CN103174817A - 能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器，在液压管路上并列设置两组支管路，第一支管路和第二支管路，在第一支管路、第二支管路上设置有第一、第二逻辑换向阀，第一双向液压马达、第二双向液压马达的两端分别连接在第一液控单向阀、第二液控单向阀后的管路上，并列设置；第一支管路、第二支管路上分别设置第一、第二锥阀，分别由第一、第三高速开关阀控制第一、第二锥阀的开启度，第一、第二锥阀与油箱连接。本发明的变速器，具有阀控调速系统动态响应快的特点，低速状态更加稳定，结构简单，成本低廉；工作效率得到明显提高，系统温升小，结构简单，成本低廉；高速阀快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点。

Description

能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器

技术领域

    本发明涉及一种无级变速传动系统，尤其是一种城市公共汽车的无级变速驱动和制动能量回收的能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器。 

 

背景技术

已有的变速装置中，包括机械无级变速器，液压无级变速器，液压机械式无级变速器被分别用在各个领域。而现有的汽车传动中，大多为机械式传动，也有新开发的液压机械式变速器，但专用于汽车上的液压无级变速器还为数不多。由于静液压无级变速器具有驱动力矩大，变速范围宽，冲击平缓等优点，因此开发具有节能、减排效能等多功能高效率的环保汽车液压节能驱动系统技术等具有重要意义。

现有的液压马达无级调速系统，基本形式主要有容积调速和节流调速两类。容积调速系统的典型结构是泵控液压马达系统，它通过改变变量泵的排量来对马达输出进行控制。这种控制方法具有功率损失小，效率高的优点，因此在很多场合得到了应用，尤其是大功率系统中，但它具有低速不稳定，动态特性较差的缺点。节流调速是通过调节伺服阀的开度来调节进入液压马达的流量。从而控制马达的速度，这种系统的特点是响应快，效率低，适用于动态特性高的场合。然而，对于大功率液压马达变速系统，传统的阀控形式无法解决溢流损失造成的系统温升高、散热难的问题, 因此必须采用效率较高的容积控制系统以解决发热量大的问题, 但容积控制系统虽然效率较高, 可动态性能较差, 不适于高精度的场合。因此也出现了阀泵联合控制液压马达无级变速系统，该系统动态特性好，效率高，但控制复杂，造价成本高，不易普及推广使用。仅在要求高的特殊场合下使用。

目前应用在公共运输车辆、大型城市公共交通车辆主要是液压混合动力系统，液压混合动力是将液压蓄能器与内燃机结合起来，协调工作发挥机械—液压两者优势的车辆。由于城市路况启停复杂，液压混合动力车辆则可以充分地利用刹车能量的71%进行再启动和加速，在频繁刹车和启动的路况，将明显地改善车辆启动时黑烟的排放，降低油耗，提高车辆加速和减速特性，延长刹车装置的寿命，同时可减少车辆总能量的需求。液压混合动力车以蓄能器作为可逆储能元件，按照各组合方式的不同分为串联式、并联式、混联式。

而全液压（静液压）传动系统目前只用在特种及工程车辆上，与目前机械-液压混合动力客车相比，全液压系统零件大量少，降低了生产成本；能适应车速变化急剧、频繁、变化范围大等苛刻条件，可以在较宽的转速范围内实现车辆可控的无级变速，有利于充分利用发动机的性能；可以利用液压传动系统实现制动。因此全液压传动是一种很有发展前途的变速装置。但是，现有技术的全液压无级变速器存在体积大、结构复杂、效率较低、能耗高，组件比较精密、成本较高等不足，限制了其在城市车辆上应用。

 

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出一种能量回收式脉宽调制制动及调速全液压无级变速系统。本发明的主要目的在于开发动态特性好、整体效率高、具有能量回收及液压制动功能的低能耗城市车用液压无级变速器；其次在于提高系统的可靠性、降低成本。

本发明的技术方案是：能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器，包括液压管路，在液压管路上并列设置两组支管路，第一支管路和第二支管路，在液压管路设置有定量泵，向液压管路按照设定受控供给液压油；其特征在于：在第一支管路上设置有第一逻辑换向阀，第一逻辑换向阀后面的管路分为两条路径，第一条路径上设置有第一液控单向阀，第一液控单向阀后面并列设置第一双向液压马达、第二双向液压马达、液压阻尼器和第二高速开关阀，第二条路径上设置有第一锥阀，第一锥阀与第一高速开关阀相连接，由第一高速开关阀控制第一锥阀的开启度，第一锥阀与油箱连接；第二高速开关阀后面的管路通入气囊式蓄能器内；

在第二支管路上设置有第二逻辑换向阀，第二逻辑换向阀后面的管路分为两条路径，第一条路径上设置有第二液控单向阀，第二液控单向阀后面设置第一双向液压马达、第二双向液压马达和第四高速开关阀，第一双向液压马达和第二双向液压马达的两端分别连接在第一液控单向阀、第二液控单向阀后的管路上，并列设置；第二条路径上设置有第二锥阀，第二锥阀与第三高速开关阀相连接，由第三高速开关阀控制第二锥阀的开启度，第二锥阀与油箱连接；第四高速开关阀后的管路通入气囊式蓄能器内，或者与第二高速开关阀后面的管路相连接后，通入气囊式蓄能器内；

进一步的特征是：第一高速开关阀和第一锥阀后面的管路，与第二锥

阀和第三高速开关阀后面的管路相连通，并且与定量泵的另一端连通。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、与泵控马达无级变速系统相比：系统具有阀控调速系统动态响应快的特点，低速状态更加稳定，结构简单，成本低廉。

2、与阀控马达无级变速系统相比：系统效率得到明显提高；马达进油口增加液控单向阀，降低减速过程中对马达内腔压力的影响，以及在存在扰动负载时，减小马达腔内的压升导致旁路流量的激增，造成液压冲击；蓄能器提高系统刚度以及回收制动能量。溢流损失功率小，系统温升小，结构简单，成本低廉。

3、能量回收蓄能器与制动器分离开来，可以利用液压传动系统实现制动，制动力也实现数字可控，制动效果明显增强。

4、系统采用的高速开关阀同伺服阀、比例阀相比，具有价格低廉、快速响应性好、抗污染能力强、易于实现数字控制等优点。

5、整个液压系统结构更加紧凑,生产成本低廉，工作平稳、操纵灵活、易于实现一体化，是一种很有发展前途的液压无级变速装置。

 

附图说明

图1为本发明能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器；

图2为介绍高速开关阀控制锥阀原理示意图；

图中， 1—液压定量泵、2—第一逻辑换向阀、3—第一液控单向阀、4—

第一双向液压马达、5—第二逻辑换向阀、6—第二液控单向阀、7—第二双向液压马达、 8—第四高速开关阀、9—第二锥阀、10—第三高速开关阀、11—气囊式蓄能器、12—阻尼器、13—第一高速开关阀、14—第一锥阀、15—第二高速开关阀、20—液压管路、21—第一支管路、22—第二支管路。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器结构示意

图。如图1所示：能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器，包括液压管路20，在液压管路20上并列设置两组支管路，即第一支管路21 和第二支管路22，在液压管路20设置有定量泵1，向液压管路20（包括第一支管路21 和第二支管路22）按照设定在受控状态下供给液压油；在第一支管路21上设置有第一逻辑换向阀2，第一逻辑换向阀2后面的管路（液压管路）分为两条路径，第一条路径上设置有第一液控单向阀3，第一液控单向阀3后面并列设置第一双向液压马达4、第二双向液压马达7、液压阻尼器12和第二高速开关阀15，第二条路径上设置有第一锥阀14，第一锥阀14与第一高速开关阀13相连接，由第一高速开关阀13控制第一锥阀14的开启度，第一锥阀14与油箱连接，将卸荷后的油液通入油箱内。液压阻尼器12是重力式蓄能器，储蓄液压油的能量，作为现有技术，在此不详述。第二高速开关阀15后面的管路通入气囊式蓄能器11内，气囊式蓄能器11储蓄液压油的能量，作为现有技术，在此不详述。

    在第二支管路22上设置有第二逻辑换向阀5，第二逻辑换向阀5后面的管路（液压管路）分为两条路径，第一条路径上设置有第二液控单向阀6，第二液控单向阀6后面设置第一双向液压马达4、第二双向液压马达7和第四高速开关阀8，第一双向液压马达4和第二双向液压马达7的两端分别连接在第一液控单向阀3、第二液控单向阀6后的管路上，并列设置，第一双向液压马达4、第二双向液压马达7、第一液控单向阀3和第二液控单向阀6形成串联的液压通路；第一双向液压马达4和第二双向液压马达7是现有技术的双向液压马达，两条管路（第一液控单向阀3和第二液控单向阀6后的管路）的液压油都能使其产生动作，输出动力（扭矩）。第二条路径上设置有第二锥阀9，第二锥阀9与第三高速开关阀10相连接，由第三高速开关阀10控制第二锥阀9的开启度，第二锥阀9与油箱连接，将卸荷后的油液通入油箱内。第四高速开关阀8后的管路通入气囊式蓄能器11内，或者与第二高速开关阀15后面的管路相连接后，通入气囊式蓄能器11内。

第一高速开关阀13和第一锥阀14后面的管路，与第二锥阀9和第三

高速开关阀10后面的管路相连通，实现液压油的受控流动，能顺利回到油箱以卸荷，并且与定量泵1的另一端连通。第一锥阀14、第二锥阀9都带有阻尼孔，分别在第一高速开关阀13、第三高速开关阀10控制下，产生动作。

如图2所示，本发明的两个锥阀，是内带阻尼孔的逻辑锥阀，高速开关阀是脉宽调制式高速开关阀，通过控制器发出PWM脉宽调制信号控制高速开关阀，当高速开关阀10在图中状态时，第二锥阀9控制腔P1和进油腔压力P2相等，通过锥阀阻尼孔和高速开关阀的油液为零，控制腔油液封闭不流动，此时锥阀关闭；当高速开关阀10断电时，高速开关阀10处于打开状态， 控制油腔通过高速开关阀流回油箱，由于控制油腔压力P1通过阻尼孔而下降，锥阀芯开启。由于高速开关阀10是采用PWM控制，通过调节调制率D (即占空比)的大小，可以改变通过高速开关阀10的流量，进而得到不同的控制腔压力，从而实现对通过锥阀流量的调节。

本发明的工作原理：由于高速开关阀本身结构限制而允许通过的最大

流量较小，因此不能应用于更大流量控制系统中；系统选用了以高速开关阀为先导阀控制锥阀来实现大流量、高精度、高响应的同步闭环控制系统。

第一、第二逻辑换向阀2、5起换向作用，第三高速开关阀10、第一高速开关阀13分别在正转和反转中起调速作用。本发明假设第二支管路22通过高压油液为车辆的前进方向，即油液通过逻辑换向阀5再到液压马达为汽车前进方向。此时，第二逻辑换向阀5受控打开，第一逻辑换向阀2受控关闭，第一高速开关阀13得电使其第一锥阀14全开，第三高速开关阀10得电使其第二锥阀9全开。此时由定量泵1出油，经过第二逻辑换向阀5，再通过第二锥阀9回到压力为零的油箱。第一双向液压马达4、第二双向液压马达7支路由于存在车辆阻力因此油液不通过。需要加速时，通过控制器发出PWM脉宽调制信号控制第三高速开关阀10，使第三高速开关阀10按一定频率，合理的分配占空比使阀体不停的打开与闭合，从而控制第二锥阀9的打开与闭合。此时由于定量泵1油量不变，油液通过第二锥阀9的油液变少，第二支管路22内的油压就会升高，从而克服车辆阻力，促使液压马达转动。当控制器发出的PWM频率高电平占空比更多，第二高速开关阀10打开的时间越多，则第二锥阀9打开的时间越多，油液通过第二锥阀9卸荷的流量越多，导致进入液压马达4的流量越少，转速就越慢；PWM频率高电平占空比更少，第四高速开关阀8闭合的时间越多，则第二锥阀9打开的时间越少，油液通过第二锥阀9卸荷的流量就少，导致进入液压马达4的流量越多，转速就越快。汽车正转前进，马达油液出口端都是通过第一锥阀14流回油箱。调速控制过程由驾驶员通过踩油门大小实现。整个系统供油形式从动态看是脉动的，因马达进油端通过常开第四高速开关阀8连通气囊式蓄能器11进行吸收压力脉动。

汽车需要马达反转进行倒档时，则第一逻辑换向阀2受控打开，第二逻辑换向阀5受控关闭，第三高速开关阀10得电打开使其锥阀9全打开，此时整个调速系统则通过第一高速开关阀13进行PWM调速，原理同正转相同。

当汽车需要刹车制动时，需要脱开定量泵1对第一、第二液压马达4、7的供能作用，则第二逻辑换向阀5，第三高速开关阀10、第一高速开关阀13需要全部打开，此时第一、第二锥阀9、14也处于打开状态，定量泵1的油液全部通过第二逻辑换向阀5到第二锥阀9直接回到油箱。此时第一、第二液控单向阀3、6进油端的压力降为零。第四高速开关阀8关闭，第一、第二液压马达4、7在汽车惯性的作用下此时转换为泵的作用进行泵油，油源从液控单向阀6的油路进行吸油，而液控单向阀3阻断了马达泵油卸荷，使马达泵出油端压力升高。第二高速开关阀15根据刹车踏板制动强度进行PWM进行开关调节：由于阻尼器12（重力式蓄能器）内为低容积、高压，皮囊式蓄能器11压力相对较低，容积大。当驾驶员踩踏刹车踏板较轻时，第二高速开关阀15开关高电平占空比越多，马达泵油的油液则通过第二高速开关阀15进入皮囊式蓄能器11的能量得越多，汽车制动相对较慢。当驾驶员踩踏刹车踏板较重时，第二高速开关阀15开关高电平占空比越少，马达泵油的油液则通过高速开关阀15进入皮囊式蓄能器11的油液越少，此时，油液被强行阻止在油道里越多，液压压力升高越快，而重力式蓄能器12惯性大，低容积，液体压力高、恒定，在这里起到油液缓冲作用，以致油液不会完全堵死，制动效果明显。因此，制动也实现了数字可调控制。

当汽车启动时，则关闭第二高速开关阀15，打开第四高速开关阀8，气囊式蓄能器11内存储的能量就可以释放出来，驱动汽车前进。若继续加大油门，则第一逻辑换向阀2关闭，第四高速开关阀10进行加速调节。

本系统输出马达轴可安装速度传感器，结合控制器组成一速度闭环控制系统，输出速度控制更为精确。

与本发明配用的发出PWM脉宽调制信号的控制器，控制四个高速开关阀的开启或关闭，作为现有技术，而且不是本发明的创新点，在此不做进一步说明。第一、第二单向阀起到防止双向液压马达腔内流量倒流至第一、第二逻辑换向阀的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器，包括液压管路（20），在液压管路（20）上并列设置两组支管路，即第一支管路（21） 和第二支管路（22），在液压管路（20）上设置有定量泵（1），向液压管路（20）按照设定受控供给液压油；其特征在于：在第一支管路（21）上设置有第一逻辑换向阀（2），第一逻辑换向阀（2）后面的管路分为两条路径，第一条路径上设置有第一液控单向阀（3），第一液控单向阀（3）后面并列设置第一双向液压马达（4）、第二双向液压马达（7）、液压阻尼器（12）和第二高速开关阀（15），第二条路径上设置有第一锥阀（14），第一锥阀（14）与第一高速开关阀（13）相连接，由第一高速开关阀（13）控制第一锥阀（14）的开启度，第一锥阀（14）与油箱连接；第二高速开关阀（15）后面的管路通入气囊式蓄能器（11）内；

在第二支管路（22）上设置有第二逻辑换向阀（5），第二逻辑换向阀（5）后面的管路分为两条路径，第一条路径上设置有第二液控单向阀（6），第二液控单向阀（6）后面设置第一双向液压马达（4）、第二双向液压马达（7）和第四高速开关阀（8），第一双向液压马达（4）和第二双向液压马达（7）的两端分别连接在第一液控单向阀（3）、第二液控单向阀（6）后的管路上，并列设置；第二条路径上设置有第二锥阀（9），第二锥阀（9）与第三高速开关阀（10）相连接，由第三高速开关阀（10）控制第二锥阀（9）的开启度，第二锥阀（9）与油箱连接；第四高速开关阀（8）后的管路通入气囊式蓄能器（11）内，或者与第二高速开关阀（15）后面的管路相连接后，通入气囊式蓄能器（11）内。

2.根据权利要求1所述能量回收式脉宽调制制动及调速液压无级变速器，其特征在于：第一高速开关阀（13）和第一锥阀（14）后面的管路，与第二锥阀（9）和第三高速开关阀（10）后面的管路相连通，实现液压油的受控流动，并且与定量泵（1）的另一端连通。

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