CN102482999B - 积雪清理机及相关的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种积雪清理机(1)，具有：第一和第二履带(3，4)；内燃机(13)；多个工作装置(7)；用户界面(8)；传动装置(16)；用于确定工作装置(7)的总功率需求(PW)的第一计算模块(32)；以及用于确定内燃机(13)的特性图中的工况点(PL)的第二计算模块(33)，该工况点随总功率需求(PW)和内燃机(13)的燃料消耗而变。

Description

积雪清理机及相关的控制方法
技术领域
本发明涉及滑雪坡(ski slope)积雪清理机(snow groomer)以及相关的控制方法。 
更具体地，本发明涉及这样一种积雪清理机，包括：第一和第二履带；内燃机；传动装置(power transmission)；通过传动装置连接至内燃机的多个工作装置；用户界面；以及控制单元，其包括用于确定工作装置的总功率需求的第一计算模块。 
背景技术
从EP 0895495B1已知一种以上类型的积雪清理机。 
内燃机和工作装置之间的传动装置可主要为电动的或全部电动的，如WO 94/09548、US 5363937和WO 92/08278中所述。 
通常由操作者利用转向装置来控制车辆方向并利用油门踏板来控制车辆速度和传递至驱动轮的动力而驱动积雪清理机。 
已知技术的一个缺点在于，与提高效率相对照，仅为了满足工作装置的总功率需求而对内燃机进行控制。 
发明内容
本发明的一个目的是提供一种被设计用于消除已知技术的缺点的积雪清理机。 
另一目的是提供一种在能量消耗方面高效率的积雪清理机，并且该积雪清理机对迅速变化的命令和负载作出快速响应。 
根据本发明，提供一种积雪清理机，包括：第一和第二履带；内燃机；传动装置；通过传动装置连接至内燃机的多个工作装置；用户界面；以及控制单元，其包括用于确定所述工作装置的总功率需求的第一计算模块以及用于确定内燃机的特性图中的工况点的第二计算模块，该工况点随总功率需求和内燃机的燃料消耗而变，该积雪清理机的特征在于，第二计算模块确定内燃机的特性图中的随内燃机的备用功率而变的工况点。 
提供用于确定工况点的第二计算模块来实现积雪清理机的最佳燃料消耗和备用功率。备用功率确保在负载突然增加的情况下能够获得一定大小的功率，因此使积雪清理机对迅速变化的命令和负载作出快速响应。 
本发明的另一目的是提供一种控制积雪清理机的方法，从而实现最佳消耗。 
根据本发明，提供一种控制积雪清理机的方法；该积雪清理机包括：第一和第二履带；内燃机；传动装置；通过传动装置连接至内燃机的多个工作装置；以及用户界面；该方法包括确定所述工作装置的总功率需求的步骤；并且该方法的特征在于，包括确定内燃机的特性图中的工况点的步骤，该工况点随总功率需求、内燃机的燃料消耗和备用功率而变。 
附图说明
将通过实例参考附图来描述本发明的非限制性实施方式，附图中： 
图1示出根据本发明的积雪清理机的侧视图，其中为了清晰除去了部分部件； 
图2示出图1中的积雪清理机的俯视图，其中为了清晰除去了部分部件； 
图3示出图1中的积雪清理机的方框图； 
图4示出图1中的积雪清理机的内燃机的燃料消耗相对于功率输出和速度的特性图； 
图5示出图1中积雪清理机的可替换实施方式的方框图； 
图6示出图1中积雪清理机的另一可替换实施方式的方框图。 
具体实施方式
图1中的标号1表示整个滑雪坡积雪清理机，其包括：框架2；第一履带3(图2)；第二履带4；第一驱动轮5(图2)和第二驱动轮6，两个驱动轮彼此独立且分别连接至第一履带3(图2)和第二履带4；多个工作装置7；用户界面8；以及驾驶室9。 
参照图2，在示出的实例中，工作装置7(图1)包括第一驱动轮5、第二驱动轮6、旋耕器(tiller)10、挖掘铲11以及绞盘12(图1)。 
参照图2，积雪清理机1包括：内燃机13，其具有驱动轴14和电子中央控制单元15(图3)；传动装置16，可操作地连接至驱动轴14，并且用于将内燃机13连接至工作装置7(图1)；以及控制单元17，其用于确定工作装置7(图1)的总功率需求PW，并且用于控制内燃机13和传动装置16。 
内燃机13是柴油发动机，其具有随内燃机13的速度N而变的功率输出P，如图4中的内燃机13的特性图中所示。参照图4，该特性图示出：沿x轴的速度N；沿y轴的功率输出P；表示每一速度N下的最大功率输出PM的曲线A；运行曲线B，其至少在一部分上并且对于相同的速度N具有比曲线A的最大功率输出PM低的功率输出P，以便具有备用功率；以及线D，其定义曲线A下方区域的图以及以沿线D指示的平均消耗为特征的运行区域。备用功率定义为在内燃机13的给定速度N下最大功率输出PM和功率 输出P之间的差值，并且确保在负载突然增加的情况下能够获得一定大小的功率，因此使积雪清理机1对迅速变化的命令和负载作出快速响应。 
参照图2和图4，控制单元17确定内燃机13的特性图中的工况点PL，该工况点随工作装置7的总功率需求PW和内燃机13的消耗而变。更具体地，沿运行曲线B选择工况点PL，对于内燃机13的每个功率输出P，运行曲线基于内燃机13的消耗和最大功率输出PM来定义内燃机13的对应速度N，以便使消耗最优并且具有备用功率。运行曲线B能够适应特定的消费者需求，并且特别能够使燃料消耗最优、或者增加备用功率、或者平衡备用功率和最佳燃料消耗。 
因此，用户界面8包括用于选择各种运行模式的选择器装置，所述运行模式运行从而实现能量节约，即最佳消耗或备用功率，或者平衡备用功率和燃料消耗，并且与根据运行模式确定的不同运行曲线B相关联。 
传动装置16主要为液压型的，并且包括：机械传动装置18；五个泵19、20、21、22、23；液压管线24，优选地为软管；以及五个液压致动器25、26、27、28、29。 
机械传动装置18连接至驱动轴14，并且具有两个输出轴30、31，这两个输出轴分别连接至包含泵19、21的第一组泵和包含泵20、22、23的第二组泵，从而传递从驱动轴14接收的动力。 
泵19、20、21、22、23通过液压管线24连接至对应的液压致动器25、26、27、28、29。 
泵19、20、21、22、23或选择的一组泵19、20、21、22、23优选地是可变位移泵。 
参照图3，控制单元17包括：计算模块32；以及具有存储器34的计算模块33。计算模块32、33彼此连接并连接至内燃机13、泵19、20、21、 22、23、液压致动器25、26、27、28、29、第一驱动轮5、第二驱动轮6、旋耕器10、挖掘铲11以及绞盘12。 
计算模块32从用户界面8接收命令，并且被配置成确定：液压致动器25、26、27、28、29提取(draw)的功率；第一驱动轮5的第一速度；第二驱动轮6的第二速度；并且确定执行来自用户界面8的命令的总功率需求PW。计算模块33基于工作装置7的总功率需求PW，确定内燃机13的沿运行曲线B的工况点PL。工况点PL定义内燃机13的工作速度NL，并且计算模块33由工况点PL确定工作速度NL，并且还基于总功率需求PW和工作速度NL确定工作扭矩CL。 
计算模块33将工作速度NL发送至内燃机13的电子中央控制单元15，并且同时命令泵19、20、21、22、23和/或液压致动器25、26、27、28、29调整速度比(velocity ratio)，并对内燃机13施加基本等于以上确定的工作扭矩CL的抵抗扭矩Cr。换句话说，控制单元17、机械传动装置18、液压泵19、20、21、22、23以及液压致动器25、26、27、28、29定义用于调整抵抗扭矩Cr的调整方式。 
计算模块33的存储器34包含工作装置7的优先级别。当工作装置7的总功率需求PW超过内燃机13的最大功率输出PM时，计算模块33基于每个工作装置的优先级别决定为哪个工作装置(即第一驱动轮5、第二驱动轮6、旋耕器10、挖掘铲11、绞盘12)提供动力，以便使总功率需求PW等于内燃机13的最大功率输出PM，从而根据各自的优先级别确保第一驱动轮5、或第二驱动轮6、或旋耕器10、或挖掘铲11或绞盘12的运行。 
适当地分配优先级别提高了系统的总体安全性。 
例如，假设第一驱动轮5和第二驱动轮6被分配高优先级别，绞盘12被分配中优先级别，而旋耕器10和挖掘铲11被分配低优先级别，并且假设每个工作装置7的功率需求和总功率需求PW超过最大功率输出PM，则 控制单元17将首先向第一驱动轮5和第二驱动轮6提供动力，然后如果剩余任何功率输出P，就向绞盘12提供动力，并且最后如果仍有任何更多的功率输出P可利用，就向挖掘铲11和旋耕器10提供动力。以上仅为例子，可任意选择配置和优先级别。 
如上所述，可对优先级别编程。因此，用户界面8包括用于连接至外部编程装置的通信端口，外部编程装置对控制单元17进行配置，从而分配第一驱动轮5、第二驱动轮6、旋耕器10、挖掘铲11以及绞盘12的优先级别并将这些优先级别存储在存储器34中。 
参照图2，用户界面8包括第一控制装置46，例如油门踏板，从而选择积雪清理机1的行进速度；以及第二控制装置47，例如转向装置，从而选择积雪清理机1的转弯角度。 
如上所述运行，控制单元17基于来自用户界面8的信息(第一和第二控制装置46、47的运行配置)，计算第一驱动轮5的第一期望速度以及第二驱动轮6的第二期望速度，以便积雪清理机1以第一控制装置46选择的速度并且以第二控制装置47选择的转弯角度行进。 
存储器34包含与各种运行模式相关联的运行曲线B。在实际应用中，用户界面8被配置成发送选择命令，从而选择其中一个运行曲线B；并且计算模块33被配置成接收选择命令，并基于所选择的运行曲线B确定工作速度NL。与各种运行模式相关联的运行曲线B包含使燃料消耗最优或备用功率最大的运行曲线B，或者以各种方式平衡备用功率和燃料消耗的中间曲线。 
在图5的可替换实施方式中，传动装置16主要为电动的；上述积雪清理机1的泵19、20、21、22、23由发电机35、36、37、38、39代替；液压致动器25、26、27、28、29由电致动器40、41、42、43、44代替；并且液压管线24由电缆44代替。 
第一驱动轮5和第二驱动轮6机械连接至对应的电致动器42和40，电致动器42和40为通过电缆45电连接至对应的发电机36和35的电动机；并且发电机35、36、37、38、39通过机械传动装置18机械连接至内燃机13。 
计算模块33将工作速度NL发送至内燃机13的电子中央控制单元15，并且同时命令机械传动装置18、发电机35、36、37、38、39和/或电致动器40、41、42、43、44调整速度比，并对内燃机13施加基本等于以上确定的工作扭矩CL的抵抗扭矩Cr。换句话说，控制单元17、机械传动装置18、发电机35、36、37、38、39和电致动器40、41、42、43、44定义用于调整抵抗扭矩Cr的调节方式。 
在图6中的优选实施方式中，传动装置16包括单个发电机35，该发电机通过机械传动装置18机械至连接内燃机13并连接至轴30。发电机35为多相的，具体为三相发电机，例如具有包含永磁体的转子的同步三相发电机，或者异步三相发电机。传动装置16包括电连接至发电机35且包含电源开关(例如，电源MOSFET或IGBT)的驱动器装置50，例如逆变器(inverter)。驱动器装置50被配置成通过作用于(act on)电源开关而控制发电机35，从而将来自发电机35的多相输出电压转换为直流电压；该驱动器装置连接至控制单元17，更具体地连接至计算模块33，从而接收表示工作扭矩CL的信号；并且该驱动器装置基于来自计算模块33的工作扭矩CL信号而作用于电源开关，以便发电机35对内燃机13施加等于工作扭矩CL的抵抗扭矩Cr，其中工作扭矩由来自计算模块33的信号表示。驱动器装置50可以以任何扭矩控制模式运行，例如标量控制、矢量控制、或直接扭矩控制。 
驱动器装置50连接至电缆45，从而提供直流电压。 
传动装置16包括驱动器装置51、52、53、54、55，每个驱动器装置都连接至对应的电致动器40、41、42、43、44并为它们提供动力和进行 控制。更具体地，电致动器40、41、42、43为多相的，具体为三相电动机，例如具有包含永磁体的转子的同步三相电机，或者异步三相电机。每个电致动器40、41、42、43的对应的驱动器装置51、52、53、54例如为包含电源开关(例如，电源IGBT或MOSFET)的逆变器；所述驱动器装置被配置成通过作用于对应的电致动器40、41、42、43的电压和/或电流和/或频率而控制对应的电致动器40、41、42、43；所述驱动器装置连接至计算模块33，从而接收表示对应的致动器40、41、42、43的期望扭矩的信号；并且所述驱动器装置基于从计算模块33接收的表示期望扭矩的信号而作用于对应的电源开关，以便对应的致动器40、41、42、43向对应的工作装置7提供等于期望扭矩的扭矩。每个驱动器装置51、52、53、54都可以以任何扭矩控制模式运行，例如标量控制、矢量控制、或直接扭矩控制。 
致动器40、41、42、43还被配置成用作发电机，并且根据致动器40、41、42、43是用作电机还是发电机，期望的扭矩信号可指示正或负期望扭矩值。在用作发动机的情况下，致动器40、41、42、43通过驱动器装置51、52、53、54向电缆45提供电力。 
积雪清理机1还包括电阻器57，并且传动装置16包括用于将电阻器57连接至电缆45的驱动器装置58。驱动器装置58连接至计算模块33，从而接收制动信号，并且该驱动器装置被配置成根据所接收的制动信号将电阻器57全部或部分连接至电缆45，从而当一个或多个致动器40、41、42、43作为发电机运行时，消耗提供给电缆45的电力。 
驱动器装置50、51、52、53、54、55为液冷式的，所以每个驱动器装置包括被设计成允许冷却液体流动的隔间(未示出)。隔间包括传热壁(未示出)，传热壁上设置有对应的驱动器装置50、51、52、53、54、55的经历加热最多的部件，例如电源开关；并且每个驱动器装置50、51、52、53、54包括用于使冷的冷却液体流进隔间的进口以及用于使热的冷却液体流出隔间的出口。 
电阻器57包括被设计成允许冷却液体流至冷的电阻器57的隔间，因此包括用于使冷的冷却液体流进隔间的进口以及用于使热的冷却液体流出隔间的出口。 
积雪清理机1包括：水箱60；以及用于将水箱60连接至驱动器装置50、51、52、53、54、55以及连接至电阻器57的液压循环管路61。液压循环管路61包括：输送分支61a，来自水箱60的冷的冷却液体沿输送分支流进冷的隔间中；以及返回分支61b，来自隔间且被隔间加热的热的冷却液体沿着返回分支流动。水箱60具有连接至电动机的风扇(未示出)，当冷却液体超过给定的阈值温度时，启动该风扇，并且通过电缆45对风扇供电。 
在本发明的优选的非限制性实施方式中，发电机35和电致动器40、41、42、43、44为液冷式的，所以发电机35和电致动器40、41、42、43、44中的每个都包括被设计成允许冷却液体流动的隔间(未示出)。所述隔间至少部分地围绕对应的发电机35或电致动器40、41、42、43、44延伸；并且发电机35和电致动器40、41、42、43、44中的每个都包括用于使冷的冷却液体流进隔间的进口以及用于使热的冷却液体流出隔间的出口。 
液压循环管路61被设计成将水箱60连接至发电机35以及电致动器40、41、42、43、44。 
驱动器装置58由水箱60和液压循环管路61进行液体冷却。 
很显然，本发明还涵盖以上详细公开中未描述的实施方式以及所附权利要求保护范围内的等同实施方式。 

Claims (22)

1.一种积雪清理机(1)，包括：第一和第二履带(3，4)；内燃机(13)；传动装置(16)；通过所述传动装置(16)连接至所述内燃机(13)的多个工作装置(7)；用户界面(8)；以及控制单元(17)，其包括用于确定所述工作装置(7)的总功率需求(PW)的第一计算模块(32)以及用于确定所述内燃机(13)的特性图中的工况点(PL)的第二计算模块(33)，所述工况点随总功率需求(PW)和所述内燃机(13)的燃料消耗而变，
所述积雪清理机(1)的特征在于，所述第二计算模块(33)确定所述内燃机(13)的特性图中的随所述内燃机(13)的备用功率而变的所述工况点(PL)。
2.根据权利要求1所述的积雪清理机(1)，其中，所述工况点(PL)由所述内燃机(13)的等于总功率需求(PW)的功率输出(P)限定，并且所述工况点定义所述内燃机(13)的工作速度(NL)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的积雪清理机(1)，其中，所述第二计算模块(33)包含基于所述内燃机(13)的燃料消耗和最大功率输出(PM)定义的至少一个运行曲线(B)，并且其中，所述工况点(PL)沿所述运行曲线(B)定位。
4.根据权利要求3所述的积雪清理机(1)，其中，所述运行曲线(B)能够被调整从而使燃料消耗最优，或者增加备用功率，或者平衡备用功率和最佳燃料消耗。
5.根据权利要求4所述的积雪清理机(1)，其中，所述用户界面(8)包括用于调整所述运行曲线(B)的选择器装置；并且所述第二计算模块(33)包括用于存储多个不同的运行曲线(B)的存储器(34)；所述第二计算模块(33)连接至所述用户界面(8)，以接收选择命令，从而从多个运行曲线(B)中选择所述运行曲线(B)。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的积雪清理机(1)，其中，所述第二计算模块(33)被配置成确定所述内燃机(13)的随所述运行曲线(B)而变的工作速度(NL)。
7.根据权利要求1或2所述的积雪清理机(1)，其中，所述第二计算模块(33)被配置成确定所述内燃机(13)的随所述工况点(PL)而变的工作扭矩(CL)。
8.根据权利要求7所述的积雪清理机(1)，包括用于调整所述传动装置(16)的速度比的调节装置(17、18、19、20、21、22、23、25、26、27、28、29)，以便向所述内燃机(13)施加等于所述工作扭矩(CL)的抵抗扭矩(Cr)。
9.根据权利要求中1或2所述的积雪清理机(1)，其中，所述传动装置(16)包括：机械连接至所述内燃机(13)的至少一个发电机(35)；以及至少一个电致动器(40)，其可操作地连接至所述工作装置(7)中的一个且电连接至所述发电机(35)。
10.根据权利要求9所述的积雪清理机(1)，其中，所述至少一个电致动器为电动机。
11.根据权利要求1或2所述的积雪清理机(1)，其中，所述传动装置(16)包括：机械连接至所述内燃机(13)的至少一个液压泵(19)；以及可操作地连接至所述工作装置(7)中的一个且液压连接至所述液压泵(19)的至少一个液压致动器(25)。
12.根据权利要求1或2所述的积雪清理机(1)，其中，所述第二计算模块(33)包括存储用于每个工作装置(7)的优先级别的存储器(34)；所述第二计算模块(33)作用于所述传动装置(16)，从而根据所分配的优先级别向每个工作装置(7)提供动力。
13.根据权利要求1或2所述的积雪清理机(1)，其中，所述工作装置(7)包括分别连接至所述第一和第二履带(3，4)的第一和第二驱动轮(5，6)；所述用户界面(8)包括用于选择所述积雪清理机(1)的行进速度的第一控制装置(46)；所述用户界面(8)包括用于选择所述积雪清理机(1)的转弯角度的第二控制装置(47)；并且所述控制单元(17)连接至所述第一和第二控制装置(46，47)且连接至所述传动装置(16)，从而确定随所述第一和第二控制装置(46，47)的运行配置而变的所述第一驱动轮(5)的第一期望速度和所述第二驱动轮(6)的第二期望速度。
14.根据权利要求1或2所述的积雪清理机(1)，并且包括用于冷却所述传动装置(16)的水箱(60)；以及将所述水箱(60)连接至所述传动装置(16)的液压循环管路(61)。
15.根据权利要求14所述的积雪清理机(1)，其中，所述传动装置(16)为电动的。
16.根据权利要求14所述的积雪清理机(1)，其中，所述传动装置(16)包括通过所述液压循环管路(61)连接至所述水箱(60)的至少一个液冷式驱动器装置(50、51、52、53、54、55、58)。
17.根据权利要求14所述的积雪清理机(1)，其中，所述传动装置(16)包括发电机(35)和/或液冷式的并通过所述液压循环管路(61)连接至所述水箱(60)的至少一个电致动器(40、41、42、43)；并且所述积雪清理机包括通过所述液压循环管路(61)连接至所述水箱(60)的液冷式电阻器(57)。
18.一种控制积雪清理机的方法；所述积雪清理机(1)包括：第一和第二履带(3，4)；内燃机(13)；传动装置(16)；通过所述传动装置(16)连接至所述内燃机(13)的多个工作装置(7)；以及用户界面(8)；所述方法包括确定所述工作装置(7)的总功率需求(PW)的步骤；并且所述方法的特征在于，包括确定所述内燃机(13)的特性图中的随总功率需求(PW)、所述内燃机(13)的燃料消耗和备用功率而变的工况点(PL)的步骤。
19.根据权利要求18所述的方法，包括以下步骤：定义所述特性图中的运行曲线(B)；以及沿所述运行曲线(B)选择所述工况点(PL)；并且其中，定义所述特性图中的运行曲线(B)的步骤包括，从根据燃料消耗和备用功率预定义的多个运行曲线(B)中选择所述运行曲线(B)。
20.根据权利要求18或19所述的方法，包括确定所述内燃机(13)的随所述工况点(PL)而变的工作扭矩(CL)的步骤。
21.根据权利要求20所述的方法，包括调整所述传动装置(16)的速度比的步骤，以便向所述内燃机(13)施加等于所述工作扭矩(CL)的抵抗扭矩(Cr)。
22.根据权利要求18至19中任一项所述的方法，包括对每个工作装置(7)分配优先级别并且根据所分配的优先级别通过所述传动装置(16)向每个工作装置(7)提供动力的步骤。
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