JP5026055B2 - 複数アクチュエータの圧力に基づく流れ制御システム - Google Patents

Description

本発明の開示は、一般に、複数アクチュエータの流れ制御システム、より詳しくは、圧力に基づく複数アクチュエータの流れ制御システムに関する。

例えば、掘削機、ローダ、ブルドーザ、モータグレーダなどの作業機械、及び他の種類の重機は、様々な仕事を達成するために作業機械の共通のポンプから油圧流体が供給される複数の油圧アクチュエータを使用する。これらのアクチュエータは、典型的に、１つ以上のオペレータインタフェース装置の作動位置に基づき速度制御される。例えば、ジョイスティック、ペダルなどのオペレータインタフェース装置、又は他の任意の適切なオペレータインタフェース装置は、関連の油圧アクチュエータの所望の速度を示す信号を生成するように移動可能である。オペレータは、インタフェース装置を動かすとき、対応する所定の速度で油圧アクチュエータが移動することを期待する。しかし、アクチュエータの１つの移動が外部負荷によって制限される場合、アクチュエータを移動させる流体の圧力が急に上昇することがある。同様に、重い作業器具と関連付けられたアクチュエータの移動が開始されるとき、アクチュエータを移動させる流体の圧力が、重い作業器具の慣性のため急に上昇することもある。これらの急激な圧力上昇は、アクチュエータの精密な制御性を低減し、予想されない及び／又は望ましくないアクチュエータ速度を生じさせる可能性がある。さらに、アクチュエータのすべてに供給される流体の圧力は、任意の１つのアクチュエータの単一の最高圧力によって制御されるので、急激な圧力上昇のこれらの状態の間、アクチュエータへの流体供給及びアクチュエータのすべての速度は低減される。

アクチュエータ移動の制御性及び予測性を改善する１つの方法が、１９９０年７月３日に吉野（Ｙｏｓｈｉｎｏ）に交付された特許文献１に記載されている。特許文献１は、油圧ショベル用の流体圧力制御システムを記載している。流体圧力制御システムは、第１のアクチュエータの移動を制御するための第１のセレクタ弁と、第２のアクチュエータの移動を制御するための第２のセレクタ弁とを有する。第１及び第２のセレクタ弁は、パイロット作動される。可変リリーフ弁は、第１のアクチュエータと、第１のセレクタ弁と、第１のセレクタ弁に供給されるパイロット圧に応答して第１のアクチュエータに供給される流体圧力を逃し、これによって流体圧力を変更するためのタンクとの間に流体連結される。例えば、第１のセレクタ弁に供給されるパイロット圧が低い場合、第１のアクチュエータと関連する圧力逃し設定値は低い。同様に、第１のセレクタ弁に供給されるパイロット圧が高い場合、第１のアクチュエータと関連する圧力逃し設定値は高い。この可変の逃し設定値は、アクチュエータ圧力の大きさを、オペレータによって直接制御されるパイロット圧力に関係付けるように機能し、これによって、オペレータに、第１のアクチュエータ及び関連の重量のある又は移動制限された作業工具の移動に対するより大きな制御を付与する。

さらに、特許文献１の流体圧力制御システムは、第２のセレクタ弁を作動させる同一のパイロット流体によって作動される第３のセレクタ弁を含むことが可能である。第３のセレクタ弁は、第２のアクチュエータが作動されるときに第１（高い慣性）のアクチュエータから共通の供給ポンプへのフィードバックを阻止するように機能することが可能である。このようにして、第１のアクチュエータと関連する圧力の急激な上昇は、第２のアクチュエータへの加圧流体の流動及び結果として生じる第２のアクチュエータ速度を低減しない。

特許文献１の流体圧力制御システムは、流体アクチュエータ速度の制御性及び予測性を改善し得るが、当該システムは、非効率かつ限定的である可能性がある。特に、特許文献１の流体圧力制御システムは、タンクに加圧流体を逃すことによって制御性を改善するので、解放された流体の加圧に関連する作業がなくなり、これによって油圧ショベルの効率を低下させる可能性がある。さらに、第２のアクチュエータの任意の作動により、大きさに関係なく、第１のアクチュエータから共通のポンプへのフィードバックが遮断されるので、特許文献１のポンプは、第２のアクチュエータの小さな操作中に非効率に作動される可能性がある。さらに、特許文献１の流体圧力制御システムは、純粋に油圧・機械的であるので、システムの調整可能性が制限される可能性がある。

米国特許第４，９３８，０２３号明細書

開示する制御システムは、上述の問題の１つ以上を克服することに関する。

一形態では、本発明の開示は、油圧制御システムに関する。油圧制御システムは、流体アクチュエータと、加圧流体供給部と、加圧流体を供給部から流体アクチュエータに選択的に通過させるように移動可能な制御弁とを含む。油圧制御システムはまた、流体アクチュエータに通過した加圧流体の圧力を感知するように構成されたセンサおよび、制御弁とセンサとに連通する制御器を有する。制御器は、流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を受信して、所望の速度に対応する流体流量を決定するように構成される。制御器はまた、供給部のストール圧に対する感知された圧力の比率を決定して、決定された比率に基づく量だけ、決定された流量をスケールダウンするように構成される。さらに、制御器は、スケールダウンされた流量に対応する量だけ、制御弁を移動するように構成される。

他の形態では、本発明の開示は、油圧制御システムを作動する方法に関する。本方法は、流体を加圧するステップと、加圧流体を流体アクチュエータに方向付けるステップと、流体アクチュエータに方向付けられた流体の圧力を感知するステップとを含む。本方法はまた、流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を受信するステップと、所望の速度に対応する流体流量を決定するステップとを含む。さらに、本方法は、ストール圧に対する感知された圧力の比率を決定するステップと、決定された比率に基づく量だけ、決定された流量をスケールダウンするステップとを含む。さらに、本方法は、スケールダウンされた流量に対応する量だけ、流体アクチュエータに関連付けられた制御弁を移動するステップを含む。

図１は、仕事を達成するために協働する複数のシステム及び構成要素を有する模範的な作業機械１０を例示している。作業機械１０は、採鉱、建設、農業、輸送などの産業、又は当該技術分野で公知の他の任意の産業と関連するある種類の作業を実行する固定又は移動機械であり得る。例えば、作業機械１０は、掘削機、ブルドーザ、ローダ、バックホー、モータグレーダ、牽引トラックなどの土工機械、又は他の任意の土工機械であり得る。作業機械１０は、作業工具１４を移動するように構成された作業器具システム１２と、作業機械１０を推進するための駆動システム１６と、作業器具システム１２及び駆動システム１６に動力を供給する動力源１８と、作業器具システム及び駆動システム１２、１６のオペレータ制御用のオペレータステーション２０とを含む。

作業器具システム１２は、作業工具１４を位置付けかつ作動するために、流体アクチュエータによって移動されるリンケージ構造を含むことが可能である。具体的に、作業器具システム１２は、隣接する１対の複動油圧シリンダ２６（図１に１つのみ図示）によって作業面２４に対して軸（図示せず）を中心に垂直に旋回されるブーム部材２２を含んでもよい。作業器具システム１２はまた、単一の複動油圧シリンダ３２によって軸３０を中心に垂直に旋回されるスティック部材２８を含んでもよい。さらに、作業器具システム１２は、旋回軸３６を中心に垂直に作業工具１４を旋回させるために、作業工具１４に動作的に連結された単一の複動油圧シリンダ３４を含んでもよい。ブーム部材２２は、作業機械１０のフレーム部材３８に旋回可能に連結することが可能である。フレーム部材３８は、油圧式スイングモータ４３によって、垂直軸４１を中心に下部走行体部材３９に対し旋回させることが可能である。スティック部材２８は、旋回軸３０と３６を介してブーム部材２２を作業工具１４に旋回可能に連結することが可能である。より多いか又は少ない数の流体アクチュエータを作業器具システム１２内に含め、上述とは別の方法で連結してもよいことが考えられる。

油圧シリンダ２６、３２、３４のそれぞれは、管と、２つの分離された圧力室を形成するように配置されたピストン組立体（図示せず）とを含むことが可能である。圧力室には、加圧流体を選択的に供給し、また加圧流体を排出して、ピストン組立体が管内で変位するようにさせ、これによって、油圧シリンダ２６、３２、３４の有効長を変更してもよい。圧力室内への及びそこからの流体流量は、油圧シリンダ２６、３２、３４の速度に関係する可能性があり、一方、２つの圧力室の間の圧力差は、関連のリンク部材に対し油圧シリンダ２６、３２、３４によって付与される力に関係する可能性がある。油圧シリンダ２６、３２、３４の伸張及び収縮は、作業工具１４の移動を補助し得る。

多数の異なる作業工具１４は、単一の作業機械１０に取付け可能であり、オペレータステーション２０を介して制御可能である。作業工具１４は、例えば、バケット、フォーク装置、ブレード、シャベル、リッパ、ダンプ台、掃除具、除雪機、推進装置、切断装置、把持装置などの特定の仕事を実行するために使用される任意の装置、又は当該技術分野で公知の他の任意の仕事実行装置を含んでもよい。作業機械１０に対し旋回するように図１の実施形態では連結されているが、作業工具１４は、当該技術分野で公知の他の任意の方法で、代わりに又は追加して、回転、摺動、揺動、上昇、又は移動してもよい。

スイングモータ４３は、流体圧力差によって駆動されてもよい。具体的に、スイングモータ４３は、インペラ（図示せず）の両方の側面に配置された第１及び第２の室（図示せず）を含んでもよい。第１の室が加圧流体で充填され、第２の室の流体が排出されるとき、インペラを第１方向に回転するように付勢してもよい。逆に、第１の室の流体が排出され、第２の室が加圧流体で充填されるとき、インペラを反対方向に回転するように付勢してもよい。第１及び第２の室内への及びそこからの流体流量は、スイングモータ４３の出力回転速度を決定することが可能であり、インペラにわたる圧力差により出力トルクが決定され得る。

駆動システム１６は、作業機械１０を推進する１つ以上の牽引装置を含んでもよい。一実施例において、駆動システム１６は、作業機械１０の一方の側に配置された左履帯４０Ｌと、作業機械１０の対向側に配置された右履帯４０Ｒとを含む。左履帯４０Ｌは、左走行モータ４２Ｌによって駆動可能であり、一方、右履帯４０Ｒは、右走行モータ４２Ｒによって駆動可能である。代わりに、駆動システム１６は、車輪、ベルト、又は他の任意の当該技術分野で公知の牽引装置などの履帯以外の牽引装置を含むことができるであろうことが考えられる。図１の実施例では、作業機械１０は、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒの間に速度差を発生することによって舵取り可能であり、一方、直進走行は、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒから実質的に等しい出力速度を発生することによって実施可能である。

スイングモータ４３と同様に、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒのそれぞれは、流体圧力差によって駆動可能である。具体的に、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒのそれぞれは、インペラ（図示せず）の両方の側に配置された第１及び第２の室（図示せず）を含んでもよい。第１の室が加圧流体で充填され、第２の室の流体が排出されるとき、個々のインペラを第１方向に回転するように付勢してもよい。逆に、第１の室の流体が排出され、第２の室が加圧流体で充填されるとき、個々のインペラを反対方向に回転するように付勢してもよい。第１及び第２の室内への及びそこからの流体流量は、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒの出力回転速度を決定することが可能であり、インペラにわたる圧力差により出力トルクが決定され得る。

動力源１８は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガス燃料エンジンなどのエンジン、又は当該技術分野で公知の他の任意の種類の燃焼エンジンでもよい。代わりに、動力源１８は、燃料電池、電力貯蔵装置などの非燃焼式動力源、又は当該技術分野で公知の他の動力源であり得ることが考えられる。動力源１８は、機械的又は電気的な動力出力を生成することが可能であり、次に、この動力出力を、油圧シリンダ２６、３２、３４及び、左走行モータ、右走行モータならびに、スイングモータ４２Ｌ、４２Ｒ、４３を移動するための液圧パワーに変換してもよい。

オペレータステーション２０は、所望の作業工具及び／又は作業機械の移動を示す作業機械オペレータからの入力を受け取るように構成可能である。具体的に、オペレータステーション２０は、オペレータ席の側面に配置された単一軸又は多軸ジョイスティックとして具体化される１つ以上のオペレータインタフェース装置４６を含むことが可能である。オペレータインタフェース装置４６は、所望の作業工具速度を示す作業工具位置信号を生成することによって、作業工具１４を位置付ける及び／又は方向付けるように構成された比例型制御器であり得る。同様に、同一又は他のオペレータインタフェース装置４６は、所望の作業機械速度を示す作業機械位置信号を生成することによって、作業面２４に対し作業機械１０を位置付ける及び／又は方向付けるように構成可能である。代わりに又は追加して、オペレータステーション２０内に、例えば、ホイール、ノブ、プッシュプル装置、スイッチ、ペダル、及び当該技術分野で公知の他のオペレータインタフェース装置などの異なるオペレータインタフェース装置を含めてもよいことが考えられる。

図２に示したように、作業機械１０は、協働して作業工具１４（図１参照）及び作業機械１０を移動させる複数の流体成分を有する油圧制御システム４８を含むことが可能である。特に、油圧制御システム４８は、第１の供給源５１から加圧流体の第１の流れを受け取るように構成された第１の回路５０と、第２の供給源５３から加圧流体の第２の流れを受け取るように構成された第２の回路５２とを含む。第１の回路５０は、加圧流体の第１の流れを受け取るために、並列に連結されたブーム制御弁５４、バケット制御弁５６、及び左走行制御弁５８を含んでもよい。第２の回路５２は、加圧流体の第２の流れを受け取るために、並列に連結された右走行制御弁６０、スティック制御弁６２、及びスイング制御弁６３を含んでもよい。例えば、１つ以上の取付け制御弁などの追加の制御弁機構、及び他の適切な制御弁機構を第１及び／又は第２の回路５０、５２内に含めてもよいことが考えられる。

第１及び第２の供給源５１、５３は、１つ以上のタンク６４から流体を引いて、流体を所定のレベルに加圧するように構成可能である。具体的に、第１及び第２の供給源５１、５３のそれぞれは、例えば、可変容量型ポンプ、固定容量型ポンプなどのポンプ機構、又は当該技術分野で公知の他の任意の供給源であり得る。第１及び第２の供給源５１、５３のそれぞれは、例えば、カウンタシャフト（図示せず）、ベルト（図示せず）、電気回路（図示せず）によって、又は他の任意の適切な方法で、別個にかつ駆動可能に作業機械１０の動力源１８に連結可能である。代わりに、第１及び第２の供給源５１、５３のそれぞれは、トルクコンバータ、減速ギアボックスを介して、又は公知の他の任意の方法で、動力源１８に間接的に連結可能である。第１の供給源５１は、第２の供給源５３によって生成される加圧流体の第２の流れと無関係に、加圧流体の第１の流れを生成することが可能である。第１及び第２の供給源５１、５３の出力は、異なる圧力レベル及び流量にあり、第１及び第２の回路５０、５２内の流体の圧力によって少なくとも部分的に決定することが可能である。

タンク６４は、流体供給を保持するように構成されたリザーバを構成し得る。流体は、例えば、専用の油圧オイル、エンジン潤滑油、変速機潤滑油、又は当該技術分野で公知の他の任意の流体を含んでもよい。作業機械１０内の１つ以上の油圧システムは、タンク６４から流体を引き、またタンク６４に流体を戻すことが可能である。油圧制御システム４８は、複数の別個の流体タンク又は単一のタンクに連結されてもよいことが考えられる。

ブーム、バケット、右走行、左走行、スティック、及びスイング制御弁５４−６３のそれぞれは、それらの関連の流体アクチュエータの運動を調整することが可能である。具体的に、ブーム制御弁５４は、ブーム部材２２と関連付けられた油圧シリンダ２６の運動を制御するように移動可能である要素を有してもよく、バケット制御弁５６は、作業工具１４と関連付けられた油圧シリンダ３４の運動を制御するように移動可能である要素を有してもよく、スティック制御弁６２は、スティック部材２８と関連付けられた油圧シリンダ３２の運動を制御するように移動可能である要素を有してもよく、またスイング制御弁６３は、垂直軸４１を中心とするフレーム部材３８のスイング運動を制御するように移動可能な要素を有してもよい。同様に、左走行制御弁５８は、左走行モータ４２Ｌの運動を制御するように移動可能である弁要素を有してもよく、一方、右走行制御弁６０は、右走行モータ４２Ｒの運動を制御するように移動可能である弁要素を有してもよい。

第１及び第２の回路５０、５２の制御弁は、加圧流体が、共通の通路を介して個々のアクチュエータに流れまたそれから排出することを可能にし得る。具体的に、第１の回路５０の制御弁は、第１の共通の供給通路６６によって第１の供給源５１に、また第１の共通の排出通路６８によってタンク６４に連結されてもよい。第２の回路５２の制御弁は、第２の共通の供給通路７０によって第２の供給源５３に、また第２の共通の排出通路７２によってタンク６４に連結されてもよい。ブーム、バケット、及び左走行制御弁５４−５８は、個々の流体通路７４、７６、７８によって第１の共通の供給通路６６とそれぞれ並列に、また個々の流体通路８０、８２、８４によって第１の共通の排出通路６８とそれぞれ並列に連結可能である。同様に、右走行、スティック、及びスティック制御弁６０−６３は、個々の流体通路８６、８８、８９によって第２の共通の供給通路７０とそれぞれ並列に、また個々の流体通路９０、９２、９３によって第２の共通の排出通路７２とそれぞれ並列に連結可能である。逆止弁要素９４は、流体通路７４−７８、８８と８９のそれぞれの中に配置して、制御弁への加圧流体の一方向性の供給を可能にし得る。

ブーム、バケット、右走行、左走行、スティック及びスイング制御弁５４−６３の要素は、同様であり、関連する方法で機能し得るので、スイング制御弁６３の動作のみについて本開示に説明する。一実施例において、スイング制御弁６３は、第１の室の供給要素（図示せず）、第１の室の排出要素（図示せず）、第２の室の供給要素（図示せず）、及び第２の室の排出要素（図示せず）を含むことが可能である。第１及び第２の室の供給要素は、流体通路８９と並列に連結されて、個々の室を第２の供給源５３からの流体で充填することが可能であり、一方、第１及び第２の室の排出要素は、流体通路９３と並列に連結されて、個々の室の流体を排出することが可能である。スイングモータ４３を第１の方向に回転するために、第１の室の供給要素を移動して、第２の供給源５３からの加圧流体が、流体通路８９を介してスイングモータ４３の第１の室を加圧流体で充填することを可能にでき、一方、第２の室の排出要素を移動して、流体通路９３を介してスイングモータ４３の第２の室からタンク６４に流体を排出することが可能である。スイングモータ４３を反対方向に回転するために、第２の室の供給要素を移動して、スイングモータ４３の第２の室を加圧流体で充填することが可能であり、一方、第１の室の排出要素を移動して、スイングモータ４３の第１の室から流体を排出することが可能である。代わりに、第１の室と関連付けられた単一の要素と、第２の室と関連付けられた単一の要素とによって供給機能及び排出機能の両方を実行し得ることが考えられる。

供給要素及び排出要素は、命令された流量に応答してばね付勢に対抗してソレノイドで移動可能であり得る。特に、油圧シリンダ２６、３２、３４、左走行モータ、右走行モータ、及びスイングモータ４２Ｌ、４２Ｒ、４３は、第１及び第２の室内へのおよびそこからの流体の流量に対応する速度で移動可能である。インタフェース装置の位置信号を介して示されたオペレータ所望の速度を達成するために、仮定された又は測定された圧力に基づく命令を、供給要素及び排出要素のソレノイド（図示せず）に送り、供給要素及び排出要素が必要な流量に対応する量を開放するようにさせてもよい。命令は、流量命令又は弁要素位置命令の形態でもよい。

第１及び第２の回路５０、５２の共通の供給通路及び排出通路は、補給機能及びリリーフ機能のために相互連結可能である。特に、第１及び第２の共通の供給通路６６、７０は、それぞれ、共通フィルタ９６と、第１及び第２のバイパス要素９８、１００とを介して、タンク６４から補給流体を受け取ることが可能である。第１又は第２の流れの圧力が所定のレベル未満に低下するとき、タンク６４からの流体は、共通フィルタ９６と、第１及び第２のバイパス要素９８、１００とを介して、第１及び第２の回路５０、５２内に流れることが可能である。さらに、第１及び第２の共通の排出通路６８、７２は、シャトル弁１０２と共通のメインリリーフ要素１０４とを介して第１及び第２の回路５０、５２からタンク６４に、流体を逃してもよい。第１又は第２の回路５０、５２内の流体が所定のレベルを超えるとき、過度の圧力を有する回路からの流体は、シャトル弁１０２と共通のメインリリーフ要素１０４とを介してタンク６４に排出可能である。

直進走行弁１０６は、選択的に左および右走行制御弁５８、６０を互いに一連の関係に再構成し得る。特に、直進走行弁１０６は、中立位置から直進走行位置に向かって移動可能な弁要素１０７を含んでもよい。弁要素１０７が中立位置にあるとき、それぞれ、左および右走行制御弁５８、６０に、第１及び第２の供給源５１、５３からの加圧流体を独立して供給して、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒを別個に制御してもよい。弁要素１０７が直進走行位置にあるとき、左および右走行制御弁５８、６０を直列に連結して、従属移動のために第１の供給源５１のみから加圧流体を受け取ることが可能である。走行命令のみがアクティブである（例えば、作業器具命令がアクティブでない）とき、弁要素１０７は中立位置にあり得る。左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒの負荷が等しくない（すなわち、左履帯４０Ｌが軟らかい地面にあり、一方、右履帯４０Ｒがコンクリートにある）場合、直進走行弁１０６を介した第１及び第２の供給源５１、５３の分離は、第１及び第２の供給源５１、５３からの出力圧力が異なっても、直進走行を可能にし得る。直進走行弁１０６を作動して、作業機械１０の走行中に作業器具制御を補助し得る。例えば、オペレータが、作業機械１０の走行中にブーム制御弁５４を作動した場合、直進走行弁１０６の弁要素１０７は、第１の供給源５１から左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒに加圧流体を供給するために移動可能であり、一方、ブーム制御弁５４は、第２の供給源５３から加圧流体を受け取ることが可能である。ブーム制御弁５４によって使用されない過剰の流体は、直進走行弁１０６と一体の逆止弁を介して、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒに供給することが可能である。

直進走行弁１０６の弁要素１０７が直進走行位置に移動されると、第２の供給源５３からの流体は、第１及び第２の回路５０、５２の両方を通して弁要素１０７を介して略同時に方向付けて、油圧シリンダ２６、３２、３４を駆動し得る。第２の供給源５３からの加圧流体の第２の流れを、第１及び第２の回路５０、５２の両方の油圧シリンダ２６、３２、３４に方向付けることが可能であるが、この理由は、第１の供給源５１からの加圧流体の第１の流れのすべてが、作業機械１０の直進走行中に、左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒによってほぼ完全に消費される可能性があるからである。

コンバイナ弁１０８は、１つ以上の流体アクチュエータの高速移動のために、第１及び第２の共通の供給通路６６、７０からの加圧流体の第１及び第２の流れを組み合わせることが可能である。特に、コンバイナ弁１０８は、中立位置と双方向性の流れ通過位置との間で移動可能な弁要素１１０を含むことが可能である。中立位置にあるとき、第１の回路５０からの流体は、所定値だけ第２の回路５２内の圧力よりも大きい第１の回路５０の圧力に応答して、第２の回路５２内に流れることが可能である。所定値は、スプリングバイアスと関係付けられ、製造工程中に固定され得る。このようにして、右走行又はスティック機能が、第２の供給源５３の出力容量よりも大きな流体流の速度を必要とし、第２の回路５２内の圧力が低下し始めた場合、第１の供給源５１からの流体を弁要素１１０によって第２の回路５２に転じることが可能である。双方向性の流れ通過位置にあるとき、加圧流体の第２の流れは、第１の回路５０に流れて、制御弁５４−５８に方向付けられた加圧流体の第１の流れと組み合わされることが可能である。

油圧制御システム４８はまた、オペレータインタフェース装置４６と連通した制御器１１２と、コンバイナ弁１０８とを含むことが可能であり、また制御弁５４−６３の供給要素及び排出要素と連通している。具体的に、制御器１１２は、通信ライン１１４を介してオペレータインタフェース装置４６と、通信ライン１１６を介してコンバイナ弁１０８と、また追加の通信ライン（図示せず）を介して制御弁５４−６３の供給要素及び排出要素と連通してもよい。制御器１１２は、例えば、第１及び第２の供給源５１、５３、共通のメインリリーフ要素１０４、第１及び第２のバイパス要素９８、１００、直進走行弁１０６などの油圧制御システム４８の他の構成要素、及び油圧制御システム４８のこのような他の構成要素と連通し得ることが考えられる。

制御器１１２は、油圧制御システム４８の操作を制御するための手段を含む単一のマイクロプロセッサ又は多数のマイクロプロセッサであり得る。商業的に入手可能な多数のマイクロプロセッサを、制御器１１２の機能を実行するように構成できる。制御器１１２は、多数の作業機械の機能を制御できる一般的な作業機械のマイクロプロセッサに容易に具体化され得ることを認識すべきである。制御器１１２は、メモリ、二次記憶装置、プロセッサ、及びアプリケーションを実行するための他の任意の構成要素を含んでもよい。電源回路、信号調整回路、ソレノイド駆動回路、及び他の種類の回路などの様々な他の回路を制御器１１２に関連付けてもよい。

インタフェース装置の位置信号、所望の速度、関連の流量、弁要素位置、感度変数、ブースト利得ファクタ、及び／又は油圧シリンダ２６、３２、３４、左走行、右走行、及びスイングモータ４２Ｌ、４２Ｒ、４３の付加特性を関連付ける１つ以上のマップを、制御器１１２のメモリに記憶することが可能である。これらのマップの各々は、表、グラフ、及び／又は式の形態のデータの収集を含んでもよい。一実施例において、所望の速度及び命令された流量は、第１及び第２の室の供給要素を制御するための２次元テーブルの座標軸を形成してもよい。適切な供給要素の所望の速度及び弁要素位置で流体アクチュエータを移動するために必要な命令された流量は、他の別個の２次元マップで、あるいは単一の３次元マップで所望の速度と共に関係付けられてもよい。所望の速度は、単一の２次元マップで弁要素位置に直接関係付けてもよいことも考えられる。制御器１１２は、オペレータがこれらのマップを直接修正すること、及び／又は制御器１１２のメモリに記憶された利用可能な関係マップから特定のマップを選択して、流体アクチュエータの運動に影響を及ぼすことを可能にするように構成されてもよい。マップはまた、作業機械の運転モードに基づき選択可能であり得ることが考えられる。

制御器１１２を、オペレータインタフェース装置４６からの入力を受信し、この入力と、上述の関係マップとに応答して、制御弁５４〜６３の動作を命令するように構成することが可能である。具体的に、制御器１１２は、所望の速度を示すインタフェース装置の位置信号を受信して、制御器１１２のメモリに記憶された選択及び／又は修正された関係マップを参照し、制御弁５４−６２内の供給要素及び排出要素のそれぞれについて、流量値及び／又は関連の位置を決定してもよい。次に、流量又は位置を適切な供給要素及び排出要素に命令して、所望の作業工具速度をもたらす速度で第１又は第２の室の充填を行うことが可能である。

さらに、制御器１１２は、制御弁５４−６３の１つ以上に命令した流量値をスケールダウンして、関連の流体アクチュエータの制御性を改善するように構成可能である。流量をスケールダウンするために使用される入力の１つは、油圧シリンダ２６、３２、３４、左走行モータ、右走行モータ、及びスイングモータ４２Ｌ、４２Ｒ、４３の任意の１つに供給される流体の圧力を含んでもよい。例えば、圧力センサ１１８は、スイングモータ４３に供給される流体の圧力を示す信号を発生するために、スイングモータ４３と関連付けられてもよい（例えば、スイング負荷圧）。制御器１１２は、通信ライン１２０を介して圧力センサ１１８から信号を受信して、以下の式１に従ってスイング力変調ストール圧（例えば、第２の供給源５３が停止する圧力）に対するスイング負荷圧の比率を決定することが可能である。

ここで、
Ｐ_ｒは、圧力比（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒａｔｉｏ）であり、
Ｐ_ｌｏａｄは、スイング負荷圧（Ｓｗｉｎｇ Ｌｏａｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）であり、
Ｐ_ＦＭＳは、スイング力変調ストール圧（Ｓｗｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔａｌｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）である。

制御弁５４−６３に命令した流量値をスケールダウンするために使用される入力の他のものは、感度ファクタβを含んでもよい。特に、制御器１１２は、制御器１１２のメモリに記憶されたマップの１つを参照して、ブーム部材２２の所望の速度に基づく感度ファクタβを決定することが可能である。本実施例において、制御器１１２は、ブーム部材２２の所望の速度を感度ファクタβに関係付ける図３の模範的なマップを参照し得るが、代わりに、他の関係マップを参照して感度ファクタβを決定してもよく、またマップ内に含まれる関係をブーム部材２２と関連付けてもよく、関連付けなくてもよいことが考えられる。

制御器１１２は、上の式１から決定された圧力比Ｐ_ｒと共に感度ファクタβを使用して、以下の式２に従ってスケールファクタＳＦを計算することが可能である。

式２
ＳＦ＝（１−Ｐ_ｒ ^β）
ここで、
ＳＦは、スケールファクタ（Ｓｃａｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）であり、
Ｐ_ｒは、圧力比Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒａｔｉｏであり、
βは感度ファクタ（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）である。

次に、スケールファクタＳＦを以下の式３に従って、スイング制御弁６３に命令した所望の流量（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）に適用することが可能である。

式３
Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}＝Ｑ_ｄｅｓ ^＊ＳＦ、
ここで、
Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}は、スケールされた流量（Ｓｃａｌｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）であり、
Ｑ_ｄｅｓは、所望の流量（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）であり、
ＳＦは、スケールファクタ（Ｓｃａｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）である。

図４に示したように、スケールされた流量（Ｓｃａｌｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）を、スケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}が１つ以上の所定の限度内に留まる場合のみ、スイング制御弁６３に命令することが可能である。特に、図４は、所望の流量Ｑ_ｄｅｓを表す第１の曲線１２２、スケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}を表す第２の曲線１２４、及び最小流量Ｑ_ｍｉｎを表す第３の曲線１２６を含む。スケールが実施され、スケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}が、所望の流量Ｑ_ｄｅｓと最小流量Ｑ_ｍｉｎとの間にある場合、スケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}をスイング制御弁６３に命令することが可能である。さもなければ、所望の流量Ｑ_ｄｅｓ及び最小流量Ｑ_ｍｉｎのより近いものをスイング制御弁６３に命令してもよい。

好ましければ、所望の流量Ｑ_ｄｅｓを上述のスケールの前に増大させて、ブーム部材２２及びフレーム部材３８の旋回運動のタイミングを促進してもよい。特に、所望の流量Ｑ_ｄｅｓをスケールする前に、制御器１１２は、最初に、制御器１１２のメモリに記憶された他のマップを参照して、ブースト利得ファクタＢＧＦを決定してもよい。本実施例において、制御器１１２は、ブーム部材２２の所望の速度をブースト利得ファクタＢＧＦに関係付ける図５の模範的なマップを参照し得るが、代わりに、１つ又は複数の関係の他のマップを参照してブースト利得ファクタＢＧＦを決定してもよいことが考えられる。ブースト利得ファクタＢＧＦは、以下の式４に従ってスケールの前に所望の流量Ｑ_ｄｅｓに適用可能である。

式４
Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}＝（ＢＧＦ^＊Ｑ_ｄｅｓ）^＊ＳＦ
ここで、
Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}は、スケールされた流量（Ｓｃａｌｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）であり、
ＢＧＦは、ブースト利得ファクタ（Ｂｏｏｓｔ Ｇａｉｎ Ｆａｃｔｏｒ）であり、
Ｑ_ｄｅｓは、所望の流量（Ｄｅｓｉｒｅｄ Ｆｌｏｗ Ｒａｔｅ）であり、
ＳＦは、スケールファクタ（Ｓｃａｌｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒ）である。

図５に示したように、ブースト利得ファクタＢＧＦは、低い値の所望のブーム速度における所望の流量Ｑ_ｄｅｓを超えて流量を増大させるように機能することが可能である。具体的に、最高ブーム速度の約９０％未満のブーム部材２２の所望の速度において、ブースト利得ファクタＢＧＦは、所望の流量Ｑ_ｄｅｓを超えて流量を増大させることが可能である。

図６は、油圧制御システム４８を操作する模範的な方法を例示している。開示したシステム及びその操作をさらに例示するために、図６について次のセクションで説明する。

開示した油圧制御システムは、変化する負荷及び動作モード下で速度予測可能性が望まれる複数の流体アクチュエータを含む任意の作業機械に適応可能であり得る。開示した油圧制御システムは、アクチュエータに供給された流体の圧力及び同一のシステム内の他の流体アクチュエータの動作に基づき、任意の単一の油圧アクチュエータに命令した加圧流体の流量をスケールダウンすることによってオペレータ制御を向上し得る。次に、油圧制御システム４８の動作について説明する。

作業機械１０の動作中、作業機械のオペレータは、オペレータインタフェース装置４６を操作して、作業工具１４の移動を生じさせることが可能である。オペレータインタフェース装置４６の作動位置は、作業工具１４及び／又は作業機械１０のオペレータが期待又は望む速度に関連付けられてもよい。オペレータインタフェース装置４６は、操縦中にオペレータの期待又は望む速度を示す位置信号を生成して、この位置信号を制御器１１２に送信することが可能である。

制御器１１２は、油圧シリンダ２６、３２、３４及び左および右走行モータ４２Ｌ、４２Ｒの動作中に入力を受信して、入力に基づき決定してもよい。具体的に、制御器１１２は、オペレータインタフェース装置の位置信号を受信して、油圧制御システム４８内のそれぞれの流体アクチュエータの所望の速度、及び対応する流量を決定してもよい。次に、これらの対応する流量を、アクチュエータ制御弁５４−６３に命令して、所望の速度で関連の流体アクチュエータを移動させてもよい。

作業機械１０の動作中、リンケージシステム１２の部材の移動が制限される状態があり得る。例えば、フレーム部材３８が下部走行体部材３９に対し垂直軸４１を中心にスイングされるとき、ブーム部材２２、スティック部材２８、又はバケット１４のいずれか１つが、障害物と接触する可能性がある。障害に接触すると、スイングモータ４３に供給された流体の圧力が急に上昇する可能性がある。さらに、スイング運動の開始中、フレーム部材３８、オペレータステーション２０、及び連結された作業器具システム１２と関連する慣性は、スイングモータ４３に供給された流体の圧力の急激な上昇も引き起こす可能性がある。点検されないままであると、この圧力上昇は、最高圧力閾値を急速に超える程度に十分に急激であることがあり、スイング運動の力又は速度を変調するオペレータの能力を失わせる。さらに、第２の供給源５３からの加圧流体の第２の流れは、第２の回路５２内の単一の最高圧力に基づき調整されるので、第２の供給源５３の出力は、圧力の急激な上昇に反応して急速に低下する可能性がある。この出力低下は、第２の供給源５３から加圧流体を受け取る残りの流体アクチュエータの速度を低下させることがあり、望ましくない。

作業器具システム１２の流体アクチュエータの移動に対する精密な制御性を提供するために、また限定された移動の状態の間に又は高い慣性の構成要素の初期移動の間に予測可能な速度変調を提供するために、アクチュエータ制御弁５４−６３に命令された流量を、図６のフローチャートに示した模範的な方法に従ってスケールダウンしてもよい。図６に示したように、スケールダウンされた流量を命令する第１のステップは、所望のスイング速度を受信して（ステップ２００）、対応する所望の流量Ｑ_ｄｅｓを決定する（ステップ２１０）制御器１１２を含むことが可能である。所望のスイング速度は、オペレータ入力装置４６を介して受信可能であり、一方、対応する所望の流量は、所望の速度を制御器１１２のメモリ内に記憶された関係マップの１つと参照することによって決定可能である。

ステップ２００と同時に、その前に、又はそれに続き、制御器１１２は、ブーム部材２２の所望の速度を受信して（ステップ２２０）、ブーストが好ましい場合にブースト利得ファクタＢＧＦを、及び感度ファクタβを決定する（ステップ２３０）ことが可能である。ブースト利得ファクタＢＧＦは、ブーム部材２２の所望の速度を最高ブーム速度と比較し、図５の利得ブースト（Ｇａｉｎ Ｂｏｏｓｔ）テーブルとの比較を参照することによって決定可能である。感度ファクタβは、図３の感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）テーブルとの同一の比較を参照することによって決定可能である。ブースト利得ファクタＢＧＦを決定した後、制御器１１２は、ブースト利得ファクタＢＧＦを所望の流量Ｑ_ｄｅｓに適用して、増大された所望の流量ＢＧＦ^＊Ｑ_ｄｅｓを決定してもよい（ステップ２４０）。

ステップ２００と同時に、その前に、又はそれに続き、制御器１１２は、スイングモータ４３と関連付けられたスイング圧力を監視する（ステップ２５０）ことが可能である。連続的に又は制御器１１２によって誘発されたときにのみ、スイングモータ４３と関連する圧力を圧力センサ１１８を介して監視してもよいことが考えられる。次に、監視された圧力を使用して、上述の式１に従って圧力比Ｐ_ｒを計算してもよい（ステップ２６０）。圧力比Ｐ_ｒを決定した後、スケールファクタＳＦは、上の式２に従って計算してもよい（ステップ２７０）。

スケールファクタＳＦが計算されると、最後のスケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}を、上の式４に従って決定されて（ステップ２８０）、スイング制御弁６３に命令されてもよい。しかし、図４に示したように、１つ以上の制限が最後のスケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}の適用に影響を及ぼす可能性がある。具体的に、制御器は、最後のスケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}（図４の曲線１２４によって表示）が、元の所望の流量Ｑ_ｄｅｓ（曲線１２２によって表示）を超えるか、あるいは最小限度の流量Ｑ_ｍｉｎ（曲線１２６によって表示）未満であるかどうかを決定してもよい（ステップ２９０）。最後のスケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}が元の所望の流量Ｑ_ｄｅｓを超えた場合、代わりに、元の所望の流量Ｑ_ｄｅｓをスイング制御弁６３に命令してもよい（ステップ３００）。同様に、最後のスケールされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}が最小限度の流量Ｑ_ｍｉｎ未満である場合、代わりに、最小限度の流量Ｑ_ｍｉｎをスイング制御弁６３に命令してもよい（ステップ３１０）。

油圧制御システム４８の制御方法及びハードウェアは、作業機械１０の効率を高めることが可能である。具体的に、第１の供給源５１の容量を超える流量を必要とするブーム動作中、第２の供給源５３からの過剰の流れを第１の回路５０に転じてもよい。過剰の流れのこの方向転換中、スイングモータ４３のスケールダウンされた流量Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}を超える第２の供給源５３の任意の流れ容量は、ブーム部材２２を移動するために利用可能にされ得る。第２の供給源５３の余剰容量は、スイングモータ４３の圧力を制御する手段として浪費されるよりも、むしろ第１の回路５０の流体アクチュエータに利用可能であるので、作業機械１０の効率を高めることが可能である。

スイングモータ４３に供給される流体の流量は、圧力に従ってスケールダウン可能であるので、作業機械１０のスイング運動に対する制御性を強化し得る。特に、スイングモータ４３に供給される流体の圧力が第２の供給源５３のストール圧に接近するとき、スイングモータ４３に供給される流体の流量がますます低減される。流量のこの低減は、スイングモータ４３に供給される圧力が増加する期間を延長させることが可能であり、これによって、作業機械１０のオペレータは、スイングモータ４３の動作に対する変調を延長して行うことが可能である。

さらに、制御器１１２のスケール機能は電子的に実施し得るので、油圧システム４８の強化された調整がコスト低減して利用可能であり得る。具体的に、ハードウェアの変更に関連する出費及び時間をかけずに、感度ファクタβ、ブースト利得ファクタＢＧＦ、制御器１１２のメモリ内に記憶された様々な関係マップを修正及び／又は置換して、異なる操作状態に対応することが可能である。

開示した油圧制御システムに様々な修正及び変形を行うことができることが、当業者には明らかであろう。開示した油圧制御システムの説明と実施を考慮することにより、他の実施形態が当業者には明白であろう。説明及び実施例は模範的なものに過ぎないと考えられ、真の範囲は、次の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって示されることが意図される。

開示される模範的な作業機械の概略側面図である。 図１の作業機械用の開示される模範的な油圧制御システムの概略図である。 図２の油圧制御システム用の開示される模範的な関係を示したグラフである。 図２の油圧制御システム用の開示される他の模範的な関係を示したグラフである。 図２の油圧制御システム用の開示される他の模範的な関係を示したグラフである。 図２の制御システムを作動する開示される模範的な方法を示したフローチャートである。

符号の説明

１０ 作業機械
１２ 作業器具システム
１４ 作業工具
１６ 駆動システム
１８ 動力源
２０ オペレータステーション
２２ ブーム部材
２４ 作業面
２６ 油圧シリンダ
２８ スティック部材
３０ 軸
３２ 油圧シリンダ
３４ 油圧シリンダ
３６ 旋回軸
３８ フレーム部材
３９ 下部走行体部材
４０Ｌ 左履帯
４０Ｒ 右履帯
４１ 垂直軸
４２Ｌ 左走行モータ
４２Ｒ 右走行モータ
４３ スイングモータ
４６ オペレータインタフェース装置
４８ 油圧制御システム
５０ 第１の回路
５１ 第１の供給源
５２ 第２の回路
５３ 第２の供給源
５４ ブーム制御弁
５６ バケット制御弁
５８ 左走行制御弁
６０ 右走行制御弁
６２ スティック制御弁
６３ スイング制御弁
６４ タンク
６６ 第１の共通供給通路
６８ 第１の共通排出通路
７０ 第２の共通供給通路
７２ 第２の共通排出通路
７４ 流体通路
７６ 流体通路
７８ 流体通路
８０ 流体通路
８２ 流体通路
８４ 流体通路
８６ 流体通路
８８ 流体通路
８９ 流体通路
９０ 流体通路
９２ 流体通路
９３ 流体通路
９４ 逆止弁要素
９６ 共通フィルタ
９８ 第１のバイパス要素
１００ 第２のバイパス要素
１０２ シャトル弁
１０４ 共通のメインリリーフ要素
１０６ 直進走行弁
１０７ 弁要素（直進走行弁）
１０８ コンバイナ弁
１１０ 弁要素（コンバイナ弁）
１１２ 制御器
１１４ 通信ライン
１１６ 通信ライン
１１８ 圧力センサ
１２０ 通信ライン
１２２ 第１の曲線
１２４ 第２の曲線
１２６ 第３の曲線
２００ ステップ：所望のスイング速度の受信
２１０ ステップ：Ｑ_ｄｅｓの決定及び過負荷の感知
２２０ ステップ：所望のブーム速度の受信
２３０ ステップ：ＢＧＦ及びβの決定
２４０ ステップ：ＢＧＦ＊Ｑ_ｄｅｓの決定
２５０ ステップ：スイング圧力の監視
２６０ ステップ：Ｐ_ｒの決定
２７０ ステップ：ＳＦの決定
２８０ ステップ：Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}の決定
２９０ ステップ：Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}は限度内か？
３００ ステップ：Ｑ_{ｓｃａｌｅｄ}の実施
３１０ ステップ：限度の実施

Claims (5)

1. 流体アクチュエータと、
   加圧流体供給部と、
   加圧流体を供給部から流体アクチュエータに選択的に通過させるように移動可能な制御弁と、
   流体アクチュエータに通過させた加圧流体の圧力を感知するように構成されたセンサと、
   制御弁とセンサとに連通する制御器と
   を備えた油圧制御システムであって、制御器が、
   流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を受信し、
   所望の速度に対応する流体流量を決定し、
   供給部のストール圧に対する感知された圧力の比率を決定し、
   決定された比率に基づく量だけ、決定された流量をスケールダウンし、
   スケールダウンされた流量に対応する量だけ、制御弁を移動するように構成される、油圧制御システム。
2. 流体アクチュエータが第１の流体アクチュエータであり、
   油圧制御システムが第２の流体アクチュエータをさらに含み、
   制御器が、第２の流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を受信するようにさらに構成され、
   スケールダウンされた量が、第２の流体アクチュエータの所望の速度を示す入力にさらに基づく、請求項１に記載の油圧制御システム。
3. 制御器が、第２の流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を感度変数に関係付けるマップを記憶させたメモリを含み、
   スケールダウンされた量が、圧力比と感度変数との指数関数である、請求項２に記載の油圧制御システム。
4. 油圧システムを作動する方法であって、
   流体を加圧するステップと、
   加圧流体を流体アクチュエータに方向付けるステップと、
   流体アクチュエータに方向付けられた流体の圧力を感知するステップと、
   流体アクチュエータの所望の速度を示す入力を受信するステップと、
   所望の速度に対応する流体流量を決定するステップと、
   ストール圧に対する感知された圧力の比率を決定するステップと、
   決定された比率に基づく量だけ、決定された流量をスケールダウンするステップと、
   スケールダウンされた流量に対応する量だけ、流体アクチュエータに関連付けられた制御弁を移動するステップと
   を含む方法。
5. 作業機械であって、
   フレーム部材と、
   下部走行体部材と、
   下部走行体部材に対しフレーム部材をスイングさせるために動作的に連結された油圧モータと、
   第１の加圧流体供給部と、
   加圧流体を第１の供給部から油圧モータに選択的に通過させるように移動可能な第１の制御弁と、
   フレーム部材に旋回可能に連結されるブーム部材と、
   ブーム部材をフレーム部材に対し旋回させるように構成された油圧シリンダと、
   第２の加圧流体供給部と、
   加圧流体を第２の供給部から油圧シリンダに選択的に通過させるように移動可能な第２の制御弁と、
   油圧モータに通過された加圧流体の圧力を感知するように構成されたセンサと、
   第１の制御弁と、第２の制御弁と、センサとに連通する制御器と
   を備え、制御器が、
   油圧モータの所望の速度を示す入力を受信し、
   所望の速度に対応する流体流量を決定し、
   第１の供給部のストール圧に対する感知された圧力の比率を決定し、
   油圧シリンダの所望の速度を示す入力を受信し、
   決定された比率と、油圧シリンダの所望の速度を示す入力とに基づく量だけ、決定された流量をスケールダウンし、
   スケールダウンされた流量に対応する量だけ、第１の制御弁を移動するように構成される、作業機械。

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