JP6001569B2 - ポンプトルク制限を実施する油圧制御システム - Google Patents

Description

本開示は、一般に、油圧制御システムに関し、より詳細には、ポンプトルク制限動作を実施する油圧制御システムに関する。

ホイールローダ、掘削機、ドーザ、モータグレーダ、および他のタイプの重機などの機械は、様々な作業を達成するために機械の１つまたは複数のポンプから油圧流体を供給される複数のアクチュエータを使用する。これらのアクチュエータは、典型的には、とりわけ操作者インターフェースデバイスの作動位置に基づいて速度制御される。特に、操作者は、特定のインターフェースデバイスを特定の変位位置に移動させるとき、対応する油圧式アクチュエータが所望の方向に所定の速度で移動することを期待する。しかし、操作中、全体として供給ポンプを駆動するエンジンのトルク制限量（ｔｏｒｑｕｅ ｌｉｍｉｔ）および／または動力出力を供給ポンプが超えてしまうような速度での複数のアクチュエータの移動を操作者が要求する可能性があり得る。チェックされていない場合、エンジンを停滞させる、および／またはエンジンを非効率的に動作させるような速度を操作者が要求する可能性があり得る。

機械の油圧システムの動作によって引き起こされるエンジン停滞の可能性を減少するための試みの一つは、２０１０年１月２４日に公開されたＢｒｉｃｋｎｅｒ他の（特許文献１）（’４０３公開）で開示されている。特に、（特許文献１）は、対応する複数のアクチュエータに複数の弁を通して加圧流体を供給するために、エンジンによって駆動される可変変位ポンプと、手動制御デバイスおよび弁と通信する制御装置とを有する油圧システムを記載する。制御装置は、手動制御デバイスから、各アクチュエータに関する所望の速度を受信し、エンジンから、ポンプトルク制限量を受信するように構成される。制御装置は、さらに、所望の速度に対応するアクチュエータに対する流量と、ポンプトルク制限量に基づく流れ制限量（ｆｌｏｗ ｌｉｍｉｔ）とを決定するように構成される。次いで、制御装置は、ポンプトルク流れ制限量を所望の流量の和で割った値である縮小比を計算し、次いで、対応する指令が各弁に向けられる前に、決定された流量それぞれにその比を適用するように構成される。縮小比は、指令される流量が、全体として、エンジンによって要求されるトルク制限量よりも大きいポンプトルクを要求しないことを保証する助けとなる。

（特許文献１）のシステムは、エンジン停滞の可能性を減少する助けとなり得るが、最適ではないことがある。特に、（特許文献１）のシステムは、ポンプ流量容量、アクチュエータ停滞、流れ補正、または重力補助など、弁を通る流れおよびポンプトルクに影響を及ぼす他の因子を考慮に入れていないことがある。

米国特許出願公開第２０１０／０１５４４０３号明細書

開示する油圧制御システムは、上述した問題、および／または従来技術の他の問題の１つまたは複数を克服することを対象とする。

一態様では、本開示は、油圧制御システムを対象とする。この油圧制御システムは、流体を加圧するように構成されたポンプと、加圧流体を受け取るように構成された複数のアクチュエータと、ポンプから複数のアクチュエータに加圧流体を計量供給するように構成された複数の弁機構とを含むことがある。また、この油圧制御システムは、複数のアクチュエータの所望の速度を示す信号を生成するように構成された少なくとも１つの操作者入力デバイスと、複数の弁および少なくとも１つの操作者入力デバイスと通信する制御装置とを有することもある。制御装置は、ポンプトルク制限量を受信し、最大ポンプ流量容量を決定し、少なくとも１つの操作者入力デバイスからの信号に基づいて複数の弁機構それぞれに関する所望の流量を決定するように構成することができる。また、制御装置は、最大ポンプ流量容量に基づいて所望の流量の第１の減少を行い、ポンプトルク制限量に基づいて所望の流量の第２の減少を行い、第２の減少後の所望の流量を計量供給するように複数の弁機構に指令するように構成することもできる。

別の態様では、本開示は、機械を動作させる方法を対象とする。この方法は、流体を加圧するステップと、加圧に関連付けられるトルク制限量を受信するステップと、加圧に関連付けられる最大流量容量を決定するステップとを含むことがある。さらに、この方法は、複数の油圧式アクチュエータに関する所望の速度を示す操作者入力を受信するステップと、所望の速度に基づいて、複数の油圧式アクチュエータそれぞれに関する流体の所望の流量を決定するステップとを含むことがある。この方法は、さらに、最大流量容量に基づいて所望の流量の第１の減少を行うステップと、トルク制限量に基づいて所望の流量の第２の減少を行うステップと、第２の減少後に、複数の油圧式アクチュエータに加圧流体を計量供給するステップとを含むこともある。

開示する例示的な機械の概略側面図である。 図１の機械に関連付けて使用することができる開示する例示的な油圧制御システムの概略図である。 図２の油圧制御システムによって行われる例示的な開示する方法を示すフローチャートである。

図１は、作業を達成するために協働する複数のシステムおよび構成要素を有する例示的な機械１０を示す。機械１０は、採掘、建設、農業、輸送、または当技術分野で知られている他の産業など、ある産業に関連付けられるあるタイプの動作を実施する固定または可動機械を具現化することができる。例えば、機械１０は、図１に示されるローダなど、資材運搬機械でよい。あるいは、機械１０は、掘削機、ドーザ、バックホー、モータグレーダ、ダンプトラック、または他の同様の機械を具現化することができる。機械１０は、とりわけ、作業工具１４を移動させるように構成された連係システム１２と、連係システム１２に動力を提供するプライムムーバ１６とを含むことがある。

連係システム１２は、作業工具１４を移動させるために、流体アクチュエータによって作用を及ぼされる構造を含むことがある。具体的には、連係システム１２は、ブーム（すなわち上昇部材）１７を含むことがあり、ブーム１７は、１対の隣接する複動型油圧式シリンダ２０（図１には一方のみを示す）によって、作業面１８に対して水平軸２８の周りで垂直方向に回動可能である。また、連係システム１２は、水平軸３０の周りでブーム１７に対して垂直方向に作業工具１４を傾動させるために接続された単一の複動型油圧式シリンダ２６を含むこともある。ブーム１７は、一端で、機械１０の本体３２に回動可能に接続されることがあり、ブーム１７の他端には、作業工具１４が回動可能に接続されることがある。代替的な結合構成もまた可能となり得ることに留意されたい。

単一の機械１０に多数の異なる作業工具１４を取付け可能であることがあり、特定の作業を行うように制御することができる。例えば、作業工具１４は、バケツ（図１に示す）、フォーク機構、ブレード、ショベル、リッパ、ダンプベッド、ほうき、除雪機、推進デバイス、切削デバイス、把持デバイス、または当技術分野で知られている別の作業実施デバイスを具現化することができる。作業工具１４は、図１の実施形態では機械１０に対して上昇および傾動するように接続されているが、あるいは、またはさらに、回動、回転、摺動、揺動、または任意の他の好適な様式で移動することができる。

プライムムーバ１６は、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、気体燃料エンジン、または当技術分野で知られている別のタイプの燃焼機関などのエンジンを具現化することができ、機械１０の本体３２によって支持され、機械１０および作業工具１４の移動のために動力供給するように動作可能である。あるいは、プライムムーバは、必要に応じて、燃料電池、動力貯蔵デバイス（例えばバッテリ）、または当技術分野で知られている別の動力源など、非燃焼動力源を具現化することができることが企図される。プライムムーバは、機械的または電気的な動力出力を発生することができ、次いで、この動力出力を、油圧式シリンダ２０および２６を移動させるための油圧力に変換することができる。

プライムムーバ１６は、油圧式シリンダ２０、２６による使用向けのものであることがある限られた量の動力を有することがある。プライムムーバ１６が連続的に供給することができるよりも大きな動力が消費されるとき、プライムムーバ１６は停滞状態になり、出力速度および効率の低下を引き起こす可能性がある。いくつかの状況では、プライムムーバ１６は、停滞状態中に完全に機能停止することさえあり得る。したがって、プライムムーバ１６は、プライムムーバ１６を停滞状態にせずに油圧式シリンダ２０、２６が消費を許される最大トルク制限量を確立するように構成されることがある。

分かりやすくするために、図２は、ただ１つの油圧式シリンダ２６と、油圧式シリンダ２０の１つとの構成および接続を示す。しかし、機械１０は、必要に応じて、連係システム１２の同じ構造部材または他の構造部材を同様の様式で移動させるために接続された他の油圧式アクチュエータを含むこともできることに留意すべきである。

図２に示されるように、各油圧式シリンダ２０および２６は、第１のチャンバ３８と第２のチャンバ４０とを形成するように、管３４と、管３４の内部に配置されたピストンアセンブリ３６とを含むことがある。一例では、ピストンアセンブリ３６のロッド部分３６ａは、第２のチャンバ４０の端部を通って延在することがある。したがって、第２のチャンバ４０は、そのそれぞれのシリンダのロッドエンド４４に関連付けられることがあり、第１のチャンバ３８は、そのそれぞれのシリンダの反対側のヘッドエンド４２に関連付けられることがある。

第１のチャンバ３８と第２のチャンバ４０はそれぞれ、選択的に、加圧流体の供給および加圧流体の排出を行われることがあり、ピストンアセンブリ３６を管３４の内部で変位させ、それにより、油圧式シリンダ２０、２６の実効長さを変えて、作業工具１４（図１参照）を移動させる。第１のチャンバ３８および第２のチャンバ４０の内外への流体の流量は、油圧式シリンダ２０、２６および作業工具１４の速度に関係することがあり、第１のチャンバ３８と第２のチャンバ４０の圧力差は、作業工具１４に対して油圧式シリンダ２０、２６によって加えられる力に関係することがある。油圧式シリンダ２０、２６の伸張（矢印４６によって表される）と収縮（矢印４７によって表される）は、様々な様式で作業工具１４を移動させる（例えば、それぞれ作業工具１４を上昇および傾動させる）のを補助するように働くことがある。

第１のチャンバ３８および第２のチャンバ４０の充填および排出を調整する助けとなるように、機械１０は、相互接続して協働する複数の流体構成要素を有する油圧制御システム４８を含むことがある。油圧制御システム４８は、とりわけ、油圧式シリンダ２０、２６、エンジン駆動式ポンプ５２、およびタンク５３の間の回路を少なくとも部分的に形成する弁スタック５０を含むことがある。弁スタック５０は、上昇弁機構５４と、傾動弁機構５６と、いくつかの実施形態では１つまたは複数の補助弁機構（図示せず）とを含むことがあり、補助弁機構は、並列して加圧流体を受け取る、および放出するように流体接続される。一例では、弁機構５４、５６は、弁スタック５０を形成するために互いにボルト留めされた別個の本体を含むことがある。別の実施形態では、各弁機構５４、５６は、外部流路（図示せず）のみを介して互いに接続された独立型の機構でよい。必要に応じて、より多数、より少数、または異なる構成の弁機構を弁スタック５０の内部に含むことができることが企図される。例えば、連係システム１２、１つまたは複数の移動弁機構、および他の適切な弁機構の揺動運動を制御するように構成された揺動弁機構（図示せず）を弁スタック５０内に含むことができる。さらに、油圧制御システム４８は、油圧式シリンダ２０、２６の対応する移動をプライムムーバ１６により確立されたトルク制限量の中に制御するために、プライムムーバ１６および弁機構５４、５６と通信する制御装置５８を含むことがある。

上昇弁機構５４と傾動弁機構５６はそれぞれ、それらの関連の流体アクチュエータの運動を調整することができる。具体的には、上昇弁機構５４は、両方の油圧式シリンダ２０の運動を同時に制御し、それにより作業面１８に対してブーム１７を上昇させるように移動可能な要素を有することがある。同様に、傾動弁機構５６は、油圧式シリンダ２６の運動を制御し、それによりブーム１７に対して作業工具１４を傾動するように移動可能な要素を有することもある。ブーム１７の下降移動、および作業工具１４の下方向への傾動移動中、油圧式シリンダ２０、２６は、重力によって補助されることがある。対照的に、上方向への上昇および傾動移動中、油圧式シリンダ２０、２６は、重力に反して作業していることがある。重力補助移動中、油圧式シリンダ２０、２６は、再生モードで動作することが可能であることがあり、第１のチャンバ３８と第２のチャンバ４０の一方からの加圧流体（すなわち再生流体）が、第１のチャンバ３８と第２のチャンバ４０の他方の内部で即時に再使用するのに十分に高い圧力で放出されることがあり、それにより、油圧制御システム４８に対する負荷を減少させる。

弁機構５４、５６は、共通の経路を介して、油圧式シリンダ２０、２６への加圧流体の流れおよび油圧式シリンダ２０、２６からの加圧流体の流れを調整するように接続することができる。具体的には、弁機構５４、５６は、共通の供給経路６０を介してポンプ５２に接続することができ、共通の排出経路６２を介してタンク５３に接続することができる。上昇弁機構５４と傾動弁機構５６は、それぞれ別個の流体経路６６および６８を介して共通の供給経路６０に並列に接続することができ、また、それぞれ別個の流体経路７２および７４を介して共通の排出経路６２に並列に接続することができる。各流体経路６６、６８の内部に、圧力補償弁７８および／またはチェック弁７９を配設して、実質的に一定の流量を有する一方向での流体供給を弁機構５４、５６に提供することができる。圧力補償弁７８は、流れ通過位置と流れ阻止位置との間の差圧に応答して移動可能な事前補償弁（図２に示される）または事後補償弁（図示せず）でよく、それにより、圧力補償弁７８に向けられる流体の圧力が変わるときでさえ、流体の実質的に一定の流量が弁機構５４および５６に提供される。いくつかの用途では、必要に応じて、圧力補償弁７８および／またはチェック弁７９を省略することができることが企図される。

上昇弁機構５４と傾動弁機構５６はそれぞれ実質的に同一であり、４つの独立した調量弁（ＩＭＶ）を含むことがある。４つのＩＭＶのうち、２つは、一般に流体供給機能に関連付けられることがあり、２つは、一般に排出機能に関連付けられることがある。例えば、上昇弁機構５４は、ヘッドエンド供給弁８０と、ロッドエンド供給弁８２と、ヘッドエンド排出弁８４と、ロッドエンド排出弁８６とを含むことがある。同様に、傾動弁機構５６は、ヘッドエンド供給弁８８と、ロッドエンド供給弁９０と、ヘッドエンド排出弁９２と、ロッドエンド排出弁９４とを含むことがある。

ヘッドエンド供給弁８０は、流体経路６６と、油圧式シリンダ２０の第１のチャンバ３８に連通する流体経路１０４との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して第１のチャンバ３８への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ヘッドエンド供給弁８０は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第１のチャンバ３８内に流れることを可能にされる第１の端部位置と、第１のチャンバ３８からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。第１のチャンバ３８内部の圧力がポンプ５２の圧力および／または再生流体を受け取るチャンバの圧力を超える再生イベント中、ヘッドエンド供給弁８０は、第１のチャンバ３８からの流体がヘッドエンド供給弁８０を通って流れることができるように構成することもできることが企図される。さらに、ヘッドエンド供給弁８０は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、上述した以外の追加の要素または異なる要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ヘッドエンド供給弁８０は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ロッドエンド供給弁８２は、流体経路６６と、油圧式シリンダ２０の第２のチャンバ４０に連通する流体経路１０６との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して第２のチャンバ４０への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ロッドエンド供給弁８２は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第２のチャンバ４０内に流れることを可能にされる第１の端部位置と、第２のチャンバ４０からの流体が阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。第２のチャンバ４０内部の圧力がポンプ５２の圧力および／または再生流体を受け取るチャンバの圧力を超える再生イベント中、ロッドエンド供給弁８２は、第２のチャンバ４０からの流体がロッドエンド供給弁８２を通って流れることができるように構成することもできることが企図される。さらに、ロッドエンド供給弁８２は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ロッドエンド供給弁８２は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ヘッドエンド排出弁８４は、流体経路１０４と流体経路７２との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して、油圧式シリンダ２０の第１のチャンバ３８からタンク５３への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ヘッドエンド排出弁８４は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第１のチャンバ３８から流れることを可能にされる第１の端部位置と、第１のチャンバ３８からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。ヘッドエンド排出弁８４は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ヘッドエンド排出弁８４は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ロッドエンド排出弁８６は、流体経路１０６と流体経路７２との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して、油圧式シリンダ２０の第２のチャンバ４０からタンク５３への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ロッドエンド排出弁８６は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第２のチャンバ４０から流れることを可能にされる第１の端部位置と、第２のチャンバ４０からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。ロッドエンド排出弁８６は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ロッドエンド排出弁８６は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ヘッドエンド供給弁８８は、流体経路６８と、油圧式シリンダ２６の第１のチャンバ３８に連通する流体経路１０８との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して第１のチャンバ３８への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ヘッドエンド供給弁８８は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第１のチャンバ３８内に流れることを可能にされる第１の端部位置と、第１のチャンバ３８からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。第１のチャンバ３８内部の圧力がポンプ５２の圧力および／または再生流体を受け取るチャンバの圧力を超える再生イベント中、ヘッドエンド供給弁８８は、第１のチャンバ３８からの流体がヘッドエンド供給弁８８を通って流れることができるように構成することもできることが企図される。さらに、ヘッドエンド供給弁８８は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の要素または異なる要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ヘッドエンド供給弁８８は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ロッドエンド供給弁９０は、流体経路６８と、油圧式シリンダ２６の第２のチャンバ４０に連通する流体経路１１０との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して第２のチャンバ４０への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。具体的には、ロッドエンド供給弁９０は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第２のチャンバ４０内に流れることを可能にされる第１の端部位置と、第２のチャンバ４０からの流体が阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。第２のチャンバ４０内部の圧力がポンプ５２の圧力および／または再生流体を受け取るチャンバの圧力を超える再生イベント中、ロッドエンド供給弁９０は、第２のチャンバ４０からの流体がロッドエンド供給弁９０を通って流れることができるように構成することもできることが企図される。さらに、ロッドエンド供給弁９０は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ロッドエンド供給弁９０は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ヘッドエンド排出弁９２は、流体経路１０８と流体経路７４との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して、油圧式シリンダ２６の第１のチャンバ３８からタンク５３への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。具体的には、ヘッドエンド排出弁９２は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第１のチャンバ３８から流れることを可能にされる第１の端部位置と、第１のチャンバ３８からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。ヘッドエンド排出弁９２は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ヘッドエンド排出弁９２は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ロッドエンド排出弁９４は、流体経路１１０と流体経路７４との間に配設することができ、制御装置５８からの流量指令に応答して、油圧式シリンダ２６の第２のチャンバ４０からタンク５３への加圧流体の流量を調整するように構成することができる。ロッドエンド排出弁９４は、可変位置のばね偏倚式の弁要素、例えばポペットまたはスプール要素を含むことがあり、これは、流体が第２のチャンバ４０から流れることを可能にされる第１の端部位置と、第２のチャンバ４０からの流体の流れが阻止される第２の端部位置との間の任意の位置に移動するように作動および構成されるソレノイドである。ロッドエンド排出弁９４は、例えば、固定位置弁要素または当技術分野で知られている任意の他の弁要素など、追加の弁要素または異なる弁要素を含むことができることが企図される。あるいはまた、ロッドエンド排出弁９４は、油圧作動、機械作動、空気圧作動、または別の適切な様式で作動することもできることが企図される。

ポンプ５２は、可変容量を有することがあり、負荷感知制御することができ、タンク５３から流体を引き出して、流体を特定の高圧で弁機構５４、５６に放出する。すなわち、ポンプ５２は、ストローク調節メカニズム９６、例えばスワッシュプレートまたはスピル弁を含むことがあり、その位置が、油圧制御システム４８の感知された負荷に基づいて油圧機械式に調節され、それによりポンプ５２の出力（例えば放出速度）を変える。ポンプ５２の変位は、ポンプ５２から実質的に流体が放出されないゼロ変位位置から、流体が最大流量でポンプ５２から放出される最大変位位置まで調節することができる。一実施形態では、負荷感知経路（図示せず）が、圧力信号をストローク調節メカニズム９６に送ることができ、その信号の値に基づいて（すなわち経路内の信号流体の圧力に基づいて）ストローク調節メカニズム９６の位置が変化して、ポンプ５２の出力を増加または減少させることができ、それにより特定の圧力を維持することができる。ポンプ５２は、例えば、カウンタシャフトによって、ベルトによって、または別の適切な様式で、機械１０のプライムムーバ１６に駆動可能に接続することができる。あるいは、ポンプ５２は、トルク変換器を介して、ギアボックスを介して、電気回路を介して、または当技術分野で知られている任意の他の様式で、プライムムーバ１６に間接的に接続することができる。

ポンプ５２は、入力速度と、ストローク調節メカニズム９６の変位位置とに少なくとも一部依存する最大流量容量を有することがある。すなわち、所与の入力速度（すなわちプライムムーバ１６の出力速度）および所与の変位に関して、ポンプ５２は、指定の時間内に特定量の圧力流体を放出することができる。流体のこの量は、ポンプ５２の変位または入力速度の変更を行わずに油圧式シリンダ２０、２６が消費することができる流体の最大量でよい。所与の入力速度に関してポンプ５２の流量容量を高めるために、ポンプ５２の変位を最大変位位置まで増加させる必要があることがある。同様に、所与の変位に関してポンプ５２の流量容量を高めるために、ポンプ５２の入力速度を増加させる必要があることがある。しかし、ほとんどの状況で、ポンプ５２の入力速度（すなわちプライムムーバ１６の出力速度）は、ポンプ５２に関連付けられない因子、例えば、機械１０の機械効率および／または移動速度に関連付けられる目標エンジン速度に基づいて制御されることがある。したがって、ポンプ５２の流量を制御する主な手段は、ポンプ５２の変位を、さらなる流れを利用可能でないことがある最大変位位置まで調節することを含むことがある。

タンク５３は、流体の供給を保つように構成されたリザーバを構成することができる。流体は、例えば、専用の油圧作動油、エンジン潤滑油、トランスミッション潤滑油、または当技術分野で知られている任意の他の流体を含むことがある。機械１０の内部の１つまたは複数の油圧回路は、タンク５３から流体を引き出すこと、およびタンク５３に流体を戻すことができる。また、必要に応じて、油圧制御システム４８を複数の個別の流体タンクに接続することができることが企図される。

制御装置５８は、とりわけ、機械１０の操作者からの入力、プライムムーバ１６からのトルク制限量、ポンプ５２の最大流量容量、および／または１つまたは複数の感知される動作パラメータに基づいて、弁機構５４、５６を制御するための構成要素を含む単一のマイクロプロセッサまたは複数のマイクロプロセッサを具現化することができる。多数の市販のマイクロプロセッサを、制御装置５８の機能を実施するように構成することができる。制御装置５８は、複数の機械機能を制御することが可能な汎用機械マイクロプロセッサで容易に具現化することができることを理解すべきである。制御装置５８は、メモリ、二次記憶デバイス、処理装置、またはアプリケーションを実行するための任意の他の構成要素を含むことがある。電源回路、信号調整回路、ソレノイドドライバ回路、および他のタイプの回路など、様々な他の回路が制御装置５８に関連付けられることがある。

制御装置５８は、機械１０の操作卓の内部に位置する１つまたは複数のインターフェースデバイス９８を介して、機械１０の所望の移動に関連付けられる操作者入力を受信することができる。インターフェースデバイス９８は、例えば、単軸または多軸ジョイスティック、レバー、または（機械１０が搭乗した操作者によって直接制御される場合には）搭載された操作者座席の近傍に位置するか機械１０に搭載されない離れた場所にある他の既知のインターフェースデバイスを具現化することがある。各インターフェースデバイス９８は、比例型のデバイスでよく、これは、中立位置から最大変位位置までの範囲を通って移動可能であり、対応する変位信号を生成し、この信号は、油圧式シリンダ２０、２６によって引き起こされる作業工具１４の所望の速度、例えば作業工具１４の所望の傾動および／または上昇速度を示す。所望の上昇および傾動速度信号は、同じまたは異なるインターフェースデバイス９８によって個別にまたは同時に生成することができ、さらなる処理のために制御装置５８に送ることができる。

インターフェースデバイス位置信号、プライムムーバトルク制限量、最大ポンプ流量容量、対応する所望の作業工具速度、関連の流量、弁要素位置、システム圧力、および／または油圧制御システム４８の他の特性に関係する１つまたは複数のマップを、制御装置５８のメモリに記憶することができる。これらのマップはそれぞれ、テーブル、グラフ、および／または数式の形態でよい。一例では、所望の作業工具速度および指令された流量は、ヘッドエンドおよびロッドエンド供給弁８０、８２、８８、９０の制御のための２Ｄテーブルの座標軸を成すことがある。所望の速度で油圧式シリンダ２０、２６を移動させるのに必要な指令された流量と、それに対応する、適切な弁機構５４、５６の弁要素位置とは、必要に応じて、同じまたは別の独立した２Ｄまたは３Ｄマップに関係付けられることがある。あるいはまた、所望の速度を、単一の２Ｄマップ内の弁要素位置に直接関係付けることもできることが企図される。制御装置５８は、油圧式シリンダ２０、２６の作動に影響を及ぼすために、操作者がこれらのマップを直接修正することができるように、および／または制御装置５８のメモリに記憶されている利用可能な関係マップから特定のマップを選択することができるように構成することができる。また、必要に応じて、感知または決定された機械動作モードに基づいて、制御装置５８によって使用するためのマップを自動的に選択することができることも企図される。

制御装置５８は、インターフェースデバイス９８から入力を受信し、その入力に応答して、かつ上述した関係マップに基づいて、弁機構５４、５６の動作を指令するように構成することができる。具体的には、制御装置５８は、所望の作業工具速度を示すインターフェースデバイス位置信号を受信し、制御装置５８のメモリに記憶されている選択および／または修正された関係マップを参照して、弁機構５４、５６内部の所望の供給要素および／または排出要素それぞれに関する所望の流量を決定することができる。従来の油圧システムでは、次いで、所望の流量が適切な供給要素および排出要素に指令されて、所望の作業工具速度に対応する流量で油圧式シリンダ２０、２６内部の特定のチャンバの充填を行う。しかし、上述したように、所望の流量が、全体として、プライムムーバ１６によって提供されるトルク制限量を超えるポンプ５２によるトルク消費を生じることがあり、それにより速度低下、低効率、さらにはプライムムーバ故障の可能性を高める状況もあり得る。したがって、以下の節でより詳細に説明する制御装置５８は、油圧式シリンダ２０、２６内に加圧流体を計量供給するように弁機構５４、５６に指令する前に、所望の流量を選択的に減少させるように構成することができ、それにより、ポンプ５２によるトルク消費を制限する。

制御装置５８は、機械間のばらつきを考慮に入れるために、少なくとも一部、各油圧式シリンダ２０、２６に入る流体の測定される流量および／または圧力に依拠することがある。測定される流量は、１つまたは複数のセンサ１０２、１０３によって直接または間接的に感知されることがある。開示する実施形態では、各センサ１０２、１０３は、異なる油圧式シリンダ２０、２６のピストンアセンブリ３６内部に埋め込まれた磁石（図示せず）に関連付けられる磁気ピックアップ型のセンサを具現化することができる。この構成では、センサ１０２、１０３はそれぞれ、磁石の相対位置を監視し、時間に対する位置変化をインデックスし、対応する速度信号を生成することによって、対応する油圧式シリンダ２０、２６の延出位置を検出するように構成することができる。油圧式シリンダ２０、２６が延出および後退するとき、センサ１０２、１０３は、速度信号を生成して、さらなる処理のために制御装置５８に送ることができる。あるいは、センサ１０２、１０３は、他のタイプのセンサを具現化することもできることが企図され、例えば、油圧式シリンダ２０、２６の内部の導波路（図示せず）に関連付けられる磁気抵抗型のセンサ、油圧式シリンダ２０、２６に外部に取り付けられたケーブル（図示せず）に関連付けられるケーブル型のセンサ、内部または外部に取り付けられた光センサ、油圧式シリンダ２０、２６によって回動可能なジョイントに関連付けられるロータリ型のセンサ、または当技術分野で知られている任意の他のタイプのセンサである。あるいは、センサ１０２、１０３は、単に、油圧式シリンダ２０、２６の延出および後退位置に関連付けられる信号を生成するように構成することができ、制御装置５８が次いで、時間に従って位置信号をインデックスし、それにより、センサ１０２、１０３からの位置信号に基づいて油圧シリンダ２０、２６の速度を決定することもさらに企図される。センサ１０２、１０３によって提供される速度情報から、かつ油圧式シリンダ２０、２６の既知の幾何形状および／または運動学的特徴（例えば流通面積）に基づいて、制御装置５８は、油圧式シリンダ２０、２６に入る流体の流量を計算するように構成することができる。すなわち、特定のシリンダに入る流体の流量は、シリンダの速度およびその流通断面積の関数として、制御装置５８によって計算することができる。

油圧制御システム４８の圧力は、圧力センサ１０５によって直接または間接的に測定することができる。圧力センサ１０５は、油圧制御システム４８の圧力を示す信号を生成するように構成された任意のタイプのセンサを具現化することがある。例えば、圧力センサ１０５は、センサ要素と連絡する流体による関連のセンサ要素の圧縮に比例する信号を生成するように構成された、歪ゲージ型、容量型、または圧電型の圧縮センサでよい。圧力センサ１０５によって生成された信号は、さらなる処理のために制御装置５８に送ることができる。

図３は、制御装置５８によって行われる例示的なポンプトルク制限動作を示す。開示する概念をさらに示すために、図３を以下の節でより詳細に論じる。

開示する油圧制御システムは、機械性能およびアクチュエータ制御性が問題となる複数の流体アクチュエータを含む任意の機械に適用可能であることがある。開示する油圧制御システムは、ポンプトルク制限動作によりプライムムーバ停滞の可能性および／または影響を減少することによって、機械性能を高めることができる。各アクチュエータを通る流体の流れに対して分散的および比例的にポンプトルク制限動作を実施し、ポンプ容量、アクチュエータ停滞、流れ補正、および重力補助を考慮に入れることによって、アクチュエータの制御性を改良することができる。ここで、油圧制御システム４８の動作を説明する。

機械１０の動作中、機械の操作者は、インターフェースデバイス９８を操作して、作業工具１４の対応する移動を要求することができる。インターフェースデバイス９８の変位位置は、操作者が望む作業工具１４の速度に関係付けられることがある。インターフェースデバイス９８は、操作中に操作者が望む作業工具１４の速度を示す位置信号を生成して、これらの位置信号をさらなる処理のために制御装置５８に送ることができる。

制御装置５８は、所望の速度を示す操作者インターフェースデバイス位置信号を受信し（ステップ３００）、メモリに記憶されているマップを参照して、対応する所望の流量を決定する（ステップ３０２）ことができ、これは、油圧式シリンダ２０、２６を所望の速度で移動させるはずである。次いで、制御装置５８は、各油圧式シリンダ２０、２６に関する所望の流量をすべて足し合わせることができる（ステップ３０４）。

ステップ３００〜３０４の完了とほぼ同時に、制御装置５８は、現在の動作状態を前提として、最大ポンプ流量容量を決定することもできる（ステップ３０５）。制御装置５８は、所与の速度でポンプ５２に関して利用可能な最大変位位置を決定するために、メモリに記憶されている関係と共に現在のポンプ入力速度（すなわちプライムムーバ１６の現在の出力速度）を参照することによって、最大ポンプ流量を決定することができる。次いで、制御装置は、入力速度と最大変位位置の関数として、対応する流量を計算し、いくつかの実施形態では、既知の損失、超過速度設定値、および／またはポンプ５２からの流れを消費している制御されていないアクチュエータ以外の負荷に基づいて、流量を補償することができる。いくつかの実施形態では、制御装置５８はまた、ポンプ間のばらつきを考慮する補正因子をポンプ５２の最大流量容量に適用することもある（ステップ３０６）。補正因子の決定は、以下により詳細に説明する。

制御装置５８は、最大ポンプ流量容量と、上述した所望の流量の和とを利用して、流れ制限量スケーリング因子を決定することができ（ステップ３０８）、流れ制限量スケーリング因子は、所望の流量がポンプ５２の最大容量を超えないことを保証する助けとなることがある。特に、流れ制限量スケーリング因子は、最大ポンプ流量容量と所望の流量の和との比として決定することができる。開示する実施形態では、この比は、０〜１の範囲に制限されることがある。流れ制限量スケーリング因子の決定後、制御装置５８は、所望の流量の第１の減少中に因子を適用することができる。すなわち、制御装置５８は、各油圧式シリンダ２０、２６に関する所望の流量に流れ制限量スケーリング因子を掛けることができる（ステップ３１０）。次いで、制御装置５８は、第１の減少が行われた後に、所望の流量を足し合わせることができる（ステップ３１２）。

ステップ３００〜３１２の完了とほぼ同時に、制御装置５８はまた、プライムムーバ１６から、ポンプ５２に関するトルク制限量を受信し（ステップ３１４）、対応するトルク流れ制限量を決定することができる（ステップ３１６）。トルク流れ制限量は、圧力センサ１０５によって提供される現在の圧力信号と、プライムムーバ１６によって提供されるトルク制限量との関数として決定されることがある。例えば、現在のトルク流れ制限量を決定するために、トルク制限量を現在の圧力で割ることができる。ステップ３０６に関して上述したのと同様に、ステップ３１６で決定されるトルク流れ制限量は、ポンプ間のばらつきを見込むのと同じまたは別の補正因子を使用して補正することができる（ステップ３１８）。上でも述べたように、補正因子の決定は、以下により詳細に説明する。

制御装置５８は、ステップ３１６、３１８で決定された補正されたトルク流れ制限量と、ステップ３１２で決定されたスケール調整された所望の流量の和とを利用して、トルク制限量スケーリング因子を決定することができ、トルク制限量スケーリング因子は、プライムムーバ１６によって設定されるトルク制限量を所望の流量が超えないことを保証する助けとなることがある。特に、トルク制限量スケーリング因子は、補正されたトルク制限流量と、スケール調整された所望の流量の和との比として決定されることがある。トルク制限量スケーリング因子の決定後、制御装置５８は、所望の流量の第２の減少中にその因子を適用し（ステップ３２８）、次いで、得られた流量を、対応する弁機構５４、５６に割り振ることができる（ステップ３２６）。

いくつかの状況では、制御装置５８は、スケール調整された所望の流量の割振り中に、ステップ３００で操作者によって要求された移動方向を考慮するように構成することができる。具体的には、制御装置５８は、要求される作業工具１４の移動が概して重力と同方向である（すなわち、要求される流れ方向により、対応する油圧式シリンダ２０、２６が重力の補助の下で移動される、または重力に反して移動される）か、または油圧式シリンダ２０、２６の１つの再生が行われているかを判断するように構成することができ（ステップ３２２）、その判断に応じて異なる様式で応答する。要求される移動が重力に反するとき（例えば、作業工具１４が上昇または上方向に傾動しているとき）、かつ再生が行われていないときには、制御は、上述したようにステップ３２２を通過することができる。しかし、要求される移動が重力と同方向であるとき（例えば、作業工具１４が下降または下方向に傾動しているとき）、または再生が行われているときには、制御装置５８は、ステップ３１０中に決定されたスケール調整された所望の流量を変えることなく維持するように構成することができる（ステップ３２４）（すなわち、トルク制限量スケーリング比が適用されないことがある）。このようにして、流体の指令された流量で可能なよりも速くシリンダを移動させる重力または再生の影響を回避することができ、補正流量の完全性を保つことができ、それにより、油圧制御システム４８に安定性を提供する。

また、制御装置５８は、いくつかの実施形態では、油圧システム４８内部のアクチュエータのサブセット（すなわち、油圧式シリンダ２０、２６の１つまたは複数）が停滞状態であるどうか判断し（ステップ３３０）、それに従って応答するように構成することができる。開示する実施形態では、制御装置５８は、とりわけ、速度センサ１０２、１０３および圧力センサ１０５からの信号に基づいて、油圧制御システム４８のアクチュエータのサブセットが停滞状態であることを判断することができる。例えば、速度センサ１０２、１０３によって決定される油圧式シリンダ２０、２６の１つの速度が予想されるよりも大幅に遅く（例えば、ほぼまたは完全に停止されており）、圧力センサ１０５によって決定されるときに油圧制御システムの圧力が高く（例えば、最大システム圧力の約９０％を超え）、対応するシリンダに関する所望の流量が最小しきい値レベルよりも大きいとき、制御装置５８は、シリンダが停滞しているとみなすことができる。さらに、またはあるいは、必要に応じて、停滞を検出する他の方法を利用することができることが企図される。

制御装置５８は、アクチュエータのサブセットが停滞状態であると判断したとき、アクチュエータ内への加圧流体の実際の流量がほぼまたは完全にゼロであると結論付けることができる。この状況では、アクチュエータの停滞しているサブセットに関してステップ３２６で前に割り振られた流体の流量を、他方の停滞していないアクチュエータによって利用することができる。したがって、制御装置５８は、停滞しているアクチュエータに関して元々割り振られていた流体流量（ここでは、再加算流と呼ぶ）を足し合わせ、この和を、停滞していないアクチュエータに関して元々意図されている割り振られた流量の和と足し合わせ、その合計を、停滞していないアクチュエータのみに割り振りし直すことができる（ステップ３３２）。いくつかの実施形態では、新たに割り振りし直された流量は、上述したステップ３０２で決定された元の所望の流量に限定する必要があることがある。

割り振りし直された流量と、アクチュエータの停滞しているサブセットの流量（すなわち、低い流量またはゼロの流量）とを制御装置５８によってシステム応答モデルに通して、上述したステップ３０６および３１８で利用される補正因子を決定することができる（ステップ３３４）。開示した実施形態では、補正因子は、弁機構および／またはポンプに特有のものでよく、これらの補正因子を利用して、各機構に関する所望の流量および／またはポンプ５２の最大流量容量を、構成（ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ）および／またはスケール調整することによって増減する。システム応答モデルを使用して、対応するシリンダ内に流体の所望の流量を計量供給するための、特定の弁機構の指令に対する油圧制御システム４８の応答の仕方を推定することができる。開示する実施形態では、システム応答モデルは、ポンプ応答部分、シリンダ応答部分、および弁挙動部分を含めた３つの異なる部分からなることがある。しかしながら、システム応答モデルは、必要に応じて、追加の部分および／または異なる部分を含むことができることが企図される。システム応答モデルの各部分は、１つまたは複数の数式、アルゴリズム、マップ、および／またはサブルーチンを含むことがあり、これらは、油圧制御システム４８の指定された部分の物理的応答および／または挙動を予測するように機能する。各数式、アルゴリズム、マップ、および／またはサブルーチンは、機械１０の製造中に開発することができ、個々の機械１０の実際の動作条件に基づいて、定期的に更新、および／または一意に調整することができる。次いで、システム応答モデルからの推定された出力を、実際の測定された状態、例えば実際の速度、圧力、流量などと比較することができ、その比較に応じて補正因子を計算することができる。

ステップ３３２の完了後、制御装置５８は、プライムムーバ１６に関連付けられるすべての余剰トルク流れ制限量がポンプ５２によって完全に消費され、油圧式シリンダ２０、２６を最も効率的に移動するように弁機構５４、４６に指令されることを保証するように構成することができる。特に、制御装置５８は、ステップ３１８で決定された補正されたトルク流れ制限量を、ステップ３３２で決定された割り振りし直された流量の和（すなわち、停滞していないアクチュエータのみに対する、割り振られた流量と任意の再加算流量との和）と比較して、差が０よりも大きいかどうか判断するように構成することができる（ステップ３３６）。余剰トルク流れ制限量が存在しないとき（ステップ３３６：いいえ）、ステップ３３２で割り振りし直された流量を適切な弁機構５４、５６に指令することができる（ステップ３４０）。そうでない場合（ステップ３３６：はい）、ステップ３３６で求められた任意の非ゼロの差は、増加後の流量が元々望まれていた流量を超えない限り、停滞していないアクチュエータの間で制御装置５８によって案分することができる（ステップ３３８）。差のこの再分配後、新たに増加された流量を適切な弁機構５４、５６に指令することができる（ステップ３４０）。すべてのトルク流れ制限量を完全に利用することによって、油圧制御システム４８の効率を改良することができる。

開示する油圧制御システム４８は、ポンプトルク制限動作によりプライムムーバ停滞の可能性および／または影響を減少することによって、機械性能を改良する一助となることがある。具体的には、油圧制御システム４８は、ポンプ５２の流れ制限量およびトルク制限量を決定し、これらの制限量に基づいて、制限量を超えないことを保証する助けとなるように、操作者が要求する流量をスケール調整するように構成することができる。このようにして、プライムムーバ１６の性能を、機械１０の全体的な性能と共に改良することができる。

開示した油圧制御システムに対して様々な修正および変形を施すことができることは当業者に明らかであろう。他の実施形態は、本明細書を考察することで、また開示した油圧制御システムを実施することで当業者に明らかになろう。本明細書および例は、単に例示とみなされるものと意図され、真の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって示される。

Claims (9)

1. 流体を加圧するように構成されたポンプ（５２）と、
   加圧流体を受け取るように構成された複数のアクチュエータ（２０、２６）と、
   ポンプから複数のアクチュエータに加圧流体を計量供給するように構成された複数の弁機構（５４、５６）と、
   複数のアクチュエータの所望の速度を示す信号を発生するように構成された少なくとも１つの操作者入力デバイス（９８）と、
   複数の弁および少なくとも１つの操作者入力デバイスと通信する制御装置（５８）とを備える油圧制御システム（４８）であって、制御装置（５８）が、
   ポンプトルク制限量を受信し、
   最大ポンプ流量容量を決定し、
   少なくとも１つの操作者入力デバイスからの信号に基づいて、複数の弁機構それぞれに関する所望の流量を決定し、
   最大ポンプ流量容量に基づいて、所望の流量の第１の減少を行い、
   ポンプトルク制限量に基づいて、所望の流量の第２の減少を行い、
   第２の減少後の所望の流量を計量供給するように複数の弁機構に指令し、
   さらに、複数のアクチュエータのサブセットが停滞状態であると判断し、
   判断に基づいて、複数のアクチュエータのうちの残りのアクチュエータに、サブセットに関する流体の所望の流量を割り振りし直す、
   ように構成される油圧制御システム（４８）。
2. 制御装置が、ポンプトルク制限量に基づいてポンプ制限流量を決定し、ポンプ応答遅延のモデルに基づいてポンプ制限流量を補正するようにさらに構成され、
   第２の減少が、補正後のポンプ制限流量に基づく
   請求項１に記載の油圧制御システム。
3. 第２の減少が、第１の減少後の所望の流量の和に対する、補正後のポンプ制限流量の比に基づく請求項２に記載の油圧制御システム。
4. 制御装置が、サブセットの速度および圧力に基づいて複数のアクチュエータのサブセットが停滞状態であると判断を行うように構成される請求項１に記載の油圧制御システム。
5. 制御装置が、流体の割り振りし直された所望の流量を、第１の減少後および第２の減少前の所望の流量に制限するようにさらに構成される請求項１に記載の油圧制御システム。
6. 制御装置が、
   補正後のポンプ制限流量と、割り振りし直された所望の流量との差を計算し、
   複数のアクチュエータのうちの停滞していないすべてのアクチュエータに差を案分する
   ようにさらに構成される請求項１に記載の油圧制御システム。
7. 制御装置が、複数のアクチュエータが重力補助されているかどうか、かつ加圧流体の再生された流れを受け取っているかどうか判断するようにさらに構成され、
   制御装置が、複数のアクチュエータが重力補助されていないとき、かつ加圧流体の再生された流れを受け取っていないときにのみ第２の減少を行うように構成される
   請求項１に記載の油圧制御システム。
8. 機械（１０）を動作させる方法であって、
   流体を加圧するステップと、
   加圧に関連付けられるトルク制限量を受信するステップと、
   加圧に関連付けられる最大流量容量を決定するステップと、
   複数の油圧式アクチュエータに関する所望の速度を示す操作者入力を受信するステップと、
   所望の速度に基づいて、複数の油圧式アクチュエータ（２０、２６）それぞれに関して、流体の所望の流量を決定するステップと、
   最大流量容量に基づいて、所望の流量の第１の減少を行うステップと、
   トルク制限量に基づいて、所望の流量の第２の減少を行うステップと、
   第２の減少後に、複数の油圧式アクチュエータに加圧流体を計量供給するステップと、
   さらに、複数のアクチュエータのサブセットが停滞状態であると判断し、
   判断に基づいて、複数のアクチュエータのうちの残りのアクチュエータに、サブセットに関する流体の所望の流量を割り振りし直すステップと、
   を含む方法。
9. ポンプトルク制限量に基づいてポンプ制限流量を求めるステップと、
   ポンプ応答モデルに基づいてポンプ制限流量を補正するステップと
   をさらに含み、
   第２の減少が、補正後のポンプ制限流量に基づく
   請求項８に記載の方法。

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