ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ПОД НАГРУЗКОЙ, С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ И РАБОТОЙ С НИЗКОЙ СКОРОСТЬЮ
HYDRAULIC TRANSMISSION WITH SHIFTING UNDER LOAD, WITH ENERGY RECOVERY AND OPERATION AT LOW SPEED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к трансмиссии, в частности к гидравлической трансмиссии с переключением под нагрузкой, с рекуперации энергии и работой с низкой скоростью для использования в рабочем транспортном средстве.
Уровень техники
Рабочие транспортные средства, например колесные погрузчики, часто оборудованы гидротрансформаторами и многоскоростной трансмиссией с переключением под нагрузкой. Данные типы транспортных средств часто обладают способом движения вперед и назад, допускающим быструю смену направления, требующую торможения и ускорения в противоположном направлении. Способ движения вперед и назад используется для обеспечения эффективного движения передним и задним ходом таких транспортных средств, как колесные погрузчики, когда данные погрузчики подходят к куче мелкокомковатого материала и когда они быстро изменяют направление движения. Затем поднимающийся ковш используют для отбора мелкокомковатого материала, и трансмиссию переключают в обратном направлении для отхода от кучи мелкокомковатого материала. Затем механизм движения вперед и назад переключается на направление вперед для подхода к месту сброса, например кузову самосвала. Движение вперед и назад обуславливает реверсирование направления работы трансмиссии, что вынуждает двигатель приводить транспортное средство к остановке, а затем двигать в противоположном направлении. Тормоза транспортного средства обычно применяются при торможении транспортного средства. Для работы с низкой скоростью число оборотов двигателя следует сохранять высоким, чтобы приводить в действие другие гидравлические системы. Данное условие вызывает высокую скорость проскальзывания в гидротрансформаторе, который расходует мощность двигателя и топливо. Хотя текущий способ является высокопроизводительным, но очень неэффективен, когда транспортное средство двигается вперед и назад во время работы с низкой скоростью.
В данной области техники существует необходимость в трансмиссии, которая является не только высокопроизводительной, но и эффективной при работе с движением назад и вперед и во время движения рабочего транспортного средства с низкой скоростью.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении предлагается рабочее транспортное средство, содержащее двигатель и трансмиссию. Трансмиссия приводится в движение двигателем. Трансмиссия содержит входную муфту сцепления, выходную муфту сцепления и гидравлический насос/мотор. Гидравлический насос/мотор функционально подсоединен между входной муфтой сцепления и выходной муфтой сцепления.
В другом варианте настоящего изобретения предлагается трансмиссия, соединенная с двигателем для использования в рабочем транспортном средстве. Трансмиссия содержит входную муфту сцепления, выходную муфту сцепления и гидравлический насос/мотор. Гидравлический насос/мотор функционально подсоединен между входной муфтой сцепления и выходной муфтой сцепления.
Краткое описание чертежей
Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества настоящего изобретения и способ их достижения станут более очевидными, а изобретение будет более понятным из нижеследующего описания варианта осуществления изобретения, рассматриваемого вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 - схематичный вид рабочего транспортного средства, использующего вариант осуществления трансмиссионной системы в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1, изображенное в транспортировочном режиме;
фиг. 3 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1 и 2, работающее в режиме торможения на высокой скорости;
фиг. 4 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-3, работающее в режиме торможения на низкой скорости;
фиг. 5 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-4, работающее в режиме разгона на высокой скорости;
фиг. 6 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-5, работающее в низкоскоростном режиме;
фиг. 7 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-6, работающее в низкоскоростном режиме при прохождении перехода к низкой скорости;
фиг. 8 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-7, работающее в транспортировочном режиме при прохождении перехода к высокой скорости; и
фиг. 9 - рабочее транспортное средство, представленное на фиг. 1-8, работающее в режиме гидравлической зарядки.
Соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие элементы на нескольких видах. Пример, приведенный в настоящем описании, поясняет один вариант осуществления изобретения, и данный пример не следует рассматривать как ограничивающий каким-либо образом объем изобретения.
Подробное описание изобретения
На чертежах и, в частности, на фиг. 1 схематично показано рабочее транспортное средство 10, содержащее систему 12 генерации/накопления энергии и потребления энергии и трансмиссионную систему 14. Система 12 содержит двигатель 16, гидравлический насос/мотор 18 с приводом от двигателя, гидравлический аккумулятор 20, исполнительный механизм 22 и гидравлические линии 24, 26 и 28. Двигатель 16 может быть двигателем внутреннего сгорания, например дизельным двигателем, выполненным с возможностью вывода энергии на вал, схематично показанный в виде линии, отходящей от двигателя 16. Гидравлический насос/мотор 18 непосредственно соединен с выходом мощности двигателя 16. Гидравлический насос/мотор 18 гидравлически соединен с гидравлическим аккумулятором 20 гидравлическими линиями 24 и 26. Гидравлический аккумулятор 20 накапливает текучую среду под давлением и распределяет ее в соответствии с требованиями под управлением системы управления (не показана). Гидравлический аккумулятор 20 может обеспечивать подачу текучей среды под давлением в исполнительный механизм 22, представляющий многочисленные исполнительные механизмы 22, расположенные в рабочем транспортном средстве 10, чтобы обеспечивать перемещение различных механизмов в рабочем транспортном средстве 10. Гидравлический аккумулятор 20 дополнительно соединен с трансмиссией 14 гидравлической линией 28.
Хотя на чертежах не показано, система управления, содержащая контроллер, выполняет согласованное переключение трансмиссии 14, а также управление потоками текучей среды в системах 12 и 14 с помощью клапанов и сенсорных систем (не показаны). Кроме того, контроллер управляет производительностью насосов/моторов. Система управления может входить в состав системы управления рабочим транспортным средством 10, или двигателем 16, или трансмиссией 14.
Трансмиссионная система 14 содержит выходной вал 30, который приводится в движение трансмиссией 14 для обеспечения подачи мощности вращательного движения трансмиссии в механизмы рабочего транспортного средства 10, например колеса. Трансмиссионная система 14 также содержит гидравлический насос/мотор 32, блок 34 передачи мощности, входные муфты 36, 38 и 40 сцепления и выходные муфты 42, 44 и 46 сцепления. Блок 34 передачи мощности может быть выполнен в виде вала 34, который селективно подсоединяется к выходному валу 30 и двигателю 16 посредством селективного подсоединения муфт 36, 38, 40, 42, 44 и 46 сцепления под управлением контроллера. Взаимодействие муфт сцепления, которые расположены с каждой стороны рабочего соединения с гидравлическим насосом/мотором 32, и регулирование производительности насоса/мотора 32 таким способом, который согласован с включением муфт сцепления, составляет вариант осуществления настоящего изобретения. Гидравлический насос/мотор 32 является регулируемым в том отношении, что ход можно изменять так, что мощность, передаваемую блоком 34 передачи мощности, можно минимизировать или регулировать до максимальной величины, чтобы либо обеспечивать подачу мощности в блок 34 передачи мощности, либо получать из него энергию, которая затем накапливается в аккумуляторе 20 и/или потребляется в исполнительных механизмах 22.
В трансмиссионной системе 14 не содержится гидротрансформатора, и двигатель 16 непосредственно подсоединен к трансмиссии 14. Входные муфты 36, 38 и 40 сцепления селективно подсоединяют выход двигателя от двигателя 16 к элементу 34 передачи мощности и/или выходной муфте 42, 44 или 46 сцепления под управлением системы управления. Различные входные воздействия на систему управления могут содержать операторские переключения различных систем, связанных с рабочим транспортным средством 10, включая переключение передач, переключение движения вперед-назад и переключение дроссельной заслонки.
Далее, на фиг. 2 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10, работающее в транспортировочном режиме, и показаны потоки 48 текучей среды. В транспортировочном режиме, который можно считать высокоскоростным режимом, двигатель 16 непосредственно приводит в движение транспортное средство через все механические элементы, чтобы обеспечить повышение эффективности по сравнению с транспортными средствами с приводом от гидротрансформатора. Как показано на фиг. 2, входная муфта 40 сцепления и выходная муфта 46 сцепления включены так, что двигатель 16 непосредственно приводит в действие выходной вал 30, чтобы тем самым непосредственно механически приводить в движение рабочее транспортное средство 10. Ход гидравлического насоса/мотора 32 можно уменьшать, если гидравлический насос/мотор 18 обеспечивает достаточное гидравлическое давление и поток текучей среды в приводные исполнительные механизмы 22. Ход гидравлического насоса/мотора 32 можно регулировать так, что он будет обеспечивать поток текучей среды, как указано потоком 48 текучей среды, для поддержки насоса/мотора 18. Таким образом, насос/мотор 32 трансмиссии 14 служит для обеспечения подачи энергии в исполнительные механизмы 22 и/или аккумулятор 20.
Далее, на фиг. 3 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10 в режиме торможения на высокой скорости, когда транспортное средство 10 уже применяли в высокоскоростном режиме, например транспортировочном режиме, показанном на фиг. 2, и, в настоящее время, тормозится, например, с муфтой 36 сцепления, включенной с входной стороны, и муфтой 44 сцепления, включенной с выходной стороны. Системой 14 обеспечивается поглощение энергии посредством перемещения насоса/мотора 32 для накопления энергии в аккумуляторе 20 вместо рассеивания энергии торможения при использовании тормозов или системы, что приводило бы к выделению теплоты. Муфты 42, 44 и 46 сцепления могут представлять разные передаточные числа или диапазоны скоростей, например низких, средних и высоких, соответственно. Аналогичным образом, входные муфты 36, 38 и 40 сцепления могут иметь отдельные передаточные числа или даже содержать шестерню обратного хода, при этом, по меньшей мере, одна из муфт 36, 38 и 40 сцепления используется для реверсирования работы рабочего транспортного средства 10 и может селективно включаться для обеспечения функции движения вперед и назад. Как показано на фиг. 3, когда рабочее транспортное средство 10 тормозит, вал 30 служит для привода насоса/мотора 32 в обратном направлении так, чтобы аккумулятор 20 можно было заряжать для накопления энергии в результате торможения. Кроме того, подсоединение устройства 34 передачи мощности посредством входной муфты 36 сцепления приводит также в движение насос/мотор 18 в обратном направлении. Насос/мотор 18 дополнительно используется для зарядки аккумулятора 20 и обеспечения подачи мощности в исполнительные механизмы 22. Двигатель 16 может быть приведен в действие в обратном направлении с того времени, как двигатель работает в режиме торможения, чтобы, если требуется торможение сверхнагрузочной способности насоса/мотора 32 и насоса/мотора 18, приведение двигателя 16 в действие в обратном направлении дополнительно уменьшало необходимость в торможении и сокращало расход топлива двигателем 16, когда двигатель 16 использует систему дозирования топлива. Контроллер выбирает устройство, которое следует использовать для поглощения энергии торможения. Приоритет может отдаваться использованию насоса/мотора 32, как основному блоку поглощения мощности, чтобы тем самым допускать отключение выхода мощности двигателя 16 от блока 34 передачи мощности.
В данном режиме торможения на высокой скорости, при закрытой дроссельной заслонке и включенной муфте сцепления, двигатель 16 обеспечивает торможение и служит, в противоположность обычному транспортному средству с приводом от гидротрансформатора, которое использует тормоза, для торможения двигателем или даже реверсирования трансмиссии для торможения. Сочетание способов, описанных в настоящем изобретении, обеспечивает значительное повышение энергетической эффективности с уменьшением износа двигателя, муфт сцепления и тормозов.
Далее, на фиг. 4 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10 в режиме торможения на низкой скорости. Хотя входная муфта 36 сцепления показана во включенном положении, данная муфта может быть также расцеплена или выключена, чтобы гидравлический насос/мотор 32 брал на себя все торможение при включении выходной муфты 44 сцепления. Кроме того, для регулировки мощности на элементе 34 передачи мощности во время приведения им в действие насоса/мотора 32 применяется селективное включение муфт 42, 44 и 46 сцепления. Кроме того, можно использовать регулировку хода насоса/мотора 32 для изменения объема текучей среды, протекающей через него, чтобы тем самым дополнительно замедлять рабочее транспортное средство 10 с регулируемой скоростью. Расцепление выхода мощности двигателя 16 с трансмиссией 14 позволяет двигателю 16 приводить в действие другие приспособления транспортного средства, которые, в таком случае, могут допускать регулирование числа оборотов двигателя для двигателя 16, чтобы согласовывать нагрузку, требуемую от двигателя 16, без учета трансмиссионной системы 14. Данный режим обеспечивает усовершенствования по сравнению с применением тормозов транспортного средства, что является обычным для транспортных средств с приводом от гидротрансформатора.
Далее, на фиг. 5 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10 в режиме разгона на высокой скорости. В данном случае включена входная муфта 36 сцепления и включена выходная муфта 44 сцепления, и тем самым двигатель 16 непосредственно соединен с приводным выходным валом 30 для приведения в движение транспортного средства 10. Кроме того, насос/мотор 32 работает в режиме мотора с работой потока 48 текучей среды, обеспечивающей подачу дополнительной мощности в элемент 34 передачи мощности, которая подается в выходной вал 30 в дополнение к вращательному моменту, обеспечиваемому двигателем 16. В альтернативном варианте насос/мотор 18 можно использовать, чтобы обеспечивать поток рабочей текучей среды, удовлетворяющий потребности исполнительных механизмов 22. Данное решение позволяет использовать малогабаритные, более эффективные двигатели для обеспечения такой же характеристики ускорения, как более габаритные двигатели, которые используют гидротрансформатор.
Далее, на фиг. 6 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10 в низкоскоростном режиме, в котором транспортное средство 10 приводится в движение насосом/мотором 32, с включенной, в данном случае, муфтой 42 сцепления и выключенными входными муфтами 36, 38 и 40 сцепления. В данном режиме вся мощность, подаваемая в элемент 34 передачи мощности, отдается насосом/мотором 32. Двигатель 16 расцеплен с грунтом посредством выключения всех входных муфт сцепления, и вся мощность от двигателя 16 доступна для других применений, например, обеспечения подачи мощности в исполнительные механизмы. Насос/мотор 32 приводится в действие энергией, накопленной в аккумуляторе 20, а также потоком рабочей текучей среды из насоса/мотора 18, если энергия, накопленная в аккумуляторе 20, в значительной степени исчерпана. Данный режим работы обеспечивает значительное повышение эффективности по сравнению с транспортными средствами с приводом от гидротрансформатора, которые расходуют дополнительное топливо на приведение в действие почти остановленного гидротрансформатора и применение торможения для управления скоростью.
Далее, на фиг. 7 дополнительно показано рабочее транспортное средство 10, совершающее переход к низкой скорости, с полностью включенной только одной муфтой 46 сцепления. Выходную муфту 46 сцепления можно считать высокомоментной муфтой сцепления, которая включена для обеспечения максимальной скорости относительно земли при использовании насоса/мотора 32, являющегося при этом единственным источником мощности. Данный переход происходит, когда рабочее транспортное средство 10 снижает скорость и находится в наименьшем диапазоне скоростей муфт сцепления и тормозится до скорости ниже своего диапазона скоростей для прямого механического привода от двигателя 16 с муфтой 42 сцепления диапазона низких скоростей, включенной вместе с муфтой 36 сцепления. Насос/мотор 32 будет находиться обычно в одном из трех состояний. В первом состоянии аккумулятор 20 используется для замедления рабочего транспортного средства 10 и двигатель 16 находится в зацеплении с грунтом, но двигается, по существу, по инерции. Данный переход требует переключения выходной муфты сцепления с выходной муфты 42 сцепления диапазона низких скоростей на муфту 46 сцепления диапазона высоких скоростей и сброса зацепления входной муфты 36 сцепления. Когда муфта 46 сцепления включается, производительность насоса/мотора 32 повышается для поддержания тормозного момента. Сценарий переключения состоит в том, что давление на муфту 42 сцепления снижается до точки, в которой муфта сцепления может начинать проскальзывать, и давление муфты 46 сцепления повышается для точки проскальзывания, и в данной точке муфта 42 сцепления расцепляется, и муфта 36 сцепления расцепляется, тогда как производительность насоса/мотора 32 повышается, и давление на муфту 46 сцепления повышается для фиксации муфты 46 сцепления к валу 34 передачи мощности. Данные переходные действия приводят в результате к включению муфты 46 сцепления, как показано на фиг. 7.
Во втором состоянии, например состоянии тяжелой нагрузки, насос/мотор 32 приводится в действие аккумулятором 20, чтобы способствовать минимизации скорости замедления рабочего транспортного средства 10. Двигатель 16 находится в состоянии зацепления с грунтом и обеспечивает движение от привода. Затем переход требует переключения выходных муфт сцепления с низкомоментной на высокомоментную, как пояснялось выше, с выходной муфты 42 сцепления на выходную муфту 46 сцепления, и сброса зацепления входной муфты 36 сцепления. Когда муфту 46 сцепления включают, производительность насоса/мотора 32 повышается для поддержания ускоряющего вращающего момента. Последовательность выключения и включения муфт сцепления является такой же, как описано выше.
В третьем состоянии, например состоянии легкой нагрузки, насос/мотор 32 не обеспечивает значительного вращающего момента для ускорения или торможения. Двигатель находится в состоянии зацепления с грунтом и приводит в движение транспортное средство 10. Переход требует переключения выходной муфты сцепления с низкомоментной на высокомоментную, с выходной муфты 42 сцепления на выходную муфту 46 сцепления и сброса зацепления входной муфты 36 сцепления. Когда муфта 46 сцепления включается и замедляет валы сцепления, производительность насоса/мотора 32 повышается для поддержания текущей скорости торможения. Последовательность приведения муфт сцепления до точек проскальзывания, выключения муфт сцепления и включения и фиксации муфт сцепления является такой же, как описано выше.
Далее, на фиг. 8 дополнительно показан переход в высокоскоростной транспортировочный режим. Данный переход происходит, когда имеет место переключение из гидростатического режима, показанного на фиг. 6, в транспортировочный режим, показанный на фиг. 2. Рабочее транспортное средство 10 ускоряется выше пределов его способности развивать скорость с использованием только гидроприводного режима и переходит в диапазон скоростей с приводом от двигателя. В данном режиме гидравлический насос/мотор 32 приводит в движение рабочее транспортное средство 10 посредством муфты 46 сцепления, высокомоментной муфты, и нет ни одной включенной входной муфты сцепления, так что двигатель отсоединен от прямого привода трансмиссии 14. Переход, который происходит, требует переключения выходной муфты сцепления с диапазона высоких скоростей на диапазон низких скоростей, например выключается муфта 46 сцепления и затем включается муфта 42 сцепления и включения низкоскоростной входной муфты сцепления, например, муфты 38 сцепления или муфты 40 сцепления. Хотя муфты 38 и 40 сцепления показаны на фиг. 8 во включенном состоянии, включенной будет только одна, которая представляет собой входную муфту сцепления либо привода в диапазоне низких скоростей, либо реверсивного привода. В результате перехода двигатель 16 будет непосредственно приводить в движение рабочее транспортное средство 10 в режиме диапазона низких скоростей, и ход гидравлического насоса/мотора 32 уменьшится. Последовательность переключения состоит в том, что давление на муфту 46 сцепления уменьшается почти до точки проскальзывания; давление на муфту 38 сцепления повышается и начинает ускорять шестерни, связанные с данной муфтой сцепления. При этом ход насоса/мотора 32 уменьшается для поддержания принудительного вращающего момента на ведущем валу. Скорость приложения давления к муфте 38 сцепления и снятие давления с муфты 46 сцепления, вместе с уменьшением хода насоса/мотора 32, синхронизируются контроллером для обеспечения плавного перехода. Когда муфта 38 сцепления подходит к точке отсутствия проскальзывания, муфта 38 сцепления фиксируется. Муфта 42 сцепления диапазона низких скоростей включается и фиксируется, и муфта 46 сцепления диапазона высоких скоростей полностью расцепляется. С данного момента рабочее транспортное средство 10 перемещается в транспортировочном режиме в диапазоне меньших скоростей с включенной муфтой 38 сцепления. Для перевода в диапазон более высоких скоростей муфта 36 сцепления включается, и муфта 38 сцепления расцепляется. Рабочее транспортное средство 10 можно переключать и эксплуатировать во всех диапазонах трансмиссии, подобно любой трансмиссии прямого привода с переключением под нагрузкой, с использованием методов переключения по событиям для смены диапазонов. Производительность насоса/мотора 32 может регулироваться так, чтобы получать либо насос, либо мотор, либо не получать ни того, ни другого по требованию системы управления.
Далее, на фиг. 9 дополнительно показан режим зарядки, в котором все выходные муфты 42, 44 и 46 выключены, и включена только входная муфта сцепления, например муфта 36 сцепления, приводящая тем самым в действие элемент 34 передачи мощности для приведения в действие насоса/мотора 32. Данный режим используется в случае, когда требуется зарядка аккумулятора 20, например, сразу после начала движения рабочего транспортного средства 10. Кроме того, насос/мотор 18 можно использовать для зарядки аккумулятора 20 и для обеспечения дополнительного потока текучей среды и ее давления в исполнительные механизмы 22.
В предпочтительном варианте настоящее изобретение подключает гидравлический насос/мотор между входной и выходной муфтами сцепления трансмиссии. Насос/мотор приводится в действие потоком текучей среды, который может исходить из аккумулятора 20. Настоящее изобретение исключает применение гидротрансформатора. В установившемся режиме работы конфигурация прямого привода является более эффективной, чем гидротрансформатор. Во время работы гидравлический насос/мотор 32 тормозит транспортное средство 10 посредством зарядки аккумулятора 20 и ускоряет транспортное средство 10 посредством использования энергии, накопленной в аккумуляторе 20. Функциональное подсоединение насоса/мотора 32 между входными и выходными муфтами сцепления позволяет двигателю 16 селективно подключаться к прямому механическому приводу транспортного средства 10 или отключаться от него. Данное решение допускает гидростатический привод транспортного средства 10 аккумулятором 20 в режимах работы на низких скоростях, что освобождает двигатель 16 для привода других систем по мере необходимости. Данное решение обеспечивает большую экономию топлива, чем работа трансмиссии с приводом от гидротрансформатора, на низких скоростях. При подсоединении насоса/мотора 32 перед выходными муфтами 42, 44 и 46 сцепления производительность насоса/мотора 32 можно регулировать для оптимальной работы. В предпочтительном варианте система управления выбирает, как можно заряжать аккумулятор 20 в зависимости от различных входных параметров, например скорости, ускорения, торможения, ориентации рабочего транспортного средства, операторских входных воздействий и предусмотренных функций, чтобы аккумулятор 20 можно было надлежащим образом заряжать или разряжать для эффективной работы рабочего транспортного средства 10.
Хотя настоящее изобретение описано выше со ссылкой на, по меньшей мере, один вариант осуществления, настоящее изобретение можно дополнительно модифицировать в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Вследствие этого предполагается, что данная заявка должна охватывать любые изменения, варианты или дополнения настоящего изобретения, использующие его общие принципы. Кроме того, предполагается, что данная заявка должна охватывать такие отклонения от настоящего изобретения, которые находятся в пределах известной или привычной практической деятельности в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение, и которые находятся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.