JP7412181B2

JP7412181B2 - 油圧ポンプシステム、及び制御装置

Info

Publication number: JP7412181B2
Application number: JP2020002529A
Authority: JP
Inventors: 哲弘近藤; 英泰村岡
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: US20230049890A1; JP2021110391A; WO2021140821A1; CN114787520A

Description

本発明は、油圧ポンプの吐出流量を調整可能な油圧ポンプシステムに関する。

建設機械等では、油圧アクチュエータの駆動状態等に応じて油圧ポンプの吐出流量を変えることができる油圧ポンプシステムが備わっている。油圧ポンプシステムの一例としては、例えば特許文献１のようなものが知られている。特許文献１の油圧ポンプシステムでは、可変容量型の油圧ポンプを備えており、油圧アクチュエータの駆動状態等に応じて斜板の傾転角が変わる、即ち油圧ポンプの吐出流量が変わる。

特開２０１８－１７９１９９号公報

特許文献１に記載される油圧ポンプシステムでは、油圧ポンプから吐出される作動油の圧力、即ち吐出圧を利用して傾転角を変えている。そのため、油圧ポンプの吐出圧が低い状態において傾転角を変えるべく十分な揺動力が得られない。それ故、吐出圧が上昇するまで待つ必要があり、操作具の操作に対する吐出流量の追従性が低い。

そこで本発明は、操作具の操作に対する吐出流量の追従性を更に向上させることができる油圧ポンプシステム、及び制御装置を提供することを目的としている。

第１の発明の油圧ポンプシステムは、吐出流量を変更可能な油圧ポンプと、前記油圧ポンプの吐出流量を調整するレギュレータ装置と、操作具を有する操作装置と、前記操作具のロック状態を切換えるロック切換入力部と、その開口面積を変えることによって前記油圧ポンプの吐出圧を調整するアンロード弁と、前記アンロード弁の動きを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、所定の作動条件を充足すると、前記アンロード弁の開口面積を減少させて前記油圧ポンプの吐出圧を昇圧させ、前記レギュレータ装置は、前記制御装置が前記油圧ポンプの吐出圧を昇圧させた後、前記油圧ポンプの吐出流量を増加させ、前記作動条件は、前記ロック切換入力部によって前記操作具のロック状態が解除されていることを含むものである。

本発明に従えば、操作具のロックが解除されると、吐出圧が上昇するので、操作具が操作される際に傾斜角を変えるべく十分な揺動力を得ることができる。それ故、操作量に対する吐出流量の追従性を向上させることができる。

第２の発明の制御装置は、吐出流量を変更可能な可変容量型の油圧ポンプの吐出圧の昇圧に応じて吐出流量を増加させるレギュレータ装置、及びその開口面積を変えることによって前記油圧ポンプの吐出圧を調整するアンロード弁の動きを制御し、ロック切換入力部に対する操作に応じて操作具のロック状態を切換え、所定の作動条件を充足すると、前記アンロード弁の開口面積を減少させて前記油圧ポンプの吐出圧を高め、前記作動条件は、前記ロック切換入力部によって前記操作具のロック状態が解除されていることを含むものである。

第２の発明に従えば、操作具のロックが解除されると、吐出圧が上昇するので、操作具が操作される際に傾斜角を変えるべく十分な揺動力を得ることができる。それ故、操作量に対する吐出流量の追従性を向上させることができる。

第１及び第２の発明によれば、操作具の操作に対する吐出流量の追従性を更に向上させることができる。

第１及び第２実施形態の油圧ポンプシステムを示す油圧回路である。第１実施形態の油圧ポンプシステムにおける各種状態値の経時変化を示すグラフである。第２実施形態の油圧ポンプシステムにおける各種状態値の経時変化を示すグラフである。

以下、本発明に係る第１及び第２実施形態の油圧ポンプシステム１，１Ａについて図面を参照して説明する。なお、以下に説明する油圧ポンプシステム１，１Ａは、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

［第１実施形態］
油圧ショベル等の建設機械では、油圧シリンダ及び油圧モータ等の油圧アクチュエータ（図示せず）を駆動すべく、図１に示すような油圧駆動システム２が備わっている。油圧駆動システム２は、油圧ポンプシステム１と、方向制御弁３とを備えている。油圧ポンプシステム１は、油圧ポンプ１１と、レギュレータ装置１３と、アンロード弁１４と、制御装置１５、操作装置１６と、ロック切換入力部１７と、を備えている。油圧ポンプ１１は、エンジンＥに回転駆動され、作動液を吐出する。油圧ポンプ１１は、方向制御弁３を介して油圧アクチュエータに繋がっており、方向制御弁３は、油圧アクチュエータに流れる作動液の方向及び流量を切換える。即ち、方向制御弁３は、スプール３ａを有しており、スプール３ａは、中立位置において油圧ポンプ１１と油圧アクチュエータとの間を遮断する。また、スプール３ａは、中立位置から移動させることによって作動油の方向及び流量を変更し、スプール３ａを動かすことによって油圧アクチュエータを所望の速度にて動かすことができる。

更に、油圧ポンプ１１は、吐出容量を変更することができ、本実施形態において可変容量型の斜板ポンプである。即ち、油圧ポンプ１１は、斜板１１ａを有し、その傾転角を変更することで吐出容量を変更できる。また、斜板１１ａには、レギュレータ装置１３が設けられている。なお、油圧ポンプ１１は、斜板ポンプに限定されず、斜軸ポンプであってもよい。レギュレータ装置１３は、斜板１１ａの傾転角を変更して吐出容量を調整するものであり、サーボピストン２１と、調整弁２２と、流量制御比例弁２３とを有している。

サーボピストン２１は、斜板１１ａに連結されており、その軸線方向に移動することで斜板１１ａの傾転角を変更する。更に詳細に説明すると、サーボピストン２１は、２つの受圧部を有する。小径に形成される第１受圧部は、第１受圧室１３ａに導かれる吐出圧を受圧し、大径に形成される第２受圧部は第２受圧室１３ｂに導かれる制御圧を受圧する。第１受圧室１３ａに働く圧力によって斜板１１ａは傾転が大きくなる側に、第２受圧室１３ｂに働く圧力によって斜板１１ａが小さくなる側に揺動する。そして、サーボピストン２１は、各受圧部に作用する力が釣り合う位置に移動する。このようにして、制御圧を変えることによってサーボピストン２１の位置を調整し、吐出流量を増減させることができる。そして、第２受圧室１３ｂには、制御圧を調整すべく調整弁２２が接続されている。

調整弁２２は、スプール２２ａ、スリーブ２２ｂ、流量制御ピストン２２ｃを有し、スプール２２ａを動かして制御圧を調整する。更に詳細に説明すると、調整弁２２には、流量制御比例弁２３が設けられている。流量制御比例弁２３は、油圧ポンプ１１の吐出圧を一次圧とし、そこに入力される指令信号に応じた二次圧である作動圧を出力する。作動圧は、流量制御ピストン２２ｃを介してスプール２２ａに作用しており、スプール２２ａは、作動圧に応じて流量増加方向（図１の左方向、図１のスプール２２ａの位置としては右位置）及び流量低下方向（図１の右方向、図１のスプール２２ａの位置としては左位置）に移動する。そして、スプール２２ａが流量増加方向に移動すると、第２受圧室１３ｂがタンク１８に接続され制御圧が低下する。これにより、サーボピストン２１が第２受圧室１３ｂ側に移動し、斜板１１ａの傾転が増加する、即ち吐出量が増加する。他方、スプール２２ａが流量低下方向に移動すると、第２受圧室１３ｂが油圧ポンプ１１の吐出ポート１１ｂに接続されて制御圧が上昇する。これにより、サーボピストン２１が第１受圧室１３ａ側に移動し、斜板１１ａの傾転が減少する、即ち吐出量が減少する。

また、スプール２２ａには、サーボピストン２１に連動するスリーブ２２ｂが外装されている。スリーブ２２ｂは、第２受圧室１３ｂの油圧による推力と第１受圧室１３ａの油圧による推力とが釣り合う位置（スプール２２ａに対応する相対位置）に移動する。詳細に説明すると、前述の制御圧は、油圧ポンプ１１の吐出ポート１１ｂからタンク１８に繋がる通路における２つの直列絞り（図示せず）の中間部分の圧力である。このようにして、サーボピストン２１がスプール２２ａに対応する位置にて停止する。このように調整弁２２は、流量制御比例弁２３に入力される指令信号に応じた位置へとスプール２２ａを動かし、油圧ポンプ１１の吐出流量を指令信号に応じた流量へと変更することができる。

このように構成される油圧ポンプシステム１は、前述の通り、アンロード弁１４を備えている。アンロード弁１４は、方向制御弁３と並列するように油圧ポンプ１１の吐出ポート１１ｂに接続され、且つタンク１８に接続されている。アンロード弁１４は、流量の作動油をタンク１８に排出して油圧ポンプ１１をアンロードするものであり、更に以下のような機能を有する。即ち、アンロード弁１４には、本実施形態において電磁比例弁１９が設けられている。電磁比例弁１９は、そこに入力される指令信号に応じてパイロット圧を出力し、アンロード弁１４は、パイロット圧に応じて開口面積を変える。これにより、アンロード弁１４の開口面積に応じた流量の作動油がタンク１８に排出され、油圧ポンプ１１の吐出圧が調整される。このような機能を有するアンロード弁１４は、制御装置１５に電気的に接続されている。

制御装置１５は、アンロード弁１４の電磁比例弁１９の他に、方向制御弁３、及び流量制御比例弁２３に電気的に接続されており、これらの弁３，１９，２３に指令信号を出力してそれらの動きを制御する。また、制御装置１５には、操作装置１６及びロック切換入力部１７が電気的に接続されている。操作装置１６は、油圧アクチュエータを操作するためのものであり、本実施形態では電気ジョイスティックである。なお、操作装置１６は、電気ジョイスティックに限定されずパイロット操作弁であって、この出力圧を取得可能な圧力センサと組み合わせて用いられてもよい。

操作装置１６は、操作具である操作レバー１６ａを有し、制御装置１５は、操作レバー１６ａの操作量に応じて方向制御弁３のスプール３ａを中立位置から移動させる。これにより、操作レバー１６ａの操作量に応じて油圧アクチュエータが作動する。また、制御装置１５は、操作レバー１６ａの操作量に応じた圧力のパイロット圧を電磁比例弁１９から出力させてアンロード弁１４を閉じる、又は開口面積を低減させる。これにより、油圧ポンプ１１の吐出圧が昇圧されて第１受圧室１３ａが昇圧されるので、油圧ポンプ１１の吐出流量が増加する。

また、ロック切換入力部１７は、操作装置１６の機能をロック状態の有無を選択するためのものであり、本実施形態においてレバー等である。なお、ロック切換入力部１７は、レバーに限定されず、切替スイッチ等であってもよい。制御装置１５は、ロック切換入力部１７が操作されると、ロック状態のＯＮ及びＯＦＦを切換える。制御装置１５は、ロック状態がＯＮである場合、操作レバー１６ａの操作を無効にし、操作レバー１６ａの操作量に関わらず方向制御弁３のスプール３ａを中立位置にて維持する。他方、ロック状態がＯＦＦである場合、制御装置１５は、操作レバー１６ａの操作を有効にし、操作レバー１６ａの操作量に応じて方向制御弁３のスプール３ａを動かす。

このように構成されている油圧ポンプシステム１では、操作レバー１６ａが中立位置に位置する中立状態において、制御装置１５が流量制御比例弁２３の出力を止めて第２受圧室１３ｂに吐出圧を導くようにする。これにより、サーボピストン２１が第１受圧室１３ａ側に移動し、油圧ポンプ１１の吐出流量を最小流量にする。更に中立状態で且つロック状態がＯＮである場合（即ち、後述する作動条件を充足していない場合）、制御装置１５は、アンロード弁１４の開口面積を所定の第１開口面積（例えば、最大開口面積の８０％以上の開口面積）、本実施形態では最大開口面積にし、油圧ポンプ１１をアンロード状態にしている。これにより、制御装置１５は油圧ポンプシステム１における動力損失を低減している。そして、ロック状態がＯＮからＯＦＦに切替えられ且つ操作レバー１６ａが図２のように操作されると、制御装置１５は以下のような処理を実行する。なお、図２に示す各グラフの縦軸は、上から順にロック状態、操作レバー１６ａの操作量、アンロード弁１４の開口面積、油圧ポンプ１１の吐出圧、及び油圧ポンプ１１の吐出流量を示し、横軸は経過時間を示す。後述する図３の各グラフもの同様である。

即ち、制御装置１５は、所定の作動条件を充足する、即ちロック状態がＯＦＦに切替えられる（即ち、ロック状態が解除される）と、アンロード弁１４をスタンバイ状態にする。ここで、スタンバイ状態とは、電磁比例弁１９を作動させてアンロード弁１４の開口面積が所定の第２開口面積（図２の時刻ｔ１１参照）まで閉じられている状態である。なお、第２開口面積は、油圧ポンプ１１の吐出圧が例えば０．６ＭＰａ以上５．０ＭＰａ以下となるような面積であり、具体的には最大開口面積の１％以上３０％未満であり、本実施形態では最大開口面積の５％である。スタンバイ状態にすることによって、油圧ポンプ１１の吐出圧を昇圧させることができ、昇圧された作動液を第１受圧室１３ａに導くことができる。これにより、操作レバー１６ａが操作された際に油圧ポンプ１１の斜板１１ａの傾転角を変えるべく十分な揺動力を得ることができ、操作量に対する油圧ポンプ１１の吐出流量の追従性を向上させることができる。

また、作動条件を充足している状態で操作レバー１６ａが操作されると、制御装置１５は、操作レバー１６ａの操作量が第１所定量を超えた時（図２の時刻ｔ１２参照）に電磁比例弁１９の出力を操作量に応じて大きくしてアンロード弁１４の開口面積を更に低減させる。それ故、操作量に応じた吐出流量が油圧ポンプ１１から吐出される。そして、操作量が第２所定量（図２の時刻ｔ１３参照）を超えて第３操作量（図２の時刻ｔ１４参照）に達したところで、制御装置１５はアンロード弁１４を完全に閉じる。なお、第２所定量は、方向制御弁３が開いて油圧アクチュエータに作動油が供給され始める操作量である。

このように操作量が第２所定量より小さい第１所定量にてアンロード弁１４を閉じ始めることによって、吐出流量を素早く増加させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態の油圧ポンプシステム１Ａは、第１実施形態の油圧ポンプシステム１と構成が同一であり、その制御装置１５Ａが実行する処理が異なる。従って、第２実施形態の油圧ポンプシステム１Ａについては、主に制御装置１５Ａが実行する処理について説明し、構成については第１実施形態の油圧ポンプシステム１の構成と同一の符号を付して説明を省略する。

油圧ポンプシステム１Ａでは、作動条件に操作レバー１６ａが操作されて操作量が第１所定量以上であることが含まれ、図３に示すようにロック状態がＯＦＦに切替えられた後（図３の時刻ｔ２１参照）も、制御装置１５Ａがアンロード弁１４の開口面積を最大開口面積に維持する。これにより、油圧ポンプシステム１Ａにおける動力損失を抑えることができる。その後、操作レバー１６ａが操作されて操作量が第１所定量になった際、制御装置１５Ａは、アンロード弁１４をスタンバイ状態にする（図３の時刻ｔ２２参照）。その後、更に操作量が増加すると、操作量に応じてアンロード弁１４を更に閉じていき（図３の時刻ｔ２３参照）、操作量が第２所定量を超えて（図３の時刻ｔ２３参照）第３操作量（図３の時刻ｔ２４参照）に達したところで、制御装置１５Ａがアンロード弁１４を完全に閉じる。

このように構成されている油圧ポンプシステム１Ａは、前述するような操作レバー１６ａの操作前における動力損失の低減の他、第１実施形態の油圧ポンプシステム１と同様の作用効果を奏する。

［その他の実施形態］
本実施形態の油圧ポンプシステム１，１Ａでは、アンロード弁１４が方向制御弁３に並列するように油圧ポンプ１１に接続されているが、必ずしもこのように接続されている必要はない。例えば、方向制御弁３がセンターバイパス通路を有する場合、そのセンターバイパス通路において方向制御弁３の下流側にアンロード弁１４が介在するようにしてもよく、方向制御弁３と別体であって油圧ポンプ１１の吐出圧を昇圧することができる弁（すなわち通路面積を低減できる弁）があれば同様の作用効果を奏する。また、レギュレータ装置１３の構成も、前述するような構成に限定されず、油圧ポンプ１１の吐出圧を利用して吐出流量を調節できる構成であればよい。

また、本実施形態の油圧ポンプシステム１，１Ａでは、アンロード弁１４の第２開口面積が一定値になっているが、油圧ポンプ１１の回転数に応じて第２開口面積を変えてもよい。即ち、制御装置１５が油圧ポンプ１１の回転数を取得し、それに応じて第２開口面積を変えてもよい。

１，１Ａ油圧ポンプシステム
１１油圧ポンプ
１３レギュレータ装置
１４アンロード弁
１５，１５Ａ制御装置
１６操作装置
１６ａ操作レバー（操作具）
１７ロック切換入力部

Claims

吐出流量を変更可能な油圧ポンプと、
前記油圧ポンプの吐出流量を調整するレギュレータ装置と、
操作具を有する操作装置と、
前記操作具のロック状態を切換えるロック切換入力部と、
その開口面積を変えることによって前記油圧ポンプの吐出圧を調整するアンロード弁と、
前記アンロード弁の動きを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、所定の作動条件を充足すると、前記アンロード弁の開口面積を減少させて前記油圧ポンプの吐出圧を昇圧させ、
前記レギュレータ装置は、前記制御装置が前記油圧ポンプの吐出圧を昇圧させた後、前記油圧ポンプの吐出圧の昇圧に応じて前記油圧ポンプの吐出流量を増加させ、
前記作動条件は、前記ロック切換入力部によって前記操作具のロック状態が解除されていることを含む、油圧ポンプシステム。
前記作動条件は、前記操作具の操作量が所定量以上であることを更に含む、請求項１に記載の油圧ポンプシステム。
前記制御装置は、前記作動条件を充足している状態で前記操作具が操作されると、前記アンロード弁の開口面積を前記操作具の操作量に応じて減少させる、請求項１又は２に記載の油圧ポンプシステム。
前記制御装置は、前記作動条件を充足しない場合、前記アンロード弁の開口面積を最大にする、請求項１乃至３の何れか１つに記載の油圧ポンプシステム。
吐出流量を変更可能な可変容量型の油圧ポンプの吐出圧の昇圧に応じて吐出流量を増加させるレギュレータ装置、及びその開口面積を変えることによって前記油圧ポンプの吐出圧を調整するアンロード弁の動きを制御し、
ロック切換入力部に対する操作に応じて操作具のロック状態を切換え、
所定の作動条件を充足すると、前記アンロード弁の開口面積を減少させて前記油圧ポンプの吐出圧を昇圧させた後、前記レギュレータに前記油圧ポンプの吐出圧の昇圧に応じて前記油圧ポンプの吐出流量を増加させ、
前記作動条件は、前記ロック切換入力部によって前記操作具のロック状態が解除されていることを含む、制御装置。
前記作動条件は、前記操作具の操作量が所定量以上であることを更に含む、請求項５に記載の制御装置。