РАБОЧАЯ МАШИНА С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПРЕДЕЛА МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ТРАНСМИССИИ
WORKING MACHINE WITH POWER LIMIT ADJUSTED BY INFINITELY VARIABLE TRANSMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к рабочим машинам, а более конкретно, к рабочим машинам, содержащим двигатель внутреннего сгорания, соединенный с бесступенчатой трансмиссией (IVT).
Уровень техники
Рабочие машины, такие как строительные машины, сельскохозяйственные машины или деревообрабатывающие машины, как правило, содержат первичный двигатель в форме двигателя внутреннего сгорания (IC). Двигатель внутреннего сгорания может принадлежать к классу двигателей с воспламенением от сжатия (т.е. дизелей) или к классу двигателей с искровым зажиганием (т.е. бензиновых двигателей). У самых мощных машин первичный двигатель является дизельным, поскольку дизель имеет лучшие характеристики работы на низких оборотах, усилия и крутящего момента для выполнения соответствующих производственных операций.
Реакция двигателя внутреннего сгорания на ступенчатую нагрузку более всего зависит от таких факторов как рабочий объем цилиндра двигателя и его конструкция (например, имеет ли двигатель стандартный турбокомпрессор или турбокомпрессор с перепускным клапаном или изменяемой геометрией, и т.д.) и способ управления подачей воздуха и топлива (например, рециркуляция выхлопных газов, турбокомпрессор с турбиной с изменяемой геометрией (VGT), конфигурация топливного инжектора и т.д.) в отношении требований норм на вредные выбросы (видимый дым, оксиды азота (NOx) и т.д.), шумы или вибрацию. Нагрузка может возникать вследствие нагрузки трансмиссии (например, инструмент, буксируемый рабочей машиной) или вследствие внешней нагрузки (например, дополнительная гидравлическая нагрузка, такая как навесное оборудование обратной лопаты погрузчика и т.д.).
При приложении кратковременной проходящей нагрузки двигатель в целом реагирует линейно. В начале нагрузка прикладывается к приводному валу двигателя внутреннего сгорания. По мере того как нагрузка увеличивается, скорость двигателя внутреннего сгорания уменьшается. Снижение скорости двигателя зависит от того, является ли регулятор изохронным или имеет статизм регулирования скорости. Модификацией пневмоцилиндров можно увеличить воздушный поток для обеспечения двигателю внутреннего сгорания дополнительного воздуха. Временная задержка необходима для достижения заданного значения воздушного потока. Впрыск топлива увеличивается в соответствии с ограничениями на выхлопы и максимально доступным количеством топлива. Затем скорость двигателя возвращается к заданному значению. Параметры, связанные с реакцией двигателя на нагрузку сразу после нагрузки - это снижение скорости и время возврата к заданному значению.
Двигатель внутреннего сгорания может быть соединен с бесступенчатой трансмиссией, которая плавно обеспечивает непрерывную переменную выходную скорость вращения выходного вала от 0 до максимума. Бесступенчатая трансмиссия обычно содержит гидростатические и механические элементы зубчатой передачи. Гидростатические элементы превращают мощность, передаваемую валом, в поток жидкости и наоборот. Поток жидкости через бесступенчатую трансмиссию может быть установлен только через гидростатические элементы, только через механические элементы или через их комбинацию в зависимости от дизайна и скорости на выходе.
Одним из примеров бесступенчатой трансмиссии для использования в рабочей машине является гидромеханическая трансмиссия, содержащая гидравлический модуль, соединенный с планетарной передачей. Другим примером бесступенчатой трансмиссии для использования в рабочей машине является гидростатическая трансмиссия, содержащая гидравлический модуль, соединенный с зубчатой передачей.
Рабочая машина, имеющая бесступенчатую передачу, может быть подвержена потере тяги и пробуксовке колес при изменении передаточного отношения бесступенчатой передачи для соответствия условиям нагрузки. Контроллер бесступенчатой передачи измеряет скорость двигателя и понижает передаточное отношение бесступенчатой передачи по мере снижения скорости двигателя под нагрузкой. При низкой скорости относительно земли мощность, требуемая для рабочей машины, составляет небольшой процент мощности, которую может дать двигатель, и таким образом двигатель при увеличении выходного крутящего момента может не снизить тягу. При этом оператор может не заметить, что крутящий момент колес увеличивается. В этом случае ведущие колеса могут потерять сцепление и начать прокручиваться.
Во многих применениях строительных или сельскохозяйственных рабочих машин необходимо ограничить или исключить проскальзывание колес (ограничить тяговое усилие), в то время, когда машина находится под нагрузкой, таким образом, чтобы не портить поверхность, на которой работает машина. Такие модели полноприводных погрузчиков, выпускаемые в настоящее время заявителем настоящего изобретения, как 644J, 724J и 824J, содержат трансмиссии для переключения под нагрузкой, управляемые преобразователем крутящего момента. Машины, управляемые преобразователем крутящего момента, ограничивают тяговое усилие, естественным образом обеспечивая контроль входящего крутящего момента к трансмиссии посредством дифференциального механизма через преобразователь крутящего момента. Дифференциал скорости - это функция от скорости машины относительно земли и скорости двигателя. По мере того, как скорость относительно земли приближается к нулю, выходной крутящий момент преобразователя приближается к заданному крутящему моменту для текущей входной скорости преобразователя крутящего момента (скорости двигателя). Таким образом, заданный крутящий момент пропорционален скорости двигателя. Оператор регулирует скорость двигателя посредством ножной педали акселератора и, таким образом, управляет крутящим моментом трансмиссии и, следовательно, тяговым усилием машины. Управление тяговым усилием машины особенно важно при использовании полноприводной погрузочной машины, когда та загружает корзину. Оператор хочет, чтобы машина «толкала» груду с постоянной силой без проскальзывания колес для того, чтобы корзина наполнилась полностью.
Проблемы этой конфигурации создают те самые свойства, которые и делают ее желательной для управления тяговым усилием. Рассмотрим случай с полноприводной погрузочной машиной: по мере того, как машина углубляется в груду, нагрузка существенно возрастает. Преобразователь крутящего момента может подать лишь конечный крутящий момент для данного двигателя и скорости относительно земли, таким образом, скорость относительно земли уменьшается по мере того, как груда пересиливает возможности преобразователя крутящего момента. По мере того, как скорость относительно земли уменьшается, дифференциал скорости через преобразователь крутящего момента увеличивается. Затем оператор может захотеть увеличить тяговое усилие и для увеличения крутящего момента соответственно увеличивает скорость двигателя. Этот цикл может продолжаться то тех пор, пока либо машина не обеспечит крутящий момент, достаточный для дальнейшего продвижения в груду, либо пока не начнут буксовать шины. В обоих случаях в преобразователе крутящего момента имеется значительный дифференциал скорости, и преобразователь обеспечивает трансмиссии значительный крутящий момент на очень низких скоростях. Таким образом, проблема заключается в значительной потере мощности в преобразователе крутящего момента при рассеивании энергии в виде тепла, уходящего в текучую среду конвертера. Вследствие потерь мощности увеличивается расход топлива, ведущий к уменьшению КПД топлива, еще более ухудшающемуся с увеличением дифференциала скорости преобразователя и крутящего момента.
Одна из предпринимавшихся попыток решения проблемы низкого КПД топлива - это размещение в полноприводном погрузчике гидростатической трансмиссии. Гидростатическая трансмиссия дает более высокий КПД для описанного случая за счет обеспечения почти бесконечного передаточного отношения, позволяющего контролировать выходную скорость трансмиссии почти около нуля при любой скорости двигателя, без всякого проскальзывания между любыми элементами. Таким образом, КПД топлива повышается. Однако, как и до этого проблемы этой конфигурации возникают из самих ее свойств. По мере того, как соотношение входной и выходной скоростей трансмиссии становится очень большим (при приближении к нулевой выходной скорости), пропорционально возрастает и выходной крутящий момент трансмиссии. Таким образом, у оператора нет возможности ограничивать тяговое усилие. Для рассмотренного выше случая с погрузчиком машина просто будет буксовать в процессе погрузки без всякой возможности избежать этого.
Таким образом, в данной области техники необходима рабочая машина с бесступенчатой трансмиссией, не подверженная потере тягового усилия при низких скоростях относительно земли.
Раскрытие изобретения
В одном варианте изобретение относится к рабочей машине, содержащей двигатель внутреннего сгорания и бесступенчатую трансмиссию, соединенную с двигателем внутреннего сгорания. Бесступенчатая трансмиссия содержит регулируемый модуль и механический модуль с регулируемым входным/выходным передаточным отношением. К механическому модулю подсоединена муфта, которая имеет выход. Регулируемое оператором устройство ввода обеспечивает выходной сигнал, регулирующий предел мощности. С регулируемым оператором устройством ввода соединена, по меньшей мере, одна электрическая цепь обработки данных, выполненная с возможностью регулирования выбранной комбинации входного/выходного передаточного отношения и выхода муфты, в зависимости от выходного сигнала из регулируемого оператором устройства ввода.
В другом варианте изобретение относится к способу функционирования рабочей машины, содержащей двигатель внутреннего сгорания, бесступенчатую трансмиссию и муфту. Способ включает этапы, на которых: выдают выходной сигнал из регулируемого оператором устройства ввода в электрическую цепь обработки данных, соответствующий максимально допустимой скорости относительно земли и максимально допустимому выходному крутящему моменту от муфты; и регулируют выбранную комбинацию входного/выходного передаточного отношения бесступенчатой трансмиссии и давления муфты в зависимости от выходного сигнала из регулируемого оператором устройства ввода.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематичную иллюстрацию варианта осуществления рабочей машины согласно настоящему изобретению;
фиг.2 представляет собой графическую иллюстрацию соотношения между выходом ножной педали в зависимости от скорости относительно земли и выходным крутящим моментом; и
фиг.3 представляет собой блок-схему варианта осуществления способа функционирования рабочей машины в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на фиг.1 показана схематичная иллюстрация варианта осуществления рабочей машины 10 согласно настоящему изобретению. Рабочая машина 10 может представлять собой грейдер или строительную рабочую машину, такую как фронтальный погрузчик John Deere, или рабочую машину любого другого типа: сельскохозяйственную, лесообрабатывающую, горную или промышленную рабочую машину.
Рабочая машина 10 содержит двигатель 12 внутреннего сгорания, обычно соединенный с бесступенчатой трансмиссией 14 через коленчатый вал 16 от двигателя 12 внутреннего сгорания. В проиллюстрированном варианте осуществления двигатель 12 внутреннего сгорания является дизельным двигателем, однако это также может быть бензиновый двигатель, двигатель на пропане и т.д. Размер и конфигурация двигателя 12 внутреннего сгорания соответствуют применению.
Бесступенчатая трансмиссия 14 обычно содержит регулируемый модуль 18, механический модуль 20 (например, привод на ведущие колеса) и муфту 22. В показанном варианте осуществления бесступенчатая трансмиссия 14 является гидромеханической, однако она может быть и гидростатического, электромеханического и любого другого типа. При гидромеханической трансмиссии (как в проиллюстрированном варианте осуществления) регулируемый модуль сделан в виде гидравлического модуля 18 с гидронасосом и мотором. В случае конфигурации с электромеханической трансмиссией (не показано) регулируемый модуль выполнен в виде электрогенератора и мотора. Бесступенчатая трансмиссия 14 может иметь любой общепринятый дизайн и поэтому подробно не описывается.
Бесступенчатая трансмиссия 14 имеет выход, соединенный, по меньшей мере, с еще одним ниже по ходу элементом 24 привода на ведущие колеса, который в свою очередь соединен с множеством ведущих колес 26, одно из которых показано на фиг.1. Конечно, следует понимать, что в случае гусеничной рабочей машины элемент 24 привода может быть соединен с гусеницами.
Муфта 22 контролируется электроникой и выполнена за одно целое с бесступенчатой трансмиссией 14. Муфта 22 может выборочно регулироваться для получения требуемого давления, при котором начинает возникать проскальзывание муфты. Муфта 22 может иметь любой общепринятый дизайн и поэтому подробно не описывается. Следует понимать, что муфта 22 может быть выполнена отделено от бесступенчатой трансмиссии 14 и соединена с выходом из механического модуля 20 бесступенчатой трансмиссии 14.
Бесступенчатая трансмиссия 14 также обеспечивает выходную мощность к одной или более внешним нагрузкам 28, которые таким образом в свою очередь обеспечивают дополнительную нагрузку на двигатель 12 внутреннего сгорания. Внешняя нагрузка 28 обычно имеет вид гидравлической нагрузки, такой как фронтальный погрузчик, стрела ковша, стрела канавокопателя с обратной лопатой, шнек для выгрузки зерна, мотор пилы для рубки леса и т.д. Таким образом, общая нагрузка на двигатель 12 внутреннего сгорания является функцией тяговой нагрузки и внешней гидравлической нагрузки.
Электрическая цепь 30 обработки данных выполнена в виде одного или более контроллеров. В показанном варианте осуществления контроллер 30 содержит блок 32 управления двигателем (ECU), который регулирует работу двигателя 12 внутреннего сгорания и соединен с множеством датчиков (не показаны), связанных с работой двигателя 12 внутреннего сгорания. Например, ECU 32 может быть соединен с датчиком, показывающим контрольные параметры двигателя, такие как поток воздуха внутри одного или более входных патрубков, скорость двигателя, расход топлива, степень рециркуляции выхлопных газов (EGR), положение лопасти турбокомпрессора и т.д. Кроме того, ECU 32 может принимать выходные сигналы от устройства 34 управления транспортным средством (VCU), представляющие контрольные параметры транспортного средства, введенные оператором, такие как заданная скорость относительно земли (показываемая положением дросселя и/или педали гидростата) или заданное направление рабочей машины 10 (указываемое углом поворота рулевого колеса).
Аналогичным образом, блок 36 управления трансмиссией (TCU) электрически регулирует работу бесступенчатой трансмиссии 14 и соединен с множеством датчиков, связанных с работой бесступенчатой трансмиссии 14. ECU 32, VCU 34 и TCU 36 соединены вместе посредством шины, обеспечивающей двусторонний поток данных, такой как шина 38 контроллерной сети (CAN).
Регулируемое оператором устройство 40 ввода позволяет оператору регулировать предел мощности от бесступенчатой трансмиссии 14. В показанном варианте осуществления устройство 40 ввода выполнено в виде ножной педали. Ножная педаль 40 передает выходные сигналы к TCU 36, показывая положение ножной педали. Выходные сигналы соотносятся с максимально допустимой скоростью относительно земли и максимально допустимым выходным крутящим моментом, как это будет описано ниже.
Также контроллер 30 принимает выходные сигналы от датчиков 42 и 44, представляющие, соответственно, вход и выход бесступенчатой трансмиссии 14. Сигналы от датчиков 42 и 44 могут использоваться для определения скорости относительно земли, входного/выходного передаточного отношения, проскальзывания муфты и т.д.
Хотя различные электронные компоненты, такие как ECU 32, VCU 34 и TCU 36, показаны здесь соединенными вместе посредством проводных соединений, следует понимать, что для определенных приложений могут использоваться беспроводные соединения. Кроме того, для простоты не показаны некоторые из внутренних электронных соединений и соединений по текучей среде внутри элементов фиг.1.
Используя способ функционирования в соответствии с настоящим изобретением, максимально допустимая скорость относительно земли и крутящий момент нормируются от 0 до 100%, где 100% - это максимально допустимая скорость относительно земли. На фиг.2 показан график нормированной максимально допустимой скорости относительно земли и максимально допустимого выходного крутящего момента от нажатия педали в процентах. Ограничение выходного крутящего момента трансмиссии производится через ограничение максимального давления на выходное муфты трансмиссии. По мере увеличения нагрузки муфта начинает проскальзывать, и таким образом выходная скорость начинает уменьшаться из-за уменьшения доступного крутящего момента. Чтобы потери мощности вследствие проскальзывания оставались небольшими, гидростатический модуль трансмиссии осуществляет рабочий ход для того, чтобы поддержать небольшую скорость дифференциала через муфту. Если нагрузка продолжает увеличиваться, выходная скорость может приблизиться к нулю, в то время как гидравлический модуль 18 осуществляет рабочий ход назад и поддерживает ту же скорость проскальзывания. Все это время крутящий момент остается тем же самым, позволяя машине поддерживать постоянное тяговое усилие против нагрузки. Оператор, желая увеличить усилие машины, просто еще больше отпускает ножную педаль, тем самым увеличивая давление муфты, которое повышает крутящий момент трансмиссии. При этом, если нагрузки не хватает, чтобы удержать машину на месте, скорость дифференциала через муфту может снизиться до нуля (заклинивание муфты). Управляющая логика определяет это и начинает осуществлять рабочий ход для того, чтобы достичь заданной скорости относительно земли, заданной также положением педали. Каждый раз, когда муфта начинает проскальзывать, управляющая логика выдает гидравлическому модулю 18 команду «следовать», и каждый раз, когда муфта не проскальзывает, управляющая логика выдает гидравлическому модулю 18 команду на достижение заданной скорости относительно земли. Вследствие этого настоящее изобретение обеспечивает оператору вход для ограничения выходного крутящего момента трансмиссии и скорости.
Далее, со ссылкой на фиг.3, будет более подробно описан вариант осуществления способа функционирования рабочей машины 10.
В процессе работы оператор по-прежнему использует ножную педаль, но на этот раз вместо прямого управления скоростью двигателя педаль напрямую ограничивает выходную мощность трансмиссии. Педаль имеет диапазон перемещения от 0 до 100%, где 100% означает полное отпускание. Процент нажатия педали является входом для управляющего алгоритма. Управляющая логика обращается к справочным таблицам, которые 1) переводят процент нажатия педали в максимально допустимую скорость относительно земли и 2) переводят процент нажатия педали в максимально допустимый выходной крутящий момент трансмиссии.
Ножная педаль 40 передает выходной сигнал к TCU 36, показывая положение ножной педали. Выходной сигнал от ножной педали 40 нормируется до величины от 0 до 100% (блок 50). На основании положения педали рассчитываются максимально допустимая скорость относительно земли и максимально допустимый нормированный крутящий момент (блоки 52 и 54). Используя текущую скорость относительно земли (блок 56) и нормированный максимально допустимый крутящий момент (из блока 54), рассчитывается максимально допустимый фактический крутящий момент для текущей скорости относительно земли (блок 58). На основании этого выдается команда с максимальным давлением муфты (блок 60). Затем управляющая логика проверяет «проскальзывание» муфты с помощью датчиков 42 и 44 и известного входного/выходного передаточного отношения для бесступенчатой трансмиссии 14 (блок 62 решения). Проскальзывание определяется как состояние, в котором дифференциальная скорость через муфту больше или равна порогу проскальзывания (значение в число оборотов в минуту). Если муфта проскальзывает, гидравлическому модулю 18 отдается указание поддерживать скорость проскальзывания не более чем максимально допустимая (значение в число оборотов в минуту) (блок 64). Если муфта не проскальзывает (скорость дифференциала меньше, чем порог проскальзывания), гидравлическому модулю 18 отдается указание достичь максимальной скорости относительно земли, заданной положением педали (блок 66).
Преимущества данного способа совмещают лучшие характеристики систем преобразования крутящего момента (управления крутящим моментом) и лучшие характеристики гидростатических систем (контроль скорости и КПД топлива). Управление крутящим моментом осуществляется за счет ограничения максимально допустимого крутящего момента на трансмиссии, как функции от положения педали. Ограничение крутящего момента трансмиссии выполняется посредством ограничения выходного давления муфты. Контроль скорости выполняется за счет бесступенчатой трансмиссии или гидростатической трансмиссии со скоростью относительно земли, являющейся функцией от положения педали. Улучшение КПД топлива достигается за счет непрерывного мониторинга дифференциальной скорости (скорости проскальзывания) через выход муфты. Гидростатические модули (18 и 20) трансмиссии выполняют рабочий ход надлежащим образом для того, чтобы ограничить скорость сцепления до очень небольшого значения, тем самым ограничивая потери мощности муфты.
После описания предпочтительного варианта осуществления становится очевидным, что могут быть сделаны различные изменения, не выходящие за рамки объема изобретения, который определен в прилагаемой формуле изобретения.