阅读说明：本技术 转矩控制和反馈装置 (Torque control and feedback device ) 是由 陈用毅 卡斯滕·菲宾 于 2019-07-25 设计创作，主要内容包括：用于斜盘式结构的液压轴向活塞单元的转矩控制和反馈装置包括用于设定斜盘的倾斜角的位移控制单元。反馈基部联接到斜盘,使得反馈基部可以与斜盘一起旋转。反馈基部中的反馈活塞可以通过从高压侧取出的液压流体加压,以在可枢转摇杆上施加摇杆转矩。具有转矩控制阀阀芯的转矩控制阀反抗摇杆偏置,以抵消摇杆转矩,从而能够打开或关闭连接到伺服单元的伺服连接管线,以通过位于伺服单元中的伺服活塞调节斜盘的倾斜角Θ。(A torque control and feedback device for a hydraulic axial piston unit of swash plate construction includes a displacement control unit for setting the angle of inclination of the swash plate. The feedback base is coupled to the swash plate such that the feedback base may rotate with the swash plate. The feedback piston in the feedback base may be pressurized by hydraulic fluid taken from the high pressure side to exert a rocker torque on the pivotable rocker. A torque control valve having a torque control valve spool reacts against the rocker bias to counteract the rocker torque, thereby enabling opening or closing of a servo connection line connected to the servo unit to adjust the tilt angle theta of the swash plate by means of servo pistons located in the servo unit.)

转矩控制和反馈装置

技术领域

本发明的公开内容总体上涉及一种转矩控制和反馈装置，更具体地涉及一种用于装备有伺服系统的斜盘式结构的可变位移液压轴向活塞单元的控制和反馈装置。还公开了一种用于斜盘倾斜角位置控制的方法。

背景技术

可变位移液压轴向活塞单元通常是已知的，并且用于将可调节的加压流体流动转换成机械能，反之亦然，将机械能转换成加压流体流动。加压流体的流动用于驱动致动器，例如与移动机床、连杆和/或推进应用相关联的气缸或液压马达。基于致动器的需求，液压轴向活塞单元的位移增大或减小，使得致动器以预期的速度和/或预期的力移动工具、连杆和/或推进应用。所使用的典型的可变位移液压轴向活塞单元被称为斜盘式液压轴向活塞单元。可变位移液压轴向活塞单元具有旋转的缸体，该缸体具有可轴向移动的活塞，该活塞与可倾斜的斜盘接合，该斜盘改变活塞的冲程。液压轴向活塞单元的位移与缸体内活塞的冲程和斜盘的倾斜角成比例。

为了选择性地规定斜盘的位置，使用位移控制来响应命令输入，以改变斜盘位置。位移控制采用多种形式，但在大多数情况下，其允许操作员手动选择所需的斜盘位置和相应的液压轴向活塞单元位移。历史上，液压轴向活塞单元的斜盘已经根据操作员命令，通过连接到斜盘一侧的一个或多个致动器倾斜到所需角度。当致动器伸出或缩回时，使斜盘围绕枢转轴线倾斜。这通常由包括伺服活塞的伺服单元完成，通过在伺服活塞的一侧或两侧传导伺服压力下的液压流体来设定该伺服活塞在伺服气缸中的位置。通常通过包括控制阀芯的控制单元来调节作用于伺服活塞上并且克服伺服弹簧的伺服压力。响应于各种输入来控制与控制阀芯相关联的一个或多个电磁阀，从而将加压流体引导至致动器/伺服活塞以使致动器伸出，或者将流体从致动器排出以使致动器缩回，从而调节斜盘的倾斜角。

尽管上述电磁致动器在功能上足以控制液压轴向活塞单元，但在某些情况下它们可能是有问题的。例如，当螺线管致动器的电源发生故障或当用于控制螺线管致动器的输入故障时，斜盘的倾斜角可能被不正确地调节或根本不调节。斜盘角的位置例如机械地传递到反馈弹簧上，该反馈弹簧本身通过在控制阀芯上产生的力的平衡来定位。通过反馈斜盘的位置，例如，通过附装在斜盘上的反馈销，将反馈弹簧力传递回控制阀芯。由此，将控制阀芯缸中的控制阀芯位置调节到与指令位置不同的斜盘位置。因此，最终需要校正以满足操作员输入信号。因此，工作管线特别是高压传导工作管线中的液压的波动导致控制阀芯位置的调节，因为只将斜盘位置反馈到控制阀芯上。

作为机械反馈的替代，在现有技术中还使用电子比例斜盘角位置控制。然而，所有这些反馈控制都具有昂贵的电子和/或机械和/或液压斜盘角位置反馈装置，以将斜盘角反馈给控制单元。另外，在斜盘或伺服活塞和/或控制阀芯之间的反馈机构的装配需要很大的努力。

总而言之，这导致构建系统以实现对液压轴向活塞单元的完全控制的高成本。因此，本发明的主要目的是提出一种简单、精确且有成本效益的装置和一种在液压机上提供旋转角度位置控制的方法。因此，斜盘倾斜角位置反馈应该导致根据液压轴向活塞单元处出现的高压水平来调节斜盘角位置。此外，本发明的目的是将斜盘位置反馈信号和高压水平信号组合在一起，以将液压轴向活塞单元的性能调节到操作员的输入命令。

发明内容

通过根据权利要求1所述的转矩控制和反馈装置实现本发明的目的，该转矩控制和反馈装置可以用于斜盘式结构的液压轴向活塞单元，该液压轴向活塞单元包括位移控制单元，以控制具有斜盘倾斜轴线的斜盘的倾斜角Θ。反馈基部联接到斜盘，使得反馈基部可以与斜盘一起围绕斜盘倾斜轴线旋转。该反馈基部包括反馈活塞，其第一端被接纳在反馈室中。可以通过从液压轴向活塞单元的高压侧取出的液压流体来加压反馈活塞的第一端。本发明的转矩控制和反馈装置还包括可枢转摇杆，其具有滑动表面，反馈活塞的第二端可滑动地抵接在该滑动表面上，使得当斜盘偏斜时，可以加压的反馈活塞能够产生围绕摇杆轴线的摇杆转矩。由于摇杆转矩的大小由反馈活塞上的压力——根据液压轴向活塞单元的其中一个工作管线的高压——和杠杆臂的大小——根据斜盘倾斜角大小——构成，摇杆转矩随着斜盘的倾斜角Θ和液压轴向活塞单元的高压水平而变化。

摇杆上的该组合反馈信号是摇杆转矩的形式，其包括斜盘倾斜角，即斜盘位置与其中一个工作管线中的高压水平由具有转矩控制阀阀芯的转矩控制阀接收，该转矩控制阀阀芯例如被转矩控制阀弹簧偏置为抵靠摇杆，以抵消摇杆转矩。转矩控制阀阀芯能够打开或关闭伺服连接管线，该伺服连接管线使液压轴向活塞单元的高压侧与伺服单元连接，其中，伺服单元能够通过位于伺服单元中的伺服活塞调节斜盘的倾斜角Θ。因此，根据斜盘倾斜角和系统压力的(高)压力水平来调节液压轴向活塞单元的性能。

在一个优选实施例中，在液压轴向活塞单元的静止状态下，斜盘优选地定向成使得反馈活塞的纵向方向与摇杆轴线相交。通过这样做，在摇杆轴线周围不产生转矩(进一步的：摇杆转矩)，因为不存在杠杆臂。当液压轴向活塞单元处于操作(偏转)状态时，斜盘被控制到上述斜盘角位置，以使液压轴向活塞单元提供所需的位移量，以输送所需的液压或机械输出。当斜盘偏离其初始位置时，反馈活塞的第二端沿着摇杆的滑动表面滑动接触地移动，并且产生相应的摇杆转矩，该摇杆转矩由反馈活塞上的液压力的大小和构成杠杆臂的大小的斜盘倾斜角的大小组成。

因此，反馈活塞的第一端上的液压力取决于液压轴向活塞单元的其中一个工作管线中的高压水平，其被引导到反馈室，反馈活塞的第一端位于该反馈室中。因此，优选地通过减压孔将高压水平引导到反馈室。因此，如果反馈活塞上的压力或斜盘倾斜角中的一个改变，则摇杆转矩也将改变。假设液压轴向活塞单元在恒定的操作条件之前运行，则由倾斜角或压力的变化引起的摇杆转矩的这种变化破坏了可枢转摇杆上的力的平衡。

因此，根据本发明，通过控制转矩阀的转矩控制阀活塞提供可枢转摇杆上的反向平衡力，即摇杆上的反向平衡转矩，以将摇杆稳定地保持在液压轴向活塞单元的恒定操作状态。该转矩控制阀活塞偏置成一侧优选地在可枢转摇杆的滑动表面的对侧抵靠在可枢转摇杆上。例如通过抵抗摇杆转矩的转矩控制阀弹簧产生偏置力，该摇杆转矩旨在使摇杆围绕摇杆轴线旋转，并且引起液压轴向活塞单元的输出变化。

当通过反馈活塞产生的转矩等于由转矩控制阀阀芯上的力产生的转矩时，斜盘角保持稳定，转矩控制阀关闭液压轴向活塞单元的高压侧到伺服单元之间的液压连接管线。如果可枢转摇杆上的反作用转矩的大小彼此不同，则转矩控制阀阀芯在转矩控制阀缸中移位，从而打开从高压侧到伺服单元的液压连接管线，或打开从伺服单元到低压区域的排放管线，以增大或减小斜盘倾斜角。因此，根据本发明，通过转矩控制阀检测摇杆转矩的变化，该转矩控制阀的转矩控制阀活塞被移位，以改变伺服单元中的压力条件，从而引起斜盘倾斜角的调整。

显然，转矩控制阀活塞上的用于产生抵靠摇杆转矩的反向转矩的力可以是任何合适的方式，其中，使用转矩控制阀弹簧仅是本领域技术人员所考虑的一种可能性。也可以例如液压地、机械地、电气地或气动地或通过它们的组合来产生转矩控制阀活塞上的这种力。

根据本发明，在液压轴向活塞单元的连续操作条件下，可枢转摇杆的位置反映了实际的斜盘倾斜角和当前的高压水平。因此，通过转矩控制阀连续地感测斜盘倾斜角和当前的高压水平，该转矩控制阀通过反向转矩使可枢转摇杆相对于其摇杆轴线保持在恒定的旋转位置。当斜盘的倾斜角变化时(例如由于操作员输入)，或者当液压轴向活塞单元中的高压水平变化时(例如由于液压轴向活塞单元上的负载变化)，摇杆离开该旋转位置。为了将斜盘倾斜角调节到液压轴向活塞单元的性能要求，转矩控制阀调节伺服单元中的压力水平，直到再次获得稳定的操作条件。

根据本发明，可以使用通常已知的用于规定或设定倾斜角的控制单元，如电动位移控制(EDC)或液压位移控制(HDC)或任何其它已知的控制单元，从而为液压轴向活塞单元设定所需的性能。

本发明适用于液压轴向活塞泵以及液压轴向活塞马达。因此，液压轴向活塞单元可以是开路式或闭路式结构。能够沿着两个方向输送液压流体的液压轴向活塞单元也可以装备有本发明的转矩控制和反馈装置。如果使用具有两个输送方向的液压轴向活塞单元，则可枢转摇杆的轴线优选地就位成以等于零的倾斜角与斜盘成一直线。

在本发明的一个优选实施例中，反馈基部固定在斜盘上，并且可以围绕斜盘倾斜轴线旋转，表示出大体上盘状的设计，其旋转轴线与斜盘倾斜轴线重合。当斜盘处于其初始位置时，例如，在液压轴向活塞单元以等于零的倾斜角静止时，反馈活塞布置在固定到反馈基部上或集成在反馈基部中的反馈缸中，使得反馈活塞的纵向方向与摇杆轴线相交。对于具有本领域普通技能的人显而易见的是，该初始位置也可以是斜盘的倾斜角最大。在双向液压轴向活塞单元的情况下，初始位置优选地为倾斜角等于0°。

反馈基部是盘形或杆形或任何其它形状，优选地可旋转地联接到斜盘，并且可以通过附装到斜盘的反馈销旋转。因此，反馈销用作斜盘之间的联接元件，其中，反馈基部传递斜盘的任何旋转运动。对于本领域技术人员显而易见的是，反馈销到斜盘和反馈基部的附接可以是任何适当的设计，该设计使得当倾斜角发生改变时，反馈基部能够与斜盘一起围绕斜盘轴线旋转。

反馈基部优选地设计成容纳反馈室，反馈活塞在该反馈室中可滑动地引导。反馈弹簧也定位在反馈室中，对反馈活塞施加朝向可枢转摇杆上的滑动表面的预应力。在另一个实施例中，反馈室与反馈基部一体构成，并且连接到液压轴向活塞单元的高压侧，以经由反馈活塞将液压轴向活塞单元的高压水平反馈到可枢转摇杆。因此，反馈室与液压轴向活塞单元的高压侧的液压连接可以是直接的。然而，优选地，作用于反馈活塞上的高压水平例如通过孔口减小，以与高压水平成比例地降低。由此，根据斜盘倾斜角，来自存在的高压水平的压力通过可枢转摇杆上的反馈活塞被反馈在杠杆臂。高压水平和斜盘的倾斜角的这种组合/联合反馈信号构成了可枢转摇杆上的本发明的反馈摇杆转矩，从而同时反馈液压轴向活塞单元的两个操作参数。优选地，反馈弹簧的力——也将反馈活塞推向可枢转摇杆——与液压力相比较低，但是也足够高以保持反馈活塞与可滑动表面的接触，即使在液压轴向活塞单元静止时。

在可枢转摇杆上，转矩控制装置的反作用转矩也围绕可枢转摇杆轴线作用，其中，摇杆轴线优选地相对于液压轴向活塞单元的壳体固定。优选地，转矩控制阀也固定地安装在液压轴向活塞单元的壳体中。因此，转矩控制阀活塞的反向转矩反作用于反馈活塞的反馈摇杆转矩，其显示出恒定的杠杆臂。在优选实施例中，转矩控制阀活塞也在摇杆上施加恒定的力。因此，在这种优选实施例中，反向转矩在所有操作条件下都是恒定的。在这种情况下，控制转矩通过设计来设定，并且例如在液压轴向活塞单元投入使用时进行调节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，转矩控制阀阀芯压靠摇杆的力也可以调节，例如，可以根据液压轴向活塞单元的要求进行调节。还可以想象，转矩控制阀阀芯压靠摇杆的力是受控的，例如，由液压轴向活塞单元的高压侧推导出和/或向其参考。因此，可以实现一种对斜盘倾斜角的冗余控制。

如上所述，在一个优选实施例中，反馈基部围绕轴线旋转，该轴线优选地与斜盘轴线重合。因此，对于该优选实施例，将摇杆的滑动表面构造成凹曲率是合乎逻辑的，该凹曲率在摇杆的中立位置，即与反馈基轴和斜盘轴线同心。这种实施例特别地示出了转矩控制和反馈装置，其可以用于所有体积尺寸的液压轴向活塞单元，因为仅转矩控制阀活塞上的力必须适应于可达到的最大高压水平，例如对于相同产品系列的液压轴向活塞单元，该最大高压水平通常是相同的。

在一个优选实施例中，当向摇杆施加两个相等大小的反作用转矩时，即由反馈活塞在滑动表面上施加的反馈摇杆转矩等于由转矩控制阀阀芯在与滑动表面不同的摇杆表面上施加的控制转矩时，到达摇杆的中立位置。在可枢转摇杆的这个中立位置，转矩控制阀通过例如关闭伺服连接管线和排放管线来维持液压单元中的压力和斜盘角条件，从而使斜盘倾斜角保持恒定，因为伺服单元中的压力保持不变。例如，当操作员或控制单元将斜盘倾斜角控制到另一位置时，当杠杆臂改变时，摇杆上的转矩改变。在改变斜盘倾斜角的同时，液压轴向活塞单元中的高压水平改变。只要在可枢转摇杆上实现反馈转矩和转矩控制之间的新平衡，就会发生这种情况。

在本发明的一个简单实现中，由转矩控制阀(即控制阀阀芯)在摇杆上实现的控制转矩对于规定的设定是恒定的；然而，由反馈活塞产生的转矩随着由来自高压侧的压力下的液压流体在其第一端上施加的力和由伺服单元通过调节斜盘倾斜角来调节的杠杆臂而变化。为了再次达到操作的平衡点，通过使转矩控制阀阀芯移位的转矩控制阀来改变斜盘倾斜角，以适应伺服单元中的压力条件。

如本领域技术人员在本发明的一个实施例中可以看到的那样，转矩控制阀可以是二位/三通阀，其优选地是比例型结构或任何其它合适的阀，该阀用于控制伺服单元内部的压力条件，以最终调节斜盘倾斜角。

在本发明的一个替代实施例中，螺线管布置在转矩控制和反馈装置处，该螺线管由控制单元(例如电子转矩控制器(ETC))控制，其可以作用在可枢转摇杆上，以替代由反馈活塞产生的摇杆转矩。这种压力控制也可以通过作用在可枢转摇杆上的另一控制阀芯来完成，以限制液压轴向活塞单元的高压侧的压力水平，例如，通过使用压力限制阀。这种压力限制阀产生作用于转矩控制阀上的先导压力。

附图说明

在附图中更详细地示出了本发明的转矩控制装置的示例性实施例，该附图不限制本发明构思的范围。所公开和说明的实施例的所有特征可以在本发明的范围内以任何期望的组合彼此组合。为此，图中示出：

图1示意性地示出了处于第一初始位置的本发明的转矩控制和反馈装置的第一实施例；

图2示意性地示出了图1的本发明的转矩控制和反馈装置处于液压轴向活塞单元的操作状态的实施例。

图3以侧视图示意性地示出了本发明的优选实施例。

具体实施方式

图1示意性地示出了具有根据本发明的创造性转矩控制和反馈装置的液压轴向活塞单元100。为了解释本发明的转矩控制和反馈装置，图1仅示出了斜盘式结构的开路液压轴向活塞泵100。图1所示的液压轴向活塞泵100由马达M驱动，并且能够沿着一个方向输送加压液压流体。图1中描述的液压轴向活塞泵100处于其初始位置，示出了斜盘倾斜角Θ等于零。在图1下部的斜盘4的方向示出了包括反馈室9的反馈基部8，反馈活塞10的第一端11在该反馈室9中沿着纵向被引导，并且被反馈弹簧13向外推进。在根据图1的斜盘4的该位置，反馈活塞10指向可枢转摇杆15的摇杆轴线17的方向，并且不产生围绕摇杆15上的摇杆轴线17的反馈转矩。因此，反馈活塞10的第二端12抵接在摇杆15上的滑动表面16上。在可枢转摇杆15的相对侧上，转矩控制阀阀芯22在距摇杆轴线17一定距离处在摇杆15上施加反向转矩，在本说明书中称为控制转矩，并且反作用于由反馈活塞10产生的反馈转矩。在图1的情况下，转矩控制阀弹簧21将转矩控制阀阀芯22推进到转矩控制阀20的初始位置，在该位置，伺服连接管线27与伺服单元25分离，该伺服连接管线27连接液压轴向活塞单元100的高压侧与该伺服单元25。如图1所示，在转矩控制阀20的该初始位置，通向液箱50的排放管线51连接到伺服单元25。因此，伺服单元25是无压的，不向斜盘4施加任何力。

如图1和图2中进一步所示，伺服单元25连接到控制单元2，以根据输入(例如操作员输入)控制液压轴向活塞单元100。图2描述了操作员输入(例如经由控制单元2)，以向伺服单元25提供一定的伺服压力/伺服力，该伺服压力/伺服力使斜盘4偏转到大于零的角度Θ。图2所示的操作情况表明，施加在摇杆15上的两个转矩相互补偿，因为在其初始位置，转矩控制阀20没有将伺服单元25连接到伺服连接管线27。因此，由所示杠杆臂形成的反馈转矩和所产生的压力(该压力施加在可枢转摇杆15的摇杆滑动表面16上)由反馈室9中作用在反馈活塞10的第一端11上的压力以及反馈弹簧13和与斜盘倾斜角相对应的杠杆臂的弹力构成。由转矩控制阀阀芯22产生的转矩补偿/反作用于该反馈转矩，通过由转矩控制阀弹簧21产生的力在与滑动表面16相对的表面上沿着相反方向推进摇杆。

对于本领域普通技术人员来说，可以检测到的是，当斜盘4的倾斜角改变时，由反馈活塞10的第二端12施加在可枢转摇杆15上的转矩改变，由此，可枢转摇杆15例如逆时针旋转，使得转矩控制阀阀芯22移动到伺服连接管线27与伺服单元25相连接的位置。当伺服活塞单元25处的压力增大时，伺服活塞26使斜盘4向着零的方向回移，以减小摇杆15上的杠杆臂，直到平衡转矩作用在摇杆15上。如果转矩平衡，则伺服连接管线27再次关闭。

对于本领域技术人员显而易见的是，图1和图2中给出的示例仅用于说明目的，以简单的示例性方式解释本发明的转矩控制和反馈装置的运行方式。从图1和2的实施例可以得出，本发明的转矩控制和反馈装置也适用于任何其它示出一个或两个输送方向的液压轴向活塞单元，该液压轴向活塞单元是开路或闭路型结构，不依赖于用作液压泵或液压马达。而且，如图1和2所示的转矩控制阀20也是一个简单的实施例。它也可以是三位/四通阀等。最后，在具有可变幅度和可变杠杆臂的液压轴向活塞单元100的操作状态下，反馈活塞10在可枢转摇杆15上的反馈转矩被转矩控制阀20产生的控制转矩补偿，其中，获得所需的斜盘倾斜角Θ。如果未实现所需的斜盘倾斜角，则转矩控制阀20自动控制伺服单元25中的压力水平，以使斜盘4移动到倾斜角Θ，使得作用在摇杆上的两个转矩的平衡相互补偿。

此外，由转矩控制阀弹簧21示例性地施加在转矩控制阀阀芯22上的力是简化的实施例，也可以通过液压先导压力或由螺线管产生的磁力或机械力来实现该力。

图3以沿着斜盘倾斜轴线5的方向的侧视图示意性地示出了本发明的优选实施例。从图3可以推导出，摇杆15处的摇杆轴线17平行于斜盘轴线5。此外可以看出，当斜盘倾斜出图3所示的平衡状态时，固定到斜盘4的反馈销6转动反馈基部8。当斜盘4倾斜时，反馈活塞10通过其第二端12在滑动表面16上滑动，摇杆15由此转动。当摇杆15转动时，转矩控制阀20中的转矩控制阀阀芯22移动，伺服连接管线27由此打开或关闭(参考图1或2)，并且位移静压轴向活塞单元的伺服单元25调整斜盘倾斜角Θ。

通过本发明，不仅提供了一种可靠的斜盘角调节装置单元，而且还提供了一种装置，该装置以简单且可靠的方式组合压力的反馈信号和斜盘倾斜角，以调节斜盘式结构的液压轴向活塞单元的位移。

附图标记列表

2 位移控制单元

3 壳体

4 斜盘

5 斜盘倾斜轴线

6 反馈销

8 反馈基部

9 反馈室

10 反馈活塞

11 第一端

12 第二端

13 反馈弹簧

15 摇杆

16 滑动表面

17 摇杆轴线

20 转矩控制阀

21 转矩控制阀弹簧

22 转矩控制阀阀芯

23 转矩控制阀缸

25 伺服单元

26 伺服活塞

27 伺服连接管线

30 控制单元(ETC)

40 压力控制器(PC)

50 液箱

51 排放管线

100 液压轴向活塞单元

Θ 倾斜角

EDC 电动位移控制器

HDC 液压位移控制器

MDC 手动位移控制器

ETC 电子转矩控制器

PC 压力控制器