CN101113597A

CN101113597A - 原动机输出扭矩均衡控制装置

Info

Publication number: CN101113597A
Application number: CNA2007100703882A
Authority: CN
Inventors: 高峰
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: CN101113597B

Abstract

一种原动机输出扭矩均衡控制装置，包括液压泵、蓄能器以及扭矩均衡控制器，液压泵的输入输出轴与原动机输出轴传动连接，液压泵的出口连接蓄能器的进口，油箱连接液压泵的进口，蓄能器上装有蓄能压力传感器，液压泵的出口通过截止阀连接油箱，液压泵为变量液压泵，此变量泵集液压泵和液压马达的功能于一体，油箱通过第一单向阀连接变量液压泵的进口，变量液压泵的出口通过第二单向阀连接蓄能器的进口，变量液压泵的进口通过第一受控导通阀连接蓄能器的进口，变量液压泵的出口通过第二受控导通阀连接油箱；扭矩均衡控制器包括卸荷控制模块和扭矩均衡控制模块。本发明提供一种结构简单、适用性好、成本低的原动机输出扭矩均衡控制装置。

Description

原动机输出扭矩均衡控制装置

(一)技术领域

本发明属于流体传动领域，涉及一种原动机输出扭矩均衡控制装置。

(二)背景技术

在许多机械设备中，由于负载的变化，导致原动机的输出扭矩也随之发生大幅度的变化。例如，在工程机械如液压挖掘机、推土机、装载机中，其负载变化非常大，导致驱动这些设备的柴油机的输出扭矩也发生很大变化。在以往通常的设计中，为满足这些设备的正常工作要求，必须按照可能出现的最大负载来选择柴油机。而在实际工作过程中，这些设备上的平均负载功率并不大，远小于最大负载功率。因此，按照最大负载功率选择的柴油机功率在整个工作过程中的大利用部分时间里就显得过大，导致柴油机在大部分时间内都工作在低效区，使燃油得不到充分利用，造成能源的浪费。一般来讲，任何原动机都有一个效率较高的经济工作区，通常在其额定工作点附近。而负载的剧烈变化，将导致原动机的工作点偏离经济工作区，导致效率下降。例如，由于柴油机负载的剧烈变化，将导致柴油机工作点偏离燃油效率较高的经济工作区。另外，大功率原动机还将导致制造成本的上升和体积、重量的上升。在以往通常的设计中，这是为满足最大负载功率的要求而必须付出的代价，因此形成了满足最大负载功率需求与制造成本上升和节约能源之间的矛盾。

为解决以上所提到的矛盾，通常在设备中附加储能环节来调节原动机的输出扭矩。目前一种比较成熟的储能方式是采用液压蓄能器，适用于各种负载变化剧烈的设备，尤其是采用液压驱动的机械设备，如液压驱动的工程机械设备等。目前应用较多的一种方式是采用静压传动技术，由原动机驱动液压泵，液压泵给蓄能器蓄能，蓄能器再驱动液压马达。通过在小负载时向蓄能器内蓄能，在大负载时利用蓄能器中储存的能量辅助内燃机驱动，可以在采用小功率内燃机的条件下满足短时间内大负载功率的需求。另外，这种蓄能方式还广泛用于液压混合动力车辆制动能量的回收。这种方式只适用于以液压马达作为驱动元件的设备，而不适用于以液压缸作为驱动元件的设备。

(三)发明内容

为了克服已有的均衡控制装置的结构复杂、适用性差、成本高的不足，本发明提供一种结构简单、适用性好、成本低的原动机输出扭矩均衡控制装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种原动机输出扭矩均衡控制装置，包括液压泵、蓄能器以及扭矩均衡控制器，所述液压泵的输入输出轴与原动机输出轴传动连接，所述液压泵的出口连接蓄能器的进口，油箱连接液压泵的进口，所述蓄能器上装有蓄能压力传感器，所述液压泵的出口通过截止阀连接油箱，所述的扭矩均衡控制器包括用于当蓄能压力传感器的压力值达到上限值时打开截止阀的卸荷控制模块，所述的液压泵为变量液压泵，油箱通过第一单向阀连接变量液压泵的进口，变量液压泵的出口通过第二单向阀连接蓄能器的进口，同时，变量液压泵的进口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从蓄能器进出口到变量液压泵进口的第一受控导通阀连接蓄能器的进口，所述变量液压泵的出口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从变量液压泵出口到油箱的第二受控导通阀连接油箱；所述的扭矩均衡控制器还包括用于接收先导压力传感器的信号、检测蓄能器压力信号、接收平均扭矩指令和实际负载扭矩值，并对所述变量液压泵排量进行控制，以及向第一受控导通阀、第二受控导通阀发出控制信号的扭矩均衡控制模块。

进一步，所述的扭矩均衡控制装置还包括中心齿轮、分动齿轮，所述变量液压泵的输入轴与分动齿轮连接，所述分动齿轮与中心齿轮啮合，所述中心齿轮与原动机的输出轴连接，所述中心齿轮同时还与液压系统的主泵连接。

或者是：所述的原动机的输出轴与液压系统的主泵连接，所述的液压系统的主泵与变量液压泵的输入轴连接。

再或者是：所述的原动机的输出轴与变量液压泵的主轴连接，所述的变量液压泵的输入输出轴与液压系统的主泵连接。

更进一步，所述的第一受控导通阀、第二受控导通阀均为截止阀。

所述的第一受控导通阀为在没有先导操纵信号的条件下允许的液压油流动方向是从所述的液压泵的进口到蓄能器的进口的第一受控单向阀；所述第二受控导通阀为在没有先导操纵信号的条件下允许的液压油流动方向是从油箱到变量液压泵的出口的第二受控单向阀。

所述的第一受控单向阀、第二受控单向阀均为液控单向阀。

所述的蓄能器的进口通过溢流阀连接油箱。

在所述的扭矩均衡控制模块中，接收平均扭矩指令信号和实际负载扭矩信号，根据所述两个信号，当实际负载扭矩大于平均扭矩指令时，控制变量液压泵运行在马达状态，由蓄能器释放能量来驱动，同时根据蓄能器压力控制排量，控制原动机输出扭矩跟踪平均扭矩指令；当实际负载扭矩小于平均扭矩指令时，控制变量液压泵运行在泵状态，向蓄能器蓄能以加大原动机输出轴上的负载扭矩，同时根据蓄能器压力控制排量，以控制原动机输出扭矩跟踪平均扭矩指令。

本发明的技术构思为：原动机在负载剧烈变化的过程中，平均负载功率根据工况的不同而始终处于缓慢的变化之中。如何使原动机工作点在各种功率工况下始终处于稳定状态，跟踪这种缓慢变化的负载功率，关系到原动机在扭矩均衡控制系统控制下能否工作在高效工作区。根据对这种缓慢变化的平均负载功率的统计，将决定采用何种功率容量的原动机才能满足设备的负载功率需求，同时具有较高的效率。

本发明采用液压和电子控制结合的解决方案，用液压蓄能器作为蓄能元件，利用变量泵作为原动机输出扭矩的调节元件，此变量泵同时也可以运行于马达工作状态，从而提供一种结构简单、适合各种机械应用的扭矩均衡电液控制装置。在本发明中的液压泵采用了排量可以调节的形式，可以根据实际的平均负载扭矩对排量进行调节，使液压泵无论工作在泵状态还是马达状态，都能对原动机输出扭矩进行调节，使原动机的输出扭矩始终跟踪平均负载扭矩。具体原理是，扭矩均衡控制器通过检测实际的工作负载功率，如通过检测主泵的输出压力、流量、发动机转速、发动机油门位置等参数就可以对实际的负载功率进行估计，再通过检测蓄能器压力，一方面决定是向蓄能器蓄能还是从蓄能器释放能量，另一方面控制变量泵的排量，以实现原动机输出扭矩的均衡。

这种装置不改变系统原有的动力结构，因此无论原系统采用马达驱动还是液压缸驱动，本发明都能实现剧烈负载变化下的原动机输出扭矩均衡。

采用液压蓄能器作为储能元件，利用一个与原动机输出轴直接或间接相连的液压泵完成小负载功率时的储能，同时液压泵也能工作在马达状态，由蓄能器驱动，作为柴油机的辅助动力以满足大功率负载需求。本发明中的液压泵采用变量结构，排量可以根据扭矩均衡控制器的指令而变化，以满足在不同的平均负载扭矩下控制原动机输出扭矩的稳定。在提出的液压控制结构中，通过两个单向阀、两个液控单向阀或两个液控或电磁截止阀、一个溢流阀、一个电磁截止阀或液控截止阀，在工程机械先导操纵压力的控制下，在没有先导压力或工程机械不动作时由所发明装置中的液压泵向蓄能器储能，液压泵的排量由扭矩均衡控制器控制。根据蓄能器中的蓄能压力，在低蓄能压力时采用大排量进行蓄能，在高蓄能压力时采用小排量进行蓄能，目的是在泵功能切换到马达功能前使蓄能器中的压力尽可能高，同时使原动机输出轴上的负载也尽可能接近扭矩均衡控制器中所设定的平均负载扭矩。扭矩均衡控制器中所设定的平均负载扭矩是根据设备实际的工作负载统计出来的。在有先导压力或工程机械有动作时此泵变成马达工作状态，其排量同样受扭矩均衡控制器控制，根据蓄能器压力和平均负载扭矩确定排量，由蓄能器驱动作为柴油机的辅助驱动，以满足此时大扭矩负载的需求。通过在工程机械没有操作或没有动作时向蓄能器蓄能，在工程机械有操作或有动作时蓄能器向外释放能量作为柴油机的辅助动力，从而控制柴油机输出扭矩趋于平均。

本发明的有益效果主要表现在：1、简化了结构、成本低；2、适用于负载变化剧烈的各种机械设备，在各种平均负载功率下都能够使原动机输出扭矩均衡。

(四)附图说明

图1是本发明的机械结构原理图。

图2是第二种机械结构原理图。

图3是第三种机械结构原理图。

图4是本发明的液压系统原理结构图。

图5是本发明的第二种液压系统原理结构图。

图6是工程机械的操纵信号和系统负载功率关系图。

图7是本发明的一种应用实例的结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种原动机输出扭矩均衡控制装置，包括液压泵1、蓄能器4以及扭矩均衡控制器14，所述液压泵1的输入输出轴与原动机12输出轴传动连接，所述液压泵1的出口连接蓄能器4的进口，油箱9连接液压泵1的进口，所述蓄能器4上装有蓄能压力传感器7，所述液压泵1的出口通过截止阀10连接油箱，所述的扭矩均衡控制器14包括用于当蓄能压力传感器7的压力值达到上限值时打开截止阀10的卸荷控制模块，所述的液压泵1为变量液压泵，油箱9通过第一单向阀2连接变量液压泵的进口，变量液压泵的出口通过第二单向阀5连接蓄能器4的进口，同时，变量液压泵的进口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从蓄能器的进口到变量液压泵的进口的第一受控导通阀3连接蓄能器4的进口，所述变量液压泵的出口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从变量液压泵的出口到油箱的第二受控导通阀6连接油箱9；所述的扭矩均衡控制器14还包括用于接收先导压力传感器15的信号、检测蓄能器压力信号、接收平均扭矩指令和实际负载扭矩值，并对所述变量液压泵排量进行控制，以及向第一受控导通阀3、第二受控导通阀6发出控制信号的扭矩均衡控制模块。

参照图1，所述的均衡控制装置还包括中心齿轮16、分动齿轮17，所述变量液压泵1的输入轴与分动齿轮17连接，所述分动齿轮17与中心齿轮16啮合，所述中心齿轮16与原动机12的输出轴连接，所述中心齿轮16同时还与液压系统的主泵11连接。

参照图2，所述的原动机12的输出轴与液压系统的主泵11连接，所述的液压系统的主泵11与变量液压泵1的输入轴连接。

参照图3，所述的原动机12的输出轴与变量液压泵1的主轴连接，所述的变量液压泵1的输入输出轴与液压系统的主泵11连接。

参照图4，所述的第一受控导通阀3是在没有先导操纵信号的条件下只允许液压油流动方向从所述的液压泵的进口到蓄能器的进口的第一受控单向阀；所述第二受控导通阀6是在没有先导操纵信号的条件下只允许液压油流动方向是从油箱到变量液压泵的出口的第二受控单向阀；所述的第一受控单向阀、第二受控单向阀均为液控单向阀。参照图5，前面所述的第一受控导通阀3、第二受控导通阀6均可以为受控截止阀，可采用液控截止阀3A和6A代替。所述的蓄能器4的进口通过溢流阀8连接油箱9。

本实施例适用于负载工况变化剧烈的各种原动机，如内燃机、电动机、燃气轮机、蒸汽机等，尤其适用于各种大功率工程机械内燃机，例如液压挖掘机、推土机、装载机、油田抽油机等。通过在小负载时存储能量，在大负载时释放能量，本装置可以用来调节这些设备中原动机的输出扭矩，使其输出扭矩趋于平稳，同时又能满足变化剧烈的负载功率需求，使原动机的输出扭矩对缓慢变化的平均负载扭矩进行跟踪，从而在这些设备的设计中可以选用小功率原动机，并能使这些原动机始终运行在高效工作区，达到降低成本和节约能源的目的。

以内燃机为例，第一受控导通阀3为第一液控单向阀，第二受控导通阀6为第二液控单向阀。一种用于均衡内燃机输出扭矩的液压装置，包括相互连接的变量液压泵1、蓄能器4、中心齿轮16、分动齿轮17，所述的变量液压泵1的输入轴与分动齿轮17连接，分动齿轮17则与中心齿轮16啮合，中心齿轮16则与原动机输出轴连接，中心齿轮同时还与液压系统主泵11连接，所述的蓄能器4上装有蓄能压力传感器7，所述的变量液压泵1的进口通过第一单向阀2连接油箱9，变量液压泵1的进口通过第一液控单向阀连接蓄能器4的进口，变量液压泵1的出口通过第二单向阀5连接蓄能器4的进口，变量液压泵1的出口通过第二液控单向阀连接油箱9，变量液压泵1的出口通过截止阀10连接油箱9；所述的蓄能压力传感器7的输出连接扭矩均衡控制器14，所述先导压力传感器15的输出也连接扭矩均衡控制器14，扭矩均衡控制器14控制截止阀10的切换开关，扭矩均衡控制器同时还控制液压泵1的排量；所述的第一液控单向阀、第二液控单向阀的控制口连接所述的内燃机驱动的工程机械的液压系统的先导操纵信号P_i。；

第一液控单向阀、第二液控单向阀受先导操纵信号P_i的控制，电磁截止阀10受扭矩均衡控制器14的控制。

在图6中，表示出了先导操纵信号P_i(压力)与系统负载压力P_L之间的关系，当先导操纵信号P_i上升时，通常系统负载压力P_L也会上升。图7中的内燃机为柴油机，其液压系统主泵11连接工程机械主液压回路13。

将先导操纵信号P_i接到第一液控单向阀、第二液控单向阀的控制口上，用先导操纵信号P_i控制第一液控单向阀、第二液控单向阀。当先导操纵信号P_i为零压时，第一液控单向阀和第二液控单向阀与普通单向阀一样，液压油只能单向流动，油箱9中的液压油经由第一单向阀2进入液压泵1，此时如果蓄能器4中压力还没有达到溢流阀8的开启压力，而且扭矩均衡控制器14控制截止阀10处于关断状态，液压泵1输出的液压油经由第二单向阀5流入蓄能器4，完成储能过程。在蓄能器4的出口处，安装有蓄能压力传感器7检测蓄能器4中的压力。当蓄能压力传感器7检测到蓄能器4中的压力升高到某一个设定值时，则扭矩均衡控制器14打开截止阀10，使液压泵1输出的液压油直接通过截止阀10回油箱，实现卸荷。此时，如果先导操纵信号P_i依然为零压，使第一液控单向阀、第二液控单向阀仍然处于单向状态，则蓄能器4中的压力始终保持在这一设定值。当开始操纵设备时，先导压力信号P_i不再为零压，因此会控制第一液控单向阀、第二液控单向阀处于双向导通状态。由于第二单向阀5的作用，蓄能器4中的液压油不会流入液压泵1的出口，而是通过第一液控单向阀流入液压泵1的入口处。由于第一单向阀2的作用，液压泵1完全由蓄能器4中的高压油驱动而变为马达运行状态，液压泵1输出的液压油此时直接通过第二液控单向阀回到油箱9。在液压泵1变为马达运行状态时，蓄能器4中的压力会不断降低，当降低到比设定值更低的值时，由蓄能压力传感器7检测出来，然后扭矩均衡控制器关断电磁截止阀10，为蓄能器4的蓄能过程做好准备。当设备工作装置暂时停止工作时，先导操纵信号P_i回到零压，第一液控单向阀、第二液控单向阀又回到单向导通状态，使液压泵1重新回到泵工作状态，给蓄能器4补充液压油，进入蓄能状态，直到蓄能器中的压力达到设定值P₁或先导操纵信号不为0为止。在控制过程中，液压泵1的排量始终处于扭矩均衡控制器14的控制下，使原动机12的输出扭矩始终跟踪平均负载扭矩。

参照图4和图5，扭矩均衡控制器的工作原理如下：扭矩均衡控制器接受两个外来信号，一个是平均扭矩指令信号，一个是实际负载扭矩信号，或者通过检测机器设备的运行参数和工作要求而从内部产生平均扭矩指令信号以及直接检测实际负载扭矩信号。扭矩均衡控制器根据这两个指令，当实际负载扭矩大于平均扭矩指令时，控制液压泵运行在马达状态，由蓄能器释放能量来驱动，同时根据蓄能器压力控制排量，在弥补柴油机输出扭矩不足的同时，控制柴油机输出扭矩跟踪平均扭矩指令；当实际负载扭矩小于平均扭矩指令时，控制液压泵运行在泵状态，向蓄能器蓄能以加大柴油机输出轴上的负载扭矩，同时根据蓄能器压力控制排量，以控制柴油机输出扭矩跟踪平均扭矩指令。这样，无论外负载扭矩大或小，都能控制柴油机输出扭矩始终跟踪平均扭矩指令，从而实现了柴油机输出扭矩的均衡控制。

通过以上的运行过程，就可以实现在有先导操纵信号时，由蓄能器4释放能量以辅助内燃机驱动机械设备，没有先导操纵信号时，由蓄能器4吸收能量以充分利用内燃机功率，液压泵1的排量在扭矩均衡控制器控制下始终跟踪平均负载扭矩，从而实现均衡原动机输出扭矩的作用。

Claims

1.一种原动机输出扭矩均衡控制装置，包括液压泵、蓄能器以及扭矩均衡控制器，所述液压泵的输入输出轴与原动机输出轴传动连接，所述液压泵的出口连接蓄能器的进口，油箱连接液压泵的进口，所述蓄能器上装有蓄能压力传感器，所述液压泵的出口通过截止阀连接油箱，所述的扭矩均衡控制器包括用于当蓄能压力传感器的压力值达到上限值时打开截止阀的卸荷控制模块，其特征在于：所述的液压泵为变量液压泵，油箱通过第一单向阀连接变量液压泵的进口，变量液压泵的出口通过第二单向阀连接蓄能器的进口，同时，变量液压泵的进口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从蓄能器进出口到变量液压泵进口的第一受控导通阀连接蓄能器的进口，所述变量液压泵的出口通过用于在有控制信号时液压油的流动方向是从变量液压泵出口到油箱的第二受控导通阀连接油箱；所述的扭矩均衡控制器还包括用于接收先导压力传感器的信号、检测蓄能器压力信号、接收平均扭矩指令和实际负载扭矩值，并对所述变量液压泵排量进行控制，以及向第一受控导通阀、第二受控导通阀发出控制信号的扭矩均衡控制模块。

2.如权利要求1所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的扭矩均衡控制装置还包括中心齿轮、分动齿轮，所述变量液压泵的输入轴与分动齿轮连接，所述分动齿轮与中心齿轮啮合，所述中心齿轮与原动机的输出轴连接，所述中心齿轮同时还与液压系统的主泵连接。

3.如权利要求1所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的原动机的输出轴与液压系统的主泵连接，所述的液压系统的主泵与变量液压泵的输入轴连接。

4.如权利要求1所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的原动机的输出轴与变量液压泵的输入输出轴连接，所述的变量液压泵的输入输出轴与液压系统的主泵连接。

5.如权利要求1-4之一所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的第一受控导通阀、第二受控导通阀均为截止阀。

6.如权利要求1-4之一所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的第一受控导通阀为在没有先导操纵信号的条件下允许的液压油流动方向是从所述的液压泵的进口到蓄能器的进口的第一受控单向阀；所述第二受控导通阀为在没有先导操纵信号的条件下允许的液压油流动方向是从油箱到变量液压泵的出口的第二受控单向阀。

7.如权利要求6所述的所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的第一受控单向阀、第二受控单向阀均为液控单向阀。

8.如权利要求7所述的所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：所述的蓄能器的进口通过溢流阀连接油箱。

9.如权利要求1所述的原动机输出扭矩均衡控制装置，其特征在于：在所述的扭矩均衡控制模块中，接收平均扭矩指令信号和实际负载扭矩信号，根据所述两个信号，当实际负载扭矩大于平均扭矩指令时，控制变量液压泵运行在马达状态，由蓄能器释放能量来驱动，同时根据蓄能器压力控制排量，控制原动机输出扭矩跟踪平均扭矩指令；当实际负载扭矩小于平均扭矩指令时，控制变量液压泵运行在泵状态，向蓄能器蓄能以加大原动机输出轴上的负载扭矩，同时根据蓄能器压力控制排量，以控制原动机输出扭矩跟踪平均扭矩指令。