JP4818915B2 - 少なくとも２つの液圧コンシューマを制御するための方法および配置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの液圧コンシューマ（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｓｕｍｅｒ）の圧力媒体供給のための請求項１のプリアンブルに基づく制御装置、および該コンシューマを制御するための請求項９のプリアンブルに基づく方法に関する。

いくつかのコンシューマを制御するために、可変容量型ポンプを介してコンシューマに圧力媒体を供給する液圧系は頻繁に使用される。

可変容量型ポンプとそれぞれのコンシューマの間には、メータインオリフィスおよび圧力補償器が配置され、この圧力補償器は、メータインオリフィスの上流（流量調整器の原理）または下流（分流器の原理）に配置することができる。

特許文献１から、分流器原理に従って動作する１つの液圧制御装置が知られており、この配置は、負荷センシング（ｌｏａｄ−ｓｅｎｓｉｎｇ：ＬＳ）原理を使用する。このようなＬＳ系では、作動させた液圧コンシューマの最大負荷圧力に依存して、供給圧力が最大負荷圧力よりもある特定の圧力差だけ高くなるように可変容量型ポンプが調整される。圧力媒体は、調整可能な２つのメータインオリフィスを介して２つの液圧コンシューマへと流れ、このうち、第１のメータインオリフィスは、可変容量型ポンプから出るポンプ管路と第１の液圧コンシューマの間に配置され、第２のメータインオリフィスは、ポンプ管路と第２の液圧コンシューマの間に配置されている。メータインオリフィスの下流に配置された圧力補償器（分流器原理）によって、十分な量の圧力媒体が供給された場合に、液圧コンシューマの負荷圧力とは独立に、メータインオリフィスの前後にある一定の圧力差が存在することが達成され、その結果、液圧コンシューマへと流れる圧力媒体の量がそれぞれのメータインオリフィスの開いている断面積だけに依存する。メータインオリフィスがさらに開かれた場合には、この特定の圧力差を生み出すために、圧力媒体のより大きな量がメータインオリフィスを横切って流れなければならない。次いで、必要な量の圧力媒体を送達するように可変容量型ポンプが調整される。したがってこれは要求に基づく流れ制御とも呼ばれる。

メータインオリフィスの下流に配置された圧力補償器は、開方向（ｏｐｅｎｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）にはそれぞれのメータインオリフィスの下流の圧力を受け、閉方向（ｃｌｏｓｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）には、後方の制御室内で優勢であり、通常は同じ液圧ポンプによって供給を受ける全ての液圧コンシューマの最大負荷圧力に対応する制御圧力を受ける。いくつかの液圧コンシューマの同時作動後に、限度まで調整された液圧ポンプから供給される圧力媒体の量が圧力媒体の全要求量よりも小さくなる程度にメータインオリフィスが開かれた場合、単一の液圧コンシューマへと流れる圧力媒体の量は、液圧コンシューマのそれぞれの負荷圧力とは独立に比例低減される。したがって、このケースは、負荷独立の流れ分布を有する制御（Ｌａｓｔｕｎａｂｈａｎｇｉｇｅ Ｄｕｒｃｈｆｌｕｓｓｖｅｒｔｅｉｌｕｎｇ：ＬＵＤＶ制御）（分流器原理）と呼ばれる。このようなＬＵＤＶ制御では、最大負荷圧力がさらにタップ（ｔａｐ）され、最大負荷圧力よりも特定の圧力差だけ高い供給圧力が圧力媒体源によって生み出されるので、ＬＵＤＶ制御は事実上、負荷センシング制御の特別なケースである。

閉方向にメータインオリフィスの上流の圧力を受け、開方向にそれぞれの液圧コンシューマおよび圧縮ばねの負荷圧力を受ける上流圧力補償器（流量調整器原理）を有し、メータインオリフィスを介して圧力媒体のそれぞれの流れが到達するいくつかの液圧コンシューマに関しては、負荷独立の流れ分布を得ることは不可能である。可変容量型ポンプから送達された十分な量の圧力媒体が供給されていない間にいくつかの液圧コンシューマを同時に作動させた場合、最大負荷圧力を有する液圧コンシューマへ流れる圧力媒体の量だけが低減される。

前述のＬＳ系では、可変容量型ポンプを、最大負荷圧力に依存して、ポンプ制御弁の制御ばねの力に等しい圧力差の分だけ最大負荷圧力よりも高い圧力がポンプ管路に現れるように作動させる（いわゆる可変容量型ポンプのΔｐ制御）。

初めに説明した特許文献１に比べて改良された解決方法が特許文献２に開示されているが、この系でも前述のΔｐ制御が使用されている。この制御の欠点は、ポンプによって供給される圧力を、最大負荷圧力よりも前述のそれぞれのΔＡｐの分だけ高くする必要性があり、この圧力差が２０から４０バールの範囲にあるために、かなりの系損失（ｓｙｓｔｅｍ ｌｏｓｓ）を招く可能性があることである。さらに、このΔｐ制御は、振動に対してある感受性を示し、コンシューマの連続作動を難しくすることも分かった。

欧州特許出願公開第０５６６４４９Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９９０４６１６Ａ１号明細書

対照的に、本発明は、少なくとも２つのコンシューマを制御するための液圧制御装置、ならびにこれらのコンシューマを制御するための方法を、エネルギー損失および振動に対する感受性が低減されるようにさらに改良する目的に基づく。

この目的は、制御装置に関しては請求項１の特徴によって、方法に関しては独立請求項９の特徴によって達成される。

本発明によれば、可変容量型ポンプ（可変容量を有するポンプ）およびそれぞれのコンシューマの上流に配置された調整可能なメータインオリフィスを比例作動、好ましくは電気的に比例作動させることができ、可変容量型ポンプを、予め決められたメータインオリフィスの目標値に依存して作動させる。言い換えると、初めに説明したＬＳ系とは対照的に、可変容量型ポンプは、最大負荷圧力に対応する圧力信号に依存してではなく、オペレータによって前もって決められる目標値に依存して、コンシューマを例えば特定の速度で運動させるように調整される。次いでこれらの目標値に依存して、可変容量型ポンプが全てのコンシューマに予め設定された目標流量を供給できるようにする可変容量型ポンプの調整が実行される。すなわち、可変容量型ポンプは、可変容量型ポンプがこの必要な累積コンシューマ流れを正確に送達するスイベル角に調整されなければならない。

このような系は基本的に、流量したがってコンシューマの速度が小さすぎるときにオペレータが手動で再調整を実行し、したがって流量誤差を補償するため、ポンプの体積損失による流量誤差が重要でない流量制御を構成する。可変容量型ポンプは、最大負荷圧力から独立した流量制御によって作動するので、この系は、知られているＬＳ制御装置よりも実質的に低い振動に対する感受性を有する。

本発明の制御装置および本発明の方法の他の利点は、コンシューマの単独動作において、微細制御範囲外でメータインオリフィスを完全に開くことができ、コンシューマへの流量が可変容量型ポンプの作動によって決定され、次いでメータインオリフィスのスロットリング損失が最小となることである。いくつかのコンシューマの動作では、最も高い圧力媒体体積流れを受け取る１つのコンシューマ、すなわち最も高い目標値にセットされる１つのコンシューマのメータインオリフィスが完全に開かれ、圧力媒体流量の比に従って残りのメータインオリフィスの断面積が追従し、その結果、系損失が従来の解決方法に比べて最小化される本発明の有利な改良に基づいて、スロットリング損失を低減させることができる。しかしこのケースはあまり頻繁には起こらない。コンシューマは一般に最大速度で運転されるからである。

可変容量型ポンプおよびメータインオリフィスの作動は、中央制御手段、好ましくは可変容量型ポンプおよびメータインオリフィスの特性が記憶されたデータ記憶を含む中央制御手段によって実行される。

記憶された特性の助けを借りて目標流量を単純な方法で調整することができるように、可変容量型ポンプは、ポンプの現在の回転速度を検出することができる回転速度センサを備えることが好ましい。

本発明に基づく制御装置は、牽引負荷（ｐｕｌｌｉｎｇ ｌｏａｄ）の場合にそれを通してコンシューマの低圧側に圧力媒体を補給することができるキャビテーション防止弁とともに実施されることが好ましい。この場合、本発明の解決方法によれば、ポンプの流量が低減され、その結果、系損失が従来の解決方法に比べてさらに低減される。

目標値の取得は、ジョイスティックの調整を評価することによって、またはメータインオリフィスの制御ピストンの位置を検出することによって実行されることが好ましい。

本発明の他の有利な改良が他の従属請求項の主題である。

以下では本発明の好ましい一実施例が回路図を参照することによって説明される。

本発明に基づく制御装置は、２つ以上のコンシューマ４、６に圧力媒体を供給することができる可変容量型ポンプ２を含む。コンシューマ４、６の作動は、それによって制御信号が制御手段１０へ出力される制御装置、例えばジョイスティック８の助けによって実施される。これらの信号は事実上、特定の速度でコンシューマを変位させる指令を構成する。

可変容量型ポンプ２の放出口は、２つの供給管路１４、１６に分岐したポンプ管路１２に接続されている。それぞれの供給管路１４、１６には、電気的に比例調整可能なそれぞれのメータインオリフィス１８または２０が配置されており、その下流には、それぞれの圧力補償器２２または２４が配置されている。２つの圧力補償器２２、２４の放出口は流れ管路２６、２８を介してそれぞれのコンシューマに接続されている。この例では、コンシューマ４、６が液圧シリンダであり、シリンダのシリンダ室が流れ管路２６または２８に接続されている。実際にはメータインオリフィス１８、２０は、電気的にまたは液圧によって比例調整可能な方向制御弁として具体化される。この液圧回路図では、分かりやすくするために、言及したシリンダ室３０、３２をタンクＴに接続する戻り管路およびドレン管路が省略されている。これらの戻り管路およびドレン管路の流れ断面積も、メータインオリフィス１８、２０を構成するそれぞれの比例弁（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｖａｌｖｅ）によって開閉されることが好ましい。

圧力補償器２２、２４は、開方向にそれぞれのメータインオリフィス１８、２０の下流の圧力を受け、閉方向には２つのコンシューマ４、６の最大負荷圧力に対応する圧力を受ける。この最大負荷圧力は、ＬＳ管路３４およびシャトル弁３６を介して、最大負荷圧力が優勢である１本の流れ管路２６、２８からタップされる。

２つのメータインオリフィス１８、２０の作動は、制御手段１０によって、ジョイスティック８でセットされた制御信号（目標値）の関数として実施される。

初めに述べたとおり、このような系では、２つのメータインオリフィス１８、２０の下流の圧力が同じであり、コンシューマ４、６への流量の大きさの比が、２つのメータインオリフィス１８、２０の開いた断面積の比に一致する。下流の圧力補償器２２、２４によって、メータインオリフィス１８、２０の下流で優勢な圧力が、それぞれの優勢な負荷圧力に抑えられる。

図示の実施例では、可変容量型ポンプ２が、ポンプ圧力を検出するための圧力センサ、ポンプ速度を検出するための回転速度センサ、およびポンプのスイベル角を検出するためのスイベル角度センサとともに製作される。さらに、制御手段のデータ記憶部には、可変容量型ポンプ２および比例調整可能な２つのメータインオリフィス１８、２０の特性が記憶されており、そのため、前述の各センサおよび特性の全部または一部の助けによって、可変容量型ポンプ２による極めて正確な流量制御が可能である。本発明に基づく制御装置の動作は以下のとおりである。

２つのコンシューマ４、６を作動させるために、１つまたは複数のジョイスティック８の助けを借りてオペレータによって制御信号が生成され、制御手段１０へ出力される。これに対応してコンシューマ４、６を作動させるためには、可変容量型ポンプ２が、ジョイスティック８によって調整された目標流量の和に対応する特定の圧力媒体の体積流れを提供しなければならない。言い換えると、ジョイスティック８の調整に依存して、可変容量型ポンプ２が、この累積流量が送達されるスイベル角度に調整されなければならない。可変容量型ポンプ２の対応する調整は、現在のポンプ圧力、現在のポンプ速度および調整されたスイベル角をポンプ特性の助けを借りて検出することによって、目標値に依存した単純な方法で達成することができる。すなわち、本発明によれば、ポンプ制御手段が、一般に最大負荷圧力に対応する圧力信号を受け取らず、可変容量型ポンプの作動が、ジョイスティックの助けを借りて調整された目標値だけに依存して実行される。

ジョイスティック８の助けを借りたこの目標値調整では、コンシューマ４、６が所望の速度で作動しない場合にはオペレータがジョイスティック８の助けを借りてすぐに再調整を実行するため、可変容量型ポンプ２の体積損失の結果として起こる流量誤差を補償することが可能である。

本発明の他の特徴は、制御手段１０を介したコンシューマ４、６の並行作動において、最も高い圧力媒体体積流れが供給されなければならない１つのコンシューマ４、６が決定されることである。これは、ジョイスティック８で調整された目標値の助けを借りた単純な方法で達成することができ、そのため追加のセンサは必要ない。次いで、最も高い圧力媒体体積流れが供給されるこのコンシューマ４、６のメータインオリフィス１８、２０が制御手段１０によって完全に開かれ、他方のメータインオリフィス２０または１８の開いた断面積が、それに対応して追従し、その結果、系損失が従来の解決方法に比べて最小化される。１つのコンシューマ４、６だけを作動させる場合には、関連したメータインオリフィス１８または２０を微細制御範囲外で完全に開いて、系統損を最小化することができる。次いで可変容量型ポンプだけによってコンシューマへの圧力媒体体積流れが制御される。

本発明の有利な実施例では、コンシューマ４、６のシリンダ室３０、３２がそれぞれ、それぞれのキャビテーション防止弁によってタンクＴに接続され、その結果、プリングロード（低圧側）の場合に、図示されていないこれらのキャビテーション防止弁を介して圧力媒体をシリンダ室３０、３２に補給することができる。低圧側のこの圧力が検出され、制御手段１０によって、可変容量型ポンプ２のスイベル角が低減され、圧力媒体がポンプによって運ばれないように、制御信号が可変容量型ポンプ２に出力される。この配置によって、損失は、従来の配置に比べて損失をさらに最小化することができる。

前述の実施例では、目標値が、ジョイスティック８の助けを借りて前もって決められる。スプール（ｓｐｏｏｌ）経路測定を含む比例弁の場合には、メータインオリフィス１８、２０の弁スプールの経路に基づいて目標流量を決定することもできる。すなわち、この場合には、ジョイスティック８で調整された信号が直接に使用されるのではなく、メータインオリフィス１８、２０の弁スプールに現れる実際の値がこの信号の結果として使用される。

本発明のシステムでは流量制御が可変容量型ポンプ２を介して実行されるので、振動に対する感受性は、以前に知られている解決方法よりも実質的に低い。制御弁に通じるＬＳインジケータ管路の抑制のおかげで、制御技術に関する複雑さを、初めに説明したΔｐシステムに比べて低減させることができる。

以上の説明によれば、幾何学的な押しのけ容積が調整可能であるように可変容量型ポンプを実現することができるが、可変速駆動機構を有する不変または可変容量型ポンプを使用することも可能である。

少なくとも２つの液圧コンシューマの作動のための制御装置、およびこれらのコンシューマの作動のための方法が開示される。コンシューマにはポンプを介して圧力媒体が供給され、コンシューマとポンプの間には、それぞれのメータインオリフィスおよびそれぞれのメータインオリフィスの下流に配置された圧力補償器が配置される。本発明によれば、ポンプの調整が、メータインオリフィスがその値にセットされる目標値に依存して実行される。

修正されたＬＵＤＶ系を事実上構成する、本発明に基づく液圧制御装置１の回路図である。

符号の説明

１ 制御装置
２ 可変容量型ポンプ
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 ポンプ管路
１４ 供給管路
１６ 供給管路
１８ メータインオリフィス
２０ メータインオリフィス
２２ 圧力補償器
２４ 圧力補償器
２６ 流れ管路
２８ 流れ管路
３０ シリンダ室
３２ シリンダ室
３４ ＬＳ管路
３６ シャトル弁

Claims (11)

1. 少なくとも２つの液圧コンシューマ（４、６）の圧力媒体供給のための制御装置において、可変容量を有するポンプ（２）を備え、さらに、調整可能な２つのメータインオリフィス（１８、２０）を備え、その第１のオリフィスは、前記ポンプ（２）から出る供給管路（１４）と第１の液圧コンシューマ（４）の間に配置されており、その第２のオリフィスは、供給管路（１６）と第２の液圧コンシューマ（６）の間に配置されており、さらに、２つの圧力補償器（２２、２４）を備え、その第１の圧力補償器は、前記第１のメータインオリフィス（１８）の下流に配置されており、第１の圧力補償器（２２）の放出口は第１の流れ管路（２６）を介して第１の液圧コンシューマ（４）に接続されており、その第２の圧力補償器は、前記第２のメータインオリフィス（２０）の下流に配置されており、第２の圧力補償器（２４）の放出口は第２の流れ管路（２８）を介して第２の液圧コンシューマ（６）に接続されており、前記第１及び第２の圧力補償器（２２，２４）の制御ピストンは、開方向には前記それぞれのメータインオリフィス（１８、２０）の下流の圧力を前面で受け、閉方向には、最大負荷圧力が優勢である流れ管路（２６，２８）からＬＳ管路（３４）及びシャトル弁（３６）を介してタップされるコンシューマ（４，６）の最大負荷圧力またはそれから誘導された圧力を受けるように適合されており、前記ポンプ（２）および前記メータインオリフィス（１８、２０）は調整が可能である制御装置であって、予め決められた前記メータインオリフィス（１８、２０）の目標値に依存して、且つ前記メータインオリフィス（１８，２０）の前後の圧力差から独立して、前記ポンプ（２）に制御信号を出力するための制御手段（１０）を特徴とする制御装置。
2. 前記ポンプ（２）の流量は、比例ソレノイドによって電気的に調整されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 最も高い目標値を有する前記メータインオリフィス（１８、２０）は、前記制御手段（１０）の助けを借りて完全に開かれ、前記他方のメータインオリフィス（１８、２０）はそれに応じて追従させられることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記制御手段（１０）は、前記可変容量型ポンプ（２）および前記メータインオリフィス（１８、２０）の特性が記憶されたデータ記憶部を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 前記ポンプ（２）はアキシャルピストンポンプ（ａｘｉａｌ ｐｉｓｔｏｎ ｐｕｍｐ）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. ポンプ速度を検出するための回転速度センサを備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. それによって前記コンシューマ（４、６）の前記圧力媒体室をタンクに接続可能なキャビテーション防止弁を備え、そのため、牽引負荷の場合に圧力媒体を前記圧力媒体室（３０、３２）に補給可能にされていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記目標値は、ジョイスティック（８）の調整に依存して、または前記メータインオリフィス（１８、２０）の制御ピストン位置に依存して検出されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 可変容量ポンプ（２）を介して圧力媒体が供給されるように適合された少なくとも２つの液圧コンシューマを制御するための方法において、それぞれのコンシューマに、前記ポンプと前記それぞれのコンシューマ（４、６）との間に配置されたメータインオリフィス（１８、２０）が関連づけられており、その下流に、それぞれの圧力補償器（２２、２４）が配置されており、第１の圧力補償器（２２）の放出口は第１の流れ管路（２６）を介して第１の液圧コンシューマ（４）に接続され、第２の圧力補償器（２４）の放出口は第２の流れ管路（２８）を介して第２の液圧コンシューマ（６）に接続されており、前記第１及び第２の圧力補償器（２２，２４）の制御ピストンは、開方向には前記上流メータインオリフィス（１８、２０）の後方の圧力を受け、閉方向には、最大負荷圧力が優勢である流れ管路（２６，２８）からＬＳ管路（３４）及びシャトル弁（３６）を介してタップされるコンシューマ（４，６）の最大負荷圧力またはそれから誘導された圧力を受ける方法であって、前記ポンプ（２）は、予め決められた前記メータインオリフィス（１８、２０）の目標値に依存して、且つ前記メータインオリフィス（１８，２０）の前後の圧力差から独立して、運転されることを特徴とする方法。
10. 最も高い目標値にセットされる前記メータインオリフィス（１８、２０）は完全に開かれ、前記他方のメータインオリフィスはそれに応じて追従することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 牽引負荷の場合に前記ポンプの流量は低減され、キャビテーション防止弁を介して前記コンシューマ（４、６）の低圧側に圧力媒体が補給されることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。

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