JP4653091B2 - 少なくとも２つの流体圧コンシューマに圧力手段を供給するための制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に係る少なくとも２つの流体圧コンシューマに圧力媒体を供給するための制御装置および請求項６の前文に係るコンシューマを制御するための方法に関する。

複数のコンシューマを作動させるために、可変容量を有するポンプ（可変容量形ポンプ）を介してコンシューマに圧力媒体を供給する流体圧装置が使用される。可変容量形ポンプと各コンシューマとの間には、絞りオリフィスと圧力補償弁が設けられる場合が多く、圧力補償弁は絞りオリフィスの上流または下流に設けられる。流量制御弁原理（ｆｌｏｗ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に従って動作する負荷検出（ＬＳ）装置と、圧力補償弁が常に絞りオリフィスの下流に設けられる分流弁原理（ｆｌｏｗ ｄｉｖｉｄｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）に従って動作する装置とは区別される。分流弁装置は負荷独立流量分配（ＬＵＤＶ）装置とも呼ばれ、ＬＳ装置の下位群を構成する。ＬＳ装置では、供給圧力が最大負荷圧力よりも所定の圧力差だけ高くなるように、可変容量形ポンプは作動流体圧コンシューマの最大負荷圧力に応じて調整される。

ＬＵＤＶ装置では、下流に設けられる圧力補償弁には、絞りオリフィスの下流の圧力が開方向に印加され、通常は全ての作動コンシューマの最大負荷圧力に対応する制御圧力が閉方向に印加される。複数の流体圧コンシューマを同時に作動させる場合には、限度まで調節した流体圧ポンプから供給される圧力媒体量が要求される総圧力媒体量よりも少なくなる程度に絞りオリフィスを開き、各流体圧コンシューマに流れる圧力媒体の量が流体圧コンシューマの負荷圧力とは独立して比例減量される（負荷独立流量分配）。

流量制御弁原理に従って動作する装置では、絞りオリフィスの上流または下流に配置される圧力補償弁には、絞りオリフィスの上流の圧力が閉方向に印加され、各流体圧コンシューマの負荷圧力が開方向に印加される。従って、負荷独立流量分配は得られない。可変容量形ポンプから十分な量の圧力媒体が供給されない状態で複数の流体圧コンシューマを同時に作動させる場合には、最大負荷圧力を有する流体圧コンシューマに流れる圧力媒体の量のみを減少させる。

このような制御装置は例えば欧州特許第０ ９７２ １３８ Ｂ１号に開示されており、圧力補償弁は絞りオリフィスの上流に配置されている。また、ドイツ特許出願公開第１００ ２７ ３８２ Ａ１号は、圧力補償弁が絞りオリフィスの下流に配置されたＬＳ制御装置を開示している。

上述したＬＳ／ＬＵＤＶ装置では、可変容量形ポンプはＬＳラインを介して取り出される最大負荷圧力に応じて駆動され、ポンプラインにはポンプ制御弁の制御ばねの力に相当する圧力差だけ最大負荷圧力よりも高い圧力が生じる。定期刊行物「Ｏ＋Ｐ（Ｏｅｌｈｙｄｒａｕｌｉｋ ｕｎｄ Ｐｎｅｕｍａｔｉｋ）」（第３８巻（１９９４年）、第８号、４７３頁参照）には、ポンプ設定の調節が電子的に行われる電子式流体圧ＬＳ装置が記載されている。コンシューマに作用する圧力、ポンプ圧力、駆動速度、可変容量形ポンプの駆動トルクはセンサーによって検出され、例えばジョイスティックを使用して予め決められた目標値に応じて作動信号がコンシューマの上流に配置されたポンプ調整弁と比例弁に出力される。この従来の電子流体圧装置では、絞りオリフィスに関連付けられた各圧力補償弁の機能は電子的に実現されている。

この解決手段でも、ポンプ圧力は所定の圧力差だけ最大負荷圧力を超えるように調節されており、このような作動では装置の損失が発生することになる。

欧州特許第０ ２７５ ９６９ Ｂ１号は、各圧力補償弁が絞りオリフィスの上流に配置された電子流体圧ＬＳ制御装置を開示している。この方法では、例えばジョイスティック等の作動装置を介して絞りオリフィスに対して設定された目標値が検出され、検出値から全流量を決定する。次に、可変容量形ポンプが駆動され、わずかに不足する量の供給が行われ、最大負荷圧力を有するコンシューマの絞りオリフィスが開き、それによって上述したポンプ圧力と最大負荷圧力との圧力差を減少させる。しかし、不十分な供給によってコンシューマの作動速度が低下してしまう。

ドイツ特許第３５ ４６ ３３６ Ｃ２号とドイツ特許第３６ ４４ ７３６ Ａ１号は電子流体圧ＬＳ装置を開示しており、絞りオリフィスを構成する方向制御弁の偏位あるいは目標値入力手段（ジョイスティック）の設定から全流量が決定され、累計流量がポンプの最大容量と比較される。より大きな容量が要求される場合には、各流れが比例して減少するように全ての作動方向制御弁のストロークを電子的に減少させ、作動コンシューマを低い作動速度で保持する。

これらの解決手段においても、最大負荷がかかるコンシューマの絞りオリフィスでポンプ圧力と各負荷圧力の差に対応する圧力損失が生じる。

本発明は、エネルギー損失を抑制しながら複数のコンシューマを所定の速度で作動させることができるように、少なくとも２つの流体圧コンシューマに圧力媒体を供給するための制御装置と方法を提供する目的に基づくものである。

この目的は、制御装置については請求項１の特徴によって達成され、方法については請求項６の特徴によって達成される。

本発明によれば、コンシューマの負荷圧力が適当なセンサーによって検出され、センサーの信号から最大負荷圧力を有するコンシューマが特定される。最大負荷圧力を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスは予め設定された目標値による設定によって完全に開制御され、最大負荷圧力を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスでの圧力損失が最小となる。目標値によって予め設定された絞りオリフィスを通過する圧力媒体の流量とポンプ容量が十分に正確に整合している場合、最大負荷圧力を有するコンシューマの絞りオリフィスでは最小の圧力損失のみが生じる。圧力補償弁がこの絞りオリフィスに関連付けられている場合には、圧力補償弁も完全に開かれ、ポンプによって供給される圧力媒体の流量が多少過大であっても、完全に開いた絞りオリフィスでは、後者に関連付けられた制御ばねの力に抗して圧力補償弁を閉方向に調節することができる圧力損失を発生させることはない。

本発明の制御装置または本発明の方法は、圧力補償弁が絞りオリフィスの上流または下流に設けられた制御装置において採用することができる。

本発明に係る制御装置が装置圧力（絞りオリフィスの上流の圧力）を検出するための別のセンサーを備えている場合、各絞りオリフィスでの圧力差は圧力センサーによって検出された信号を使用して求めることができる。次に、絞りオリフィスは、所望の圧力媒体の流量がコンシューマに流れるように制御装置の電子装置によって調節される。すなわち、このような変形では圧力補償弁の機能は電子的に実現されるが、前述の文献（Ｏ＋Ｐ）とは対照的に、最大負荷圧力を有するコンシューマの絞りオリフィスは常に完全に開かれ、エネルギー損失は従来の解決手段と比較して減少する。

圧力補償弁の機能がソフトウェアによって実現される上述した解決手段の代替手段では、制御装置は、絞りオリフィスの上流の圧力が閉方向に印加され、絞りオリフィスの下流の圧力が開方向に印加される、絞りオリフィスの上流または下流に配置された圧力補償弁を備えることができる。

圧力補償弁が絞りオリフィスの下流に配置される変形では、ＬＵＤＶ方向制御弁と類似した構造となる。そのため、本発明に係る制御装置およびＬＵＤＶ制御装置に同一もしくは少なくとも類似した半製品を提供することができ、製造コストを削減することができる。

引っ張り負荷が発生する場合には、本発明で使用されるセンサーによって負荷圧力を検出して可変容量形ポンプの吐出量を減少させることができ、圧力媒体はアンチキャビテーション弁を介してコンシューマの低圧側に供給することができる。

本発明に係る方法では、圧力媒体の供給量が不十分な場合には、低い負荷を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスの流れ断面積を比例的に減少させることができる。流れ断面積は、好ましくは所望の目標量に対する最大ポンプ容量の比で減少させる。

本発明の方法の実施形態では、同時に作動させたコンシューマの負荷圧力を比較し、これらの負荷圧力が圧力補償弁の制御Δｐ未満で異なる場合には、低い負荷を有するコンシューマの絞りオリフィスを目標値で決められたよりも大きく開き、圧力差を補償する。

本発明のさらなる利点はさらなる従属請求項の主題である。

以下、本発明の好ましい実施形態を概略図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す制御装置１は流量制御原理に従って動作するものであり、複数の流量制御器が並列に配置されている。制御装置１は可変容量形ポンプ２を有し、可変容量形ポンプ２によって２つ以上のコンシューマ４、６に圧力媒体が供給される。コンシューマの作動は、制御信号を電子制御手段１０に出力する例えば制御装置（ジョイスティック８等）を使用して行われる。これらの信号は、コンシューマを所定の速度で所定の移動経路に沿って移動させるコマンドを構成する。

可変容量形ポンプ２の出口は、２本の供給ライン１４、１６に分岐するポンプライン１２に接続されている。各供給ライン１４、１６には、電子的に比例調節することができ、制御手段１０によって駆動される比例電磁弁２２を介して調節することができる絞りオリフィス１８または２０が配置されている。

比例弁等で構成される絞りオリフィス１８、２０の下流には圧力補償弁２４または２６が設けられ、圧力補償弁には、制御ばねの力と絞りオリフィス１８、２０の下流の圧力が開方向に印加され、分岐制御ライン２８を介してポンプライン１２から取り出されるポンプまたは装置圧力が閉方向に印加される。

圧力補償弁２４、２６の出口は、供給ライン３０、３２を介してコンシューマ４、６に接続されている。この場合には、コンシューマ４、６は流体圧シリンダであり、シリンダ室が供給ライン３０、３２に接続されている。図１に示す流体圧回路図では、簡略化のために、シリンダ室をタンクＴに接続する戻りラインと供給ラインが省略されており、それらの流れ断面積は絞りオリフィス１８、２０を構成する比例弁を介して等しく開制御または閉制御される。

本発明では、コンシューマ４、６の負荷圧力を検出し、絞りオリフィス１８、２０の設定を負荷圧力に応じて変更する。図示する実施形態では、負荷圧力は供給ライン３０、３２に配置された圧力センサー３４、３６によって検出され、圧力センサーの信号は制御手段１０によって処理される。図１に示すように、圧力センサー３４、３６とジョイスティック８は信号線を介して制御手段１０に接続されており、制御信号は、電気的に作動されるポンプ制御弁と２つの比例調節可能な絞りオリフィス１８、２０に、信号線を介して所定の目標値と検出された負荷圧力に従って出力される。

可変回転角を有する可変容量形ポンプの代わりに、例えば可変速度駆動機構を有する定容量形ポンプを使用することもできる。

可変容量形ポンプ２は、好ましくは、ポンプ圧力を検出する圧力センサー、ポンプ速度を検出する速度センサー、ポンプの回転角度を検出する回転角度センサーを備える。制御手段の内部には、可変容量形ポンプ２と比例調節可能な絞りオリフィス１８、２０の特性が記憶されており、上記センサーおよび特性の全てまたは一部を使用して、可変容量形ポンプ２による極めて正確な流量制御が可能である。本発明に係る制御装置の動作を以下に説明する。

２つのコンシューマ４、６を作動させるために、オペレータが１以上のジョイスティック８を使用して制御信号を発生させ、制御信号は制御手段１０に出力される。制御信号に対応してコンシューマ４、６を作動させるためには、可変容量形ポンプ２はジョイスティック８によって調節された目標流量の合計に対応する所定の圧力媒体流量を供給しなければならない。換言すれば、ジョイスティック８の調節に応じて、可変容量形ポンプ２を上述した累計流量が供給される回転角度に調節しなければならない。可変容量形ポンプ２の調節は、現在のポンプ圧力、現在のポンプ速度、調節回転角度をポンプ特性を使用して検出することによって目標値に応じて簡単に達成することができる。

本発明によれば、ポンプコントローラは最大負荷圧力に対応する圧力信号を受け取らず、可変容量形ポンプ２の作動は目標値のみに応じて行われる。そのため、負荷圧力をコンシューマの複雑なシャトル弁装置を介して取り出し、可変容量形ポンプ２への比較的長いラインを介して負荷圧力を伝達する必要がなくなる。

ジョイスティック８を使用して目標値を調節するため、可変容量形ポンプ２の容量損失の結果として発生する流量誤差を補償することができ、コンシューマ４、６が所望の速度で作動していない場合には、オペレータは直ちにジョイスティック８を使用して再調節することになる。そして、最大負荷圧力は最大負荷のかかるコンシューマに生じることになり、負荷が低いコンシューマとの圧力差は各圧力補償弁２４、２６での流量制御によって解消される。

本発明によれば、最大負荷圧力が存在する１つのコンシューマが圧力センサー３４、３６によって特定される。圧力センサー３４、３６によって検出された信号は制御手段１０内で比較され、最大負荷圧力を有するコンシューマ４、６に関連付けられた絞りオリフィス１８、２０の一方に制御信号が出力され、絞りオリフィス１８、２０の一方が完全に開かれる。これによって、絞りオリフィス１８、２０の一方では最小の圧力差が生じ、装置の損失は冒頭に説明した制御と比較して減少する。最大負荷圧力を有するコンシューマ４または６に関連付けられた圧力補償弁２４または２６も、関連付けられた絞りオリフィス１８または２２での圧力差が圧力補償弁を制御ばねの力に抗して閉方向に調節するほど十分ではないために完全に開かれる。

図１に示す実施形態では、流量調節装置は絞りオリフィス１８、２０の下流に配置された圧力補償弁２４、２６からなる。冒頭で説明したＬＵＤＶ装置では、圧力補償弁は常に絞りオリフィスの下流に配置しなければならないため、図１に示した装置とＬＵＤＶ装置には同一のハウジングまたは僅かに変更したハウジングを使用することができる。

図２に示すように、本発明に係る制御装置は、圧力補償弁２４、２６が絞りオリフィス１８、２０の上流に配置される制御装置によって実現することもできる。これらの圧力補償弁も、絞りオリフィス１８、２０の下流の圧力が開方向に印加され、絞りオリフィス１８、２０の上流の圧力、すなわち、可変容量形ポンプ２によって供給されるポンプ圧力が閉方向に印加される。図２に示す制御装置のその他の構造と機能は図１に示す実施形態に対応しており、さらなる説明は省略する。

図３は、圧力補償弁を絞りオリフィス１８、２０に関連付けていない変形を示している。この実施形態では、各圧力補償弁の機能は電子装置によって実質的に置き換えられている。そのためには、ポンプライン１２の圧力、すなわち、絞りオリフィス１８、２０の上流の圧力を圧力センサー３８によって検出しなければならない。圧力センサー３８によって検出された圧力と圧力センサー３４、３６によって検出された絞りオリフィス１８、２０の下流の圧力から絞りオリフィス１８、２０の圧力損失を計算することができる。絞りオリフィス１８、２０の圧力損失を計算した後、所望の流量がコンシューマ４、６に流れるように、絞りオリフィス１８、２０の流れ断面積が記憶された特性線を使用して制御手段１０によって調節される。可変容量形ポンプ２の調節は、上述したように、ジョイスティック８を使用して設定された目標値に応じて行われる。

上述した装置は、可変容量形ポンプが所望の累計流量に調節され、コンシューマに流れる圧力媒体の流れが弁オリフィスの適切な制御によって分割され、最大負荷圧力を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスが完全に開制御されるという点で、従来のＬＳ装置とは異なる。

このような制御装置は、例えば供給量が不十分な場合、すなわち、目標量が最大ポンプ容量よりも大きい場合に、負荷圧力の低いコンシューマの絞りオリフィスを通過する流量を比例的に減らすことが可能である。すなわち、本発明に係る制御装置によって、低い負荷圧力を有する絞りオリフィス１８、２０の開断面積を減少させてＬＵＤＶの機能を達成することが可能である。断面積は、例えば目標量に対する最大ポンプ容量の比で減少させる。本発明の制御装置が３つのコンシューマを作動させる場合を例にとって説明する。ジョイスティック８を使用して設定される３つのコンシューマの目標流量が４０リットル／分、６０リットル／分、２０リットル／分、すなわち、累計目標流量が１２０リットル／分で、最大負荷圧力のコンシューマに２０リットル／分の流量が供給されると仮定する。ポンプの最大容量が例えば１００リットル／分であるとすれば、供給量は不十分である。本発明によれば、このような不十分な供給量が、低い負荷を有する２つのコンシューマの目標値（４０リットル／分、６０リットル／分）を制御手段１０を介して累計流量に対する最大流量の比、すなわち、１００／１２０の比で減少させることによって補償される。言い換えると、第１のコンシューマに３３．３３リットル／分が供給され、第２のコンシューマには５０リットル／分（単位時間当たりの量）が供給される。最大負荷圧力のコンシューマの絞りオリフィスは本発明に従って完全に開かれ、この絞りオリフィスでの実際の流量は１６．６６リットル／分となり、ポンプの最大流量１００リットル／分が同一の比率で分割され、負荷独立流量分配（ＬＵＤＶ）が実現される。

引っ張り負荷が作用する場合（下り坂移動等）では、負荷が圧力センサー３４、３６を介して検出され、ポンプはそれに応じて減量制御される。次に、コンシューマ４、６の低圧側への圧力媒体の供給が高圧側からアンチキャビテーション弁を介して発生する。言い換えれば、従来の制御装置と比較して引っ張り負荷の場合の損失はさらに減少する。

特に、図１および図２を参照して説明した実施形態は、振動に対する感度が低いことによって特徴付けられる。

目標値は、電気式ジョイスティック８の代わりに、スプール・ストロークが測定できる比例弁の場合には、絞りオリフィス１８、２０の実際のスプール・ストローク値から決定することもできる。

本発明に係る装置は、言うまでもなく１つのコンシューマのみを作動させる場合にも有効である。この場合、コンシューマの絞りオリフィスは完全に開制御され、圧力媒体の流量は可変容量形ポンプ２によって制御される。

図４は、コンシューマ４、６の負荷圧力を圧力センサー等によって検出しない制御装置を示している。この装置は、２つの圧力補償弁２４、２６が比例調節可能な２つの絞りオリフィス１８、２０の下流に配置された流量調節装置である。換言すれば、２つのセンサー３４、３６が配置されないという点を除いて、図４に示す制御装置は図１に示す制御装置に対応する。図４に係る制御装置の場合も、可変容量形ポンプ２はジョイスティック８を使用して設定される目標値の関数として、所望の累計圧力媒体流量を供給するように調節される。累計圧力媒体流量の分割は、流量調節器（絞りオリフィス１８、２０；圧力補償弁２４、２６）により、絞りオリフィス１８、２０をジョイスティック８によって設定された目標値の関数として調節することによって実現される。圧力補償弁２２、２４により、絞りオリフィス１８、２０の出口の負荷圧力（コンシューマの最大実効負荷圧力にほぼ対応）は、各負荷圧力まで絞られる。上述した実施形態との違いは、高い負荷圧力を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスが所定の目標値の関数として設定される開断面のままであって、完全に開制御されないことである。

可変容量形ポンプを介して圧力媒体が供給される少なくとも２つの流体圧コンシューマに圧力媒体を供給するための制御装置と方法を開示する。各コンシューマと可変容量形ポンプとの間の圧力媒体流路には絞りオリフィスが設けられている。可変容量形ポンプと絞りオリフィスの調節は、オペレータによって入力された目標値に応じて制御手段を介して電子的に行われる。本発明によれば、最大負荷圧力を有するコンシューマに関連付けられた絞りオリフィスは完全に開制御され、絞りオリフィスでの圧力損失は最小となる。

圧力補償弁が絞りオリフィスの下流に配置された本発明に係る制御装置を示す。 圧力補償弁が上流に配置された図１の制御装置の変形を示す。 圧力補償弁の機能が電子的に実現される制御装置を示す。 圧力補償弁が絞りオリフィスの下流に配置された制御装置を示す。

符号の説明

１ 制御装置
２ 可変容量形ポンプ
４ コンシューマ
６ コンシューマ
８ ジョイスティック
１０ 制御手段
１２ ポンプライン
１４ 供給ライン
１６ 供給ライン
１８ 絞りオリフィス
２０ 絞りオリフィス
２２ 比例電磁弁
２４ 圧力補償弁
２６ 圧力補償弁
２８ 制御ライン
３０ 供給ライン
３２ 供給ライン
３４ 圧力センサー（負荷圧力）
３６ 圧力センサー（負荷圧力）
３８ 圧力センサー（ポンプ圧力）

Claims (7)

1. 少なくとも２つの流体圧型のコンシューマ（４、６）に圧力媒体を供給するための制御装置であって、
   可変容量を有する可変容量形ポンプ（２）と、
   それぞれが前記コンシューマ（４、６）の１つと関連付けられ、目標値設定手段（８）において制御手段（１０）を介して設定される目標値に応じて調節可能な少なくとも２つの絞りオリフィス（１８、２０）と、
   負荷圧力を検出するために前記絞りオリフィスの下流の圧力媒体流路に設けられたセンサー（３４、３６）と、
   前記目標値に応じて前記可変容量形ポンプ（２）に制御信号を出力するとともに、前記センサー（３４、３６）によって検出された信号に基づいて最大負荷圧力を有する前記コンシューマ（４、６）を検出するとともに、最大負荷圧力を有する前記コンシューマ（４、６）に関連付けられた前記絞りオリフィス（１８、２０）を完全に開制御するための前記制御手段（１０）と、
   各絞りオリフィス（１８、２０）の上流または下流に配置された圧力補償弁（２４、２６）と、
   を含み、
   前記圧力補償弁（２４、２６）には、前記絞りオリフィス（１８、２０）の上流の圧力が閉方向に印加され、前記絞りオリフィス（１８、２０）の下流の圧力が開方向に印加される制御装置。
2. 請求項１において、
   前記コンシューマ（４、６）の低圧側に圧力媒体を供給するためのアンチキャビテーション弁を含む制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記目標値設定手段が少なくとも１つのジョイスティック（８）である制御装置。
4. 請求項１に記載の制御装置を作動させるための方法であって、
   前記制御装置は、前記コンシューマ（４、６）の負荷圧力を検出し、最大負荷圧力を有する前記コンシューマ（４、６）に関連付けられた前記絞りオリフィス（１８、２０）を完全に開制御することを特徴とする方法。
5. 請求項４において、
   前記制御装置は、供給量が不足する場合に、低い負荷圧力を有する前記コンシューマ（４、６）に関連付けられた前記絞りオリフィス（１８、２０）の流れ断面積を、目標累計流量に対する最大ポンプ容量の比で減少させる方法。
6. 請求項４または請求項５において、
   前記制御装置は、センサー（３４、３６）によって検出される信号を評価することによって引っ張り負荷を認識し、それに応じて前記可変容量形ポンプ（２）を減量方向に調節する方法。
7. 請求項４〜６のいずれか１項において、
   前記制御装置は、複数のコンシューマ（４、６）を同時に作動させる場合に、前記複数のコンシューマ（４、６）の負荷圧力を比較し、負荷圧力差が前記圧力補償弁の制御Δｐ未満である場合に、低い負荷圧力を有する前記コンシューマ（４、６）に関連付けられた前記絞りオリフィス（１８、２０）を、前記負荷圧力差を補償する程度に開制御する方法。

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