CN101305224A - 用于控制期望的转矩输出的设备、系统以及方法 - Google Patents

用于控制期望的转矩输出的设备、系统以及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制液力机械传动装置上的期望的转矩输出的设备、系统以及方法。对液力机械传动装置的转矩输出的控制提供了改进的操作者感受以及控制。一控制模块确定所期望的转矩输出以及确定影响变量泵的排量来输出期望的转矩必需的压力。一压力控制阀将所述压力量施加到致动器上，该致动器响应于该压力而移动，从而改变变量泵的排量。当马达速度变化时，控制模块调节作用在致动器上的压力以提供所期望的转矩输出。

Description

用于控制期望的转矩输出的设备、系统以及方法
技术领域
本发明涉及传动装置控制，更具体地涉及对来自液力机械传动装置的期望的转矩输出的控制。
背景技术
相比于用于土方作业机械如牵引车辆、推土机以及轮式装载机中的通常的机械式传动装置，液力机械、转矩分流(split torque)或平行路径的动力传动系提供了很多优点。具体地，液力机械传动装置提供连续的速度控制、加速以及减速的控制以及以较少的损失进行发动机速度管理。
目前对液力机械传动装置的工业实践用于通过控制泵的排量来控制速度。这种实践要求对泵致动器进行伺服反馈控制以将泵致动器推动到特定的位置。工业上，已有对农业中的速度控制系统的成功性测度，而在土方移动工业中却没有已知的成功性。与常规的动力传动系相比，特别是当机械在推动大量物品或挖掘时，缺少力(转矩)控制使具有液力机械动力传动系的土方作业机械处于劣势。相似地，发现因为经常在表面条件快速改变以及稳定性受到损害的情况下采用土方作业机械，因此固有地较难利用常规的速度控制系统进行平顺的速度改变。
在授予Smith的美国专利No.6,684,636中说明了一种用于控制速度的系统。Smith教导了一种利用施加到螺线管上以改变泵的排量的电信号来控制速度的方法。在总体水平的表面上，这种方法是成功的，然而如上所述，在不平的表面上，当控制器寻求期望的速度时，操作者或机械会经历不期望的加速。
无法确定在快速改变的表面条件下合适的泵排量致使速度控制系统在土方移动工业中的应用不成功。与上一代成功的土方移动机械所建立的前例相比，在排量中的任何错误都显示为移动费力以及倾斜，以及一般不常见的机械行为。
本发明旨在克服前述的一个或多个问题。
发明内容
一方面，提供了一种用于控制来自液力机械传动装置的期望的转矩输出的设备。该设备包括控制模块，该控制模块构造成确定所期望的转矩以及确定影响变量泵的排量来输出期望的转矩必需的压力量。
另一方面，提供了一种用于输出期望的转矩的液力机械传动装置。该液力机械传动装置包括与适当的产生输出的装置(如内燃机)驱动地连接的变量泵、与该变量泵驱动地连接的定量马达、齿轮系统、致动器以及控制模块。致动器构造成影响变量泵的排量，控制模块构造成确定所期望的转矩以及确定影响致动器以调节变量泵的排量来输出期望的转矩必需的压力量。
另一方面，提供了一种用于控制来自液力机械传动装置的期望的转矩输出的方法。该方法包括确定期望的转矩以及从液力机械传动装置的马达输出期望转矩的步骤。
应当理解，上文中概略的说明以及下文中详细的说明都仅是示例性以及说明性的，而不对本发明进行限制。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施例，并且与说明书一同用于解释本发明的原理。在附图中，
图1示出来自液力机械传动装置中的马达的转矩输出控制的示意图；
图2示出来自液力机械传动装置中的马达的转矩输出控制的可选实施例的示意图；
图3示出来自液力机械传动装置中的马达的转矩输出控制的另一可选实施例的示意图；
图4示出来自液力机械传动装置中的马达的转矩输出控制的又一可选实施例的示意图；
图5示出包括可选的传感器的转矩输出控制的示意图；以及
图6示出用于确定致动器压力差以实现变量泵的期望排量的致动器脉谱图(map)。
具体实施方式
现在将会详细地参照本发明的实施例，该实施例的示例在附图中示出。
参照图1，示出来自液力机械传动装置10的转矩输出控制的示意图。液力机械传动装置10包括一齿轮系统12，一静液单元16、一输入模块18、一控制模块20、一致动器22以及一阀系统24。
齿轮系统(如传动装置)12通常输出到土方作业机械的牵引装置(未示出)。牵引装置可包括位于土方作业机械两侧的车轮。或者，牵引装置可包括履带、皮带、或其它从动牵引器械。优选地，齿轮系统12的内部布置是具有一个或多个可变换范围的功率分流布置、输入联接类型的液力机械布置，或仅由输入驱动的可变单元。也可设想其它布置，如输出以及串联布置。
液力机械传动装置10与发动机14相连接，该发动机可以是任何类型的产生输出的装置，如内燃机、汽油机或柴油机、马达、泵或发电机和电动机。发动机14为静液单元16以及齿轮系统12提供旋转能量。
静液单元16包括至少两个旋转组。旋转组包括变量泵26以及定量马达28，然而两旋转组可以都是变排量的。变量泵26流体地驱动定量马达28以向齿轮系统12输出旋转能量。静液单元16可以是轴向活塞、弯曲轴或其它已知的构型。相似地，静液单元16可设置成“U”形、直列或其它已知的设置。
输入模块18从指令源接收指令或指示，并将指令传递给控制模块20以根据所接收的指令操作土方作业机械。输入模块18可以是控制盘、键盘、交互式显示器、电按扭、开关、踏板或已知编程技术。所接收的指令可以是进入输入模块18的代表期望的输入的数据、预定的标准、具体条件、或所建立的参数。可将指令编写入控制模块20以根据预定的标准和/或参数，在预定的条件下执行。指令源可以是操作者，如人，或设计成执行具体功能的一组代码、软件、或电路。
控制模块20与输入模块18、第一和第二速度传感器30和32、解算器33、阀系统24通信。控制模块20接收来自输入模块18的指令输入并确定所期望的马达转矩输出从而提供所期望的机械响应。如需要可添加其它传感器来提供其它的反馈或系统信息。
应注意，一模块，如输入模块18和控制模块20，可以由包括定制的VLSI电路或门阵列、成品半导体器件(如逻辑芯片、晶体管)或其它分离部件的硬件回路实现。一模块也可由可编程的硬件装置，如现场可编程门阵列、可编程列阵逻辑、可编程逻辑装置等来实现。模块也可由通过不同类型的处理器来执行的软件实现。可执行代码的识别模块可例如包括一个或多个物理的或逻辑的计算机指令块，该指令块可例如组织成对象、进程或函数。然而，识别模块的可执行功能不必物理地集中，而可以包括存放于不同位置中的完全不同的指令，这些指令在逻辑地结合在一起时包括模块并实现模块的规定目的。
控制模块20控制致动器22，该致动器22影响变量泵26的排量。致动器22包括位于缸36中央的活塞34。在缸36的第一侧38与第二侧40之间的压力差实现变量泵26的所期望的排量。或者，如图2所示，致动器22可包括在致动器22的一侧的弹簧力和控制压力45以及在另一侧的供给压力46。在图3所示的又一实施例中，致动器22可包括在一侧的控制压力45以及在另一侧的弹簧力。或者，致动器22可包括面积相同或不同的两个单作用缸(未示出)，两缸均设计成接收来自压力控制阀47和48的加压流体。本领域的技术人员会意识到，致动器22可由不同的力以不同的方式控制。
仍参照图1，致动器22包括设计成在整个排量范围内连续地产生与位置成比例的向心(centering)力的致动器弹簧42和44。
应注意，对于常规的静压应用的情况，零排量即零输出速度。过去，泵的向心弹簧设置成在精确的零排量处提供较大的力的不连续性，这使泵在任何条件下都会返回零排量。这种特征对于常规的静液装置是非常有用的，但这限制了静液装置实现双向切换的能力。对于液力机械的应用，通常来说，在任何条件下零排量/角度位置都不是特别重要的，而平顺地通过零排量/角度位置却是优选的。结果，期望除去所有弹簧。然而，泵活塞的惯性常常会将泵推离零排量。在齿轮系统内的具体的速度匹配条件要求足够的向心弹簧力来克服活塞的惯性。
阀系统24根据来自控制模块20的信号调节作用在致动器22上的压力。阀系统24包括第一和第二压力控制阀47和48。第一压力控制阀47可通信地连接到控制模块20以及致动器22的第一侧38，而第二压力控制阀48可通信地连接到控制模块20以及致动器22的第二侧40。第一和第二压力控制阀47和48根据来自控制模块20的指令输入供给已知的压力。在图4所示的另一实施例中，阀系统24包括单一的输出压力差的电液阀49。
图5示出根据本发明的一个实施例的可选传感器的位置。压力传感器50可被加装到第一和第二压力控制阀上以及出口上以监测实际压力。传感器50与控制模块20通信以提供信息来控制阀流量损失、阀-阀变化以及阀的非线性。压力传感器52也可加装到静液单元16上以降低对泵脉谱图的需求并提供更精确的压力限制。附加的传感器布置改进了诊断以及检错功能。
参照图6，示出了用于确定可变排量致动器力的脉谱图。所示的脉谱图示出了对应每分钟1800转的单一输入速度的致动器力(致动器DeltaP)，用以实现变量泵26的有效排量从而在现有马达速度下输出期望的转矩。控制模块20经由阀系统24管理致动器DeltaP(psi)。
该脉谱图使可变排量致动器力与期望的输出转矩、可变排量泵的速度以及归一化/标准化的马达速度相联系。可变排量致动器力随回路压力、变量泵的轴转速、变量泵的位移角变化。回路压力还通过马达的固定液压排量与马达转矩关联。固定排量马达的转矩通过齿轮系统12中的机械减速装置随输出转矩变化。由第一速度传感器30已知变量泵的速度。变量泵的位移角通常与归一化的马达速度成比例，该归一化的马达速度是定量马达速度与变量泵速度的比。归一化的马达速度在控制模块20内借助于从第一和第二速度传感器30、32的输入来计算。
控制模块20参照该脉谱图来确定致动器DeltaP(或可变排量致动器力)来影响致动器22的位置。确定适当的致动器DeltaP后，阀系统24实现适当的作用于致动器22的力，从而使致动器22或作用于致动器22的力将相应大小的力施加在变量泵26上。
应注意，对于不同的输入速度，利用不同的脉谱图表面。另外应注意，对于包括多个泵的系统，每个泵要求有自己的脉谱图。
工业适用性
在工作中，在土方作业机械上，发动机14输出到齿轮系统12以及液力单元16，该液力单元16也输出到齿轮系统12。液力单元16与齿轮系统12共同地形成液力机械传动装置。
为实现期望的机械响应并输出期望的转矩，控制模块20从指令源和输入模块18接收输入信息。指令源向输入模块18输入预定的标准、参数或条件。控制模块20处理输入信息以确定对于给定的输入的期望转矩，确定输入速度，确定归一化的马达速度，并参照脉谱图确定实现期望的变量泵26排量所需的致动器力的大小。响应于表示所需的致动器力的信号，第一和第二压力控制阀47和48协作以为致动器提供压力来产生作用在活塞上的力从而影响变量泵26的排量。变量泵26的排量相应地调节以在静液回路中在泵26与马达28之间产生预定的压力差。马达28根据静液回路中的压力差输出转矩。
传感器50、52以及56设置于液压回路中以监控实际的压力以及速度。从传感器50、52、54以及56获得的信息被传递到控制模块20，该控制模块20按需要调节系统以保持期望的转矩。
当机械运动的阻力增加时，例如，当机械推动一堆土或石块时，或当机械爬山时，马达速度改变。因此，归一化的马达速度改变。控制模块20识别出该变化，参照脉谱图并确定新的保持所期望的转矩必需的致动器DeltaP。然后，控制模块20发送信号到压力控制阀47和48以根据所确定的致动器DeltaP调节致动器内的压力。压力控制阀为致动器22提供所确定的压力(DeltaP)，该压力使活塞34移动以实现变量泵排量的相应的变化。在静液回路内的压力差相应地调节，使得马达输出所期望的转矩。
对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下可对所公开的用于控制转矩输出的系统做出各种修改以及变型。通过考虑这里公开的本发明的说明书以及实践，本发明的其它实施例对本领域的技术人员来说是显而易见的。说明书以及示例应当认为仅是示例性的。

Claims (14)

1.一种用于控制来自液力机械传动装置的期望的转矩输出的设备，包括控制模块(20)，该控制模块构造成确定所期望的转矩以及确定影响变量泵(26)的排量来输出期望的转矩必需的压力量。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制模块(20)构造成向至少一个压力控制阀(24)发送表示所确定的压力的信号，所述至少一个压力控制阀(24)用于为致动器(22)提供所述的压力量，该致动器(22)相应地影响变量泵(26)的排量。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制模块(20)参照一脉谱图来确定影响变量泵(26)的排量必需的压力量。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述脉谱图将期望的输出转矩以及归一化的马达速度与用于影响致动器(22)必需的压力联系起来。
5.一种用于输出期望的转矩的液力机械传动装置，包括：
与发动机(14)驱动地连接的变量泵(26)；
与变量泵(26)驱动地连接的马达(28)；
构造成影响变量泵(26)的排量的致动器(22)；以及
控制模块(20)，该控制模块构造成确定所期望的转矩以及确定影响致动器(22)以调节变量泵(26)的排量来输出期望的转矩必需的压力量。
6.根据权利要求5所述的传动装置，其特征在于，所述传动装置还包括压力控制装置(24)，该压力控制装置可通信地联接到所述控制模块(20)以及致动器(22)并构造成响应于来自控制模块(20)的信号调节致动器(22)中的压力。
7.根据权利要求6所述的传动装置，其特征在于，所述压力控制装置(24)包括：
与控制模块(20)以及致动器(22)的第一侧相联接的第一压力控制阀(47)，该第一压力控制阀(47)构造成响应于第一信号调节作用在致动器的第一侧(38)上的压力；以及
与控制模块(20)以及致动器(22)的第二侧(40)相联接的第二压力控制阀(48)，该第二压力控制阀(48)构造成响应于第二信号调节作用在致动器(22)的第二侧(40)上的压力。
8.根据权利要求5所述的传动装置，其特征在于，所述控制模块(20)根据期望的输出转矩以及确定的归一化的马达速度来确定影响变量泵(26)的排量所必需的致动器压力。
9.一种用于控制来自液力机械传动装置的期望的转矩输出的方法，包括以下步骤：
确定期望的转矩；
从液力机械传动装置的马达(28)输出期望的转矩。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在确定期望的转矩之后，包括以下步骤：
确定影响变量泵(26)的排量来输出期望的转矩必需的压力量；以及
产生作用于变量泵(26)的力来实现变量泵(26)的对应于期望的转矩输出的排量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，确定压力量包括确定归一化的马达速度的步骤。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，产生力的步骤包括对致动器施加确定量的压力以产生力的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，产生力的步骤包括响应于第一信号控制作用在致动器(22)的第一侧(38)上的压力，以及响应于第二信号控制作用在致动器(22)的第二侧(40)上的压力的步骤。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，产生力的步骤包括在致动器(22)的第一侧(38)与第二侧(40)之间提供压力差以在致动器(22)内移动活塞(34)的步骤。
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