用於控制期望的轉矩輸出的設備、系統以及方法
2023-06-20 07:46:11
專利名稱：用於控制期望的轉矩輸出的設備、系統以及方法
技術領域：
本發明涉及傳動裝置控制，更具體地涉及對來自液力機械傳動裝置的 期望的轉矩輸出的控制。
背景技術：
相比於用於土方作業機械如牽引車輛、推土機以及輪式裝載機中的通
常的機械式傳動裝置，液力機械、轉矩分流(split torque)或平行路徑的 動力傳動系提供了很多優點。具體地，液力機械傳動裝置提供連續的速度 控制、加速以及減速的控制以及以較少的損失進行發動機速度管理。
目前對液力機械傳動裝置的工業實踐用於通過控制泵的排量來控制速 度。這種實踐要求對泵致動器進行伺服反饋控制以將泵致動器推動到特定 的位置。工業上，已有對農業中的速度控制系統的成功性測度，而在土方 移動工業中卻沒有已知的成功性。與常規的動力傳動系相比，特別是當機 械在推動大量物品或挖掘時，缺少力(轉矩)控制使具有液力機械動力傳 動系的土方作業機械處於劣勢。相似地，發現因為經常在表麵條件快速改 變以及穩定性受到損害的情況下採用土方作業機械，因此固有地較難利用 常規的速度控制系統進行平順的速度改變。
在授予Smith的美國專利No. 6，684，636中說明了 一種用於控制速度的 系統。Smith教導了一種利用施加到螺線管上以改變泵的排量的電信號來 控制速度的方法。在總體水平的表面上，這種方法是成功的，然而如上所 述，在不平的表面上，當控制器尋求期望的速度時，操作者或機械會經歷 不期望的加速。
無法確定在快速改變的表麵條件下合適的泵排量致使速度控制系統在土方移動工業中的應用不成功。與上一代成功的土方移動機械所建立的前 例相比，在排量中的任何錯誤都顯示為移動費力以及傾斜，以及一般不常 見的機械行為。
本發明旨在克服前述的一個或多個問題。
發明內容
一方面，提供了 一種用於控制來自液力機械傳動裝置的期望的轉矩輸 出的設備。該設備包括控制模塊，該控制模塊構造成確定所期望的轉矩以 及確定影響變量泵的排量來輸出期望的轉矩必需的壓力量。
另一方面，提供了一種用於輸出期望的轉矩的液力機械傳動裝置。該 液力機械傳動裝置包括與適當的產生輸出的裝置(如內燃機)驅動地連接 的變量泵、與該變量泵驅動地連接的定量馬達、齒輪系統、致動器以及控 制模塊。致動器構造成影響變量泵的排量，控制模塊構造成確定所期望的 轉矩以及確定影響致動器以調節變量泵的排量來輸出期望的轉矩必需的壓
另 一方面，提供了 一種用於控制來自液力機械傳動裝置的期望的轉矩 輸出的方法。該方法包括確定期望的轉矩以及從液力機械傳動裝置的馬達 輸出期望轉矩的步驟。
應當理解，上文中概略的說明以及下文中詳細的說明都僅是示例性以 及說明性的，而不對本發明進行限制。
附圖示出了本發明的示例性實施例，並且與說明書 一 同用於解釋本發 明的原理。在附圖中，
圖l示出來自液力機械傳動裝置中的馬達的轉矩輸出控制的示意圖； 圖2示出來自液力機械傳動裝置中的馬達的轉矩輸出控制的可選實施 例的示意圖3示出來自液力機械傳動裝置中的馬達的轉矩輸出控制的另 一可選實施例的示意圖4示出來自液力機械傳動裝置中的馬達的轉矩輸出控制的又一可選
實施例的示意圖5示出包括可選的傳感器的轉矩輸出控制的示意圖；以及
圖6示出用於確定致動器壓力差以實現變量泵的期望排量的致動器脈
語圖(map)。
具體實施例方式
現在將會詳細地參照本發明的實施例，該實施例的示例在附圖中示出。 參照圖1,示出來自液力機械傳動裝置10的轉矩輸出控制的示意圖。 液力機械傳動裝置10包括一齒輪系統12, —靜液單元16、 一輸入;f莫塊18、 一控制模塊20、 一致動器22以及一岡系統24。
齒輪系統(如傳動裝置)12通常輸出到土方作業機械的牽引裝置(未 示出)。牽引裝置可包括位於土方作業機械兩側的車輪。或者，牽引裝置 可包括履帶、皮帶、或其它從動牽引器械。優選地，齒輪系統12的內部布 置是具有一個或多個可變換範圍的功率分流布置、輸入聯接類型的液力機 械布置，或僅由輸入驅動的可變單元。也可設想其它布置，如輸出以及串 聯布置。
液力機械傳動裝置10與發動機14相連接，該發動機可以是任何類型 的產生輸出的裝置，如內燃機、汽油機或柴油機、馬達、泵或發電機和電 動機。發動機14為靜液單元16以及齒輪系統12提供旋轉能量。
靜液單元16包括至少兩個旋轉組。旋轉組包括變量泵26以及定量馬 達28，然而兩旋轉組可以都是變排量的。變量泵26流體地驅動定量馬達 28以向齒輪系統12輸出旋轉能量。靜液單元16可以是軸向活塞、彎曲軸 或其它已知的構型。相似地，靜液單元16可設置成"U"形、直列或其它 已知的設置。
輸入模塊18從指令源接收指令或指示，並將指令傳遞給控制模塊20 以根據所接收的指令操作土方作業機械。輸入模塊18可以是控制盤、鍵盤、交互式顯示器、電按扭、開關、踏板或已知編程技術。所接收的指令可以
是進入輸入模塊18的代表期望的輸入的數據、預定的標準、具體條件、或 所建立的參數。可將指令編寫入控制模塊20以根據預定的標準和/或參數， 在預定的條件下執行。指令源可以是操作者，如人，或設計成執行具體功 能的一組代碼、軟體、或電路。
控制模塊20與輸入模塊18、第一和第二速度傳感器30和32、解算器 33、閥系統24通信。控制模塊20接收來自輸入模塊18的指令輸入並確定 所期望的馬達轉矩輸出從而提供所期望的機械響應。如需要可添加其它傳 感器來提供其它的反饋或系統信息。
應注意， 一模塊，如輸入模塊18和控制模塊20,可以由包括定製的 VLSI電路或門陣列、成品半導體器件(如邏輯晶片、電晶體)或其它分離 部件的硬體迴路實現。 一模塊也可由可編程的硬體裝置，如現場可編程門 陣列、可編程列陣邏輯、可編程邏輯裝置等來實現。模塊也可由通過不同 類型的處理器來執行的軟體實現。可執行代碼的識別模塊可例如包括一個 或多個物理的或邏輯的計算機指令塊，該指令塊可例如組織成對象、進程 或函數。然而，識別模塊的可執行功能不必物理地集中，而可以包括存放 於不同位置中的完全不同的指令，這些指令在邏輯地結合在一起時包括模 塊並實現模塊的規定目的。
控制模塊20控制致動器22，該致動器22影響變量泵26的排量。致 動器22包括位於缸36中央的活塞34。在缸36的第一側38與第二側40 之間的壓力差實現變量泵26的所期望的排量。或者，如圖2所示，致動器 22可包括在致動器22的一側的彈簧力和控制壓力45以及在另一側的供給 壓力46。在圖3所示的又一實施例中，致動器22可包括在一側的控制壓 力45以及在另一側的彈簧力。或者，致動器22可包括面積相同或不同的 兩個單作用缸(未示出)，兩缸均設計成接收來自壓力控制閥47和48的 加壓流體。本領域的技術人員會意識到，致動器22可由不同的力以不同的 方式控制。
仍參照圖1，致動器22包拾沒計成在整個排量範圍內連續地產生與位置成比例的向心(centering)力的致動器彈簧42和44。應注意，對於常規的靜壓應用的情況，零排量即零輸出速度。過去， 泵的向心彈簧設置成在精確的零排量處提供較大的力的不連續性，這使泵 在任何條件下都會返回零排量。這種特徵對於常規的靜液裝置是非常有用 的，但這限制了靜液裝置實現雙向切換的能力。對於液力機械的應用，通 常來說，在任何條件下零排量/角度位置都不是特別重要的，而平順地通過 零排量/角度位置卻是優選的。結果，期望除去所有彈簧。然而，泵活塞的 慣性常常會將泵推離零排量。在齒輪系統內的具體的速度匹配條件要求足 夠的向心彈簧力來克服活塞的慣性。閥系統24根據來自控制模塊20的信號調節作用在致動器22上的壓 力。閥系統24包括第一和第二壓力控制閥47和48。第一壓力控制閥47 可通信地連接到控制模塊20以及致動器22的第一側38，而第二壓力控制 閥48可通信地連接到控制模塊20以及致動器22的第二側40。第一和第 二壓力控制閥47和48根據來自控制模塊20的指令輸入供給已知的壓力。 在圖4所示的另一實施例中，閥系統24包括單一的輸出壓力差的電液閥 49。圖5示出根據本發明的一個實施例的可選傳感器的位置。壓力傳感器 50可^L加裝到第 一和第二壓力控制閥上以及出口上以監測實際壓力。傳感 器50與控制模塊20通信以提供信息來控制閥流量損失、閥-閥變化以及 閥的非線性。壓力傳感器52也可加裝到靜液單元16上以降低對泵脈語圖 的需求並提供更精確的壓力限制。附加的傳感器布置改進了診斷以及檢錯 功能。參照圖6，示出了用於確定可變排量致動器力的脈4普圖。所示的脈i普 圖示出了對應每分鐘1800轉的單一輸入速度的致動器力(致動器DeltaP )， 用以實現變量泵26的有效排量從而在現有馬itit度下輸出期望的轉矩。控 制模塊20經由閥系統24管理致動器DeltaP ( psi)。該脈鐠圖使可變排量致動器力與期望的輸出轉矩、可變排量泵的速度 以及歸一化/標準化的馬達速度相聯繫。可變排量致動器力隨迴路壓力、變量泵的軸轉速、變量泵的位移角變化。迴路壓力還通過馬達的固定液壓排量與馬達轉矩關聯。固定排量馬達的轉矩通過齒輪系統12中的機械減速裝 置隨輸出轉矩變化。由第一速度傳感器30已知變量泵的速度。變量泵的位 移角通常與歸 一化的馬達速度成比例，該歸一化的馬達速度是定量馬 度與變量泵速度的比。歸一化的馬達速度在控制模塊20內藉助於從第一和 第二速度傳感器30、 32的輸入來計算。控制模塊20參照該脈鐠圖來確定致動器DdtaP (或可變排量致動器 力)來影響致動器22的位置。確定適當的致動器DdtaP後，閥系統24實 現適當的作用於致動器22的力，從而使致動器22或作用於致動器22的力 將相應大小的力施加在變量泵26上。應注意，對於不同的輸入速度，利用不同的脈譜圖表面。另外應注意， 對於包括多個泵的系統，每個泵要求有自己的脈4瞽圖。工業適用性在工作中，在土方作業機械上，發動機14輸出到齒輪系統12以及液 力單元16，該液力單元16也輸出到齒輪系統12。液力單元16與齒輪系統 12共同地形成液力機械傳動裝置。為實現期望的機械響應並輸出期望的轉矩，控制模塊20從指令源和輸 入模塊18接收輸入信息。指令源向輸入模塊18輸入預定的標準、參數或 條件。控制模塊20處理輸入信息以確定對於給定的輸入的期望轉矩，確定 輸入速度，確定歸一化的馬達速度，並參照脈譜圖確定實現期望的變量泵 26排量所需的致動器力的大小。響應於表示所需的致動器力的信號，第一 和第二壓力控制閥47和48協作以為致動器提供壓力來產生作用在活塞上 的力從而影響變量泵26的排量。變量泵26的排量相應地調節以在靜液回 路中在泵26與馬達28之間產生預定的壓力差。馬達28根據靜液迴路中的 壓力差輸出轉矩。傳感器50、52以及56設置於液壓迴路中以監控實際的壓力以及速度。 從傳感器50、 52、 54以及56獲得的信息被傳遞到控制模塊20，該控制模塊20按需要調節系統以保持期望的轉矩。當機械運動的阻力增加時，例如，當機械推動一堆土或石塊時，或當 機械爬山時，馬達速度改變。因此，歸一化的馬達速度改變。控制模塊20 識別出該變化，參照脈鐠圖並確定新的保持所期望的轉矩必需的致動器 DdtaP。然後，控制模塊20發送信號到壓力控制閥47和48以根據所確定 的致動器DeltaP調節致動器內的壓力。壓力控制閥為致動器22提供所確 定的壓力(DeltaP)，該壓力使活塞34移動以實現變量泵排量的相應的變 化。在靜液迴路內的壓力差相應地調節，使得馬達輸出所期望的轉矩。對本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不背離本發明的範圍或精 神的情況下可對所公開的用於控制轉矩輸出的系統做出各種修改以及變 型。通過考慮這裡公開的本發明的說明書以及實踐，本發明的其它實施例 對本領域的技術人員來說是顯而易見的。說明書以及示例應當認為僅是示 例性的。
權利要求
1. 一種用於控制來自液力機械傳動裝置的期望的轉矩輸出的設備，包括控制模塊(20)，該控制模塊構造成確定所期望的轉矩以及確定影響變量泵(26)的排量來輸出期望的轉矩必需的壓力量。
2. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述控制模塊(20) 構造成向至少一個壓力控制閥(24)發送表示所確定的壓力的信號，所述 至少一個壓力控制閥(24)用於為致動器(22)提供所述的壓力量，該致 動器(22)相應地影響變量泵(26)的排量。
3. 根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述控制模塊(20) 參照一脈i瞽圖來確定影響變量泵(26)的排量必需的壓力量。
4. 根據權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述脈鐠圖將期望的 輸出轉矩以及歸一化的馬達速度與用於影響致動器(22)必需的壓力聯繫 起來。
5. —種用於輸出期望的轉矩的液力機械傳動裝置，包括 與發動機(14)驅動地連接的變量泵(26);與變量泵(26)驅動地連接的馬達(28); 構造成影響變量泵(26)的排量的致動器(22);以及 控制模塊(20)，該控制模塊構造成確定所期望的轉矩以及確定影響 致動器(22)以調節變量泵(26)的排量來輸出期望的轉矩必需的壓力量。
6. 根據權利要求5所述的傳動裝置，其特徵在於，所述傳動裝置還 包括壓力控制裝置(24)，該壓力控制裝置可通信地聯接到所述控制模塊(20)以及致動器(22)並構造成響應於來自控制模塊(20)的信號調節 致動器(22)中的壓力。
7. 根據權利要求6所述的傳動裝置，其特徵在於，所述壓力控制裝 置(24 )包括與控制模塊(20)以及致動器(22)的第一側相聯接的第一壓力控制 閥(47)，該第一壓力控制閥(47)構造成響應於第一信號調節作用在致動器的第一側(38)上的壓力；以及與控制模塊(20)以及致動器(22)的第二側(40)相聯接的第二壓 力控制閥(48)，該第二壓力控制岡(48)構造成響應於第二信號調節作 用在致動器(22)的第二側(40)上的壓力。
8. 根據權利要求5所述的傳動裝置，其特徵在於，所述控制模塊(20 ) 根據期望的輸出轉矩以及確定的歸一化的馬達速度來確定影響變量泵(26) 的排量所必需的致動器壓力。
9. 一種用於控制來自液力機械傳動裝置的期望的轉矩輸出的方法， 包括以下步驟確定期望的轉矩；從液力機械傳動裝置的馬達(28)輸出期望的轉矩。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，在確定期望的轉矩之 後，包括以下步驟確定影響變量泵(26)的排量來輸出期望的轉矩必需的壓力量；以及 產生作用於變量泵(26)的力來實現變量泵(26)的對應於期望的轉 矩輸出的排量。
11. 根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，確定壓力量包括確 定歸 一化的馬達速度的步驟。
12. 根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，產生力的步驟包括 對致動器施加確定量的壓力以產生力的步驟。
13. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，產生力的步驟包括 響應於第一信號控制作用在致動器(22)的第一側(38)上的壓力，以及 響應於第二信號控制作用在致動器(22)的第二側(40)上的壓力的步驟。
14. 根據權利要求12所述的方法，其特徵在於，產生力的步驟包括 在致動器(22)的第一側(38)與第二側(40)之間提供壓力差以在致動 器(22)內移動活塞(34)的步驟。
全文摘要
本發明涉及用於控制液力機械傳動裝置上的期望的轉矩輸出的設備、系統以及方法。對液力機械傳動裝置的轉矩輸出的控制提供了改進的操作者感受以及控制。一控制模塊確定所期望的轉矩輸出以及確定影響變量泵的排量來輸出期望的轉矩必需的壓力。一壓力控制閥將所述壓力量施加到致動器上，該致動器響應於該壓力而移動，從而改變變量泵的排量。當馬達速度變化時，控制模塊調節作用在致動器上的壓力以提供所期望的轉矩輸出。
文檔編號F16H47/02GK101305224SQ200680041715
公開日2008年11月12日 申請日期2006年9月13日 優先權日2005年11月8日
發明者M·G·克羅寧 申請人:卡特彼勒公司