JP4056596B2 - 液圧源装置を使用した液圧システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液圧シリンダ等の外部機器を駆動するための液圧源装置を使用した液圧システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の液圧源装置を使用した液圧システムとしては、例えば図６に示すようなものがある。
この液圧システムは、液圧ポンプ１から供給された流体が流量制御弁２により設定された流量だけ液圧シリンダ１５に供給される。その際、液圧ポンプ１の供給流量のうち、余剰の流量は圧力制御弁３を通ってタンク１３に戻る。
流量制御弁２を通して供給される圧液は、切換弁４により液圧シリンダ１５のロッド側の室１５ａあるいはヘッド側の室１５ｂのいずれか一方に供給され、それによって液圧シリンダ１５のピストンロッド１５ｃに接続されている負荷６が、図６で右方へ前進したり、左方へ後退したりする。
【０００３】
そして、その際に負荷６が移動する移動速度は、流量制御弁２により調節される。また、その負荷６の前，後進、あるいは移動停止は、切換弁４の切換位置を変えることによって行なわれる。
また、その負荷６が非常に重い場合には、圧力制御弁３の働きにより回路の圧力が予め設定されている圧力以上にならないようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の液圧源装置を使用した液圧システムは、次に示すような種々の問題点があった。
すなわち、流量制御弁の絞り作用により負荷の移動速度を制御しているため、その流量制御弁の部分で大きなエネルギ損失が生じてしまうということがあった。また、負荷を頻繁に動かして起動と停止を繰り返すと、その度に負荷を加速するためのエネルギが必要となるので、大きな駆動源が必要であるということもあった。
【０００５】
さらに、負荷の移動を加速したり、減速したときに液圧ポンプが電動機により駆動されていると、その電動機に加わる負荷の大きさが変動することによって瞬間的に大きな電流が流れたり、電源電圧が変動してノイズが発生したりすることがあるため、他の制御機器に悪影響を与えてしまう恐れがあった。
そして、これらの問題は液圧シリンダの駆動回路だけでなく、液圧モータの駆動回路にも共通する問題であった。
【０００６】
そこで、本出願人は、上記のような液圧システムの回路に用いる液圧パッケージとして、先に特願平８−２６７０９５号（液圧アクチュエータパッケージ）を出願している。
この液圧アクチュエータパッケージは、慣性物体を加減速駆動する可変容量形の液圧モータと、その液圧モータの容量を制御する制御弁と、上記液圧モータの液圧源としてのアキュムレータ(蓄圧器)と、貯蔵液体量に応じて封入気体との隔壁を変位し得る密閉タンクとをケーシングに一体的に設けた液圧アクチュエータパッケージであり、上記液圧モータの第１，第２のポートをアキュムレータ及び密閉タンクにそれぞれ連通させると共に、上記第１，第２のポートにそれぞれ外部から接続可能な第１，第２の外部接続ポートを上記ケーシングに設けている。
【０００７】
この液圧アクチュエータパッケージを使用すれば、上述した従来の液圧システムが持つ問題点を解決することができるが、その対象は液圧モータを使用するものに限られてしまうという欠点があった。
すなわち、上述した液圧アクチュエータパッケージの場合には、負荷を動かすアクチュエータが可変容量形の液圧機械のように容量を変化させて一定の圧力を作用させることにより発生するトルクや推力等を変化させる機構が不可欠であるが、液圧シリンダの場合にはそのような可変容量形の構造を簡単に実現するのが難しかった。
【０００８】
一方、単動の液圧シリンダ、あるいはピストンの両側の受圧面積に差がない複動の液圧シリンダの場合には、可変容量形の液圧モータで液圧ポンプを駆動し、その液圧ポンプから供給される圧液により液圧シリンダを駆動することも考えられる。
しかしながら、ピストンの両側で受圧面積に差がある差動液圧シリンダの場合には、その面積差により液圧ポンプから液圧シリンダに送り込まれる圧液の量と、液圧シリンダの動作によりその液圧シリンダから吐き出されて液圧ポンプに送り込まれる流体の量とが一致しないので、スムーズに液圧シリンダを駆動することができないという問題点があった。
【０００９】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、差動液圧シリンダにおいて負荷を頻繁に動かして起動と停止を繰り返しても省エネルギで済み、液圧ポンプを駆動する電動機に流れる電流がその電動機に加わる負荷の大きさに応じて変動して瞬間的に大きく変化したり、電源電圧が変動したりしてノイズが発生して他の制御機器に悪影響を与えたりしないようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するため、略一定の圧力を発生する液圧源装置と、その液圧源装置からチェック弁を介した流体を流入可能に接続された蓄圧器と、その蓄圧器に接続された可変容量形の液圧機械と、その液圧機械の回転軸により回転駆動される液圧ポンプと、その液圧ポンプから供給される流体により駆動されて負荷を移動する差動液圧シリンダとからなる液圧源装置を使用した液圧システムを、次のように構成する。
【００１１】
すなわち、上記液圧ポンプが、複数のピストンと、その複数のピストンをそれぞれ摺動可能に嵌入させる複数のピストン摺動孔を有するシリンダブロックと、そのシリンダブロックと共に回転した際に上記各ピストンを往復運動させるように変位させるカム機構と、上記各ピストンが往復運動した際に流体の吸い込み工程と吐出工程を分ける各ポートがそれぞれ形成された流体分割部材とを備えており、上記流体分割部材の上記吸い込み工程と吐出工程を分ける各ポートのいずれか一方のポートを上記ピストンの上記回転軸を中心とする回転方向に沿って間隔を置いて２つに分割し、その分割したポートの一方を差動液圧シリンダのロッド側の室に連通すると共にその分割した残りのポートをタンクに連通し、２つに分割しない側の上記ポートを差動液圧シリンダのヘッド側の室に連通するように構成したものである。
【００１２】
そして、上記カム機構は、ピストンの往復運動のストロークを任意に可変可能にする手段を有しているようにすると、より効果的である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はこの発明による液圧源装置を使用した液圧システムの一実施形態例を示す油圧回路図、図２は同じくその油圧回路に使用されている固定容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプを示す縦断面図、図３は同じくその液圧ポンプに設けられている流体分割部材である弁板とその弁板に形成されている各ポートの差動液圧シリンダとの接続関係を示す概略図である。
【００１４】
図１に示す液圧源装置を使用した液圧システムは、略一定の圧力を発生する液圧源装置７と、その液圧源装置７からチェック弁９を介した流体を流入可能に接続された蓄圧器８と、その蓄圧器８に接続された可変容量形の液圧機械１０と、その液圧機械１０の回転軸１０ａにより回転駆動される液圧ポンプ１１と、その液圧ポンプ１１から供給される流体により駆動されて負荷６を矢示Ａ方向に移動する差動液圧シリンダ５とからなる。
【００１５】
液圧ポンプ１１は、図２に示すような例えば固定容量形アキシャルピストンポンプであり、複数のピストン３４と、その複数のピストン３４をそれぞれ摺動可能に嵌入させる複数のピストン摺動孔であるシリンダボア３２ａを有するシリンダブロック３２と、そのシリンダブロック３２と共に回転した際に各ピストン３４を同図で左右方向に往復運動させるように変位させる後述するカム機構と、各ピストン３４が往復運動した際に流体の吸い込み工程と吐出工程を分ける各ポートがそれぞれ形成された流体分割部材である弁板２５とを備えている。
【００１６】
シリンダブロック３２は、ケーシング３１の内部に回転自在に組み込まれており、そのシリンダブロック３２の中心線Ｃ上に回転軸(主軸)３３を設けて両者をスプライン結合することによって取り付け、駆動する可変容量形の駆動液圧モータである液圧機械１０（図１）からの回転力が回転軸３３を介してシリンダブロック３２に伝達されるようにしている。
【００１７】
シリンダブロック３２の中心から同一ピッチの円上には、中心線Ｃと平行で且つ等間隔に複数のシリンダボア３２ａを形成し、その各シリンダボア３２ａにはそれぞれ往復運動するピストン３４を摺動自在に嵌入させている。
また、ケーシング３１の内部には、回転軸３３がシリンダブロック３２と共に回転した際に各ピストン３４を往復運動させるように変位させる上述したカム機構を設けている。
【００１８】
そのカム機構は、シリンダブロック３２の中心線Ｃに対して任意の傾転角を持たせて斜板３５をケーシング３１に取り付け、各ピストン３４の一端に形成した球状部３４ａを、環状のシュープレート３６によって連結されるピストンシュー３７に回転自在に装着し、ばね３９によってピン３８を介して斜板３５の方向へ押圧される外周面が球面状のスヘリカルワッシャ４０をシュープレート３６を介してピストンシュー３７を斜板３５に押圧し、ピストン３４を斜板３５に沿わせるようにしたものである。
なお、スヘリカルワッシャ４０の内周面に形成した内径スプライン部４０ａは回転軸３３の外周面に形成した外径スプライン部３３ａに摺動可能に嵌合している。
【００１９】
さらに、ケーシング３１の右端面には、バルブプレート４５に固設した弁板２５が設けてあり、その弁板２５は、シリンダブロック３２の右端面と摺接し、シリンダボア３２ａに供給する流体のシール部を形成している。
その弁板２５には、シリンダボア３２ａと対応するピッチ円上に、詳しい説明は後述するが、流体の吸い込み工程と吐出工程を分ける孔である各ポート（いずれも図２には図示されていない）がそれぞれ形成されている。
【００２０】
このように構成される液圧ポンプ１１は、各ピストン３４の一端がピストンシュー３７を介して斜板３５に沿いながら中心線Ｃを中心にして回転することにより、その各ピストン３４が、図２で左右方向に往復運動をする。
そのピストン３４の往復運動は、斜板３５の最大傾斜位置（図２で上側と下側のピストン３４がそれぞれ図示してある位置）を境にして、前進（往）と後退（復）が行なわれる。そして、そのピストン３４の前進と後退に対応させて流体の吐出と吸い込みを分ける役割を果たすのが弁板２５である。
【００２１】
流体の吐出工程では、ピストン３４は、その吐出圧力により斜板３５の方向に押圧され、吸入工程ではピン３８を介してばね３９の付勢力によって斜板３５の方向に押圧されているスヘリカルワッシャ４０に内周面が摺接しているシュープレート３６がピストンシュー３７を斜板３５に押圧することにより、斜板３５に沿っている。
【００２２】
そして、１本のピストン３４に注目すると、それが中心線Ｃを中心にして半回転している間は流体をシリンダブロック３２内へ吸い込む方向に移動し、残る半回転の間はその流体を吐出する方向に移動することになる。したがって、回転軸３３が連続回転することにより、連続的なポンプ作用が行なわれる。
【００２３】
次に、弁板２５の形状及びその弁板２５に形成されている各ポートの差動液圧シリンダ５との接続関係について図３を参照して説明する。
弁板２５は、図示のような円盤形状をしており、そこにはピストン３４の回転軸３３を中心とする回転方向に沿い、シリンダボア３２ａ（図２）の孔中心と対応するピッチ円Ｐｃ上に、その略片側半分に吸い込み工程と吐出工程を分ける一方の側のポートとなるポートＹを円弧状の孔２５ａで形成している。
【００２４】
また、それと反対側の略片側半分に、他方の側のポートとなるポートＸとポートＺをピッチ円Ｐｃ上に間隔を置いて、それぞれ円弧状の孔２５ｂ，２５ｃにより２つに分割して形成している。
そして、その分割した一方のポートＸを差動液圧シリンダ５のロッド側の室５ａに連通すると共に、その分割した残りのポートＺをタンク２６に連通し、２つに分割しない側のポートＹを差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂに連通するようにしている。
【００２５】
次に、図１に示した液圧システムの動作について説明する。
まず最初に、液圧シリンダ５のピストンロッド５ｃに取り付けられて停止状態にある負荷６を動かし始める場合について説明する。
可変容量形の液圧機械１０の容量を増やすと、略一定の液圧の流体が液圧源装置７からチェック弁９を介して液圧機械１０に供給されているので、その液圧機械１０は回転軸１０ａを回転させるモータ作用を行なってトルクを発生させる。
そのトルクにより回転軸１０ａが回転すると、機械的あるいは歯車やベルト等を使用して、その回転軸１０ａに回転軸３３（図２）が連結されている液圧ポンプ１１が回転を開始する。
【００２６】
その際、液圧機械１０の容積をどちら側に増やしていくかにより、液圧ポンプ１１に発生する軸トルクの方向が決まり、その回転方向によって液圧ポンプ１１のポートＸあるいはポートＹのいずれか一方から圧液が吐出される。
そして、液圧ポンプ１１のポートＹから圧液が吐出される場合には、その圧液は差動液圧シリンダ（複動液圧シリンダ）５のヘッド側の室５ｂに供給されるため、その差動液圧シリンダ５のピストンロッド５ｃが図１で右方に移動して負荷６が前進する。
【００２７】
その際、差動液圧シリンダ５のロッド側の室５ａは液圧ポンプ１１のポートＸに連通しているので、ピストンロッド５ｃが図１で右方に移動することにより室５ａから排出される流体は液圧ポンプ１１のポートＸに供給される。
ここで、この液圧システムでは、差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂとロッド側の室５ａとの受圧面積の割合が、液圧ポンプ１１のポートＹとポートＸがそれぞれ通過可能にする流量の割合と等しくなるように、予め弁板２５の各孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃの大きさをそれぞれ設定してある。
【００２８】
したがって、液圧ポンプ１１が差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂへ供給する圧液によりピストンロッド５ｃが図１で右方に移動（前進）することによってロッド側の室５ａから排出される流体の量と、液圧ポンプ１１のポートＸが差動液圧シリンダ５のロッド側の室５ａから排出されて吸い込む流体の量とが等しくなるので、差動液圧シリンダ５のピストンロッド５ｃが図１で右方にスムーズに移動する。
【００２９】
一方、上述した場合と逆の方向に液圧機械１０の容量を増やすようにすると、回転軸１０ａには上述した場合と逆の方向の軸トルクが発生する。そのため、回転軸１０ａが逆方向に回転し、液圧ポンプ１１の吸い込みと吐出の各ポートが逆になる。
すなわち、液圧ポンプ１１のポートＸから圧液が差動液圧シリンダ５のロッド側の室５ａに供給され、それによってピストンロッド５ｃが負荷６と共に図１で左方に移動（後退）することにより、差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂから排出される流体が液圧ポンプ１１のポートＹに吸い込まれる。
【００３０】
その際、上述したように差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂとロッド側の室５ａとの受圧面積の割合が、液圧ポンプ１１のポートＹとポートＸがそれぞれ通過可能にする流量の割合と等しくなるように予め設定してあるので、ヘッド側の室５ｂから排出される流体の量と、液圧ポンプ１１のポートＹが差動液圧シリンダ５のヘッド側の室５ｂから排出されて吸い込む流体の量とが等しくなるので、差動液圧シリンダ５のピストンロッド５ｃが図１で左方にスムーズに移動する。
【００３１】
次に、前進又は後退時のように動いている負荷６を減速あるいは停止させる場合について説明する。
負荷６の前進中あるいは後退中に液圧機械１０の容量を、その負荷６の移動方向が逆側になる方向に増やしていくと、その液圧機械１０は加速時にはモータ作用をしていたものがポンプ作用をするようになる。
【００３２】
そして、液圧ポンプ１１が、差動液圧シリンダ５のロッド側の室５ａあるいはヘッド側の室５ｂから戻された流体によりモータ作用をすることによって回転軸３３（図２）が回転すると、その回転軸３３に連結されている液圧機械１０の回転軸１０ａも回転する。
【００３３】
そのため、液圧機械１０が、上述したようにポンプ作用をすることによって、蓄圧器８にエネルギを貯える。すなわち、負荷６の前進あるいは後退する運動エネルギあるいは位置エネルギを蓄圧器８に圧力エネルギとして貯えながら、負荷６の移動を減速あるいは停止させる。
このように、この液圧システムは、可変容量形の液圧機械１０の容量を変化させることにより、回転軸１０ａの部分に発生するトルクを制御するようにしたので、従来の液圧源装置を使用した液圧システムのような絞り制御によるエネルギの損失がない。
【００３４】
また、移動中の負荷６を減速あるいは停止させる際に、運動エネルギあるいは位置エネルギを蓄圧器８に圧力エネルギとして貯えて、次に負荷６を加速したり移動開始させたりする際に、その蓄圧器８に貯えた圧力エネルギを使用するので、省エネルギになる。
【００３５】
そして、その負荷６を加速する場合には、上述したように蓄圧器８に貯えた圧力エネルギを使用するので、液圧源装置７のモータ１２は定常的な損失部分を補うだけであり、急激にモータ１２に加わる負荷が変動するようなことがないので、そのモータ１２に瞬間的に大きな電流が流れたり、電源電圧が変動してノイズが生じて他の制御機器に誤動作等の悪影響を与えたりする恐れがない。したがって、動力用の電源と制御機器用の電源とを共通にすることもできる。
また、比較的小型で構成も簡単であるため安価に製作することができる。さらに、差動液圧シリンダ５等の外部機器を安定して効率的に駆動することができる。
【００３６】
図４はこの発明による液圧源装置を使用した液圧システムの他の実施の形態を示す図１と同様な油圧回路図であり、図１と対応する部分には同一の符号を付してある。また、図５は図４の油圧回路に使用されている可変容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプを示す縦断面図であり、図２と対応する部分には同一の符号を付してある。
図４の液圧源装置７を使用した液圧システムは、図１で説明した液圧システムが固定容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプ１１を使用していたのに対し、可変容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプ５１を使用するようにした点のみが異なる。
【００３７】
この液圧ポンプ５１は、図２で説明した固定容量形アキシャルピストンポンプ１１に対して、図５に示すように斜板５５の傾斜角度を任意に変更することができるようにした点のみが異なる。
すなわち、ケーシング３１の上部に、制御シリンダ５７をバルブプレート５２に固設された制御シリンダガイド５３に摺動自在に挿着し、制御シリンダ５１の左端面を斜板５５の上端部に圧接させている。
また、ケーシング３１の下部には、バイアスシリンダ５４をばね５６の付勢力により斜板５５に圧接するように設け、このバイアスシリンダ５４と制御シリンダ５１とによって斜板５５の傾きを制御するようにしている。
【００３８】
この液圧ポンプ５１にも、ピストン３４の前進と後退に対応させて流体の吐出と吸い込みを分割する弁板２５が取り付けられている。したがって、回転軸３３の回転速度を制御することによってシリンダロッド（図１の５ｃを参照）が移動する速度を制御するとき、液圧ポンプ５１から吐出される流体の吐出流量により差動液圧シリンダ５を駆動し、その駆動された差動液圧シリンダ５の反対側から排出される流量と、その液圧ポンプ５１へ吸い込まれる流体の吸込流量との間に不平衡が生じない。
【００３９】
また、斜板５５の傾斜角度を変えることによってピストン３４のストロークを変化させてシリンダの速度を制御する場合も、弁板２５によって分割される流量比（ピストン３４のストローク比）はそのまま変わることはないので、同様に液圧ポンプ５１から吐出される流体の吐出流量により差動液圧シリンダ５を駆動し、その駆動された差動液圧シリンダ５の反対側から排出される流量と、その液圧ポンプ５１へ吸い込まれる流体の吸込流量との間に不平衡は生じない。
この液圧システムによれば、可変容量形の液圧ポンプ５１の構成が固定容量形の液圧ポンプ１１に比べて複雑になるが、その固定容量形の液圧ポンプ１１に比べて変速比をより大きくとれるという利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、回路中に絞りによる流量制御弁がないので、その流量制御弁の絞り作用によるエネルギの損失がなく、また移動中の負荷を減速させたり停止させたりした際に運動エネルギを蓄圧器に貯え、次に負荷を移動開始させたり、加速させたりする際にその貯えたエネルギを使用するので、省エネルギですむ。
さらに、その負荷を加速する場合には蓄圧器に貯えたエネルギを使用するため液圧源装置は定常的な損失部分を補うだけであり、そこには急激な負荷の変動が生じるようなことがないので、電源電圧が変動してノイズが生じたりするようなことがない。したがって、制御機器の誤動作を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による液圧源装置を使用した液圧システムの一実施形態例を示す油圧回路図である。
【図２】同じくその油圧回路に使用されている固定容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプを示す縦断面図である。
【図３】同じくその液圧ポンプに設けられている流体分割部材である弁板とその弁板に形成されている各ポートの差動液圧シリンダとの接続関係を示す概略図である。
【図４】この発明による液圧源装置を使用した液圧システムの他の実施の形態を示す図１と同様な油圧回路図である。
【図５】図４の油圧回路に使用されている可変容量形アキシャルピストンポンプである液圧ポンプを示す縦断面図である。
【図６】従来の液圧源装置を使用した液圧システムの例を示す油圧回路図である。
【符号の説明】
５：差動液圧シリンダ ５ａ：ロッド側の室
５ｂ：ヘッド側の室 ６：負荷
７：液圧源装置 ８：蓄圧器
９：チェック弁 １０：液圧機械
１０ａ，３３：回転軸 １１，５１：液圧ポンプ
２５：弁板（流体分割部材） ２６：タンク
３２：シリンダブロック
３２ａ：シリンダボア(ピストン摺動孔)
３５，５５：斜板

Claims (2)

1. 略一定の圧力を発生する液圧源装置と、該液圧源装置からチェック弁を介した流体を流入可能に接続された蓄圧器と、該蓄圧器に接続された可変容量形の液圧機械と、該液圧機械の回転軸により回転駆動される液圧ポンプと、該液圧ポンプから供給される流体により駆動されて負荷を移動する差動液圧シリンダとからなり、
   前記液圧ポンプが、複数のピストンと、その複数のピストンをそれぞれ摺動可能に嵌入させる複数のピストン摺動孔を有するシリンダブロックと、該シリンダブロックと共に回転した際に前記各ピストンを往復運動させるように変位させるカム機構と、前記各ピストンが往復運動した際に流体の吸い込み工程と吐出工程を分ける各ポートがそれぞれ形成された流体分割部材とを備えており、
   前記流体分割部材の前記吸い込み工程と吐出工程を分ける各ポートのいずれか一方のポートを前記ピストンの前記回転軸を中心とする回転方向に沿って間隔を置いて２つに分割し、その分割したポートの一方を前記差動液圧シリンダのロッド側の室に連通すると共にその分割した残りのポートをタンクに連通し、
   ２つに分割しない側の前記ポートを前記差動液圧シリンダのヘッド側の室に連通するようにしたことを特徴とする液圧源装置を使用した液圧システム。
2. 前記カム機構は、前記ピストンの往復運動のストロークを任意に可変可能にする手段を有していることを特徴とする請求項１記載の液圧源装置を使用した液圧システム。

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