JP2005308126A - 液圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品手数を削減し、組立・分解・保守管理が容易なＦＳＴ式液圧装置を提供すること。
【解決手段】 本発明は、所定の負荷４２に作動油を供給するための液圧装置１０において、油圧ポンプ１２と、油圧ポンプからの作動油により伝えられる動力を蓄積するアキュムレータ１４と、作動油タンク２８と、油圧ポンプ１２からの作動油を作動油タンク又はアキュムレータのいずれか一方に選択的に導く弁手段（ロータリ弁）１６と、この弁手段を制御する制御装置４０とを備える。また、弁手段は、作動油を作動油タンクに導く場合にはアキュムレータから作動油タンクへの作動油の流れを阻止し、作動油をアキュムレータに導く場合には油圧ポンプから作動油タンクへの流れを阻止するようになっている。これによって、従来、逆止弁と開閉弁とを必要としていた部分を、１個の弁手段により構成することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液圧装置に関し、特に流体伝動装置に関するものである。

流体伝動装置として用いられる液圧装置には従来から種々の型式のものが知られているが、近年、ＦＳＴ（Fluid Switching Transmission）と称される新方式の液圧装置が提案され、開発が進められている（例えば特許文献１を参照）。ＦＳＴは、流体伝動装置として、定容量型ポンプで可変容量型ポンプと等価な動作を高効率で実現できる手段であり、電気回路におけるスイッチング電力制御回路と等価な理論に基づいた制御方式である。

図４の（Ａ）は従来のＦＳＴ式液圧装置を示す回路図である。図中、Ｐは定容量型液圧ポンプ、ＶＣ１は逆止弁、ＡＣＣはアキュムレータ、ＶＳ１は開閉弁を示しており、これらの要素によりＦＳＴ式液圧装置の基本回路が構成されている。また、この液圧装置の負荷側には、開閉弁ＶＳ２、逆止弁ＶＣ２及び定容量型液圧モータＭが図示の如く接続されている。なお、図中、Ｅは液圧ポンプＰの駆動源であり、Ｊ１は液圧ポンプＰの回転軸に取り付けられた又は内在する慣性体、Ｊ２は液圧モータＭの回転軸に取り付けられた又は内在する慣性体である。

一方、図４の（Ｂ）は、図４の（Ａ）に示すＦＳＴ式液圧装置に等価な電気回路を示している。図中、Ｖは直流電源、Ｌ１，Ｌ２はインダクタ、Ｃはコンデンサ、Ｓ１，Ｓ２はスイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２は整流器、Ｒは抵抗である。電源Ｖは液圧ポンプＰに相当し、インダクタＬ１，Ｌ２はそれぞれ慣性体Ｊ１，Ｊ２に相当する。コンデンサＣはアキュムレータＡＣＣ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ開閉弁ＶＳ１，ＶＳ２、整流器Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ逆止弁ＶＣ１，ＶＣ２に相当する。更に、抵抗Ｒは液圧モータＭに相当する。図４の（Ｂ）に示す電気回路は、スイッチング電力制御回路或いはパワーレギュレータ回路として知られているものであり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のスイッチング周波数や開閉間隔を調整することで、インダクタＬ１に対する電圧を調整することが可能となっている。

ここで、図４の（Ａ）における液圧ポンプＰの軸周りの運動方程式を式（１）に、図４の（Ｂ）におけるスイッチング電力制御の入力電圧関係式を式（２）に示すと、

となる。式中、Ｔｅは駆動源Ｅの軸出力トルク、Ｔｐは液圧ポンプＰの軸入力トルク、Ｊ１は慣性体Ｊ１の慣性モーメント、ωは駆動源の出力軸の角速度、Ｖｉｎは入力電圧、ＶｃはコンデンサＣの端子電圧、Ｌ_１はインダクタＬ１のインダクタンス、Ｉは電流である。

次に、制御素子の状態を表す係数を負荷した式を式（１）′、（２）′に示す。

式中、「０」は、開閉弁ＶＳ１が開（アンロード）、スイッチング素子Ｓ１がオンの場合を意味し、「１」は、開閉弁ＶＳ１が閉（ロード）、スイッチング素子Ｓ１がオフの場合を意味する。

スイッチング電力制御においては、スイッチング素子Ｓ１のオン・オフ制御を行うことにより図５の（Ｂ）に示すようなＶＩ特性が得られる。一方、式（１）′、（２）′から理解される通り、ＦＳＴ制御としては、ωが予め設定した回転数に達した場合に、０と１を反転させるか、又はクロックにより所定の周波数で、０，１を反転させることで、スイッチング電力制御と等価な流体動力制御を行うことができる。今、定容量型の液圧ポンプＰを一定入力トルク、一定回転数で駆動させた場合において、開閉弁ＶＳ１の開閉制御を行うことで、ＦＳＴ式液圧装置により動力伝達できる変速範囲は、図５の（Ａ）にてＰＱ特性で示すように、図５の（Ｂ）と等価なものとなる。この図５から、ＦＳＴ方式により、可変容量型ポンプを定馬力制御した場合に相当した動作が可能となることが分かる。
特開平２００３−１３０００６号公報

上述したような従来のＦＳＴ式液圧装置では、流体伝動装置として、定容量型液圧ポンプで可変容量型液圧ポンプと等価な動作を高効率で実現することが可能となり、省エネルギーという要請にも応えるものとなっている。

しかしながら、従来のＦＳＴ式液圧装置に対しては、組立・分解・保守管理の容易化等の要請がある。本発明が解決しようとする課題はかかる要請に応えることにある。

上記目的を達成するために、本発明者らは種々検討した結果、上記従来の液圧装置における逆止弁ＶＣ１の機能と開閉弁ＶＳ１の機能とを、一つの弁手段によって果たし得ることを見出した。

すなわち、本発明は、所定の負荷に作動液体を供給するための液圧装置において、所定の動力を出力でき、所定の慣性を備える動力源と、動力源から供給される作動液体により伝えられる動力を蓄積すると共に、蓄積された動力を前記負荷に供給することができるようになっているエネルギー蓄積手段と、作動液体を貯留する作動液体タンクと、動力源から供給される作動液体を作動液体タンク又はエネルギー蓄積手段のいずれか一方に選択的に導く弁手段と、弁手段を制御する制御手段と、を備え、弁手段を、動力源からの作動液体を作動液体タンクに導く場合（アンロード時）にはエネルギー蓄積手段から作動液体タンクへの作動液体の流れを阻止し、動力源からの作動液体をエネルギー蓄積手段に導く場合（ロード時）には動力源から作動液体タンクへの作動液体の流れを阻止するようになっているものとしたことを特徴としている。

かかる構成においては、アンロード中、動力源にかかる負荷が小さく、動力源の持つ慣性エネルギーが増加する。一方、ロード中、動力源からの供給流量が負荷の必要流量よりも大きい場合には、エネルギー蓄積手段に動力源からの動力が蓄積されていく。また、動力源からの供給流量が負荷の必要流量以下である場合には、動力源からの動力の大部分は主に負荷に送られる。これにより、動力源の慣性エネルギーが消費される。このような挙動を弁手段の切換によって制御することにより、動力源の出力を調整しながら負荷に動力を伝達する。このようにして、動力源が定容量型の液圧ポンプであっても、可変容量型ポンプの押しのけ容積を可変させた場合と同等の動作を可能とする。これは、図４及び図５に沿って説明した従来構成と同様な動作であり、１個の弁手段で達成できることが理解される。

なお、弁手段としてはロータリ弁や電磁式のスプール弁を採用することができる。

また、動力源としては可変容量型液圧ポンプを用いることもできる。液圧ポンプを可変容量型とすることにより、負荷が必要とする流量に応じた吐出流量とすることができ、これによって安定したポンプ動作を得ることができる。

上述したように、本発明によれば、逆止弁と開閉弁を有する従来のＦＳＴ式液圧装置と同様な動作を、一つの弁手段を有する液圧装置で達成することができる。従って、部品点数が減り、装置の組立・分解・保守管理が容易となるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。

図１は、本発明によるＦＳＴ式液圧装置である油圧装置の第１実施形態を示す概略説明図である。この油圧装置１０は、先に図４の（Ａ）に沿って説明した従来構成と同様に、定容量型油圧ポンプ（動力源）１２、アキュムレータ（エネルギー蓄積手段）１４を備えているが、逆止弁と開閉弁に代えて１個のロータリ弁１６が設けられている点で従来構成と異なっている。

油圧ポンプ１２の回転軸１８には、駆動源として内燃機関２０の出力軸２２が接続されている。勿論、駆動源は内燃機関２０に限られず、電動機等の他の型式のものであってもよい。油圧ポンプ１２及び内燃機関２０は、油圧ポンプ１２が定容量型であるので、内燃機関２０が一定の回転数である場合には、油圧ポンプ１２から所定の流量が吐出される動力源として機能することができる。

また、油圧ポンプ１２の回転軸１８には、フライホイール２４が同軸に取り付けられている。フライホイール２４は、はずみ車とも称される慣性体であり、所定量の慣性モーメントを有している。このフライホイール２４は、内燃機関２０により回転駆動された場合、内燃機関２０の出力動力を回転運動エネルギーとして蓄積していく。なお、油圧ポンプ１２若しくは内燃機関２０、又はその両者に大きな慣性が内在している場合には、フライホイール２４を省略することも可能である。

油圧ポンプ１２の流入ポート２６には、作動油タンク（作動液体タンク）２８が、流路３０を介して接続されている。また、油圧ポンプ１２の流出ポート３２には流路３４の一端が接続され、他端は、エネルギー蓄積手段としてのアキュムレータ１４が接続されている。

流路３４の中間部にはロータリ弁１６が介設されている。このロータリ弁１６は、基本的には２ポジション３ポート型の構成を採り、Ｐポートは油圧ポンプ１２と連通し、Ａポートはアキュムレータ１４と連通している。また、Ｔポートは、アンロード流路３６を介して、作動油タンク２８と連通している。ロータリ弁１６はモータ３８を制御することによりそのポジションを切り換えることができ、第１ポジションでは、ＰポートとＴポートとは互いに連通し、Ａポートは閉じられる。一方、第２ポジションでは、ＰポートとＡポートとが互いに連通し、Ｔポートが閉じられる。なお、モータ３８は制御装置４０からの制御信号によって開閉制御される。

このロータリ弁１６を用いることで、図４の（Ａ）を参照して前述した従来構成と同様な作用を果たすことができる。すなわち、ロータリ弁１６を第２ポジションにすると、アキュムレータ１４に油動力を供給することができ、この際、アンロード流路３６は閉じられる。これは、従来構成において、開閉弁ＶＳ１を閉じたロード時の状態と同等である。また、ロータリ弁１６を第１ポジションにすると、アンロード流路３６は開き、油圧ポンプ１２からの作動油は作動油タンク２８に戻されるが、Ａポートは閉じられるので、アキュムレータ１４から作動油が作動油タンク２８に流れることはない。これは、従来構成において、開閉弁ＶＳ１を開放したアンロード時の状態と同等である。

アキュムレータ１４にて蓄積されたエネルギーは負荷４２側に供給される。すなわち、アキュムレータ１４とロータリ弁１６との間の流路３４から流路４４が分岐しており、この流路４４が負荷４２に接続されている。負荷４２としては、例えば図４の（Ａ）と同様に、油圧モータ４６とすることができる。この場合、流路４４に電磁式の開閉弁４８を介設するとよい。また、開閉弁４８と油圧モータ４６との間の流路４４からは、作動油タンク２８に接続される流路５０を分岐させ、この流路５０に逆止弁５２を介設する。これは、流路４４から作動油タンク２８への作動油の流れを阻止する一方、開閉弁４８が閉状態にある場合に、油圧モータ４６の慣性力により油圧モータ４６がポンプとして作用しても、油圧モータ４６の流入ポート５４に作動油タンク２８から作動油が流入することができるようにするためである。なお、符号５６は、油圧モータ４６の回転軸５８に付加された慣性又は油圧モータ４６に内在する慣性である。

制御装置４０には、図示しないが、アキュムレータ１４の圧力を検知する圧力センサや、油圧モータ４６の回転軸５８の回転数を検知する回転センサ、内燃機関２０の出力軸２２の回転数（油圧ポンプ１２の回転軸１８の回転数）を検知する回転センサ等からの検知信号が入力され、これらに基づいてロータリ弁１６の動作を制御することが好ましい。

かかる構成においては、ロータリ弁１６が、従来構成おける開閉弁ＶＳ１と逆止弁ＶＣ１と同等の機能を有するため、制御装置４０が、圧力センサや回転センサ等からの信号に基づいて、ロータリ弁１６のモータ３８及び開閉弁４８を制御することで、従来と同様に油圧モータ４６に対して所望の圧力、流量で作動油を供給することが可能となることは、当業者であれば容易に理解されよう。

特に本実施形態においては、１個のロータリ弁１６が、従来の開閉弁ＶＳ１と逆止弁ＶＣ１に代えて設けられるため、部品点数が少なくてすみ、油圧装置１０の組立、分解が容易となり、保守管理にも有利となる。また、ロータリ弁１６は電磁式のスプール弁に比して大型化することが容易であるため、大流量での駆動が必要な装置に対して有効となる。更に、ロータリ弁１６の特質であるスムーズで静かな制御も可能となる。

図２は、本発明の第２実施形態を示している。図２から理解されるように、第２実施形態に係る油圧装置１１０は、ロータリ弁１６に代えて、電磁式のスプール弁１１６が用いられている点でのみ、第１実施形態のものと異なっている。スプール弁１１６は、ロータリ弁１６と同様に２ポジション３ポート型であり、第１ポジションでは、ＰポートとＴポートとが互いに連通し、Ａポートが閉じられ、第２ポジションでは、ＰポートとＡポートとが互いに連通し、Ｔポートが閉じられる。従って、このスプール弁１１６を制御装置４０により制御することで、第１実施形態と全く同様な機能を果たすことができる。また、部品点数削減の効果についても、第１実施形態と同様である。

なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図３は、本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態に係る油圧装置２１０は、油圧ポンプ２１２が可変容量型である点のみで第１実施形態と相違している。よって、第１実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本来、ＦＳＴ式油圧装置は、定容量型油圧ポンプで可変容量型油圧ポンプと等価な動作を高効率で実現できる手段である。ここで、油圧ポンプが定容量型である図１の構成を再度参照すると、負荷４２側が、平衡状態（例えば図５の（Ａ）の点１の状態）よりも高圧で小流量を必要とする状態（図５の（Ａ）において左側の点２よりも左側領域）となる場合では、負荷４２側に対するロータリ弁１６の開時間を短くする必要がある。従って、ロータリ弁１６の最小開閉時間により、流量が制限されるため、より小流量を制御するためには、内燃機関２０の回転数を小さくする必要がでてくる。しかし、一回転あたりの吐出流量を小さくすることで、ロータリ弁１６の最小開閉時間に拘わらず、小流量制御が可能となる。第３実施形態は、かかる趣旨の下、油圧ポンプ２１２を可変容量型としたのである。

なお、第３実施形態におけるロータリ弁１６に代えて、第２実施形態におけるスプール弁１１６を用いることも可能である。

また、図３に示すように、負荷４２中の弁をロータリ弁２４８とすることができることことは、当業者であれば理解されよう。これは、第１及び第２の実施形態に対しても同様に適用可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に述べたが、本発明は上記実施形態に限定されないことはいうまでもない。

例えば、上記第３実施形態では負荷は油圧モータとしているが、油圧式リフター等に用いられる油圧シリンダ、その他の油圧機器を使用することもできる。油圧式リフターにおいては、負荷の大きさは荷物の量等により定まるため、圧力センサ等で負荷の大きさを検知しなくとも、作業員の判断によることもできる。よって、可変容量型の油圧モータの押しのけ容積は手動によって変更することとしてもよい。

また、上記実施形態では油圧装置としているが、油以外の他の作動液体を用いた液体装置にも本発明は適用可能である。

本発明による油圧装置（液圧装置）の第１実施形態を示す油圧回路図である。 本発明による油圧装置の第２実施形態を示す油圧回路図である。 本発明による油圧装置の第３実施形態を示す油圧回路図である。 （Ａ）は従来一般のＦＳＴ式液圧装置を示す回路図であり、（Ｂ）は（Ａ）の液圧装置に等価な電気回路の回路図である。 （Ａ）は図４の（Ａ）の液圧装置によるＰＱ特性のグラフであり、（Ｂ）は図４の（Ｂ）の電気回路によるＶＩ特性のグラフである。

符号の説明

１０，１１０，２１０…油圧装置（液圧装置）
１２…定容量型油圧ポンプ（動力源）
１４…アキュムレータ（エネルギー蓄積手段）
１６…ロータリ弁（弁手段）
２０…内燃機関（駆動源）
２４…フライホイール（慣性）
２８…作動油タンク（作動液体タンク）
３６…アンロード流路
３８…モータ
４０…制御装置（制御手段）
１１６…スプール弁（弁手段）
２１２…可変容量型油圧ポンプ（動力源）

Claims (4)

1. 所定の負荷に作動液体を供給するための液圧装置であって、
   所定の動力を出力でき、所定の慣性を備える動力源と、
   前記動力源から供給される作動液体により伝えられる動力を蓄積すると共に、蓄積された動力を前記負荷に供給することができるようになっているエネルギー蓄積手段と、
   作動液体を貯留する作動液体タンクと、
   前記動力源から供給される作動液体を前記作動液体タンク又は前記エネルギー蓄積手段のいずれか一方に選択的に導く弁手段と、
   前記弁手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記弁手段が、前記動力源からの作動液体を前記作動液体タンクに導く場合には前記エネルギー蓄積手段から前記作動液体タンクへの作動液体の流れを阻止し、前記動力源からの作動液体を前記エネルギー蓄積手段に導く場合には前記動力源から前記作動液体タンクへの作動液体の流れを阻止するようになっている、液圧装置。
2. 前記弁手段がロータリ弁である、請求項１に記載の液圧装置。
3. 前記弁手段が電磁式のスプール弁である、請求項１に記載の液圧装置。
4. 前記動力源が可変容量型液圧ポンプである、請求項１又は２に記載の液圧装置。

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