JP2003206904A - 液圧流を制御するシステムおよび方法 - Google Patents

液圧流を制御するシステムおよび方法

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 可変容量形ポンプと流体連通する液圧アクチ
ュエータへの液圧流を制御する方法を提供する。 【解決手段】可変容量形ポンプと流体連通する液圧アク
チュエータへの液圧流を制御する方法として、ポンプ１
２の速度を表す信号を発生させること、および弁コマン
ドと操作者入力との間の複数の関係から１つの関係を選
択することを含む。その選択は速度信号に基づいて行わ
れる。弁２８は、選択された関係と操作者入力とに基づ
いて液圧アクチュエータへの液圧流を制御するように調
整される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の分野 本発明は、液圧流を制御する方法およびシステムに関す
る。より詳しくは、この発明は、可変容量形ポンプと流
体連通するアクチュエータへの液圧流を制御する方法お
よびシステムに関する。
【０００２】背景技術 エキスカベータまたはローダのような機械の液圧システ
ムは、典型的に、流体連通するポンプ、弁、および液圧
アクチュエータを含む。液圧アクチュエータは、液圧シ
リンダ、液圧モータ、または作業器具または機械のドラ
イブトレーンに原動力を供給する他の装置であっても良
い。機械の操作者が、例えば、レバーを動かして、弁を
作動させると、加圧された作動液がポンプから弁を通過
して液圧アクチュエータに流れて、液圧シリンダ内のピ
ストンのような、液圧アクチュエータの作業要素を移動
させる。
【０００３】液圧アクチュエータが移動する速度は、弁
を通過する液圧流量に比例、つまり弁位置および弁の入
出力側での圧力差の関数となる。液圧アクチュエータへ
の液圧流は、弁内に位置する弁スプールの位置を変える
ことによって制御されるが、液圧アクチュエータ内の負
荷圧力も考慮しなければならない。例えば、液圧アクチ
ュエータは、弁の液圧アクチュエータ側が低圧のため、
単弁の位置で重負荷よりも軽負荷を上昇させるとき、不
都合にも、より速く移動してしまう。従来、操作者は、
エンジン速度、つまりポンプ速度を減少させてこの現象
を補償し、それによってポンプからの加圧流体の供給や
弁の入出力側の圧力差を低減した。
【０００４】可変容量形ポンプはたいてい機械に使用さ
れる。可変容量形ポンプは、一般に、駆動軸、多数のピ
ストンボアを有する回動可能なシリンダバレル、復心バ
ネによって偏倚された傾斜可能な斜板に対し保持される
ピストンを含む。斜板が駆動軸の長手方向軸に関して傾
けられると、ピストンは、ピストンボア内で往復運動し
てポンプ作用が生じ、加圧された作動液を吐出する。
【０００５】液圧アクチュエータへの流れが、システム
によって要求される最大負荷圧力よりも僅かに高い所定
圧力に維持されるようにポンプの斜板角度を自動的に制
御することは液圧技術では公知である。このタイプのシ
ステムは、典型的に、圧力補償ポンプと称される。
【０００６】ポンプ容量を制御するために出力圧を利用
することによって、可変容量形ポンプは、アクチュエー
タを移動させるためにいかなる流れも要求されないと
き、すなわち、弁が閉じているとき、そのポンプ容量を
最小レベルにまで減少できる。このようなポンプにおい
て、弁が開かれたときに圧力が減少すると、ポンプがポ
ンプ容量を増加して定出力圧を維持する。但し、軽負荷
条件下では、所定出力は、たいてい弁の入出力側に圧力
差が生じることになり、機械の操作者が望む速度よりも
高速の装置の運動すなわち加速度が生じる。さらに、エ
ンジン速度が減少しても、所定出力圧を維持するポンプ
容量の自動調節のため、ポンプ出力が減少しない。
【０００７】いかなる負荷圧力においても弁の入出力側
に所定の差圧を維持し、その結果として負荷条件の変化
に関係なく流量およびアクチュエータ速度を制御するこ
とによって負荷補償を提供することも公知である。米国
特許第５，４４７，０９３号において、方向弁の入出力
側に所定圧力差を維持するためのフローフォース補償
（Ｆｌｏｗ Ｆｏｒｃｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）
システムが開示されている。そのシステムは、圧力補償
弁に連結された強制平衡装置によってフローフォース補
償を提供する。但し、フローフォース補償システムは、
様々な操作に対してアクチュエータが所望通りに柔軟に
応答できるほどにはならない。機械の操作者は、実行さ
れる操作に基づいて様々に応答できることを望む。例え
ば、操作者は、軽量物体をクレーンで移動するときより
も溝を掘るときに所定制御レバー位置においてより高速
の動きとなることを望む。
【０００８】従って、動作条件に基づいてアクチュエー
タ応答の柔軟な制御を提供する液圧流量制御システムを
提供することが望ましい。本発明は、従来技術の設計に
関する１つまたはそれ以上の問題を克服することに向け
られている。
【０００９】発明の開示 一形態において、可変容量形ポンプと流体連通している
液圧アクチュエータへの液圧流を制御するための方法が
提供される。その方法は、ポンプの速度を表す信号を発
生させることと、弁コマンドと操作者入力との間の複数
の関係から１つの関係を選択することとを含む。その選
択は、速度信号に基づいて行われる。弁は、選択された
関係と操作者入力とに基づいて液圧アクチュエータへの
液圧流を制御するように調整される。
【００１０】他の形態において、可変容量形ポンプと流
体連通している液圧アクチュエータへの液圧流を制御す
るためのシステムが提供される。その装置は、ポンプの
速度を表す信号を発生させるためのセンサアセンブリ
と、操作者入力を提供する操作者入力装置と、センサア
センブリと操作者入力装置とに電気的に接続された制御
装置とを含む。その制御装置は、速度信号に基づいて弁
コマンドと操作者入力との間の複数の関係から１つの関
係を選択するように構成される。
【００１１】前述の概説および以下の詳細な説明の両方
とも例示および説明のみを目的としたものであり、特許
請求の範囲に記載されるように本発明を限定するもので
はないことは理解されるべきである。
【００１２】この明細書の一部に組み込まれ、構成する
添付図面は、本発明の例示的実施形態を、説明と共に示
し、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【００１３】詳細な説明 添付の図面で例示される本発明の例示的実施形態を詳細
に参照する。可能な限り、全図面を通じて同一部分また
は同様の部分には同一参照記号を付すものとする。
【００１４】図１は、本発明の１つの例示的実施形態に
よる弁を通過する液圧流を制御するシステムを有する機
械を概略線図で例示する。図１で示された機械１０は、
エキスカベータ、ローダ、またはロードを移動するため
に液圧システムを利用する任意の他の設備であっても良
い。機械１０は、ドライブトレーンを介して、エンジン
のような、モータ１１によって典型的に駆動されるポン
プ１２を含む。図１に示された例示的実施形態におい
て、ポンプ１２は、可変容量形ポンプであり、その容量
を最小容量位置と最大容量位置との間で変化できる。ポ
ンプ１２はまた、圧力補償ポンプであり、圧力センサ１
７からの圧力の読みに基づいてポンプ１２の容量を制御
するポンプコントロール１５を有しても良い。この例示
的実施形態におけるポンプ１２は圧力の読みに基づいて
ポンプ容量を調整する電子フィードバックを有するが、
ポンプ１２は、ポンプ容量を制御するために、パイロッ
ト液圧ラインのような適当な液圧フィードバックシステ
ムを利用しても良い。ポンプ１２はまた、導管１６に接
続されたポンプ出口ポート１４を有する。
【００１５】一例示的実施形態において、機械１０は、
複動シリンダ１８のような液圧アクチュエータを含む。
複動シリンダ１８は、一対の作動シリンダ、すなわちヘ
ッド端作動チャンバ２０とロッド端作動チャンバ２２と
を有する。ヘッド端作動チャンバ２０およびロッド端作
動チャンバ２２は、ピストンロッド２６を有するピスト
ン２４で隔絶される。複動シリンダ１８は、液圧シリン
ダ、または機械１０の一部を上昇、下降、あるい移動さ
せるために使用される任意の他の適当な実施装置であっ
ても良い。実施形態は液圧シリンダに関して記述されて
いるが、この発明は、シリンダに限定されず、機械１０
は、液圧モータ、または任意の他の適当な液圧アクチュ
エータを包含しても良い。
【００１６】機械１０はまた、導管１６を介してポンプ
１２の圧力出口ポート１４に接続された弁２８を包含す
る。弁２８は弁スプール３０を有する。図１の実施形態
において、弁２８は比例方向制御弁である。但し、本発
明は、方向制御弁に限定されず、弁２８は、当業者には
公知の任意の他の適当な弁であっても良い。実例を挙げ
れば、弁２８が単一スプール弁または独立計量弁（ＩＭ
Ｖ）であることも考えられる。当業者には公知のよう
に、ＩＭＶは典型的に、ポンプ、シリンダ、リザーバ、
および／または液圧回路に存在する任意の他の機器と流
体連通している複数の独立して動作可能な弁を有する。
ＩＭＶは、多数の液圧路の液圧流を制御すべく各弁の独
立計量を可能にする。一例示的実施形態において、ＩＭ
Ｖの独立的に動作可能な弁の各々は独立して制御されて
も良い。
【００１７】機械１０はまた、弁スプール３０を所望位
置に移動させ、それによって弁２８を通過する液圧流を
制御する弁アクチュエータ３２を有する。弁スプール３
０の変位は、弁２８を通過する液圧流の流量を変える。
弁アクチュエータ３２は、ソレノイドアクチュエータま
たは当業者には公知の任意の他のアクチュエータであっ
ても良い。
【００１８】この例示的実施形態において、弁２８は、
導管１６によってポンプ１２に接続された第１のポート
３４と、導管４０によってリザーバタンク３８に接続さ
れた第２のポート３６と、導管４４によってシリンダ１
８のヘッド端作動チャンバ２０に接続された第３のポー
ト４２と、導管４８によってシリンダ１８のロッド端作
動チャンバ２２に接続された第４のポート４６とを有す
る。この例示的実施形態の弁２８は、閉位置、第１の位
置、および第２の位置を有する。第１の位置（図１に示
された）において、第１のポート３４と第３のポート４
２とが流体連通しており、弁２８はポンプ１２からの流
体をシリンダ１８のヘッド端作動チャンバ２０に通過さ
せる。同時に、第２のポート３６と第４のポート４６と
が流体連通しており、弁２８はロッド端作動チャンバ２
２からの流体をリザーバタンク３８へ排出させる。
【００１９】あるいは、第２の位置（図１に示されず）
において、第１のポート３４と第４のポート４６とが流
体連通しているので、弁２８はポンプ１２からロッド端
作動チャンバ２２に流体を通過させることができる。同
時に、第２のポート３６は第３のポート４２と流体連通
してヘッド端作動チャンバ２０からリザーバタンク３８
に流体を通過させる。弁２８の弁スプール３０は、弁２
８を閉位置、第１の位置、および第２の位置の間で移動
するだけでなく、弁２８を通過する流体流を調整するた
めに弁アクチュエータ３２によって移動される。
【００２０】図１で例示されるように、機械はまた、ポ
ンプ１２の速度を表す信号を発生させる速度センサ１３
を有する液圧流量制御装置５６を包含しても良い。図１
の例示的実施形態は、モータ１１とポンプ１２を接続す
るドライブトレーンにおける速度センサ１３を例示する
が、本発明の速度センサ１３の場所は、図１で例示され
た特定の配置構造に限定されるものではない。センサ１
３は、実際のまたは所望のポンプ速度を決定するのに適
当な任意の場所に配置される。他の例示的実施形態にお
いて、モータ１１の速度、ゆえにポンプ１２の速度は、
レバーのような、装置によって制御されても良く、速度
センサ１３は、スロットルレバーの位置を感知すること
によってポンプ１２の所望速度を監視しても良い。当業
者には、ポンプ１２の感知された、または所望の速度を
確認できる任意のセンサアセンブリが利用されても良い
ことは理解されよう。
【００２１】液圧流量制御システム５６は、弁アクチュ
エータ３２、ポンプセンサ１３、および圧力センサ１７
に電気的に接続された制御装置５０を包含する。制御装
置５０は、圧力センサ１７からの圧力の読みを受け、ポ
ンプ制御１５に信号を送ってポンプ容量を制御する。例
示的実施形態において、制御装置５０は、速度センサ１
３からのポンプ速度の読みを受ける。制御装置５０はま
た、電気的コマンド信号を弁アクチュエータ３２に送
る。電気的コマンド信号に応答して、弁アクチュエータ
３２は、弁スプール３０を所望の変位まで制御可能に移
動させる変更力を加えて弁２８を通過する液圧流を制御
する。
【００２２】レバーのような、操作者入力装置５２は、
制御装置５０に電気的に接続され、レバーの位置に対応
する操作者入力コマンドは操作者入力装置５２から制御
装置５０に送られて弁２８を通過する液圧流を制御して
も良い。操作者入力装置５２を操作することによって、
操作者が所望通りにシリンダ１８を制御することができ
る。
【００２３】図１で示された実施形態において、制御装
置５０は、弁コマンドと操作者入力との間の複数の制御
性関係を包含する。それらの関係の各々は、操作者入力
に対して弁スプール位置を制御する弁アクチュエータ３
２のコマンド範囲を表す。上述のように、シリンダ１８
への液圧流、およびその結果のシリンダ速度は、ポンプ
出力および負荷圧力に依存して所定弁スプール位置にお
いて変化する。従って、弁コマンドは、シリンダ１８へ
の最大流量、シリンダ１８の最大速度、アクチュエータ
３２への最大電流、または弁スプール３０の位置を表す
任意の他のパラメータの割合としての制御性関係で定義
されても良い。弁コマンドは、ソレノイド弁アクチュエ
ータの非線形応答または弁スプール運動の範囲にわたる
弁オリフィスのサイズの非線形増加のようなものを補正
するために、アクチュエータ３２に供給される電流値に
線形テーブルで変換されても良い。一例示的実施形態に
おいて、関係の各々は、操作者入力に対して特有の流れ
特性を有し、所定の操作者入力に対して特有のアクチュ
エータ応答を提供する。
【００２４】一例示的実施形態において、操作者入力
は、レバー位置に対応する。但し、操作者入力は、弁２
８を通過する液圧流を制御するために操作者入力装置５
２によって提供される任意の他の操作者信号であっても
良い。
【００２５】弁アクチュエータ３２への弁コマンドと操
作者入力との間の制御性関係の各々は、操作者入力に対
する所望の液圧流特性によって決定されても良い。例え
ば、その関係は、グラフをプロットするか、または操作
者レバー位置の所定の変更に応答して弁スプール位置の
所望の変化を示すマップを作成することによって決定さ
れても良い。
【００２６】図２は、操作者入力（操作者レバー位置）
と弁アクチュエータ３２への結果として生じる所望弁コ
マンドとの間の様々な関係を表す例示的曲線または線を
有する弁コマンドおよび操作者入力のグラフを例示す
る。図２で示されるように、各線または曲線は、所定レ
バー位置に対するシリンダ１８への様々な流れ特性を提
供する。所定レバー位置に対し、最大流量の５％、１０
％、２５％、５０％、または任意の他の割合が、曲線ま
たは線により提供される。さらに、曲線や線の各々は、
レバー位置の所定変化に対して異なる流量変化を提供す
る。例えば、一方のグラフは、レバー位置の変化に対す
る流量の指数変化を提供し、他方のグラフは、レバー位
置の変化に対する流量の安定増加を提供する。
【００２７】曲線の形状または線の傾きは、機械１０の
特定の用途に適当となるように決定されても良い。例え
ば、機械１０が軽量物体を移動するために使用される場
合、操作者は、レバー位置の変化に対して、シリンダ１
８が滑らか且つ緩やかな応答時間を、すなわち、流量の
比較的緩やかな増加を有すること望む。その半面、機械
１０が溝を掘るために使用される場合、操作者は、シリ
ンダ１８がより高速の応答時間を有することを望む。
【００２８】１つの例示的実施形態において、制御装置
５０は、液圧流と操作者入力との間の複数の関係で事前
プログラムを作成され、制御装置５０は、それらの関係
を含むマップまたはテーブルを有しても良い。マップま
たはテーブルは、例えば、液圧流量制御システム５６の
試運転中、または検査試験中など、機械１０の操作の前
に作成され、制御装置５０内のメモリ５４に事前格納さ
れても良い。
【００２９】他の実施形態において、制御装置５０は、
複数の関係を提供する数式を格納しても良い。各数式
は、操作者入力の関数として弁コマンドを定義しても良
い。例えば、一方の数式は、操作者入力と線形関係の流
れを定義し、他方の数式は操作者入力との指数関係の流
れを定義しても良い。
【００３０】図１で示された実施形態において、制御装
置５０は、ポンプ速度センサ１３からのポンプ速度の読
出しに基づいて弁コマンドと操作者入力との間の複数の
制御性関係から１つの関係を選択する。例えば、ポンプ
速度が遅いと、制御装置５０は、レバー位置の変化に対
して滑らか且つ緩やかなアクチュエータ応答を提供する
ように緩やかな傾きまたは形状を有する曲線または線を
選択するようにプログラムを作成されても良い。ポンプ
速度が速いと、制御装置５０は、高速のアクチュエータ
応答を提供する急峻な傾きまたは形状を有する曲線また
は線を選択するようにプログラムを作成されても良い。
ポンプ速度の大きさに基づいて、制御装置は、液圧流と
操作者入力との間の対応関係を選択しても良い。
【００３１】（産業上の利用可能性）図１を参照する
に、ポンプ速度センサ１３は、ポンプ１２またはモータ
１１の速度を監視する。ポンプ速度センサ１３のポンプ
速度の読出しまたは信号は、制御装置５０に送られる。
【００３２】制御装置５０は、複数の弁コマンドおよび
操作者入力関係を包含しても良い。図１および２の例示
的実施形態で示されるように、操作者入力は、操作者入
力装置５２によって提供されるレバー位置であり、弁コ
マンドは最大流量または流速の割合に関して表される。
【００３３】制御装置５０は、機械１０の異なる用途に
適切な多数の弁コマンドおよび操作者入力関係を包含す
る。図２で示されるように、この実施形態における制御
装置５０は、線図で描かれた様々な弁コマンドおよび操
作者入力関係６０、６２、６４、６６を包含する。図２
は、グラフ上の複数の曲線または線としてそれらの関係
を示す。これらの関係はまた、例えば、マップ（ルック
アップテーブル）または数式で表されても良い。
【００３４】ポンプ速度センサ１３からのポンプ速度の
読出しに基づいて、制御装置５０は、弁コマンドと操作
者入力との間の複数の関係から１つの関係を選択する。
例えば、ポンプ速度が１，０００ｒ．ｐ．ｍ．であると
き、制御装置５０は、最大レバー位置の５０％で最大流
量の１０％となる曲線または線６６を選択するようにプ
ログラムを作成されても良い。他の例として、ポンプ速
度が２，５００ｒ．ｐ．ｍ．であるとき、制御装置５０
は、同レバー位置で最大流量の２５％となる他の曲線６
４を選択するようにプログラムを作成されても良い。
【００３５】選択された関係および操作者入力を使用す
ることによって、制御装置５０は、弁アクチュエータ３
２へのコマンド信号を演算し、選択された曲線によるレ
バー位置に基づいて流量を調整する。エンジン速度、ゆ
えにポンプ速度を変更することによって、操作者は、望
み通りに制御性関係を変更できる。
【００３６】従って、本発明は、操作条件に基づいてア
クチュエータの応答を柔軟に制御する液圧流量制御シス
テムを提供する。この発明による液圧流量制御システム
は、様々な作業機械の液圧流の柔軟な制御を様々な条件
下で提供できる。
【００３７】様々な修正や変形が、本発明の範囲および
趣旨から逸脱することなく本発明の流量制御システムお
よび方法に行われ得ることは当業者には明らかであろ
う。本発明の他の実施形態も、ここで開示された発明の
明細書や実施を検討することから当業者には明らかとな
ろう。明細書や例は例示のみを目的とするものとして考
えられるべきであり、本発明の真の趣旨および範囲は特
許請求の範囲およびそれらの等価物によってのみ指示さ
れるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例示的実施形態による液圧流量制御
システムを有する機械の概略線図である。
【図２】図１の例示的液圧流量制御システムの様々な弁
コマンドと操作者入力との関係を表すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ジェイ．プライス アメリカ合衆国 61525 イリノイ州 ダ ンラップ ノース トリガー ロード 11217 Ｆターム(参考） 3H089 AA21 DA03 DB46 DB49 DB75 EE36 FF10 FF12 GG02 JJ01 JJ02

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可変容量形ポンプと流体連通している液
    圧アクチュエータへの液圧流を制御する方法であって、 ポンプの速度を表す信号を監視するステップと、 弁コマンドと操作者入力との間の複数の関係から１つの
    関係を選択するステップであって、ここで複数の関係の
    各々は操作者入力に対する最大流量の割合として弁スプ
    ール位置を表し、選択は速度信号に基づいて行われる、
    選択するステップと、 選択された関係および操作者入力に基づいて液圧アクチ
    ュエータへの液圧流を制御するように弁を調整するステ
    ップと、を備える方法。
  2. 【請求項２】 可変容量形ポンプと流体連通している液
    圧アクチュエータへの液圧流を制御するシステムであっ
    て、 ポンプの速度を表す信号を発生させるセンサアセンブリ
    と、 操作者入力を提供する操作者入力装置と、 センサアセンブリおよび操作者入力装置に電気的に接続
    された制御装置であって、速度信号に基づいて複数の関
    係から操作者入力に対する最大流量の割合として弁スプ
    ール位置を表す１つの関係を選択し、前記操作者入力に
    応答して前記選択された関係に基づいて弁スプール位置
    信号を発生させるように構成される、制御装置と、を備
    えるシステム。
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