本发明涉及流体静压组件、模块及其系统。
背景技术：
流体静压模块或组件是液压装置，该液压装置用于流体静压和功率分流式变速器以实现变速器输入与输出之间的比率变化。此类组件通常包括两个(即第1和第2)液压活塞传动单元，并且可具有弯折的轴线或轴向活塞传动装置设计。两个传动单元彼此流体连通。液压活塞传动单元中的一者通常用作泵并且另一者通常用作马达。根据变速器设计，可以根据变速器模式永久地或交替地分配泵和马达的作用。模块的输入轴与输出轴之间的速度和扭矩比率通过两个液压活塞传动单元之间的排量比率确定。通过使传动单元中的至少一者成为可变排量类型，可以改变模块的速度和扭矩比率。
待通过模块传输的功率和扭矩的量将决定部件的尺寸。一般来讲，扭矩越大，需要越大排量的传动单元。通过更大排量的传动单元，由于旋转部件的质量因为传动单元增大的尺寸而增大，可能减小允许或许可的操作速度。使用更大部件(例如更大的活塞)的另一个问题是液压脉动的幅值增大，这继而可能导致振动水平增大。在一种方法中，可以增大每个传动单元中活塞的数目，同时保持较小活塞尺寸。通过这种方式，可以保持低脉动幅值，同时针对给定旋转速度增大脉动频率。然而，为了容纳更多活塞，传动凸缘直径必须增大，这可以减小最大操作速度。
前述方法的一种替代方案是采用第一流体静压模块并且并行安装也包括两个(即第3和第4)液压活塞传动单元的第二流体静压模块，由此形成流体静压系统。输入轴在模块之间联接到一起，输出轴也一样。在两个流体静压模块之间，高压流体端口以液压方式连接。相似地，在两个流体静压模块之间，低压流体端口也以液压方式连接。通过这种方式，连接至联接的输入轴的第1传动单元和第3传动单元共享相同的传动和增压压力。同样，连接至联接的输出轴的第2传动单元和第4传动单元共享相同的传动和增压压力。第二模块的流体静压活塞传动单元的旋转组有效地镜像第一流体静压模块的流体静压活塞传动单元的旋转组，即第1传动单元和第3传动单元具有相同数目和尺寸的液压缸孔与活塞，并且具有相同的几何形状。同样，第2传动单元和第4传动单元具有相同数目和尺寸的液压缸孔与活塞，并且具有相同的几何形状。通过共用控制系统，可以同步第1传动单元和第3传动单元的排量。可以对第2传动单元和第4传动单元完成相同操作。通过这种方式，扭矩和功率在两个流体静压模块之间等分。
由于每个液压活塞传动单元的旋转组部件(例如活塞、传动轴凸缘等)在尺寸上没有增大，因此最大速度不受影响。这实现更佳的功率密度并提升了效率。另外的益处包括联合操作的两个模块之间共享的单一管理和控制系统。另外的益处可以通过输入轴和输出轴联接的方式实现，这将在下文进行描述。
在de2335629中，披露了无限可变变速器，该变速器利用以液压方式联接到两个次级机器或液压活塞传动单元的单一主机器或液压活塞传动单元。两个次级机器通过共用轴彼此连接，并且旋转组件通过一对径向轴承支撑在壳体中。如本领域的技术人员所了解，径向轴承仅支撑来自输出齿轮和次级机器的径向载荷，并且此类轴承仅可承受较小的轴向载荷。根据活塞尺寸、数量和传动压力，活塞产生的载荷的轴向分量可为89,000n的力或更高。在de2335629中披露的设计中，次级机器的传动凸缘中的轴向力的大部分通过共用轴抵靠彼此平衡。
us8240145披露了带有共用轴的双流体静压组件或系统，该共用轴驱动两个泵(第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元)，其中两个泵彼此相反安排并且输入轴围绕同一轴线旋转。相似地，两个马达(第2液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元)具有共用轴，其中两个马达彼此相反安排并且输出轴围绕同一轴线旋转。泵和马达各自安排在单独可旋转的偏转轭中。同样，通过同步泵排量，可以减小轴向载荷，使得轴轴承支撑的大部分载荷为径向的。
尽管迄今取得了进展，但仍需要继续减少这些有用流体静压模块和相关变速器的尺寸、重量、和成本。本发明解决了这些和如下所述的其他需要。
技术实现要素：
本发明是包括两个或多个流体静压模块的流体静压系统。该系统在共享共用输入传动轴和共用输出传动轴的旋转组之间利用经正时的液压缸，并在适当的成对液压活塞传动单元之间利用同步排量控制。当连接适当的成对液压活塞传动单元的轴时，可以将液压缸正时(或“配时”)，使得对应的协作液压缸在同一时刻打开和关闭。该设计的优点在于任何轴向不平衡都被消除。这可让径向传动轴轴承基本上支撑纯径向载荷。轴承需要应对的唯一轴向力是用于防止旋转组件侧向“晃动”。可以对双或多模块系统中的其他适当的成对液压活塞传动单元完成相同的操作。
具体地，载荷消除流体静压系统包括至少第一流体静压模块和第二流体静压模块，其中所述第一模块包括第1液压活塞传动单元和第2液压活塞传动单元，并且所述第二模块包括第3液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元。共用输入传动轴将第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元联接到一起，并且共用输出传动轴将第2液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元联接到一起。所述液压活塞传动单元各自包括多个活塞。第二流体静压模块的流体静压活塞传动单元的旋转组有效地镜像第一流体静压模块的流体静压活塞传动单元的旋转组。也就是说，所述第1液压活塞传动单元和所述第3液压活塞传动单元具有相似的几何形状并且各自的所述活塞的数目和尺寸相同。并且以类似方式，所述第2液压活塞传动单元和所述第4液压活塞传动单元具有相似的几何形状并且各自的所述活塞的数目和尺寸相同。另外，在本发明中，第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元中的活塞呈输入正时角地联接到一起，并且第2液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元中的活塞呈输出正时角地联接到一起。第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元的排量角被控制为设置相同，即在2个单元之间，缸体和轴轴线所成的角度是相同的。同样，第2液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元的排量角被控制为设置相同。本发明的载荷消除流体静压系统的特征在于，所述输入正时角和所述输出正时角中的至少一者为约0°。以此方式设置输入正时角和输出正时角中的至少一者服务于消除系统中的载荷。在优选的实施例中，所述输入正时角和所述输出正时角二者都约为0。
在其他实施例中，第一流体静压模块和第二流体静压模块可以任选地各自包括一个或多个另外的液压活塞传动单元，每个液压活塞传动单元包括多个活塞。这些另外的液压活塞传动单元也可以通过一个或多个适当共用的另外的传动轴而合适地平行联接在一起。这些另外的液压活塞传动单元也可以用另外的正时角或大约0°的角度相联接。
载荷消除流体静压系统可以包括共用输入传动轴和输出传动轴的轴承组，其中轴承组基本上由径向轴承组成(例如其中轴承组不包括锥形滚子轴承)。液压活塞传动单元可以安装至独立或共用偏转轭。
在典型的实施例中，液压活塞传动单元包括奇数个活塞(例如九个活塞)。另外，所述第1液压活塞传动单元和所述第3液压活塞传动单元可以用作泵，并且所述第2液压活塞传动单元和所述第4液压活塞传动单元可以用作马达。
附图说明
图1a示出了现有技术流体静压模块，该流体静压模块包括两个液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元在单一壳体中具有独立的偏转轭(重现自us8240145)。
图1b示出了现有技术流体静压模块，该流体静压模块包括两个液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元在单一壳体中具有共用的偏转轭(重现自us2007/277520)。
图2a示出了现有技术中建议的双流体静压模块的顶视图，其中模块和对应的轴安装在一起(通过重现自us8240145的两个模块的适当组合获得)。
图2b示出了现有技术双流体静压模块的透视内部视图，其中模块和对应的轴安装在一起(重现自us8240145)。
图3示出了本发明的双流体静压模块的一部分的透视内部视图，其中第1和第3液压活塞传动单元中的轴和活塞的取向被一起配时成正时角为0°。图3以第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元中的1号缸位于双流体静压模块的同一竖直平面中的取向示出了模块。
图4示出了图3的双流体静压模块的部分的不同视图。此处的视图垂直于模块的第1液压活塞传动单元的缸体的入口端部。
图5示出了本发明的第1液压活塞传动单元的透视内部视图，其中第1阀板和第1偏转轭可见并且被剖开以示出内部流体连接。
图6a示出了第1液压活塞传动单元中单独旋转组的缸体中各个液压缸的入口相对于阀板中开口处于1号活塞到达其液压缸中的上止点(tdc)之前约8°角的位置。
图6b示出了图6a的缸体中各个液压缸的入口在1号活塞到达其液压缸中的tdc时的位置。
图6c示出了图6a的缸体中各个液压缸的入口在1号活塞转过其液压缸中的tdc之后约8°角的位置。
具体实施方式
除非上下文另有要求，在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”等应在开放的包括意义上进行解释。词语“一”、“一个”和类似词被认为是意指至少一个并且不限于只有一个。
在本文，当在正时角的上下文中使用时，术语“约”将被定义为+/-0.5°
本发明的示例性实施例是双流体静压系统，该双流体静压系统利用了在共享共用输入或输出轴的旋转组之间经正时的液压缸以及在第1与第3液压活塞传动单元和第2与第4液压活塞传动单元之间同步的排量控制。第二模块的流体静压活塞传动单元的旋转组有效地镜像第一流体静压模块的流体静压活塞传动单元的旋转组，即第1传动单元和第3传动单元具有相同数目和尺寸的液压缸孔与活塞，并且具有相同的几何形状。同样，第2传动单元和第4传动单元具有相同数目和尺寸的液压缸孔与活塞，并且具有相同的几何形状。在实际的此类实施例中，这些不同液压活塞传动单元可以各自包括九个活塞和对应的液压缸。当连接了第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元的轴时，液压缸经正时(或“配时”)而使得第1液压活塞传动单元和第3液压传动单元中对应的协作液压缸在同一时刻打开(和关闭)。这样的优点在于任何轴向不平衡都被消除。这允许径向轴轴承支撑基本上纯径向载荷。轴承需要应对的唯一轴向力是用于防止旋转组件侧向“晃动”。可以对第2液压传动单元和第4液压传动单元完成相同的操作。
在本发明的系统中使用的流体静压模块可以采用独立的偏转轭或共用偏转轭。例如，图1a示出了合适的现有技术流体静压模块，该流体静压模块包括两个液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元在单一壳体中具有独立的偏转轭。图1a重现自us8240145并且已在其中保留部件的初始编号。替代性地，图1b示出了另一合适的现有技术流体静压模块，该流体静压模块包括两个液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元在单一壳体中具有共用的偏转轭。图1b重现自us2007/277520并且在此处也已在其中保持部件的初始编号。
图2a示出了现有技术中建议的双流体静压模块的顶视图，其中两个适当流体静压模块和对应的轴安装在一起。在此处图2a中的系统代表us8240145中建议的双流体静压模块，并且该系统可以例如通过与us8240145的图10中所展示那些类似的两个模块的适当组合来获得。(同样，us8240145中部件的初始编号也被保留。)图2b示出了现有技术双流体静压模块的透视内部视图(例如类似图2a中所示)，其中模块和对应的传动轴安装在一起。(同样，us8240145中部件的初始编号也被保留。)
图2a和图2b中的流体静压系统通过组合两个流体静压模块提供额外的传动功率，即第一流体静压模块50a和第二流体静压模块50b。第一流体静压模块50a包括第1液压活塞传动单元和第2液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元分别用作泵和马达(图2b中的泵30a和马达40a)。以相似的方式，第二流体静压模块50b包括第3液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元，这些液压活塞传动单元也分别用作泵和马达(图2a中的泵30b和马达40b)。泵30a和30b的轴联接到一起，形成共用输入传动轴。齿轮73与该共用输入传动轴相关联。同样，马达40a和40b的轴联接到一起，形成共用输出传动轴。齿轮75与该共用输出传动轴相关联。共用输入和输出传动轴二者都如所示配备有径向轴承组。
图2b还示出了流体导管102a和流体导管102b，这些流体导管用于平衡相反的泵30a与泵30b之间的流体压力；以及流体导管104a和流体导管104b，这些流体导管用于平衡相反的马达40a与马达40b之间的流体压力。流体导管102a、102b、104a和104b可以集成到外部壳体的区段1a、1b、1c和1d中，如所示，其中壳体具有与圆柱形互连器(未示出)对应的接纳部，允许在接入通道端口与相关流体导管102a、102b、104a和104b之间流体连通。
在闭环液压系统中，有用的是增加供应管路压力以将补给油添加至系统以替换由于泄漏而损失的流体。这通过接入流体通道102a、102b、104a或104b中的一者并供应相对低压力的补给流体来完成。还有用的是将热油冲洗子系统包括在闭环液压系统中，以从主传动回路去除少量油以进行冷却。冲洗也可以通过接入流体通道102a、102b、104a和104b来完成。常规闭环液压系统通常具有外部管件，用于提供补给流体以及用于冲洗，并且因此无需在偏转轭中具有集成的通道。在本发明的这一实施例中，在泵与马达之间不存在外部歧管或管件，因此接入流体通道是通过单独的流体互连件并入每个偏转轭中的。外部壳体中的阀门(未示出)可用于控制进入和离开接入流体通道102a、102b、104a和104b的流动。
图3示出了本发明的双流体静压模块的一部分的透视内部视图，其中第1液压活塞传动单元101被示出为联接至第3液压活塞传动单元301。第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301各自包括旋转组，即相应的第1旋转组102和第3旋转组302。第1旋转组102和第3旋转组302各自包括缸体组件，即相应的第1缸体组件103和第3缸体组件303。另外，第1缸体组件103和第3缸体组件303各自包括缸体，即相应的第1缸体104和第3缸体304；配流盘，即相应的第1配流盘105和第3配流盘305；以及多个活塞和相应缸体中的对应孔。在图3中展示的实施例在第1缸体104和第3缸体304的每一者中具有9个活塞以及对应的孔。为了避免图3中的混乱，仅标注出了与每个缸体中的1号活塞相关的部件。然而，与其他活塞相关的部件是相似的。然后相应地在第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301中的每一者中，图3标注出了第1配流盘105和第3配流盘305中的1号活塞106、306，1号缸107、307，以及1号缸入口端口108、308。
与第1旋转组102和第3旋转组302相关联的分别是第1轴109和第3轴309。第1轴109和第3轴309连接在一起，形成共用轴200。在该实施例中，通过花键套筒连接，该花键套筒与第1共用齿轮201集成，但是也可以使用本领域中已知的形成共用轴的其他方法。图3还标注出了第1轴轴承110和第3轴轴承310。另外，为了指导读者，图3标识出了共用轴200的轴轴线202，以及示出的双流体静压模块的水平平面203和竖直平面204。
在图3中，示出的部分为第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301的活塞和轴的取向一起被配时成正时角度为0°。即第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301被连接成使得第1液压活塞传动单元中的液压缸与第3液压活塞传动单元中的对应协作液压缸被正时(或“配时”)为使得第1液压传动单元101和第3液压传动单元301在同一时刻打开(和关闭)。图3中的流体静压模块部分被示出为处于第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301二者的1号缸107、307位于双流体静压模块部分的同一竖直平面中的取向。(在该视图中未示出第1液压活塞传动单元和第3液压活塞传动单元的阀板以及偏转轭。)
第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301的排量通过缸体104和304与轴轴线202所成角度设定。控制系统(未示出)确保第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301之间的排量角155和355相同。
图5示出了第1液压活塞传动单元101，其中第1阀板115被固定至第1偏转轭116。第1阀板115包括a端口117a和b端口117b。以相似的方式，第1偏转轭116包括a端口118a和b端口118b。第1阀板115中a端口117a和b端口117b的形状控制每个缸体中的进液和排液。当泵冲程运动时，第1阀板115的肾形a端口117a和b端口117b将为高压或低压。替代性地，肾形口可直接机加工到每个偏转轭中，在该情况下不需要单独的阀板。第1端口板105固定至第1缸体104并与其一同旋转，并且组成第1缸体组件103。第1端口板105中的通道与第1缸体104中的通道对齐，并且形成每个缸体的入口端口。
如图6a、6b和6c的顺序所示，与第1阀板115的a端口117a或b端口117b流体连通的液压缸的数目将随着第1缸体组件103旋转而改变。(连同第1阀板115的a端口117a或b端口117b一起，图6a、6b和6c标识了之前附图中的第1端口板105和1号缸入口端口108。此外，在这些附图中，标识出了剩余八个液压缸的入口端口，即相应的2-9号缸入口端口122-129。另外，标注出了第1缸体组件103的旋转方向205和双流体静压模块的竖直平面204以引导读者。)例如，图6a示出了刚好在1号缸到达上止点(tdc)之前，五个液压缸端口108、122-125与a端口117a流体连通，同时在该位置处，b端口117b仅具有四个液压缸端口126-129。在图6b中，1号缸刚好在tdc，并且其入口端口108完全由阀板115阻挡。在此处，a端口117a和b端口117b二者各自与四个液压缸端口流体连通，即2-5号缸入口端口122-125以及6-9号缸入口端口126-129。到第1缸体组件103旋转到图6c中示出的位置时，a端口117a与四个液压缸入口端口122-125流体连通，同时b端口117b与五个液压缸126-129和108流体连通。因此，缸体的每周旋转，每个端口都将取决于缸体中液压缸的数目而在与最小数目的液压缸流体连通和与最大数目的液压缸流体连通之间交替。在该实例中，处于a端口117a的压力下的会交替地是五个液压缸然后四个液压缸，每周旋转交替九次，而相比之下，即处于b端口117b的压力下的会交替地是四个液压缸然后五个液压缸。
活塞上流体压力形成的轴向载荷的量与处于a端口压力下的液压缸数目的总和加上处于b端口压力下的液压缸数目的总和成比例。在一个操作模式期间，a端口压力可能较高(即传动压力)并且b端口压力可能较低(即返回或“增压”压力)，并且因此所得轴向载荷在最大与最小量之间震荡。在图6a至6c展示的示例中，通过本发明的方法震荡的幅度与(5x高压力+4x低压力)-(4x高压力+5x低压力)成比例，这缩小至(1x高压力-1x低压力)。频率将为液压缸数目乘以旋转速度。
当轴对轴地布置相同尺寸和排量角的两个液压活塞单元时，绝大部分轴向载荷将自然被平衡至特定程度。然而，如果从一侧到另一侧的这些单独的液压缸没有被正时成彼此对齐，仍然将发生明显的震荡轴向载荷。尽管与单独液压活塞传动单元产生的载荷相关的量值不大，但仍然需要某种轴向支撑以承受该载荷。实现轴承尺寸和支撑结构的减少可以通过将轴正时成使得来自一侧的每个液压缸与其相反侧上的协作液压缸处于同一平面。
通过采用此类正时，与之前在现有技术中实现的载荷消除相比，沿着轴轴线的载荷消除得到进一步改善。在此，基本上会消除任何轴向不平衡。这进一步削减了支撑轴向载荷的任何要求，并且因此允许径向传动轴轴承基本上支撑纯径向载荷。轴承需要应对的唯一轴向力是用于防止旋转组件侧向“晃动”。继而，这允许更轻、更简单的构造，并且从系统提供更高的功率密度和系统效率。
图4示出了图3的双流体静压模块的部分的不同视图。此处的视图垂直于模块的第1液压活塞传动单元101的第1缸体104的入口端部。
在双流体静压模块的现有技术实施例中，可能没有考虑正时，因为未经正时的现有技术系统通常采用某些类型的轴向支承来承受震荡载荷。此类系统中的传动轴通常通过花键联轴器接合。在制造过程中，典型地不在意在每个端部处于何处切割初始花键，并且因此不在意轴上端部花键的对齐(或相对于其他部件)，尤其是因为在紧密公差的情况下，这样做可能会有相当大的困难。
尽管图3和图4仅示出了相对于第1液压活塞传动单元101和第3液压活塞传动单元301的联接以及正时情况，通过以相似的方式(其中它们以约0°的输出正时角联接到一起)配置第2液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元(未示出)可获得相同优点。
在优选的实施例中，液压活塞传动单元是弯折轴线活塞传动单元，但是它们还可以是轴向活塞液压机器。在任一情况中，这些单元中的至少两个单元是可变的。
图3和图4中示出的实施例采用了独立的偏转轭设计。在本发明的另一实施例中，第一液压模块和第二液压模块可以替代地采用共用偏转轭设计。在此处，第一液压模块中的第1液压活塞传动单元和第2液压活塞传动单元的缸体(或就轴向活塞机器而言的旋转斜盘)由共用旋转壳体支撑，与de962486c中所披露的相似。以相似的方式，第二液压模块中第3液压活塞传动单元和第4液压活塞传动单元的缸体(或旋转斜盘)由第二共用旋转壳体支撑。第1旋转壳体和第2旋转壳体(或旋转斜盘)同步以在第1液压单元和第3液压单元以及第2液压单元和第4液压单元之间形成相反的轴向力。
在进一步实施例中，第一液压模块和第二液压模块可以并入多个(即大于两个)液压活塞传动组件，与wo2015/001529中所披露的很相似。在此处，来自第一液压模块的三个或更多个轴将连接至第二液压模块上的对应的三个或更多个轴以控制轴向力。这些另外的液压活塞传动单元也可以通过一个或多个适当共用的另外的传动轴而合适地平行联接在一起。这些另外的液压活塞传动单元也可以用另外的正时角或大约0°的角度相联接。
本说明书中提到的所有上述美国专利、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利出版物通过引用以全文结合在此。
虽然已经示出和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但当然应理解的是，本发明当然并不局限于此，因为本领域技术人员可以尤其借鉴前述传授内容作出修改，而不背离本披露内容的精神和范围。这样的修改应被认为在所附权利要求书的权限和范围内。