能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器的製作方法

2023-12-08 03:07:51

專利名稱：能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無級變速傳動系統，尤其是一種城市公共汽車的無級變速驅動和制動能量回收的能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器。
背景技術：
已有的變速裝置中，包括機械無級變速器，液壓無級變速器，液壓機械式無級變速器被分別用在各個領域。而現有的汽車傳動中，大多為機械式傳動，也有新開發的液壓機械式變速器，但專用於汽車上的液 壓無級變速器還為數不多。由於靜液壓無級變速器具有驅動力矩大，變速範圍寬，衝擊平緩等優點，因此開發具有節能、減排效能等多功能高效率的環保汽車液壓節能驅動系統技術等具有重要意義。現有的液壓馬達無級調速系統，基本形式主要有容積調速和節流調速兩類。容積調速系統的典型結構是泵控液壓馬達系統，它通過改變變量泵的排量來對馬達輸出進行控制。這種控制方法具有功率損失小，效率高的優點，因此在很多場合得到了應用，尤其是大功率系統中，但它具有低速不穩定，動態特性較差的缺點。節流調速是通過調節伺服閥的開度來調節進入液壓馬達的流量。從而控制馬達的速度，這種系統的特點是響應快，效率低，適用於動態特性高的場合。然而，對於大功率液壓馬達變速系統，傳統的閥控形式無法解決溢流損失造成的系統溫升高、散熱難的問題，因此必須採用效率較高的容積控制系統以解決發熱量大的問題，但容積控制系統雖然效率較高，可動態性能較差，不適於高精度的場合。因此也出現了閥泵聯合控制液壓馬達無級變速系統，該系統動態特性好，效率高，但控制複雜，造價成本高，不易普及推廣使用。僅在要求高的特殊場合下使用。目前應用在公共運輸車輛、大型城市公共運輸車輛主要是液壓混合動力系統，液壓混合動力是將液壓蓄能器與內燃機結合起來，協調工作發揮機械一液壓兩者優勢的車輛。由於城市路況啟停複雜，液壓混合動力車輛則可以充分地利用剎車能量的71%進行再啟動和加速，在頻繁剎車和啟動的路況，將明顯地改善車輛啟動時黑煙的排放，降低油耗，提高車輛加速和減速特性，延長剎車裝置的壽命，同時可減少車輛總能量的需求。液壓混合動力車以蓄能器作為可逆儲能元件，按照各組合方式的不同分為串聯式、並聯式、混聯式。而全液壓(靜液壓)傳動系統目前只用在特種及工程車輛上，與目前機械-液壓混合動力客車相比，全液壓系統零件大量少，降低了生產成本；能適應車速變化急劇、頻繁、變化範圍大等苛刻條件，可以在較寬的轉速範圍內實現車輛可控的無級變速，有利於充分利用發動機的性能；可以利用液壓傳動系統實現制動。因此全液壓傳動是一種很有發展前途的變速裝置。但是，現有技術的全液壓無級變速器存在體積大、結構複雜、效率較低、能耗高，組件比較精密、成本較高等不足，限制了其在城市車輛上應用
發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明提出一種能量回收式脈寬調製制動及調速全液壓無級變速系統。本發明的主要目的在於開發動態特性好、整體效率高、具有能量回收及液壓制動功能的低能耗城市車用液壓無級變速器；其次在於提高系統的可靠性、降低成本。本發明的技術方案是:能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器，包括液壓管路，在液壓管路上並列設置兩組支管路，第一支管路和第二支管路，在液壓管路設置有定量泵，向液壓管路按照設定受控供給液壓油；其特徵在於:在第一支管路上設置有第一邏輯換向閥，第一邏輯換向閥後面的管路分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第一液控單向閥，第一液控單向閥後面並列設置第一雙向液壓馬達、第二雙向液壓馬達、液壓阻尼器和第二高速開關閥，第二條路徑上設置有第一錐閥，第一錐閥與第一高速開關閥相連接，由第一高速開關閥控制第一錐閥的開啟度，第一錐閥與油箱連接；第二高速開關閥後面的管路通入氣囊式蓄能器內；
在第二支管路上設置有第二邏輯換向閥，第二邏輯換向閥後面的管路分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第二液控單向閥，第二液控單向閥後面設置第一雙向液壓馬達、第二雙向液壓馬達和第四高速開關閥，第一雙向液壓馬達和第二雙向液壓馬達的兩端分別連接在第一液控單向閥、第二液控單向閥後的管路上，並列設置；第二條路徑上設置有第二錐閥，第二錐閥與第三高速開關閥相連接，由第三高速開關閥控制第二錐閥的開啟度，第二錐閥與油箱連接；第四高速開關閥後的管路通入氣囊式蓄能器內，或者與第二高速開關閥後面的管路相連接後，通入氣囊式蓄能器內；
進一步的特徵是:第一高速開關閥和第一錐閥後面的管路，與第二錐 閥和第三高速開關閥後面的管路相連通，並且與定量泵的另一端連通。相對於現有技術，本發明具有以下優點:
1、與泵控馬達無級變速系統相比:系統具有閥控調速系統動態響應快的特點，低速狀態更加穩定，結構簡單，成本低廉。2、與閥控馬達無級變速系統相比:系統效率得到明顯提高；馬達進油口增加液控單向閥，降低減速過程中對馬達內腔壓力的影響，以及在存在擾動負載時，減小馬達腔內的壓升導致旁路流量的激增，造成液壓衝擊；蓄能器提高系統剛度以及回收制動能量。溢流損失功率小，系統溫升小，結構簡單，成本低廉。3、能量回收蓄能器與制動器分離開來，可以利用液壓傳動系統實現制動，制動力也實現數字可控，制動效果明顯增強。4、系統採用的高速開關閥同伺服閥、比例閥相比，具有價格低廉、快速響應性好、抗汙染能力強、易於實現數字控制等優點。5、整個液壓系統結構更加緊湊，生產成本低廉，工作平穩、操縱靈活、易於實現一體化，是一種很有發展前途的液壓無級變速裝置。


圖1為本發明能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器；
圖2為介紹高速開關閥控制錐閥原理示意 圖中，I一液壓定量泵、2—第一邏輯換向閥、3—第一液控單向閥、4一 第一雙向液壓馬達、5—第二邏輯換向閥、6—第二液控單向閥、7—第二雙向液壓馬達、8—第四高速開關閥、9 一第二錐閥、10—第三高速開關閥、11 一氣囊式蓄能器、12—阻尼器、13—第一高速開關閥、14 一第一錐閥、15—第二高速開關閥、20—液壓管路、21—第一支管路、22—第二支管路。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。圖1為本發明能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器結構示意
圖。如圖1所示:能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器，包括液壓管路20，在液壓管路20上並列設置兩組支管路，即第一支管路21和第二支管路22，在液壓管路20設置有定量泵1，向液壓管路20 (包括第一支管路21和第二支管路22)按照設定在受控狀態下供給液壓油；在第一支管路21上設置有第一邏輯換向閥2，第一邏輯換向閥2後面的管路(液壓管路)分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第一液控單向閥3，第一液控單向閥
3後面並列設置第一雙向液壓馬達4、第二雙向液壓馬達7、液壓阻尼器12和第二高速開關閥15，第二條路徑上設置有第一錐閥14，第一錐閥14與第一高速開關閥13相連接，由第一高速開關閥13控制第一錐閥14的開啟度，第一錐閥14與油箱連接，將卸荷後的油液通入油箱內。液壓阻尼器12是重力式蓄能器，儲蓄液壓油的能量，作為現有技術，在此不詳述。第二高速開關閥15後面的管路通入氣囊式蓄能器11內，氣囊式蓄能器11儲蓄液壓油的能量，作為現有技術，在此不詳述。在第二支管路22上設置有第二邏輯換向閥5，第二邏輯換向閥5後面的管路(液壓管路)分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第二液控單向閥6，第二液控單向閥6後面設置第一雙向液壓馬達4、第二雙向液壓馬達7和第四高速開關閥8，第一雙向液壓馬達4和第二雙向液壓馬達7的兩端分別連接在第一液控單向閥3、第二液控單向閥6後的管路上，並列設置，第一雙向液壓馬達4、第二雙向液壓馬達7、第一液控單向閥3和第二液控單向閥6形成串聯的液壓通路；第一雙向液壓馬達4和第二雙向液壓馬達7是現有技術的雙向液壓馬達，兩條管路(第一液控單向閥3和第二液控單向閥6後的管路)的液壓油都能使其產生動作，輸出動力(扭矩)。第二條路徑上設置有第二錐閥9，第二錐閥9與第三高速開關閥10相連接，由第三高速開關閥10控制第二錐閥9的開啟度，第二錐閥9與油箱連接，將卸荷後的油液通入油箱內。第四高速開關閥8後的管路通入氣囊式蓄能器11內，或者與第二高速開關閥15後面的管路相連接後，通入氣囊式蓄能器11內。第一高速開關閥13和第一錐閥14後面的管路，與第二錐閥9和第三
高速開關閥10後面的管路相連通，實現液壓油的受控流動，能順利回到油箱以卸荷，並且與定量泵I的另一端連通。第一錐閥14、第二錐閥9都帶有阻尼孔，分別在第一高速開關閥13、第三高速開關閥10控制下，產生動作。如圖2所示，本發明的兩個錐閥，是內帶阻尼孔的邏輯錐閥，高速開關閥是脈寬調製式高速開關閥，通過控制器發出PWM脈寬調製信號控制高速開關閥，當高速開關閥10在圖中狀態時，第二錐閥9控制腔Pl和進油腔壓力P2相等，通過錐閥阻尼孔和高速開關閥的油液為零，控制腔油液封閉不流動，此時錐閥關閉；當高速開關閥10斷電時，高速開關閥10處於打開狀態，控制油腔通過高速開關閥流回油箱，由於控制油腔壓力Pl通過阻尼孔而下降，錐閥芯開啟。由於高速開關閥10是採用PWM控制，通過調節調製率D (即佔空比)的大小，可以改變通過高速開關閥10的流量，進而得到不同的控制腔壓力，從而實現對通過錐閥流量的調節。本發明的工作原理:由於高速開關閥本身結構限制而允許通過的最大
流量較小，因此不能應用於更大流量控制系統中；系統選用了以高速開關閥為先導閥控制錐閥來實現大流量、高精度、高響應的同步閉環控制系統。第一、第二邏輯換向閥2、5起換向作用，第三高速開關閥10、第一高速開關閥13分別在正轉和反轉中起調速作用。本發明假設第二支管路22通過高壓油液為車輛的前進方向，即油液通過邏輯換向閥5再到液壓馬達為汽車前進方向。此時，第二邏輯換向閥5受控打開，第一邏輯換向閥2受控關閉，第一高速開關閥13得電使其第一錐閥14全開，第三高速開關閥10得電使其第二錐閥9全開。此時由定量泵I出油，經過第二邏輯換向閥5，再通過第二錐閥9回到壓力為零的油箱。第一雙向液壓馬達4、第二雙向液壓馬達7支路由於存在車輛阻力因此油液不通過。需要加速時，通過控制器發出PWM脈寬調製信號控制第三高速開關閥10，使第三高速開關閥10按一定頻率，合理的分配佔空比使閥體不停的打開與閉合，從而控制第二錐閥9的打開與閉合。此時由於定量泵I油量不變，油液通過第二錐閥9的油液變少，第二支管路22內的油壓就會升高，從而克服車輛阻力，促使液壓馬達轉動。當控制器發出的PWM頻率高電平佔空比更多，第二高速開關閥10打開的時間越多，則第二錐閥9打開的時間越多，油液通過第二錐閥9卸荷的流量越多，導致進入液壓馬達4的流量越少，轉速就越慢；PWM頻率高電平佔空比更少，第四高速開關閥8閉合的時間越多，則第二錐閥9打開的時間越少，油液通過第二錐閥9卸荷的流量就少，導致進入液壓馬達4的流量越多，轉速就越快。汽車正轉前進，馬達油液出口端都是通過第一錐閥14流回油箱。調速控制過程由駕駛員通過踩油門大小實現。整個系統供油形式從動態看是脈動的，因馬達進油端通過常開第四高速開關閥8連通氣囊式蓄能器11進行吸收壓力脈動。汽車需要馬達反轉進行倒檔時，則第一邏輯換向閥2受控打開，第二邏輯換向閥5受控關閉，第三高速開關閥10得電打開使其錐閥9全打開，此時整個調速系統則通過第一高速開關閥13進行PWM調速，原理同正轉相同。當汽車需要剎車制動時，需要脫開定量泵I對第一、第二液壓馬達4、7的供能作用，則第二邏輯換向閥5，第三高速開關閥10、第一高速開關閥13需要全部打開，此時第一、第二錐閥9、14也處於打開狀態，定量泵I的油液全部通過第二邏輯換向閥5到第二錐閥9直接回到油箱。此時第一、第二液控單向閥3、6進油端的壓力降為零。第四高速開關閥8關閉，第一、第二液壓馬達4、7在汽車慣性的作用下此時轉換為泵的作用進行泵油，油源從液控單向閥6的油路進行吸油，而液控單向閥3阻斷了馬達泵油卸荷，使馬達泵出油端壓力升高。第二高速開關閥15根據剎車踏板制動強度進行PWM進行開關調節:由於阻尼器12(重力式蓄能器)內為低容積、高壓，皮囊式蓄能器11壓力相對較低，容積大。當駕駛員踩踏剎車踏板較輕時，第二高速開關閥15開關高電平佔空比越多，馬達泵油的油液則通過第二高速開關閥15進入皮囊式蓄能器11的能量得越多，汽車制動相對較慢。當駕駛員踩踏剎車踏板較重時，第二高速開關閥15開關高電平佔空比越少，馬達泵油的油液則通過高速開關閥15進入皮囊式蓄能器11的油液越少，此時，油液被強行阻止在油道裡越多，液壓壓力升高越快，而重力式蓄能器12慣性大，低容積，液體壓力高、恆定，在這裡起到油液緩衝作用，以致油液不會完全堵死，制動效果明顯。因此，制動也實現了數字可調控制。當汽車啟動時，則關閉第二高速開關閥15，打開第四高速開關閥8，氣囊式蓄能器11內存儲的能量就可以釋放出來，驅動汽車前進。若繼續加大油門，則第一邏輯換向閥2關閉，第四高速開關閥10進行加速調節。本系統輸出馬達軸可安裝速度傳感器，結合控制器組成一速度閉環控制系統，輸出速度控制更為精確。與本發明配用的發出PWM脈寬調製信號的控制器，控制四個高速開關閥的開啟或關閉，作為現有技術，而且不是本發明的創新點，在此不做進一步說明。第一、第二單向閥起到防止雙向液壓馬達腔內流量倒流至第一、第二邏輯換向閥的作用。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器，包括液壓管路(20)，在液壓管路(20)上並列設置兩組支管路，即第一支管路(21)和第二支管路(22)，在液壓管路(20)上設置有定量泵(1)，向液壓管路(20)按照設定受控供給液壓油；其特徵在於:在第一支管路(21)上設置有第一邏輯換向閥(2)，第一邏輯換向閥(2)後面的管路分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第一液控單向閥(3)，第一液控單向閥(3)後面並列設置第一雙向液壓馬達(4)、第二雙向液壓馬達(7)、液壓阻尼器(12)和第二高速開關閥(15)，第二條路徑上設置有第一錐閥(14)，第一錐閥(14)與第一高速開關閥(13)相連接，由第一高速開關閥(13)控制第一錐閥(14)的開啟度，第一錐閥(14)與油箱連接；第二高速開關閥(15)後面的管路通入氣囊式蓄能器(11)內； 在第二支管路(22)上設置有第二邏輯換向閥(5)，第二邏輯換向閥(5)後面的管路分為兩條路徑，第一條路徑上設置有第二液控單向閥(6)，第二液控單向閥(6)後面設置第一雙向液壓馬達(4)、第二雙向液壓馬達(7)和第四高速開關閥(8)，第一雙向液壓馬達(4)和第二雙向液壓馬達(7)的兩端分別連接在第一液控單向閥(3)、第二液控單向閥(6)後的管路上，並列設置；第二條路徑上設置有第二錐閥(9)，第二錐閥(9)與第三高速開關閥(10)相連接，由第三高速開關閥(10)控制第二錐閥(9)的開啟度，第二錐閥(9)與油箱連接；第四高速開關閥(8)後的管路通入氣囊式蓄能器(11)內，或者與第二高速開關閥(15)後面的管路相連接後，通入氣囊式蓄能器(11)內。
2.根據權利要求1所述能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器，其特徵在於:第一高速開關閥(13)和第一錐閥(14)後面的管路，與第二錐閥(9)和第三高速開關閥(10)後面的管路相連通，實現液壓油的受控流動，並且與定量泵(I)的另一端連通。
全文摘要
本發明公開了能量回收式脈寬調製制動及調速液壓無級變速器，在液壓管路上並列設置兩組支管路，第一支管路和第二支管路，在第一支管路、第二支管路上設置有第一、第二邏輯換向閥，第一雙向液壓馬達、第二雙向液壓馬達的兩端分別連接在第一液控單向閥、第二液控單向閥後的管路上，並列設置；第一支管路、第二支管路上分別設置第一、第二錐閥，分別由第一、第三高速開關閥控制第一、第二錐閥的開啟度，第一、第二錐閥與油箱連接。本發明的變速器，具有閥控調速系統動態響應快的特點，低速狀態更加穩定，結構簡單，成本低廉；工作效率得到明顯提高，系統溫升小，結構簡單，成本低廉；高速閥快速響應性好、抗汙染能力強、易於實現數字控制等優點。
文檔編號F16H61/4096GK103174817SQ20131013703
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者郝建軍, 程昶, 葛帥帥, 吳俊 , 劉云云, 易彪, 周大翠 申請人:重慶理工大學, 重慶市科學技術研究院