专利名称：变速器压力-设定的扭矩控制的制作方法
技术领域：
本专利申请整体上涉及传动控制，特别是，构造具有液压马达或变速器的传动系以能够进行精确的扭矩控制。
背景技术：
对于不直接由它们各自的动力源驱动的机器来说,传动系(transmission)是影响性能和效率的驱动系统的关键部件。传动系具有很多功能，包括，如齿轮减小或扩大，用于使最终驱动速度和/或扭矩与发动机速度和/或扭矩匹配；在动力源和最终驱动之间建立和断开连接、驱动系统减震、机器能量吸收，即在机器减速期间等。实现上述目标需要在传动系统内进行很多复杂化的工作，而且这些复杂化的工作可能在传动系的可控性和稳定性方面造成一些问题。
在很多条件下，使用液压传动系和驱动装置具有很大的优势，但是这些部件也相当复杂。这样的传动系包括但不限于静液压、液力机械、或其它包括液压变速器或液压泵/马达系统的传动系或驱动装置。在本文中将通过示例论述的液力机械转矩分流式(或平行路径)传动系就是一种十分有用但复杂的液压传动系统。与用于如拖拉机、推土机和轮式装载机的土方作业机器的典型机械传动系相比，这种传动系的类型具有很多优点。例如，液力机械传动系通常可连续地控制速度以及更有效且高效地管理发动机速度。由于上述传动系的复杂性，它们的控制模式不同于那些用于控制标准机械传动系的技术。如下面将详细讨论的，液力机械转矩分流式传动系包括变速器，该变速器的输出通过传动系内的一组行星齿轮系统连接到主动力源，通常情况下是发动机。变速器包括静液压泵，该静液压泵具有受致动器影响的排量。因此，传动系的输出是发动机和变速器的瞬时特性的函数。传统上，通过速度控制技术控制这样的液力机械传动系。特别是通过控制泵的排量控制传动系的输出速度。这种实践对泵的致动器使用反馈控制，将致动器推到特定的位置，从而实现特定的泵排量。虽然这样的速度控制系统在输出时提供扭矩，它们不控制输出扭矩，仅控制输出速度或速度比(输出速度相对于输入速度)。该系统在一些行业中十分有效；但是，缺乏扭矩控制在很多行业和环境中十分不利，特别是那些涉及使用大型土方作业机器的行业。例如，当速度控制机器由于负载或坡度遭遇突变的阻力时，速度控制传动系在保持速度比或速度的条件下可造成发动机滞后，或相对于驱动系统可造成其它的不稳定或不利的后果。授予Smith的美国专利No. 6, 684, 636中论述了用于控制速度的一种系统。Smith揭示了一种使用电信号控制速度的方法，该电信号应用于螺线管以使泵排量改变。这种方法在基本水平的表面上十分有效，但是，如上所述，操作者或机器在不平的表面上由于控制装置想要达到期望的速度而会遭遇不期望的加速。因此，虽然速度控制传动系理论上能达到土方行业的需要，但是由于在表面快速变化的条件下很难确定正确的泵排量，系统在实际应用中没有大范围地成功。特别是，在控制速度时排量中的任何错误都可造成滞后和倾斜以及一般的不期望的机器行为。
本文中所揭示的原理旨在至少部分克服提到或没提到的现有技术的一个或多个不足。但是应明白，不考虑特别要求保护的发明克服了一个或多个提到的现有技术的问题或在哪种程度上克服了上述问题，发明本身由所附权利要求书限定。另外，还应明白，文中所论述的代表例或公开仅用作用于研究所述代表例的引子，不能替代或补充实例。本文中所讨论的代表例与其它代表例不一致时，应明白该代表例就其本身的启示而言是确实的。
发明内容
一方面，提供一种用于控制从液力机械或其它液压驱动装置或传动系输出的期望扭矩的设备。该设备包括构造为用于确定期望扭矩和确定致动器压力的控制模块，该致动器压力在应用时使变速器(或其它液压马达)输出期望扭矩。另一方面，提供一种用于输出期望扭矩的传动系示例。该传动系包括与诸如内燃机的合适的输出产生装置驱动地连接的可变排量泵、与可变排量泵驱动地连接的固定或可变排量的液压马达、齿轮系统、致动器和控制模块。致动器构造为影响可变排量泵的排量， 以及控制模块构造为确定期望扭矩和确定致动器压力，该致动器压力在应用时使变速器输出期望扭矩。再一方面，提供一种用于控制从传动系或驱动系统输出的期望扭矩的方法。该方法包括以下步骤确定期望扭矩和从马达输出期望扭矩，如在液力机械传动系内。可以理解，上述一般说明和下述具体说明仅用作示例和解释，并不限定本发明。可通过下述具体说明和所附附图理解所揭示原理的其它方面和特征，其中
图I是液力机械传动系统的示意图，在该液力机械传动系统内可有利地应用所述
原理；图2是致动器压力的映射图，其可用在所述原理的实施例中用于确定致动器压力，该致动器压力在应用时使变速器或其它液压马达输出期望扭矩；图3是在特定泵速的条件下致动器压力相对于马达输出扭矩和马达速度比的映射图；图4是在另一泵速的条件下致动器压力相对于马达输出扭矩和马达速度比的映射图；图5是流程图，用于说明使用如图2的映射图产生期望输出扭矩的流程。
具体实施例方式本申请涉及传动和驱动控制，特别是，通过确定和实施特定致动器压力从液压马达(如静液压或液力机械传动内)提供期望扭矩输出。因此，当本发明通过示例聚焦在液力机械系统时，本领域技术人员能够明白所述原理可用于任何使用液压马达的系统，该液压马达由致动器控制的可变排量液压泵驱动。整体上来说，图I是液力机械传动系的示意图，包括用于完全理解所述原理的重要部分。图示的液力机械传动系10包括齿轮系统12、静液压单元16、输入模块18、控制模块20、致动器22、以及阀门系统24。
通常情况下，齿轮系统12向相应机器上的牵引装置(未示出)提供输出。机器可以是如土方作业机器，牵引装置可包括履带、轮、带、或其它地面接合设备。齿轮系统12是任何适当类型的液力机械系统，包括如输入联结构造。其它构造，如输出和串联联结构造，也适用于所揭示的原理的应用。液力机械传动系10连接到发动机14，发动机可以是产生旋转输出的任意设备。示例发动机类型包括气体或柴油内燃机、电动机、液压马达等。发动机14向静液压单元16提供旋转能，如向油或流体加压，以及向齿轮系统12提供旋转能。静液压单元16包括至少两个旋转组。虽然旋转组可以替代地都是可变排量构造，但是图中所示的旋转组包括可变排量泵26和固定排量马达28。可变排量泵26流体驱动固定排量马达28向齿轮系统12输出旋转能。静液压单元16可以是轴向活塞、弯曲轴线、或其它适合的构造。同样地，静液压单元16可设置为U形布置、直列布置、或其它已知的布置。
输入模块18从命令源接收命令或指令，并将命令传送到控制模块20以用于根据所接收的命令运转机器。用于输入模块18的命令源可包括转盘、键盘、交互式显示器、按钮、开关和/或踏板，并且，可根据从诸如存储设备的计算机可读取媒介读取的计算机可执行指令运转输入模块。接收的命令可以是用于识别进入输入模块18的期望输入、预定标准、特殊条件、或既定参数的数据。可将命令预先编程到控制模块20中，从而在预定的条件下根据预定标准和/或参数来执行。命令源可由例如人的操作者激活，或通过执行或运转构造成用于执行特定功能的软件或电路激活。控制模块20与输入模块18、第一和第二速度传感器30和32，以及阀门系统24通信。控制模块20接收从输入模块18输入的命令并确定对于提供预期的机器响应来说是希望的一定马达扭矩输出。图示的系统不排除其它部件，以及例如，其它传感器可根据需要附加或可选地用于提供附加的反馈或系统信息。值得注意的是，如输入模块18和控制模块20这样的模块可实施为硬件电路，所述硬件电路包括定制超大规模集成电路(VLSIcircuits)或门阵列、如逻辑芯片、晶体管、或其它分立元件的现成半导体。也可在可编程的硬件设备中实施模块，如现场可编程门列阵、可编程列阵逻辑、可编程逻辑设备或其它类似设备。还可在由不同型号处理器执行的软件中实施模块。可执行代码的识别模块例如可包括计算机指令的一个或多个物理块或逻辑块，计算机指令例如可作为物体、程序、或功能被整理。然而，识别的模块的可执行部不需要实体地定位在一起，但可包括存储在不同位置的分散指令，当逻辑连接在一起时，这些指令包括所述模块并实现模块的上述目的。控制模块20控制致动器22，其影响可变排量泵26的排量。致动器22包括位于气缸36中间的活塞34。本领域技术人员明白，气缸36的第一侧面38和第二侧面40之间的压差通过斜板机构实现可变排量泵26的期望排量。致动器22包括一个或多个致动器弹簧42和44，该致动器弹簧42和44构造为在整个致动器活塞34的运动范围内优选无间断地产生与位置成比例的对中作用力。虽然弹簧需要额外的力来克服，但它们提供稳定性，否则泵活塞的惯性倾向于将泵从零排量推开。图示的阀门系统24根据来自控制模块20的信号调节作用在致动器22上的压力。阀门系统24包括第一和第二压力控制阀门47和48。第一压力控制阀门47与控制模块20和致动器22的第一侧面38通信连接，第二压力控制阀门48与控制模块20和致动器22的第二侧面40通信连接。第一和第二压力控制阀门47和48提供作为从控制模块20输入的命令的函数的已知压力。应明白，为了适合特殊的实施状况可使用其它阀门配置。压力传感器50可选地包括在致动系统中，并配合第一和第二压力控制阀门47和48运转，从而监控施加到致动器22的实际压力。传感器50与控制模块20通信，从而提供信息，该信息根据下面将详细论述的所述原理用于控制扭矩，和控制阀门的流量损失、阀对阀的变化，和用于说明阀门非线性。压力传感器52可选地包括在静液压单元16中，用于提供对马达扭矩更准确的控制。额外的传感器配置还可改进诊断和错误检测功能。如上所述，所述原理通过致动器压力控制实现扭矩控制，致动器压力控制在很多环境中优于传统的控制方案，如，通过控制泵排量控制速度。在所述环境中建立扭矩控制系统时考虑的参数包括致动器弹簧的弹簧刚度以及在安装这些弹簧时的预载荷。影响扭矩控制系统运转的另外一个因素是静液压单元16的泵内的泵端口板角度，这可以从致动器压力控制映射图的论述中看出。
图2示出了用于设置致动器压力(或压力差)以得到确定的期望扭矩的映射图200。发明者已经认识到，静液压单元16的马达经历/施加的扭矩可通过静液压单元16的泵反馈到致动器本身。该反馈机制也可称为“旋转力”。通过形成一定的致动器压力，系统形成相应的马达扭矩。当马达上的负荷发生变化时，反馈到致动器的力也发生变化，从而改变致动器位置。但是将致动器压力保持为一个常量，从而以相应的常量固定该输出扭矩。用这种方式，不需要明确地控制输出速度和管理反馈的扭矩而控制拖动和涌动，因为压力控制的致动器上的反馈使致动器运动，从而不论速度如何都将输出扭矩保持在期望扭矩。图示的映射图200示出了泵速为1800转每分钟(RPM)的情况下施加的致动器压差，使得可变排量泵26以现有的马达速度比(马达速度除以泵速)输出期望扭矩。如同根据所述原理产生的所有测绘，映射图200在各维度上都基本无间断或没有平点，即，基本单调。控制模块20通过阀门系统24管理致动器压力。映射图200将致动力和归一化的(normalized)马达速度比与期望马达输出扭矩关联在一起。这种关系也可映射到期望回路压力。回路压力还通过马达的固定液压排量与马达扭矩关联。当特别要求或通过测量得到马达排量时，回路压力还可与可变排量马达的马达扭矩关联。马达扭矩是通过齿轮系统12内的机械减速实现的输出扭矩的函数。从第一速度传感器30获知可变排量泵的速度。可变排量泵的位移角通常与归一化的马达速度比成比例，该归一化的马达速度比是固定排量马达速度和可变排量泵的速度之间的比率。利用来自第一和第二速度传感器30和32的输入在控制模块20内计算出归一化的马达速度比。控制模块20与映射图200相关，用于确定施加到致动器22的致动器压力。确定适当的致动器压力后，阀门系统24即产生适当的压力。值得注意的是，对于不同的泵速，使用不同的映射面。还值得注意的是，对于具有多个泵的系统，每个泵需要其自己的映射图。为了实现期望的机器反应和输出期望的扭矩，控制模块20从命令源和输入模块18接收输入信息。命令源将预定标准、参数、或条件输入在输入模块18中。控制模块20处理输入信息用于确定用于给定输入的期望扭矩，该控制模块还确定泵速、确定归一化的马达速度比，并参考映射图200 (或其它映射图)以确定需要多大的致动力来实现可变排量泵26的期望排量。在响应指示要求致动力的信号时，第一和第二压力控制阀门47和48协作，向致动器提供特定的压力(差)。然后，马达28输出期望扭矩。因此，应明白，适宜构造系统和准确建立扭矩-压力结果图200有利于本方案的正常运作。如上所述，液压单元16的泵包括一个或多个泵端口板，端口板标引或定时设定从图3中可以看出的致动器压力与回路压力(马达扭矩)之间的斜度。特别是，图3示出了给定泵速(示例中1300RPM) 下相对于纵坐标上的马达扭矩(英寸-磅in-lbs)的横坐标上的致动器压力(增量压力，单位是磅/平方英寸PSI)图形。归一化的马达速度比的轴线与所示轴线垂直，并且多个图形在两方向上代表不同的马达速度比。在低泵速下期望最大化马达扭矩的可控性，以产生较高的系统稳定性。为了实现该目的，任意方向上的较高致动器压力斜度表明较高的转速和更好的可控性。但是，对可实现的斜度有一些限制。可以看出，致动器弹簧刚度/预载荷和端口板定时两者都影响致动器压力和马达扭矩之间的关系。就端口板定时而言，端口板定时增加，上述关系的斜率增加。端口板定时的增加可通过致动器压力更精细地控制扭矩。但是，液压供给系统具有有限的供给压力，以及弹簧刚度和端口板定时不能被设定，从而，由于致动器控制力受限不能实现可能的最大扭矩。此外，过高的端口板定时可能使泵噪音提高到令机器使用者感到不舒服的级别。在一个实施例中，致动器弹簧具有较高的刚度，并且设置为提供零预载荷的尺寸。在特定的实施例中，弹簧组件使用捕获的同轴弹簧以达到预期的刚度。在这些实施例中，当不施加致动器压力(或压差)时，泵致动器回位到零排量，但是为了减少最大可用扭矩，弹簧刚度不会这么高。在这些限制条件内，为了在高泵速的条件下提高开环马达速度的可控性，使致动器压力与马达速度比的斜度最大化。不能选择弹簧或端口板定时来产生能造成控制不稳定的不连续性。图4与图3类似，但示出了用于不同泵速、S卩3000RPM的一组压力/马达扭矩曲线。回顾图3和图4，应明白，致动器压力相对于马达速度比(线条间的间隔)的斜度在低泵速下高过其在高泵速下，从而具有增强的控制解析度。此外，如上所述，虽然从多个图形看不明显，但也可通过在所述限制范围内提高致动器弹簧刚度而提高致动器压力相对于马达速度比的斜度。最后，从图3和4所示的图形可以看出，致动器压力相对于马达扭矩的斜度在低泵速下低于其在高泵速下，这是优先考虑的，从而不以限制可用扭矩的方式选择弹簧刚度。从上述说明可以看出，可通过提高端口板的端口板定时最大化马达扭矩控制斜度，而通过提高弹簧刚度最大化马达速度比控制斜度。在液压单元16的构造过程中，实施这些优化措施，同时确保在任何变速器操作条件下都没有超出充装压力，以及确保泵的噪音和端口板上的瞬时压力保持在预定的界限内，以减少泵的噪音且提高泵的寿命。虽然可使用理论压力/扭矩示意图，但仍期望在实施例中实证地使用适当构造的液压单元16形成压力扭矩映射图，从而，形成的数据包括诸如泄漏的传动损失、和传动齿轮的损失、和致动器摩擦、磁滞、和变速器阻尼。虽然任意这样的映射图取决于精准的系统尺寸、型号、构造等，但图2示出的图形是适当实证映射的示例。通过映射(和针对替代泵速类似衍生的映射)实现扭矩控制提供更平稳的换档和更好的系统整体平滑性。与传统的速度控制系统相比，这种控制还具有更直观的停止历程。当机器运动的阻力增加时，如机器推动一堆泥土或岩石时或机器爬山时，马达速度发生变化。因而，归一化的马达速度比也发生变化。控制模块20识别出变化，参考适当的映射图，并确定为保持期望扭矩所需的新的致动器压力。然后，控制模块20向压力控制阀门47和48发出信号，以根据确定的致动器压差调整致动器内的压力。压力控制阀门向致动器22提供确定的压力(压差)。工业实用性所述原理适用于这样的机器和装置，即其中使用具有可变排量泵的液压系统，并且，操作的平稳性和对环境变化的快速反应十分重要。在此背景下，揭示的系统有利于通过控制致动器压力来控制马达扭矩。图5是流程图，其用于示出，结合相对于图I中示出的或其类似的具有变速器的液力机械传动系用于传动控制的流程500。随着在阶段501收到指示期望输出扭矩的控制信号开始流程500。然后，在阶段503系统确定泵速和马达速度比(或归一化的马达速度比)。在阶段505，流程使用扭矩压力映射确定所需的致动器压力，从而，在给定的马达速度比和泵速的条件下产生期望的扭矩。该流程可使用标准映射图内插和外推技术。最后，在阶段507，系统发出如电流信号的信号用于启动一个或多个压力控制阀门，使确定的压力或压差施加到致动器，从而使马达输出期望扭矩。如在阶段509所示，可监控马达速度比、泵速、和控制输入(用于指示期望扭矩)，以确定条件变化是否需要不同的致动器压力。应明白，以上论述提供了所揭示系统和技术的示例。但是，值得注意的是，本申请·的其它实施例可在细节上不同于上述示例。本申请或其示例中的所有说明仅用于说明该处讨论的特定示例，并不应扩大解释为任何限定本申请范围的限制。关于一定特征的差别与不足的描述旨在表示不倾向于使用这些特征，除非明确表示，并不完全将这些特征排除在本申请的范围外。除了明确说明，本文中记录的数值范围仅用做速记方法表示各数值位于该范围内，并且各数值以分别记录在本文中的方式包括在说明书中。除另有说明或与所述条件明显地冲突，可以以任意适当的顺序实施本文中所述的所有方法。
权利要求
1.一种用于构造传动系(10)的方法，所述传动系包括用于从主动力源(14)接收动力的发动机输入和连接到液压变速器的马达输入，所述液压变速器包括液压泵(26)和由所述液压泵(25)驱动的液压马达(28)，所述变速器还包括用于控制所述液压泵(25)的排量的压力驱动致动器(22)，所述方法包括 建立所述传动系(10)的扭矩-压力曲线(300，400)，其中所述扭矩-压力曲线(300，400)将马达输出扭矩和马达速度、致动器压力、以及泵速关联起来，从而，相对于致动器(22)压力变化最大化所述变速器的输出扭矩解析度，同时在任意可用马达速度下保持曲线(300.400)在各维度上基本单调，而不超过预定的马达速度极限且不超过可用的致动器压力极限；以及 构造所述传动系(10)，通过基于所述建立的扭矩-压力曲线(300，400)、所述期望扭矩、当前马达速度和当前泵速确定即将应用的致动器压力，以输出扭矩。
2.根据权利要求I所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述马达速度是归一化的马达速度。
3.根据权利要求I和2的任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述传动系(10)是静液压传动系(10)。
4.根据权利要求I和2的任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述传动系(10)是液力机械传动系(10)。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述传动系(10)还包括用于施加压力以控制所述致动器(22)的一个或多个压力控制阀门(47，48)，所述方法还包括 产生和向所述一个或多个压力控制阀门(47，48)传输一个或多个信号，用于启动所述一个或多个压力控制阀门(47，48)，以将所确定的致动器压力施加到所述致动器(22)。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的用于构造传动装置传动系(10)的方法，其中，所述确定的致动器压力是压差。
7.根据权利要求5所述的用于构造传动系(10)的方法，在产生步骤之后还包括监控所述泵速和马达速度，用于确定是否需要改变所确定的致动器压力。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述液压泵(25)包括具有端口板角度的泵端口板，所述方法还包括选择用于所述泵端口板的端口板角度。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，所述致动器(22)包括用于使所述致动器(22)居中而偏置的一个或多个弹簧，所述方法还包括为所述一个或多个致动器弹簧选择一个或多个相应的弹簧刚度。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的用于构造传动系(10)的方法，其中，建立所述传动系(10)的扭矩-压力曲线(300，400)包括在多个马达速度和泵速下施加多个致动器压力，从而产生相应的多个马达扭矩，以及分别记录与所施加的致动器压力、马达速度和泵速相关的所述相应的多个马达扭矩，从而形成用于所述传动系(10)的扭矩-压力曲线(300.400)。
全文摘要
一种用于构造液力机械传动系的方法及系统，该液力机械传动系具有液压泵和由液压泵驱动的液压马达，压力驱动致动器利用特殊的扭矩-压力曲线构造，使相对于致动器压力变化最大化扭矩解析度，同时，确保曲线在各维度上基本单调，而且使任意可用的马达速度在预定的马达速度极限内以及任意可用的致动器压力在预定的致动器压力极限内。在致动器压力、马达速度、主动力源速度和马达扭矩之间产生的四维关联允许选择致动器压力，从而提供期望扭矩。
文档编号F16H61/00GK102918305SQ201180026392
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月28日
发明者F·A·德马科, M·G·克罗宁 申请人:卡特彼勒公司