CN104364534A - 致动器 - Google Patents

Abstract

本发明的致动器具备缸体、以滑动自如的方式***到缸体内的活塞、***到缸体内且连结于活塞的活塞杆、在缸体内利用活塞划分出的活塞杆侧室与活塞侧室、罐体、设置于将活塞杆侧室与活塞侧室之间连通的第一通路的中途的第一开闭阀、设置于将活塞侧室与罐体之间连通的第二通路的中途的第二开闭阀、用于向活塞杆侧室供给工作油的泵、用于驱动泵的马达、将活塞杆侧室与罐体连接的排出通路、以及设置于排出通路的中途且具有预定的压力流量特性的被动阀。

Description

致动器

技术领域

本发明涉及一种致动器。

背景技术

致动器例如为了抑制铁道车辆中的、相对于车身的行进方向的左右方向的振动而以安装在车身与转向架之间的方式使用。

在日本JP2010－65797A中公开了一种致动器，该致动器具备：伸缩体，其具有缸体、以滑动自如的方式***到缸体内的活塞、***到缸体内并连结于活塞的活塞杆、以及利用活塞在缸体内划分出的活塞杆侧室与活塞侧室；罐体；第一开闭阀，其设置于将活塞杆侧室与活塞侧室连通的第一通路的中途；第二开闭阀，其设置于将活塞侧室与罐体连通的第二通路的中途；泵，其用于向活塞杆侧室供给液体；马达，其用于驱动泵；排出通路，其将活塞杆侧室与罐体连接；以及可调溢流阀，其设置于排出通路的中途。

根据该致动器，通过适当地使第一开闭阀与第二开闭阀开闭来确定所输出的推力的方向，利用马达使泵以恒定速度旋转，向缸体内供给恒定流量，并且通过调节可调溢流阀的溢流压来控制缸体内的压力，能够向所希望的方向输出所希望的大小的推力。

这样的致动器需要可调溢流阀，以便控制推力的大小。但是，可调溢流阀由于构造非常复杂，因此比较大型，也需要用于进行驱动的驱动器(驱动装置)。因此，存在致动器大型化从而向铁道车辆等安装的安装性变差、整体的成本增高且不经济的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供小型并且低成本的致动器。

根据本发明的某方式，致动器具备：缸体；活塞，其以滑动自如的方式***到该缸体内；活塞杆，其***到缸体内且连结于活塞；活塞杆侧室与活塞侧室，该活塞杆侧室与活塞室利用活塞在缸体内划分形成；罐体；第一开闭阀，其设置于将活塞杆侧室与活塞侧室之间连通的第一通路；第二开闭阀，其设置于将活塞侧室与罐体之间连通的第二通路；泵，其用于向活塞杆侧室供给工作流体；马达，其用于驱动该泵；排出通路，其将活塞杆侧室与罐体连接；以及被动阀，其设置于该排出通路且具有预定的压力流量特性。

附图说明

图1是本实施方式的致动器的电路图。

图2是示出本实施方式的被动阀的压力流量特性的图。

图3是示出本实施方式的电流环的一例的图。

图4是示出本实施方式的致动器的推力与马达的转矩之间的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的致动器1具备缸体2、以滑动自如的方式***到缸体2内的活塞3、***到缸体2内且连结于活塞3的活塞杆4、利用活塞3在缸体2内划分形成的活塞杆侧室5与活塞侧室6、罐体7、设置于将活塞杆侧室5与活塞侧室6连通的第一通路8的中途的第一开闭阀9、设置于将活塞侧室6与罐体7连通的第二通路10的中途的第二开闭阀11、用于向活塞杆侧室5供给工作流体的泵12、用于驱动该泵12的马达15、将活塞杆侧室5与罐体7连接的排出通路18以及设置于排出通路18的中途的被动阀19，且该致动器1构成为单杆型的致动器。另外，在活塞杆侧室5与活塞侧室6填充有工作油等工作液作为工作流体，并且，在罐体7除了填充有工作液之外还填充有气体。在致动器1工作中使用的工作流体除了上述液体之外也可以使用气体。此外，罐体7内不需要通过压缩、填充气体而形成加压状态。

第一开闭阀9使第一通路8处于连通状态，并且使第二开闭阀11处于关闭状态，利用马达15驱动泵12而向缸体2内供给工作流体，从而致动器1进行伸长驱动。另外，第二开闭阀11使第二通路10处于连通状态，并且使第一开闭阀9处于关闭状态，利用马达15驱动泵12而向缸体2内供给工作流体，从而致动器1进行收缩驱动。

以下，对各部分进行详细说明。缸体2为筒状，图1中的右端被盖13封闭，在图1中的左端安装环状的活塞杆引导件14。另外，以移动自如的方式***到缸体2内的活塞杆4以滑动自如的方式***到活塞杆引导件14内。活塞杆4的一端向缸体2外突出，另一端连结于以滑动自如的方式***到缸体2内的活塞3。

活塞杆4的外周与活塞杆引导件14之间由省略图示的密封部件密封，由此，缸体2内被维持为封闭状态。而且，在利用活塞3在缸体2内划分形成的活塞杆侧室5与活塞侧室6中，如上所述那样地填充有工作油作为工作流体。

在致动器1中，活塞杆4的截面积为活塞3的截面积的二分之一，活塞3的活塞杆侧室5侧的受压面积为活塞侧室6侧的受压面积的二分之一。因此，若在伸长驱动时与收缩驱动时使活塞杆侧室5的压力相同，则伸缩这两方产生的推力相等，相对于致动器1的位移量的流量也在伸缩两侧相同。

详细地进行说明，在使致动器1进行伸长驱动的情况下，由于成为活塞杆侧室5与活塞侧室6相连通的状态，因此活塞杆侧室5内与活塞侧室6内的压力相等，产生活塞3的活塞杆侧室5侧和活塞侧室6侧的受压面积差与上述压力的乘积的推力。相反，在使致动器1进行收缩驱动的情况下，活塞杆侧室5与活塞侧室6的连通被切断，成为活塞侧室6与罐体7相连通的状态，因此产生活塞杆侧室5内的压力与活塞3的活塞杆侧室5侧的受压面积的乘积的推力。如此，致动器1所产生的推力在伸缩这两方为活塞3的截面积的二分之一与活塞杆侧室5的压力的乘积的值。因而，在控制致动器1的推力的情况下，只要在进行伸长驱动、收缩驱动的同时将活塞杆侧室5的压力调节为目标压力即可。由于活塞3的活塞杆侧室5侧的受压面积设定为活塞侧室6侧的受压面积的二分之一，因此在伸缩两侧产生相同推力的情况下，活塞杆侧室5的压力在伸长侧与收缩侧相同，控制变简单。并且，在该情况下，相对于位移量的流量也相同，因此具有响应性在伸缩两侧相同的优点。此外，即使在没有将活塞3的活塞杆侧室5侧的受压面积设定为活塞侧室6侧的受压面积的二分之一的情况下，也依然能够利用活塞杆侧室5的压力控制致动器1的伸缩两侧的推力。

封闭活塞杆4的图1中的左端与缸体2的右端的盖13具备未图示的安装部，能够将致动器1安装在车辆的车身与车轴之间。

活塞杆侧室5与活塞侧室6经由第一通路8连通，在第一通路8的中途设置有第一开闭阀9。第一通路8虽在缸体2外将活塞杆侧室5与活塞侧室6连通，但也可以设置于活塞3。

第一开闭阀9是电磁开闭阀。第一开闭阀9包括：阀9a，其具有连通位置9b与切断位置9c；弹簧9d，其对阀9a施力以便成为切断位置9c；以及螺线管9e，其在通电时克服弹簧9d而将阀9a切换至连通位置9b。在第一开闭阀9的阀9a处于连通位置9b时，开放第一通路8，活塞杆侧室5与活塞侧室6相连通。在第一开闭阀9的阀9a处于切断位置9c时，活塞杆侧室5与活塞侧室6之间的连通被切断。

活塞侧室6与罐体7经由第二通路10连通，在第二通路10的中途设置有第二开闭阀11。第二开闭阀11为电磁开闭阀。第二开闭阀11包括：阀11a，其具有连通位置11b与切断位置11c；弹簧11d，其对阀11a施力以便成为切断位置11c；以及螺线管11e，其在通电时克服弹簧11d而将阀11a切换至连通位置11b。在第二开闭阀11的阀11a处于连通位置11b时，开放第二通路10，活塞侧室6与罐体7相连通。在第二开闭阀11的阀11a处于切断位置11c时，活塞侧室6与罐体7之间的连通被切断。

泵12由马达15驱动，仅向一个方向排出工作油。泵12的排出口经由供给通路16而与活塞杆侧室5连通，吸入口与罐体7连通。若泵12被马达15驱动，则从罐体7吸入工作油并向活塞杆侧室5供给工作油。马达15从控制器C接受电流供给而被旋转驱动。如上述那样，泵12因仅向一个方向排出工作油而不进行旋转方向的切换动作，完全不存在排出量在进行旋转切换时发生变化之类的问题。因此，泵12能够使用低价的齿轮泵等。并且，由于泵12的旋转方向始终是同一方向，因此驱动泵12的驱动源亦即马达15也不需要进行旋转方向的切换，从而不要求针对旋转方向切换的高响应性，相应地，马达15也能够使用低价的马达。

此外，在供给通路16的中途设有单向阀17，该单向阀17阻止工作油从活塞杆侧室5向泵12逆流。

另外，活塞杆侧室5与罐体7通过排出通路18而连接。在排出通路18的中途设置有被动阀19，该被动阀19针对于从活塞杆侧室5向罐体7流动的工作流体具有预定的压力流量特性。

被动阀19具备阀体19a和从背面侧对阀体19a施力的弹簧19b，若作为从上游侧的活塞杆侧室5供给工作油，则对工作油的流动付与预定的阻力。例如，如图2所示，被动阀19具备压力损失相对于所通过的流量唯一确定的压力流量特性。在阀体19a打开，弹簧19b伴随着上游侧的压力缩短从而开阀幅度增加的状况下，换句话说，在流路面积增加的状况下，如图2中线A所示，压力相对于流量以恒定的斜率增加。当开阀幅度最大时，由于游路面积不会继续增加，因此如图2中线B所示，形成斜率比线A略小的特性。此外，被动阀19的压力流量特性不限于图2所示的特性，只要是压力损失相对于流量唯一确定的特性即可。

在致动器1中设有：整流通路20，其仅允许工作油从活塞侧室6向活塞杆侧室5流动；以及吸入通路21，其仅允许工作油从罐体7向活塞侧室6流动。

接下来，对致动器1的工作进行说明。在使致动器1工作的情况下，能够通过如上述那样控制活塞杆侧室5的压力来控制致动器1的伸缩两侧的推力。

作为具体的方法之一，通过利用被动阀19的压力流量特性来调节活塞杆侧室5的压力，也能够将致动器1的推力控制为所希望的值。

例如，在使致动器1输出伸长方向的所希望的推力的情况下，使第一开闭阀9处于连通位置9b，使第二开闭阀11处于切断位置11c，并且驱动马达15，从泵12向缸体2内供给工作油。这样，缸体2与罐体7处于切断状态，并且活塞杆侧室5与活塞侧室6处于连通状态，从泵12向活塞杆侧室5与活塞室6这两者供给工作油。其结果，活塞3被向图1中的左方推压，致动器1进行伸长工作。

由于想要使致动器1输出的推力与活塞杆侧室5的压力如上述那样成比例关系，因此与想要输出的推力对应的活塞杆侧室5的压力成为目标压力。利用控制器C的运算处理求得这样的目标压力。另外，对于想要使致动器1输出的推力，虽未图示，既可以利用比控制器C处于上一级的控制装置向控制器C输入，也可以由控制器C根据预定的控制规则进行运算。若要使活塞杆侧室5内的压力达到目标压力，则需要利用图2所示的被动阀19的压力流量特性。具体地进行说明，根据目标压力求得通过被动阀19的流量，按照所求得的流量向被动阀19供给工作油。若要根据目标压力求得流量，例如，在罐体压力为大气压且目标压力为α的情况下，如图2所示，通过根据被动阀19的压力流量特性图读取与压力α对应的流量β来求解。与目标压力对应的流量既可以利用控制器C基于这样的压力流量特性进行映射运算来求解，也可以使用以目标压力作为参数的函数来求解。这样，被动阀19处的压力损失变为与目标压力相等。换句话说，通过按照如上述那样求得的流量供给工作油，被动阀19内的上游侧的压力比罐体压力亦即大气压高出目标压力的量，被动阀19的上游的活塞杆侧室5内的压力成为目标压力。更详细地进行说明，从泵12排出的工作油因第二开闭阀11处于切断位置11c而不会经由缸体2流向罐体7，泵12所排出的全部流量通过被动阀19返回罐体7。因此，活塞杆侧室5内的压力比罐体7内的压力高出被动阀19的压力损失的量。若求得能够使活塞杆侧室5内的压力为目标压力的泵12的排出流量，则唯一地求出马达15的旋转速度。若将马达15控制为所求得的旋转速度，则活塞杆侧室5内的压力被调节为目标压力，致动器1的推力被控制为所希望的大小。因此，控制器C根据目标压力求出被动阀19的流量，根据该流量求出马达15的旋转速度，将马达15控制为所求得的旋转速度。对马达15的旋转速度的控制只要监控马达15的旋转速度并进行反馈控制即可。由于在马达15是AC马达、无刷马达的情况下，需要用于传感检测马达15的转子的位置的传感器，因此利用该传感器监控旋转速度即可。在马达15是带刷的马达且不具有用于监控旋转速度的传感器的情况下，另外设置用于监控旋转速度的传感器即可。此外，在罐体压力不是大气压的情况下，根据图2所示的压力流量特性图读取与目标压力和罐体压力之间的压力差的压力对应的流量，将马达15的旋转速度控制为泵12排出所读取的流量即可。这样，被动阀19处的压力损失变为与目标压力和罐体压力之间的压力差相等，被动阀19的上游侧的压力比罐体压力高出该压力差的量。因此，被动阀19的上游的活塞杆侧室5内的压力达到目标压力。

相反，在使致动器1输出收缩方向的所希望的推力的情况下，使第一开闭阀9处于切断位置9c，使第二开闭阀11处于连通位置11b，驱动马达15，从泵12向缸体2内供给工作油。这样，活塞侧室6与罐体7处于连通状态，并且活塞杆侧室5与活塞侧室6处于切断状态，从泵12仅向活塞杆侧室5供给工作油。其结果，活塞3被向图1中的右方推压，致动器1进行收缩工作。

由于在该情况下，想要使致动器1输出的推力与活塞杆侧室5的压力也如上述那样成比例关系，因此与想要输出的推力对应的活塞杆侧室5的压力达到目标压力。若要使活塞杆侧室5内的压力为目标压力，只要与之前相同地使用被动阀19的压力流量特性即可。由于在该情况下，从泵12排出的工作油也因第一开闭阀9处于切断位置9c而不会经由缸体2流向罐体7，因此全部流量通过被动阀19返回罐体7。因而，与上述情况相同，求出泵12的排出流量，根据该排出流量求出马达15的旋转速度，将马达15控制为求得的旋转速度，从而活塞杆侧室5内的压力被调节为目标压力，致动器1的推力被控制为所希望的大小。

在致动器1伸长时，由于在缸体2中工作油不足，因此工作油从泵12供给到缸体2内。另外，在致动器1收缩时，在缸体2内工作油过量，因此从缸体2内经由排出通路18向罐体7排出工作油。换句话说，当致动器1伸缩时，通过被动阀19的流量发生变化，因此若致动器1的伸缩速度升高，则使活塞杆侧室5内的压力跟随于目标压力时的控制响应性恶化。因此，如果设置用于检测活塞杆侧室5内的压力的压力传感器，反馈活塞杆侧室5内的压力并控制马达15的旋转速度，则能够提高活塞杆侧室5内的压力相对于目标压力的跟随性。

接下来，作为第二个使致动器1工作的具体方法，通过控制马达15的转矩来调节活塞杆侧室5的压力，将致动器的推力控制为所希望的值。

在使致动器1输出伸长方向的所希望的推力的情况下，使第一开闭阀9处于连通位置9b，使第二开闭阀11处于切断位置11c，驱动马达15，从泵12向缸体2内供给工作油。这样，缸体2与罐体7之间处于切断状态，并且活塞杆侧室5与活塞侧室6之间处于连通状态，从泵12向活塞杆侧室5和活塞侧室6这两者供给工作油。其结果，活塞3被向图1中的左方推压，致动器1进行伸长工作。

伴随着该动作，利用控制器C调节马达15的转矩，从而调节活塞杆侧室5的压力，以使得活塞杆侧室5的压力与活塞3的活塞侧室6侧和活塞杆侧室5侧的受压面积差相乘的值为上述所希望的推力。利用马达15的转矩驱动泵12，由于泵12承受活塞杆侧室5的压力，因此能够通过调节与泵12的排出压力成比例的马达15的转矩来控制活塞杆侧室5的压力。

具体而言，如图3所示，控制器C具备接受转矩指令的输入并控制流向马达15的电流的电流环L。电流环L具备：电流传感器30，其用于检测流向马达15的未图示的线圈的电流；运算部31，其运算转矩指令与利用电流传感器30检测到的电流之间的偏差；以及补偿器32，其根据利用运算部31求出的偏差生成电流指令。补偿器32例如进行比例积分补偿、比例微分积分补偿之类的公知的补偿，但也可以进行上述以外的补偿。

控制器C求出与想要使致动器1输出的推力对应的活塞杆侧室5内的压力亦即目标压力，求出实现该目标压力所必要的转矩亦即必要转矩，将实现该必要转矩的电流指令作为转矩指令求出。此外，能够根据推力求出目标压力，能够根据目标压力求出必要转矩，能够根据必要转矩求出作为电流指令的转矩指令，因此实际上，控制器C以推力作为参数，只要根据推力直接求出转矩指令即可。具体而言，如图4所示，马达15的转矩与推力之间的关系能够近似为以泵12的摩擦转矩为截距的一次方程式，能够根据推力简单地求出转矩指令。并且，推力与该转矩指令被输入到上述电流环L，向马达15供给电流，马达15的转矩被控制为转矩指令。由此，活塞杆侧室5内的压力被调节为目标压力，结果，致动器1所输出的推力被控制为所希望的推力的大小。

相反，在使致动器1输出收缩方向的所希望的推力的情况下，使第一开闭阀9处于切断位置9c，使第二开闭阀11处于连通位置11b，驱动马达15，从泵12向缸体2内供给工作油。这样，活塞侧室6与罐体7之间处于连通状态，并且活塞杆侧室5与活塞侧室6之间处于切断状态，从泵12仅向活塞杆侧室5供给工作油。其结果，活塞3被向图1中的右方推压，致动器1进行收缩工作。

伴随着该动作，与上述顺序相同地利用控制器C调节马达15的转矩，调节活塞杆侧室5的压力，以使得活塞杆侧室5的压力与活塞3的活塞侧室6侧和活塞杆侧室5侧的受压面积差相乘的值为上述所希望的推力。

如此，致动器1能够向伸长以及收缩方向这两个方向发挥推力，在不使用可调溢流阀的前提下设置被动阀19，能够简单地控制该推力。根据本实施方式的致动器1，由于以简单的结构使用小型的被动阀19，因此不需要驱动器，与以往的致动器比较，致动器1更小型，因此致动器1的成本降低。因此，致动器1向铁道车辆等安装的安装性也显著提高，实用性进一步提高。

另外，由于能够根据压力计算流量，因此不存在被动阀19的超驰(overload)特性的影响，能够使用低价且小型的被动阀。

由于泵12仅向一个方向进行排出，因此不用担心旋转切换时的容量变动，能够使用低价的泵12，也不要求泵12的驱动源亦即马达15在旋转方向切换中的高响应性，因此能够使用低价的马达15。

另外，在同时使第一开闭阀9与第二开闭阀11处于连通位置9b、11b的情况下，能够使经由缸体2内从泵12排出的工作油返回罐体7，能够卸去致动器1的载荷。来自卸载时的泵12的工作油供给以及伸缩工作所带来的工作油的流动依次通过活塞杆侧室5、活塞侧室6，最终流回罐体7。因而，即使气体混入活塞杆侧室5或者活塞侧室6内，也能够自主地向罐体7排出，能够阻止推进力产生的响应性的恶化，并且不必频繁地进行用于恢复性能的维护，能够减少维护方面的劳力与成本负担。

并且，如上所述，工作油的流动依次通过活塞杆侧室5、活塞侧室6，最终流回罐体7，因此在活塞杆侧室5内与活塞侧室6内不会积攒压力。因而，不必设置用于使推力稳定的低压优先换向阀，从而消除低压优先换向阀的撞击声的问题，致动器1的静音性提高，即便安装于车辆也不会给车辆乘坐人员带来不适感等。

另外，在本实施方式的致动器1中设置有整流通路20与吸入通路21。因此，在致动器1在外力的作用下强制伸缩的情况下，若使第一开闭阀9与第二开闭阀11同时处于切断位置9c、11c并停止泵12的驱动，则由于伸缩而从缸体2内推出工作油经由被动阀19向罐体7排出，在缸体2内工作油不足的情况下，工作油从罐体7经由吸入通路21供给至缸体2内。如此，本实施方式的致动器1也能够作为发挥与被动阀19的压力损失相抵的阻尼力的被动的阻尼器发挥功能。换句话说，使第一开闭阀9与第二开闭阀11处于切断位置9c、11c，由于即使泵12处于停止状态，致动器1也能够作为失效保护装置发挥被动的阻尼器的功能，因此不存在致动器1无法伸缩的情况。

并且，在本实施方式中，由于在泵12的下游即供给通路16的中途设置有单向阀17，因此即便在致动器1在外力的作用下强制伸缩的情况下，也能够阻止工作油从活塞杆侧室5向泵12逆流，能够获得马达M的转矩所带来的推力以上的推力。

以上，虽说明了本发明的实施方式，上述实施方式仅示出本发明的应用例的一部分，其主旨不在于将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。

本申请基于2012年8月13日向日本国专利厅提出申请的日本特愿2012－179155主张优先权，该申请的全部内容作为参照被编入本说明书。

Claims (7)

1.一种致动器，其中，

该致动器具备：

缸体；

活塞，其以滑动自如的方式***到该缸体内；

活塞杆，其***到上述缸体内且连结于上述活塞；

活塞杆侧室与活塞侧室，该活塞杆侧室与该活塞侧室利用上述活塞在上述缸体内划分形成；

罐体；

第一开闭阀，其设置于将上述活塞杆侧室与上述活塞侧室之间连通的第一通路；

第二开闭阀，其设置于将上述活塞侧室与上述罐体之间连通的第二通路；

泵，其用于向上述活塞杆侧室供给工作流体；

马达，其用于驱动该泵；

排出通路，其将上述活塞杆侧室与上述罐体连接；以及

被动阀，其设置于该排出通路且具有预定的压力流量特性。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中，

根据上述缸体内的目标压力与上述被动阀的压力流量特性控制上述马达的旋转速度，从而控制所输出的推力。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中，

根据上述缸体内的目标压力控制上述马达的转矩，从而控制所输出的推力。

4.根据权利要求1所述的致动器，其中，

该致动器还具备控制上述马达的电流环，

根据上述缸体内的目标压力求出付与上述电流环的转矩指令，控制上述马达。

5.根据权利要求1所述的致动器，其中，

该致动器还具备：

吸入通路，其仅允许工作流体从上述罐体朝向上述活塞侧室流动；以及

整流通路，其仅允许工作流体从上述活塞侧室向上述活塞杆侧室流动。

6.根据权利要求1所述的致动器，其中，

在上述泵与上述活塞杆侧室之间还具备单向阀，该单向阀防止工作流体从上述活塞杆侧室朝向上述泵流动。

7.根据权利要求1所述的致动器，其中，

上述第一开闭阀以及上述第二开闭阀是电磁开闭阀，在不通电时上述第一开闭阀和上述第二开闭阀在弹簧的作用下处于切断位置。