CN103388661A - 具有行星齿轮组的驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器，包括能量源、传动装置以及构造成从能量源向传动装置传输扭矩的驱动系统。该驱动系统包括行星齿轮组、联接到该行星齿轮组的变换器和操作性地连接到该变换器的存储设备。该存储设备构造成从该变换器接收能量以及向该变换器提供能量。

Description

具有行星齿轮组的驱动系统
技术领域
本发明整体上涉及一种驱动系统，尤其涉及一种具有行星齿轮组的驱动系统。
背景技术
机器例如履带型拖拉机和其他建筑、农业和采矿机器被用于执行许多任务。为了有效地执行这些任务，这种机器需要能量源，该能量源为驱动系统提供足够的能量。该能量源可为发动机，例如被开动以便以一定范围的速度产生扭矩输出的涡轮发动机、柴油发动机、汽油发动机或天然气发动机。该扭矩通常经由传动装置被提供到一个或多个牵引设备，该传动装置经由驱动系统操作性地连接到发动机上。
为了帮助传动装置和发动机满足牵引设备在使用过程中的不同的需求，这种机器的驱动系统通常包括一个或多个马达、扭矩转换器或其他类型的构成在特定的条件下向传动装置提供充分扭矩的设备。例如，这种驱动系统部件可以构造成在机器运转期间对由发动机提供的扭矩进行补充，在该运转中，需要传动装置输出速度进行宽范围且较快的变化。
1992年12月8日授予Dorgan的美国专利5,168,946(’946专利)中描述了一种示例性的驱动系统。该’946专利描述了这样一种电驱动系统，该系统具有第一、第二和第三电动马达，这些马达通过左和右连接设备连接到各自的左和右车辆履带。为了在低范围运转(例如，低速，高扭矩)中推进车辆，第一和第二马达被通电，而制动器施加在第三马达上。为了以高范围运转(例如，高速，低扭矩)中推进车辆，所有三个马达都被通电。如在’946专利所解释的，在高范围运转中使用三个而非两个马达导致马达尺寸的减小。
虽然’946专利中公开的驱动系统可用于在多个运转范围中推进车辆，但该’946专利所公开的驱动系统具有多个缺点。例如，为了解决临时的高扭矩和/或高动力负载情况，这种驱动系统的马达和/或其它部件通常加大尺寸以用于大多数的机器运转。除了这种部件的高成本和相关的打包问题之外，这种尺寸加大的驱动系统部件在低扭矩负荷条件下的运转效率低。此外，众所周知，这样的部件由于与它们的运转相关的扭矩损失而效率低。另外，这样的部件未构造成有利于在运转过程中从传动装置和/或发动机收到的能量的存储，在该运转中，例如，发动机产生了多余的扭矩。代替的，这种已知的驱动系统部件通常将这种多余的能量转化为热量。随着时间的过去，这种热的产生可引起这些驱动系统部件的损坏，并且可导致它们永久的失效。
本发明的系统和方法旨在克服上面提出的一个或多个问题。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，机器包括能量源、传动装置(变速器)和构造成从能量源向传动装置传递扭矩的驱动系统。该驱动系统包括行星齿轮组、联接到行星齿轮组的变换器(variator)和操作性地连接到该变换器的存储设备。该存储设备构造成接收从变换器接收能量并向变换器提供能量。
在本发明的另一示例性实施例中，用于机器的驱动系统包括构造成从机器的能量源接收扭矩的输入部件和构造成向机器的传动装置提供扭矩的输出部件。该驱动系统还包括行星齿轮组，该行星齿轮组具有太阳轮、环形齿轮(齿圈)和行星托架。该输入部件联接到环形齿轮，该输出部件联接到行星托架。该驱动系统还包括联接到太阳轮的变换器。该变换器构造成经由输出部件向传动装置提供扭矩。
在本发明的又一示例性实施例中，用于机器的驱动系统包括输入部件和输出部件，该输入部件构造成从机器的能量源接收扭矩，该输出部件构造成向机器的传动装置提供扭矩。该驱动系统还包括行星齿轮组，该行星齿轮组包括太阳轮、环形齿轮和行星托架。该输入部件联接到太阳轮，该输出部件联接到行星托架。该驱动系统还包括变换器，该变换器联接到环形齿轮并且从加压流体源接收能量。该变换器构造成经由输出部件向传动装置提供扭矩。
附图说明
图1是示例性机器的图解示例图。
图2是图1所示机器的进一步图解示例图。
图3是与图1的机器有关的示例性驱动系统的图解示例图。
图4是与图1的机器有关的另一示例性驱动系统的图解示例图。
图5是示出操作驱动系统的示例性方法的流程图。
具体实施方式
图1示出示例性机器10。该机器10可以是移动式机器，它执行与工业例如采矿、建筑、农业、运输或本领域已知的其他任何产业相关的一些类型的操作。例如，机器10可为土方移动机器，例如越野拖运卡车、轮式装载机、电动平地机或其他任意适宜类型的土方移动机器。机器10也可以是公路卡车、客载车辆、或其他任一执行操作的机器。机器10可包括能量源12、驱动系统14和传动装置16。机器10还可包括一个或多个操作性地连接到传动装置16的牵引设备18、与牵引设备18相关的制动器机构20以及操作者站21。
能量源12可构造成产生能量输出，并可包括内燃发动机。例如，能量源12可包括柴油机、汽油机、以气体燃料为动力的发动机、或对本领域技术人员而言显而易见的任一其他发动机。可以设想，能量源12可选地包括诸如蓄电池、燃料电池、马达的非燃烧能量源，或其他任意已知的非燃烧能量源。在示例性实施例中，能量源12可包括一个或多个这种能量源的组合，并可为例如本领域已知的任意类型的混合能量源。
驱动系统14可包括扭矩转换器、离合器、齿轮传动系统和/或构造成将能量源12连接到传动装置16的其他任意相似的机械式、液力式、液力-机械式、电动、机电式和/或气动式设备。在这里公开的各示例性实施例中，驱动系统14可构造成从能量源12向传动装置16传送扭矩。在其中驱动系统14包括扭矩转换器的示例性实施例中，该扭矩转换器可在能量源12的输出和传动装置16的输入之间传导加压流体，由此驱动传动装置16，同时仍允许能量源12在一定程度上独立于传动装置16旋转。在这种示例性实施例中，驱动系统离合器可包括锁定离合器和/或其他相似的机构，以便直接将能量源12的输出机械连接到传动装置16的输入。
示例性扭矩转换器和锁定离合器可设置在驱动系统14单个壳体22中。在该布置中，通过允许或防止能量源12的输出旋转和传动装置16的输入旋转之间的滑移，驱动系统14的扭矩转换器能可选地吸收和/或倍增在能量源12和传动装置16之间传送的扭矩。可进一步考虑的是，这样的扭矩传送器可以可选地为非液力设备，例如膜式机械离合器。
如下面将参考图3和图4更详细描述的，在另一示例性实施例中，驱动系统14可包括变换器28、行星齿轮组30和离合器67。在这样的示例性实施例中，上面描述的扭矩转换器和/或离合器可从驱动器14中省略，并且一个或多个变换器28、行星齿轮组30和离合器可代替这样的部件设置于壳体内。因此，在示例性实施例中，包括扭矩转换器的驱动系统14可以改装为图3或4中所示的变换器28-行星齿轮组30-离合器67构型。在图3的示例性实施例中，变换器28、行星齿轮组30和离合器67均可设置在壳体22内。在这样的示例性实施例中，变换器28可被来自存储设备68的电能供能，被经由一个或多个皮带、齿轮、或其他相似连接39接收自能量源12的机械能供能，和/或被一个或多个与机器10相关的电动马达或发电机供能。因此，在图3的实施例中，变换器28可包括本领域已知的任一类型的电动和/或机电变换器。
或者，在图4的实施例中，行星齿轮组30和离合器67可设置在壳体22内，而变换器38可设置在壳体22外。在这种示例性实施例中，变换器28可被来自存储设备68的能量供能，可经由一个或多个皮带、齿轮、间轴(副轴)88或其他相似连接39被接收自能量源12的机械能供能，和/或可被与机器10相关联的液压回路76供能。因此，在图4的实施例中，变换器28可包括本领域已知的任意类型的液力或气动变换器。如图3和4所示，在示例性实施例中，驱动系统14的一个或多个额外的部件也可被供能和/或从液压回路76接收加压流体。例如，操作性地连接到离合器67的阀装置66可从液压回路76接收加压流体以便有助于选择性地接合和/或脱离离合器67。
继续参照图1和2，传动装置16可包括多个部件，这些部件互相作用以经由驱动系统14将来自能量源12的能量传递到牵引设备18。特别地，传动装置16可以是多速、双向、机械式传动装置，它具有空档、多个前进档、倒档和一个或多个离合器(未示出)。所述离合器可被选择性地致动以使预定的档位(gear)组合(未示出)接合，由此产生期望的输出齿轮速比(变速比)。传动装置16可为自动类型的传动装置，其中档位变换基于能量源速度、最大选定齿轮速比和存储在传动装置控制器和/或与机器10相关的控制器32内的换档图。传动装置16的输出可经由轴23连接并旋转驱动牵引设备18，从而推进机器10。
牵引设备18可包括位于机器10的两侧(仅一侧示出)的车轮24。或者，牵引设备18可包括履带、皮带或其他被驱动的牵引设备。牵引设备18可被传动装置16驱动以依照传动装置16的输出旋转进行旋转。
制动器机构20可构造成阻止机器10的移动，并可操作性地与机器10的车轮24相关联。在示例性实施例中，制动器机构20可为液压致动式车轮制动器，例如设置在车轮24和驱动组件26中间的盘式制动器或鼓式制动器。在这种示例性实施例中，制动器机构20可包括机器10的脚踏闸。可以设想，制动器机构20可以代替性地实施为其它非液力类型的车轮制动器，例如电动马达或本领域已知的任意其他相似的机构。
操作者站21可构造成接收来自机器操作者的表征机器10的期望加速度和/或起动减速的输入。特别地，如图2中所示，操作者站21可包括一个或多个操作者界面设备46，例如节气门踏板46a、制动器踏板46b和/或位于操作者座位前的单或多轴操纵杆46c。操作者界面设备46可以是比例型控制器，它构造成通过产生表征期望的机器加速度的加速信号来增加或降低机器10的加速。可以设想，操作者站21中可以替代性地或附加地包括不同的操作者界面设备，例如轮、旋钮、推-拉设备、开关、杆和本领域已知的其它相似设备。这种附加的操作者界面设备可包括，例如前进档-空挡-倒档控制杆和/或其他方向控制设备。
节气门踏板46a可被手动地致动，以便增加能量源12的旋转速度和得到的机器10的行驶速度。特别的，节气门踏板致动的程度可代表期望的加速和/或其他相似的机器行驶速度请求，并且可成比例地控制供应到能量源12的燃料的量。可以设想，节气门踏板46a可以是机械式设备、电动设备、液力设备或本领域已知的任意其他类型设备。
可以设置节气门传感器47以便随时指示节气门踏板46a和/或操作者活跃地指示机器10想要的加速和想要的加速的量。节气门传感器47可以是例如能产生表征请求正加速的电信号的开关或压力传感器。例如，这样的信号可包括机器行驶速度请求，并可被传送到控制器32以帮助控制能量源12、驱动系统14和/或传动装置16。开关可指示节气门踏板46a的位置或角度，而压力传感器可指示被节气门踏板46a的移动加压的驾驶流体的压力。例如，在其中节气门传感器47包括压力传感器的实施例中，节气门传感器47可产生表征与节流阀(未示出)和/或一个或多个流体管线、泵和/或其他与节气门踏板46a相关的液力流体部件相关联的流体压力的电信号。这种信号可表征和/或响应机器10的操作者对节气门踏板46a的操作。
制动器踏板46b可手动操作以向制动器机构20引导加压流体。制动器踏板致动的程度可以成比例地控制供应到制动器机构20的流体的压力和/或流量。可以设想，制动器机构20也可以被气动地致动、机械地致动、电动地致动或以本领域已知的任意其他方式致动。
可以设置制动器传感器51，以指示何时希望机器行驶的主动减速以及期望的减速量。制动器传感器51可以为例如能产生指示请求负加速的电信号的开关或压力传感器。开关可指示制动器踏板46b的位置和角度，而压力传感器可指示由制动器踏板46b加压的驾驶流体的压力。例如，在其中制动器传感器51包括压力传感器的实施例中，制动器传感器51可产生表征流体压力的电信号，该流体压力与制动器阀(未示出)、制动线路、制动流体泵和/或与制动器踏板46b和/或制动机构20相关的其它气动或液力流体部件相关联。可理解的是，由制动器传感器51产生的信号可表征和/或响应机器10的操作者对制动器踏板46b的操纵。可理解的是，一个或多个与制动器传感器51和节气门传感器47相似的传感器也可与操纵杆46c相关联。
控制器32可以是包括用于控制机器10的各种部件的装置的单处理器或多处理器。多种商业上可得到的微处理器可构造成实施控制器32的功能。可以理解，控制器32可容易地具体化为能控制多种机器功能的总机器微处理器。多个其他已知的回路可与控制器32相关联，包括能量源线路、信号-控制线路、螺线管驱动线路、通信线和其他适当线路。
控制器32可与机器10的多个部件通信。特别地，控制器32可经由通信线36与能量源速度传感器34连通，以接收能量源12的旋转速度的指示。在示例性实施例中，控制器32可构造成基于能量源速度和/或机器10的其它运转特征例如机器和/或机具负载确定例如由能量源12产生的输出扭矩。控制器32还可经由通信线45直接与能量源12通信，以控制能量源速度和/或能量源输出扭矩的增大和/或减小。
另外，控制器32可经由通信线38与传动装置16通信，以接收传动装置档位和/或传动装置齿轮速比的指示。经由通信线38，控制器32还可构造成在机器10运转期间控制向更高或更低传动装置档位的变换。控制器32还可经由通信线42与机器行驶速度传感器40通信，以接收机器10行驶速度的指示。另外，控制器32可与驱动系统14的一个或多个部件通信。例如，控制器32可经由通信线72与变换器28通信，经由通信线74与阀装置66和/或离合器67通信。在示例性实施例中，控制器32可经由通信线72与变换器速度传感器70通信，以接收变换器28的旋转输出速度的指示。在示例性实施例中，控制器32可构造成基于变换器输出速度和/或机器10的其它运转特征例如机器和/或机具负载来例如确定由变换器28产生的输出扭矩。
控制器32还可与这里描述的各操作者界面设备46通信。例如，控制器32可分别经由通信线52、50和56与节气门踏板46a、制动器踏板46b和操纵杆46c通信。在示例性实施例中，控制器32可经由通信线52与节气门传感器47通信，经由通信线50与制动器传感器51通信。
能量源传感器34、机器行驶传感器40和变换器速度传感器70均可以是磁性拾取类型的传感器。特别的，能量源速度传感器34可与能量源12的飞轮59相关联，且可构造成感测旋转速度并产生相应的速度信号。相似地，机器行驶速度传感器40可以与轴23相关联，且构造成感测行驶速度并产生相应的速度信号。变换器速度传感器70可与变换器28的轴和/或其他类似输出部件64相关联，且可构造成感测旋转输出速度并产生相应的速度信号。
参考图3和4所示的实施例，壳体22可包括任意数量的通道以允许输入和/或输出轴穿过壳体22。这样的输入和/或输出轴可包括例如驱动系统14的输入部件58和输出部件60。在示例性实施例中，输入部件58可包括和/或联接到能量源12的输出部件。同样的，在示例性实施例中，输出轴60可包括和/或联接到传动装置16的输入部件。如图4所示，在其中变换器28设置在壳体22外的示例性实施例中，这样的输入和/或输出轴还可包括变换器28的输出部件64。或者，如图3所示，在其中变换器28设置在壳体22内部的示例性实施例中，变换器28的输出部件64可联接到行星齿轮组30，而不穿过壳体22。在这样的实施例中，变换器28的轴和/或其他相似的输入部件62可经由连接部件39联接到例如输入部件58。
壳体22还可包括任意数目的附加通道以允许气动线路和/或流体线路穿过壳体22。这种流体线路可流体地将液力回路76与驱动系统14的一个或多个部件连接。例如，在其中阀组件66和/或离合器67包括驱动系统14的液力部件的示例性实施例中，阀组件66和/或离合器67可经由一个或多个流体线路92接收来自液力回路76的供应线路84的加压流体。在其中阀组件66和/或离合器67包括驱动系统14的电动或机电部件的另一示例性实施例中，可省略所述一个或多个流体线路92和相应的壳体通道。
变换器28可包括构造成向传动装置16可控制地提供可变量的补充扭矩的任意设备。由变换器28提供的扭矩可帮助传动装置16满足机器行驶速度请求。此外，变换器28因此允许对传递到传动装置16的扭矩进行独立控制。因此，变换器28可响应于接收自操作者的动力速度和/或扭矩请求来使驱动系统14能改变提供到传动装置16的扭矩，而不完全依赖于用于这种扭矩变换的能量源12。可理解的是，在能量源输出速度和/或扭矩的变动最小化的情况下，能量源12可以以最高的功率运转。因此，变换器28可使驱动器14能满足这样的动力速度和/或扭矩请求，同时维持能量源12基本恒定的运转。通过减小例如在一个给定运转中的能量源速度变换的量和/或数量，能量源12可被校准以优化在相对小的操作窗口中的效率，并且变换器28可被使用以满足落在该窗口外的扭矩和/或速度请求。这样的控制可使机器10的运转效率最大化。
另外，变换器28的速度和/或扭矩输出可在能量源12的整个运转范围内响应于这样的动力速度和/或扭矩请求被独立地控制。这种单独控制式变换器28的使用在多个机器运转条件下可以是有利的，所述条件例如为其中能量源速度较低并且从操作者接收了较大的扭矩和/或速度请求的状况。这样的运转条件可包括，例如其中轮式装载机铲斗和/或其他机器机具已经装载来自堆的材料并且操作者命令轮式装载机以相对高的负载相对于机器行驶方向后退(即，从堆后退)的状况。
此外，本发明的示例性变换器28可以提供和/或利用有利的能量存储能力。例如，在其中能量源12的输出超过动力机器行驶速度和/或接收自操作者的扭矩请求的机器运转条件下，变换器28可以有利于储存由能量源12提供到驱动系统14的多余能量。例如，变换器28可构造成将这样的多余能量引导到存储设备68以便存储或稍后被变换器28使用。这种存储的能量可用于在上面描述的运转中-其中需要补充扭矩以满足接收自操作者的动力机器行驶速度和/或扭矩请求-驱动变换器28。另一方面，已知的扭矩转换器不提供这样的能量存储能力。相反，提供给基于扭矩转换的驱动系统的多余扭矩通常被转换为热能。这种热能对驱动系统部件有害。另外，这种基于扭矩转换的驱动系统可能要求冷却，从而导致机器资源的额外的消耗。
在示例性实施例中，电动和/或机电式转换器28可包括内部起动器发生器(发电机)或被动飞轮。或者，液力变换器28可包括例如马达/发电机组合、泵/马达组合或液力(即混合动力)飞轮。在其中变换器28包括内部起动器发生器的实施例中，该内部起动器发生器可包括例如构造成响应于来自能量源12的旋转输入产生能量输出的三相永磁交变磁场型发电机。还可设想，这种内部起动器发生器可为开关磁阻发生器、直流相位发生器或本领域已知的其他任意适宜类型的发生器。这里描述的这些类型的内部起动器发生器可包括转子(未示出)，该转子通过本领域已知的任何方式例如通过连接件39经由齿轮传动机构、或以其他任意适宜方式旋转地连接到能量源12。这种转子可构造成当转子在变换器28的定子(未示出)中旋转时产生电力输出。在这样的示例性实施例中，变换器28可电连接到反用换流器(未示出)，该反用换流器构造成例如将三相交流电转换成直流电。
存储设备68可包括一个或多个电池、电容器和/或其他本领域已知的可再充电的能量存储设备。另外，在其中变换器28包括液力变换器的实施例中，存储器68可包括流体贮存器和/或其他相似流体存储设备。因此，根据所使用的变换器28的类型，该变换器28可电连接或流体连接到存储设备。这种连接可使变换器28能重复地且选择性地向能量存储设备68提供能量和/或从其取走能量。同样地，存储设备68可构造成重复地且选择性地接收来自变换器28的能量和/或向其提供能量。可以理解，在其中变换器28包括电动或机电式变换器的实施例中，这种能量可以为电能的形式。在其中变换器28包括液力变换器的示例性实施例中，这种能量可以为加压液力流体的形式。
行星齿轮组30可具有至少三个元件，包括太阳轮(“S”)、具有至少一组行星齿轮的行星托架(“P”)和环形齿轮(“R”)。行星托架P的行星齿轮可与太阳轮S和环形齿轮R啮合。另外，如果行星齿轮组中包括中间行星齿轮，则行星托架P的行星齿轮可与同一行星托架P的中间行星齿轮啮合。太阳轮S、行星托架P、行星齿轮和环形齿轮R可全部同时一起旋转。或者，太阳轮S、行星托架P和环形齿轮R可各自保持静止。在使用过程中，行星齿轮组30可接收一个或多个输入旋转，并产生一个或多个对应的输出旋转。输入和输出之间的旋转速度的变化可取决于太阳轮S和环形齿轮R的齿数。该旋转速度的变化也可取决于用于接收输入旋转的齿轮、被选择用以提供输出旋转的齿轮以及-如果有-保持静止的齿轮。
变换器28可经由输出部件64联接到行星齿轮组30，能量源12的输出部件可经由输入部件58联接到行星齿轮组30。变换器28和行星齿轮组30之间的连接可取决于变换器28是如图3所示设置在壳体22内部还是如图4所示设置在壳体22外部。例如，在其中变换器28设置在壳体22内部的示例性实施例中，输出部件64可联接到行星齿轮组30的太阳轮S，而能量源12可经由输入部件58联接到行星齿轮组30的环形齿轮R。或者，在其中变换器28设置在壳体22外部的示例性实施例中，输出部件64可联接到行星齿轮组30的环形齿轮R，而能量源12可经由输入部件58联接到行星齿轮组30的太阳轮S。在图3和4的示例性实施例中，传动装置16可经由输出部件60联接到行星齿轮组30的行星托架P。齿轮、输入部件、输出部件、联接部件及其之间的连接的结构可使用本领域已知的部件获得。
阀装置66可构造成接收来自液压回路76的加压流体以及向该液压回路排出加压流体。特别的，阀装置66可具有经由流体线路92与液压回路76连通的阀元件(未示出)。该阀元件可为可移动的，以选择性地填充阀装置66的一个或多个压力腔，而同时经由排出通道(未示出)将另一个压力腔与低压罐90连接。可以设想，除了阀装置66之外，或者作为该阀装置的替代，可使用液力或电动马达(未示出)来驱动离合器67。
离合器67可以是构造成选择性联接或分离输入部件58和输出部件60的水力机械式设备、机械式设备或电力机械式设备。例如，离合器67可以是液力叶轮或机械弹簧型扭矩转换器、电力-机械式锁定离合器、膜式机械离合器或本领域已知的任意其他类型的离合器机构。通过允许或阻止输入部件58的旋转和输出部件60的旋转之间的滑移，离合器67可以选择性地吸收或倍增在能量源12和传动装置16之间传输的扭矩。
在示例性实施例中，离合器67可构造成将行星齿轮组30的任意两个齿轮和/或其他部件联接在一起。例如，离合器67可构造成选择性地将行星托架P和环形齿轮R联接在一起，或将行星托架P和太阳轮S联接在一起。通过以这种方式联接行星齿轮组30的任意两个部件，离合器67可以操作性地形成输入部件57和输出部件60之间的直接连接(即一对一旋转关系)。在这样的联接和/或锁定构型中，行星齿轮组30的所有齿轮和/或部件可一致地共同旋转，并且变换器28可以不操作性地影响驱动系统14的扭矩和/或速度输出。然而，在其它示例性实施例中，可以理解，不管行星齿轮组30的两个或更多部件是否被锁定，变换器28都可以操作性地影响驱动系统14的扭矩和/或速度输出。在这样的实施例中，例如，变换器28可以构造成在行星齿轮组30处于锁定构型时向传动装置16提供扭矩和/或从传动装置16和能量源12的至少一个中接收扭矩。离合器67的起动和/或停用可以选择性地由阀装置66的操作控制。
液压回路76可构造成向机器的一个或多个部件提供加压流体。如图3和4所示，在示例性实施例中，液压回路76可以流体连接到和/或同样地构造成向驱动系统14的一个或多个部件提供加压流体，所述部件包括液力变换器28、阀装置66和/或离合器67。液压回路76的一个或多个部件可被能量源12驱动，以使流体加压并将加压流体传送到各个机器部件。特别的，液压回路76可包括高压源78、贮存器80和泄压阀82。高压源78、贮存器80和泄压阀82可通过公共供应线路84彼此流体连通。此外，在其中变换器28包含液力变换器的实施例中，变换器28可经由流体线路94流体连通到供应线路84。
高压源78可向供应线路84提供高压流体流。高压源78可包括任何类型的变排量泵，例如防波板泵或摆板泵，其中，板的角度由单独的或整体的泵控制器86改变，从而改进相关活塞的泵送排量。在附加示例性实施例中，高压源78可包括计量套管型泵，其中一定量的排出流体流过套管部件以改进相关活塞的有效排量。高压源78可以通过例如间轴88、皮带(未示出)、电路(未示出)或以任意其他适宜的方式可驱动地连接到能量源12的输出部件和/或输入部件。
贮存器80可以是连接到供应线路84的压力容器。在示例性实施例中，贮存器80可在流体线路92和94之间的连接之间顺序地流体连接到供应线路84。或者，如图3所示，贮存器80可在流体线路92和高压源78的连接之间顺序地流体连接到供应线路84。贮存器80可以用可压缩气体填充，并构造成存储加压流体以便将来使用。可压缩气体可以包括例如氮气或其它适宜的可压缩气体。当与贮存器80连通的流体超过了预定压力时，该流体可流到贮存器80内。因为氮气可压缩，在流体流入贮存器80时，该气体可像弹簧一样起作用并压缩。当与贮存器80连通的通道内的流体的压力降到预定的压力下时，贮存器80内的压缩氮气可膨胀，并驱使贮存器80内的流体进入供应线路84。可以设想，如果需要，贮存器80还可以是弹簧偏压类型的贮存器。
泄压阀82可设置在贮存器80的下游，以便响应于公共供应线路84内的流体压力选择性地使流体通过低压罐90。例如，泄压阀82可包括这样的阀元件(未示出)，该阀元件响应于供应线路84内的流体压力被朝向流阻止位置偏压，或朝向流通过位置移动。当供应线路84内的压力超过预定阀值时，由作用在阀元件上的流体压力产生力可以克服弹簧力，允许阀元件移动到第二位置。这样，泄压阀82可以起作用以维持供应线路84内的预定压力。可以设想，如果需要的话，泄压阀82可具有变换的压力设定和/或可响应于所监测的压力被电子地致动。
低压罐90可以是构造成保持流体供应的储液器。该流体可包括例如发动机润滑油、变速箱润滑油、独立的液压油或本领域已知的任意其他流体。高压源78和/或机器10或驱动系统14的任意其他液力部件可以从罐90中吸取流体或使流体返回该罐90。
图5中所示的流程图100示出驱动系统14的示例性运转方法，该图5将在下面详细描述。
工业适用性
所公开的驱动系统14可与任意需要加速或减速的机器一起使用，并且在其中来自能量源12的扭矩不足以满足机器操作者的行驶速度请求的运转过程中是有用的。这种运转可包括其中机器10被以相对高的负载运转的情形，例如，当机器10的铲斗或其他机具已经填充有来自堆的材料并且操作者控制机器以使之反向离开该堆时。当以高负载运转时，能量源12的扭矩输出的大部分被用于满足与铲斗的运转相关的扭矩请求。在这种情况下，可使用变换器28向传动装置16提供需要的额外的(即补充的)扭矩，从而使机器10能满足行驶速度请求，并且同时满足与高机具负载相关联的扭矩请求。
虽然已知的机器可使用扭矩转换器和其他类似的部件帮助在高负载运转中满足机器行驶速度请求，这种部件是非常低效的，并且通常不被机器生产者喜欢。例如，这样的部件提供了对提供到传动装置或取自传动装置的扭矩量的非独立控制。因为这些部件不允许这种独立控制，使用这些部件的系统必须完全依赖于能量源输出的规则，以控制例如提供到传动装置16的扭矩量。这在其中需要变化的传动装置输出速度以满足机器速度请求的情况下是成问题的。例如，通常的能量源仅具有控制能量源输出速度的三个或四个档位，并且这样的能量源在这样的档位之间通常具有相当大的速度空档。因此，改变能量源档位以满足机器速度请求效率很低。另一方面，本发明的基于变换器的驱动系统14可被独立控制以帮助能量源12满足变化的速度请求，从而最小化在给定的运转中请求的能量源档位变化的数目，并最大化运转效率。
另外，在其中由能量源12产生的扭矩大于机器10或其机具可使用的扭矩的运转过程中，已知的扭矩转换器和其他相似部件不允许能量存储。例如，在机器10已经被驱进一堆材料中，而能量源扭矩被用于帮助机具从该堆移除材料的情形下，扭矩转换器和其他类似元件可能不能利用由能量源12产生的多余扭矩。相反，与这种多余扭矩相关联的能量被这种部件转化为热量。随着时间的流逝，这种热产生可能对这种部件和/或机器10有害。另外，这样的部件可能需要定时冷却，这导致对机器资源的不想要的消耗。另一方面，本发明的驱动系统14构造成在运转过程中存储经由能量源12和/或传动装置16接收的多余能量。例如，这样的能量可被存储在与变换器28相关联的存储设备68内，以在随后的运转中被变换器28使用。这样的能量存储使机器的运转效率最大化，并通过减小有害的热产生而延长了各种机器部件的使用寿命。
如图5所示，在驱动系统14的示例性运转中，此处描述的各种传感器和/或控制器32可确定机器10的一个或多个运转特征(步骤102)。可以理解，在此描述的每个示例性实施例中，驱动系统14可被以开环或闭环方式控制。另外，在步骤102中确定的运转特征可以包括例如能量源输出扭矩、能量源输出速度、变化器输出扭矩、变换器输出速度、机器行驶速度、传动装置档位、传动装置齿轮速比和/或这里描述的任意其他运转特征。这样的运转特征可通过这里描述的任意传感器确定，和/或由控制器32在接收到来自各种机器传感器的一个或多个信号时计算或以其他方式确定。例如，包括在这种信号中的信息可被输入一个或多个运算法则、控制图、查表图表和/或任意其他相似的控制软件或硬件部件中，并且这样的运转特征可包括这些部件的输出。
在步骤104中，控制器32可接收来自机器操作者的机器行驶速度请求。例如，节气门踏板46a可被手动致动以增加能量源12的旋转速度以及得到的机器的行驶速度。这样的起动可从节气门踏板46a和/或节气门传感器47向控制器32引导表征机器行驶速度请求的信号。在额外的示例性实施例中，还可使用一个或多个其他的操作者界面设备46，以向控制器32发送表征这种行驶速度请求的信号。
一旦接到了这样的速度请求，控制器32可以确定行驶速度请求是表征机器加速(即，增加传动装置16的输出速度)还是机器制动(即，降低传动装置16的输出速度)(步骤106)。在步骤106中，例如，控制器32可将当前的机器行驶速度与在步骤104接收到的行驶速度请求相比较，以做这样的决定。例如，如果当前机器行驶速度低于机器行驶速度请求，控制器可以确定需要加速。响应步骤106中的这种确定，控制器32可利用和/或处理在步骤102中确定的一组运转特征以管理机器控制。这样的示例性的第一组运转特征可对应于满足行驶速度请求所要求的加速的量，并且可包括例如节气门踏板位置、传动装置输出速度、机具负载和/或与机器10当前运转相关的其他类似运转特征。另一方面，如果当前机器行驶速度在机器行驶速度请求之上，控制器32可能确定需要机器滑行或制动。响应于步骤106中的这种决定，控制器32可使用和/或处理在步骤102中确定的第二组运转特征以管理机器控制。第二组运转特征的示例可对应于满足行驶速度请求所需的滑行和/或制动的量，并可包括例如制动器踏板位置、传动装置输出速度、机具负载和/或与机器10当前运转相关联的其他类似运转特征。
一旦在步骤106中确定是加速还是制动，控制可以前进到步骤108，在该步骤，控制器32可确定满足行驶速度请求所需的传动装置输入速度(“TIS”)。例如，控制器32可利用表征当前能量源速度、当前传动装置齿轮速比和/或当前变换器输出速度的信息作为一个或多个运算法则、控制图、查表图表和/或上面描述的其他控制部件的输入以确定该TIS。在步骤110中，控制器32可确定在步骤108中确定的TIS是否处于可接受的能量源速度范围内。例如，在步骤110，控制器32可确定该TIS是否在能量源12的安全运转范围内可得到。在这种可接受能量源速度范围以外运行能量源12可能导致对例如能量源12的一个或多个部件和/或联接到其上的机器部件的损害。可接受的能量源速度范围可根据能量源12的容量、模式、构型和/或其他特征变化。在示例性实施例中，可接受的能量源速度范围可在约1200rpm到约2200rpm之间。在又一示例性实施例中，这种可接受的能量源速度范围可在约600rpm到约2600rpm之间。如果TIS在可接受的能量源速度范围之外(步骤110-否)，则控制可进行到步骤118。步骤118将在下面更详细的说明。
另一方面，如果TIS处于可接受的能量源速度范围内(步骤110-是)，则控制器32可确定需要的传动装置输入扭矩(TIT)以满足在步骤104接收的行驶速度请求(步骤112)。例如，控制器32可利用表征当前能量源输出扭矩、当前传动装置齿轮速比和/或当前变换器输出扭矩作为一个或多个运算法则、控制图、查表图表和/或这里描述的其他控制部件的输入来确定该TIT。在示例性实施例中，在步骤112确定的TIT可以是以在步骤102确定的机器10的当前运转特征为基础的估计值。
在另外的实施例中，可利用一个或更多额外的输入在步骤112确定TIT。这样的输入可包括例如表征机器10位置的全球定位系统(“GPS”)输入。例如，从与机器10关联的GPS接收的、表征机器10在工地位置的信号可被输入到一个或多个运算法则、控制图、查表图表和/或上面描述的其他控制部件中。控制器32可构造成识别机器10的位置，并将所确定的位置与对应于该位置的之前的TIT相关联。相应地，在这样的示例性实施例中，控制器32可具有存储在其存储器中的之前确定的TIT和/或一个或多个位置，并且控制器32可以构造成基于这种存储的(即“学得的”)信息控制能量源12、驱动系统14和/或传动装置16的运转。在这种示例性实施例中，控制器32可使用构造成有助于机器10的这种学得的控制的一个或多个神经网络或其他类似的软件和/或硬件部件。
在步骤114，控制器32可确定在步骤112确定的TIT是否处于可接受的能量源扭矩范围内。例如，在步骤114，控制器32可确定TIT是否在能量源12的安全运转扭矩范围内能得到。在这种可接受的能量源扭矩范围以外运转能量源12可导致对例如能量源12的一个或多个部件和/或联接到其上的机器部件的损害。这样的能量源扭矩范围可依据能量源12的容量、模式、构型和/或其他特征改变。在示例性实施例中，可接受的能量源扭矩范围可在约-250Nm到约1000Nm之间，其中负扭矩表示减速容量。在另一示例性实施例中，这种可接受的能量源扭矩范围可在约-1500Nm到约2500Nm之间。可以理解，这种示例性能量源扭矩范围可取决于例如能量源容量和当前能量源速度等。如果TIT在可接受的能量源扭矩范围之外(步骤114-否)，则控制可前进到下面描述的步骤118。
另一方面，如果TIT在可接受的能量源扭矩范围内(步骤114-是)，则控制器32可将行星齿轮组的两个或更多部件锁定在一起(步骤116)。例如，在其中变换器28包括电动和/或机电式变换器的实施例中，控制器32可控制阀装置66以在步骤116使离合器67接合。在这样的示例性实施例中，离合器67的接合可将例如环形齿轮R联接到太阳轮S，由此在能量源12和传动装置16之间形成直接连接。在其中变换器28包括液力变换器的替代性示例性实施例中，控制器32可控制阀装置66以在步骤116使离合器67接合，以例如将环形齿轮R联接到行星托架P。这样的联接可形成能量源12和传动装置16之间的直接连接。在这里描述的示例性实施例中，使离合器67接合以锁定行星齿轮组30的两个或更多部件可以有效地使变换器28失效和/或使变换器28处于最小位移模式，在该模式中变换器28向传动装置16提供的扭矩可忽略。在这种示例性实施例中，能量源12可以独自充分满足机器10的各种速度和/或扭矩要求，而不要求和/或利用来自变换器28的补充扭矩。一旦在步骤116锁定行星齿轮组30的两个或更多部件，控制可以以闭环方式前进到步骤102。
如图5中所示，如果控制器32确定TIS在可接受的能量源速度范围之外(步骤110-否)或者TIT在可接受的能量源扭矩范围之外(步骤114-否)，则可能需要变换器28运转以向传动装置16提供补充扭矩或从传动装置16和/或能量源12去除多余扭矩。在这种情况下，控制可前进到步骤118，在该步骤中，控制器32可在当前能量源速度下确定满足在步骤104接收的机器行驶速度请求所需的变换器输出速度(“VOS”)。在这样的示例性实施例中，在步骤118中确定的VOS可用于最小化能量源12的档位变化和/或其他运转动力。例如，一旦控制已经到达步骤118，则控制器32可以-在可能时-使用专注于维持能量源速度基本恒定的机器控制策略。这样的策略可最小化能量源12的档位变化和/或其他运转动力，并可产生改善的能量源效率。
在步骤120，控制器32可确定VOS是否处于可接受的变换器速度范围内。例如，在步骤120，控制器32可确定VOS是否可在变换器28的安全运转速度范围内得到。变换器28在这种可接受的速度范围以外运转可导致对例如变换器28的一个或多个部件和/或联接到其上的机器部件的损害。这样的变换器速度范围可根据变换器28的尺寸、容量、模式、构型和/或其他特征变化。变换器28可具有比能量源12宽得多的可接受速度范围，并且可以具有对变换速度和/或扭矩要求更强的响应。因此，在本发明的示例性实施例中，与改变能量源12的输出速度相比，优选通过改变变化器28的输出速度来满足变换速度和/或扭矩要求。在示例性实施例中，可接受的变换器速度范围可在约-4000rpm到约+4000rpm之间。
可以理解，在其中变换器28向传动装置16提供扭矩和/或能量的示例性实施例中，变换器速度可以用正符号表示。这样的运转在这里可称为“正速度运转”。在这样的正速度运转中，存储在存储设备68内的能量可被用于以这种正速度驱动变换器28。或者，在其中变换器28从传动装置16和/或能量源12接收和/或移除能量的示例性实施例中，变换器速度可以用负符号表示。这样的运转在这里可称为“负速度运转”。在这样的负速度运转中，变换器28可将这种能量引导到存储设备68以在该处存储。这样存储的能量可提供给变换器28和/或用在随后的负速度运转中使用，在该负速度运转中，需要来自变换器28的补充扭矩和/或能量。如上所述，存储在存储设备68内的能量本质可为电力或液力。
继续参考图5，如果VOS在可接受的变换器速度范围内(步骤120-是)，则控制前进到步骤122，在该步骤中，控制器32确定存储设备68内是否有足以在VOS(在正速度运转中)下运转传动装置28的存储能量或者存储设备68是否有足以存储由变换器28从能量源12和/或传动装置16接收的额外的能量的存储能力(在负速度运转中)。
在负的速度运转的示例中，在步骤122进行的存储容量确定可以以这样的能量估计值为基础，该能量估计值是在变换器以VOS运转并且能量源12和传动装置16均维持它们各自的输出速度、输出扭矩、和/或其他稳定的运转形态的情况下，由变换器28从能量源12和/或传动装置16中接收的能量。可替代的，在步骤122进行的存储容量的确定可以以这样的能量估计值为基础，该能量估计值是在变换器以VOS运转并且能量源12和传动装置16中至少一个的输出被修改以满足在步骤104接收的行驶速度请求的情况下，由变换器28从能量源12和/或传动装置16中接收的能量。在示例性实施例中，将由变换器28接收的这种能量评估值可由控制器32使用运算法则、控制图、查表图表、和/或上面描述的其他控制部件的任意一个确定。
如果控制器32确定在存储设备68内存储的能量足以使变换器28以VOS(在负速度运转中)运转或者存储设备68内的存储容量足以存储由变换器28从能量源12和/或传动装置16接收的额外的能量(在负速度运转中)(步骤122-是)，则控制前进到步骤124。在步骤124，控制器32可使变换器28以VOS运转(负速度运转)，变换器28可经由行星齿轮系统30向传动装置16提供补充的扭矩和/或能量。在这样的示例性实施例中，由变换器28提供给传动装置16的扭矩的量可以基于、随其变化和/或以其它方式对应于VOS。在示例性实施例中，由变换器28提供给传动装置16的扭矩量基本等于VOS。然而，可以理解，在本发明的示例性实施例中，TIT可以基本等于变换器输出扭矩和能量源输出扭矩的和。因此，该TIT可以或可以不直接与VOS相关。在这里描述的示例性实施例中，通过例如在步骤124中使变换器28以VOS运转，由能量源16和变换器28提供给传动装置16的扭矩可以足以满足当前能量源速度下的行驶速度请求(即，不改变能量源12的输出速度、输出扭矩或齿轮传动)。
在另外的示例性实施例中，在步骤124，控制器32可以控制变换器28以将多余能量引导到存储设备64，以在该处存储(在负速度运转中)。从步骤124，控制可以以闭环方式前进到步骤102。
如图5所示，如果控制器32确定VOS在可接受的变换器速度范围之外(步骤120-否)，或者1)存储设备68内存储的能量不足以使变换器28以VOS运转或2)存储设备68的存储容量不足以存储额外的能量(步骤122-否)，则控制器32可尝试确定机器行驶速度请求是否可以通过改变能量源速度来满足，或者是否需要改变当前传动装置档位。可以理解，在负速度运转的其它示例中，如果控制器32确定存储设备68的存储容量不足以存储额外的能量(步骤122-否)，则如果将这种额外的能量排出到热槽、罐90和/或机器10的其它位置或部件是可能的和/或可接受的，控制器32可构造成自动忽略该确定。在这种示例性忽略的情形下，控制可从步骤122前进到步骤124，虽然在步骤122中产生了否定的结论。
一旦控制到达步骤128，控制器32可确定当前能量源速度是否基本等于可接受的能量源速度范围的上限或下限(参考上述例如步骤110的描述)。例如，在其中VOS处于可接受的变换器速度范围以外的实施例中，控制器32可将当前能量源速度与可接受的能量源速度范围的极值比较以确定是否有可能通过增加或降低能量源速度来满足行驶速度请求。如果能量源12已经以可接受的能量源速度范围的极值之一运转(步骤128-是)，则不可能通过增加或降低能量源速度来满足行驶速度请求，控制前进到步骤134。在步骤134，控制器32可使传动装置16运行以便升档、降档和/或以其它方式改变档位。可以理解，较低的传动装置档位可具有比相对较高的传动装置档位较高的齿轮速比。因此，较低的传动装置档位比相对较高的传动装置档位具有更大的扭矩倍增能力。相反地，对于给定的传动装置输入速度，与较高的传动装置档位相比，较低的传动装置档位的特征可以是较低的传动装置输出速度，以及由此较高的传动装置输出扭矩。一旦已经在步骤134出现传动装置档位的改变，则控制可以以闭环方式前进到步骤102。
或者，如果控制器32确定当前能量源速度未基本等于可接受的能量源速度范围的极值(步骤128-否)，则控制器32可确定满足行驶速度请求需要的额外的VOS，该额外的VOS可以是基于以可接受的能量源速度范围的上极值或下极值运转能量源12来确定的估计的变换器输出速度(步骤130)。在步骤130确定的额外的VOS可以例如是与最大化能量源速度和/或扭矩输出相对应的假定VOS。可以理解，在其中步骤118中确定的VOS处于可接受的变换器速度范围较高侧之外(例如在正速度运转中)的实施例中，额外的VOS可以在步骤130中使用能量源速度范围的下极值确定。另一方面，在其中步骤118中确定的VOS在可接受的变换器速度范围较低侧之外(例如在负速度运转中)的实施例中，额外的VOS可在步骤130中使用能量源速度范围的上极值确定。在示例性实施例中，一旦假定额外VOS已经在步骤130中确定，控制可返回到步骤120。在这样的示例性实施例中，在步骤120，控制器32可确定额外的VOS是否在上述可接受的变换器速度范围内。另外，在这样的示例性实施例中，在控制返回步骤120之前，控制器32可以不实际修改例如以在步骤130确定的额外的VOS为基础的能量源12的输出速度和/或输出扭矩。在这样的示例性实施例中，一旦额外的VOS在步骤120与可接受的变换器速度范围相当，控制可前进到步骤134或步骤124。
或者，如图5所示，一旦额外的VOS已经在步骤130中确定，控制器32可使能量源12以能量源速度范围的上或下极值运转(步骤132)。然后控制可前进到步骤120，在该步骤，控制器32可确定额外的VOS是否处于可接受的变换器速度范围内。可以理解，在这样的实施例中，如果控制器32确定额外的变换器输出速度在可接受的变换器速度范围内(步骤120-否)，控制器然后可确定：当前能量源速度基本等于能量源速度范围的极值(步骤128-是)。然后控制进行到步骤134，在该步骤，传动装置档位可被改变。一旦在步骤134已经发生传动装置档位改变，控制可以以闭环方式前进到步骤102。
对本领域技术人员而言显而易见的是，可对本发明的驱动系统进行各种改变和变型。对本领域技术人员而言，从这里公开的说明书的考虑和驱动系统的实践考虑，驱动系统的其他实施例是显而易见的。说明书和实施例仅考虑为示例，本发明的真实范围由下列的权利要求及其等效方案限定。

Claims (10)

1.一种机器，包括：
能量源；
传动装置；和
驱动系统，该驱动系统构造成从能量源向传动装置传递扭矩，该驱动系统包括：
行星齿轮组；
联接到该行星齿轮组的变换器，以及
操作性地连接到该变换器的存储设备，其中，该存储设备构造成从变换器接收能量以及向该变换器提供能量。
2.根据权利要求1的机器，其中，该驱动系统包括壳体，该行星齿轮组、该变换器和该存储设备设置在该壳体内。
3.根据权利要求1的机器，其中，该变换器电连接到存储设备，该变换器构造成经由行星齿轮组向传动装置提供扭矩，
其中，由变换器提供给传动装置的扭矩补充了从能量源传递到传动装置的扭矩。
4.根据权利要求3的机器，其中，该变换器包括一体式起动器发生器和飞轮中的一个。
5.根据权利要求1的机器，其中，该变换器构造成将能量从能量源和传动装置中的至少一个引向存储设备，以便供变换器使用。
6.根据权利要求1的机器，其中，行星齿轮组包括太阳轮、环形齿轮和行星托架，该变换器联接到太阳轮，该能量源联接到环形齿轮，该传动装置联接到行星托架。
7.根据权利要求1的机器，其中，该驱动系统包括离合器，该离合器构造成选择性地联接行星齿轮组的两个或更多部件，从而在驱动系统的输入部件和驱动系统的输出部件之间建立直接的连接。
8.根据权利要求1的机器，其中，该驱动系统包括壳体，该行星齿轮组设置在该壳体内部，该变换器和该存储设备设置在该壳体外部。
9.根据权利要求1的机器，其中，该变换器与该存储设备流体连接，该变换器构造成经由行星齿轮组向传动装置提供扭矩，
其中，由变换器提供给传动装置的扭矩补充了从能源传递到传动装置的扭矩。
10.根据权利要求9的机器，其中，该变换器与该机器的液力系统流体连接，该液力系统包括压力源，该压力源由能量源驱动并向变换器提供加压流体。
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