阅读说明：本技术 一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机 (Hydraulic-free hybrid power excavator based on torque motor ) 是由 何旭 苏帅 符璐鑫 孙小晴 吴维 卢继华 于 2021-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机,属于工程机械技术领域。包括柴油机、电池组、工作装置及驱动装置；所述驱动装置包括动臂驱动电机及减速器总成、斗杆驱动电机及减速器总成、铲斗驱动电机及减速器总成、回转驱动电机及减速器总成、行走驱动电机及减速器总成；柴油机在高效区工作,用于在无外接电源情况下向电池组充电；电池储存电能同时可替代传统液压挖掘机的钢制配重部分；驱动装置通过驱动各部位的高效力矩电机,经行星减速器减速增扭,驱动各工作装置转动；工作装置用于完成实际的挖掘动作。所述混合动力挖掘机的传动方式为力矩电机驱动行星齿轮减速器完成机械传动,传动效率与液压传动相比大幅度提升。(The invention relates to a non-hydraulic hybrid power excavator based on a torque motor, and belongs to the technical field of engineering machinery. Comprises a diesel engine, a battery pack, a working device and a driving device; the driving device comprises a movable arm driving motor and reducer assembly, a bucket rod driving motor and reducer assembly, a bucket driving motor and reducer assembly, a rotary driving motor and reducer assembly, a walking driving motor and reducer assembly; the diesel engine works in a high-efficiency area and is used for charging the battery pack under the condition of no external power supply; the battery stores electric energy and can replace a steel counterweight part of the traditional hydraulic excavator; the driving device drives the working devices to rotate through the speed reduction and torque increase of the planetary reducer by driving the efficient torque motors at all parts; the working device is used for finishing actual excavation action. The transmission mode of the hybrid excavator is that the torque motor drives the planetary gear reducer to complete mechanical transmission, and the transmission efficiency is greatly improved compared with hydraulic transmission.)

一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机

技术领域

本发明涉及一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机，属于工 程机械

技术领域

。

背景技术

随着我国工业化和城镇化的高速推进，工程机械行业发展迅速， 其中挖掘机为工程机械中的明星产品，全国保有量已达200万台，在 整个工程机械市场占比约为50％，市场规模超过130亿元。挖掘机为 我国经济发展做出重要贡献，但它同时也是能耗和排放大户。全国每 年超过1亿吨的柴油消耗总量中，约有10％用于挖掘机。同时它是氮 氧化物和碳烟的重要排放源，初步估算每年约排放氮氧化物70万吨、 碳烟5万吨。因此，推广低油耗、低排放的新型挖掘机对于“节能减 排”的实施具有重要意义。

目前挖掘机通过液压泵将柴油机的动力传递给液压马达、液压缸 等执行元件，推动动臂、斗杆和铲斗等工作装置动作，从而完成各种 作业。液压传动系统具有布置灵活、运动惯性小、传动力大、可自动 实现过载保护等优点，但是由于系统中流体流动的阻力和泄露量较 大，所以传动效率较低，做功效率在30％-40％，因此传统液压挖掘机 的油耗较高。液压传动系统的缺点是与生俱来的，传动效率低这一技 术瓶颈难以突破，已经成为了制约挖掘机向高效节能发展的主要因 素。挖掘机工作过程中负荷变化很大，柴油机需要频繁加速减速，转 速波动很大，导致氮氧化物和碳烟排放恶化。可见采用柴油机作为动 力的传统液压挖掘机的发展面临严峻的挑战，急需进行创新。

力矩电机可以在电动机低速甚至无法转动(如挖掘机挖掘过程中 突然遇到较大阻力)时仍能持续工作，不会造成电动机的损坏，并提 供稳定的力矩给负载(故名为力矩电动机)，和液压传动系统相比， 具有更高的做功效率。

混合动力是指由发动机、电动机联合组成的能同时运转的驱动系 统。发动机启动后在最佳工况点附近稳定运转。通过发动机发电给电 池充电，再驱动电机做功。混合动力方案适用于需要频繁加速(启动)、 减速(停止)工况，避免了发动机在此类工况下因频繁加速减速带来 的排放恶化、油耗增加等问题。

将混合动力系统与力矩电机结合，一方面可以避免柴油机因负荷 频繁变化产生大量碳烟和氮氧化物，另一方面可以提高传动效率进而 降低能耗。这可以给开发新型高效节能的挖掘机提供一种新的技术方 案。

发明内容

本发明的目的在于针对传统液压挖掘机的液压传动系统传动效 率低，从而导致能源利用效率低，整机油耗高；柴油机工作在复杂多 变工况下，导致整机油耗高、排放高的技术现状，提出了一种基于力 矩电机的无液压混合动力挖掘机。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

所述无液压混合动力挖掘机，包括柴油机、电池组、工作装置及 驱动装置；

其中，所述柴油机，位于车体中部，启动后处于恒功率恒转速的 发电工况，且工作在高效区；所述电池组，位于车体下部和车体尾部， 替代了传统液压挖掘机的钢制配重部分；所述工作装置，包括动臂、 斗杆及铲斗，用于完成挖掘动作；所述驱动装置，包括动臂驱动电机 及减速器总成、斗杆驱动电机及减速器总成、铲斗驱动电机及减速器 总成、回转驱动电机及减速器总成、行走驱动电机及减速器总成，通 过驱动各总成中的力矩电机及减速器减速增扭，驱动各工作装置转 动；

其中，所述动臂驱动电机、斗杆驱动电机、铲斗驱动电机、回转 驱动电机以及行走驱动电机均为力矩电机，且力矩电机驱动减速器完 成机械传动；所述动臂驱动电机及减速器总成、斗杆驱动电机及减速 器总成、铲斗驱动电机及减速器总成、回转驱动电机及减速器总成、 行走驱动电机及减速器总成中的减速器均为结构相同的行星齿轮减 速器，具体为：主动轮为太阳轮、从动轮为行星轮，齿圈固定；

所述动臂驱动电机及减速器总成驱动动臂；所述斗杆驱动电机及 减速器总成，位于斗杆与动臂连接处；所述铲斗驱动电机及减速器总 成，位于铲斗与斗杆连接处；所述回转驱动电机及减速器总成，位于 车体与底盘连接处；所述行走驱动电机及减速器总成，位于主动轮与 底盘连接处；

所述无液压混合动力挖掘机中各部件的连接与安装关系如下：

所述柴油机通过螺栓与车体相连；所述电池组通过螺栓与车体相 连；所述动臂驱动电机及减速器总成的外壳连接车体，所述总成的动 力输出轴与动臂转动轴固连；所述斗杆驱动电机及减速器总成的外壳 与动臂通过螺栓相连，所述总成的动力输出轴与斗杆转动轴固连；所 述铲斗驱动电机及减速器总成的外壳与斗杆通过螺栓相连，所述总成 的动力输出轴与铲斗转动轴固连；所述回转驱动电机及减速器总成的 外壳与车体通过螺栓相连，所述总成的动力输出轴与底盘转动轴固 连；所述行走驱动电机及减速器总成的外壳与底盘通过螺栓相连，所 述总成的动力输出轴与主动轮轴固连。

所述无液压混合动力挖掘机中各部件的功能如下：

所述柴油机启动后处于恒功率恒转速的发电工况且工作于高效 区且进行单点优化，向电池组充电；所述电池组，用于储存电能，同 时可替代传统液压挖掘机的钢制配重部分；所述驱动装置，通过驱动 各部位的高效力矩电机，经行星减速器减速增扭，驱动各工作装置转 动；所述工作装置，用于完成实际的挖掘动作。

有益效果

本发明所述的一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机，与现 有传统液压挖掘机相比，具有如下有益效果：

1.所述基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机的传动方式为力 矩电机驱动行星齿轮减速器完成机械传动，传动效率与液压传动相比 大幅度提升；综合传动效率由原来的35％提升至81％；

2.所述无液压混合动力挖掘机的柴油机处于恒功率恒转速的发 电工况，启动后一直在高效区工作，因此燃油利用效率高，且柴油机 排量与同尺寸传统液压挖掘机相比将下降，挖掘机工作时的相同作业 工况下，油耗降低约40％；

3.所述无液压混合动力挖掘机的柴油机在高效工作区间进行单 点优化，整机氮氧化物和碳烟排放量可下降到传统挖掘机的1/2左 右。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普 通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图；

图1是本发明所述一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机的 示意图；

图示说明：

1、柴油机；2、电池组；3、动臂驱动电机及减速器总成；4、动 臂；5、斗杆驱动电机及减速器总成；6、斗杆；7、铲斗驱动电机及 减速器总成；8、铲斗；9、回转驱动电机及减速器总成；10、行走驱 动电机及减速器总成。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明一种基于力矩电机的无液 压混合动力挖掘机进行详细阐述。

实施例1

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定， 术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固 定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也 可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可 以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通 过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机，包括 柴油机1、电池组2、工作装置以及驱动装置。

工作装置包括动臂4、斗杆6、铲斗8。驱动装置包括动臂驱动电 机及减速器总成3、斗杆驱动电机及减速器总成5、铲斗驱动电机及 减速器总成7、回转驱动电机及减速器总成9、行走驱动电机及减速 器总成10。所述驱动电机均为高效力矩电机，减速器总成均为齿圈固定、太阳轮为主动轮、行星轮为从动轮的行星减速器。

优选地：所述柴油机1位于车体中部，通过螺栓与车体相连；所 述电池组2位于车体下部和车体尾部，通过螺栓与车体相连；所述动 臂驱动电机及减速器总成3位于动臂4与车体连接处，所述总成3的 外壳与车体通过螺栓相连，所述总成3的动力输出轴与动臂转动轴固 连；所述斗杆驱动电机及减速器总成5位于斗杆6与动臂4连接处， 所述总成5的外壳与动臂4通过螺栓相连，所述总成的动力输出轴与 斗杆6转动轴固连；所述铲斗驱动电机及减速器总成7位于铲斗8与 斗杆6连接处，所述总成7的外壳与斗杆6通过螺栓相连，所述总成 7的动力输出轴与铲斗8转动轴固连；所述回转驱动电机及减速器总 成9位于车体与底盘连接处，所述总成9的外壳与车体通过螺栓相连， 所述总成9的动力输出轴与底盘转动轴固连；所述行走驱动电机及减 速器总成10位于主动轮与底盘连接处，所述总成10的外壳与底盘通 过螺栓相连，所述总成10的动力输出轴与主动轮轴固连。

工作原理：所述柴油机1处于恒功率恒转速的发电工况，在高效 区工作，向电池组2充电；所述电池组2，用于储存电能，同时可替 代传统液压挖掘机的钢制配重部分；挖掘机工作时，控制驱动装置中 各部位高效力矩电机的工作状态，经各部位行星减速器减速增扭，驱 动各工作装置运动，完成挖掘机工作过程的每个动作。

所述挖掘机的工作过程，包括如下步骤：

步骤1、所述柴油机1在恒功率恒转速的发电工况工作，给所述 电池组2充电；

步骤2、所述电池组2满足条件向各电机供电时，工作装置和驱 动装置开始作业，具体为：

操作员操作控制器，控制各驱动装置中电机的上电时刻，控制器 给予驱动装置中的某电机信号时，此电机上电并根据信号强度开始运 转，输出相应的转速和力矩；

步骤3、电机输出的转速和力矩经各部位行星减速器减速增扭， 驱动各工作装置运动；

步骤4、各工作装置配合，完成挖掘机工作过程的每个动作。

所述基于力矩电机的无液压混合动力挖掘机的传动方式为力矩 电机驱动行星齿轮减速器完成机械传动，综合传动效率由原来液压传 动时的35％提升至81％。所述无液压混合动力挖掘机的柴油机处于恒 功率恒转速的发电工况，一直在高效区工作，因此燃油利用效率高， 且柴油机排量与同尺寸传统液压挖掘机相比将下降，相同作业工况下 油耗更低；据计算，油耗水平将下降40％左右。所述混合动力挖掘机 的柴油机在高效工作区间进行单点优化，整机氮氧化物和碳烟排放量 可下降到传统挖掘机的1/2左右。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实 施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的 等效或修改，都落入本发明保护的范围。