JP2005140025A

JP2005140025A - 作動油の粘度変化に備えた油圧駆動装置

Info

Publication number: JP2005140025A
Application number: JP2003377682A
Authority: JP
Inventors: Koji Okazaki; 康治岡崎; Satoshi Hamamoto; 智浜本
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】作動油の粘度変化があってもアクチュエータ速度が変わらないロードセンシング制御の油圧駆動装置を提供すること。
【解決手段】油圧駆動装置は、アクチュエータへ圧油を供給するエンジン駆動の斜板式可変容量ポンプ１と、ポンプ吐出圧とアクチェータ負荷圧との差圧が一定となるようにポンプ容量を変えるサーボピストン４を有する。また、エンジン駆動の固定容量ポンプ２と、固定容量ポンプの吐出側のオリフィス６とが設けられる。装置は、オリフィス前後の流体差圧によってエンジン回転数の変動を検知し、その変動に応じて可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる。装置はさらに、固定容量ポンプの吐出側に、装置内の作動油の粘度変動に応じて、オリフィス６による可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を、補償するチョーク７を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベルなどの建設機械や各種作業機械に用いる、斜板式の可変容量ピストンポンプ（以下、可変ポンプ）を備えた、ロードセンシング制御の油圧駆動装置に係り、特に、作動油の粘度変化に備えた油圧駆動装置に関する。

この形式の可変ポンプの容量制御は、サーボピストンによって可変ポンプの斜板を傾転して行う。
ロードセンシング制御は、可変ポンプの吐出圧と複数のアクチュエータの最高負荷圧との実差圧をある設定値に保つように可変ポンプの容量を制御するものである。この制御は、例えば、可変ポンプの吐出圧と最高負荷圧とを入力とする容量制御弁を設け、これら入力の大きさに応じて、サーボピストン室に可変ポンプ吐出圧を供給したり、タンクポートに開放したりして、実差圧を設定値になるよう維持する。

従来のこの種の制御として、設定差圧を変更可能にしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
これは、可変ポンプに加えて、エンジンなどで駆動する固定容量ポンプ（以下、固定ポンプ）を設けて、その吐出流量をエンジン回転数の検出に利用する容量制御装置である。この装置は、固定ポンプの吐出路に絞りを設置し、絞りの前後差圧の変化でエンジン回転数の変動を検出し、ポンプ容量制御の設定差圧を変更して、可変ポンプの吐出圧と最高負荷圧の実差圧を変更するようにしている。
これによって、圧油をアクチュエータへ送る方向制御弁の開度が一定でも、エンジン回転数に応じてアクチュエータの速度が変えられる。
特開平５−９９１２６号公報

本発明者達は、上述のような油圧駆動装置を解析して、作動油の粘度変化があると、方向制御弁の開度が一定であっても、アクチュエータ速度が変わってしまう現象が起こることを見出した。

従って、本発明は、エンジンなどの駆動源の回転数の変化に応じた制御が可能であるとともに、作動油の粘度変化があってもアクチュエータ速度が変わらないロードセンシング制御の油圧駆動装置の提供を目的とする。

その為、本発明は、前述の固定ポンプと絞りとを設けた油圧駆動装置において、ポンプ容量制御の設定差圧回路に作動油の粘度変動の補償を行うことを意図するものである。
本発明の油圧駆動装置は、駆動源の駆動によってアクチュエータへ圧油を供給する斜板式可変容量ポンプと、ポンプ吐出圧とアクチェータの負荷圧との差圧が一定となるようにポンプの容量を変えるサーボピストンと、駆動源により駆動する固定容量ポンプと、固定容量ポンプの吐出側に設けた絞り（オリフィス）とを有し、絞り前後の流体差圧によって駆動源の回転数変動を検知し、可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる。この装置は、装置内の作動油の粘度変動に応じて可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる補償手段を設けたことを特徴とする。

上記構成では、作動油の粘度変化により、可変ポンプの吐出側からアクチュエータまでの回路の圧力損失が変化しても、補償手段が、粘度変化に応じて、可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる。その結果、可変容量ポンプからアクチュエータへの吐出量が粘度変化に応じて修正され、アクチュエータの速度変化を防止する。

上記補償手段は、固定容量ポンプの吐出側に、絞り（オリフィス）と直列に設置したチョークであることが好ましい。
チョークによって、補償手段を簡単な構造で安価に実現することができる。

本発明によれば、作動油の粘度変化があってもアクチュエータの速度が変動しないので、この油圧駆動装置を採用する建設機械や、各種作業機械の操作性を向上することができる。
また、可変ポンプの吐出側からアクチュエータまでの回路長さや開口面積が、装置を採用する機械の機種毎に異なっても、補償手段の諸元を調整するだけで対処することが可能であり、本発明は汎用性に富む。
さらに、補償手段としてチョークを採用することにより、このような効果を非常に容易に、安価に実現することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施例による油圧駆動装置を説明する。
図１は、この装置の油圧回路を示す。図示の油圧駆動装置は、エンジン３に駆動される斜板式の可変容量ピストンポンプ１および固定容量ポンプ２と、ポンプ１につながった容量制御用の傾転角制御弁５とを有し、可変ポンプ１が吐出する圧油を、コントロールバルブ２２を通して２つのアクチュエータへ送る構成である。

サーボピストン４によって、斜板１ａの傾きを変えて、ポンプ１の吐出容量を変える。サーボピストン４は、傾転角制御弁５に接続されている。
固定ポンプ２の吐出側回路には、絞り部１００を設けている。絞り部１００は、前述の従来技術にも設けられているオリフィス６を含んでいる。オリフィス６の下流側は、傾転角制御弁５と、リリーフ弁２８に連通している。

ポンプ傾転角制御弁５には、可変ポンプ１の吐出圧（Ｐｓ０）１２と、絞り部１００下流側の固定ポンプ２の吐出路圧（Ｐｐ２）１５が、サーボピストン４に圧油を供給する方向に傾転角制御弁５を切り換えるように作用する。また、アクチュエータの最高負荷圧（ＰＬｍａｘ）１３と固定ポンプ２の吐出路の圧（Ｐｐ１）１４が、サーボピストン４の圧油をタンクへ逃がす方向に傾転角制御弁５を切り換えるように作用する。

ここで、固定ポンプの吐出路圧１５はパイロットラインのリリーフ弁２８の設定圧であり、吐出路圧１４は、固定ポンプ２の吐出流量がオリフィス６とチョーク７を通過した時の圧力損失を吐出路圧１５に加えた圧力である。

コントロールバルブ２２は、アクチュエータに対応した方向制御弁８，９と、圧力補償弁１０ａ，１１ａとを含んでいる。
圧力補償弁１０ａ，１１ａは、方向制御弁８，９の前後差圧を補償するものである。これら圧力補償弁に働く油圧の関係を説明すると、例えば弁１０ａには、該弁の上流圧（Ｐｓ１）１６と、自己負荷圧（ＰＬ）２６とがこの弁を開かせる方向に作用する。また、最高負荷圧１３と、方向制御弁８の上流圧（Ｐｉｎ）１７とが、圧力補償弁１０ａを閉ざす方向に作用する。

このような構成の油圧駆動装置における圧油粘度の影響について、本発明者達が行った解析は次の通りである。
固定ポンプ２の吐出路には、前述のように、可変ポンプ容量制御の設定圧をエンジン等の駆動源の回転数に応じて変更するために絞りを設置しているが、この絞りはオリフィス６である。従って、絞りの前後差圧は、理論的には粘度の影響を受けない。そのため、圧油の粘度の大小に関わらず、可変ポンプ１の容量制御の設定圧、つまり可変ポンプ１の吐出圧１２と最高負荷圧１３の実差圧は一定となる。

また、可変ポンプ１が吐出した圧油をアクチュエータへ送る方向制御弁8でも、流量を制御している絞りはオリフィスとして扱える。
ところが、可変ポンプ1の吐出ポートから圧力補償弁１０ａまでの回路は、比較的狭く、長さがあって、チョーク状の絞りとして働く。よって、可変ポンプ１の吐出ポートから圧力補償弁１０ａまでは、圧油粘度の影響を受ける。

つまり、エンジン３の回転速度が一定であると、可変ポンプ１の吐出圧１２と最高負荷圧１３の実差圧を一定に保つことができるが、回路中の作動油粘度が変わると、可変ポンプ１の吐出ポートから圧力補償弁１０ａまでの圧力損失が変わるのである。その結果、方向制御弁８の開度が一定であっても、方向制御弁８の前後差圧が変化して、アクチュエータの速度が変わってしまう。
このように、この油圧駆動装置は、作動油の粘度が変動するとアクチュエータの操作性が悪化する現象を起こすことになる。

本発明は、この現象を防ぐために、可変ポンプ容量制御の設定圧に作動油粘度の変動の補償を行うものであり、本実施例では、この補償手段として、チョーク７を絞り部１００に設けている。
図２は、絞り部１００を拡大して示す。チョーク７は、オリフィス６の上流側に直列につながっている。
なお、このチョークは、オリフィス６の下流側に配置してもよい。

このような構成の装置では、作動油の粘度が高くなって、可変ポンプ１の吐出側と例えば圧力補償弁１０ａ間の圧力損失が増えると、固定ポンプ２の吐出路のチョーク７も同じ影響を受けて、このチョークの圧力損失が高くなる。その分、絞り部１００による可変ポンプ容量制御の設定差圧が高くなる。
また逆に、作動油の粘度が低くなって、可変ポンプ１の吐出側と圧力補償弁１０ａの間の圧力損失が低下した場合でも、チョーク７が同様に作動油の粘度の影響を受け、その圧力損失が低くなる分、可変ポンプ容量制御の設定圧が低くなる。

すなわち、本装置の絞り部１００は、作動油の粘度変動による可変ポンプ１の吐出ポートと圧力補償弁１０ａとの間の圧力損失の変化に応じて、可変ポンプ容量制御の設定圧を変えるのである。これによって、方向制御弁８の開度が一定なら、作動油の粘度による影響を受けずに、アクチュエータの速度が一定になる。
かくして、作動油の粘度の影響でアクチュエータの操作性が悪化する現象を防ぐことができる。

続いて、上記構成の油圧回路における各構成要素の圧力関係を説明する。
まず、ポンプ傾転角制御弁５において、吐出圧（Ｐｓ０）１２、最高負荷圧（ＰＬｍａｘ）１３および吐出路圧（Ｐｐ１，Ｐｐ２）１４，１５が作用する受圧面積は同じである。この弁は、力のバランスが次の式を満たすように、可変ポンプ１の容量がサーボピストン４によって制御される。

［数１］
Ps0 + Pp2 = Pp1 + PLmax すなわち
Ps0 - PLmax = Pp1 - Pp2 ・・・（１）

次に、圧力補償弁１０ａにおいて、上流圧（Ｐｓ１，Ｐｉｎ）１６，１７、自己負荷圧（ＰＬ）２６、そして最高負荷圧１３が働く受圧面積は同じである。この弁は、力のバランスが次の式を満たすように制御される。
［数２］
Ps1 + PL = Pin + PLmax すなわち
Pin - PL = Ps1 - PLmax ・・・（２）

可変ポンプ１の吐出圧１２と圧力補償弁１０ａの上流圧１６の差圧は、次の通りである。
［数３］
Ps0 - Ps1 = ΔPs ・・・（３）

作動油が粘度νの状態の時、方向制御弁８の開口面積をＡ１、定数をＣ１とすると、方向制御弁８の通過流量Ｑ１は、（２）式より、次の（４）式のようになる。
また、可変ポンプ１の吐出側から圧力補償弁１０ａまでの管路をチョークとみなし、その開口面積をＡ２、チョーク長さをＬ、定数をＣ２とすると、流量Ｑ１は（３）式より、次の（５）式で表せる。
［数４］
Q1 = C1・A1・√(Ps1 - PLmax) ・・・（４）
Q1 = C2・(A2)²・△Ps/(ν・L) ・・・（５）

一方、固定ポンプ吐出路のオリフィス６の開口面積をａ１、定数をＣ１、オリフィス６とチョーク７の間の圧１９をＰｐｍとすると、固定ポンプ２の吐出量Ｑ２は、次の（６）式となる。
また、チョーク７の開口面積をａ２、チョーク長さをｌ、定数をＣ２とすると、吐出量Ｑ２は、次の（７）式で表せる。
［数５］
Q2 = C1・a1・√(Ppm - Pp2) ・・・（６）
Q2 = C2・(a2)²・(Pp1 - Ppm)/(ν・l) ・・・（７）

ここで、方向制御弁８とオリフィス６の前後差圧が等しくなるように、つまり次の（８）式を満たすように（４）式と（６）式から導いた次の（９）式によってオリフィス６の開口面積ａ１を設定する。
［数６］
Ps1 - PLmax = Ppm - Pp2 ・・・（８）
Q1/(C1・A1) = Q2/(C1・a1) これを整理して
a1 = Q2/Q1・A1 ・・・（９）

また、オリフィス７については、上記（８）式を満たし、且つ次の（１０）式を満たすように（５）式および（７）式から導いた次の（１１）式によって、チョーク長さｌと、開口面積ａ２を設定する。
［数７］
△Ps = Pp1 - Ppm ・・・（１０）
Q1・ν・L/(C2・(A2)²) = Q2・ν・l/(C2・(a2)²) これを整理して
l/(a2)² = L/(A2)²・（Q1/Q2) ・・・（１1）

この油圧駆動装置において、作動油の粘度がｎ倍になった場合、固定ポンプ吐出路のオリフィス６における圧力損失は、粘度の影響を受けないことより、（８）式のＰｐｍ−Ｐｐ２のままである。
（７）式と固定ポンプ２の吐出量Ｑ２が変化しないことから、固定ポンプ吐出路のチョーク７におけるチョーク式は、チョーク上流圧をＰｐ１‘とすると、次のようになる。
［数８］
Q2 = C2・(a2)²・(Pp1'- Ppm)/(ｎ・ν・l) ・・・（１２）

（７）式と（１２）式より、
［数９］
Pp1'- Ppm = ｎ・（Pp1 - Ppm）・・・（１３）
このとき方向制御弁８の通過流量をＱ１'とすると、
［数１０］
Q1' = C1・A1・√(Ps1'- PLmax) ・・・（１４）
また可変ポンプ１の吐出ポートから圧力補償弁１０ａまでの圧力損失を△Ｐｓ'とすると、
［数１１］
Q1' = C2・(A2)²・△Ps'/(n・ν・L) ・・・（１５）
△Ps' = Ps0'- Ps1' ・・・（１６）

固定ポンプ吐出路のオリフィス６とチョーク７の圧力損失を合算したもの、つまりポンプ容量制御の設定差圧はＰｐ１'−Ｐｐ２であり、可変ポンプ１の吐出圧Ｐｓ０'と最高負荷圧１３の実差圧と等しくなるよう制御するので、
［数１２］
Pp1'- Pp2 = Ps0'- PLmax ・・・（１７）
Pp1'- Ppm + Ppm - Pp2 = Ps0'- PLmax ・・・（１８）
（１３）式より、
［数１３］
n・（Pp1 - Ppm）+ Ppm - Pp2 = Ps0'- Plmax ・・・（１９）
（８）式より、
［数１４］
n・（Pp1 - Ppm）+ Ps1 - PLmax = Ps0'- PLmax・・・（２０）

（１０）式より整理して、
［数１５］
n・△Ps + Ps1 - PLmax = Ps0'- PLmax
n・△Ps + Ps1 - PLmax = Ps0'- Ps1 + Ps1 - PLmax
n・△Ps = Ps0'- Ps1
Ps0'= n・△Ps + Ps1 ・・・（２１）

ここで（１５）式、（１６）式および（２１）式より、
［数１６］
Q1'= C2・(A2)²・（n・△Ps + Ps1 - Ps1')/(n・ν・L)・・・（２２）
Q1'= Q1 + C2・(A2)²・(Ps1 - Ps1')/(n・ν・L) ・・・（２３）

Ｐｓ１−Ｐｓ１'＝Ｘとし、（１４）式と（２３）式より、
［数１７］
C1・A1・√(Ps1 - X - PLmax) = Q1 + C2・(A2)²・X /(n・ν・L)・・・（２４）
Ｘについて方程式を解くと、

［数１８］
X = 0 ・・・（２５）
または、 X = -(C1・A1/C2/A2)²/(A2)²・(n・ν・L)² ・・・（２６）

（２６）式を（２４）式に代入すると、
［数１９］
Q1 +（(C1・A1)²/C2/A2²)・(n・ν・L) = Q1 + ((C1・A1)²/C2/A2²)・(n・ν・L)²
n・ν・L=(n・ν・L)² ・・・（２７）
（２７）式は成立しないので、Ｘの解ではない。（２５）式より、
［数２０］
Ps1 = Ps1' ・・・（２８）

（２８）式を（１４）式に代入すると、
［数２１］
Q1' = Q1 ・・・（３４）
となり、方向制御弁８の通過流量は、作動油の粘度変化があっても変化しないことになる。

このように、本実施例の装置では、作動油の粘度が変動し、可変ポンプ1の吐出ポートから圧力補償弁１０ａまでの圧力損失が変化しても、固定ポンプ２の吐出路に設けたチョーク７の圧力損失も対応して変化し、ポンプ容量制御の設定差圧が変わる。その結果、アクチュエータの速度が圧油の粘度変化に応じて補償され、粘度変化によるアクチュエータの速度変化を防止することになる。

本発明の実施例による油圧駆動装置の回路図である。図１の回路において固定ポンプの吐出側に設けた絞り部の拡大断面図である。

符号の説明

１可変容量ポンプ
１ａ斜板
２固定容量ポンプ
３エンジン
４サーボピストン
６オリフィス（絞り）
７チョーク（補償手段）
８，９方向制御弁
１２可変容量ポンプの吐出圧
１３アクチュエータの負荷圧

Claims

駆動源（３）の駆動によってアクチュエータへ圧油を供給する斜板式可変容量ポンプ（１）と、ポンプ吐出圧とアクチェータの負荷圧との差圧が一定となるようにポンプ（１）の容量を変えるサーボピストン（４）と、駆動源により駆動する固定容量ポンプ（２）と、固定容量ポンプの吐出側に設けた絞り（６）とを有し、この絞り前後の流体差圧によって駆動源の駆動力変動を検知し、その変動に応じて可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる油圧駆動装置において、
装置内の作動油の粘度変動に応じて可変容量ポンプのポンプ容量制御の設定差圧を変化させる補償手段を設けたことを特徴とする油圧駆動装置。
請求項１に記載の装置において、前記補償手段は、固定容量ポンプの吐出側に、絞り（オリフィス）（６）と直列に設置したチョーク（７）である、油圧駆動装置。