RU211902U1

RU211902U1 - Electromechanical transmission of front loader

Info

Publication number: RU211902U1
Application number: RU2022101171U
Authority: RU
Inventors: Василий Александрович Горелов; Владимир Станиславович Григорьев; Олег Игоревич Чудаков; Рустам Иванович Александров
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-06-28

Abstract

Настоящая полезная модель относится к бесступенчатой электромеханической трансмиссии для колесного фронтального погрузчика, выполненного по схеме последовательного гибрида с индивидуальным приводом колес. В состав трансмиссии входят: генератор, связанный с двигателем внутреннего сгорания, накопитель электрической энергии, шина постоянного тока, силовой преобразователь и электродвигатель для привода насосов гидравлической системы, четыре тяговых электродвигателя с силовыми преобразователями, тяговые электродвигатели связаны с ведущими колесами через двухрядные планетарные мотор-редуктор с фиксированным передаточным отношением. Силовые преобразователи выполнены в одном корпусе с тяговыми электромашинами. Технический результат - увеличение КПД электромеханической трансмиссии фронтального погрузчика.

This utility model relates to a continuously variable electromechanical transmission for a wheeled front loader, made according to the sequential hybrid scheme with individual wheel drive. The transmission includes: a generator connected to an internal combustion engine, an electric energy storage device, a DC bus, a power converter and an electric motor for driving hydraulic system pumps, four traction electric motors with power converters, traction electric motors are connected to the drive wheels through a double-row planetary gear motor with a fixed gear ratio. Power converters are made in one housing with traction electric machines. The technical result is an increase in the efficiency of the electromechanical transmission of the front loader.

Description

Полезная модель относится к электрической силовой передаче, а более конкретно к бесступенчатой электромеханической трансмиссии для колесного фронтального погрузчика грузоподъемностью от 3000 до 4000 кг, выполненного по схеме последовательного гибрида с индивидуальным приводом колес.The utility model relates to an electric power transmission, and more specifically to a continuously variable electromechanical transmission for a wheeled front loader with a load capacity of 3000 to 4000 kg, made according to the sequential hybrid scheme with individual wheel drive.

Электромеханическая трансмиссия в общем случае включает: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), коробку отбора мощности (КОМ), мотор-генератор (МГ), тяговый электродвигатель/двигатели (ТЭД), механическую передачу (МП) в виде редукторов или мостов, связанных с движителями, соединительные силовые кабели, систему электроуправления, гидравлическую систему для привода систему рулевого управления и технологического оборудования.An electromechanical transmission generally includes: an internal combustion engine (ICE), a power take-off (PTO), a motor-generator (MG), a traction motor / motors (TED), a mechanical transmission (MT) in the form of gearboxes or bridges associated with propellers , connecting power cables, electrical control system, hydraulic system to drive the steering system and process equipment.

Известна конструкция гибридного фронтального погрузчика (патент US9038759B2 «Hybrid work vehicle»), в которой двигатель внутреннего сгорания связан с генератором, который через силовые преобразователи связан с тяговыми электродвигателями (ТЭД). Каждый ТЭД связан с входным валом ведущего моста. Между собой ТЭД соединены карданным валом. Недостатком такой схемы является жесткая кинематическая связь передней и задней осей погрузчика, что приводит к увеличению сопротивления при криволинейном движении и повышению износа шин.The design of a hybrid front loader is known (patent US9038759B2 "Hybrid work vehicle"), in which the internal combustion engine is connected to a generator, which is connected to traction motors (TED) through power converters. Each TED is connected to the input shaft of the drive axle. Between themselves, TEDs are connected by a cardan shaft. The disadvantage of this scheme is the rigid kinematic connection of the front and rear axles of the loader, which leads to an increase in resistance during curvilinear motion and increased tire wear.

Известна конструкция транспортного средства с электромеханической трансмиссией (RU 201828 U1 «Транспортное средство с автоматической без перерыва мощности электромеханической трансмиссией (ЭМТ) с центральным приводом»), в котором тяговый асинхронный электродвигатель соединен через согласующий двухдиапазонный редуктор с ведущим мостом транспортного средства. Недостатком такой схемы является наличие двух механических агрегатов в трансмиссии, один из которых является двухступенчатым, что приводит к усложнению механической части трансмиссии, снижению ее КПД и необходимости применения механизма переключения передач.Known is the design of a vehicle with an electromechanical transmission (RU 201828 U1 "Vehicle with an automatic continuous power electromechanical transmission (EMT) with a central drive"), in which the traction asynchronous motor is connected through a matching dual-range gearbox with the drive axle of the vehicle. The disadvantage of this scheme is the presence of two mechanical units in the transmission, one of which is a two-stage, which leads to the complication of the mechanical part of the transmission, reducing its efficiency and the need to use a gearshift mechanism.

Наиболее близкой является электромеханическая трансмиссия фронтального погрузчика (патент JP 2009511787 «Work machine»), выполненного по схеме последовательного гибрида. Генератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания, электрическая энергия, вырабатываемая генератором, передается на электрические машины, которые используются для привода насосов гидравлической системы и ведущих колес. Для привода каждого насоса гидравлической системы используется независимая электрическая машина. Для привода четырех ведущих колес используются четыре ТЭД. При этом для увеличения скоростного диапазона после каждого ТЭД установлена ступенчатая коробка передач. Недостатком такой схемы является усложнение механической части трансмиссии, а также необходимость применения механизмов переключения в каждой из коробок передач, связанных с ведущими колесами.The closest is the electromechanical transmission of a front loader (patent JP 2009511787 "Work machine"), made according to the sequential hybrid scheme. The generator is mechanically connected to the internal combustion engine, the electrical energy generated by the generator is transferred to electric machines that are used to drive the hydraulic system pumps and drive wheels. An independent electric machine is used to drive each pump of the hydraulic system. Four TEDs are used to drive the four driving wheels. At the same time, to increase the speed range, a stepped gearbox is installed after each TED. The disadvantage of this scheme is the complication of the mechanical part of the transmission, as well as the need to use shift mechanisms in each of the gearboxes associated with the drive wheels.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение КПД электромеханической трансмиссии фронтального погрузчика.The technical result of the proposed utility model is to increase the efficiency of the electromechanical transmission of a front loader.

Технический результат достигается тем, что электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика грузоподъемностью от 3000 до 4000 кг выполнена по схеме последовательного гибрида с индивидуальным приводом колес и включает генератор (связанный с двигателем внутреннего сгорания), силовой преобразователь, накопитель электрической энергии, шину постоянного тока, контроллеры верхнего уровня для управления всеми электрическими машинами, четыре тяговых электродвигателя постоянного тока с силовыми преобразователями, при этом каждый тяговый электродвигатель связан с ведущим колесом через двухрядный планетарный мотор-редуктор с фиксированным передаточным числом. Привод насосов гидравлической системы осуществляется электродвигателем, питание которого происходит от шины постоянного тока, за счет энергии вырабатываемой генератором или запасенной в бортовом накопителе электрической энергии. Максимальная частота вращения тягового электродвигателя (не более 4000 об/мин) и диапазон по крутящему моменту (от 2 до 3) обеспечивают требуемую тягово-скоростную характеристику фронтального погрузчика (удельная тяга 0,45, максимальная скорость 40 км/ч) с одним фиксированным передаточным числом в диапазоне от 20 до 30, что позволяет использовать в редукторе не более двух планетарных рядов. Максимальная скорость 40 км/ч необходима фронтальному погрузчику для транспортирования своим ходом на короткие расстояния к месту работы. Удельная тяга 0,45 в длительном режиме требуется погрузчику для выполнения как погрузочно-разгрузочных работ с сыпучими материалами, так и для возможности выполнения бульдозерных работ. При этом на пиковом режиме работы тяговых электродвигателей удельная тяга погрузчика может кратковременно повышаться до значения 1,1. Для обеспечения удельной силы тяги 0,45 в длительном режиме мощность каждого из четырех ТЭД сопоставима с мощностью одного ДВС. При этом требуемая мощность ДВС за счет использования в конструкции накопителя электрической энергии составляет 85 кВт, что на 15-20% меньше, чем у аналогов с традиционной (гидромеханической) схемой трансмиссии.The technical result is achieved by the fact that the electromechanical transmission of a hybrid front-end loader with a load capacity of 3000 to 4000 kg is made according to the scheme of a sequential hybrid with an individual wheel drive and includes a generator (connected to an internal combustion engine), a power converter, an electric energy storage device, a DC bus, top controllers. level to control all electrical machines, four DC traction motors with power converters, while each traction motor is connected to the drive wheel through a two-row planetary gear motor with a fixed gear ratio. The hydraulic system pumps are driven by an electric motor, which is powered by a DC bus, using the energy generated by the generator or stored in the on-board electrical energy storage. The maximum rotational speed of the traction motor (not more than 4000 rpm) and the torque range (from 2 to 3) provide the required traction and speed characteristics of the front loader (specific thrust 0.45, maximum speed 40 km/h) with one fixed gear a number in the range from 20 to 30, which allows the use of no more than two planetary gear sets in the gearbox. The maximum speed of 40 km/h is required for a front loader for self-propelled transport over short distances to the job site. A specific thrust of 0.45 in long-term mode is required for a loader to perform both loading and unloading operations with bulk materials, and to be able to perform bulldozing operations. At the same time, at the peak operating mode of the traction electric motors, the specific thrust of the loader can briefly increase to a value of 1.1. To ensure a specific thrust force of 0.45 in a long-term mode, the power of each of the four TEDs is comparable to the power of one internal combustion engine. At the same time, the required power of the internal combustion engine due to the use of electric energy storage in the design is 85 kW, which is 15-20% less than that of analogs with a traditional (hydromechanical) transmission scheme.

На фиг. 1 схематично показана электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика.In FIG. 1 schematically shows the electromechanical transmission of a hybrid front loader.

Электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика выполнена по последовательной схеме и включает генератор 2 (связанный с двигателем внутреннего сгорания 1) с силовым преобразователем 3, силовой преобразователь 6 и электродвигатель 5 для привода насосов гидравлической системы 4, бортовой накопитель электрической энергии 7, шину постоянного тока 8, четыре тяговых электродвигателя 10 с силовыми преобразователями 9, при этом каждый тяговый электродвигатель связан с ведущими колесами 12 через двухрядные планетарные мотор-редукторы 11 с фиксированным передаточным отношением.The electromechanical transmission of the hybrid front loader is made in series and includes a generator 2 (connected to the internal combustion engine 1) with a power converter 3, a power converter 6 and an electric motor 5 for driving the pumps of the hydraulic system 4, an onboard electric energy storage device 7, a DC bus 8, four traction motors 10 with power converters 9, each traction motor is connected to the drive wheels 12 through two-row planetary gear motors 11 with a fixed gear ratio.

Электромеханическая трансмиссия гибридного фронтального погрузчика работает следующим образом.The electromechanical transmission of the hybrid front loader operates as follows.

Энергия, получаемая в результате сгорания топлива, преобразуется в механическую энергию вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Выходной вал двигателя внутреннего сгорания 1 соединен с генератором 2, в котором механическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию. Электрическая энергия, вырабатываемая генератором, через силовой преобразователь 3 передается в шину постоянного тока 8, соединяющую преобразователь 3 с бортовым накопителем электрической энергии 7, силовым преобразователем 6 электродвигателя 5 для привода насосов гидравлической системы 4 (которая используется для привода рулевой системы и технологического оборудования) и силовыми преобразователями 9 тяговых электродвигателей 10. Силовой преобразователь генератора (выпрямитель) служит для эффективного преобразования механической энергии в электрическую, управления уровнем вырабатываемой мощности и напряжением на шине постоянного тока. Силовой преобразователь тягового двигателя (инвертор) служит для задания тока в обмотках электромашины, обеспечивая гибкость управления развиваемым крутящим моментом, эффективную работу в двигательном, реверсивном и генераторном режимах. В зависимости от направления потока мощности питание тяговых электродвигателей 10 может обеспечиваться за счет энергии, вырабатываемой генератором 2 и запасенной в бортовом накопителе электрической энергии 7, как одновременно, так и по отдельности. Электрическая энергия, питающая тяговые электродвигатели, преобразуется в механическую энергию вращения вала ротора, обеспечивающую привод ведущих колес 12 посредством колесных редукторов 11. Тяговый электродвигатель является обратимой электрической машиной, вследствие чего часть кинетической энергии погрузчика может быть запасена в бортовом накопителе электрической энергии при торможении. Управление всеми электрическими машинами осуществляется с помощью контроллеров верхнего уровня (КВУ) 13.The energy obtained as a result of fuel combustion is converted into mechanical energy of rotation of the crankshaft of an internal combustion engine (ICE). The output shaft of the internal combustion engine 1 is connected to a generator 2, in which the mechanical energy of the rotation of the rotor is converted into electrical energy. The electrical energy generated by the generator is transmitted through the power converter 3 to the DC bus 8, which connects the converter 3 to the onboard electric energy storage device 7, the power converter 6 of the electric motor 5 to drive the pumps of the hydraulic system 4 (which is used to drive the steering system and technological equipment) and power converters 9 traction motors 10. Generator power converter (rectifier) serves to efficiently convert mechanical energy into electrical energy, control the level of generated power and voltage on the DC bus. The power converter of the traction motor (inverter) is used to set the current in the windings of the electric machine, providing flexibility in controlling the developed torque, efficient operation in motor, reverse and generator modes. Depending on the direction of the power flow, the traction motors 10 can be powered by the energy generated by the generator 2 and stored in the onboard electrical energy storage 7, both simultaneously and separately. The electrical energy that feeds the traction motors is converted into mechanical energy of rotation of the rotor shaft, which provides the drive of the driving wheels 12 through the wheel gears 11. The traction motor is a reversible electric machine, as a result of which part of the kinetic energy of the loader can be stored in the on-board electric energy storage device during braking. All electrical machines are controlled by upper-level controllers (KVU) 13.

Отсутствие кинематической связи ДВС с ведущими колесами позволяет обеспечить его работу на постоянной частоте вращения, соответствующей минимальному удельному расходу топлива. Изменение мощности происходит за счет регулирования степени использования ДВС и генератора, регулирование осуществляется на основе сигналов контроллера верхнего уровня. Накопитель электрической энергии 7 позволяет использовать энергетическую установку в наиболее эффективном режиме как по угловой скорости, так и по степени использования. Когда погрузчику требуется дополнительная мощность (например, при выполнении бульдозерных работ) она потребляется из накопителя. В случае малой потребляемой мощности ТЭД (стоянки и движение в легких дорожных условиях) избыток электрической энергии, вырабатываемой генератором, восстанавливает заряд накопителя. Конструктивно модуль накопителя представляет собой батарею, состоящую из последовательно соединенных ламинированных суперконденсаторов (ЛСК). Выравнивание напряжения на элементах в составе батареи осуществляется системой балансировки, встроенной в модуль. Суперконденсаторная батарея установлена в алюминиевый корпус, от которого отделена электроизоляционным материалом. Применена жидкостная система охлаждения ТЭД и силовых преобразователей. Выходной вал каждого ТЭД соединен с одноступенчатым планетарным двухрядным мотор-редуктором 11, от которого крутящий момент передается на ведущее колесо 12. Модуль мотор-редуктора включает в себя рабочую и стояночную тормозную системы. Торможение осуществляется при помощи гидравлического воздействия на пакет фрикционов, установленный в корпусе мотор-редуктора. Рабочий цикл погрузчика предполагает частые смены направления движения, которые сопровождаются разгонами и торможениями. Использование дополнительной мощности накопителя электрической энергии позволяет повысить динамику разгона и тем самым увеличить производительность работы. Рекуперативное торможение с помощью тяговых электродвигателей позволит сократить износ рабочей тормозной системы и зарядить накопитель.The absence of a kinematic connection between the internal combustion engine and the drive wheels makes it possible to ensure its operation at a constant speed corresponding to the minimum specific fuel consumption. The change in power occurs due to the regulation of the degree of use of the internal combustion engine and the generator, the regulation is carried out on the basis of the signals of the upper-level controller. The electric energy storage device 7 makes it possible to use the power plant in the most efficient mode, both in terms of angular velocity and in terms of the degree of use. When the loader needs additional power (for example, when performing bulldozer work), it is consumed from the storage. In the case of low power consumption of the TED (parking and driving in light road conditions), the excess electrical energy generated by the generator restores the charge of the storage device. Structurally, the storage module is a battery consisting of series-connected laminated supercapacitors (LSCs). Voltage equalization on the elements in the battery is carried out by a balancing system built into the module. The supercapacitor battery is installed in an aluminum case, from which it is separated by an electrically insulating material. A liquid cooling system for TED and power converters was used. The output shaft of each TED is connected to a single-stage planetary two-row motor-reducer 11, from which the torque is transmitted to the drive wheel 12. The motor-reducer module includes a working and parking brake system. Braking is carried out by means of hydraulic action on the clutch package installed in the motor-reducer housing. The work cycle of the loader involves frequent changes in direction, which are accompanied by acceleration and deceleration. The use of additional power of the electric energy storage device allows to increase the dynamics of acceleration and thereby increase the productivity of work. Regenerative braking with the help of traction motors will reduce the wear of the service brake system and charge the drive.

Claims

Electromechanical transmission of a wheeled front loader with a carrying capacity of 3000 to 4000 kg, made according to the sequential hybrid scheme with individual wheel drive, containing a generator connected to an internal combustion engine, an electrical energy storage device, a DC bus, a power converter and an electric motor for driving hydraulic system pumps, four traction electric motors with power converters, moreover, traction electric motors are connected with wheel propellers through gear motors, each traction electric motor transmits torque to the wheel propeller through a two-row planetary gear motor with a fixed gear ratio in the range from 20 to 30, to provide the required traction and speed characteristics of a front loader, taking into account the torque range of existing TEDs from 2 to 3, traction motors are used, the power of each of which is commensurate with the power of the internal combustion engine.