用於流體靜壓驅動車輛的部件組合的製作方法

2023-12-09 13:22:41

專利名稱：用於流體靜壓驅動車輛的部件組合的製作方法
技術領域：
本發明整體涉及流體靜壓驅動車輛，更具體地，涉及尺寸被設置成提供操作效率 的部件的組合。
背景技術：
流體靜壓驅動車輛通常包括由發動機或馬達驅動的液壓泵。液壓泵向連接到輪子 的一個或多個致動器(通常是液壓馬達)或者車輛的其他驅動部件推進流體流。來自泵的 該流體流經過每個致動器，引起車輛以行進速度向前運動。操作者調節例如操作杆、踏板或 者任何其它合適裝置的控制輸入裝置來控制車輛的運動。當操作者移動控制輸入裝置時， 與控制輸入裝置一體的位移傳感器產生信號，或者替代地，機械連接機構的位移產生信號。 該信號被傳送至與車輛相關聯的控制器，在此，信號被解譯並向與液壓泵相關聯的致動器 發送適當的指令，致動器被設置成運動泵的控制臂，其操作能改變泵的排量。替代地，控制 輸入裝置可例如通過線纜機械地連接到泵，從而引起泵的控制臂響應於控制輸入裝置的位 移而運動。泵的控制臂的位移通過改變泵內斜盤的操作角度使泵的排量發生改變，並且因此 引起通過泵推進的流體的壓力和流速發生改變。流體流速的調節也調節驅動車輛輪子的液 壓馬達的旋轉速度並因此調節車輛的行進速度。可利用另外的系統來控制車輛的行進速 度，例如當操作者希望時，可利用制動系統或者變速器來使車輛減速。儘管這些類型的控制在控制車輛方面通常是有效的，但一般來說，這種流體靜壓 驅動車輛大部分時間在燃料消耗方面不是高效操作的。用於例如壓土機的通常車輛的發動 機被設置成穩態操作在或大約2300轉/分鐘(RPM)。當車輛以全功率操作時，泵被設置在 其最高設定，泵的低效導致燃料消耗增加。因此，希望提供一種克服一個或多個這些缺點或 使一個或多個這些缺點最小化的布置。

發明內容
流體靜壓驅動車輛包括以第一速度操作並可操作地連接到可變排量泵的發動機。 該泵包括能夠以選定角度操作的旋轉斜盤，這些選定角度指示泵的排量。泵排量在零排量 至最大排量的範圍。液壓線路能夠從泵接收流體流，流體流以一流速循環通過液壓線路。液 壓線路能夠以最大液壓線路流速操作或以低於最大液壓線路流速操作。泵能夠在發動機以 第一速度操作且斜盤設置在與小於最大排量的操作排量對應的操作角度時將最大液壓線 路流速的流體泵送至液壓線路中。


圖1是作為根據本發明的流體靜壓驅動車輛的一種例子的壓土機的輪廓圖；圖2是根據本發明的液壓系統的示意圖；圖3是一種簡化的可變排量泵的示意剖視圖4是定性地標繪可變排量泵的流速與出口壓力關係的圖表；圖5是兩個圖表的比較，每個圖表均對應於根據本發明的可變排量泵。
具體實施例方式本發明涉及流體靜壓操作的機器。用於說明的例子涉及流體靜壓驅動車輛，更具 體地涉及車輛部件的組合，其產生減小的發動機操作速度，用於使大多數操作條件最優化。 本發明能夠應用於具有與其相聯的液壓系統的任何類型的機器。在給出的示例性車輛中， 當車輛的需求小於最大需求且流體以最大流量流動時，發動機可以較低的發動機速度操作 且扭矩輸出較低。根據本發明，發動機速度的這種減小是通過利用具有比以前使用的泵更 大的最大排量的泵來實現的，即使泵的尺寸被設置得由於車輛的液壓系統不能接受這種流 量而使其從不以最大排量設定來操作。這樣，車輛以及因此任何其他液壓操作的機器的操 作可以被優化。圖1顯示了作為流體靜壓驅動車輛的一個例子的車輛100的輪廓圖。儘管圖1中 示出的是壓土機，但術語「車輛」可以指執行例如與採礦、鋪路、建築、農業、運輸等行業或本 領域已知的任何其他行業相關的一些類型操作的任何流體靜壓機器。例如，車輛100可以 是運土機，例如輪式裝載機或履帶式裝載機、挖掘機、傾卸卡車、反鏟挖土機、平地機、運料 機等。車輛100包括發動機機架部分102和非發動機機架部分104。包括鉸鏈108的鉸 接接頭106連接兩個機架部分102和104，鉸鏈108使車輛100能夠在操作過程中轉向。發 動機機架部分102包括發動機110和一組輪子112 (僅一個輪子可見)。發動機110可以是 內燃機，例如壓縮點燃式發動機，但一般來說，發動機110可以是通過消耗燃料向車輛的各 個系統提供功率的任何原動機。在這裡給出的示例性車輛100中，非發動機機架部分104容納鼓114，鼓114在車 輛100運動時繞著其中心線旋轉。佔用駕駛室116的操作者通常操作車輛100。駕駛室116 可包括座位118、轉向機構120、調速手柄或控制杆122和控制臺124。佔用駕駛室116的 操作者可控制車輛100的各種功能和運動，例如通過利用轉向機構120來設定車輛100的 行進方向，或者利用控制杆122來設定車輛的行進速度。可以理解，對這裡給出的各種控制 機構的陳述是一般性的，並意在包括用來將操作者的指令傳送給車輛的所有可能機構或裝 置。圖2中示出了用於包括電控裝置的液壓系統200的簡化線路圖。為了說明的目的 顯示了簡化的系統200，其包括用於驅動車輛100的鼓114的驅動線路的一部分。如可以理 解的，為了簡單，沒有顯示用於驅動輪子112或者鼓114內的振動器(未示出)的液壓部件 和連接。可以在替代的流體靜壓驅動車輛中提供類似的液壓部件和連接，以執行例如僅僅 是示例的對連接工具的提升和/或傾斜的操作。液壓線路200包括與車輛的原動機，在該例子中是發動機204連接的可變排量泵 202。泵202具有連接到排出容器或排洩管208的入口管道206。當發動機204(例如發動 機110)操作時，泵202從容器208抽吸流體流，對其進行加壓，然後通過供應線或管道212 將其輸送至四通雙向(4-2)閥210。閥210的排出埠通過排出至容器208的排出通道213 連接。控制杆214連接至泵202內部的斜盤(未示出)並被設置成響應於控制杆214的運動改變斜盤的角度。控制杆214的運動通過連接至控制杆214的致動器216來完成。控制 杆214的位移或角度等同於泵202的斜盤的角度並可以利用傳感器218來感測或測量。傳 感器218可以例如是測量控制杆214的角度(或者等效的位移)以及由此泵202內斜盤的 位置的模擬傳感器或數字傳感器。使用中，泵202用來在發動機204操作時推進流體流通過供應管線212。根據4_2 閥210的位置，來自供應管線212的流體流被輸送至第一管道220和第二管道222這兩個 管道中的一個，第一管道220和第二管道222分別連接至液壓馬達224的任一側。4_2閥 210的位置通過閥致動器226來控制，閥致動器226被設置成使4_2閥210在兩個位置之間 往復運動，從而引起馬達224沿希望方向運動。在一種替代實施方式中，4-2閥可由能夠沿 兩個方向將流體輸送至馬達224的雙向可變排量泵(未示出)代替。馬達224連接至車輛的輪子或鼓227 (例如輪子112或鼓114)並被設置成在車輛 行進時使輪子或鼓227旋轉。示意性示出的制動裝置228被設置成在由致動器230致動時 阻止或停止鼓227的運動。本實施方式中顯示的制動裝置致動器230是電子式的並且致動 制動裝置228引起阻止鼓227運動的摩擦，但也可以使用其它結構。例如，可以將銷插入連 接至鼓227的轉盤的開口中，從而阻止盤和鼓227相對於銷的運動，等等。此外，為了說明， 制動裝置228被顯示在鼓227的外部，但也可以利用例如具有保護在鼓227內的制動裝置 228的那些更常規的設計。電子控制器232連接至車輛並被設置成在操作過程中從車輛上的各種傳感器接 收信息、處理這些信息並向系統內的各種致動器發送指令。圖示了與本說明有關的連接，但 可以認識到，可以相對於控制器232具有更多其它連接。在這種實施方式中，控制器232通 過控制信號線236連接至控制輸入裝置234 (例如控制杆122)。示意性示出的控制輸入裝 置234例如可以是用來為車輛設置希望速度的能夠由車輛的操作者運動的杆。控制輸入裝 置234的位置可以通過與控制輸入裝置234相關聯的傳感器238轉化為指令信號。可以利 用傳遞至控制器232的控制信號，以及其它參數、例如發動機204的速度、容器208內的流 體溫度等進行計算，從而得出引起車輛以希望速度運動的斜盤的希望角度。當操作者通過移動控制輸入裝置234指令車輛運動時，指令信號通過指令輸入線 236傳送至控制器232。如下文更加詳細地描述的，該信號引起泵致動器216使控制杆214 運動適當的程度，從而實現希望的角度。控制杆214的希望角度轉化成泵202的斜盤的希 望設定並引起適當流量的工作流體通過液壓馬達224，導致鼓227旋轉，從而實現車輛的希 望行進速度。屬於液壓系統200的各種流體管道和致動器，例如液壓馬達224，的尺寸相對於通 過系統200的流體的最大流速設置。例如，設計者對系統200的最大流量的計算可解釋各 種參數，例如車輛的重量、最大行進速度、車輛能夠在操作過程中穿越的任何坡度等。圖3中示出了可變排量泵300(例如泵202)的典型布置的剖視圖。可變排量泵 300包括形成多個圓柱形孔304的殼體302，圓柱形孔304彼此平行地徑向設置在殼體302 內。每個孔304均可密封且可往復地接納活塞306。簡化示出的每個活塞306形成從活塞 306延伸並接觸成角度的旋轉板或斜盤310的致動連接機構308。斜盤310連接至旋轉軸 312並能夠相對於旋轉軸312以角度314旋轉。可以調節角度314，從而改變每個活塞316 的行程，由此改變可變排量泵300的排量。在一種典型布置中，軸312在旋轉機器，例如車輛的發動機或變速器的作用下旋轉。由斜盤310的旋轉引起的活塞306的動作用來壓縮限 定在每個相應的孔304和活塞306之間的多個壓縮容積316內的流體。每個壓縮容積的體 積取決於斜盤310的角度314。圖4中顯示了用於一種示例性可變排量泵的定性效率圖。圖4的圖表示一種參數 標繪圖，豎軸402表示在可變排量泵中被壓縮的流體的流速，橫軸404代表泵的出口壓力。 該圖表示出了在泵的輸入軸的穩態旋轉速度，例如2300RPM下測試的泵的出口流量與壓力 之間的關係以及泵針對斜盤的各種角度或設定的相應泵效率。一系列流量曲線406示出了泵的流速和出口壓力之間的負相關性。每條流量曲線 406的曲率可根據泵的角度設定而改變。例如，與泵的低角度設定對應的流量曲線408具 有凹曲率，表明流速在壓力從低壓力條件增加時速度減小得比其在更高壓力條件下減小得 快。相反，與泵的高或陡峭角度設定對應的流量曲線410具有凸曲率，表明流速在壓力從較 高壓力條件增加時速度減小得比其在較低壓力時減小得快。與泵的角度設定對應的每條流 量曲線406的形狀表示泵的效率，較高的效率出現在與具有凹形狀的流量曲線406對應的 角度。可以猜想，對應於中間角度的流量曲線411具有在凹和凸形狀的流量曲線406之間 過渡的大致直的形狀。泵效率可確定為在標稱壓力、角速度和流體黏度下泵出口處的液壓功率和驅動軸 處的機械功率之間的比。泵效率通過多條效率曲線412表示在圖表上，每條效率曲線對應 於泵的各個角度設定。每條效率曲線412具有表示針對每個角度設定的最優泵性能的拐 點。可以認識到，例如當壓力偏離最優性能時，效率的相對下降將隨泵的角度設定增加而增 加。還可以認識到，操作過程中泵的低或衰減效率引起能量浪費以及車輛的燃料消耗增加。出於這個和其他原因，通過向通常引入較小泵的車輛中引入較大的泵，可以有利 地避免燃料消耗增加的問題。通過增加泵的尺寸，甚至是增加到泵從不使用在其最大角度 設定的程度，可有利地在更高的效率和更低的軸速度操作更大的泵，由此減小車輛的燃料 消耗而仍以高效率操作。圖5中示出了表示兩種示例性泵的流量和壓力特性的兩種定性曲線圖進行比較。 第一圖表500包括為表示第一泵506 (較小機架泵)性能的數據繪製的流量曲線502和效 率曲線504，而第一圖表500下面的第二圖表501包括為第二泵507 (較大的機架泵)產生 的數據繪製的流量曲線503和效率曲線505。第一泵506可操作在2300RPM的穩態軸速度， 第二泵507可操作在1600RPM的穩態軸速度。第一和第二圖表500和501中顯示的數據是 定性的而不表示實際的數據。選擇了兩個操作點來說明假定每個泵在相同或類似液壓系統 中使用時的操作條件。在兩種曲線圖中，第一操作點01對應於流速F1和每個泵的出口處的壓力P1。類 似地，第二操作點02對應於流速F2和每個泵的出口處的壓力P2。虛線用來指出圖表500 和501上的每個操作點。關於第一泵506，操作點01可通過將第一泵506設置為第二角度設定A2來獲得。 然而，操作點02僅可以通過將泵設置在最大角度設定Amax來接近，但不能獲得。Amax表示 泵506的最大排量設定。第一泵506在最大角度設定Amax處的操作發生在非常低的效率 E1處。根據上面的描述，高的角度設定Amax與以高壓力P2的操作結合產生非常低的泵效 率E1，因為第一泵506操作在高的角度設定和高的壓力。這種條件在第一圖表500中可容易地看出，其中，低效率El位於針對相應的角度設定Amax的最大效率Emax之外。關於第二泵507，操作點01可通過將第二泵507設定至第一角度設定A1來獲得， 第一角度設定A1相對小於第一泵506上使用的第二角度設定A2。與第一泵506相反，第二 泵507可通過將第二泵507設定在第三角度設定A3容易地獲得第二操作點02，對於該泵來 說，第三角度設定A3也有利地小於最大設定。第二泵507在第一或者第二角度設定A1和 A3的操作可發生在較高的效率和較低的軸速度。如果假定第二操作點02表示液壓系統能 夠接受的最大流速，可以認識到當以1600RPM操作且斜盤設置在與小於最大排量的操作排 量對應的操作角度時，第二泵507能夠向液壓線路泵送最大流速的流體。比較第二泵507 與第一泵506的排量，當兩個泵操作在其相應速度的操作點02時，還可以認識到第二泵507 在第二操作點02處的排量至少小於最大排量的70%。工業實用性本發明能夠應用於具有驅動可變排量泵的發動機或馬達的流體靜壓驅動車輛。通 常車輛利用泵的最大排量條件，以將泵的尺寸設置成當發動機以其最大可用RPM操作時， 可以向車輛的液壓系統推送最大流速。如上所述，這種將具體泵尺寸與發動機匹配的模式 常常導致這樣的車輛操作，即由於發動機以高速操作而既浪費燃料，又損害系統的效率。本 發明一方面描述了利用與發動機配對的較大泵(即使泵的全排量可能從不使用)允許系統 以高的效率狀態操作。此外，發動機在大部分操作條件期間以較低的RPM操作。這種結構 的優點可以容易地理解為燃料經濟性，降低操作過程中的噪音，並且增加系統的效率。將會理解，前面的描述提供了本發明的系統和技術的例子。然而，可以想到本發明 的其他實施可在細節上不同於前面的例子。對本發明及其例子的所有參照意在指此時正在 討論的特定例子，因此並不意在暗示對更廣泛的本發明範圍形成任何限制。除非另外指明， 所有關於特定特徵的區別和輕視言辭是用來指出這些特徵並不是優選的，而不是將這些特 徵全部從本發明的範圍排除。因此，本發明包括如適用法所允許的對權利要求書所述主題的所有修改及等同範 圍。而且，除非另外指明或者通過上下文明顯矛盾之外，本發明包括上面描述的元件所有可 能變型的任何組合。
權利要求
一種流體靜壓驅動車輛(100)，包括發動機(204)，其在所述車輛(100)的操作過程中以旋轉速度操作；可變排量泵(202，300)，其可操作地連接至所述發動機(204)，所述泵(300)包括能夠以選擇角度(314)操作的旋轉斜盤(310)，所述斜盤(310)的所述角度(314)指示泵排量，所述泵排量在零排量至最大排量的範圍；液壓線路(200)，其能夠從所述泵(202)接收流體流，所述泵(202)能夠使所述流體流以一流速循環通過所述液壓線路(200)，所述液壓線路能夠以最大液壓線路流速或低於最大液壓線路流速的流速操作；所述泵(202)能夠在所述發動機(204)以所述旋轉速度操作並且所述斜盤(310)設置在與小於所述最大排量的操作排量對應的操作角度(314)時將所述最大液壓線路流速的流體泵送至所述液壓線路(200)中。
2.如權利要求1所述的流體靜壓驅動車輛(100)，其中，所述旋轉速度為每分鐘1600轉。
3.如權利要求1或2所述的流體靜壓驅動車輛(100)，其中，所述操作角度(314)對應 於小於所述最大排量70%的操作排量。
4.如權利要求1至3中任一項所述的流體靜壓驅動車輛(100)，其中，所述泵(202)能 夠在所述泵斜盤(310)設置在所述最大排量時以所述旋轉速度提供泵流速，當所述泵斜盤 (310)被設置在所述最大排量時，所述旋轉速度的所述泵流速大於所述最大液壓線路流速。
5.如權利要求1至4所述的流體靜壓驅動車輛(100)，還包括能夠接收在所述液壓線 路(200)中循環的流體流的至少一部分的液壓馬達(224)。
6.如權利要求5所述的流體靜壓驅動車輛(100)，其中，所述液壓馬達(224)能夠以所 述最大液壓線路流速或者低於所述最大液壓線路流速的流速操作。
7.如權利要求6所述的流體靜壓驅動車輛(100)，其中，所述液壓馬達可操作地連接到 輪子(112)。
8.一種用於操作液壓系統(200)的方法，包括利用可變排量泵(202)進行壓縮液壓流體流的操作；使所述液壓流體流循環通過具有最大流量的液壓線路；通過改變所述泵(202)的排量設定(214)來控制所述液壓流體流的流速，所述泵的所 述排量設定能夠控制在零排量設定和最大排量設定之間；其中，所述泵(202)能夠以高於所述零排量設定且低於所述最大排量設定的中間排量 設定並以所述液壓線路的最大流量泵送流體。
9.如權利要求8所述的方法，還包括通過使連接至液壓馬達(224)的輪子(112)旋轉 而推進車輛(100)。
10.如權利要求8所述的方法，還包括操作連接至液壓馬達(224)的振動器組件。
全文摘要
一種流體靜壓驅動車輛包括以第一速度操作並可操作地連接至與液壓線路流體連通的可變排量泵的發動機。泵包括能夠以選擇角度操作的旋轉斜盤，其指示零排量至最大排量範圍的泵排量。泵能夠在泵斜盤設置在最大排量時提供第一速度的泵流速，其中，泵流速大於液壓線路可接收的最大流速。
文檔編號F16H39/02GK101868369SQ200880117064
公開日2010年10月20日 申請日期2008年11月20日 優先權日2007年11月21日
發明者M·奇碩爾姆 申請人:卡特彼勒路面機械公司