(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量形液圧ポンプの吐出ポートにおける、ポンプ吐出圧力を制御するための装置であって、
ポンプにピボット取り付けされた斜板と、
ポンプに対する前記斜板の角度を大きくするように作動できる制御サーボと、
ポンプに対する前記斜板の角度を小さくするように作動できる付勢サーボと、
前記制御サーボに液圧的に接続された出力ポートを有し、前記出力ポートからの液圧を前記制御サーボに供給して、該液圧に応じて前記斜板の角度を大きくするように該制御サーボを作動させる力を該制御サーボにもたらすサーボ弁と、
ポンプの吐出ポートに接続された第１の端部と付勢サーボに接続された第２の端部を有し、前記ポンプの吐出ポートの液圧が前記付勢サーボに供給され、該ポンプの吐出ポートの液圧に応じて前記付勢サーボが斜板の角度を小さくするように作動できる力が該付勢サーボにもたらされるように配置された迂回路と、
ポンプの吐出圧力の関数として、前記サーボ弁を制御するための手段と、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御サーボが、斜板にかかるばねの力を維持するためのサーボばねを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御サーボが、前記付勢サーボの直径より大きな直径を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記斜板が、ポンプに対する斜板の角度が大きくなるのに応じて、ポンプの吐出圧力を増大させるようにされ、斜板の角度が小さくなるのに応じて、ポンプの吐出圧力を低下させるようにされていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記サーボ弁が、電気液圧サーボ弁であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
サーボバルブを制御するための前記手段が、サーボ弁に印加される電気信号を制御するようにされた制御器を含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記制御器が、ＰＩＤ制御器であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
可変容量形液圧ポンプの吐出ポートにおける、ポンプ吐出圧力を制御するための方法であって、
ポンプの吐出ポートにおける吐出圧力のレベルを感知し、
ポンプにピボット取り付けされている斜板のポンプに対する角度を小さくするように作動できる付勢サーボへ、ポンプの吐出圧力の一部を向け、
感知された吐出圧力のレベルの関数として、制御信号をサーボ弁へ送り、
それに応答して、サーボ弁から、斜板の角度を大きくするように作動できる制御サーボへ、液圧制御流を送る段階を含む方法。
【請求項９】
前記サーボ弁が、電気液圧サーボ弁であり、
前記サーボ弁への制御信号の送信が、サーボ弁へ電気制御信号を送ることを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
可変容量形液圧ポンプの吐出ポートにおける、ポンプ吐出圧力を制御するための装置であって、
ポンプの吐出ポートにおける吐出圧力のレベルを感知する手段と、
前記ポンプにピボット取り付けされている斜板のポンプに対する角度を小さくするように作動できる付勢サーボへ、ポンプの吐出圧力の一部を向けるための手段と、
感知された吐出圧力のレベルの関数として、制御信号をサーボ弁へ送るための手段と、
それに応答して、サーボ弁から、斜板の角度を大きくするように作動できる制御サーボへ、液圧制御流を送る手段と、
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、可変容量形液圧ポンプを制御するための装置及び方法に関し、特に、荷重の変化によって生ずるポンプの吐出圧力の変化を制御するための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アキシャルピストン可変容量形ポンプのような可変容量形液圧ポンプは、様々な用途のための加圧作動液を供給する液圧システムにおいて、広く使用されている。例えば、掘削機、ブルドーザー、積込み機等のような、液圧式の土工事機械及び建設機械は、液圧システムにその作動を依存するところが大きく、したがって、必要とされる加圧流体を供給するために、可変容量形液圧ポンプを用いることが多い。
これらのポンプは、例えばエンジンのような、一定速度の機械軸によって駆動され、吐出量、したがって吐出圧力は、ポンプにピボット取り付けされた斜板の角度を制御することによって、調節される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
理想的には、与えられた斜板の角度に応じた、望ましい吐出圧力すなわちポンプ吐出圧力を維持することが好ましい。しかしながら、液圧システムにかかる荷重の変化により、ポンプの吐出圧力をも変化させる必要が生じ、次に、斜板の角度に変化を加える必要が生じる可能性がある。これらの変化により、従来のポンプ制御システムにおいては、しばしば、行過ぎ量すなわち圧力スパイクが結果として生じる。従って、こうした圧力スパイクがポンプや液圧システムに損傷を与えるのを防ぐために、逃がし弁を使用しなければならない。
【０００４】
ポンプシステムの多くの従来の設計において、ポンプの吐出圧力が増大するにつれて斜板の角度を大きくするように形成された付勢サーボへ、ポンプの吐出圧力がフィードバックされる。さらに、斜板の角度が大きくなったことにより、ポンプの吐出圧力は増大し、そのため、ポンプは不安定な開ループ状態に入ることになる。
行過ぎ量を排除し、よって、逃がし弁の必要性をなくす線形一次動的システムの利点と簡易さを利用する、可変容量形ポンプのための制御システムを開発することが望まれる。このことを達成するためには、開ループシステムが本質的に安定するように、可変容量形ポンプを形成することもまた望まれる。
本発明は、上述したような１つ又はそれ以上の問題を克服することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様において、可変容量形液圧ポンプの吐出圧力を制御するための装置が開示される。この装置は、ポンプにピボット取り付けされた斜板と、該ポンプに対する斜板の角度を大きくするように作動できる制御サーボと、ポンプに対する斜板の角度を小さくするように作動できる付勢サーボと、制御サーボに液圧的に接続された出力ポートを有するサーボ弁と、ポンプの吐出ポートに接続された第１の端部と付勢サーボに接続された第２の端部を有する迂回路と、ポンプ吐出圧力の関数としてサーボ弁を制御するための手段とを含む。
【０００６】
本発明の別の態様においては、可変容量形液圧ポンプの吐出圧力を制御するための方法が開示される。この方法は、ポンプの吐出ポートにおける吐出圧力のレベルを感知し、ポンプにピボット取り付けされている斜板のポンプに対する角度を小さくするように作動できる付勢サーボへ、ポンプの吐出圧力の一部を向ける段階を含む。この方法はまた、感知された吐出圧力のレベルの関数として、制御信号をサーボ弁へ送り、それに応じて、サーボ弁から、斜板の角度を大きくするように作動できる制御サーボへ、液圧制御流を送る段階を含む。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面を参照すると、可変容量形液圧ポンプ１０２の吐出圧力を制御するための装置１００と方法が開示されている。
特に図1と図２を参照すると、可変容量形液圧ポンプ１０２（以下、ポンプ１０２と言及する）は、シリンダーブロック１０８内に円状の列に配置された多数の、例えば９個のピストン１１０を有するアキシャルピストン型斜板液圧ポンプであることが好ましい。ピストン１１０は、ブロック１０８の縦中心軸に配置されたシャフト１０６の周りに等間隔で位置することが望ましい。シリンダーブロック１０８は、シリンダーブロックのばね１１４によって、弁板２０２に対して加圧されている。弁板は、吸入ポート２０４と吐出ポート２０６を含んでいる。
ピストン１１０の各々は、好ましくはボール・ソケット型継ぎ手１１３によって、スリッパ１１２に接続されている。スリッパ１１２は各々、斜板１０４に接触した状態に維持されている。斜板１０４は、ポンプ１０２に傾いた状態で取り付けられており、傾斜角度が制御可能に調節できる。
【０００８】
図1、図２、図３を続けて参照すると、ポンプ１０２の作動が示されている。シリンダーブロック１０８は、一定の角速度で回転する。結果として、ピストン１１０は各々、弁板２０２の吸入ポート２０４と吐出ポート２０６の各々を周期的に通過する。斜板１０４の傾斜角度によって、シリンダーブロック１０８を出入りするピストン１１０の振動的な変位が生じ、そのため、作動液が、低圧ポートである吸入ポート２０４へ引き込まれ、高圧ポートである吐出ポートから排出される。
【０００９】
好ましい実施形態において、斜板１０４の傾斜角度は、斜板のピボット点３１６を中心として生じ、サーボ弁３０２によって調節される。サーボ弁スプール３０８は、サーボ弁３０２の出力ポート３１４における作動液の流れを制御するために、サーボ弁３０２内の定まった位置で動くように制御されている。好ましい実施形態において、サーボ弁３０２は、電気液圧弁であり、従って、サーボ弁３０２へ送られる電気信号によって制御される。
【００１０】
制御サーボ３０４は、サーボばね３１０と協働して、サーボ弁３０２の出力ポート３１２から加圧液を受け、それに応答して、斜板１０４の傾斜角度を大きくするように作動し、そのため、ポンプ１０２の行程を増加させる。ポンプ１０２は、ポンプの吐出ポート３１４によって、加圧作動液を弁板２０２の吐出ポート２０６に供給する。付勢サーボ３０６は、ポンプ１０２の出力ポート３１４から迂回路３１６を経由して加圧液を受け、それに応答して、斜板１０４の傾斜角度を小さくするように作動し、そのため、ポンプ１０２の行程を減少させる。制御サーボ３０４は、大きさと性能において、付勢サーボを上回るものであることが好ましい。
【００１１】
ポンプの吐出圧力センサー３１８は、ポンプの吐出ポート３１４に配置されていることが好ましく、ポンプ１０２からの作動液の吐出圧力を感知するように調節されている。もしくは、弁板２０２の吐出ポート２０６や、ポンプ１０２から、加圧液をもたらされる液圧システムへの作動液路に沿った箇所等のような、ポンプ１０２からの液体の圧力を感知するのに適しているどんな場所にも、ポンプ吐出圧力センサー３１８を配置することができる。好ましい実施形態において、ポンプの吐出圧力センサー３１８は、関連技術においてよく知られたタイプのものであり、作動液の圧力を感知するのに適している。
【００１２】
図３の構成において、バルブの動力学的事項等のように高周波数のコンポーネントを無視すれば、ポンプの吐出圧力Ｐは、開ループ伝達関数として、次のように表すことができる。
0004806500.tif 000002
上式において、ＱL(ｓ)は、ポンプ１０２の吐出流量、ｘν(ｓ)は、サーボ弁３０２におけるサーボ弁スプール３０８の位置、ν0は、サーボ弁３０２のバルブ利得係数、ｑ1、ｑ0は、流れの乱れ動力学係数、ｐ2、ｐ1、ｐ0は、ポンプ１０２、制御サーボ３０４、付勢サーボ３０６、サーボ弁３０２等の様々な設計パラメータから引き出された正の定数である。
式１の開ループ伝達関数は、ｐ2、ｐ1、ｐ0の正の数値による安定したシステムであることがわかった。これらの正の数値は、図３の構成によって得られる。
【００１３】
図４を参照すると、本発明の好ましい実施形態を解説するする制御図が示されている。この制御図は、図３の本来的に安定した開ループシステムに基づく閉ループシステムを与える。図４の開ループシステム部分は、開ループの伝達関数４０２と、乱れ関数４０４によって示されている。乱れ関数４０４は、通常の作動の間に作動液の流量の変化から生じる流れの乱れダイナミックス４０６を含んでいる。
【００１４】
ポンプの吐出圧力Ｐの関数としての、サーボ弁３０２を制御するための手段４０８は、サーボ弁３０２に印加される電気信号を制御するように調整された制御器４１０を含んでいることが好ましい。好ましい実施形態において、制御器４１０は、ＰＩＤ制御器であり、次のように示される。
0004806500.tif 000003
上式において、ωcは、サーボ弁３０２等の反応時間のような要因に基づいて選択された閉ループの遮断周波数である。一般的には、システムの機能を増大させるためにかなり大きなωcの数値を選択することが望ましい。しかし、ωcの数値は、サーボ弁３０２の帯域幅と、斜板１０４の慣性と作動液の圧縮性のような、システムの様々な不確定性によって制限される。
【００１５】
式２から、ＰＩＤの利得要素は、次のように示すことができる。
0004806500.tif 000004
【００１６】
図５を参照すると、本発明の好ましい方法を解説する工程フロー図が示されている。
第１の制御ブロック５０２において、ポンプの吐出ポート３１４におけるポンプの吐出圧力Ｐのレベルが感知される。ポンプの吐出圧力は、上述したように、ポンプ吐出圧力センサー３１８によって感知されるのが好ましい。
第２の制御ブロック５０４において、ポンプの吐出圧力の一部が、迂回路３１６により、付勢サーボ３０６へ向けられる。付勢サーボ３０６は、好ましい実施形態において、斜板１０４の傾斜角度を小さくするように作動できる。
【００１７】
第３の制御ブロック５０６において、感知されたポンプの吐出圧力のレベルの関数として、制御信号がサーボ弁３０２へ送られる。制御信号は、上述したように、ＰＩＤ制御器４１０によって制御され、送られることが好ましい。
第４の制御ブロック５０８において、サーボ弁３０２は、受信した制御信号に応答して、制御サーボ３０４へ液圧制御流を送る。好ましい実施形態においては、上述したように、制御サーボ３０４は、斜板１０４の傾斜角度を大きくするように作動できる。
【００１８】
本発明は、可変容量形液圧ポンプのための、従来と異なる制御駆動の形態を伴った圧力制御の方法を提供する。本制御方法は、安定した一次閉ループシステムに帰着する。本発明のシステムに基づき、ポンプの吐出圧力Ｐは、制御された圧力の典型的な行過ぎ量を生ずることなく、望ましいポンプの吐出圧力Ｐdを探知する。そのため、可変容量形ポンプについて現今使用されているリリーフ弁は、もはや必要ない。
本発明の他の態様、目的及び特徴は、図面、明細書、添付の特許請求の範囲を検討することによって得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用するのに適した可変容量形液圧ポンプの縦断側面図である。
【図２】図１のポンプの端面図である。
【図３】サーボ弁を含むポンプの概略図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態を示した制御図である。
【図５】本発明の好ましい方法を示した工程フロー図である。
【符号の説明】
１０２・・・可変容量型液圧ポンプ、１０４・・・斜板、
１０８・・・シリンダーブロック、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、
３０４・・・付勢サーボ、３１４・・・出力ポート、４１０・・・制御器
【図１】
0004806500.tif 000005
【図２】
0004806500.tif 000006
【図３】
0004806500.tif 000007
【図４】
0004806500.tif 000008
【図５】
0004806500.tif 000009