JP5546736B2 - 斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置 - Google Patents

Description

本発明は原動機で駆動される可変容量型ピストンポンプの可変容量調整装置に係り、特に可変容量型ピストンポンプの馬力一定制御方式において、流量制御を実質的に馬力制御と独立して行うことを可能にする可変容量調整装置に関する。

油圧ショベルなどの建設機械には、油圧シリンダや油圧モータなどの油圧アクチュエータが作業を遂行するため装備されており、これら油圧アクチュエータへ圧油を供給するためそれぞれの油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御する複数の切換弁と、圧油の供給源としての可変容量ポンプが備えられている。オペレータは、作業に応じた操縦桿を操作してパイロット操作圧信号を発生させ前記切換弁の受圧ポートにパイロット信号圧を与えるようになっている。その場合、前記ポンプの吐出圧、吐出流量は自動的に制御されるようになっている。

ところで、原動機で駆動される可変容量ポンプの入力馬力を制御するレギュレータを、サーボシリンダと、バネで一端側へ付勢されたスプールを有するスプール弁機構と、スプールを他端側へ付勢するコンペンピストンを有するコンペンピストン機構とで構成し、コンペンピストンの段部及び端部とハウジングとの間に夫々油室を形成し、原動機の設定回転数に応じた指令圧を油室に供給する電磁比例減圧弁であってソレノイドに供給される駆動電流の増加に応じて減少する指令圧を発生する減圧弁を設け、駆動電流の増加に応じてポンプの入力馬力を増加させるように構成する方式が提案されている。（特許文献１）

また、可変容量ポンプの吸収馬力を従来技術の場合よりも大幅に理論曲線に近づけることのできる簡単な構造の吐出容量調整装置として、バネ力発生手段が１つのバネで構成され、ピストン手段が複数の長さの異なる小径ピストンで構成されており、可変容量ポンプの吐出圧力の変化に応じて、前記バネ力に対抗する複数のピストンがパイロットピストンを押圧しながらストローク移動を行うようになっており、そして、ストローク量の最も小さいピストンがその規制部位により停止されるとパイロットピストンへの押圧力は、停止したピストンの押圧力に対する寄与がなくなるのでその分だけ少なくなる。このようにして各ピストンのストローク量到達ごとに押圧力の特性を変化させるようにし、吐出圧Ｐと吐出流量Ｑとの特性が理論双曲線に近づくよう構成したものが提案されている。（特許文献２）

さらにまた、部品点数を削減してコストの低減を図り、駆動源を有効に活用することができる斜板式可変容量形ピストンポンプであって、斜板式可変容量形ピストンポンプの吐出圧と吐出量との関係を、馬力一定制御の動力理論値の双曲線に近似させることができるように、吐出圧に応じて斜板を傾転させて吐出量を制御するための制御機構と、前記制御機構による斜板の傾転方向に付勢されたばねとを備える斜板式可変容量ピストンポンプであって、前記ばねを複数のばね定数を備えた１本のばねにより構成したものが提案されている。（特許文献３）

また、本願発明者は、斜板式可変容量ピストンポンプの油圧駆動装置内部に機械的な斜板角度検出機構を設ける必要のない斜板角度検出部を備えた油圧駆動装置であって、同検出部は可変容量型ピストンポンプのケーシング下部の側壁に間隙検出センサーがシール部材でシールされて取付けられ、間隙センサーの先端検出部はピストンの左端側に形成された筒状凹部にほぼ直角に対向して配置されており、この筒状凹部の外周面は左方に行くに従いその径が大きくなるように漸増形成され、したがって、ピストンが駆動軸の軸心と平行に移動すると前記センサーの先端検出部と筒状凹部の外周面との間隙が変化するので、その間隙変化を電気信号として取り出すことができるようになっており、検出された信号は制御装置へ検出信号としてフィードバックされるようにした構成を提案している。（特許文献４）

図３は、前記特許文献４の図１に簡略的に示されるサーボユニット２８（以下の説明ではポンプのレギュレータと称する）と斜板式可変容量ピストンポンプ１０との結合・配置の概略を示し、図４は、当該サーボユニットを拡大して示す図である。

同図４において、参照符号１２はリンクレバーであって、レギュレータ１０のケーシングＣに設けられているピン１４を支点として回動可能に取り付けられ、その下端の係合部１２ａは、図３に示されるように、斜板式可変容量ピストンポンプ内に設けられたパワーピストン室のピストンに係合されており、同ピストンの一端側に保持されたロッド（４４）を介して斜板（６０）を押圧・傾転するようになっている。左端部を簡略化して示すケーシングＣには、中央部に貫通孔ＣＨが設けられており、同孔の中央部には摺動可能なスリーブ１６および同スリーブ１６に摺動可能に収納されたロッド１８が設けられている。スリーブ１６の外周には横穴が設けられ、同横穴にはリンクレバー１２に固定されたピン１２ｂが摺動可能に取り付けられている。

図５は、図４のＡ−Ａ線断面を示している。同図５から理解されるように、スリーブ１６は、リンクレバー１２の左右方向への遥動にともない貫通孔ＣＨの軸方向に移動可能である。

ロッド１８の左端部は可動バネ受け２０に当接しており、同バネ受け２０の反対側には段差を設け、外側にバネ２２、内側にバネ２４がそれぞれ配置されている。図示では、内側のバネ２４の右端は内側段差端面から離れ、自由長の状態にある。前記ロッド１８の右端面は、ピストン２６の一側端面に当接し、このピストン２６の他端側はポート３４を介してパイロット圧力Ｐｐが導かれた室Ｒに臨んでいる。

さらに、参照符号ＰＳ１、ＰＳ２は、ロッド１８の径小部１８ａの外周とスリーブ１６の横穴Ｈを介して連通する圧油の通路であって、ＰＳ１は前記パワーピストン室に通じ、ＰＳ２は可変容量ポンプの吐出流路に通じている。さらに、ロッド１８の中心部に形成され、前記径小部１８ａの外周通路と左端部で連通した孔３０の右端部には小径のピストン３２が摺動可能に収納されている。なお、図中斜線で示した部分は圧油であることを示す。

図４において、いま、オペレータの操作によりパイロット圧力Ｐｐが図示しない切換弁を開き、それに伴い、負荷に対応したポンプ吐出圧力が通路ＰＳ２に圧油として与えられる。ポンプ吐出圧によりピストン３２はピストン２６左端面を押圧し、結果としてロッド１８が左行しはじめる。したがって、この圧油は径小部１８ａの外周通路を介してＰＳ１に与えられパワーピストン室ＰＥに供給されるのでリンクレバー１２は左方へ遥動しそれによりスリーブ１６も左方へ移動する。また、この間に、ポート３４に与えられるパイロット操作圧はピストン２６を左行させ、そして図示のバネ２２および２４による右方への付勢力とバランスする位置で停止することとなる。

図６は、横軸に可変容量ポンプの吐出圧力Ｐｄ、縦軸に吐出流量Ｑをとり、当該ポンプの馬力制御特性を示すグラフである。同グラフにおいて、Ｌ１は、馬力が、ＰｄとＱの積で定義され、一定の値であることを示している理論上の双曲線であり、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で示す折れ線Ｌ２は、双曲線Ｌ１に近似するようにした実際の馬力制御特性を示す。同折れ線Ｌ２の点Ｐ２は、図４のバネ２２と２４を用いたことに因るものであって、例えば、実際の馬力は双曲線Ｌ１より下側の値となり、点Ｐ２では理論値の馬力よりも低い値となる。

図７は、図３、４に例示した可変容量ピストンポンプの流量制御特性Ｌ３を示すグラフであって、横軸にパイロット圧力Ｐｐ、縦軸にポンプ吐出流量Ｑを示す。なお、同図では、ネガティブ制御（ネガコン）方式で説明する関係上、パイロット圧力Ｐｐを大きくしていくと流量Ｑが減少するようになっている。

図７の流量制御特性Ｌ３上の点ＢＰ２は、図６の点Ｐ２に対応している。すなわち、図６の折れ線Ｌ２上のある点Ｑｉの状態で、オペレータが、アクチュエータ例えば油圧シリンダの動作を停止あるいはより低速にするために、ポンプ吐出流量Ｑを減少させるべくパイロット圧力Ｐｐを操作していく場合、その途中で点ＢＰ２を通過する際、オペレータは違和感を覚えることとなる。

こうした現象は、引用文献１、２、３のいずれにおいても程度の差こそあれ発生する。すなわち、引用文献１、２、３では、馬力一定の制御特性をその理論上の双曲線に可及的に近づけるよういろいろな手法を提案するものではあるが、原理的には、折れ線近似を採用する限り各折れ線の接合部分が存在し、そのことが流量制御特性におけるオペレータへの違和感をもたらすという問題点が依然として残るのである。

さらにまた、仮に、ほぼ理論上の双曲線特性が得られ、図７の点ＢＰ２が、事実上なくなったとしても、さらに流量制御特性の点で、オペレータにとっては、直線的な操縦感覚が求められており、操縦桿の操作と吐出流量すなわち、油圧アクチュエータの駆動とが直線的な比例関係となるような流量制御特性が求められているという問題が残るのである。

特開平５−１８０１６８号公報 特開２００４−３６０５１９号公報 特開２００５−２５６７４６号公報 特開２００７−２９８０１１号公報

本願の発明者は前記の問題を解決せんとして鋭意研究・検討・努力した結果、斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置内で一端部がバネにより付勢されるロッドの他端側に、当該バネのバネ力よりも大きなバネ力を有するもうひとつのバネを配置することにより前記問題が基本的に解決できることを突き止めた。

従って、本発明の目的は、斜板式の可変容量ピストンポンプをエンジン等の原動機で駆動した場合、当該可変容量ピストンポンプの馬力一定の制御特性と、その流量制御特性とがほぼ独立して形成されるように、しかも非常に簡単な構造の吐出容量調整装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明に係る斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置は、斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置であって、同装置のパイロットピストンであるロッド部材に前記可変容量ピストンポンプの吐出圧力を作用させ、このロッド部材に作用する油圧力と弾性力とにより前記吐出圧力の変化に応じて前記可変容量ピストンポンプの吐出容量を調整するよう構成した斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置において、
一方が位置調整部材により押しつけられて他方はロッド部材とバネ受けを介して二つの段差を設けて配置されてロッド部材をその他端側に向けて付勢する第１のバネ力発生手段と、
内周に摺動可能に収納されたロッド部材が設けられているスリーブと、
このスリーブの外周には横穴が設けられており同横穴には第一のピンが摺動可能に取り付けられておりこの第一のピンが固定されるとともに吐出容量調整装置のケーシングに設けられている第二のピンを支点として回動可能に取り付けられているリンクレバーと、
ポンプのケーシングに形成された室内に配置されロッド部材と端面で当接するピストンを付勢する第２のバネ力発生手段と、
前記ロッド部材の他端面を前記第２のバネ力発生手段のバネ力に抗して押圧するピストン部材と、
パイロット圧力が導入され、前記ピストン部材を摺動可能に収納するシリンダと、を備え、
前記第２のバネ力発生手段のバネ力を前記第１のバネ力発生手段のバネ力より大きく設定し、
ロッド部材の第一の端部は第一の可動バネ受けに当接しており、前記第一の可動バネ受けの反対側には２つの段差を設け、外側に第一のバネ、内側に第二のバネからなる前記第１のバネ力発生手段がそれぞれ配置され、前記第二のバネの一端は内側段差端面から離れ、自由長の状態にあり、前記第一のバネ及び前記第二のバネの一端部は位置固定の第二のバネ受けと第三のバネ受けで受けて前記第２のバネ力発生手段のバネ定数の値は前記第一のバネ及び前記第二のバネのバネ定数の値より大きく形成されていることを特徴とする。

また、その場合、前記シリンダは、第１のバネ力に加え第２のバネ力に抗する押圧力を発生するに必要十分な断面積を有することが好ましい。

さらに、前記吐出容量調整装置は、前記可変容量ピストンポンプをネガコン制御するよう配置構成されることができる。

さらに、前記吐出容量調整装置は、前記可変容量ピストンポンプをポジコン制御するよう配置構成されることができる。

請求項１に記載の本発明によれば、斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置であって、同装置のパイロットピストンに前記可変容量ピストンポンプの吐出圧力を作用させ、このパイロットピストンに作用する油圧力と弾性力とにより前記吐出圧力の変化に応じて前記可変容量ピストンポンプの吐出容量を調整するよう構成した斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置において、前記パイロットピストンの一端側に配置され同パイロットピストンをその他端側に向けて付勢する第１のバネ力発生手段と、前記パイロットピストンの他端側に一端面が当接するロッド部材と、同ロッド部材の外周に配置され前記第１のバネ力発生手段と同じ方向へ前記ロッド部材を付勢する第２のバネ力発生手段と、前記ロッド部材の他端面を前記第２のバネ力発生手段のバネ力に抗して押圧するピストン部材と、パイロット圧力が導入され、前記ピストン部材を摺動可能に収納するシリンダと、を備え、前記第２のバネ力発生手段のバネ力を前記第１のバネ力発生手段のバネ力より大きく設定したので、前記ポンプの流量特性は、実質的に馬力特性に影響されずしかも、第２のバネ力発生手段のバネにより直線性を持つようになっているので、オペレータにとって流量制御時の違和感を解消することができる。

請求項２に記載の本発明によれば、第１のバネ力発生手段は複数のバネにより形成されているので、上記請求項１の効果に加えさらに、馬力制御特性を、理論上の双曲線により近づけることができる。

請求項３に記載の本発明によれば、シリンダは、第１のバネ力に加え第２のバネ力に抗する押圧力を発生するに必要十分な断面積を有するの、比較的構造が簡単であり、既存のレギュレータ用ケーシングに容易に取り付けることができる。

請求項４、５に記載の本発明によれば、第１のバネ力発生手段と第２のバネ力発生手段の配置構成を逆にすることで、ネガコン制御、ポジコン制御のいずれにも対応させることが可能であり、斜板式の可変容量ピストンポンプに関する適用範囲が限定されないという効果がある。

以下本発明の好適な実施例について添付の図１乃至図２により説明する。

なお、図１中で、図４と同一の参照符号は同じ要素を意味しているので、一部の説明に重複があるが、説明に一貫性、明瞭性を持たせる関係から以下においては、重複部分も併せて説明する。

図１において、参照符号１２はリンクレバーであって、レギュレータ１０のケーシングＣに設けられているピン１４を支点として回動可能に取り付けられ、その下端の係合部１２ａは、斜板式可変容量ピストンポンプ内に設けられたパワーピストン室のピストンに係合されており、同ピストンの一端側に保持されたロッドを介して斜板を押圧・傾転するようになっている。ケーシングＣには、中央部に貫通孔ＣＨが設けられており、同孔の中央部には摺動可能なスリーブ１６および同スリーブ１６の内周に摺動可能に収納されたロッド１８が設けられている。スリーブ１６の外周には横穴が設けられ、同横穴にはリンクレバー１２に固定されたピン１２ｂが摺動可能に取り付けられている。スリーブ１６は、リンクレバー１２の左右方向への遥動にともない貫通孔ＣＨの軸方向に移動可能である。

ロッド１８の左端部は可動バネ受け２０に当接しており、同バネ受け２０の反対側には２つの段差を設け、外側にバネ２２、内側にバネ２４がそれぞれ配置されている。図示では、内側のバネ２４の右端は内側段差端面から離れ、自由長の状態にある。前記バネ２２、２４の右端部は位置固定のバネ受け４２、４６で受けている。参照符号４０はキャップであって、外側のバネ受け４２の外周部オネジと螺合して位置調整するメネジ部を有する。参照符号４４は締付用のナットである。また、内側のバネ受け４６はバネ受け４２の内周に形成したメネジ部と螺合され、さらに位置調整部材４８によって左方より押し付けられている。

前記ロッド１８の右端面は、ピストン５２の左端面に当接している。このピストン５２は、ケーシングＣの右端部に形成された室Ｒ１内で摺動可能に収納されており、同室Ｒ１にはバネ５６がピストン右端のフランジ部を右方へ付勢するよう配置されている。さらに、ケーシングＣの右端面にはシリンダブロック５４が締結ボルト５４ａにより取り付けられている。このブロック５４には室Ｒ２が形成され、その中にピストン５６が摺動可能に収納されており、同ピストン５６の左端面は前記ピストン５２の右端面に当接している。室Ｒ２にはポート３４を介してパイロット圧力Ｐｐが与えられており、したがって、ピストン５６はバネ５０の弾発力に抗してピストン５２を左方へ押圧するようになっている。

前記バネ５０のバネ定数の値は、ケーシングＣの左端側に配置されているバネ２２、２４のバネ定数の値よりもかなり大きく形成されており、したがって、ピストン５６の押圧力のかなりの部分がバネ５０を圧縮変形させるために用いられる。なお、本発明では、バネ５０は流量制御特性にのみ影響する制御要素として配置されている。一方、バネ２２、２４は、馬力制御特性および流量制御特性の両方に影響する制御要素として機能するが、前述のように、流量制御時にはバネ５０の影響がバネ２２、２４を圧倒するので、事実上バネ５０により流量特性が定まるようになっている。

さらに、参照符号ＰＳ１、ＰＳ２は、ロッド１８の径小部１８ａの外周とスリーブ１６の横穴Ｈを介して連通する圧油の通路であって、ＰＳ１は前記パワーピストン室に通じ、ＰＳ２は可変容量ピストンポンプの吐出流路に通じている。さらに、ロッド１８の中心部に形成され、前記径小部１８ａの外周通路と左端部で連通した孔３０の右端部には小径のピストン３２が摺動可能に収納されている。なお、参照符号５８はレギュレータ１０を備えたケーシングＣを可変容量ピストンポンプに結合するときの取付け面である。

図１において、いま、オペレータの操作によりパイロット圧力Ｐｐが図示しない切換弁を開き、それに伴い、負荷に対応したポンプ吐出圧が通路ＰＳ２に圧油として与えられる。ポンプ吐出圧力によりピストン３２はピストン５２左端面を押圧し、結果としてロッド１８が左行しはじめる。したがって、この圧油は径小部１８ａの外周通路を介してＰＳ１に与えられパワーピストン室に供給されるのでリンクレバー１２は左方へ遥動しそれによりスリーブ１６も左方へ移動する。また、この間に、ポート３４に与えられるパイロット操作圧はピストン５２を左行させ、そして図示のバネ２２および２４による右方への付勢力とバランスする位置で停止することとなる。

図２は、図１に示したレギュレータ１０を備えた斜板式可変容量ピストンポンプの流量制御特性を示すグラフであって、パイロット圧力Ｐｐに対し流量Ｑは、図７に示した折れ線Ｌ３とは異なり、線Ｌ４は、ほぼ直線的に変化しており、したがって、オペレータの違和感が解消されるようになっている。なお、線Ｌ４が完全には直線となっていないが、その理由は、前記バネ５０とバネ２２、２４のバネ力の割合によるものであって、この割合を大きくすることで、事実上直線的な流量制御特性を得ることができるのである。

以上、本発明の好適な実施例を図１、２により説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨に照らせばこれら例示のものに限定されるものではなく、当業者であれば、その請求の範囲内においても図１、２に例示した以外の種々の変形を行うことができることは当然である。

本発明に係る吐出容量調整装置の構成を示す軸方向断面図である。 本発明に係る吐出容量調整装置による斜板式可変容量ピストンポンプの流量特性を示すグラフである。 従来の吐出容量調整装置と斜板式可変容量ピストンポンプとの結合配置の概略を示す図である。 図３に示されるサーボユニット（吐出容量調整装置）を拡大表示した図である。 図４のＡ−Ａ線断面図である。 従来の吐出容量調整装置と斜板式可変容量ピストンポンプとの結合による馬力制御特性を示すグラフである。 従来の吐出容量調整装置と斜板式可変容量ピストンポンプとの結合による流量制御特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ レギュレータ
１２ リンクレバー
１２ａ 係合部
１４ ピン
１６ スリーブ
１８ ロッド
１８ａ 径小部
２０ 可動バネ受け
２２ バネ
２４ バネ
３０ 孔
３２ ピストン
３４ ポート
４０ キャップ
４２ バネ受け
４４ ナット
４６ バネ受け
４８ 位置調整部材
５０ バネ
５２ ピストン
５４ シリンダブロック
５４ａ 締結ボルト
５６ ピストン
５８ 取り付け面
Ｃ ケーシング
ＣＨ 貫通孔
Ｈ 横穴
Ｒ１、Ｒ２ 室
ＰＳ１、ＰＳ２ 通路

Claims (4)

1. 斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置であって、同装置のパイロットピストンであるロッド部材に前記可変容量ピストンポンプの吐出圧力を作用させ、このロッド部材に作用する油圧力と弾性力とにより前記吐出圧力の変化に応じて前記可変容量ピストンポンプの吐出容量を調整するよう構成した斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置において、
   一方が位置調整部材により押しつけられて他方はロッド部材とバネ受けを介して二つの段差を設けて配置されてロッド部材をその他端側に向けて付勢する第１のバネ力発生手段と、
   内周に摺動可能に収納されたロッド部材が設けられているスリーブと、
   このスリーブの外周には横穴が設けられており同横穴には第一のピンが摺動可能に取り付けられておりこの第一のピンが固定されるとともに吐出容量調整装置のケーシングに設けられている第二のピンを支点として回動可能に取り付けられているリンクレバーと、
   ポンプのケーシングに形成された室内に配置されロッド部材と端面で当接するピストンを付勢する第２のバネ力発生手段と、
   前記ロッド部材の他端面を前記第２のバネ力発生手段のバネ力に抗して押圧するピストン部材と、
   パイロット圧力が導入され、前記ピストン部材を摺動可能に収納するシリンダと、を備え、
   前記第２のバネ力発生手段のバネ力を前記第１のバネ力発生手段のバネ力より大きく設定し、
   ロッド部材の第一の端部は第一の可動バネ受けに当接しており、前記第一の可動バネ受けの反対側には２つの段差を設け、外側に第一のバネ、内側に第二のバネからなる前記第１のバネ力発生手段がそれぞれ配置され、前記第二のバネの一端は内側段差端面から離れ、自由長の状態にあり、前記第一のバネ及び前記第二のバネの一端部は位置固定の第二のバネ受けと第三のバネ受けで受けて前記第２のバネ力発生手段のバネ定数の値は前記第一のバネ及び前記第二のバネのバネ定数の値より大きく形成されていることを特徴とする斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置。
2. 前記シリンダは、第１のバネ力に加え第２のバネ力に抗する押圧力を発生するに必要十分な断面積を有することを特徴とする請求項１に記載された斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置。
3. 前記吐出容量調整装置は、前記可変容量ピストンポンプをネガコン制御するよう配置構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載された斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置。
4. 前記吐出容量調整装置は、前記可変容量ピストンポンプをポジコン制御するよう配置構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載された斜板式可変容量ピストンポンプの吐出容量調整装置。

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