专利名称：使用无级变速器的具有动力限制控制的作业机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及作业机械，并且更具体地说涉及一种包括有与无级变速器(IVT) 连接的内燃机的作业机械。
背景技术：
诸如建筑作业机械、农业作业机械或者林业作业机械的作业机械，典型地包 括内燃机形式的牵引车。所述内燃机可以是压縮点火发动机(即柴油发动机)或 者火花点火发动机(即汽油发动机)。对于大多数重型作业机械，所述牵引车为具 有适用于相关作业操作的更好的过载、下拉和扭矩特性的柴油机形式。
负荷冲击后瞬态内燃机的阶跃负载响应是一最受发动机排量、发动机硬件(例 如，它是否有标准涡轮增压器、具有排废门或变几何涡轮增压器，等等)，及用于 驱动与排放法规(例如可见烟、氮氧化物(NOx)等)、噪音或振动的要求相关的 空气和燃料驱动器(例如废气再循环、具有可变几何涡轮的涡轮增压器(VGT)、 燃料喷嘴形状等)的软件策略影响的特性。负荷冲击可能是由动力传动系统负载 (例如作业机械后面拖带的工具)或外负载(例如诸如前端装载机或反铲附件的 辅液压负载等)的结果。
发动机系统作为一整体在瞬载应用过程中反应为线性方式。最初，所述负载 被施用于所述内燃机的传动轴。当负载增大时所述内燃机的速度减小。所述内燃 机的速度降受所述调节器是否同步或具有速度下降的影响。通过改变所述空气调 节器增加气流以提供额外的空气给内燃机。为获得新的气流调整点，时延是必需 的。几乎瞬时的燃油喷射量相对于烟限量和最大容许燃油量增加。然后发动机恢 复至发动机转速调整点。负载冲击之后，与内燃机瞬态阶跃负载响应相关联的参 数是速度降和恢复至发动机调整点的时间。
内燃机可与一无级变速器(IVT)连接，所述无级变速器以无级形式提供速度 从0至最大的连续可变的输出。一 IVT典型地包括流体静压和机械传动组件。所 述流体静压组件将旋转轴动力转换为湍流，反之亦然。流动通过IVT的动力可以 只通过液体静压组件、只通过机械组件或通过根据设计和输出速度的二者的结合。
4一种用于作业机械的IVT实例为液压机械变速器，其包括与一行星齿轮组连 接的液压单元。另外一种用于作业机械的IVT实例为流体静压变速器，其包含与 一齿轮组连接的液压单元。
包括有IVT的作业机械在改变IVT比以匹配负载条件时可能易于失去牵引控 制和车轮滑转。所述IVT控制器感应发动机速度并在发动机速度在负载下降低时 加深所述IVT比。当在低地速时，作业机械需要的动力量是低百分比的发动机所 产生动力，因而当来自发动机的输出扭矩增加时所述发动机不可能加载减速。.操 作者则将不会意识到车轮上的扭矩在增加。在此情形下，所述驱动轮可能不预先 通知而失去牵引并打滑失控。
在许多建筑或农业机械应用中，希望所述机械在负载下时限制或消除车轮自 旋(牵引力)以便不扰动所述机械工作的表面。本发明的受让人制造的现有的四 轮驱动(4WD)前端装载机，诸如644J、 724J和824J型，具有变矩器-驱动动 力换档变速器。变矩器-驱动机械通过由跨越变矩器的速度差自然地提供扭矩输入 控制给所述变速器限制牵引力。该速度差是车辆地速和发动机转速的函数。当地 速接近零时，所述变矩器输出扭矩接近当前变矩器输入速度(发动机转速)失速 扭矩。因此，所述失速扭矩与发动机转速成比例。操作者通过脚踏节流阀踏板控 制发动机转速，从而控制至变速器的扭矩并因此控制机械牵引力。在4WD装载机 中当所述机械装载铲斗时牵引力控制尤其重要。操作者想要所述机械以一稳定力 "推"堆积物而无轮胎的自旋，以便完全填满所述铲斗。
该结构的一个问题是必须利用期望控制牵引力的部件。考虑4WD装载机伊斗 装载情形当所述机械掘进所述堆积物中时，所述负载显著增加。对于给定发动 机转速和地速，所述变矩器只能够提供有限量的扭矩，因此当来自所述堆积物的 负载胜过所述变矩器的最大扭矩时，所述地速降低。当所述地速降低时，跨越所 述变矩器的速度差增加。随后操作者可以希望增加牵引力并因此增加发动机转速 以增加扭矩。该循环可以持续直到所述机械不能提供足够的牵引力以进一步掘进 所述堆积物中或者所述轮胎打滑失控。在两种情形下，具有跨越所述变矩器的大 的速度差，而且所述变矩器以非常低的速度提供给变速器一大的扭矩。因此，存 在的问题是跨越所述变矩器的大的动力损失，能量被浪费作为热量进入所述变矩 器流体中。动力损失将增加燃油燃烧，从而减小了燃油效率，燃油效率由于增加
5了变矩器速度差和扭矩而变得恶化。
对于燃油效率问题的一个尝试的解决已经将一流体静压变速器置入4WD装载 机中。所述流体静压变速器通过提供近无限的速比获得上述情形中增加效率的好 处，所述近无限的速比容许所述变速器输出速度在任何发动机转速被控制至接近 零，无跨越任何元件的"滑差"。因此所述燃油效率提高。然而，如以前具有此结 构的问题来自其特别的特征。当所述变速器输入-输出速比变得非常大(接近零输 出速度)时所述变速器输出扭矩成比例地增加。因此，操作者没有对牵引力的限 制控制。对于上述的铲斗装置情形，所述机械在装载过程中简单地自旋所述轮胎， 没有办法去消除它。
现有技术所需要的是一种具有IVT的作业机械，其在低地速条件下不易失去 牵引。
发明内容
本发明一方面涉及一种作业机械，其包括一内燃机和一与所述内燃机连接的 无级变速器(IVT);所述IVT具有可调节的输入/输出(I/O)比并包括一可调节 组件和一机械组件； 一离合器与所述机械组件连接并具有一输出； 一可调节的操 作者输入装置提供表示一动力限制控制的输出信号；至少一个电气处理电路与所 述操作者输入装置连接并被配置用以根据来自所述操作者输入装置的所述输出信 号控制一选择的所述I/O比率与所述离合器输出的组合。
本发明的另一方面涉及一种操作一作业机械的方法，该作业机械包括一内燃 机、一IVT及一离合器，该方法包括步骤把来自操作者输入装置的输出信号输 出至一电气处理电路，所述输出信号对应于一最大容许地速和一来自所述离合器 的最大容许输出扭矩；及根据来自所述操作者输入装置的所述输出信号控制一选 择的所述IVT的I/O比率与一所述离合器的离合器压力的组合。
图1是本发明作业机械的实施例的示意图； 图2是脚踏板输出与地速和扭矩输出之!司关系的图示； 图3是表明本发明作业机械的操作方法的实施例的流程图。 具体实施方案
现在参考图l，表明本发明的一个实施例的作业机械10的示意图。作业机械10可以是平路机，或者是诸如约翰迪尔(JohnDeere)前端装载机的建筑作业机械， 或者是诸如农业、林业、矿业或者工业作业机械的不同类型的作业机械。
作业机械10包括内燃机12，内燃机12典型地通过一来自所述内燃机12的输 出机轴16与一 IVT14连接。内燃机12在示例实施例中假定为柴油发动机，但也 可以是汽油发动机、丙垸发动机等等。内燃机12根据应用来确定尺寸和配置。
IVT14通常包括可调节组件18、机械组件20 (例如传动系统)及离合器22。 假定IVT14在所示实施例中是液压机械变速器，但也可以是流体静压变速器、电 动机械变速器或其它类型的IVT。当被配置成液压机械变速器(所示实施例中)时， 所述可调节组件为具有液压泵和马达的液压组件18的形式。当被配置成电动机械 变速器(未示出)时，所述可调节组件为发电机和马达的形式。IVT14可以是常规 设计，因此这里不进行详细描述。
IVT14,具有一输出，该输出与至少一个其它下游的传动组件24连接，而所述 传动组件24与多个驱动轮26连接，其中之一如图l所示。当然，应当理解，在 履带式作业车辆情形中，传动组件24可以与地面接合履带连接。
离合器22是一电子控制离合器，其被整体并入IVT14中。离合器22可以被 选择性地调节至一期望的离合器压力，在该压力下离合器滑差发生。离合器22可 以是常规设计，在此不进行详细描述。也应当意识到，离合器22可以与IVT14分 开并与来自IVT14的机械组件20的输出连接。
IVT14也提供输出动力给一个或多个外负载28，所述外负载28又因而提供内 燃机12额外负载。外负载28通常是液压负载，诸如前端装载机、反向铲、卸粮 螺旋推运器、伐树锯马达等等。因而置于内燃机12上的总负载是牵引负载和外部 液压负载二者的函数。
电气处理电路30被配置成一个或多个控制器。在所示的实施例中，控制器30 包括发动机控制单元(ECU) 32,其电动控制内燃机12的操作并与内燃机12操 作相关联的多个传感器(没有具体示出)连接。例如，ECU32可以与指示诸如一 个或多个进气歧管中的气流速率、发动机转速、加料速率和/或计时、排放气再循 环(EGR)率、涡轮增压器叶片位置等发动机控制参数的传感器连接。此外，ECU32 可接收来自车辆控制单元(VCU) 34的输出信号，所述输出信号表示操作者输入 的车辆控制参数，诸如作业机械10的指令地速(通过节流阀和/或水压调节器踏板的位置指示)或指令方向(通过方向盘的角定向指示)。
同样地，变速器控制单元(TCU) 36电动控制IVT14的操作并与IVT14的操 作相关联的多个传感器连接。ECU32、 VCU34和TCU36通过提供双向数据流的诸 如CAN总线38的总线结构连接在一起。
操作者输入装置40容许操作者调节来自IVT14的动力限制控制。在所示的实 施例中，操作者输入装置40被配置成一脚踏板。脚踏板40提供表示所述脚踏板 位置的输出信号给TCU36。所述输出信号与最大容许地速和最大容许输出扭矩相 互关联，将在下文描述。
控制器30也接收来自传感器42和44的分别表示至IVT14的输入和输出的输 出信号。来自传感器42和44的所述信号可以被用于确定地速、1/0比率、离合器 滑差等。
虽然所示的诸如ECU32、 TCU36和VCU34的各种电子元件使用有线连接， 但是还应该理解，无线连接也可以适用于一些应用。此外，为了简化，图1的元 件内的一些内部电子和流体连接未示出。
利用本发明的操作方法，所述最大容许地速和扭矩值从0-100%被正规化， 100%是当前车辆地速容许的最大值。图2表示正规化的最大容许地速和正规化的 最大变速器输出扭矩对踏板百分数的图表。通过限制所述变速器输出离合器上的 最大压力实现变速器输出扭矩限制。当负载增加时，所述离合器开始滑动，从而 所述输出速度由于所述有限量的可获得扭矩而减小。为了维持由于所述滑差的动 力损失较低，所述变速器的流体静压组件冲程至非常小量的跨越所述滑动离合器 的差速。如果所述负载继续增加，所述输出速度可以接近零，同时流体静压组件 18继续不冲程并维持滑差速度。所述扭矩容量保持相同，容许所述机械维持恒定 的对所述负载的牵引力。操作者期望的更多的机械力简单地进一歩压下所述脚踏 板，从而增加离合器压力，其增加所述变速器扭矩容量。在那点，如果所述负载 不足以所述机械保持停止，则所述跨越所述滑动离合器的差速可以到零(离合器 反锁上)。所述控制逻辑识别那并随后开始冲程以便尝试获得期望的地速目标，也 由所述踏板位置设定。无论何时所述离合器开始滑动，所述控制逻辑指令流体静 压组件18"跟随"，并且无论何时所述离合器不滑动，所述控制逻辑指令流体静压 组件18达到所述的目标地速。因此，本发明提供一直接的操作者输入以限制变速器输出扭矩和速度。
现在参照图3，将更加详细地描述本发明实施例的作业机械10的操作方法。
在操作过程中，操作者维持使用脚踏板，但此时代替直接控制发动机转速， 所述踏板直接限制变速器输出动力。所述踏板具有0-100%的行程范围，100%是完 全压下。该踏板百分数被输入所述控制算法。所述控制逻辑随后参考查阅表，其1) 把所述踏板百分数与一最大容许地速相互关联及其2)把所述踏板百分数与最大容 许变速器输出扭矩相互关联。
脚踏板40提供一表示脚踏板40位置的输出信号给TCU36。来自脚踏板40的 所述输出信号被正规化至0-100%之间的值(方块50)。基于所述踏板位置，计算 一最大容许地速和最大容许正规化扭矩(方块52和54)。利用当前的实际地速(方 块56)和正规化的最大容许扭矩(由方块54)，为所述当前地速计算一最大容许 实际扭矩(方块58)。基于那，所述最大离合器压力被指令(方块60)。接着，所 述控制逻辑利用传感器42和44及所述已知的IVT14的I/O比率核查离合器"滑 差"(判定块62)。滑差被定义为一大于或等于滑差阈值(一RPM值)的跨越所述 离合器的差速。如果所述离合器正在滑动，则流体静压组件18被导引以维持所述 滑差速度不超过所述最大容许滑差(一RPM值)(方块64)。如果所述离合器不在 滑动(差速小于所述滑差阈值)，则流体静压组件18被导引以达到所述踏板位置 期望目标的最大地速(方块66)。
本方法的益处结合了所述变矩器系统的最佳特征(扭矩控制)与所述流体静 压系统的最佳特征(无限速度控制和燃油效率)。扭矩控制是通过作为脚踏板位置 的函数限制所述最大容许变速器扭矩来实现。变速器扭矩限制是通过所述输出扭 离合器压力的艰制来实现。速度控制是通过利用具有作为所述脚踏板的函数的最 大容许地速的IVT或流体静压变速器来实现。燃油效率增益是通过持续监测跨越 所述输出离合器的差速(滑差速度)来实现。变速器流体静压组件(18和20)适 当地冲程以限制所述滑差速度至一非常小的值，从而限制通过所述离合器的动力 损失。
以优选的实施例对本发明进行了描述，然而，应当理解的是，在不脱离所附 权利要求限制的本发明范围内可进行各种改变。
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权利要求
1、一种作业机械，包括一内燃机；一与所述内燃机连接的无级变速器(IVT)，所述的IVT包括一可调节组件和一机械组件，所述的IVT具有一可调节的输入/输出(I/O)比；一与所述机械组件连接的离合器，所述离合器具有一输出；一可调节的操作者输入装置，其提供表示一动力限制控制的输出信号；及至少一个电气处理电路，其与所述操作者输入装置连接并被配置用以根据来自所述操作者输入装置的所述输出信号控制一选择的所述I/O比率与所述离合器输出的组合。
2、 如权利要求1所述的作业机械，其特征在于所述操作者输入装置是一脚踏板。
3、 如权利要求2所述的作业机械，其特征在于所述至少一个电气处理电路使来自所述操作者输入装置的所述输出信号与一最大容许地速及一來自所述离合器的最大容许输出扭矩相互关联。
4、 如权利要求3所述的作业机械，其特征在于所述至少一个电气处理电路使所述脚踏板的一位置与0至1之间的一正规化数值相互关联，以及使所述脚踏板位置的所述正规化数值与用于所述最大容许地速和所述最大容许输出扭矩每一个的0至1之间的一正规化数值相互关联。
5、 如权利要求3所述的作业机械，其特征在于所述的最大容许输出扭矩对应于所述离合器上的一最大离合器压力，在此处滑差开始出现。
6、 如权利要求5所述的作业机械，其特征在于当所述的最大容许输出扭矩出现并且所述离合器开始滑动时，所述的至少一个电气处理电路调节所述I/O比率至与所述作业机械的当前地速大致相匹配。
7、 如权利要求5所述的作业机械，其特征在于当所述离合器不滑动时，所述的至少一个电气处理电路调节所述I/O比率至与来自所述脚踏板的所述输出信号相关联的一期望的地速大致相匹配。
8、 如权利要求1所述的作业机械，其特征在于所述的IVT整体地包含所述的离合器。
9、 如权利要求1所述的作业机械，其特征在于所述的至少一个电气处理电路包括一与所述的IVT相关联的变速器控制单元(TCU)。
10、 如权利要求1所述的作业机械，其特征在于所述的作业机械包括建筑作业机械、农业作业机械、林业作业机械、矿业作业机械及工业作业机械中的一种。
11、 一种操作一作业机械的方法，该作业机械包括一内燃机、 一无级变速器(IVT)及一离合器，该方法包括步骤把来自一操作者输入装置的一输出信号输出至一电气处理电路，所述输出信号对应于一最大容许地速和一来自所述离合器的最大容许输出扭矩；及根据来自所述操作者输入装置的所述输出信号控制一选择的所述IVT的1/0比率与一所述离合器的离合器压力的组合。
12、 如权利要求ll所述的操作一作业机械的方法，其特征在于所述操作者输入装置是一脚踏板。
13、 如权利要求12所述的操作一作业机械的方法，包括歩骤使所述脚踏板的一位置与0至1之间的一正规化数值相互关联；及使所述脚踏板位置的所述正规化数值与用于所述最大容许地速和所述最大容许输出扭矩每一个的0至1之间的一正规化数值相互关联。
14、 如权利要求11所述的操作一作业机械的方法，其特征在于所述的最大容许输出扭矩对应于所述离合器上的一最大离合器压力，在此处滑差开始出现。
15、 如权利要求14所述的操作一作业机械的方法，其特征在于当所述的最大容许输出扭矩出现并且所述离合器开始滑动时，所述的至少一个电气处理电路调节所述I/O比率至与所述作业机械的当前地速大致相匹配。
16、 如权利要求14所述的操作一作业机械的方法，其特征在于当所述离合器不滑动时，所述的至少一个电气处理电路调节所述1/0比率至与来自所述操作者输入装置的所述输出信号相关联的一期望的地速大致相匹配。
17、 如权利要求11所述的操作一作业机械的方法，其特征在于所述的IVT整体地包含所述的离合器。
全文摘要
使用无级变速器的具有动力限制控制的作业机械，包括一内燃机和一与所述内燃机连接的无级变速器(IVT)；所述IVT具有可调节的输入/输出(I/O)比并包括一可调节组件和一机械组件；一离合器与所述机械组件连接并具有一输出；一可调节的操作者输入装置提供表示动力限制控制的输出信号；至少一个电气处理电路与所述操作者输入装置连接并被配置用以根据来自所述操作者输入装置的所述输出信号控制所述I/O比率与所述离合器输出的一选择的组合。
文档编号B60W50/08GK101462540SQ200810183458
公开日2009年6月24日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月19日
发明者克莱顿·乔治·杰纳瑟克 申请人:迪尔公司