具有基于效率的速度控制的动力系统的制作方法

本发明涉及一种动力系统，并且更具体而言，涉及一种具有基于效率的发动机速度控制的动力系统。

背景技术：

诸如轮式装载机、推土机以及其他重型设备之类的机器用于执行多种任务。为了有效地执行这些任务，机器需要通过传动装置向一个或多个轮胎提供相当大的转矩的发动机。为了控制轮胎的速度及/或转矩，这些机器的操作员通常提供有一个或多个不同的脚踏板。例如，右脚踏板可用于影响发动机燃料供给，而左脚踏板可用于影响机器制动。可在某些应用中使用附加脚踏板来控制发动机到传动装置的连接。

尽管典型的脚踏板配置可能在使用机械式步进变化传动装置来将动力从发动机传送至轮胎时是适合的，然而在使用无级变速传动装置(CVT)时可能是不充分的。CVT是在其操作范围内提供无限多种输出率的自动型传动装置。液压CVT包括泵以及液压马达，该液压马达从泵接收加压流体。根据泵的排放流速及压力以及马达的排量，可改变轮胎处的马达速度及输出转矩。电CVT包括发电机及电马达，该电马达从发电机接收电流。根据提供至马达的电流，可改变马达速度及输出转矩。当使用CVT时，目标是使发动机保持最有效的速度，同时仍提供必要动力以满足操作员的命令。在这种情况下，上述直接响应于操作员输入而仅改变发动机燃料供给的策略可能会违背效率目标。因此，需要替代策略来有效地控制使用CVT的机器的操作。

2008年5月1日公开的Cronin等人的美国专利公开第2008/0103019号(’019公开)中描述了一种机器控制的替代方法。具体而言，’019公开描述了用于机器的无级变速传动装置。该无级变速传动装置包括从动元件、第一操作员界面装置、第二操作员界面装置以及控制器。控制器配置成接收与第一操作员界面装置相关联的第一位移信号以及与第二操作员界面装置相关联的第二位移信号。控制器进一步配置成确定净操作员输入值作为第一及第二位移信号的函数，并响应于所确定的净操作员输入值而调节从动元件的转矩。

尽管’019公开的系统可通过将发动机速度与传动装置转矩控制分开而提供对速度控制的CVT的有效调节，然而其可能会仍然不太理想。尤其，可能有时候发动机速度控制与传动装置转矩控制相结合可进一步提高机器效率。并且’019公开的系统可能未获取这些效率。

本发明的动力系统解决了上述问题中的一个或多个。

技术实现要素：

本发明的一个方面涉及一种用于具有牵引装置的移动式机器的动力系统。该动力系统可包括动力源、传动装置以及操作员输入装置，动力源配置成产生转矩输出，传动装置配置成接收该转矩输出的至少一部分并驱动牵引装置，操作员输入装置可移动通过从空档位置至最大位移位置的范围以产生指示牵引装置的所需转矩以及动力源的所需速度的信号。动力系统还可包括控制器，其与动力源、传动装置以及操作员输入装置通信。控制器可配置成将来自操作员输入装置的信号与存储在存储器中的图进行参考以确定动力源的对应速度并确定在当前动力源速度下动力源的实际转矩输出与最大有效转矩输出之间的差值。控制器还可配置成基于差值而选择性地调整映射到操作员输入装置的最大位移位置的动力源的速度，并基于信号以及图而选择性地调整在操作员输入装置的当前位移位置处动力源的燃料供给以及传动装置的操作。

本发明的另一方面涉及另一种用于具有牵引装置的移动式机器的动力系统。该动力系统可包括动力源、无级变速传动装置以及操作员输入装置，动力源配置成产生转矩输出，无级变速传动装置配置成接收该转矩输出的至少一部分并驱动牵引装置，操作员输入装置可移动通过从空档位置至最大位移位置的范围以产生指示牵引装置的所需转矩以及动力源的所需速度的信号。动力系统还可包括控制器，其与动力源、无级变速传动装置以及操作员输入装置通信。控制器可配置成将来自操作员输入装置的信号与存储在存储器中的图进行参考以确定动力源的对应速度并确定在当前动力源速度下动力源的实际转矩输出与最大有效转矩输出之间的差值。控制器还可配置成基于差值而选择性地调整映射到操作员输入装置的最大位移位置的动力源的速度，并基于信号以及图而选择性地调整在操作员输入装置的当前位移位置处动力源的燃料供给以及无级变速传动装置的操作。控制器可进一步配置成从移动式机器的操作员接收指示性能模式或经济模式的所需操作的选择，并且当选择是经济模式时选择性地降低映射到最大位移位置的动力源的速度以及映射到空档位置的动力源的速度。

在又一方面，本发明涉及一种操作具有牵引装置的机器的方法，该牵引装置由动力源经由传动装置驱动。该方法可包括确定操作员输入装置的位移位置以及将该位移位置与图进行参考以确定动力源的对应速度，该位移位置指示牵引装置的所需转矩以及动力源的所需速度。该方法还可包括确定在当前速度下动力源的实际转矩输出与最大有效转矩输出之间的差值，以及基于该差值而选择性地调整映射到操作员输入装置的最大位移位置的动力源的速度。该方法可进一步包括基于信号以及图而选择性地调整在操作员输入装置的当前位移位置处动力源的燃料供给以及传动装置的操作，以及从移动式机器的操作员接收指示性能模式或经济模式的所需操作的选择。该方法可附加地包括当选择是经济模式时选择性地降低映射到操作员输入装置的最大位移位置的动力源的速度以及映射到操作员输入装置的空档位置的动力源的速度。

附图说明

图1是示例性的所公开机器的概略图；

图2是用于图1所示机器的示例性的所公开操作员站的图示；

图3是用于图1所示机器的示例性的所公开传动系统的概略图；

图4是可用于控制图3所示传动系统的示例性控制图；以及

图5是描绘操作图3所示传动系统的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了示例性机器10，其具有配合完成任务的多个系统及部件。机器10所执行的任务可关联到特定的工业，诸如矿业、建筑业、农业、运输、发电或本领域已知的任何其他工业。例如，机器10可实施为移动式机器，诸如图1所示的轮式装载机、公共汽车、公路上行驶的或越野拖运卡车或本领域已知的任何其他类型的移动式机器。机器10可包括操作员站12、一个或多个牵引装置14以及动力传动系16，其可操作地连接以响应于操作员站12内所产生的信号而驱动牵引装置14中的至少一个。

如图2所示，操作员站12可包括从机器操作员接收指示所需机器操作的输入的装置。具体而言，操作员站12可包括邻近操作员座20设置的一个或多个操作员界面装置18。操作员界面装置18可通过产生指示所需机器操纵及/或操作模式的位移信号而启动机器10的移动。在一个实施例中，操作员界面装置18包括右脚踏板18a以及模式开关18b。当操作员操纵右脚踏板18a时，操作员可期望并影响机器行进速度及/或回转转矩的对应变化。当操作员按动或以其他方式触发模式开关18b时，可启动标准模式或任何数量的经济操作模式。设想如果需要的话，可附加地或替代地在操作员站12内设置除脚踏板及开关以外的操作员界面装置(诸如，如控制杆、操作杆、方向盘、旋钮、调节控制盘以及本领域已知的其他装置)以用于控制机器10。例如，可除右脚踏板18a以外或代替右脚踏板18a使用调节控制盘来设置所需速度。

如图3所示，动力传动系16可为配置成产生并传送动力至牵引装置14的整体式封装。尤其，动力传动系16可包括动力源22、传动装置24以及控制模块27，动力源22可操作以产生动力输出，传动装置24连接成接收动力输出并将动力输出以有效的方式传送至牵引装置14，控制模块27配置成响应于一个或多个输入(例如响应于经由界面装置18接收的操作员输入)而调节动力源22及传动装置24的操作。

动力源22可包括内燃机，其具有配合产生机械动力输出及/或电力输出的多个子系统。出于本发明的目的，将动力源22图示并描述成四冲程柴油发动机。然而，本领域的技术人员将认识到，动力源22可为任何其他类型的内燃机，诸如，如汽油机或气体燃料动力的发动机。动力源22的子系统可包括例如燃料系统、进气系统、排气系统、润滑系统、冷却系统或任何其他适当的系统。

动力源22可配置成产生转矩输出，该转矩输出通过一系列速度引导至传动装置24以及其他寄生负载(例如液压系统、电系统、冷却系统等)。出于本发明的目的，术语实际发动机转矩可指在给定速度下由动力源22当前所产生的转矩的量。在所公开的实施例中，实际发动机转矩直接对应于在给定速度下由动力源22当前所消耗的燃料的量。换句话说，在给定速度下动力源22的当前燃料供给率的测量可用来确定实际发动机转矩。术语有效发动机转矩可指当右脚踏板18a处于完全移位位置时可在给定速度下产生的最大转矩量。在所公开的实施例中，有效发动机转矩直接对应于可被引导至动力源22中的最大燃料量。在一些实施例中，该最大燃料量可由发动机的最大转矩极限、发动机的烟度极限或本领域已知的另一极限限制。

一个或多个传感器34可与动力源22相关联以感测其速度。在一个示例中，传感器34可实施为磁性拾波式传感器，其与嵌置在动力源22的旋转部件(诸如曲柄轴或飞轮)内的磁体相关联。在动力源22的操作期间，传感器34可感测由磁体产生的旋转场并产生对应于动力源22的旋转速度的信号。这些信号可被引导至控制模块27以用于进一步处理。

传动装置24可实施为例如无级变速传动装置(CVT)。传动装置24可为任何类型的无级变速传动装置，诸如液压CVT、液压机械CVT、电CVT或对本领域的技术人员显而易见的另一CVT配置。

无级变速传动装置通常由驱动元件26以及从动元件28组成，从动元件28是由驱动元件26提供动力。在图3所示的示例性液压CVT中，驱动元件26是泵，诸如可变排量液压泵；并且从动元件28是马达，诸如配置成从驱动元件26接收加压流体的可变排量液压马达。驱动元件26可连接成响应于由控制模块27引导至驱动元件26及/或从动元件28的转矩命令而经由一个或多个不同管道利用加压流体驱动从动元件28。在某些情况下，从动元件28可以例如在制动事件期间替代地在相反方向上驱动驱动元件26。

尽管被描述为液压CVT，然而传动装置24可替代地实施为电CVT。在此配置中，驱动元件26将实施为由动力源22驱动的发电机，并且从动元件28将实施为机械地连接至牵引装置14并配置成接收由发电机产生的电力的马达。类似于传动装置24的液压配置，电配置的马达可响应于来自控制模块27的转矩命令而由发电机提供动力。

可基于来自右脚踏板18a的输入而至少部分地控制传动装置24。即，操作员操纵右脚踏板18a，脚踏板可提供表示所需机器行进速度、及输出转矩及/或所需发动机速度的信号。例如，右脚踏板18a可具有最小位移位置(也叫作空档位置)并且可移动通过一系列位置到达最大或完全位移位置。传感器32(诸如开关或电位计)可与右脚踏板18a相关联地设置以感测其位移位置并响应于位移位置而产生对应信号。来自传感器32的位移信号可通过控制模块27引导至传动装置24以控制从动元件28的转矩输出并且还引导至动力源22以控制其燃料供给。

例如，当右脚踏板18a进一步朝完全位移位置位移到某一位置时，可形成指示行进速度及/或回转转矩的所需增加的信号。控制模块27可随后单独地或与其他信号(例如来自传感器34的信号)相结合地使用该信号来确定发送至传动装置24的转矩命令，其产生行进速度的所需增加。类似地，当右脚踏板18a向空档位置位移时，可形成指示行进速度及/或回转转矩的所需降低的信号并且控制模块27可使用该信号来确定发送至传动装置24的对应转矩命令。

在某些例子中，引导至传动装置24的转矩命令可改变而右脚踏板18a的位移位置没有对应变化。例如，当在稳定状态下行进时，机器10可遇到斜坡并由于重力的影响而开始加速或减速。在这些情况中的任一个中，控制模块27可感测速度的不可取变化(因为未感测到踏板位移位置的对应变化，因此为不可取的)并响应地调整引导至传动装置24的转矩命令以保持所需速度。

当基于来自控制模块27的转矩命令而调整传动装置24的比值时，传动装置24可从动力源22汲取不同数量的转矩。为了确保传动装置24总是可获得足够的动力供应以用于未预料的瞬态条件，动力源22可能够在给定速度下产生比传动装置24所直接要求的更多的转矩。并且可通常允许动力源22在下文将更详细描述的极限内产生比被引导至传动装置24(以及引导至机器10的其他负载)的转矩多约10％的转矩。即，在特定极限内，可将有效发动机转矩保持为比实际发动机转矩多约10％。应该注意，如果需要的话，可替代地使用不同的转矩差值。控制模块27可配置成调节动力源22的燃料供给，以将所需差值保持在有效发动机转矩与实际发动机转矩之间。

控制模块27可实施为单个微处理器或多个微处理器，其包括用于响应于接收到的信号而控制动力传动系16的操作的装置。多个商业上可得到的微处理器可配置成执行控制模块27的功能。应该理解，控制模块27可容易地实施为能够控制多个机器功能的通用机器微处理器。控制模块27可包括存储器、辅助存储装置、处理器以及用于运行应用程序的任何其他部件。各种其他电路可与控制模块27相关联，诸如电源电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路以及其他类型的电路。

与来自界面装置18的信号、发动机速度、发动机燃料供给及/或转矩极限有关的一个或多个动力源控制图可存储在控制模块27的存储器内。这些图中的每一个可采用表格、图表及/或方程式的形式，并包括从动力传动系16的实验室及/或室外操作收集的数据汇编。控制模块27可参考这些图，并且控制动力源22的操作并使机器10的性能符合操作员期望。

图4显示了示例性动力源控制图。在该图中，显示了转矩极限曲线400，其对应于动力源22可在任何给定速度下产生的最大转矩量。该最大转矩量还可对应于动力源22在给定速度下所消耗的最大燃料量。如图4的图所示，右脚踏板18a的空档位置可对应于约800rpm的发动机速度，并且根据操作模式以及实际发动机转矩与有效发动机转矩之间的实际或所需差值，右脚踏板18a的完全位移位置可对应于多个不同的发动机速度。例如，当机器10以经济模式操作时，完全位移位置可对应于约1200rpm的最大下限以及约1400rpm的最大上限。相反，当机器10以性能模式操作时，完全位移位置可对应于约1400rpm的最大下限以及约1600rpm的最大上限。替代地，如果需要的话，当机器10以性能模式操作时，完全位移位置可对应于约1200rpm的最大下限以及约1600rpm的最大上限。通常，经济操作模式与最大下限及最大上限中的一者或两者的较低值相关联。例如，经济模式的最大下限可为性能模式最大上限的约75％；并且经济模式的最大上限可约等于性能模式最大下限。然而，也可使用其他关系。在以下部分中将更详细地讨论图4的控制图。

控制模块27与动力源22、传动装置24以及界面装置18一起可实施为传动系统36。图5是描绘操作传动系统36的示例性方法的流程图。在以下部分中将进一步讨论图5以更好地说明所公开的系统及其操作。

工业实用性

所公开的传动系统可适用于具有CVT(例如电或液压CVT)的任何车辆。尤其，通过直接控制发动机燃料供给及机器的动力传动系的转矩输出两者，可改善机器的操作员控制，同时还提供更好的整体车辆效率。另外，通过在经济模式内提供选择性操作，可实现进一步的机器效率。现在将参照图5的流程图来描述传动系统36的操作。

操作传动系统36的第一步骤可包括从机器10的操作员接收所需模式选择，接收右脚踏板18a的位移位置，确定实际发动机转矩，以及确定有效发动机转矩(步骤500)。如上所述，可经由界面装置18b将所需模式选择为性能操作模式或经济操作模式。在一些实施例中，操作员可能够在最大经济模式与最大性能模式之间选择一个或多个增量。可得到任何数量的经济模式。可基于传感器32所产生的信号来确定右脚踏板18a的位移位置。实际发动机转矩及有效发动机转矩可由控制模块27确定，由专用动力源控制器(未示出)提供至控制模块27，及/或以本领域已知的另一方式产生。例如，控制模块27可至少部分地基于在当前发动机速度下动力源22的当前燃料供给以及在当前发动机速度下燃料供给的最大极限来确定这些值。

控制模块27可确定所需操作模式是性能模式还是任何有效经济模式中的一者(步骤505)，并相应地作出响应。例如，如果所需操作模式是性能模式，控制模块27可将动力源22的最大上限设定为第一发动机速度(例如速度₁)，并且将动力源22的最大下限设定为小于第一发动机速度的第二发动机速度(例如速度₂＜速度₁)(步骤510)。然而，如果所需操作模式是经济模式，控制模块27可相反将动力源22的最大上限设定为在所公开的示例中等于或小于第二发动机速度的第三发动机速度(例如速度₃≤速度₂)，并且将最大下限设定为小于第三发动机速度的第四发动机速度(例如速度₄＜速度₃)(步骤515)。在一个示例中，速度₁可为动力源22的最大额定速度且约等于1600rpm；速度₂可为速度₁的约85-90％(即，比速度₁小约10-15％)或为约1400rpm；速度₃可约等于速度₂或为约1400rpm；并且速度₄可为速度₁的约75％或为约1200rpm。速度_1-4的其他值及关系也是可能的。

控制模块27可随后将实际发动机转矩与有效发动机转矩进行比较，以确定实际发动机转矩是否处于有效发动机转矩的所需差值内(例如，处于约10％内)(步骤520)。例如，控制模块27可将实际发动机转矩(即，对于给定速度的动力源22的当前燃料供给)除以有效发动机转矩(即，在当前映射到完全右脚踏板位移的最大速度下动力源22的最大燃料供给)。如果实际发动机转矩是有效发动机转矩的约90％或更大(即，如果有效发动机转矩与实际发动机转矩之间存在小于10％的差值)，控制可进行到步骤525。否则，控制可进行到步骤530。

在步骤525处，控制器27可将右脚踏板18a的完全位移位置映射成对应于所需模式的最大上限(例如性能模式的约1600rpm以及经济模式的约1400rpm)。在步骤530处，控制器27可相反将右脚踏板18a的完全位移位置映射成对应于所需模式的最大下限(例如性能模式的约1400rpm以及经济模式的约1200rpm)。在步骤525及530两者中，右脚踏板空档位置的映射可保持不变，为约800rpm。下面提供几个示例来进一步说明步骤500-530。

在第一示例中，假设机器10正以性能模式在稳定状态下操作，其中动力源的最大上限为约1600rpm并且最大下限为约1400rpm。此时，动力源22的速度可处于这些值之间，例如为约1550rpm。在这种情况下，实际发动机转矩可很接近于有效发动机转矩，例如为约95％。如果机器10随后遇到下坡，实际发动机转矩(即，动力源22的当前燃料供给)可减小，并且当与有效发动机转矩(即，对于当前发动机速度的最大燃料供给量)进行比较时，实际发动机转矩与有效发动机转矩之间的差值可增大至大于10％。在这种情况下，控制器27可确定控制应从步骤520进行到步骤530并且因此将对应于完全右踏板位移的动力源22的速度减小至最大下限或约1400rpm。换句话说，当动力源22不再需要较高的转矩量时，控制器27可将在完全右踏板位移下可达到的最大速度(以及反过来，也可将在当前发动机速度下可获得的燃料及转矩量)减小至节约燃料的较低值。即，即使操作员保持右脚踏板18a的完全或接近完全位移，实际发动机转矩的降低也可导致动力源22的速度的自动降低以及燃料消耗的对应降低。在该同一示例中，如果操作员相反已选择经济操作模式，控制器27会将完全右踏板位移从约1400rpm重新映射到约1200rpm。

现在假设机器10在性能操作模式期间遇到上坡，并且实际发动机转矩增大，使得实际发动机转矩与有效发动机转矩之间的差值变得小于所需差值(例如小于约10％)。在这种情况下，控制器27可确定控制应从步骤520进行到步骤525。即，控制器27可将右踏板18a的完全位移位置从约1400rpm的最大下限重新映射到约1600rpm的最大上限。换句话说，当动力源22的转矩要求开始增大时，控制器27可将在完全右踏板位移下可达到的最大速度(以及反过来，在当前发动机速度下可获得的燃料供给及转矩的最大量)提高至提供更多转矩的较高值。即，即使操作员保持右脚踏板18a的完全或接近完全位移，实际发动机转矩的增加也可导致动力源的速度的自动增大。在某些例子中，这也可对应于机器性能的提高。在该同一示例中，如果操作员相反已选择经济操作模式，控制器27相反会将完全右踏板位移从约1200rpm重新映射到约1400rpm。

设想代替响应于下降到约10％以下的实际发动机转矩与有效发动机转矩之间的差值而从最大下限大步提高到最大上限，控制器27可相反地将动力源速度增大较小的量。例如，如果需要的话，控制器27可将动力源速度增大约50rpm增量，或线性地增大动力源速度以保持10％差值。

在调整右踏板位移的映射之后，控制模块27可使用新的映射以调整在当前发动机速度下动力源22的燃料供给以及当前右脚踏板位置。尤其，控制模块27可对于当前发动机速度以及对于右脚踏板18a的当前位移位置选择性地调整动力源22的燃料供给以对应于存储在图中的值。换句话说，通过调整右脚踏板18a的最大位移位置，空档位置与最大位移位置之间的所有位置可在同一方向上自动调整相关量。另外，控制器27可基于右脚踏板18a所产生的信号以及基于图而调整传动装置24的操作。

可与所公开的传动系统相关联地实现高的机器效率，因为关于动力源22的燃料供给的控制可能不总是直接对应于操作员输入。尤其，操作员可操纵右脚踏板18a而不必使动力源22的燃料供给发生直接变化。相反，右脚踏板18a的位移可仅导致传动装置24的速比发生变化并且仅当该变化需要显著地增大或减小来自动力源22的有效转矩的量时，位移才会导致动力源22的燃料供给发生变化。然而，即使当这发生时，燃料供给的变化可基于保持有效发动机转矩高出实际发动机转矩的所需差值而不是直接基于位移。换句话说，动力源燃料供给可在一定程度上独立于操作员输入，从而允许更大的发动机稳定性及更低的燃料消耗。

对本领域的技术人员显而易见的是，可对所公开的传动系统作出各种修改及变化。通过研究说明书及实践所公开的传动系统，其他实施例将对本领域的技术人员显而易见。说明书及示例旨在仅被视为示例性的，真实范围由以下权利要求书及其等价内容指出。