JP4126303B2 - 油圧装置 - Google Patents

Description

車両を駆動する第１のポンプモータの吐出側を、制御弁を経由して作動油タンクに導く管路と、第２のポンプモータ１２により駆動される第２のエネルギ蓄積装置を備え、制御弁を検知手段により通過側又は阻止側に切り替え制御して、車両を減速させるとともにエネルギ蓄積装置に車両エネルギーを回収すること、及び第２のポンプモータ１１を駆動する慣性を具備した駆動源を負荷としてエネルギーを消費させ減速することを実現する装置に関する。

定圧油圧源を持つ油圧装置においては、負荷が必要とする作動油量が変化する場合には、吐出される作動油が一定のため、余剰作動油が発生してしまう。したがって、負荷が必要とする作動油のみを供給する制御を行わなければならない。そのために油圧源の回転数を変えるか、絞り弁や減圧弁等で流量調整することが行われている。駆動源、油圧ポンプにおいて、全ての回転領域で高効率を維持することは困難であり、回転数を変えることは効率を悪化させる要因となる。また、流量調整することも熱エネルギとして損失させながら消費しているに過ぎず効率を悪化させる要因となっている。

また、上記問題を解決するために可変吐出量ポンプが使用されているが、このポンプは構造が複雑で高価である。また、駆動源である熱機関または電動機等の原動機の軸出力を必要に応じて変化させなければならず、全ての領域で高効率を維持することは困難である。さらに、吐出圧力、油量の変更、調整を適時行うことは多大な制御設備が必要であり、コスト面でも不利となっている。

ポンプをモータとして広範囲の回転数で動作させることは、定吐出量ポンプでは可能であるが、可変吐出量ポンプでは困難である。よって車両等の駆動系として可変吐出量ポンプを搭載した場合は、可逆的な制御を行うことはできない。

本発明の油圧装置においては、車両等を駆動するための油圧モータと、油圧により車両を駆動するための油圧ポンプを備え、車両の減速時には駆動モータをポンプとしてエネルギを回収するよう動作させる制御弁を備え、また車両の減速時に駆動側ポンプをモータとして機能させる可逆的制御を行う機能を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本願の発明においては、作動油タンク２１と、車両４３、４４を駆動する第１のポンプモータ１３、１４と、この第１のポンプモータの吐出側を前記作動油タンクへ導くように接続された第１の制御弁８と、前記第１のポンプモータの吐出側に入力側を向けて接続１した第１の逆止弁３０と、この第１の逆止弁の出力側に接続されたアキュムレータ３１と、このアキュムレータの下流側でかつ前記第１の逆止弁の出力側に接続された第２の制御弁２と、この第２の制御弁の下流側でかつ前記作動油タンク２１へ入力側を向けた第２の逆止弁２６の出力側に接続された第２のポンプモータ１２と、この第２のポンプモータにより駆動されるフライホィール４２と、検知手段４６、４７、４８とを備え、車両減速時に制御弁２を通過側２ａに固定し、制御弁８を阻止側８ｂに切替えて第１のポンプモータ１３，１４からの作動油を第２のポンプモータ１２に流入させて車両の運動エネルギをフライホィール４２に与えて車両を減速し、検知手段により知り得た速度から減速状況を判断し、希望速度に近付いたら通過側８ａに切替え、更に減速する場合は切替動作を繰り返し、制動時間と切替動作の頻度とを選択して制動する油圧装置を手段として用いる。

また、作動油タンク２１と、車両４３、４４を駆動する第１のポンプモータ１３，１４と、この第１のポンプモータの吐出側を前記作動油タンクへ導くように接続された第１の制御弁８と、前記第１のポンプモータの吐出側に入力側を向けて接続した第１の逆止弁３０と、この第１の逆止弁の出力側に接続されたアキュムレータ３１および第２の制御弁９と、この第２の制御弁の下流側でかつ前記作動油タンクへ入力側を向けた第２の逆止弁２３の出力側に接続された第２のポンプモータ１１と、この第２のポンプモータを駆動する駆動源４１と、検知手段とを備え、車両が保有するエネルギ消費しつつ減速する際に、前記第２の制御弁９を通過側に、前記第１の制御弁８を阻止側に設定し、第１のポンプモータ１３，１４の吐出作動油を、第２のポンプモータ１１に流入させ、受動状態にある駆動源４１を負荷としてエネルギを消費させ、前記検知手段により検知された速度の値に応じ、制動を中止する場合は、前記第２の制御弁９を阻止側に、前記第１の制御弁８を通過側に切り替え、さらに制動を行う場合は前述の切り替え動作を反復して減速させることを特徴とする油圧装置を手段として用いる。

本発明では、走行する車両等が持つ運動エネルギを回収することで回生制動を実現したり、駆動源である原動機をエンジンブレーキとして機能させることにより、ポンプモータの可逆的動作を所望に応じて行うことができ、効率が高い運転が可能である。また、回生しない場合には作動油の温度上昇を防ぐことができる。

図１は、本発明の油圧装置の構成要素と、それらを結合する流路による油圧回路を示す図である。図１において、４１は駆動源であって、主として熱機関であるが、他の形式のものでも採用できる。駆動源４１の軸２０１には慣性体、具体的にはフライホイール４５が取り付けられ、さらに軸２０２により油圧ポンプ１１を駆動する。駆動源自体が大きな慣性モーメントを有する場合、慣性が内在されている場合には、外付けのフライホイール４５は省略することができる。図１は、油圧装置のシステム全体を示しており、複数の異なる機能、動作を担当する部分が有機的に結合されている。なお、油圧ポンプ１１は、後述するが本油圧装置において、モータの機能も兼ねる請求項２における第２のポンプモータをも構成する。

油圧ポンプ１１の吐出側には管路１０５が接続されており、管路１０５には分岐した管路１０６が連通し、制御弁１を介して作動油タンク２１へ導く管路１０７が接続されている。駆動源４１を始動し、油圧ポンプ１１があらかじめ設定された回転数、すなわち設定回転数で運転している状態において、作動油は作動油タンク２１から管路１０１、フィルタ２２、管路１０２、請求項２の第２の逆止弁を構成する逆止弁２３を経由して油圧ポンプ１１の流入側の管路１０４に至る流路で油圧ポンプ１１へ吸入される。

吸入された作動油は、油圧ポンプ１１により吐出され、吐出側の管路１０５から、管路１０６、制御弁１の通過側１ａ、管路１０７を通過して作動油タンク２１に流れる。制御弁１が通過側１ａに切り替えられている状態では、管路１０６以降はアンロード流路を形成する。

この状態で、制御弁１を通過側１ａから阻止側１ｂに切り替えると、駆動源４１で駆動される油圧ポンプ１１によって衝撃的に圧力上昇した作動油が、管路１０５、１０８を通って入力側を向けて接続された逆止弁２４を通過し、逆止弁２４の出力側に接続された負荷に供給される。このように、制御弁１の通過側１ａから阻止側１ｂの切り替え時には、駆動源４１により設定回転数で運転される油圧ポンプ１１が連続的に発生できる吐出圧力、すなわち油圧ポンプ１１の通常運転時に吐出する圧よりも高い圧力が発生する。

駆動源４１は熱機関または電動機等の原動機で、発生可能なトルクがＱｍであるとき、駆動源により駆動される油圧ポンプ１１のトルクをＱｐとすると、損失を無視した場合には、Ｑｍ＝Ｑｐの関係が成立することは明らかである。ここで駆動源４１の慣性モーメントをＩ、角速度をωとすると、駆動源が加速または減速する際に要する慣性トルクはＩ・ｄω／ｄｔで表せる。なお、Ｉ・ｄω／ｄｔは加速時には＋、減速時には−の値をもつことになる。

本発明の装置は、制御弁１が通過側１ａの状態にある場合には、駆動源４１は設定された回転を維持するように制御される。制御弁１が阻止側１ｂに切り替えられたときは、駆動源４１の慣性トルクＩ・ｄω／ｄｔがＱｍに加算されることとなり、Ｑｐ＝Ｑｍ−Ｉ・ｄω／ｄｔの関係が成立する。よって、減速による慣性のトルクが付加されることにより、通常運転時の油圧ポンプ１１の入力トルクＱｍよりも大きい出力トルクが得られ、その結果圧力が上昇した作動油を負荷に供給することができる。

これまでの説明は、制御弁１を通過側１ａから阻止側１ｂに切り替える動作を１回だけ行った場合についてのみであったが、阻止側１ｂから通過側１ａに切り替え、再び阻止側１ｂに切り替える動作（切替動作）を反復することにより、上記のように高い圧力の作動油を負荷に連続的に供給することができる。

このように、本発明では、より小さい駆動源で高い油圧を供給できるので、負荷が必要とする最大負荷トルクに合わせた出力トルクを持つ駆動源を設けることなく、駆動させることが可能であり、経済的にも大きなメリットがある。発生できる最大圧力は、駆動源４１の慣性モーメントＩと角加速度ｄω／ｄｔの大きさによって設定することができる。

制御弁１の切替動作は、次のように行われる。図１において、フライホイール４５には回転計４９が設けられ、駆動源４１の回転数は、この回転計４９によって検出される。また、逆止弁２４の出力側には圧力センサ３３が設けられている。前記油圧ポンプ１１の負荷トルクが駆動源４１の出力トルクを越え、その結果回転数が低下して回転数の下限設定値にまで減少したことは、回転計４９によって検出できる。

回転数が下限設定値以下になったら、制御弁１を通過側１ａに切り替えて、アンロード状態、すなわち油圧ポンプ１１の負荷を除去した状態とする。その結果、駆動源４１にかかる負荷トルクが減少して、その回転数が次第に増加し、上限設定値以上になる。このとき再び、制御弁１を阻止側１ｂに切り替える動作を行う。この切替動作は、上限設定値に達した瞬間でも後でも設定値に達することを予測して達する若干前でも可能であるのは言うまでもない。このようにして、制御弁１は切替動作を繰り返し実行して自励動作を持続させる。油圧ポンプ１１の回転数変化、すなわち作動油吐出量の変化の速さは油圧ポンプ１１の軸の周りの慣性モーメントに依存する。

また、圧力センサ３３は、逆止弁２４の出力側の圧力状態を測定する。圧力センサ３３の測定値が所定の設定値に到達したら、制御弁１を阻止側１ｂから通過側１ａに切り替えて、油圧ポンプ１１から吐出された作動油を作動油タンク２１へ戻す。この動作により原動機の負荷がアンロード状態となり、回転数が増加する。このように切り替えのタイミングを決定するために使用するセンサは、圧力センサ３３や回転計４９のような各請求項を構成する検知手段や、負荷の状態を監視するセンサ、あらかじめ切り替えるタイミングが分かっている場合等は状態を監視することなく外部からのクロックタイミングに応じて行うことも可能である。

逆止弁２４の出力側には、管路１０９，１１０を介して設けられた第１のエネルギ蓄積装置３１と、この第１のエネルギ蓄積装置３１と逆止弁２４との間の管路１１５，１１６に設けられた請求項１の第２の制御弁を構成する制御弁２と、制御弁２の下流側に設けられた負荷１２とが備わっている。この負荷１２は、実施例においては、第２のエネルギ蓄積装置４２を設けた油圧モータ１２であり、第２のエネルギ蓄積装置４２の具体的な装置としては、油圧モータ１２に取り付けられたフライホイールである。なお、油圧モータ１２は、後述するが本油圧装置においてポンプの機能も兼ねる請求項１における第２のポンプモータをも構成する。

制御弁２が通過側２ａに切り替えられている時、駆動源４１によって駆動される油圧ポンプ１１とエネルギ蓄積装置としてのアキュムレータ３１から作動油が油圧モータ１２に流入し、吐出側の管路１２４から分岐した作動油タンク２１へ通じる管路途中の制御弁４を経由して作動油タンク２１へ戻される。この動作により油圧モータ１２に設けられたフライホイール４２は加速される。

制御弁２と油圧モータ１２との間には、作動油タンク２１へ入力側を向けて接続した請求項１の第２の逆止弁を構成する逆止弁２６が設けられた管路１２０，１２１，１２２が設けられている。その理由について図２を参照して説明する。この図２は図１から説明のための主要な要素を抜き出したものである。油圧モータ１２の回転数が増加し、油圧モータ１２の必要油量が油圧ポンプ１１の供給油量より多くなった場合には、油圧モータ１２を加速することができなくなる。

このとき、制御弁２を通過側２ａから阻止側２ｂに切り替える。この動作により、アキュムレータ３１には作動油が蓄積され、油圧モータ１２は逆止弁２６によりフリーホイリング状態となる。アキュムレータに所定量の作動油が蓄積されたら制御弁２を再び通過側２ａに切り替えると、蓄積された作動油が油圧モータ１２に流入し、油圧モータ１２は加速されることになる。このように、制御弁２の切替動作を反復することで油圧モータ１２の必要油量が油圧ポンプ１１の供給油量より多いときでも間欠的に加速をすることができる。よって加速平均圧力は低いが、大流量を負荷へ供給することが可能になる。

次に本発明の油圧装置を車両の駆動装置として使用する場合について説明する。図１において、油圧モータ１２の吐出側には管路を通じて入力側を向けて接続された逆止弁２７、この出力側にはアキュムレータ３４および制御弁５が設けられている。逆止弁２７の出力側にも圧力センサ３６が設けられている。逆止弁２７の出力側の管路１２８，１２９間には油圧ポンプ１１の流入側の管路１０３，１０４に連通した制御弁６を持つ管路１６０，１６１が分岐して連通されている。なお、制御弁６は、フライホイール４２があらかじめ設定された回転数で動作している場合、開閉動作を行うことでポンプモータ１２によりポンプモータ１１へ作動油を供給し、駆動源４１を起動させる等の動作を行うために使用する。

制御弁５の下流側にある１３，１４は各請求項の第１のポンプモータを構成するポンプモータであり、ポンプモータ１３，１４に接続された４３，４４は、これらによって駆動される車両等の車輪を簡略化して示したものである。これらポンプモータ１３，１４が接続される制御弁７は車両の進行方向を制御するものである。制御弁５と制御弁７間の管路１３６，１３８には、駆動源４１から車両を直接駆動するために設けられた管路１１７，１１８、制御弁３および管路１３７が接続されている。

ポンプモータ１３，１４の吐出側には、吐出される作動油を作動油タンク２１へ戻すため管路１５５、各請求項の第１の制御弁を構成する制御弁８および管路１５７が接続されている。管路１５５に接続された管路１５８には各請求項の第１の逆止弁を構成する逆止弁３０が入力側を向けて接続されている。

このように構成された車両において、まず発進と加速動作を説明する。発進は加速する初速度が零の場合であり、加速は走行中に加速力を与えるものであるから、今後は両者を単に加速として説明する。車両を加速する場合には、駆動源４１のみを利用する場合、あらかじめ設定された回転数で動作しているフライホイール４２のみを利用する場合および駆動源４１とフライホイール４２との両方を利用する場合の３つのケースがある。

駆動源４１のみで車両の加速を行う場合の制御動作は、制御弁２，５，６および、逆止弁３０の出力側から管路１６１へのバイパス管路途中の請求項２の第２の制御弁を構成する制御弁９を阻止側に、制御弁８を通過側８ａに切り替えた状態で、制御弁３を通過側３ａに固定し、制御弁１を通過側１ａ、阻止側１ｂに状況に応じて繰り返し切替動作を行う場合と、制御弁１を阻止側１ｂに固定し、制御弁３を通過側３ａ、阻止側３ｂに状況に応じて繰り返し切替動作を行う場合、および制御弁１，３の双方を必要に応じて切替動作を行う場合の、さらに３つのケースがある。ただし制御弁５は状況に応じて切替を可能とする。また、図には記載しない制御弁を管路１３８部に配置し、上記内容と同様な操作を行っても加速動作は可能である。

フライホイール４２のみで加速する場合は、予め設定された範囲内で動作しているフライホイール４２が駆動側となり、これによって被駆動側である車両の加速を行う場合の制御動作は、少なくとも制御弁３，６および９を阻止側に、制御弁８を通過側８ａとした状態で、制御弁５を通過側５ａに固定し、制御弁４を通過側４ａ、阻止側４ｂに状況に応じて繰り返し切替動作を行う場合と、制御弁４を阻止側４ｂに固定し、制御弁５を繰り返し切替動作を行う場合、および制御弁４、５の双方を繰り返し切替動作を行う場合の、前欄と同様３つのケースがある。

また、駆動源４１、フライホイール４２の双方で車両を加速する場合でも、上記のように制御弁を状況に応じて繰り返し切替動作を行うことで可能となる。

ここで、制御弁の状況に応じた切替動作について説明する。車両の速度に応じて作動油の量は変化するが、その量は被駆動側のポンプモータ１３，１４の回転数等の状態を検知することにより判断でき、供給できる油量も同様に駆動側ポンプモータ１１または１２の回転数等を検知することで判断できる。それぞれの状態を検知する手段は、回転状態を検知する場合は、フライホイール４２に設けられたセンサ４６，ポンプモータ１３，１４に設けられたセンサ４７，４８およびフライホイール４５に設けられたセンサ４９等で行う。また、作動油の状態を検知する場合は、センサ３３，３６等によって行われる。これらの検知された値に応じて切替動作が行われることとする。なお、流量の測定は流量センサ等でも可能である。

例えば、センサ３６が予め設定された上限圧力に達したら、制御弁４を通過側４ａに切り替え、予め設定された下限圧力に達したら、再度制御弁４を阻止側４ｂへ切り替え、この切替動作の反復により加速を行う。このように、上限、下限圧力設定値を変えることで、加速度を制御できる。なお、予め駆動側、被駆動側の状態が把握できている場合は、別途設けられた制御回路から出力される制御信号やクロックにより制御弁を切替えることも可能である。

車両を加速させる作動油は、図１において油圧ポンプ１１から制御弁３を通過してポンプモータ１３，１４に流入し、制御弁８の通過側８ａを経由して作動油タンク２１へ排出される。また、油圧モータ１２に取り付けられたフライホイール４２が回転している状態では、ポンプモータ１２を油圧ポンプとして動作させて、作動油タンク２１から吐出側の管路を経由してアキュムレータ３４に加圧した作動油を蓄積し、その作動油を用いて駆動することもできる。

次に車両を惰行状態とする場合を説明する。この場合は、少なくとも制御弁３、５および６は阻止側で、制御弁８を通過側８ａに切り替えた状態であれば、管路１３８，１４２間に連通した、作動油タンク２１へ入力側を向けて接続した逆止弁２９が設けられた管路１３９、１４０、１４１がポンプモータ１３、１４のフリーホイリング回路となり、作動油は制御弁７，８を経由して、作動油タンク２１へ戻される。この状態で車両は惰行状態となる。なお、制御弁７を図１に記載されたタイプ以外のものを使用し、ポンプモータ１３、１４管路部を閉回路として構成することで、惰行させることも可能である。

次に車両を減速する場合を説明する。減速動作には、回生を伴う減速動作と回生を伴わない減速動作の２つのパターンがある。まず回生を伴う減速動作について説明する。作動油タンク２１と、車両４３、４４を駆動する第１のポンプモータ１３，１４と、この第１のポンプモータの吐出側を前記作動油タンク２１へ導くように接続された第１の制御弁８を設ける。前記第１のポンプモータの吐出側に入力側を向けて接続した第１の逆止弁３０と、この第１の逆止弁の出力側に接続された第１のアキュムレータ３１と、この第１のアキュムレータの下流側であって、かつ前記第１の逆止弁の出力側に接続された第２の制御弁２と、この第２の制御弁の下流側でかつ前記作動油タンク２１へ入力側を向けた第２の逆止弁２６の出力側に接続された第２のポンプモータ１２を設ける。この第２のポンプモータにより駆動される第２のフライホィール４２と、回転部分に近接して設置検知手段４６、４７、４８が設けられる。車両減速時に制御弁２を通過側２ａに固定し、制御弁８を阻止側８ｂに切替えて第１のポンプモータ１３，１４からの作動油を第２のポンプモータ１２に流入させて、車両の運動エネルギをフライホィール４２に与えて車両を減速させる。

次に回生を伴わない減速動作について説明する。図３は車両の持つ運動エネルギの回生を伴わないで減速させるために必要な回路構成を図１から抜き出したものである。この構成において動作を説明すると、車両が減速する場合、ポンプモータ１３，１４から吐出した作動油は、モータとして動作するポンプモータ１１に流入する。ポンプモータ１１は駆動源４１に連結されているから、いわゆるエンジンブレーキとして動作し、車両を減速させる。なお、制御動作は、前述したフライホイール４２から車両を加速する場合と同様で、切り替える制御弁５と制御弁４は、それぞれ制御弁９と制御弁８になって同様の動作を行うことで説明できる。

車両の減速時における回生動作については、前述したエネルギ蓄積装置またはフライホイール等で行うことが可能である。特に回生を必要としない場合でも、ポンプモータ１３，１４から吐出される作動油は、ポンプモータ１１に流入されることで、ポンプモータ１１が連結した原動機が負荷となりエネルギが消費されるため、リリーフ弁等で熱エネルギとして消費させることなく減速できるから、作動油の温度上昇や劣化を防止することができる。

本発明によれば、ポンプモータ１１，１２，１３および１４は、定吐出量ポンプによっても動作させることが可能であり、可変吐出量ポンプでは実現できない可逆動作も可能となることで、駆動側の原動機等のエンジンブレーキ作用を利用することができるようになる。

なお、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明で要求される機能を満足する素子であれば、置き換えが可能である。

本発明の油圧装置の構成要素および油圧回路を示す図である。 本発明の油圧ポンプを低圧大流量で動作させる装置の構成を図１から抜き出して示す図である。 本発明を車両等の減速に運用した構成要素および油圧回路を図１から抜き出して示す図である。

符号の説明

１乃至９…制御弁、１１，１２，１３，１４…ポンプモータ、３１，３４…エネルギ蓄積装置またはアキュムレータ、３３…圧力センサ、４１…駆動源あるいは原動機、４２…フライホイール、４５…内在または外部付加の慣性体、４６，４７，４８，４９…回転計

Claims (2)

1. 作動油タンク２１と、車両４３、４４を駆動する第１のポンプモータ１３、１４と、この第１のポンプモータの吐出側を前記作動油タンクへ導くように接続された第１の制御弁８と、前記第１のポンプモータの吐出側に入力側を向けて接続１した第１の逆止弁３０と、この第１の逆止弁の出力側に接続されたアキュムレータ３１と、このアキュムレータの下流側でかつ前記第１の逆止弁の出力側に接続された第２の制御弁２と、この第２の制御弁の下流側でかつ前記作動油タンク２１へ入力側を向けた第２の逆止弁２６の出力側に接続された第２のポンプモータ１２と、この第２のポンプモータにより駆動されるフライホィール４２と、検知手段４６、４７、４８とを備え、車両減速時に制御弁２を通過側２ａに固定し、制御弁８を阻止側８ｂに切替えて第１のポンプモータ１３，１４からの作動油を第２のポンプモータ１２に流入させて車両の運動エネルギをフライホィール４２に与えて車両を減速し、検知手段により知り得た速度から減速状況を判断し、希望速度に近付いたら通過側８ａに切替え、更に減速する場合は切替動作を繰り返し、制動時間と切替動作の頻度とを選択して制動する油圧装置。
2. 作動油タンク２１と、車両４３、４４を駆動する第１のポンプモータ１３，１４と、この第１のポンプモータの吐出側を前記作動油タンクへ導くように接続された第１の制御弁８と、前記第１のポンプモータの吐出側に入力側を向けて接続した第１の逆止弁３０と、この第１の逆止弁の出力側に接続されたアキュムレータ３１および第２の制御弁９と、この第２の制御弁の下流側でかつ前記作動油タンクへ入力側を向けた第２の逆止弁２３の出力側に接続された第２のポンプモータ１１と、この第２のポンプモータを駆動する駆動源４１と、検知手段とを備え、車両が保有するエネルギ消費しつつ減速する際に、前記第２の制御弁９を通過側に、前記第１の制御弁８を阻止側に設定し、第１のポンプモータ１３，１４の吐出作動油を、第２のポンプモータ１１に流入させ、受動状態にある駆動源４１を負荷としてエネルギを消費させ、前記検知手段により検知された速度の値に応じ、制動を中止する場合は、前記第２の制御弁９を阻止側に、前記第１の制御弁８を通過側に切り替え、さらに制動を行う場合は前述の切り替え動作を反復して減速させることを特徴とする油圧装置。

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