JP3868553B2 - 可変容量ポンプの容量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、斜板形や斜軸形アキシャルピストンポンプ等の可変容量ポンプのポンプ容量を電気的に制御する容量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、可変容量ポンプのポンプ容量を電気的に制御する場合、電気−機械変換装置として電磁比例ソレノイドを使用し、てこ（リンク）の作用を営む油圧倍力装置を介して力フィードバック型閉ループ系を形成して制御するのが一般的である。その１例は図１に示す如くであり、可変容量ポンプａの斜板や斜軸から成るポンプ容量制御部材ｂに、大受圧面積の容量制御シリンダｃと小受圧面積の容量制御シリンダｄをその推力が減殺されるように機械的に連結する。これらの容量制御シリンダｃ、ｄのピストンのヘッド側室を、共通の油圧源ｆに接続し、大受圧面積の容量制御シリンダｃを該油圧源ｆに接続する油圧回路ｇに、電磁比例ソレノイドｈの力とこの力に対抗した設定スプリングｉの力で移動するスプールを備えたパイロットバルブｊを設けて該大受圧面積のシリンダｃの作動を制御し、該パイロットバルブｊの作動部材にフィードバックスプリングｋ及び油圧倍力装置を介して該容量制御シリンダｃの力をフィードバックする。尚、フィードバックスプリングｋのばね常数はＫｆ、該設定スプリングｉは、指令系の安定性確保と調整用のもので、そのばね常数はＫ１である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した装置では、電磁比例ソレノイドｈに適当な磁力を発生させると、パイロットバルブｊが設定スプリングｉとバランスする位置へ作動して油圧回路ｇを開き、油圧源ｆから大受圧面積の容量制御シリンダｃのヘッド側室に圧力流体が導入される。該油圧源ｆの圧力流体は小受圧面積の容量制御シリンダｄに常時導入されており、これに発生する推力とリターンスプリングｅの力とに大受圧面積の容量制御シリンダｃの推力が釣り合う位置まで該容量制御シリンダｃが移動し、この移動に伴いポンプ容量制御部材ｂが例えばポンプ容量を減少すべく移動する。そして、その移動力がフィードバックスプリングｋを介して該パイロットバルブｊの作動部材例えばスプールと該ソレノイドｈを連結する連桿にフィードバックされ、そのフィードバック力が優勢になったとき、該バルブｊが該大受圧面積のシリンダｃの移動を止めるように、具体的には該シリンダｃのヘッド側室をタンクｌと油圧源ｆとに交互に接続するように振動的作動を行い、可変容量ポンプａのポンプ容量を一定にする。
【０００４】
この構成のポンプ容量制御装置では、該フィードバックスプリングｋの力をＦkf、設定スプリングｉの力をＦk1とすれば、電磁比例ソレノイドｈの発生力Ｆsolとの間に、
Ｆsol＝Ｆkf＋Ｆk1………（１）
の関係があり、該電磁比例ソレノイドの発生力Ｆsolが小さいためフィードバックスプリングの力Ｆkfは極めて小さな値となってしまう。
【０００５】
更に、該電磁比例ソレノイドｈの発生力をＦminからＦmaxまで、またストロークをＸsolだけ制御に使用するものとし、これに対する容量制御シリンダーｃ、ｄの全ストロークをＸcylとすれば、
Ｋｆ＝（Ｆmax−Ｆmin−Ｋ１・Ｘsol／２）・１／Ｘcyl……（２）
であるから、Ｘcylが大きければ、フィードバックスプリングのばね常数Ｋｆも同様に小さくしなければならない。フィードバックスプリングの力Ｆkfが小さければ、摩擦力などの誤差要因に対して敏感になり、Ｋｆが小さければ、スプリングの設計も困難になる。
【０００６】
しかも、（Ｋｆ＋Ｋ１）を大きくできないので、パイロットバルブｊのスプールの質量、電磁比例ソレノイドｈのアマチャー質量等と設定スプリングｉ、フィードバックスプリングで成り立つばね質量系の共振点が低くなってしまうが、このばね質量系がポンプ容量制御の閉ループ内に入るため、ポンプ容量制御系の安定性を高くすることができないという欠点がある。
【０００７】
本発明は、摩擦力等の誤差要因に対して強く、ばね常数の大きなフィードバックスプリングを使用でき、安定性がよく、小型に設計可能なフィードバック制御された容量制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記の目的を達成すべく、可変容量ポンプのポンプ容量を制御すべく移動するポンプ容量制御部材に、容量制御シリンダのロッドを連結し、該容量制御シリンダの油圧回路に電磁比例ソレノイドの力とこの力に対抗した設定スプリングの力で移動するスプールを備えて該容量制御シリンダの流体の給排を制御するパイロットバルブを設け、該容量制御シリンダの動きを該パイロットバルブの作動部材にフィードバックスプリングを介してフィードバックする容量制御装置に於いて、該パイロットバルブに摺動自在のバレルを設けて該バレルの内部に該スプールを摺動自在に設け、フィードバックすべき該容量制御シリンダのストロークをフィードバックスプリングとのばね常数比で変換するストローク変換スプリングの移動端を該フィードバックスプリングを介して該容量制御シリンダのロッドに連結し、該バレルに該ストローク変換スプリングと補助スプリングを連結して該フィードバックスプリングと該ストローク変換スプリング及び補助スプリングのバランスにより該バレルを摺動するようにした。該容量制御シリンダを大受圧面積の容量制御シリンダと小受圧面積の容量制御シリンダの組合せで構成し、これら大小の容量制御シリンダのピストンヘッド側の室を共通の油圧源に接続すると共に該大受圧面積の容量制御シリンダのピストンヘッド側の室と該油圧源を結ぶ油圧回路に該バレルを備えたパイロットバルブを設け、或いは該容量制御シリンダを１基とし、そのピストンロッド側室を油圧源に直接に接続すると共にそのピストンヘッド側室に該バレルを備えたパイロットバルブを接続し、該ストローク変換スプリングの移動端を該バレル及びフィードバックスプリングを介して該容量制御シリンダのロッドに連結してもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づき説明すると、図２に於いて、符号１は斜板型や斜軸型の可変容量ポンプ、２は抽象的に示した該ポンプ１の斜板や斜軸等のポンプ容量制御部材、３は該ポンプ容量制御部材２を傾転や揺動させてポンプ容量を変更する容量制御シリンダを示す。同図の場合、該容量制御シリンダ３は大受圧面積の容量制御シリンダ３ａと小受圧面積の容量制御シリンダ３ｂの組合せで構成し、大受圧面積のシリンダ３ａの推力が小受圧面積のシリンダ３ｂの推力により減殺されるように推力を対向させてポンプ容量制御部材２にピストンロッドを連結した。両シリンダ３ａ、３ｂのヘッド側室は、共通のパイロットポンプ等の油圧源４に油圧回路５を介して夫々接続され、大受圧面積のシリンダ３ａの油圧回路に電磁比例ソレノイド６で作動制御されたスプール形のパイロットバルブ７を設け、該パイロットバルブ７の開閉作動で該シリンダ３ａのヘッド側室に油圧源４から流体を供給し或いはタンク１０へ排除する制御を行う。該パイロットバルブ７のスプール１１の一端には電磁比例ソレノイド６の力がプッシュロッド等の作動部材により作用し、その他端には該ソレノイド６の力に対抗する設定スプリング８の力が作用する。
【００１０】
こうした構成は従来のものと特に変わりがないが、本発明のものでは、該パイロットバルブ７にスプール１１を囲んでその外周を自在に摺動する中空円筒状のバレル１２を設け、該バレル１２に、フィードバックスプリング１３を介して該容量制御シリンダ３のピストンロッド１４を連結すると共に一端を固定したストローク変換スプリング９の移動端を連結し、更に該バレル１２に該ストローク変換スプリング９のばね力と対抗するように補助スプリング１５を直列に連結した。該パイロットバルブ７は、公知の３ポート３位置切換弁と同構成のものでよく、バレル１２にはポートの位置に対応して貫通穴が形成される。
【００１１】
図２の装置の作動を説明する。電磁比例ソレノイド６を励磁してパイロットバルブ７のスプール１１が押されると、該ソレノイド６の発生力に比例して設定スプリング８が撓み、該スプール１１がバレル１２内を摺動してポートを開き、大受圧面積の容量制御シリンダー３ａのヘッド側室へ油圧源４の流体が導かれ、該シリンダー３ａが小受圧面積の容量制御シリンダー３ｂを押しながらストロークする。該容量制御シリンダー３ａ、３ｂはポンプ容量制御部材２に連結されており、このストロークが次第に増大すると、該制御部材２が移動してポンプ１の容量を例えば増大させ、同時にフィードバックスプリング１３を介してバレル１２を該スプール１１と同じ方向へ移動するので開かれたポートが閉じられ、これにより容量制御シリンダ３ａの動きが停止し、該ソレノイド６の発生力に応じた流量を該ポンプ１が吐出する。
【００１２】
該装置による制御は位置フィードバック型の閉ループ制御であり、この時のバレル１２の摺動距離は、容量制御シリンダー３ａ、３ｂのストロークに対し、フィードバックスプリング１３のばね常数Ｋｆと、ストローク変換スプリング９のばね常数Ｋ２、及び補助スプリング１５のばね常数Ｋ３で決まる一定の比率で変換されたものとなっている。以上の構成によるポンプ容量制御の閉ループのブロック線図を示せば図３の如くであり、同図に於いて、ｓ：ラプラス演算子、ｍ：電磁比例ソレノイドによって摺動される部分の質量の総計、ｆ：電磁比例ソレノイドによって摺動される時の粘性抵抗係数、Ｋｑ：パイロットバルブの流量係数（変数＝スプールの変位）、Ｃ：容量制御シリンダー配管系の圧縮係数、ｌｋ：容量制御シリンダー配管系の漏れ係数、Ｆ：容量制御シリンダー系の粘性抵抗係数、Ａ：容量制御シリンダー３ａのヘッド側室のピストン面積、Ｍ：容量制御シリンダー系の質量の総計、ａａ：１−Ｋｆ／（Ｋ２＋Ｋ３＋Ｋｆ）、である。
【００１３】
容量制御シリンダーのストロークＸcylからフィードバックスプリング１３、ストローク変換スプリング９及び補助スプリング１５の組み合わせた組合せスプリング（スプリングリンク）により変換される比率ｋｐは、図３のフィードバックライン上の係数であるから、ｋｐ＝Ｋｆ／（Ｋ２＋Ｋ３＋Ｋｆ）となる。Ｋ２、Ｋ３、Ｋｆは定数であるから、従ってｋｐも一定の数であることがわかる。もし補助スプリング１５がなく、Ｋ３＝０である場合は、求めるｋｐに対しＫ２を大きくしなければならないが、補助スプリング１５を設けたことによりＫ３を適当な値にすればＫ２が過大となることを防止し、しかも夫々のスプリング９，１３，１５の撓みを適当なレベルに配分することができる。
【００１４】
また、従来のものではパイロットバルブの質量等の制御要素が力フィードバック型閉ループ系に入っていたが、本発明のものでは、図３に示したように位置制御閉ループの外にあり、位置制御系の安定性にこのパイロットバルブの要素が関係してこない。従って、制御の安定性が向上する。
【００１５】
上記のものでは大小本の容量制御シリンダ３を用いたが、図４のように１本の容量制御シリンダ３で制御することも可能である。この場合は、図２のものと比べて指令に対する容量制御シリンダー３の動作方向が逆になるだけで、基本的には図２の場合と同じでその制御ブロック線図も図３と同じになる。図４の具体的構成を図５に示した。
【００１６】
この図５の装置の作動を説明すると以下の通りである。電磁比例ソレノイド６が非励磁状態で発生力がない時は、設定スプリング８の力でスプール１１は図５の最上方に位置し、パイロットポンプの油圧源４からの流体が容量制御シリンダ３のヘッド側室及びロッド側室の両方に導かれ、該シリンダ３のピストン両側の受圧面積の差により該シリンダ３のロッドはフィードバックスプリング１３を介してバレル１２を上方へ押し上げ、該バレル１２に形成した貫通孔１２ａが閉じられたところでポートが閉じられ、該シリンダ３が停止する。従って該シリンダ３のロッドも最上端に位置し、該シリンダ３に連結したポンプ容量制御部材２はポンプ１の斜板等を傾転させ、ポンプ容量を例えば最小に制御する。
【００１７】
該電磁比例ソレノイド６に指令電流が流れ、スプール１１を押す力が発生すると、該スプール１１は設定スプリング８を押し下げて移動し、容量制御シリンダ３のヘッド側室に連なる通路をタンク１０へ開き、常時油圧源４の圧力がかかっているロッド側室の圧力によりそのロッドがポンプ容量制御部材２を伴って下降する。このとき該容量制御シリンダ３のストロークにｋｐを乗じた分だけフィードバックスプリング１３を介してバレル１２も下降し、その下降によりヘッド側室が閉じられると該シリンダ３の動きも止まり、その位置を維持する。このときの該シリンダー３のストロークは該ソレノイド６の指令電流に比例して制御される。該シリンダ３の動きでポンプ容量制御部材２も動き、例えばポンプ容量は所望の量に増大される。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、可変容量ポンプのポンプ容量を制御する容量制御シリンダの動きをフィードバックスプリングを介して該シリンダを作動制御するパイロットバルブにフィードバックする制御装置に於いて、該パイロットバルブに摺動自在のバレルを設け、該シリンダにストローク変換スプリングを該フィードバックスプリングを介して連結し、該バレルに該ストローク変換スプリングと補助スプリングを連結して該ストローク変換スプリングと補助スプリングのバランスにより該バレルを摺動させたので、位置フィードバック型の閉ループ制御によりポンプ容量が制御され、フィードバックスプリングは非力な電磁比例ソレノイドと対抗する必要がなく、そのばね常数を大きく設定でき、摩擦力等の外乱要因に強い制御装置が得られ、該ソレノイドの発生力が制御ループから外れるので制御系の安定性が向上し、スプリングの組合せで変位量変換を行うので、てこ式のものに比べて構成部品を直線上に配置することができ、制御装置を小型化できる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフィードバック型可変容量ポンプの容量制御装置の説明図
【図２】本発明の実施の形態を示す説明線図
【図３】図２の制御系のブロック線図
【図４】本発明の他の実施の形態の説明線図
【図５】図４の具体的構成の断面図
【符号の説明】
１ 可変容量ポンプ、２ ポンプ容量制御部材、３・３ａ・３ｂ 容量制御シリンダ、４ 油圧源、５ 油圧回路、６ 電磁比例ソレノイド、７ パイロットバルブ、８ 設定スプリング、９ ストローク変換スプリング、１０ ロッド、１１ スプール、１２ バレル、１３ フィードバックスプリング、１５ 補助スプリング、

Claims (3)

1. 可変容量ポンプのポンプ容量を制御すべく移動するポンプ容量制御部材に、容量制御シリンダのロッドを連結し、該容量制御シリンダの油圧回路に電磁比例ソレノイドの力とこの力に対抗した設定スプリングの力で移動するスプールを備えて該容量制御シリンダの流体の給排を制御するパイロットバルブを設け、該容量制御シリンダの動きを該パイロットバルブの作動部材にフィードバックスプリングを介してフィードバックする容量制御装置に於いて、該パイロットバルブに摺動自在のバレルを設けて該バレルの内部に該スプールを摺動自在に設け、フィードバックすべき容量制御シリンダの変位をフィードバックスプリングとのばね常数比で変換するストローク変換スプリングの移動端を該フィードバックスプリングを介して該容量制御シリンダのロッドに連結し、該バレルに該ストローク変換スプリングと補助スプリングを連結して該フィードバックスプリングと該ストローク変換スプリング及び補助スプリングのバランスにより該バレルを摺動することを特徴とする可変容量ポンプの容量制御装置。
2. 上記容量制御シリンダを大受圧面積の容量制御シリンダと小受圧面積の容量制御シリンダの組合せで構成し、これら大小の容量制御シリンダのピストンヘッド側の室を共通の油圧源に接続すると共に該大受圧面積の容量制御シリンダのピストンヘッド側の室と該油圧源を結ぶ油圧回路に該バレルを備えたパイロットバルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量ポンプの容量制御装置。
3. 上記容量制御シリンダを１基とし、そのピストンロッド側室を油圧源に直接に接続すると共にそのピストンヘッド側室に該バレルを備えたパイロットバルブを接続し、上記ストローク変換スプリングの移動端を該バレル及びフィードバックスプリングを介して該容量制御シリンダのロッドに連結したことを特徴とする請求項１に記載の可変容量ポンプの容量制御装置。

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