专利名称：静液压泵的电马达致动的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种静液压马达，并更特别是涉及用于致动静液压泵的旋转斜盘 的系统和方法。
背景技术：
静液压泵是将机械能转换成流体能的装置。这种泵通常与静液压马达结合使用， 这种结合通常称为本领域普通技术人员所能理解的变化器。变化器用于许多功率传递或产 生装置和系统。这种系统的例子是连续可变传动装置(CVT)。这种类型的系统可以在授权给Kuras等人的美国专利6385970中看到。特别是， 此参考文件披露了防止拖拉或失速问题。这种情况出现在发动机所要求的功率例如由于载 荷或机器构造变化而造成发动机失速或严重减慢时。‘970专利提出这种情况可出现在系统 的静液压元件的致动响应过于缓慢而不能有效适应变化环境时。例如，如果推土机铲片遇 到突然的阻力，系统的功率需求将突然和急剧升高，并且该系统会不能及时减小功率需求 以避免拖拉或失速的情况。‘970专利中提出的解决方法是被设计成在系统元件中提供快速响应的特别有效 的控制方案。但是，该系统响应频率最终仍然受其物理部件限制。因此，虽然‘970专利的 解决方法消除了控制系统本身的许多延迟，传动装置的总体频率响应将由于例如静液压泵 的系统部件的惯性和响应而在一些程度上受到损害。为了具有更加准确的受控传动系统， 希望增加传动装置的响应，特别是增加静液压泵的响应。虽然本发明人发现现有技术缺陷的解决方法是令人希望的，这种解决方法不是被 公开原理的关键或根本限制。此外，此背景技术是为了给可能不是本领域普通技术人员的 读者提供便利而提出的。但是，将理解到此背景技术过于简明而不试图准确和完整地综述 现有技术。前面的背景描述因此被简化并且轶事性地描述，并且不旨在代替现有技术中出 版的参考文件。如果出版的现有技术的现有状态和以上描述之间存在不一致性或省略，以 上描述不旨在修正这些不一致性或省略。相反，申请人会遵从于出版的现有技术的现有状 况。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种用于改善的频率响应的液压泵系统，其包括具有泵 和马达的液压变化器。泵包括可变角度旋转斜盘，并且该系统还包括用于控制旋转斜盘的 角度、速度或转矩/力以便控制马达输出(例如其输出转矩)的电致动器。用于控制可变 角度旋转斜盘的角度、速度或转矩/力的电致动器可包括线性电马达或转动电马达。在一 个例子中，转动电马达通过控制在离开其倾斜轴线的位置处在旋转斜盘上的转矩来使得旋 转斜盘倾斜。在另一例子中，转动电马达经由蜗杆驱动器、线性电马达或电滚珠螺杆致动器 来使得旋转斜盘倾斜。
图1是能够结合被公开原理使用的变化器的详细示意图；图2是根据被公开原理采用线性电致动器的变化器的示意图；图3是线性电马达的示意图；图4是根据被公开原理采用同轴转动电致动器的变化器的示意图；图5是根据被公开原理采用蜗杆驱动电马达的变化器的示意图；图6是根据被公开原理能够与电致动器结合使用的传感器配置的示意图；图7是根据被公开原理的变化器控制架构的示意图；以及图8是根据被公开原理的可替代变化器控制架构的示意图。
具体实施例方式参考图1，此附图表示液压致动的变化器100。所示的变化器100包括泵101和马 达102。泵101包括通过旋转斜盘致动器104设定的可变角度旋转斜盘103。位于各自腔室 内的多个活塞105经由滑动接触靠在旋转斜盘103上，使得活塞105的运动范围通过旋转 斜盘103的角度设定。用于活塞105的腔室形成在经由泵输入轴109转动的泵承载件108 内。马达102包括具有位于各自腔室内的多个活塞106的类似配置。马达102的活塞 106被可滑动地接合在固定旋转斜盘107上。应该注意到在应用中马达旋转斜盘107可以 是可变的，而不是固定的。泵101的活塞105的腔室经由填充腔室和中间导管(未示出) 的液压流体与马达102的活塞106的腔室流体连通。用于活塞106的腔室形成在使得马达 输出轴111转动的马达承载件110内。随着旋转斜盘103的角度变化，通过泵101的活塞 105排出的流体量(以及从活塞106的腔室接收或取得的流体量)变化。如上所述，希望控制马达102的输出，并且在一种实施方式中，希望控制液压机械 传动装置的输出转矩。与速度控制技术不同，这种方法提供改进的操作者感觉和控制。输 出转矩控制需要控制施加到旋转斜盘103的力/转矩以及测量变化器100内的回路压力， 从而确保输出转矩与所需转矩输出合理地匹配，这将在下面更加详细描述。由于这些相互关系，马达102的转矩和/或输出速度分别关于旋转斜盘103的角 度和/或施加到旋转斜盘103的力以大致成比例的方式变化。在此例子中以不同液压压力 操作的旋转斜盘致动器104经由电磁阀(未示出)驱动，例如一个电磁阀用于两个压力阀 中的每一个压力阀，电磁阀通过控制器电子控制，但是从此说明书中将理解到具有多种电 子控制液压致动器104的其它方式。因此，传统上，控制器能够通过将电信号施加到与旋转 斜盘致动器104相关的电磁阀来控制变化器100的输出速度或转矩。但是，变化器100的频率响应部分地受到致动器104的频率响应限制。致动器104 的频率响应(例如最大变化率)是其结构及其功率供应两者的函数。就结构而言，致动器 104包括活塞、杆和至旋转斜盘103的连杆机构。这些部件的每个将必须通过致动功率源克 服的惯性赋予系统，致动功率源在所示例子中是液压流体。此外，液压流体本身的流入和流出也受到频率限制，并且因此也影响致动器104 的频率响应。来往于致动器104的液压回路包括阀、管、孔口和其它元件，每个元件提供粘 性阻力。由于这些元件周围以及经过这些元件的粘性流体的流动阻力不是简单地与流速成4比例，而是随着流速指数级增加，液压流体本身对系统具有强的频率限制效果。为了提供更准确的机器控制系统，例如出于功率控制、欠速/过速控制等目的，希 望通过改善静液压泵或变化器100的响应特性来增加系统响应速度。因此，根据本发明，旋 转斜盘103经由通过反馈控制回路控制的电子致动器致动以便准确驱动变化器100。如图 2的示例性例子所示，旋转斜盘可经由线性电马达112致动。线性电马达112是具有线性排 布的定子元件的电马达，使得马达沿着其长度产生线性力，而不是像普通转动马达产生转 矩。虽然具有不同类型的线性马达，任何的线性马达可根据本发明原理使用，示例性马达是 洛伦兹致动器，其中通过马达施加的力与施加的电流成线性比例。图3更加详细地表示线性电马达112。线性电马达112包括两个力元件313。每 个力元件313包括芯体314和有源线圈315。力元件313通过延伸到线性电马达112 —侧 的杆317连接。杆317终止于眼孔318、连杆、U形夹或其它用于将杆317连接到旋转斜盘 103的装置(图3未示出)。线性电马达112还包括位于该组力元件313的每侧上的具有交替极性的永磁体 316的阵列。含铁壳体319布置在磁体316的每个阵列外部，以便形成由此形成的磁回路。 线圈315被顺序激励，力元件313以及杆317被压迫到左侧或右侧。在眼孔318被连接到 旋转斜盘103时，杆317的线性运动被转换成旋转斜盘103的转动。虽然图3所示的配置采用了磁体阵列形式的永磁体316，将理解到可以另外或替 代地使用电有源磁体。此外，虽然线性电马达112被描述成经由杆317和杠杆直接连接到旋 转斜盘103，将理解到可以在更复杂或不太复杂的配置中使用或多或少数量的元件，而不偏 离被公开原理的范围。例如，在图2的应用中，线性电马达112可通过滚珠螺杆驱动机构代 替。这种机构经由用作精密螺杆的螺旋滚珠轴承座圈将转动运动机械地转换成线性运动。 这种机构可被制成经受高的推力载荷，同时具有低的内部摩擦，并适合用于高精密应用中。虽然旋转斜盘103经由线性电马达112或滚珠螺杆的致动在液压致动器的使用过 程中改善了系统的频率响应，根据所使用的部件，通过采用安装在图4所示的旋转斜盘103 的倾斜轴线上的转动马达420可以得到更好的频率响应。为了提供所需的频率响应特性， 转动马达420理想的是低惯性高转矩AC电马达，如下面更加详细描述的那样。在替代配置 中，马达是永磁体DC马达或开关磁阻马达，或者其它适当的马达。如果在0.4秒的过渡时间内希望+20°到-20°的行程范围，反映了提供改善的频 率响应的适当大的变化率，旋转斜盘103的有效RPM是大约17RPM。如果在转动马达420和 旋转斜盘103之间使用100/1的减速比，得到的所需马达速度是大约1700RPM。影响任何转 动马达420的适用性的另一参数是其物理尺寸，这是由于如果马达能够用于对变化器100 进行改装，马达必须安装在普通致动器104所使用的大致相同的空间内。除了速度需求之外，转动马达或线性马达的尺寸必须满足由具体最大行程速度 (或转动速度)以及旋转斜盘103所遇到的其它反作用转矩所确定的转矩需求。这些转矩 是弹簧系数(例如未示出的旋转斜盘平衡弹簧的)、旋转斜盘角度、泵101和马达102之间 的回路压力以及泵速度的函数。这些反作用转矩细化了将所需转矩或力施加到旋转斜盘 103所需的马达转矩。速度规格、转矩规格以及频率需求用来选择马达和齿轮箱，以满足给 定转矩、速度、惯性/质量需求。作为此方法的一部分，重要的是注意到马达惯性经由齿轮 箱反映，并且这必须在马达选择过程中进行考虑。
已经就总体结构描述了变化器系统，我们将描述根据被公开原理的系统及其控制 部件。被公开原理采用旋转斜盘103的电致动，并因此该系统部件将需要电功率。在一个 例子中，使用系统DC总线电压。根据机械的电池构造，在建筑机械中，此电压将通常是大约 12伏或大约M伏。下面的描述说明了与被公开原理一致的变化器的结构和控制的例子。在操作过程 中，机器将通常从静止开始。在操作者希望增加液压马达102的输出轴111的速度或转矩 时。为此，从DC总线(或从一个或多个电池、上/下转换器或从替代的电功率源)获取功 率以便在电马达处施加速度或转矩。在实现所需液压马达102的转矩或速度时，旋转斜盘 103和相关部件内保留的功率可以再生，例如回到DC总线，并被存储以便以后使用。替代 地，过大功率也可在电阻栅或其它元件中耗散。虽然安装在或连接到旋转斜盘103的倾斜轴线的转动马达可如上所述用来提供 所需响应，转动马达也可以以替代配置的形式使用，同时仍然对标准液压致动器104的使 用提供改进。例如，如果空间受到限制、缺少材料、或者其它复杂情况防止图4所示配置的 使用，转动马达可替代地以与线性电马达112大致相同的方式安装在外部。特别是，如图5所示，螺杆驱动模块521被配置成经由连接杆522驱动旋转斜盘 103。螺杆驱动模块521包括固定到连接杆522的齿条523。齿条523与螺杆524的螺纹间 表面协作地相互交错，使得螺杆524的转动造成连接杆522线性平移。螺杆5M经由转动 马达525旋转。在每种所述的情况下，虽然并不关键，希望的是采用传感器来分析旋转斜盘103 的位置或影响。以此方式，致动电信号可适用于准确地提供旋转斜盘103的所需运动或转 矩，而不管例如由于磨损和撕裂、电池老化等造成的致动元件响应的变化。因此，如图6所 示，在一个例子中，线性传感器6 可位于连接杆627上。以此方式，连接杆627的平移可 被检测和分析以确定旋转斜盘103是否位于所需位置。另外或替代地，转动编码器或分析 器拟8可用来直接测量旋转斜盘103的角度位置。此外，在一个例子中，提供回路压力传感 器629以帮助闭环转矩控制，如下面更加详细描述那样。在被公开原理中经由三种方式来操作控制系统。第一种方式是速度控制，第二种 方式是开环转矩控制，而第三种方式是闭环转矩控制。在闭环操作过程中，电马达的速度被 控制，控制系统根据液压回路压力执行闭环迭代控制。在此模式中，重要的是使得回路压力 传感器检测通过泵101产生的液压压力。特别是，在输出轴111处产生的转矩将以内部回 路压力的形式反映。用来驱动电马达以便如上所述致动旋转斜盘103的电信号不同于用来驱动传统 致动器的电磁阀的电信号。但是，总体控制架构是类似的。图7表示用于控制具有电子旋 转斜盘致动器702的变化器701的示例性控制系统700。总体来说，致动器702包括功率 电子器件、ECM和电马达。控制系统700包括用于将致动信号704(例如速度指令或转矩指 令)发送到致动器702的变化器控制模块703。致动信号704通过ECM接收，ECM可以执行 矢量控制或另一种控制策略，并且发送选通信号以便开关功率电子器件，功率电子器件如 上所述可在DC总线上定位。开关信号控制电马达，以便操纵变化器701的旋转斜盘(例如 103)。反馈信号705可从由与致动器702相关的一个或多个传感器和/或由与变化器701 相关的例如回路压力传感器的一个或多个传感器提供。6
在替代的架构中，例如以上图2-6描述的电子致动器能够作为对之前具有普通液 压致动器的系统的改造。在这种情况下，如果希望除了模块化添加之外保持电子器件不改 变，平移模块800被设置在变化器控制模块703和致动器702之间。平移模块800从变化器 控制模块703接收一个或多个电磁阀驱动信号801，并将其翻译成电马达驱动信号802，以 便驱动致动器702的一个或多个马达。一个或多个传感器信号705被提供给平移模块800 和/或变化器控制模块703。如上相对于图7所示反馈。工业实用性本发明适用于具有希望改善泵响应的一个或多个液压泵的机器。在这些类型的机 器中，通常具有用于变化器旋转斜盘的液压致动器。但是，这种系统具有比最佳响应稍慢的 响应，使得准确的实时功率控制非常困难。根据被公开原理，电致动器用来改善致动器的频 率响应。根据被公开原理，用于改善频率响应的液压泵系统包括具有泵和马达的液压变化 器。泵包括可变角度旋转斜盘，并且该系统还包括用于控制可变角度旋转斜盘的角度的电 致动器，由此控制马达。用于控制可变角度旋转斜盘的角度的电致动器可包括线性电马达 或转动电马达。在一个例子中，转动电马达通过在离开旋转斜盘倾斜轴线的点处将转矩施 加到旋转斜盘来使得旋转斜盘倾斜。在另一例子中，转动电马达经由螺杆驱动器使得旋转 斜盘倾斜。如上所述，在一些情况下希望控制施加到旋转斜盘的转矩而不是其角度。因此，在 一种实施方式中，施加到旋转斜盘的转矩被控制，并且旋转斜盘的角度不需要保持恒定。为 此，电致动器经过杠杆臂作用，以便将适当的转矩施加到旋转斜盘。在本发明的另一实施方 式中，控制旋转斜盘的转矩或角度，马达轴或通过马达驱动的齿轮箱的输出轴被附接到旋 转斜盘的枢转轴线处。马达接着直接或经由齿轮箱施加预定转矩，或者将旋转斜盘调整到 预定角度。将理解到以上描述提供了被公开系统和技术的例子。但是，考虑到本发明的其它 应用可以在细节上不同于前面的例子。对于被公开内容或例子的所有参考用来说明当时正 在讨论的特定例子，而不打算对本发明更加宽泛的范围施加任何限制。除非另有说明，对于 一些特征的所有区别性和贬低性言语用来指出这些特征并不是优选的，而不是将其完全排 除在本发明范围之外。除非另有说明，这里对于数值范围的引用只用来作为对于落入该范围内的每个单 独数值进行单独参考的简便方法，并且每个单独数值被结合到说明书中，如同是它在这里 被单独引用。除非另有说明或者本文有清楚反证，这里描述的所有方法可以任何适当顺序 执行。因此，本发明包括适用法律所许可的所附权利要求提到主题的所有变型和等同形 式。此外，除非另有说明或者本文有清楚反证，本发明包括所有可能变型中的所述元件的任 何组合。
权利要求
1.一种液压变化器(100)，所述变化器用于接收输入功率、提供输出功率并能够控制 地改变被提供的所述输出功率的一个或多个特性，所述变化器包括液压泵(101)，所述液压泵包括能够围绕倾斜轴线运动的可变角度旋转斜盘(103)，所 述倾斜轴线垂直于所述液压泵(101)的转动轴线；液压马达(102)，所述液压马达被连接到所述液压泵(101)，并且通过所述液压泵 (101)液压驱动；以及电致动器(112、420)，所述电致动器用于能够控制地将计算的转矩施加到所述可变角 度旋转斜盘(103)，由此控制所述液压马达(102)的输出转矩。
2.根据权利要求1所述的液压变化器(100)，其中用于能够控制地将计算的转矩施加 到所述可变角度旋转斜盘(10 的所述电致动器(112、420)包括线性电马达(112)。
3.根据权利要求1所述的液压变化器(100)，其中用于能够控制地将计算的转矩施加 到所述可变角度旋转斜盘(103)的所述电致动器(112、420)包括转动电马达020)。
4.根据权利要求1所述的液压变化器(100)，其中所述液压泵(101)包括位于各自腔 室内的多个活塞(105)，每个活塞(10 经由一个构件在所述可变角度旋转斜盘(10 上的 运动而在所述活塞的腔室内循环平移。
5.根据权利要求4所述的液压变化器(100)，其中各自腔室内的多个所述活塞(105) 在所述活塞的腔室内循环平移时使得连接到所述液压马达(102)的液压回路内的液压流 体加压。
6.根据权利要求5所述的液压变化器(100)，还包括检测所述液压回路内的压力的至 少一个压力传感器(629)。
7.根据权利要求6所述的液压变化器(100)，还包括用于至少部分地基于所述液压回 路内的被检测压力来控制所述电致动器(112、420)的控制器(703)。
8.根据权利要求3所述的液压变化器(100)，其中所述转动电马达(420)能够通过在 所述可变角度旋转斜盘的倾斜轴线处将转矩施加到所述可变角度旋转斜盘(10 来使得 所述可变角度旋转斜盘(10 倾斜。
9.根据权利要求8所述的液压变化器(100)，其中所述转动电马达(420)能够通过经 由齿轮箱将转矩施加到所述可变角度旋转斜盘(10 来使得所述可变角度旋转斜盘(103) 倾斜。
10.根据权利要求3所述的液压变化器(100)，其中所述转动电马达(420)能够在离开 所述可变角度旋转斜盘的倾斜轴线的点处将转矩施加到所述可变角度旋转斜盘(103)来 使得所述可变角度旋转斜盘(10 倾斜。
全文摘要
一种用于改善频率响应的液压马达系统包括具有泵(101)和马达(102)的液压变化器(100)，其中泵(101)包括可变角度旋转斜盘(103)，并且该系统还包括用于控制旋转斜盘(103)的角度或转矩以控制马达的输出特性的电致动器(112、420)。用于控制可变角度旋转斜盘(103)的电致动器(112、420)可包括线性电马达、滚珠螺杆驱动器或转动电马达(420)。在一个例子中，转动电马达(420)通过在离开旋转斜盘倾斜轴线的点处将转矩施加到旋转斜盘(103)来使得旋转斜盘(103)倾斜。在另一例子中，转动电马达(420)经由蜗杆驱动器或滚珠螺杆驱动器来使得旋转斜盘(103)倾斜。
文档编号F16H41/22GK102047007SQ200980120278
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月26日 优先权日2008年6月2日
发明者B·D·库拉斯, F·A·德马科, M·G·克罗宁, M·J·巴恩格罗弗, M·古文 申请人:卡特彼勒公司