JP3695909B2 - 油圧式ステアリング装置及びその油圧バルブ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧式ステアリング装置及びその油圧バルブに関する。
【0002】
【従来の技術】
油圧式ステアリング装置は各種存在するが、ハンドル方式とジョイスティックレバー方式とに大別できる。
【0003】
(1)ハンドル方式は古くから知られ、フォローアップリンケージ式と全油圧式とに大別できる。この方式は、オペレータが運転席に設けたハンドルを回転操作することにより、回転操作角に比例したステアリング角が得られる。回転操作角の最大は例えば左右へ夫々2〜3回転程度である。詳しくは次の通り。
【0004】
フォローアップリンケージ式は、オペレータがハンドルを右側へ回転操作すると、ハンドルに直結されたステアリングバルブが中立位置から右ステアリング位置に切換わる。これにより油圧ポンプからの圧油がステアリングバルブを経て油圧シリンダに流れ、これを作動させる。油圧シリンダは、車体とタイロッド等とに両端を連結されている。このため油圧シリンダが作動すると、車両は右ステアリングを開始する。尚、タイロッド等とステアリングバルブとの間には、車両がステアリングされると、ステアリングバルブを中立位置へ戻そうとするリンク機構(いわゆる、フォローアップリンケージ)が架設してある。このためオペレータが右回転操作を止めると、これに追従してステアリングバルブが右ステアリング位置から中立位置へ復帰し、油圧シリンダへの圧油の供給を停止する。即ちステアリング角が回転操作角に対応して右ステアリングを完了する。左ステアリングも上記右ステアリングと同様である。
【0005】
全油圧式は、オペレータがハンドルを右側へ回転操作すると、ロータリ式ステアリングバルブ(いわゆる、オービットロール式ステアリングバルブ(商品名))が中立位置から右ステアリング位置に切換わる。これにより第1油圧ポンプからの圧油がロータリ式ステアリングバルブを経てこのロータリ式ステアリングバルブのロータリ軸に一体的に設けた第2油圧ポンプを経て油圧シリンダに流れ、これを作動させる。油圧シリンダは、車体とタイロッド等とに両端を連結されている。このため油圧シリンダが作動すると、車両は右ステアリングを開始する。尚、オペレータが右回転操作を止めると、ロータリ式ステアリングバルブに設けた第2油圧ポンプがロータリ式ステアリングバルブを右ステアリング位置から中立位置へ自動復帰させ、これにより油圧シリンダへの圧油の供給を停止する。尚、第2油圧ポンプは回転操作角だけ回転し、回転操作角に基づく流量だけを油圧シリンダに供給する。従ってステアリング角は回転操作角にほぼ等しく右ステアリングを完了する。左ステアリングも上記右ステアリングと同様である。
【0006】
(2)ジョイスティックレバー方式は近時散見される。この方式は、オペレータが運転席に設けたジョイスティックレバーを傾倒操作することにより、その傾倒操作角にほぼ比例したステアリング速度が得られる。傾倒操作角の最大は左右へ夫々手首の回転角であり(即ち、小操作角制御であり)、上記ハンドル式のように、例えば左右へ夫々2〜3回転と言うような広範囲(即ち、大操作角制御)は望めない。従ってこの方式は、次のような構成となっている。
【0007】
オペレータがジョイスティックレバーを右側へ傾倒操作すると、ステアリングバルブが中立位置から、傾倒操作角にほぼ比例した量だけ右ステアリング位置となる。即ちステアリングバルブにおける油圧ポンプから油圧シリンダへの流路開口が傾倒操作角に比例して増減する。これにより油圧ポンプからの圧油が傾倒操作角にほぼ比例した単位当たりの流量でステアリングバルブを経て油圧シリンダに流れ、これを作動させる。油圧シリンダは、上記ハンドル式と同様、車体とタイロッド等とに両端を連結されている。このため油圧シリンダが作動すると、車両は右ステアリングを開始する。次いでオペレータが目視や習熟によって「車両の実際ステアリング角が目標ステアリング角になった」と判断した時、又は所望時にジョイスティックレバーを中央位置に戻す。これによりステアリングバルブは右ステアリング位置から中立位置へ復帰し、油圧シリンダへの圧油の供給を停止する。即ちステアリング速度が傾倒操作角にほぼ比例し、オペレータによるジョイスティックレバーの中央位置への復帰によって右ステアリングを完了する。左ステアリングも上記右ステアリングと同様である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術には、次のような問題がある。
【0009】
(1)ハンドル方式は、オペレータが回転操作を止めると、ステアリングバルブが中立位置へ自動復帰する。このためジョイスティックレバー方式のように、オペレータがステアリングバルブを中立位置へ逐一復帰させる操作が不要となる。しかもハンドル方式は回転操作角に対応するステアリング角が得られ、また単位回転操作角当たりのステアリング角も大きいため、微妙なステアリング角でもこれを滑らかに制御できる利点が有る。ところがこの利点は、大きなステアリング角を得るには大きな回転操作角を必要とするということであり、例えば左右ステアリングの切換えが頻繁に要求されるホイールローダや、3〜4回転の回転操作が要求されるフォークリフト等の車両では操作が煩雑となる。またオペレータに対する習熟が要請される。そしてオペレータの疲労原因となっている。
【0010】
(2)ジョイスティックレバー方式は、実際ステアリング角が目標ステアリング角になる毎にジョイスティックレバーを中央位置に戻してステアリングバルブをステアリング位置から中立位置に復帰させる必要がある。つまり操作回数がハンドル方式の2倍となり、オペレータの疲労原因となる。さらに傾倒操作角が最大でも例えば左右へ夫々手首の回転角である。このためオペレータがリスト操作できるとの利点は有るものの、傾倒操作角を大きくするほどステアリング速度が大きくなる。このため、次(a) 〜(c) のような問題もある。
(a) 傾倒操作角を突然大きくすると、傾倒開始時及び傾倒完了時に車体が揺れる程のショックが生ずる。一方、傾倒操作角を小さくすると、実際ステアリング角が目標ステアリング角になるまでに時間がかかり、ハンドル方式のような操作感覚が得られない。何にも増して傾倒操作角とステアリング角とが無関係であるから、操舵輪が見えない車両にこのジョイスティックレバー方式を採用することは好ましくない。
(b) 道路上での高速走行時は、知られる通り、低速走行時に比べてステアリング角を微妙かつ頻繁に制御する必要がある。ところで緊急時、オペレータは慌てて大きな傾倒操作角とするのが普通である。このようになると、急ステアリングが生じる。即ちこの方式をこのまま高速走行車両に採用することは好ましくない。
(c) 緊急時でなくとも常時、左右ステアリングを素早く、かつ大きく切換えることが要求されるホイールローダや、大きなステアリング角が要求されるフォークリフトでは、どうしても傾倒操作角を大きくしてしまう。この場合も、急ステアリングが生ずる。このため、オペレータの疲労原因となる。この対応策として、仮にステアリングバルブの最大開口面積を小さくするならば、ハンドル方式と比べ実際作業の作業効率が劣ることとなり、好ましくない。
【0011】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、小操作角方式でありながら、操作回数が少なく、また微妙なステアリングでも頻繁に制御できる油圧式ステアリング装置及びその油圧バルブを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段及び効果】
上記目的を達成するため、本発明に係る油圧式ステアリング装置の第1は、(a) 目標ステアリング角θinを入力する目標ステアリング角入力手段A3と、
(b) 中立位置Npと左右ステアリング位置Lp、Rpとを有し、目標ステアリング角入力手段A3から目標ステアリング角θinを受けて中立位置Npから左右ステアリング位置Lp、Rpのいずれか一方へ切換わって第1油圧源C1からの圧油を出力するパイロットバルブC3と、
(c) 中立位置NM と左右ステアリング位置LM 、RM とを有し、パイロットバルブC3からの出力油圧を受けて中立位置NMから左右ステアリング位置LM 、RM のいずれか一方へ切換わって第2油圧源D1からの圧油を出力するメインステアリングバルブD2と、
(d) メインステアリングバルブD2からの圧油を受けて作動する油圧アクチュエータA2とを有し、油圧アクチュエータA2の作動によって実際ステアリング角θfbを得る自走車両に搭載される油圧式ステアリング装置において、
(e) 目標ステアリング角入力手段A3から目標ステアリング角θinを受けて作動する第1スリーブC33と、自走車両の実際ステアリング角θfbを受けて作動する第2スリーブC32と、第1、第2スリーブC33、C32の相対位置で定めた中立位置Np及び左右ステアリング位置Lp、Rpの内、中立位置Np側へ第1、第2スリーブC33、C32を付勢する第1スプリングC35と、第1スリーブC33の目標ステアリング角θinを検出する目標ステアリング角検出手段B1と、第2スリーブC32の実際ステアリング角θfbを検出する実際ステアリング角検出手段B2とを有するパイロットバルブC3と、
(f) 車速Vを検出する車速検出手段B3と、
(g) 目標ステアリング角検出手段B1から目標ステアリング角θinを、実際ステアリング角検出手段B2から実際ステアリング角θfbを受けてこれらの偏差角Δθを演算し、偏差角Δθに応じた励磁電流Iを生成すると共に、
車速検出手段B3から車速Vを受け、車速Vが高車速V H であるときは励磁電流Iの最大値を小さくし、一方、車速Vが低車速V L であるときは励磁電流Iの最大値を大きくして出力する励磁電流出力手段Bと、
(h) 励磁電流出力手段Bから励磁電流Iを受けてパイロットバルブC3からメインステアリングバルブD2への油圧を変更自在とされた電磁式可変減圧弁C2とを有し、
実際ステアリング角θfbを目標ステアリング角θinに追従して得る構成を特徴としている。
【0013】
上記第1構成によれば、パイロットバルブC3は、第1、第2スリーブC33、C32が第1スプリングC35によって中立位置Np側へ付勢されている。また第1スリーブC33は目標ステアリング角入力手段A3から目標ステアリング角θinを受けて作動し、一方、第2スリーブC32は自走車両の実際ステアリング角θfbを受けて作動する。そしてステアリング時は、目標ステアリング角θinが先に生じ、これに実際ステアリング角θfbが追従する。但し中立位置では「θin=θfb」となってこれらの偏差角Δθ(=θin−θfb)は零(Δθ=0)となる。ところがステアリング時は、前記したように、目標ステアリング角θinが先に生じ、これに実際ステアリング角θfbが追従する。このため偏差角Δθ(=θin−θfb≒0)が生ずる。そして偏差角Δθの最大値は第1スプリングC35の撓み角を越えることが無い(例えば10〜20度の微小角である)。即ち目標ステアリング角入力手段A3がハンドル式であれ、ジョイスティックレバー方式であれ、ステアリング時、偏差角Δθを維持し続けるように回転操作又は傾倒操作し続ければ、回転操作角θin又は傾倒操作角θinに対応した実際ステアリング角θfbが得られる。ステアリング停止は、回転操作又は傾倒操作を停止することにより(即ち、回転操作角θin又は傾倒操作角θinをある一定の値に固定することにより)、第1スプリングC35の付勢力によって中立位置Np側へ漸時復帰する。従って目標ステアリング角入力手段A3がジョイスティックレバー方式であったとしても、また仮に操舵輪が見えなくても、オペレータはステアリング角θfbをジョイスティックレバーA3のリスト角(つまり傾倒操作角θin)や目視によって体感しつつ、ステアリングできる。即ち、小傾倒操作角方式でありながら、ハンドルでもジョイスティックレバーにでも採用でき、しかも大回転角操作であるハンドル方式よりも寧ろより好適なステアリング感覚が得られる。勿論、左右ステアリングを素早く、かつ大きく切換えることを要求されるホイールローダや、大きなステアリング角を要求されるフォークリフトに好適に採用できる。
【0014】
加えて上記第1構成によれば、励磁電流出力手段Bが偏差角Δθを演算し、かつ偏差角Δθに応じた励磁電流Iを電磁式可変減圧弁C2に出力する。電磁式可変減圧弁C2は励磁電流IによってパイロットバルブC3の出力油圧を変更する。即ち良く知られる通り、油圧が高いほど流量が多くなる。このことから偏差角Δθに応じた励磁電流Iを種々準備しておくことにより(例えば偏差角Δθ自体の大小や偏差角Δθの変化の割合f'(Δθ)等で把握することにより)、ステアリング開始時及び停止時を油圧を小さくしたり、また油圧の変化を小さくすることで、従来ジョイスティックレバー方式に見られたショック発生を阻止できる。
また、第1構成によれば、励磁電流出力手段Bは、自走車両が高車速V H であるとき励磁電流Iの最大値を小さくし、一方、車速Vが低車速V L あるとき励磁電流Iの最大値を大きくして出力する。従って高車速時のステアリングを微妙に制御でき、これにより高速走行時のステアリングを安定的に行わせ安全走行に寄与できる。
【0017】
第2に、上記第1構成において、電磁式可変減圧弁C2は、最低圧Pmin を補償された最低圧補償付き可変減圧弁C2であることを特徴としている。
【0018】
上記第2構成によれば、電磁式可変減圧弁C2は最低圧補償付き可変減圧弁C2である。このように構成すると、上記第1構成においてパイロットバルブC3に対する供給油圧を励磁電流Iで可変化するとしても、その基準油圧が最低圧Pmin となる。従って第1に、最低圧Pmin によってステアリング開始時のショック発生を抑制できる。第2に、励磁電流Iによる油圧の可変化を最低圧Pminから連続して立ち上げることができる。このため滑らか、かつ素早い応答性が得られる。第3に、基準油圧である最低圧Pmin におけるステアリング制御が走行時に必要十分の制御性を与えるため、仮に電気系統に故障が生じても最低圧Pminに基づくステアリングを確保できる(即ち、最低圧Pmin がフールセイフ機能を持っている)。
【0019】
第3に、上記第1又は第2構成において、パイロットバルブC3は、
(a) 目標ステアリング角入力手段A3から目標ステアリング角θinを受けて作動する第1スリーブC33と、自走車両の実際ステアリング角θfbを受けて作動する第2スリーブC32と、第1、第2スリーブC33、C32の相対位置で定めた中立位置Np及び左右ステアリング位置Lp、Rpの内、中立位置Np側へ第1、第2スリーブC33、C32を付勢する第1スプリングC35と、第1スリーブC33の目標ステアリング角θinを検出する目標ステアリング角検出手段B1と、第2スリーブC32の実際ステアリング角θfbを検出する実際ステアリング角検出手段B2とを有すると共に、
(b) 自走車両と第2スリーブC32との間に第1スプリングC35の初期バネ力Fcoよりも強い初期バネ力FLoで架設され、自走車両の実際ステアリング角θfbを第2スリーブC32に伝達する第2スプリングC39を有することを特徴としている。
【0020】
上記第3構成によれば、次のような効果を奏する。緊急時、オペレータは第1スプリングC35のバネ定数が多少大きくても、より大きな操作力Finで目標ステアリング角入力手段A3をさらに大きく操作しようとする。このとき、第1スプリングC35が撓み切り、目標ステアリング角入力手段A3の操作力Finが自走車両に直接伝播しようとする。ところが第3構成では、第1スプリングC35の初期バネ力Fcoよりも強い初期バネ力FLoで自走車両と第2スリーブC32との間に架設され、自走車両の実際ステアリング角θfbを第2スリーブC32に伝達する第2スプリングC39を有している。従ってオペレータは、第1スプリングC35が撓み切った後、大きな操作力Finが第2スプリングC39で緩衝されるため、過大な操作力Finを発生させてしまったことを体感でき、操作力Finを適正化できる。また過大な操作力Finによる第1スプリングC35等の破損も阻止できる。また第2スプリング39を実際ステアリング角検出手段B2と第2スリーブC32との間に設けることで励磁電流出力手段Bでオペレータの過大操作力Finを認識可能となり、励磁電流Iの出力値を任意制御できるようにもなる。
【0021】
一方、油圧バルブは、
(a) 第1回転角θinを受けて作動する第1スリーブC33と、
(b) 第2回転角θfbを受けて作動する第2スリーブC32と、
(c) 第1、第2スリーブC33、C32の相対位置で定めた中立位置Np及び左右ステアリング位置Lp、Rpの内、中立位置Np側へ第1、第2スリーブC33、C32を付勢する第1スプリングC35と、
(d) 第1スプリングC35の初期バネ力Fcoよりも強い初期バネ力FLoを有して第2回転角θfbを第2スリーブC32に伝達する第2スプリングC39と
を有することを特徴としている。
【0022】
上記油圧バルブは、上記第3構成でのパイロットバルブC3の主要部である。これは、上記第3構成での作用効果の根幹であるにも係わらず、極めて簡単構造である。しかも自走車両に限定されることなく、各種油圧回転機構に採用し、その所定回転角の位置決め部材とすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態及び実施例】
実施例を図1〜図6を参照し説明する。図1は全体回路図である。実施例を搭載する例機は、前部にバケットを起伏自在に有し、かつ自走自在とされて建設現場や鉱山においてバケットですくい上げた砂利、土砂、鉱石等をダンプトラック等に積み込むホイールローダである。そして例機は、このようなホイールローダの内でも、車体Aを前後AF 、AB に2分割され、これらが縦軸A1によってピン連結されたアーティキュレイト式ホイールローダとした。
【0024】
後側車体AB は運転席(図示せず)を有し、前後車体AF 、AB 間にステアリング用油圧シリンダA2を架設してある。運転室はステアリング操作用のジョイスティックレバーA3を有する。ジョイスティックレバーA3は、中央位置から左右へ傾倒操作自在とされ、その最大傾倒操作角は左右へ夫々手首の回転角としてある。そしてジョイスティックレバーA3側と前側車体AF との間には、車体AF 、AB 間のアーティキュレイト角θfb(即ち、ステアリング角θfb)をジョイスティックレバーA3にフィードバック可能とするリンクA4を架設してある。そして例機はステアリング用のステアリング油圧回路、第1、第2回転角検出器B1、B2、車速検出器B3及びマイコン等でなる制御器Bを有する。
【0025】
ステアリング油圧回路は、パイロット油圧源C1、最低圧補償付き可変減圧弁C2及びロータリ式パイロットバルブC3を有するパイロット油圧回路と、メイン油圧源D1、メインステアリングバルブD2及び前記ステアリング用油圧シリンダA2を有する主油圧回路とで構成される。
【0026】
パイロット油圧源C1は、最低圧補償付き可変減圧弁C2に対してこの最低圧補償付き可変減圧弁C2の最大出力油圧よりもさらに高い圧油を供給可能とされ、例えばパイロット用油圧ポンプやリリーフバルブ等から構成される。
【0027】
最低圧補償付き可変減圧弁C2は、パイロット油圧源C1からの圧油を最低圧を補償しつつ調整自在に減圧し、その調整油圧をロータリ式パイロットバルブC3に供給する。本実施例では、最低圧Pmin を補償する第1減圧弁C21と、最低圧Pmin よりも高い油圧PI (PI >Pmin 、なお油圧PI は当然にパイロット油圧源C1の油圧よりも低圧である)を調整自在に減圧しロータリ式パイロットバルブC3に供給する第2可変減圧弁C22とを、パイロット油圧源C1とロータリ式パイロットバルブC3との間に並列接続したものである。ここで第2可変減圧弁C22は減圧設定用のバネの付勢力を電磁力によって変更自在とされた電磁式減圧弁である。第2可変減圧弁C22への励磁電流Iは制御器Bから受ける。
【0028】
ロータリ式パイロットバルブC3は、ポンプポートPP1、ドレンポートPD1及び左右出力ポートPL1、PR1を、中立位置Np、左ステアリング位置Lp及び右ステアリング位置Rpの夫々に有する4ポート3位置方向切換弁である。尚、中立位置Npは4ポートを互いに連通させたフロート式としてある。詳しくは図2を参照し説明する。
【0029】
図2はロータリ式パイロットバルブC3の断面図である。バルブボデーC31はアウタスリーブC32を内嵌し、アウタスリーブC32はインナスリーブC33を内嵌する。インナスリーブC33の図示左側はインプットシャフトC34である。インプットシャフトC34の図示左端はジョイスティックレバーA3に減速機構無しに連結されている。従ってオペレータがジョイスティックレバーA3を右側へ傾倒操作角θinだけ傾倒操作すると、インナスリーブC33も傾倒操作角θinと同じ角θinだけ右回転する。またインナスリーブC33は図示左端に直径方向の方形孔(紙面に垂直方向であり図示せず)を有し、一方、アウタスリーブC32は図示左端に直径方向の対向壁の夫々に方形溝(紙面に垂直方向であり図示せず)を有する。そして両スリーブC32、C33はこれら方形孔及び方形溝に第1スプリングC35を貫通させることによって連結されている。
【0030】
即ち第1スプリングC35は、図3(a)に示すように、複数枚の凸形板バネを同数枚づつ重ね合わせ、さらにX形に重ね合わせたものであり、同図3(a)に示すように、インナスリーブC33の方形孔を貫通して両端をアウタスリーブC32の両方形溝に夫々貫入されている。つまり両スリーブC32、C33は、上記の通り、第1スプリングC35によって連結される。
【0031】
さらにまた、両スリーブC32、C33の夫々の直径方向の対向壁の夫々には他の孔が設けてある。そして一本のピンC36がこれら4個の他の孔を貫通している。アウタスリーブC32の他の孔の内径はピンC36の外径とほぼ同径とされているが、インナスリーブC33の他の孔の内径はピンC36の外径よりも大径とされている。そしてピンC36の中央部が第2フィードバックシャフトC37の図示左端面に設けた溝に貫入している。即ちアウタスリーブC32はピンC36によって第2フィードバックシャフトC37に一体化されている。
【0032】
第2フィードバックシャフトC37の図示右端は、第1フィードバックシャフトC38の図示左端に形成したスリーブC381内に貫入している。そして第2フィードバックシャフトC37の図示右端に設けた直径方向の方形孔(紙面に垂直方向であり図示せず)と、スリーブC381の底部で直径方向の対向壁に夫々設けた方形孔(紙面に垂直方向であり図示せず)とを、上記第1スプリングC35と同じ要領で第2スプリングC39が貫入している。即ちアウタスリーブC32と第1フィードバックシャフトC38とはピンC36、第2フィードバックシャフトC37及び第2スプリングC39を介して連結されている。尚、図4に示すように、第2スプリングC39の初期バネ力FLoは第1スプリングC35の初期バネ力Fcoよりも大きく設定してある。
【0033】
第1フィードバックシャフトC38の図示右端は前記リンクA4に減速機構無しに直結されている。従って車体Aが仮に右側へステアリング角θfbだけステアリングされると(但し、ステアリング力FfbとジョイスティックレバーA3への傾倒操作力Finとの偏差力ΔF(=Fin−Ffb)が第2スプリングC39の初期バネ力FLo以下であるとき)、アウタスリーブC32はステアリング角θfbと同じ角θfbだけ右回転する。以下、説明を図1に戻す。
【0034】
メイン油圧源D1は、メインステアリングバルブD2に対し作動油を供給可能とされ、例えばメイン油圧ポンプやリリーフバルブ等から構成される。
【0035】
メインステアリングバルブD2は、ポンプポートPP2、ドレンポートPD2、左右出力ポートPL2、PR2及びパイロット油圧連通ポートP1、P2 を、中立位置NM 、左ステアリング位置LM 及び右ステアリング位置RM の夫々に有する6ポート3位置方向制御弁である。尚、パイロット油圧連通ポートP1、P2 は、各位置NM 、LM 、RM において、図示するように、当該メインステアリングバルブD2の作動時に開口面積が変化する可変絞りを有して互いに連通する。そしてメインステアリングバルブD2の図示左端はロータリ式パイロットバルブC3の左出力ポートPL1に接続され、一方、図示右端はロータリ式パイロットバルブC3の右出力ポートPR1に接続され、ロータリ式パイロットバルブC3の左右出力ポートPL1、PR1からパイロット油圧Pa、Pbを受けて切換え自在とされている。尚、メインステアリングバルブD2はスプールの移動量に応じてこのメインステアリングバルブD2自体の開口面積が変化し、ステアリング用油圧シリンダA2への流量Qが増減する。またスプールの移動量に応じて各位置NM、LM 、RM の可変絞りの開口面積も変化する。
【0036】
ステアリング用油圧シリンダA2は、メインステアリングバルブD2の左右出力ポートPL2、PR2から圧油を受けて伸縮し、車体Aをアーティキュレイト(即ち、ステアリング)させる。
【0037】
第1回転角検出器B1はインプットシャフトC34の回転角θinを、第2回転角検出器B2は第1フィードバックシャフトC38の回転角θfbを、車速検出器B3は例機の車速Vをそれぞれ検出自在に設けられ、夫々の検出情報θin、θfb、Vは制御器Bに入力する。
【0038】
制御器Bは、各検出器B1〜B3から検出情報θin、θfb、Vを受け、偏差角Δθ(=θin−θfb)及びその変化の割合f'(Δθ)を演算する。尚、制御器Bは、メインステアリングバルブD2が図5に示される「車速Vをパラメータとする偏差角Δθ毎の流量Q」をステアリング用油圧シリンダA2に供給するための「車速Vをパラメータとする偏差角Δθ毎の励磁電流I」を、予め実施したキャリブレーションデータを元に関数やマトリクスで予め記憶している。次に図5を説明する。
【0039】
図5は図示左に左ステアリングを、図示右に右ステアリングを示している。尚、左右ステアリングは同じであるから、以下、右ステアリングについて説明する。ステアリング用油圧シリンダA2への流量Q(縦軸)と偏差角Δθとの関係を、例えば低車速時、中車速時、高車速時の3段階に、またさらに多段階に分ける。本実施例では、図5に示す通り、低車速時VL と高車速時VHとの2段階に分けている。そして各特性VL 、VH は夫々において、同図5に示す通り、偏差角Δθの変化の割合f'(Δθ) が正(f'(Δθ) >0)であり(偏差角Δθが増加する方向である。つまりステアリングの起動側を示す)、かつ偏差角Δθが小さいとき(0〜Δθ1)、及びその後のf'(Δθ)が零(f'(Δθ) =0)を経て負(f'(Δθ) <0)に変わったとき(偏差角Δθが減少する方向である。つまりステアリングの停止側を示す)から所定の範囲(Δθ2〜Δθ3)で流量Qの変化が小さくなっている。つまり起動側と停止側での流量Qのゲインにヒステリシスが生じている。そしてこのような流量Qの最大値は、図5に示す通り、低車速時VLの方が高車速時VH よりも大きい。即ち制御器Bは、上記のようなヒステリシスを有する特性VL 、VH が得られるような「車速Vをパラメータとする偏差角Δθ毎の励磁電流I」を記憶し、その励磁電流Iを出力可能としてある。
【0040】
以下、上記実施例の作用効果を説明する。尚、説明を容易にするためにジョイスティックレバーA3の遊び傾倒操作角は零とする。
【0041】
(1)ジョイスティックレバーA3が中央位置のとき、傾倒操作角θinもステアリング角θfbも共に零(θin=θfb=0)である。即ち第1スプリングC35に外力が加わっていないから、両スリーブC32、C33と第1スプリングC35との位置関係は図3(a)の状態である。従ってロータリ式パイロットバルブC3は中立位置Npである。詳しくは、第1スプリングC35が図3(a)の状態で両スリーブC32、C33を連結し、両スリーブC32、C33の各通路が連通してフロート状態の中立位置Npを維持している。ここでロータリ式パイロットバルブC3の左右出力ポートPL1、PR1からのパイロット油圧Pa、Pbは同圧であるから(Pa=Pb)、メインステアリングバルブD2もまた中立位置NMを維持する。ここで留意すべきは、左右出力ポートPL1、PR1からパイロット油圧連通ポートP1 、P2 にかけて、第1減圧弁C21によって補償された最低圧Pminのパイロット油が充満している点である。
【0042】
(2)次にジョイスティックレバーA3に右側へ傾倒させる操作力Finを与える。尚、このときメインステアリングバルブD2は未だ中立位置NMである。従ってリンクA4は動かず(即ち、ステアリング角θfb=0)、このためアウタスリーブC32は固定状態である。次に操作力Finが第1スプリングC35の初期バネ力Fcoを越えると、ジョイスティックレバーA3が中央位置から操作角θinだけ傾倒し、これに伴いインナスリーブC33が回転角θinだけ回転する。即ち第1スプリングC35が図4のバネ特性S1に沿って撓み、図3(a)の中立位置Np状態から図3(b)の右ステアリング位置Rp状態へ移行し始め、偏差角Δθ(=θin、θfb=0)が生ずる。ここで操作力Finをさらに増してジョイスティックレバーA3をさらに傾倒させると、図4に示すように、偏差角Δθも漸増し、この漸増に応じてロータリ式パイロットバルブC3は中立位置Npから右ステアリング位置Rpへとさらに移行する。即ちポンプポートPP1と右出力ポートPR1とが連通しつつ開口を広げ、一方、ドレンポートPD1と左出力ポートPL1とが連通しつつ開口を広げてゆく。このとき、制御器Bは演算値である偏差角Δθを元に、車速Vをパラメータとする励磁電流Iを第2可変減圧弁C22に与える。励磁電流Iは、車速検出器B3からの車速Vが低車速ならば図5の特性VL(点線)の起動側特性VL1を、高車速ならば図5の特性VH (実線)の起動側特性VH1をそれぞれ得られるように、制御器Bで調整される。尚、図4における縦軸ΔFは操作力Finと、リンクA4からの反力Ffbとの偏差力である。即ち、ステアリング角θfbが生ずるとその分、操作力Finを軽減しようとする反力Ffbが操作力Finに加わる。
【0043】
(3)次いでオペレータがジョイスティックレバーA3の傾倒を停止すると(即ち、傾倒操作角θin=一定)、流量Qによってステアリング角θfbが傾倒操作角θinとなるまで漸増し、それまでの正の偏差角Δθの変化の割合(f'(Δθ) >0)が、零(f'(Δθ) =0)を経て負(f'(Δθ) <0)となる。そしてこの直後から所定の範囲(Δθ2〜Δθ3)の間の流量Qの変化を小さく、その後、範囲(Δθ3〜0)の流量Qの変化を大きくしている。このときも制御器Bは演算値である偏差角Δθを元に、車速Vをパラメータとする励磁電流Iを第2可変減圧弁C22に与える。励磁電流Iは、車速検出器B3からの車速Vが低車速時ならば図5の特性VL の停止側特性VL2を、高車速時VH ならば図5の特性VH の停止側特性VH2を得られるように、制御器Bで調整される。
【0044】
上記実施例によれば、次のような効果を奏する。
【0045】
(a)ロータリ式パイロットバルブC3が中立位置のとき、その左右出力ポートPL1、PR1からパイロット油圧連通ポートP1 、P2 にかけて第1減圧弁C21によって補償された最低圧Pmin のパイロット油が充満している。このため、傾倒操作開始から実際ステアリング開始までの応答性が改善される。特に油の粘度が高くなる低温時や極寒時での例機の始動当初のステアリング応答性が良くなる。従って例えば粘度指数(VI)の小さい油でも採用できる。またさらに、最低圧Pmin が励磁電流Iによる第2可変減圧弁C22による減圧変化に対し円滑に連続する。つまり急激なパイロット圧変化を抑制でき、このためステアリング開始時及び終了時のショック発生を抑制できる。
【0046】
(b)起動側当初での偏差角Δθが小さいとき、停止側当初での偏差角Δθが大きいとき、流量Qの変化を小さくしたのでステアリング起動時、停止時のショックを阻止できる。
【0047】
(c)上記傾倒操作角θinは、従来のジョイスティックレバー方式と同様に一度に最大傾倒操作角まで傾倒できる傾倒操作角と誤解され易いが、そうではない。即ち上記傾倒操作角θinは、偏差角Δθとステアリング角θfbとの加算値(θin=Δθ+θfb)であり、しかも偏差角Δθの最大値が第1スプリングC35の撓み最大量で得られる図3(b)の両スリーブC32、C33の最大相対回転角である。つまり傾倒操作角θinはステアリング角θfbに対応する値である。分かり易く言えば、例えばジョイスティックレバーA3を30度まで傾斜させ続けると、ステアリング角θfbが追従して最後に30度(但し上記実施例の場合)で停止し、また例えばジョイスティックレバーA3を20度傾斜させ続けると、ステアリング角θfbが追従して例えば20度(但し上記実施例の場合)で停止する。しかもオペレータは、ジョイスティックレバーA3のリスト角(即ち傾倒操作角θin)や目視によってステアリング角θfbを体感しつつ、ステアリングできるため、小傾倒操作角方式でありながら、大回転角操作方式であるハンドル方式よりもさらに好適なステアリング感覚を得られる。具体的には左右ステアリングを素早く、かつ大きく切換えることが要求されるホイールローダや、大きなステアリング角が要求されるフォークリフトに好適に使用できる。
【0048】
(d)ジョイスティックレバーA3をある傾倒操作角θinで停止し、その後、リンクA4によって偏差角Δθが零となると(Δθ=0、θin=θfb)、ロータリ式パイロットバルブC3もメインステアリングバルブD2も中立位置Np、NMに戻る。従って従来のジョイスティックレバー方式のように、ジョイスティックレバーをステアリングの都度、中央位置に戻す2倍操作が不要となる。具体的には左右ステアリングを素早く切換えることを要求されるホイールローダに適用できる。
【0049】
(e)通常操作は元より特に緊急時は速いステアリング速度(即ち偏差角Δθを速く零(θfb=0)にすること)が要請される。例えば緊急時、オペレータは第1スプリングC35のバネ定数が多少大きくても、より大きな操作力FinでジョイスティックレバーA3を大きく傾斜させようとする。このとき、図5に示す通り、偏差角Δθが「Δθ1〜Δθ2」及び「Δθ3〜0」の領域において、大流量Qを確保している。このため速いステアリング速度が得られ、緊急時に対処できる。
【0050】
(f)緊急時、前記(e)で述べたように、オペレータは第1スプリングC35のバネ定数が多少大きくても、より大きな操作力FinでジョイスティックレバーA3をさらに大きく傾斜させようとする。このとき、第1スプリングC35が撓み切り、ジョイスティックレバーA3の傾倒操作力FinがリンクA4に直接伝播しようとする。ところが上記実施例は、図4に示すように、第1スプリングC35の初期バネ力Fcoよりも大きい初期バネ力FLoの第2スプリングC39を第1、第2フィードバックシャフトC38、C37間に有している。従ってオペレータは、第1スプリングC35が撓み切った後、大きな操作力Finが第2スプリングC39で緩衝されるため、過大な操作力Finを発生させたことを体感でき操作力Finを自制することができる。尚、第2スプリングC39のバネ特性は図4の特性S2で示される。また過大な操作力Finによって第1スプリングC35等が破損することもない。尚、上記実施例での制御器Bは、第1スプリングC35における偏差角Δθに基づく励磁電流Iを生成して第2可変減圧弁C22に入力したが、第2スプリングC39の撓みも考慮し、例えばこの第2スプリングC39の撓む領域では流量Qを一定割合で増加させるようにして、車両の安定性を確保しても構わない。
【0051】
(g)高車速時、制御器Bは車速検出器B3から車速Vを検出し、図5に示される特性VH を採用する。この特性VH での流量Qの最大値は、低車速時の特性VL での流量Qの最大値よりも小さくしてある。従って高車速時のステアリングをより安定的に行え、安全走行に寄与できる。
【0052】
(h)ロータリ式パイロットバルブC3は、上記実施例及びその作用効果の基本となっている。ところでこのロータリ式パイロットバルブC3は、図2の試供品で説明した通り、構造が極めて簡単である。従って製造が容易である。しかも例機に限定されることなく、各種油圧回転機構に採用し、その所定回転角の位置決め部材とすることができる。
【0053】
他の実施例を項目列記する。
(1)上記実施例では、最低圧補償付き可変減圧弁C2を、最低圧Pmin を補償する第1減圧弁C21と、第2可変減圧弁C22とで構成したが、図6に示すように、第2可変減圧弁C22だけで構成しても構わない。尚この場合、励磁電流Iを零(I=0)時において、第2可変減圧弁C22は最低圧Pmin の出力を補償する初期バネ力を有する。
【0054】
(2)上記実施例では、最低圧補償付き可変減圧弁C2を第1油圧源C1とロータリ式パイロットバルブC3との間に設けたが、ロータリ式パイロットバルブC3とメインステアリングバルブD2との間に設けても構わない。要するに、ロータリ式パイロットバルブC3の出力油圧Pa、Pb(即ち、メインステアリングバルブD2への入力パイロット油圧)を可変できればよい。
【0055】
(3)上記実施例での制御器Bは、メインステアリングバルブD2が図5に示される「車速Vをパラメータとする偏差角Δθ毎の流量Q」をステアリング用油圧シリンダA2に供給するための「車速Vをパラメータとする偏差角Δθ毎の励磁電流I」を、予め実施したキャリブレーションデータを元に関数やマトリクスで予め記憶している。ところがこれを次のように構成しても構わない。即ち「車速Vをパラメータとする」ための励磁電流Iのゲイン制御は、上記実施例の通りとする。そして「偏差角Δθ毎の励磁電流I」は「偏差角Δθに比例した励磁電流I」とする。その上で、ロータリ式パイロットバルブC3の各位置Np、Lp、Rpにおける開口部の切欠形状、メインステアリングバルブD2の各位置NM、LM 、RM の内部流路における開口部の切欠形状、及びメインステアリングバルブD2のパイロット油圧連通ポートP1 、P2 間の可変絞りの形状を最適選定するだけで、メインステアリングバルブD2が図5に示される「偏差角Δθ毎の流量Q」をステアリング用油圧シリンダA2に供給できるようになる。この場合、制御器Bは、上記実施例のように、キャリブレーションデータを元とした関数やマトリクスを予め記憶する必要はない。
【0056】
(4)上記実施例でのロータリ式パイロットバルブC3は、中立位置Npを4ポートを互いに連通させたフロート式とし、上記効果(a)を得たが、普通のオープンセンタ式やクローズドセンタ式でも構わない。この場合、フロート式と異なり、ポンプポートPP1と、左右出力ポートPL1、PR1とが中立位置Npにおいて遮断されるため、ステアリング起動側の当初において油圧変化によるショックが発生する。但し、油圧変化は最低圧Pmin に基づくため、ショックは僅かである。
【0057】
(5)上記実施例では、制御器Bが偏差角Δθを演算するために、第1、第2回転角検出器B1、B2を設けたが、例えばトルク検出器であっても構わない。この場合、トルク検出器は、インプットシャフトC34又は第1フィードバックシャフトC38のトルクを検出するものであれば良く、また上記実施例のように2個の回転角検出器B1、B2でなく1個でも良い。即ちトルク検出器の検出値自体が偏差角Δθに対応する偏差トルクΔTとなる。そして偏差角Δθの変化の割合f'(Δθ) は偏差トルクΔTの変化の割合f'(ΔT) として演算すればよい。従ってこの場合、前記「特許請求の範囲」に記載の「第1スリーブC33の目標ステアリング角θinを検出する目標ステアリング角検出手段B1と、第2スリーブC32の実際ステアリング角θfbを検出する実際ステアリング角検出手段B2と」は1つのトルク検出器も含むものとする。
【0058】
(6)上記実施例のロータリ式パイロットバルブC3は、図2の試供品に基づき、ピンC36及び第2フィードバックシャフトC37を設けたが、これらを無くし、アウタスリーブC32に第2スプリングC39を介して第1フィードバックシャフトC38を連結してもよい。このようにしても、上記実施例でのロータリ式パイロットバルブC3と同じ効果が得られる。
【0059】
(7)上記実施例ではパイロットバルブをロータリ式パイロットバルブC3としたが、ジョイスティックレバーA3の傾倒操作角θin及びステアリング角θfbをリンク機構を解して直線運動に変換し、これ直線運動を入力するストローク式パイロットバルブとしても構わない。
【0060】
(8)上記実施例のロータリ式パイロットバルブC3は、図2の試供品に基づき説明したが、両スリーブC32、C33を読み替えて構成しても構わない。このようにしても、上記実施例でのロータリ式パイロットバルブC3と同じ効果が得られる。
【0061】
(9)上記実施例ではジョイスティックレバーA3を用いたが、ハンドルでも構わない。要は、パイロットバルブC3にステアリング用操作角を入力できるものなら何でも構わない。
【0062】
(10)上記実施例を搭載した例機はアーティキュレイト式ホイールローダであるが、タイロッドやナックルアームを有してステアリングされる形式のホイールローダでも構わない。勿論、ホイールローダに限る必要はなく、ステアリング可能とされる自走式車両であれば、制限は無い。
【0063】
(11)上記実施例は、ホイールローダの油圧式ステアリング装置として適用したが、車両だけでなく各種油圧回転機構において、所定の回転角に位置決めされるものであるならば、例えば工作機械等でも構わない。この場合、前記「特許請求の範囲」に記載の「自走車両」は「油圧回転機構」とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の全体回路図である。
【図2】ロータリ式パイロットバルブの断面図である。
【図3】第1、第2スプリングの取付け及び作動図であり、(a)は中立状態、(b)は左右ステアリング状態を示す図である。
【図4】第1、第2スプリングのバネ力特性図である。
【図5】車速をパラメータとする偏差角毎のステアリング用油圧シリンダへの流量特性図である。
【図6】最低圧補償付き可変減圧弁の他の例の回路図である。
【符号の説明】
A2…油圧アクチュエータ(ステアリング用油圧シリンダ)、A3…目標ステアリング角入力手段(ジョイスティックレバーA3)、B…励磁電流出力手段(制御器)、B1…目標ステアリング角検出手段(第1回転角検出器)、B2…実際ステアリング角検出手段(第2回転角検出器B2)、B3…車速検出手段(車速検出器)、C1…第1油圧源、C2…電磁式可変減圧弁(最低圧補償付き可変減圧弁)、C3…パイロットバルブ(ロータリ式パイロットバルブ)、C32…第2スリーブ(アウタスリーブ)、C33…第1スリーブ(インナスリーブ)、C35…第1スプリング、C39…第2スプリング、D1…第2油圧源、D2…メインステアリングバルブ、Fco、FLo…初期バネ力、Np、NM …中立位置、Lp、LM …左ステアリング位置、Rp、RM …右ステアリング位置、Pmin …最低圧、V…車速、VH …高車速時、VL …低車速時、θin…目標ステアリング角、第1回転角(傾倒操作角)、θfb…実際ステアリング角、第2回転角(ステアリング角)、Δθ…偏差角、I…励磁電流。
Claims (4)
- (a) 目標ステアリング角(θ in )を入力する目標ステアリング角入力手段(A3)と、
(b) 中立位置(Np)と左右ステアリング位置(Lp,Rp)とを有し、目標ステアリング角入力手段(A3)から目標ステアリング角(θ in )を受けて中立位置(Np)から左右ステアリング位置(Lp,Rp)のいずれか一方へ切換わって第1油圧源(C1)からの圧油を出力するパイロットバルブ(C3)と、
(c) 中立位置(N M )と左右ステアリング位置(L M ,R M )とを有し、パイロットバルブ(C3)からの出力油圧を受けて中立位置(N M )から左右ステアリング位置(L M ,R M )のいずれか一方へ切換わって第2油圧源(D1)からの圧油を出力するメインステアリングバルブ(D2)と、
(d) メインステアリングバルブ(D2)からの圧油を受けて作動する油圧アクチュエータ(A2)とを有し、油圧アクチュエータ(A2)の作動によって実際ステアリング角(θ fb )を得る自走車両に搭載される油圧式ステアリング装置において、
(e) 目標ステアリング角入力手段(A3)から目標ステアリング角(θ in )を受けて作動する第1スリーブ(C33)と、自走車両の実際ステアリング角(θ fb )を受けて作動する第2スリーブ(C32)と、第1、第2スリーブ(C33,C32)の相対位置で定めた中立位置(Np)及び左右ステアリング位置(Lp,Rp)の内、中立位置(Np)側へ第1、第2スリーブ(C33,C32)を付勢する第1スプリング(C35)と、第1スリーブ(C33)の目標ステアリング角(θ in )を検出する目標ステアリング角検出手段(B1)と、第2スリーブ(C32)の実際ステアリング角(θ fb )を検出する実際ステアリング角検出手段(B2)とを有するパイロットバルブ(C3)と、
(f) 車速(V)を検出する車速検出手段(B3)と、
(g) 目標ステアリング角検出手段(B1)から目標ステアリング角(θin)を、実際ステアリング角検出手段(B2)から実際ステアリング角(θfb)を受けてこれらの偏差角(Δθ)を演算し、偏差角(Δθ)に応じた励磁電流(I)を生成すると共に、
車速検出手段(B3)から車速(V)を受け、車速(V)が高車速(VH )であるときは励磁電流(I)の最大値を小さくし、一方、車速(V)が低車速(VL)であるときは励磁電流(I)の最大値を大きくして出力する励磁電流出力手段(B)と、
(h) 励磁電流出力手段(B)から励磁電流(I)を受けてパイロットバルブ(C3)からメインステアリングバルブ(D2)への油圧を変更自在とされた電磁式可変減圧弁(C2)とを有し、
実際ステアリング角(θ fb )を目標ステアリング角(θ in )に追従して得る構成を特徴とする油圧式ステアリング装置。 - 請求項1記載の油圧式ステアリング装置において、電磁式可変減圧弁(C2)は、最低圧(Pmin )を補償された最低圧補償付き可変減圧弁(C2)であることを特徴とする油圧式ステアリング装置。
- 請求項1又は2記載の油圧式ステアリング装置において、パイロットバルブ(C3)は、
(a) 目標ステアリング角入力手段(A3)から目標ステアリング角(θin)を受けて作動する第1スリーブ(C33)と、自走車両の実際ステアリング角(θfb)を受けて作動する第2スリーブ(C32)と、第1、第2スリーブ(C33,C32)の相対位置で定めた中立位置(Np)及び左右ステアリング位置(Lp,Rp)の内、中立位置(Np)側へ第1、第2スリーブ(C33,C32)を付勢する第1スプリング(C35)と、第1スリーブ(C33)の目標ステアリング角(θin)を検出する目標ステアリング角検出手段(B1)と、第2スリーブ(C32)の実際ステアリング角(θfb)を検出する実際ステアリング角検出手段(B2)とを有すると共に、
(b) 自走車両と第2スリーブ(C32)との間に第1スプリング(C35)の初期バネ力(Fco)よりも強い初期バネ力(FLo)で架設され、自走車両の実際ステアリング角(θfb)を第2スリーブ(C32)に伝達する第2スプリング(C39)を有することを特徴とする油圧式ステアリング装置。 - (a)第1回転角(θin)を受けて作動する第1スリーブ(C33)と、
(b) 第2回転角(θfb)を受けて作動する第2スリーブ(C32)と、
(c) 第1、第2スリーブ(C33,C32)の相対位置で定めた中立位置(Np)及び左右ステアリング位置(Lp,Rp)の内、中立位置(Np)側へ第1、第2スリーブ(C33,C32)を付勢する第1スプリング(C35)と、
(d) 第1スプリング(C35)の初期バネ力(Fco)よりも強い初期バネ力(FLo)を有して第2回転角(θfb)を第2スリーブ(C32)に伝達する第2スプリング(C39)とを有することを特徴とする油圧バルブ。
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