JP4494535B2 - 可変容量形ポンプを制御する装置および方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、可変容量形ポンプの容量を制御する方法および装置に関し、特に、土木機械の作業サイクルに応じて可変容量形ポンプの容量を制御する方法および装置に関する。
背景技術
従来、ホイールローダ等の土木機械は、その作業具を作動させる油圧シリンダへの作動油の流量を制御するために定容量形ポンプを採用している。掘削サイクルなど、作業サイクルによりは、定容量形ポンプは、シリンダが利用し切れない流量を供給することがある。そのために、シリンダが、それ以上必要としない作動油はスプールバイパス弁または逃がし弁を介してタンクへ戻される。残念ながら、タンクへ戻された作動油は有効な仕事に利用できない。
本発明の目的は、１またはそれ以上の上記問題を克服することにある。
発明の開示
本発明の１つの特徴によれば、所要流量の作動油を供給するために、可変容量形ポンプの容量を制御する方法を開示する。この方法は、土木機械が掘削サイクルで動作しているかどうか、すなわち土木機械が掘削を行なっているかどうかを判定する段階と、最大ポンプ容量以下の所要容量を求める段階と、ポンプ容量を前記所要ポンプ容量に制御することにより所要の作動油流量を流動させる段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
添付の図面に沿って本発明の詳細を以下に説明する。
図１は土木機械の油圧装置を示すブロック図である。
図２は土木機械の前部を示す側面図である。
図３は油圧装置における可変容量形ポンプの容量を調整する制御装置の一実施形態を示すブロック図である。
図４は油圧装置における可変容量形ポンプの容量を調整する制御装置の他の実施形態を示すプロック図である。
図５は油圧装置における可変容量形ポンプの容量を調整する制御装置の更に他の実施形態を示すブロック図である。
発明の好ましい実施態様
添付の図面、特に図１に例えばホイールローダのような土木機械の油圧装置１０を示す。この油圧装置は、例えば可変容量形ポンプ１２のような加圧流体供給源、第１と第２の回路１４、１６、タンク１７、電子制御装置１８、リフトレバー２０および傾動レバー２２を含む。
油圧ポンプ１２は、最小容量位置から最大容量位置へ向けて動作し、容量制御装置２４により制御される。ポンプ容量制御装置２４は、電子制御装置１８からの容量指令信号を受信して、これに応答する。
第１の回路１４は、供給導管２８と第１のオープンセンタ制御弁３０とを介して油圧ポンプ１２から作動油を供給されるリフトシリンダ２６を含む。リフトシリンダ２６は、導管３２、３４を介して第１のオープンセンター制御弁３０に接続されている。第１のオープンセンタ制御弁３０は、電子制御装置１８からの流量指令信号を受信し、これに応答して、バネにより付勢された中立位置から第１と第２の作動位置へ移動可能な電気制御比例弁である。
第１のオープンセンタ制御弁３０が中立位置にあるとき、油圧ポンプ１２からリフトシリンダ２６への作動油の流入が遮断され、供給導管２８を介して第２の回路１６へ流入自在となる。第１と第２の作動位置では、油圧ポンプ１２からの作動油が、適切な導管３２、３４を介してリフトシリンダ２６に連通し、制御弁３０を通じての下流の第２の回路１６への流入が遮断される。制御弁３０が、中立位置と第１と第２の作動位置のいずれか一方との間で動作している間は、油圧ポンプ１２からの作動油の一部が下流の第２の回路１６へ流入する。
第２の回路１６は、供給導管２８および第２のオープンセンタ制御弁３８を介して第１の回路１４から作動油を供給される傾動シリンダ３６を含む。傾動シリンダ３６は、導管４０、４２を介して第２のオープンセンタ制御弁３８と連通する。第２のオープンセンタ制御弁３８も、電子制御装置１８からの流量指令信号に応答してバネにより付勢された中立位置から第１と第２の作動位置へ移動自在な電気制御比例弁である。
第２のオープンセンタ制御弁３８が中立位置にあるとき、供給導管２８から傾動シリンダ３６へのの作動油の流入が遮断され、タンク１７への流入が絞り装置４４により制御自在に制限される。第１と第２の作動位置にある間、第１の回路１４から供給導管２８を通過する作動油の流れが適切な導管４０、４２を介して傾動シリンダ３６と連通し、第２の制御弁３８を介してタンク１７に流入する前記制限された流が遮断される。第２の制御弁３８が、第１と第２の作動位置のいずれか一方で動作するとき、その初期段階では、制限された流量の作動油が絞り装置４４を介してタンク１７へ流入できる。初期段階を過ぎると、前記絞り装置を通過する作動油が遮断される。
電子制御装置１８は、リフトレバー２０および傾動レバー２２からリフト制御信号と傾動制御信号とを受信する。電子制御装置１８は上記信号を処理し、ポンプ容量制御装置２４および該当する制御弁３０、３８に指令信号を送出する。流量指令信号を受信すると、これに応答して油圧ポンプ１２の容量がリフトレバー２０および傾動レバー２２が要求する入力を満たすのに必要な流量を提供できる位置まで移動する。同様に、流量指令信号を受信した第１と第２のオープンセンタ制御弁３０、３８は、リフトレバー２０および傾動レバー２２からの制御信号の要求に従って、連携のアクチュエーター２６／３６に必要流量を供給できる位置へ移動する。
電子制御装置は、機械エンジン６０と、トランスミッション６２とを含む駆動系（図示せず）に関する幾つかの信号を自動的に受信する。エンジン速度センサ５０は、エンジン６０のフライホイールの回転に応答するエンジン速度信号を生成する。トランスミッション６２の動作を選択的に制御するため、トランスミッション制御レバー５２が組み込まれている。このトランスミッション制御レバー５２は、所要のギヤ比および／または土木機械の方向を示すトランスミッション制御信号を電子制御装置１８に送出する。走行速度センサ５３はトランスミッション出力速度に応答する機械走行速度信号を生成する。
電子制御装置１８は、リフトシリンダ２６と傾動シリンダ３６の位置を示す位置センサ５４からの位置信号を受信することができる。例えば、位置センサ５４はリフトおよび傾動油圧シリンダにおけるシリンダ伸張量を感知する変位センサを含むことができる。このような位置信号は、図２に示す土木機械の作業具１０７の位置を示す。作業具１０７の位置は連接部の角度を測定することにより求めるてもよい。すなわち、位置信号を生成する装置として、回転ポテンシオメータのような回転角度センサなども含まれ、例えば、リフトアーム回動ピンの１つの回転を測定し、この測定結果からリフトアーム集成体の幾何的形態またはリフトシリンダの伸張量を求めることができる。作業具の位置は油圧シリンダの伸張量を測定することにより、或は、三角法により連接部の角度の測定値から算出することができる。
図２に、土木機械１００、特に作業具１０７を有するホイールローダの前部１０５を示す。但し、図示のホイールローダは土木機械の一例に過ぎない。作業具１０７は、２基の油圧リフトシリンダ２６（１基のみ図示されている）により、機械フレームに取り付けられた１対のリフトアーム回動ピン１２５（一方のみ図示されている）を中心に回動するリフトアーム集成体またはリンク機構１１５に連結されたバケット１１０を含む。リフトアーム集成体およびリフトシリンダには、１対のリフトアーム荷重支持回動ピン１３０（一方のみ図示されている）が取り付けられている。バケットは、また、１対のバケット回動ピン１３５（一方のみ図示されている）を中心に、バケット傾動シリンダ３６により傾動させられたり、引き寄せられたりする。
本発明は、マイクロプロセッサに基づくシステムとして実施され、該システムはコンピュータを利用することによりソフトウェアプログラムに従って動作プロセスを制御する。多くの場合、プログラムは、読み取り専用メモリーやランダムアクセスメモリーなどに記憶させてある。添付の各ブロック図に沿って以下にプログラムを説明する。
先ず、図３に示す実施形態を参照して説明する。本発明はポンプの容量を所定量を以て低減することにより、掘削サイクル中の油圧装置１０の余剰流量を低減する。そのため、以下の３つの状態に応答して、土木機械が掘削サイクルで動作していることを電子制御装置１８が検知する。
１）操作者が、トランスミッションの第１の前進ギヤ比を表わす第１ギヤ前進シフト位置を選択したこと。
２）作業具が掘削位置にあること。
３）土木機械の走行速度が所定値以下であること。
作業具が掘削位置にあるか否かを判断する１つの方法として、リフトシリンダの位置を測定することにより、リフトリンク機構が水平基準線に等しいか、或は、それ以下の高さにあるかを確かめるという方法がある。このような水平基準線は、例えば、図２に仮想線で示すように、リフト回動ピン１２５およびバケット回動ピン１３５により定義することができる。
土木機械が掘削サイクルで動作しているかどうかを決定するのが図３のブロック３０５である。土木機械が掘削を行なっていることを検知すると、電子制御装置１８は以下の式に従って、図３のブロック３１０に示すように適正なポンプ容量を決定する。
DISP_DESIRED＝α×DISP_MAX
ここで、
DISP_MAXはポンプ１２の最大容量、
αは好ましくは０．５から１．０に相当するポンプ容量に対する乗数、
DISP_DESIREDはポンプ１２の所要容量である。
所要ポンプ容量を決定すると、電子制御装置は次に、図３のブロック３１５に示すように、レバーのオーバーライド状態が存在するかどうかを判定する。本発明においては、リフト制御信号および傾動制御信号で表わされるリフトレバーと傾動レバーの合計角度が所定値を超えるか、或は、リフトレバーと傾動レバーのいずれか一方の角度が所定値を超えると、レバーのオーバーライド状態が発生する。レバーのオーバーライド状態発生に呼応して、前記所要ポンプ容量が最大容量以下にデフォルト設定される。
所要のポンプ容量を決定した電子制御装置１８は、容量制御装置２４に対するポンプ容量指令信号を生成し、該指令信号は可変容量形ポンプ１２のポンプ容量を制御することにより所要の流体流量を発生させる。
次に、本発明の他の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と共通する要素には第１の実施形態と同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
本発明の他の実施形態を図４に示す。図４の実施形態は、ポンプ容量の上限を決定するために操作ダイヤル４０５を利用する。操作者は、操作ダイヤル４０５を利用して土木機械が処理すべき土壌の状態を特定することによりポンプ容量の上限を決定することができる。例えば、操作ダイヤル４０５が低（Easy Material）、中（Moderate Material）および高（Hard Material）の標識が施された３位置式回転スイッチを有し、ダイヤルのそれぞれの設定位置が特定のポンプ容量乗数αに対応する。操作者が操作ダイヤル４０５を設定すると、電子制御装置１８が、これに応答して対応のポンプ容量乗数αを決定する。例えば、図示する実施形態の場合、制御装置１８はルックアップ表から、「低」に対しては０．８５、「中」に対しては０．７５、「高」に対しては０．０６のポンプ容量乗数αを選択する。ポンプ容量乗数αが決定されると、制御装置１８は第１の実施形態の場合と同様に所要のポンプ容量を決定する。
図５に示す本発明の更に他の実施形態を説明する。ブロック５０５に示すように、電子制御装置１８は、例えば、傾動シリンダ２６とリフトシリンダ３６の位置を表わす位置信号を微分することにより個々のシリンダの速度を測定する。測定された傾動シリンダとリフトシリンダの速度は各々のシリンダの作動油利用量を表わす。傾動シリンダとリフトシリンダの速度が測定されると、制御装置１８は、ブロック５１０にて示すように、必要なポンプ容量を算出する。必要なポンプ容量は以下の式により算出される。
FLOW=VEL_CYLINDER×AREA_CYLINDER
DISP_REQUIRED=FLOW/SPEED_PUMP
α=DISP_REQUIRED/DISP_MAX
DISP_DESIRED=α×DISP_MAX
ここで、
VEL_CYLINDERは位置信号を微分することにより求められ、
AREA_CYLINDERは一定であり、
SPEED_PUMPはエンジンの速度から得られ、
DISP_REQUIREDはポンプ１２の必要容量であり、
DISP_MAXはポンプ１２の最大容量であり、
αはポンプ容量乗数を表わし、
DISP_DESIREDはポンプ１２の所要容量である。
所要のポンプ容量が決定されたら、電子制御装置１８はポンプ制御装置２４に対するポンプ容量指令信号を生成し、この指令信号は可変容量形ポンプ１２のポンプ容量を制御して所要の油圧を発生させる。
図示の実施形態に関して本発明の詳細を以上に説明したが、当業者には明白なように、本発明の思想および範囲を逸脱することなく、更に多様な実施態様が可能である。
産業上の利用可能性
本発明は所要のポンプ容量を自動的に決定する方法を提供し、これにより油圧ポンプが送り出す作動油の流量の大部分が作業に有効に利用可能になる。本発明は、既に述べたように、土木機械の作業具が掘削中であればこれを検知し、これに呼応して、可変容量形ポンプの容量を低減することにより、作動油流量の大部分が油圧シリンダに供給され作業に活用されるように、所要流量を設定する方法と装置を提供する。これにより、作動油の余剰分をタンクへ直接戻すことによる作動油の浪費が回避される。
本発明のその他の特徴、目的および利点は図面、開示内容および以下に記載する請求の範囲に照らして明らかになるであろう。

Claims (8)

1. エンジンとトランスミッション（６２）とを備えた土木機械（１００）の作業具（１０７）を作動させるための油圧シリンダ（２６、３６）に所要流量の作動油が供給されるように可変容量形ポンプ（１２）の容量を制御する方法において、
   土木機械（１００）が掘削を行なっていることを検知する段階であって、トランスミッション（６２）が第１前進ギヤ比に設定されていることを確認する段階と、作業具（１０７）が掘削位置にあることを確認する段階と、土木機械（１００）の走行速度が所定の速度以下であることを確認する段階と、を含む段階と、
   土木機械が掘削を行なっていることが検知されたときに、ポンプ（１２）の最大容量よりも小さい所要のポンプ容量を決定する段階と、
   所要流量の作動油が供給されるようにポンプの容量を前記所要のポンプ容量に制御する段階とを含んで成ることを特徴とする制御方法。
2. 所要のポンプ容量を以下の式に従って求めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
   DISP_DESIRED＝α×DISP_MAX
   ここで、
   DISP_MAXはポンプ（１２）の最大容量であり、
   αはポンプ容量乗数であり、
   DISP_DESIREDはポンプ（１２）の所要の容量である。
3. 土木機械（１００）が、該土木機械（１００）により処理すべき土壌の状態を特定することにより所要のポンプ容量を選択するための操作ダイヤル（４０５）を含み、前記所要のポンプ容量を決定する段階が操作ダイヤルの設定値に応じて所要のポンプ容量を決定する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記所要のポンプ容量を決定する段階が、
   油圧シリンダ（２６、３６）の速度を測定する段階と、
   エンジン（６０）の速度を測定する段階と、
   シリンダ速度およびエンジン速度とに応じて所要のポンプ容量を求める段階を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. エンジンとトランスミッション（６２）とを備えた土木機械（１００）の作業具（１０７）を作動させるための油圧シリンダ（２６、３６）に所要流量の作動油が供給されるように可変容量形ポンプ（１２）の容量を制御する装置において、
   トランスミッション（６２）が第１前進ギヤ比に設定され、作業具（１０７）が掘削位置にあり、かつ土木機械（１００）の走行速度が所定の速度以下である場合に土木機械（１００）が掘削を行なっていると検知する手段（１８）と、
   土木機械が掘削を行なっていることが検知されたときに、最大ポンプ容量よりも小さい所要のポンプ容量を求める手段（１８）と、
   所要流量の作動油を流動させるため、ポンプ容量を前記所要のポンプ容量に制御する手段（２４）とを具備することを特徴とする制御装置。
6. 前記所要のポンプ容量を求める手段（１８）が土木機械（１００）により処理すべき土壌の状態を特定することにより所要のポンプ容量を選択するための操作ダイヤル（４０５）を含み、操作ダイヤル（４０５）の設定値に応じて所要のポンプ容量を決定することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記所要のポンプ容量を求める手段（１８）が、シリンダ（２６、３６）の位置を表わす位置信号を出力する位置センサ（５４）と、
   前記位置信号を受信し、該位置信号を微分し、シリンダ（２６、３６）の移動速度を表わす速度信号を出力する手段と、
   エンジン速度を表わすエンジン速度信号を出力するエンジン速度センサ（５０）とを具備することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記所要のポンプ容量を求める手段（１８）が更に、前記シリンダ速度信号およびエンジン速度信号に応答して所要のポンプ容量を決定する手段（１８）を含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。

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