技术领域
[0001] 本
发明涉及一种适合于至少两种功能的作业机械，包括使器具(implement)移动和/或使车辆转向。
[0002] 本发明适用于工业建筑机械领域内的作业机械，特别是轮式装载机。虽然下面将相对于轮式装载机来描述本发明，但是本发明并不局限于此特定的车辆，其还可用于其他重型作业机械，比如
铰链车(articulated hauler)、
卡车和挖掘机。
背景技术
[0003] 轮式装载机通常设置有
内燃机、
传动系统以及变速箱，用于将
扭矩提供至轮式装载机的
驱动轮。变速箱提供不同的
传动比，用于改变车辆的速度，并且用于实现前进和后退驱动方向之间的改变。传动系统包括设置在内燃机和变速箱之间的
液力变矩器。变矩器用于在负载特别重的作业操作期间增加扭矩，比如装填铲斗或轮式装载机
加速期间。变矩器可以非常快速地使输出扭矩适应当前的工作条件。然而，变矩器的效率通常非常低，这还取决于当前的驱动条件。如果变矩器设置有可以用于直接运行的
锁定功能，那么效率可以增加。然而，在锁定状态，传动比是固定的(1∶1)，在不能使用此锁定功能的作业操作期间，低效率的问题仍然存在。
[0004] 除将扭矩提供至驱动轮以外，内燃机需要将
能量提供至轮式装载机的液压系统的
液压泵。这样的液压系统用于提升操作和/或使轮式装载机转向。液压工作缸被设置成用于提升及降低升降臂装置，在所述升降臂装置上，安装有铲斗或其他类型的附件或作业工具，例如抓爪。通过利用另外的液压工作缸，铲斗还可以倾斜或枢转。此外，设置有公知的作为转向缸的
液压缸，以通过轮式装载机的前、后主体部分的相对运动使轮式装载机转向。
[0005] 一方面，内燃机的转速必须适合于
液压泵，另一方面，内燃机必须适合于非常高的扭矩需求，例如当轮式装载机的速度接近零时的装填铲斗期间。通过液压系统确定的内燃机的转速意味着轮式装载机必须
制动，以使轮式装载机的速度适应当前的条件。为了在不同情况下满足转速和扭矩的需要，内燃机必须被设计成满足非必需的高效输出，所述输出是不必要的或很少发生的。由于液压系统的原因，使用在某种程度上型号过大的内燃机，并且所述内燃机还必须在变矩器具有低效率的情况下驱动，和/或在轮式装载机必须制动的情况驱动，这样将导致较高的
燃料消耗。
[0006] 轮式装载机通常利用铲斗挖掘自然地面并将其装载在自动倾卸卡车上。图7示出了从轮式装载机101的挖掘到装载至自动倾卸卡车103上的一系列驾驶模式，并且，这是一种称为V-形驾驶的驾驶模式，其最为常用。具体地说，例如，轮式装载机101以前进的二档(驱动W1)向前行驶至自然地面102。当它接近自然地面102时，例如，对于执行挖掘操作的情形，它以前进一档推入自然地面102(驱动W2)，以增加
牵引力。当挖掘完成时，轮式装载机101例如以倒退二档(驱动W3)高速退出挖掘操作
位置。随后，轮式装载机101的运动方向改变，并且其高速向前行驶接近自动倾卸卡车103(驱动W4)。当对自动倾卸卡车103的装载操作完成时，轮式装载机高速离开自动倾卸卡车103(驱动W5)。
[0007] 在某些作业操作中，液压系统的设置与内燃机的需求相矛盾，这可能导致内燃机必须被设计成满足非必需的高效输出，该输出是很少发生的。液压系统的一个临界状况是，提升和倾斜功能不是单独进行，比如在清空铲斗期间。
[0008] 参照轮式装载机的V形驾驶模式的以上描述，当轮式装载机已经前进至自动倾卸卡车，并且铲斗已经高于自动倾卸卡车的装卸台时，铲斗应当倾斜同时需要稍微升高，以便将砂砾分散至装卸台上。
[0009] 提升功能需要较高的液压，这是因为具有重负载的铲斗需要被提升。然而，其应当只提升一小段距离，这只需要较小的液流。另一方面，倾斜功能需要大液流，这是因为铲斗应当一直从收回位置倾斜至前进位置。由于机械
连杆的设计以及重力的原因，前述过程只需要低液压。此外，提升和倾斜功能都只需要中等液压功率，这是因为液压功率是通过压力乘以流量进行计算。因为提升和倾斜功能连接于相同的液压系统，并且通过相同的液压泵操作，所以泵必须被设计成满足所有这些要求。因此，泵将输送极高的液压功率，以便提供高压和大流量，这意味着内燃机将需要被设计成提供比较高的机械功率。概括说来，对于液压系统的设计，提供的液压功率高于提升和倾斜功能的需求的总和。此多余的液压功率被节流至液压油箱，因此形成损耗。
发明内容
[0010] 本发明的一个目的是提供一种在序言部分提及的那种类型的作业机械，所述作业机械能够实现作业机械更有效的运行，并且获得更低的燃料消耗。
[0011] 所述目的通过这样的作业机械实现，该作业机械包括：至少两个液压回路，一个液压回路对应于所述功能的一种，其中每个液压回路包括至少一个液压泵，用于操作相关的器具或转向功能；单独的第一
电动机构，其驱动性地连接至所述液压泵的每个，用于单独地将能量提供至泵以及从泵中提取能量；传动系统，用于通过驱动轮移动作业机械，其中，传动系统包括至少一个第二电动机构，该第二电动机构可操作地连接至所述第一电动机构，用于液压回路和传动系统之间的动力交换。
[0012] 因此，作业机械创造这样的条件，该条件利于在一个完整的作业周期内，回收传动系统(以及转向系统)内的
动能以及来自升降臂装置运行的
势能。
[0013] 换句话说，每个液压功能具有单独的回路，并且其通过单独的电动机构驱动。这样，各液压功能可以单独操作，对其他液压功能没有负面影响。因此，例如，各液压功能可以单独的控制，以回收能量。这样在很大程度上为在传动系统和液压回路之间的能量分配以及在不同的作业操作之间的能量分配创造了条件。此外，这为分别驱动单独的液压功能的泵以及在液压回路之间分配能量创造了条件，例如，这在铲斗清空期间是有利的，参见上面的描述。提供单独的液压回路进一步为用于各功能的电动机构以及相关的泵的更多的自由
定位创造了条件。
[0014] 此外，通过电控操作液压回路，泵可以运行在最佳的转速，而独立于传动系统(以及内燃机)的运行。因此，在增加泵(一个或多个)的转速的同时，内燃机的运行可以保持不受影响。
[0015] 通过提供包括电动机构的传动系统，其中所述电动机构用于驱动或制动驱动轮，和/或用于为液压泵产生
电能，可以更高效地使用动力源，这样使得可以使用更小的动力源，并且燃料消耗可以降低。例如，可以通过用电动机构来代替动力源至少部分地驱动液压系统。根据一个实例，动力源由内燃机组成。因此，在确定内燃机的转速时不需要考虑液压泵。在轮式装载机的制动运行期间，传动系统的电动机构可以用来制动，并且同时起到发电动机的作用，用于回收能量。随后，能量可以直接地提供至液压回路，或存储在所使用的电能存储装置中，比如
电池或超大电容。如果需要较大的牵引力，那么通过用作电动机的电动机构，辅助扭矩可以提供至驱动轮，因此，降低了对变矩器的需求。
[0016] 此外，以这种方式中，动力源可以被控制成经机械传动系统(通过
驱动轴和变速装置)直接地传输能量至驱动轮，无需转换为电能。因此，例如在运输模式，来自动力源的所有能量可以传输至驱动轮。在另一种模式，通过动力源提供的所有能量可以转换为电能，用于进一步分配至传动系统和/或液压回路和/或存储装置。在另一种模式，来自动力源的能量的第一部分可以直接地提供至驱动轮，来自动力源的能量的第二部分可以转换为电能。
[0017] 根据一个优选
实施例，传动系统包括用于动力源相对于驱动轮接合及脱离接合的传动装置。换句话说，传动装置适于动力源和驱动轮之间的机械连接。
[0018] 此外，传动系统的电动机构可以用于反向驱动驱动轮。传动系统优选地包括变速箱。这意味着可以省去变速箱的
倒档。另一个优点是，电动机构可以用于使内燃机的转速和传动系统的转速相互适应，以有利于包括在传动系统内的传输装置的直接运行状态的接合及分离。
[0019] 根据另一优选实施例，动力源可操作地连接至所述至少一个第二电动机构中的一个，从而只提供能量至所述第二电动机构。换句话说，作业机械包括
串联混合动力系统。因此，由动力源提供的所有能量被传输至电动机构，用于进一步到液压回路和驱动轮的电力传输。
[0020] 根据上面提及的实施例的一个进一步开发的方案，传动系统包括另外的第二电动机构，并且可操作地连接至动力源的所述第二电动机构可操作地连接至所述另外的第二电动机构，用于动力交换。
[0021] 下面的描述及所附的
权利要求揭示了本发明的其他优点和有利的特征。
[0022] 定义
[0023] 术语″电动机构″表示电动机和发
电机的组合装置。电动机构可以由电能驱动以在轴上提供输出扭矩，或者是通过在轴上施加扭矩而被机械地驱动以产生电能。
[0024] 术语″传动装置″包括液压
离合器；液力
耦合器，例如变矩器和静压离合器；以及机械式离合器。因此，″传动装置″包括变矩器和通常的离合器，其中所述变矩器可以增加扭矩，所述通常的离合器只用于脱离接合及接合传动比为1∶1的直接运行。
附图说明
[0025] 参照附图，下面是作为实例引用的本发明的实施例的更详细的描述。
[0026] 在附图中：
[0027] 图1是示出了轮式装载机的侧视图，其中所述轮式装载机具有用于装载操作的铲斗，以及用于操作铲斗和使轮式装载机转向的液压系统，
[0028] 图2是用于轮式装载机的液压系统的示意图，
[0029] 图3是根据
现有技术的轮式装载机的传动系统的示意图，
[0030] 图4是根据本发明的作业机械的传动系统的示意图，
[0031] 图5是根据本发明的作业机械的传动系统的第一种变型的示意图，[0032] 图6是根据本发明的作业机械的传动系统的第二种变型的示意图，以及[0033] 图7是根据现有技术的轮式装载机的短周期操作模式的示意图。
具体实施方式
[0034] 图1是轮式装载机1的示意图，所述轮式装载机1具有具体形式为铲斗3的器具2。铲斗3设置在臂装置4上，用于提升及降低铲斗3，并且，铲斗3还可以相对于臂装置4倾斜或枢转。轮式装载机1设置有液压系统，其包括至少一个液压泵(图1未示出)和工作缸5a、5b、6，用于臂装置4和铲斗3的操作。此外，液压系统包括工作缸7a、7b，用于通过前
车身8和后车身9的相对运动来使轮式装载机转向。图2示出了这样的液压系统的示意图。
[0035] 在图2示出的实施例中，公开了三个液压回路121、122、123。第一液压回路121被设置成用于提升功能，第二液压回路122被设置成用于倾斜功能，第三液压回路123被设置成用于转向功能。各液压回路包括用于操作相关的器具或转向功能的液压泵100a、100b、100c，此外，设置有公知作为提升液压缸5a、5b的两个工作缸，用于提升和降低臂装置4，并且还设置有公知作为倾斜液压缸6的工作缸，用于相对于臂装置4向内倾斜或向外倾斜铲斗3。此外，设置有公知作为转向油缸7a、7b的两个工作缸，用于使轮式装载机1转向。此外，三个液压泵100a、100b、100c适合于为液压缸提供液压油。作业机械的操作者可以通过连接至控制单元(未示出)的装置来控制工作缸。
[0036] 图3是根据现有技术的轮式装载机1的传动系统11的示意图。在传动系统11的一端设置有内燃机12。传动系统11的另一端连接至轮式装载机1的驱动轮13。内燃机12通过传动系统11将扭矩提供至轮式装载机1的驱动轮13。如图所示，传动系统11可以包括变速箱14，用于改变车辆1的速度，以及用于实现轮式装载机1在前进和后退驱动方向之间的改变。液力变矩器15设置在内燃机12和变速箱14之间。轮式装载机1的传动系统11具有用于在液压系统内驱动液压泵10的装置，所述液压系统用于提升操作及使轮式装载机1转向。根据现有技术，优选地，液压泵10通过设置在变矩器15和变速箱14之间的
齿轮16由内燃机12驱动。
[0037] 图4示意性地示出了根据本发明的作业机械1的传动系统110。在传动系统110的一端设置有具体形式为内燃机120的动力源。传动系统110的另一端连接至作业机械1的驱动轮130。内燃机120通过传动系统110将扭矩提供至作业机械1的驱动轮130。如图所示，传动系统110可以包括变速箱140，用于改变车辆1的速度，以及用于实现作业机械1在前进和后退驱动方向之间的改变。在图4所示的实施例中，传动系统110还包括传动装置150，用于内燃机120相对于驱动轮130的接合和脱离接合。优选地，传动装置150为称为液力变矩器的这类液压离合器。变矩器能增加扭矩，例如，这意味着变矩器的输出扭矩可以处于内燃机120的扭矩的1-3倍之间。此外，优选地，变矩器具有不增加任何扭矩的自由轮功能和用于直接运行的锁定功能。因此，在锁定状态，变矩器的传动比固定，并且优选为大致1∶1。然而，在可选的实施例中，传动装置150可以是不增加任何扭矩的、用于脱离接合或直接运行的普通离合器。这样的离合器可以是液压离合器以及机械式离合器。
[0038] 根据本发明，作业机械1的传动系统110包括至少一个第二电动机构17a、17b，用于驱动或制动驱动轮130，和/或用于将电力提供到所述至少一个液压泵100a、100b、100c。
[0039] 尽管在图4中示出的实施例具有三个用来提供参照图2所述功能的液压泵，但是，在其他实施方式中，可以在液压系统20中提供一个、两个、四个或更多液压泵，用于提供这些功能和/或其他功能。在本发明的一个优选实施例中，作业机械具有至少两个器具和/或转向功能，并且，对于每个器具和/或转向功能，设置有至少一个所述液压泵。在图2和4示意性示出的实施例中，作业机械包括三个液压泵100a、100b、100c；第一液压泵100a被设置成提供器具的提升及降低功能，第二液压泵100b被设置成提供器具的倾斜功能，第三液压泵100c被设置成提供作业机械的转向功能。通过用于这些功能的单独的液压泵，作业机械的运行可以进一步优化，因此，可以降低总的能量消耗。
[0040] 单独的第一电动机构18a、18b、18c驱动性地连接至各所述液压泵100a、100b、100c，用于单独地提供能量至泵以及从泵中提取能量。此外，所述至少一个第二电动机构
17a、17b可操作地连接至所述第一电动机构，用于液压回路121、122、123和传动系统110之间的动力交换。
[0041] 因此，通过由电力驱动的相应的第一电动机构(电动机/发电机)18a、18b、18c，第二电动机构17a、17b电气连接至液压泵100a、100b、100c。第二电动机构17a、17b可以直
接地连接至液压泵的第一电动机构以及电能存储装置19，比如电池或超大电容，它们依次连接至液压泵的第一电动机构。优选地，作业机械1包括这样的电能存储装置19，其用于储存能量并提供能量至液压泵或至电动机构17a、17b、18a、18b、18c。此外，常规控制单元(未示出)可用于控制能量在图4所示的系统的不同部分内传递。如图1和2中所描述，作业机械1可以具有具体形式为铲斗3的器具2，其通过液压系统20操作。然而，应当强调的是，当然可以使用其他器具。当将本发明应用至诸如铰链车或卡车的作业机械时，例如，所述器具可以替换为倾卸式车身。通常，液压泵和工作缸用于倾倒运动期间倾卸式车身的运行。
[0042] 优选地，传动系统110包括两个电动机构17a、17b，其中的一个电动机构17a被设置成处于传动装置150的上游，第二个电动机构17b设置成位于传动装置150的下游。通过使用两个第二电动机构，可能的操作方式数量增加。在图4所示的实施例中，传动系统包括一个设置在内燃机120和传动装置150之间的电动机构17a，以及一个设置在传动装置150和变速箱140之间的电动机构17b。第二电动机构17a、17b相互电气连接，用于通过电动机构17a、17b将扭矩从内燃机120传递至驱动轮130。此外，第二电动机构电气连接至电能存储装置19，并且电气连接至液压泵的相应的第一电动机构(电动机)18a、18b、18c。
第一个的第二电动机构17a可以是由内燃机120驱动，用于直接地提供能量至液压泵或电能存储装置19，或另一个第二电动机构17b。另一个的第二电动机构17b可用于在作业机械的制动运行期间制动作业机械1的驱动轮130，以及用于直接地提供能量至液压泵或电能存储装置19。电动机构17a或另一个电动机构17b还可以由电能存储装置19来提供电能，以驱动作业机械1的驱动轮130，或者，基于同样的理由，另一个第二电动机构17b可以由第一个的第二电动机构17a提供电能。
[0043] 尽管优选为传动系统110包括两个电动机构，然而，通过只使用一个电动机构，所述电动机构优选地设置在传动装置和驱动轮之间，位于任何变速箱的上游，即，与图4中设置的第二电动机构17b的设置方式相同，电动机构被设置在传动装置和变速箱之间，可以获得优势。还可以为每个驱动轮使用一个所述的电动机构。在这种情况下，通常，四个电动机构用于驱动四个驱动轮。随后，各电动机构优选地通过相应的变速箱连接至相应的驱动轮。
[0044] 此外，可以组合现有的例如图3所描述的由内燃机驱动液压泵的技术与用于驱动液压泵的电动机构。那么，在不同的时期，液压泵可以由内燃机和/或电动机构驱动，以优化运行。
[0045] 此外，有时，通过电能存储装置19存储的能量可以用于轮式装载机的其他功能部件61，比如
压缩机、
风扇、
致动器等。
[0046] 包括在传动系统110内的至少一个第二电动机构17a、17b用于驱动或制动驱动轮130和/或为所述至少一个液压泵100a、100b、100c产生电能。除通过利用来自一个或多个第二电动机构17a、17b的电能操作液压泵所获得的优点以外，第二电动机构17a、17b可以用于将扭矩提供至驱动轮130。通过使内燃机120和/或电动机构(一个或多个)17a、17b的使用适应当前的情况，传动系统110的总体效率可以增加。
[0047] 参照图4，驱动轮130可以通过以下方式驱动：
[0048] 内燃机120连同锁定或变矩器150，
[0049] 或内燃机120和/或第二电动机构中一个17a和/或另一个第二电动机构17b连同锁定或变矩器150，
[0050] 或者是第二电动机构中的一个17a和另一个第二电动机构17b，没有锁定或变矩器150，
[0051] 或通过另一个第二电动机构17b，没有锁定或变矩器150。
[0052] 第二电动机构17a可以由内燃机120驱动以用于发电，或通过电能存储装置19驱动以用于提供扭矩，并且，另一个第二电动机构17b可以由第一个第二电动机构17a或电能存储装置19驱动以用于提供扭矩。变矩器150可以由通常的液力或机械式离合器代替，它们提供液力变矩器的锁定状态的替代方案。
[0053] 在图5中，示出了包括用于提供电力至作业机械的发电
马达200的作业机械。作业机械包括至少两个液压回路121、122、123，一个液压回路对应于所述功能的一种，其中，每个液压回路包括至少一个液压泵100a、100b、100c，用于操作相关的器具或转向功能。此外，单独的第一电动机构18a、18b、18c驱动性地连接至各所述液压泵100a、100b、100c，用于单独地提供能量至泵以及从泵中提取能量。
[0054] 作业机械进一步包括用于通过驱动轮130移动作业机械的传动系统210，其中传动系统包括至少一个第二电动机构17，其可操作地被连接至所述第一电动机构，用于液压回路121、122、123和传动系统110、210、310之间的动力交换。因此，发电马达200被设置成向所述至少一个电动机构17和通过所述第一电动机构18a、18b、18c向所述至少一个液压泵100a、100b、100c提供电力。
[0055] 通过提供至少一个用于驱动作业机械的驱动轮的电动机构以及以电能形式提供能量的马达，其中发电马达被设置成向所述至少一个电动机构和所述至少一个液压泵提供电力，可以更高效地利用来自例如设置有发电机的内燃机的发电马达的能量，并且总能量消耗可以降低。可以在无需调整发电马达转速的情况下驱动液压系统。此外，作业机械例如轮式装载机的制动运行期间，电动机构可以用作制动装置，同时起到发电机的作用，用于回收能量。来自发电马达的能量可以直接地提供至电动机构和液压系统，或存储在电能存储装置中，比如电池或超大电容，以后再使用。
[0056] 此外，电动机构可以用于反向驱动驱动轮。这意味着可以省去变速箱的倒档。
[0057] 尽管图5中示出的作业机械具有一个电动机构17，但是，可以使用两个或更多个电动机构。例如，作业机械可以包括用于每个驱动轮的一个所述电动机构。在此情况下，通常，四个电动机构用于驱动四个驱动轮。优选地，各电动机构通过相应的变速箱连接至相应的驱动轮。
[0058] 优选地，作业机械包括电能存储装置19，用于储存来自发电马达200和/或来自所述至少一个电动机构17的能量。此电能存储装置19然后用于提供电力至所述至少一个电动机构17和/或所述至少一个液压泵100a、100b、100c。
[0059] 除了驱动驱动轮130以外，所述至少一个电动机构17中的一个或多个可以用于在作业机械的制动运行期间制动作业机械的驱动轮。同时，电动机构17可以起到发电机的作用，用于回收能量，所述能量可以存储在电能存储装置19中和/或用于液压系统20。
[0060] 在本发明的一个优选实施例中，作业机械具有至少两个器具和/或转向功能，并且，对于每个器具和/或转向功能，设置有至少一个所述液压泵。在图2和5示意性示出的实施例中，作业机械包括三个液压泵100a、100b、100c；第一液压泵100a被设置成提供器具的提升及降低功能，第二液压泵100b被设置成提供器具的倾斜功能，第三液压泵100c被设置成提供作业机械的转向功能。通过用于这些功能的单独的液压泵，作业机械的运行可以进一步优化，因此，可以降低总的能量消耗。
[0061] 图6是根据本发明的作业机械的传动系统310的另一种变型的示意图。传动系统310不同于图4中的传动系统110，在图6中的两个第二电动机构17a、17b之间没有传动装置150。
[0062] 图6中示意性地示出的作业机械适合于至少两个功能，其包括移动器具2和/或使机械转向，所述机械包括三个液压回路121、122、123，一个液压回路对应于所述功能的一种，其中各液压回路包括一个液压泵100a、100b、100c，用于操作相关的器具或转向功能。单独的第一电动机构18a、18b、18c驱动性地连接至各所述液压泵100a、100b、100c，用于单独地提供能量至泵以及从泵中提取能量。
[0063] 此外，用于通过驱动轮130移动作业机械的传动系统310包括所述两个第二电动机构17a、17b，其可操作地被连接至所述第一电动机构，用于液压回路121、122、123和传动系统310之间的动力交换。
[0064] 动力源120可操作地连接至所述第二电动机构中的一个17a，从而只提供能量至所述第二电动机构17a。传动系统310进一步包括另外的第二电动机构17b，并且可操作地连接至动力源120的所述第二电动机构17a可操作地连接至所述另外的第二电动机构17b，用于交换能量。
[0065] 在本发明的范围内，发电马达200可以设计成多种不同的方式，只要其能提供电能。一种选择方案是使用
燃料电池提供电能。发电马达的另一个实例是设置有发电机的内燃机。另一种方案是使用设置有发电机的
燃气轮机。发电马达还可以是设置有发电机的自由
活塞发动机。
[0066] 需要指出的是，在本
申请中，术语″驱动轮″意味着包括用于直接接合地面的车辆
车轮以及用于驱动地面接合部件的车辆车轮，比如
履带、履带轮或类似装置。
[0067] 应当理解的是，本发明并不限于如上所述的以及在附图中示出的实施例；并且，本领域普通技术人员将可以理解，在所附权利要求的范围之内，可以进行多种变化与
修改。
[0068] 例如，不必在作业机械本身内开发电源。例如，可以使用外部电源。更具体地说，作业机械可以设置有用于接入普通电力供应网络的装置。在这种情况下，作业机械内的能量储存装置必须是相当大的。
