JP5337517B2

JP5337517B2 - 油圧ポンプの制御装置

Info

Publication number: JP5337517B2
Application number: JP2009026993A
Authority: JP
Inventors: 徳夫村手
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: JP2010180840A

Description

本発明は、油圧ポンプの制御装置に関し、詳しくは、ディーゼルエンジンで駆動される油圧ポンプの制御装置に関する。

建設機械などに設けられている油圧ユニットでは、一般に、搭載したディーゼルエンジンで複数の油圧ポンプを駆動するようにしている。このような油圧ユニットでは、油圧ポンプの必要動力がエンジン出力を超えないように油圧ポンプの出力を抑制する制御が行われている。しかしながら、基準となるエンジン出力が、ＪＩＳで定められた吸気温度が２５℃の値を用いているため、夏場など、吸気温度が高いときにはエンジン出力が低下し、油圧ポンプの必要動力がエンジン出力を上回り、エンジンが停止してしまうことがあった。

このため、大気温度を検出し、大気温度が一定の判定温度より低温のときは大気温度に影響されないポンプ出力トルク及びエンジン回転数を維持し、大気温度が判定温度より高温のときは大気温度と判定温度との間の温度偏差に応じて少なくともポンプ出力トルクを低下させる制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−２６６８８１号公報

特許文献１に記載された制御方法は、大気温度の上昇に伴ってポンプ出力トルクを連続的に低下させるようにしているため、大気温度が上昇したときでもエンジン出力を効果的に利用できるという利点は有しているものの、大気温度だけではなく、エンジンの状態なども含めた複雑な処理手順を採用しているため、構成が複雑になり、コストアップを招くだけでなく、メンテナンスも面倒なものとなっていた。

そこで本発明は、簡単な構成で高温時のエンジンの負担を軽減することができる油圧ポンプの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の油圧ポンプの制御装置は、１台のディーゼルエンジンによって２台の可変容量型の油圧ポンプ及び１台の固定容量型のパイロット用油圧ポンプを駆動する油圧ユニットにおける前記両可変容量型の油圧ポンプの馬力を調整する油圧ポンプの制御装置において、外気温を測定する温度センサと、該温度センサで測定した温度に基づいて前記油圧ポンプの馬力を自動的に低減する馬力低減手段とを備え、前記可変容量型の油圧ポンプは、パイロット油圧の変化に応じて作動するサーボピストンによって前記可変容量型の油圧ポンプ内の斜板又は斜軸の傾転角を変化させることによってプランジャのストロークを変化させることで、馬力が制御できるように形成され、前記サーボピストンは、相対的に受圧面積が大きい大径部と、相対的に受圧面積が小さい小径部とを有し、前記小径部には、対応する前記可変容量型の油圧ポンプの吐出側経路から分岐した吐出圧がそれぞれ作用し、前記大径部には、制御弁を介して前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧がそれぞれ作用するように形成され、前記サーボピストンの制御弁は、スプールの一端に作用する制御バネの付勢力と、スプールの他端に作用する制御ピストンの作用圧とによってスプールを軸線方向に移動させることで前記サーボピストンを作動させるもので、前記制御バネの付勢力と前記制御ピストンの作用圧とが均衡しているときは、前記スプールは中立位置にあり、前記制御バネの付勢力が前記制御ピストンの作用圧を上回ると、前記スプールが前記制御ピストンの方向に移動し、前記可変容量型の油圧ポンプにおけるポンプ１回転当たりの吐出流量が多くなり、一方、前記制御ピストンの作用圧が前記制御バネの付勢力を上回ると、前記スプールが前記制御バネの方向に移動し、前記可変容量型の油圧ポンプにおけるポンプ１回転当たりの吐出流量が少なくなり、前記制御ピストンの作用圧は、各可変容量型の油圧ポンプの吐出圧と、パイロット用油圧ポンプからパイロット経路を介して供給され、電磁比例減圧弁により所定圧力に減圧されたパイロット油圧とによって設定され、前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が設定圧力より低いときは、前記制御ピストンの作用圧が低下し、前記制御バネの付勢力によって前記スプールが前記制御ピストンの方向に移動し、前記小径部内の圧力が相対的に高くなって前記サーボピストンが前記大径部側に移動することで前記可変容量型の油圧ポンプの吐出流量が多くなり、逆に、前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が設定圧力より高くなったとき、あるいは、前記電磁比例減圧弁からのパイロット油圧が高くなったときは、前記制御ピストンにより押圧されることで前記スプールが前記制御バネの方向に移動し、前記大径部内の圧力が相対的に高くなって前記サーボピストンが前記小径部側に移動することで前記可変容量型の油圧ポンプの吐出流量が少なくなり、前記馬力低減手段は、前記温度センサで測定した温度に基づいて自動的に前記電磁比例制御弁の制御電流を段階的に変化させて前記油圧ポンプの馬力を変更するための自動制御部を備え、該自動制御部は、前記温度センサで測定した温度があらかじめ設定した第１設定温度以下のときには、前記油圧ポンプの馬力を定格馬力とし、前記温度センサで測定した温度が前記第１設定温度を超えたときには、前記油圧ポンプの馬力を前記第１低減設定馬力とし、前記温度センサで測定した温度が前記第１設定温度より高い温度にあらかじめ設定された第２設定温度を超えたときには、前記油圧ポンプの馬力を前記第２低減設定馬力とすることを特徴としている。

さらに、本発明の油圧ポンプの制御装置は、前記馬力低減手段に、前記可変容量型の油圧ポンプの馬力を、前記定格馬力と、前記第１低減設定馬力と、前記第２低減設定馬力とに切り替える手動切替スイッチを備えている特徴としている。

本発明の油圧ポンプの制御装置によれば、油圧ポンプの馬力を、定格馬力、第１低減設定馬力及び第２低減設定馬力の３段階に切り替えるだけで、高温時におけるエンジンの負担を軽減することができ、装置構成を大幅に簡略化することができるので、装置コストの低減を図れるだけでなく、メンテナンスも容易に行うことができる。さらに、手動切替スイッチを設けることにより、高温時だけでなく、作業場所の条件やエンジンの状態などに応じてオペレーターが油圧ポンプの馬力を低減することができるので、エンジンが停止して作業が中断するといったトラブルの発生をより確実に回避することができる。

本発明の油圧ポンプの制御装置を適用した一形態例を示す油圧回路図である。手動切替スイッチによる制御電流の切り替え例を示す図である。自動制御部による制御電流の切り替え例を示す図である。制御電流と電磁比例減圧弁の２次圧力との関係を示す図である。油圧ポンプにおける馬力低減制御の一例を示す吐出圧力と吐出流量との関係を示す図である。

本形態例に示す油圧ポンプの制御装置は、ディーゼルエンジン１１によって２台の可変容量型の油圧ポンプ（Ｐ_１，Ｐ_２）２１，２１及び１台の固定容量型のパイロット用油圧ポンプ（Ｐ３）３１を駆動する油圧ユニット１２における前記両油圧ポンプ２１の馬力を調整するためのものであって、外気温を測定する温度センサ１３と、該温度センサ１３で測定した温度に基づいて前記油圧ポンプ２１の馬力を自動的に低減する馬力低減手段（コントローラ）１４とを備えている。ディーゼルエンジン１１は、一般的な燃料噴射機構、ターボ機構、インタークーラーなどを備えたものであって、ガバナによって燃料噴射機構からの燃料噴射量を制御することによって回転数が調節される。

可変容量型の油圧ポンプ２１は、パイロット油圧の変化に応じて作動するサーボピストン２２によって油圧ポンプ２１内の斜板又は斜軸の傾転角２１ａを変化させることによってプランジャのストロークを変化させ、ストロークを変化させることでポンプ１回転当たりの吐出流量を変化させる形式のポンプが用いられており、サーボピストン２２に作用するパイロット油圧の圧力を調節することによって油圧ポンプ２１の馬力を制御できるように形成されている。

サーボピストン２２は、相対的に受圧面積が大きい大径部２２ａと、相対的に受圧面積が小さい小径部２２ｂとを有している。小径部２２ｂには、対応する油圧ポンプ２１の吐出側経路２１ｂから分岐した吐出圧がそれぞれ作用しており、大径部２２ａには、制御弁２３を介して油圧ポンプ２１の吐出圧がそれぞれ作用するように形成されている。

制御弁２３は、スプール２３ａの一端に作用する制御バネ２３ｂの付勢力と、スプール２３ａの他端に作用する制御ピストン２３ｃの作用圧とによってスプール２３ａを図１において左右方向に移動させることで前記サーボピストン２２を作動させるものであり、制御バネ２３ｂの付勢力と制御ピストン２３ｃの作用圧とが均衡しているときには、スプール２３ａが図１に示す中立位置にあってサーボピストン２２は移動せず、油圧ポンプ２１の傾転角２１ａがそのまま保持される。

また、制御バネ２３ｂの付勢力が制御ピストン２３ｃの作用圧を上回ると、スプール２３ａが制御ピストン２３ｃの方向に向かって移動し、スプール２３ａの排出通路２３ｄを介して前記大径部２２ａとタンク２４とを連通させることにより、大径部２２ａ内の圧力が低下し、小径部２２ｂの圧力に作用する油圧ポンプ２１の圧力でサーボピストン２２が大径部２２ａの方向、すなわち、油圧ポンプ２１の傾転角２１ａを増大させる方向に移動し、傾転角２１ａが増大することによって油圧ポンプ２１におけるポンプ１回転当たりの吐出流量が多くなる。

一方、制御ピストン２３ｃの作用圧が制御バネ２３ｂの付勢力を上回ると、スプール２３ａが制御バネ２３ｂの方向に向かって移動し、スプール２３ａの流入通路２３ｅを介して前記大径部２２ａが油圧ポンプ２１の吐出側経路２１ｂに連通することにより、大径部２２ａ内に油圧ポンプ２１からの吐出圧が作用し、小径部２２ｂからサーボピストン２２に作用する圧力に比べて大径部２２ａからサーボピストン２２に作用する圧力が高くなり、大径部２２ａ内の圧力の作用でサーボピストン２２が小径部２２ｂの方向、すなわち、油圧ポンプ２１の傾転角２１ａを減少させる方向に移動し、傾転角２１ａが減少することによって油圧ポンプ２１におけるポンプ１回転当たりの吐出流量が少なくなる。

前記制御ピストン２３ｃの作用圧は、各油圧ポンプ２１の吐出圧と、パイロット用油圧ポンプ３１からパイロット経路３２を介して供給され、電磁比例減圧弁３３により所定圧力に減圧されたパイロット油圧とによって設定される。すなわち、油圧ポンプ２１の吐出圧が設定圧力より低いときには、制御ピストン２３ｃの作用圧が低下することから、制御バネ２３ｂの付勢力によってスプール２３ａが制御ピストン２３ｃの方向に移動し、小径部２２ｂ内の圧力が相対的に高くなってサーボピストン２２が大径部２２ａ側に移動することで油圧ポンプ２１の傾転角２１ａが増大して吐出流量が多くなる。

逆に、油圧ポンプ２１の吐出圧が設定圧力より高くなったとき、あるいは、電磁比例減圧弁３３からのパイロット油圧が高くなったときには、制御ピストン２３ｃにより押圧されることでスプール２３ａが制御バネ２３ｂの方向に移動し、大径部２２ａ内の圧力が相対的に高くなってサーボピストン２２が小径部２２ｂ側に移動することで油圧ポンプ２１の傾転角２１ａが減少して吐出流量が少なくなる。

そして、本形態例に示す電磁比例減圧弁３３には、該電磁比例減圧弁３３の制御電流を段階的に変化させることにより、前記制御弁２３，サーボピストン２２を介して油圧ポンプ２１の馬力を段階的に低減させるための前記馬力低減手段１４が設けられている。この馬力低減手段１４は、温度センサ１３で測定した温度に基づいて自動的に電磁比例減圧弁３３の制御電流を自動的に段階的に変化させる自動制御部１４ａと、電磁比例減圧弁３３の制御電流を手動で段階的に変化させる手動切替スイッチ１４ｂとを備えている。

手動切替スイッチ１４ｂは、ロータリースイッチ１４ｃにより、制御電源回路１５に設けた抵抗（ボリューム）１５ａの抵抗値を変化させることによって電磁比例減圧弁３３への制御電流を３段階に切り替えるものであり、図２に示すように、制御電流が最も低い定格馬力設定電流Ａ０と、該定格馬力設定電流Ａ０に対して制御電流を一段階高くした第１低減設定馬力設定電流Ａ１と、該第１低減設定馬力設定電流Ａ１に対して一段階、前記定格馬力設定電流Ａ０に対して制御電流を二段階高くした第２低減設定馬力設定電流Ａ２との３段階の位置に切り替えられるように形成されている。

また、自動制御部１４ａでは、電磁比例減圧弁３３への制御電流を、例えば図３に示すように、前記温度センサ１３で測定した温度があらかじめ設定した第１設定温度である２０℃以下のときに制御電流が最も低くなる定格馬力設定電流Ａ０と、温度センサ１３で測定した温度が第１設定温度である２０℃を超えて第２設定温度である３０℃以下のときに制御電流が前記定格馬力設定電流Ａ０に対して一段階高くなる第１低減設定馬力設定電流Ａ１と、温度センサ１３で測定した温度が第２設定温度である３０℃を超えたときに制御電流が前記定格馬力設定電流Ａ０に対して二段階高くなる第２低減設定馬力設定電流Ａ２との３段階に自動的に切り替えるように形成されている。

このように、自動制御部１４ａや手動切替スイッチ１４ｂによって電磁比例減圧弁３３への制御電流を変化させることにより、図４に示すように、電磁比例減圧弁３３の２次圧力（パイロット油圧）を、定格馬力設定電流Ａ０のときに定格馬力指令値Ｐ０，第１低減設定馬力設定電流Ａ１のときに第１低減設定馬力指令値Ｐ１、第２低減設定馬力設定電流Ａ２のときに第２低減設定馬力指令値Ｐ２の三段階に変化させることができる。

したがって、図５に示すように、電磁比例減圧弁３３の２次圧力が最も低い定格馬力指令値Ｐ０では、各油圧ポンプ２１の馬力低減制御を行わず、制御弁２３における制御バネ２３ｂの付勢力と、各油圧ポンプ２１の吐出圧と電磁比例減圧弁３３からのパイロット油圧との作用によって各油圧ポンプ２１が定格馬力ＨＰ０で運転される。

また、電磁比例減圧弁３３の２次圧力が一段階上昇した第１低減設定馬力指令値Ｐ１になると、パイロット油圧が高くなることにより、スプール２３ａを制御バネ２３ｂの方向へ押圧する制御ピストン２３ｃの作用圧が高くなっているため、油圧ポンプ２１の吐出圧が、定格馬力で運転したときの圧力ＰＰ０に対してあらかじめ一段階低く設定した第１低減圧力ＰＰ１以上に上昇したときに、制御ピストン２３ｃの作用でスプール２３ａを制御バネ２３ｂの方向へ移動させることにより、サーボピストン２２を小径部２２ｂ側に移動させ、油圧ポンプ２１の傾転角２１ａを減少させて油圧ポンプ２１のポンプ１回転当たりの吐出流量を少なくし、各油圧ポンプ２１を第１低減設定馬力ＨＰ１で運転する。

同様に、電磁比例減圧弁３３の２次圧力が二段階上昇した第２低減設定馬力指令値Ｐ２になると、パイロット油圧が更に高くなることにより、スプール２３ａを小径部２２ｂ側へ押圧する圧力が更に上昇するため、油圧ポンプ２１の吐出圧が、定格馬力で運転したときの圧力ＰＰ０に対してあらかじめ二段階低く設定した第２低減圧力ＰＰ２以上に上昇したときに、スプール２３ａが制御バネ２３ｂの方向に移動することにより、サーボピストン２２を小径部２２ｂ側に移動させ、油圧ポンプ２１の傾転角２１ａを減少させて油圧ポンプ２１のポンプ１回転当たりの吐出流量を更に少なくし、各油圧ポンプ２１を第２低減設定馬力ＨＰ２で運転する。

このように、電磁比例減圧弁３３の制御電流を三段階に変化させて油圧ポンプ２１の吐出圧と吐出流量との関係を三段階に変化させる馬力制御を行い、外気温が比較的低く、ディーゼルエンジン１１が正常に運転可能なとき，例えば２０℃以下の場合には油圧ポンプ２１を定格馬力ＨＰ０で運転し、ディーゼルエンジン１１及び油圧ポンプ２１の能力を十分に活かした状態で作業を行い、外気温が高く、２０℃を超えて３０℃以下の範囲になった場合には、温度センサ１３からの信号に基づいて自動制御部１４ａが自動的に作動して、あるいは、温度センサ１３で測定した温度の表示に基づいて手動切替スイッチ１４ｂにて、油圧ポンプ２１の馬力をあらかじめ設定した第１の低減率で低減した馬力、例えば定格馬力に対して１０％低減した第１低減設定馬力ＨＰ１で運転することにより、ディーゼルエンジン１１の吸気温度や周辺温度の上昇によってエンジン出力が低下するおそれがある場合でも、エンジンが停止したりすることを回避して所定の作業を継続することができる。さらに、外気温が３０℃を超える高温になった場合は、油圧ポンプ２１の馬力をあらかじめ設定した第２の低減率、例えば定格馬力に対して２０％低減した第２低減設定馬力ＨＰ２で運転することにより、作業性を大きく損なうことなく、ディーゼルエンジン１１の負担を軽減することができる。

また、本形態例に示すように、手動切替スイッチ１４ｂを設けることにより、外気温が低い場合でも、長時間の高負荷運転によってディーゼルエンジン１１の温度が上昇する傾向にあるときには、手動切替スイッチ１４ｂによって油圧ポンプ２１の馬力を第１低減設定馬力あるいは第２低減設定馬力に低減させて運転することにより、エンジン停止による作業中断を回避することができる。

このように、油圧ポンプの馬力を低減する制御を連続的に行わずに、複数段階に設定して行うことにより、簡単な装置構成で確実な効果を得ることができ、信頼性も向上させることができる。また、機器の製造コストの上昇を抑えながら大きな効果を期待でき、メンテナンスに要するコストも低減できる。

なお、馬力低減手段は、温度センサで測定した温度に基づいて自動的に油圧ポンプの馬力を低減させる自動制御部と、手動で油圧ポンプの馬力を低減させる手動切替スイッチとの両者を備えることが望ましいが、いずれか一方のみを配置するようにしてもよい。また、油圧ポンプの設置台数は任意である。さらに、自動制御部における外気温と制御電流との関係、手動切替スイッチにおける制御電流は、ディーゼルエンジンや油圧回路、電磁比例減圧弁などの各種条件に応じて適宜に設定することができる。また、馬力の低減を２段階以上にすることも可能であるが、構成が複雑になるおそれがあるので、２段階が好ましい。

１１…ディーゼルエンジン、１２…油圧ユニット、１３…温度センサ、１４…馬力低減手段、１４ａ…自動制御部、１４ｂ…手動切替スイッチ、１４ｃ…ロータリースイッチ、１５…制御電源回路、１５ａ…抵抗、２１…油圧ポンプ、２１ａ…傾転角、２１ｂ…吐出側経路、２２…サーボピストン、２２ａ…大径部、２２ｂ…小径部、２３…制御弁、２３ａ…スプール、２３ｂ…制御バネ、２３ｃ…制御ピストン、２３ｄ…排出通路、２３ｅ…流入通路、２４…タンク、３１…パイロット用油圧ポンプ、３２…パイロット経路、３３…電磁比例減圧弁

Claims

１台のディーゼルエンジンによって２台の可変容量型の油圧ポンプ及び１台の固定容量型のパイロット用油圧ポンプを駆動する油圧ユニットにおける前記両可変容量型の油圧ポンプの馬力を調整する油圧ポンプの制御装置において、
外気温を測定する温度センサと、該温度センサで測定した温度に基づいて前記油圧ポンプの馬力を自動的に低減する馬力低減手段とを備え、
前記可変容量型の油圧ポンプは、パイロット油圧の変化に応じて作動するサーボピストンによって前記可変容量型の油圧ポンプ内の斜板又は斜軸の傾転角を変化させることによってプランジャのストロークを変化させることで、馬力が制御できるように形成され、
前記サーボピストンは、相対的に受圧面積が大きい大径部と、相対的に受圧面積が小さい小径部とを有し、前記小径部には、対応する前記可変容量型の油圧ポンプの吐出側経路から分岐した吐出圧がそれぞれ作用し、前記大径部には、制御弁を介して前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧がそれぞれ作用するように形成され、
前記サーボピストンの制御弁は、スプールの一端に作用する制御バネの付勢力と、スプールの他端に作用する制御ピストンの作用圧とによってスプールを軸線方向に移動させることで前記サーボピストンを作動させるもので、前記制御バネの付勢力と前記制御ピストンの作用圧とが均衡しているときは、前記スプールは中立位置にあり、
前記制御バネの付勢力が前記制御ピストンの作用圧を上回ると、前記スプールが前記制御ピストンの方向に移動し、前記可変容量型の油圧ポンプにおけるポンプ１回転当たりの吐出流量が多くなり、
一方、前記制御ピストンの作用圧が前記制御バネの付勢力を上回ると、前記スプールが前記制御バネの方向に移動し、前記可変容量型の油圧ポンプにおけるポンプ１回転当たりの吐出流量が少なくなり、
前記制御ピストンの作用圧は、各可変容量型の油圧ポンプの吐出圧と、パイロット用油圧ポンプからパイロット経路を介して供給され、電磁比例減圧弁により所定圧力に減圧されたパイロット油圧とによって設定され、前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が設定圧力より低いときは、前記制御ピストンの作用圧が低下し、前記制御バネの付勢力によって前記スプールが前記制御ピストンの方向に移動し、前記小径部内の圧力が相対的に高くなって前記サーボピストンが前記大径部側に移動することで前記可変容量型の油圧ポンプの吐出流量が多くなり、
逆に、前記可変容量型の油圧ポンプの吐出圧が設定圧力より高くなったとき、あるいは、前記電磁比例減圧弁からのパイロット油圧が高くなったときは、前記制御ピストンにより押圧されることで前記スプールが前記制御バネの方向に移動し、前記大径部内の圧力が相対的に高くなって前記サーボピストンが前記小径部側に移動することで前記可変容量型の油圧ポンプの吐出流量が少なくなり、
前記馬力低減手段は、前記温度センサで測定した温度に基づいて自動的に前記電磁比例制御弁の制御電流を段階的に変化させて前記油圧ポンプの馬力を変更するための自動制御部を備え、
該自動制御部は、前記温度センサで測定した温度があらかじめ設定した第１設定温度以下のときには、前記油圧ポンプの馬力を定格馬力とし、前記温度センサで測定した温度が前記第１設定温度を超えたときには、前記油圧ポンプの馬力を前記第１低減設定馬力とし、
前記温度センサで測定した温度が前記第１設定温度より高い温度にあらかじめ設定された第２設定温度を超えたときには、前記油圧ポンプの馬力を前記第２低減設定馬力とする
ことを特徴とする油圧ポンプの制御装置。
前記馬力低減手段は、前記可変容量型の油圧ポンプの馬力を、前記定格馬力と、前記第１低減設定馬力と、前記第２低減設定馬力とに切り替える手動切替スイッチを備えていることを特徴とする請求項１記載の油圧ポンプの制御装置。