专利名称：监控液力单元中扭矩的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及扭矩传感器，并且更具体地涉及扭矩传感器的应用和联接于液力单元的有关控制器。
背景技术：
通常要求测量在轴上的扭转力，特别是在动力轴上。诸如泵、马达、传动机构、阀门、和驾驶单元之类的液力单元用来转换和传递在很多类型设备中器件之间的功率。例如，液力泵可以转换内燃机或其它动力源的功率成为高压液压油的流动，用来在机器中执行有用的功能。该高压油的流动可以用来为推进诸如拖拉机、推土机、或起重机之类车辆的车轮或履带的液力马达提供动力。在其它的例子中，该高压液压油可以用来操作执行诸如操纵在后铲挖掘机或其它设备的挖掘铲斗功能的液压油缸。
对于决定性能和控制液力单元有用的主要测量是液体压力、液体流量、轴转速和轴扭矩。压力、流量和速度例行地用方便可用的传感器测定。过去，压力和流量传感器已经综合在诸如静力液压泵和马达的液力单元之中。使用速度传感器的例子在美国专利No.5,325,055中给出。
有几种技术可用于测量旋转轴经受的扭矩。许多这些技术，通常称作“接触”扭矩传感器，采用固定在旋转轴上的应变仪、传感器或无线电发射器。还有，许多这些技术具有综合在液力单元中的接触型扭矩传感器。
非接触式扭矩传感器也已经在传统工艺中开发。这样装置的例子显示在美国专利No.5,052,232中。在该系统中，旋转轴在圆周上以如此方式磁化，使其在轴的外面建立起可以测定的磁场，能够代表轴经受的扭矩。传统工艺也展示磁致弹性扭矩传感器可以综合在液力单元中。磁致弹性扭矩传感器综合在液力单元中的例子显示在Gandrud的美国专利申请No.2003/0172747中。
虽然这些磁致弹性扭矩传感器已经综合在液力单元中，传统工艺还没开发出使用扭矩传感器联合液力单元的应用。还有，传统工艺没有把控制器综合在装备扭矩传感器的液力单元中。
因此本发明主要目的是提供一种监控施加在液力单元轴上扭矩的系统和方法。
本发明还有目的是提供一种带有扭矩传感器的液力单元和一种与传感器联接的控制器以监控所测量的扭矩。
本发明还有另一目的是可以低成本生产并且在大量生产基础上使用的综合扭矩传感技术的应用。
本发明再有另一目的是扭矩传感技术的应用，其体积足够紧凑可以安装在液力单元内。
这些和其它目的对于本行业熟练人士将十分明显。
发明概要本发明所指的液力单元包括壳体、液力装置、输入动力装置、和联接于液力装置的输出动力装置。液力单元中的至少一个动力装置是动力轴或控制轴。此外，液力单元包括一个适合于测量扭矩的传感器，其以与邻近施加磁场的轴部分的动力轴成非接触关系安装在壳体内。液力单元还包括与传感器联接的控制器，以便监控所测定的扭矩，和相应地调节液力单元的运行。
附图简要说明
图1为本发明装置配置示意图。
具体的实施方式按照图1，显示液力单元10具有壳体12、第一液压功率装置14、第二液压功率装置16、液压单元18、和机械动力轴20。如图1所示，液压单元18是一台液压泵。可替代地，液压单元18可以是液压马达。
扭矩传感器22显示为综合在壳体12内。可替代地，扭矩传感器22可以放置在壳体外面。扭矩传感器22联接在机械动力轴20上并且测量或感受作用在机械动力轴上20的扭矩。扭矩传感器22是一种非接触磁致弹性传感器。可替代地，扭矩传感器22可以是一种接触传感器，诸如固定在输出轴20的应变仪、传感器、或无线电发射器。此外，扭矩传感器22可包括其它形式的非接触扭矩传感器，诸如那些使用旋转变压器、感应、遥测、或其它非接触传感方法。
控制器24位于壳体12外部。可替代地，控制器24可以综合在壳体12内。扭矩传感器22连接速度传感器28，后者监控轴20的转速。控制器24监控和分析作用在机械轴20上并被扭矩传感器22所测定的扭矩。按照特定的应用情况，控制器24监控作用在机械轴20的扭矩并然后相应地控制液力单元10的运行。例如，控制器24可以用来控制和限制液力单元需要从动力源(诸如内燃机)来的动力，或者供给诸如车轮的负载。此外，控制器24可以如此方式用来控制和限制液压变速箱或泵的性能，使其防止在诸如内燃机的动力源中产生过分的扭矩或失速。还有，控制器24可用来控制和限制由液压马达或变速箱施加在其负载上的扭矩以便防止对于负载的损害或获得对于负载更佳的控制。
在运行中，液力单元10可以作为其中有机械动力轴20旋转而向外界负载提供动力的液压马达运行，或者也可以作为其中有机械动力轴20被另外诸如内燃机(未示)的动力源所转动的液压泵。在运行中扭矩传感器22测量或感受作用在机械轴20上的扭矩。控制器24监控由扭矩传感器22测量的扭矩大小和按照特定的应用情况调节液力单元10的性能。
液力单元10的一种应用是用于由发动机附件齿轮驱动机构驱动的轴向活塞开路泵。齿轮驱动机构典型地具有有限的扭矩定额。如此，如果液压泵被附件齿轮驱动，泵必须以如此方式控制，使泵的流量和压力不需要从发动机获得过分的扭矩。轴向活塞开路泵用来控制车辆的几个功能，即诸如对驾驶系统以及发动机冷却风扇提供液压油。如果操作者对于驾驶系统通过突然转弯并且同时要求发动机风扇以最大速度旋转而提出过分的要求，则液压泵可能对发动机要求损坏性的扭矩。通过对液力单元装备与系统控制器联接的扭矩传感器，这样损坏性的扭矩可以减少。
液力单元10另外的应用是使用在起重机和者挖掘机上。起重机和者挖掘机有特别控制和“操作者感觉”的要求。这些机器尺寸很大并且通常难以控制。同时，操作者又需要机器作出精确的移动。如此，使用与液力单元联接的扭矩传感器可以对控制器提供改进的性能，并容许对液力单元更佳的控制。
液力单元10还有另一应用是使用在卷扬机上，特别是使用在船舶和公路上。一些卷扬机应用要求卷扬机保持恒定的缆绳张力。在其它卷扬机用来从运动中船舶的甲板上提升负载中，要求当卷扬机拉紧缆绳时，对于扭矩大小有精确的控制。因为船舶承受海浪的垂直升降，卷扬机必须卷进或卷出缆绳作为补偿。在卷扬机应用中，卷扬机正常包括制动系统。当负载被升起或降低时，制动器脱开而缆绳被卷进或卷出。当负载吊起或否则起重机静止时，制动器施加作用。在制动器脱开的瞬间，液力单元施加负载所需要的精确扭矩很重要。如果扭矩大小不正确，负载将不受控制地升起或降落。在传统技术中，动力单元的压力受到测量而然后以理论计算估计动力单元的扭矩。这样的计算需要知道液力单元的位移或者立即可以测量和精确地估算动力单元的扭矩。由于难以精确地估算液力单元的扭矩效率，传统工艺控制方法不是经常最佳的。通过使用与液力单元联接的扭矩传感器，控制器可以监控并且迅速地反应到位，从而调节扭矩大小，以便通过减少不希望的负载运动而改进运行。
液力单元10的另一应用是使用在混凝土或沥青铺设机器中。当混凝土或沥青铺设机器正在使用时，建筑人员典型地由一串卡车在建筑工地和供应场地之间循环以便连续地供应混凝土和沥青材料到铺设机器。如果有一台铺设机器意外地发生故障，铺设材料必须在它们在卡车中成为无用以前处理。这些数量铺设材料的浪费连同处理费用可能相当大。使扭矩传感器和带有液力单元的控制器联合驱动铺设机器对于预测系统的故障是有用的。通过早期探测这样的待发故障，操作者可以通知建筑人员停止派送带有铺设材料的卡车而派送一位修理技术员。
液力单元10还有另一应用是在钻探机上应用，诸如在钻探水、石油、或天然气的井中的应用。钻井平台用来钻探水井、油井、天然气井，以及钻探矿井。水平钻探机械用来安装电缆和其它公用设施而不干扰地面设施。通过使用驱动这些机器的扭矩传感器和连同液力单元的控制器可以改进其性能、监控和控制结果。
液力单元10还有另一应用是使用在联接于内燃机的液压泵上。在这样布置中，液力单元可能从内燃机要求比较其能够安全地提供的更多扭矩。如此，内燃机可能失速或停车，要求操作者重新发动机器。使用扭矩传感器和连同液力单元的控制器能够防止这样的失速。在防止发动机失速以外，这样的系统能够导致使用较小的内燃机，而将不再需要过分大的发动机以适应潜在的失速危险。
对于液力单元10还有的应用是使用在水泥混合卡车上。这样的卡车典型地在其背后具有旋转罐，用来混合混凝土并防止其在转运到建筑工地以前凝固。一旦到达工地，浇铸混凝土的建筑人员要求特定的浓度。通常，最初在供应场地放置在罐中的混凝土比较其在灌注时更有黏性。建筑人员将添加水分而在工地混合直到获得需要的浓度。在多数水泥卡车上液力单元用来旋转混合罐。通过使用扭矩传感器和联合液力单元的控制器，有可能监控和限制需要混合混凝土的扭矩。通过采用这样的系统，可以获得改进的和其目标可控的浓度。混凝土浇铸和抹光人员对于各项工作要求非常特殊的浓度以有利于成型、抹光和铺设。在本项技术中，浓度是由混凝土行业中熟练人员通过对于各批混凝土反复加水试验而获得。通过提供一种精确地测量混凝土浓度的系统，采用目标测量获得要求的混凝土浓度而不需要依赖于混凝土熟练专业人员经验的反复试验的方法。
液力单元另一应用是使用在具有旋转斜盘移动的机器上，以便改变液力单元的排量。在这样的机器中，旋转斜盘的位置和需要夹持旋转斜盘在要求角度上的扭矩对于液力单元的控制系统很重要。通过测量液力单元旋转斜盘实际需要的扭矩，有可能调节动力单元的控制和改进控制结果。
液力单元还有另一应用是作为液压控制阀。液压控制阀用来调节和控制在液压机器中的液压油流量。通过测量由操作者的信号或其它来源施加于液压阀的扭矩，有可能调节液力单元的运行到更加接近于机器操作者所要求性能的响应。
因此可见，通过使用扭矩传感器和联接于传感器的控制器本发明容许监控对于施加在液力单元上动力轴的扭矩。
权利要求
1.一种液力单元，包括壳体、内部液压动力装置、外部液压动力装置和联接于液压动力装置上的机械动力轴，包括适合于测量扭矩的传感器，其以与邻近施加磁场的轴部分的输出动力轴成非接触关系安装在壳体内，和与传感器联接的控制器，以便监控所测定的扭矩。
2.一种液力单元，包括壳体、液压动力装置、输入动力装置和联接于内部液压动力装置的输出动力轴，包括适合于测量扭矩的传感器，其以与邻近施加磁场的轴部分的机械动力轴成非接触关系安装在壳体内，与传感器联接的控制器，以便监控所测定的扭矩，和控制器联接于输入动力装置，以便修改传递至液压动力装置的输入动力值在预定扭矩参数以内。
3.一种监控施加于液力单元的机械动力轴上的扭矩的方法，液力单元包括壳体、液压动力装置、输入动力装置和连接于液压动力装置的输出动力装置，该方法包括将适合于测量扭矩的传感器以与邻近施加磁场的轴部分的机械动力轴成非接触关系放置在壳体内，和提供联接于传感器的控制器，以监控测定的扭矩。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，控制器联接于输入动力装置，以修改传递至液压动力装置的输入动力值在预定扭矩参数以内。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，控制器通过调整液力单元的排量与动力单元功能相关联，以便按测定的扭矩值指示的改进性能。
全文摘要
本发明所指的液力单元包括壳体、内部液压动力装置、外部液压动力装置和联接在液压动力装置上的机械动力轴。此外，液力单元包括一个适合于测量扭矩的传感器，其以与邻近施加磁场的轴部分的机械动力轴成非接触关系安装在壳体内。液力单元还包括与传感器联接的控制器，以便监控所测定的扭矩，和相应地调节液力单元的运行。
文档编号G01L3/00GK1641329SQ20041010200
公开日2005年7月20日 申请日期2004年12月17日 优先权日2003年12月17日
发明者迈克尔·D·冈德鲁德 申请人:沙厄-丹福丝股份有限公司