專利名稱：液壓泵控制系統的制作方法
技術領域：
本發明有關液壓泵的控制系統。
(2)背景技術位移反饋控制系統(DFCs)及非反饋比例系統(NFPs)以前一直用于軸向活塞液壓泵。下面兩個控制的方框圖A及B說明了反饋(DFC)及非反饋(NFP)控制系統之間的差別。
泵的控制必然涉及到泵的旋轉斜盤的位置的控制。在DFC控制機構中，旋轉斜盤的位置只是輸入信號的函數，這個輸入信號可以是手動的，電的或液壓的輸入信號。DFC利用一機械的反饋耦合，控制一伺服活塞及旋轉斜盤系統的位置，使之正比于輸入信號。而在NFP控制機構中，旋轉斜盤的位置是輸入信號及加在旋轉斜盤上的力矩的函數。此力矩取決于對泵的輸入速度，泵的工作壓力以及斜盤角。
DFC系統具有幾個功能上的優點，但是制造成本高。NFP制造成本較低，但還有某些優點，其中包括對由傳動系統驅動的車輛行駛產生的顛簸較小而且還具有一低性能防止失速系統的固有特征。然而，對某些類型的車輛來說，這些特征很可能是缺點。尤其是對于要求恒速的車輛來說(也就是要求恒定的旋轉斜盤位置的車輛)，不怕阻力的性能，獨立于車輛負載的響應性以及在使用檢測發動機速度的、基于微處理器的防止失速系統的應用場合來說，這些特征就成了缺點。此外，由于沒有反饋機構所提供的補償，NFP控制的穩定性一般比DFC為差。
(3)發明內容因此，本發明的主要目的是提供一種NFP系統，它能夠提供改進的對液壓泵的控制。
更具體地說，本發明的目的是提供一種能實現所要求的工作特性的NFP系統，它能夠對液壓傳動進行控制其控制性能與DFC系統所提供的性能非常相似或相近。
本發明提供了一種方法可以使非反饋比例控制的液壓泵的性能達到非常接近于移位反饋控制的性能，實現這一性能的具體做法是采用一包括一可旋轉的活塞組的液壓泵，該可旋轉活塞組與一可樞轉的旋轉斜盤嚙合，該泵具有一與此有關的輸入動力軸以及一與旋轉斜盤機械連接的伺服活塞，用以在由旋轉動力加在泵上時，影響加在旋轉斜盤上的轉矩；以及包括一與旋轉斜盤相連的中性的復位彈簧以及一泵殼；提供一閥板(配流盤，下同)，用以控制活塞組中的活塞之間的流體的流動及壓力以及回流導管；在閥板中提供多個長而呈弧形的槽，這些槽相對于板的中心及活塞組的旋轉軸線同心地位于一恒定的半徑上。每一槽具有相對的兩端，在有些槽的一端具有一長的缺口，它們從端部延伸出去以形成一底部，其側壁相對于該底部向上延伸；還提供一閥板的換位指數，約為-1.5°～-0.5°，其中閥板換位指數定義為相對于可旋轉活塞組運動中在全縮進或全伸出位置時一個活塞的上死點或下死點壓力轉換區域的位置；提供一用于配合流體輸入輸出口的活塞組的具有活塞孔或腔的缸體，這些輸入輸出口與活塞組的諸活塞(孔)相通；提供約3°～9°的閥板相交通口，其中閥板相交通口是在汽缸體中的活塞孔同時與輸入輸出口相連時的旋轉的角度。在平行于活塞組的旋轉軸線的第一方向上，維持旋轉斜盤于一第一旋轉斜盤偏移為-0.015時～+0.015時；在垂直于諸活塞的縱向軸線的第二方向上維持旋轉斜盤于一第二旋轉斜盤偏移于為-0.060時～+0.060時；維持活塞在上死點位置的活塞腔中的流體容積與下死點位置流體容積之比為0.53～0.73，并調節回復彈簧的彈簧剛度到近似470～670磅/時，從而使旋轉斜盤的角度位置的依從性在傳送操作狀況下所受到影響低于50％，而使輸入信號作用于其上的影響提高到50％以上，以便在速度、壓力及旋轉斜盤傾角在整個傳輸操作范圍內確保其穩定性。
以上這些以及其他的對本技術領域的專業人士來說將會是很清楚很明顯的。
(4)
圖1是可用于本發明的一液壓傳動裝置的立體視圖；圖2是在正向、中性、反向工作模式中圖1的傳動裝置的截面示意圖；圖3是一示意性分解圖，圖中示出了作用在旋轉斜盤上的控制力；圖4是伺服彈簧的不同工作位置的示意圖；圖5是閥板(配流盤)的平面視圖；圖6是沿圖中6-6線截取的閥板的部分剖面圖；圖7是流體入口進入閥板槽之一中的部分平面圖；圖8是沿圖7的8-8線截取的截面視圖；圖9是沿圖8的9-9線截取的截面視圖；圖10是閥板換位指數的分解圖；圖11是一底視圖，圖中示出了輸入輸出流體壓力的活塞的位置；圖12是旋轉組底部的立體圖，圖中示出了輸入輸出口；圖13是一分解圖，圖中示出了輸入信號對旋轉斜盤的作用，旋轉斜盤的樞轉點相對于旋轉斜盤的樞轉軸的偏移；圖14是旋轉組中的一個活塞處于其上死點位置時的放大的截面視圖；圖15是類似于圖14的視圖，圖中的活塞處于下死點位置。
圖A是反饋(DFC)的方框圖。
圖B是非反饋(NFP)的方框圖。
(5)具體實施方式
本發明的總的目的是控制作為速度、系統壓力和斜盤角的函數的轉矩曲線的斜率及間隔。這種控制包括(1)減少斜盤角對非輸入信號參數的依從關系(也就是系統壓力及速度)；(2)增加斜盤角對輸入信號的依從關系；(3)確保車輛整個工作范圍內速度、壓力和斜盤角的穩定性；(4)減少(1)-(3)項中旋轉斜盤的振動及噪聲。
上述目標是把多種已知控制概念加以綜合運用而得以實現的，在某些參數之內，細微地調整某些或全部概念，這將在下文予以詳細描述。通過這些概念形成了一控制系統，該系統可以把液壓傳送控制成具有近似DFC系統那樣的控制性能。
請參閱圖1。一用于車輛例如一輕型通用拖拉機中的液壓傳動裝置10，它包括一殼體12，殼體12具有Z字形外形，其輸入軸14平行于輸出軸16，但與輸出軸16有所偏移。從圖2可以看出，殼體12有一中心段18，其中由內流體導管20及22，它們把液壓泵24與液壓馬達26相連。輸入軸14則以通常方法與泵24相連，輸出軸16則與馬達26工作相連。
泵24有一裝在閥板30上的一通常的旋轉組28并且包括多個具有″外″端的往復活塞32，它們以通常的方式與旋轉斜盤34的扁平側相嚙合。旋轉斜盤可樞轉地安裝在一樞軸上(圖中未示出)。流體從導管20及22流過常規閥板30中的通口以把泵24與馬達26流體相連。輸入軸14延伸活動地通過一通常的旋轉斜盤的小孔(圖中未示出)。斜盤角決定輸出軸16的工作模式。在中性位置，在泵24和馬達26之間的管道20及22中沒有流體流過。在中性位置以外的其他位置上，輸出軸16的旋轉就如圖2中的箭頭F及R所示，反映了它們正轉及反轉。相應于箭頭F及R的旋轉斜盤的角度的位置也示于圖2。圖中編號36表示的是一由輸入信號驅動的伺服活塞，它用通常的方式與旋轉斜盤34相連。閥36中的活塞的運動由圖2中的箭頭表示(輸出軸16的旋轉的正反方向)。本發明主要是控制旋轉斜盤34的位置。
上面提到的已知的控制概念是(1)伺服彈簧的剛度(或剛度系數)；(2)閥板的換位指數；(3)閥板的相交通口/截留；(4)閥板進出通口的幾何形狀；(5)旋轉斜盤的偏移；(6)活塞孔的容積。其中每一個概念分別敘述于下。
伺服彈簧剛度圖3是作用在旋轉斜盤34上的控制力的示意圖。編號38處是一伺服彈簧，它延伸在旋轉斜盤34及殼體12之間。每一個彈簧都有一個彈簧剛度系數(彈簧剛度)，它是彈簧的實際結構的量度。在本發明中，伺服彈簧38的彈簧剛度應該在470-670磅/時范圍內。
當閥36的伺服活塞(圖中未示出)及伺服彈簧38移動一給定距離時，伺服彈簧剛度為旋轉斜盤34提供一差動負荷/轉矩。活塞孔壓力(以下將詳述)對所需平均控制轉矩的作用可以通過增加彈簧的剛度而減小，因此壓力的依從關系可以減少。彈簧剛度比壓力差更重要，對獲得低和高的旋轉斜盤角度之間的控制轉矩的所需的分解或變化能力，彈簧剛度也是重要的。
在圖3中還可以看到，彈簧38作用在箭頭39的方向上。圖4中示出了彈簧38的更詳細的視圖。如圖3所示，彈簧38作用在旋轉斜盤34上以使它回復到圖2所示的中性位置。這樣，彈簧就成了作用在旋轉斜盤上的輸入信號的一部分。與其他在這里使用的別的規定的技術條件一起，維持彈簧38的剛性在以上所述的范圍內對達到本發明的最佳應用是很重要的。圖3中的箭頭T1-T4其意義如下T1＝樞軸的總轉矩T2＝樞軸的壓力矩T3＝樞軸的慣性矩T4＝樞軸的中性回復彈簧力矩閥板(配流盤)閥板30與閥板換位指數、閥板相交通口/截留及閥板進出口幾何形狀有密切關系，下面分別加以敘述。
閥板換位指數，如前所述，閥板位于中心段附近，并且與中心段的導管連通以接受或在壓力下把流體輸送到往復活塞的氣缸內孔內。該往復活塞氣缸內孔則位于可旋轉地安裝在中段的板另一側的旋轉組之內。
閥板30示于圖5-10。閥板是圓形的，具有一中心孔40以讓輸入軸14在與孔徑有間隙的情況下松動地穿過。多個弧形口43間隔地分布在圓形(軸)線上，它相對于孔徑40是同心的。諸弧形口之間有板面47分隔。圖7，8，9示出了弧形口43的流體進口端54的細節，一具有V形截面(圖9)的錐形斜面56(圖7及圖8)位于某些弧形口43的附近。斜面56的下端58與弧形口43的一端54連通(圖8)。當斜面向著弧形口43高度降低時，它的寬度增加(圖7)。除了斜面以外，也可以用具有底和側壁的矩形缺口代替斜面。與端部54相對的弧形口43的端部有一個與端部54相似的輸出口。
請參閱圖10，閥板換位指數控制相對于TDC(上死點)及BDC(下死點)位置的預壓縮及減壓的時間。閥板換位指數的定義通常如下所示 閥板換位指數是旋轉組28中活塞32相對于活塞全縮進(下死點)或全嚙合(上死點)的旋轉位置的壓力轉換區域的位置。換位指數在缸體旋轉的方向定義為正。正的換位指數趨向于增加中性自動導引轉矩，而負的換位指數趨向于降低對中性自動導引轉矩。閥板換位指數影響相對于輸入速度控制轉矩的依從性。本發明的閥板換位指數是負0.87°左右。在負1.5°到負0.5°的范圍內，因為它還取決于相交通口，口的幾何形狀以及X偏移(將在后面敘述)才能對減小行程轉矩(沖程)起作用。
閥板相交通口/截留閥板相交通口是缸體活塞孔60及62(圖11)同時與進及出口64、66(圖12)連接時旋轉角度。當缸體活塞孔被阻塞和既不與進口連接也不與出口64和66連接時，就發生截留。
當本發明的裝置工作時，孔60及62(圖11)，口64及66(圖12)，及口43(圖5)都是彼此對齊的。
閥板相交通口/截留影響控制轉矩相對于輸入速度及系統壓力的依從關系，也與旋轉斜盤震蕩引起的振動及噪聲有關。具體地說，它影響活塞孔壓力的上升速率，后者又影響平均控制轉矩。6°角度的相交通口與口的幾何形狀相配合，可以提供較陡的內孔壓力分布圖，并減少壓力對平均控制轉矩的影響，此相交通口的角度范圍應該在3-9°的范圍以內。
閥板口的幾何形狀此幾何形狀已經在上面相對于閥板換位指數結合圖5-10作了敘述，尤其是結合圖7，8，9作了敘述。閥板進出口幾何形狀影響輸入口(圖9)及輸出口(圖12中的64及66)的截面積以及活塞腔從輸入口到輸出口的壓力的上升速率，它對噪聲具有一定的影響。幾何形狀與閥板換位指數及相交通口/截留一起相互制約地影響系統壓力、輸入速度及旋轉斜盤與控制轉矩的依從關系。閥板口幾何形狀的目的是使輸入面積可以較大。這將增加活塞孔壓力曲線上升速率并減少壓力對平均控制轉矩的影響。
旋轉斜盤的偏移旋轉斜盤在″X″方向的偏移(下面將加以敘述)是樞軸旋轉中心和產生轉矩力(易駕駛點或最佳點(sweet spot))的分解或變化的點之間的距離。見圖13。旋轉斜盤偏移影響在低角和高角之間的控制轉矩的區分并且它是與斜盤角、系統壓力及速度相關的。此偏移應該在-0.015～0.015時之間。
在″Y″方向的偏移(將在下面加以敘述)應該在-0.060～+0.060之間(圖13)。如圖13所示，″X″偏移是在與活塞32的軸線的平行方向，″Y″偏移是在與活塞軸線的垂直方向。
活塞孔容積泵裝置的活塞/腔容積是在泵循環中必須壓縮和減壓的活塞腔中的油量。氣缸體腔與及活塞孔的活塞/腔容積影響從進入口到排出口的活塞腔壓力的上升速率，從而影響控制轉矩相對于速度、壓力及角度的變化。圖14示出了處于它的上死點(TDC)位置時的活塞32。圖中示出了在旋轉組28的缸體70中的活塞腔58。當處于TDC位置時，活塞32在腔68中形成一容積72。圖15示出了活塞32在它的BDC位置時在腔68中所形成的容積72A。從圖中可以看出，圖14的容積72小于圖15中的容積72A。因此，活塞孔容積在TDC與BDC位置處之比(也就是容積72與72A之比)應該是0.53到0.73。圖中點線76表示當活塞(及旋轉斜盤)處于中性位置時活塞32的端部78的位置，示出了活塞內的″中性″容積。
雖然上面所述的幾個通用概念中的每一個概念以前都已被用于控制系統，但是它們從未在上述參數中綜合地使用過。根據本發明，在這些參數中綜合使用了前述概念后實現了本發明所述的目的。使得斜盤角位置對傳輸工作狀況中的依從關系的影響小于50％而輸入信號的作用的影響則超過了50％，從而保證了速度、壓力、斜盤角的工作區域轉變的穩定性。
權利要求
1.一種可以使非反饋比例控制的液壓泵具有十分接近于位移反饋控制性能的方法，此方法包括用一液壓泵，該泵包括嚙合一可樞轉旋轉斜盤的可旋轉活塞組，該泵有一輸入動力軸及一與該旋轉斜盤機械相連的伺服活塞，當旋轉功率加到泵上時，可用以影響加在旋轉斜盤上的轉矩，一中性復位彈簧，該復位彈簧連接在旋轉斜盤以及一泵殼上；提供一閥板，用以控制在活塞組中的諸活塞之間的流體流動及壓力以及回流導管；在閥板中提供多個長的弧形槽，諸槽相對于閥板的中心，以一恒定的半徑以及與一活塞組的旋轉軸同心地延伸，每一槽具有兩個相對端，在其中一些槽的一端上有一長的缺口，它從該端延伸以形成一底部，其側壁則相對于底部向上延伸；為閥板提供一閥板換位指數，此換位指數近似地為-1.5°～-0.5°，其中閥板換位指數定義為可旋轉活塞組中在工作運行中處于全縮進或全伸出位置時的一活塞的壓力轉換區域的位置；為活塞組提供一具有活塞孔的缸體，該缸體帶有與活塞組的諸活塞相連通的流體的進入和排出口；提供一近似為3°～9°的閥板的相交通口，其中閥板相交通口的定義為一旋轉角度，即在該旋轉角度期間，缸體中的活塞孔同時與進入和排出口相連；將旋轉斜盤維持在一平行于活塞組的旋轉軸線的第一方向上的-0.015時到+0.015時的第一旋轉斜盤偏移；將旋轉斜盤維持在一垂直于諸活塞的縱軸線的第二方向上的-0.060時到+0.060時的第二偏移；將在上死點位置時活塞孔中的流體容積與在下死點位置時的流體容積之比維持在0.53到0.73上；以及調節回復彈簧的彈簧剛度到近似470-670磅/時范圍，從而使旋轉斜盤的角位置對傳輸的工作狀況的依從性影響低于50％，而輸入信號在其上的作用的影響則增加到高于50％，以確保速度、壓力、斜盤角在傳輸的工作區域內的穩定性。
全文摘要
本發明提供了一種非反饋比例系統，以實現所希望的工作特性。此系統特性可以使它對液壓傳輸的控制質量十分接近于位移反饋控制的控制質量，此法基于建立與以下6項有關的某些參數，這6項是(1)伺服彈簧的剛度；(2)閥板換位指數；(3)閥板相交通口/截留；(4)閥板進出口的幾何形狀；(5)旋轉斜盤的偏移量；(6)活塞腔容積。
文檔編號F04B49/00GK1488858SQ03153039
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月8日 優先權日2002年8月9日
發明者斯蒂芬C·弗朗茨, 香農D·卡弗, 克雷格C·克勒克, 丹尼斯M·格林, C 克勒克, M 格林, たǜ, 斯蒂芬C 弗朗茨 申請人:沙厄-丹福絲股份有限公司