РАБОЧАЯ МАШИНА С УПРАВЛЕНИЕМ ОГРАНИЧЕНИЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ТРАНСМИССИИ
WORKING MACHINE WITH TORQUE LIMITATION FOR STEPLESS TRANSMISSION

Настоящее изобретение относится к рабочим машинам, и в частности к рабочим машинам, включающим в себя двигатель внутреннего сгорания, соединенный с бесступенчатой трансмиссией.
Рабочая машина, такая как машина для строительных работ, машина для сельскохозяйственных работ или машина для лесохозяйственных работ, как правило, включает в себя двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен в форме либо двигателя с воспламенением от сжатия (т.е. дизельного двигателя), либо двигателя с искровым зажиганием (т.е. бензинового двигателя). В случае машин для тяжелых работ первичный движитель выполнен в форме дизельного двигателя, имеющего лучшие характеристики перегрузки, прерывистого движения и крутящего момента для соответствующих рабочих операций.
x
Реакция двигателя внутреннего сгорания на ступенчатую нагрузку во время переходного периода после воздействия нагрузки является конструктивной особенностью, наиболее подверженной влиянию рабочего объема двигателя, агрегатов двигателя (например, зависит от того, имеет ли он стандартный турбонагнетатель, турбонагнетатель с перепускным клапаном или изменяемой геометрией, и т.д.) и стратегии программного обеспечения для привода воздушных и топливных исполнительных механизмов (например, средств рециркуляции выхлопных газов, турбонагнетателя, имеющего турбину с изменяемой геометрией (ТИГ), конфигурации топливных инжекторов, и т.д.) по отношению к требованиям законодательства о токсичности выбросов (например, видимого дыма, оксидов азота (NO), и т.д.), требованиям по шуму или вибрациям.
Системы двигателей в целом имеют линейную реакцию во время приложения переходной нагрузки. Сначала нагрузка прикладывается к ведущему валу двигателя внутреннего сгорания. Скорость двигателя внутреннего сгорания уменьшается, когда увеличивается нагрузка. На падение скорости двигателя влияет то, является ли регулятор изохронным или имеет падение скорости. Расход воздуха увеличивают, обеспечивая дополнительный приток воздуха в двигатель внутреннего сгорания за счет изменения пневматических исполнительных механизмов. Для достижения новой уставки расхода воздуха необходима временная задержка. Объем впрыска топлива, происходящего почти мгновенно, увеличивается по отношению и к пределу задымления, и к максимальному допустимому количеству топлива. Затем двигатель восстанавливается, достигая уставки скорости двигателя. Параметрами, связанными с реакцией двигателя на ступенчатую нагрузку в переходный период после воздействия нагрузки, являются падение скорости и время на восстановление до упомянутой уставки двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания может быть соединен с бесступенчатой трансмиссией, что обеспечивает выходную скорость, непрерывно изменяемую от 0 до максимума бесступенчатым образом. Бесступенчатая трансмиссия, как правило, включает в себя гидростатические и механические компоненты привода. Гидростатические компоненты преобразуют мощность вращающегося вала в гидравлический поток, и наоборот. Поток мощности через бесступенчатую трансмиссию может проходить только через гидростатические компоненты, только через механические компоненты или через совокупность гидравлических и механических компонентов, в зависимости от конструкции и выходной скорости.
Одним примером бесступенчатой трансмиссии для использования в рабочей машине является гидромеханическая трансмиссия, которая включает в себя гидравлический модуль, соединенный с планетарной зубчатой передачей. Другим примером бесступенчатой трансмиссии для использования в рабочей машине является гидромеханическая трансмиссия, которая включает в себя гидравлический модуль, соединенный с зубчатой передачей.
Рабочая машина, включающая в себя бесступенчатую трансмиссию, может быть подвержена утрате управления сцеплением и проскальзыванию колес, когда передаточное отношение бесступенчатой трансмиссии изменяют для согласования с условиями нагрузки. Контроллер бесступенчатой трансмиссии измеряет скорость двигателя и снижает передаточное отношение бесступенчатой трансмиссии, когда скорости двигателя уменьшается под нагрузкой. При движении по грунту на малых скоростях, количество мощности, требуемой для рабочей машины, представляет собой малую процентную долю той мощности, которую может генерировать двигатель, так что двигатель не работает с перегрузкой, когда выходной крутящий момент, передаваемый из двигателя, увеличивается. Тогда оператор не будет осведомлен о том, что крутящий момент на колесах увеличивается. В этом случае, ведущие колеса могут утратить сцепление с грунтом и неожиданно пробуксовывать. При некоторых операциях это нежелательно.
В данной области техники необходима рабочая машина, конфигурация которой предусматривает наличие бесступенчатой трансмиссии и которая не подвержена утрате сцепления в условиях движения с малой скоростью.
Изобретение в одной его форме посвящено рабочей машине, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, имеющий выход, и бесступенчатую трансмиссию, соединенную с выходом двигателя ВС. Бесступенчатая трансмиссия предусматривает регулируемое передаточное отношение «входная мощность/выходная мощность» (ВхМ/ВыхМ). Регулируемое оператором устройство ввода управления крутящим моментом выдает выходной сигнал. С этим устройством ввода управления крутящим моментом соединена, по меньшей мере, одна электрическая схема обработки, имеющая конфигурацию, обеспечивающую управление выходной мощностью двигателя внутреннего сгорания и/или отношением ВхМ/ВыхМ бесступенчатой трансмиссии в зависимости от выходного сигнала из устройства ввода управления крутящим моментом.
Изобретение в еще одной его форме посвящено способу эксплуатации рабочей машины, включающей в себя двигатель внутреннего сгорания, имеющий выход, и бесступенчатую трансмиссию, соединенную с выходом двигателя ВС. Бесступенчатая трансмиссия предусматривает регулируемое передаточное отношение ВхМ/ВыхМ. Способ включает в себя этапы, на которых задают уставку управления крутящим моментом, связанную с бесступенчатой трансмиссией, с помощью регулируемого оператором устройства ввода управления крутящим моментом; выдают выходной сигнал из этого устройства ввода управления крутящим моментом, по меньшей мере, в одну электрическую схему обработки и управляют выходной мощностью двигателя внутреннего сгорания и/или отношением ВхМ/ВыхМ бесступенчатой трансмиссии в зависимости от выходного сигнала из устройства ввода управления крутящим моментом.
Далее, настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическое изображение варианта осуществления рабочей машины согласно настоящему изобретению; и
Фиг.2 - блок-схема последовательности операций варианта осуществления способа эксплуатации рабочей машины согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 показано схематическое изображение варианта осуществления рабочей машины 10 согласно настоящему изобретению. Рабочая машина 10 может быть грейдером (дорожным стругом) или машиной для строительных работ, такой как фронтальный погрузчик (погрузчик фронтальной навески) от фирмы John Deere, или рабочей машиной другого типа, такой как машина для лесохозяйственных, шахтно-рудничных или промышленных работ.
Рабочая машина 10 включает в себя двигатель 12 внутреннего сгорания, который соединен с бесступенчатой трансмиссией 14, в типичном случае, посредством выходного коленчатого вала 16, идущего из двигателя 12 ВС. Предполагается, что в иллюстрируемом варианте осуществления двигатель 12 внутреннего сгорания является дизельным двигателем, но он может быть также бензиновым двигателем, двигателем, работающим на пропане, и т.д. Двигатель 12 внутреннего сгорания имеет размеры и конфигурацию, соответствующие приложению.
Бесступенчатая трансмиссия 14 в общем случае включает в себя гидравлический модуль 18 и механический модуль 20 зубчатой передачи привода. Предполагается, что в иллюстрируемом варианте осуществления бесступенчатая трансмиссия 14 является гидромеханической трансмиссией, но она может быть также гидростатической трансмиссией или бесступенчатая трансмиссия другого типа. Бесступенчатая трансмиссия 14 может иметь традиционную конструкцию, и поэтому ее более подробное описание здесь приведено не будет. Бесступенчатая трансмиссия 14 имеет выход, который соединен, по меньшей мере, с одним расположенным дальше в кинематической цепи компонентом 22 зубчатой передачи привода, который, в свою очередь, соединен с множеством ведущих колес 24, одно из которых показано на фиг.1. Конечно, должно быть ясно, что в случае рабочего транспортного средства на гусеничном ходу компонент 22 зубчатой передачи привода может быть соединен с гусеницей, контактирующей с грунтом.
Бесступенчатая трансмиссия 14 также выдает выходную мощность на одну или более внешних нагрузок 26, которые, в свою очередь, обеспечивают дополнительную нагрузку на двигателе 12 внутреннего сгорания. Внешние нагрузки 26 в типичном случае представлены в форме гидравлических нагрузок, таких как электродвигатель фронтального погрузчика, стрелы обратной лопаты, шнека для выгрузки зерна, пилы для валки деревьев, и т.д. Таким образом, суммарная нагрузка, прикладываемая к двигателю 12 внутреннего сгорания, является функцией и тяговых нагрузок, и внешних гидравлических нагрузок.
Электрической обрабатывающей схеме 28 придана конфигурация одного или более контроллеров. В показанном варианте осуществления, контроллер 28 включает в себя обозначенный позицией 30 блок управления двигателем (БУД), который осуществляет электронное управление работой двигателя 12 внутреннего сгорания и соединен с множеством датчиков (конкретно не показанных), связанных с работой двигателя 12 внутреннего сгорания. Например, БУД 30 может быть соединен с датчиком, указывающим параметры управления двигателем, такие как расход воздуха внутри одного или более впускных коллекторов, скорость двигателя, расход и/или синхронизацию подачи топлива, скорость рециркуляции выхлопных газов (РВГ), положение лопастей турбонагнетателя, и т.д. Кроме того, БУД 30 может принимать выходные сигналы из обозначенного позицией 32 блока управления транспортным средством (БУТС), отображающие параметры управления транспортным средством, вводимые оператором, такие как предписываемая скорость относительно земли (указываемая положением рычага дроссельной заслонки или гидростата) или предписываемое направление рабочей машины (указываемое угловой ориентацией рулевого колеса).
Аналогичным образом, обозначенный позицией 34 блок управления трансмиссией (БУТ) осуществляет электронное управление работой бесступенчатой трансмиссии 14 и соединен с множеством датчиков, связанных с работой бесступенчатой трансмиссии 14. БУД 30 и БУТ 34 соединены друг с другом посредством структуры шин, обеспечивающей двухсторонний поток данных, например, это может быть шина 36 локальной цепи контроллеров (ЛЦК).
Устройство 40 ввода управления крутящим моментом позволяет оператору регулировать крутящий момент, передаваемый от бесступенчатой трансмиссии 14, который управляется, по меньшей мере, частично посредством управления выходным крутящим моментом, передаваемым от двигателя 12 внутреннего сгорания. В показанном варианте осуществления, устройство 40 ввода управления крутящим моментом имеет конфигурацию поворотного шкального прибора управления крутящим моментом, располагающегося в пределах пульта на рабочем месте оператора. Шкальный прибор 40 управления крутящим моментом может иметь видимые линии, цифры, зубцы, и т.д. в диапазоне между минимальной уставкой управления крутящим моментом и максимальной уставкой управления крутящим моментом. В альтернативном варианте, устройство ввода управления крутящим моментом может иметь конфигурацию электронного сенсорного экрана или любое количество других конфигураций.
Одна возможность задания максимальной уставки управления крутящим моментом заключается в согласовании этого значения с максимальным значением крутящего момента или нагрузки по кривой крутящего момента для данного двигателя внутреннего сгорания, а также с выходной мощностью бесступенчатой трансмиссии при заранее определенном передаточном отношении ВхМ/ВыхМ. Иными словами, с максимальной выходной мощностью для двигателя 12 внутреннего сгорания и заранее определенной выходной мощностью для бесступенчатой трансмиссии 14.
Например, для заданного двигателя внутреннего сгорания обычным является использование заранее определенной кривой крутящего момента, на которой крутящий момент (нагрузка) является функцией скорости двигателя. Кривую крутящего момента можно хранить в памяти или осуществлять ее динамическое определение с помощью заданной математической функции. Такие кривые крутящих моментов хорошо известны в данной области техники и не иллюстрируются здесь в целях краткости изложения. Кривая крутящего момента, используемая при эксплуатации, определяет максимальный выходной крутящий момент при заданной скорости двигателя. Таким образом, возможен ряд крутящих моментов, каждый из которых соответствует отличающейся рабочей скорости двигателя 12 внутреннего сгорания. Крутящий момент или нагрузка крутящим моментом представляет собой вращательное усилие коленчатого вала двигателя, т.е. выходную мощность. Скорость двигателя обычно определяется положением дроссельной заслонки, электронной или механической. Чтобы получить соответствующий крутящий момент двигателя, БУД 30 управляет отработкой одного или более параметров двигателя для достижения желаемого выходного крутящего момента, который находится на уровне или ниже уровня максимального крутящего момента для той рабочей скорости. Например, БУД 30 может управлять переменной рециркуляцией выхлопных газов (РВГ) и системой РВГ (например, отношением количества разбавителя к количеству воздуха), управляемым элементом в турбонагнетателе с изменяемой геометрией (ТИГ), синхронизацией впрыска топлива и/или давлением топлива. Таким образом, оказывается возможным с помощью устройства 40 ввода управления крутящим моментом задать максимальную уставку управления крутящим моментом, соответствующую максимальному значению нагрузки на кривой крутящего момента при заданной рабочей скорости или десятичному числу, выражающему максимальное значение нагрузки.
Следовательно, минимальная допустимая уставка управления крутящим моментом при этой самой низкой уставке управления является величиной переменной и зависит от текущих рабочих условий. Поэтому можно посредством уставки управления крутящим моментом изменять желаемый крутящий момент между минимальной допустимой уставкой и вышеупомянутой максимальной уставкой.
Хотя различные электронные компоненты, такие как БУД 30, БУТС 32 и БУТ 34, показаны соединенными друг с другом с помощью проводных соединений, следует также понять, что для определенных приложений можно использовать беспроводные соединения. Кроме того, некоторые из внутренних электронных соединений и соединений для текучих сред внутри компонентов согласно фиг.1, не показаны в целях упрощения изображения.
Теперь, со ссылками на фиг.2, будет приведено более подробное описание варианта осуществления способа эксплуатации рабочей машины 10 согласно настоящему изобретению. Блок-схема последовательности операций, показанная на фиг.2, может быть согласована с большинством рабочих условий, за исключением ситуаций, когда двигатель 12 внутреннего сгорания работает в условиях холостого хода или близких к ним, и в этом случае выходная мощность, поступающая от двигателя 12 внутреннего сгорания, не ограничивается.
Предел крутящего момента, передаваемого с выхода бесступенчатой трансмиссии 14, сначала задается с помощью шкального прибора 40 управления крутящим моментом (блок 50). Уставка шкального прибора управления соответствует желаемому выходному крутящему моменту, передаваемому от бесступенчатой трансмиссии 14. Менее агрессивные уставки предотвращают проскальзывание, ограничивая передаточное отношение ВхМ/ВыхМ бесступенчатой трансмиссии 14 в некоторых условиях движения по грунту, а более агрессивные уставки увеличивают максимальный крутящий момент. В случае гидромеханической трансмиссии, поворачивая верньер для достижения менее агрессивной уставки, фактически ограничивает давление, присутствующее в гидростатическом узле, непосредственно соединенном с зубчатой передачей.
В процессе эксплуатации БУД 30 управляет выходной мощностью, передаваемой от двигателя 12 внутреннего сгорания, в зависимости от заданного предела крутящего момента (блок 54). Если заданный предел крутящего момента достигнут, то скорость подачи топлива в двигатель 12 внутреннего сгорания ограничивается (поддерживается постоянной), чтобы, в свою очередь, уменьшить величину крутящего момента, прикладываемого к бесступенчатой трансмиссии 14, и тем самым ограничить выходной крутящий момент, передаваемый от бесступенчатой трансмиссии 14. Это может вызвать падение скорости двигателя. Если скорость двигателя падает до предварительно определенного значения количества оборотов на холостом ходу или оказывается ниже этого значения, то тогда увеличивают отношение ВхМ/ВыхМ бесступенчатой трансмиссии с целью поддержания малого значения количества оборотов на холостом ходу. Если внешняя нагрузка на машину не ослабевает, этот процесс можно повторять до тех пор, пока машина не остановится.
Способ эксплуатации согласно настоящему изобретению может также обеспечивать согласование переходных нагрузок во время эксплуатации (блок 56 принятия решения). Если воспринимается переходная нагрузка, такая как внешняя гидравлическая нагрузка, то делается запрос о том, является ли крутящий момент на выходе двигателя 12 внутреннего сгорания максимальным (блок 58 принятия решения). Если двигатель 12 внутреннего сгорания уже работает с максимальным крутящим моментом для заданной скорости двигателя, то больше невозможно увеличивать крутящий момент, передаваемый от двигателя 12 внутреннего сгорания, так что вместо этого увеличивают отношение входной мощности к выходной мощности (ВхМ/ВыхМ), обеспечиваемое бесступенчатой трансмиссией 14 (блок 60). С другой стороны, если двигатель 12 внутреннего сгорания не работает с максимальным крутящим моментом для заданной скорости двигателя, то крутящий момент на выходе двигателя 12 внутреннего сгорания увеличивают для согласования с переходной нагрузкой (блок 62).
В случае если переходная нагрузка не обнаружена или переходная нагрузка проходит (линия 64), осуществление способа продолжают до тех пор, пока двигатель 12 внутреннего сгорания не окажется отключенным (блок 66 принятия решения). Когда двигатель 12 внутреннего сгорания продолжает работать, управление возвращается к блоку 50, где задается новый или старый предел крутящего момента.
При осуществлении вышеописанного способа согласно настоящему изобретению ограничение входного крутящего момента, передаваемого от двигателя 12 внутреннего сгорания, на основании заданного управления крутящим моментом ограничивает максимальный выходной крутящий момент, передаваемый от бесступенчатой трансмиссии 14, тем самым, обеспечивая управление тяговым усилием в соответствии с потребностями оператора в текущих условиях и максимизацию рабочей характеристики.
После описания предпочтительного варианта осуществления будет очевидно, что в рамках объема притязаний изобретения, определяемого нижеследующей формулой изобретения, можно внести в него различные изменения.