JP2004169693A - 比例フォースフィードバックを有する電気油圧式ポンプ変位制御部 - Google Patents

Abstract

【課題】 比例フォースフィードバックを有する電気油圧式ポンプ変位制御部を提供する。
【解決手段】 ポンプ変位制御装置は、比例フォースフィードバックと協働して流体並進運動装置の固有の旋回トルクを利用し、より一貫してかつ精密に流体並進運動装置の変位を制御する。本発明は、流体並進運動装置のスウォッシュプレートに連結されかつ比例弁装置によって制御されるアクチュエータ機構を有する可変変位制御装置を用いて、流体並進運動装置の変位を制御する。フォースフィードバック機構はアクチュエータ機構と比例弁装置との間に配置され、より精密かつ繰り返し可能な変位制御を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に、ポンプの変位を制御するための電気油圧式ポンプ制御システムに関する。より詳しくは、本発明は、ポンプおよびフォースフィードバック制御部の操作から決定されるポンプ特性を利用する油圧ポンプ制御のための方法および装置に関する。

可変変位ポンプは、器具または油圧モータまたはそれらの任意の組合せを駆動するために当業界で周知である。油圧ポンプの変位を変更することによって、システム内のアクチュエータ（すなわち油圧シリンダ）のスピードおよび／または流体の圧力を制御し得ることも周知である。可変変位ポンプは、一般に、駆動シャフトと、多数のピストン孔を有する回転可能なシリンダバレルと、ばね機構によって付勢される傾斜可能なスウォッシュプレートに対抗して保持されたピストンとを含む。スウォッシュプレートが駆動シャフトの軸線に対して傾斜されると、ピストンはピストン孔内で往復運動してポンプ作用を生成する。それぞれのピストン孔は、シリンダバレルのそれぞれの回転中に吸気および排気圧力を受ける。ピストン孔が上部および底部中心位置を掃引通過するとき、往復ピストンおよびピストン孔内の圧力キャリオーバの結果、旋回力がスウォッシュプレートに発生される。ポンプのある作動パラメータに応じて、この旋回トルクは、スウォッシュプレートを付勢してその変位位置を変更する。いくつかの可変変位ポンプ制御システムでは、変位を制御するために旋回トルク力が利用される。例えば、Ｎｏａｈ Ｄ．Ｍａｎｒｉｎｇに１９９６年１０月１５日に交付された米国特許公報（特許文献１）は、旋回トルクによって発生される力を利用してポンプ内のポートプレートのアーチ運動を制御し、すなわち、旋回トルクによって発生される力を制御し、次に、この力がスウォッシュプレートの位置を制御するために利用されることを教示している。さらに、Ｄａｖｉｄ Ｐ．Ｓｍｉｔｈに２００１年１月３０日に交付された米国特許公報（特許文献２）は、旋回トルクによって発生される固有の力を利用して、流体モータのスピード制御を補助することを教示している。固有の旋回力を利用する制御部を提供することのみならず、同様に、最少数の可動部品、作動範囲全体にわたって優れた制御能力を有し、スウォッシュプレートを位置付ける際に精密かつ繰り返し可能である制御部を提供することが望ましい。

米国特許第５，５６４，９０５号明細書 米国特許第６，１７９，５７０号明細書

本発明の一形態では、可変変位制御装置は、圧力出口ポートと調整可能なスウォッシュプレートとを有する可変変位流体並進運動装置の変位を制御するために提供される。制御装置は、調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構と、比例弁装置を介してアクチュエータ機構に連結された加圧パイロット流体源とを含む。フォースフィードバック機構はアクチュエータ機構と比例弁装置との間に配置される。

本発明の他の形態では、調整可能なスウォッシュプレートを有する流体並進運動装置の変位を制御する方法が提供され、この方法は、加圧パイロット流体源を提供するステップと、調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構を提供するステップと、加圧パイロット流体源とアクチュエータ機構との間に比例弁装置を提供するステップと、アクチュエータ機構と比例弁装置との間にフォースフィードバック機構を提供するステップとを含む。

図１および図２を参照するに、流体並進運動装置１０のフリーボディの線図が示されている。流体並進運動装置１０（以下「ポンプ」と呼ぶ）は、ポンプ軸線１４を中心に回転可能なバレル１２を含む。バレルは、その中に提供された円周方向に配列された等しい間隔の複数のピストン孔１６を有する。複数のピストン１８のそれぞれは個々のピストン孔１６に往復動可能に配置される。スウォッシュプレート２０は、従来、スウォッシュプレート軸線２２を中心とする傾斜運動のためにバレル１２の一方の端部に隣接して装着され、個々のピストン行程を調整する。スウォッシュプレート２０は、ばね２４によって最大変位位置に向かって連続的に付勢される。静止ヘッド２６はバレル１２の他方の端部に配置され、吸気通路２８と排気通路３０とを有する。ボールおよびソケットジョイント３１は、公知の方法でスウォッシュプレート２０と摺動接触して維持されるスリッパ３２にそれぞれのピストン１８の基部を連結する。ボールおよびソケットジョイント３１の中心はスウォッシュプレート軸線２２に一致する。

図２に最善に示されているように、フラットタイミングポートプレート３４はバレル１２と静止ヘッド２６との間に配置される。ポートプレート３４は、静止ヘッド２６の個々の吸気および排気通路２８、３０と連通するために、ポートプレートを通して延在するアーチ状吸気ポート３６とアーチ状排気ポート３８とを有する。公知の方法では、バレル１２が回転するときに時限関係でポートプレート３４の吸気および排気ポート３６、３８内にピストン孔１６が順次開くように、バレル１２はポートプレート３４と摺動接触して配置される。周知のように、旋回トルク（本来存在するモーメント）は、流体並進運動装置１０の作動条件に応じてスウォッシュプレート２０の角度を増加または減少する傾向がある。図２に見られるように、バレル１２がそれぞれの回転にわたって時計回り方向に回転するにつれ、それぞれのピストン孔１６は吸気ポート３６と順次連通し、ＢＤＣ位置を通して掃引し、排気ポート３８と連通し、さらに回転した後、ＴＤＣ位置を通して掃引して、吸気ポート３６と再び連通する。この回転中、吸気ポート３６からの流体のあるものは個々のピストン孔１６内に捕捉され、ＢＤＣ位置を通して運ばれ、同様に、排気ポート３８内の加圧流体のあるものは個々のピストン孔１６内に捕捉され、ＴＤＣ位置を通して運ばれる。それぞれの回転中に個別のピストン１８によって発生される力の蓄積効果により、スウォッシュプレート２０に作用する旋回トルクが生じる。上述のように、これらの旋回トルクは、ポンプ１０の作動条件に応じてスウォッシュプレート２０の角度を増加するかあるいはその角度を減少する傾向を有する力を発生するであろう。

図３を参照するに、例えば、圧力、温度、ポートプレートアーキテクチャおよびタイミングのような異なる多くの作動条件に旋回トルクが左右される可能性があるとしても、図示したグラフはポンプ１０の２つの例示的な作動条件の関係を示している。正の旋回トルクは、より大きな変位位置に向かってスウォッシュプレート２０を付勢し、負の旋回トルクは、より小さな変位位置に向かってスウォッシュプレート２０を付勢する。

例示的実施形態では、ポンプ１０は、多数の作動スピード（ＲＰＭ）を有する２５０立方センチメートル（ｃｃ）の最大変位を含むことが可能であり、この最大変位によって、例えば４０，０００キロパスカル（ｋＰａ）までのシステム圧力が生成される（図３）。点線４０は、８００ＲＰＭで作動される例示的なポンプ１０内に発生される旋回力を表している。線４０で表した旋回力は、システム圧力が１０，０００ｋＰａ未満であるときに最小値にあり、対照的に、システム圧力が約３５，０００ｋＰａであるときに約−１３キロニュートン（ｋＮ）である。破線４２は、１６００ＲＰＭで作動される間に例示的なポンプ１０内に発生される旋回力を表している。線４２で表した旋回力は、システム圧力が１０，０００ｋＰａ未満であるときに約＋２ｋＮであり、対照的に、システム圧力が約３５，００ｋＰａであるときに約−１７ｋＮである。実線４４は、２２５０ＲＰＭで作動される間にポンプ１０内に発生される旋回力を表している。線４４で表した旋回力は、システム圧力が１０，０００ｋＰａ未満であるときに約＋５ｋＮであり、対照的に、システム圧力が約３５，０００ｋＰａであるときに約−１８キロニュートン（ｋＮ）である。異なる固有の旋回トルクを有する異なる作動能力のポンプによっても、同様の結果が得られることが理解されるが、より高いシステム圧力で作動すると、旋回トルクは、通常、より小さな変位位置に向かってスウォッシュプレート２０を付勢していることを認識すべきである。

図４を参照するに、流体システム４８が示されており、このシステムは、リザーバ５２と公知の作業システム５４との間に配置された可変変位制御装置５０（以下「制御装置」と呼ぶ）を含む。制御装置５０は、調整可能なスウォッシュプレート２０と吸気および排気通路３６、３８とを有するポンプ１０を含む。吸気通路３６はリザーバ５２に連結され、排気通路３８は、その出口ポート５６を通して作業システム５４に連結される。

制御装置５０は、スウォッシュプレート２０の最小（ＭＩＮ）変位位置と最大（ＭＡＸ）変位位置との間でスウォッシュプレート２０を移動するように作動するアクチュエータ機構５８を含む。アクチュエータ機構５８はメカニカルリンク機構６０によってスウォッシュプレート２０に連結される。アクチュエータ機構５８は、制御装置５０内に配置されたアクチュエータ部材６２を含み、メカニカルリンク機構６０に連結される。アクチュエータ部材６２は、制御装置５０に画成された第１の圧力チャンバ６６内に配置された所定の断面積の第１の端部６４を有する。第１の圧力チャンバ６６は通路６８によってポンプ１０の出口ポート５６と連通する。ばね部材６９は第１の圧力チャンバ６６内に配置され、アクチュエータ部材６２の第１の端部６４と動作的に接触する。ばね部材６９は、最初の始動中にスウォッシュプレート２０の最小変位位置からスウォッシュプレートを移動するように機能する。アクチュエータ部材６２はまた、所定の断面積の第２の端部７０を有する。第２の端部７０は制御装置５０の第２の圧力チャンバ７２内に配置される。例示的実施形態では、第１の端部６４の断面積は第２の端部７０の断面積よりも小さいが、第１および第２の端部６４、７０の適切な他の断面積を使用し得ることが想定される。アクチュエータ部材６２の第１の端部６４の断面積は、ポンプ１０の変位を減少するように作用するであろう最大旋回トルクを相殺する力を付与するように寸法決めされる。その力は、第１の端部６４の断面積と出口ポート５６の圧力とを乗算したものである。その力が大きくなると、第２の端部７０は、ポンプ１０の変位を増大するように作用するであろう最大旋回トルクを相殺するかあるいは釣り合わせる力を生成するように寸法決めされる。その力は、第２の端部７０の断面積と、以下に記載するより低い制御圧力とを乗算したものである。

加圧パイロット流体源７４（以下「パイロットポンプ」と呼ぶ）は、制御装置５０内に配置された比例弁装置７６（以下「弁」と呼ぶ）を通してアクチュエータ機構６２の第２の圧力チャンバ７２に連結される。パイロットポンプ７４は、上述した一定の低圧源の一例である。ばね８０のようなフォースフィードバック機構７８はアクチュエータ部材６２と弁７６との間に配置され、弁７６をその第１の作動位置に向かって付勢するように作動する。弁７６は、制御装置８４から電気ライン８２を通して受信される電気信号に応答して、弁７６の第２の作動位置に向かって移動可能である。本発明の装置では、制御装置８４は公知の電子タイプである。弁７６の移動の程度は、制御装置８４から受信される電気信号の大きさに比例する。次に、制御装置によって発生される電気信号の大きさは、例えば制御アルゴリズムの形態の制御スキームに左右されるかもしれない。

弁７６の第１の作動位置では、パイロットポンプ７４からの加圧流体は第２の圧力チャンバ７２と連通し、その第２の作動位置では、パイロットポンプ７４は第２の圧力チャンバ７２からブロックされ、第２の圧力チャンバ７２はリザーバ５２と連通する。

制御装置８４によって発生される電気信号なしに使用する際、図４に見られるように、アクチュエータ部材６２はその最も左側の位置にあるが、この理由は、第２の端部７０の断面積に作用するパイロットポンプ７４からの流体圧力が、アクチュエータ部材６２を移動させ、したがって、スウォッシュプレート２０をその最小変位位置に移動させる程度に十分であるからである。

加圧流体流が作業システム５４に必要とされる場合、制御装置８４は電気信号を発生し、電気ライン８２を通して弁７６のソレノイドに電気信号を送る。弁７６は、フォースフィードバック機構７８の付勢に対して、電気信号の大きさに比例する値だけ移動する。弁７６がその第２の作動位置に向かって移動するとき、第２の圧力チャンバ７２内の加圧流体の部分はリザーバ５２に逃れ、したがって、第２の圧力チャンバ７２内の圧力を低減する。第２の圧力チャンバ７２内のより低い圧力の結果、図４に見られるように、アクチュエータ部材６２は右方向に移動する。アクチュエータ部材６２が移動するとき、スウォッシュプレート２０の変位はメカニカルリンク機構６０の動作によって増大される。アクチュエータ部材６２が右方向に移動するとき、フォースフィードバック機構７８の力が増加される。電気信号によって確立される力をフォースフィードバック機構７８の力が超える点に、当該機構の力が増加されると、弁７６は釣り合った位置に維持され、したがって、第２の圧力チャンバ７２内の圧力を一定に維持する。追加の加圧流体が作業システム５４に必要とされる場合、制御装置８４は電気信号を増加し、ソレノイドによって発生される力により弁７６はさらに左に移動され、したがって、第２の圧力チャンバ７２内の圧力をさらに減少する。第２の圧力チャンバ７２内の圧力のさらなる減少によって、アクチュエータ部材６２はさらに右に移動し、この結果、スウォッシュプレート２０は、より大きな角度変位に移動する。再び、フォースフィードバック機構７８の力が増加するとき、その力は、電気信号によって確立される力がフォースフィードバック機構からの力によって釣り合わせられる点に再び達し、第２の圧力チャンバ７２内の圧力が一定圧力レベルに維持される。上述のことから容易に認識できるように、制御装置８４からの電気信号の増加または減少は、ポンプ１０の変位の比例した増大または減少をもたらす。

上述のことを考慮すると、ポンプ１０内の固有の旋回トルクの好ましい方向を利用して、ポンプ排気圧力とは無関係に作動範囲全体にわたって優れた制御能力を有し、かつスウォッシュプレート２０を位置付ける際に著しく繰り返し可能かつ精密である簡単な制御装置をもたらす可変変位制御装置５０が提供されることが容易に明白である。この同じ繰返し耐久性はフォースフィードバック／弁機構の固有の内部閉ループから得られる。この制御装置５０は、制御装置８４内の異なる制御ソフトウェアを単に使用することによって、流量制御圧力カットオフ、トルク制限制御等のような他の作動モードのために使用し得る。

本発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した請求の範囲の検討によって得られる。

複数の孔と、バレルと接触するポートプレートと、孔に配置された複数のピストンアセンブリと、複数のピストンアセンブリと接触する調整可能なスウォッシュプレートとを有するバレルを示した可変変位軸方向ピストンポンプの線図である。 図１のポートプレートの表面の線図である。 ポンプの１つのサイズで発生される代表的な旋回力を表したグラフである。 本発明を組み込んだ可変変位制御装置の部分線図および部分概略図である。

符号の説明

１０ 流体並進運動装置
１２ バレル
１４ ポンプ軸線
１６ ピストン孔
１８ ピストン
２０ スウォッシュプレート
２２ スウォッシュプレート軸線
２４ ばね
２６ 静止ヘッド
２８ 吸気通路
３０ 排気通路
３１ ボールおよびソケットジョイント
３２ スリッパ
３４ ポートプレート
３６ アーチ状吸気ポート
３８ アーチ状排気ポート
４０ 図３の点線
４２ 図３の破線
４４ 図３の実線
４８ 流体システム
５０ 可変変位制御装置
５２ リザーバ
５４ 作業システム
５６ 出口ポート
５８ アクチュエータ機構
６０ メカニカルリンク機構
６２ アクチュエータ部材
６４ ６２の第１の端部
６６ 第１の圧力チャンバ
６８ 通路
６９ ばね部材
７０ 第２の端部
７２ 第２の圧力チャンバ
７４ 加圧パイロット流体源
７６ 比例弁装置
７８ フォースフィードバック機構
８０ ばね
８２ 電気ライン
８４ 制御装置

Claims (4)

1. 可変変位制御装置であって、
   圧力出口ポートと調整可能なスウォッシュプレートとを有する可変変位流体並進運動装置と、
   調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構と、
   加圧パイロット流体源と、
   加圧パイロット流体源とアクチュエータ機構との間に配置された比例弁装置と、
   アクチュエータ機構と比例弁装置との間に配置されたフォースフィードバック機構と
   を備える可変変位制御装置。
2. 可変変位制御装置であって、
   圧力出口ポートと調整可能なスウォッシュプレートとを有する可変変位流体並進運動装置と、
   調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構と、
   加圧パイロット流体源と、
   加圧パイロット流体源とアクチュエータ機構との間に配置された比例弁装置と、
   アクチュエータ機構と比例弁装置との間に配置されたフォースフィードバック機構と
   を備え、
   アクチュエータ機構が、可変変位流体並進運動装置の出口ポートに連結された第１の圧力チャンバ内に配置された所定の断面積の第１の端部と、比例弁装置に連結された第２の圧力チャンバ内に配置された所定の断面積の第２の端部とを有し、
   アクチュエータ機構の第１の端部の断面積がアクチュエータ機構の第２の端部の断面積よりも小さく、
   比例弁装置が第１および第２の作動位置の間で移動可能であり、フォースフィードバック機構によって第１の作動位置に付勢され、
   比例弁装置の第１の作動位置において、加圧パイロット流体源がアクチュエータ機構の第２の端部と開口連通し、
   比例弁装置の第２の作動位置において、アクチュエータ機構の第２の圧力チャンバがリザーバに連結可能であり、比例弁装置が、電気信号の受信に応答して第２の作動位置に向かって移動可能である可変変位制御装置。
3. 調整可能なスウォッシュプレートを有する流体並進運動装置の変位を制御する方法であって、
   加圧パイロット流体源を提供するステップと、
   調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構を提供するステップと、
   加圧パイロット流体源とアクチュエータ機構との間に比例弁装置を提供するステップと、
   アクチュエータ機構と比例弁装置との間にフォースフィードバック機構を提供するステップと
   を含む方法。
4. 調整可能なスウォッシュプレートを有する流体並進運動装置の変位を制御する方法であって、
   加圧パイロット流体源を提供するステップと、
   調整可能なスウォッシュプレートに連結されたアクチュエータ機構を提供するステップと、
   加圧パイロット流体源とアクチュエータ機構との間に比例弁装置を提供するステップと、
   アクチュエータ機構と比例弁装置との間にフォースフィードバック機構を提供するステップと、
   第１の圧力チャンバを流体並進運動装置の出口ポートに連結して、流体並進運動装置の第１の圧力チャンバに露出される第１の端部を流体並進運動装置に提供するステップと、
   第２の圧力チャンバを比例弁装置に連結して、比例弁装置の第２の圧力チャンバに露出される第２の端部を比例弁装置に提供するステップと、
   アクチュエータ機構の第１の端部の断面積をアクチュエータ機構の第２の端部の断面積よりも小さくするステップと、
   流体並進運動装置の変位を減少する傾向を有する旋回トルクの最大値に対抗するように、アクチュエータ機構の第１の端部の断面積を寸法決めし、流体並進運動装置の変位を増大する傾向を有する旋回トルクの最大値に対抗するように、アクチュエータ機構の第２の端部の断面積を寸法決めするステップと
   を含む方法。
   

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