JP6695123B2 - 可変容量ポンプの制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、可変容量ポンプの制御装置に関する。

建設機械の駆動系の油圧ポンプには、斜板式あるいは斜軸式の可変容量ポンプが広く使用されている。例えば、斜板式の可変容量ポンプの制御装置として、一般的に、斜板の傾転角を調整して吐出容量を制御するレギュレータを備え、このレギュレータによる機械的なフィードバックと、斜板の傾転角の検出による電気的なフィードバックとを用いて、斜板の傾転角を精度良く制御するものが知られている。

ところが、上述のような従来の可変容量ポンプの制御装置では、機械的なフィードバックを行うレギュレータを必須としている。このため、機械的な構成部品が多くなり、製造コストが増大してしまう可能性があった。

特開平８−１８９４７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、レギュレータを廃止してコストの低減を図ることのできる可変容量ポンプの制御装置を提供することである。

実施形態の可変容量ポンプの制御装置は、可変容量ポンプと、油圧制御手段と、傾転アクチュエータと、操作手段と、傾転角検出手段と、電気制御手段と、を持つ。可変容量ポンプは、傾転部材の傾転角に応じて吐出容量が変化する。油圧制御手段は、駆動油圧を出力する。操作手段は、傾転角の操作信号を電気信号として出力する。傾転アクチュエータは、駆動油圧を受けて動作する２つのピストンを有し、２つのピストンにかかる駆動油圧の圧力バランスにより傾転部材の傾転角を調整する。傾転角検出手段は、傾転部材の傾転角を検出して検出信号を電気信号として出力する。電気制御手段は、操作手段から入力される傾転角の操作信号と傾転角検出手段から入力される傾転部材の傾転角の検出信号との電気信号に基づいて傾転角の制御値を演算し、演算した制御値に対応した電気的な制御信号を油圧制御手段に入力する。また、傾転アクチュエータとして、作動油室への駆動油圧の導入により第１ピストンを変位させて傾転部材を傾転角大側に傾転させる第１シリンダと、作動油室への駆動油圧の導入により第２ピストンを変位させて傾転部材を傾転角小側に傾転させる第２シリンダと、が設けられ、第１ピストンの受圧面積は、第２ピストンの受圧面積よりも小さく設定され、第１シリンダの作動油室には、作動油室に油圧制御手段から第１の油圧を導入する第１の駆動油路が接続され、第２シリンダの作動油室には、作動油室に油圧制御手段から第１の油圧以下の第２の油圧を導入する第２の駆動油路が接続され、第１の油圧と第２の油圧とのバランスにより、傾転部材の傾転角が調整される。

第１の実施形態の可変容量ポンプの制御装置を示す油圧回路図。 第２の実施形態の可変容量ポンプの制御装置を示す油圧回路図。

以下、実施形態の可変容量ポンプの制御装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の可変容量ポンプの制御装置１を示す油圧回路図である。
この可変容量ポンプの制御装置１は、例えば、油圧ショベル等の建設機械に、油圧源として搭載される斜板式アキシャルピストンポンプの制御装置である。

図１に示すように、この可変容量ポンプの制御装置１は、斜板（傾転部材）１１の傾転角に応じて吐出容量が変化する可変容量ポンプ１０と、斜板１１の傾転角を調整する傾転アクチュエータ１２と、可変容量ポンプ１０の吐出圧が十分でない段階で傾転角調整に使用する定容量の補助ポンプ３０と、補助ポンプ３０の最大吐出圧を規定するリリーフ弁３５と、傾転アクチュエータ１２を駆動する油圧を選択するシャトル弁４０と、傾転アクチュエータ１２に駆動油圧を供給する電磁比例減圧弁５０と、可変容量ポンプ１０の吐出圧Ｐ１を検出する圧力検出器２８と、電磁比例減圧弁５０の二次圧（減圧後の圧力）Ｐ２を検出する圧力検出器５５と、操作レバー装置７０と、コントロールユニット７５と、を有する。

ここで、可変容量ポンプ１０と、傾転アクチュエータ１２と、補助ポンプ３０と、リリーフ弁３５と、シャトル弁４０と、電磁比例減圧弁５０は、同一のポンプケーシング５の内部に設けられている。

電磁比例減圧弁５０は、傾転アクチュエータ１２に傾転角調整のための駆動油圧を供給する油圧制御手段として設けられている。また、操作レバー装置７０は、傾転角の操作信号Ｓ０を電気信号として出力する操作手段として設けられている。また、電磁比例減圧弁５０の二次圧（Ｐ２）を検出する圧力検出器５５は、斜板１１の傾転角を検出して検出信号Ｓ２を電気信号として出力する傾転角検出手段として設けられている。

また、コントロールユニット７５は、操作レバー装置７０から入力される傾転角の操作信号Ｓ０と、圧力検出器２８から入力される電気検出信号Ｓ１と、圧力検出器５５から入力される斜板の傾転角の検出信号Ｓ２とに基づいて傾転角の制御値を演算する（詳細は後述する）。そして、コントロールユニット７５は、演算した制御値に対応した電気的な制御信号Ｓ１０を、電磁比例減圧弁５０のソレノイドに入力する電気制御手段として設けられている。

可変容量ポンプ１０として、ここでは、斜板式アキシャルピストンポンプを例に挙げているが、斜軸式アキシャルピストンポンプであってもよい。斜軸式アキシャルピストンポンプの場合、傾転部材は斜軸となる。

斜板式アキシャルピストンポンプよりなる可変容量ポンプ１０は、エンジンやモータ等の外部回転駆動源（不図示）により回転駆動される駆動軸８を有している。

可変容量ポンプ１０の基本的構成を簡単に述べる。いずれも図示しないが、駆動軸８は、ポンプケーシングに対して回転自在に支持されている。ポンプケーシング内で駆動軸８の軸線上には、駆動軸８と一体回転するシリンダブロックが収容されている。シリンダブロックには、円周方向に間隔をあけて、駆動軸の軸線方向に平行な複数のボアが形成されており、各ボア内にピストンが摺動自在に挿入されている。
各ピストンの先端には球状のピストンシューが設けられており、各ピストンシューは、斜板１１に設けられたシュープレートと係合している。以上の構成により、この可変容量ポンプ１０では、シリンダブロックの回転につれて、ピストンがシリンダブロックのボア内で軸線方向に往復運動し、ピストンの往復運動により圧油が吐出される。

ここで、ピストンのストロークは、斜板１１の傾転角で決まり、斜板１１の傾転角は、傾転アクチュエータ１２により調整され、可変容量ポンプ１０の吐出容量は、斜板１１の傾転角に応じて可変制御される。

傾転アクチュエータ１２は、シリンダブロックの径方向で互いに１８０°対向して位置するように設けられた第１、第２の２つのシリンダ１４、１６によって構成されている。各シリンダ１４、１６は、シリンダブロックの径方向外側に位置してポンプケーシングに形成されたシリンダ穴１４ａ、１６ａと、このシリンダ穴１４ａ、１６ａ内に摺動可能に挿嵌され、該シリンダ穴１４ａ、１６ａとの間に作動油室１４ｃ、１６ｃを画成するピストン１４ｂ、１６ｂと、作動油室１４ｃ、１６ｃ内に配設されてピストン１４ｂ、１６ｂを斜板１１側に向けて常時付勢するばね１４ｄ、１６ｄと、を含んで構成されている。

第１シリンダ１４は、作動油室１４ｃへの駆動油圧の導入により、ピストン１４ｂ（第１ピストン）を変位させて、斜板１１を傾転角大側に傾転させる役目を果たすものとして設けられている。一方、第２シリンダ１６は、作動油室１６ｃへの駆動油圧の導入により、ピストン１６ｂ（第２ピストン）を変位させて斜板１１を傾転角小側に傾転させる役目を果たすものとして設けられている。

ここで重要なことは、第１シリンダ１４のピストン１４ｂの受圧面積は、第２シリンダ１６のピストン１６ｂの受圧面積よりも小さく設定されていることである。
従って、第１シリンダ１４と第２シリンダ１６の作動油室１４ｃ、１６ｃに等しい駆動油圧が供給された場合は、第１シリンダ１４と第２シリンダ１６のピストン１４ｂ、１６ｂの受圧面積差によって、大径側である第２シリンダ１６のピストン１６ｂが大きい力で斜板１１を傾転角小側に押圧し、小径側である第１シリンダ１４のピストン１４ｂが小さい力で斜板１１を傾転角大側に押圧する。その結果、斜板１１を押圧する力の差によって、斜板１１が傾転角小側に傾転する。

また、第１シリンダ１４と第２シリンダ１６にそれぞれ供給される駆動油圧の差（差圧）によって、斜板１１を押圧する力が変化するので、両シリンダ１４、１６に供給される駆動油圧のバランスによって、斜板１１の傾転角が調整されることになる。即ち、差圧が大きくなると、傾転角大側の第１シリンダ１４による押圧力が傾転角小側の第２シリンダ１６による押圧力よりも大きくなるため、斜板１１は傾転角大側に傾転する。反対に、差圧が小さくなると、傾転角大側の第１シリンダ１４による押圧力が傾転角小側の第２シリンダ１６による押圧力よりも小さくなるため、斜板１１は傾転角小側に傾転する。

このような傾転制御を担う第１シリンダ１４の作動油室１４ｃには、この作動油室１４ｃに電磁比例減圧弁５０から第１の油圧（減圧前の油圧）を導入する第１の駆動油路４４が接続されている。また、第２シリンダ１６の作動油室１６ｃには、当該作動油室１６ｃに電磁比例減圧弁５０から第１の油圧以下の第２の油圧（減圧後の油圧）を導入する第２の駆動油路４５が接続されている。従って、第１の駆動油路４４に導入される第１の油圧と、第２の駆動油路４５に挿入される第２の油圧のバランスによって斜板１１の傾転角が調整される。

電磁比例減圧弁５０は、コントロールユニット７５からソレノイドに入力される電気的な制御信号Ｓ１０に応じて、１次ポート５１に入力された油圧を減圧して２次ポート５２から出力するものであり、この電磁比例減圧弁５０の１次ポート５１に第１の駆動油路４４が接続され、２次ポート５２に第２の駆動油路４５が接続されている。

この制御装置では、可変容量ポンプ１０の吐出圧の一部の自己圧を利用して斜板１１の傾転角を調整するのであるが、吐出圧が傾転角調整に必要な駆動油圧以下である段階では斜板１１を動かすことができない。そこで、低負荷時の駆動油圧確保のために、定容量の補助ポンプ３０が設けられている。

以上の要素はそれぞれ油路で相互接続されており、以下に油路について説明する。
可変容量ポンプ１０の吐出油路２１は、ポンプケーシング５に設けられたＤ１ポートを介して、外部の油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータ（不図示）に圧油を供給する圧油供給路２６に接続されている。可変容量ポンプ１０の吐出油路２１は、Ｄ１ポートの他に、ポンプケーシング５に設けられたＰ１ポートに連通している。Ｐ１ポートには、可変容量ポンプ１０の吐出圧を検出する圧力検出器２８が接続され、圧力検出器２８からの電気検出信号Ｓ１がコントロールユニット７５に入力されている。

可変容量ポンプ１０の吐出油路２１は、また、分岐通路２４を介して、シャトル弁４０の第１入力ポート４１に接続されている。なお、可変容量ポンプ１０の吸入通路２２は、ポンプケーシング５に設けられたＳポートを介してタンクＴに接続され、ドレン通路２３は、ポンプケーシング５に設けられたＤｒポートを介してタンクＴに接続されている。

また、補助ポンプ３０の吐出油路３１は、ポンプケーシング５に設けられたＤ２ポートとＧ１ポートとフィルタ３３を介して、リリーフ弁３５に接続されている。リリーフ弁３５の手前には分岐油路３７が接続されており、この分岐油路３７が、シャトル弁４０の第２入力ポート４２に接続されている。

従って、シャトル弁４０は、第１入力ポート４１に入力される可変容量ポンプ１０の吐出圧と第２入力ポート４２に入力される補助ポンプ３０の吐出圧のうち大きい方の油圧を出力ポート４３から出力する。この出力ポート４３には、第１シリンダ１４の作動油室１４ｃと電磁比例減圧弁５０の１次ポート５１とを繋ぐ第１駆動油路４４が接続されている。

また、電磁比例減圧弁５０の２次ポート５２と第２シリンダ１６の作動油室１６ｃとを繋ぐ第２駆動油路４５は、ポンプケーシング５に設けられたＰ２ポートに接続されている。このＰ２ポートには、電磁比例減圧弁５０の２次圧を検出する圧力検出器５５が接続されており、この圧力検出器５５からの電気検出信号Ｓ２がコントロールユニット７５に入力されている。

このように、斜板１１の傾転角は、可変容量ポンプ１０の吐出圧（電気検出信号Ｓ１）、リリーフ弁３５の設定圧（補助ポンプ３０の吐出圧）、および電磁比例減圧弁５０の２次圧（電気検出信号Ｓ２）と、により決定される。すなわち、電磁比例減圧弁５０の１次圧（以下、単に１次圧という）はシャトル弁４０によって高圧選択された圧力となるが、可変容量ポンプ１０の吐出圧がリリーフ弁３５の設定圧を下回る場合には「１次圧=リリーフ弁３５の設定圧」となる。これに対し、可変容量ポンプ１０の吐出圧がリリーフ弁３５の設定圧を上回る場合には「１次圧=可変容量ポンプ１０の吐出圧」となる。換言すれば、圧力検出器２８によって、可変容量ポンプ１０の吐出圧を検出することにより、「可変容量ポンプ１０の吐出圧≦リリーフ設定圧」の場合は、「１次圧=リリーフ設定圧」、「可変容量ポンプ１０の吐出圧＞リリーフ設定圧」の場合は、「１次圧=可変容量ポンプ１０の吐出圧」と判断できる。そして、これにより判断された電磁比例減圧弁５０の１次圧と、２次圧とにより、斜板１１の傾転角が決定される。
なお、補助ポンプ３０の吸入通路３２は、可変容量ポンプ１０の吸入通路２２と同様に、ポンプケーシング５に設けられたＳポートを介してタンクＴに接続されている。

コントロールユニット７５は、操作レバー装置７０から入力される電気的な操作信号Ｓ０と、圧力検出器２８、５５から入力される電気的な検出信号Ｓ１とに基づいて、斜板１１の傾転角の制御値を演算する。そして、その制御値に対応した電気信号を制御信号Ｓ１０として電磁比例減圧弁５０に入力することにより、斜板１１の傾転角を制御する。

ここで、操作信号Ｓ０は、操作レバー装置７０の操作角に比例した斜板１１の傾転角要求であって、いわゆるポジコン（ポジティブコントロール）制御の信号である。
一方、検出信号Ｓ１は、圧力検出器２８で検出された圧力からコントロールユニット７５で逆算される斜板１１の傾転角要求であって、いわゆる馬力制御の信号である。この馬力制御は、外部回転駆動源（不図示）を過負荷によるストール（駆動軸８が停止した状態
）から保護する制御で、ポジコン制御よりも優先される。このため、例えば、操作信号Ｓ０により斜板１１の傾転角大の要求があった場合であっても、外部の油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータ（不図示）の負荷により可変容量ポンプ１０の吐出圧が大きくなって馬力制御が必要になると、検出信号Ｓ１によって斜板１１の傾転角小となる。
なお、電気検出信号Ｓ２は、斜板１１の傾転角を操作レバー装置７０からの要求値に一致させるためのフィードバックとして用いられる。

このように、上述の第１の実施形態における可変容量ポンプの制御装置１では、傾転アクチュエータ１２を電磁比例減圧弁５０で直接駆動することにより、機械的なフィードバックを行うレギュレータを廃止している。従って、大幅にコスト削減を図ることができる。
また、レギュレータを省略しているので、レギュレータからのリークの問題が無くなり、容積効率がアップする。また、レギュレータで発生していた流量特性上のヒステリシスが無くなり、流量特性も向上する。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の可変容量ポンプの制御装置２０１を示す油圧回路図である。
この第２の実施形態の第１の実施形態との相違点は、斜板１１の傾転角を検出して検出信号Ｓ３を電気信号として出力する傾転角検出手段として、第１の実施形態における圧力検出器５５に代えて、斜板１１の傾転角を直接検出するポテンショメータ８０を設けた点にある。それ以外の構成は、第１の実施形態と全く同様であるので説明は省略する。
したがって、上述の第２の実施形態における可変容量ポンプの制御装置２０１も、前述の第１の実施形態における可変容量ポンプの制御装置１と同様の効果を奏する。

なお、上述の第１の実施形態、および第２の実施形態では、可変容量ポンプの制御装置１、２０１は、例えば、油圧ショベル等の建設機械に用いられる場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな油圧機器に、可変容量ポンプの制御装置１、２０１を適用することが可能である。

また、上述の第１の実施形態では、斜板１１の傾転角を検出して検出信号Ｓ２を電気信号として出力する傾転角検出手段が、可変容量ポンプ１０の吐出圧Ｐ１を検出する圧力検出器２８、および電磁比例減圧弁５０の二次圧（Ｐ２）を検出する圧力検出器５５である場合について説明した。また、上述の第２の実施形態では、斜板１１の傾転角を検出して検出信号Ｓ３を電気信号として出力する傾転角検出手段が、斜板１１の傾転角を直接検出するポテンショメータ８０である場合について説明した。しかしながら、これらに限られるものではなく、圧力検出器５５やポテンショメータ８０の他に、斜板１１の傾転角を検出して検出信号を出力できるものであればよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、操作手段（操作レバー装置７０）から入力される傾転角の操作信号Ｓ０と、可変容量ポンプ１０の吐出圧を検出する圧力検出器２８から入力される電気検出信号Ｓ１、および圧力検出器５５、ポテンショメータ８０から入力される斜板１１の傾転角の検出信号Ｓ２、Ｓ３（傾転角検出手段の検出信号）とに基づいて、コントロールユニット７５が電磁比例減圧弁５０を制御して斜板１１の傾転角を調整する。従って、機械的なフィードバックを行うレギュレータを廃止することができ、大幅にコスト削減を図ることができる。また、レギュレータを省略することで、レギュレータからのリークの問題を無くすことができ、容積効率のアップを図れる。また、レギュレータで発生していた流量特性上のヒステリシスが無くなり、流量特性も向上する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１，２０１…可変容量ポンプの制御装置、１０…可変容量ポンプ、１１…斜板（傾転部材）、１２…傾転アクチュエータ、１４…第１シリンダ、１４ｂ…ピストン（第１ピストン）、１４ｃ…作動油室、１６…第１シリンダ、１６ｂ…ピストン（第２ピストン）、１６ｃ…作動油室、２８…圧力検出器（傾転角検出手段）、４４…第１の駆動油路、４５…第２の駆動油路、５０…電磁比例減圧弁（油圧制御手段）、５１…１次ポート、５２…２次ポート、５５…圧力検出器（傾転角検出手段）、７０…操作レバー装置（操作手段）、７５…コントロールユニット（電気制御手段）、８０…ポテンショメータ（傾転角検出手段）

Claims (2)

1. 傾転部材の傾転角に応じて吐出容量が変化する可変容量ポンプと、
   駆動油圧を出力する油圧制御手段と、
   前記傾転部材の傾転角を調整する傾転アクチュエータと、
   前記傾転角の操作信号を電気信号として出力する操作手段と、
   前記傾転部材の傾転角を検出して検出信号を電気信号として出力する傾転角検出手段と、
   前記操作手段から入力される傾転角の操作信号と前記傾転角検出手段から入力される傾転部材の傾転角の検出信号との電気信号に基づいて傾転角の制御値を演算し、演算した制御値に対応した電気的な制御信号を前記油圧制御手段に入力する電気制御手段と、
   を備え、
   前記傾転アクチュエータとして、
   作動油室への前記駆動油圧の導入により第１ピストンを変位させて前記傾転部材を傾転角大側に傾転させる第１シリンダと、作動油室への前記駆動油圧の導入により第２ピストンを変位させて前記傾転部材を傾転角小側に傾転させる第２シリンダと、が設けられ、
   前記第１ピストンの受圧面積は、前記第２ピストンの受圧面積よりも小さく設定され、
   前記第１シリンダの作動油室には、当該作動油室に前記油圧制御手段から第１の油圧を導入する第１の駆動油路が接続され、
   前記第２シリンダの作動油室には、当該作動油室に前記油圧制御手段から前記第１の油圧以下の第２の油圧を導入する第２の駆動油路が接続され、
   前記第１の油圧と第２の油圧とのバランスにより、前記傾転部材の傾転角が調整される可変容量ポンプの制御装置。
2. 前記油圧制御手段は、１次ポートと、２次ポートと、を有し、
   前記電気制御手段からソレノイドに入力される前記電気的な制御信号に応じて、前記１次ポートに入力された油圧を減圧して前記２次ポートから出力する電磁比例減圧弁で構成されており、
   当該電磁比例減圧弁の前記１次ポートが前記第１の駆動油路に接続され、前記２次ポートが前記第２の駆動油路に接続されている請求項１に記載の可変容量ポンプの制御装置。

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