JP5706431B2 - 可変容量型液圧ポンプを制御する方法および装置 - Google Patents

Description

本開示は、概略的には、可変容量型液圧ポンプに回動可能に取り付けられた斜板の角度を制御する方法および装置に関し、より詳細には、オーバセンタポンプの斜板を制御する方法および装置に関する。

可変容量型液圧ポンプは、加圧された液圧流体を様々な用途に供給するために液圧システムで幅広く使用されている。ブルドーザ、ローダなど、多くの種類の機械は、動作を液圧システムに大きく依存し、可変容量型ポンプを利用して定容量型ポンプをより多様に制御する。

そのような可変容量型液圧ポンプの斜板角を制御するのに様々な制御方式が利用されてきた。そのような制御方式の１つが、２００１年５月１６日に出願された、ホンリウ・ドゥ（Ｈｏｎｇｌｉｕ Ｄｕ）による（特許文献１）に開示されている。しかし、オーバセンタ能力を有する応答制御方式を提供することは有益であり得る。

米国特許第６，６２３，２４７号明細書

本開示の第１の態様では、軸のまわりに回転可能な斜板と、軸のまわりで斜板を第１の方向に回転させるように構成された第１の液圧アクチュエータと、軸のまわりで、斜板を第１の方向とは反対の第２の方向に回転させるように構成された第２の液圧アクチュエータと、加圧流体を第１のアクチュエータに供給するように構成された第１の流れ制御弁と、加圧流体を第２のアクチュエータに供給するように構成された第２の流れ制御弁とを有する可変容量型液圧ポンプを有する液圧システムが提供される。

本開示の別の態様では、可変容量型液圧装置の斜板の向きを制御する方法は、加圧流体を第１の流れ制御弁を介して第１の制御アクチュエータに送って、斜板に作用する第１の方向のモーメントを発生させることで、可変容量型液圧装置をポンプとして機能するように構成する第１のステップを含む。この方法は、加圧流体を第２の流れ制御弁を介して第２の制御アクチュエータに送って、斜板に作用する第２の方向のモーメントを発生させることで、可変容量型液圧装置をモータとして機能するように構成し、第２の方向は第１の方向と反対である第２のステップをさらに含む。

例示的な機械を概略的に示した側面図である。 例示的なトランスミッションの概略図である。 例示的なポンプおよび関連する制御用ハードウェアの概略図である。 流れ阻止位置にある例示的な弁の概略図である。 流れ通過位置にある例示的な弁の概略図である。 排出位置にある例示的な弁の概略図である。

図１は、例示的な機械１０を示している。機械１０は、鉱業、建設業、農業、または他の任意の産業などの産業に関連するある種の作業を行う固定または可動機械とすることができる。例えば、機械１０は、ブルドーザ、ローダ、バックホー、掘削機、モータグレーダ、ダンプカー、または他の任意の土木機械などの土木機械とすることができる。機械１０には、発電機設備、ポンプ、船舶、または他の任意の適切な機械も含まれ得る。図１および図２を参照すると、機械１０は、フレーム１２、用具１４、エンジン１６、ホイールまたは無限軌道などのトラクション装置１８、およびエンジン１６からトラクション装置１８に動力を伝達するトランスミッション２０を含むことができる。

図２に示すように、トランスミッション２０は、例えば、液圧式トランスミッションとすることができ、主ポンプ２２、モータ２４、およびバイパス逃がし弁２６を含むことができる。本開示によれば、主ポンプ２２は、可変容量型アキシャルピストンポンプなどの可変容量型ポンプとすることができ、モータ２４は、定容量型液圧モータとすることができる。ただし、代替案として、モータ２４は可変容量型モータであってもよい。トランスミッション２０は、加圧流体を斜板制御用ハードウェア３０に供給するチャージポンプ２８をさらに含むことができ、斜板制御用ハードウェア３０は、図３にさらに詳細に示されている。

モータ２４が定容量型モータである実施形態によれば、トランスミッション２０の回転数およびトルク制御は、少なくとも一部には、ポンプ２２の押しのけ容積を調整することで行うことができる。可変容量型アキシャルピストンポンプの場合、図３に示すように、押しのけ容積は、斜板３２の傾斜角を変えることで制御される。図３は、斜板３２の角度を制御できる制御用ハードウェア３０をさらに示している。

図３に示すように、斜板３２は、斜板回転軸３４のまわりに傾斜している。斜板３２は、２つの制御弁４０、４２からそれぞれ加圧流体を受け入れるように構成された２つの液圧制御アクチュエータ３６、３８によって駆動される。図示した実施形態では、制御弁４０、４２は、三方流れ制御弁であり、加圧流体源と、制御アクチュエータ３６、３８と、タンク４６などの低圧容器との間で加圧流体の流れを制御するように機能する。図示した実施形態では、加圧流体源はチャージポンプ２８である。

各制御アクチュエータ３６、３８は、チャンバ５２に配置されたピストン５０を含むことができる。ピストン５０は斜板３２に力を加える。２つのピストン５０によって加えられた力により、斜板３２に作用する反対方向のモーメントが生じ、ピストン５０の移動により、斜板３２の傾斜角αが変わる。斜板角αは、当技術分野で公知の斜板角センサによって観測することができる。ピストン５０の移動は、それぞれのチャンバ５２に出入りする加圧流体によって引き起こされる。チャンバ５２に出入りする加圧流体の流れは制御弁４０、４２によって制御される。

制御弁４０、４２は、加圧流体がチャージポンプ２８とそれぞれの制御アクチュエータ３６、３８との間を流れるのを可能にする流れ通過位置と、それぞれの制御アクチュエータ３６、３８をチャージポンプ２８およびタンク４６の両方から実質上液圧的に孤立させる流れ阻止位置と、流体がそれぞれの制御アクチュエータ３６、３８からタンク４６に流れるのを可能にする排出位置との間を移動可能なスプール４４を有する流れ制御弁とすることができる。制御弁４０、４２は、流れ通過位置、流れ阻止位置、および排出位置の間の任意の数位置をとることができるように無限に可変とすることもできる。スプール４４は、ソレノイド４８、または当技術分野において公知の他の駆動手段によって駆動することができる。図示した実施形態では、ソレノイド４８の駆動力は、スプリング５４によって相殺する（ｏｐｐｏｓｅｄ）ことができる。

図４は、流れ阻止位置にある制御弁４０、４２を示している。図示したように、スプール４４が流れ阻止位置にある場合、流体は、チャージポンプ２８からそれぞれの制御アクチュエータ３６、３８に進むことも、それぞれの制御アクチュエータ３６、３８からタンク４６に進むことも実質的に阻止される。図４〜６において、Ｐ_Tは、タンク４６とつながっている導管内の液圧を表し、Ｐ_Sは、チャージポンプ２８とつながっている導管内の液圧を表し、Ｐ_Cは、制御アクチュエータ３６、３８とつながっている導管内の液圧を表している。スプールに作用する定常状態の圧力バランスは下記の式１から計算することができる。

式１で、Ｆ_sol,0はソレノイド４８の力であり、ｋ_sprgはばね定数であり、δ_precompはソレノイド４８の力がゼロの場合のスプリングの初期圧縮量であり、ｘ₀は流れ阻止位置でのスプールの変位量である。ソレノイド４８の力は、下記の式２によって概略的に表すことができる。

式２で、ｋ_isは定常状態のソレノイド４８の電流−力のゲインであり、ｉ_biasはソレノイド４８の電流である。したがって、式２が当てはまる場合、流れ阻止位置を維持するための定常状態のソレノイド４８の電流、すなわちバイアス電流は、下記の式３によって計算することができる。

図５は、流れ通過位置にある制御弁４０、４２を示している。この流れ通過位置におけるソレノイド４８の力は、下記の式４によって示すことができる。

式４で、Δｘは、スプール４４のその流れ阻止位置からの変位量であり、Ｃ_ffは弁流れ力係数であり、Ａは、スプール４４の位置で決まる弁調量供給面積である。式１〜４を組み合わせると、ｉ_solは、下記の式５によって表すことができる。

図６は、流体が制御アクチュエータ３６、３８からタンク４６に流れるのを可能にする排出位置にある制御弁４０、４２を示している。この場合に、定常状態の流れ力は、流体通過位置の場合のようなソレノイド４８ではなくて、スプリング５４に作用する。したがって、下記に式（６）で表した定常状態ソレノイド電流を得ることができる。

２つの制御弁４０、４２は、それらの流れ阻止位置の周辺で相応して制御することができる。制御弁４０、４２に２つの三方流れ制御弁を使用することにより、必要な流れ計測量に高い適応性で対応することが可能になる。閉ループフィードバック制御の場合、２つのソレノイド４８の制御電流は、下記の式（７）、（８）によって表すことができる。

上式で、ｆ₁（Δｅ）およびｆ₂（Δｅ）は、追従誤差によって決まり得る、適用された制御則によって算出される制御活動項（ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｏｒｔ）である。当技術分野において公知の安定したいくつかの制御アルゴリズムを使用して、ｆ₁（Δｅ）およびｆ₂（Δｅ）を求めることができる。

制御アクチュエータ３６、３８には漏れがあることから、斜板３２を安定状態位置に維持するために、流れ阻止位置を流れ通過位置の方に寄せて変更することがある。したがって、安定状態の斜板位置を維持するのに使用される、対応するソレノイド４８の電流は、式３によって与えられたソレノイド４８のバイアス電流から増大することがある。漏れが層流の形態であると仮定すると、定常状態のソレノイド４８の電流は、制御アクチュエータ３６、３８内の流体の圧力に正比例し、流体粘度に逆比例することができる。制御アクチュエータ３６、３８内の流体の圧力を観測して、安定状態のソレノイド４８の電流を求める助けとするために圧力センサを設けることができる。

産業上の利用性
上記の制御用ハードウェア３０は、例えば、用具１４に動力を供給するように構成されたシステム、液圧トランスミッション２０、または液圧動力を利用する複合型トランスミッションなどのいくつかの任意の液圧システムで利用することができる。図３を参照すると、ポンプ２２の押しのけ容積は、斜板角αを大きくすることで拡張することができる。これは、制御弁４２を流れ通過位置の方に向けて駆動し、制御弁４０を排出位置の方に向けて駆動することで行うことができる。反対に、ポンプ２２の押しのけ容積は、制御弁４２を排出位置の方に向けて駆動し、制御弁４０を流れ通過位置の方に向けて駆動することで縮小することができる。

ポンプ２２が、図３に示すようなオーバセンタポンプの場合、斜板角αは負にすることができ、その場合に、ポンプ２２はモータとして機能することができる。これを行って、例えば、液圧トランスミッション２０の動作を制動することができ、この場合に、ポンプで発生した動力は、例えば、ドライブトレーンに戻すか、保存するか、他の目的のために使用するか、または単に熱として放散することができる。

ポンプ２２の所望の押しのけ容積、すなわち、斜板角αが得られると、制御弁４０、４２は、上記のように、安定状態の斜板角αを維持するように構成することができる。

本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、開示した装置および制御方法に対して様々な修正および変形を行うことができるのは、当業者には明らかであろう。

さらに、本明細書に開示した装置および方法の仕様および実施を検討することで、開示した装置および制御方法の他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。仕様および例は、単なる例示とみなすものとする。

Claims (5)

1. 軸のまわりで回転可能な斜板（３２）を有する可変容量型液圧ポンプと、
   軸のまわりで、斜板（３２）を第１の方向に回転させるように構成された第１の液圧アクチュエータと、
   軸のまわりで、斜板（３２）を第１の方向とは反対の第２の方向に回転させるように構成された第２の液圧アクチュエータと、
   加圧流体を第１の液圧アクチュエータに送る第１の位置と、第１の液圧アクチュエータを実質上液圧的に孤立させる第２の位置と、加圧流体を第１の液圧アクチュエータからタンク（４６）に排出する第３の位置との間で、ソレノイド（４８）によって選択的に移動可能であるように構成された第１の流れ制御弁（４０、４２）と、
   加圧流体を第２の液圧アクチュエータに送る第１の位置と、第２の液圧アクチュエータを実質上液圧的に孤立させる第２の位置と、加圧流体を第２の液圧アクチュエータからタンク（４６）に排出する第３の位置との間で、ソレノイド（４８）によって選択的に移動可能であるように構成された第２の流れ制御弁（４０、４２）と、
   前記第１の液圧アクチュエータ及び前記第２の液圧アクチュエータ内の前記加圧流体の圧力を計測する圧力センサと、
   を含み、
   前記圧力センサによって前記第１の液圧アクチュエータ及び前記第２の液圧アクチュエータ内の前記加圧流体の圧力が計測され、
   計測された前記第１の液圧アクチュエータおよび前記第２の液圧アクチュエータ内の前記加圧流体の圧力に基づいて、安定状態の前記斜板の位置を維持するために、前記ソレノイドの電流が修正される液圧システム。
2. 前記可変容量型液圧ポンプはオーバセンタポンプである、請求項１に記載の液圧システム。
3. チャージポンプ（２８）をさらに含み、前記チャージポンプ（２８）は、加圧流体を前記第１の制御弁（４０、４２）および前記第２の制御弁（４０、４２）に供給する、請求項１に記載の液圧システム。
4. 液圧モータ（２４）をさらに含み、前記可変容量型液圧ポンプは、加圧流体を前記液圧モータ（２４）に供給する、請求項１に記載の液圧システム。
5. 前記液圧モータ（２４）は、動力をトラクション装置（１８）に供給する、請求項４に記載の液圧システム。

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