CN100432470C - 集成阀系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于变量静液压泵(11)的集成阀系统(51)，包括一单向溢流阀组件(75)和一过压(POR)部分，该系统可操作以将高于POR预定值的压力从HST闭环的高压侧(15)传递到一冲击缸(29)从而使泵(11)换向。一高压溢流弹簧(83)确定溢流设定值，而一POR压缩弹簧(109)确定POR设定值，该溢流弹簧和POR压缩弹簧相互独立地固定，从而可以调节POR设定值而不会影响单向溢流阀组件(75)的操作。

Description

集成阀系统
技术领域
本发明涉及静液压传动(HST)系统及其控制，尤其涉及包括一供给泵的闭环静液压传动系统，该供给泵用作闭环流体的补给源和系统控制器的控制流体源。
背景技术
美国专利No.4,936,095中示出并说明了一种本发明所涉及类型的典型闭环静液压传动系统，该专利转让给了本发明受让人并在此被结合作为参考。在这种闭环HST系统中，通过一对高压(“超压”)溢流阀来防止闭环和各种系统部件的压力过高，所述溢流阀通常包括在一设置于泵端盖内的阀组件中。正如现有技术所公知的，一个高压溢流阀(HPRV)保护闭环的第一侧(当第一侧超过HPRV设定值时卸压到第二侧)，另一个HPRV保护闭环的第二侧(当第二侧超过HPRV设定值时卸压到第一侧)。
在由本发明受让人销售的闭环HST系统中，设有一对各包括一个上述高压溢流阀(HPRV)的阀组件。仅作为背景和说明，每个这种阀组件通常都设置在一阀孔中，每个阀孔都与闭环HST系统的如下三个不同位置相连通：(1)供给泵；(2)通过其改变泵排量的伺服机构中的一个；(3)闭环的一侧(即在泵和马达之间延伸的管路中的一个)。
通常，除了高压溢流阀，每个阀组件还包括一单向阀，该单向阀防止从静液压闭环的相邻部分(当其内有高压时)向供给泵回流，而允许从供给泵向静液压回路的相邻部分(当其内有低压时)流动。每个阀组件通常还包括一过压(POR)阀，只要静液压回路的压力已经超过POR设定值，就可通过该阀将加压的流体从静液压回路的相邻部分传送到相互作用的伺服机构，从而降低泵排量。
另外，典型的闭环HST系统还包括一能够将静液压闭环“截流”(或短路)的旁通阀组件。旁通阀组件主要在车辆抛锚且必须(例如通过牵引)移动一段距离时起作用。旁通阀组件通常借助于车辆操纵者的某种手动致动而起作用，以将(两个阀组件的)单向阀抬离相应的单向阀阀座，从而使油可自由地从静液压闭环的一侧流向另一侧(即从“A”口流向“B”口或相反)。在所述情形下，通常驱动车辆主动轮的马达能自由地随着车辆的牵引而转动但又不会使流体过热。
当然，希望将上述各种功能全部结合在一个集成阀组件内，以便减少泵端盖或者含有阀组件的泵壳体部分的尺寸、复杂程度以及成本。美国专利No.4,617,797示出并说明了一包括上述所有功能的现有技术的阀组件，该专利在此被结合作为参考。在所结合的专利的“多功能阀”中，该多功能阀的POR阀部分用作高压溢流阀(HPRV)的“先导阀”。因此，尽管上述专利的多功能阀的各个单独功能在工作中一般已经令人满意，但这种现有装置的一个主要缺点是：由于POR阀用作HPRV的先导阀，所以在HPRV打开并开始释放压力时的流体压力总是比POR阀设定值高出一固定的压差(例如，500psi)。
因此，(例如通过车辆操纵者)对POR设定值的任何调节都会改变HPRV的设定值，而过分调节POR设定值会产生致动HPRV所需的先导流的损失。最后，在上述专利的多功能阀中，POR功能需要递增的泵输出压力以便产生递增的流量从而使泵不再产生冲程(destroke)，本领域技术人员应该理解：这会适得其反。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种改进的集成阀系统(即，可执行多种功能的系统)，其中高压溢流阀部分的设定值与过压阀部分的设定值相互独立，并且对POR设定值的手动调节不会影响HPRV功能。
本发明更具体的目的是提供这样一种改进的集成阀系统：该集成阀系统设置成使得POR阀部分不是如现有技术中所述的那样作为HPRV部分的先导部分。
本发明另一目的是提供这样一种改进的集成阀系统：该集成阀系统的旁通部分的运行不影响HPRV部分的运行。
最后，本发明的一个目的是提供这样一种改进的集成阀系统：其中POR功能具有相对“平缓”的压力-流量关系，即，不需要通过使泵的输出压力递增来产生递增的流量以进行换向。
本发明的上述和其它目的通过一种改进的变量静液压泵实现，该泵包括一壳体并适于向一与泵的出口流体连通的高压管路供应加压的流体。一压力较低的补给流体源适于与一和泵的入口流体连通的低压管路流体连通。在壳体的一孔中包括一用以改变泵的排量的流体压力控制装置并设置有一集成阀系统。该孔在一限定提动阀座的第一位置与该低压流体源开放流体连通，在一第二位置与流体压力控制装置开放流体连通，而在一位于第一和第二位置之间的第三位置与高压管路开放流体连通。所述集成阀系统包括一单向溢流阀子组件，该子组件包括一通常在第一位置坐靠在提动阀座上的单向提动阀芯。一过压(POR)阀元件可响应于超过POR预定值的压力管路的压力而动作，以使第三位置和第二位置流体连通。一旁通致动器至少部分设置在壳体外部，并且可响应于手动致动而动作，以使单向提动阀芯离开提动阀座从而使第三位置可与第一位置自由流体连通。
该改进的变量静液压泵的特征在于旁通致动器，该旁通致动器包括一位于单向溢流阀子组件和一设置在壳体外部的手动致动部之间的延长部，由此手动致动部的轴向运动可使单向溢流阀子组件产生相应的轴向运动。该集成阀系统还包括一固定在所述孔中并限定一POR口的壳体元件，该壳体元件可操作以使第三位置与第二位置流体连通。POR阀元件邻近旁通致动器的延长部设置，该POR阀元件被偏压向一常闭位置，从而阻止从第三位置经由POR口到第二位置的流动。该POR阀元件可响应于第三位置处超过POR设定值的流体压力而打开，从而将POR阀元件偏压向打开位置，以使流体可从第三位置经由POR口向第二位置流动。
附图说明
图1是本发明所涉及的一般类型的进行了一些简化的闭环静液压传动和控制系统的部分液压示意图，其包括本发明的集成阀系统的装置和各种连接；
图2是图1中示意性示出的一个集成阀组件的放大的部分轴向剖视图，该阀组件处在正常位置；
图3是与图2类似的放大的部分轴向剖视图，其更详细地示出本发明的一个重要方面；
图4是与图2类似的放大的部分轴向剖视图，其示出在旁通模式下工作的单向溢流阀组件。
具体实施方式
现在参见本发明的非限定性附图，图1示出一种本发明所涉及的典型闭环静液压传动(HST)系统。图1的HST系统包括-仅作为示例一一整体标识为11的变量轴向活塞泵，该泵通过一对流体管路15和17液压连接到一定量轴向活塞马达13。泵11可以是公知的类型，其包括一输入轴19，该输入轴19以本领域技术人员公知的方式驱动泵11的转动组件并且还驱动供给泵23。通常，供给泵的输出是流体管路15或流体管路17的唯一的补给流体源，其中任何一个流体管路在任何给定的时刻都可含有其压力低于供给泵23的输出压力的流体。如现有技术一样，供给泵23的输出压力(也就是经常提到的“控制压力”)通常选择在约150psi到约350psi(即此处未示出的低压溢流阀的设定值)的范围内。补给流体通过一整体标识为25的集成阀组件(或集成阀系统“IVS”)从供给泵23连通到流体管路15或17，下文将对该集成阀组件进行详细说明。
如本领域所公知的，泵11还包括一旋转斜盘27，该旋转斜盘27可枢转以便通过一对冲击缸(stroking cylinder)29和31改变泵11的排量(输入轴19每转的流体输出量)。马达13通常包括一输出轴(此处未示出)，该输出轴可被连接以驱动负载-例如用于推动HST系统安装在其上并运行的车辆前进的从动轮。
除了引入到流体管路15或17中的一个(需要补给流体的那个)之外，供给泵23的输出还通过一管路33连通到一整体标识为35的主控制器。本领域技术人员应该理解，为实现本发明的目的，主控制器35可以是任何一种常规的公知机构，通过该主控制器35，控制手柄37的运动(或其它合适的“输入”)能将管路33中的“控制压力”传递到管路39或管路41。如图1所示并且如现有技术所公知的，管路39连接到冲击缸29，而管路41连接到冲击缸31。这样，控制手柄37从空档位置沿“前进”方向(即使车辆向前运动)或“倒退”方向的运动会将控制压力传递到管路39或41，以使旋转斜盘27相应地前进或后退，从而分别将加压的流体从泵11传递到流体管路15或流体管路17。在本实施例中并且仅作为示例，当流体管路15内有高压时，马达13被沿可推动车辆前进的方向驱动；当流体管路17内有高压时，马达13被沿可推动车辆倒退的方向驱动。
图1所示的HST系统被称为“闭环”系统主要是因为：假设按前进方向运转，则流体管路15将高压流体从泵11的出口传递到马达13的入口，而流体管路17则将低压、回流流体从马达13的出口传递到泵11的入口。系统还包括一流体贮存器43，但在闭环系统中只有(例如从泵11的机壳或马达13的机壳)泄漏的流体被传递到该流体贮存器43中。这样，供给泵23的输出流体(补给流体)可对任何从系统泄漏到流体贮存器43的损失进行补偿。
现在仍然主要参考图1，但也参考图2，对阀组件25进行详细说明。在本实施例中并且仅作为示例，阀组件25设置在泵11的一端盖45中，但为了便于说明，图1中将该阀组件概略地示成与泵11分离。供给泵23的输出流体通过管路47传递到阀组件25，该阀组件25中设有一对基本上相同的集成阀系统(IVS)，所述集成阀系统均标识为51并且在图1中示意性地示成彼此“镜像”设置。这样，管路47与一补给腔53连通。上部IVS51具有一与连接到冲击缸29的管路39连通的管路55。类似地，下部IVS51具有一与连接到冲击缸31的管路41连通的管路57。
最后，上部IVS51具有一与HST闭环的流体管路15流体连通的管路59，而下部IVS51具有一与流体管路17(HST闭环的“B”侧)流体连通的管路61。因为两个集成阀51基本上相同并考虑到图1的示意性描述，所以通过结合图2详细说明上部IVS51就可完全理解本发明。
现在主要参考图2，可以看到，(如果移去IVS51)补给腔53与由泵11的端盖45限定的阶梯孔63开放相通，补给腔53和阶梯孔63的连接处在下文和附加的权利要求中被称为“第一位置”。与冲击缸29连通的管路55在“第二位置”处与阶梯孔63开放相通。最后，与流体管路15(闭环的“A”侧)流体连通的管路59在“第三位置”处与阶梯孔63开放相通，在本实施例中，由于随后将说明的原因，该第三位置位于第一和第二位置之间。
一带螺纹的壳体元件65设置在阶梯孔63上并与其螺纹接合，该壳体元件优选在前端(图2的右端)包括一密封元件67，从而将管路55密封并将该管路55与管路59隔离。一阀体69设置在壳体元件65中并与其螺纹接合，该阀体69包括一向图2右侧延伸并与一组由一溢流阀插件73限定的内螺纹相接合的延长部71。如随后将要更详细说明的，阀体69构成旁通致动器的一部分。一整体标号为75的单向溢流阀组件设置在溢流阀插件73内部及右侧，该组件可基本上如上面结合的美国专利No.4,936,095所示那样制成。但是应当注意，除了附加的权利要求中具体列举的内容外，上述专利所示的结构特征和细节对本发明不是必要的。
仍主要参考图2，单向溢流阀组件75包括一阀座元件77，如随后将进一步说明的，该阀座元件还起到“单向提动阀芯”的作用。阀座元件77限定了多个使阶梯孔63内的区域与该阀座元件77内部相连通的径向通道79。一提动阀组件设置在阀座元件77内，该提动阀组件包括一由螺旋压缩弹簧83包围的提动阀杆81。提动阀杆81轴向延伸贯穿阀座元件77的内部，从而在两者之间限定了一环形腔(如所结合的专利中更清楚地示出的那样)，径向通道79开口通入该环形腔。一提动溢流阀芯85连接在提动阀杆81上，该提动溢流阀芯85通常设置成抵靠(“常闭”)由阀座元件77限定的溢流阀座并沿轴向略微突出到补给腔53中。一较大的圆形垫圈元件87固定在提动阀杆81左端(图2)，压缩弹簧83的左端坐靠在该垫圈元件87上。在溢流阀插件73内设置有一使得整个组件75可起到单向阀的作用的轻型压缩弹簧89，从而如果管路59内的压力不比供给腔53内的压力大出至少弹簧89的力，则供给腔53的流体压力将克服压缩弹簧89的偏压力而将阀座元件77、提动阀杆81、弹簧83和垫圈元件87作为一个整体向图2的左侧推动。该运动将打开足够的连通以使补给流体可从供给泵23通过供给腔53、阶梯孔63流到管路59，即从“第一位置”流到“第三位置”。
如本领域技术人员所公知并可从所结合的专利中得知的，压缩弹簧83的弹簧刚性系数决定组件75的溢流设定值。例如，可选择弹簧83以形成6000psi的溢流设定值，从而如果流体管路15内(和管路59内)的压力超过6000psi，则该压力也将呈现在阶梯孔63(至图2中密封元件67的右侧)中。加压的流体将流经径向通道79，并在提动溢流阀芯85上施加一偏压力，从而将该提动溢流阀芯向图2中右侧偏压，以使提动溢流阀芯85、提动阀杆81和垫圈元件87作为一个整体移动。提动溢流阀芯85的右移会压缩其右端坐靠在阀座元件77的“向后”的表面上的压缩弹簧83。因此，过量的压力能够从管路59经过提动溢流阀芯85进入供给腔53，从该处所述压力将使下部集成阀系统51的单向阀部分离开阀座，然后所述压力从该阀座经过管路61到达流体管路17(此时该管路内有低压)。
现在主要参见图3，可见壳体元件65限定了两组设置在该壳体元件65的柱状部分内并与管路55流体连通的径向口。从图3右侧起，这些口包括一组过压(POR)口91和一组先导排放口93。一过压(POR)阀组件95设置在壳体元件65中并且包围延长部71，该过压阀组件通常被一压缩弹簧97压靠在溢流阀插件73的左端。POR阀组件95限定了多个轴向流体通道99，每个流体通道都通过小的径向节流口101与管路59开放相通，其原因将在下文说明。
阀体69在其与延长部71的连接处限定了一大体为径向的流体通道103，一轴向通道105与该流体通道103连通。在轴向通道105的左端坐靠有一先导提动阀芯107，该先导提动阀芯被一POR压缩弹簧109偏压向图3所示的关闭位置。仅作为示例，如果希望使POR的设定值比HPRV的设定值小约500psi，则可将POR压缩弹簧109选择为：如果管路59(和流体管路15)内的流体压力超过5500psi，则该压力将克服弹簧109的偏压力而使POR先导提动阀芯107离开阀座。在这种情形下，管路59内的流体将流经各小的径向节流口101，然后通过相应的轴向通道99流经压缩弹簧97，从而进入径向流体通道103。然后，通道103内的流体将经过轴向通道105，经过已离开阀座的先导提动阀芯107，从由阀体69限定的一个或多个径向孔111流出。接着，径向孔111内的流体将流经先导排放口93，进入管路55。
在有非常少量的先导流通过小的径向节流口101的情况下，存在着跨越POR阀元件95的显著的压力差，该压力差足以克服轻型压缩弹簧97的偏压力而将POR阀元件95从图3所示的常闭位置移向图3左侧，从而足以打开从管路59经POR口91到管路55的连通。如本领域技术人员所公知的，因为主控制器35已经将控制压力从管路33经管路41传递到冲击缸31以便设定旋转斜盘27的预定排量，所以此时的流体管路15是HST闭环的高压侧。在这种情况下，冲击缸29内的流体压力基本上为零(为贮存器压力)。因此，当管路15和59内的流体压力高于POR设定值(本例中为5500psi)时，从管路59经POR口91的加压的流体流经管路55到达冲击缸29，从而抵抗传递到冲击缸31的控制压力，以减少旋转斜盘27的排量。
本发明一个显著的特征是：IVS51的POR部分按上述方式通过改变泵11的排量而将管路15和59内的压力保持在POR设定值。应当注意，虽然已将IVS51的POR部分示出并说明为先导控制型，但这对本发明的实施不是必须的。例如，POR阀可只包括一提动阀元件，该提动阀元件设置在阀元件95所示的位置并坐靠在由例如壳体元件65的右端限定的阀座上。但是，本领域技术人员应当认识到，使POR阀组件95为先导控制型具有某些性能优点。
结合图3再次参见图2，可以看到，根据本发明的一个重要方面，无论先导流何时流经节流孔101并流过先导提动阀芯107以使POR阀元件95移动到其打开位置，集成阀系统51的过压部分的操作都不会对IVS51其它部分的功能或性能产生任何影响。这部分因为溢流压缩弹簧83和POR压缩弹簧109不是“串联”而是相互独立固定的。因此，仅作为示例，如果车辆操纵者转动POR校准螺钉(即下文所说的“旁通致动器”)113以增大POR设定值(即POR弹簧109作用在先导提动阀芯107上的力)或减小POR设定值，都不会影响对HPRV的设定和操作。在任一情况下，HPRV设定值都将(在本例中)保持在6000psi，考虑到本领域技术人员所公知的事实：即最终对整个回路及其部件提供保护的是HPRV的设定值，因此本发明的一个主要优点是：车辆操纵者能调节POR设定值，但无论车辆操纵者怎样调节POR设定值都不会改变或影响事先设定的HPRV设定值。
现在将结合图4但仍主要参考图2说明本发明的另一方面。如上所述，阀体69带有外螺纹，在图2中示出该阀体69整个都带有螺纹以使其“头部”(例如六角头69H)抵靠壳体元件65。如果车辆操纵者希望使用集成阀系统51的“旁通”功能，则该操纵者可沿相对于壳体元件65旋松阀体69的方向来转动该阀体69，从而将阀体69移动到图2左侧。此时，延长部71也向左侧移动(优选将该延长部形成为阀体69的一一体部分)，从而整个单向溢流阀组件75都向图2左侧移动，直到阀座元件77(它包括单向提动阀芯)远离一形成在供给腔53和阶梯孔63的接合处的提动阀座115(见图4)。
优选地，并且如仅在图4中示出的，车辆操作者在利用旁通功能时将旋松阀体69直到溢流阀插件73接合壳体元件65的右端-即图4所示的位置。于是，当溢流阀插件73接合阀体69的右端时，这种接合起到使旁通功能的操作“停止”的作用。如HST领域技术人员所公知的，车辆操纵者将在全部两个集成阀系统51中执行相同的旋松阀体69的过程，以使各集成阀系统都处于图4所示的状态。在这种情形下并且已公知的是，可对车辆进行牵引，这将使从动轮转动，从而使马达13被驱动或转动。在这种牵引模式中(只能发生在一非常短的距离内)，马达13实际上变成了一个“泵”并使流体这样循环：从该马达13的出口经过流体管路17、管路61和供给腔53然后流出管路59，接着到达管路15然后回到马达13的入口。当两个集成阀系统51的单向溢流阀组件75处于图4所示位置时，上述流产生较小的流体流动阻力，从而产生的热量较少。
因此，可以看出，本发明提供了一种大大改进的集成阀系统，该集成阀系统可以一种能克服本说明书背景技术所述的问题的方式来实现全部四种需要的功能(即单向、HPRV、POR和旁通)。
在上面的说明书中已对本发明进行了详细描述，可以相信，通过阅读和理解本说明书，本发明的各种变型和修改对本领域技术人员来说将变得明显。也就是说，只要落在附加的权利要求范围内，所有的变型和修改都包括在本发明中。

Claims (7)

1.一种变量静液压泵(11)，包括一壳体(45)并适于向一与所述泵(11)的出口流体连通的高压管路(15)供应加压的流体；一适于与一低压管路(17)流体连通的压力较低的补给流体源(23)，该低压管路(17)与所述泵的入口流体连通；一用于改变所述泵的排量的流体压力控制装置(29，31)；一设置在所述壳体(45)的孔(63)中的集成阀系统(51)，所述孔在一限定提动阀座(115)的第一位置(53)与所述低压源(23)开放流体连通，在一第二位置(55)与所述流体压力控制装置(29，31)开放流体连通，而在一位于所述第一和第二位置之间的第三位置(59)与所述高压管路(15)开放流体连通；所述集成阀系统(51)包括一单向溢流阀子组件(75)、一POR阀元件(95)和一旁通致动器(69)，所述单向溢流阀子组件(75)包括一通常在所述第一位置(53)坐靠在所述提动阀座(115)上的单向提动阀芯(77)，所述POR阀元件(95)可响应于超过POR预定值的所述压力管路(15)的压力而动作，以使所述第三位置(59)与所述第二位置(55)流体连通，所述旁通致动器(69)至少部分设置在所述壳体(45)外部，并且可响应对该旁通致动器(69)的手动致动而动作，以使所述单向提动阀芯(77)离开所述提动阀座(115)从而使所述第三位置(59)可与所述第一位置(53)自由流体连通；其特征在于：
(a)所述旁通致动器(69)包括一位于所述单向溢流阀子组件(75)和一设置在所述壳体(45)外部的手动致动部(69H)之间的延长部(71)，由此所述手动致动部(69H)的轴向运动可使所述单向溢流阀子组件(75)产生相应的轴向运动；
(b)所述集成阀系统(51)还包括一固定在所述孔(63)中并限定一POR口(91)的壳体元件(65)，该壳体元件(65)可操作以使所述第三位置(59)与所述第二位置(55)流体连通，所述POR阀元件(95)邻近所述旁通致动器(69)的所述延长部(71)设置，所述POR阀元件(95)被偏压向一常闭位置，从而阻止从所述第三位置(59)经由所述POR口(91)到所述第二位置(55)的流动，并且所述POR阀元件(95)可响应于所述第三位置(59)处超过POR设定值的流体压力而打开，从而将所述POR阀元件(95)偏压向打开位置，以使流体可从所述第三位置经由所述POR口(91)向所述第二位置流动。
2.一种如权利要求1所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述POR阀元件(95)包括手动调节装置(113)，该手动调节装置(113)设置在所述壳体(45)外部并可响应于手动调节而动作，以改变所述预定的POR设定值。
3.一种如权利要求1所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述单向溢流阀子组件(75)包括一溢流弹簧(83)，该溢流弹簧(83)限定一高压溢流设定值，所述高压溢流设定值独立于所述POR阀元件(95)的手动调节和所述预定的POR设定值的变化。
4.一种如权利要求1所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述单向溢流阀子组件(75)包括一阀座元件(77)，该阀座元件(77)用作所述溢流弹簧(83)的支座、用作一单向提动阀芯，并用作一提动溢流阀芯(85)的阀座。
5.一种如权利要求1所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述POR阀元件(95)包围所述旁通致动器(69)的所述延长部(71)；所述集成阀系统还包括先导提动阀(69，107)，该先导提动阀(69，107)可响应于在所述第三位置(59)处超过POR设定值的流体压力而使先导流体流过所述POR阀元件。
6.一种如权利要求5所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述POR先导提动阀(69，107)包括手动调节装置(113)，该手动调节装置(113)设置在所述壳体(45)外部并可响应于手动调节而动作，以改变所述预定的POR设定值。
7.一种如权利要求6所述的变量静液压泵(11)，其特征在于，所述单向溢流阀子组件(75)包括一溢流弹簧(83)，该溢流弹簧(83)限定一高压溢流设定值，所述高压溢流设定值独立于所述POR先导提动阀(69，107)的手动调节和所述预定的POR设定值的变化。
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