具有低速操作模式的液压系统的制作方法

专利名称:具有低速操作模式的液压系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有低速操作模式的液压系统，该液压系统可以具有油箱（28）、具有流体入口和流体出口的发动机（22），以及配置为从油箱抽吸流体并在高压下将流体排到发动机的泵（18），可以调整泵的输出以调节发动机的速度。该液压系统还可以具有位于所述发动机流体出口和油箱之间的低速阀门（66）。该低速阀门配置用于通过控制泵的输出将发动机正速度减小到低于最低正速度。
【专利说明】具有低速操作模式的液压系统

【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及一种液压系统，更具体地，涉及一种具有低速操作模式的液压系统。

【背景技术】
[0002]发动机驱动的机器，例如公路卡车、推土机、装载机、挖掘机、自动平地机以及其它类型的重型设备通常包括用于完成各种任务的一个或多个不同的液压系统。这些液压系统可以包括其中的冷却系统、实施系统、驱动系统、原料处理系统和润滑系统。在完成分配任务的过程中，可以命令液压系统中的致动器以相对较快的速度和以相对较慢的速度移动。可以通过调整将承压流体输送到致动器的泵的速度或通过控制供给到致动器的流体的量和/或压力(例如，通过倾倒来自致动器上游的系统的流体)来控制该致动器的速度。
[0003]在具有由流体驱动的马达所驱使的风扇的冷却系统内，可以根据相关联的发动机的温度、流经发动机的冷却剂的温度、发动机内的润滑油的温度、进入发动机的燃烧空气的温度和/或环境温度来控制风扇的转速。当这些温度中的一种或多种上升时，可以使得风扇加速并且强化发动机的冷却。类似地，当这些温度中的一种或多种下降时，同样能够降低风扇的转速，以减少冷却、增加效率、和/或节省燃料。
[0004]在某些情况下，可能无法完全让液压致动器(例如，驱动风扇的发动机)的速度慢下来。特别地，驱动该致动器的泵可以具有最小速度和/或排量，其产生所述致动器的相应最小速度在某些情况下可能不足够慢。同样，该系统能够释放最大量的压力或流向致动器的上游，产生对于某些应用来说可能不足够慢的对应的固定最小速度。另外，当致动器的速度变得太低时，速度会变得不稳定和不可靠。
[0005]本公开的液压系统旨在克服一个或多个上述问题和/或现有技术中的其他问题。


【发明内容】

[0006]本实用新型的目的在于提供一种具有低速操作模式的液压系统，可以通过位于发动机入口的压力补偿低速阀门提供精确的发动机控制。
[0007]一方面，本公开涉及一种液压系统，所述液压系统包括油箱、具有流体入口和流体出口的发动机，以及配置用于将流体从油箱抽吸并在高压下排出到发动机的泵；可调整泵的输出以调节发动机的速度；所述液压系统还包括位于发动机流体出口与所述油箱之间的低速阀门，所述低速阀门被配置用于通过控制泵的输出，来将发动机的正速度减小到最低正速度以下。
[0008]其中，所述泵的输出是压力和流量中的至少一个，通过控制所述泵的排量调整所述泵的输出。
[0009]进一步的，所述的液压系统还包括连接到所述发动机并由所述发动机驱动的风扇，所述风扇被配置用于冷却发动机，根据所述发动机的温度调整所述发动机的速度。
[0010]又进一步的，所述液压系统还包括:温度传感器，其配置用于产生指示所述发动机温度的信号；控制器，其与所述温度传感器、所述泵以及所述低速阀门连接，所述控制器配置用于:当所述信号指示所述发动机温度低于第一阈值时，调整所述泵的操作以降低所述风扇的速度；以及当所述信号指示所述发动机温度低于更低的第二阈值时，启动所述低速阀门。
[0011]其中，所述温度传感器与冷却剂、润滑油、液压工具油以及所述发动机的环境状况中的至少一个相关联。
[0012]其中，所述控制器被配置为当发动机的温度下降时，调节所述泵的操作以按比例降低所述风扇的速度；
[0013]再进一步的，启动所述低速阀门来导致所述风扇速度的阶越变化；所述控制器被配置为在启动所述低速阀门后，将所述泵的排量在最小排量位置保持至少阈值量的时间。
[0014]更进一步的，所述低速阀门包括:控制元件，其具有默认通流位置和可控阻流位置；压力补偿器，其被配置为当所述控制元件位于所述控制阻流位置时，通过具有固定量的流体。
[0015]另一方面，本公开涉及一种操作液压系统的方法，该方法包括使用泵对流体加压，以及将加压流体引入发动机的输入端以驱动该发动机；该方法还包括通过调节所述泵的操作，降低发动机的速度，并且选择性地启动连接到所述发动机出口的低速阀门，以进一步降低发动机的速度。
[0016]本公开的液压系统能够以可控制的方式减小发动机的最小正速度。这一能力允许发动机继续进行某些旋转，但是处于比通常仅通过泵控制更低的水平。另外，速度的稳定性可以实现相关机器的可靠性能。

【附图说明】

[0017]图1示出了示例性公开的机器的示意图；
[0018]图2示出了示例性公开的液压系统的示意图，该系统可以与图1所示的所述机器一起使用；
[0019]图3示出了用于描述示例性公开的图2所示液压系统的操作方法的流程图。

【具体实施方式】
[0020]图1示出了示例性机器10在工地12发挥特殊功能。机器10可以包括固定的或移动的机器，并具有与产业，例如采矿、建筑、农业、运输、发电、油和气体，或本领域已知的其它产业相关联的特殊功能。例如，机器10可以是移动式机器，例如图1所示的公路载重车、推土机、机动平路机或轮式装载机。机器10可以选择性地包括固定的机器，例如发动机组或泵送机构。机器10可以包括任何合适的操作执行机器。
[0021]机器10可以配置发动机14，其可以向一个或多个车载液压系统(例如，冷却系统、驱动系统、工具系统、润滑系统等)提供动力。在执行大多数任务期间，来自发动机14的动力可能在不同的液压系统中分散以驱动液压系统的操作。因此，发动机14的尺寸可以设置为提供足够的动力以满足不同液压系统的最大组合需求。发动机14可以以旋转机器输出的形式向液压系统提供动力，其中不同的液压系统随后可以以循环通过系统的加压流体的形式转变为液压动力。
[0022]图2示出了示例性液压系统16。在该实施例中，液压系统16用于冷却发动机14。液压系统16可以包括，除其他之外，直接机械地连接到发动机14的输出端20的泵18，发动机22通过开放回路24流体地连接到泵18，并且风扇26机械地连接到发动机22并由该发动机驱动。发动机14可以通过输出端20驱动泵18从油箱28抽吸低压流体并在高压下排出流体。发动机22可以接收并将加压流体转换成能驱动风扇26以让空气流动的机器动力。气流可以根据需要通过热交换器(未示出)直接和/或间接冷却发动机14。
[0023]泵18可以是本领域中已知的任何类型的泵，例如具有固定的或可变排量的单向或过中心泵。例如，泵18可以包括具有机轴(未示出)的通过输出端20连接到发动机14的旋转式或活塞驱动式泵，从而使得发动机14的旋转引起泵18进行相应的抽吸运动。泵18的抽吸运动可以经低压通道30在高压下从油箱28抽吸低压流体，并经高压通道32将流体排放到发动机22。流体在流经发动机22后可以通过引流通道34流回油箱28。低压通道30、高压通道32以及引流通道34可以一起形成回路24。泵18可以通过高压通道32专用于仅向发动机22提供加压流体，或者可选择地，还可以根据需要向与机器10(例如，向与液压回路相关联的工具系统、驱动系统、润滑系统等)相关联的其它液压回路提供加压流体。同样地，泵18可以通过低压通道30专用于抽吸低压流体，或者可选择地，还可以根据需要从其它油箱和/或机器10的回路抽吸低压流体。
[0024]在图2的特定实施例中，泵18包括单向的、排量可变的泵送机构36，该机构通过电磁阀装置进行压力控制。具体地，泵送机构36可以配置行程调节机构38，例如挡板，其位置可液压机械地进行调整，其中，风扇26的预期速度(或借助于风扇26对发动机14进行的预期冷却)改变泵18的输出(例如，排放速度)。泵送机构36的排量可以从最小排量位置调整到最大排量位置，其中在所述最小排量位置，泵18的每次旋转会让泵18排出最少量的流体，在所述最大排量位置，泵18以最大速度排出流体到高压通道32。排量致动器40可以机械地连接到行程调节机构38并配置为用于当填充满加压流体时，移动行程调节机构38。排量致动器40可以通过弹簧偏移向最小排量位置。
[0025]可以通过先导阀门元件42控制所述排量致动器40的运动。特别地，阀门元件42可以经通道44流体地连接到排量致动器40，经通道46连接到油箱28，以及经通道48连接到泵送机构36。阀门元件42可以在第一位置(如图2所示)与第二位置之间移动，在所述第一位置，排量致动器40经通道44和46与油箱28流体地连通，在所述第二位置，排量致动器40经通道44和48与泵送机构36的输出端流体地连通。当排量致动器40与油箱28流体地连通时，排量致动器40可以偏移向最大排量位置。当排量致动器40与泵送机构36的输出端流体地连通时，排量致动器40可以偏移向最小排量位置。
[0026]电磁阀门元件50可以控制阀门元件42在第一位置和第二位置之间的移动。特别地，导引通道52可以连接泵送机构36的输出端(也就是，可以连接通道48)到阀门元件42的相对端，并且限流孔54可以设置在导引通道52内，位于通道48与阀门元件42的第一端之间。阀门元件50可以流体地连接在所述阀门元件42的第一端和通向油箱28的通道46之间，并且在有能量供给时，可控制地从阻流位置移向通流位置。当阀门元件50位于阻流位置时，阀门元件42的两端可以在大致相同的压力下暴露于流体，并且阀门元件42通过相关联的弹簧偏移向其第二位置。当阀门元件50处于通流位置时，阀门元件42的第一端可以连接到油箱28，允许限流孔54形成压力差，该压力差将阀门元件42移向其第一位置。当控制器56供给能量时，阀门元件50可以移动至其通流位置和阻流位置之间的任何位置。
[0027]控制器56可以包括单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等，包括控制液压系统16操作的方式，以响应来自一个或多个传感器58接收的信号。许多通过商业途径获得的微处理器可以配置为发挥控制器56的功能。应当理解，控制器56还可以包括微处理器，该微处理器与控制其它机器相关功能的微处理器是相独立的，或者控制器56也可以与机器微处理器形成一体并且能够控制大量的机器功能和操作模式。如果控制器56与通用机器微处理器相独立，其可以通过数据链路或其它方式与通用机器微处理器连通。各种其它已知电路可以与控制器56相关联，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动电路(也就是，电路供电电磁线圈、发动机或压电致动器)以及通信电路。
[0028]传感器58可以被配置为产生用于指示一种或多种不同发动机温度的信号。所述发动机温度可以包括:例如，冷却剂温度、润滑油温度、发动机组温度、排气温度、增压温度、周围空气温度或其它温度。传感器58可以将信号引导到控制器56进行进一步的处理。
[0029]发动机22可以包括固定的或排量可变的，旋转式或活塞式液压致动器60，该致动器通过作用在驱动元件(未示出)上的压力不平衡性可进行移动，例如在叶轮或活塞上。通过泵18加压的流体可以通过高压通道32引入发动机22并且通过引流通道34从发动机22返回油箱28。将所述加压流体引向驱动元件一侧以及将流体从驱动元件的相对侧排出可以形成通过驱动元件的压力差，该压力差引起驱动元件移动或旋转。流经发动机22的流体的方向和速度可以决定发动机22和风扇26的旋转方向和速度，而通过驱动元件的压力不平衡性可以决定转矩输出。
[0030]抗气穴通道62具有单向阀64，其可以设置在发动机22内并配置为在一些情况下，直接连接引流通道34 (也就是，液压致动器60的输出端)与高压通道32 (也就是，液压致动器60的输入端)。特别地，可能会出现这样的情况，风扇26可能比其他进入液压致动器60的给定流体能更快速地驱动发动机22。这些情况可能发生，例如，在发动机22减速期间。当发动机22由风扇26驱动，发动机22可以用作泵并产生比压力输入更大的压力输出。如果任其发展，这将导致发动机22空化。然而，当输出端的压力大于输入端的压力，抗气穴通道62可以使液压致动器60的排放能够循环返回其输入端，从而有助于减少气穴现象发生的可能性。
[0031]风扇26可以被设置成邻近一个或多个液体-空气或空气-空气热交换器(未示出)并配置成产生引导通过热交换器通道的气流，与其中的冷却剂和/或燃烧空气进行热交换。风扇26可以包括多个连接到发动机22的叶片，该叶片以与所需空气流速相对应的速度和/或所需的发动机温度由发动机22驱动。
[0032]如上所述，控制器56可以用于调整泵18的排量，从而改变发动机22和风扇26的速度，进而改变发动机14的冷却速度。然而，在某些情况下，对风扇速度的所述控制可能不足以满足发动机14的预期条件。例如，通过泵控制能实现的风扇26的最小正速度可以约为400-500转/分钟，这对于某些应用(例如，在夜间极低环境温度下空转)可能不够慢。在所述应用中，可能需要另外的方式将风扇速度降至更低。因此，控制器56可以被配置为在必要时选择性地启动低速操作模式。应当注意的是，出于安全原因，让风扇26在发动机14操作期间总是保持以某种正速度旋转可能是理想的。
[0033]为了启动低速操作模式，控制器56可以有选择性地产生引向位于发动机22(也就是，在发动机22和油箱28之间)下游的低速阀门66的控制信号。低速阀门66可以包括流体地连通的控制元件68和压力补偿器(PCE)70。控制元件68可以设置在具有入口和出口的旁路通道72内，所述入口流体地连接到位于PCE70上游的引流通道32，以及所述出口流体地连接到位于PCE70下游的引流通道34。控制元件68可以从默认的通流位置(如图2所示)移动到偏向阻流位置的弹簧以响应来自控制器56的电子信号。当控制元件68在正常操作期间位于通流位置时，低速阀门66对液压系统14的操作可能几乎没有或者没有影响(也就是，当控制元件68处于通流位置，风扇速度可以不受低速阀门66的影响)，并且发动机22的一切排放都可以通过旁路通道72。然而，在低速操作模式中，控制器56可以选择性地使控制元件68能够对齐到阻流位置，从而阻断旁路通道72并导致发动机22的一切排放都通过PCE70。
[0034]PCE70可以刚好位于限流孔74的下游并具有流体地连接到限流孔74入口和出口的相对引导通道。根据穿过限流孔74的压力差，PCE70可以在通流(如图2所示)和阻流位置之间移动以保持流经引流通道34 (也就是，通过发动机22)的流体的所需速度。在一个实施例中，所述流体的所需速度可以是大约3-4升/分钟并导致风扇速度减少到约100-125转/分钟(也就是，比仅通过调整控制泵18可能降低约60-75%)。
[0035]图3示出了在低速操作模式中与液压系统14的操作相关联的流程图。将在以下部分更详细地讨论图3，以进一步说明所公开的概念。
[0036]工业实用性
[0037]本公开的液压系统可以适用于任何机器，其中需要对发动机在低速时进行精确控制。本公开的液压系统可以通过位于发动机入口的压力补偿低速阀门的新用途提供精确的发动机控制。液压系统16的操作将根据图3进行描述。
[0038]在机器10的正常操作模式期间，当发动机14启动并升温达到正常操作温度后，发动机14可以驱动泵18通过低压通道30从油箱28抽吸流体并向流体加压。加压流体以最大流速从泵18排出到高压通道32并引向发动机22。当加压流体流经发动机22，流体的水能可以转换为以最大速度旋转风扇26的机械功率。当风扇26旋转时，可以产生空气流动以促进发动机14的冷却。流出发动机22的被减压的流体可以通过引流通道34引向油箱28以重复该循环。
[0039]随着发动机14的温度发生变化，由于环境变化或负载条件，控制器56可以通过传感器58 (步骤300)对温度变化进行监测。控制器56可以将所监测的温度与第一阈值温度(步骤310)相比较。在第一实施例中，第一阈值温度可以与水套温度相关联，并具有约为100-105°C的值。在第二实施例中，第一阈值温度可以与燃烧空气(也就是升压)温度相关联，并具有约为53-57?的值。在第三实施例中，第一阈值温度可以与工具油温相关联，并具有约为88-92?的值。在第四实施例中，所述第一阈值温度的任意组合可以根据需要由控制器56同时用于比较一种或多种不同检测温度。
[0040]只要所监测的温度高于所述第一阈值温度，可以继续正常进行操作，如上所述，控制过程可以返回到步骤300。然而，如果在步骤310中，控制器56判断出发动机14的温度低于所述第一阈值温度，则控制器56可以断定发动机14的冷却超过预期并相应地调整泵18(步骤320)的排量。也就是，随着发动机14的温度下降到低于第一阈值温度，控制器56可以成比例地减小泵18的排量，直到达到泵18的最小排量位置。此时在本示例性实施例中，泵18仍可以产生约10-15L/m的流量并且风扇26仍然可以以约400-500转/分钟的速度旋转以冷却发动机14。当监测到发动机14的温度约为90-95°C (水套温度)，约为48_52°C(燃烧空气温度)，和/或约为83-87°C (工具油温度)，泵18的排量应达到其最小排量位置。
[0041]控制器56可以继续监测发动机14的温度并将所述监测的温度与较低的第二阈值温度(步骤330)相比较。在一个实施例中，第二阈值温度可以与水套温度相关联并具有约为70° C的值。然而，可以想到，根据需要可以与不同的或附加的第二阈值温度进行比较。只要所述发动机14的温度持续低于所述第一阈值温度并高于所述第二阈值温度，当发动机14的温度可能在可接受的范围内，控制可以循环步骤310-330。然而，当发动机14的温度下降到低于第二阈值温度时，控制器56可以断定发动机14对于预期操作来说过于冷，启动低速操作模式以进一步减轻发动机14 (步骤340)的冷却。也就是，控制器56可以产生引向低速阀门66的控制元件68的电子信号，使控制元件68对齐其阻流位置。当控制元件68对齐其阻流位置，发动机18的所有排放可以强制通过PCE70，因此在示例性实施例中，通过发动机18限制流量到约3-4L/m。流经发动机18的所述限制流速可以导致在步骤中风扇速度降低约100-125转/分钟。
[0042]当PCE70开始限制通过发动机18的流量，风扇26的惯性可以首先驱动液压致动器60使其像泵一样使用，在液压致动器60的出口处快速增加压力。所述加压流体可以通过旁路通道62和单向阀64循环回所述液压致动器60的入口，直到风扇26足够慢并且在所述液压致动器60的输入端和输出端处的压力在某种程度上正常化。
[0043]此时，高压通道32内的流体压力将由于PCE70对流体流动进行的限制而上升，通常使泵18调整其排量。但是，此时这种行为可能导致PCE70的不稳定性。因此，在启动低速操作模式后，控制器56可能使得泵18以至少最小的时间量(步骤350)保持其当前排量位置。也就是，在允许泵18正常工作并改变其排量以响应变化的压力(步骤370)，控制器56可以启动计数器并且进行等待，直到最小时间量结束(步骤360)。在一个实施例中，最小时间量可以约为30秒。然后，控制返回到步骤300。
[0044]应当注意，当发动机14的温度在初始启动之后上升，液压系统16可以以相反的方式发挥作用。例如，启动时，如果发动机14的温度低于第一阈值温度，控制器56可以首先将泵18的排量调整到其最小排量位置并以约400-500转/分钟的速度来驱动风扇26。此夕卜，如果发动机14的温度低于第二阈值温度，控制器56可以启动低速操作模式以进一步将风扇速度降低到约100-125转/分钟。在一些实施例中，在启动低速操作模式之前减少泵18的排量之后，控制器56可以延迟一段时间，例如约10秒。然后，当发动机14开始变热并且温度超过第二阈值温度时，控制器56可以停用低速操作模式。随着温度进一步上升，控制器56可以成比例地增加泵18的排量直到温度超过第一阈值温度并且风扇26以其最大速度旋转。
[0045]本公开的液压系统能够以可控制的方式减小发动机的最小正速度。这一能力允许发动机继续进行某些旋转，但是处于比通常仅通过泵控制更低的水平。另外，速度的稳定性可以实现相关机器的可靠性能。
[0046]对于本领域技术人员显而易见的是，可以对本公开的液压系统进行各种修改和变化。例如，尽管泵18已经被描述为电子压力控制型泵，可以想到，所公开的低压阀门66和相关的控制方法同样可以根据需要应用于具有恒定压力控制泵、远程压力控制泵或另一种类型的泵的系统。对于本领域技术人员，其他实施例显而易见，在考虑本文中公开的液压系统的说明书和实施例实践的情况下，说明书和实施例仅仅是示例性的，其真实的保护范围由权利要求指定。
【权利要求】
1.一种液压系统(16)，其特征在于，包括: 油箱(28)； 发动机(22)，其具有流体入口和流体出口 ； 泵(18)，其被配置成从所述油箱抽吸流体并在高压下排出流体到所述发动机，调整所述泵的输出以调节所述发动机的速度；和 低速阀门(66)，其位于所述发动机的流体出口和所述油箱之间，所述低速阀门配置用于通过控制泵的输出将所述发动机正速度减小到低于最低正速度。2.根据权利要求1所述的液压系统，其特征在于，所述泵的输出是压力和流量中的至少一个。3.根据权利要求2所述的液压系统，其特征在于，通过控制所述泵的排量调整所述泵的输出。4.根据权利要求1所述的液压系统，其特征在于，还包括连接到所述发动机并由所述发动机驱动的风扇(26)， 所述风扇被配置用于冷却发动机；以及 根据所述发动机的温度调整所述发动机的速度。5.根据权利要求4所述的液压系统，其特征在于，还包括: 温度传感器(58)，其配置用于产生指示所述发动机温度的信号；和 控制器(56)，其与所述温度传感器、所述泵以及所述低速阀门连接，所述控制器配置用于: 当所述信号指示所述发动机温度低于第一阈值时，调整所述泵的操作以降低所述风扇的速度；以及 当所述信号指示所述发动机温度低于更低的第二阈值时，启动所述低速阀门。6.根据权利要求5所述的液压系统，其特征在于，所述温度传感器与冷却剂、润滑油、液压工具油以及所述发动机的环境状况中的至少一个相关联。7.根据权利要求5所述的液压系统，其特征在于，所述控制器被配置为当发动机的温度下降时，调节所述泵的操作以按比例降低所述风扇的速度。8.根据权利要求7所述的液压系统，其特征在于，启动所述低速阀门导致所述风扇速度的阶越变化。9.根据权利要求8所述的液压系统，其特征在于，所述控制器被配置为在启动所述低速阀门后，将所述泵的排量在最小排量位置保持至少阈值量的时间。10.根据权利要求9所述的液压系统，其特征在于，所述低速阀门包括: 控制元件(68)，其具有默认通流位置和可控阻流位置；和 压力补偿器(70)，其被配置为当所述控制元件位于所述控制阻流位置时，通过具有固定量的流体。
【文档编号】F15B15-18GK204299992SQ201390000245
【发明者】P·K·艾克斯坦, T·L·汉德, M·A·赫森, J·M·休斯曼, D·D·塔隆, S·A·基利, V·M·巴特 [申请人]卡特彼勒公司