CN101542048B - 用于操作工程机械的方法和工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作工程机械的方法，该工程机械设有：提供动力的动力源(120)和连接到该动力源(120)的多个动力消耗系统(110、140)，其特征在于如下步骤：提供用于预测动力消耗系统(110、140)中的至少一个所需的功率的模型；检测表示功率需求的至少一个运行参数；在该预测模型中使用所检测的运行参数；以及根据该预测模型将所提供的功率平衡至所需的功率。

Description

用于操作工程机械的方法和工程机械

技术领域

本发明涉及一种用于操作工程机械的方法和工程机械。

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。因而，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与变速箱之间。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。此外，在特别沉重的工作运行期间，例如在轮式装载机的加速期间，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，使得车辆的驱动轮停止，则这也将使内燃机停机，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与驱动轮之间或者更优选地在发动机与变速箱之间，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，在工作液压系统与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由内燃机提供的动力被液压系统完全消耗，而未给传动系留下大量动力。这可能给轮式装载机的操作者留下非常不希望的印象：发动机已变得无力以可操作的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大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大中恢复的明显减小的裕度。

此外，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。更大的泵排量需要来自驱动该泵的源、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的旋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大的迅速反应。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、特别是与响应于工作液压系统上负载的突然快速增大而从发动机排出的废气和可见烟相关的排放法规相冲突。

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且更灵活的应对工程机械内的各种功率需求和/或扭矩需求子系统上负载的突然快速增大的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于以提高的且更灵活的能力操作工程机械的方法，以平衡工程机械内的各种功率需求和/或扭矩需求子系统上的负载的突然快速增大。

通过用于操作如下工程机械的方法实现了此目的，该工程机械设有：提供动力的动力源和连接到该动力源的多个动力消耗系统，其特征在于如下步骤：提供用于预测动力消耗系统中的至少一个所需的功率的模型；检测表示功率需求的至少一个运行参数；在该预测模型中使用所检测的运行参数；以及根据该预测模型将所提供的功率平衡至所需的功率。根据优选实施例，该方法包括将所提供的功率平衡至所需的功率，从而减小动力源上的负载。

预测模型可包括动力源与动力消耗系统之间的操作性相互作用的特性表示，例如高级动态仿真模型和/或简单的方程或方程组形式的数学模型。

本发明的方法优选用在诸如轮式装载机的工程机械中，其中不同的动力消耗系统同时运行。尤其是在这种应用中，优选该方法包括同时监视多个动力消耗系统的所需的功率并相应地平衡该功率。

优选地，动力消耗系统包括传动系，该传动系布置在工程机械的动力源与驱动轮之间，用于将扭矩从动力源传递到驱动轮。此外，动力消耗系统优选包括工作液压系统，该工作液压系统包括由动力源提供动力的至少一个液压泵，用于移动工程机械上的器具和/或用于使该工程机械转向。

根据优选实施例，该方法包括检测表示动力源和/或动力消耗系统中的至少一个的当前工作状况的至少一个运行参数。与检测针对求和点的运行参数相比，检测针对这些子系统(即，动力源、传动系和工作液压系统)的运行参数形成了用于为求和点处的功率平衡或即将到来的功率平衡提供更早指示的条件，特别是如果该求和点是飞轮。

根据又一优选实施例，该方法包括通过检测来自工程机械操作者的至少一个输入指令来检测至少一个运行参数。检测给予子系统的指令为求和点处的功率平衡或即将到来的功率平衡提供更早的指示。此外，通过检测操作者指令，可对动力源和动力消耗系统的工况进行精确的预测。

优选地，该方法既包括对表示动力源和/或动力消耗系统中的至少一个的当前工作状况的至少一个运行参数的检测又包括对来自工程机械操作者的至少一个输入指令的检测。

根据本发明方法的又一优选实施例，动力消耗系统经由分支部连接到动力源，并且预测模型包括表示该分支部的功率求和点。因而，预测模型中的求和点对应于其中将来自动力源的功率分给不同的动力消耗系统的实际点。换句话说，根据该预测模型，将所预测的到动力消耗系统的功率从所预测的由动力源提供的功率中减去。该方法优选包括：当预测模型指示在求和点处，在动力源和动力消耗系统之间交换的功率小于或将要小于零时，平衡功率。此外，该方法优选包括如下步骤：暂时调节该平衡，直至预测模型指示如下的平衡条件，即求和点处的所述功率等于或大于零。

所述功率平衡可以用多种替代和/或有利的方式进行，例如通过借助外部动力源(例如电机)向传动系增加扭矩，通过影响动力源和/或动力消耗系统中的至少一个，以及通过相对于所需的功率来减少(例如通过按比例减少)向动力消耗系统中的至少一个提供的实际功率。

使用外部动力源是特别有利的，因为这减少了对降低工程机械内的功率需求子系统和/或扭矩需求子系统的性能的需求。此外，能放宽对工程机械的主动力源的要求。

使用至少一个电机是有利的，因为这能实现灵活而紧凑的设计。电机还能通过多个动力源(例如，电池、发电机、燃料电池等)提供动力，这提供了增加的设计自由度。此外，电机对指令反应快速并且它们在低旋转速度下就提供大扭矩，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。

优选将电机布置在可能的传动单元上游或可能的变速箱上游，该传动单元布置在传动系中，并且该变速箱布置在传动系中。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。此外，将电机布置在传动单元上游能向分支部提供更直接的扭矩支持，在大多数情形中，该分支部实际定位在位于可能的传动单元上游的点处。

本发明的又一目的是提供一种具有提高的且更灵活的能力的工程机械，以平衡工程机械内的各种功率需求和/或扭矩需求子系统上负载的突然快速增大。

通过如下工程机械实现了此目的，该工程机械设有：适于提供动力的动力源和连接到该动力源的多个动力消耗系统，其特征在于：控制单元，其适合基于表示功率需求的至少一个运行参数来预测动力消耗系统中的至少一个所需的功率；用于检测所述至少一个运行参数的装置，其中该检测装置连接到控制单元；以及用于根据预测模型来将所提供的功率平衡至所需功率的装置，其中所述平衡装置连接到控制单元。

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。电机能由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。因而，“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“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，在附图中：

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是示意性示出在如图3所示的轮式装载机的单元之间的功率交换的示意性框图。

图5是示意性地示出了示例性内燃机在不同旋转速度下产生的扭矩的图。

图6是根据本发明另一实施例的轮式装载机的i.a.传动系的示意图，

图7是示出在如图6所示的轮式装载机的单元之间的功率交换的示意性框图。

具体实施方式

优选实施例的结构

工程机械

图1是轮式装载机1形式的示例性工程机械的图示，该轮式装载机1具有铲斗3形式的器具2。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。此外，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中的技术人员所熟知，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。此外，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向液压缸供给液压油。更具体地，设置单独的泵，用于经由独立回路向每个功能(提升、倾斜、转向)的液压缸供给油。轮式装载机1的操作者能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。内燃机120形式的动力源布置在传动系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，意味着在变速箱118与驱动轮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与驱动轮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该变矩器的输入扭矩。输出扭矩能在输入扭矩的例如1至3倍的区间内。变矩器还可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，例如没有任何扭矩增加能力的滑动离合器，用于提供内燃机120与驱动轮130之间的减小的机械相互作用。传动单元114在传动系110内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)。

此外，传动系110设有动力传送单元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、倾斜和转向操作。动力传送单元116可以是例如齿轮或一些其它合适的动力传送装置，其布置为与传动系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。换句话说，动力传送单元116形成分支部，用于将来自动力源120的动力分给传动系110和液压系统140形式的动力消耗系统。

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。此外，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，动力传送单元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。

功率交换和扭矩控制单元

现在将注意力指向图4，图4是如前文参照图1至3描述的轮式装载机1的传动系110、内燃机120和工作液压系统140之间的功率交换的示意性框图。传动系110至少连接到该轮式装载机的驱动轮130，而工作液压系统140至少连接到器具2。

如图4中可见，传动系110、内燃机120和液压系统140连接到扭矩控制单元200或类似的控制单元，该控制单元布置为可操作地控制在传动系110、内燃机120和液压系统140之间交换的功率/扭矩。

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，以及用于执行和控制任何必要处理和存储的软件。具体地，优选的是，扭矩控制单元200具有强大的处理能力和先进的功能，用于根据基于从控制单元和/或布置在轮式装载机1内的传感器等接收的数据运行的算法等来控制在传动系110、内燃机120和液压系统140之间交换的功率/扭矩。

优选的是，扭矩控制单元200通过CAN总线连接到子单元110、120、140，或者可能地连接到用于连接轮式装载机1内的各个单元的MOST网络或任何其它的通信装置。这在图4中通过连接子单元110、120、140的虚线示意性示出。实际上，扭矩控制单元200优选经由布置在子单元110、120、140中用于可操作地监视所述子单元的运行的控制单元和/或传感器等连接到子单元110、120、140。

因此，扭矩控制单元200优选通过发动机ECU 129(电子控制单元，ECU)等连接到内燃机120。有多种被本领域技术人员经常用来控制内燃机的众所周知的发动机ECU，例如用于监视和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。

类似地，扭矩控制单元200优选通过用于控制例如变速箱118的传动系ECU 119连接到传动系110。该ECU 119连接到布置用于监视和控制传动系110的运行的传感器等。该传感器可以是例如用于测量与传动系110有关的扭矩和旋转速度。传动系ECU 119还可包括或连接到制动ECU，例如用于ABS(防抱死制动系统，ABS)的ECU的形式。

同样地，扭矩控制单元200优选通过液压系统ECU 149连接到液压系统140，该液压系统ECU 149包括或连接到布置用于监视和控制液压系统140的运行的传感器。该传感器可以是例如用于测量由液压系统140中的液压泵142、144、146提供的液压力和流量的传感器。

如下文将更详细讨论的，使用来自如上所述的ECU和/或传感器的信息使扭矩控制单元200能监视轮式装载机1中的子单元110、120、140的当前工作状况。

此外(或替代地)，用于控制子系统110、120、140的装置220通常布置在轮式装载机1的驾驶室中。这些装置优选经由CAN总线连接到扭矩控制单元200或可能连接到MOST网络或任何其它合适的通信装置。这使扭矩控制单元200能监视从该装置给予子系统110、120、140的指令并处理信号。

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和6的液压泵142和144的一个或多个操纵杆等。装置220还能是方向盘等，用于控制连接到如上所述的转向助力缸7a和7b的泵146。此外，装置220可以是用于控制内燃机120的加速踏板或用于控制轮式装载机1的制动动作的制动踏板。当然，显然也可构思用于控制子系统110、120、140的其它装置。

优选将来自装置220的指令传送到被布置用以控制子系统110、120、140的ECU等。如上所示，优选经由与扭矩控制单元200相连的CAN总线或MOST网络或任何其它合适的通信装置来传送指令。例如，从制动踏板到制动ECU(例如，ABS防抱死制动系统，ABS)的指令影响作用于轮式装载机1的驱动轮130的制动，这转而又影响传动系110。类似地，从加速踏板到发动机ECU的指令可影响燃料喷射和涡轮增压系统，这转而又影响内燃机120。从操纵杆或方向盘等到液压ECU的指令可影响液压泵142、144、148和/或可能地影响液压系统140中的阀门，这转而又总体上影响液压系统140。

如果子系统110、120、140的特性是已知的，则了解子系统110、120、140的当前工作状况和/或给予该子系统110、120、140的指令能够预测子系统110、120、140的工作状况的变化。因此，优选扭矩控制单元200设有与传动系110、内燃机120和液压系统140的特性有关的合适信息。提供预测模型，该预测模型包括隐式或显式方程或查找表或任何其它理论或经验获得的表示的形式的特性。将在下文对其进行更详细地描述。

功率交换和求和点

图4中的示意性框图示出了求和点150，轮式装载机1的传动系110、内燃机120和液压系统140示意性地连接到该求和点150。

求和点150表示发动机120和传动系110以及液压系统140之间的分支部116。根据一个示例，该分支部是飞轮，子系统110、120、140机械联接到该飞轮。这在图4中通过连接子系统110、120、140的实线示出。求和点150通过由扭矩控制单元200基于从连接到或布置在子系统110、120、140中的传感器和/或ECU等接收的测量值等执行的计算和/或估计等来形成或表示。

实际上，几乎每个工程机械均包括必须被平衡的各种扭矩供应者和扭矩消耗者。图4中所示的求和点150是这样的点，其中能够有利地平衡轮式装载机1的扭矩供应者和扭矩消耗者。

只要子系统110、120、140在静态条件下运行，那么向求和点150增加和从求和点150减去的功率/扭矩之和等于零。大于零的和导致内燃机120的旋转速度增加，而小于零的和导致发动机120的旋转速度减小。

向求和点150增加和从求和点150减去的功率能通过如下关系式说明：

P＝T·ω                              (1)

其中

P是功率(W)

T是扭矩(Nm)

ω是角速度(rad/s)

众所周知，角速度ω(rad/s)对应于与常量相乘的旋转速度n(rpm)。

关于图4中的子系统110、120、140的功率/扭矩由如下的扭矩和旋转速度表示：

T_e是当前由内燃机120提供的扭矩，

n_e是当前由内燃机120提供的旋转速度，

T_h是工作液压系统140当前所需的扭矩，

n_h是工作液压系统140当前所需的旋转速度，

T_t是传动系110当前所需的扭矩，

n_t是传动系110当前所需的旋转速度。

最普通的情形可能是求和点150表示机械飞轮等，子系统110、120、140机械联接到该机械飞轮。这里，不同子系统110、120、140的旋转速度相对于彼此具有固定的关系。子系统110、120、140甚至可具有相同的旋转速度n。因此，在此情形中，在静态条件下的运行期间，向求和点150增加和从求和点150减去的所有扭矩之和等于零。大于零的和导致内燃机120的旋转速度增加，而小于零的和导致发动机120的旋转速度减小。

优选实施例的功能

上文我们已经讨论了在示例性轮式装载机1形式的工程机械中实施的优选实施例的结构。该示例性轮式装载机1包括i.a.传动系110、内燃机120和工作液压系统140。

如果子系统110、120、140的特性是已知的，则通过监视子系统110、120、140的当前工作状况以及通过监视给予该子系统110、120、140的指令，能够预测当前工作状况的任何变化。将在下面对其进行更详细的描述。

监视当前工作状况

通过例如测量上文参照图4所述的扭矩T_t和旋转速度n_t，能获得传动系110的当前工作状况。这能通过扭矩传感器和用于测量旋转速度等的传感器来实现。然而，在替代实施例中，可基于与传动系110所包括的单元的当前运行、例如传动单元114的当前运行有关的了解来估计和/或计算要获得传动系110的当前工作状况所需的变量中的至少一些。

通过例如测量上文参照图4所述的扭矩T_e和旋转速度n_e，能获得内燃机120的当前工作状况。然而，在替代实施例中，可基于与内燃机120等的燃料喷射装置和/或涡轮增压器的当前运行有关的了解来估计和/或计算要获得发动机120的当前工作状况所需的变量中的至少一些。这种了解通常能从上述发动机ECU 129获得。

通过例如测量上文参照图4所述的扭矩T_h和旋转速度n_h，能获得工作液压系统140的当前工作状况。然后假定传动系110设有用于驱动液压系统140的液压泵142、144、146的旋转式动力传送装置116，或者至少液压泵142、144、146设有旋转轴等，该旋转轴具有能被测量的扭矩和旋转速度。然而，如果不是这样，则替代地能够通过例如测量由液压泵142、144、146提供的液压力和流量来获得液压系统140的当前工作状况。这从如下事实得出：由普通液压泵产生的功率与由该泵产生的压力和流量密切相关。此外，通过测量泵142、144、146的压力和旋转速度并估计泵142、144、146的流量或排量，可获得液压系统140的当前工作状况。然而，在替代实施例中，可计算和/或估计要获得发动机120的当前工作状况所需的变量中的至少一些。

监视指令

从操作者到诸如子系统110、120、140的普通机械系统的指令总是有延迟地执行。该延迟可例如由于指令的传输，由于指令通过子系统中的机械部件和其它单元的执行，以及由于子系统等中的固有惯性等而引起。因此，通过监视从轮式装载机1的操作者到子系统110、120、140的指令，能够在通过子系统110、120、140中的传感器能实际测量子系统110、120、140的未来工作状况之前对子系统110、120、140的未来工作状况进行预测。如上所述，此处所讨论的指令通常由使用布置在轮式装载机1的驾驶室中的各种装置的轮式装载机1操作者给出。

子系统的特性-预测工作状况

我们现已讨论了对子系统110、120、140的当前工作状况的监视以及对给予子系统110、120、140的指令的监视。为了能够预测当前工作状况的任何变化，我们将还需要子系统110、120、140的特性。下文将对此进行更详细的讨论。

内燃机120的特性能例如通过由发动机120产生的扭矩和旋转速度来表示。这在显示曲线图的图5中示出，该曲线图示意性示出了在不同旋转速度n_e(rpm)处产生的扭矩T_e(Nm)。根据如上文的关系式(1)中给出的一般和众所周知的关系式P＝T·ω，扭矩T_e和旋转速度n_e对应于在此特定旋转速度n_e下来自内燃机120的最大可用输出功率P_e，其中角速度ω(rad/s)等于每分钟转数(rpm)与常量的乘积。

例如，轮式装载机1的操作者可使发动机120在给出最大可用输出扭矩T_x(Nm)和当前可用的最大输出功率P_e的旋转速度n_x(rpm)下运行。然而，发动机120上的当前负载P_load可能仅仅是最大可用输出功率P_e的一部分，即发动机120仅向子系统110和140提供最大输出功率P_e的一部分P_load。当然，在旋转速度n_x(rpm)下的功率P_load对应于由发动机120提供的扭矩T_load。这使发动机120能在P_diff＝P_e-P_load的负载裕度内响应所增加的负载而无需提高旋转速度n_x(rpm)。换句话说，如图5中所示，这使发动机120能在T_diff＝T_×-T_load的负载裕度内响应所增加的负载而无需提高旋转速度n_x(rpm)。如果需要更多的功率和扭矩，则这能够通过提高内燃机120的旋转速度n_e来实现。然而，这仅能够在达到位于图5中的曲线的顶部处的最大扭矩之前成功进行，在此最大扭矩之后，来自内燃机120的输出扭矩下降。通常，不能在相同的旋转速度下得到发动机的最大扭矩和最大功率。对于大部分发动机，用于最大功率输出的旋转速度高于用于最大扭矩的旋转速度。这意味着即使在发动机扭矩的峰值和随后的下降之后，发动机功率仍将提高，直至发动机功率达到峰值，之后也开始下降。

从上文中可以得出：通过监视给内燃机120的指令(即，通常为从加速踏板到发动机ECU 129的指令)，该指令例如包括由内燃机120产生的旋转速度n_e等，将能够预测在下一时刻将可从发动机120得到的最大扭矩T_e，pred和最大功率P_e，pred。应当补充的是，给内燃机的指令(即，通常为从加速踏板到发动机ECU 129的指令)可替代地包括要由内燃机120产生的扭矩T_e或功率P_e。

现在将注意力指向液压系统140的特性。此特性能例如通过由液压系统140中的液压泵在不同旋转速度下产生的压力和流量来表示。

对于普通的液压泵，这可例如通过如下关系式描述：

T_p＝p_pD_p/(2πη_hm)                            (2)

D_p＝Q_p/(n_pη_vol)                              (3)

P_p＝T_p·n_p                                    (4)

其中

T_p表示泵所需的输入扭矩

p_p表示由泵产生的压力

D_p表示由泵产生的排量

η_hm表示液压机械效率

Q_p表示由泵产生的流量

n_p表示泵的旋转速度

η_vol表示容积效率

P_p表示泵所需的功率

由此得出：包括泵142、144、148的液压系统140上增加的负载将需要增加的压力p_p，和/或增加的流量需求将需要泵142、144、148中的至少一个的增加的排量D_p。而增加的压力p_p和增加的排量D_p转而又需要所述泵的增加的输入扭矩T_p和/或增加的旋转速度n_p，即增加的输入功率P_p。对于所述泵，液压机械效率η_hm和容积效率η_vol主要取决于压力、旋转速度和排量(还取决于油的粘度、温度等)，并且它们能例如通过存储在扭矩控制单元200中的查找表来表示。

因此，通过监视给泵142、144、148的指令，该指令直接或间接地包括例如要由所述泵产生的压力p_p、排量D_p或流量Q_p这些变量中的至少一个，将能够预测液压系统140所需的功率P_h，pred和/或扭矩T_h，pred。此外，在传动系110设有用于驱动液压泵142、144、146的旋转式动力传送装置116的情况下，将还能够预测液压系统140所需的旋转速度n_h，pred。

现在将注意力指向传动系110的特性。此特性能例如通过布置在传动系110中的传动单元114的特性来表示。表示传动单元114的特性的示例表可例如包括以下变量：

T_in表示到传动单元的输入扭矩

n_in表示到传动单元的输入旋转速度

T_out表示来自传动单元的输出扭矩

n_out表示来自传动单元的输出旋转速度

这说明输入到传动单元114的特定扭矩T_in和特定旋转速度n_in对应于从传动单元114输出的特定扭矩T_out和特性旋转速度n_out。这种表能包括用于特定传动单元的所有相关的负载情形，例如在实验室条件下测量和/或在真实生活使用中取样的情形。

替代地或另外地，能通过一个或多个数学表达式等来表示传动单元114的特性。例如，通过下面的两个数学关系式给出简化的模型。该模型通常用来描述液力变矩器形式的传动单元的特性。当然，根据传动单元的性质，明显地存在其它的能用来描述特定传动单元的特性的数学关系式或表达式等。

上述的简化模型基于两个简单的关系式：

$T_{\mathrm{in}}=k\left(v\right)n_{\mathrm{in}}^2,$ 这里 $k\left(v\right)=\frac{T_{\mathrm{in},\mathrm{ref}}\left(v\right)}{n_{\mathrm{in},\mathrm{ref}}^2}---\left(6\right)$

T_out＝μ(v)T_in

(7)

其中

T_in表示输入扭矩

T_in，ref表示在确定的参考输入旋转速度下的输入扭矩

T_out表示可用的输出扭矩

n_in表示输入旋转速度

n_in，ref表示确定的参考输入旋转速度

k(v)表示在不同输入和输出旋转速度下所述变换器的吸收系数

μ(v)表示在不同输入和输出旋转速度下所述变换器的放大系数

v表示输入旋转速度n_in除以输出旋转速度n_out。

通过在参考输入旋转速度n_in，ref下(例如，在1000rpm下)运行变换器，并同时改变输出旋转速度，能获得关于特定变矩器的系数k(v)和μ(v)的值。通过上文的关系式6、7描述的简化变换器模型以及获得系数k(v)和μ(v)的方式是本领域中技术人员所公知的并且无需对它们进行进一步说明。

由此得出：在将传动单元114实施为液力变矩器的情形中，能够通过测量输入旋转速度n_in和通过得知两个系数k(v)和μ(v)来计算来自传动单元114的可用输出扭矩T_out。当然，对于通用的传动单元114，通过搜索如上所述的描述传动单元114特性的查找表，能够实现相同或相似的功能。

现在，通过监视到达影响传动系110的工作状况的单元和系统的指令，将能够预测在下一时刻将从传动单元114需要的输出扭矩和输出旋转速度。然后，使用如上所述的传动单元114的特性，能够预测在下一时刻传动单元114和传动系110将从内燃机120需要的扭矩T_t，pred和旋转速度n_t，pred，即，将能够预测在下一时刻将从内燃机120需要的功率P_t，pred。

特别地，优选监视从制动踏板到制动ECU(例如，到防抱死制动系统，ABS)的指令，该指令包括要施加在驱动轮130上并因而施加在传动系110上的制动扭矩等的大小。然而，扭矩控制单元200可能需要查找表等，用于转换给制动ECU的指令，从而该指令对应于将在下一时刻施加在传动系110上的扭矩等。这种表能例如通过在实验室环境中的经验测试或者通过实际生活的驾驶期间的测量值等来获得。

对子系统上负载的快速增加的响应

上文我们已经讨论了子系统110、120、140的当前工作状况和给予该子系统110、120、140的指令。我们也已经讨论了基于当前工作状况、所监视的指令和子系统110、120、140的特性对工作状况的任何变化的预测。

如将在下文更详细讨论的，关于求和点150的预测使得能够平衡扭矩供应者和扭矩消耗者，从而以更主动和灵敏的方式应对子系统110、120、140上负载的突然快速增大。

如前所述，只要子系统110、120、140在静态条件下运行，那么向求和点150增加和从求和点150减去的功率之和等于零。换句话说，在静态条件下，我们具有：

P_load+P_t+P_h＝0                     (8)

如果子系统110、120、140连接到表示飞轮的求和点150，该飞轮使该子系统以相同的旋转速度运行，则我们具有：

T_load+T_t+T_h＝0                    (9)

现在，如果所预测的内燃机120上的负载(P_load，pred＝P_t，pred+P_h，pred)超过所预测的可从发动机120得到的功率P_e，pred，则我们将具有这样的情形，其中求和点150中的功率之和小于零，这可通过如下的关系式表示：

P_e，pred+P_t，pred+P_h，pred＜0                  (10)

如果子系统110、120、140连接到表示飞轮的求和点150，该飞轮使子系统以相同的旋转速度运行，则我们具有：

T_e，pred+T_t，pred+T_h，pred＜0                (11)

如前所述：

T_e是当前可从内燃机120得到的扭矩，

T_1oad是当前由内燃机120提供的扭矩T_e的一部分，

T_h是工作液压系统140当前所需的扭矩，

T_t是传动系110当前所需的扭矩，

P_e是当前可从内燃机120得到的功率，

P_load是当前由内燃机120提供的功率P_e的一部分，

P_h是工作液压系统140当前所需的功率，

P_f是传动系110当前所需的功率，

T_e，pred是所预测的可从内燃机120得到的扭矩，

T_h，pred是预测的工作液压系统140所需的扭矩，

T_t，pred是预测的传动系110所需的扭矩，

P_e，pred是所预测的可从内燃机120得到的功率，

P_h，pred是预测的工作液压系统140所需的功率，

P_t，pred是预测的传动系110所需的功率。

如通过上述的关系式10和11示出的，在所预测的内燃机120上的负载(P_load，pred＝P_t，pred+P_h，pred)超过所预测的可从内燃机120得到的功率P_e，pred的情形中，我们将收到内燃机120的减小的旋转速度，并明显存在使发动机120过载和可能停机的风险。当然，如作必要的变更，对于所预测的扭矩T_e，pred、T_t，pred和T_h，pred也同样有效。

要降低使发动机120过载和可能停机的风险，优选的是，一检测到所预测的内燃机120上的负载(P_t，pred+P_h，pred)将超过所预测的可从发动机120得到的功率(P_e，pred)，就提高内燃机120的旋转速度n_e。这能例如通过扭矩控制单元200实现，该扭矩控制单元200将消息经由CAN总线传送到用于控制轮式装载机1中的内燃机120的发动机ECU等，以提高发动机120的旋转速度。

然而，更优选的是，一检测到所预测的内燃机120上负载的增加将超过或变得等于已在上文参照图5讨论的当前负载裕度P_diff＝P_e-P_load，就提高内燃机120的旋转速度n_e。

这能例如通过如下的关系式表示：

(P_t，pred+P_h，pred)-(P_t+P_h)≥P_diff                  (11)

甚至更优选的是，一检测到所预测的内燃机120上负载的增加将超过当前负载裕度P_diff的一定百分比，例如在当前负载裕度P_diff的大约50％-90％的区间内的百分比，就提高内燃机120的旋转速度n_e。这是为了确保仍具有充足的裕度，用于由轮式装载机1内的其它系统引起的内燃机120上负载的另外增加。

然而，为避免与愈加严格的排放法规、特别是与响应于发动机120上负载的增加而从内燃机120排出的废气和可见烟相关的排放法规相冲突，优选当响应于增加的负载时，发动机120的旋转速度n_e以受控方式提高。特别优选的是，如果必要，在一时段内将旋转速度n_e提高到所需的等级。

示例性轮式装载机1中的内燃机120的旋转速度n_e的受控增加能例如通过暂时降低工作液压系统140中的泵142、144、148的排量D_p来实现。排量D_p能例如直接通过步进电机、液压活塞等，或者间接地例如通过布置为减少液压流体到泵142、144、148的负载感测信号流量的液压阀来调节。

这导致液压系统140中的泵142、144、148所需的功率的暂时减少，因此导致内燃机120所需的功率的暂时减少。由此给予内燃机120延长的时段来达到所需的旋转速度。

另外的实施例

辅助动力源

通过如上文提出的暂时降低工作液压系统140中的泵142、144、148的排量D_p来实现内燃机120的旋转速度的受控增加具有如下缺点：轮式装载机1的操作者将经历性能降低的液压系统140。

因此，在本发明的另一实施例中，通过使用电机112形式的辅助动力源为发动机120达到所需的旋转速度创造延长的时段来实现内燃机120的旋转速度n_e的受控增加。这避免了必须降低子系统110、120、140中的任一个的性能的缺陷，从下文的描述中这将是明显的。

图6示出了设有至少一个电机112的传动系110。电机112布置为在内燃机120下游的合适位置处可操作地向传动系110增加扭矩。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。电机112应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运行。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来实现，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。

图7是示意性框图，示意性示出了如图6所示的轮式装载机的单元之间的功率交换。

优选的是，电机112连接到扭矩控制单元200，该扭矩控制单元200布置为可操作控制在传动系110与电机112之间交换的扭矩。扭矩控制单元200优选布置为向电机112可操作地提供来自电源210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，更优选的是使用在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。

在本发明的一个实施例中，电机112由扭矩控制单元200操作以向传动系110增加预定量的扭矩，从而减小内燃机120上的负载。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内燃机120上的负载没有任何明显的相关性。因此，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由扭矩控制单元200操作以向传动系110增加一定量的扭矩，从而将抵消或至少基本抵消所预测的内燃机120上负载的增加。这能通过增加等于或对应于所预测的发动机120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发动机120上负载的一阶时间导数的一定量的功率来实现。替代地，这可通过增加等于或对应于发动机120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发动机120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，通过电机112向传动系110增加的扭矩的量基于这样的值，即该值本质上依赖于内燃机120上负载的增加。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，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x(Nm)的可用输出扭矩和可用输出功率P_e，如上文参照图5所讨论的。那么，向传动系110增加的扭矩的量应为这样的量，使得所预测的内燃机120上负载的增加不超过当前负载裕度P_diff。替代地，向传动系110增加的扭矩的量应为这样的量，使得所预测的发动机120上负载的增加不超过当前负载裕度P_diff的预定百分比，例如在当前负载裕度P_diff的大约50％-80％的区间内的百分比。

此外，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，所以当以受控方式增加内燃机120的旋转速度以应对所预测的发动机120上负载的增加时，扭矩控制单元200优选布置为减少通过电机112向传动系110增加的扭矩的量。

另外的液压装置和替代器具

尽管图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具和/或转向功能，并且为每个器具和/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形式的器具2，该铲斗3通过液压系统140来操作。然而，应当强调的是，可使用其它器具。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，该器具能例如是翻斗车身。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，本发明不限于上文所述和图中所示的实施例，而是，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可作出许多变化和修改。

Claims (29)

1.一种用于操作工程机械(1)的方法，所述工程机械设有：提供动力的动力源(120)和连接到所述动力源(120)的多个动力消耗系统(110、140)，该方法的特征在于如下步骤：

提供用于预测所述动力消耗系统(110、140)中的至少一个所需的功率的预测模型；

检测表示功率需求的至少一个运行参数；

在所述预测模型中使用所检测到的运行参数；

根据所述预测模型将所提供的功率平衡至所需的功率，

将所述动力消耗系统(110、140)经由分支部连接到所述动力源(120)，并且所述预测模型包括表示所述分支部的功率求和点(150)，以及

当所述预测模型指示在所述求和点(150)处，在所述动力源(120)和所述动力消耗系统(110、140)之间交换的功率小于或将要小于零时，将所提供的功率平衡至所需的功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：将所提供的功率平衡至所需的功率，从而减小所述动力源上的负载。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于如下步骤：检测表示所述动力源(120)和/或所述动力消耗系统(110、140)中的至少一个的当前工作状况的至少一个运行参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如下步骤：通过测量旋转速度和测量或估计扭矩来检测表示当前工作状况的至少一个运行参数。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如下步骤：通过测量液压力和测量或估计由所述动力消耗系统中的一个(140)中的液压泵(142、144、146)提供的流量来检测表示当前工作状况的至少一个运行参数。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于如下步骤：通过检测来自工程机械操作者的至少一个输入指令来检测至少一个运行参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：暂时调节所述平衡，直至所述预测模型指示如下的平衡条件，即所述求和点(150)处的所述功率等于或大于零。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预测模型适于预测全部的所述动力消耗系统(110、140)所需的总功率。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述预测模型适于预测所述动力消耗系统中的每一个的个体功率需求。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：所述预测模型包括第一部分，所述第一部分是所述动力源的工况的特性。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述预测模型包括第二部分，所述第二部分是所述动力消耗系统中的第一个的工况的特性。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述预测模型包括第三部分，所述第三部分是所述动力消耗系统中的第二个的工况的特性。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：通过借助外部动力源(112)增加扭矩来将所提供的功率平衡至所需的功率。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：通过借助至少一个电机(112)增加扭矩来将所提供的功率平衡至所需的功率。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于如下步骤：向所述动力消耗系统中的第一个增加所述扭矩。

16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：在确定需要与功率有关的调节的情况下，通过影响所述动力源(120)和/或所述动力消耗系统(110、140)中的至少一个来将所提供的功率平衡至所需的功率。

17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：通过相对于所需的功率减少向所述动力消耗系统中的至少一个提供的实际功率来将所提供的功率平衡至所需的功率。

18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：通过相对于所需的功率按比例减少向所述动力消耗系统中的至少一个提供的实际功率来将所提供的功率平衡至所需的功率。

19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：同时监视多个所述动力消耗系统的所需的功率并相应地将所提供的功率平衡至所需的功率。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述动力消耗系统包括工作液压系统(140)，所述工作液压系统包括由所述动力源(120)提供动力的至少一个液压泵(142、144、146)，用于移动所述工程机械(1)上的器具(3)和/或用于使所述工程机械(1)转向。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于如下步骤：通过暂时降低布置在所述工作液压系统(140)中的所述液压泵(142、144、146)中的至少一个的排量(Dp)来调节所提供的功率至所需的功率的平衡。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于如下步骤：通过影响布置在所述工作液压系统(140)中的至少一个液压阀来调节所提供的功率至所需的功率的平衡。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述动力消耗系统还包括传动系(110)，所述传动系布置在所述工程机械的所述动力源(120)与驱动轮(130)之间，用于将扭矩从所述动力源(120)传递到所述驱动轮(130)。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于如下步骤：使用布置在传动单元(114)上游或变速箱(118)上游的电机(112)，所述传动单元和所述变速箱布置在所述传动系(110)中。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其特征在于：所述动力源(120)机械连接到所述传动系(110)和所述工作液压系统(140)。

26.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述分支部由布置在所述动力源(120)的输出轴上的飞轮形成。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于如下步骤：通过影响所述传动系(110)中的可控变速箱(118)来调节所提供的功率至所需的功率的平衡。

28.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述动力源(120)是内燃机。

29.根据权利要求1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)。

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