JP2006084022A - 作動液の流れを制御するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 作動液の流れを制御するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】 作業機械における作動液を流す方法が開示されている。本方法は入力機構から制御信号を発生させるステップ、及び作動液の粘度を示す特性信号を発生させるステップを含む。制御信号及び特性信号は制御モジュールで受信される。本方法はまた制御信号に対する所望の流量を決定するステップ、及び制御信号に対する所望の流量を達成するために要求される弁制御信号を決定するステップを含む。弁制御信号は特性信号に基づいている。弁制御信号はコマンド信号に対する所望の流量を、弁を通して供給するために比例弁に出力される。
【選択図】 図２

Description

本明細書は作業機械における作動液の流れを制御するシステム及び方法に関する。より詳しくは、本明細書は流体の粘度変化を補正するための作動液の流れを制御するシステム及び方法に関する。

作動液の特性は部分的に温度に依存する可能性がある。例えば流体が冷たいときに高い粘度を有し、それに反して流体が比較的温かいときに低い粘度を有することがある。スキッドステアローダのような作業機械は、作業器具の操作及びローダをあちらこちらに運転するためのアクチュエータ及び／又は油圧モータの駆動用に作動液をしばしば使用する。例えば、スキッドステアローダは作業器具を上げ下げさせるため弁を通して作動液を流すことがある。作業機械がアイドリング後に始動するとき作動液は冷たく、温度を上昇させて動作温度において安定させるまでに最長で１時間かかることもある。

作動液の温度依存特性は作業機械の一貫性及び応答性に影響する場合がある。与えられた制御信号に対して、流量制御弁はその弁を通して流体が一定の流量で流れることが可能なように所定の割合で開く。粘度は流体の流動性に影響するため、与えられた同じ制御信号に対して、流体が高い粘度の場合は流体が比較的低い粘度の場合よりも、弁を通る流体の流量は減少する可能性がある。それゆえ、操作者からのコマンドは作動油が冷たい場合にある速度で、また作動油が比較的温かい場合にもう一つの別の速度で作業器具を動かすことがある。従って操作者は非効率を生じる可能性のある、作動油の粘度変化に起因する作業機械の応答性の相違に対応しなければならない。

ムラノ（Ｍｕｒａｎｏ）らに付与された米国特許公報（特許文献１）は車両用の変速機構の油圧制御方法を開示している。この制御方法はクラッチシステム用の所望の液圧を保持する周波数で、弁を操作することを含む。弁操作の周波数は温度が上がるに従い増加しながら変化する。しかしながら米国特許公報（特許文献１）で開示されたシステムは、流体作動式機械構成部品を制御するための比例的な流れを制御しない。従って米国特許公報（特許文献１）で開示されたシステムは、流量制御に依存する作業機械に対する一貫性を備えていない可能性がある。

米国特許第５ ０４２ ３２３号明細書

ここに開示される方法及びシステムは変動する温度環境において、作業機械のより一貫性のある制御を提供する可能性がある。

一形態において、本明細書は作業機械内に作動液を流す方法に関する。本方法は入力機構から制御信号を発生させるステップ、及び作動液の粘度を示す特性信号を発生させるステップを含む。制御信号及び特性信号は制御モジュールで受信される。本方法はまた制御信号に対する所望の流量を決定するステップ、及び該制御信号に対する所望の流量を達成するために要求される弁制御信号を決定するステップを含む。弁制御信号は特性信号に基づいている。該弁制御信号はコマンド信号に対する所望の流量を、弁を通して供給するために比例弁に出力される。

他の形態では、本明細書は作業機械内に作動液を流すシステムに関する。本システムは制御信号を発生するために構成される入力機構、及び作動液の粘度を示す特性信号を発生するために構成される特性センサを含む。該システムはまた比例弁を含む。制御モジュールは制御信号及び特性信号を受信するように構成される。制御モジュールは制御信号に対する所望の流量を記憶し、特性信号に基づいて該制御信号用の所望の流量を達成するため要求される弁制御信号を決定するように構成される。制御モジュールは与えられたコマンド信号のための所望の流量を、弁を通して供給するために弁制御信号を弁に出力するよう構成される。

ここで、添付の図面に示されている例示的実施形態について詳細に言及がなされる。可能な限り、同一又は類似の部品の引用には全ての図面を通して同じ参照番号が用いられる。

図１はスキッドステアローダとして表示されている作業機械１００の例示的な一形態を示す。作業機械１００は車体１０２、運転台１０４、器具アセンブリ１０６、及び前後の駆動輪１０８、１１０をそれぞれ含む。

車体１０２は運転台１０４及び器具アセンブリ１０６に連結され、それらの重量を支持しているフレーム構造体であってもよい。それは器具アセンブリ１０６につながり運転台１０４の後方に配置される直立の支柱１１２を含んでいてもよい。運転台１０４は椅子及び作業機械１００のさまざまな機能を操作するための制御機器を含む開放型又は密閉型のステーションであってもよい。

器具アセンブリ１０６はリフトアームアセンブリ１１４及び作業器具１１６を含んでいてもよい。リフトアームアセンブリ１１４はリフトアーム１１８及び１台以上のアクチュエータ１２０を含んでもよい。リフトアーム１１８及びアクチュエータ１２０は支柱１１２につながってもよく、作業器具１１６を上げ下げ、及び他のやり方で動かすように構成されてもよい。アクチュエータ１２０は流体で駆動され、弁（図示せず）を通った圧縮流体により動作してもよい。１台のアクチュエータのみしか示されていないが、該アクチュエータ１２０はその位置又は目的にかかわらず、作業機械１００のあらゆる油圧アクチュエータの代表でありうる。作業器具１１６はリフトアーム１１８の先端部に旋回可能に取り付けられたバケットとして示されている。しかしながら、その他の作業器具も使用可能なように想定されている。

前後の駆動輪１０８、１１０は車体１０２に取り付けられ、運転台１０４の後方の後部モータハウジング１２２内にあって、これも車体１０２に取り付けられてもよい油圧モータ（図１に示されていない）により動力を供給される。駆動輪１０８、１１０は従来型のスキッドステア方式で駆動され、１つの例示的実施形態においては、左右のエンドレスベルト又はトラックアセンブリ（図示せず）により置き換えられてもよい。

図２は作業機械１００における例示的制御システム１３０を示す。図２に示すように、制御システム１３０は入力制御装置１３２、特性センサ１３４、及び制御モジュール１３６を含む。それはまた例えば作業機械１００のアクチュエータ１２０、及び油圧モータ１４４のような流体駆動用構成部品の駆動に使用される可能性のあるアクチュエータ弁１３８及びモータ弁１４２を含む。入力制御装置１３２は作業機械１００の運転台１０４に位置し、器具アセンブリ１０６の動作用及び／又は作業機械１００の駆動用の制御信号を発生させるため操作者に制御されるように構成されてもよい。入力制御装置１３２はレバー、操縦桿、操だ輪、キーボード、ボタン、あるいはその他の入力装置であってもよい。

特性センサ１３４は作業機械１００を動作させるために使用される作動液の特性を監視するように構成されたセンサであってよい。一つの例示的実施形態において、特性センサ１３４は作動液の温度を読むか又は検出するよう構成された温度センサである。もう一つの例示的実施形態においては、特性センサ１３４は作業機械１００のライン又は弁を通じた作動液の流れを監視するよう構成された流量センサである。温度及び／又は作動液の流れの測定は、制御システム１３０が流体の粘度を決定することを可能にする。示されている例示的実施形態では、特性センサ１３４は作業機械１００の作動液タンク１４５内に配置された温度センサである。流体は作業機械１００を運転するため、器具アセンブリ１０６及び／又は油圧モータ１４４を駆動するようタンク１４５から汲み出されてもよい。特性センサ１３４は作業機械１００の別の位置に置くことも可能であることに留意されたい。

制御モジュール１３６は当分野で知られているように、プロセッサ１４６及び記憶装置１４８を含んでもよい。プロセッサ１４６はマイクロプロセッサ又は他のプロセッサであってもよく、当分野で知られているように、機能を果たすためコンピュータ可読のコード又はコンピュータプログラミングを実行するように構成される。記憶装置１４８はプロセッサ１４６と通信し、作業機械１００の既知の仕様に対応するアルゴリズムとデータを含め、コンピュータプログラム及び実行可能なコードの格納域を提供してもよい。

制御モジュール１３６は入力制御装置１３２及び特性センサ１３４と電気的に通信しており、制御信号を入力制御装置１３２から受信し、特性信号を特性センサ１３４から受信するように構成される。その上、制御モジュール１３６はアクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２と電気通信を行ってもよい。

アクチュエータ弁１３８は弁オリフィスを開閉するよう構成された比例弁であってもよく、それによってアクチュエータ１２０への作動液の流れを調整する。アクチュエータ弁１３８の一つの例示的実施形態は図３に概略図で示される。図３を参照するに、アクチュエータ弁１３８はソレノイド１５０及び本体１５２を含んでもよい。入口ライン１５４及び出口ライン１５６は本体１５２と流体連通している。

ソレノイド１５０は制御モジュール１３６と電気的に通信しており、電気信号を電流として受け取るように構成されてもよい。本体１５２はオリフィス（図示せず）の大きさを調整するためソレノイド１５０により移動可能なスプール１５８を内蔵してもよい。オリフィスの大きさは当分野で知られている方法で、本体１５２を通る、入口ライン１５４から出口ライン１５６への流体の流れを規制するために調整されてもよい。当分野で知られているように、スプール１５８の行程が大きい程オリフィスのサイズは大きくなる。入口ライン１５４は作動液タンク１４５と連通しており、一方出口ライン１５６はアクチュエータ１２０と流体連通していてもよい。

モータ弁１４２はまた図３に関して記述されている弁のような比例弁か、又は上記のようなオリフィスを開閉するように構成されている比例弁を含むポンプであってもよい。図２に戻って、モータ弁１４２からの流体は油圧モータ１４４に流れてそれを駆動してもよい。油圧モータ１４４は作業機械１００を操縦し運転するために前後輪１０８、１１０に動力を供給してもよい。１台のアクチュエータ弁と１台のモータ弁のみが表示されているが、何台の油圧駆動構成部品でも制御する制御モジュールと連通している、いかなる数の弁でもありうることに留意されたい。

上記に述べたように、作動液の粘度は流体の温度に依存する。従って、作業機械１００がしばらくアイドリング状態にあった後に始動したとき、作動液は比較的冷たく、そのため高い粘度を有する可能性がある。しかしながら、作業機械１００が運転されるに従い、流体温度は上昇し粘度は減少する可能性がある。

制御モジュール１３６は、操作者の感覚から、作業機械１００が作動液の温度に関係なく実質的に入力制御装置１３２における入力と同じに応答するように、弁１３８、１４２を制御するよう構成される。これは流体の温度と関係なく、与えられた制御信号に対して、流体で駆動される構成部品への一貫した流量を供給するように比例アクチュエータ弁１３８又はモータ弁１４２を制御することによって、達成される可能性がある。

制御モジュール１３６は、入力制御装置１３２からの制御信号及び特性センサ１３４からの特性信号に基づいて、弁制御信号を発生させアクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２に送信することにより、これを達成する。弁制御信号はそれぞれの弁のオリフィスを所定の量だけ開くように、アクチュエータ弁１３８の中のソレノイド１５０及び／又はモータ弁１４２を作動させる。

理解のため、ある量の高い粘度の流体が、ある量のより低い粘度の流体と同じ流速で弁を通過したとき、作業機械１００の応答性は一貫しているであろうことに留意されたい。こうするために、オリフィスの大きさは、与えられた量の高粘度の流体が同じ量の比較的低い粘度の流体と同じ流速で弁を通過できるように拡大されてもよい。制御モジュール１３６は流体温度が低く流体が高粘度であるときに、より大きいオリフィスを用意する弁制御信号を発生させるように構成される。

図４は操作者による入力制御装置１３２の動きと、アクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２を通って流れる流体の流量との、例示的な目標の関係を示す。図４の目標の関係は記憶装置１４８に記憶され、制御モジュール１３６が弁制御信号を決定し発生させるときにプロセッサ１４６により参照されてもよい。

図４において、横軸は操縦桿が前方に動く距離などの、入力制御装置の全体の動きに対する割合を表わす。縦軸はアクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２を通って流れる流体の目標流量を単位で表わす。単位は液体の流量を測定できるどのような単位でもよい。従って、グラフは入力制御装置１３２の動きの割合に対する、弁１３８、１４２を通じて流れるべき流体の目標流量を示す。目標の関係は、標準動作温度などの基準となる流体温度における作動液の特性に基づいて確立される可能性があることに留意されたい。この基準温度は数ある要素の中でも、使用される流体のタイプ、使用される作業機械のタイプ、作業機械の用途、作業機械が使用される温度環境に基づいて事前に選択されてもよい。代わりに、該基準温度は無作為に選択され、他の温度との比較用に参考のポイントとしてのみ使われてもよい。

入力制御装置１３２の動きの割合と、弁１３８、１４２を通って流れる流体の流量との目標の関係は、該作動液の温度及び粘度にかかわらない目標の関係である。示されている目標の関係において、入力制御装置１３２の約５０％の動きは、単位時間あたり約１．２容積単位の流量を有する流体の流れを供給するよう、アクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２を開くために、制御モジュール１３６に信号を与える。このように本関係は目標の関係であるため、制御モジュール１３６は流体の粘度にかかわらず５０％の制御装置入力に対し、単位時間あたり約１．２容積単位の流れを可能にするため弁のオリフィスを開くように弁を制御する構成となっている。

一つの例示的実施形態において、制御モジュール１３６はルックアップテーブル又は他の図表的手段を用いて、目標の流量関係に合致させるために要求されるオリフィスの大きさを決定するよう構成されている。図５は入力制御装置１３２の動きの割合と、アクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２のオリフィスの大きさとの間の例示的関係を示すグラフである。上記のように、オリフィスの大きさはソレノイド１５０により制御されるスプール１５８の行程に基づいてもよい。

図５において、横軸は操縦桿が前方に動く距離などの、入力制御装置の全体の動きに対する割合を表わす。縦軸はアクチュエータ弁１３８及び／又はモータ弁１４２における全体の適用可能なオリフィスの大きさに対する割合としての、オリフィスの大きさを表わす。さまざまな曲線（１６０、１６２及び１６４）は異なった温度における作動液に対応し、図４に示される制御装置の動きに対して目標の流量で流体を流すことのできるオリフィスの大きさを示す。例えば、曲線１６０は流体の温度が基準温度よりも２５゜低いときに、図４の目標流量を達成するための制御装置の動きとオリフィスの大きさとの関係を示す。曲線１６２は流体の温度が基準温度のときに、図４の目標流量を達成するための制御装置の動きとオリフィスの大きさとの関係を示す。曲線１６４は流体の温度が基準温度よりも２５゜高いときに、図４の目標流量を達成するための制御装置の動きとオリフィスの大きさとの関係を示す。

図５のグラフにおいては、選定された温度曲線のみが示されている。しかしながら制御モジュール１３６はそれぞれの温度ごとに異なった曲線を記憶し、制御モジュール１３６が入力制御装置１３２からの制御信号に基づく弁制御信号を発生させたときに、適切な曲線を参照することがある。

もう一つの例示的実施形態において、制御モジュール１３６は調整係数又はアルゴリズムに基づいてオリフィスの大きさを決定するように構成されている。アルゴリズムはあらゆる与えられた温度について、図４に示された関係において流体の流れを可能にするために必要なオリフィスの大きさを計算することがある。制御モジュール１３６は次に弁１３８、１４２をオリフィスが指定された量だけ開くように制御してもよい。

流体の温度にかかわらず、いかなる与えられた入力に対しても一貫した応答性を備えるような、作業機械の制御のための一つの例示的方法をここで記述する。作業機械１００の運転の間、特性センサ１３４は作動液の特性を検出する。一つの例示的実施形態においては検出される特性は温度であり、一方別の実施形態では、検出される特性は流体の流れである。これらは流体の粘度を示す可能性がある。特性センサ１３４は、特性を表わす特性信号を電子的に制御モジュール１３６に伝達する。

作業機械の操作者は器具アセンブリ１０６及び油圧モータ１４４のような流体駆動の構成部品を操作する制御信号を発生させるために、入力制御装置１３２を動かすことがある。入力制御装置１３２は制御信号を制御モジュール１３６に伝達する。制御モジュール１３６の内部で、記憶された基準はあらゆる与えられたコマンド信号のための流体の目標流量を供給する。作動液の粘度、従って流動性は温度とともに変化するため、流体の基準又は目標の流量は流体の温度が基準温度と等しくない場合に補償するように、弁１３８、１４２のオリフィスの大きさを修正することにより達成される。

これを行うため、制御モジュール１３６は制御信号を、与えられた該制御信号に対する制御モジュール１３６内部に記憶された基準又は目標の流量と比較する。特性センサ１３４からの特性信号に基づき、制御モジュール１３６は与えられたコマンド信号に対する目標の基準関係を保つために要するオリフィスの大きさを決定する。制御モジュール１３６は次に、与えられたコマンド信号に対し目標の流体の流量を流すために求められるオリフィスの大きさを示す弁制御信号を発生させる。

弁制御信号は制御モジュール１３６から、アクチュエータ１２０を動かすアクチュエータ弁１３８又は油圧モータ１４４を駆動するモータ弁１４２などの適切な弁に送信される。弁は該弁制御信号を受信し、コマンド信号に対する基準又は目標の流量と一致する流量を供給するような指定量だけ、弁のオリフィスを開くことにより応答する。これはオリフィスを指定量だけ開くため、スプール１５８を指定された距離だけ動かすように弁１３８、１４２内部のソレノイド１５０を励磁することにより行われてもよい。スプール１５８がオリフィスを開くと、流体はアクチュエータ１２０又はモータ１４４に流れる。

制御モジュール１３６は、とりわけ記憶されたルックアップテーブル及び／又は調整係数を用いて弁制御信号を発生させてもよい。ルックアップテーブル及び／又は調整係数は、与えられたコマンド信号に対する目標の流量を保つために要するオリフィスの大きさを決定するように構成されてもよい。従って、ルックアップテーブル又は調整係数に依存して、制御モジュール１３６は流体の温度にかかわらず一貫した流れを供給するために要する流体の流量を決定してもよい。

流体の流れと入力制御装置の動きとの関係は、作動油の粘度にかかわらず、目標の関係に実質的に合致するように調整可能なため、作業機械１００の応答性及び操縦性は操作者にとって、流体の温度に関係なく実質的に一貫して感じられるようにすることができる。従って、操作者は始動時に流体が冷たい場合でも、又は数時間の作業後に流体が比較的暖かい場合であっても一貫性のある制御を有し、そして一貫した応答及び、より予測の可能な機械を備えうる。温度フィードバック制御システムは作動液を要するいかなる作業機械においても使用される可能性がある。

当業者にとって本明細書の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態においてさまざまな修正及び変形を施しうることは明らかであろう。他の実施形態は当業者には本明細書に対する考慮及び、ここに開示された方法とシステムの実施から明らかになるであろう。本明細書及び例は例示的なものに過ぎず、本明細書の真の範囲は請求項及びそれらと同等なものにより示されている。

例示的なスキッドステアローダの図である。 作業機械のための例示的制御システムを示すブロック図である。 例示的アクチュエータ弁の概略図である。 入力制御装置の動きと流体の流量との例示的関係を示すグラフである。 入力制御装置の動きと弁のオリフィスの大きさとの例示的関係を示すグラフである。

符号の説明

１００ 作業機械
１０２ 車体
１０４ 運転台
１０６ 器具アセンブリ
１０８ 前輪
１１０ 後輪
１１２ 支柱
１１４ リフトアームアセンブリ
１１６ 作業器具
１１８ リフトアーム
１２０ アクチュエータ
１２２ モータハウジング
１３０ 制御システム
１３２ 入力制御装置
１３４ 特性センサ
１３６ 制御モジュール
１３８ アクチュエータ弁
１４２ モータ弁
１４４ 油圧モータ
１４５ タンク
１４６ プロセッサ
１４８ 記憶装置
１５０ ソレノイド
１５２ 本体
１５４ 入口ライン
１５６ 出口ライン
１５８ スプール
１６０ 曲線
１６２ 曲線
１６４ 曲線

Claims (10)

1. 作業機械における作動液を流す方法であって、
   入力機構から制御信号を発生させるステップと、
   作動液の粘度を示す特性信号を発生させるステップと、
   制御モジュールにおいて制御信号及び特性信号を受信するステップと、
   制御信号に対する所望の流量を決定するステップと、
   制御信号に対する所望の流量を達成するために要求される、特性信号に基づいている弁制御信号を決定するステップと、
   コマンド信号に対する所望の流量を、弁を通して供給するために弁制御信号を比例弁に出力するステップと
   を含む方法。
2. 弁制御信号を決定するステップが、ルックアップテーブルに基づいて弁制御信号を決定するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. ルックアップテーブルが弁を制御するための弁制御信号に対して、作動液の粘度が増加するに従い制御信号に対する弁のオリフィスのサイズがより大きくなるように影響する請求項２に記載の方法。
4. 弁制御信号を決定するステップが、調整係数に基づいて弁制御信号を決定するステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 制御信号に対する所望の流量を決定するステップが、入力機構の動きと流体の流量との間の基準関係を記憶するステップを含む請求項１に記載の方法。
6. 特性信号を発生させるステップが作動液の温度を測定するステップを含む請求項１に記載の方法。
7. 作業機械における作動液を流すシステムであって、
   制御信号を発生させるように構成された入力機構と、
   作動液の粘度を示す特性信号を発生させるように構成された特性センサと、
   比例弁と、
   内部に記憶された制御信号に対する所望の流量を有し、特性信号に基づき制御信号に対する所望の流量を達成するために要求される弁制御信号を決定するように構成され、与えられたコマンド信号に対する所望の流量を、弁を通して供給するため弁制御信号を弁に出力するように構成された、制御信号及び特性信号を受信するように構成されている制御モジュールと
   を含むシステム。
8. 制御モジュールがルックアップテーブルに基づいて弁制御信号を決定するように構成された請求項７に記載のシステム。
9. ルックアップテーブルが、作動液の粘度増加に従い弁のオリフィスのサイズが大きくなるよう弁を制御するように、弁制御信号に影響するように構成された請求項８に記載のシステム。
10. 特性センサが作動液の温度を測定するように構成された温度センサである請求項７に記載のシステム。
    

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