CN101522997A - 用于操作工程机械的方法和具有提高的应对瞬时负载能力的工程机械 - Google Patents

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Abstract

一种工程机械(1)和用于操作工程机械(1)的方法，该工程机械(1)包括：动力源(120)和多个驱动轮(130)；包括至少一个液压泵(142，144，146)的工作液压系统(140)，所述工作液压系统由动力源(120)提供动力以用于移动工程机械(1)上的器械(3)和/或用于使工程机械(1)转向；布置在动力源(120)和驱动轮(130)之间以将扭矩从动力源(120)传递到驱动轮(130)的传动系(110)。所述方法的特征在于以下步骤：检测表示在该工作液压系统(140)上施加的负载的至少一个运行参数；基于所检测到的运行参数的大小，确定除了由所述动力源(120)产生的扭矩之外，是否还需要增加扭矩来减小所述动力源(120)上的负载；在确定需要额外的扭矩的情况下，增加扭矩。

Description

用于操作工程机械的方法和具有提高的应对瞬时负载能力的工程机械
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的、用于操作工程机械的方法，和一种根据权利要求24前序部分的工程机械。
本发明适用于工业建筑机领域内的工程机械，尤其是轮式装载机。因此，将参照轮式装载机来描述本发明。然而，本发明决不限于特定的工程机械。相反，本发明可用于多种重型工程机械，例如铰链式货车、卡车、推土机和挖掘机。
背景技术
轮式装载机通常设有内燃机、传动系、变速箱、驱动轮和工作液压系统。
内燃机向轮式装载机的不同功能提供动力。具体地，内燃机向轮式装载机的传动系和工作液压系统提供动力。
传动系将扭矩从内燃机传递到变速箱，该变速箱转而又将扭矩提供给装载机的驱动轮。具体地，变速箱提供不同的齿轮比，以用于改变驱动轮的速度以及用于在该轮的向前和向后驱动方向之间变化。
工作液压系统用于提升操作和/或用于使轮式装载机转向。为此，在轮式装载机中布置有用于提升和降低提升臂单元的至少一个液压工作缸，铲斗或其它类型的附加装置或工具例如叉铲安装在该提升臂单元上。通过使用另一液压工作缸，铲斗还能倾斜或枢转。此外，称为转向助力缸的液压缸被布置为通过轮式装载机的前体部和后体部的相对运动来使轮式装载机转向。
为保护轮式装载机的内燃机免于变速箱和驱动轮的工作状况的突然快速变化的影响，通常为传动系提供液力变矩器等，该液力变矩器布置在内燃机和变速箱之间。液力变矩器提供弹性，使输出扭矩能够非常迅速地适应变速箱和驱动轮的工作状况的变化。另外，在特别沉重的工作操作期间，例如在轮式装载机加速期间，变矩器提供增加的扭矩。
例如，如果不具有变矩器等的弹性的轮式装载机驶入障碍中，使得车辆停止，则这也将使内燃机停止，因为在这种设计中，发动机刚性且不可屈服地连接到驱动轮的旋转。然而，如果变矩器等布置在发动机和驱动轮之间或者更优选地在发动机和变速箱之间，则这种情形将不会发生。相反，如果轮式装载机的驱动轮停止，则这导致该变矩器(涡轮侧)的输出侧(涡轮侧)停止，而输入侧(泵侧)继续与发动机一起旋转。发动机将经受来自变矩器的较大内阻力，但它将不会停机。
然而，在工作液压系统和内燃机之间不存在液力变矩器等的弹性。相反，内燃机例如通过连接在发动机的输出轴与一个或多个泵的输入轴之间的机械式齿轮传动装置以程度不同的直接方式向工作液压系统的一个或多个液压泵提供动力。换句话说，工作液压系统上负载的快速增加被无任何明显减弱地传递到内燃机。当然，这可导致内燃机停机或导致来自内燃机的动力被液压系统完全消耗，而未给传动系留下任何大量的动力。这可能给轮式装载机的操作员留下非常不希望的印象：发动机已经变得无力以可操作方式使轮式装载机移动。
解决应对工作液压系统上负载的突然快速增加的问题的一种方法是使轮式装载机的内燃机运行在其速度范围的较高端处。这提供了动力裕度(margin)，该动力裕度使内燃机更容易应对液压系统上的快速负载增加，例如通过增大油门来恢复的时间。然而，通常较高的旋转速度导致明显增加的损失和因此增加的燃料消耗。因此，关于燃料消耗，最好使内燃机以较低的旋转速度运行。然而，这将为内燃机给出从工作液压系统上负载的突然快速增加中恢复的明显减小的裕度。
另外，为了确保液压功能在较低的旋转速度下同样快速，即为了确保在较低旋转速度下的相同液压流量，必须使用具有更高排量的更大的泵。更大的泵排量要求来自驱动该泵的源、即来自内燃机的更大扭矩。换句话说，如果我们从较高的旋转速度朝着较低旋的转速度移动以减小损失和燃料消耗，则我们将需要具有更高排量的液压泵，而这转而又导致内燃机上的更高的扭矩负载。处于较低旋转速度下的内燃机上的更高的扭矩负载意味着发动机被加剧使用。因此，与在较高旋转速度下用于向具有较低排量的液压泵提供动力的使用相比，对于内燃机来说现在已变得更难以从工作液压系统上负载的快速增加中恢复。
因此，当为诸如轮式装载机的工程机械设计现代内燃机时，希望在低旋转速度下获得高输出扭矩并获得对工作液压系统上负载的突然快速增加的迅速反应。为此，通常采用各种涡轮增压器或空气压缩机。然而，用于增强内燃机性能的这些和其它方案通常与愈加严格的排放法规、尤其是与响应于工作液压系统上负载的突然快速增加而从发动机排出的废气和可见烟相关的排放法规相冲突。
如果不能提高内燃机的性能，则我们能够总是通过至少暂时减小液压系统上的负载来应对工作液压系统上负载的突然快速增加。这能够通过在短的初始时段内限制所涉及的液压泵的排量来实现。这样，能暂时减小对内燃机要求的扭矩，从而给予内燃机恢复时间，例如通过以受控方式增大油门来恢复的时间。然而，限制液压泵的排量将导致减小的液压流量，该减小的液压流量向轮式装载机的操作员提供液压系统性能的不希望的降低，例如提升铲斗时的减小的提升速度和/或延迟的提升。
考虑到上述内容，明显存在着对如下工程机械的需求，该工程机械具有提高的应对工作液压系统上负载的突然快速增加的能力，而不存在对增强内燃机或降低工作液压系统的性能的需求或降低了该需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种在引言中所涉及的那种方法，该方法创造了用于以更有效的方式操作工程机械的条件。
这是通过用于操作工程机械的方法而实现的，该工程机械设有：动力源和多个驱动轮；包括至少一个液压泵的工作液压系统，该工作液压系统由动力源提供动力以移动工程机械上的器械和/或用于使工程机械转向；布置在动力源和驱动轮之间以将扭矩从动力源传递到驱动轮的传动系。
该方法的特征在于以下步骤：
-检测表示施加在工作液压系统上的负载的至少一个运行参数，
-基于所检测到的运行参数的大小，确定除了由动力源产生的扭矩之外，是否还需要增加扭矩来减小动力源上的负载，
-在确定需要额外的扭矩的情况下，增加扭矩。
通过上述方法增加扭矩显然给工程机械提供了提高的应对工作液压系统上负载的突然快速增加的能力，而不存在对增强动力源或降低工作液压系统的性能的需求或降低了该需求。
如果在检测到工程机械上负载的瞬时增大时增加扭矩，则尤其如此，因为瞬时增大产生了使动力源过载或停机的特定风险。
优选的是向传动系增加扭矩。这是由于以下事实：工程机械的工作液压系统通常从传动系接收动力，而传动系又由工程机械的动力源提供动力。
还优选的是，通过至少一个电机来增加扭矩，因为这使得能够进行灵活而紧凑的设计。电机还能通过多个动力源(例如电池、发电机、燃料电池等)供以动力，这提供了增加的设计自由度。此外，电机在已经处于低旋转速度时对提供大扭矩的指令反应快速，考虑到可能必须相当快速地供给相当大的扭矩，这是有益的。
另外，优选将至少一个电机布置在传动单元上游或变速箱上游，该传动单元通常布置在普通传动系中，并且该变速箱同样通常布置在普通传动系中。这样，电机不必既沿顺时针方向又沿逆时针方向工作以适应通过变速箱选择的向前和向后驱动方向。此外，将电机布置在传动单元上游能够向工作液压系统提供更直接的扭矩支持，因为液压系统通常从传动系中的位于传动单元上游的点接收动力。
更优选的是，通过监视给工作液压系统的至少一个输入指令来预测工作液压系统上的负载。通常在液压系统对该指令作出响应之前发出指令。因此，监视该指令将提供如果需要则增加扭矩的额外时间，即液压系统将实际上从动力源要求更多动力之前的额外时间。
优选的是，在工程机械、尤其在轮式装载机中实施本发明，因为典型的轮式装载机利用传动系和工作液压系统上的负载操作，该负载影响动力源，几乎同时产生具有超常大小的瞬时负载。
本发明进一步的目的是提供一种在引言中所涉及的那种工程机械，该工程机械为更有效的操作创造了条件。
通过如下的工程机械实现了该目的，所述工程机械设有：动力源和多个驱动轮；包括至少一个液压泵的工作液压系统，该工作液压系统由动力源提供动力以用于移动工程机械上的器械和/或用于使工程机械转向；布置在动力源和驱动轮之间以将扭矩从动力源传递到驱动轮的传动系。
另外，所述工程机械包括：
-至少一个检测单元，用于检测表示施加在工作液压系统上的负载的至少一个运行参数，
-至少一个控制单元，用于基于所检测到的运行参数的大小来确定除了由动力源产生的扭矩之外，是否还需要增加扭矩来减小动力源上的负载，
-由所述控制单元控制的至少一个扭矩提供单元，用于在确定需要额外的扭矩的情况下增加扭矩。
该工程机械显示了与上述方法相同或相似的优点。
在下面的描述和从属权利要求中公开了本发明的其他优点和有利特征。
定义
术语“电机”应被理解为用于电动机和/或发电机的术语。电机能通过电驱动以向轴供给输出扭矩，或者通过接收轴上的扭矩来被机械地驱动，用于产生电。
术语“传动单元”包括液压离合器、诸如变矩器的液体动力离合器和液体静力离合器，以及机械离合器。因此，“传动单元”既包括能增加扭矩的变矩器又包括无扭矩增加能力的普通滑动离合器。
术语液压系统上的“瞬时负载”指的是例如轮式装载机的工程机械的工作液压系统上负载的突然快速增加。
术语“驱动轮”意欲包括用于直接与地面接合的车轮以及用于驱动诸如车履(tracks)、履带等的地面接合构件的车轮。
附图说明
下面将参照如附图中所示的多个示例性实施例来给出本发明的更详细的描述，其中：
图1是示出轮式装载机的侧视图，该轮式装载机具有用于装载操作的铲斗，以及用于操作该铲斗和使轮式装载机转向的工作液压系统；
图2是用于轮式装载机的工作液压系统的示意图；
图3是根据本发明实施例的轮式装载机的i.a.传动系的示意图；
图4是示意性示出了示例性内燃机在不同旋转速度下产生的扭矩的曲线图。
具体实施方式
优选实施例的结构
轮式装载机
图1是具有铲斗3形式的器械2的示例性轮式装载机1的图示。铲斗3布置在用于提升和降低铲斗3的臂单元4上。铲斗3还能相对于臂单元4倾斜或枢转。为此，轮式装载机1设有工作液压系统140，该工作液压系统140包括至少一个液压泵(图1中未示出)和用于提升和降低臂单元4以及用于使铲斗3倾斜或枢转的工作缸5a、5b、6。另外，该工作液压系统包括用于通过前体8和后体9的相对运动来转动轮式装载机1的工作缸7a、7b。轮式装载机1的这些特征及其变化已为本领域技术人员所熟知，无需对其进行进一步说明。
液压系统
图2是示例性工作液压系统140的示意图。图2所示的实施例包括被称为提升缸5a、5b的两个工作缸。提升缸5a、5b被布置用于提升和降低臂单元4。被称为倾斜缸6的另一工作缸被布置用于使铲斗3相对于臂单元4向内或向外倾斜。另外，被称为转向助力缸7a、7b的两个工作缸被布置用于使轮式装载机1转向。三个液压泵142、144、146向液压缸供应液压油。轮式装载机1的操作者能够通过连接到控制单元的装置(未示出)来控制工作缸。优选地，在图2中示意性示出表的缸5a、5b、6、7a和7b对应于图1中所示的缸5a、5b、6、7a和7b。
传动系
图3是根据本发明实施例的轮式装载机1的i.a.传动系110的示意图。轮式装载机1的内燃机120布置在传动系110的一端处，而轮式装载机1的驱动轮130布置在传动系110的另一端处。换句话说，内燃机120被布置为经由传动系110向驱动轮130供给扭矩。优选地，传动系110包括变速箱118，用于改变轮式装载机1的驱动轮130的速度以及用于在驱动轮130的向前和向后驱动方向之间变化。变速箱118可以例如是自动变速箱，这意味着在变速箱118和驱动轮130之间不一定必须有离合器(未示出)，这在手动变速箱的情形中是普遍的。
传动系110还设有传动单元114，用于减小内燃机120和驱动轮130之间的机械相互作用，即用于提供滑动或打滑或者甚至用于使内燃机120与驱动轮130暂时脱离。主要目的是要保护发动机120免于变速箱118和驱动轮130的工作状况的突然快速变化的影响。传动单元114优选是被称为液力变矩器的类型的液压离合器。众所周知，变矩器适于增加被施加到变矩器的输入扭矩。输出扭矩能在输入扭矩的例如1至3倍的区间中。变矩器还可以具有在无任何增加的扭矩的情况下提供直接操作的自由轮功能和/或锁止功能。在锁止功能的情形中，优选的是，锁止状态提供基本为1：1的固定传动比。当然，可构思其它类型的传动单元，例如不具有任何扭矩增加能力的滑动离合器，用于提供内燃机120和驱动轮130之间的减小的机械相互作用。传动单元114在传动系110中的确切位置不是决定性的。然而，优选将传动单元114定位在内燃机120之后(即下游)而在变速箱118之前(即上游)。
另外，传动系110设有动力传送装置116，用于驱动液压系统140的液压泵142、144、146，从而能够进行上述的提升和转向操作。动力传送装置116可以例如是齿轮或一些其它合适的动力传送装置，其被布置成与传动系110相互作用，用于将动力从内燃机120传送到液压泵142、144、146。动力传送装置116优选布置为在变速箱118上游的位置并且更优选在内燃机120与传动单元114之间的位置与传动系110相互作用。
应补充的是，内燃机120能用其它动力源、例如燃气轮机或甚至燃料电池装置形式的动力源代替。另外，传动系110可全部或至少部分地用液压传动装置或电传动装置代替。电传动装置可例如通过电缆等来实施，其将来自电源的动力供给到一个或多个电动机，用于可操作地推进驱动轮130。同样，动力传送装置116可全部或至少部分地用基于液压或电原理的另一动力传送单元代替。例如，可通过电动机向液压泵142、144、146提供动力，该电动机经由发电机装置等接收来自内燃机120的动力。
电机
如图3中可见，传动系110还设有被布置成可操作地向传动系110等增加扭矩的至少一个电机112或类似的扭矩提供单元。电机112布置在内燃机120下游的合适位置中。更优选地，电机112布置在传动单元114上游的合适位置中(即，优选在传动单元114的内燃机侧)。最优选地，电机112布置在内燃机120和传动单元114之间的位置中。可以构思其它的替代位置，例如在传动单元114和变速箱118之间并且还可能在变速箱118的下游。优选地，电机112应该能够在至少一个象限(quadrant)中运行，即作为沿至少一个旋转方向的电动机。还可优选的是，电机112在至少两个象限中操作，即，作为在顺时针和逆时针这两个旋转方向中的电动机。如果电机112布置在变速箱118下游的位置中，则这是特别有利的，该变速箱能够在向前和向后驱动方向之间变化。
电机112联接到传动系110，从而能够在传动系110和电机112之间交换扭矩。这能通过本领域技术人员所公知的多种方式和功能而实现，例如通过将传动系110中的一个或多个轴机械联接到电机112的输出轴。
扭矩控制单元和电源
如图3中可见，电机112连接到扭矩控制单元200或类似的控制单元，该控制单元被布置为可操作地控制在传动系110和电机112之间交换的扭矩。优选的是，扭矩控制单元200被布置成以向电机112可操作地提供来自电源200的电力。这使扭矩控制单元200能够把电机112作为向传动系110增加扭矩以减小内燃机120上的负载的电动机来运行。
电源210能以很多不同的方式设计，只要它能够向电机112供电。一种替代方案是使用由单独的内燃机等提供动力的发电机。然而，更优选的是使用无任何单独的内燃机等的情况下运行的电池或超级电容器或者甚至燃料电池等的替代方案。这里，应补充的是，电机112能布置成作为发电机工作，用于在内燃机上的通常负载允许时为电源210充电。当然，除了在此描述的其它功能之外，还提供电机112的充电功能。
扭矩控制单元200优选实施为一个或多个硬件单元，该硬件单元布置在轮式装载机1的一个或多个位置处并且设有实现必要功能所需的适当电路和软件，例如用于处理和存储的电路，以及和用于执行和控制任何必要处理和存储的软件。
另外，优选的是，扭矩控制单元200连接到CAN总线或可能连接到MOST网络或者用于连接轮式装载机1中的不同单元的任何其它通信装置。一些实施例可具有非常简单的扭矩控制单元200，包括用于将电机112连接到电源210的简单的on/off(开/关)开关。其它实施例可具有更复杂的扭矩控制单元200，该扭矩控制单元具有强大的处理能力和先进的开关功能，用于根据基于从布置在轮式装载机1内的传感器接收的数据运行的算法来控制电机112。该传感器可例如是用于测量由液压泵142、144、146提供的液压力和流量的压力传感器和流量传感器。来自轮式装载机中的这些和其它传感器、例如用于测量扭矩和旋转速度等的传感器的测量值优选经由CAN总线或可能经由MOST网络或用于连接轮式装载机1中的不同单元的任何其它通信装置来提供给扭矩控制单元200。
优选实施例的功能
上面我们已经讨论了在工程机械中、即在示例性轮式装载机1中实施的优选实施例的结构。其中，该示例性轮式装载机1包括内燃机120、工作液压系统140、传动系110、用于向传动系110增加扭矩的电机112和用于通过提供来自电源210的电能来致动电机的扭矩控制单元200。
在引言中已经阐明，存在着对如下工程机械的特定需求，该工程机械具有提高的应对工作液压系统上负载的瞬时增大的能力。因此，用于致动电机112以向轮式装载机1的传动系110增加扭矩的策略应该被设计为在工作液压系统140上的负载瞬时增大时减小内燃机120上的负载。
这要求用于检测工作液压系统140上负载的瞬时增大的策略。它还要求用于确定电机112何时应该被致动以向传动系110提供额外的扭矩的策略。还需要用于确定应该被增加到传动系110的扭矩量的策略。
用于检测负载的瞬时增大的策略
在本发明的一个实施例中，优选的是，扭矩控制单元200以基本连续的方式获得工作液压系统140上的负载，即，优选的是，扭矩控制单元200监视工作液压系统140上的负载。这样，例如通过简单地比较当前获得的负载与更早时段获得的负载，将能够检测工作液压系统140上负载的增大。所检测到的液压系统140上负载的增大等于或类似于液压系统140上负载的一阶时间导数。类似地，例如通过简单地比较当前检测到的增大与更早时段检测到的增大，将能够检测工作液压系统140上负载的增加速率。所检测到的液压系统140上负载的增加速率等同于或类似于液压系统140上负载的二阶时间导数。当然，任何适当的且可能更先进的方案均可以用来获得对应于所述的液压系统140上负载的一阶和二阶时间导数的值。如稍后将更详细讨论的，等同于或类似于液压系统140上负载的一阶和二阶时间导数的值能够用来确定电机112中的至少一个应该在何时和在什么程度上被致动以向传动系110提供额外的扭矩。
扭矩控制单元200可以以本领域技术人员已知的任何适当的方式来监视工作液压系统140上的负载。
典型的方案是测量由工作液压系统140的液压泵142、144、146产生的压力和流量。如图3中示意性示出的，例如能够通过布置在工作液压系统140内并且连接到扭矩控制单元200的适当的压力和流量传感器143、145、147或类似的检测单元来实现这种测量。优选的是，传感器143、145、147布置在泵142、144、146中或其附近。所获得的测量值优选经由CAN总线或MOST网络或者布置轮式装载机1内的一些其它通信装置来提供给扭矩控制单元200。
如众所周知地，由典型的液压泵所产生的压力和流量与由该泵产生的液压功率相关，基本如下面的关系式所给出的：
P＝p·Q      (1)
其中：
P是液压功率(W)，
p是压力(Pa)，
Q是流量(m3/s)。
换句话说，通过获得由图3中的工作液压系统140的液压泵142、144、146产生的压力和流量的测量值，能够获得由泵142、144、146产生的液压功率的测量值，该液压功率的测量值转而又提供了对内燃机120要求的用于驱动泵142、144、146的功率的测量值。因此，通过监视由泵142、144、146产生的压力和流量，能够检测液压系统140上负载的突然快速增大并且获得对内燃机120要求的用于驱动泵142、144、146的增加的功率的测量值。
然而，测量工作液压系统140上的负载在很多方面是反应性方案，因为或多或少地预先假定液压系统140上的负载增大是已经存在的。换句话说，该方案并不预测负载的增大。在一些情形中，这可具有以下效果，即，由电机112增加到传动系110的扭矩被增加得太晚，无法防止内燃机120过载或停机。
因此，在本发明的另一实施例中，优选的是，扭矩控制单元200被布置成可操作地预测图2和3中的液压系统140上的负载增大。这能够例如通过监视从轮式装载机1的操作者到液压系统140的输入指令来实现。从操作者到例如液压系统140的普通液压系统的指令总是有一定延迟地执行。该延迟可例如由于指令的传输、由于指令通过液压系统中的泵和阀以及其它单元执行，以及由于液压系统中的固有惯性等而引起。因此，通过监视从轮式装载机140的操作者到液压系统140给出的指令，能够在通过例如压力和流量传感器等的传感器能实际测量液压系统140上的负载增大之前对液压系统140上的负载增大进行预测。
例如能够通过分析给液压泵142、144、146的指令来监视给图2和3中的示例性液压系统140的输入指令。这种指令通常由使用布置在如图3中示意性示出的轮式装载机1的驾驶室中的各种装置220的轮式装载机1的操作者给出。当然，即使未在图3中明确示出，装置220以众所周知的方式连接到液压系统140以控制其中的泵142、144、146等。装置220能例如是用于控制联接到如上所述的提升和倾斜缸5a、5b、6的液压泵142、144的一个或多个操纵杆等。装置220还能够是用于控制联接到如上所述的转向助力缸7a和7b的泵146的方向盘等。当然，显然也可构思用于控制液压系统140的其它装置。
如众所周知的，通常并且优选地可在CAN总线或MOST网络或者布置在轮式装载机1中的一些其它通信装置上获得来自上述器械装置220的指令。因此，优选的是，扭矩控制单元200连接到所述通信装置以能够监视来自器械装置220的指令。另外，从器械装置220提供给液压系统140的指令通常并且优选地以明确定义的方式与由液压系统140要求的液压功率等相关。例如，给液压泵142、144、146的输入指令可包括对应于应该由所述泵产生的液压功率的值。
根据上述，应该清楚，为扭矩控制单元200提供从器械装置220传输到液压系统140的指令使得扭矩控制单元200能够获得液压系统140在下一时刻假设会产生的液压功率等的测量值。换句话说，例如通过简单地比较当前指令和更早时段给出的指令，扭矩控制器200将能够预测工作液压系统140上的负载增大。预测工作液压系统140上的负载增大等同于或类似于预测工作液压系统140上负载的一阶时间导数。类似地，例如通过简单地比较目前获得的预测增大与更早时段获得的增大，扭矩控制器200将能够预测工作液压系统140上的负载在下一时刻将增加的速率。预测工作液压系统140上的负载将增加的速率等于或类似于预测液压系统140上负载的二阶时间导数。当然，任何适当的并且可能更先进的方案均可用来获得对应于所述的液压系统140上负载的预测的一阶和二阶时间导数的值。
应补充的是，表达“检测”工作液压系统140上负载的瞬时增大包括通过计算进行检测，即检测单元不必为传感器等。相反，该一个或多个检测单元可以例如被实施为由软件等执行的算法等。
用于确定应该何时致动电机的策略
上面已经给出用于检测工作液压系统140上的负载增大的各种策略。从这些检测策略出发，我们现在将讨论用于确定应该何时通过致动电机112而向传动系110增加扭矩的各种策略。
在本发明的实施例中，当液压系统140上负载的、例如所测量到的或者所预测的增大达到预定值时，电机112被致动以向传动系110提供额外的扭矩。这等同于或类似于当液压系统140上负载的一阶时间导数已经达到预定值时致动电机112以向传动系110提供额外的扭矩。
在本发明的另一实施例中，当液压系统140上负载的、例如所测量到的或所预测的增大速率达到预定值时，电机112被致动以向传动系110提供额外的扭矩。这等同于或类似于当液压系统140上负载的的二阶时间导数已经达到预定值时致动电机112以向传动系110提供额外的扭矩。
在本发明的更优选的实施例中，当预定时段内的液压系统140上负载的、例如所测量到的或所预测的平均增大达到预定值时，电机112被致动以向传动系110提供额外的扭矩。
这是优选的，以避免任何电机112在具有非常短的持续时间的瞬时负载下被致动，该非常短的持续时间例如在一个或几个微秒或者可能一个或几个毫秒或者在一些应用中可能更长的范围内。这种瞬时负载通常被轮式装载机1的内燃机120和传动系110的固有惯性所抵消。即使短的瞬时负载相当高，通常也是这种情形。一些工程机械甚至设有用于抵消这种瞬时负载等的联接到传动系的飞轮。
由此，对于本领域技术人员来说明显的是，如果瞬时负载能够被例如由内燃机120和传动系110提供的固有惯性以及轮式装载机1的可能的飞轮等抵消，则图3所示的示例性电机112不一定必须在瞬时负载时被致动。因此，可忽略的瞬时负载的大小和持续时间要依照所述工程机械的设计。反过来，根据本发明实施例被有利地加以注意的瞬时负载的大小和持续时间以相同的方式依照所述工程机械的设计。能够通过计算和/或通过经验测试来获得根据本发明实施例被有利地加以注意的瞬时负载的具体大小和持续时间。
当扭矩控制单元200预测液压系统140上的负载增大和/或增大速率时，电机112不一定必须在每一瞬时负载下被致动的事实是特别明显的。图4示出了带有曲线的图，该曲线示意性示出了示例性内燃机120在不同旋转速度n(rpm)下产生的扭矩T(Nm)。根据一般的和众所周知的关系式P(W)＝T(Nm)·kn(rpm)，扭矩T和旋转速度n对应于来自内燃机120的可用输出功率，其中k是用于将每分钟转数(rpm)转换成每秒弧度数(rad/s)的常数。例如，假定轮式装载机1的操作者使发动机120在x(rpm)的旋转速度下运行，从而从内燃机120给出y(Nm)的可用输出扭矩和可用输出功率Pout。然而，让我们假定在发动机120上的当前负载Pload是当前可用输出功率Pout的一部分。这使得发动机120能够在Pdiff＝Pout-Pload的负载裕度内响应液压系统140上增加的负载而无需提高旋转速度x(rpm)。换一种表达方式，如图4中所示，这使发动机120能够在Tdiff＝Tout-Tload的扭矩负载裕度内响应所增加的负载而无需提高旋转速度x(rpm)。因此，只要所预测的液压系统140上的负载增大小于当前负载裕度Pdiff，电机112就不必被致动以向传动系110提供额外的扭矩。反之，当所预测的液压系统140上的负载增大超过当前负载裕度Pdiff时，电机112优选地被致动以向传动系110提供额外的扭矩。替代地，当所预测的液压系统140上的负载增大超过当前负载裕度Pdiff的一定百分比，例如当前负载裕度Pdiff的大约50％-90％的区间内的百分比时，电机112优选地被致动以向传动系110提供额外的扭矩。这是为了保证对于由轮式装载机1的其它系统引起的、内燃机120上负载的额外增大而言仍然有足够的裕度。
用于确定应该增加的扭矩量的策略
我们现在已经讨论了用于确定电机112应该何时向传动系110增加扭矩的优选策略。接下来，我们将讨论应该由电机112向传动系110增加的扭矩量。
在本发明的一个实施例中，电机112被致动以向传动系110增加预定量的扭矩从而减小液压系统140上负载的突然快速增大。该预定量可以例如是电机112的最大功率或该功率的预定的一部分。这类似于或等于全有或全无功能或者开/关功能。该功能的简单性是明显的优点。然而，缺点在于扭矩的增加量与液压系统140上的负载增大无任何明显的相关性。因此，对于抵消该增大而言，扭矩的增加量可能太小或太大。小的量可能不会给予内燃机120足够的支持。大的量可能干扰轮式装载机1中的其它功能。
因此，在本发明的另一实施例中，优选的是，电机112被致动以向传动系110增加一定量的扭矩，从而抵消或至少基本上抵消液压系统140上的负载的例如所测量到的或所预测的增大。当然，这能够通过增加等于或对应于液压系统140上负载的增加的一定量的功率来实现。在一个实施例中，这通过增加等于或对应于液压系统140上负载的一阶时间导数的一定量的功率来实现。替代地，这可以通过增加等于或对应于液压系统140上负载的增加速率的一定量的功率来实现。在一个实施例中，这通过增加等于或对应于液压系统140上负载的二阶时间导数的一定量的功率来实现。
然而，在上述实施例中，由电机112向传动系110增加的扭矩量本质上依赖于液压系统140上负载的增大。换句话说，所增加的扭矩与内燃机120的当前工作点没有任何明显的相关性。
因此，如上面参考图4所讨论的，假设对于处在x(rpm)的旋转速度下的内燃机120，当前工作点从内燃机120提供y(Nm)的可用输出扭矩和可用输出功率Pout。那么，向传动系110增加的扭矩量应该为这样的量，使得所预测的液压系统140上负载的瞬时增大不超过当前负载裕度Pdiff。替代地，向传动系110增加到扭矩量应为这样的量，使得所预测的液压系统140上负载的瞬时增大不超过当前负载裕度Pdiff的预定百分比，例如在当前负载裕度Pdiff的大约50％-80％的区间内的百分比。
这里应补充的是，优选以受控方式即以造成最小环境污染且不使发动机120过载或停机的方式增加内燃机120的旋转速度，以应对液压系统140上负载的瞬时增大。这能够例如通过扭矩控制单元200经由CAN总线向发动机ECU(电子控制单元)或类似的单元传送消息以控制轮式装载机1中的内燃机120来实现。有多种被本领域技术人员用来控制内燃机的众所周知的发动机ECU，例如用于控制诸如由发动机提供的扭矩和旋转速度的参数。这些众所周知的ECU无需进一步描述。
另外，优选将扭矩控制单元200布置成当增加发动机120的旋转速度以应对液压系统140上负载的瞬时增大时，减小由电机112向传动系110增加的扭矩量，因为发动机120的增加的旋转速度导致与发动机过载和可能停机等有关的增加的裕度。
另外的实施例
虽然图2至3所示的示例性液压系统140具有三个液压泵142、144、146，但其它实施例可具有一个、两个、四个或者更多液压泵。在本发明的优选实施例中，工程机械具有至少两个器械和/或转向功能，并且为每个器械和/或转向功能布置至少一个所述液压泵。
如结合图1所描述的，工程机械1能具有铲斗3形式的器械2，该铲斗3通过液压系统140来操作。然而，应该强调的是，可使用其它器械。当将本发明应用于诸如铰链式货车或卡车的工程机械时，代替地，该器械能够例如是翻斗车身。通常，液压泵和工作缸用于在倾卸期间操作翻斗车身。
应该理解，本发明不限于上文描述和图中示出的实施例，而是，本领域技术人员将意识到，在所附权利要求的范围内可作出许多变化和修改。

Claims (35)

1.一种用于操作工程机械(1)的方法，所述工程机械设有：动力源(120)和多个驱动轮(130)；包括至少一个液压泵(142，144，146)的工作液压系统(140)，所述工作液压系统由所述动力源(120)提供动力以用于移动所述工程机械(1)上的器械(3)和/或用于使所述工程机械(1)转向；布置在所述动力源(120)和所述驱动轮(130)之间以将扭矩从所述动力源(120)传递到所述驱动轮(130)的传动系(110)，所述方法的特征在于以下步骤：
-检测表示施加在所述工作液压系统(140)上的负载的至少一个运行参数，
-基于所检测到的运行参数的大小，确定除了由所述动力源(120)产生的扭矩之外，是否还需要增加扭矩来减小所述动力源(120)上的负载，
-在确定需要额外的扭矩的情况下，增加扭矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以下步骤：当检测到所述工程机械(1)上负载的瞬时增大时，增加扭矩。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于以下步骤：在所述工作液压系统(140)上负载的瞬时增大期间，暂时增加扭矩。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：向所述传动系(110)增加扭矩。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：使用至少一个电机(112)来增加扭矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于以下步骤：使用控制单元(200)来致动所述电机(112)以增加扭矩。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于以下步骤：使用布置在传动单元(114)上游或变速箱(118)上游的电机(112)，所述传动单元(114)和所述变速箱(118)布置在所述传动系(110)中。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：通过测量由所述液压系统(140)产生的压力或流量中的至少一个来检测所述工作液压系统(140)上的所述负载。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：通过监视给所述液压系统(140)的至少一个输入指令来预测所述工作液压系统(140)上的所述负载。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当检测到的所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大达到预定值时，增加扭矩。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大的速率达到预定值时，增加扭矩。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当预定时段内的所检测到的所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大的平均值达到预定值时，增加扭矩。
13.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大超过当前负载裕度(Pdiff)时增加扭矩，所述负载裕度(Pdiff)被定义为：来自所述动力源(120)的当前可用输出功率(Pout)减去所述动力源(120)上的当前负载(Pload)。
14.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大超过当前负载裕度(Pdiff)的预定百分比时增加扭矩，所述负载裕度(Pdiff)被定义为：来自所述动力源(120)的当前可用输出功率(Pout)减去所述动力源(120)上的当前负载(Pload)。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：向所述传动系(110)增加预定量的扭矩。
16.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：增加一定量的扭矩，从而抵消或基本上抵消由于所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大而在所述动力源(120)上施加的负载。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于以下步骤：增加一定量的扭矩，使得所预测的所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大不超过当前负载裕度(Pdiff)。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于以下步骤：增加一定量的扭矩，使得所预测的所述液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大不超过当前负载裕度(Pdiff)的预定百分比。
19.根据权利要求15至18所述的方法，其特征在于以下步骤：以受控方式增加所述动力源的旋转速度，以应对所述瞬时增大。
20.根据权利要求15至19中的任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：当以受控方式增加所述动力源(120)的旋转速度以应对所述瞬时增大时，减小所增加的扭矩量。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：所述动力源(120)机械连接到所述工作液压系统(140)。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：所述动力源(120)是内燃机。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于：所操作的工程机械是轮式装载机(1)。
24.一种工程机械(1)，设有：动力源(120)和多个驱动轮(130)；包括至少一个液压泵(142，144，146)的工作液压系统(140)，所述工作液压系统由所述动力源(120)提供动力以用于移动所述工程机械(1)上的器械(3)和/或用于使所述工程机械(1)转向；布置在所述动力源(120)和所述驱动轮(130)之间以将扭矩从所述动力源(120)传递到所述驱动轮(130)的传动系(110)，所述工程机械包括：
-至少一个检测单元(143，145，147，200)，用于检测表示施加在所述工作液压系统(140)上的负载的至少一个运行参数，
-至少一个控制单元(200)，用于基于所检测到的运行参数的大小来确定除了由所述动力源(120)产生的扭矩之外，是否还需要增加扭矩来减小所述动力源(120)上的负载，
-由所述控制单元(200)控制的至少一个扭矩提供单元(112)，用于在确定需要额外的扭矩的情况下增加扭矩。
25.根据权利要求24所述的工程机械，其中：所述扭矩提供单元(112)被布置成在检测到所述工程机械(1)上的所述负载的瞬时增大时，可操作地增加扭矩。
26.根据权利要求25所述的工程机械，其中：所述扭矩提供单元(112)被布置成在所述工作液压系统(140)上的所述负载的瞬时增大期间，暂时增加扭矩。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的工程机械，其中：所述扭矩提供单元(112)被布置成可操作地向所述传动系(110)增加扭矩。
28.根据权利要求24至27中的任一项所述的工程机械，其中：所述扭矩提供单元(112)包括至少一个电机(112)。
29.根据权利要求28所述的工程机械，其中：所述电机(112)被布置成由所述控制单元(200)可操作地致动以增加扭矩。
30.根据权利要求28或29所述的工程机械，其中：所述电机(112)布置在传动单元(114)上游或变速箱(118)上游，所述传动单元(114)和所述变速箱(118)布置在所述传动系(110)中。
31.根据权利要求24至30中的任一项所述的工程机械，其中：至少一个检测单元(143，145，147)被布置成可操作地测量由所述液压系统(140)产生的压力或流量中的至少一个。
32.根据权利要求24至30中的任一项所述的工程机械，其中：所述控制单元(200)被布置成通过监视给所述液压系统(140)的至少一个输入指令来可操作地预测所述工作液压系统(140)上的所述负载。
33.根据权利要求24至32中的任一项所述的工程机械，其中：所述动力源(120)机械连接到所述工作液压系统(140)。
34.根据权利要求24至33中的任一项所述的工程机械，其中：所述动力源(120)是内燃机。
35.根据权利要求24至34中的任一项所述的工程机械，其特征在于：所操作的工程机械是轮式装载机(1)。
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