(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの回転軸線に対して傾斜して取付けられ、傾斜角が調節制御可能である斜板と、
前記ポンプ上に配置され、周方向の異なる位置に吸入ポートと吐出ポートとを有する弁板と、
前記ポンプ内に該ポンプの回転軸線周りに回転可能に配置されたシリンダブロック内で軸方向に摺動可能なピストンと、
前記ポンプに対する前記斜板の傾斜角制御を行うように作動可能な制御サーボと、
前記制御サーボに油圧的に接続された出口ポート及び前記ポンプ吐出ポートに油圧的に接続された入口ポートを有するサーボ弁と、
前記ポンプの吐出圧の関数として、前記サーボ弁を制御する手段と、
を備え、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの一端を前記斜板に摺動可能に接触させた状態で回転することにより、該ピストンを該シリンダブロック内で軸方向に往復運動させるように配置され、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの他端に対応する端部が前記弁板に当接しており、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吸入ポートに対向する位置と前記吐出ポートに対向する位置とを順次通過することにより、油圧作動流体が該弁板の吸入ポートを通って前記ポンプに流入し、該弁板の吐出ポートを通って該ポンプから流出するように、前記弁板に対して配置された、可変容量型油圧ポンプのポンプ吐出ポートにおける吐出圧を制御するための装置であって、
前記可変容量型油圧ポンプにおいて、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吐出ポートに対向する位置から前記吸入ポートに対向する位置に移動する過程で前記ピストンの前記他端近傍に残存する油圧作動流体圧力が前記弁板上で前記吐出ポートの位置から前記吸入ポートの方向に持ち越されるようになる角度範囲である圧力キャリオーバー角γが作られ、前記制御手段は、前記圧力キャリオーバー角γの範囲で前記ピストンに作用する油圧作動流体圧力により前記斜板上に発生するトルクとの平衡を前記制御サーボにおける制御圧によってとるように、前記サーボ弁を、前記ポンプの吐出圧に加えて、前記圧力キャリオーバー角γの関数として制御することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記弁板の吸入ポートにおける油圧作動流体が低圧流体であり、該弁板の吐出ポートにおける油圧作動流体が高圧流体であり、前記圧力キャリオーバー角γが吸入ポートと吐出ポートにおける油圧作動流体の圧力差により作られる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御サーボは、前記サーボ弁から前記制御サーボへの油圧の増加に応答して前記ポンプに対して前記斜板の角度を増加するように作動可能である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記制御サーボが、スプリング力を前記斜板上に維持するサーボスプリングを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記サーボ弁が制御圧Ｐcを前記制御サーボに供給するようになっており、該制御サーボが、これに応答して前記斜板の角度を増加するように作動可能な力を与えるようになった請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記斜板が、前記ポンプに対する斜板角度の増加に応答して前記ポンプ吐出圧を増加するものであり、該斜板角度の減少に応答して該ポンプ吐出圧を減少させるものである請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記サーボ弁が電気・油圧サーボ弁である請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記サーボ弁を制御する手段が該サーボ弁に伝えられる電気信号を制御するようになった制御装置を含む請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記制御装置がＰＤ制御装置である請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
さらに、前記ポンプ吐出ポートに接続されたポンプ吐出圧センサーを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
ポンプの回転軸線に対して傾斜して取付けられ、傾斜角が調節制御可能である斜板と、
前記ポンプ上に配置され、周方向の異なる位置に吸入ポートと吐出ポートとを有する弁板と、
前記ポンプ内に該ポンプの回転軸線周りに回転可能に配置されたシリンダブロック内で軸方向に摺動可能なピストンと、
前記ポンプに対する前記斜板の傾斜角制御を行うように作動可能な制御サーボと、
前記制御サーボに油圧的に接続された出口ポート及び前記ポンプ吐出ポートに油圧的に接続された入口ポートを有するサーボ弁と、
前記ポンプの吐出圧の関数として、前記サーボ弁を制御する制御手段と、
を備え、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの一端を前記斜板に摺動可能に接触させた状態で回転することにより、該ピストンを該シリンダブロック内で軸方向に往復運動させるように配置され、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの他端に対応する端部が前記弁板に当接しており、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吸入ポートに対向する位置と前記吐出ポートに対向する位置とを順次通過することにより、油圧作動流体が該弁板の吸入ポートを通って前記ポンプに流入し、該弁板の吐出ポートを通って該ポンプから流出するように、前記弁板に対して配置された、
可変容量型油圧ポンプのポンプ吐出ポートにおける吐出圧を制御する方法であって、
前記ポンプ吐出ポートにおける吐出圧のレベルを検出する段階と、
前記ポンプ吐出圧の１部を前記サーボ弁に向ける段階と、
前記サーボ弁に、該吐出圧の検出レベルの関数としての制御信号を送る段階と、
前記サーボ弁から該制御信号に対応する圧力の油圧制御流を前記制御サーボに送って、該制御サーボにより前記斜板の角度を前記ポンプ吐出ポートにおける吐出圧に応じて制御する段階と、
を含み、
前記可変容量型油圧ポンプにおいて、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吐出ポートに対向する位置から前記吸入ポートに対向する位置に移動する過程で前記ピストンの前記他端近傍に残存する油圧作動流体圧力が前記弁板上で前記吐出ポートの位置から前記吸入ポートの方向に持ち越されるようになる角度範囲である圧力キャリオーバー角γが作られ、前記ポンプに配置された弁板の前記圧力キャリオーバー角γの範囲で前記ピストンに作用する油圧作動流体圧力により前記斜板上に発生するトルクとの平衡をとるように作用する制御圧を、前記サーボ弁からの前記油圧制御流の前記制御信号に対応する圧力に付加する、
ことを特徴とする可変容量型油圧ポンプの吐出圧制御方法。
【請求項１２】
前記サーボ弁が電気・油圧サーボ弁であって、該サーボ弁に制御信号を送る段階が該サーボ弁に電気制御信号を送る段階を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
制御信号を送る段階がＰＤ制御装置により制御信号を決定する段階を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ポンプの回転軸線に対して傾斜して取付けられ、傾斜角が調節制御可能である斜板と、
前記ポンプ上に配置され、周方向の異なる位置に吸入ポートと吐出ポートとを有する弁板と、
前記ポンプ内に該ポンプの回転軸線周りに回転可能に配置されたシリンダブロック内で軸方向に摺動可能なピストンと、
前記ポンプに対する前記斜板の傾斜角制御を行うように作動可能な制御サーボと、
前記制御サーボに油圧的に接続された出口ポート及び前記ポンプ吐出ポートに油圧的に接続された入口ポートを有するサーボ弁と、
前記ポンプの吐出圧の関数として、前記サーボ弁を制御する制御手段と、
を備え、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの一端を前記斜板に摺動可能に接触させた状態で回転することにより、該ピストンを該シリンダブロック内で軸方向に往復運動させるように配置され、
前記シリンダブロックは、前記ピストンの他端に対応する端部が前記弁板に当接しており、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吸入ポートに対向する位置と前記吐出ポートに対向する位置とを順次通過することにより、油圧作動流体が該弁板の吸入ポートを通って前記ポンプに流入し、該弁板の吐出ポートを通って該ポンプから流出するように、前記弁板に対して配置された、
可変容量型油圧ポンプのポンプ吐出ポートにおける吐出圧を制御するための装置であって、
前記制御手段は、
前記ポンプ吐出ポートにおける吐出圧のレベルを検出する手段と、
前記ポンプ吐出圧の１部をサーボ弁に向ける手段と、
前記検出された吐出圧レベルの関数としての制御信号を前記サーボ弁に送る手段と、
前記サーボ弁から該制御信号に対応する圧力の油圧制御流を前記制御サーボに送って、該制御サーボにより前記斜板の角度を前記ポンプ吐出ポートにおける吐出圧に応じて制御する制御手段と、
を含み、
前記可変容量型油圧ポンプにおいて、前記ピストンの前記他端が前記弁板の前記吐出ポートに対向する位置から前記吸入ポートに対向する位置に移動する過程で前記ピストンの前記他端近傍に残存する油圧作動流体圧力が前記弁板上で前記吐出ポートの位置から前記吸入ポートの方向に持ち越されるようになる角度範囲である圧力キャリオーバー角γが作られ、前記制御手段は、前記ポンプに配置された弁板の圧力キャリオーバー角γの範囲で前記ピストンに作用する油圧作動流体圧力により前記斜板上に発生するトルクとの平衡をとるように作用する制御圧を、前記サーボ弁からの前記油圧制御流の前記制御信号に対応する圧力に付加するようになった、
ことを特徴とする可変容量型油圧ポンプの吐出圧制御用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１般的に可変容量型油圧ポンプ制御装置及び方法に関し、より詳細には、負荷変動によるポンプ吐出圧変動を制御する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アキシァルピストン式可変容量型ポンプなどの可変容量型油圧ポンプは、種々の用途において加圧作動流体を油圧装置に供給するために広く使用されている。例えば、掘削機、ドーザー、ローダー等の油圧式土工用、建設用機械の作動は油圧装置に依るところが大きく、したがって必要な加圧作動流体を供給するために可変容量型油圧ポンプがしばしば使われる。
これらポンプは、例えば、エンジンのような定速機械軸によって駆動され、吐出流量、すなわち圧力は、ポンプに回動可能に取付けられた斜板の角度を制御することによって制御される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
理想的には、任意の斜板角に対する要求吐出圧すなわちポンプ吐出圧を維持することが望ましい。しかしながら、油圧装置にかかる負荷の変動は、ポンプ吐出圧も同様に変化させることを要する可能性があり、そのためには、斜板の角度も変化させることが必要となる。これら変化は、従来のポンプ制御システムにおいて、しばしばオーバーシュートすなわち圧力スパイクをもたらす。よって、ポンプすなわち油圧装置に損傷を与えるこれら圧力スパイクを防止するためリリーフ弁を使用しなければならない。
【０００４】
従来設計のポンプ装置の多くで、ポンプ吐出圧は、ポンプ吐出圧が増加すると斜板角が増加するように構成された付勢用サーボにフィードバックされる。増加した斜板角は、さらにポンプ吐出圧を増加させ、ポンプが不安定な開ループ状態となる。
【０００５】
オーバーシュートを除き、それによりリリーフ弁を不要とする１次線形動的システムの利点と簡便さを利用した制御装置を可変容量型ポンプ用に開発することが望ましい。これを達成するためには、開ループ系が内部的に安定であるよう可変容量型ポンプを構成することもまた必要とされる。
【０００６】
本発明は、上述した問題の１つまたはそれ以上の克服を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様では、可変容量型油圧ポンプの吐出圧制御装置が開示される。該装置は、
ポンプの回転軸線に対して傾斜して取付けられ、傾斜角が調節制御可能である斜板と、
該ポンプ上に配置され、周方向の異なる位置に吸入ポートと吐出ポートとを有する弁板と、
ポンプ内に該ポンプの回転軸線周りに回転可能に配置されたシリンダブロック内で軸方向に摺動可能なピストンと、
ポンプに対する斜板の傾斜角制御を行うように作動可能な制御サーボと、
該制御サーボに油圧的に接続された出口ポート及びポンプ吐出ポートに油圧的に接続された入口ポートを有するサーボ弁と、
ポンプの吐出圧の関数として、該サーボ弁を制御する手段と、
を備え、
シリンダブロックは、ピストンの一端を斜板に摺動可能に接触させた状態で回転することにより、該ピストンを該シリンダブロック内で軸方向に往復運動させるように配置されており、
該シリンダブロックは、ピストンの他端に対応する端部が弁板に当接しており、ピストンの該他端が弁板の吸入ポートに対向する位置と吐出ポートに対向する位置とを順次通過することにより、油圧作動流体が該弁板の吸入ポートを通って前記ポンプに流入し、該弁板の吐出ポートを通って該ポンプから流出するように、該弁板に対して配置された、可変容量型油圧ポンプのポンプ吐出ポートにおける吐出圧を制御するための装置である。
さらに、該装置が適用される可変容量型油圧ポンプにおいては、ピストンの上記他端が弁板の吐出ポートに対向する位置から吸入ポートに対向する位置に移動する過程でピストンの該他端近傍に残存する油圧作動流体圧力が弁板上で吐出ポートの位置から吸入ポートの方向に持ち越されるようになる角度範囲である圧力キャリオーバー角γが作られる。そして、制御手段は、該圧力キャリオーバー角γの範囲でピストンに作用する油圧作動流体圧力により斜板上に発生するトルクとの平衡を制御サーボにおける制御圧によってとるように、前記サーボ弁を、前記ポンプの吐出圧に加えて、前記圧力キャリオーバー角γの関数として制御する。
本発明のさらに別の態様では、可変容量型油圧ポンプの吐出圧制御の方法が開示される。この方法は、ポンプ吐出ポートにおける吐出圧のレベルを検出する段階と、ポンプ吐出ポートにおけるポンプ吐出圧の１部をサーボ弁に向ける段階と、検出された吐出圧レベルの関数としての制御信号をサーボ弁に送る段階と、サーボ弁から制御サーボに応答的に油圧制御流を送る手段と、を含み、該制御サーボが斜板角度の制御により作動可能であって、該サーボ弁からの油圧制御流がポンプ上に配置された弁板の圧力キャリオーバー角γにより誘起されたトルクとのバランスをとるよう作用できる制御圧Ｐｃを制御サーボにおいて形成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、可変容量型油圧ポンプ１０２の吐出圧制御のための装置１００及び方法が開示されている。
【０００９】
特に図１及び図２を参照すると、以下ポンプ１０２と呼ぶ可変容量型油圧ポンプ１０２は、複数の、例えば９個のピストンがシリンダーブロック１０８内に円周配列で配置されたアキシァルピストン式斜板型油圧ポンプ１０２であることが好ましい。好適には、ピストン１１０は、ブロック１０８の縦中心軸に位置決めされた軸１０６の周囲に等間隔で配置される。シリンダーブロック１０８は、シリンダーブロック・スプリング１１４により弁板２０２に強く当接されている。
弁板は、吸入ポート２０４及び吐出ポート２０６を含む。
【００１０】
各々のピストン１１０は、好ましくは玉継手１１３により滑り金１１２に接続される。各々の滑り金１１２は、斜板１０４と接触した状態に維持されている。該斜板１０４は、ポンプ１０２に傾斜して取付けられており、傾斜角αが制御調整可能である。
【００１１】
さらに図１、図２及び図３を参照すると、ポンプ１０２の作動が図示されている。シリンダーブロック１０８は、１定の角速度ωで回転する。その結果、ピストン１１０の各々は、弁板２０２の吸入ポート２０４及び吐出ポート２０６上を周期的に通過する。斜板１０４の傾斜角αがピストン１１０にシリンダーブロック１０８を出入りする揺動的な変位を行わせ、これによって、低圧ポートである吸入ポート２０４から油圧作動流体を吸込み、高圧ポートである吐出ポート２０６から油圧作動流体を吐出する。低圧吸入ポート２０４と高圧吐出ポート２０６の間でポンプ１０２に出入りする油圧作動流体は、斜板に圧力キャリオーバー角γを生じる差圧を発生する。この圧力キャリオーバー角γは、図５ａ及び図５ｂを参照して説明されるように、制御サーボ３０４によって加えられる力に対抗するトルクを斜板１０４に発生させる。
【００１２】
好適な実施例では、斜板１０４の傾斜角αは、斜板枢支点３１６を中心として傾くもので、サーボ弁３０２により制御可能である。サーボ弁・スプール３０８は、サーボ弁３０２の吐出ポート３１２における油圧作動流体流を制御するように、サーボ弁３０２の内部定位置で制御可能に移動する。好適な実施例では、サーボ弁３０２は、電気・油圧弁であり弁３０２に伝達される電気信号で制御可能である。制御サーボ３０４は、サーボスプリング３１０と協同して、サーボ弁３０２の吐出ポート３１２から加圧作動流体を受け、それに応答して斜板１０４の傾転角αを増加させ、ポンプ１０２のストロークを増加させるよう作動する。ポンプ１０２は、ポンプ吐出ポート３１４を通して弁板２０２の吐出ポート２０６に加圧作動流体を供給する。好ましくは、下記に図４を参照して述べるように、本発明のフィードバック制御を提供するために、ポンプ吐出ポート３１４からの油圧作動流体の１部が、サーボ弁吸入ポート３１３に向けられる。
【００１３】
好適には、ポンプ吐出ポート３１４に配置されるポンプ吐出圧センサー３１８は、ポンプ１０２からの油圧作動流体の吐出圧を検出するように構成される。代替的に、該ポンプ吐出圧センサー３１８は、弁板２０２の吐出ポート２０６、ポンプ１０２から圧油を供給される油圧システムに至る油圧流体ラインに沿った点などのような、ポンプ１０２からの圧油を検出するのに適している位置であるならば、いかなる位置に配置されても良い。好適な実施例では、該ポンプ吐出圧センサー３１８は、当業者に公知で油圧検出に適した形式のものである。
【００１４】
図４を参照すると、仮に、サーボ弁動力のようなより高い帯域の動力が無視されるならば、図３の構成の開ループシステムは次のように表わされる。
0004809559.tif 000002
ここで、Ｐはポンプ吐出圧、Ｑは吐出流量、Ｘvはサーボ弁スプール３０８の位置を表わし、Ｃ1cは制御サーボ３０４の漏れ係数であって、種々の変数項ａx、ｂx、ｃxは、ポンプ１０２、サーボ弁３０２、制御サーボ３０４、及び相互接続用ホース及び管路の種々の物理的及び幾何学的パラメータに関係する。係数すべてが厳密に正であるとき式１であらわされる開ループ系は厳密に安定している。
【００１５】
0004809559.tif 000003
であり、
0004809559.tif 000004
であるならば、閉ループ伝達関数Ｔは次のように表わすことができる。
0004809559.tif 000005
【００１６】
図４において、第１加算器４０２が要求ポンプ吐出圧Ｐdと、フィードバックループ４１０経由での実ポンプ吐出圧Ｐを受ける。結果としての加算信号は、制御装置Ｃが使用されている第１ゲインブロック４０４に伝達される。この信号は次に、外乱関数が導入される第２加算器４０６に伝達される。好ましくは、該外乱関数は、通常運転時の油圧作動流体の流量変化に起因する流れ外乱ダイナミックを含む。この信号は次に、関数Ｍ分のＮが適用される第２ゲインブロック４０８に伝達される。
【００１７】
好適な実施例では、制御装置ＣはＰＤ制御装置で、次の形式である。
0004809559.tif 000006
【００１８】
伝達関数Ｔは本質的に１次動的システムであり、ステップ応答にはオーバーシュートはまったく予期されないことを示唆している。
【００１９】
図６を参照すると、本発明の好ましい方法を図示するフロー図が示されている。
【００２０】
第１制御ブロック６０２において、好ましくは、ポンプ吐出ポート３１４に配置されたポンプ吐出圧センサー３１８によりポンプ吐出圧が検出される。
【００２１】
第２制御ブロック６０４において、該ポンプ吐出圧の１部が、ポンプ吐出ポート３１４からサーボ弁吸入ポート３１３に向けられる。
【００２２】
第３制御ブロック６０６において、検出されたポンプ吐出圧レベルの関数としての制御信号が、サーボ弁３０２に伝達される。
【００２３】
第４制御ブロック６０８において、サーボ弁３０２に伝達された制御信号に応答して、油圧制御流がサーボ弁３０２からサーボ弁吐出ポート３１２を通過して制御サーボ３０４へと流通する。制御サーボは、ポンプ１０２に対する斜板１０４の角αを制御することにより応答する。さらにサーボ弁３０２からの油圧制御流は、弁板２０２の圧力キャリオーバー角γにより発生するトルクの平衡をとるように作動可能な制御サーボ３０４に制御圧Ｐcを供給する。この圧力キャリオーバー角γによるトルク平衡が従来の可変容量型油圧ポンプに通常みられるような斜板１０４の他方の端にある第２のサーボの必要性を除く。
【００２４】
本発明のいくつかの利点の１例として、図５ａ及び図５ｂを参照とする。図５ａは、サーボを１つ、すなわち本発明の制御サーボ３０４のみを有する斜板１０４に加わる力とトルクを図示している。一方、図５ｂは、これまでに開示されたポンプにみられるようなサーボを２つ有する斜板１０４に加わる力とトルクを図示している。力は、斜板枢支点３１６に配設された１組の斜板ベアリング５０４の位置で分析される。図５ａ及び図５ｂにおいて、Ｔpは圧力キャリオーバー角γによって発生する流れトルクを表わし、Ｒpはポンプ吐出圧Ｐによって発生する圧力をあらわす。
【００２５】
次式に示すように、図５ａの軸受け反力Ｒbが図５ｂの対応するベアリング反力Ｒb′よりはるかに小さいことが分かっている。
0004809559.tif 000007
ここで、Ａ1は除かれたサーボの断面積であり、Ｌ1は斜板枢支点３１６から除かれたサーボまでの距離であり、Ｌcは斜板枢支点３１６から制御サーボ３０４までの距離である。
【００２６】
本発明は、斜板ベアリング５０４に加えられる力を減少させ、ポンプ製造費用減少させ（部品の数、寸法ともに減少させるので）、また、負荷変化によるオーバーシュートを除くことにより、より安定したシステムを創造する利点を提供する。
【００２７】
本発明の他の態様、目的、特徴については、図面、開示及び付属の請求項を検討することにより知り得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明使用に適する可変容量型油圧ポンプの側面断面図である。
【図２】図１のポンプの概略端面図である。
【図３】サーボ弁を含むポンプの系統図である。
【図４】本発明の好適な実施例の制御系統図である。
【図５ａ】斜板に加わる力の第１態様を示す略図である。
【図５ｂ】斜板に加わる力の第２態様を示す略図である。
【図６】本発明の好適な実施方法を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０２・・・ポンプ、１０４・・・斜板、１０８・・・シリンダブロック、
１１０・・・ピストン、２０２・・・弁板、
２０４・・・吸入ポート、２０６・・・吐出ポート、
３０２・・・サーボ弁、３１４・・・ポンプ吐出ポート、
３１８・・・吐出圧センサー、
【図１】
0004809559.tif 000008
【図２】
0004809559.tif 000009
【図３】
0004809559.tif 000010
【図４】
0004809559.tif 000011
【図５ａ】
0004809559.tif 000012
【図５ｂ】
0004809559.tif 000013
【図６】
0004809559.tif 000014