JP6105759B2 - ピストンポンプのパワー制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械製造の技術分野に関し、特にピストンポンプのパワー制御装置及びその制御方法に関する。

パワー制御は、油圧ポンプの一般的な制御方式であり、その特徴は、一定の動作圧力の範囲内におけるパワー制御によってポンプ出力の仕事率を一定（即ちＷ＝ＰＱ）に保つことである。当該制御によれば、ポンプの出口圧油が、パワー制御装置によって調節され、変量ピストンに流れ込む。又は、変量ピストンの圧油が、パワー制御装置によって放出されることによって、サーボピストンを移動するように押し動かすことで、ポンプの排出量の変化が実現される。変量ピストンは、自身が移動すると同時に、パワー制御装置のフィードバックレバーを逆方向へ移動させる。パワー制御装置がオフにされた後、ポンプの変量過程が終了する。

図１は、市場で見かけた知的財産保護を受けているパワー制御の図面である。当該パワー制御装置は、２方３位置弁構造機能を有するスプール弁と弁カバーとを備え、スプール弁及び弁カバーの移動を介して、パワー制御装置において給油口Ｐと排油口Ｐｓとの連通又は給油口Ｐとリリーフ油出口Ｔとの連通を制御する。スプール弁は、段付き構造を有する。詳細には、図Ｉに示すように、スプール弁のＡ箇所とＢ箇所との直径が異なり、それぞれφｄ及びφＤである。スプール弁においてＡ箇所とＢ箇所との中間には、圧力キャビティが設けられている。Ａ箇所とＢ箇所との直径の面積の差によってスプール弁に作用する力は、Ｆ＝ｐｎ（Ｄ２−ｄ２）／４である。スプール弁の他端には、ばねロード機構が設けられ、逆方向の力がプリロードされる。フィードバックレバーは、弁本体にヒンジ方式によって固定され回転する。フィードバックレバーの一端は、弁カバーと連結し、フィードバックレバーの他端は、開口が設けられ、変量ピストンと接続可能である。フィードバックレバーの機能は、てこの原理によるものである。当該機能によって、変量ピストンの移動方向と弁カバーの移動方向とが逆になり、機械のフィードバックの過程が実現される。

当該構造における弁カバー及びスプール弁によって構成された２方３位置弁は、２つの異なる直径を有するため、弁カバーとスプール弁との円筒度及び両段の直径の間の同軸度などに対する要求が高く、加工の難度が大きく、大量生産時のコストが高い。弁カバー及びスプール弁は、各自の両段の同軸の誤差が客観的に存在するため、変量が小さくなる現象が生じる。

本発明の目的は、従来技術の欠陥を克服し、構造が簡単であり、部品加工の難度が低く、大量生産時のコストが低く、誤差が小さく、変量に柔軟性を有するピストンポンプのパワー制御装置及びその制御方法を提供することである。

本発明の目的を実現する技術的解決手段は、下記の通りである。本発明に係るピストンポンプのパワー制御装置は、制御弁本体、スプール弁、弁カバー、ジャムナット、ばねプリロード機構及びフィードバック機構を備えている。前記制御弁本体には、給油口Ｐ、外部のポンプ本体の変量ピストンのキャビティと接続された排油口Ｐｓ、及び、２つのリリーフ油出口Ｔが設けられている。前記スプール弁は、前記弁カバー内に配置され、前記弁カバーとのに間は、Ｅ空間が形成され、前記Ｅ空間の長手側が前記給油口Ｐと連通している。前記ジャムナットは、前記制御弁本体の一端に配置され、前記ばねプリロード機構は、前記制御弁本体の他端に配置されている。前記弁カバーは、前記ジャムナットと前記ばねプリロード機構との間に配置され、前記スプール弁と２方３位置弁を形成する。前記フィードバック機構は、前記制御弁本体にヒンジ接続され、前記フィードバック機構の一端は前記弁カバーと接続され、前記弁カバーを軸方向に沿って移動させる。前記フィードバック機構の他端は、前記変量ピストンと接続されている。前記スプール弁の一端の径方向の中心部には、滑り弁が配置されている。前記滑り弁と前記スプール弁との間には、Ｃ空間が設けられている。前記Ｃ空間の圧力を受けて、前記滑り弁が前記ジャムナットに密接し，前記滑り弁の円球端が前記ジャムナットと接触する。前記ジャムナットと前記弁カバーとの間には、１つの前記リリーフ油出口Ｔが設けられ、前記弁カバーと前記ばねプリロード機構との間には、もう１つの前記リリーフ油出口Ｔが設けられている。

上記技術的解決手段に係るスプール弁が液圧力を受ける主な原因は、滑り弁が存在するからであり、液圧力は、Ｆ＝ｐｎｄ２／４（ｄは、滑り弁の直径）である。

上記技術的解決手段に係るジャムナットの前記スプール弁に近い平面と前記滑り弁の軸線との間の直角度が０．０５ｍｍ以内である。

上記技術的解決手段に係るパワー制御装置において、前記ジャムナットと、前記弁カバー及び前記スプール弁との間は、１つの前記リリーフ油出口Ｔを介して排油し、前記弁カバーと前記ばねプリロード機構との間は、もう１つの前記リリーフ油出口Ｔを介して排油する。

上記技術的解決手段に係る前記ばねプリロード機構は、第１ばね座、大ばね、小ばね、第２ばね座、ネジインサート及びナットを含む。前記ネジインサートには、断面が逆さ「凸」形状の凹溝が設けられ、前記ネジインサートが前記制御弁本体にねじ込まれ且つ前記ナットを介して前記制御弁本体の一端に固定されている。前記第１ばね座及び前記第２ばね座は、前記凹溝内で対向するように配置され、前記第１ばね座と前記第２ばね座との間に前記小ばね及び前記大ばねが配置され、前記小ばねは、前記大ばね内に配置されている。

上記技術的解決手段に係る前記ばねプリロード機構は、調節ねじをさらに有し、前記調節ねじの一端は、前記ネジインサートにねじ込まれ、前記第２ばね座と接触している。

本発明に係るピストンポンプのパワー制御装置の制御方法の具体的なステップは、下記の通りである。

ステップ１ 前記ばねプリロード機構の数値を設定する。

ステップ２ 前記給油口Ｐから前記ピストンポンプの出口圧油を引き入れる。前記出口圧油は、前記Ｅ空間を介して前記スプール弁と前記滑り弁との間の前記Ｃ空間に流れ込み、前記滑り弁と前記スプール弁とを互いに逆方向に移動するように押し動かす。前記滑り弁は、前記ジャムナットによって移動を停止する。前記スプール弁が前記ばねプリロード機構が圧縮される方向へ移動すること又は前記給油口Ｐの圧力が低下することで、前記スプール弁は、前記ばねプリロード機構によって押し動かされ、前記Ｃ空間の圧力に抗して逆方向へ移動する。

ステップ３ ポンプ出力Ｗを固定値としてポンプ吐出圧力Ｐとポンプ吐出流量ＱとのＷ＝ＰＱという関係に基づいて、前記ピストンポンプの昇圧又は降圧の変量過程を終了させる。

上記技術的解決手段に係る前記ステップ３の具体的な過程は、下記の通りである。前記Ｃ空間に引き入れられた前記出口圧力が増加して前記ばねプリロード機構５に設定された数値を超えると、前記スプール弁２は、前記ばねプリロード機構５が圧縮される方向へ移動する。そして前記スプール弁２は、前記給油口Ｐと前記Ｅ空間と前記排油口Ｐｓとが連通し且つ前記給油口Ｐと前記リリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで、移動し続ける。このときの圧油は、前記排油口Ｐｓを介して前記変量ピストンの前記キャビティに流れ込み、前記変量ピストンを前記ピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように押し動かす。このとき、前記弁カバー３は、前記フィードバック機構６の駆動によって閉鎖方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとの連通が遮断され且つ前記排油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとが互いに連通するまで移動し続ける。このとき、前記変量ピストンの圧油が放され始め、前記変量ピストンの前記小さい揺動角の方向への移動が停止し、前記変量ピストンが前記ピストンポンプの大きい揺動角へ移動する。このとき、前記弁カバー３は、前記フィードバック機構６の駆動によって前記変量ピストンの前記キャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとが再び互いに連通するまで移動し続ける。上記の２つの過程が交互に行われることで、前記変量ピストンが微小脈動状態を保つ。このとき、前記ピストンポンプの昇圧の変量過程が終了する。

前記Ｃ空間に引き入れられた前記出口圧力が低下して前記ばねプリロード機構５に設定された数値より低くなると、前記給油口Ｐ、前記Ｅ空間及び前記排油口Ｐｓの連通は遮断され且つ前記給油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとは互いに連通し、前記変量ピストンは、前記ピストンポンプの大きい揺動角へ移動する。このとき、前記弁カバー３は、前記フィードバック機構６の駆動によって前記変量ピストンの前記キャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとが互いに連通し且つ前記給油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで移動し続ける。このときの圧油は、前記変量ピストンの移動を停止させ且つ前記変量ピストンを前記ピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように逆に押し動かす。上記の２つの過程が交互に行われることで、前記変量ピストンが微小脈動状態を保ち、このとき前記ピストンポンプの降圧の変量過程が終了する。

本発明は、上記技術的解決手段を採用することによって、以下の効果を奏する。

（１）本発明に係るパワー制御装置及びその制御方法によって、油圧ピストンポンプの出力パワーに対する制御が実現される。実際の出力パワー曲線とシミュレーションによる理論的な出力パワー曲線とでは、２本の折れ線で示されるように、誤差が小さい。本発明に係るパワー制御装置は、構造が簡単であり、部品加工の難度が低く、大量生産時のコストが低い。バルブの変量に柔軟性を有し、変量制御の安定性が高い。

（２）本発明に係るジャムナットのスプール弁に近い平面と滑り弁の軸線との間には、直角度に対する要求があり、滑り弁が径方向の力を受けることを回避することができる。

従来のパワー制御装置の構成概略図である。 図１におけるＩ箇所の拡大概略図である。 本発明の構成概略図である。 図３におけるＩＩ箇所の拡大概略図である。 本発明の原理図である。 本発明の実際のパワー出力曲線図である。

本発明の内容がよりわかりやすく理解されるために、具体的な実施形態に基づいて、図面を参照しつつ、本発明について詳細に説明する。

＜実施形態１：ピストンポンプのパワー制御装置＞
図３〜図５に示すように、実施形態１のピストンポンプのパワー制御装置は、制御弁本体１、スプール弁２、弁カバー３、ジャムナット４、ばねプリロード機構５、フィードバック機構６及び滑り弁７を備えている。制御弁本体１には、給油口Ｐ、外部のポンプ本体の変量ピストンのキャビティと接続された排油口Ｐｓ、及び、２つのリリーフ油出口Ｔが設けられている。スプール弁２は、弁カバー３内に配置され、弁カバー３と２方３位置弁を形成している。弁カバー３とスプール弁２との間には、Ｅ空間が形成されている。滑り弁７は、スプール弁２の一端の径方向の中心部に配置されている。滑り弁７とスプール弁２とは、スプール弁２の径方向にＣ空間を形成している。滑り弁７の円球端とジャムナット４とは、接触している。ジャムナット４は、制御弁本体１の一端に配置されている。ばねプリロード機構５は、制御弁本体１の他端に配置されている。弁カバー３、スプール弁２及び滑り弁７は、ジャムナット４とばねプリロード機構５との間に配置されている。フィードバック機構６は、ヒンジピンを中心に回転するように制御弁本体１にヒンジ接続されている。フィードバック機構６の一端は、スライディング副構造を介して、弁カバー３を軸線に沿って移動させる。フィードバック機構６の他端も、スライディング副構造を介して、変量ピストンと連結され、変量ピストンとともに軸線に沿って移動する。

ジャムナット４のスプール弁２に近い平面と滑り弁７の軸線との間の直角度が０．０５ｍｍ以内である。そのため、滑り弁７が径方向の力を受けることが回避される。

パワー制御装置は、２つのリリーフ油出口Ｔを有する。ジャムナット４と弁カバー３との間には、１つのリリーフ油出口Ｔが設けられ、弁カバー３とばねプリロード機構との間には、１つのリリーフ油出口Ｔが設けられている。

ばねプリロード機構５によって、出力パワーの調節が行われる。ばねプリロード機構５は、第１ばね座５１、大ばね５２、小ばね５３、第２ばね座５４、ネジインサート５５及びナット５６を含む。ネジインサート５５には、断面が逆さ「凸」形状の凹溝が設けられている。ネジインサート５５が、制御弁本体１にねじ込まれ、且つ、ナット５６を介して制御弁本体１の一端に固定されている。第１ばね座５１及び第２ばね座５４は、凹溝内で対向するように配置されている。第１ばね座５１と第２ばね座５４との間には、小ばね５３及び大ばね５２が配置されている。小ばね５３は、大ばね５２内に配置されている。

ばねプリロード機構５は、調節ねじ５７をさらに有する。調節ねじ５７の一端は、ネジインサート５５にねじ込まれ、第２ばね座５４と接触する。

＜実施形態２：ピストンポンプのパワー制御装置の制御方法＞
ピストンポンプのパワー制御装置の制御方法について、具体的なステップは下記の通りである。

ステップ１ ばねプリロード機構５の数値を設定する。

ステップ２ 給油口Ｐからピストンポンプの出口圧油を引き入れる。出口圧油は、弁カバー３を介してスプール弁２のＣ空間内に流れ込み、滑り弁７とスプール弁２とを互いに逆方向に移動するように押し動かす。滑り弁７は、ジャムナット４によって移動を停止する。スプール弁２がばねプリロード機構５が圧縮される方向へ移動すること、又は、給油口Ｐの圧力が低下することで、スプール弁２は、ばねプリロード機構５によって押し動かされ、Ｃ空間の圧力に抗して逆方向へ移動する。

ステップ３ ポンプ出力Ｗを固定値としてポンプ吐出圧力Ｐとポンプ吐出流量ＱとのＷ＝ＰＱという関係に基づいた処理を行う。Ｃ空間に引き入れられたポンプの出口圧力が増加してばねプリロード機構５に設定された数値を超えると、スプール弁２は、ばねプリロード機構５が圧縮される方向へ移動し、給油口ＰとＥ空間と排油口Ｐｓとが互いに連通し且つ給油口Ｐとリリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで移動し続ける。このときの圧油は、排油口Ｐｓを介して変量ピストンのキャビティに流れ込み、変量ピストンをピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように押し動かす。このとき、弁カバー３は、フィードバック機構６の駆動によって閉鎖方向へ移動し、給油口Ｐと排油口Ｐｓとの連通が遮断され且つ排油口Ｐｓとリリーフ油出口Ｔとが互いに連通するまで移動し続ける。このとき、変量ピストンの圧油が放され始め、変量ピストンの小さい揺動角の方向への移動が停止し、変量ピストンがピストンポンプの大きい揺動角へ移動する。また、このとき、弁カバー３は、フィードバック機構６の駆動によって変量ピストンのキャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、給油口Ｐと排油口Ｐｓとが再び互いに連通するまで移動し続ける。上記の２つの過程が交互に行われることで、変量ピストンが微小脈動状態を保つ。このとき、ポンプ昇圧の変量過程が終了する。

Ｃ空間に引き入れられた出口圧力が低下してばねプリロード機構５に設定された数値より低くなると、給油口Ｐ、Ｅ空間及び排油口Ｐｓの連通は遮断され且つ給油口Ｐｓとリリーフ油出口Ｔとは互いに連通し、変量ピストンは、ピストンポンプの大きい揺動角へ移動する。このとき、弁カバー３は、フィードバック機構６の駆動によって変量ピストンのキャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、給油口Ｐと排油口Ｐｓとが互いに連通し且つ給油口Ｐｓとリリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで移動し続ける。このときの圧油は、変量ピストンの移動を停止させ且つ変量ピストンをピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように逆に押し動かす。上記の２つの過程が交互に行われることで、変量ピストンが微小脈動状態を保つ。このとき、ポンプの降圧の変量過程が終了する。

図６に、油圧ピストンポンプの実際の出力パワー曲線と理論的な出力パワー曲線とが、２本の折れ線で示されている。これらの誤差は３％以内である。

上記具体的な実施形態は、本発明の目的、技術的解決手段及び有益な効果について詳細に説明するものであり、上記内容は、本発明に係る実施形態のみであって、本発明を限定するものでないことを理解すべきである。本発明の精神及び原則の範囲内で限り、いかなる修正、同等置換、改良などのすべては本発明による保護範囲内に含まれるべきである。

１ 制御弁本体
２ スプール弁
３ 弁カバー
４ ジャムナット
５ ばねプリロード機構
５１ 第１ばね座
５２ 大ばね
５３ 小ばね
５４ 第２ばね座
５５ ネジインサート
５６ ナット
５７ 調節ねじ
６ フィードバック機構
７ 滑り弁

Claims (6)

1. 制御弁本体（１）、スプール弁（２）、弁カバー（３）、ジャムナット（４）、ばねプリロード機構（５）及びフィードバック機構（６）を備えたピストンポンプのパワー制御装置であって、
   前記制御弁本体（１）には、給油口Ｐ、外部のポンプ本体の変量ピストンのキャビティと接続された排油口Ｐｓ、及び、２つのリリーフ油出口Ｔが設けられ、
   前記スプール弁（２）は、前記弁カバー（３）内に配置され、前記弁カバー（３）との間には、Ｅ空間が形成され、前記Ｅ空間の長手側が前記給油口Ｐと連通し、
   前記ジャムナット（４）は、前記制御弁本体（１）の一端に取り付けられ、
   前記ばねプリロード機構（５）は、前記制御弁本体（１）の他端に配置され、
   前記スプール弁（２）及び前記弁カバー（３）は、前記ジャムナット（４）と前記ばねプリロード機構（５）との間に配置され、２方３位置弁を形成し、
   前記フィードバック機構（６）は、前記制御弁本体（１）にヒンジ接続され、
   前記フィードバック機構（６）の一端は、前記弁カバー（３）と接続され、前記弁カバー（３）を軸方向に移動させ、
   前記フィードバック機構（６）の他端は、前記変量ピストンと接続され、前記スプール弁（２）の一端の径方向の中心部には、滑り弁（７）が配置され、
   前記滑り弁（７）と前記スプール弁（２）との間には、Ｃ空間が設けられ、
   前記Ｃ空間の圧力を受けて、前記滑り弁（７）が前記ジャムナット（４）に密接し、前記滑り弁（７）の円球端が前記ジャムナット（４）と接触し、
   前記ジャムナット（４）と前記弁カバー（３）との間には、１つの前記リリーフ油出口Ｔが設けられ、前記弁カバー（３）と前記ばねプリロード機構（５）との間には、もう１つの前記リリーフ油出口Ｔが設けられていることを特徴とするピストンポンプのパワー制御装置。
2. 前記ジャムナット（４）の前記スプール弁（２）に近い平面と前記滑り弁（７）の軸線との間の直角度が０．０５ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプのパワー制御装置。
3. 前記ばねプリロード機構（５）は、第１ばね座（５１）、大ばね（５２）、小ばね（５３）、第２ばね座（５４）、ネジインサート（５５）及びナット（５６）を含み、
   前記ネジインサート（５５）には、断面が逆さ「凸」形状の凹溝が設けられ、前記ネジインサート（５５）が前記制御弁本体（１）にねじ込まれ且つ前記ナット（５６）を介して前記制御弁本体（１）の一端に固定され、
   前記第１ばね座（５１）及び前記第２ばね座（５４）は、前記凹溝内で対向するように配置され、前記第１ばね座（５１）と前記第２ばね座（５４）との間に前記小ばね（５３）及び前記大ばね（５２）が配置され、
   前記小ばね（５３）は、前記大ばね（５２）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のピストンポンプのパワー制御装置。
4. 前記ばねプリロード機構（５）は、一端が前記ネジインサート（５５）にねじ込まれ且つ前記第２ばね座（５４）と接触する調節ねじ（５７）をさらに有することを特徴とする請求項３に記載のピストンポンプのパワー制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のピストンポンプのパワー制御装置の制御方法であって、
   前記ばねプリロード機構（５）の数値を設定するステップ１と、
   前記給油口Ｐから前記ピストンポンプの出口圧油を引き入れ、前記出口圧油が、前記Ｅ空間を介して前記スプール弁（２）と前記滑り弁（７）との間の前記Ｃ空間に流れ込み、前記滑り弁（７）と前記スプール弁（２）とを互いに逆方向に移動するように押し動かし、前記滑り弁（７）が、前記ジャムナット（４）によって移動を停止し、前記スプール弁（２）が前記ばねプリロード機構（５）が圧縮される方向へ移動すること又は前記給油口Ｐの圧力が低下することで、前記スプール弁（２）が、前記ばねプリロード機構（５）によって押し動かされ、前記Ｃ空間の圧力に抗して逆方向へ移動するステップ２と、
   ポンプ出力Ｗを固定値としてポンプ吐出圧力Ｐとポンプ吐出流量ＱとのＷ＝ＰＱという関係に基づいて、前記ピストンポンプの昇圧又は降圧の変量過程を終了させるステップ３とを含むピストンポンプのパワー制御装置の制御方法。
6. 前記ステップ３において、前記Ｃ空間に引き入れられた前記出口圧力が増加して前記ばねプリロード機構（５）に設定された数値を超えると、前記スプール弁（２）は、前記ばねプリロード機構（５）が圧縮される方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記Ｅ空間と排油口Ｐｓとが互いに連通し且つ前記給油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで移動し続け、このときの圧油は、前記排油口Ｐｓを介して前記変量ピストンの前記キャビティに流れ込み、前記変量ピストンを前記ピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように押し動かし、
   このとき、前記弁カバー（３）は、前記フィードバック機構（６）の駆動によって閉鎖方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとの連通が遮断され且つ前記排油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとが互いに連通するまで移動し続け、このとき前記変量ピストンの圧油が放され始め、前記変量ピストンの前記小さい揺動角の方向への移動が停止し、前記変量ピストンが前記ピストンポンプの大きい揺動角に向けて移動し、
   このとき、前記弁カバー（３）は、前記フィードバック機構（６）の駆動によって前記変量ピストンの前記キャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとが再び互いに連通するまで移動し続け、上記の２つの過程が交互に行われることで、前記変量ピストンが微小脈動状態を保ち、このとき前記ピストンポンプの昇圧の変量過程が終了し、
   前記Ｃ空間に引き入れられた前記出口圧力が低下して前記ばねプリロード機構（５）に設定された数値より低くなると、前記給油口Ｐと前記Ｅ空間と前記排油口Ｐｓとの連通は遮断され且つ前記給油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとは互いに連通し、前記変量ピストンは、前記ピストンポンプの大きい揺動角へ移動し、
   このとき、前記弁カバー（３）は、前記フィードバック機構（６）の駆動によって前記変量ピストンの前記キャビティの移動方向と逆の方向へ移動し、前記給油口Ｐと前記排油口Ｐｓとが互いに連通し且つ前記給油口Ｐｓと前記リリーフ油出口Ｔとの連通が遮断されるまで移動し続け、このときの圧油は、前記変量ピストンの移動を停止させ且つ前記変量ピストンを前記ピストンポンプの小さい揺動角へ移動するように逆に押し動かし、上記の２つの過程が交互に行われることで、前記変量ピストンが微小脈動状態を保ち、このとき前記ピストンポンプの降圧の変量過程が終了することを特徴とする請求項５に記載のピストンポンプのパワー制御装置の制御方法。