CN102352834A - 一种恒功率控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种恒功率控制阀，该控制阀包括：拐杆，所述拐杆包括相互固定并成夹角的第一杆件和第二杆件；先导阀，所述先导阀上设置有至少一个台阶面，所述各台阶面分别连接外部油路，所述先导阀的端部对所述第一杆件的第一侧施加外部油路压力；换向阀，所述换向阀的第一端设置有弹性装置，所述换向阀的第二端对所述第二杆件施加弹性力；移动部件，所述移动部件固定于变量活塞上，所述移动部件在所述第一杆件的第二侧滑动或滚动，所述移动部件对所述拐杆施加的力和所述先导阀对拐杆施加的力方向相对。本发明实现了弹性力力矩和外部油路压力力矩的平衡，具有控制精度高、功率设定方便、利用率高等优点。

Description

一种恒功率控制阀

技术领域

本发明涉及工程机械及液压传动领域，具体地说，涉及一种恒功率控制阀。

背景技术

恒功率控制是液压领域常用的控制方式，即使一个泵的单功率保持恒定，或者使几个泵的功率之和保持恒定。通常采用带机械反馈的功率控制阀来实现这一功能。

以工程机械领域常用的双泵系统为例，其目的是为了实现多个液压执行元件同时执行任务。理想状态的恒功率控制是以双泵各自的负载压力p₁或p₂作为信号共同改变各自泵的排量，使双泵排量相同，由于转速一定，所以流量相等，即：p₁×q₁+p₂×q₂＝常数(q₁＝q₂)。相应地，其特性曲线(压力与排量的关系曲线)为图1所示的双曲线。现有技术常使用的双泵系统总功率控制中，包括交叉传感控制和直杠杆控制两种方式。

对于交叉传感控制而言，其以泵各自的负载压力p1或p2作为信号分别改变另一个泵的功率。其特点是只有当一个泵的工作压力低于其设定的控制起点时，则可以给另一个泵分配发动机多余的功率。而当两个泵的工作压力均大于或小于设定的控制起点时，则双泵的总功率就会降低。发动机的功率利用受到工作压力的限制，并不适用于所有工作压力。

对于直杠杆控制而言，在控制系统中有弹簧一和弹簧二，在低压时弹簧一起作用，对应于图1所示的特性曲线ab段，当压力达到一定值时，两根弹簧同时起作用，对应于特性曲线bc段。其特性曲线并非理想状态的双曲线，实质上是通过两段折线来代替双曲线，因此其控制精度不高，尤其是在功率起调点和功率终调点附近，其功率调节误差较大。此外，此类控制阀还具有结构复杂、零部件数量多等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种恒功率控制阀，该控制阀能够明显提高控制精度，并可以优化系统结构。

本发明的恒功率控制阀，包括：

拐杆，所述拐杆包括相互固定并成夹角的第一杆件和第二杆件；

先导阀，所述先导阀上设置有至少一个台阶面，所述各台阶面分别连接外部油路，所述先导阀的端部对所述第一杆件的第一侧施加外部油路压力；

换向阀，所述换向阀的第一端设置有弹性装置，所述换向阀的第二端对所述第二杆件施加弹性力；

移动部件，所述移动部件固定于变量活塞上，所述移动部件在所述第一杆件的第二侧滑动或滚动，所述移动部件对所述拐杆施加的力和所述先导阀对拐杆施加的力方向相对。

作为上述技术方案的优选，所述先导阀的端部设置有支撑销，所述支撑销设置在所述第一杆件第一侧的销孔一内。

作为上述技术方案的优选，所述移动部件为第一滚轮，所述第一杆件的第二侧设置有供第一滚轮滚动的弧形引导面。

作为上述技术方案的优选，所述第一滚轮两侧包括伸出的第一中心轴，该第一中心轴与拨杆铰接，所述第一滚轮在所述拨杆上沿第一中心轴旋转，所述拨杆固定于所述变量活塞上。

作为上述技术方案的优选，本发明的恒功率控制阀还包括：

第二滚轮，所述第二滚轮两侧包括伸出的第二中心轴，该第二中心轴与所述第一杆件或第二杆件铰接，所述第二滚轮在所述第一杆件或第二杆件上沿第二中心轴旋转；

固定设置的挡块，所述挡块设置于所述第二滚轮的外周一端，在所述拐杆摆动过程中，所述第二滚轮在所述挡块上滚动。

作为上述技术方案的优选，所述换向阀的第二侧还包括顶杆和顶杆座，所述顶杆的第一侧设置在换向阀第二侧的销孔二内，所述顶杆的第二侧固定于所述顶杆座内，所述顶杆座两侧包括伸出的第三中心轴，该第三中心轴与所述第二杆件铰接，所述顶杆座在第二杆件上沿第三中心轴旋转。

作为上述技术方案的优选，所述换向阀为两位三通换向阀，所述两位三通换向阀的工作油口连接变量活塞的大端，进油口连接变量活塞的小端和其中一个外部油路，回油口连接油箱。

作为上述技术方案的优选，所述弹性装置的一侧还设置有调整装置，该调整装置用于调整弹性装置的弹性力。

作为上述技术方案的优选，所述先导阀上设置有两个台阶面，所述恒功率控制阀用于变量轴向柱塞泵的双泵控制。

作为上述技术方案的优选，所述台阶面包括多个时，各台阶面的面积相等。

本发明的恒功率控制阀，通过动支点拐杆方式，实现了弹性力力矩和外部油路压力力矩的平衡。换向阀根据外部油路的压力进行相应的换向和复位，从而可以实现变量活塞的移动，完成液压泵的恒功率控制。通过理论计算可知，本发明的特性曲线为理想状态的双曲线，其功率调节误差小、控制精度高；此外，本发明通过调整装置调节单个弹性装置的弹性力，即可以实现总功率的设定调节，相对于双弹簧控制阀而言，功率设定十分方便；而且，本发明高效地实现了发动机功率和负载功率之间的匹配，可以最大化地利用发动机的功率。本发明还具有结构简单、性能稳定、实用性强等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是恒功率控制的特性曲线图；

图2是本发明一实施例的恒功率控制阀的结构示意图；

图3是本发明一实施例的顶杆和顶杆座的结构示意图；

图4是图3所示实施例的顶杆和顶杆座安装在拐杆上的结构示意图；

图5是本发明一实施例的第二滑轮安装在拐杆上的结构示意图；

图6是本发明一实施例的恒功率控制阀应用在双泵控制中的液压原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明一实施例的恒功率控制阀至少包括拐杆1、先导阀2、换向阀3和移动部件。其中拐杆1包括相互固定并成夹角的第一杆件11和第二杆件12。第一杆件11和第二杆件12之间可以一体成型，也可以分开成型，本发明并不受限于此，此外，在第一杆件11和第二杆件12之间也可以包括在它们之间形成连接的连接部件，只要它们相互固定并形成夹角，即可以实现本发明的技术效果。该夹角可以是直角、钝角或锐角，优选形成图2所示的直角结构。

先导阀2上设置有至少一个台阶面，各台阶面分别连接外部油路，先导阀2的端部对第一杆件11的第一侧施加外部油路压力。在图2所示的实施例中，该先导阀2包括两个台阶面，各台阶面上可以连接压力分别为p1和p2的外部油路(如外部负载油路)。在该技术方案的基础上，图2所示的恒功率控制阀可以用于变量轴向柱塞泵的双泵控制(将在下文进行详细说明)。应当清楚，在该先导阀2上设置其它数量的台阶面(如1个或3个)时，本发明同样能够得到理想状态的特性曲线，实现误差较小的恒功率控制。先导阀2的端部可以直接与第一杆件11的第一侧接触，以对其施加外部油路压力，本发明也可以在先导阀2和第一杆件11之间压有钢球，以减小其与第一杆件11相对运动的摩擦力，本发明并不受限于此。优选地，在先导阀2的端部设置有如图2所示的支撑销21，该支撑销21设置在第一杆件11第一侧的销孔一内。为了形成密封回路，还可以在先导阀2阀芯外设置阀套20，外部油路分别引入到该阀套20内，并对先导阀2的两个作用面进行作用。

换向阀3的第一端设置有弹性装置30，所述换向阀3的第二端对所述第二杆件12施加弹性力。该弹性装置30可以是一个弹簧，相应地其弹性力则为弹簧力。换向阀3的第二端可以直接与第二杆件12接触，以对其施加弹性力，本发明也可以在换向阀3和第二杆件12之间压有钢球，以减小其与第二杆件12相对运动的摩擦力，本发明并不受限于此。优选地，如图3和图4的实施例所示，换向阀3的第二侧还包括顶杆31和顶杆座32，顶杆31的第一侧设置在换向阀3第二侧的销孔二内，顶杆31的第二侧固定于顶杆座32内，顶杆座32两侧包括伸出的第三中心轴320，该第三中心轴320与第二杆件12铰接，顶杆座32在第二杆件12上沿第三中心轴320旋转。换向阀3的第二端的弹性力和第二杆件12对换向阀3施加的力通过顶杆31和顶杆座32进行传递。

换向阀3可以是多种结构的换向阀3，为了适用于变量轴向柱塞泵的双泵控制，该换向阀3为两位三通换向阀。两位三通换向阀具有三个油口，即工作油口A、进油口P和回油口T，本发明的两位三通换向阀的工作油口可以连接变量活塞4的大端，进油口连接变量活塞4的小端和其中一个外部油路，回油口连接油箱(如图6所示)。通过换向阀3的换向，可以实现变量活塞4的移动，从而带动固定在其上的移动部件的移动。

移动部件固定于变量活塞4上(如图6所示)，移动部件在第一杆件11的第二侧滑动或滚动，移动部件对拐杆1施加的力和先导阀2对拐杆1施加的力方向相对。移动部件和先导阀2作用于第一杆件11的两侧。该移动部件可以是各种结构的滑动机构或滚动机构，为了减少移动部件和第一杆件11之间相对运动的摩擦力，优选该移动部件为滚动机构(滚轮或滚珠)，更优选地，该移动部件为第一滚轮R1，第一杆件11的第二侧设置有供第一滚轮R1滚动的弧形引导面。应当清楚，在第一滚轮R1和第一杆件11接触的端面，也可以不加工成弧形引导面，同样可以实现本发明的技术效果。该第一滚轮R1可以通过多种方式固定在变量活塞4上，本发明并不受限于此。作为本发明的一个实施例，如图2所示，第一滚轮R1两侧包括伸出的第一中心轴(图中未示出)，该第一中心轴与拨杆5铰接，第一滚轮R1在拨杆5上沿第一中心轴旋转，该拨杆5固定于所述变量活塞4上。在换向阀3进行换向以后，变量活塞4可以带动拨杆5移动，从而使得铰接在拨杆5上的第一滚轮R1在第一杆件11的弧形引导面上进行滚动。

在上述技术方案的基础上，本发明的恒功率控制阀，通过动支点拐杆方式，实现了弹性力力矩和外部油路压力力矩的平衡。以图2所示的视图方向为例，当外部油路压力增大时，拐杆1以第一滚轮R1为支点进行逆时针摆动，第二杆件12推动换向阀3并使其换向，变量活塞4大端与高压油接通，从而使得变量活塞4及移动部件向左移动，外部油路压力力矩变小，此后换向阀3复位，移动部件停止移动。在整个过程中可以实现力矩的平衡，进而实现功率的恒定。

为了保证拐杆1摆动过程中的稳定性，避免产生倾覆，本发明还可以包括第二滚轮R2，如图5所示，该第二滚轮R2两侧包括伸出的第二中心轴R20，该第二中心轴R20与所述第一杆件11或第二杆件12铰接，所述第二滚轮R2在所述第一杆件11或第二杆件12上沿第二中心轴R20旋转。第二滚轮R2可以铰接在第一杆件11和第二杆件12之间相交的区域附近。此外，如图2所示，在第二滚轮R2的外周一端还设置有挡块6，该挡块6固定设置，在所述拐杆1摆动过程中，所述第二滚轮R2在所述挡块6上滚动。在图2所示实施例中，挡块6设置于第二滚轮R2的外周右侧，以限制第二滚轮R2的向右移动。

本发明的恒功率控制阀可以应用于多种情况的液压系统中，只要其通过变量活塞实现伺服的随动控制即可。优选本发明的恒功率控制阀用于变量轴向柱塞泵的双泵控制。图6所示是本发明一实施例的恒功率控制阀应用在双泵控制中的液压原理图，其先导阀2上设置有两个台阶面，分别连接两个泵7、8的出口高压油p₁、p₂。该双泵系统可以应用于如挖掘机等工程机械中。此外，本发明可以使得各台阶面的面积相等。

如前所述，本发明实现了弹性力力矩和油路压力力矩的平衡，该平衡方程如下：

(p₁S₁+p₂S₂)×L₂＝F_弹×L₁    (1)

其中：

S₁、S₂分别为先导阀2的两个台阶面面积；

p₁、p₂分别为两个轴向柱塞泵和各自的出口压力；

F_弹为弹性装置30的弹性力。

当系统的液压力(p₁+p₂)增大时，液压力推动阀芯向下运动，使拐杆1围绕第一滚轮R1逆时针旋转，同时拐杆1推动换向阀3向左移动(以泵7的控制阀为例)，液压油流向为进油口→工作油口，变量活塞4向左移动，先导阀2的作用力臂L₂减小。此后，在弹性装置30的作用下，换向阀3复位，斜盘停止摆动。

由于先导阀2上的两个台阶面的面积相等，所以两个泵的先导阀2对第一杆件11的第一端施加的油路压力相等，斜盘的摆角始终保持一致，排量相等，即：

单泵的排量：

$V_g=\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\mathrm{Dz}\tan \mathrm{\β}---\left(2\right)$

其中：

H为泵主轴到拨杆球心的竖直距离；

β为斜盘摆角；

d为柱塞直径；

D为柱塞轴线在缸体中的分布圆直径；

z为柱塞个数；

单泵的功率：

P₁＝p₁V_gn    (3)

P₂＝p₂V_gn    (4)

n为转速。

由以上各式可得出，双泵的总功率为：

其中：S＝S₁＝S₂。

根据上述理论计算可知，本发明的特性曲线为理想状态的双曲线，因此本发明具有功率调节误差小、控制精度高等优点。

另外，如图2所示，本发明在弹性装置30的一侧还设置有调整装置300，该调整装置300用于调整弹性装置30的弹性力。通过调整F_弹，可以实现P_总的设定。相对于双弹簧控制阀而言，功率设定十分方便。

应当清楚，本发明的恒功率控制还可以可与其他控制方式组合，如与压力切断控制、正流量控制、负流量控制和负载敏感控制等进行组合，本发明并不受限于此。

综上所述，本发明的恒功率控制阀，通过动支点拐杆方式，实现了弹性力力矩和外部油路压力力矩的平衡。换向阀3根据外部油路的压力进行相应的换向和复位，从而可以实现变量活塞4的移动，完成液压泵的恒功率控制。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)控制精度高

通过前述理论计算可知，本发明的特性曲线为理想状态的双曲线，其功率调节误差小、控制精度高。

2)功率设定方便

本发明通过调整装置300调节单个弹性装置30的弹性力，即可以实现总功率的设定调节，相对于双弹簧控制阀而言，功率设定十分方便。

3)利用率高

本发明高效地实现了发动机功率和负载功率之间的匹配，可以最大化地利用发动机的功率。

此外，本发明还具有结构简单、性能稳定、实用性强等优点。

因此，本发明的有益效果是显而易见的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种恒功率控制阀，其特征在于，包括：

拐杆(1)，所述拐杆(1)包括相互固定并成夹角的第一杆件(11)和第二杆件(12)；

先导阀(2)，所述先导阀(2)上设置有至少一个台阶面，所述各台阶面分别连接外部油路，所述先导阀(2)的端部对所述第一杆件(11)的第一侧施加外部油路压力；

换向阀(3)，所述换向阀(3)的第一端设置有弹性装置(30)，所述换向阀(3)的第二端对所述第二杆件(12)施加弹性力；

移动部件，所述移动部件固定于变量活塞(4)上，所述移动部件在所述第一杆件(11)的第二侧滑动或滚动，所述移动部件对所述拐杆(1)施加的力和所述先导阀(2)对拐杆(1)施加的力方向相对。

2.根据权利要求1所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述先导阀(2)的端部设置有支撑销(21)，所述支撑销(21)设置在所述第一杆件(11)第一侧的销孔一内。

3.根据权利要求1所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述移动部件为第一滚轮(R1)，所述第一杆件(11)的第二侧设置有供第一滚轮(R1)滚动的弧形引导面。

4.根据权利要求3所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述第一滚轮(R1)两侧包括伸出的第一中心轴，该第一中心轴与拨杆(5)铰接，所述第一滚轮(R1)在所述拨杆(5)上沿第一中心轴旋转，所述拨杆(5)固定于所述变量活塞(4)上。

5.根据权利要求1所述的恒功率控制阀，其特征在于，还包括：

第二滚轮(R2)，所述第二滚轮(R2)两侧包括伸出的第二中心轴(R20)，该第二中心轴(R20)与所述第一杆件(11)或第二杆件(12)铰接，所述第二滚轮(R2)在所述第一杆件(11)或第二杆件(12)上沿第二中心轴(R20)旋转；

固定设置的挡块(6)，所述挡块(6)设置于所述第二滚轮(R2)的外周一端，在所述拐杆(1)摆动过程中，所述第二滚轮(R2)在所述挡块(6)上滚动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述换向阀(3)的第二侧还包括顶杆(31)和顶杆座(32)，所述顶杆(31)的第一侧设置在换向阀(3)第二侧的销孔二内，所述顶杆(31)的第二侧固定于所述顶杆座(32)内，所述顶杆座(32)两侧包括伸出的第三中心轴(320)，该第三中心轴(320)与所述第二杆件(12)铰接，所述顶杆座(32)在第二杆件(12)上沿第三中心轴(320)旋转。

7.根据权利要求1-5任一项所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述换向阀(3)为两位三通换向阀，所述两位三通换向阀的工作油口连接变量活塞(4)的大端，进油口连接变量活塞(4)的小端和其中一个外部油路，回油口连接油箱。

8.根据权利要求1-5任一项所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述弹性装置(30)的一侧还设置有调整装置(300)，该调整装置(300)用于调整弹性装置(30)的弹性力。

9.根据权利要求1-5任一项所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述先导阀(2)上设置有两个台阶面，所述恒功率控制阀用于变量轴向柱塞泵的双泵控制。

10.根据权利要求1-5任一项所述的恒功率控制阀，其特征在于，所述台阶面包括多个时，各台阶面的面积相等。

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