JP2506775B2 - ピストンポンプの馬力制御装置 - Google Patents

ピストンポンプの馬力制御装置

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JP2506775B2 JP62140675A JP14067587A JP2506775B2 JP 2506775 B2 JP2506775 B2 JP 2506775B2 JP 62140675 A JP62140675 A JP 62140675A JP 14067587 A JP14067587 A JP 14067587A JP 2506775 B2 JP2506775 B2 JP 2506775B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は一定馬力となるように可変吐出ピストンポン
プの吐出量を制御する装置の改良に関する。
(従来の技術) ピストンポンプの吐出量を制御するために、斜板の傾
転角をポンプ吐出圧に応動するサーボピストンを介して
調整することは既に公知である。
ポンプの発生馬力は吐出量と吐出圧との積によって決
まり、ポンプを駆動する原動機との関係にもよるが、ポ
ンプ発生馬力が常に一定値となるように吐出圧との関係
に基づいて吐出量をフィードバック制御している。
従来の定馬力制御は、いわゆる位置フィードバック、
力フィードバックのいずれの方式もフィードバックされ
るポンプ吐出圧に対抗して多段に介装したスプリングに
より、吐出量が近似的に双曲線特性となるように設定し
ている。
第4図に従来の一例として直動型の制御装置を示す。
ポンプ軸1によって回転されるシリンダブロック2に
は、ポンプ軸を中心とする円周上に複数のピストン3が
等間隔に配置される。ピストン3はシュー4を介して斜
板5に摺接し、シリンダブロック2の1回転につき1回
の割合で吸込、吐出作用を行う。
ピストン3による吐出量は斜板5の傾転角に比例し、
斜板傾転角がゼロ、すなわちポンプ軸に斜板5が直角に
なっているときは、シリンダブロック2が回転してもピ
ストン3が往復動しないため吐出量はゼロであるが、斜
板5の傾きを増すに従って、ピストンストローク量が大
きくなり、吐出量が比例的に増大していく。
この斜板5の傾転角を制御するために、ポンプ吐出圧
に応動するプランジャ6と、これに対抗する制御スプリ
ング7が設けられる。
プランジャ6は圧力室8に導入されるポンプ吐出圧が
上昇すると斜板5の傾転角が小さくなるように、制御ス
プリング7に対抗して斜板5を押す。
このため、ポンプ吐出圧Pが小さいときはポンプ吐出
量Qは大きいが、吐出圧Pが上昇するのに従って吐出量
Qが減少する。
ポンプ発生馬力Hは、H=P・Qであり、Hを常に一
定値とするためには、Q=H/Pとなるように制御する必
要がある。
これは吐出量Qと吐出圧Pが双曲線の関係で変化する
特性で、プランジャ6に対抗する制御スプリング7を2
段として、最初は第1のスプリング7aのみを効かし、途
中から第2のスプリング7bとの合成力を働かすことによ
り、第5図にも示すように、吐出圧Pに対して吐出量Q
を双曲線特性に近似させることができる。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、このような制御装置では、ポンプの発
生馬力特性を双曲線に近似させることはできても、厳密
には線形特性のスプリング反力を2段に効かせる折線特
性であるため、双曲線特性に比較して第5図の斜線領域
を使用できず、原動機の定格出力に対するポンプ効率が
低下する。
本発明はポンプ吐出圧と吐出量の関係を双曲線特性に
近付け、より精度の良い一定馬力制御を実現することを
目的とする。
(問題を解決する手段) そこで、本発明はポンプ軸と共に回転するシリンダブ
ロックに複数のピストンを配設し、ピストンが摺接する
斜板の傾斜角に応じて吐出量を変化させるようにしたピ
ストンポンプにおいて、斜板を傾転方向へと押圧付勢す
る加圧ピストンを設け、斜板に作用するこの加圧ピスト
ンの押圧力に基づくモーメントの腕の長さが斜板の傾転
角に応じて変化するように加圧ピストンを斜板の傾転軸
から偏心した位置に配置すると共に、この加圧ピストン
と対抗的に斜板を押圧するプランジャを設け、このプラ
ンジャの押圧力に基づくモーメントの腕の長さの斜板の
傾転角による変化が前記加圧ピストンの斜板の傾転角に
よるモーメントの腕の長さの変化よりも十分に小さくな
る位置にプランジャを配置し、加圧ピストンにポンプ吐
出圧を伝達する一方、ポンプ吐出圧に相関する圧力を発
生する圧力制御手段を設け、この発生圧力をプランジャ
に伝達するように構成する。
(作用) 斜板の回転中心、つまり傾転軸に対して加圧ピストン
を偏心させたので、斜板に作用する加圧ピストンの押圧
力に基づくモーメントの腕の長さが斜板の傾転角に応じ
て変化するのに対して、斜板に作用するプランジャの押
圧力に基づくモーメントの腕の長さは斜板の傾転角が変
化してもほぼ一定であるので、吐出圧にたいして斜板傾
転角(換言すると吐出量)が双曲線的に変化し、このた
めポンプ吐出量とポンプ吐出圧の関係を発生馬力が一定
となる特性をもって制御することができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図,第2図に示す第1の実施例において、ピスト
ン3のシュー4を支持する斜板5は、その傾転中心とな
る傾転軸10はポンプ軸1の軸心Mとピストン合力の荷重
作用面(ピストンシュー中心)Nとが交差する点に中心
があり、各ピストン3の吐出反力に基づくモーメントが
傾転軸10の回りで相殺されるようになっている。この斜
板5の背面には、ポンプ軸1の軸心に対して下方へ所定
量Hだけ偏心すると共に、ピストン合力の荷重作用点か
らポンプ軸方向に所定量Sだけ偏心した位置に接触する
加圧ピストン8が設けられる。
加圧ピストン8はシリンダ9に導入されるピストン3
の吐出圧Pによって付勢され、斜板5を最大傾転位置へ
と押し付ける。この場合、加圧ピストン8の押圧点が傾
転軸10の中心から偏心しているため、斜板5の傾転角度
に応じてモーメントの腕の長さが変化し、後述するよう
に斜板角度に対応するポンプ吐出量を、吐出圧の変化に
対して、双曲線特性をもつように制御する。
この斜板5を傾ける加圧ピストン8のモーメントに対
抗するように、斜板5を裏面から押し戻すプランジャ11
は、傾転軸10に関して加圧ピストン8の荷重作用点より
も半径方向の外側に配置されると共に、プランジャ11の
圧力室12には圧力制御弁13により調整されたポンプ吐出
圧Pに相関をもつ制御圧Pcが導かれる。これにより斜板
5の傾転角は加圧ピストン8とプランジャ11の押圧力と
のモーメントがバランスする位置に保持される。ただ
し、プランジャ11は斜板5の傾斜面5aに接触し、ピスト
ン合力荷重作用面Nの延長線に近い位置に荷重作用点が
あり、斜板5の傾転角度によってプランジャ11の押圧力
に基づくモーメントの腕の長さの変化は前記加圧ピスト
ン8に比較すると著しく小さい、または変化を無視でき
る程度に設定する。
圧力制御弁13は受圧面積の異なる2つのピストン部14
a,14bをもつスプール15と、このスプール15をポンプ吐
出圧に対抗するように付勢するスプリング16とを備え、
ピストン部面積比に応じてポンプ吐出圧Pを減圧制御し
て前記プランジャ11の圧力室12に導入する。
以上のように構成され、次に作用について説明する。
ポンプ軸1の回転により斜板5に摺接する各ピストン
3が吸込、吐出作用を行う。加圧ピストン8には吐出圧
Pが、またプランジャ11には吐出圧を減圧した制御圧Pc
が作用し、斜板5はこれらの差動力に基づき、傾転軸10
を中心にして回転するが、ポンプ吐出圧が所定値よりも
小さいときは、圧力制御弁13で制御される制御圧Pcがタ
ンク圧になっているため、加圧ピストン8により斜板5
は所定の最大傾転位置まで傾けられ、ポンプ最大吐出量
となる。なお、最大傾転位置で斜板5はストッパ(図示
せず)に当接して機械的に保持されるようになってお
り、この最大傾転位置(最大吐出量)はポンプの仕様に
より、例えばΦmax=18°に設定される。
ポンプ吐出圧力は供給回路の負荷に応じて変化し、負
荷が高くなるほど吐出圧Pも上昇する。ポンプ吐出圧P
が上昇して、圧力制御弁13のスプリング16に打勝ってス
プール15を変位させ始めると、減圧制御される制御圧Pc
もピストン部14a,14bの面積比に応じて増加し、これに
より加圧ピストン8に対抗してプランジャ11が斜板5を
押し戻す方向、つまり時計回り方向に作用するモーメン
トが大きくなり、これによりポンプ吐出圧Pの上昇に伴
い、斜板5の傾転角は減少し、吐出量Qが減少してい
く。
そして、この場合斜板5に働くプランジャ11によるモ
ーメントの腕の長さは略一定であるが、加圧ピストン8
に基づくモーメントの腕が傾転角に応じて変化していく
ため、吐出圧Pと吐出量Qの関係は次のように双曲線特
性をもって変化する。なお、これらの特性を解析するに
あたり説明の便宜上、以下の近似条件を採用する。すな
わち、斜板5の傾転角Φの小さな範囲(0°<Φ≦18
°)において、cosΦ=1,tanΦ=βΦ(β:定数)とす
る。また、斜板傾転角が変化しても、傾転軸中心からプ
ランジャ11の接触点までの距離Lは変化しないものとす
る。斜板傾転軸の摩擦力並びに弁板による操作力は無視
する。
まず、圧力制御弁13におけるスプール15の圧力バラン
スから、 PA1=PcA2+F …(1) (ただし、P:ポンプ吐出圧,Pc:制御圧,A1,A2:ピストン
部14a,14bの受圧面積、F…スプリング16の作用力) 次に斜板5に作用する加圧ピストン8の押圧力とプラ
ンジャ11の押圧力とに基づく、傾転軸10を中心としてそ
の回りのモーメントバランスから、 PcA3L=PA4χ …(2) (ただし、A3:プランジャ11の受圧面積,L:斜板傾転軸
心からプランジャ11の荷重作用点までの距離,A4:加圧
ピストン8の受圧面積、χ:斜板傾転軸心から加圧ピス
トン荷重作用点までの距離) 加圧ピストン8の荷重作用点から傾転軸10までの距離
χは、傾転軸10のポンプ軸1の軸心と平行な偏心量を
H、傾転軸10からピストン3の荷重作用点までの距離を
Sとすると、斜板5の傾転角をΦとして、 χ=H/cosΦ=1−StanΦ=H−SβΦ …(3) 前記(1)式からPcを求めると、 Pc=A1P/A2−F/A2 …(1)′ (1)′,(3)式を(2)式に代入してPを求める
と、 P=A3LF/{A13L−A24(H−SβΦ)} …
(4) ここで、 A13L−A24H=0 なる関係に諸寸法を設定すると、 P=A3LF/A24SβΦ …(4)′ ここで、 K=A3LF/A24Sβ(定数) とおくと、 P=K/Φ …(5) 次に、ポンプ吐出量Qを求めると、吐出量Qはピストン
本数とポンプ回転数、さらに斜板傾転角に対応したもの
となり、 Q=εtanΦ=εβΦ …(6) なお、定数となるεは次のように求める。
ε=πdp2/4・D・n・N (ただし、dp:ピストン直径,D:シリンダブロックのピス
トンピッチ円直径,n:ピストン本数、N:ポンプ回転数) (5)と(6)式から P・Q/εβ=K …(7) したがって、この(7)式を整理すると、 PQ=εβK=K ′…(7)′ よってPQ=K′から第3図にも示すように、ポンプ吐
出圧Pと吐出量Qの関係は双曲線特性をもって変化する
一定馬力特性となるのである。
なお、最大吐出量Qmaxは、前記したように斜板5の傾
転角をメカニカルなストッパで規制することにより決
め、最大吐出圧Pmaxは供給回路に介装するリリーフ弁に
より設定する。
また、双曲線の定数の要素として含まれるスプリング
力Fを調整することにより、第3図の想像線で示すよう
に、出力特性を双曲線に沿って平行移動することができ
る。
この実施例ではポンプ軸を挾んでプランジャ11と加圧
ピストン8とを互いに反対側に配置したが、同一サイド
でかつプランジャ11に対向的に圧力が作用するように配
置しても良いことは明らかである。
(発明の効果) 以上のように本発明によれば、プランジャに対抗する
加圧ピストンによるモーメントの腕の長さが斜板の傾転
角に応じて変化するように加圧ピストンを斜板傾転軸に
対して偏心させて設ける一方、プランジャによるモーメ
ントの腕の長さは斜板の傾転角が変化してもほぼ一定で
あるようにプランジャを設け、加圧ピストンにポンプ吐
出圧を、またプランジャにポンプ吐出圧に相関する圧力
を作用させるようにしたため、ポンプ吐出圧と吐出量の
関係をPQ=Kの双曲線特性による制度のよい定馬力制御
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す構成図、第2図は作動を
解析するための模式図、第3図は本発明のポンプ吐出圧
と吐出量の関係を示す特性図、第4図は従来例の構成
図、第5図は同じくその特性図である。 1……ポンプ軸、2……シリンダブロック、3……ピス
トン、5……斜板、8……加圧ピストン、10……傾転
軸、11……プランジャ、13……圧力制御弁。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−83677(JP,A) 実願昭59−49167号(実開昭60− 162277号)の願書に添付した明細書及び 図面の内容を撮影したマイクロフィルム (JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ポンプ軸と共に回転するシリンダブロック
    に複数のピストンを配設し、ピストンが摺接する斜板の
    傾斜角に応じて吐出量を変化させるようにしたピストン
    ポンプにおいて、斜板を傾転方向へと押圧付勢する加圧
    ピストンを設け、斜板に作用するこの加圧ピストンの押
    圧力に基づくモーメントの腕の長さが斜板の傾転角に応
    じて変化するように加圧ピストンを斜板の傾転軸から偏
    心した位置に配置すると共に、この加圧ピストンと対抗
    的に斜板を押圧するプランジャを設け、このプランジャ
    の押圧力に基づくモーメントの腕の長さの斜板の傾転角
    による変化が前記加圧ピストンの斜板の傾転角によるモ
    ーメントの腕の長さの変化よりも十分に小さくなる位置
    にプランジャを配置し、加圧ピストンにポンプ吐出圧を
    伝達する一方、ポンプ吐出圧に相関する圧力を発生する
    圧力制御手段を設け、この発生圧力をプランジャに伝達
    するように構成したことを特徴とするピストンポンプの
    馬力制御装置。
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