一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统

1.本发明涉及工程机械技术领域，具体而言，涉及一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统。


背景技术：

2.随着全球环境污染与能源短缺日益严重，节能减排已成为全球各国关注的焦点。工程机械用量大、能耗高、排放差，严重阻碍了全球绿色发展的进程。电动化是工程机械实现节能减排的重要途经，而无液压系统全电驱动全分布式构型的工程机械是电动化发展的最终理想方案，因此，研究分布式全电型工程机械对保护环境和节约能源具有重大意义。
3.回转运动是工程机械作业中所必备的功能，以轮式挖掘机为例，上车无限制的回转自由度是挖掘机高效作业的基本保证。当前构型中普遍采用上下车分离并通过铰链连接的方式实现液压挖掘机回转运动，既下车装有挖掘机行走驱动系统，上车由液压马达驱动或由电机驱动实现整机的回转及作业功能。由于上下车存在旋转的自由度，且目前强电及弱电的回转装置尚未成熟，使得下车驱动系统驱动执行器无法电动化，因此工程机械的分布式全电动化进程受到局限，液压挖掘机行走模式下的传统液压马达驱动回转系统固有的效率低、能耗高问题仍然无法得到解决。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，旨在改善上述技术问题。
5.本发明采用了如下方案：一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，包括一体化轮式挖掘机车架、第一轮组件、第二轮组件、第三轮组件、第四轮组件、整机控制器和与所述整机控制器信号连接的操控手柄、回转速度调节旋钮、回转作业模式按钮、第一多合一控制器和第二多合一控制器，所述第一多合一控制器和第二多合一控制器固定连接在所述一体化轮式挖掘机车架横向方向的相对两端上；所述第一轮组件、第二轮组件沿所述第一多合一控制器竖向对称设置，并与所述第一多合一控制器电连接；所述第三轮组件、第四轮组件沿所述第二多合一控制器竖向对称设置，并与所述第二多合一控制器电连接；所述第一轮组件包括第一轮胎、第一电制动器、第一转向电动缸、第一传动半轴和第一轮边驱动电机，第一轮胎与第一传动半轴通过万向节相连，第一传动半轴与第一轮边驱动电机通过万向节相连，第一轮边驱动电机与一体化轮式挖掘机车架固定连接，第一转向电动缸与第一轮胎通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机车架固定连接，第一电制动器安装于第一轮胎上；所述第一轮边驱动电机、第一转向电动缸、第一电制动器均与第一多合一控制器电连接；所述第二轮组件、第三轮组件和第四轮组件同理设置。
6.作为进一步改进，所述第一轮边驱动电机、第一转向电动缸、第一电制动器和第二轮组件中的第二轮边驱动电机、第二转向电动缸、第二电制动器均通过高压线束与所述第
一多合一控制器连接；第三轮组件中的第三轮边驱动电机、第三转向电动缸、第三电制动器和第四轮组件中的第四轮边驱动电机、第四转向电动缸、第四电制动器均通过高压线束与所述第二多合一控制器连接。
7.作为进一步改进，所述操控手柄、回转速度调节旋钮和回转作业模式按钮配置为在用户的操作下能够将信号传递给整机控制器，进而传递至第一多合一控制器和第二多合一控制器。
8.作为进一步改进，所述第一多合一控制器配置为能够接收整机控制器发送的指令，并控制第一轮边驱动电机和第二轮边驱动电机的转速转矩、控制第一转向电动缸和第二转向电动缸的行程及控制第一电制动器和第二电制动器的制动力；所述第二多合一控制器配置为能够接收整机控制器发送的指令，并控制第三轮边驱动电机和第四轮边驱动电机的转速转矩、控制第三转向电动缸和第四转向电动缸的行程及控制第三电制动器和第四电制动器的制动力。
9.作为进一步改进，所述回转作业模式按钮配置为处于作业档位时，会使得第一转向电动缸、第二转向电动缸、第三转向电动缸和第四转向电动缸动作至原地转向回转模式行程。
10.作为进一步改进，所述操控手柄配置为从中位向正位变化时，会使得第一轮边驱动电机和第三轮边驱动电机反向驱动，第二轮边驱动电机和第四轮边驱动电机正向驱动，进而使得一体化轮式挖掘机车架向左方向旋转，实现整机的向左回转。
11.作为进一步改进，所述操控手柄配置为从中位向负位变化时，能够实现整机的向右回转。
12.作为进一步改进，所述操控手柄配置为从正位向中位变化时，会使得第一轮边驱动电机和第三轮边驱动电机正向制动，第二轮边驱动电机和第四轮边驱动电机反向制动，进而使得一体化轮式挖掘机车架向由左方向旋转转停，实现整机的左回转制动。
13.作为进一步改进，所述操控手柄配置为从负位向中位变化时，能够实现整机的右回转制动。
14.作为进一步改进，所述操控手柄、回转速度调节旋钮、回转作业模式按钮、第一多合一控制器和第二多合一控制器均与所述整机控制器通过can通讯连接。
15.通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：本技术的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，此构型的整机回转系统与行走系统共用一套驱动系统，使得整机子系统减少、整机结构更加紧凑、整机质量更加轻量化，有效提升了整机运行时间；此构型也解耦了整机控制，使得挖掘机旋转能量回收转换环节减少，回收效率得到了提高。同时一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统极大提升了能量利用率，有效解决了电动工程机械向全电动化发展的最后一道瓶颈。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1是本发明一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统的整体结构示意图；图2是本发明一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统的内部结构示意图。
18.附图标记：1、操控手柄；2、整机控制器；3、第一轮胎；4、第一电制动器；5、第一转向电动缸；6、第一传动半轴；7、第一多合一控制器；8、第二转向电动缸；9、第二电制动器；10、第二轮胎；11、第一轮边驱动电机；12、第二轮边驱动电机；13、第二传动半轴；14、回转速度调节旋钮；15、回转作业模式按钮；16、第三轮胎；17、一体化轮式挖掘机车架；18、第三转向电动缸；19、第三电制动器；20、第三传动半轴；21、第三轮边驱动电机；22、第二多合一控制器；23、第四轮边驱动电机；24、第四转向电动缸；25、第四传动半轴；26、第四电制动器；27、第四轮胎；28、铺路钢板。
具体实施方式
19.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
20.实施例本发明第一实施例提供一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，包括一体化轮式挖掘机车架17、第一轮组件、第二轮组件、第三轮组件、第四轮组件、整机控制器2和与整机控制器2信号连接的操控手柄1、回转速度调节旋钮14、回转作业模式按钮15、第一多合一控制器7和第二多合一控制器22，第一多合一控制器7和第二多合一控制器22固定连接在一体化轮式挖掘机车架17横向方向的相对两端上；第一轮组件、第二轮组件沿第一多合一控制器7竖向对称设置，并与第一多合一控制器7电连接；第三轮组件、第四轮组件沿第二多合一控制器22竖向对称设置，并与第二多合一控制器22电连接。
21.进一步地，其机械连接关系如下：第一轮组件包括第一轮胎3、第一电制动器4、第一转向电动缸5、第一传动半轴6和第一轮边驱动电机11，第一轮胎3与第一传动半轴6通过万向节相连，第一传动半轴6与第一轮边驱动电机11通过万向节相连，第一轮边驱动电机11与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第一转向电动缸5与第一轮胎3通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第一电制动器4安装于第一轮胎3上；且第二轮组件、第三轮组件和第四轮组件同理设置。
22.第二轮组件包括第二转向电动缸8、第二电制动器9、第二轮胎10、第二轮边驱动电机12、第二传动半轴13，第二轮胎10与第二传动半轴13通过万向节相连，第二传动半轴13与第二轮边驱动电机12通过万向节相连，第二轮边驱动电机12与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第二转向电动缸8与第二轮胎10通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机
车架17通过螺栓硬连接，第二电制动器9安装于第二轮胎10上。第三轮组件包括第三轮胎16、第三转向电动缸18、第三电制动器19、第三传动半轴20、第三轮边驱动电机21，第三轮胎16与第三传动半轴20通过万向节相连，第三传动半轴20与第三轮边驱动电机21通过万向节相连，第三轮边驱动电机21与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第三转向电动缸18与第三轮胎16通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第三电制动器19安装于第三轮胎16上；第四轮组件包括第四轮边驱动电机23、第四转向电动缸24、第四传动半轴25、第四电制动器26、第四轮胎27，第四轮胎27与第四传动半轴25通过万向节相连，第四传动半轴25与第四轮边驱动电机23通过万向节相连，第四轮边驱动电机23与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第四转向电动缸24与第四轮胎27通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机车架17通过螺栓硬连接，第四电制动器26安装于第四轮胎27上。
23.其高压连接关系如下：第一轮边驱动电机11、第二轮边驱动电机12、第一转向电动缸5、第二转向电动缸8、第一电制动器4和第二电制动器9均与第一多合一控制器7通过高压线束连接；第三轮边驱动电机21、第四轮边驱动电机23、第三转向电动缸18、第四转向电动缸24、第三电制动器19和第四电制动器26均与第二多合一控制器22通过高压线束连接。
24.其can连接关系如下：操控手柄1、回转速度调节旋钮14、回转作业模式按钮15、第一多合一控制器7和第二多合一控制器22均通过can通讯与整机控制器2连接。其工作原理如下：轮式挖掘机驾驶员操作操控手柄1、回转速度调节旋钮14和回转作业模式按钮15发出控制信号给整机控制器2，整机控制器2利用接收到的控制信号经过控制算法计算后分别向第一多合一控制器7和第二多合一控制器22发送控制指令，使得第一多合一控制器7能够对第一轮边驱动电机11和第二轮边驱动电机12进行转速转矩控制，对第一转向电动缸5和第二转向电动缸9的行程进行控制，对第一电制动器4和第二电制动器9的制动力进行控制；使得第二多合一控制器22能够对第三轮边驱动电机21和第四轮边驱动电机23进行转速转矩控制，对第三转向电动缸18和第四转向电动缸24行程进行控制，对第三电制动器19和第四电制动器26的制动力进行控制。
25.实施例一：当回转作业模式按钮15处于作业挡位时，具体如下：第一转向电动缸5、第二转向电动缸8、第三转向电动缸18和第四转向电动缸24动作至原地转向回转模式行程，整机可原地进行旋转运动以实现全电动轮式工程机械回转运动。
26.实施例二：当操控手柄1由中位向正位变化时，具体如下：（1）第一轮边驱动电机11反向驱动，第二轮边驱动电机12正向驱动、第三轮边驱动电机21反向驱动、第四轮边驱动电机23正向驱动，第一电制动器4、第二电制动器9、第三电制动器19、第四电制动器26均处于刹车松开状态。第一转向电动缸5、第二转向电动缸8、第三转向电动缸18、第四转向电动缸24均处于回转模式静止状态。
27.（2）第一轮胎3由第一轮边驱动电机11驱动、第二轮胎10由第二轮边驱动电机12驱动、第三轮胎16由第三轮边驱动电机21驱动、第四轮胎27由第四轮边驱动电机23驱动。当操
控手柄1开度向正逐渐增加，第一轮边驱动电机11、第二轮边驱动电机12、第三轮边驱动电机21、第四轮边驱动电机23向各自方向驱动，且开度越大，速度越快，一体化轮式挖掘机车架17向左方向旋转，进而实现整机的向左的回转功能。
28.实施例三：当操控手柄1由中位向负位变化时，具体如下：本实施例一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统与实施例二一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统基本相同，区别仅在于：所述四轮边驱动电机驱动方向与实施例二相反，一体化轮式挖掘机车架17向右方向旋转，进而实现整机的向右的回转功能。
29.实施例四：当操控手柄1由正位向中位变化时，具体如下：（1）第一轮边驱动电机11正向制动，第二轮边驱动电机12反向制动、第三轮边驱动电机21正向制动、第四轮边驱动电机23反向制动，同时进行制动能量回收，当各电机制动力无法满足制动需求时，第一电制动器4、第二电制动器9、第三电制动器19、第四电制动器26均处于刹车制动状态。第一转向电动缸5、第二转向电动缸8、第三转向电动缸18、第四转向电动缸24均处于回转模式静止状态。
30.（2）第一轮胎3由第一轮边驱动电机11制动、第二轮胎10由第二轮边驱动电机12制动、第三轮胎16由第三轮边驱动电机21制动、第四轮胎27由第四轮边驱动电机23制动。当操控手柄1开度向中位逐渐增加，第一轮边驱动电机11、第二轮边驱动电机12、第三轮边驱动电机21、第四轮边驱动电机23向各自反方向制动，一体化轮式挖掘机车架17向由左方向旋转逐渐转停，进而实现整机的左回转制动的功能。
31.实施例五;当操控手柄1由负位向中位变化时，具体如下：本实施例一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统与实施例四一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统基本相同，区别仅在于：四轮边驱动电机制动方向与实施例四相反，一体化轮式挖掘机车架17向由右方向旋转逐渐转停，进而实现整机的右回转制动的功能。
32.实施例六：当操控手柄1处于中位不变时，具体如下：第一轮边驱动电机11、第二轮边驱动电机12、第三轮边驱动电机21、第四轮边驱动电机23均处于电制动状态，第一电制动器4、第二电制动器9、第三电制动器19、第四电制动器26均处于刹车制动状态。第一转向电动缸5、第二转向电动缸8、第三转向电动缸18、第四转向电动缸24均处于回转模式静止状态。一体化轮式挖掘机车架17向处于静止状态，进而实现整机的旋转停止作业功能。
33.本发明的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统可以同于工程机械各工况作业实现回转功能，当轮式工程机械作业工况较为恶劣时，需配合平整的铺路钢板28使用，以保证轮式工程机械回转运动的平顺性。
34.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，包括一体化轮式挖掘机车架、第一轮组件、第二轮组件、第三轮组件、第四轮组件、整机控制器和与所述整机控制器信号连接的操控手柄、回转速度调节旋钮、回转作业模式按钮、第一多合一控制器和第二多合一控制器，所述第一多合一控制器和第二多合一控制器固定连接在所述一体化轮式挖掘机车架横向方向的相对两端上；所述第一轮组件、第二轮组件沿所述第一多合一控制器竖向对称设置，并与所述第一多合一控制器电连接；所述第三轮组件、第四轮组件沿所述第二多合一控制器竖向对称设置，并与所述第二多合一控制器电连接；所述第一轮组件包括第一轮胎、第一电制动器、第一转向电动缸、第一传动半轴和第一轮边驱动电机，第一轮胎与第一传动半轴通过万向节相连，第一传动半轴与第一轮边驱动电机通过万向节相连，第一轮边驱动电机与一体化轮式挖掘机车架固定连接，第一转向电动缸与第一轮胎通过转向球头相连，并与一体化轮式挖掘机车架固定连接，第一电制动器安装于第一轮胎上；所述第一轮边驱动电机、第一转向电动缸、第一电制动器均与第一多合一控制器电连接；所述第二轮组件、第三轮组件和第四轮组件同理设置。2.根据权利要求1所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述第一轮边驱动电机、第一转向电动缸、第一电制动器和第二轮组件中的第二轮边驱动电机、第二转向电动缸、第二电制动器均通过高压线束与所述第一多合一控制器连接；第三轮组件中的第三轮边驱动电机、第三转向电动缸、第三电制动器和第四轮组件中的第四轮边驱动电机、第四转向电动缸、第四电制动器均通过高压线束与所述第二多合一控制器连接。3.根据权利要求2所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄、回转速度调节旋钮和回转作业模式按钮配置为在用户的操作下能够将信号传递给整机控制器，进而传递至第一多合一控制器和第二多合一控制器。4.根据权利要求3所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述第一多合一控制器配置为能够接收整机控制器发送的指令，并控制第一轮边驱动电机和第二轮边驱动电机的转速转矩、控制第一转向电动缸和第二转向电动缸的行程及控制第一电制动器和第二电制动器的制动力；所述第二多合一控制器配置为能够接收整机控制器发送的指令，并控制第三轮边驱动电机和第四轮边驱动电机的转速转矩、控制第三转向电动缸和第四转向电动缸的行程及控制第三电制动器和第四电制动器的制动力。5.根据权利要求4所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述回转作业模式按钮配置为处于作业档位时，会使得第一转向电动缸、第二转向电动缸、第三转向电动缸和第四转向电动缸动作至原地转向回转模式行程。6.根据权利要求5所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄配置为从中位向正位变化时，会使得第一轮边驱动电机和第三轮边驱动电机反向驱动，第二轮边驱动电机和第四轮边驱动电机正向驱动，进而使得一体化轮式挖掘机车架向左方向旋转，实现整机的向左回转。7.根据权利要求6所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄配置为从中位向负位变化时，能够实现整机的向右回转。8.根据权利要求7所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄配置为从正位向中位变化时，会使得第一轮边驱动电机和第三轮边驱
动电机正向制动，第二轮边驱动电机和第四轮边驱动电机反向制动，进而使得一体化轮式挖掘机车架向由左方向旋转转停，实现整机的左回转制动。9.根据权利要求8所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄配置为从负位向中位变化时，能够实现整机的右回转制动。10.根据权利要求1所述的一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其特征在于，所述操控手柄、回转速度调节旋钮、回转作业模式按钮、第一多合一控制器和第二多合一控制器均与所述整机控制器通过can通讯连接。

技术总结
本发明提供一种一体化车架全电动轮式工程机械原地转向回转系统，其中的整机控制器从操控手柄、回转速度调节旋钮和回转作业模式按钮获得控制信号，向两个多合一控制器发出控制指令控制四台轮边驱动电机的驱制动转速和转矩、四个电制动器的制动和四个电转向缸的行程，从而控制一体化车架轮式挖掘实现左回转、右回转、左回转制动、右回转制动和回转停止作业的功能。本发明采用一体化车架，整机的回转运动由整车的四轮独立原地转向实现，底盘驱动系统驱动电机的高低压线束不受整机回转限制，可实现整机真正的全电动化。与原有的液压回转系统相比，本发明在行走模式下避免了节流和溢流损耗，极大提高了能量利用率。极大提高了能量利用率。极大提高了能量利用率。


技术研发人员：陈龙 林添良 林元正 陈其怀 付胜杰 李钟慎 任好玲 郑伟杰 石家榕 王浪 缪骋
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/7/20