排量容积设定装置和静液压可变排量轴向柱塞机的制作方法

1.本发明涉及静液压可变排量轴向柱塞机。更具体地，本发明涉及静液压可变排量轴向柱塞机的排量容积设定装置。


背景技术：

2.液压作业车辆通常配备有静液压可变排量轴向柱塞机，该静液压可变排量轴向柱塞机由内燃发动机驱动以便产生液压压力，该液压压力例如可以通过液压马达转换为车辆的推进力。在大多数情况下，推动车辆或致动工作装置(work function)的静液压马达的排量容积是恒定的。通过控制静液压轴向柱塞机的排量容积来控制液压马达的速度和/或(辅助)工作装置。因此，可以得出，静液压可变排量轴向柱塞机的排量元件的倾斜角度必须是可调节的。
3.排量元件的倾斜角度根据来自车辆操作员的输入命令来调节，通过设置刚性的机械连接元件而将该输入命令经由某些接口(interface)(例如踏板或控制杆)传递到静液压可变排量轴向柱塞机的排量元件。配备有刚性连杆元件的静液压可变排量轴向柱塞机通常称为直接排量控制单元。
4.由于轴向排量单元和操作员输入装置之间的连杆是刚性的，所以作用在排量单元上的负载会增加将连杆保持在适当位置所需的力，并且还会向输入装置提供不期望的机械反馈信号。
5.如果车辆操作员增加输入命令装置上的力，则由静液压可变排量轴向柱塞机产生的液压动力也应当增加。如果排量元件的倾斜角度无法适应新的负载情况(静液压可变排量单元的正常行为即是如此)，则内燃发动机的转速被迫降低，这可能导致发动机熄火，特别是如果操作员的输入命令阻止静液压可变排量单元适应作业车辆上不断增加的负载。然后，内燃发动机被要求向静液压轴向柱塞机提供更多的动力，并因此内燃发动机被迫以不同的转矩-速度比运行，这反过来又偏离了设计的转矩/速度比。在这种不同的转矩-速度比下，内燃发动机的效率比在目标运行状态下运行时的效率差。由于内燃发动机可能无法为偏离的系统状态提供足够的动力，因此可能会出现系统过载。这不仅导致燃料消耗量增加；如果所需的转矩超过内燃发动机可以提供的转矩，则它也可能导致发动机熄火。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供一种排量容积设定装置，该排量容积设定装置能够在操作员输入装置与静液压可变排量轴向柱塞机的排量元件之间提供直接的机械连接，其中，该排量容积设定装置被配置成在必要时使操作员输入命令无效，以维持目标运行状态，或避免内燃发动机熄火。
7.该目的通过根据本发明的实施例的排量容积设定装置以及通过本发明的实施例的静液压可变排量轴向柱塞机来解决。
8.根据本发明，静液压可变排量轴向柱塞机的排量容积设定装置包括用于提供排量
命令的输入装置。优选地，输入装置是机械装置，该机械装置被移动以便调节轴向柱塞机的排量容积和随之而来的体积流量。例如在作业车辆的操作员驾驶室中，该输入装置可以布置成远离静液压可变排量轴向柱塞机。
9.根据本发明的排量容积设定装置还包括排量容积调节装置，该排量容积调节装置用于根据经由输入装置提供的排量命令来设定排量元件的倾斜角度。根据本发明，排量容积调节装置的运动导致排量元件的倾斜角度的改变，并且最终导致轴向柱塞机的排量容积的改变。优选地，排量容积调节装置还被设置为机械装置，该机械装置附接到排量元件并且能够将作用在排量容积调节装置上的力传递到排量元件，并且反之亦然，将力从排量元件朝向输入装置传递。排量容积调节装置可以是例如与排量元件连接的控制杆或杆，该排量元件可以是例如斜盘或轭(yoke)。
10.根据本发明，排量容积设定装置包括连杆元件，该连杆元件具有：连接到输入装置的输入联接元件、连接到排量容积调节装置的输出联接元件、以及将输入联接元件与输出联接元件连接的连接元件。连接元件将经由输入联接元件传递的来自输入装置的排量命令传递到输出联接元件，并进而经由输出联接元件传递到排量容积调节装置。连接元件通常表现出非弹性行为，但是如果在静液压可变排量轴向柱塞机处/中存在的高压力水平所产生的力超过预先确定的阈值，则该连接元件是能够弹性变形的。
11.静液压可变排量轴向柱塞机可以是例如静液压泵，该静液压泵经由高压管线连接到液压消耗器(例如液压马达)。如果抵消液压消耗器的力/运动的负载增加，则高压管线中的压力水平升高，从而增加了由静液压可变排量轴向柱塞泵在其入口和出口之间必须产生的压力差。如果由液压马达以液压方式推动的车辆往上坡行驶，或克服障碍行驶/推动/拉动，则可能会出现这种情况。响应于高压侧增加的负载，轴向柱塞机的排量元件向较小的排量容积倾斜，从而降低了通过泵的体积流量，并增加了泵的入口和出口之间的压力差，例如，如果在这种情况下要保持作业车辆的速度，则必须调节输入命令。在直接排量控制的液压泵的情况下，这只能通过命令排量元件获得更大的倾斜角度来完成，但是，更大的倾斜角度会导致驱动发动机提供更大的转矩，在前面已经提到了其具有的消极后果。
12.对于在静液压轴向柱塞机的高压侧处产生相对较小的压力变化的、增加排量容积的命令，排量命令被直接且刚性地转递到排量容积调节元件，并且负载反馈被直接且刚性地以相反的方式从排量容积调节装置传递回输入装置。
13.如果由作用在静液压轴向柱塞机的排量元件上(且作用在输出联接元件上)的较高压力水平产生的力大于预先确定的阈值，则根据本发明的连接元件通过弹性变形将输入联接元件与输出联接元件解耦。因此，排量元件的倾斜角度不再由输入装置直接控制。这一弹性变形允许输出联接元件相对于输入联接元件运动，并且通过使排量容积调节元件能够退回而使得排量元件能够旋转回较低的倾斜角度来避免驱动发动机的过载。
14.这一弹性变形将由液压轴向柱塞机的高压侧产生的力限定到预先确定的阈值。作用在液压轴向柱塞机上的低于预先确定的阈值的负载的幅值允许驱动发动机维持经济的运行状态范围，和/或防止发动机遭受损坏。此外，可以将作用在排量元件上的负载的直接反馈转递给输入装置。另一方面，如果由于外部负载代表值高于该阈值而需要调适倾斜角度，则提供了机械无反馈行为。
15.预先确定的阈值可以通过连接元件上的预张紧力来设定。如果施加在连接元件上
的力小于预张紧力，则在将负载从输入联接元件传递到输出联接元件时(以及相反情况下)，预张紧的连接元件将起到刚性作用。因此，可以得出：如果预张紧的连接元件是能够弹性变形的，则可以将该连接元件设定为，例如如果作用于液压轴向柱塞机上的负载大于由预张紧力设定的阈值，该连接元件变形。
16.根据本发明，连接元件的预张紧力可以调节。预张紧力的幅值影响液压作业机械(车辆)的行为。如果预张紧力高，则即使在外部负载较高时，也会在输入联接元件和输出联接元件之间提供刚性反馈。如果预张紧力以及由此导致的阈值较低，则排量容积设定装置将对外部负载和经由输入装置提供的排量命令(如果其将导致高于阈值的高压力水平)产生更平稳的反应。
17.为了实现这一点，连接元件可以包括弹簧或另外类型的可弹性变形的元件。可弹性变形元件的材料选择范围可以很广，包括但不限于金属、塑料或增强塑料。由此，可弹性变形的元件可以具有任意形式，例如拉伸弹簧、压缩弹簧、扭力弹簧或任何其他类型的弹簧。连接元件也可以设计成弹性垫圈、锁紧垫圈、防爆片、螺钉或螺栓或类似的装置。
18.本发明的构思所涵盖的是提供一种部分弹性的元件，该部分弹性的元件包括：在任何运行状态下都是刚性的部件：和可弹性变形的部件，该可弹性变形的部件在由高压力水平产生的并且作用在输出联接元件上的力超过由可弹性变形元件的预张紧力所设定的预先确定的阈值时变形。
19.可弹性变形的元件还可以被设计为具有小直径的预张紧的绳索、缆线、杆或柱，使得如果作用在这些元件上的力超过预先确定的阈值，则这些元件是可弹性变形的。取决于连杆元件的设计，弹性连接元件可以能够传递拉力和/或压缩力。如所描述的，连接元件也可以包括所述部件的组合。
20.此外，连杆元件可以包括限制连接元件的弹性变形的端部止挡件，其中阻尼元件可以布置在端部止挡件处。通过提供端部止挡件，限定了用于连接元件的弹性行为的力范围。该范围的下端由预先确定的阈值的幅值限定，并且该范围的上端由较高的端部止挡件的位置以及随之而来的对应的最大弹性变形力限定。如果作用在输出联接元件上的力在该力范围内，则连接元件弹性地起作用。如果该力在该力范围之外，则连接元件用作刚性的力传递装置。如果该力小于预张紧力，则在不引起连接元件的弹性变形的情况下提供刚性的传递。如果该力大于预张紧力，则连杆元件弹性地传递排量命令，直到接触到端部止挡件为止。
21.阻尼元件，例如减震器、起重机缓冲器、泡沫橡胶或类似元件，可以使连接元件的弹性行为平稳地过渡到连接元件的刚性行为。另外，阻尼元件可以消除振动，从而为可变排量轴向柱塞机的操作员提供更舒适的负载反馈。
22.用于提供排量命令的输入装置可以是用于提供机械输入命令的操纵手柄、控制杆、踏板或类似装置。优选地，输入装置的运动经由限定运动/传动比的机械传动装置(例如连杆元件)传递到排量元件，从而可以实现轴向柱塞机的舒适/经济的运行。
23.排量命令也可以是经由螺线管或伺服机构机械地转换到输入联接元件上的电信号或者液压压力。如所描述的那样，输入联接元件的机械运动因此可以转递到排量元件。作用在静液压轴向柱塞机的高压侧上的负载反馈经由连杆元件传递到输入装置，在该输入装置处，该负载反馈可用作至系统操作员或系统控制单元的反馈，例如用以调适发动机驱动
速度。
24.如前所述，连杆元件可以传递线性运动和/或旋转运动。本发明的精神还涵盖的是，连杆元件传递线性运动和/或旋转运动的组合。
25.静液压可变排量柱塞机可以是斜盘或弯轴类型。本领域技术人员的公知常识是，在第一情况下，排量元件是可倾斜的斜盘，也称为旋转元件，而在第二情况下，排量元件是轭。
26.虽然利用液压轴向柱塞泵描述了本发明的构思，但是任何静液压轴向柱塞机都可以配备有根据本发明的排量容积设定装置。因此，配备有根据本发明的排量容积设定装置的静液压轴向柱塞机可以是静液压马达、静液压泵和/或是静液压变速器的一部分。
附图说明
27.在以下附图中，示出了根据本发明的静液压可变排量轴向柱塞机的排量容积设定装置的示例性实施例。在不脱离本发明构思的精神的情况下，所提出的实施例可以彼此组合。在附图或以上描述中未示出但在本领域技术人员的知识范围内的实施例的组合和替代也被本发明的精神所覆盖。所提出的实施例不限制本发明的范围。下图示出：
28.图1在侧视图中示出了根据本发明的排量容积设定装置的第一实施例；
29.图2在剖视图中示出了图1的实施例；
30.图3在侧视图中示出了根据本发明的排量容积设定装置的第二实施例；
31.图4在剖视图中示出了图3的实施例；
32.图5在剖视图中示出了根据本发明的排量容积设定装置的第三实施例。
33.尽管以下附图示出了本发明的不同实施例，但是相同的附图标记用于相当的部件，与具体的实施例无关。
具体实施方式
34.图1示出了根据本发明的排量容积设定装置1的连杆元件10的第一实施例的侧视图。连杆元件10包括输入联接元件15和输出联接元件20，输入联接元件15和输出联接元件20两者被设置为分离的部件。输入联接元件15和输出联接元件20能够绕枢转轴线28相对于彼此旋转，其中输入联接元件15和输出联接元件20均连接到用作共同旋转中心的枢销25。输入联接元件15连接到输入装置6，输出联接元件20连接到排量容积调节装置8。输出联接元件20和输入联接元件15之间的相对旋转受到连接元件30的限制，该连接元件30布置在输入联接元件15和输出联接元件20之间的力的路径中。
35.在图2中更详细地示出的连接元件30包括引导杆32，弹簧38可移动地布置在该引导杆32上。弹簧38的一侧抵靠弹簧座40，而另一侧抵靠垫圈34，该垫圈34通过螺母36保持在适当的位置。引导杆32插入形成在输入联接元件15和输出联接元件20中的开口48中。在引导杆32的与弹簧38相反的并且穿过开口48而伸出的端部上固定有杆端销42，使得输入联接元件15和输出联接元件20的相对位置通过杆端销42在一个方向上受到限制。在另一方向上，销32的可移动性受到弹簧座40的限制。如在该实施例中那样，弹簧座40和杆端销42上的凸面可以由凹面槽接纳，该凹面槽同样成形于输入联接元件15和输出联接元件20中。凸面和凹面的成对设置确保了当输入联接元件15和/或输出联接元件20绕枢销25旋转时，引导
杆轴线26可以保持静止。如图2的实施例中所示，引导杆32是带螺纹的，使得螺母36可以被拧到引导杆32上并且通过螺纹被保持在适当的位置。通过朝向弹簧座40拧紧螺母36，压缩力经由垫圈34施加到弹簧38上，该压缩力导致将弹簧座40压靠在输入联接元件15和输出联接元件20上的力。可以根据针对作用在静液压可变排量轴向柱塞机的排量元件上的允许的高压力水平所选的阈值设定该压缩力。
36.在图1和图2的实施例中的排量容积设定装置1能够安装到可变排量轴向柱塞机上。在开始使可变排量轴向柱塞机工作之前，可以通过调节螺母36在引导杆32上的位置来预张紧弹簧38。如果朝向弹簧座40旋拧螺母36，则弹簧38的预张紧力增大，而如果沿相反方向旋拧螺母36，则预张紧力减小。
37.在额定运行状态下，提供输入命令，例如输入控制杆的运动，该输入命令经由输入装置6进行设定。输入命令导致输入联接元件15旋转，该旋转由双向箭头60表示。旋转的输入命令经由输入联接元件15传递到弹簧座40或杆端销42(取决于输入联接元件15的旋转方向)。如果通过输入联接元件15的旋转运动施加到弹簧座40或杆端销42上的力小于弹簧38的预张紧力，则输入联接元件15的旋转将朝向输出联接元件20无弹性地传递，该输出联接元件20绕枢销25以与输入联接元件15相同的方向旋转并将该旋转传递到排量容积调节装置8，从而导致轴向柱塞机(未示出)的排量元件的倾斜角度发生变化。
38.如果力的方向相反，即，如果由排量容积调节装置8在输出联接元件20上施加力，使得输出联接元件20以枢销25为旋转中心旋转(参见双向箭头65)，则前段所述的原理反过来适用。如果由输出联接元件20的旋转在弹簧座40或杆端销42上施加的力小于弹簧38的预张紧力(其表示高压力水平的预先确定的阈值)，则连接元件30表现出刚性行为，并将输出联接元件20的旋转直接传递给输入联接元件15。输入联接元件15连接到输入装置6，从而将作用在排量容积调节装置8上的负载的直接(机械)反馈提供给输入装置6。
39.这意味着静液压可变排量轴向柱塞机的操作员能够感觉到经由排量容积调节装置8传递的作用在工作机械(车辆)上的负载。例如，如果在由根据本发明的轴向柱塞机推动的车辆的行驶路径中出现障碍，则操作员在输入装置6处感觉到负载的增加之后，如果需要，可以对增加的负载做出反应。
40.然而，如果作用在排量容积调节装置8上的负载超过了由弹簧38的预张紧力设定的阈值的幅值，则输出联接元件20的旋转导致在杆端销42或弹簧座40上的力大于弹簧38的预张紧力。这意味着弹簧38被压缩，并且意味着允许输入联接元件15和输出联接元件20之间的相对旋转，因为连接元件30表现出弹性行为。
41.连接元件30的弹性行为使得能够发生输入联接元件15和输入装置6的运动与输出联接元件20和连接到输出联接元件20的排量容积调节装置8的运动解耦。因此，由输入装置6控制的液压单元可以独立于输入命令来调节其倾斜角度。由此，可以为内燃发动机维持稳定且有效的运行点，并且该内燃发动机将不会在存在非常低的效率或使发动机熄火的风险的转矩范围内运行。根据本发明，如果在静液压可变排量轴向柱塞机的高压侧上存在的高负载超过阈值，排量元件将倾斜回来并减小排量，排量容积调节装置8将倾斜角度的减小传递到输出联接元件20。随着排量容积的减小，内燃发动机所需的转矩也减小。
42.本领域技术人员知晓许多与弹簧38相当的装置，并且可以以类似的方式预张紧。例如，可以应用拉伸弹簧、扭力弹簧或任何其他类型的弹簧或其他可弹性变形的装置和/或
材料。而且，可以通过例如夹子或闩锁装置来提供与结合垫圈34的螺母36相比不同的用于预张紧可弹性变形装置的装置。本发明还涵盖了将图1和图2的实施例中所示的构思从主要为旋转运动的范围变换到线性运动的范围。
43.图3和图4示出了静液压可变排量轴向柱塞机的排量容积设定装置1的连杆元件10的第二实施例，该连杆元件10适用于传递输入装置6和排量容积调节元件8之间的相对旋转运动。输入装置6连接到被设计为第一销15的输入联接元件。排量容积调节装置8连接到用作输出联接元件的另一第二销20。第一销15和第二销20通过用作连接元件30的旋转弹簧38被连接。弹簧38、输入装置6和排量容积调节元件8共享共同的旋转中心39，该旋转中心39由引导杆(轴)32限定。输入装置6和排量容积调节装置8(至少在旋转方向上)可移动地布置在轴32上。
44.在根据图3和图4的实施例中，作用在排量容积调节装置8上的旋转运动和相应的转矩经由第二销20传递到连接元件30，当输入联接元件15和输出联接元件20之间的力平衡小于其预张紧力时该连接元件30刚性地起作用。然后，排量容积调节装置8的转矩被刚性地传递到输入装置6，反之亦然。如果输入联接元件15和输出联接元件20之间的力平衡高于预张紧力(预先确定的阈值)，则连接元件30是弹性的，并因此排量容积调节装置8的转矩与输入装置6解耦，从而允许轴向柱塞机作出依赖于负载的反应。
45.图5示出了应用线性运动原理的连杆元件10的剖视图。连杆元件10包括引导杆32，该引导杆是连接元件30的一部分。引导杆32在其自由端上由输入联接元件15致动。在根据图5的实施例中的在引导杆32的相反端上，弹簧38可移动地布置并固定在第一垫圈34和第二垫圈35之间。第一垫圈34和第二垫圈35布置在第一螺母36和第二螺母37之间并分别通过第一螺母36和第二螺母37保持在适当位置。垫圈34、35在背离弹簧的侧上抵靠用作输出联接元件的壳体20的第一肩部46和第二肩部47。壳体20包括第一开口48和第二开口49，并且沿周向围绕弹簧组件。引导杆32从第一开口48朝向输入联接元件15伸出。输出联接元件20的第二开口49被设置为端盖的端部止挡件44封闭。
46.可以通过在引导杆32上旋拧螺母36、37并由此改变第一螺母36和第二螺母37与两个相应的垫圈34、35之间的距离来调节弹簧38的预张紧力。如果第一螺母36和第二螺母37之间的距离大于肩部46、47之间的距离，则垫圈34、35将通过弹簧38的作用力压靠在肩部46、47上。在两个螺母36、37之间的距离小于两个肩部46、47之间的距离的情况下，垫圈34、35布置成与肩部46、47有间隙，并且在杆32上可自由移动至少一段距离。优选地，在开始位置，螺母36、37之间以及肩部46、47之间的距离基本相同，使得垫圈34、35同时抵靠螺母36、37并抵靠肩部46、47。
47.如果由输入联接元件15朝向壳体20(表示输出联接元件)施加的力与由排量容积调节元件沿相反方向施加在壳体20上的力之间的力平衡小于弹簧38的预张紧力，则连接元件30非弹性地起作用并且将力从壳体20(输出联接元件)直接传递到输入联接元件15，反之亦然，其中该力经由第一肩部46传递到第一垫圈34、传递到弹簧38、传递到第二垫圈35、传递到引导杆32上的螺母37，反之亦然。
48.如果在输入联接元件15和输出联接元件20处的力之间的差大于由预张紧力预先确定的阈值，则弹簧38被压缩，使得输出联接元件20(壳体20)和输入联接元件15之间的相对运动成为可能。例如，如果将输出联接元件20推向保持在适当位置的输入联接元件15，并
且在输出联接元件20处的排量力大于弹簧38的预张紧力，则弹簧38朝向输入联接元件15压缩，并且输出联接元件20和输入联接元件15之间的距离减小。如果弹簧38包括线性特性，则输入联接元件15和输出联接元件20之间的距离与排量力成正比。
49.设置了端部止挡件44，在排量力非常高的情况下，其限制输出联接元件20和输入联接元件15之间的相对运动。如果端部止挡件44与第一螺母36接触，则与非弹性的情况相比，输出联接元件20的力直接朝向输入联接元件15传递。因此，当排量力大于由预张紧力限定的第一阈值并且小于由端部止挡件44与第一螺母36接触所需的力所限定的预先确定的第二阈值时，连接元件30确实表现出弹性行为。
50.从以上公开内容以及附图和权利要求中，将认识到，与现有技术相比，根据本发明的排量容积设定装置和根据本发明的静液压可变排量轴向柱塞机提供了许多可能性和优点。本领域技术人员将进一步认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对根据本发明的排量容积设定装置和静液压可变排量轴向柱塞机进行进一步的修改和改变。因此，这种修改和改变在权利要求的范围之内并且被权利要求覆盖。应当进一步理解，以上描述的实施例中的示例仅用于说明性目的，并且根本领域技术人员将会想到的根据这些示例和实施例的各种修改、改变或组合包括在本技术的精神和范围内。
51.附图标记列表
[0052]1ꢀꢀ
排量容积设定装置
[0053]6ꢀꢀ
输入装置
[0054]8ꢀꢀ
排量容积调节装置
[0055]
10
ꢀꢀ
连杆元件
[0056]
15
ꢀꢀ
输入联接元件/第一销
[0057]
20
ꢀꢀ
输出联接元件/第二销/壳体
[0058]
25
ꢀꢀ
枢销
[0059]
26
ꢀꢀ
引导杆轴线
[0060]
28
ꢀꢀ
枢轴线
[0061]
30
ꢀꢀ
连接元件
[0062]
32
ꢀꢀ
引导杆
[0063]
34
ꢀꢀ
垫圈/第一垫圈
[0064]
35
ꢀꢀ
第二垫圈
[0065]
36
ꢀꢀ
螺母/第一螺母
[0066]
37
ꢀꢀ
第二螺母
[0067]
38
ꢀꢀ
弹簧
[0068]
39
ꢀꢀ
旋转中心
[0069]
40
ꢀꢀ
弹簧座
[0070]
42
ꢀꢀ
杆端销
[0071]
44
ꢀꢀ
端部止挡件/端盖
[0072]
46
ꢀꢀ
第一肩部
[0073]
47
ꢀꢀ
第二肩部
[0074]
48
ꢀꢀ
第一开口
[0075]
49
ꢀꢀ
第二开口
[0076]
60
ꢀꢀ
双向箭头
[0077]
65
ꢀꢀ
双向箭头