JP6970533B2 - 油圧システム - Google Patents

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Description

本発明は、電気ポジティブコントロール方式の油圧システムに関する。
従来から、建設機械や産業機械などでは、電気ポジティブコントロール方式の油圧システムが採用されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、油圧システムでは、油圧アクチュエータへ制御弁を介して可変容量型のポンプから作動油が供給され、そのポンプの傾転角がレギュレータにより調整される。電気ポジティブコントロール方式の油圧システムでは、制御装置が、レギュレータを、油圧アクチュエータを作動させるための操作装置の操作量が大きくなるほどポンプの吐出流量が大きくなるように制御する。
また、電気ポジティブコントロール方式の油圧システムでは、ポンプを駆動するエンジンのストールを防止するために馬力制御が行われることが多い。この場合、ポンプの吐出流量が、操作装置の操作量に応じた操作要求流量と、ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量のうちの小さい方となるように、制御装置がレギュレータを制御する。
特開２０１３−２５４１号公報
しかしながら、操作装置が素早く大きく操作されて馬力制御が行われるときには、図５に示すようにポンプの吐出流量が増減を繰り返し、油圧アクチュエータの挙動にハンチングが生じることがある。具体的には、ポンプの吐出圧と吐出流量とで定まる作動点が、ポンプの吐出圧と馬力制御流量との関係を規定する馬力制御線を上回るときには（図中のａ点）、ポンプの傾転角が減少される。これに伴い、ポンプの吐出流量が減少して、ポンプの吐出圧が低くなる。そうすると、作動点が馬力制御線を下回るため（図中のｂ点）、ポンプの傾転角が増加される。これに伴い、ポンプの吐出流量が増加して、ポンプの吐出圧が高くなり、作動点が再び馬力制御線を上回る（図中のｃ点）。このようなポンプの吐出流量の増減の繰り返しによる油圧アクチュエータの挙動のハンチングは、作動油の温度がある程度低い場合（外気温が低くかつ機械の暖気運転が完了していない場合など）を除いて一般に発生し易い。
また、一般的に油圧アクチュエータの挙動のハンチングを防止するにはレギュレータの油圧ラインに絞りを追加するなどの手法がとられる場合が多いが、そのような構成では作動油の温度が低いときに応答が遅れて問題となることが知られている。
そこで、本発明は、作動油の温度が低いときの弊害をもたらすことなく油圧アクチュエータの挙動のハンチングを抑制することができる油圧システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の油圧システムは、操作部に対する操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、可変容量型のポンプと、前記ポンプの傾転角を調整するレギュレータと、前記ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、前記ポンプの吐出流量が、前記操作装置から出力される操作信号に応じた操作要求流量と、前記圧力センサで検出される前記ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量のうちの小さい方となるように、前記レギュレータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置には、前記ポンプの吐出圧と前記馬力制御流量との関係を規定する第１馬力制御線と、これよりも低い第２馬力制御線が格納されており、前記制御装置は、前記操作装置から出力される操作信号が増加した場合であって、前記操作装置から出力される操作信号に応じた操作要求流量が前記圧力センサで検出される前記ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量よりも大きな場合、前記圧力センサで検出されるポンプの吐出圧と前記ポンプの吐出流量とで定まる作動点が前記第１馬力制御線を超えるまでは前記ポンプの傾転角を前記操作要求流量に対応する傾転角とし、前記作動点が前記第１馬力制御線を越えたときは前記ポンプの傾転角を前記第１馬力制御線により定まる傾転角になるまで減少させ、前記作動点が前記第２馬力制御線を下回ったときは前記ポンプの傾転角を前記第２馬力制御線により定まる傾転角になるまで増加させ、前記第１馬力制御線を越えた前記作動点が前記第１馬力制御線と前記第２馬力制御線の間にシフトしたとき、または前記第２馬力制御線を下回った前記作動点が前記第１馬力制御線と前記第２馬力制御線の間にシフトしたときは、前記ポンプの傾転角を維持する、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、馬力制御を行う際のポンプの傾転角を減少させるべきときの判断基準である第１馬力制御線とポンプの傾転角を増加させるべきときの判断基準である第２馬力制御線との間にヒステリシスが設けられている。このため、ポンプの傾転角が変更されて作動点が第１馬力制御線と第２馬力制御線の間にシフトしたときは、ポンプの傾転角はそれ以上変更されない。従って、追加部品の不要なシンプルな構成で、ポンプの吐出流量の増減の繰り返しを抑制でき、油圧アクチュエータの挙動のハンチングを抑制することができる。しかも、このハンチングの抑制は、温度（特に低温時）により特性が大きく変化してしまう絞りなどの部品を使うことなく、制御装置による電子的な制御により行われるため、作動油の温度が低いときの弊害をもたらすことがない。従って、作動油の温度に対して低い温度から通常作業温度（暖気運転終了後）まで、安定性に優れた油圧システムを実現できる。
前記制御装置は、前記操作装置から出力される操作信号が増加した場合であって、前記操作装置から出力される操作信号に応じた操作要求流量が前記圧力センサで検出される前記ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量よりも大きな場合でも、作動油の温度が所定値よりも低いときは、前記第２馬力制御線を使用せずに前記第１馬力制御線を使用して前記ポンプの傾転角を減少または増加させてもよい。この構成によれば、作動油の温度が比較的に高くて油圧アクチュエータの挙動にハンチングが生じ易いとき以外は、第１馬力制御線を使用した簡単な制御を行うことができ、エンジンなどの動力をより多く使うことができる。
本発明によれば、作動油の温度が低いときの弊害をもたらすことなく油圧アクチュエータの挙動のハンチングを抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る油圧システムの概略構成図である。 操作要求流量を示すグラフである。 第１馬力制御線および第２馬力制御線に対する作動点の動きを示すグラフである。 （ａ）は操作装置の操作量の経時的変化を示し、（ｂ）はポンプの吐出流量の経時的変化を示す。 従来の油圧システムにおける馬力制御線に対する作動点の動きを示すグラフである。
図１に、本発明の一実施形態に係る油圧システム１を示す。油圧システム１は、例えば、油圧ショベルや油圧クレーンのような建設機械、土木機械、農業機械または産業機械に搭載される。
具体的に、油圧システム１は、油圧アクチュエータ５と、油圧アクチュエータ５へ制御弁４を介して作動油を供給するポンプ２を含む。図例では、油圧アクチュエータ５と制御弁４のセットが１つであるが、油圧アクチュエータ５と制御弁４のセットは複数設けられてもよい。
ポンプ２は、エンジン２１により駆動される。ただし、ポンプ２は、電動モータにより駆動されてもよい。ポンプ２は、傾転角が変更可能な、可変容量型のポンプ（斜板ポンプまたは斜軸ポンプ）である。ポンプ２の傾転角は、レギュレータ３により調整される。
ポンプ２は、供給ライン１１により制御弁４と接続されている。ポンプ２の吐出圧は、図略のリリーフ弁によってリリーフ圧以下に保たれる。
本実施形態では、油圧アクチュエータ５が複動シリンダであり、制御弁４が一対の給排ライン１２により油圧アクチュエータ５と接続されている。ただし、油圧アクチュエータ５が単動シリンダであり、制御弁４が１本の給排ライン１２により油圧アクチュエータ５と接続されてもよい。あるいは、油圧アクチュエータ５は、油圧モータであってもよい。
制御弁４は、操作装置６が操作されることによって、中立位置から第１位置（油圧アクチュエータ５を一方向に作動させる位置）または第２位置（油圧アクチュエータ５を逆方向に作動させる位置）に切り換えられる。本実施形態では、制御弁４が油圧パイロット式であり、一対のパイロットポートを有する。ただし、制御弁４は、電磁パイロット式であってもよい。
操作装置６は、操作部６１を有し、操作部６１に対する操作量に応じた操作信号を出力する。つまり、操作装置６から出力される操作信号は、操作量が大きくなるほど大きくなる。操作部６１は、例えば操作レバーであるが、フットペダルなどであってもよい。
本実施形態では、操作装置６が、操作信号としてパイロット圧を出力するパイロット操作弁である。このため、操作装置６が一対のパイロットライン１３により制御弁４のパイロットポートと接続されている。そして、操作装置６から出力されるパイロット圧（操作信号）が大きくなるほど、制御弁４が油圧アクチュエータ５へ作動油を供給する通路の開口面積を増大させる。
上述したレギュレータ３は、電気信号により作動する。例えば、レギュレータ３は、ポンプ２が斜板ポンプである場合、ポンプ２の斜板と連結されたサーボピストンに作用する油圧を電気的に変更するものであってもよいし、ポンプ２の斜板と連結された電動アクチュエータであってもよい。
レギュレータ３は、制御装置７により制御される。例えば、制御装置７は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有し、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
制御装置７は、上述した一対のパイロットライン１３のそれぞれに設けられた圧力センサ８と電気的に接続されている。ただし、図１では、図面の簡略化のために一部の信号線のみを描いている。
圧力センサ８は、操作装置６から出力されるパイロット圧を検出する。そして、制御装置７は、図２に示すように、圧力センサ８で検出されるパイロット圧（操作信号）に応じた操作要求流量Ｑａを決定する。つまり、操作要求流量Ｑａは、パイロット圧が大きくなるほど大きくなる。本実施形態では、操作要求流量Ｑａがパイロット圧に比例する。ただし、操作要求流量Ｑａと操作信号との関係線は、必ずしも直線である必要はなく、図２中に破線で示すように上向きまたは下向きに凸の曲線であってもよい。
また、制御装置７は、供給ライン１１に設けられた圧力センサ９とも電気的に接続されている。圧力センサ９は、ポンプ２の吐出圧を検出する。そして、制御装置７は、圧力センサ９で検出されるポンプ２の吐出圧に応じた馬力制御流量Ｑｂを決定する。
具体的に、制御装置７には、図３に示すように、ポンプ２の吐出圧と馬力制御流量Ｑｂとの関係を規定する第１馬力制御線Ｌ１が格納されている。制御装置７は、この第１馬力制御線Ｌ１に基づいて馬力制御流量Ｑｂを決定する。
本実施形態では、操作要求流量Ｑａの最大値と馬力制御流量Ｑｂの最大値がほぼ等しいが、これらは異なっていてもよい。この関係は、油圧アクチュエータ５、制御弁４および操作装置６のセットが複数設けられる場合において、各操作装置６が単独で操作されるときも同様である。
操作要求流量Ｑａおよび馬力制御流量Ｑｂの決定後、制御装置７は、ポンプ２の吐出流量が操作要求流量Ｑａと馬力制御流量Ｑｂのうちの小さい方となるように、レギュレータ３を制御する。
さらに、本実施形態では、図３に示すように、制御装置７に、第１馬力制御線Ｌ１よりも低い第２馬力制御線Ｌ２が格納されている。換言すれば、第２馬力制御線Ｌ２は、上述した馬力制御流量Ｑｂよりも低い第２の馬力制御流量を規定する。
本実施形態では、第２馬力制御線Ｌ２が第１馬力制御線Ｌ１と相似形である。例えば、第２馬力制御線Ｌ２は、第１馬力制御線Ｌ１の７０〜９８％の吐出流量を規定する。ただし、第２馬力制御線Ｌ２は必ずしも第１馬力制御線Ｌ１と相似形である必要はない。例えば、第１馬力制御線Ｌ１と第２馬力制御線Ｌ２との間隔は、吐出圧力の低い側では小さく、吐出圧力の高い側では大きくてもよい。
本実施形態では、第２馬力制御線Ｌ２が、特殊加速条件を満たす場合であって、作動油の温度が所定値（例えば、４０〜５０℃）よりも高いときに使用される。特殊加速条件を満たす場合とは、操作装置６から出力される操作信号が増加した場合（油圧アクチュエータ５を加速させるべく操作装置６の操作量が大きくなった場合）であって、操作装置６から出力される操作信号に応じた操作要求流量Ｑａが圧力センサ９で検出されるポンプ２の吐出圧に応じた馬力制御流量Ｑｂよりも大きな場合である。
つまり、特殊加速条件を満たす場合でも、作動油の温度が所定値よりも低いときは、第１馬力制御線Ｌ１のみが使用される。また、特殊加速条件を満たさない場合、つまり操作装置６から出力される操作信号が一定または減少する場合も、第１馬力制御線Ｌ１のみが使用される。ただし、第２馬力制御線Ｌ２は、特殊加速条件を満たす場合は、作動油の温度に拘らずに常に使用されてもよい。
制御装置７は、第１馬力制御線Ｌ１のみを使用する場合、操作要求流量Ｑａが馬力制御流量Ｑｂよりも大きなときは、圧力センサ９で検出されるポンプ２の吐出圧とポンプ２の吐出流量とで定まる作動点が第１馬力制御線Ｌ１上に維持されるように、ポンプ２の傾転角を減少または増加させる。ポンプ２の吐出流量は、ポンプ２の傾転角から求まる一回転当りのポンプ吐出容量とエンジン２１の回転数とを掛け合わせることによって求められる。
作動油の温度は、作動油を貯留するタンクに設けられる温度センサにより検出されてもよい。あるいは、大気温度を検出する温度センサが採用され、その温度センサで検出される温度が閾値よりも高い場合を、作動油の温度が所定値よりも高い場合とみなしてもよい。さらには、エンジン２１の冷却水の温度を作動油の温度として取り扱うことも可能である。
特殊加速条件を満たす場合であって、作動油の温度が所定値よりも高いときは、制御装置７は、圧力センサ９で検出されるポンプ２の吐出圧とポンプ２の吐出流量とで定まる作動点が第１馬力制御線Ｌ１を超えるまでは、ポンプ２の傾転角を操作要求流量Ｑａに対応する傾転角とする。
一方、作動点が第１馬力制御線Ｌ１を越えたときは（図３中のＡ点）、制御装置７は、ポンプ２の傾転角を、第１馬力制御線Ｌ１により定まる傾転角（現在の吐出圧力における第１馬力制御線Ｌ１上の点に対応する傾転角）になるまで減少させる。その結果、第１馬力制御線Ｌ１を越えた作動点が第１馬力制御線Ｌ１と第２馬力制御線Ｌ２の間にシフトしたときは、制御装置７は、ポンプ２の傾転角を維持する。
あるいは、ポンプ２の傾転角を減少させることにより、作動点が第２馬力制御線Ｌ２を下回ったときは（図３中のＢ点）、制御装置７は、ポンプ２の傾転角を、第２馬力制御線Ｌ２により定まる傾転角（現在の吐出圧力における第２馬力制御線Ｌ２上の点に対応する傾転角）なるまで増加させる。その結果、第２馬力制御線Ｌ２を下回った作動点が第１馬力制御線Ｌ１と第２馬力制御線Ｌ２の間にシフトしたときは、制御装置７は、ポンプ２の傾転角を維持する。
以上説明したように、本実施形態の油圧システム１では、馬力制御を行う際のポンプ２の傾転角を減少させるべきときの判断基準である第１馬力制御線Ｌ１とポンプ２の傾転角を増加させるべきときの判断基準である第２馬力制御線Ｌ２との間にヒステリシスが設けられている。このため、ポンプ２の傾転角が変更されて作動点が第１馬力制御線Ｌ１と第２馬力制御線Ｌ２の間にシフトしたときは、ポンプ２の傾転角はそれ以上変更されない。従って、追加部品の不要なシンプルな構成で、ポンプ２の吐出流量の増減の繰り返しを抑制でき、油圧アクチュエータ５の挙動のハンチングを抑制することができる。しかも、このハンチングの抑制は、温度（特に低温時）により特性が大きく変化してしまう絞りなどの部品を使うことなく、制御装置による電子的な制御により行われるため、作動油の温度が低いときの弊害をもたらすことがない。従って、操作装置６を急に操作したときでも応答性を犠牲にすることなく、作動油の温度に対して低い温度から通常作業温度（暖気運転終了後）まで、安定性に優れた油圧システム１を実現できる。
例えば、従来技術のように第１馬力制御線Ｌ１のみを使用した場合には、大気温度が低い場合に暖気運転が終了した後に、図４（ａ）に示すように操作装置が素早く大きく操作されると、図４（ｂ）に破線で示すようにポンプ２の吐出流量が増減を繰り返し、油圧アクチュエータの挙動にハンチングが生じる。これに対し、本実施形態のように第１馬力制御線Ｌ１に加えて第２馬力制御線Ｌ２を使用した場合には、図４（ｂ）中に実線で示すようにポンプ２の吐出流量の増減の繰り返しを抑制でき、油圧アクチュエータ５の挙動のハンチングを抑制することができる。
また、本実施形態では、特殊加速条件を満たす場合でも作動油の温度が所定値より低いときは第２馬力制御線Ｌ２が使用されないので、作動油の温度が比較的に高くて油圧アクチュエータ５の挙動にハンチングが生じ易いとき以外は、第１馬力制御線Ｌ１を使用した簡単な制御を行うことができ、エンジン２１などの動力をより多く使うことができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、操作装置６は、操作信号として電気信号を制御装置７へ出力する電気ジョイスティックであってもよい。この場合、圧力センサ８は不要であり、制御弁４の各パイロットポートが電磁比例弁の二次圧ポートと接続される。
１ 油圧システム
２ ポンプ
３ レギュレータ
４ 制御弁
５ 油圧アクチュエータ
６ 操作装置
６１ 操作部
７ 制御装置
８，９ 圧力センサ

Claims (2)

  1. 操作部に対する操作量に応じた操作信号を出力する操作装置と、
    可変容量型のポンプと、
    前記ポンプの傾転角を調整するレギュレータと、
    前記ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、
    前記ポンプの吐出流量が、前記操作装置から出力される操作信号に応じた操作要求流量と、前記圧力センサで検出される前記ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量のうちの小さい方となるように、前記レギュレータを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置には、前記ポンプの吐出圧と前記馬力制御流量との関係を規定する第１馬力制御線と、これよりも低い第２馬力制御線が格納されており、
    前記制御装置は、前記操作装置から出力される操作信号が増加した場合、前記圧力センサで検出されるポンプの吐出圧と前記ポンプの吐出流量とで定まる作動点が前記第１馬力制御線を超えるまでは前記ポンプの傾転角を前記操作要求流量に対応する傾転角とし、前記作動点が前記第１馬力制御線を越えたときは前記ポンプの傾転角を前記第１馬力制御線により定まる傾転角になるまで減少させ、前記作動点が前記第２馬力制御線を下回ったときは前記ポンプの傾転角を前記第２馬力制御線により定まる傾転角になるまで増加させ、前記第１馬力制御線を越えた前記作動点が前記第１馬力制御線と前記第２馬力制御線の間にシフトしたとき、または前記第２馬力制御線を下回った前記作動点が前記第１馬力制御線と前記第２馬力制御線の間にシフトしたときは、前記ポンプの傾転角を維持する、油圧システム。
  2. 前記制御装置は、前記操作装置から出力される操作信号が増加した場合であって、前記操作装置から出力される操作信号に応じた操作要求流量が前記圧力センサで検出される前記ポンプの吐出圧に応じた馬力制御流量よりも大きな場合でも、作動油の温度が所定値よりも低いときは、前記第２馬力制御線を使用せずに前記第１馬力制御線を使用して前記ポンプの傾転角を減少または増加させる、請求項１に記載の油圧システム。
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