JP5152530B2 - ハイブリッドアースムーバー - Google Patents

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Description

本発明は、一般的に、車両のパワートレインシステムに関し、特に、液圧ハイブリッドパワートレインシステムに関する。より詳しくは、本発明は、アースムーバー(土木機械)のための液圧ハイブリッドパワートレインシステムに関する。
可変容量形ポンプと共にアースムーバーにおいて使用されるような、液圧システムを提供することは良く知られている。可変容量形ポンプは、歯車ポンプに比べて効率的であり、というのは、それは液圧システムが必要とする油の量だけをポンプ送出するためである。液圧ラムがいずれも動作していないとき、ポンプは単に油のポンプ送出を停止する。これは、バックホーの燃料消費を非常に抑える。
このシステムの利点は、利用可能なエンジン出力を最良に使用できることである。ほとんどのバックホーは、複数の異なるエンジン速度のオプションを有する。エンジンが最大速度であるとき、バックホーは、作業のための最大出力を有する。エンジンの速度が減少したとき、バックホーは、少ない利用可能な出力を有する。
このシステムの不都合は、エンジンが特定の速度で発生できる出力よりも大きな出力をポンプが消費しようとするならば、エンジンが停止することである。これを避けるために、システムは、すべての液圧ラムの圧力を監視し、斜板カムの角度を制御して、最も高い圧力レベルを有するラムの要求を満たす。全圧力が必要でないならば、可変容量形ポンプは、その変位を増加させて、それにより、流体流量を高め、ツールをより速く動かす。システムが全圧力を要求するときには、ポンプは、その変位を減少させて、エンジンの利用可能な出力を越えないで、圧力を提供できるようにする。システムは、固定された設定のエンジン出力に制限される。
いわゆるハイブリッドパワートレインであって、自動車用のものは、一般に、パワートレインと称され、内燃機関が、電気モータ又は液圧モータなどの補助モータと組み合わせられて利用されて、自動車を駆動する。パラレルハイブリッドとして知られているハイブリッドパワートレインシステムは、代表的な機械的駆動トレイン(内燃機関に結合される)と共に、補助駆動トレイン(補助モータに結合される)を具備している。これらのシステムは、部品が二重に必要なために、重くなって不利である。シリーズハイブリッドとして知られているハイブリッド駆動システムは、機械的パワートレインを廃止し、車両を駆動するために、単に、1又は複数の液圧モータを用い、一方、液圧モータに必要な液圧を提供するためにエンジンを利用する。これらのシステムは、重量の潜在的減少と結果的な効率利得のために、より魅力的である。そうした液圧ハイブリッドパワートレインの魅力は認識されてきたけれども、液圧駆動モータに対するエンジンの動作及び制御に関して、多くの効率の問題点が残されている。
従って、液圧ハイブリッドパワートレインシステム全体の効率を高めるような、液圧ハイブリッドパワートレインシステムを提供することが望ましい。また、この効率的な液圧ハイブリッドパワートレインシステムを、アースムーバーに適用することも望ましい。
現在までのアースムーバーは、道路、建物、及び公共プロジェクトの迅速な開発を提供するが、しかしながら、それらは、それらが行う仕事量のために、多量の燃料を消費する。解決策は、好ましくは、これらの車両を、現在の性能レベルを維持しつつ、より効率的に、より少ない汚染にすることである。
本発明は、シリーズハイブリッドパワートレインシステムであって、この必要な効率の改良を取得するために、パワートレインを3つの区別できる部分に分解し、第1の部分はパワープラントを提供し、エンジンと可変容量形ポンプとから構成され、第2の部分は、このハイブリッドで得られたエネルギーをアキュムレータで保存し、第3の部分は、駆動システムを提供し、好ましくは、2つの別々の駆動システムを備え、この好ましい実施形態の両側は独立して制御され、車輪の関係を変化させずに、ステアリングを可能にする。
好ましい実施形態においては、本発明のアースムーバーで使用するための液圧ハイブリッドパワートレインシステムは、高圧流体を出口に発生するパワープラントであって、可変容量形ポンプと、自動化されたスロットル制御とを具備している、上記パワープラントと、エネルギー保存システムと、駆動システムとを備え、駆動システムは、少なくとも1つの駆動モータであって、高圧流体に応じて、出力に回転運動を発生させる、上記駆動モータを備え、モード選択手段であって、パワープラントの出力と、駆動モータとに結合され、駆動モータの複数の動作モードから、動作モードを選択するための、上記モード選択手段と、制御手段であって、パワープラントと、駆動モータとに結合され、複数の動作モードにおいて、アースムーバーの動作を制御するための、上記制御手段と、を備えていることを特徴とする。
パワープラントは、エンジン駆動の液圧ポンプ/モータを具備し、高圧流体を発生する。液圧ポンプは、好ましくは、可変容量形ポンプであり、システムは、自動化されたスロットル制御を具備している。これらの要素が一緒になって、システムの流体圧力を維持する。駆動システムの内部には、シリンダが設けられ、容積形ポンプ内の変位量を遅らせて、システム圧力を維持する。エネルギー保存システムは、アキュムレータである。
本発明の液圧ハイブリッドパワートレインシステムは、高圧流体を出口に発生するパワープラントと、高圧流体に応じて出力に回転運動を発生させる少なくとも1つの駆動モータと、モード選択手段であって、パワープラントの出力と、少なくとも1つの駆動モータとに結合され、少なくとも1つの駆動モータの複数の動作モードから、動作モードを選択するものを具備し、動作モードには、少なくとも2つのドライブモードと、ニュートラルモードと、リバースモードと、パーキングモードとが含まれる。また、システムは、パワープラントと少なくとも1つの駆動モータとに結合された制御手段を具備し、少なくとも1つの駆動モータの動作を、複数の動作モードにおいて制御し、少なくとも1つの駆動モータへの高圧流体の流れを中断させるための、選択的に動作するブレーキ手段と、ブレーキ手段が動作したとき、少なくとも1つの駆動モータを低圧流体源に結合する、チェックバルブのブリッジ回路とを具備している。
本発明の上述の及びその他の利点は、添付図面を参照した、以下の好ましい実施形態の説明から、当業者に容易に明らかになるだろう。
以下の特許出願は、ここで参照によって引用される。すなわち、米国仮特許出願第60/560,897号、米国特許出願第11/101,837号(現在、米国特許第7,179,070号になっている)、米国仮特許出願第60/655,211号、米国特許出願第11/359,728号、及び米国仮特許出願第60/787,944号である。
次に、図1aを参照すると、本発明による液圧ハイブリッドパワートレインシステムは、全体を符号10にて示している。パワートレインシステム10は、様々な装置において利用され、限定はしないが、例えば、自動車、船、潜水艦、ヘリコプター、アースムーバーなどが、当業者によって認識されるが、明瞭にするため、本発明の以下の説明においては、自動車に据え付けられたものとして参照する。パワートレインシステム10は、パワープラント部分11と、モード選択モジュール43と、制御部分59と、動力配送部分76とを具備している。
パワートレインシステム10におけるパワープラント部分11は、エンジン12を備え、エンジンは燃料源14に連通している。エンジン12は、従来の内燃機関、タービンエンジン、バッテリや燃料電池によって駆動される電気モータなどである。エンジン12は、好ましくは可変容量形液圧ポンプ/モータ16に、選択的にトルクを提供し、これは、その入口側にて液圧流体の低圧源18から供給を受け、出口側の高圧導管20から出力する。液圧流体は、流体であって、限定はしないが、例えば、水、液圧流体、トランスミッション流体などであるか、又は、任意の圧縮性のガスも本発明の範囲に含まれる。ポンプ/モータ16をこのように記載するのは、詳しくは後述するように、システム10のモードに応じて、装置は交互にポンプ又はモータとして機能するためである。
システム10におけるパワープラント部分11は、複数のアクセサリードライブを具備し、限定はしないが、モータ発電機22、空調コンプレッサ24、及び熱ポンプ26が含まれる。モータ発電機22は、動力保守モジュール28に結合され、これはさらに、バッテリーパック30に結合される。熱ポンプ26は、ヒータコア32に連通しており、熱ポンプ26とヒータコア32との両方は、エンジン12のための冷却水源34に連通している。空調コンプレッサ24は、熱交換器36に連通している。アクセサリードライブ22,24,26は、好ましくは、それぞれの電気又は液圧モータによって動作する。変形例としては、アクセサリードライブ22,24,26は、選択的に機械的にエンジン12にクラッチ接続される。アキュムレータ38は、ポンプ/モータ16の出口の高圧導管20に連通している。アキュムレータ38は、高圧液圧流体のためのリザーバとして働き、システム10内の高圧を維持し、そのために、当業者が認識するように、高圧ガスなど(図示せず)によって充填されている。
スロットル制御モジュール40は、ライン24aの信号を介して空調コンプレッサ24から、ライン28aの信号を介して動力保守モジュール28から、及びライン38aの信号を介してアキュムレータ38から、入力信号を受ける。ライン24a,28a,38aの入力信号に基づいて、スロットル制御モジュール40は、ライン42に出力信号を提供し、エンジン12及びポンプ/モータ16のいずれか又は双方を制御するが、詳しくは後述する。ライン24a,28a,38a,42の信号は、様々な要素とスロットル制御モジュール40との間の、電気信号であるか、又は、機械的フィードバックである、スロットル制御モジュール40は、任意の適当な機械的又は電気的装置であって、1又は複数の入力に基づいて、エンジン12及びポンプ/モータ16の動作を制御するように動作可能なものである。
モード選択モジュール43は、モード選択バルブ44を具備し、高圧入力導管46によって、高圧導管20に連通している。モード選択バルブ44は、好ましくは、トランスミッション状のシフトレバー(図示せず)などに結合され、“D”又はドライブ位置(図1aに最良に示される)、“N”又はニュートラル位置(図1bに最良に示される)、“R”又はリバース位置(図1cに最良に示される)、及び、“P”又はパーキング位置(図1dに最良に示される)のうちのひとつに、バルブ44を選択的に動かす。モード選択バルブ44は、低圧入力導管48を結合されて具備し、高圧入力導管46に隣接させている。また、モード選択バルブ44は、高圧出口導管50と低圧出力導管52とを結合されて具備し、これらはモード選択バルブ44の反対側に設けられる。モード選択バルブ44におけるそれぞれの位置P,R,N,Dは、導管46,48,50,52を備えた位置の内部部分を選択的に整列し、システム10における液圧流体の流れの方向を制御するが、これについては詳しくは後述する。“入口”及び“出口”と上述したけれども、動作中には、それぞれの導管46,48,50,52は、システム10の動作状態に応じて、入口として、又は、出口として機能し、詳しくは後述する。
導管50及び52は、ブレーキオーバーライド装置54に接続されている。また、ブレーキオーバーライド装置54は、高圧出力導管56と低圧出力導管58とを接続されて具備し、ブレーキオーバーライド装置54の反対側に設けられる。ブレーキオーバーライド装置54は、第1の又は通常の位置54aと、第2の又はオーバーライド位置54bとを有しているが、詳しくは後述する。
制御部分59は、変位制御バルブ60を具備し、高圧入力導管62によって高圧導管20と連通している。変位制御バルブ60は、低圧入力導管64を接続されて具備し、高圧入力導管62に隣接している。また、変位制御バルブ60は、高圧出力導管66と低圧出口導管68とを接続されて具備し、変位制御バルブ60の反対側に設けられる。変位制御バルブ60は、浮動位置バルブであり、アクセル70とブレーキ72とを結合されて具備し、変位制御バルブ60からの流れを、複数のシリンダ74a,74b,74c,74dへ導く。アクセル70及びブレーキ72は、好ましくは、それぞれ、アクセルペダル及びブレーキペダル(図示せず)に機械的に結合されている。ブレーキ72は、コネクタ73を介して、ブレーキオーバーライド装置54に結合されている。変位制御バルブ60は、第1の又は加速位置60aと、第2の又は保持位置60bと、第3の又は減速位置60cとを有している。変位制御バルブ60のそれぞれの位置60a,60b,60cは、導管62,64,66,68を備えたそれぞれの位置60a,60b,60cの内部部分を選択的に整列し、図2に最も良く示されるように、シリンダ74a,74b,74c,74dへの液圧流体の流れの方向を制御する。
それぞれのシリンダ74a,74b,74c,74dは、コネクタ75a,75b,75c,75dを介して、車両のそれぞれの車輪に設けられた、それぞれの駆動又は牽引モータ76a,76b,76c,76d(動力配送部分76)に機械的に結合されている。モータ76a〜76dは、好ましくは、可変容量形モータである。コネクタ75a〜75dの位置は、当業者が認識するように、斜板カムなどの結合によって、モータ76a〜76dの変位を決定する。高圧出口導管66は、それぞれのシリンダ74a〜74dにおけるピストン(図示せず)の片方に連通し、低圧出口導管68は、シリンダ74a〜74dにおけるピストンの反対側に連通している。システム10は、複数の牽引モータ76a,76b,76c,76dを備えて図示されているけれども、当業者が認識するように、わずか1つのモータを使用しても、本発明の範囲内に含まれる。例えば、自動車における単一モータの装置においては、単一のモータの出力は、差動歯車に結合され、これがさらに、一対の駆動車輪に機械的に結合される。それぞれの牽引モータ76a,76b,76c,76dは、上側ポート77a,77b,77c,77dと、下側ポート78a,78b,78c,78dとを有している。上側ポート77a〜77dと下側ポート78a〜78dとを通る流体の流れの方向は、モータ76a〜76dの方向を決定する。フィードバックコネクタ80は、変位制御バルブ60とシリンダ74a〜74dのピストンとの間に延びている。
チェックバルブブリッジ回路82は、図3に最良に示されるように、複数のチェックバルブ84,86,88,90を具備し、全波整流ブリッジと同様なやり方で配置されている。導管92は、チェックバルブ84の入口と、チェックバルブ86の出口とに連通している。また、導管92は、高圧出力導管56と連通している。導管94は、チェックバルブ86の入口とチェックバルブ88の入口とに連通している。また、導管94は、液圧流体18の低圧源に連通している。導管96は、チェックバルブ88の出口とチェックバルブ90の入口とに連通している。また、導管96は、低圧出力導管56と連通している。導管98は、チェックバルブ84の出口とチェックバルブ90の出口とに連通している。また、導管98は、高圧導管20と連通している。
ポンプ/モータ16とモータ76a〜76dとは、好ましくは、可変容量形ポンプ/モータであって、例えば、米国特許第7,179,070号に示され、同特許の開示をここで参照によって引用し、図4及び図5に示している。変形例としては、ポンプ/モータ16とモータ76a〜76dは、ベーンタイプ又はピストンタイプの可変容量形ポンプ/モータであるか、又は、固定容量形ポンプ/モータである。
次に、図4を参照すると、本発明に従った内歯車装置は、全体を符号100にて示している。装置100は、当業者が認識するように、モータとして、又は、ポンプとして、動作するように構成されているが、本発明の以下の説明においては、モータと称することとする。内歯車モータ100は、中空ハウジング102を具備し、ベース部分104と端部キャップ106とを有している。ベース部分104は、その中に、凹部又はキャビティ108を形成し、そのサイズは、第1のマンドレル110と第1のピストン部材112とを受けるようになっている。端部キャップ106は、少なくとも2つのポート107(一方だけが図示される)を具備し、それぞれ内面と外面との間に延びており、好ましくは端部キャップ106の反対側に設けられる。片方のポート107は、図1a乃至図1eにおける高圧導管20など、流体システムの高圧部分に接続され、他方のポート107は、図1a乃至図1eにおける流体源18など、戻りライン又は流体源に接続される。
第1のマンドレル110は、ベース部分111を延通する開口部114を形成し、第1の外側フランジ116と、複数の間隔を隔てた第2の外側フランジ118とを具備し、ベース部分111の上面113から上方に延在している。内側フランジ120は、第1のマンドレル110のベース部分111から上方に延在し、開口部114に隣接して配置されている。第1の外側フランジ116は、開口部114に隣接して配置される。第2の外側フランジ118は、開口部114と内側フランジ120との両方から間隔を隔てている。第1のシールブッシング122のサイズは、開口部114内に回転可能に合致するように定められ、好ましくは、第1のマンドレル110のベース部分111と実質的に高さが等しく、ブッシングが開口部114に配置されたとき、ブッシング122の上面は、ベース部分111の上面113と、実質的に面一になる。
断面が実質的に円形である外歯車124は、ベース部分111の上面113の頂部に配置されるように適合し、歯車124の屈曲した外面は、外側フランジ116及び118のそれぞれの屈曲した内面に隣接している。外歯車124は、その内面に形成された複数の歯126を具備している。上面113に配置されたとき、歯車124は、外側フランジ118と内側フランジ120との間に軸線方向に固定されている。
断面が実質的に円形である内歯車128は、外面に形成された複数の歯130を具備し、これを延通する開口部132を形成している。歯130は、外歯車124の内面に形成された歯126と噛合するように動作可能である。歯車128の下面は、ブッシング122に延入し、ブッシングと共に回転し、モータ100が組み立てられて動作するとき、歯130は、ブッシング122の対応する歯と協働するが、詳しくは後述する。内歯車128の歯130のそれぞれの外面は、内側フランジ120の内面に隣接している。開口部132は、モータ100が組み立てられたとき、駆動又は出力軸134の自由端を受け入れるように適合している。内歯車128、軸134に沿って、軸線方向に可動になっている。駆動軸134は、ボールベアリング、ローラベアリングなどのベアリング135によって、端部キャップ106に回転可能に支持される。駆動軸134の自由端は、端部キャップ106の上面を越えて所定の距離だけ延びており、モータ100の出力軸として働く。
第2のピストン部材136は、内側部分に開口部138を形成し、第1のマンドレル110の外側フランジ116及び118の上面にそれぞれ取り付けられるように適合している。従って、第2のピストン136と第1のピストン112は、下側マンドレル110のそれぞれ上面と下面とに取り付けられる。
第2のマンドレル140は、第2のピストン部材136の開口部138に配置されるように適合し、駆動軸134を受け入れるために、内側部分に開口部142が形成されている。第2のマンドレル140は、下向きに延びるフランジ144を具備し、モータ100が組み立てられたとき、第1のマンドレル110における上方へ延びた内側フランジ120と協働する。上側マンドレル140は、これを延通する一対のボア孔146を具備し、モータ100の動作中に、歯車122及び124と連通している。
第2のシールブッシング148は、その外面に形成された複数の歯150を具備し、これを延通する開口部152を形成している。第2のシールブッシング148は、開口部152に上側マンドレル140を受け入れるように適合し、外歯車124に受け入れられてそれと共に回転し、モータ100が組み立てられて動作するとき、歯126は、ブッシング148の歯150と協働するが、詳しくは後述する。
モータ100が組み立てられたとき、第1のマンドレル110と第1のピストン112とは、ハウジング102におけるベース部分104に配置され、第1のシールブッシング122は、マンドレル110内に配置され、外歯車124は、マンドレル110上に配置される。内歯車132と第2のマンドレル138とは、駆動軸134に取り付けられ、歯車132及び124のそれぞれの歯126及び130が回転可能に噛合し、内歯車132が第1のシールブッシング122と係合するように組み立てられる。第2のピストン136は、マンドレル110の上面に取り付けられ、第2のシールブッシング148は、第2のマンドレル138上に配置され、外歯車124と係合する。下向きに延びたフランジ144は、上方へ延びた内側フランジ120と協働し、外歯車の内側を、モータ100の入口チャンバと排出チャンバとに分割し、上側端部キャップ106はベース部分104に取り付けられて、ハウジング102を閉じている。フランジ120及び144は、歯126と歯130との間で、半径方向に延び、フランジの片方の側に入口チャンバを形成し、フランジの他方の側に排出チャンバを形成する。
動作に際しては、軸134は、車両の車輪などの負荷(図示せず)に結合される。加圧流体は、図1a乃至図1eにおける高圧導管20などの流体システムから導入され、一方のポート107を通り、ボア孔146を通って歯車124及び128の入口チャンバ側を迂回し、噛合する歯126及び130に対して作用して、歯車及び軸を回転させ、歯の間を流れて排出チャンバへ至り、他方のボア孔146を通って他方のポート107へと排出される。第1のシールブッシング122は、内歯車128と第1のマンドレル110との間に回転シールを提供し、第2のシールブッシング148は、外歯車124と第2のマンドレル140との間に回転シールを提供し、入口チャンバ及び排出チャンバの完全性を確保する。本発明によるモータ100は、流体シールを維持するために、わずかにシール122及び148だけを必要とし、モータ100の効率的な動作が得られる。
歯車124及び128の歯126及び130の間の通常の又はデフォルトの空間的関係は、歯126及び130が、歯の軸線領域の実質的にすべてで係合するようになっている。そうした関係においては、モータ100は、その最大体積流れ又は最大出力を発生する。本発明によるモータ100は、内歯車128は軸134に沿って軸線方向に可動であるので、その最大変位から有利に変化する。内歯車128が第1のマンドレル110に向かって動くと、歯126及び130が係合する軸線領域が小さくなり、モータ100の体積流れ又は変位を減少させる。
ユニット100がモータとして構成されるときには、外部圧力源、例えば、外部液圧ポンプからの液圧流体、空気圧縮機からの圧縮空気などが、ポート107への体積流れを提供し、歯車124及び128を回転させて、軸134に出力トルクを発生させる。圧力が変化すると、内歯車128は、軸134の軸線に沿って動いて、モータ100の出力馬力を変化させる。モータ100は、出力負荷が広く変化する下で、出力回転数を制御するために有利に利用され、限定はしないが、それらには、自動車、タレット、大型機械、アースムーバー、大型掘削ドリル、船、農業機器、又はその他が含まれる。
ユニット100がポンプとして構成されるとき、図1a乃至図1eのエンジン12などの原動力は、軸134を低速にて、又は低トルクにて回転させ、ポンプ100は、ポンプハウジング102の内圧に基づいて、出力を変化させることで、減少した入力速度又は入力トルクに反応する。この状態においては、出力ポート107は、排出チャンバに高い背圧を生じさせ、内歯車128は、軸134の軸線に沿って動き、歯車128が連続動作と平衡する箇所又はその付近に、軸線に沿った箇所に至る。従って、ポンプ100は、内歯車128が上側マンドレル140に実質的に隣接した、最大出力又は変位から、内歯車128が下側マンドレル110に実質的に隣接した、最小変位へと変化することができる。
次に、図5を参照すると、本発明による外歯車装置の全体を符号200にて示している。装置200は、当業者が認識するように、ポンプとして、又は、モータとして動作するように構成されているが、本発明の説明を簡素化するために、ポンプとして参照する。外歯車ポンプ200は、中空ハウジング202を具備し、第1の端部キャップ204と第2の端部キャップ206とを、本体部分208によって結合されて有している。好ましくは、第1の端部キャップ204と第2の端部キャップ206とは、高強度ボルトなどの、複数の固定具210によって、本体部分208に取り付けられる。本体部分208は、内部に凹部212を形成している。
第1の歯車214は、その外面に形成された複数の歯216を有し、第2の歯車218は、その外面に形成された複数の歯220を有し、これらの歯車は、ハウジング202の凹部212内に配置されるように適合している。それぞれの歯車214及び218の歯216及び220は、ポンプ200の動作中に、凹部又はポンプキャビティ212内において、回転可能に噛合するように動作する。第1の歯車214は、そこから延びた軸222を有し、第2の歯車216は、そこから延びた段差付き軸224を有している。第1の歯車214は、軸222に固定され、第2の歯車218は、軸224に沿って軸線方向に可動になっている。軸222及び224は、軸線方向の反対側に延びており、軸224は、軸222に比べて大きな長さになっている。第1のシールスリーブ226は、内歯を有して、第1の歯車214を受け入れ、第2のシールスリーブ228は、内歯を有して、第2の歯車218の端部を受け入れる。
板状取付具230は、下向きに延びたフランジ232を具備し、平坦な上面の上にある第1のスラスト板234に取り付けられている。好ましくは、スラスト板234は、高強度ボルトなど、複数の固定具236によって、取付具230に取り付けられている。軸222の自由端は、取付具230及びスラスト板234に形成された開口部を通って延びている。軸222の自由端は、一対のナット238によって、取付具230及びスラスト板234に回転可能に固定され、ボールベアリング、ローラベアリングなどのベアリング240によって回転可能に支持されている。第2のシールスリーブ228は、フランジ232と隣接した取付具230の凹部に受け入れられるように動作する。軸222が、取付具230及びスラスト板234に取り付けられたとき、歯車214は、ハウジング202に対して軸線方向に固定される。
第2のスラスト板242は、高強度ボルトなどの複数の固定具244によって、第1の端部キャップ204の上面205に取り付けられる。板242は、軸224の自由端を受け入れるための開口部と、自由端キャップ204の上面に隣接した第1のシールスリーブ226を受け入れて配置するための大きな開口部とを具備している。軸224の自由端は、板242の開口部を延通し、段差にて一対のナットに螺合し、ポールベアリング、ローラベアリングなどのベアリング248によって回転可能に支持される。ベアリング248は、好ましくは、第1の端部キャップ204の上面205に形成されたキャビティ250内に配置され、一方、ナット246は、軸224を、上面205とは反対側の下面に設けた端部キャップに取り付ける。軸224の自由端は、端部キャップ204の下面を越えて所定の距離だけ延びており、ポンプ200の駆動軸又は出力軸として働く。
本体部分208には、第1のポート252及び第2のポート254が形成され、それぞれ内面と外面との間に延びている。片方のポート252及び254は、図1a乃至図1eの液圧流体源18など、流体システムの低圧部分に接続され、他方のポート252及び254は、図1a乃至図1eの高圧導管20など、流体システムの高圧又は加圧部分に接続される。
動作に際しては、軸224は、図1a乃至図1eにおけるエンジン12などの原動力に結合される。原動力が軸224を回転させるとき、歯車218は回転し、歯車214を回転させる。片方のポート252又は254を通して流体システムから導入された流体は、当業者に良く知られているように、噛合する歯216及び220の間に捕らえられ、他方のポート252又は254を通して排出される。適当な通路は、ハウジング202内に形成され、ポンプ200の動作中に、流体が正しく迂回することを確保する。第1のシールスリーブ226は、第1の歯車214と上面205との間に回転シールを提供し、第2のシールスリーブ228は、第2の歯車218と取付具230との間に回転シールを提供して、ポンプキャビティ212の完全性を確保する。本発明によるポンプ200は、シールを維持するために、わずかにシールスリーブ226及び228だけを必要とし、ポンプ200の効率的な動作が得られる。
歯車214及び218の歯216及び220の間の通常の又はデフォルトの空間的関係は、歯216及び220が、歯の軸線領域の実質的にすべてで係合するようになっている。そうした関係においては、ポンプ200は、その最大体積流れ又は最大出力を発生する。本発明によるポンプ200は、第2の歯車218が軸224に沿って軸線方向に可動であるので、その最大変位から有利に変化する。第2の歯車218が下側スラスト板242に向かって動くと、歯216及び220が係合する軸線領域が小さくなり、ポンプ200の体積流れ又は変位を減少させる。代表的には、これが生じるのは、原動力が低速にて又は低トルクにて軸224を回転させ、ポンプ200は、ポンプハウジング202の内圧に基づいて、出力を変化させることで、減少した入力速度又は入力トルクに反応する。この状態においては、出力ポート252又は254は、凹部212に高い背圧を生じさせ、第2の歯車218は、軸224の軸線に沿って動き、歯車218が連続動作と平衡する箇所又はその付近の、軸線に沿った箇所に至る。従って、ポンプ200は、歯車218が取付具230に実質的に隣接した、最大出力又は変位から、歯車218が下側スラスト板242に実質的に隣接した、最小変位へと変化することができる。
装置200がモータとして構成されるときには、外部圧力源、例えば、外部液圧ポンプからの液圧流体、空気圧縮機からの圧縮空気などが、ポート252及び254への体積流れを提供し、歯車214及び218を回転させて、軸224に出力トルクを発生させる。圧力が変化すると、第2の歯車218は、軸224の軸線に沿って動いて、モータ200の出力馬力を変化させる。モータ200は、出力負荷が広く変化する下で、出力回転数を制御するために有利に利用され、限定はしないが、それらには、自動車、タレット、大型機械、アースムーバー、大型掘削ドリル、船、農業機器、又はその他が含まれる。
システム10の動作においては、エンジン12が始動し、ポンプ/モータ16にトルクを供給して、これが、高圧導管20に加圧液圧流体を供給する。アキュムレータ38は、導管20の内部の液圧圧力を比較的安定して維持することを確保し、当業者に良く知られているやり方で、エネルギー保存を提供する。導管20の圧力は、導管46,62,98に伝達される。
図1aを参照すると、モード選択バルブ44がD又はドライブ位置にあり、ブレーキオーバーライド装置54が54aの位置にあるとき、液圧流体は導管46を通って流れ、モード選択バルブ44を通り、D位置に矢印で示した方向に導管50を出て、ブレーキオーバーライド装置54を通り、54aの位置の矢印で示した方向に導管56を出てモータ76a〜76dの上側ポート77a〜77dのそれぞれに向かい、モータ76a〜76dを通ってそれぞれの下側ポート78a〜78dへ向かい、圧力を低下させて、当業者に知られたやり方にて、それぞれのモータ76a〜76dに前進方向の出力トルクを提供する。下側ポート78a〜78dの低圧の液圧流体は、導管58を通り、ブレーキオーバーライド装置を通って、54aの位置の矢印に示した方向に導管52を出て、モード選択バルブ44を通り、D位置の矢印に示した方向に導管48を出て、液圧流体源18に至る。
図1bを参照すると、モード選択バルブ44がN又はニュートラル位置にあり、ブレーキオーバーライド装置54が54aの位置にあるとき、液圧流体は導管46を通って流れるが、N位置において導管46と隣接したキャップによって、モード選択バルブ44を通り抜けることを防がれる。出力導管50及び52は、導管48にて、低圧液圧流体と連通しており、従って、ブレーキオーバーライド装置54を通り又はモータ76a〜76dへ向かう流体流れは存在せず、導管50及び56内の圧力は、導管52及び58内の圧力と釣り合う。N位置にあるとき、任意のモータ76a〜76dが油流れを要求するならば、リザーバ18からの油が、モータ76a〜76dを通って流れるために利用可能である。
図1cを参照すると、モード選択バルブ44がR又はリバース位置にあり、ブレーキオーバーライド装置54が54aの位置にあるとき、液圧流体は導管46を通って流れ、モード選択バルブ44を通り、R位置に矢印で示した方向に導管52を出て、ブレーキオーバーライド装置54を通り、54aの位置の矢印で示した方向に導管58を出て、モータ76a〜76dの下側ポート78a〜78dのそれぞれに向かい、モータ76a〜76dを通ってそれぞれの上側ポート77a〜77dへ向かい、圧力を低下させて、当業者に知られたやり方にて、それぞれのモータ76a〜76dに後進方向の出力トルクを提供する。下側ポート77a〜77dの低圧の液圧流体は、導管56を通り、ブレーキオーバーライド装置を通って、54aの位置の矢印に示した方向に導管50を出て、モード選択バルブ44を通り、D位置の矢印に示した方向に導管48を出て、液圧流体源18に至る。
図1dを参照すると、モード選択バルブ44がP又はパーキング位置にあり、ブレーキオーバーライド装置54が54aの位置にあるとき、液圧流体は導管46,48,50,52のいずれをも流れることなく、P位置においてそれぞれの導管46,48,50,52と隣接したキャップによって、モータ76a〜76dに流体が流れることを防止する。
上に概説したように、第1の位置54aにおいて、ブレーキオーバーライド装置54は、(モード選択バルブ44の位置に応じて)、導管50及び56との間において、及び導管52及び58との間において、液圧流体が流れることを許容する。しかしながら、第2の位置54bにおいては、図1eに最良に示されるように、液圧流体は、導管50,52,56,58のいずれをも流れることがなく、第2の位置54bにおいてそれぞれの導管50,52,56,58と隣接したキャップが、ブレーキオーバーライド装置54を通るすべての流れを防止している。ブレーキオーバーライド装置54が、その通常の第1の位置54aから第2の位置54bへ動くには、ブレーキ72が動作して、コネクタ73に沿った信号が伝達されることで、変位制御バルブ44からモータ76a〜76dへの液圧流体の流れが防止される。
動作に際して、モード選択バルブ44がD又はドライブ位置にあり、ブレーキ72が係合し、オーバーライド装置54が第2の位置54bに動かされるならば、モータ76a〜76dのための唯一の液圧流体源は、チェックバルブブリッジ回路82であり、従って、すべての流体流れは、チェックバルブブリッジ回路82を通って迂回する。ブレーキ中には、モータ76a〜76dは、ポンプとして機能し始め、有利には、制動中の車両の車輪の回転から、エネルギーを取り戻す。D位置においてブレーキをかけると、液圧流体は、液圧流体源18から流れて、導管94を通り、チェックバルブ86を通って、導管92を通り、上側ポート77〜77dへ向かい、モータ76a〜76dへ向かい、ここで、液圧流体圧力が上昇する。次に、高圧液圧流体は、モータ76a〜76dから流れ、下側ポート78a〜78dを通り、導管96を通り、仮に、導管96の圧力が導管98に比べて高いならば、チェックバルブ90を通り、導管98に入り、ここで、高圧液圧流体は、導管20に流れて、アキュムレータ38を再充填する。
モード選択バルブ44がR位置にあるときにブレーキをかけると、液圧流体は、液圧流体源18から流れ、導管94を通り、チェックバルブ88を通り、導管96を通り、下側ポート78a〜78dに向かい、モータ76a〜76dに向かい、ここで、液圧流体圧力が上昇する。次に、高圧液圧流体は、モータ76a〜76dから流れ、上側ポート77a〜77dを通り、導管92を通り、仮に、導管92の圧力が導管98に比べて高いならば、チェックバルブ84を通って導管98に入り、ここで、高圧液圧流体は導管20に流れて、アキュムレータを再充填する。
チェックバルブブリッジ回路82は、いったん車両が完全に停止したとき、液圧流体が逆方向にモータ76a〜76dに流れることを防ぐように機能する。モード選択バルブ44がD位置にあるとき、ブレーキをかけると、ブレーキオーバーライド装置54は54bの位置へ動いて、モード選択バルブ44からモータ76a〜76dへ流体が流れるのを防止する。高圧導管20からの流れは、導管98を介して、モータ76a〜76dへ到達しようと試みるが、チェックバルブ84及び90を介して、モータに流れることは防がれる。チェックバルブブリッジ回路82が、導管98への流れを許容するのは、チェックバルブ84を通して導管92から、又は、チェックバルブ90を介して導管96からだけであり、これが生じるのは、導管56及び92又は導管58及び96の圧力が、導管98の圧力に比べて高いときだけである。導管92の圧力が導管98及び導管94の圧力に比べて低いならば、チェックバルブ86は開くが、導管94が低圧であるので、リザーバ18から導管92へ流れは生じない。同様に、導管96の圧力が導管98及び導管94の圧力に比べて低いならば、チェックバルブ88は開くが、導管94が低圧であるので、リザーバ18から導管96への流れは生ずることがなく、有利には、車両が完全に停止した後に、高圧液圧流体がモータ76a〜76dからエンジンへ逆方向に流れるのを防止する。
動作に際しては、システム10を通る液圧流体の流れは、オペレータによって、変位制御バルブ60に結合されたアクセル70及びブレーキ72を介して制御される。コネクタ80と結合部75a〜75dとは、適当なリンクなどを介して一緒に結合され、モータ76a〜76dは、結合部75a〜75dを介して、変位制御バルブ60にフィードバックを提供し、このやり方は、コネクタ80が結合部75a〜75dを通してモータ76a〜76dに制御を提供するのと同様である。
例えば、車両のユーザ(図示せず)がアクセル70を押圧すると、これは、フィードバックコネクタ80を加速方向に動かし、変位制御バルブ60を60aの位置へ向けて動かす。導管62からの高圧流体は、変位制御バルブ60のポートを通って流れ、導管66の圧力を高め、シリンダ74a〜74dへ流れる。導管66の圧力は、導管68の圧力に比べて高いために、コネクタ75a〜75dは加速方向へ動き、変位を増加させて、従って、モータ76a〜76dの出力トルクを増加させる。
いったん、モータ76a〜76dが所望の出力トルクに達したならば、モータ76a〜76dのスロットルは後退して、コネクタ75a〜75dを減速方向へ動かし、導管66の圧力を低下させ、導管68の圧力を上昇させる。この動きは、フィードバックコネクタ80によって、変位制御バルブ60に戻され、変位制御バルブを60bの位置へ向けて動かす。この位置60bにおいては、変位制御バルブ60を通る流れは存在せず、従って、コネクタ75a〜75bは静止維持され、モータ76a〜76dの変位、従って出力トルクは一定に維持される。
ユーザが彼又は彼女の足をアクセル70から離すと、これにより、フィードバックコネクタ80は減速方向へ動き、変位制御バルブ60を60cの位置へ向けて動かす。導管62からの高圧流体は、変位制御バルブ60のポートを通って流れ、導管68の圧力を高め、シリンダ74a〜74dに流入する。導管68の圧力は導管66の圧力に比べて高いので、コネクタ75a〜75dは減速方向へ動き、モータ76a〜76dの変位を、従って、出力トルクを減少させる。
有利には、アクセル70とエンジン12との間には、いかなる直接的結合も存在しない。むしろ、エンジン12は、エンジン速度(ライン42の信号に基づく)と、トルク(変位制御バルブ60の位置に基づき、アクセル70の位置の影響を受ける)と、システム圧力(ライン38aの信号に基づく)との組合せに基づいて動作し制御される。この入力の組合せによって、システム10のスロットル制御モジュール40は、エンジン12をピーク効率にて常に運転でき、既知のエンジン効率パラメータに基づき、従って、エンジン12及びシステム10に比例制御を提供する。システム10が完全に充填されたときには、エンジン12は、有利には停止させて、瞬間的な燃料消費をゼロに減少させる。システム圧力が低下すると、エンジン12は、再始動して、再び導管20に圧力を提供する。
空調コンプレッサ24と、動力保守モジュール28と、アキュムレータ38との状態又は動作状態に基づいて(ライン24a,28a,38aのそれぞれの信号によって決定される)、スロットル制御モジュール40は、ライン42に信号を送出し、エンジン12を始動又は停止させ、及び/又は、ポンプ/モータ16の変位を変化させる。
導管20内のシステム圧力が高まると、アキュムレータは充填し、ポンプ/モータ16からの流量は減少する。ポンプ/モータ16の流れは減少を続け、ついには、システム圧力は、モータ76a〜76dへの出力に起因して低下する。ポンプ/モータ16の流れがゼロに達すると、いつでも、再び流れが必要になるまで、エンジン12は停止する。また、アクセサリーが出力を要求するならば、エンジン12がエンストするのを防ぐために、ポンプ/モータ16の流れは減少する(アクセサリーはエンジン12にクラッチ結合されていると仮定する。)。パワートレインシステム10は、動力消費の速度を平均化することで、その効率を得る。間欠的なバーストに必要なエネルギーは、アキュムレータ38に保存されたエネルギーによって供給される。ポンプ/モータ16は、車両を推進するのに必要な平均流れに比べて大きな流れを提供する。ポンプ16によって発生した余分な流れは、アキュムレータ38に保存される。
本発明による液圧ハイブリッドパワートレインシステム10は、有利には、複雑でなく、率直な制御方法論を提供し、モータ76a〜76dから応答する出力トルクが、いったん変位が増加すると、非常に迅速であるという事実のおかげで、システム10に極めて敏感な制御手段を提供する。
図6を参照すると、アースムーバーで使用するための、上述した好ましいシリーズハイブリッド液圧システムを模式的に示している。システム300は、連通した3つの区別できる部分に分割され、パワープラント310と、エネルギー保存312と、駆動システム314とに分けられる。
パワープラント310は、一般的に、エンジン(図示せず)と、可変容量形ポンプ316と、自動化されたスロットル制御318と、一方弁320とからなる。システム300におけるこの部分は、2つの主要な機能を有する。第1の機能は、システム圧力を維持することである。これを達成するために、可変容量形ポンプ316を提供し、自動化されたスロットル制御318と組み合わせる。これらの2つの制御を組み合わせることによって、エンジンを常時、効率的に動作させ、いくつかの動作モードにおいては、エンジンは停止でき、車両は保存されたエネルギーで依然として動作できる。
エネルギー保存312は、アキュムレータ322を備えている。ポンプ316からのすべての出力は、一方弁320を通り、駆動システム314とアクセサリー324とへ向かう。即座の使用には必要でないエネルギーは、アキュムレータ322に保存される。アキュムレータ322は、車両がパワープラントの能力を越えて必要なとき、一時的に、油の流れを補足する。
駆動システム314は、オペレータによって制御される、システムの運転の唯一の部分である。それぞれのモータ326,328のための制御は、2つのレバーで出来るほど簡単で、それぞれの手で1つを操作する。両方の制御を同一の方向に押すと、モータの変位は高まって、モータ326,328のトルクは、車両を静止させている摩擦を越えて、所望の方向への動きが得られる。パワープラントがシステム圧力を維持できない位置に、レバーが保持されたならば、シリンダ330,332は、オペレータが利用可能な変位量を後退させ始め、システム圧力を維持する。シリンダ330,332は、モータ326,328のガバナと同様に作用し、制御シーケンスの手動調整よりもむしろ、自動調整の利点を有する。
アースムーバーをターンさせるには、単に、一方のレバーを動かすか、又は、代わりに、レバーを反対方向に動かす。また、液圧エネルギーは、好ましくは、リフト及びバケット324又はその他のアタッチメントを動作させるために配備される。クローズドセンタシステムによれば、オープンセンタシステムに比べて、はるかに効率的にリフトを動作できる。
当業者は認識するだろうが、本発明によるシステム10は、任意の数のシステムに液圧出力を供給するのに利用され、それらには、限定はしないが、例えば、船、ボート、又は、潜水艦などの浮上又は潜水船舶、又は、特にヘリコプターの推進システムが含まれる。要するに、ポンプ/モータ16の出力は、パワートレインシステム10と共に利用され、任意の数の液圧モータ、例えばモータ76a〜76dを任意の数の目的のために運転し、これらは本発明の範囲に維持される。
コネクタ73,75a〜75d,80と、ライン24a,28a,38a,42の信号とは、任意のタイプの機械的コネクタ、例えば、液圧ライン、ケーブル、金属棒などであるか、又は、ソレノイドバルブなどと連通した電気信号でもよく、これらは本発明の範囲内に維持される。
特許法令の規定に従って、本発明は、好ましい実施形態を表すと考えられるものについて記述した。しかしながら、本発明は、その精神及び範囲から逸脱せずに、特に図示して説明したものとは別な具合に実施できることに留意すべきである。
本発明による液圧ハイブリッドパワートレインシステムを示した模式図であって、モード選択バルブは、“ドライブ”位置になっている。 図1aの液圧ハイブリッドパワートレインシステムであって、モード選択バルブは、“ニュートラル”位置になっている。 図1aの液圧ハイブリッドパワートレインシステムであって、モード選択バルブは、“リバース”位置になっている。 図1aの液圧ハイブリッドパワートレインシステムであって、モード選択バルブは、“パーキング”位置になっている。 図1aの液圧ハイブリッドパワートレインシステムであって、ブレーキオーバーライド装置は、オーバーライド位置になっている。 図1a乃至図1dの駆動モータと変位制御装置とを拡大して示した模式図である。 図1a乃至図1dのブレーキオーバーライド装置とチェックバルブブリッジ回路とを拡大して示した模式図である。 本発明による内歯車ポンプ/モータを示した分解斜視図である。 本発明による外歯車ポンプ/モータを示した一部分解斜視図である。 本発明による好ましいハイブリッドアースムーバーシステムを示した模式図である。

Claims (8)

  1. アースムーバーで使用するための液圧ハイブリッドパワートレインシステム300であって、
    高圧流体を出口320に発生するパワープラント310であって、可変容量形ポンプ316と、自動化されたスロットル制御318とを具備している上記パワープラントを含み、
    前記パワープラントは、前記可変容量形ポンプ316を駆動して高圧流体を発生させるエンジンを含み、前記自動スロットル制御318は、前記可変容量形ポンプ316及び前記エンジン12と連通し、前記可変容量形ポンプ316及び自動スロットル制御318はシステムの流圧を維持し、
    さらに、前記パワープラント310の可変容量形ポンプ316及びエンジン12と連通するエネルギー保存システム312を含み、
    前記エネルギー保存システム312は、アキュムレータ38であって、
    さらに、前記高圧流体に応じて、出力に回転運動を発生させる少なくとも1つの駆動モータ76を備える駆動システム314を含み、
    前記少なくとも1つの駆動モータ76は可変容量形ポンプ/モータであって、
    さらに、前記パワープラントの出力と、前記少なくとも1つの駆動モータ326,328とに結合され、前記少なくとも1つの駆動モータ326,328の複数の動作モードから、動作モード324を選択するためのモード選択手段を含み、
    前記アキュムレータ38は、前記モード選択手段が前記パワープラント能力を越えた時に、高圧流体の流れを補足し、
    さらに、前記パワープラント310と、前記少なくとも1つの駆動モータ326,328とに結合され、前記複数の動作モードにおいて、アースムーバーの動作を制御するための制御手段を含み、
    前記制御手段は、前記駆動モータ326,328の変位を選択的に変更し、
    前記制御手段は、前記駆動モータを制御するためのシリンダを制御して前記システムの流体圧力を維持するアクセル70及びブレーキ72を含む、ことを特徴とするシステム。
  2. 前記パワートレインシステムにリンクされたクローズドセンタアクセサリーシステムをさらに備えていることを特徴とする請求項1に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  3. さらに、前記可変容量形ポンプ316及び前記アキュムレータ38との間に設けられた一方向弁320を含む、請求項2に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  4. 前記パワープラント310の前記可変容量形ポンプ316からの全ての高圧流体は、前記一方向弁320を通り前記駆動システム314、前記エネルギー保存システム312、及び前記クローズドセンタアクセサリーシステムに到達する、請求項3に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  5. 前記駆動システムによる即時の使用のために必要のないエネルギーは高圧流体としてアキュムレータ38に貯蔵されている、請求項1に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  6. 前記駆動システム制御手段は、さらに、流体シリンダ330、332と連通した第1の制御バルブを含み、前記アクセル70及びブレーキ72は変位制御バルブ60に接続され、前記変位制御バルブ60は、高圧の流体を、前記アクセル70及びブレーキ72のうちの少なくとも一方から、流体シリンダ330、332の少なくとも一つに向けるように、かつ、加速位置60a、保持位置60b、及び減速位置60cの夫々を有するように形成され、前記少なくとも一つの流体シリンダ330、332は、前記アースムーバーの車輪を制御するために、前記少なくとも一つの駆動モータ326、328に操作可能に接続されている、請求項1に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  7. 前記流体シリンダ330、332及び前記第1の制御バルブは、作業員が制御手段により変更する前記駆動モータ326、328の変位量を遅延させるように協働する、請求項に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
  8. 前記エンジン12は、選択的に止められ、前記アースムーバーは、選択的に、依然としてエネルギー貯蔵システム312に貯蔵されたエネルギーにより操作される、請求項1に記載の液圧ハイブリッドパワートレインシステム300。
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