阅读说明：本技术 装载机动力系统及其控制方法、装载机 (Loader power system, control method thereof and loader ) 是由 刘汉光 姚亚敏 徐晓萌 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种装载机动力系统及其控制方法、装载机,其中,动力系统包括车架(2),前车架(21)和后车架(22)通过销轴(23)在水平面内可转动地连接；四个车轮(1)；四个驱动部件(3),分别与四个车轮(1)驱动连接,根据装载机所处工况具有不同的驱动模式；和两个转向油缸(4),分别设在车架(2)的左右两侧,转向油缸(4)的两端分别与前车架(21)和后车架(22)连接。该系统能够精简机械传动结构,并据装载机所处的工况选择合适的驱动模式,不仅能使动力系统具有更高的传动效率,也更加省电；通过转向油缸驱动可为装载机提供较大的转向驱动力,而且配合车轮的差速行驶,可使整车稳定高效地转向,降低轮胎磨损。(The invention relates to a loader power system, a control method thereof and a loader, wherein the power system comprises a frame (2), a front frame (21) and a rear frame (22) are rotatably connected in a horizontal plane through a pin shaft (23); four wheels (1); the four driving components (3) are respectively in driving connection with the four wheels (1), and have different driving modes according to the working conditions of the loader; and the two steering oil cylinders (4) are respectively arranged at the left side and the right side of the frame (2), and two ends of the steering oil cylinders (4) are respectively connected with the front frame (21) and the rear frame (22). The system can simplify a mechanical transmission structure, and a proper driving mode is selected according to the working condition of the loader, so that the power system has higher transmission efficiency and saves more electricity; the steering oil cylinder is used for driving the loader to provide larger steering driving force for the loader, and the whole loader can stably and efficiently steer by matching with differential driving of wheels, so that the tire abrasion is reduced.)

装载机动力系统及其控制方法、装载机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种装载机动力系统及其控制方法、装载机。

背景技术

车辆可采用集中式电驱动和分布式电驱动方式，目前大部分的车辆都是在前桥和后桥各设置一个驱动电机，由传动系统将驱动电机的动力传递至各个车轮；而分布式电驱动可在前桥和后桥各设置一个驱动电机，为了满足转向需求，同一车桥上的两个车轮之间设置有机械差速器，并采用转向横拉杆等装置提供转向驱动力。

这些驱动方式对应的传动结构均较为复杂，空间布局占用大，且传动效率低，难以满足装载机等重载车辆的工作需求。

发明内容

本发明的实施例提供了一种装载机动力系统及其控制方法、装载机，能够满足装载机在各工况下的工作需求。

本发明的实施例一方面提供了一种装载机动力系统，包括：

车架，包括前车架和后车架，前车架和后车架通过销轴在水平面内可转动地连接；

四个车轮；

四个驱动部件，分别与四个车轮驱动连接，四个驱动部件根据装载机所处工况具有不同的驱动模式；和

两个转向油缸，分别设在车架的左右两侧，每个转向油缸的两端分别与前车架和后车架连接。

在一些实施例中，驱动模式包括：四驱模式、前桥两驱模式和后桥两驱模式；

其中，四驱模式为四个驱动部件共同提供驱动力，前桥两驱模式为前面两个车轮对应的驱动部件提供驱动力，后桥两驱模式为后面两个车轮对应的驱动部件提供驱动力。

在一些实施例中，在装载机处于铲装物料、爬坡、转场行驶和制动的工况下，驱动模式为四驱模式；

在装载机处于装料作业和转向行驶的工况下，驱动模式为前桥两驱模式；或者

在前面的车轮对应的驱动部件发生故障的情况下，驱动模式为后桥两驱模式。

在一些实施例中，装载机动力系统还包括：

操作元件，被配置为通过接收外部操作来选择驱动模式；或者

控制器，被配置为根据装载机的实际工况按照预设的驱动模式选择规则自适应地确定驱动模式。

在一些实施例中，装载机动力系统还包括：

角度传感器，被配置为检测车架的转向角度；和

控制器，被配置为在转向角度超过预设角度值时，将驱动模式由四驱模式切换为前桥两驱模式。

在一些实施例中，在转向行驶的工况下，前面的两个车轮分别具有第一速度和第二速度，第一速度小于第二速度，具有第一速度的车轮所在侧的转向油缸处于缩回状态，具有第二速度的车轮所在侧的转向油缸处于伸出状态。

在一些实施例中，装载机动力系统还包括控制器，被配置为获得油门踏板开度对应的驱动部件的目标转速，以及各处于工作状态的驱动部件的实际扭矩，并通过PID调节自适应地分配各处于工作状态的驱动部件的输出扭矩，以使装载机的转速跟随目标转速。

在一些实施例中，装载机动力系统还包括：

发动机；

发电机，与发动机的动力输出端连接，以在发动机工作时为驱动部件提供电能；

操作元件，被配置为接收外部操作来选择驱动模式；和

控制器，包括第一控制器和第二控制器，第一控制器为整车控制器，第二控制器为高压控制器，第一控制器被配置为在接收到操作元件选择的驱动模式指令后，使发动机启动，并给第二控制器发送指令使发电机启动，再根据整车实际作业载荷分布分配每个驱动部件的输出扭矩；第二控制器被配置为根据分配的输出扭矩指令控制驱动部件工作。

本发明另一方面提供了一种装载机，包括上述实施例的装载机动力系统。

本发明再一方面提供了一种基于装载机动力系统的控制方法，包括：

获取各驱动部件根据装载机所处工况确定的驱动模式；

根据整车的实际作业载荷分布，分配各处于工作状态的驱动部件的输出扭矩；

使各驱动部件按照分配的输出扭矩工作。

在一些实施例中，驱动模式包括：四驱模式、前桥两驱模式和后桥两驱模式；

其中，四驱模式为四个驱动部件共同提供驱动力，前桥两驱模式为前面两个车轮对应的驱动部件提供驱动力，后桥两驱模式为后面两个车轮对应的驱动部件提供驱动力。

在一些实施例中，获取各驱动部件的驱动模式的步骤具体包括：

通过操作元件接收外部操作来选择驱动模式；或者

根据装载机的工况按照预设的驱动模式选择规则自适应地确定驱动模式。

在一些实施例中，在装载机工作的过程中，还包括：

通过角度传感器检测车架的转向角度；

判断转向角度是否超过预设角度值，如果超过，则将驱动模式由四驱模式切换为前桥两驱模式。

在一些实施例中，根据整车的实际作业载荷分布，分配各处于工作状态的驱动部件的输出扭矩的步骤包括：

获得油门踏板开度对应的驱动部件的目标转速；

获得各处于工作状态的驱动部件的实际扭矩；

通过反馈控制PID调节自适应地分配各处于工作状态的驱动部件的输出扭矩，以使装载机的转速跟随目标转速。

在一些实施例中，在获取各驱动部件的驱动模式之后，还包括：

使发动机启动；

接着给高压电气系统发送指令使发电机启动，以便为各驱动部件的工作提供电能。

基于上述技术方案，本发明一个实施例的装载机动力系统，采用四轮独立驱动的分布式驱动结构，能够精简机械传动结构，减小空间布局；而且，根据装载机所处的工况选择合适的驱动模式，不仅能使动力系统具有更高的传动效率，在保证动力性的同时也更加省电；另外，通过转向油缸驱动可为装载机提供较大的转向驱动力，而且配合车轮的差速行驶，可实现整车稳定高效地转向，降低轮胎磨损。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明装载机动力系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明装载机动力系统的一个实施例的工作原理示意图。

附图标记说明

1、车轮；2、车架；21、前车架；22、后车架；23、操作元件；3、驱动部件；4、转向油缸；5、减速器；6、显示屏；7、操作元件；8、加速踏板；9、整车控制器；10、高压控制器；11、发动机；12、发电机。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

此外，当元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者可以间接地在所述另一元件上并且在它们之间***有一个或更多个中间元件。另外，当元件被称作“连接到”另一元件时，该元件可以直接连接到所述另一元件，或者可以间接地连接到所述另一元件并且在它们之间***有一个或更多个中间元件。在下文中，同样的附图标记表示同样的元件。

本发明中采用了“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”和“外”等指示的方位或位置关系的描述，这仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种装载机动力系统，在一些实施例中，包括：车架2、四个车轮1、四个驱动部件3和两个转向油缸4。

其中，车架2包括前车架21和后车架22，前车架21和后车架22通过销轴23在水平面内可转动地连接，例如，销轴23设在车架2在长度方向和宽度方向的中心位置。

四个驱动部件3分别与四个车轮1驱动连接，四个车轮1被独立驱动，四个驱动部件3根据装载机所处工况具有不同的驱动模式。

两个转向油缸4，分别设在车架2的左右两侧，每个转向油缸4的两端分别与前车架21和后车架22连接。在装载机转向时，可通过两个转向油缸4的伸缩配合运动施加转向力，并配合车轮1的差速运动实现装载机的转向。

本发明的该实施例采用四轮独立驱动的分布式驱动结构，能够精简机械传动结构，省去机械差速器，减小空间布局。而且，由于装载机在不同的作业工况下，车轮1所需提供的驱动力差距较大，例如，在铲装物料时需要较大的驱动力以克服物料阻力前进，在转向时由于受到转向油缸4的推动力，则需要较小的驱动力就能实现转向，因此，根据装载机所处的工况选择合适的驱动模式，不仅能使动力系统具有更高的传动效率，在保证动力性的同时也更加省电。且基于整车运行工况设置驱动模式，可实现整车能量的合理分配，既能满足装载机各工况行驶、转向功率需求，又能提高发动机能量利用率，并提高作业效率和经济性。

另外，由于装载机属于重型机械设备，其在转向时需要的转向力较大，通过转向油缸4驱动与传统的转向横拉杆装置相比，可提供较大的转向驱动力，而且配合车轮1的差速行驶，可实现整车稳定高效地转向，降低轮胎磨损。

具体地，驱动模式包括：四驱模式、前桥两驱模式和后桥两驱模式。其中，四驱模式为四个驱动部件3共同提供驱动力，前桥两驱模式为前面两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力，后桥两驱模式为后面两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力。

该实施例通过设置不同的驱动模式，设置两驱模式和四驱模式来配合铰接式转向装载机复杂多变的作业工况，实现铲装物料、空载直线行驶、满载直线行驶、空载转向行驶、满载转向行驶以及单电机或多电机故障等工况下发动机、电机的高效运行，保证车辆正常行驶，同时减小转向过程中转向油缸4的受力及轮胎摩擦，提高转向精度及车辆行驶稳定性。

装载机作业流程主要有铲料、运料、卸料三个步骤，整个作业过程中四个车轮1对应驱动部件3的载荷受力在时刻变化，其中运料过程还涉及装载机行进中转向。在铲料过程中要保证整车具有足够的牵引力，避免出现轮胎打滑；在运料过程中要保证直线行驶电机作业同步性，转向行驶油缸受力小、轮胎磨损小，制动时制动距离小，车轮避免过早抱死。

对于四驱模式，在装载机处于铲装物料、爬坡、转场行驶和制动的工况下，驱动模式为四驱模式，四个驱动部件3共同提供驱动力，可提足够大的驱动力，以提高效率为目标，提高整车行驶动力性及稳定性。

在铲装物料时，铲斗需要克服物料阻力前进，四驱模式可提供较大的驱动力；在爬坡工况下，需要提供较大的牵引力，并使四轮同时驱动以便于提高与地面的附着力；在转场行驶工况下，四驱模式可提高驱动效率；在制动模式下，四轮驱动可缩短制动时间，提高安全性。

对于前桥两驱模式，在装载机处于装料作业和转向行驶的工况下，驱动模式为前桥两驱模式，只有前面两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力。

在装料工况下，装载机提升铲斗向其它车辆上装料，装料过程中速度较慢，需要不断通过转向使装载机调整至合适的装料位置。在转向时，通过前桥两驱模式可使转向更加灵活，由于转向油缸4会提供较大的驱动力，只需两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力就能满足工作需求，可满足空载和满载作业工况整车的动力需求；而且，由于铲斗内装有物料，装载机的中心主要集中于前部，通过驱动前面的车轮1，能够使转向更灵活，且能减小车轮转向使施加到转向油缸4上的不平衡力，内外侧车轮差速控制可有效降低轮胎磨损；另外，还能减小控制难度，提高转向控制精度。

对于后桥两驱模式，在前面的车轮1对应的驱动部件3发生故障的情况下，驱动模式为后桥两驱模式，可保证车辆正常转场至维修地点，提高车辆作业效率及可靠性。如图2所示，控制器持续监测各驱动部件3是否出现故障，如果出现故障，将故障信息在显示屏6上显示。

如图2所示，本发明的动力系统还包括：操作元件7，例如操作手柄、按钮或拨动开关等，被配置为通过接收外部操作来选择驱动模式。此种方式可使操作者根据装载机的工况通过操作元件7选择相匹配的驱动模式。

在另一些实施例中，本发明的动力系统还包括：控制器，被配置为根据装载机的实际工况按照预设的驱动模式选择规则自适应地确定驱动模式。

在该实施例中，各驱动模式的切换通过系统自适应完成，整车控制器根据各系统反馈的整车状态信息制定不同的控制规则，满足一定条件下可自主切换驱动模式，进而实现整车行驶的自适应控制，可自动使整车达到较高的传动效率，在保证动力性的同时也更加省电。而且还能减轻操作者的工作负担，提高装载机的工作效率。

在实际中，可在装载机实际进入工作状态之前首次选择工作模式时，通过操作元件7选择，以对工作模式进行初始化；后续可通过控制器自适应的切换工作模式，以提高工作效率。

为了实现驱动模式的自适应选择，本发明的动力系统还包括：角度传感器，被配置为检测车架2的转向角度；和控制器，被配置为在转向角度超过预设角度值时，将驱动模式由四驱模式切换为前桥两驱模式。

在转向角度不超过预设角度值时，说明整车未处于转向工况，需要较大的驱动力，因此采用四驱模式。在转向角度超过预设角度值时，说明整车正在转向，由四驱模式切换为两驱模式，以使转向更灵活，且能减小车轮转向使施加到转向油缸4上的不平衡力，内外侧车轮差速控制可有效降低轮胎磨损。

在转向行驶的工况下，前面的两个车轮1分别具有第一速度和第二速度，第一速度小于第二速度，具有第一速度的车轮1所在侧的转向油缸4处于缩回状态，具有第二速度的车轮1所在侧的转向油缸4处于伸出状态。

装载机转向过程中，通过两个转向油缸4的伸缩配合，以及前面两个车轮1的差速控制，可减小转向油缸4的受力，以减少液压系统过载情况，四轮驱动受力均匀合理，可降低轮胎磨损，提高车辆作业稳定性。

在一些实施例中，本发明的动力系统还包括控制器，被配置为实时获得油门踏板开度对应的驱动部件3的目标转速，以及各处于工作状态的驱动部件3的实际扭矩，并通过反馈控制PID调节自适应地分配各处于工作状态的驱动部件3的输出扭矩，以使装载机的转速跟随目标转速。其中，油门踏板开度由驾驶员控制，在实际控制中，会根据装载机作业理论载荷分布，设置各驱动部件3的输出扭矩初始值，并通过控制器实时采集驱动部件3的实际扭矩，进行反馈控制PID调节，以自适应地调节处于工作状态的各驱动部件3的输出扭矩，从而跟随目标转速。其中自适应调节的原理就是整车根据实际负载(也就是载荷分布)进行输出扭矩调节。

该实施例能够根据整车实际作业载荷分布，为处于工作状态的驱动部件3分配输出扭矩，可使各车轮1获得合适的驱动力，既能满足动力的需求，又能按需输出驱动力以减小能量浪费。

如图2所示，本发明的动力系统还包括：发动机11、发电机12、操作元件7和控制器。其中，发电机12与发动机11的动力输出端连接，以在发动机11工作时为驱动部件3提供电能。操作元件7被配置为接收外部操作来选择驱动模式。控制器包括第一控制器9和第二控制器10，第一控制器9为整车控制器，第二控制器10为高压控制器，第一控制器9被配置为在接收到操作元件7选择的驱动模式指令后，使发动机11启动，并给第二控制器10发送指令使发电机12启动，再根据整车实际作业载荷分布分配每个驱动部件3的输出扭矩；第二控制器10被配置为根据分配的输出扭矩指令控制驱动部件3工作。

具体地，在四驱模式下的具体工作过程为：(1)通过操作元件7选择四驱模式；(2)由整车控制器控制发动机11启动；(3)由整车控制器给高压控制器发送指令使得发电机12启动；(4)根据整车的实际作业载荷分布，由整车控制器分配每个驱动部件3的输出扭矩。

在前桥两驱模式下的具体工作过程为：(1)通过操作元件7选择前桥两驱模式；(2)由整车控制器控制发动机11启动；(3)由整车控制器给高压控制器发送指令使得发电机12启动；(4)整车控制器控制前桥和后桥的驱动部件3使能；(5)根据整车的实际作业载荷分布，由整车控制器分配前桥对应的两个驱动部件3的输出扭矩。

在后桥两驱模式下的具体工作过程为：(1)整车控制器控制前桥和后桥的驱动部件3使能；(2)在检测到前桥的驱动部件3出现故障时，整车控制器控制前桥的驱动部件3停机下电，并将故障信息在显示屏6上显示(3)根据整车的实际作业载荷分布，由整车控制器分配后桥对应的两个驱动部件3的输出扭矩。

下面参考图2来说明本发明动力系统的一个具体实施例。图2中的实线表示机械连接，虚线表示电气连接，点划线表示通讯连接。该动力系统包括：显示屏6、操作元件7、加速踏板8、整车控制器9(简称VCU)、发动机11、发电机12、高压控制器10、驱动部件3(例如轮边驱动电机)、轮边减速器5和液压转向系统。

其中，高压控制器10(简称ICU)集成了整流逆变模块(简称INU)、发电机及驱动部件控制模块(简称ECU)，整流逆变模块用于在直流电压和交流电压之间转化，发电机及驱动部件控制模块用于控制发电机12和驱动部件3。

液压转向系统主要包括转向控制器、转向油缸3和液压泵阀等部件，转向结构如图1所示。显示屏6、操作元件7、加速踏板8、整车控制器9、高压控制器10与液压转向控制器之间通过数据线连接通讯，发电机12、高压控制器10、驱动部件3通过高压动力线连接，驱动部件3、轮边减速器5和车轮1之间通过机械连接。

显示屏6用于对整车行驶作业状态及故障信息显示；操作元件7用于发出驱动模式指令，并作为转向手柄，以控制车辆前进、后退、左转和右转；加速踏板8用于控制驱动部件3加减速，进而控制整车车速；发动机11带动发电机12发电，将燃油热能转化为电能；高压控制器10将发电机12发的电按照控制指令输送给各个驱动部件3作业使用；轮边驱动部件3连接减速器5驱动车轮1转动；液压转向系统用于控制装载机行驶转向。

本发明上述实施例的动力系统至少具备如下优点之一：

(1)四轮独立电驱动装载机基于作业工况适时选择不同的驱动模式，可有效分配整车驱动力，使驱动部件3长时间处于高效工作区，整车能量利用率高。

(2)装载机转向过程中，转向油缸4受力减小，减少液压系统过载情况，四轮驱动受力均匀合理，降低轮胎磨损，提高车辆作业稳定性。

(3)在单个或多个驱动部件3出现故障时，可及时切换驱动模式，保障车辆正常运行，支持车辆转场至维修地点，提高车辆作业效率及可靠性。

其次，本发明提供了一种装载机，包括上述实施例的装载机动力系统。

最后，本发明还提供了一种基于上述实施例装载机动力系统的控制方法，在一些实施例中，包括：

步骤101、获取各驱动部件3根据装载机所处工况确定的驱动模式；

步骤102、根据整车的实际作业载荷分布，分配各处于工作状态的驱动部件3的输出扭矩；

步骤103、使各驱动部件3按照分配的输出扭矩工作。

步骤101-103顺序执行，该实施例根据装载机所处的工况选择合适的驱动模式，不仅能使动力系统具有更高的传动效率，在保证动力性的同时也更加省电；另外，通过转向油缸驱动可为装载机提供较大的转向驱动力，而且配合车轮的差速行驶，可实现整车稳定高效地转向，降低轮胎磨损。

具体地，驱动模式包括：四驱模式、前桥两驱模式和后桥两驱模式；

其中，四驱模式为四个驱动部件3共同提供驱动力，前桥两驱模式为前面两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力，后桥两驱模式为后面两个车轮1对应的驱动部件3提供驱动力。

在一些实施例中，步骤101获取各驱动部件3的驱动模式的具体包括：

通过操作元件7接收外部操作来选择驱动模式；或者

根据装载机的工况按照预设的驱动模式选择规则自适应地确定驱动模式。

在一些实施例中，在装载机工作的过程中，还包括：

步骤104、通过角度传感器检测车架2的转向角度；角度传感器可安装在前车架21和后车架22的铰接处；

步骤105、判断转向角度是否超过预设角度值，如果超过，则将驱动模式由四驱模式切换为前桥两驱模式，否则在各驱动部件3正常的情况下采用四驱模式。

步骤104和105可在装载机的整个工作过程中都执行。

在一些实施例中，步骤102根据整车的实际作业载荷分布，分配各处于工作状态的驱动部件3的输出扭矩的步骤包括：

步骤102A、获得油门踏板开度对应的驱动部件3的目标转速；

步骤102B、获得各处于工作状态的驱动部件3的实际扭矩；

步骤102C、通过反馈控制PID调节自适应地分配各处于工作状态的驱动部件3的输出扭矩，以使装载机的转速跟随目标转速。

在一些实施例中，在步骤101和102之间，该控制方法还包括：

步骤101A、使发动机11启动；

步骤101B、接着给高压电气系统发送指令使发电机12启动，以便为各驱动部件3的工作提供电能。

以上对本发明所提供的一种装载机动力系统及其控制方法、装载机进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。