专利名称：用于流体静压驱动车辆的部件组合的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及流体静压驱动车辆，更具体地，涉及尺寸被设置成提供操作效率 的部件的组合。
背景技术：
流体静压驱动车辆通常包括由发动机或马达驱动的液压泵。液压泵向连接到轮子 的一个或多个致动器(通常是液压马达)或者车辆的其他驱动部件推进流体流。来自泵的 该流体流经过每个致动器，引起车辆以行进速度向前运动。操作者调节例如操作杆、踏板或 者任何其它合适装置的控制输入装置来控制车辆的运动。当操作者移动控制输入装置时， 与控制输入装置一体的位移传感器产生信号，或者替代地，机械连接机构的位移产生信号。 该信号被传送至与车辆相关联的控制器，在此，信号被解译并向与液压泵相关联的致动器 发送适当的指令，致动器被设置成运动泵的控制臂，其操作能改变泵的排量。替代地，控制 输入装置可例如通过线缆机械地连接到泵，从而引起泵的控制臂响应于控制输入装置的位 移而运动。泵的控制臂的位移通过改变泵内斜盘的操作角度使泵的排量发生改变，并且因此 引起通过泵推进的流体的压力和流速发生改变。流体流速的调节也调节驱动车辆轮子的液 压马达的旋转速度并因此调节车辆的行进速度。可利用另外的系统来控制车辆的行进速 度，例如当操作者希望时，可利用制动系统或者变速器来使车辆减速。尽管这些类型的控制在控制车辆方面通常是有效的，但一般来说，这种流体静压 驱动车辆大部分时间在燃料消耗方面不是高效操作的。用于例如压土机的通常车辆的发动 机被设置成稳态操作在或大约2300转/分钟(RPM)。当车辆以全功率操作时，泵被设置在 其最高设定，泵的低效导致燃料消耗增加。因此，希望提供一种克服一个或多个这些缺点或 使一个或多个这些缺点最小化的布置。
发明内容
流体静压驱动车辆包括以第一速度操作并可操作地连接到可变排量泵的发动机。 该泵包括能够以选定角度操作的旋转斜盘，这些选定角度指示泵的排量。泵排量在零排量 至最大排量的范围。液压线路能够从泵接收流体流，流体流以一流速循环通过液压线路。液 压线路能够以最大液压线路流速操作或以低于最大液压线路流速操作。泵能够在发动机以 第一速度操作且斜盘设置在与小于最大排量的操作排量对应的操作角度时将最大液压线 路流速的流体泵送至液压线路中。
图1是作为根据本发明的流体静压驱动车辆的一种例子的压土机的轮廓图；图2是根据本发明的液压系统的示意图；图3是一种简化的可变排量泵的示意剖视图4是定性地标绘可变排量泵的流速与出口压力关系的图表；图5是两个图表的比较，每个图表均对应于根据本发明的可变排量泵。
具体实施例方式本发明涉及流体静压操作的机器。用于说明的例子涉及流体静压驱动车辆，更具 体地涉及车辆部件的组合，其产生减小的发动机操作速度，用于使大多数操作条件最优化。 本发明能够应用于具有与其相联的液压系统的任何类型的机器。在给出的示例性车辆中， 当车辆的需求小于最大需求且流体以最大流量流动时，发动机可以较低的发动机速度操作 且扭矩输出较低。根据本发明，发动机速度的这种减小是通过利用具有比以前使用的泵更 大的最大排量的泵来实现的，即使泵的尺寸被设置得由于车辆的液压系统不能接受这种流 量而使其从不以最大排量设定来操作。这样，车辆以及因此任何其他液压操作的机器的操 作可以被优化。图1显示了作为流体静压驱动车辆的一个例子的车辆100的轮廓图。尽管图1中 示出的是压土机，但术语“车辆”可以指执行例如与采矿、铺路、建筑、农业、运输等行业或本 领域已知的任何其他行业相关的一些类型操作的任何流体静压机器。例如，车辆100可以 是运土机，例如轮式装载机或履带式装载机、挖掘机、倾卸卡车、反铲挖土机、平地机、运料 机等。车辆100包括发动机机架部分102和非发动机机架部分104。包括铰链108的铰 接接头106连接两个机架部分102和104，铰链108使车辆100能够在操作过程中转向。发 动机机架部分102包括发动机110和一组轮子112 (仅一个轮子可见)。发动机110可以是 内燃机，例如压缩点燃式发动机，但一般来说，发动机110可以是通过消耗燃料向车辆的各 个系统提供功率的任何原动机。在这里给出的示例性车辆100中，非发动机机架部分104容纳鼓114，鼓114在车 辆100运动时绕着其中心线旋转。占用驾驶室116的操作者通常操作车辆100。驾驶室116 可包括座位118、转向机构120、调速手柄或控制杆122和控制台124。占用驾驶室116的 操作者可控制车辆100的各种功能和运动，例如通过利用转向机构120来设定车辆100的 行进方向，或者利用控制杆122来设定车辆的行进速度。可以理解，对这里给出的各种控制 机构的陈述是一般性的，并意在包括用来将操作者的指令传送给车辆的所有可能机构或装 置。图2中示出了用于包括电控装置的液压系统200的简化线路图。为了说明的目的 显示了简化的系统200，其包括用于驱动车辆100的鼓114的驱动线路的一部分。如可以理 解的，为了简单，没有显示用于驱动轮子112或者鼓114内的振动器(未示出)的液压部件 和连接。可以在替代的流体静压驱动车辆中提供类似的液压部件和连接，以执行例如仅仅 是示例的对连接工具的提升和/或倾斜的操作。液压线路200包括与车辆的原动机，在该例子中是发动机204连接的可变排量泵 202。泵202具有连接到排出容器或排泄管208的入口管道206。当发动机204(例如发动 机110)操作时，泵202从容器208抽吸流体流，对其进行加压，然后通过供应线或管道212 将其输送至四通双向(4-2)阀210。阀210的排出端口通过排出至容器208的排出通道213 连接。控制杆214连接至泵202内部的斜盘(未示出)并被设置成响应于控制杆214的运动改变斜盘的角度。控制杆214的运动通过连接至控制杆214的致动器216来完成。控制 杆214的位移或角度等同于泵202的斜盘的角度并可以利用传感器218来感测或测量。传 感器218可以例如是测量控制杆214的角度(或者等效的位移)以及由此泵202内斜盘的 位置的模拟传感器或数字传感器。使用中，泵202用来在发动机204操作时推进流体流通过供应管线212。根据4_2 阀210的位置，来自供应管线212的流体流被输送至第一管道220和第二管道222这两个 管道中的一个，第一管道220和第二管道222分别连接至液压马达224的任一侧。4_2阀 210的位置通过阀致动器226来控制，阀致动器226被设置成使4_2阀210在两个位置之间 往复运动，从而引起马达224沿希望方向运动。在一种替代实施方式中，4-2阀可由能够沿 两个方向将流体输送至马达224的双向可变排量泵(未示出)代替。马达224连接至车辆的轮子或鼓227 (例如轮子112或鼓114)并被设置成在车辆 行进时使轮子或鼓227旋转。示意性示出的制动装置228被设置成在由致动器230致动时 阻止或停止鼓227的运动。本实施方式中显示的制动装置致动器230是电子式的并且致动 制动装置228引起阻止鼓227运动的摩擦，但也可以使用其它结构。例如，可以将销插入连 接至鼓227的转盘的开口中，从而阻止盘和鼓227相对于销的运动，等等。此外，为了说明， 制动装置228被显示在鼓227的外部，但也可以利用例如具有保护在鼓227内的制动装置 228的那些更常规的设计。电子控制器232连接至车辆并被设置成在操作过程中从车辆上的各种传感器接 收信息、处理这些信息并向系统内的各种致动器发送指令。图示了与本说明有关的连接，但 可以认识到，可以相对于控制器232具有更多其它连接。在这种实施方式中，控制器232通 过控制信号线236连接至控制输入装置234 (例如控制杆122)。示意性示出的控制输入装 置234例如可以是用来为车辆设置希望速度的能够由车辆的操作者运动的杆。控制输入装 置234的位置可以通过与控制输入装置234相关联的传感器238转化为指令信号。可以利 用传递至控制器232的控制信号，以及其它参数、例如发动机204的速度、容器208内的流 体温度等进行计算，从而得出引起车辆以希望速度运动的斜盘的希望角度。当操作者通过移动控制输入装置234指令车辆运动时，指令信号通过指令输入线 236传送至控制器232。如下文更加详细地描述的，该信号引起泵致动器216使控制杆214 运动适当的程度，从而实现希望的角度。控制杆214的希望角度转化成泵202的斜盘的希 望设定并引起适当流量的工作流体通过液压马达224，导致鼓227旋转，从而实现车辆的希 望行进速度。属于液压系统200的各种流体管道和致动器，例如液压马达224，的尺寸相对于通 过系统200的流体的最大流速设置。例如，设计者对系统200的最大流量的计算可解释各 种参数，例如车辆的重量、最大行进速度、车辆能够在操作过程中穿越的任何坡度等。图3中示出了可变排量泵300(例如泵202)的典型布置的剖视图。可变排量泵 300包括形成多个圆柱形孔304的壳体302，圆柱形孔304彼此平行地径向设置在壳体302 内。每个孔304均可密封且可往复地接纳活塞306。简化示出的每个活塞306形成从活塞 306延伸并接触成角度的旋转板或斜盘310的致动连接机构308。斜盘310连接至旋转轴 312并能够相对于旋转轴312以角度314旋转。可以调节角度314，从而改变每个活塞316 的行程，由此改变可变排量泵300的排量。在一种典型布置中，轴312在旋转机器，例如车辆的发动机或变速器的作用下旋转。由斜盘310的旋转引起的活塞306的动作用来压缩限 定在每个相应的孔304和活塞306之间的多个压缩容积316内的流体。每个压缩容积的体 积取决于斜盘310的角度314。图4中显示了用于一种示例性可变排量泵的定性效率图。图4的图表示一种参数 标绘图，竖轴402表示在可变排量泵中被压缩的流体的流速，横轴404代表泵的出口压力。 该图表示出了在泵的输入轴的稳态旋转速度，例如2300RPM下测试的泵的出口流量与压力 之间的关系以及泵针对斜盘的各种角度或设定的相应泵效率。一系列流量曲线406示出了泵的流速和出口压力之间的负相关性。每条流量曲线 406的曲率可根据泵的角度设定而改变。例如，与泵的低角度设定对应的流量曲线408具 有凹曲率，表明流速在压力从低压力条件增加时速度减小得比其在更高压力条件下减小得 快。相反，与泵的高或陡峭角度设定对应的流量曲线410具有凸曲率，表明流速在压力从较 高压力条件增加时速度减小得比其在较低压力时减小得快。与泵的角度设定对应的每条流 量曲线406的形状表示泵的效率，较高的效率出现在与具有凹形状的流量曲线406对应的 角度。可以猜想，对应于中间角度的流量曲线411具有在凹和凸形状的流量曲线406之间 过渡的大致直的形状。泵效率可确定为在标称压力、角速度和流体黏度下泵出口处的液压功率和驱动轴 处的机械功率之间的比。泵效率通过多条效率曲线412表示在图表上，每条效率曲线对应 于泵的各个角度设定。每条效率曲线412具有表示针对每个角度设定的最优泵性能的拐 点。可以认识到，例如当压力偏离最优性能时，效率的相对下降将随泵的角度设定增加而增 加。还可以认识到，操作过程中泵的低或衰减效率引起能量浪费以及车辆的燃料消耗增加。出于这个和其他原因，通过向通常引入较小泵的车辆中引入较大的泵，可以有利 地避免燃料消耗增加的问题。通过增加泵的尺寸，甚至是增加到泵从不使用在其最大角度 设定的程度，可有利地在更高的效率和更低的轴速度操作更大的泵，由此减小车辆的燃料 消耗而仍以高效率操作。图5中示出了表示两种示例性泵的流量和压力特性的两种定性曲线图进行比较。 第一图表500包括为表示第一泵506 (较小机架泵)性能的数据绘制的流量曲线502和效 率曲线504，而第一图表500下面的第二图表501包括为第二泵507 (较大的机架泵)产生 的数据绘制的流量曲线503和效率曲线505。第一泵506可操作在2300RPM的稳态轴速度， 第二泵507可操作在1600RPM的稳态轴速度。第一和第二图表500和501中显示的数据是 定性的而不表示实际的数据。选择了两个操作点来说明假定每个泵在相同或类似液压系统 中使用时的操作条件。在两种曲线图中，第一操作点01对应于流速F1和每个泵的出口处的压力P1。类 似地，第二操作点02对应于流速F2和每个泵的出口处的压力P2。虚线用来指出图表500 和501上的每个操作点。关于第一泵506，操作点01可通过将第一泵506设置为第二角度设定A2来获得。 然而，操作点02仅可以通过将泵设置在最大角度设定Amax来接近，但不能获得。Amax表示 泵506的最大排量设定。第一泵506在最大角度设定Amax处的操作发生在非常低的效率 E1处。根据上面的描述，高的角度设定Amax与以高压力P2的操作结合产生非常低的泵效 率E1，因为第一泵506操作在高的角度设定和高的压力。这种条件在第一图表500中可容易地看出，其中，低效率El位于针对相应的角度设定Amax的最大效率Emax之外。关于第二泵507，操作点01可通过将第二泵507设定至第一角度设定A1来获得， 第一角度设定A1相对小于第一泵506上使用的第二角度设定A2。与第一泵506相反，第二 泵507可通过将第二泵507设定在第三角度设定A3容易地获得第二操作点02，对于该泵来 说，第三角度设定A3也有利地小于最大设定。第二泵507在第一或者第二角度设定A1和 A3的操作可发生在较高的效率和较低的轴速度。如果假定第二操作点02表示液压系统能 够接受的最大流速，可以认识到当以1600RPM操作且斜盘设置在与小于最大排量的操作排 量对应的操作角度时，第二泵507能够向液压线路泵送最大流速的流体。比较第二泵507 与第一泵506的排量，当两个泵操作在其相应速度的操作点02时，还可以认识到第二泵507 在第二操作点02处的排量至少小于最大排量的70%。工业实用性本发明能够应用于具有驱动可变排量泵的发动机或马达的流体静压驱动车辆。通 常车辆利用泵的最大排量条件，以将泵的尺寸设置成当发动机以其最大可用RPM操作时， 可以向车辆的液压系统推送最大流速。如上所述，这种将具体泵尺寸与发动机匹配的模式 常常导致这样的车辆操作，即由于发动机以高速操作而既浪费燃料，又损害系统的效率。本 发明一方面描述了利用与发动机配对的较大泵(即使泵的全排量可能从不使用)允许系统 以高的效率状态操作。此外，发动机在大部分操作条件期间以较低的RPM操作。这种结构 的优点可以容易地理解为燃料经济性，降低操作过程中的噪音，并且增加系统的效率。将会理解，前面的描述提供了本发明的系统和技术的例子。然而，可以想到本发明 的其他实施可在细节上不同于前面的例子。对本发明及其例子的所有参照意在指此时正在 讨论的特定例子，因此并不意在暗示对更广泛的本发明范围形成任何限制。除非另外指明， 所有关于特定特征的区别和轻视言辞是用来指出这些特征并不是优选的，而不是将这些特 征全部从本发明的范围排除。因此，本发明包括如适用法所允许的对权利要求书所述主题的所有修改及等同范 围。而且，除非另外指明或者通过上下文明显矛盾之外，本发明包括上面描述的元件所有可 能变型的任何组合。
权利要求
一种流体静压驱动车辆(100)，包括发动机(204)，其在所述车辆(100)的操作过程中以旋转速度操作；可变排量泵(202，300)，其可操作地连接至所述发动机(204)，所述泵(300)包括能够以选择角度(314)操作的旋转斜盘(310)，所述斜盘(310)的所述角度(314)指示泵排量，所述泵排量在零排量至最大排量的范围；液压线路(200)，其能够从所述泵(202)接收流体流，所述泵(202)能够使所述流体流以一流速循环通过所述液压线路(200)，所述液压线路能够以最大液压线路流速或低于最大液压线路流速的流速操作；所述泵(202)能够在所述发动机(204)以所述旋转速度操作并且所述斜盘(310)设置在与小于所述最大排量的操作排量对应的操作角度(314)时将所述最大液压线路流速的流体泵送至所述液压线路(200)中。
2.如权利要求1所述的流体静压驱动车辆(100)，其中，所述旋转速度为每分钟1600转。
3.如权利要求1或2所述的流体静压驱动车辆(100)，其中，所述操作角度(314)对应 于小于所述最大排量70%的操作排量。
4.如权利要求1至3中任一项所述的流体静压驱动车辆(100)，其中，所述泵(202)能 够在所述泵斜盘(310)设置在所述最大排量时以所述旋转速度提供泵流速，当所述泵斜盘 (310)被设置在所述最大排量时，所述旋转速度的所述泵流速大于所述最大液压线路流速。
5.如权利要求1至4所述的流体静压驱动车辆(100)，还包括能够接收在所述液压线 路(200)中循环的流体流的至少一部分的液压马达(224)。
6.如权利要求5所述的流体静压驱动车辆(100)，其中，所述液压马达(224)能够以所 述最大液压线路流速或者低于所述最大液压线路流速的流速操作。
7.如权利要求6所述的流体静压驱动车辆(100)，其中，所述液压马达可操作地连接到 轮子(112)。
8.一种用于操作液压系统(200)的方法，包括利用可变排量泵(202)进行压缩液压流体流的操作；使所述液压流体流循环通过具有最大流量的液压线路；通过改变所述泵(202)的排量设定(214)来控制所述液压流体流的流速，所述泵的所 述排量设定能够控制在零排量设定和最大排量设定之间；其中，所述泵(202)能够以高于所述零排量设定且低于所述最大排量设定的中间排量 设定并以所述液压线路的最大流量泵送流体。
9.如权利要求8所述的方法，还包括通过使连接至液压马达(224)的轮子(112)旋转 而推进车辆(100)。
10.如权利要求8所述的方法，还包括操作连接至液压马达(224)的振动器组件。
全文摘要
一种流体静压驱动车辆包括以第一速度操作并可操作地连接至与液压线路流体连通的可变排量泵的发动机。泵包括能够以选择角度操作的旋转斜盘，其指示零排量至最大排量范围的泵排量。泵能够在泵斜盘设置在最大排量时提供第一速度的泵流速，其中，泵流速大于液压线路可接收的最大流速。
文档编号F16H39/02GK101868369SQ200880117064
公开日2010年10月20日 申请日期2008年11月20日 优先权日2007年11月21日
发明者M·奇硕尔姆 申请人:卡特彼勒路面机械公司