CN105228850B - 用于机器差速器的控制系统 - Google Patents

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Abstract

发明了一种用于控制机器(100)的差速器(218)的操作状态的方法。所述方法包括确定机器(100)的变速器(208)输出速度、变速器(208)输出扭矩和转向程度。所述方法还包括基于变速器(208)输出速度、变速器(208)输出扭矩和转向程度来致动与差速器(218)相关联的锁定机构(222)。

Description

用于机器差速器的控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制机器差速器的操作状态的系统和方法，且更具体地，涉及一种用于控制差速器的操作状态的系统和方法。
背景技术
用于控制机器差速器的操作状态的常规系统和方法依靠来自一个或多个雷达、变速器扭矩/速度输出传感器和一个或多个车轮速度传感器中至少一者的输入以确定车轮滑动状况。然而，如果机器以低速运行，那么车轮速度传感器的输出可能无法提供对车轮速度的良好的分辨率并且不能够精确地检测车轮滑动状况。此外，用于控制差速器的操作状态的常规控制系统和方法可能需要复杂的算法并且可能难以操作。
美国第20110269595号公开申请涉及一种传动系，其具有锁定差速器和用于控制锁定差速器的操作的控制单元。所述控制单元分别响应于选定的车辆特性以自动激活或失活锁定差速器的锁定机构来促使锁定差速器以锁定方式或解锁方式进行操作。还提供了一种用于操作锁定差速器的方法。所述方法包括：仅利用预先选择的表明车辆差速器操作状态的车辆标准来识别向与锁定差速器相关联的锁定机构通入电流的情况；并相应地向锁定机构通入电流。
发明内容
一方面，本发明提供一种用于控制机器差速器的操作状态的方法。所述方法包括确定机器的变速器输出速度、变速器输出扭矩和转向程度。所述方法还包括基于变速器输出速度、变速器输出扭矩和转向程度来调节与差速器相关的锁定机构的离合器组件上的液压压力。
在另一个方面，本发明提供一种用于控制机器差速器的操作状态的控制系统。所述控制系统配置成确定机器的变速器输出速度、变速器输出扭矩和转向程度。所述控制单元还配置成基于变速器输出速度、变速器输出扭矩和转向程度来调节与差速器相关的锁定机构的离合器组件上的液压压力。
通过以下的说明和附图，本发明的其它特征和方面清晰可见。
附图说明
图1示出了示例性机器的侧视图；
图2示出了机器的示例性动力传动系的示意图。
图3到图5是根据本发明的一方面的比例因子曲线的图示；以及
图6是根据本发明的实施例的用于控制差速器操作状态的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于控制机器中差速器的操作状态的控制系统。图1示出了示例性机器100的侧视图。机器100可实施为用于挖掘和将材料(例如沙子、砾石或矿石)装载到其他机器(例如材料输送机或货车牵引车)上的轮式装载机。在示例性实施例中，如图1所示，机器100可包括机架102。机架102可包括前部区段104和后部区段106。在实施例中，前部区段104可通过铰接接头108与后部区段106连接，使得机器100的转向可由一个或多个铰接致动器110(仅示出一个)提供，铰接致动器110安装在机器100的相对侧上的前部区段104和后部区段106之间。然而，在其它实施例中，机器100可包括本领域熟知的其它转向机构，例如阿克曼转向机构等。
机器100还包括地面接合驱动部件，例如安装在前部区段104的前轮112和安装在后部区段106的后轮114。前轮112和后轮114将机器100支撑在地面116上。前部区段104可包括器具118，例如铲斗，器具118经由链接组件120耦接至前部区段104。后部区段106可包括电源(例如发动机122)来向车轮组112、114供电以驱动机器100，和用于转向机器100并操作器具118的液压泵(未示出)。机器100还包括操作站124，操作站124包含用于控制机器100的操作的一个或多个控制装置。
图2示出了机器100的示例性动力传动系200的示意图。参照图1和图2，动力传动系200可包括连接至轮组112、114的各自车轴201、202。发动机输出轴204连接至扭矩转换器206，并且扭矩转换器206还通过变速器输入轴210连接至变速器208。此外，变速器输出轴212连接至分动箱214，其为两个驱动轴216提供动力，每个驱动轴用于轴201、202中的一个。每个驱动轴216通过各自的差速器218为轮112、114传输动力，从而将发动机输出轴204处产生的旋转动力传输至轮112、114。扭矩转换器206可为液压机械装置，其配置为将发动机122与变速器208耦接。扭矩转换器206可包括锁止离合器219，其用于选择性地将发动机输出轴204耦接至变速器输入轴210。变速器208可实施为多速双向机械变速器，其具有空档传动比、多个前进传动比和多个倒退传动比。在一个实施例中，前进传动比可包括第一传动比和第二传动比。此外，分动箱214可包括减速齿轮组。分动箱214配置为在驱动轴216之间增加和分配变速箱输出扭矩。
与前轮和后轮112、114相关联的差速器218可在结构和操作上相类似，因此本文将仅对差速器218中的一个进行详细描述。差速器218可容纳在差速器外壳220内并且车轴201可耦接至差速器218的相对侧。差速器218可为锁止型差速器，其能够在不同的操作状态下运行，如开启状态、锁定状态和部分锁定状态。熟悉本领域的技术人员可以意识到，处于开启状态的差速器218的操作允许向每个车轴201进行不等的速度分配，而处于锁定状态或部分锁定状态的差速器218的操作则不允许向每个车轴201进行不等的速度分配。
根据本发明的实施例，差速器218可包括与其相关联的锁定机构222。锁定机构222可包括液压锁定机构，所述液压锁定机构包括离合器致动器224和离合器组件226。在一个实施例中，离合器组件224可为液压活塞，所述液压活塞配置为响应于液压压力接合或分离离合器组件226。此外，锁定机构222可包括控制阀228。控制阀228配置为选择性地允许供给流体至离合器致动器224和/或从离合器致动器224排出流体以调节离合器组件226上的液压压力并且通过接合或分离离合器组件226来控制差速器218的操作状态。
此外，机器100可包括一个或多个操作员界面装置126，操作员界面装置126位于操作员工作站124中。操作员界面装置126可包括油门踏板128，其具有节流位置传感器(TPS)130和档位选速杆132，档位选速杆132具有杆编码器134。节流位置传感器130和杆编码器134配置为提供表示操作员所需的机器速度的所需机器速度信号和机器100运行期间由操作员指令的变速器208的当前传动比设置。在本发明的一个方面，操作员界面装置126还可包括选择器界面136，其配置为选择差速器218的人工模式或自动操作模式。选择器界面136可实施为开关、拨号盘、杆、触控式界面或基于语音的界面等等。
如图2所示，控制系统230被设置用于控制差速器218的操作状态。控制系统230可以是电子控制系统，其可以包括与其它电子部件(例如数据存储设备和各种通信信道)可操作地相关联的微处理器。控制系统230可以与控制阀228以及一个或多个传感器通信，并连接到机器100内所集成的各种其它控制系统，所述一个或多个传感器配置成感测用于指示动力传动系200的操作状态的参数。在一个实施例中，控制系统230可以经由控制阀通信线路232可操作地连接到控制阀228，经由变速器输出速度通信信道236可操作地连接到变速器输出轴速度传感器234，经由变速器输出扭矩通信信道240可操作地连接到变速器输出扭矩传感器238，以及经由转向角通信信道244可操作地连接到转向角传感器242。响应于指示动力传动系200操作状态的信号以及从操作员界面装置126(例如节流位置传感器130、杆编码器134和选择器界面136)接收的信号，控制系统230可以调节差速器218的运行情况。在替代实施例中，动力传动系200还可以包括变速器控制单元，以将信息提供给控制系统230以指示当前的传动比设置、变速器输出速度以及变速器输出扭矩等。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，控制系统230可以在发动机控制单元(ECU)中可操作地实现，用于控制发动机122。
变速器输出轴速度传感器234可以耦接到变速器输出轴212上，并配置成产生指示变速器输出速度的变速器输出轴速度信号。在一个实施例中，控制系统230配置成作为从变速器输出轴速度传感器234和节流位置传感器130所接收到的变速器输出速度的函数来确定机器速度。在一个实施例中，变速器输出扭矩传感器238可以包括耦接到变速器输出轴212的应变计，并配置成产生指示变速器输出扭矩的变速器输出轴扭矩信号。然而，在替代实施例中，杆编码器134可以用于基于当前的传动设置情况确定变速器输出扭矩。对于熟悉本领域的技术人员显而易见的是，也可以基于指示变速器内液力回路压力和速度的其它参数计算变速器输出扭矩。
转向角传感器配置成产生指示转向角A的转向角信号。在一个实施例中，转向角传感器242可以包括位置传感器，用于表示铰接致动器110的伸展位置或收缩位置(见图1)。或者，旋转传感器可以定位在铰接接头108处，且配置成产生指示转向角A的信号。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，机器100的转向角A指示机器100的前部区段104相对于后部区段106的转向角。
在一个实施例中，控制系统230配置成经由控制阀通信线路232将差速器离合器命令信号发送至控制阀228。差速器离合器命令信号可以选择性地调节离合器组件226上的液压压力，以控制差速器218的操作状态。在一个实施例中，差速器离合器命令信号可以基于控制系统分别采用的变速器输出轴速度传感器234、变速器输出扭矩传感器238和转向角传感器242而接收和处理的变速器输出速度、变速器输出扭矩和机器100的转向角A来指示离合器组件226上的所需液压压力P所需。在一个实施例中，离合器组件226上的所需液压压力P所需可以是用于接合离合器组件226以在锁定状态下运行差速器218的最大液压压力P最大的函数。
控制系统可以包括系统存储器246，例如但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存和数据结构等。系统存储器246可以存储计算机可执行代码，以作为变速器输出速度、变速器输出扭矩、转向角A、以及用于接合或分离离合器组件226的最大液压压力P最大的函数来计算所需液压压力P所需。此外，系统存储器可以存储从各种传感器234、238和242接收到的一个或多个实时输入和/或信号。系统存储器246可以在处理单元248上操作，以输出差速器离合器命令信号，可以选择性地调节离合器组件226上的液压压力，以控制差速器218的操作状态。
根据本发明的一个实施例，与控制系统230相关联的系统存储器246可以存储各种比例因子曲线300、400、和500，如图3到图5中所图释，分别基于变速器输出速度、变速器输出扭矩，和转向角A来存储并确定和/或动态地更新机器速度比例因子SF机器速度、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩，和转向角比例因子SF转向角。此外，在各种其它实施例中，控制系统230可以包括调节曲线、数据表格和/或模块图来动态地确定和存储机器速度比例因子SF机器转速、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩、转向角比例因子SF转向角。
根据本发明的一个实施例，可以确定所需的液压压力P所需为机器速度比例因子SF机器速度、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩、转向角比例因子SF转向角和最大液压压力P最大的相乘数。因此，确定所需液压压力P所需的数学方程式是由以下方程式所定义的：
#1方程式#1：P所需＝P最大×SF机器速度×SF变速器扭矩×SF转向角
比例因子曲线300、400和500分别是确定机器速度比例因子SF机器转速、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩和转向角比例因子SF转向角的图示。如图所示3，机器速度比例因子SF机器速度与机器速度基本成反比并且高于预定机器速度可以等于0。在示例性实施例中，预定机器速度等于或小于4.0Km/h。
如图4中所示，变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩指示调整的牵引力以在高变速器扭矩输出期间避免滑移。如图4中所示，变速器输出扭矩比例因子随着变速器输出扭矩的增大而增大，因此(参照方程式1)，变速器输出扭矩比例因子的更高值可以增加所需液压压力并通过选择性地锁定差速器以允许向每个车轴201、202分配不等的速度来避免滑移。
图5示出了右转向角(+A)，其是左转向角(-A)的镜像。当机器100以向右或向左的方向拐弯时，转向角比例因子SF转向角可减小，以使差速器218保持在部分锁定或开启的状态，使得车轮112、114允许对每个车轴201、202分配不等的速度。另外，在示例性实施例中，最大液压压力P最大基本上等于约3100kPa。
工业实用性
用于控制在本文中所述的机器中的差速器的操作状态的系统和方法的工业实用性将从以上描述中变得容易理解。尽管机器100示出为轮式装载机，但执行与(例如)采矿、建筑相关联的至少一个操作和其它工业应用的任何铰接机器可以实施本发明的系统和方法。机器100还可以与非工业用途和环境相关联，例如，但不限于，填埋压实机、材料装载机、挖掘机、铰接式卡车、压实机、平地机、道路回收装置、集材机、轮式推土机、轮式拖拉机-铲土机、挖掘装载机等。
常规系统和方法在检测车轮滑移状况后控制差速器的操作状态。此外，结合机器位置定位地面雷达、变速器扭矩/速度输出传感器，用于检测车轮滑移状况的车轮速度传感器可能在低机器速度下不能提供良好的分辨率。因此，可能不会以期望的方式控制差速器的操作状态。
根据本发明的实施例，控制系统230是一种主动系统，其配置成在发生车轮滑移状况前良好地控制差速器218的操作状态。如上所述，控制系统230被配置成基于机器的变速器输出速度、变速器输出扭矩和转向程度来控制差速器218的操作状态。根据本发明的用于控制差速器218的操作状态的控制策略向操作者提供了更好的舒适性，并且减小由于离合器组件226的平稳接合和脱离导致的离合器组件226上的磨损。另外，由于离合器组件的平稳接合和脱离减小了变速器输出扭矩的突然增加和/或减小，也可提高动力传动系的使用寿命。此外，由于没有车轮的滑移状况也减少车轮112、114的磨损。因此，差速器218和车轮112、114的使用寿命全面增加。
图6是根据本发明的一个实施例的用于控制差速器218的操作状态的示例性方法600的流程图。在步骤602，控制系统230可以使用变速器输出轴速度传感器234确定变速器输出速度，使用变速器输出扭矩传感器238确定变速器输出扭矩，以及使用转向角传感器242确定转向角。另外，在步骤604中，控制系统230可以基于比例因子曲线300、400和500确定机器速度比例因子SF机器速度、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩以及转向角比例因子SF转向角。之后，在步骤606，控制系统230可以基于机器速度比例因子SF机器速度、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩、转向角比例因子SF转向角以及最大液压压力P最大(用于接合锁定机构以在锁定状态下操作差速器)确定将被施加到离合器组件226上的所需液压压力P所需。如上所述，与控制系统230相关联的系统存储器246可以动态地更新机器速度比例因子SF机器速度、变速器输出扭矩比例因子SF变速器扭矩以及转向角比例因子SF转向角，以便基于所需液压压力P所需来调节离合器组件226上的液压压力，以在步骤608中基于动力传动系200的操作状态采用控制阀228来控制差速器218的操作状态。
虽然本发明的各个方面已经参考上述实施例进行了详细的说明和描述，但熟悉本领域的技术人员将了解可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，通过对所发明的机器、系统和方法进行修改来构想各种其它的实施例。这些实施例应该被理解为落入本发明的范围之内，因为它们是基于本发明的权利要求及其任何等效物而确定的。

Claims (10)

1.一种用于控制机器(100)的差速器(218)的操作状态的控制系统(230)，所述控制系统(230)配置成：
确定变速器(208)输出速度；
确定变速器(208)输出扭矩；
确定所述机器(100)的转向程度；以及
基于最大液压压力和与所述变速器(208)输出速度、所述变速器(208)输出扭矩和所述转向程度中的至少一个相关的比例因子的乘积，来调节与所述差速器(218)相关联的锁定机构(222)的液压压力。
2.根据权利要求1所述的控制系统(230)，其配置成与变速器输出轴速度传感器(234)通信以确定所述变速器(208)输出速度和机器(100)速度比例因子，与变速器输出扭矩传感器(238)通信以确定所述变速器(208)输出扭矩和变速器(208)输出扭矩比例因子，以及与转向角传感器(242)通信以确定所述机器(100)的所述转向程度以及转向角比例因子。
3.根据权利要求1所述的控制系统(230)，其还配置成根据所述机器(100)速度比例因子、所述变速器(208)输出扭矩比例因子、转向角比例因子以及最大液压压力来确定所述锁定机构(222)的离合器组件(226)上的所需液压压力。
4.根据权利要求3所述的控制系统(230)，其还配置成与控制阀(228)通信，以将所需液压压力施加到所述锁定机构(222)的所述离合器组件(226)上。
5.一种机器(100)，其包括：
前部区段(104)，其通过铰接接头(108)与后部区段(106)相连；
地面(116)接合驱动构件；
动力传动系(200)，其包括：
发动机(122)；
变速器(208)；以及
差速器(218)，其用于将旋转动力传输至所述地面(116)接合驱动构件，所述差速器(218)包括锁定机构(222)；以及
控制系统(230)，其用于控制所述差速器的操作状态，所述控制系统(230)配置成：
确定变速器(208)输出速度；
确定变速器(208)输出扭矩；
确定所述机器(100)的转向程度；以及
基于最大液压压力和与所述变速器(208)输出速度、所述变速器(208)输出扭矩和所述转向程度中的至少一个相关的比例因子的乘积，调节与所述差速器(218)相关联的锁定机构(222)的液压压力。
6.根据权利要求5所述的机器(100)，其中所述锁定机构(222)包括：
离合器组件(226)；
离合器致动器(224)，其配置成调制所述离合器组件(226)上的液压压力；以及
控制阀(228)，其配置成选择性地将流体供给到所述离合器致动器(224)以及从所述离合器致动器(224)中排出流体，以调制所述离合器组件(226)上的所述液压压力。
7.根据权利要求5所述的机器(100)，其中所述控制系统(230)配置成与变速器输出轴速度传感器(234)通信，以确定所述变速器(208)输出速度和机器(100)速度比例因子。
8.根据权利要求5所述的机器(100)，其中所述控制系统(230)配置成与变速器输出扭矩传感器(238)通信，以确定所述变速器(208)输出扭矩和变速器(208)输出扭矩比例因子。
9.根据权利要求5所述的机器(100)，其中所述控制系统(230)配置成与转向角传感器(242)通信，以确定所述机器(100)的转向程度和转向角比例因子。
10.根据权利要求9所述的机器(100)，其中所述控制系统还配置成基于所述机器速度比例因子、所述变速器(208)输出扭矩比例因子、转向角比例因子以及最大液压压力来确定所述锁定机构(222)的离合器组件(226)上的所需液压压力，并与所述控制阀(228)通信以向所述锁定机构(222)的所述离合器组件(226)上施加所述所需液压压力。
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