作业机械的制作方法

本公开涉及具有由发动机驱动的主工作单元并具有液压驱动的辅助工作单元的那种类型的作业机械。

背景技术：

这种类型的作业机械可例如包括轮式装载机、反铲挖掘机、滑移转向机以及其他机械，在这些机械中，液压驱动的辅助工作单元能够对发动机提供重负荷并可在作业机械的传动系加速或减速的同时使用。

在轮式装载机的示例中，主工作单元可以是在地面上推动轮式装载机的车轮，并且液压驱动的辅助工作单元可包括升降臂，升降臂升降铲斗或铲叉以接合将由轮式装载机升降、移动和卸载的装载物。传统上，轮式装载机包括由发动机驱动以为液压驱动的辅助工作单元产生液压动力的液压泵。有了这种布置，如果需要附加的液压动力，则增加发动机速度以增加液压泵的速度，并因此增加可用于辅助工作单元的液压动力。

这种布置的一个不足在于，提供所需液压动力所必需的发动机速度可高于为主工作单元提供动力当前所需的发动机速度，从而造成发动机低效地操作。

技术实现要素：

本公开提供了对作业机械的构造和操作的改进，以使液压泵的速度能够与发动机速度脱离，因此使发动机能够更高效地操作。

在一个实施方式中，一种作业机械可包括发动机、主工作单元和被配置为将动力从发动机传递到主工作单元的传动系。该作业机械可包括至少一个液压驱动的辅助工作单元以及被配置成为所述至少一个液压驱动的辅助工作单元提供动力的液压泵。该作业机械可包括电动机和行星齿轮组。行星齿轮组包括连接到发动机的第一动力输入、连接到所述电动机的第二动力输入和连接到液压泵的动力输出。

优选地，所述传动系包括变速箱，所述变速箱被配置为将动力从所述发动机传递到所述地面接合单元中的所述一个或更多个地面接合单元。

优选地，所述变速箱是电子无级变速箱。

优选地，所述作业机械是轮式装载机，并且所述至少一个液压驱动的辅助工作单元包括所述轮式装载机的升降臂。

优选地，所述行星齿轮组包括：太阳轮，所述电动机连接到所述太阳轮以限定所述第二动力输入；与齿轮架连接的多个行星齿轮，所述行星齿轮接合所述太阳轮并能绕所述太阳轮移动，所述发动机连接到所述齿轮架以限定所述第一动力输入；以及包围所述行星齿轮并接合所述行星齿轮的齿圈，所述齿圈连接到所述液压泵以限定所述动力输出。

优选地，所述发动机和所述电动机被配置为使得来自所述发动机的所述第一动力输入的最大值大于来自所述电动机的所述第二动力输入的最大值。

在另一个实施方式中，提供了一种控制这样的作业机械的方法。该方法可包括以下步骤：

(a)用发动机向行星齿轮组提供第一动力输入；

(b)用电动机向行星齿轮组提供第二动力输入；以及

(c)用行星齿轮组将第一动力输入和第二动力输入相加并从行星齿轮组向液压泵提供动力输出。

当结合附图阅读以下的公开时，本文阐述的实施方式的众多目的、特征和优点对于本领域的技术人员而言将是十分显而易见的。

附图说明

图1是轮式装载机形式的作业机械的侧视图。

图2是图1的作业机械的第一实施方式的示意图，其中，用于电动机的电力是由作业机械的变速箱所驱动的发电机提供的。

图3是图1的作业机械的第二实施方式的示意图，其中，用于电动机的电力是由作业机械所携带的电池提供的。

图4是行星齿轮组的示意图。

图5是与图1的作业机械的发动机、电动机和液压泵连接的图4的行星齿轮组的示意图。

图6是图1的作业机械的传动系的示意图，该传动系包括eivt变速箱。

图7是用于作业机械的控制器以及关联的输入和输出的示意图。

具体实施方式

现在参照附图，具体地参照图1，以侧视图示出作业机械并总体上用标号10来指代作业机械。图1示出了轮式装载机机械10。本文中公开的系统适用于轮式装载机、反铲挖掘机、滑移转向机以及具有由发动机驱动的主工作单元并具有液压驱动的辅助工作单元的那种类型的其他作业机械。这些系统特别可用于如下的作业机械，在所述作业机械中，液压驱动的辅助工作单元能够使发动机重载并可在该作业机械的传动系加速或减速的同时使用。在一个实施方式中，主工作单元和液压驱动的辅助工作单元中的每个都可以能够使发动机满载。

作业机械10包括被前地面接合单元16和后地面接合单元18支撑为离开地面14的机架12。所例示的地面接合单元16和18是轮式地面接合单元，但应理解，也可使用履带式地面接合单元。

发动机20由机架12撑，发动机20可例如是柴油驱动的内燃机。驾驶室22可位于机架12上，在发动机20前方。升降臂24在枢轴26处由机架12可枢转地支撑，并且液压升降缸28和29连接在机架12和升降臂24之间，以使升降臂24绕枢轴26上下枢转。作业机具30在第二枢轴32处被可枢转地附接到升降臂24，并通过液压枢转缸34相对于升降臂24枢转，作业机具30可例如是铲斗或铲叉。

在操作时，作业机械10将把各种装载物与作业机具30接合，升高装载物，将装载物在地面上运送到第二位置，并卸载装载物。如在图2和图3中进一步示意性示出的，发动机20可经由传动系36向地面接合单元16、18提供直接的机械驱动。

传动系36可例如包括变速箱40、前轴42和后轴44。前轴42可驱动前轮16。后轴44可驱动后轮18。变速箱40被配置为以多种传动比将动力从发动机20传递到驱动轮。

在作为轮式装载机的作业机械10的实施方式中，前地面接合单元16和后地面接合单元18中的一个或更多个可被描述为主工作单元19，并且传动系36可被描述为被配置为将动力从发动机20传递到主工作单元19以在地面14上推动作业机械10。

在作为轮式装载机的作业机械10的实施方式中，升降臂24、作业机具30以及关联的液压升降缸28和29和液压枢转缸34可统称为液压驱动的辅助工作单元46。

如在图2、图3和图7中示意性示出的，液压泵48向液压系统50提供液压动力，液压系统50可为液压驱动的辅助工作单元46和作业机械10的其他液压部件提供动力。

作业机械10也可包括电动机52。本公开提供了一种将来自发动机20和电动机52的动力输入组合起来以为液压泵48提供动力的系统。主动力源可以是发动机20，并且可按需要使用电动机52来提供附加的动力，从而以与简单地改变发动机20的速度不同的方式控制被引导到液压泵48的动力。这使液压泵48的泵速度与发动机20的发动机速度脱离。用行星齿轮组54实现动力输入的这种组合。

如图4中示意性例示的，行星齿轮组54包括太阳轮56、连接到齿轮架60的多个行星齿轮58和齿圈62。行星齿轮58与太阳轮56接合并能绕太阳轮56移动。齿圈62围绕并接合行星齿轮56并能绕行星齿轮58和太阳轮56旋转。如在图5中进一步示意性例示的，发动机20可连接到齿轮架60，以限定用标号为64的箭头示意性表示的第一动力输入64。电动机52可连接到太阳轮56，以限定用标号为66的箭头示意性表示的第二动力输入66。齿圈62可连接到液压泵48，以限定用标号为68的箭头示意性表示的动力输出68。

驱动太阳轮56的电动机52用作变速器，以调节动力输出68并因此调节液压泵48的泵速度。

如下面进一步说明的，行星齿轮组54被配置为将来自发动机20的第一动力输入64与来自电动机52的第二动力输入66相加，以驱动液压泵48。如下面进一步说明的，这使得通过控制电动机52的电机速度能够控制液压泵48的泵速度。

在图2的实施方式中，变速箱40可驱动发电机72来产生dc电。电源逆变器74可将dc电转换成ac电，该ac电被引导到电动机52，电动机52可以是由ac电驱动的电动机。也可从与变速箱40关联的电源总线中提取dc电，如下面进一步说明的，变速箱40可以是eivt变速器。

在图3的替代实施方式中，作业机械10可包括电池76，并且来自电池76的dc电可通过电力转换装置78，电力转换装置78将dc电转换成ac电来驱动电动机52。可通过电动机52的逆操作对电池76进行再充电。电力转换装置78可以是双向装置。电力转换装置78还可包括并联的逆变器和整流器通道，使得从电池76流出的dc电被逆变以产生用于电动机52的ac电，并且使得在逆操作中从电动机52流出的ac电被整流以储存在电池52中。

在一个实施方式中，电池76的尺寸可类似于目前在混合动力汽车中使用的电池的尺寸，在混合动力汽车中，期望在最大液压需求的时间间隔中对电池进行再充电。在另一个实施方式中，电池76可较大，类似于目前在插电式混合动力汽车中使用的电池，并且电池的尺寸可被确定为执行多个液压操作，而不用在最大液压需求的时间间隔之间进行再充电。

变速箱40可以是诸如例如在rekow等人的美国专利申请公开no.2018/0149247中公开的电子无级变速器(eivt)，该美国专利申请公开的细节以引用的方式并入本文中。

现在参照图6，描绘了传动系36的各种部件。例如，发动机20可(例如，经由旋转轴)向变速箱40提供机械动力，变速箱40可以是eivt的形式。发动机20还可向无级变速动力(ivp)机械80提供机械动力，ivp机械80可包括一个或更多个ivp机械(例如，电动机和发电机，或具有静液压电机和关联泵的静液压机械)。变速箱40可另外从ivp80接收机械动力。

变速箱40可包括可由各种致动器86进行控制的各种离合器82和制动器84。致动器86进而可由变速箱控制单元(“tcu”)88(或另一个控制器)控制，变速箱控制单元88可经由作业机械10的can总线(未示出)从各种传感器或装置(未示出)接收各种输入。变速箱40可包括一个或更多个输出轴89a、89b，输出轴89a、89b用于将机械动力从变速箱40传递到各种其他部件(例如，差速器传动轴)。在某些实施方式中，附加的齿轮组(例如，挡位齿轮组)可被插入变速箱40和作业机械10的其他零件(例如，差速器传动轴)之间。在某些实施方式中，变速箱40还可直接向作业机械10的其他零件提供动力(例如，经由直接传动轴89b)。

图7的控制系统

如图7中示意性例示的，作业机械10包括控制系统90，控制系统90包括控制器92。控制器92可以是变速箱40的变速箱控制单元88的组成部分或作业机械10的另一机械控制器的组成部分，或者它可以是单独的控制模块。在任何情况下，控制器92都可与变速箱控制单元88协同工作，使得由变速箱控制单元88主要基于为构成主工作单元19的传动系提供动力所需的发动机速度设置发动机20的发动机速度，并且使得控制器92控制电动机52的电机速度来控制液压泵48的泵速度，进而控制提供到构成液压驱动的辅助工作单元46的液压部件的液压动力。控制器92可被安装在驾驶室22中的控制面板处。

控制器92被配置为从位于驾驶室22的液压系统控制输入器120接收输入信号118。控制输入器120可例如是用于操作升降臂24和作业机具30的操纵杆控件120。通常，这样的操纵杆控件120可被向后拉或向前推，以分别升高或降低升降臂24。操纵杆控件120可向左或向右移动，以使作业机具30相对于升降臂24旋转。集成在操纵杆控件120中的位置传感器生成发送到控制器92的输入信号118。然后，控制器92中的软件中所包含的算法可确定液压系统所需的动力以及电动机52向液压泵48提供所需动力所需的对应电机速度。

控制器92将生成被引导到电动机52以控制电机速度的控制信号，诸如控制信号52c。

控制器92还将生成用于控制各种液压致动器的操作的控制信号，诸如控制信号28c、29c和34c，在图7中用将控制器92连接到各种致动器的虚线示意性指示了这些控制信号，其中用箭头指示命令信号从控制器92到相应致动器的流动。应理解，如本文中公开的各种致动器(诸如致动器28、29和34)可以是液压活塞缸单元，并且来自控制器92的电子控制信号实际上将由与致动器关联的电动液压控制阀接收，并且电动液压控制阀将响应于来自控制器92的控制信号而控制液压流体流入和流出相应的液压致动器，以控制对液压致动器的致动。

发送到升降缸28和29的控制信号28c和29c(参见图7)响应于来自操纵杆控件120的输入信号118而使升降缸28和29伸长或缩回，以升高和降低升降臂24。发送到枢转缸34的控制信号34c(参见图4)控制作业机具30相对于升降臂24的枢转。至少部分地响应于输入信号118而生成控制信号。

控制器92包括处理器94、计算机可读介质96、数据库98以及具有显示器102的输入/输出模块或控制面板100，或者控制器92可与处理器94、计算机可读介质96、数据库98以及具有显示器102的输入/输出模块或控制面板100关联。设置了诸如键盘、操纵杆或其他用户接口这样的输入/输出装置104，使得操作人员可向控制器输入指令。输入/输出装置104可包括以上讨论的操纵杆控件120。应理解，本文中描述的控制器92可以是具有所有所描述的功能的单个控制器，或者它可包括多个控制器，其中，所描述的功能被分布在多个控制器之中。

结合控制器92描述的各种操作、步骤或算法可直接在硬件中、在计算机程序产品106(诸如由处理器94执行的软件模块)中或这二者的组合中实施。计算机程序产品106可驻留在ram存储器、闪存存储器、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘或本领域已知的任何其他形式的计算机可读介质96中。示例性的计算机可读介质可联接到处理器94，使得处理器可从存储器/存储介质读取信息并且将信息写入其中。在替代形式中，介质可与处理器形成一体。处理器和介质可驻留在专用集成电路(asic)中。asic可驻留在用户终端中。在替代形式中，处理器和介质可作为分立的部件驻留在用户终端中。

如本领域的技术人员可理解的，如本文中使用的术语“处理器”可至少是指通用或专用处理装置和/或逻辑，包括但不限于微处理器、微控制器、状态机等。处理器也可被实现为计算装置的组合(例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核结合的一个或更多个微处理器或任何其他这样的配置)。

在图7中，还进一步示意性例示了液压流体供应系统50，其包括先前提到的液压泵48。泵48从油箱108取得液压流体并将加压的液压流体提供到液压流体供应管线110。供应管线110连接到与第一升降缸28、第二升降缸29以及枢转缸34关联的电液方向和流量控制阀28v、29v和34v中的每个的第一入口。

液压流体供应系统50可包括减压阀122，以控制液压流体供应系统50内的压力。来自减压阀122的排放物经由回流管线124流回油箱108。减压阀122可以是可调节阀，其可经由来自控制器92的命令信号122c来进行调节。

阀28v、29v和34v中的每一个都被示出为三位阀，该三位阀具有其中没有流通过阀的中心位置、其中流体流向第一出口端口的左侧位置以及其中流体流向第二出口端口的右侧位置。来自每个控制阀的液压流体在所选择方向上流向其相应的液压缸。来自液压缸的回流流体通过相应的控制阀流回回流管线112，回流管线112使液压流体返回到油箱108。

阀28v、29v和34v中的每一个都可以是比例控制阀，其中，除了控制流动方向之外，该阀还全部响应于从控制器92接收到的控制信号而控制液压流体的流量。另选地，液压缸中的每个可具有分开的流动方向控制阀和与其关联的流量控制阀。

应理解，两个阀28v和29v可被组合成单个阀，从而向两个液压缸28和29提供分流输出，使得那些缸串联操作。

作业机械10的操作可被总体如下地描述。操作人员将引导两个操作，每个操作都可给机械带来巨大动力需求。在本公开中被称为主工作单元19的操作的第一操作可例如是引导由前轮16和后轮18推动作业机械10在地面上运动。该操作可由操作人员手动操作的节气门控件来引导。eivt变速箱40的变速箱控制单元88可响应于该节气门位置而将发动机20的发动机速度设置在对于高效发动机操作而言优选的速度。在本公开中被称为辅助工作单元46的操作的第二操作可例如是经由液压缸28、29和34引导升降臂24和作业机具30进行操作。该第二操作可由先前描述的操纵杆控件120引导。控制器92可响应于来自操纵杆控件120的输入信号118来设置电动机52的电机速度。控制器92还可通过调节减压阀122来调节液压供应系统50内的最大液压。下面给出了这种操作的其他具体实例。

实例：

作业机具10可以是轮式装载机，并且行星齿轮组54可包括具有二十个齿的太阳轮56和具有七十个齿的齿圈62。对于太阳轮输入、齿圈输出和齿轮架固定的情况，该行星齿轮组可提供-0.287的速度比。对于齿轮架输入、齿圈输出和太阳轮固定的情况，该行星齿轮组可提供1.287的速度比。下表中示出了各种操作条件下的来自发动机10的输入动力、来自电动机52的输入动力以及通向液压泵48的输出动力。

表i例示了当液压泵48处于待机状态并且电池76没有在被充电时的动力流。在表中，负的“动力”数字指示从所指定部件流出(即，由所指定部件产生)的动力，正的“动力”数字指示流入所指定部件的动力。因此，如果电动机52正起到发电机的作用，则电动机52的“动力”为正数，如果电动机正起到电机的作用，则电动机52的“动力”为负数。发动机20的“动力”始终为负数，液压泵48的“动力”始终为正数。

表ii例示了当液压泵48处于待机状态并且电池76在被充电时的动力流。在该实例中，发动机20按变速器控制单元88的指示在各种发动机速度下被驱动，以提供在地面上推动作业机械10所需的动力。发动机可用的剩余动力用于为电池充电。

表iii例示了当液压泵48正以最大液压动力输出操作并且电池76正在放电以为电动机52供电时的动力流。在该实例中，发动机20按变速器控制单元88的指示在各种发动机速度下被驱动，以提供将作业机械10在地面上推动所需的动力。同时，液压系统有大量动力的需求。发动机20尽可能满足该需求，而电动机52提供了所需的任何附加动力。注意的是，在该实例中，发动机20和电动机52被配置为使得从发动机20输入的动力的最大值大于从电动机52输入的动力的最大值。

操作方法

作业机械10的一种操作方法可包括以下步骤：

(a)用发动机20向行星齿轮组54提供第一动力输入64；

(b)用电动机52向行星齿轮组54提供第二动力输入66；以及

(c)用行星齿轮组54将第一动力输入64和第二动力输入66相加并从行星齿轮组54向液压泵48提供动力输出68。

该方法还可包括通过控制电动机52的电机速度来控制液压泵48的泵速度。可利用自动控制器92执行控制步骤。

该方法还可包括：

利用由传动系36驱动的发电机72产生电力；以及

将来自发电机72的电力提供到电动机52。

该方法还可包括从作业机械10所携带的电池76向电动机52提供电力。

因此，看出本公开的设备和方法容易实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。尽管出于当前目的已经例示和描述了本公开的某些优选实施方式，但本领域的技术人员可在部件和步骤的布置和构造方面进行许多改变，这些改变被涵盖在如所附权利要求书限定的本公开的范围和精神内。所公开的各特征或实施方式可与所公开的任何其他特征或实施方式组合。