用于实现静液压传动机器中的同时排量变化的方法

摘要

提供了一种用于控制静液压传动机器(10)中的传动比变化的方法。该静液压传动机器(10)包括可变排量泵(18)和与该可变排量泵(18)流体连接的至少一个可变排量马达(22)。该方法包括确定与从当前传动比到新传动比的变化对应的传动比变化率(106)的步骤。与传动比变化率(106)对应的起始和终止重叠传动比(124,126,154,156)被确定并且限定出重叠范围(128,158)。至少部分通过以在重叠范围(128,158)内的传动比同时改变可变排量泵(18)和至少一个可变排量马达(22)的排量并以在重叠范围(128,158)之外的传动比先后改变可变排量泵(18)和至少一个可变排量马达(22)的排量使用电子信号来使当前传动比改变为新传动比。

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于静液压传动机器的控制系统和方法，并且更具体 地涉及用于实现静液压传动机器中的同时排量变化的控制系统和方法。

背景技术

已知许多机器包括非公路用(工程)机器使用无级变速器来驱动机器的 地面接合件如车轮或履带。例如，静液压传动系统通常包括由机器的原动 机诸如内燃机驱动的至少一个泵。该泵可构造成驱动一组或多组马达，而 所述一组或多组马达又给机器的地面接合件提供动力。泵和/或马达可提供 可变排量，以使得可在机器正在运行的状态下调节静液压传动系统的构件 之间的流体流量。结果，可连续改变驱动轮的方向、转速和转矩。

在典型的工作循环期间，操作员可选择如静液压传动系统容许的那样 快速改变所述方向、转速和/或转矩，以使该工作循环的性能效率最大化。 例如，操作员可能希望以最大速度朝料堆驱动，拾取材料负载，并且快速 后退离开该料堆以将负载运输到新的位置。然而，如果操作员指令静液压 传动系统过快地加速、减速或改变方向，则静液压传动系统的构件可能无 法进行这么快的转换，并且因此机器可能发生跳动或拖曳。这种为了速度 而牺牲平稳度可能引起例如由操作员的不适和疲劳和/或溢出一部分负载 导致的效率降低。因此，操作员可能期望静液压传动系统的快速响应与静 液压传动系统的转换的平稳度的平衡。

授予Elliott的美国专利US7,958,725教导了一种实现静液压传动系统 中的同时排量变化的方法。该方法包括确定静液压传动系统的旋转流体致 动器产生期望传动比变化所需的总排量变化。如果总排量变化高于预定的 阈值，则旋转流体致动器的排量同时变化。然而，如果总排量变化低于预 定的阈值，则旋转流体致动器的排量先后变化。

本发明针对于以上阐述的课题或问题中的一个或多个。

发明内容

在一个方面，提供了一种用于控制静液压传动机器中的传动比变化的 方法。该静液压传动机器包括可变排量泵和与该可变排量泵流体连接的至 少一个可变排量马达。该方法包括确定与从当前传动比到新传动比的变化 对应的传动比变化率的步骤。确定与传动比变化率对应的起始和终止重叠 传动比并且限定出重叠范围。至少部分通过以在重叠范围内的传动比同时 改变可变排量泵和至少一个可变排量马达的排量并以在重叠范围之外的传 动比先后改变可变排量泵和至少一个可变排量马达的排量使用电子信号来 使当前传动比变化到新传动比。

在另一方面，一种静液压传动机器包括与机器框架联接的地面接合推 进元件和支承在机器框架上的内燃机。可变排量泵与内燃机相联接，并且 用于驱动地面接合推进元件的至少一个可变排量马达与可变排量泵流体连 接。电子控制器与操作员输入装置、可变排量泵和至少一个可变排量马达 通信。电子控制器确定与从当前传动比到新传动比的变化对应的传动比变 化率，并且确定与该传动比变化率对应的起始和终止重叠传动比。至少部 分通过以在由起始和终止重叠传动比限定出的重叠范围内的传动比同时改 变可变排量泵和至少一个可变排量马达的排量，并以在重叠范围之外的传 动比先后改变可变排量泵和至少一个可变排量马达的排量使用电子信号来 使当前传动比变化到新传动比。

附图说明

图1是根据本发明的静液压传动机器的侧视概略图；

图2是根据本发明一个实施例的图1的静液压传动机器的静液压传动 系统的示意图；

图3是根据本发明一个方面的用于控制图1的静液压传动机器的传动 比变化的方法的一个实施例的逻辑流程图；

图4是根据本发明另一方面的与各种传动比变化率对应的起始和终止 重叠排量系数的图表；

图5是示出根据本发明另一方面的与第一传动比变化率对应的第一示 例性重叠范围的曲线图；以及

图6是示出根据本发明另一方面的与第二传动比变化率对应的第二示 例性重叠范围的曲线图。

具体实施方式

在图1中总体示出了机器10的一个示例性实施例。机器10可以是如 图所示的轮式装载机，或具有无级变速器的任何其它非公路用(工程)或 公路用车辆。因此，机器10在文中也称为静液压传动机器或更具体地静液 压传动轮式装载机。在所示的实施例中，机器10总体包括框架12，框架 12具有支承在其上以驱动机器10的地面接合元件16诸如车轮(示出)或履 带的静液压传动系统14。本文中提出的用于控制静液压传动系统14的策 略可以宽泛地适用于任何静液压传动机器，并且因此，应该理解的是，所 提供的特定实施例仅仅基于示例性的目的而提出。

静液压传动系统14通常可包括至少一个泵18，例如液压泵，泵18由 机器10的原动机诸如压燃式或火花点火式内燃机20驱动。泵18可构造成 驱动至少一个马达22，例如一组或多组液压马达，而所述马达22又为机 器10的地面接合元件16提供动力。泵18和马达22中的每一者都可提供 可变排量，以使得可在机器10正行驶的状态下调节静液压传动系统14的 构件之间的流体流量。结果，可连续改变接地元件16或车轮的方向、转速 和转矩。

操作员控制站24也可被支承在框架12上并且可包括可由机器10的操 作员使用的各种控制器和装置。例如，操作员控制站24可包括已知的装置， 例如座椅组件26、转向装置28和一个或多个机器操作控制器30。根据一 特定示例，第一机器操作控制器30可设置用于控制机器的定向运动，而第 二机器操作控制器30可设置用于控制机器的机具32诸如铲斗的操作。操 作员控制站24可包括用于除其它操作方面外尤其控制发动机转速、机器速 度、传动比和驱动力/车轮回转力(rim pull)中的任何一者或全部另外的机器 操作控制器30。

静液压传动系统14的一个具体实施例在图2中示出以进一步描述静液 压传动机器10的控制系统50。如图所示，静液压传动系统14可包括机械 地联接到内燃机20的至少一个可变排量泵18。可变排量泵18可包括双向 可变排量旋转斜盘泵，以使得对泵18的旋转斜盘的调节可调节其排量。应 当理解的是，术语“双向”可指泵能够沿两个方向泵送流体，例如液压流 体。因此，旋转斜盘的角度可在例如用于机器10的向前行驶的第一或正排 量取向与例如用于机器10的后退行驶的第二或负排量取向之间变化。应当 理解的是，零排量或旋转斜盘零角度可引起泵18在旋转时不驱替流体并且 因此不驱动机器10。

根据该示例性实施例，可变排量泵18可与一对可变排量马达22流体 联接，例如并列流体联接。应当理解的是，可变排量泵22与可变排量泵 18的流体联接可允许泵18的相对旋转斜盘角度决定泵送到各马达22的液 压流体的方向和流量。此外，通过在最小排量与最大排量之间调节旋转斜 盘角度，可类似地改变马达22的排量，以调节传递到地面接合元件16的 转矩。如应当理解的，马达22可以不是双向的，如参考泵18所述。然而， 也可使用双向马达而不偏离本发明的范围。

如图所示，各可变排量马达22可与一个地面接合元件16驱动地联接。 更具体地，各可变排量马达22可构造成驱动半轴，该半轴又可构造成驱动 齿轮机构51。齿轮机构51可经差速器53与地面接合元件16驱动地联接。 因此，经第一组流体管路52将液压流体从可变排量泵18泵送到可变排量 马达22可沿第一或向前方向驱动地面接合元件16。如应当理解的，速度 和转矩可取决于相应泵18和马达22的所选排量。经第二组流体管路54 沿反方向泵送流体能以由泵18和马达22的排量决定的速度和转矩沿第二 或后退方向驱动地面接合元件16。更具体地，在用于第一流体流动方向的 正取向与用于相反的流体流动方向的负取向之间调节可变排量泵18可控 制机器10的前进或后退方向。

以上谈到的控制系统50可包括构造成控制静液压传动系统14的操作 的至少一个电子控制器56。因此，电子控制器56在文中也可称为驱动系 统电子控制器。虽然描述了单个电子控制器56，但应当理解的是，控制系 统50可包括多个电子控制器。例如，另外的电子控制器可设置用于控制内 燃机20的运转。因此，控制系统50的每个电子控制器都可构造成横向地 和/或以分级方式通信。因此，应当理解的是，设想从简单到复杂范围的多 种控制系统50供本发明使用。

电子控制器56可具有标准设计并且可包括处理器如中央处理单元、存 储器58以及有利于电子控制器56内部和外部的通信的输入/输出电路。处 理器可通过执行诸如存储在存储器58中的计算机可读的程序代码的操作 指令来控制电子控制器56的操作，其中可在电子控制器56的内部或外部 启动操作。可利用下文提供其一个示例的控制方案，该控制方案经由输入/ 输出电路监视诸如传感器、致动器或控制单元的系统或装置的输出，以控 制对各种其它系统或装置的输入。

存储器58可包括临时存储区，例如缓存器、虚拟存储器或随机存取存 储器，或永久存储区，例如只读存储器、可移动驱动器、网络/因特网存储、 硬盘驱动器、闪速存储器、记忆棒，或任何其它已知的易失性或非易失性 数据存储装置。此类装置可设置在电子控制器56的内部或外部。本领域技 术人员应理解的是，利用用于控制静液压传动系统14的构件的相似构件的 任何基于计算机的系统或装置适于供本发明使用。

根据该示例性实施例，电子控制器56可至少与可变排量泵18和可变 排量马达22通信。更具体地，例如，电子控制器56可与可变排量泵18 通信以调节其旋转斜盘角度，从而获得上述可变排量。根据一个实施例， 泵排量电磁阀诸如比例电磁阀可设置用于改变旋转斜盘角度以及控制流体 流的方向。然而，用于调节排量和流体流动的多种装置是已知的并且可结 合在本发明中。因此，电子控制器56可经由有线或无线通信线路60向可 变排量泵18发出泵排量指令和/或其它指令，以有效地控制可变排量泵18 的排量和流体流的方向。

类似地，电子控制器56可与可变排量马达22通信，以调节马达22 的旋转斜盘的角度。具体地，电子控制器56可经由通信线路60发出马达 排量指令，以控制相应可变排量马达22的排量。使用比例电磁阀或其它类 似装置控制可变排量马达22的排量可允许必要时进行进一步的速度调节 和/或转矩调节以推进静液压传动机器10。如上所述，用于控制排量和流 体流量的装置通常是已知的并且因此在文中不进行更详细的说明。

电子控制器56也可与内燃机20通信以例如通过经由通信线路60发出 控制指令以控制对内燃机20的燃料供给来控制内燃机20的转速。可至少 部分基于加速器踏板34的位置而调节发动机转速。因此，电子控制器56 还经由通信线路60与加速器踏板34通信以检测或监视踏板34的位置，例 如致动量。减速器踏板36的位置也由电子控制器56经由通信线路60监视， 并且连同包括加速器踏板34的另外的输入一起用于控制静液压传动机器 10的地面速度。应该理解的是，控制系统50可包括另外的构件和装置， 并且可监视另外的输入以控制如文中所述的静液压传动系统14。

转到图3，示出代表根据本发明的用于控制静液压传动机器10中的传 动比变化的示例性方法的软件逻辑图70。该方法可通过机器10的控制系 统50来实现。根据一个示例，实施所公开的方法的步骤可呈存储在存储器 58中并由电子控制器56的处理器执行的计算机可读程序代码或其它计算 机可用媒介的形式。该方法可连续运行或者可响应于预定的事件而启动。 根据一个实施例，该方法可响应于一个或多个机器操作控制器30的检测出 的运动而启动。

该方法接收期望传动比72和指令传动比74作为输入。期望传动比72 通常可代表操作员期望的新传动比。例如，操作员可通过操纵一个或多个 机器操作控制器30来表达将静液压传动系统14的当前传动比增大或减小 为新传动比的期望。在本文中，静液压传动系统14的“传动比”可代表泵 排量与马达排量的比率。可基于可代表由操作员设定的固定值的最大允许 传动比而调节期望传动比72，并且此外，可基于任何期望比率限制策略而 限制期望传动比72。然而，指令传动比74可代表静液压传动系统14正在 提供的有效传动比。如应当理解的，例如，当来自内燃机20的动力有限时， 指令传动比74可不同于期望传动比72。

期望传动比72和指令传动比74中的每一者都被馈送到相应的推导框 78或80中。各推导框78和80计算相应的期望传动比72和指令传动比74 的筛选后的导数以得到传动比变化率。期望传动比变化率和指令传动比变 化率中的每一者的绝对值在框82或框84确定并且传入对比框86。在框86， 选择期望传动比变化率和指令传动比变化率中较小的变化率。该较小的传 动比变化率随后在框88用来从下文将参照图4描述的电子存储的重叠排量 系数映射图选择起始重叠泵排量系数。较小的传动比变化率还在框90用来 从重叠排量系数映射图选择终止重叠马达排量系数。起始重叠泵排量系数 92和终止重叠马达排量系数94作为输出提供并且用来计算最终限定出如 下所述的重叠范围的起始和终止重叠传动比。

现在转到图4，示出重叠排量系数的示例性图表或映射图100。图表 100包括与能以每秒传动比变化为单位提供的各种传动比变化率106对应 的能如下所述以排量百分比提供的起始重叠泵排量系数102和终止重叠马 达排量系数104。图表100可存储在存储器58中并且可包括选择成提供期 望性能特征的值，如下文将更详细地描述的。此类值可通过测试得到并且 还可由制造商提供。根据该示例性实施例，起始重叠泵排量系数102可用 来确定将起始重叠的重叠泵排量的起点，而终止重叠马达排量系数104可 用来确定将终止重叠的重叠马达排量的终点。

例如，参照图表100的第一列108，对于0.05的传动比变化率，起始 重叠泵排量系数102为0.95并且可用来确定用于起始重叠的重叠泵排量的 起点。因此，可将0.95乘以用于可变排量泵18的最大泵排量值以确定应 该起始重叠的泵排量。在本文中，“重叠”是指可变排量泵18和一个或多 个可变排量马达22的同时排量变化或改变行程(stroke)。对于0.05的传动 比变化率，终止重叠马达排量系数104为0.8并且可用来确定用于终止重 叠的重叠马达排量的终点。因此，可将0.8乘以用于可变排量马达22的最 大马达排量值以确定重叠应该终止马达排量。当然，也可使用用于确定起 始和终止重叠排量的替代方式而不脱离本发明的范围。

起始和终止重叠排量系数92和94用来限定出传动比变化的过程中的 重叠范围，在所述重叠范围中，可变排量泵18和可变排量马达22的排量 同时改变。与第一传动比变化率对应的第一示例性重叠范围在图5中示出。 具体地，图5示出排量112与传动比114的关系的曲线图110。示出了代 表为了使传动比从静液压传动机器10的静止位置增大而对可变排量泵18 进行的常规排量调节的标称曲线116，以及代表可变排量马达22的常规排 量调节的标称曲线118。具体地，根据传动比从静止位置的常规增大，泵 排量可从零排量改变行程为最大排量，而马达排量维持在最大排量。为进 一步提高速度，马达排量可从最大排量改变行程为零排量。此类常规排量 变化可描述为先后的。

曲线图110还针对0.05的传动比变化率示出代表对可变排量泵18的 排量调节的修正(updated)曲线120和代表对可变排量马达22的排量调节 的修正曲线122。具体地，对于可代表期望传动比变化率和指令传动比变 化率中较小的变化率的0.05的传动比变化率，可基于从存储器58选择的 排量系数而确定与0.05的传动比变化率对应的起始重叠泵排量124和终止 重叠马达排量126。例如，可使用来自图4的图表100的起始重叠泵排量 系数102和终止重叠马达排量系数104以及最大泵排量和最大马达排量来 计算起始和终止重叠排量124和126，如上所述。换言之，通过与0.05的 传动比变化率对应的起始重叠泵排量系数102标度用于可变排量泵18的最 大泵排量值，以得出将起始重叠的重叠泵排量的起点。通过与0.05的传动 比变化率对应的终止重叠马达排量系数104来标度用于一个或两个可变排 量马达22的最大马达排量值，以得出将终止重叠的重叠马达排量的终点。

根据该示例性实施例，用于0.05的传动比变化率的起始重叠泵排量 124可以是最大泵排量的0.95倍，而终止重叠马达排量126可以是最大马 达排量值的0.8倍。起始和终止重叠排量124和126可最终限定出起始和 终止重叠传动比，该起始和终止重叠传动比又限定出重叠范围128，在该 重叠范围128内可变排量泵18和可变排量马达22同时改变行程。对于在 重叠范围128之外的传动比，可变排量泵18和可变排量马达22的排量先 后改变，如在曲线图110中反映的。

现在来看图6，示出对于较高的传动比变化率，即0.40的变化率而言 排量142与传动比144的关系的曲线图140。曲线图140还包括与曲线图 110的标称(normal)曲线116和118相似的标称曲线146和148，其代表实 现传动比从零或静止位置增大的对可变排量泵18和可变排量马达22的常 规排量调节。曲线图140还针对0.40的传动比变化率示出代表对可变排量 泵18的排量调节的修正曲线150和代表对可变排量马达22的排量调节的 修正曲线152。具体地，对于0.40的传动比变化率，可确定与0.40的传动 比变化率对应的重叠泵排量154的起点和重叠马达排量156的终点。例如， 可基于来自图4的图表100的排量系数102和104以及最大泵排量和最大 马达排量而计算重叠排量154和156的起点和终点。

根据该示例性实施例，用于0.40的传动比变化率的起始重叠泵排量 154可以是最大泵排量的0.10倍，而终止重叠马达排量156可以是最大马 达排量值的0.4倍。起始和终止重叠排量154和156与限定出重叠范围158 的传动比对应，在重叠范围158内可变排量泵18和可变排量马达22同时 改变行程。对于在重叠范围158之外的传动比，可变排量泵18和可变排量 马达22的排量先后改变，如在曲线图140中反映的。如图4所示，重叠排 量系数映射图100可包括与随着传动比变化率106增大而增大的重叠传动 比范围的起始和终止重叠排量系数102和104。因此，如图5和6所示， 对于较高的传动比变化率，重叠范围可更宽。如应当理解的，该图表可仅 包括起始和终止传动比，或最大排量比率，并且根据这些实施例，可能不 需要文中描述的计算来得到起始和终止传动比。

根据该示例性实施例，该控制策略提供了用于仅在期望传动比72和指 令传动比74两者都增大或两者都减小时同时改变可变排量泵18和可变排 量马达22的排量的手段。具体地，如图3所示，该方法选择期望传动比变 化率和指令传动比变化率中较小的变化率。因此，如果其中一个变化率为 零，则将零确定为较小的变化率并且将实现无重叠或最低限度的重叠。例 如，如果操作员未指令传动比变化(即，期望传动比为零)并且机器10驶入 使静液压传动系统14变慢(即，指令传动比减小)的料堆中，则将不会发生 重叠，或发生最低限度的重叠。

应当理解的是，提供文中描述的方法以描述示例性控制策略，并且因 此实施方案细节可根据具体应用而大幅变化。此外，应当理解的是，文中 提供的特定值，例如与起始和终止重叠排量系数对应的值，仅仅基于示例 性的目的而提供。可通过试验达到这些值，并且此外这些值可选择成提供 期望的性能特征。例如，文中提供的控制策略可实现特别是在较高的传动 比变化率下向不同传动比的更平稳转换。

工业适用性

本发明可应用于任何采用静液压传动系统的机器。此外，本发明可具 体地适用于采用构造成驱动一个或多个可变排量马达的一个或多个可变排 量泵的静液压传动机器。再者，本发明可适用于用于改变静液压传动机器 中的传动比的控制策略。这些机器可包括但不限于非公路用机器，例如轮 式装载机，或本领域已知的其它机器。

总的参照图1-6，静液压传动机器10可包括静液压传动系统14，该静 液压传动系统包括机械地联接到内燃机20的至少一个可变排量泵18。可 变排量泵18可与一对可变排量马达22流体联接，所述一对可变排量马达 又可经由齿轮机构51和差速器53与机器10的地面接合元件16驱动地联 接。包括至少一个电子控制器56的控制系统50可设置用于控制静液压传 动系统14的操作，包括执行用于控制静液压传动机器10中的传动比变化 的方法。

在静液压传动机器10的典型操作期间，操作员可移动一个或多个机器 操作控制器30以指示从当前传动比到新传动比的期望变化。作为响应，并 且根据文中所述的策略，电子控制器56可确定与请求的传动比变化对应的 传动比变化率。根据一些实施例，该传动比变化率可以是期望传动比变化 率和命令的传动比变化率中较小的变化率。可采用以下方式确定限定出重 叠范围的起始和终止重叠传动比。具体地，与传动比变化率106对应的起 始重叠泵排量系数102可从重叠排量系数映射图100选择并乘以最大泵排 量值以得到重叠泵排量的起点。与传动比变化率106对应的终止重叠马达 排量系数104也可从重叠排量系数映射图100选择并乘以最大马达排量值 以得到重叠马达排量的终点。重叠泵排量的起点限定出将起始重叠的起始 重叠传动比，而重叠马达排量的终点限定出将终止重叠的终止重叠传动比。 起始和终止重叠传动比共同限定出重叠范围。电子控制器56可通过以在重 叠范围内的传动比同时改变可变排量泵18和可变排量马达22的排量来实 现从当前传动比到新传动比的变化。能以在重叠范围之外的传动比先后改 变可变排量泵18和可变排量马达22的排量。

根据传动比从静止位置的常规增大，泵排量从零排量改变行程为最大 排量，而马达排量维持在最大排量。然后，为了进一步增大传动比，马达 排量从最大排量改变行程为零排量。这些先后的排量变化可引起性能缺陷， 特别是在泵排量变化结束且马达排量变化起始的交叉传动比时。例如，当 快速转换跨越交叉传动比时，静液压传动系统可能无法进行此类快速转换， 并且结果，机器可能跳动或拖曳。这种为了速度而牺牲平稳度可能引起例 如由操作员的不适和疲劳和/或溢出一部分负载导致的效率降低。

文中提供的用于实现同时的排量变化的策略使静液压传动系统的快速 响应与静液压传动系统的转换平稳平衡。如上所述，可使用上述排量系数 确定的起始和终止重叠传动比可限定出随着传动比变化率增大而增大的重 叠传动比范围。此类值可通过测试得到，并且还可选择成提供诸如上述的 期望性能特征。例如，文中提供的控制策略可实现特别是在较高的传动比 变化率下更平滑地向不同传动比过渡。

应该理解，以上说明仅出于举例说明的目的，且绝非旨在限制本发明 的范围。因此，本领域技术人员将会认识到，通过研究附图、所公开的内 容以及所附的权利要求书，能得到本发明的其它方面。