独立排量的对置泵/马达以及操作方法

专利名称：独立排量的对置泵/马达以及操作方法
技术领域：
本发明涉及彼此相对地操作的液压泵/马达，并且尤其涉及对置泵 /马达的独立控制以便提高操作效率。
背景技术：
近年来，混合动力车辆技术作为一种改进燃料效率以及降低大量 车辆在操作中对环境影响的方法，已经获得了显著的关注。术语"混 合"用来指代使用两种或更多种将动能提供给车辆的动力源的车辆。 例如，混合电动车辆目前是可用的，其使用内燃机将动力提供至发电 机，发电机然后产生将存储于蓄电池的电池中的电力。这种存储的动 力然后根据需要用于驱动结合至车辆传动系的电动机。
有人还对混合液压车辆的发展有兴趣，其原因是它比混合电动车 辆具有更大的燃料经济性以及更低环境影响的潜能。根据一个构造， 混合液压车辆使用内燃机(ICE)驱动液压泵，液压泵加压液压流体。 增压流体存储于蓄能器中并且以后用于驱动结合至车辆驱动轮的液压 马达。
液压混合动力车辆以及它们的操作在很多参考文献中描述，包括 美国专利No. 5，495，912以及美国专利申i青No. 10/386,029 、 No.10/672，732和No.10/769，459。上面列出的每个参考文献都整体地通 过参考结合于此。
有一类普遍使用于混合操作中的液压机，其包括具有多个汽缸的旋转圆筒，以及在汽缸内往复运动的活塞。所述圆筒构造来在具有入 口端和出口端的阀板上面旋转。圓筒在阀板上面旋转，并且流体进入
或离开圆筒的汽缸。在液压泵中，流体从低压入口端被吸入每个汽缸
并Jbf皮迫离开汽缸到达高压出口端。在液压马达中，来自高压入口的 流体依次进入每个汽缸并且排出至低压出口。 一般称为泵/马达的某些 机械构造来根据流体如何施加至机械而作为泵或者马达操作。
典型的曲轴泵/马达的操作将参照其作为马达的操作来描述。这种 设备在"泵，，模式中的操作将不再描述，因为在考虑到下面的描述之 后，这种操作对于本领域技术人员而言是很清楚的。为了简洁，泵/ 马达可在下文中简称为马达。
在附图中， 一些特征示出为多个基本上相同特征的元件，在此情 况下这多个中的每个被赋予相同的参考数字。在还使用字母的情况下， 这是为了易于参照，其目的是指示描述文本中多个中具体的一个。在 没有指定附属字母的情况下使用参考数字可理解为一般地指示相应的 特征。
术语"轴向力"在这里用来指代基本上平行于限定轴线的力矢量， 而术语"径向力"用来指代处于基本上与限定轴线垂直的平面中的力 矢量。两个术语都不限制于与轴线交叉的矢量。尤其，这里所涉及的 径向力大体处于与限定轴线间隔开一定距离的矢量中以使得构造来绕
旋转
图1A- 1C示出了根据已知技术的曲轴泵/马达100的一部分的截 面图。马达IOO包括阀板102和圆筒104,圆筒104具有多个活塞108 在其中往复行进的汽缸106。每个活塞108在活塞的第一端具有与相 应汽缸106的壁相接合的滑动密封。每个活塞108在其第二端接合形 成在传动板IIO中的相应插座。传动板110结合至由马达100旋转地 驱动的输出轴120。传动板110靠在构造来允许传动板110和轴120 自由旋转的推力轴承118上，同时相对于作用在其上的径向和轴向力 保持传动板在合适位置。典型地，曲轴泵/马达提供有奇数个汽缸和活塞，通常七个或九个。在图1A- 1C中汽缸106A和活塞1G8A示出为 定位在圆筒104的顶部，而汽缸106B和活塞108B示出为定位在圆筒 104的底部。在使用奇数个汽缸的实际机械的情况下，通过圆筒中心 的横截面将不会同时与两个汽缸相交叉，但是这种情况在这里被显示 以便示出在旋转的顶部和底部由活塞108约束的相对流体容积。
汽缸圆筒104构造来绕着第一轴线A旋转，并且汽缸圆筒104的 表面114可滑动地结合至不旋转的阀板102的表面。传动板110绕着 轴线B旋转并且由恒定速度连接件116(仅一部分在图1A-1C中示出) 结合至旋转汽缸圆筒104。因此，汽缸圆筒104和传动板110以相同 的速度旋转。
在汽缸圆筒104旋转时，每个汽缸106遵从圆形路径。路径的最 上点称为上止点，在图1A-1C中指示为TDC,同时旋转的最下点称 为下止点，在图1A-1C中指示为BDC。
限定轴线A的阀板102、圆筒104和活塞108构造来相对于限定 轴线B的传动板110旋转，用于改变泵/马达100的工作容积，如在下 面解释的。轴线A旋转离开与轴线B共轴关系的程度通常称为设备的 沖程角度。
图1A示出了处于最大冲程角度的马达100，其提供马达的最大排 量，用于高程度的能量输送。图1B示出了定位于中度冲程角度的马 达IOO,并且图IC示出了处于零冲程角度的马达IOO，其中轴线A和 B共轴，并且其中能量输送实际上是零。
术语排量用来指代在圆筒104的单个旋转期间汽缸106中由活塞 108扫过的容积，并且在涉及具体机械时可与数值和表示容积度量的 单位(比如cii^等) 一起使用。在目前的情况下，附图所示的设备提 供用于说明对于理解本发明而言很重要的原理的目的，并且并不是要 描述具体设备。因此，将不提供排量的容积值。
在图1A-1C的每个中，假定所显示的冲程角度，在汽缸在TDC 处定位于汽缸106A中的活塞108A处于内部极限(IL)处，在圆筒 104的旋转过程期间活塞108A将4亍进至所述内部极限IL。活塞108A的表面的位置在线IL处示出。通过相同的标记，在汽缸在BDC处定 位于汽缸106B中的活塞108B处于外部极限(OL)处，在圆筒104 的旋转过程期间活塞108B将行进至所述外部极限OL。活塞108B的 表面的位置在线OL处示出。在任何给定的汽缸106中，处于线OL 和IL之间的容积代表该汽缸106的排量。因此，泵/马达100的排量 是设备的所有汽缸106在该冲程角度处的排量总和。
在冲程角度位于100%排量时，如图1A所示，线OL和IL最大 距离地隔开。这是能由泵/马达100获得的最大排量，并且以扭矩的形 式提供了从高压流体向传动板110旋转的最高程度能量输送。图1B 示出了大约50 %排量的中度冲程角度。可看到线OL和IL与图1A相 比更靠近。在这个较低的角度，获得较低程度的力输送。在泵/马达处 于最小沖程角度时，如图1C所示，线OL和IL限定相同位置，因为 当圆筒104以这个沖程角度时旋转，活塞108不在相应的汽缸106内 轴向地移动，所以不能扫过任何容积。在如图1C所示的冲程角度， 驱动马达100处于最小或0%的排量，并且没有接收来自高压流体的 动力，但是能在其自身惯性或在外力下自由地滑行。在马达减冲程 (destroke )至0 %时，高压流体源可闭合以使得活塞不承受高压。这 就避免了由增压活塞所施加的轴向载荷，如将在下文更具体地描述的。
在泵/马达100以马达才莫式操作时，高压流体在汽缸106经过TDC 时被阀送入每个汽缸106。高压流体将驱动力施加于活塞108的表面 上，这个驱动力相对于轴线A轴向地作用于活塞108上。这个力由活 塞108传递至传动板110。
参照图1A，可看到活塞108上的驱动力相对于轴线A是轴向的， 但是将包括相对于轴线B的轴向和径向力分量。驱动力在轴向和径向 分量之间的分配将取决于泵/马达的沖程角度并且能根据公知且长期 确定的机械原理来计算。轴向分量将倾向于驱动传动板沿着轴线B远 离圆筒，这由推力轴承118来防止。径向分量将倾向于将传动板110 的插座(活塞118的第二端坐在其中)驱动为向下移动，引起传动板 110旋转以使得插座进一步移动远离圆筒，并且圆筒104—致地旋转。将能认识到，沖程角度越低，更多的驱动力将作为轴向力分配至传动板，直到在如图1C所示的零沖程角度，所有驱动力都作为轴向力分配至传动板。还能认识到，在径向力分量用来驱动传动板旋转以 给马达提供扭矩时，相对于传动板的轴向力并没有转换成可用形式的能量，并且倾向于将高的载荷施加至传动板110、轴承118和阀板102, 并且产生马达100旋转的摩擦阻力。因而，马达100将流体压力转换 为可用形式能量的效率随着冲程角度减小而降低，并且随着沖程角度 i曽大而；曽力口。关于液压泵/马达的操作和结构的更详细描述可在名称为"高效、 大角度、可变排量的液压泵/马达(HIGH-EFFICIENCY， LARGE ANGLE, VARIABLE DISPLACEMENT HYDRAULIC PUMP/MOTOR)"的美国专利申请No. 10/379,992以及名称为"能量 损失减少的高效泵/马达(EFFICIENT PUMP/MOTOR WITH REDUCED ENERGY LOSS)"的美国专利申请No. 10/795,797中找 到，这两个申请整体地通过参考结合于此。发明内容根据本发明的实施例，提供了一种液压机械，其包括具有第一 排量能力和第一输出的第一可变排量液压马达，第一马达构造来根据 第一马达的排量程度将变化的扭矩施加至所述第一输出；以及具有第 二排量能力和第二输出的第二可变排量液压马达，第二马达构造来根 据第二马达的排量程度将变化的扭矩施加至所述第二输出。第一和第 二马达的输出刚性地结合至输出轴的相对端以使得第一和第二马达输 出以与输出轴相同的速度旋转。排量控制单元构造来控制第 一和第二 马达的排量以使得当第一和第二马达的排量总和低于第一值时，第一 马达的排量基本上等于总和，并且第二马达的排量基本上等于零。根据一个实施例，控制单元还构造来控制第一和第二马达的排量 以使得在第一和第二马达的排量总和高于第一值时，第一马达的排量 基本上等于第二马达的排量。根据一个实施例，第一和第二马达具有基本上相等的尺寸。根据另一个实施例，第一马达基本上小于第二马达。
根据本发明的一个实施例，提供了一种操作方法，其中驱动机械 的对置马达的输出扭矩独立地被控制。


在附图中，相同的参考数字识别类似的元件或动作。所示元件的 具体形状并不是要传递关于具体元件实际形状的任何信息，并且仅是 选择来使得易于在附图中识别。
图1A以横截面图示出了处于最大沖程角度的根据已知技术的液 压泵/马达的部件。
图1B和1C分别地示出了图1A所示泵/马达在中等和零沖程角度 的截面图。
图2是液压马达的效率图。
图3示出了具有第一和第二对置马达的液压机械的截面图。
图4是涉及图3所示机械根据本发明一个实施例进行控制的效率图。
图5是根据本发明另一个实施例的液压机械的横截视图。
图6是涉及图5所示机械根据本发明又一实施例进行控制的效率图。
图7和8分别是图3和5所示机械的轴承布置的图示。
具体实施例方式
在下面的描述中，陈述了某些具体细节以便提供对于本发明各个 实施例的彻底理解。然而，本领域技术人员将理解到，本发明可在没 有这些细节的情况下实施。另外，没有示出或具体描述与液压马达、 混合动力车辆系统等相关的公知结构，以避免不必要地使得对本发明 实施例的描述令人费解。
现在参照图2，示出了液压马达的效率图。纵坐标指示液压马达 的排量，其与马达的沖程角度和扭矩输出相关，而横坐标指示马达的 旋转速度(RPM)。轮廓线指示将流体压力转换成可用能量的效率水 平，并且其范围在75%和95%之间，较低值没有在图中示出。在用于驱动混合动力车辆的机械中，这些值将至少在一定程度上与车辆的总 体燃料效率相关。在典型的混合动力车辆操作中，冲程角度与加速器踏板的位置直接相关，而马达的RPM相应于车辆的速度。为了这个讨论的目的，不过操作的原理也适用于具有传动机构的车辆。图2的图从在使用测试马达的实验室中收集的数据得出，并且仅 提供用于示例目的。不同马达的效率图将响应大量参数而改变，包括 例如流体压力以及具体马达的设计特点和制造公差。为了这个讨论的目的，将假定这里所讨论的所有马达共享图2中 绘制的效率特征。线L代表车辆马达的排量/RPM曲线，其产生于从 停止状态加速至稳定的中等巡行速度并且然后回到停止。开始于点A， 车辆驾驶员压下加速器，引起在线穿过点B时马达沖程至大约60%排 量。车辆加速，并且在车辆速度升高时，驾驶员开始放松加速器，尽 管车辆随着排量降低继续加速。在车辆达到目标速度时，在大约 2000RPM时，驾驶员将加速器保持在大约15%排量以维持这个速度， 如点C所示。为了停止，驾驶员释放加速器，允许车辆緩慢地回到位 于点A的停止状态。重要的是认识到图2所示的图不提供时间参考。如果假定车辆在 点C的稳定状态下行进几英里，马达从点A至点C以及从点C至点 A的转换所占用的时间仅是马达在点C处运行的时间的很小部分。因 而，马达的总运行效率基本上等于在点C处获得的效率，并且在75 %和80%之间。图3示出了驱动机械300，其根据美国专利申请No. 10/620,726 披露的原理构造，该申请由本发明人申请并且整体地通过参考结合于 此。机械300包括第一和第二对置泵/马达302、 304，每一个构造来基 本上如参照图1A-1C所示的泵/马达100所描述的那样操作。第一和 第二对置马达定位于共用机壳306内并且共享共用输出轴308。致动 活塞322、 324控制相应马达302、 304的排量。活塞322、 324又由这里图示的排量控制单元326控制。传动板314、 316刚性地结合至轴 308以〗吏得相应马达的轴向载荷从传动板314、 316传递至轴308。轴 承318、 320支撑轴308。传动齿轮310将扭矩从输出轴308传输至动 力传输系统的其它部件，比如车辆传动系，在图3中大体指示为312。 这种附加部件的细节对于理解本发明不是必要的，并且因此不在这里 提供。
用于马达排量控制的方法在现有技术中是已知的。控制单元326 包括计算机模块、专门处理单元、更一般处理器的一部分、存储器、 查阅表、机械链接、液压阀和管线等中的任何一个。
马达302、 304构造来串联地操作。即，它们结合在一起以使得每 个马达302、 304的沖程角度彼此基本上相等。产生于每个马达302、 304内的轴向力也是基本上相等的值但极性相反，并且因此很大程度 上互相抵消，导致标称净轴向载荷为零。这意味着类似于典型液压马 达(比如图1A-1C所示的马达100)所要求的那些高度坚固的轴向 推力轴承不是必须的。推力轴承318、 320仅需要容许由于马达302、 304中的正常波动和齿轮310所导致的载荷所引起的这种最小轴向推 力。这就产生了重量、质量以及费用的节省。其它优点通过减小压力 轴承结构(比如机壳、阀板、圆筒、活塞等)的尺寸来提供。
对于总体给定排量，两个相对的同步泵/马达与具有等量排量的单 个泵/马达相比具有更高的总效率。尽管如此，假定对置泵/马达302、 304根据图2所示的效率图一起操作。这就是说，如果用户需要驱动 系统15%的排量以在线L的点C所指示的RPM下操作，系统的效率 将在80%以下，不管驱动系统由给定排量的单个马达驱动还是由总排 量(TD)与所述单个马达相等并且如参照图3所描述的那样操作的对 置马达来驱动。
众所周知，由驱动马达或发动机驱动的客车很少被要求传送它们 的最大动力输出。通常，对于这种机械的平均动力要求在驱动机械总 能力的大约10%和30%之间，并且仅间断地升高到高于60-70%。 这样，液压驱动马达具有类似于图2所示的特征的混合动力车辆将大多在75- 80%效率以下运行。
现在参照图4,描述根据本发明一个实施例的操作方法。记住图3 所示马达302、 304每个都具有相同的最大排量，将认识到在它们都处 于相同的冲程角度时，每个将包括驱动机械300的一半总排量。因而， 如果它们每个处于例如50% ，马达302的排量单独表示机械300总排 量的25%。根据本发明的实施例，第一和第二马达302、 304根据所 要求的总排量以不同的排量进行冲程运动。
机械300的操作分为两个不同的操作模式，M1和M2。操作模式 Ml包括机械300在50%TD下的操作。在这个操作范围，马达304 仍然处于0 %排量而马达302在0 %和100 %排量之间操作以提供模式 Ml的0 —50%朝卜量。
因此，在机械300需要相应于25%的输出扭矩时，第一马达302 冲程至50%，而第二马达304仍然处于0%。直到50%TD，全部驱 动力由第一马达302供应。当要求超过50。/。TD时，第一马达减冲程 至50%而第二马达同时冲程直到50%,从而维持50%的总排量。超 过这个点，马达302、 304如参照图3所述的那样一致地操作。
图4示出了集成效率图，其中通过在第一操作模式中单独地操作 第一马达302获得的改进效率与马达302、 304在模式2中以高于50 。/。TD操作的效率图相集成。线L在图4中同样地定位以示出操作变 化对马达300效率的影响。在图的右边，示出了每个马达302、 304 的排量，相应于左边所示的给定总排量。在其中机械300用来操作车 辆的情况下，在图4所示图的左边示出的总排量大致相应于加速器踏 板位置。
通过比较图4与图2，能看到机械300的效率在低于50%排量的 范围内明显改进。由于车辆的大部分操作出现在这个范围中，所以上 述装置和操作方法能明显地改进相关车辆的总效率以及燃料经济性。 图2示出了处于75%和80%操作效率之间的点C,图4示出了处于 85%和90%操作效率之间的点C,具有高于10%的改进。
虽然在上面的描述中第一模式Ml和第二模式M2之间的转换已经置于50%TD处，但是转换点和其它操作参数的选择是设计选择的 问题，并且可由包括给定马达的实际效率特征、马达期望的操作条件 等各种因素来影响。由于马达302、 304在低于50%TD时不是一致地操作，所以轴向 栽荷将不相等，从而导致轴承318的轴向载荷增加。附加轴向载荷与 串联操作相比较的效果和含义将在这个公开中稍后讨论。将认识到在机械300运行时马达302将一直运行，而马达304可 仅运行5-10%的时间。根据本发明的一个实施例，排量控制单元构 造来周期性地交替操作，以使得在交替阶段期间，在机械处于操作模 式Ml时第二马达304单独操作，并且在系统转换为模式M2时接合 第一马达302。这样，磨损被均匀地分配于两个马达之间。根据另 一个实施例，系统被控制为使得在马达302或304发生故 障并且不能运行的情况下，剩余马达在模式M1中操作以给相关车辆 提供"跛行回家(limp home)"的能力。图5示出了根据本发明另一个实施例的驱动机械500。机械500 包括第一和第二对置泵/马达502、 504,每个构造来基本上如参照图 1A-1C所示泵/马达100所述的那样操作。第一和第二对置马达502、 504定位于共用机壳506内并且共享公共输出轴508。传动板514、 516 刚性地结合至轴508以使得相应马达的轴向载荷以类似于参照图3所 示机械300所描述的方式从传动板514、 516传递至轴508。轴承518、 520分别支撑传动板514、 516,并且构造来接收来自传动板的轴向和 径向载荷，如将在下文中更具体描述的。传动齿轮510将扭矩从输出 轴508传输至动力传输系统的其它部件，比如车辆传动系，在图5中 大致指示为517。虽然在图5中未示出，但是机械500还包括用于独立地控制马达 502、 504的排量的装置，如参照图3所示机械300所公开的。将注意到，参照图5，马达502的驱动部件显著地小于马达504 的那些部件。在本示例中，马达502的最大排量选择为马达504的60 % ,而驱动机械500的最大总排量选择来符合预计应用的最大排量要求。因此，马达502的排量能力将等于总需求的37.5% ,而马达504 的排量能力将等于总需求的62.5%。在其它方面，机械500的构造可 类似于图3所示机械300的构造。
图6的效率图大致相应于图4的图，也就是说图6示出了机械500 的整体效率。
与图4的实施例相同，机械500的操作分为两个操作模式，Ml 和M2。模式Ml的范围在0 % TD和37.5 % TD之间延伸，而模式M2 在37.5。/。TD和100。/。TD之间延伸。当机械500在模式Ml中操作时， 马达504保持0%排量，而较小的马达502将全部动力提供至输出轴 508。由于马达502仅包括总排量能力的37.5%，所以总排量1%的变 化要求马达502排量接近3%的变化。这样，第一马达502快速地移 动到高效操作。
第一马达502在大约38%TD处达到100%排量。当总排量高过 38% (并且进入模式M2的范围)时，第一马达502减冲程至38%而 第二马达504同时冲程至38%，从而维持38%的总排量。这立即将较 大的第二马达504带入高效操作范围-本示例中大体高于90%。在总 排量处于操作模式M2的范围中时，马达502、 504均以相同速度沖程， 直到100。/oTD。
观察图6的集成效率图，可看到巡行点C现在是90。/。以上，相比 常规操作系统的操作效率而言提高了大约15%的效率。
为了示出操作原理的目的，对参照图4和6所描述的关于操作模 式的阈值进行选择。给定系统的实际转换范围将根据系统需求进行选 择。另外，马达502和504的工作容积比率也可根据具体应用进行选 择。例如在预期相对于RPM机械将大体以较高排量操作的情况下， 相对于第二马达504,第一马达502可比这里所描述的尺寸更大，以 便能将转换点移至更高的总排量。
根据一个实施例，在从模式Ml至模式M2的转换处马达502沖 程至零排量并且马达504冲程至60%排量。对于高于Ml-M2转换的 总排量，较小的第一马达502保持在0%排量而较大的第二马达504提供全部动力直至某个较高排量(例如第二马达504能力的90% )。 当总排量升高到高于这个水平(即大约56%TD)时，实现向第三操 作模式的转换，此处马达504减沖程至56%排量并且马达502沖程直 到56% ，并且马达504和502 —起沖程以使总排量高达100%TD。将认识到，如果机械500以非常接近37.5 %排量的恒定排量操作， 机械500可在模式Ml和模式M2之间反复转换，因为载荷状况轻微 地改变，从而需要对排量的很小调节。在相关车辆爬坡或牵引负栽从 而线L的巡行点C处于较高排量时出现这种状况。因为第二马达504 反复地从零冲程至38°/。并返回，这会使车辆的乘客不舒适并且还会产 生效率损失。因此，提供了另一个实施例，其中在总排量升高超过选定阈值(在 机械500的情况下37.5% )时，如上所述机械从模式Ml转换至模式 M2。然而，在排量TD降低时，不能执行返回模式M1的转换直到总 排量降低到低于第二阈值，例如33%。这样，避免了反复转换。根据另 一个实施例，从模式M2至模式Ml的转换在从Ml至M2 的转换之后延迟选定的时间。因而，不管排量如何，机械将在模式 M2中至少操作所述选定的时间，此后可执行如所述的转换。为了以下讨论的目的，由图3所示第一马达302或图5所示第一 马达502产生的轴向载荷将纟皮称为正载荷，而由第二马达304和504 所产生的轴向载荷将被称为负载荷。如同先前所观察到的，在不平衡的系统中，比如这里所公开的那 些，轴向载荷是机械运行中的一个因素。在计算对于推力轴承的要求 时，必须考虑几个因素。这些因素包括预期载荷、旋转速度以及期望 服务时间或轴承的工作循环。如果这些因素的任何能减少，那么轴承 的成本和可靠性能得到改进。参照图1A-1C所讨论类型的典型液压马 达承受非常高的轴向载荷，尤其在低冲程角度时，并且因此需要笨重 且昂贵的推力轴承。在平衡的对置马达的情况下，如参照图3所示机 械所讨论的，轴向载荷很大程度上被取消，这意味着仅产生最小的净 轴向载荷。在参照图4所述的操作方法的情况下，在机械处于模式Ml的范 围中时第一马达302单独运行，在轴308上产生正的净轴向载荷。然 而，几个因素作用来减少对于轴向载荷轴承318的需求。首先，由于 马达302、 304每个都是等同单独马达的最大排量的一半，所以每个马 达的推力轴承可更小。其次，在总排量超过50。/。的任何时刻，第一马 达302与马达304以平衡的模式操作。相对于轴向力分量而言，这有 效地降低了轴承318的平均工作循环。最后，由于在低于50。/。TD时 马达302的排量相对于机械300的总排量而言以2: 1的比例增加，所 以相比已知系统而言，马达在传输高轴向载荷的低沖程角度时花费更 少的时间。这进一步减少轴承318的有效工作循环。
此外，在第二马达304操作时，除了当其在冲程至50%而首先激 发的瞬间外， 一直与第一马达302以平衡的模式操作。甚至在最初的 瞬间，第一马达302提供正的轴向载荷，其将部分地弥补第二马达304 的较大低沖程角度载荷。这意味着，虽然正载荷需要轴向载荷轴承， 但是对于轴308上负载荷轴承仅有最小需求，以适应负轴向载荷非常 低的工作循环。总体结果是轴承318的正轴向推力轴承能力能比常规 系统低得多，同时负推力轴承320的能力能进一步降低，从而产生较 不笨重且较不昂贵的轴承。
这个构造在图7的图中示出，其示出了机械300及其一些部件。 轴承318示出为圆锥滚子轴承，构造来接收来自传动板314的正轴向 栽荷。同时，轴承320示出为构造来仅接收最小负轴向载荷的简单滚 柱轴承。根据另一个实施例，轴承318可为双圆锥轴承，构造来接收 正和负轴向载荷，以使得轴承320仅支撑径向载荷。
上面参照图6略述的驱动机械500的操作方法相对于载荷的极性 而言具有类似的载荷分配，但是将认识到载荷的量级将不同于机械 300。例如，由于马达502小得多，其在非常低排量处的最大正轴向载 荷将大大地减少。另外，给定类似的操作条件，马达502在低排量处 将比马达302花费甚至更少的时间，因为其相对于总排量而言的较高 沖程比例。而且，其将具有稍微低的工作循环，因为模式之间的转换点处于大约38。/。TD处，在该处马达300的转换为大约50%TD。这意 味着马达500在模式2中将比马达300花费更多的时间。和机械300的系统形成对比，机械500的第一和第二马达502、 504在它们以第二模式M2操作时不施加平衡的轴向载荷。较大的马 达504将比第一马达502施加更大的轴向载荷，从而在模式M2中导 致负的净轴向载荷。然而，由于两个马达在操作模式M2中都在38% 排量以上，并且马达302的正载荷抵消马达304的一半以上的负载荷， 所以轴承518、 520的轴向载荷轴承要求与常规系统相比就将减少。第 一马达被激发但是总排量仍然为大约零的点是最大正轴向载荷 的点。38%TD是最大负轴向载荷的点，因为两个马达的轴向载荷将 随着总排量增大超过这个点而减小，越过模式M2的范围。轴上的平 均轴向载荷也将远远低于任一最大值。参照图8，示出了相对于机械500的轴承而言一个可接受的构造。 圆锥滚子轴承518、 520提供来分别地接收马达502和504的正和负载 荷。根据另一个实施例，构造来接收正或负载荷的双锥形轴承提供于 轴508的 一端，同时简单且便宜的圆柱滚子轴承提供于另 一端。其他构造也在本发明的范围内。例如，另外的轴承可提供于机械300、 500任一个的输出轴或传动板上，并且正或负轴向栽荷可在多个定位于输出轴上或传动板处的推力轴承之中分配。已经为了示出本发 明各个实施例的目的对圓锥滚子轴承和圆柱滚子轴承进行了描述。然而，将认识到也可使用其它各种类型的轴承，比如现有技术中已知的。本领域技术人员将认识到所公开实施例的很多变化。将意识到， 比如机械效率、马达的相对磨损、轴向载荷、压缩性损耗、泄漏损耗、 操作的简单性、驾驶员舒适性等因素之间存在着折中。这些因素的考 虑将影响体现本发明原理的工作系统的设计。轴承的构造、操作范围 的布置和分配、非活动马达的增压、马达相对彼此的尺寸以及总排量 是可在考虑诸如以上所述因素之下进行调节的参数。此外，可使用其 它操作模式，比如举例来说，其中一个马达保持在零以上的固定排量 处而另一个改变以适应于所需总排量的模式。在其它模式中，马达能以不同的速度或不同的方向改变排量。
最后，参照 一个实施例描述的特点可与另 一个公开实施例的特点 或其它以前已知技术相结合。所有这些变化视为落入本发明的范围内。
本发明已经主要参照曲轴液压马达进行了描述。本发明的许多原 理在将液压机械作为泵操作时提供了类似的优点。给出本公开，这些 应用和优点对于本领域技术人员而言很明显。另外，本发明原理的实 施并不限于用曲轴泵/马达(比如这里所描述的)来操作，而是还可应 用于根据所公开普遍概念的其它可变排量液压机械。这些包括举例来 说旋转斜板、滑动底板以及径向活塞机械等。最后，发明人已经认识 到这里概述的许多优点还可根据所述原理在采用电动机的系统的操作 中实现。考虑到上面情况，如说明书和权利要求中所使用的术语"马 达"视为包括液压马达、液压泵以及液压泵/马达以及电动机和发电机。
在用于权利要求书中时，术语"排量百分比"指代作为其排量能 力或最大排量的百分比的所述马达的工作容积。因而，如果举例来说 权利要求叙述具有相等排量百分比的第一和第二马达，这个权利要求
将解读为第一马达具有200cm3的排量而且冲程至50%，并且第二马 达具有120cm3的排量，也冲程至50%。类似地，术语"输出扭矩百 分比"指代作为其输出扭矩能力的百分比的所述马达的输出扭矩。
本公开的摘要提供为本发明一些原理的提要，并且不是要作为其 任何实施例的彻底或明确的描述，也不应该依赖其来定义说明书或权 利要求书中使用的术语。摘要不限制权利要求书的范围。
这个说明书中涉及和/或在申请数据表中列出的所有上述美国专 利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请 以及非专利出版物整体地通过参考结合于此。
从前面描述中将理解到，虽然这里已经为了示例的目的描述了本 发明的具体实施例，但是在不脱离本发明精神和范围之下能做出各种 变型。因此，本发明仅由所附权利要求书限定。
权利要求
1. 一种液压机械，包括具有第一排量能力和第一输出的第一可变排量液压马达，第一马达构造来根据第一马达的排量程度将变化程度的扭矩施加至所述第一输出；具有第二排量能力和和第二输出的第二可变排量液压马达，第二马达构造来根据第二马达的排量程度将变化程度的扭矩施加至所述第二输出；输出轴，第一和第二马达的所述输出刚性地结合至所述输出轴相应的端部以使得所述第一和第二输出以共同的速度旋转；以及排量控制单元，其构造来控制第一和第二马达的排量以使得在第一和第二马达的排量的总和低于一第一值时，第一马达的排量基本上等于所述总和，并且第二马达的排量基本上等于零。
2. 根据权利要求l的机械，其中控制单元还构造来控制第一和第 二马达的排量以使得在第一和第二马达的排量的总和高于所述第一值 时，第一马达的排量百分比基本上等于第二马达的排量百分比。
3. 根据权利要求l的机械，其中所迷第一值等于第一和第二马达 的排量能力的总和的大约50%。
4. 根据权利要求l的机械，其中所述第一值等于第一和第二马达 排量能力的总和的大约38%。
5. 根据权利要求l的机械，其中所述第一值落入第一和第二马达 排量能力总和的大约20 %和60 %之间的范围内。
6. 根据权利要求l的机械，其中控制单元还构造来控制第一和第 二马达的排量以使得如果排量的总和增大至超过大于所述第一值的一 第二值，第一马达的排量百分比基本上等于第二马达的排量百分比， 同时第一和第二马达的排量总和仍然高于所述第一值，并且如果排量 总和减少至低于所述第一值，第一马达的排量基本上等于所述总和， 且第二马达的排量基本上等于零，同时排量的总和仍然低于所述第二值。
7. 根据权利要求1的机械，其中所述控制单元还构造来控制第一 和第二马达的排量以使得如果排量的总和增加至超过所述第一值，第 一马达的排量百分比在至少选定的时间段中基本上等于第二马达的排 量百分比，而与排量总和的随后变化无关。
8. 根据权利要求l的机械，其中所述第一排量能力基本上等于所 述第二排量能力。
9. 根据权利要求l的机械，其中所述第一排量能力小于所述第二 排量能力。
10. 根据权利要求9的机械，其中所述第一排量能力等于所述第 二排量能力的大约60%。
11. 根据权利要求l的机械，其中所述第一排量能力大约等于所 述第二排量能力的一半。
12. 根据权利要求l的机械，还包括定位于所述输出轴上的一传 动齿轮。
13. 根据权利要求1的机械，还包括用于从第一马达和第二马达 接收输出轴上不等轴向载荷的轴承装置。
14. 根据权利要求l的机械，其中所述控制单元还构造来控制第 一和第二马达的排量以使得在排量的总和大于所述第一值并且小于一第二值时，第二马达的排量基本上等于所述总和，并且第一马达的排量基本上等于零。
15. 根据权利要求14的机械，其中所述控制单元还构造来控制第 一和第二马达的排量以使得在排量的总和大于所述第二值时，第一马达的排量百分比基本上等于所述第二马达的排量百分比。
16. —种混合动力车辆系统，包括驱动机械，其具有第一和第二对置且旋转地结合的马达；以及用于根据所述机械的总输出扭矩所落入的操作范围独立地控制第 一和第二马达的输出扭矩的控制装置。
17. 根据权利要求16的系统，其中所述控制装置包括用于在总输出扭矩处于第一操作范围中时将第一马达的输出扭矩控制为等于所述 机械的所述总输出扭矩的装置。
18. 根据权利要求17的系统，其中所述控制装置包括用于在总输 出扭矩处于第二操作范围中时将笫一马达的输出扭矩控制为等于第二 马达的输出扭矩的装置。
19. 根据权利要求17的系统，其中所述控制装置包括用于在总输 出扭矩处于第二操作范围中时将第一马达的输出扭矩百分比控制为等 于第二马达的输出扭矩百分比的装置。
20. 根据权利要求16的系统，还包括结合至所述驱动机械的输出 轴的车辆传动系。
21. 根据权利要求16的系统，其中第一马达的输出扭矩能力小于 第二机械的输出扭矩能力。
22. 根据权利要求16的系统，其中第一马达的输出扭矩能力为第 二机械输出扭矩能力的大约60。/o。
23. 根据权利要求16的系统，其中第一马达的输出扭矩能力大约 等于第二机械的输出扭矩能力。
24. 根据权利要求16的系统，其中第一和第二马达是液压马达。
25. 根据权利要求16的系统，其中第一和第二马达是电动机。
26. —种方法，包括在机械总输出扭矩的第 一范围内改变机械的第 一马达的输出扭 矩；以及在第一范围内改变第一马达的输出扭矩的同时将与第一马达对置 的机械的第二马达维持在零输出扭矩。
27. 根据权利要求26的方法，还包括在总输出扭矩的第二范围内 等同地改变第一和第二液压马达的输出扭矩。
28. 根据权利要求27的方法，其中所述等同地改变第一和第二液 压马达的输出扭矩包括等同地改变第一和第二液压马达的输出扭矩百 分比。
29. 根据权利要求28的方法，其中第一马达的输出扭矩能力小于第二马达的输出扭矩能力。
30.根据权利要求26的方法，还包括在机械的总输出扭矩增加超 过第一选定阈值时将第一和第二马达沖程至相等值，并且在总输出扭 矩减少至低于比第一阈值要低的第二阔值时将第二马达冲程至零输出 扭矩，同时改变第一马达的输出扭矩。
全文摘要
一种液压机械包括第一和第二对置马达。第一和第二马达的排量被控制以使得第一和第二马达的排量总和低于阈值，第一马达的排量基本上等于总和，并且第二马达的排量基本上等于零。当排量总和高于阈值时，第一马达的排量可基本上等于第二马达的排量，作为排量百分比或工作容积。第一马达的能力可等于或小于第二马达。
文档编号B60K17/10GK101305223SQ200680042290
公开日2008年11月12日 申请日期2006年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者小查尔斯·L·格雷 申请人:由美国环境保护署署长代表的美利坚合众国政府