，變量泵/馬達11排量為零，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，第二變量泵4使油箱6的液壓油依次經第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7，最終給液壓蓄能器8充能，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12；此時，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11處於空轉狀態；

裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，其中，所述控制方法還包括再生制動模式；

所述再生制動模式的過程為：離合器16分離，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均聯通，第一兩位兩通換向閥5斷開，第二變量泵4的排量為零，變量泵/馬達11工作在泵狀態，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，制動能量分為兩路：一路由前橋12直接帶動耦合器13工作，另一路依次經變速箱15和手剎14進而帶動耦合器13工作，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11使油箱6的液壓油依次經變量泵/馬達11、第三兩位兩通閥10和第二兩位兩通閥7，最終給液壓蓄能器8充能。

進一步地，根據制動強度大小將制動強度分為輕度制動和重度制動，當制動強度為輕度制動時，整機制動轉矩只由所述再生制動控制模式下的再生制動系統提供；當制動強度為重度制動時，整機制動轉矩由裝載機原有制動系統與所述再生制動控制模式下的再生制動系統共同提供。

與現有技術相比，本發明的有益效果在於：

1.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統所設的液壓泵/馬達、液壓蓄能器和扭矩耦合器相配合，實現了對制動能量的回收和再利用；

2.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統中，液壓泵連接於發動機之後給蓄能器充壓，與現有技術中液壓泵連接於液力變矩器之後相比，可以有效提高充壓效率。

3.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統中，耦合器連接於液力變矩器之後，與現有技術中耦合器連接於液力變矩器之前相比，可以大大提高能量回收和利用的效率。

4.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統中，蓄能器存儲的能量可待必要時釋放，提高了整機效率。

5.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統避免了裝載機起車時液力變矩器效率低的問題。

6.本發明所述裝載機串並聯液壓混合動力控制系統能夠調整發動機的工作點，進而提高整機燃油經濟性。

附圖說明

圖1是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的結構示意圖；

圖2是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在怠速充壓模式下的動力傳遞路線圖。

圖3是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在起車模式下的動力傳遞路線圖。

圖4是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在純液壓驅動模式下的動力傳遞路線圖。

圖5是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在發動機單獨驅動模式下的動力傳遞路線圖。

圖6是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在行車充壓模式下的動力傳遞路線圖。

圖7是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在混合動力驅動模式下的動力傳遞路線圖。

圖8是本發明裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，在再生制動模式下的動力傳遞路線圖。

圖中：

1-發動機， 2-第一變量泵， 3-轉向工作系統，

4-第二變量泵， 5-第一兩位兩通換向閥， 6-油箱，

7-第二兩位兩通換向閥， 8-液壓蓄能器， 9-溢流閥，

10-第三兩位兩通換向閥， 11-變量泵/馬達， 12-前橋，

13-耦合器， 14-手剎， 15-變速箱，

16-離合器， 17-液力變矩器， 18-後橋。

具體實施方式

為進一步說明本發明的技術方案，及其所帶來的有益效果，結合說明書附圖，本發明的具體實施方式如下：

如圖1所示，本發明公開了裝載機串並聯液壓混合動力控制系統，該混合動力控制系統包括發動機1、第一變量泵2、轉向工作系統3、第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5、油箱6、第二兩位兩通換向閥7、液壓蓄能器8、溢流閥9、第三兩位兩通換向閥10、變量泵/馬達11、前橋12、耦合器13、手剎14、變速箱15、離合器16、液力變矩器17和後橋18組成。所述發動機1分別與液力變矩器17和第一變量泵2機械連接，第一變量泵2的出油口與轉向工作系統3相連，並帶動整個轉向工作系統3運轉，第二變量泵4與第一變量泵2同軸機械連接，第二變量泵4的出油口與第一兩位兩通換向閥5的進油口連通，變量泵/馬達11的進油口與第三兩位兩通換向閥10的出油口連通，第三兩位兩通換向閥10的進油口、第一兩位兩通換向閥5的出油口以及溢流閥9的進油口均與第二兩位兩通換向閥7的出油口連通，第二兩位兩通換向閥7的進油口與液壓蓄能器8的出油口連通，第二變量泵4的進油口、變量泵/馬達11的出油口、第一變量泵2的進油口以及溢流閥9的出油口均與油箱6連通；變量泵/馬達11的輸出軸通過耦合器13與前橋12的動力輸入端機械連接，液力變矩器17的動力輸出端與離合器16的動力輸入端機械連接，離合器16的動力輸出端與變速箱15的動力輸入端機械連接，變速箱15的動力輸出端分別與後橋18的動力輸入端和手剎14的動力輸入端機械連接，手剎14的動力輸出端與耦合器13的動力輸入端機械連接。

所述耦合器13具有一定的變速比，可保證變量泵/馬達11工作在高轉速區，提高變量泵/馬達11的工作效率。

結合前述的裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的組成結構，本發明還公開了裝載機串並聯液壓混合動力控制系統的控制方法，所述控制方法包括怠速充壓控制模式、起車控制模式、純液壓驅動控制模式、發動機單獨驅動控制模式、行車充壓控制模式、混合驅動控制模式以及再生制動模式。依次敘述如下：

1.怠速充壓控制模式

起動發動機1熱機或裝載機臨時停車時，當液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最高工作壓力值時，所述混合動力控制系統進入怠速充壓控制模式。如圖2所示，離合器16處於分離狀態，第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7均開啟，即第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7均處於聯通狀態，第三兩位兩通換向閥10關閉，即此時第三兩位兩通換向閥10處於斷開狀態，調節第一變量泵2排量為零，調節第二變量泵4工作在泵狀態，調節發動機工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第一變量泵2處於空轉狀態，第二變量泵4使油箱6的液壓油依次經過第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7，最終給液壓蓄能器8充能，此時，變量泵/馬達11不工作。

2.起車控制模式

裝載機起車時，當液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最低工作壓力值時，所述混合動力控制系統進入起車控制模式。如圖3所示，離合器16處於分離狀態，第一兩位兩通換向閥5和第三兩位兩通換向閥10均開啟，即第一兩位兩通換向閥5和第三兩位兩通換向閥10均處於聯通狀態，第二兩位兩通換向閥7關閉，即第二兩位兩通換向閥7處於斷開狀態，調節變量泵/馬達11工作在馬達狀態，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，第二變量泵4使油箱6液壓油依次經過第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，另外，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12；另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18。

3.純液壓驅動控制模式

裝載機起動後，當裝載機的需求功率小於發動機1的燃油高效區功率的下限，且液壓蓄能器8內的壓力高於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入純液壓驅動控制模式。如圖4所示，離合器16處於分離狀態，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均開啟，即第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均處於聯通狀態，第一兩位兩通換向閥5關閉，即第一兩位兩通換向閥5處於斷開狀態，調節第二液壓泵4使其排量為零，調節變量泵/馬達11使其工作在馬達狀態，發動機帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，液壓蓄能器8中液壓油依次經過第二兩位兩通換向閥7、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，另外，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12；另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18。

4.發動機單獨驅動模式

裝載機起動後，當裝載機的需求功率處於發動機1的燃油高效區，或當裝載機工作需求的功率高於發動機1燃油高效區功率的上限且液壓蓄能器8內的壓力低於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入發動機單獨驅動模式。如圖5所示，離合器16處於接合狀態，第一兩位兩通換向閥5、第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均關閉，即第一兩位兩通換向閥5、第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10處於斷開狀態，調節第二變量泵4和變量泵/馬達11排量均為零，發動1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12；此時，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11空轉。

5.行車充壓驅動模式

裝載機起動後，當裝載機的需求功率低於發動機1的燃油高效區功率的下限，且液壓蓄能器8內的壓力值低於設定的最高工作壓力值時，所述混合動力控制系統進入行車充壓驅動模式。如圖6所示，離合器16處於接合狀態，第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7開啟，即第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7處於聯通狀態，第三兩位兩通換向閥10關閉，即第三兩位兩通換向閥10處於斷開狀態，調節變量泵/馬達11的排量為零，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，第二變量泵4使油箱6的液壓油依次經第二變量泵4、第一兩位兩通換向閥5和第二兩位兩通換向閥7，最終給液壓蓄能器8充能，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12；此時，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11處於空轉狀態。

6.混合驅動控制模式

裝載機起動後，當裝載機的需求功率大於發動機1的燃油高效區功率的上限，且液壓蓄能器8內的壓力值高於設定的最低工作壓力值，所述混合動力控制系統進入混合驅動控制模式。如圖7所示，離合器16處於接合狀態，第一兩位兩通換向閥5關閉，即第一兩位兩通換向閥5處於斷開狀態，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10開啟，即第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均處於聯通狀態，調節第二變量泵4的排量為零，調節變量泵/馬達11使其工作在馬達狀態，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，液壓蓄能器8中的液壓油依次經第二兩位兩通換向閥7、第三兩位兩通換向閥10和變量泵/馬達11進入油箱6，變量泵/馬達11帶動耦合器13工作，耦合器13的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動前橋12，另一路依次經手剎14和變速箱15，進而驅動後橋18；此時，發動1的動力依次經液力變矩器17、離合器16和變速箱15，變速箱15的動力輸出端分為兩路：一路直接驅動後橋18，另一路依次經手剎14和耦合器13，進而驅動前橋12。

7.再生制動控制模式

根據制動強度大小將制動強度分為輕度制動和重度制動。制動強度為輕度制動時，整機制動轉矩只由再生制動控制模式下的再生制動系統提供；制動強度為重度制動時，整機制動轉矩由裝載機原有制動系統與再生制動控制模式下的再生制動系統共同提供。再生制動控制模式如下所述，如圖8所示，離合器16處於分離狀態，第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均開啟，即第二兩位兩通換向閥7和第三兩位兩通換向閥10均處於聯通狀態，第一兩位兩通換向閥5關閉，即第一兩位兩通換向閥5處於斷開狀態，調節第二變量泵4的排量為零，調節變量泵/馬達11使其工作在泵狀態，調節發動機1工作點使其工作在燃油高效區，發動機1帶動第一變量泵2和第二變量泵4旋轉，第二變量泵4處於空轉狀態，油箱6的液壓油經第一變量泵2進入轉向工作系統3，制動能量分為兩路：一路由前橋12直接帶動耦合器13工作，另一路依次經變速箱15和手剎14進而帶動耦合器13工作，耦合器13帶動變量泵/馬達11旋轉，變量泵/馬達11使油箱6的液壓油依次經變量泵/馬達11、第三兩位兩通閥10和第二兩位兩通閥7，最終給液壓蓄能器8充能。