CN104246086B - 挖掘机的液压混合动力回转驱动系统 - Google Patents

挖掘机的液压混合动力回转驱动系统 Download PDF

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Abstract

提供的是一种挖掘机的回转驱动系统(11)，其利用了机械地连接至第一液压泵/马达(30)的原动机(20)、和机械地连接至回转机构(70)的第二液压泵/马达(32)。该系统包括连接液压流体储罐(42)、液压蓄能器(40)、第一液压泵/马达(30)、和第二液压泵/马达(32)的液压回路(31)。该系统能够在一种模式下操作，在该模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，且加压液压流体从第二液压泵/马达被泵送至液压蓄能器中。该系统能够在另一模式下操作，在该另一模式下，来自液压蓄能器的加压流体被用来辅助原动机驱动包括回转机构的多个液压用户(62、64、66)。

Description

挖掘机的液压混合动力回转驱动系统
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2012年1月4日提交的第61/582862号美国临时专利申请的优先权，其公开的全部内容在此通过援引而被并入。
技术领域
本发明涉及液压挖掘机，特别是液压混合动力回转驱动系统，其在回转制动时回收能量，并利用回收的能量来辅助原动机为回转驱动或其它功能提供动力。
背景技术
挖掘机是施工机器的一个实例，其使用多个液压致动器完成各种任务。这些致动器流体式地连接至泵，该泵向致动器内的腔体提供加压流体。这种加压流体作用在致动器表面上的力引起致动器和其连接的工作器械的运动。一旦液压能量被利用，加压流体就从腔体中被排出并返回到低压储罐。通常流体是在高于储罐中的压力的压力条件之下被排出的，因此一旦流体进入储罐，这种剩余的能量就浪费了。这种浪费的能量降低了整个液压系统在机器工作周期的过程中的效率。挖掘机中能量损耗的一个基本的实例是其回转驱动，在回转驱动时，在挖掘机的动作的减速部分期间，被排空至低压储罐的流体在阀上被减压，以产生使回转运动制动的效果。据估计，在挖掘机的使用中，回转的全部时间大约是挖掘机的整个生命周期的50％-70％，并消耗发动机提供的25％-40％的能量。流体减压的另一个不良效果是液压流体的加热，这会导致冷却成本提高。
发明内容
本发明的至少一个实施例提供一种车辆的回转驱动系统，其包含车辆的回转驱动系统，这种车辆的回转驱动系统包含：原动机，机械地连接至第一液压泵/马达；第二液压泵/马达，机械地连接至回转机构；液压回路，连接液压流体储罐、液压蓄能器、第一液压泵/马达、和第二液压泵/马达；其中，该系统能够在第一模式下操作，在第一模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，且来自第二液压泵/马达的加压液压流体被泵送至液压蓄能器中；而且其中，该系统能够在第二模式下操作，其中，第二液压泵/马达作为马达动作，以使用来自液压蓄能器的加压流体向回转机构提供补充动力。
本发明的至少一个实施例提供一种车辆的回转驱动系统，其包含：原动机，机械地连接至第一液压泵/马达；第二液压泵/马达，机械地连接至回转机构；液压回路，连接第一液压泵/马达、第二液压泵/马达、液压蓄能器、和液压储罐；与液压蓄能器相关的隔离阀，该隔离阀选择性地将液压蓄能器与剩余的液压回路断开；其中，该系统能够在第一模式下操作，在第一模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，当隔离阀打开时，加压液压流体从第二液压泵/马达被泵送至液压蓄能器中；其中，该系统能够在第二模式下操作，其中，当隔离阀打开时，第二液压泵/马达使用来自液压蓄能器的加压流体，向回转机构提供补充动力；而且其中，系统能够在第三模式下操作，在第三模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，当隔离阀关闭时，来自第二液压泵/马达的加压液压流体使第一液压泵/马达作为马达旋转，作为马达的该第一液压泵/马达为原动机提供补充动力。
本发明的至少一个实施例提供一种车辆的回转驱动系统，其包含：原动机，通过一机械齿轮组机械地连接至第一液压泵/马达；第二液压泵/马达，通过该机械齿轮组机械地连接至回转机构；其中，该机械齿轮组包括可逆齿轮；液压回路，连接第一液压泵/马达、第二液压泵/马达、液压蓄能器、和液压储罐；与液压蓄能器相关的隔离阀，该隔离阀选择性地将液压蓄能器与剩余的液压回路断开；其中，该系统能够在第一模式下操作，在第一模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，当隔离阀打开时，加压液压流体从第二液压泵/马达被泵送至液压蓄能器中；其中，该系统能够在第二模式下操作，其中，当隔离阀打开时，第二液压泵/马达使用来自液压蓄能器的加压流体，向回转机构提供补充动力；其中，该系统能够在第三模式下操作，在第三模式下，第二液压泵/马达作为泵动作以阻止回转机构的移动，当隔离阀关闭时，来自第二液压泵/马达的加压液压流体使第一液压泵/马达作为马达旋转，作为马达的该第一液压泵/马达为原动机提供补充动力。
附图说明
现在将通过参照附图，对本发明的实施例进一步详细说明：
图1是液压混合动力驱动系统的示意图，其包括根据本发明实施例的回转驱动系统；
图2是图1中示出的液压混合动力驱动系统的回转驱动系统部分的示意图；
图3是回转驱动系统另一实施例的示意图，示出了驱动上述回转机构的原动机和蓄能器；
图4是图3中回转驱动系统的示意图，示出了回转能量正在被储存于蓄能器中；
图5是回转驱动系统又一实施例的示意图，其与图3相似，但包括方向阀；
图6是回转驱动系统又一实施例的示意图，其与图5相似，但包括行星齿轮组；
图7是回转驱动系统又一实施例的示意图，其中示出的系统为静液压驱动，示出了驱动回转机构的原动机和蓄能器；
图8是图7中回转驱动系统的示意图，示出了回转能量正在被储存于蓄能器中；
图9是图7中回转驱动系统的示意图，示出了回转能量正在被用于辅助原动机；
图10是回转驱动系统又一实施例的示意图，其与图7相似，但包括行星齿轮组；
图11是液压混合动力驱动系统的示意图，其与图1相似，但包括与泵相关的用于非回转液压用户的蓄能器；以及
图12是液压混合动力驱动系统的示意图，除了第二液压单元机械地连接至回转机构，而不在中间穿过齿轮组之外，该液压混合动力驱动系统与图1所示系统相似。
具体实施方式
参照图1，其示出了用于挖掘机的液压混合动力驱动系统10，液压混合动力驱动系统10包括液压回转驱动系统11。在挖掘机中利用的液压驱动系统10包括挖掘机(未示出)的上部结构、底盘、回转部、动臂、斗杆和铲斗。液压回转驱动系统11包括原动机20。原动机20优选为内燃机(IC)发动机，但也可以使用其它原动机，诸如燃气轮机、电动机和燃料电池。原动机20机械地连接至第一液压单元30和第二液压单元32，且机械地连接至回转机构70。液压单元30、32优选为可变排量型且可逆向的，并能够起到泵或马达任一项的作用，并且在此被称为液压单元或液压泵/马达。举例来说，液压单元可以是轴向活塞泵/马达，其中，该泵/马达的排量按照本领域技术人员已知的方式，通过改变可倾斜旋转的斜盘的倾斜角而改变。
如图1的实施例中所示，在原动机20和第一液压单元30之间的机械连接包括传动装置(传动装置具有齿轮组50)、和将具有齿轮组50的传动装置连接至原动机20的轴(传动轴)、以及将具有齿轮组50的传动装置连接至第一液压单元30的轴。在回转机构70和第二液压单元32之间的机械连接也包括具有齿轮组50的传动装置、和将具有齿轮组50的传动装置连接至回转机构70的轴、以及将具有齿轮组50的传动装置连接至第二液压单元32的轴。该机械连接还包括与回转机构70相关的行星齿轮组52。传动齿轮组50可以是行星齿轮类型或简单齿轮类型的齿轮组中的任一种。传动齿轮组50包括可逆齿轮，以实现逆向的回转。在回转装置向相反方向推进和制动时可逆齿轮被啮合，以避免违背液压单元30、32中的一者或两者的物理限制条件。该实施例可选地包括离合器80，离合器80被设置成选择性地断开原动机20和第一液压单元30之间的机械连接。
回转驱动系统11包括第一液压回路31，第一液压回路31将能量回收装置40(被作为蓄能器示出)和流体储罐42与第一液压单元30和第二液压单元32连接。液压单元30、32彼此液压式地耦合，并与蓄能器40互连，该蓄能器提供能量储存，并且还作为动力源而动作，以在特定条件下驱动液压回转马达。
液压混合动力驱动系统10包括原动机20，原动机20也机械地连接至液压泵24。液压泵34通过第二液压回路33而被液压式地连接至控制阀60和多个液压动力用户，液压动力用户包括动臂缸(液压缸)62、斗杆缸64、铲斗缸66和移动马达36，该移动马达机械地连接至减速单元72。
现在参照图2示出的混合动力液压驱动系统10的回转驱动系统11部分。除了为清楚起见移除了与第二液压回路33相关的元件之外，图2与图1中的液压驱动系统10相同。指向“至泵”的虚线代表混合动力液压驱动系统10的被移除部分。
参照图3，除了回转驱动系统12不具有位于回转机构70和传动齿轮50之间的行星齿轮系统52之外，回转驱动系统12与图2中的回转驱动系统11相同。在图2中，第二液压单元32是低速、高扭矩的单元，且避免了对行星齿轮组52的需求。对于特定的第二液压单元而言可能必须使用单级或多级行星齿轮减速器，用以在第二液压单元输出和回转机构之间达到期待的扭矩和速率比。
在常规操作中，当回转机构70向一侧推进时，原动机20通过传动齿轮50驱动第一液压单元30。第一液压单元30作为泵来动作，且为第二液压单元32提供加压流体；第二液压单元则变成马达，并通过传动齿轮50推进回转装置70。图3以箭头35示出了在推进阶段中能量流动的方向。根据储存在蓄能器40中的能量的量值，可能存在用以辅助原动机20的混合能量，如虚线箭头所示。通过传动齿轮组50作为行星齿轮组或简单齿轮组的可行布局，第二液压单元的输出可与发动机的部分动力结合驱动回转装置70、或独立地驱动回转装置70。为了在推进时更有效地操作，还可通过齿轮组50，在原动机20和回转机构70之间建立直接的机械连接，因此旁通绕过液压单元30、32。
为了施加制动力，以阻止回转机构70的动作，并能够使回转机构70停止，第二液压单元32的排量被控制以“越过中心(overcenter)”，从而逆转所施加扭矩的方向。在回转制动时，回转机构70通过传动齿轮50为第二液压单元32提供扭矩。第二液压单元32作为泵动作，并将动力提供回液压回路31中，以将该动力储存在蓄能器40中，如图4中的箭头35所示。这代表了本实施例的操作中的能量回收模式。第二液压单元32施加抵抗扭矩，以使回转装置70能够获取动能。还应注意在图4中，第一液压单元30被控制在其最小排量，并且蓄能器40在回转减慢时吸收获取的制动能量用于储存。
也可在动力提升(powerboost)操作模式下利用回转驱动系统12的这个实施例。借助传动齿轮组50的动力分离(power-split)实施例，可在峰值回转扭矩需求期间取得动力提升特性。单向离合器80可被锁定，且蓄能器40可通过作为马达动作的第一液压单元30来提供扭矩提升(第一液压单元补充第二液压单元32的扭矩输出)。结果是在齿轮组50的输出端的扭矩大于通常可用的扭矩。
参照图5，另一实施例的回转驱动系统被标记为13。除了传动齿轮组50'不包括可逆齿轮，因而需要回转驱动系统13包括方向阀90之外，回转驱动系统13与图2-图4中的回转驱动系统12相似。方向阀90在两个方向的回转操作期间分别将蓄能器40和储罐42连接至高压管道和低压管道。
参照图6，另一实施例的回转驱动系统被标记为14。除了在回转机构70和传动齿轮组50'之间添加了行星齿轮组52之外，回转驱动系统14与图5的回转驱动系统13相似。根据传动齿轮组50'的特别设置方式，通过高扭矩、低速的第二液压单元32(如果可行的话)、或传动齿轮组50'内部的齿轮齿数比，能够满足回转机构70中的所需速率比。如果两者都不可行，则单独的行星齿轮减速器52可能是必须的，如图6中所示。
现在参照图7，其示出静液压配置的实施例。回转驱动系统15包括：原动机20，其机械地连接至第一液压单元30；和第二液压单元32，其机械地连接至回转机构70。系统15包括液压回路31"，其将能量储存装置40(能量储存装置40作为蓄能器被示出)和储罐42与第一液压单元30和第二液压单元32连接。第一液压单元30和第二液压单元32是可逆的，并能够起到泵或马达的作用。蓄能器40可借助方向阀90被连接至任一个流体管道，方向阀90则通过电流或液压监控信号(未示出)而被控制。基于低速、高扭矩的驱动马达的可行性，还可将第二液压单元32直接地连接至回转装置70，而无需行星齿轮减速单元。隔离阀92用于在操作期间的任何时刻将蓄能器40与液压回路31连接或断开的目的。
在常规操作期间，当回转驱动向一侧推进时，原动机20驱动第一液压单元30，第一液压单元作为泵动作并为第二液压单元32提供加压流体，第二液压单元则变成马达并推进回转装置70。图7以箭头35示出了能量在推进阶段流动的方向。在本实施例的能量回收方案的一个操作模式下，蓄能器40可通过隔离阀92连接至高压管道，以在该蓄能器中有储存的能量时辅助原动机。可以通过控制器控制液压单元30、32的排量来控制回转驱动的动作。
为了施加制动以阻止回转机构70的运动，并能够使回转机构70停止，第二液压单元32的排量被控制成越过(偏离)中心，从而逆转所施加扭矩的方向。在回转制动时，第二液压单元32作为泵动作，并将动力提供回液压回路31"中，如图8中箭头35所示。第二液压单元32通过方向阀90和隔离阀92来泵送液压流体，使液压流体被储存在蓄能器40中，蓄能器40代表了本实施例的能量回收方案操作的另一种模式。第二液压单元32施加抵抗扭矩，且使回转装置70能够获取动能。还应注意在图8中，第一液压单元30被控制在其最小排量，且蓄能器40在回转机构70减慢时，吸收所获取的制动能量用于储存。
可基于机器的操作，来决定将回收的能量返回至发动机轴上以立即使用、或为同时工作的功能或配件提供动力。蓄能器可与液压回路31"断开或连接。参照图9，其示出一种情形，其中，在通过向隔离阀92供能以进行制动时，蓄能器与液压回路31"断开。在此情况下，第一液压单元30在其排量被控制越过中心的同时作为马达动作。如箭头35所示，回收的能量以辅助扭矩的形式，通过发动机轴被传送至原动机20以用于即时消耗。这种情形代表了本实施例的能量回收方案操作的第三种模式。
为了向相反方向推进回转，第一液压单元30在其作为由原动机20驱动的泵动作的同时，被控制以越过中心。第一液压单元使液压回路31"中的流动方向逆转。加压流体使正在作为马达动作的第二液压单元32转至与先前实例相反的方向，而这又使回转机构70移动，以实现期待的运动。请注意，高压流体管道和低压流体管道借助回路31"中的流动方向的逆转来切换。在所有情形中，方向阀90有助于将蓄能器40和储罐42分别连接至高压管道和低压管道。在制动过程中，带有或不带有蓄能器40的液压回路的操作与前述情况类似。
参照图10，另一实施例的回转驱动系统被标记为16。除了在回转机构70和第二液压单元之间添加了行星齿轮组52之外，回转驱动系统16与图7-图9的回转驱动系统15相似。通过利用高扭矩、低速的第二液压单元32，能够在回转机构70中满足所需的速率比，如果高扭矩与低速其中之一无法实现，则单独的行星齿轮减速器52可能是必须的，如图10中所示。
参照图11，其示出液压系统10'的一实施例，除了液压驱动系统10'包含回转机构与第二液压单元32之间的机械连接(不通过传动齿轮组直接连接)之外，液压系统10'与图1的液压系统10相似。
参照图12，其示出液压系统10"的实施例，除了在泵34的供给侧设有附加蓄能器44，由此使蓄能器44的操作与动臂缸62、斗杆缸64、铲斗缸66的致动整合之外，液压系统10"与图1的液压系统10相似。蓄能器44提供提升能力，以在泵34达到冲程/压力时改善作用的响应时间，以满足系统需求。
虽然在此对本发明的原理、实施例和操作进行了详细描述，但这不应当被解释为本发明局限于所公开的特别示出的形式。例如，虽然在一些实施例中没有示出隔离阀92，但在任何需要隔离蓄能器的设置方案下，存在隔离阀应当是显然的。因此，对本领域技术人员而言，显然可对本发明的实施例做各种修改，而不背离本发明的核心或范围。

Claims (19)

1.一种车辆的回转驱动系统，包括：
原动机，机械地连接至第一液压泵/马达；
第二液压泵/马达，机械地连接至回转机构；
液压回路，连接液压流体储罐、液压蓄能器、所述第一液压泵/马达、和所述第二液压泵/马达；
其中，所述回转驱动系统能够在第一模式下操作，在所述第一模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，且来自所述第二液压泵/马达的加压液压流体被泵送至所述液压蓄能器中；
其中，所述回转驱动系统能够在第二模式下操作，在所述第二模式下，所述第二液压泵/马达作为马达动作，以使用来自所述液压蓄能器的加压流体向所述回转机构提供补充动力；而且
其中，所述回转驱动系统还包括与所述液压蓄能器相关的隔离阀，所述隔离阀选择性地将所述液压蓄能器与剩余的所述液压回路断开。
2.根据权利要求1所述的回转驱动系统，还包括方向阀，所述方向阀位于所述液压回路内，选择性地使通过所述液压回路流动的流体的方向逆转，并提供通向所述液压蓄能器的流体路径。
3.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，其中，所述系统能够在第三模式下操作，在所述第三模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，且来自所述第二液压泵/马达的加压液压流体被定向至所述第一液压泵/马达，所述第一液压泵/马达作为马达动作以向所述原动机提供辅助扭矩。
4.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，其中，所述第二液压泵/马达至所述回转机构的连接包括行星齿轮组。
5.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，其中，所述液压回路是静液压传动的。
6.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，还包括离合器，所述离合器被设置成选择性地断开所述原动机和所述第一液压泵/马达之间的机械连接。
7.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，其中，所述原动机也机械地连接至液压泵，所述液压泵液压式地连接至多个液压动力用户。
8.根据权利要求7所述的回转驱动系统，还包括液压蓄能器，所述液压蓄能器流体地连接在所述液压泵和所述多个液压动力用户之间。
9.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，还包括传动齿轮组；
所述传动齿轮组机械地连接在所述原动机和所述第一液压泵/马达之间；
所述传动齿轮组机械地连接在所述回转机构和所述第二液压泵/马达之间。
10.根据权利要求1或2所述的回转驱动系统，还包括传动齿轮组；
所述传动齿轮组机械地连接在所述原动机和所述第一液压泵/马达之间；
所述传动齿轮组机械地连接在所述回转机构和所述第二液压泵/马达之间；而且
其中，所述传动齿轮组包括可逆齿轮。
11.一种车辆的回转驱动系统，包括：
原动机，机械地连接至第一液压泵/马达；
第二液压泵/马达，机械地连接至回转机构；
液压回路，连接所述第一液压泵/马达、所述第二液压泵/马达、液压蓄能器、和液压储罐；
与所述液压蓄能器相关的隔离阀，所述隔离阀选择性地将所述液压蓄能器与剩余的所述液压回路断开；
其中，所述系统能够在第一模式下操作，在所述第一模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，当所述隔离阀打开时，来自所述第二液压泵/马达的加压液压流体被泵送至所述液压蓄能器中；以及
其中，所述系统能够在第二模式下操作，其中，当所述隔离阀打开时，所述第二液压泵/马达使用来自所述液压蓄能器的加压流体，向所述回转机构提供补充动力；以及
其中，所述系统能够在第三模式下操作，在所述第三模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，当所述隔离阀关闭时，来自所述第二液压泵/马达的加压液压流体使所述第一液压泵/马达作为马达旋转，作为马达的所述第一液压泵/马达为所述原动机提供补充动力。
12.根据权利要求11所述的回转驱动系统，还包括方向阀，所述方向阀位于所述液压回路内，选择性地使通过所述液压回路流动的流体的方向逆转，并提供通向所述液压蓄能器的流体路径。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的回转驱动系统，还包括行星齿轮组，所述行星齿轮组位于所述第二液压泵/马达和所述回转机构之间。
14.根据权利要求11或12中任一项所述的回转驱动系统，其中，所述液压回路是静液压传动的。
15.根据权利要求11或12中任一项所述的回转驱动系统，还包括传动齿轮组；
所述传动齿轮组机械地连接在所述原动机和所述第一液压泵/马达之间；
所述传动齿轮组机械地连接在所述回转机构和所述第二液压泵/马达之间。
16.根据权利要求11所述的回转驱动系统，还包括传动齿轮组，
所述传动齿轮组机械地连接在所述原动机和所述第一液压泵/马达之间；
所述传动齿轮组机械地连接在所述回转机构和所述第二液压泵/马达之间；
其中，所述传动齿轮组包括可逆齿轮。
17.一种车辆的回转驱动系统，包括：
原动机，通过机械齿轮组机械地连接至第一液压泵/马达；
第二液压泵/马达，通过所述机械齿轮组机械地连接至回转机构；
其中，所述机械齿轮组包括可逆齿轮；
液压回路，连接所述第一液压泵/马达、所述第二液压泵/马达、液压蓄能器、和液压储罐；
与所述液压蓄能器相关的隔离阀，所述隔离阀选择性地将所述液压蓄能器与剩余的所述液压回路断开；
其中，所述系统能够在第一模式下操作，在所述第一模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，当所述隔离阀打开时，加压液压流体从所述第二液压泵/马达被泵送至所述液压蓄能器中；以及
其中，所述系统能够在第二模式下操作，在所述第二模式下，当所述隔离阀打开时，所述第二液压泵/马达使用来自所述液压蓄能器的加压流体，向所述回转机构提供补充动力；以及
其中，所述系统能够在第三模式下操作，在所述第三模式下，所述第二液压泵/马达作为泵动作以阻止所述回转机构的移动，当所述隔离阀关闭时，来自所述第二液压泵/马达的加压液压流体使所述第一液压泵/马达作为马达旋转，作为马达的所述第一液压泵/马达为所述原动机提供补充动力。
18.权利要求17所述的回转驱动系统，其中，所述机械齿轮组能够操作以选择性地将所述原动机连接至所述第一液压泵/马达、或将所述原动机直接地连接至所述回转机构。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的回转驱动系统，还包括：
由所述原动机驱动的液压泵，所述液压泵流体地连接至多个液压动力用户；以及
液压蓄能器，流体地连接在所述液压泵和所述多个液压动力用户之间。
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