CN102410166B - 一种变量泵控制装置、恒功率变量泵及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程机械技术领域，公开了一种变量泵控制装置、恒功率变量泵及工程机械。该变量泵控制装置包括变量活塞、控制阀、辅助活塞，和调节弹簧，变量泵的工作压力作用在所述辅助活塞上，还包括L型杠杆，调节弹簧的弹力作用在所述L型杠杆的第一端，辅助活塞的推力作用在所述L型杠杆的第二端，L型杠杆的第一端和第二端之间设置有活动的力臂支点，该力臂支点随所述变量活塞的位置变化而移动。本发明实施例提供的一种变量泵控制装置，通过构建一套伺服机构，使得变量活塞自适应地调节变量泵的斜盘倾角以改变变量泵的排量，从而控制变量泵的总功率输出恒定，提高了总功率控制精度，使原动机的功率得到合理分配。

Description

一种变量泵控制装置、恒功率变量泵及工程机械

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种变量泵控制装置。本发明还涉及一种具有上述变量泵控制装置的恒功率变量泵以及一种具有该恒功率变量泵的工程机械。

背景技术

双泵或多泵系统的总功率控制是为了使原动机在液压泵的不同工况下都能工作在恒功率状态，即多个泵的功率之和保持恒定，因为液压功率P为压力p与流量q的乘积，即P＝pq，所以恒功率特性曲线为双曲线。在恒功率状态下，液压泵根据负载压力的变化情况调整其输出流量，使液压泵的输出功率接近于负载所需的功率，实现动力源和负载之间的功率适应和匹配，使原动机工作在最佳工况下，从而充分发挥原动机的功率。

目前，通常采用带机械反馈的控制回路实现总功率控制，在现有的一种方案中，总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，即使p₁×q₁+p₂×q₂＝const(q₁＝q₂)，但是其功率控制阀一般采用直杠杆结构，阀芯复位采用双弹簧方式实现，所以其功率曲线并非双曲线，而是由两条斜率不同的直线组成的折线，在功率起调点和功率终调点附近，其功率调节误差较大。因此，该方案控制精度低，且结构复杂，零件数量多。

在现有的另一种方案中，其功率控制阀一般采用拐杆结构，虽然在一定范围内其功率曲线是双曲线，但是其控制方式为交叉传感控制(Cross-sensing)，所谓交叉传感控制也是一种总功率控制，是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，其特征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原动机多余的功率，但是，当两个泵的工作压力均大于设定的控制起点时，则双泵各自的功率分配各为总功率的50％，而不会因为泵的负载压力大而分配相应多的功率，如此便限制了泵的工作点与原动机的匹配范围，不能合理地分配原动机的功率，造成功率损失。

因此，如何提高总功率控制精度，使系统各泵的功率之和保持稳定，合理分配原动机的功率，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，为了提高变量泵总功率的控制精度，合理分别原动机的功率，一方面，本发明提供了一种变量泵控制装置。

该变量泵控制装置包括：用于可控制变量泵的斜盘摆角的变量活塞，用于控制变量活塞位置的控制阀，用于对控制阀的位置进行调节的辅助活塞，用于对控制阀调节的调节弹簧，变量泵的工作压力作用在所述辅助活塞上，其特征在于，还包括：用于反馈变量活塞位置的L型杠杆，所述调节弹簧的弹力作用在所述L型杠杆的第一端，所述辅助活塞的推力作用在所述L型杠杆的第二端，所述L型杠杆的第一端和第二端之间设置有活动的力臂支点，所述力臂支点随所述变量活塞的位置变化而移动，所述调节弹簧的弹力对所述L型杠杆的弯部的力矩等于所述辅助活塞的推力对所述力臂支点的力矩。

优选地，所述L型杠杆的弯部安装有第一滚轮，所述第一滚轮的一侧设有限位挡块。

优选地，所述调节弹簧的弹力通过所述控制阀的阀芯作用在所述L型杠杆的第一端。

优选地，所述控制阀的阀芯通过顶杆与所述L型杠杆的第一端相连。

优选地，所述辅助活塞的阀芯通过支撑销与所述L型杠杆的第二端相连。

优选地，所述变量活塞第一端的横截面小于其第二端的横截面，所述变量活塞的第一端和第二端分别设有位置固定的第一缸体和第二缸体，所述第一缸体与变量泵的出口相连通，所述缸体通过所述控制阀与油箱或者变量泵的出口相连通；所述控制阀具有第一工作状态和第二工作状态，在第一工作状态下，所述第二缸体与油箱相连通，在第二工作状态下，所述第二缸体与变量泵的出口相连通。

优选地，所述变量活塞上设有拨杆，所述拨杆的一端与变量泵斜盘相连，另一端抵靠于所述L型杠杆上，该抵靠点为所述力臂支点。

优选地，所述控制阀为二位三通方向控制阀。

优选地，所述拨杆的另一端设有第二滚轮，所述拨杆通过所述第二滚轮抵靠于所述L型杠杆上，所述L型杠杆与所述第二滚轮接触的位置设有圆弧形导轨。

优选地，其特征在于，调节弹簧的预压缩量可调节。

另一方面，本发明还提供了一种恒功率变量泵。

该恒功率变量泵包括第一变量泵和第二变量泵，还包括用于控制所述第一变量泵的如上任一项所述的第一变量泵控制装置和用于控制所述第二变量泵的如上任一项所述的第二变量泵控制装置，所述第一变量泵和所述第二变量泵的出口压力均作用在所述第一变量泵控制装置和所述第二变量泵控制装置的辅助活塞上。

优选地，所述第一变量泵和所述第二变量泵均为轴向柱塞泵。

优选地，所述第一变量泵控制装置和所述第二变量泵控制装置的辅助活塞的阀芯均具有面积固定的两个阶梯面，所述第一变量泵和所述第二变量泵的出口压力分别作用于所述两个阶梯面上。

又一方面，本发明还提供了另一种恒功率变量泵。

该恒功率变量泵包括变量泵，还包括用于控制所述变量泵的如上任一项所述的变量泵控制装置。

再一方面，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械具有如上任一项所述的恒功率变量泵。

本发明提供的变量泵控制装置、恒功率变量泵及工程机械，通过构建一套伺服机构，调节弹簧的弹力对L型杠杆的弯部的力矩等于辅助活塞的推力对力臂支点的力矩，使得变量活塞自适应地调节变量泵的斜盘倾角以改变变量泵的排量，从而便于对变量泵的总功率进行控制，与现有技术相比，提高了总功率控制精度，使原动机的功率得到合理分配；此外，在恒功率变量泵的一种优选方式中，通过使用两个变量泵控制装置分别对两个变量泵进行功率控制，可使系统中双泵的功率之和保持恒定，而不受负载的影响，其功率特性曲线为双曲线，大大提高了控制精度，且结构简单，也使原动机工作在最佳工况下，从而充分发挥原动机的功率。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种变量泵控制装置及一种恒功率变量泵的原理图；

图2为图1的具体结构示意图；

图3为图2中部分区域的局部放大图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应当指出，本部分中对具体结构的描述及描述顺序仅是对具体实施例的说明，不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。

请参考图1至图3，其中，图1为本发明实施例所提供的一种变量泵控制装置及一种恒功率变量泵的原理图，图2为图1的具体结构示意图，图3为图2中部分区域的局部放大图；下面同时结合图1、图2和图3对该实施例中的一种变量泵控制装置及一种恒功率变量泵进行详细描述。

该实施例的变量泵控制装置主要包括变量活塞8、拨杆7、第一滚轮1、拐杆2(L型结构的反馈杠杆)、控制阀3、调节弹簧4、第二滚轮5和辅助活塞6等；

拐杆2的弯部安装有第一滚轮1，挡块11用于限制第一滚轮1的位置，防止其向右移动；

变量活塞8第一端的横截面小于其第二端的横截面，变量活塞8的第一端和第二端分别设有位置固定的第一缸体和第二缸体，第一缸体用于与变量泵9/10的出口相连通，第二缸体用于通过控制阀3与油箱或变量泵9/10的出口相连通；变量活塞8上固设有拨杆7，该拨杆7的第一端支撑拐杆2的第一端面，该第一端设有第二滚轮5，拨杆7通过该第二滚轮5抵靠于拐杆2的第一端面上，该抵靠点为力臂支点，拐杆2第一端面与该第二滚轮5接触的位置设有圆弧形导轨(可防止拐杆2受力不均而引起倾覆)，拐杆2可围绕所述第二滚轮5转动，拨杆7的第二端用于与变量泵9/10的斜盘81相连，当变量活塞8左右移动时，该斜盘81的摆角发生相应变化；

辅助活塞6包括阀套61和阀芯，辅助活塞6的阀芯具有两个阶梯面，两个阶梯面的面积相等，变量泵9及10的出口压力(实际为压强，但本领域技术人员常称作压力)p₁和p₂分别作用于这两个阶梯面上；辅助活塞6的一端由支撑销62与拐杆2的第二端面相连(如此可减小辅助活塞6直接与拐杆2接触在相对运动时所产生的摩擦力)，辅助活塞6的阀芯的作用力对拐杆2上的力臂支点的力臂为L₂；

调节弹簧4的一端固定(固定位置可调，即其预压缩量可调)，另一端通过控制阀3作用于拐杆2的第三端面；控制阀3的阀芯通过顶杆31与拐杆2的第三端面相连，拐杆2的第三端面固设有顶杆座32，顶杆31的一端与控制阀3的阀芯相连，另一端固定在顶杆座32上，顶杆31可上下转动一定角度，控制阀3的作用力对拐杆2弯部的力臂为L₁；控制阀3具有第一工作状态和第二工作状态，在第一工作状态，第二缸体与油箱相连通，在第二工作状态，第二缸体与变量泵9/10的出口相连通。

如图所示，本发明实施例的恒功率液压泵包括变量泵9和变量泵10，还包括用于控制变量泵9的第一变量泵控制装置和用于控制变量泵10的第二变量泵控制装置，第一变量泵控制装置和第二变量泵控制装置的结构相同，即第一变量泵控制装置和第二变量泵控制装置均为上述实施例所述的变量泵控制装置。

需要说明的是，在上述实施例中，变量泵9和10均为轴向柱塞泵。

在工作过程中，变量泵9和10的出口高压油分别引到阀套61内，分别作用在辅助活塞6的两个面积相等的阶梯面上，辅助活塞6受向下的液压力并作用在拐杆2上，同时拐杆2需克服调节弹簧4的作用力，控制阀3处于第一工作状态，拐杆2的平衡方程如下：

(p₁S₁+p₂S₂)×L₂＝F_弹×L₁(1)

其中：

S₁、S₂分别为辅助活塞6的阀芯的两个台阶面面积；

p₁、p₂分别为两个轴向柱塞泵9和10各自的出口压力；

F_弹为调节弹簧4的弹簧力。

当系统的液压力(p₁+p₂)增大时，液压力推动辅助活塞6向下运动，使拐杆2围绕第二滚轮5逆时针旋转，同时拐杆2推动控制阀3向左移动，控制阀3换向至第二工作状态，使第二缸体接通高压油，推动变量活塞8向左移动，使柱塞泵斜盘的摆角减小，同时拨杆7也随变量活塞8向左移动，辅助活塞6的作用力臂L₂减小，在调节弹簧4的作用下，控制阀3复位至第一工作状态，斜盘81停止摆动。

由于辅助活塞6上的两个阶梯面的面积相等，所以两个泵单元的辅助活塞6所受的液压力相等，斜盘81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为主轴到拨杆球心的距离；

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)

根据式(1)、(2)、(3)和(4).可以推导出，总功率为：

其中：S＝S₁＝S₂；

n为转速。

由此可知，上述实施例所述的方案实现了恒定总功率控制，另外，可以通过调节调节弹簧的弹力，实现总功率的设定。

需要说明的是，上述实施例中，控制阀3通过顶杆与拐杆2相连，但在其他实施例中，控制阀3的一端也可以直接与拐杆2相接触或者通过其他方式与拐杆2接触，只要不影响功能实现即可。

需要说明的是，上述实施例中，辅助活塞6的一端通过支撑销62与拐杆2相连，但在其他实施例中，辅助活塞6的一端也可以直接与拐杆2接触或者通过其他方式与拐杆2接触，只要不影响功能实现即可。

需要说明的是，在上述实施例中，拐杆2与第二滚轮5接触的位置为圆弧形导轨，以防止拐杆2受力不均而引起倾覆，在其他实施例中，也可以不加工为圆弧形导轨，使拐杆2的端面直接与第二滚轮5接触。

需要说明的是，上述实施例中，第一滚轮1固定在拐杆2上，由挡块11限制其向右移动，在其他实施例中，第一滚轮可以固定在挡块11上，第一滚轮1的弧面与拐杆2接触，限制拐杆2向右移动，或者第一滚轮1采用连杆等其他结构，同样可实现本发明的目的。

需要说明的是，上述实施例中，控制阀3为二位三通方向控制阀，在其他实施例中，也可采用可实现相应功能的其他控制阀代替。

需要说明的是，在上述实施中，通过调节调节弹簧4的预压缩量，可改变其弹簧力值，从而方便地设定总功率。

需要说明的是，上述实施例中，斜盘81由拨杆7拨动，以改变斜盘81的摆角，在其他实施例中，也可以用上下两个活塞直接作用在斜盘上，如此也能改变斜盘81的摆角。

需要说明的是，上述实施例的恒功率控制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。

需要说明的是，上述实施例的恒功率变量泵以两个轴向柱塞泵组成双泵系统举例说明，本发明实施例还提供了另一种恒功率变量泵，该恒功率变量泵仅包含一个变量泵(如轴向柱塞泵)及其相应的变量泵控制装置，也可以实现单泵的恒功率控制，此时，阀芯5只需设置一个阶梯面即可，当包括两个以上的变量泵(如轴向柱塞泵)时，每个泵均设有相应的变量泵控制装置，阀芯上的阶梯面也可相应增加，但考虑到具有多个阶梯面且同轴度很高的阀芯的加工难度较大，还可以通过由多个阀芯共同作用实现，如此也可以实现多泵系统的总功率控制。

需要说明的是，上述实施例以两个轴向柱塞泵组成双泵系统举例说明，但在其他实施例中，也可以使用至少一个径向柱塞泵，此时，变量活塞左右移动时会改变径向柱塞泵的定子偏心距，进而改变径向柱塞泵的排量，最终改变柱塞泵的功率，使系统中各泵的总功率之和恒定。

本发明实施例提供的一种变量泵控制装置及具有该变量泵控制装置的恒功率变量泵，通过采用动支点拐杆方式，使变量活塞自适应地调节变量泵的斜盘倾角以改变变量泵的排量，从而便于对变量泵的总功率进行控制，提高了总功率控制精度，此外，变量泵系统中各泵的功率之和保持恒定，不受负载的影响，其功率特性曲线为双曲线，且结构简单，另外，由于可实现动力源和负载之间的功率适应和匹配，使原动机工作在最佳工况下，充分发挥原动机的功率。

本发明实施例还提供了一种工程机械，该工程机械具有上述的恒功率变量泵，由于上述的恒功率变量泵具有上述技术效果，因此，具有该恒功率变量泵的工程机械也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

Claims (15)

1.一种变量泵控制装置，包括：用于可控制变量泵的斜盘摆角的变量活塞，用于控制变量活塞位置的控制阀，用于对控制阀的位置进行调节的辅助活塞，用于对控制阀调节的调节弹簧，变量泵的工作压力作用在所述辅助活塞上，其特征在于，还包括：用于反馈变量活塞位置的L型杠杆，所述调节弹簧的弹力作用在所述L型杠杆的第一端，所述辅助活塞的推力作用在所述L型杠杆的第二端，所述L型杠杆的第一端和第二端之间设置有活动的力臂支点，所述力臂支点随所述变量活塞的位置变化而移动，所述调节弹簧的弹力对所述L型杠杆的弯部的力矩等于所述辅助活塞的推力对所述力臂支点的力矩。

2.根据权利要求1所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述L型杠杆的弯部安装有第一滚轮，所述第一滚轮的一侧设有限位挡块。

3.根据权利要求1所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述调节弹簧的弹力通过所述控制阀的阀芯作用在所述L型杠杆的第一端。

4.根据权利要求3所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述控制阀的阀芯通过顶杆与所述L型杠杆的第一端相连。

5.根据权利要求1所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述辅助活塞的阀芯通过支撑销与所述L型杠杆的第二端相连。

6.根据权利要求1至5任一项所述的变量泵控制装置，其特征在于：

所述变量活塞第一端的横截面小于其第二端的横截面，所述变量活塞的第一端和第二端分别设有位置固定的第一缸体和第二缸体，所述第一缸体与变量泵的出口相连通，所述缸体通过所述控制阀与油箱或者变量泵的出口相连通；

所述控制阀具有第一工作状态和第二工作状态，在第一工作状态下，所述第二缸体与油箱相连通，在第二工作状态下，所述第二缸体与变量泵的出口相连通。

7.根据权利要求6所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述变量活塞上设有拨杆，所述拨杆的一端与变量泵斜盘相连，另一端抵靠于所述L型杠杆上，所述拨杆与所述L型杠杆之间的抵靠点为所述力臂支点。

8.根据权利要求6所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述控制阀为二位三通方向控制阀。

9.根据权利要求7所述的变量泵控制装置，其特征在于，所述拨杆的另一端设有第二滚轮，所述拨杆通过所述第二滚轮抵靠于所述L型杠杆上，所述L型杠杆与所述第二滚轮接触的位置设有圆弧形导轨。

10.根据权利要求1至5任一项所述的变量泵控制装置，其特征在于，调节弹簧的预压缩量可调节。

11.一种恒功率变量泵，包括第一变量泵和第二变量泵，其特征在于，还包括用于控制所述第一变量泵的如权利要求1至10任一项所述的第一变量泵控制装置和用于控制所述第二变量泵的如权利要求1至10任一项所述的第二变量泵控制装置，所述第一变量泵和所述第二变量泵的出口压力均作用在所述第一变量泵控制装置和所述第二变量泵控制装置的辅助活塞上。

12.根据权利要求11所述的恒功率变量泵，其特征在于，所述第一变量泵和所述第二变量泵均为轴向柱塞泵。

13.如权利要求12所述的恒功率变量泵，其特征在于，所述第一变量泵控制装置和所述第二变量泵控制装置的辅助活塞的阀芯均具有面积固定的两个阶梯面，所述第一变量泵和所述第二变量泵的出口压力分别作用于所述两个阶梯面上。

14.一种恒功率变量泵，包括变量泵，其特征在于，还包括用于控制所述变量泵的如权利要求1至10任一项所述的变量泵控制装置。

15.一种工程机械，其特征在于，该工程机械具有权利要求11至14任一项所述的恒功率变量泵。