JP2008133889A - 油圧駆動装置及びこれを備えた作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら戻り油を有効に利用することができる油圧駆動装置及びこれを備えた作業機械を提供すること。
【解決手段】戻り油の圧力Ｐ２が油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ１を超える外力付加期間中に、コントロールバルブ２４を介してタンクＢ１に導かれるもの以外の戻り油のうち、回生油路２８に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを油圧ポンプ１７に要求される動力に基づいて特定し、前記回生流量の戻り油を回生油路２８に導くとともに、余剰流量の戻り油が導出油路２０に導かれるようにＭＯ弁２１及びレギュレータ２３を制御するコントローラ１５を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータからの戻り油を、前記油圧ポンプの動力として回生する油圧駆動装置に関するものである。

一般に、油圧ショベル等の作業機械には、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータが設けられている。

この種の油圧アクチュエータは、作動油の供給を受けるとともに作動油を排出することにより駆動されるため、当該油圧アクチュエータを停止させる操作を行ない実際に油圧アクチュエータが停止するまでの間には、駆動対象物の自重やそれまでの駆動による慣性力によって、油圧アクチュエータに供給された作動油よりも高圧の戻り油が油圧アクチュエータから排出されることになる。

従来、このような戻り油はタンクに回収されていたため、当該戻り油のもつエネルギーは他に利用されることなくそのまま廃棄されていた。特に、メータアウト制御を行う場合や油圧アクチュエータの背圧を保持する場合等においては、絞り弁等を介して戻り油をタンクに回収することが行われるため、このときの戻り油のエネルギーは熱として廃棄されることになる。

このような問題を解消すべく、例えば、特許文献１には、油圧アクチュエータからの戻り油を油圧ポンプに駆動連結された油圧モータに導いて当該油圧モータを駆動することにより、前記戻り油を油圧ポンプの動力として利用する技術が開示されている。

具体的に、特許文献１の技術では、油圧アクチュエータに接続された油圧回路を保護するためのリリーフ弁と、油圧アクチュエータと油圧モータとの間の油路に設けられた切換弁とを備え、この切換弁の切換操作に応じて油圧アクチュエータから油圧モータへ供給される戻り油の流量を調整することにより、前記リリーフ弁の開放を阻止して本来リリーフ弁の開放のために浪費されていた作動油のエネルギーを油圧ポンプの動力として回生することが行なわれている。
特開２００３−１２０６１６号公報

しかしながら、前記特許文献１の技術では、リリーフ弁の開放を阻止するために設定された流量の戻り油を油圧モータに供給しているので、この戻り油の供給を受けて生じる油圧ポンプの動力が本来要求される動力を超える場合には、油圧ポンプから必要以上の作動油が吐出されることになるため、この作動油の供給を受けた油圧アクチュエータの駆動速度が急激に増加してしまうという問題があった。

例えば、オペレータによる操作レバーの操作量が急激に変化した場合や、油圧アクチュエータに対する負荷が急激に増加した場合等、油圧アクチュエータの駆動速度が増加すると、これに応じて当該油圧アクチュエータから排出される戻り油の流量が増加するため、この増加に伴い油圧モータへ供給されるべきものとして設定される流量は非常に大きなものとなり、油圧ポンプから吐出される作動油の流量も急激に増加することになる。この場合、油圧ポンプの吐出流量の増加に応じて油圧アクチュエータの駆動速度もオペレータの意図とは無関係に変化してしまい、操作性が悪化する要因となっていた。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら戻り油を有効に利用することができる油圧駆動装置及びこれを備えた作業機械を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される油圧アクチュエータとを有する油圧駆動装置であって、前記油圧ポンプに対しこの油圧ポンプを駆動可能となるように連結され、当該油圧ポンプから作動油の供給を受けることにより駆動される回生モータと、前記油圧ポンプから油圧アクチュエータに作動油を供給するための供給油路と、前記油圧アクチュエータから排出された戻り油をタンクに導く戻り油路と、これら両油路内を流れる作動油の流量を同時に調整可能な給排調整部とを有する給排回路と、前記戻り油を前記給排調整部を介さずにタンクに導くように前記戻り油路から分岐する導出油路と、前記戻り油を前記給排調整部を介さずに前記回生モータへ導く回生油路と、前記導出油路及び回生油路を流れる戻り油の流量をそれぞれ調整可能な分配流量調整手段と、前記戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、前記給排調整部を介してタンクに導かれるもの以外の戻り油のうち、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御する制御部とを備えていることを特徴とする油圧駆動装置を提供する。

本発明によれば、戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを予め特定し、前記回生流量の戻り油だけを回生モータに供給するようにしているので、油圧ポンプに要求される動力を生じさせる流量以上の戻り油が回生モータに供給されるのを防止することができる。

したがって、本発明によれば、油圧ポンプの吐出流量が必要以上に増加するのを防止することにより、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら戻り油を有効に活用することができる。

具体的に、前記制御部は、前記回生モータに戻り油を回生しない場合における戻り油の流量である回生可能流量によって前記油圧ポンプに生じさせ得る回生可能動力が、前記油圧ポンプに目標となる流量を吐出させるために前記回生モータに要求される負荷動力以下である場合に、前記回生可能流量以下の流量を前記回生流量に設定する構成とすることができる。

このようにすれば、回生モータに要求される負荷動力よりも回生可能流量の戻り油により生じさせ得る回生可能動力の方が小さいときに、回生可能流量以下の流量を回生流量とすることによって、油圧ポンプの吐出流量が目標となる流量を超えることを防止することができる。

さらに、前記分配流量調整手段は、前記回生モータが受け入れる戻り油の流量が調整可能となるように前記回生モータの傾転を調整可能な傾転調整部と、前記導出油路に設けられた導出弁とを備え、前記制御部は、前記回生可能流量が前記回生モータに予め設定された最大受入流量以下である場合に、前記回生可能流量を受け入れることが可能となるように前記傾転調整部を操作するとともに前記導出弁を全閉にすることが好ましい。

このようにすれば、回生可能流量が傾転調整部に設定された最大受入流量以下となる場合に、この回生可能流量を前記回生流量とするとともに導出弁を全閉（余剰流量を０）とすることにより、戻り油の全てを有効に活用することができる。

一方、前記制御部は、前記回生可能流量が前記最大受入流量を超える場合に、前記最大受入流量を回生流量に設定するとともに、前記回生可能流量から最大受入流量を減じた流量を前記余剰流量として設定することが好ましい。

このようにすれば、回生可能流量のうち最大受入流量を回生モータへ供給する一方、余剰の流量を導出弁を介してタンクへ導くことができるので、回生モータに過剰の戻り油が供給されるのを防止して当該回生モータの保護を図ることができる。

そして、前記制御部は、前記回生可能動力が負荷動力を超える場合に、当該負荷動力を生じさせるために前記回生モータに必要となる流量である必要流量以下の流量を前記回生流量に設定するように構成することができる。

このように、回生可能動力が負荷動力を超える場合、つまり、回生可能流量の戻り油をそのまま回生モータに供給すると回生モータに必要以上の動力が生じてしまう場合に、回生可能流量のうち必要流量以下の流量を回生流量に設定することができるため、負荷動力以上の動力が回生モータに生じるのを防止することができる。

さらに、前記分配流量調整手段は、前記回生モータが受け入れる戻り油の流量が調整可能となるように前記回生モータの傾転を調整可能な傾転調整部と、前記導出油路に設けられた導出弁とを備え、前記制御部は、前記必要流量が前記回生モータに予め設定された最大受入流量を超える場合に、前記最大受入流量により規定される回生モータの最大傾転となるように前記傾転調整部に操作するとともに、前記回生可能流量から最大受入流量を減じた流量を流すことができるように前記導出弁の開口面積を調整することが好ましい。

このようにすれば、回生可能流量のうち最大受入流量を前記回生モータに供給する一方、それ以外の流量を導出弁を通してタンクに導くことができるので、最大受入流量を超える流量の戻り油が回生モータに供給されるのを防止することにより当該回生モータの保護を図ることができる。

一方、前記制御部は、前記必要流量が最大受入流量以下である場合に、前記必要流量を回生流量に設定するとともに、前記回生可能流量から必要流量を減じた流量を前記余剰流量に設定することが好ましい。

このようにすれば、回生可能流量のうち必要流量の戻り油を回生モータに供給することができるので、回生モータにとって必要な流量の戻り油を供給しながら余剰の流量の戻り油を導出弁からタンクへ導くことができる。

また、本発明は、前記油圧駆動装置と、作業アタッチメントとを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータは前記作業アタッチメントを駆動する油圧シリンダからなり、前記制御部は、前記作業アタッチメントの自重が付加されて前記油圧シリンダから排出される戻り油圧が当該油圧シリンダに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が前記導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御することを特徴とする作業機械を提供する。

本発明によれば、戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを予め特定し、前記回生流量の戻り油だけを回生モータに供給するようにしているので、油圧ポンプに要求される動力を生じさせる流量以上の戻り油が回生モータに供給されるのを防止することができる。

具体的に、作業アタッチメントを有する作業機械において、油圧シリンダには常に作業アタッチメントを倒伏させる方向の力（作業アタッチメントの自重）が付加されていることになるため、倒伏動作期間中には、油圧シリンダに供給される作動油圧よりも油圧シリンダから排出される戻り油圧が大きくなる（外力付加期間が生じる）ことになるが、本発明では、この期間中に油圧シリンダから排出される戻り油を有効に活用することができる。

さらに、本発明は、前記油圧駆動装置と、旋回体とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータは前記旋回体を駆動する油圧モータからなり、前記制御部は、旋回駆動に基づく前記旋回体の慣性力が付加されて前記油圧モータから排出される戻り油圧が当該油圧モータに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御することを特徴とする作業機械を提供する。

本発明によれば、戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを予め特定し、前記回生流量の戻り油だけを回生モータに供給するようにしているので、油圧ポンプに要求される動力を生じさせる流量以上の戻り油が回生モータに供給されるのを防止することができる。

具体的に、旋回体を有する作業機械において、油圧モータには常に旋回駆動方向の旋回体の慣性力が付加されることになるため、旋回動作期間中には、油圧モータに供給される作動油圧よりも油圧モータから排出される作動油圧が大きくなる（外力付加期間が生じる）ことになるが、本発明では、この期間中に油圧モータからの戻り油を有効に利用することができる。

本発明によれば、戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを予め特定し、前記回生流量の戻り油だけを回生モータに供給するようにしているので、油圧ポンプに要求される動力を生じさせる流量以上の戻り油が回生モータに供給されるのを防止することができる。

したがって、本発明によれば、油圧ポンプの吐出流量が必要以上に増加するのを防止することにより、油圧アクチュエータの駆動速度を維持しながら戻り油を有効に活用することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。

図１を参照して、作業機械の一例としての油圧ショベル１は、クローラ２ａを有する下部走行体２と、この下部走行体２上に旋回可能に搭載された上部旋回体（旋回体）３と、この上部旋回体３に起伏可能に支持された作業アタッチメント４と、この作業アタッチメント４の駆動を制御する制御装置（図２参照）５とを備えている。

作業アタッチメント４は、ブーム６と、このブーム６の先端部に連結されるアーム７とから構成されており、そのアーム７の先端部にバケット８が揺動可能に取り付けられている。

ブーム６は、ブームシリンダ９の伸縮動作によって起伏し、アーム７は、アームシリンダ１０の伸縮動作によって揺動し、バケット８は、バケット用シリンダ１１の伸縮動作によってアーム７に対して揺動する。本実施形態では、各シリンダ９〜１１が油圧アクチュエータの一例を構成している。

下部走行体２には、旋回モータ１２（図７参照）が設けられ、この旋回モータ１２の回転駆動に応じて下部走行体２に対し上部旋回体３が垂直軸回りに旋回するようになっている。

図２は、図１の油圧ショベルに設けられた制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。

図２を参照して、制御装置５は、前記シリンダ９〜１１を含む油圧回路１４と、この油圧回路１４における作動油の流通を電気的に制御するコントローラ（制御部）１５とを備えている。なお、シリンダ９〜１１のうちブームシリンダ９を例に挙げて以下説明することとし、図２ではシリンダ１０及び１１の図示を省略している。

油圧回路１４は、エンジン１６によって駆動される油圧ポンプ１７と、この油圧ポンプ１７に駆動連結された可変容量式の回生モータ１８と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油をシリンダ９に供給するとともに、このシリンダ９から排出された作動油をタンクＢ１に導くための給排回路１９と、この給排回路１９から分岐してシリンダ９から排出された戻り油をタンクＢ２に導くための導出油路２０と、この導出油路２０に設けられたメータアウト弁（以下、ＭＯ弁と称す：導出弁）２１と、前記給排回路１９に設けられた回生回路２２とを備えている。

油圧ポンプ１７は、可変容量式のポンプである。

回生モータ１８は、可変容量式の油圧モータであり、その傾転調整用のレギュレータ（傾転調整部）２３を備えている。このレギュレータ２３は、後述するコントローラ１５に対し電気的に接続されている。

給排回路１９は、前記油圧ポンプ１７から吐出された作動油をコントロールバルブ（給排調整部）２４を介してシリンダ９へ供給するとともに、このシリンダ９から排出された作動油をコントロールバルブ２４を介してタンクＢ１に導くようになっている。

具体的に、給排回路１９は、油圧ポンプ１７とコントロールバルブ２４とを連結する吐出油路２５と、コントロールバルブ２４と各シリンダ９のロッド側ポートとを連結するロッド側油路２６と、コントロールバルブ２４と各シリンダ９のヘッド側ポートとを連結するヘッド側油路２７と、コントロールバルブ２４とタンクＢ１とを連結する回収油路２８と、前記コントロールバルブ２４に対しパイロット圧を供給するための操作レバー２９とを備えている。

吐出油路２５には、前記油圧ポンプ１７による作動油の吐出圧Ｐ１を検出可能な第一センサ３０が設けられている。この第一センサ３０は、後述するコントローラ１５に電気的に接続されている。

ヘッド側油路２７には、前記各シリンダ９から排出された戻り油の圧力Ｐ２を検出可能な第二センサ３１が設けられている。この第二センサ３１は、後述するコントローラ１５に電気的に接続されている。

操作レバー２９は、オペレータによる操作に応じて前記コントロールバルブ２４に対するパイロット圧を調整することが可能とされており、当該操作に応じた電気信号Ｏ１が後述するコントローラ１５に出力されるようになっている。

導出油路２０は、前記ヘッド側油路２７から分岐した油路であり、この油路がＭＯ弁２１に接続されている。このＭＯ弁２１は、図外の弁体を備えており、この弁体の開度を調整することにより前記導出油路２０からタンクＢ２への作動油流量を調整することが可能とされている。なお、前記弁体の開度は、後述するコントローラ１５から出力される電気的信号に応じて操作される。

回生回路２２は、前記ヘッド側油路２７から分岐して前記回生モータ１８に接続された回生油路３２と、この回生油路３２に設けられたホールディングバルブ３３とを備えている。このホールディングバルブ３３は、回生油路３２内の圧力が予め設定された圧力以上となったときに開放するようになっている。

一方、前記コントローラ１５は、前記第一センサ３０により検出された圧力Ｐ１、第二センサ３１により検出された圧力Ｐ２、前記操作レバー３０の操作に応じた信号Ｏ１、及び回転数センサ３４により検出された前記エンジン１６の回転数Ｒ１が入力され、これらの情報に基づいて前記ＭＯ弁２１及びレギュレータ２３を制御するための情報を以下のように特定する。

（１）回生を行わないときのＭＯ弁２１の開口面積Ａ１
コントローラ１５は、前記操作レバー２９からの入力信号Ｏ１と、予め記憶された図５に示すマップとに基づいて、回生を行わないときのＭＯ弁２１の開口面積Ａ１（以下、非回生開口面積Ａ１と称す）を特定する。

（２）油圧ポンプ１７の目標傾転ｑ１
コントローラ１５は、前記操作レバー２９からの入力信号Ｏ１と、予め記憶された図６に示すマップとに基づいて、目標とすべき油圧ポンプ１７の傾転ｑ１を特定する。

（３）油圧ポンプ１７の目標流量Ｑ１
Ｑ１＝ｑ１×Ｒ１・・・［１］
コントローラ１５は、上記式［１］に従い、前記目標傾転ｑ１とエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて、油圧ポンプ１７の目標流量Ｑ１を算出する。

（４）エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１
Ｗ１＝Ｐ１×Ｑ１＋Ｗ３・・・［２］
コントローラ１５は、上記式［２］に従い、前記目標流量Ｑ１、油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ１、及びエンジン１６のアイドリング動力Ｗ３に基づいて、エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１を算出する。

（５）負荷動力Ｗ１を生じさせるために回生モータ１８に必要な流量Ｑ２
Ｑ２＝Ｐ２÷Ｗ１・・・［３］
コントローラ１５は、上記式［３］に従い、前記負荷動力Ｗ１とシリンダ９〜１１の戻り油圧Ｐ２とに基づいて、負荷動力Ｗ１を生じさせるために回生モータ１８に供給する必要のある流量Ｑ２（以下、必要流量Ｑ２と称す）を算出する。

（６）回生モータ１８への回生を行なわない場合における戻り油の流量Ｑ３
Ｑ３＝Ｃｖ×Ａ１×√（２ｇ×Ｐ２×γ）・・・［４］
コントローラ１５は、上記式［４］に従い、流量係数Ｃｖ、前記非回生開口面積Ａ１、重力加速度ｇ、戻り油圧Ｐ２及び作動油の比重γに基づいて、回生モータ１８への回生を行なわない場合における戻り油の流量Ｑ３（以下、回生可能流量Ｑ３と称す）を算出する。

（７）回生を行なわない場合の戻り油により得ることができる動力Ｗ２
Ｗ２＝Ｐ２×Ｑ３・・・［５］
コントローラ１５は、上記式［５］に従い、前記戻り油圧Ｐ２及び回生可能流量Ｑ３に基づいて、回生を行わない場合の戻り油により得ることができる動力Ｗ２（以下、回生可能動力Ｗ２と称す）を算出する。

（８）回生モータ１８に流すことができる最大の流量Ｑmax
Ｑmax ＝ｑmax×Ｒ１・・・［６］
コントローラ１５は、上記式［６］に従い、回生モータ１８の最大傾転ｑmax及びエンジン１６の回転数Ｒ１に基づいて、回生モータ１８に流すことができる最大の流量Ｑmax（以下、最大流量Ｑmaxと称す）を算出する。

さらに、コントローラ１５は、その他の数値の算出も行うが、その点については以下の具体的な処理内容と併せて説明する。

図３は、コントローラ１５により実行される処理の前半分を示すフローチャートである。図４は、コントローラ１５により実行される処理の後半分を示すフローチャートである。

まず、図３を参照して、処理が実行されると、前記操作レバー３０からの入力信号Ｏ１と、図５に示すマップとに基づいて、非回生開口面積Ａ１を特定する（ステップＳ１）。

すなわち、このステップＳ１では、メータアウト制御用の開口面積を特定する。具体的に、図５のマップは、油圧ポンプ１７が特定の傾転に操作された際に設定されるべき旋回モータ１２の駆動速度に基づいて、当該駆動速度を実現するためのＭＯ弁２１の開口面積が規定されている。

次いで、前記入力信号Ｏ１と図６に示すマップとに基づいて目標傾転ｑ１を特定し（ステップＳ２）、この目標傾転ｑ１とエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて、油圧ポンプ１７の目標流量Ｑ１を算出する（ステップＳ３）。

このように算出された目標流量Ｑ１と油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ１とに基づいて、エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１を算出し（ステップＳ４）、この負荷動力Ｗ１と戻り油圧Ｐ２とに基づいて、回生モータ１８の必要流量Ｑ２を算出する（ステップＳ５）。

そして、戻り油圧Ｐ２と前記非回生開口面積Ａ１とに基づいて、回生可能流量Ｑ３を算出し（ステップＳ６）、この回生可能流量Ｑ３と戻り油圧Ｐ２とに基づいて、回生可能動力Ｗ２を算出するとともに（ステップＳ７）、回生モータ１８の最大傾転ｑmaxとエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて、回生モータ１８の最大流量Ｑmaxを算出する（ステップＳ８）。

そして、前記操作レバー２９の操作量Ｏ１に基づいて、外力付加期間中にあるか否かが判定される（ステップＳ９）。すなわち、本実施形態では、図１に示すように、ブーム６の自重がシリンダ９のロッドを短縮させる方向に作用するので、ブーム６の倒伏動作期間中にはシリンダ９に供給される作動油の圧力よりも当該シリンダ９の戻り油圧の方が大きくなる。したがって、このステップＳ９では、ブーム６を倒伏するための操作が操作レバー２９により行われているか否かを判断することにより、外力付加期間中にあるか否かを判定している。

前記ステップＳ９で外力付加期間中ではないと判定されると（ステップＳ８でＮＯ）、前記ステップＳ１を繰り返し実行する一方、外力付加期間中にあると判定されると（ステップＳ９でＹＥＳ）、図４に示す処理に以降する。

図４に示す処理では、まず、エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１が回生可能動力Ｗ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。すなわち、このステップ１０では、回生モータ１８への回生を行なわない場合に戻り油によって得ることができる回生可能動力Ｗ２と、エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１との大小関係を比較することにより、回生可能動力Ｗ２の全てを負荷動力Ｗ１の一部として利用できるか否かを判定する。

このステップＳ１０で負荷動力Ｗ１が回生可能動力Ｗ２以上であると判定されると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、次いで、回生モータ１８への回生を行なわない場合における戻り油の回生可能流量Ｑ３が回生モータ１８に流すことができる最大流量Ｑmax以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。つまり、このステップＳ１１では、戻り油の最大の流量である回生可能流量Ｑ３の全てを、回生モータ１８が受け入れることができるか否かを判定している。

このステップＳ１１で回生可能流量Ｑ３の全てを受け入れることができると判定されると（ステップＳ１１でＹＥＳ）、当該回生可能流量Ｑ３を流すための回生モータ１８の傾転ｑ２を算出するとともに、回生モータ１８をこの傾転ｑ２に調整する（ステップＳ１２）。

ｑ２＝Ｑ３÷Ｒ１・・・［７］
つまり、このステップＳ１２では、上記式［７］に従い、回生可能流量Ｑ３とエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて、回生可能流量Ｑ３を流すことができる回生モータ１８の傾転ｑ２を算出して、回生モータ１８を傾転ｑ２に調整する。

そして、続くステップＳ１３において、前記ＭＯ弁２１を全閉とすることにより、回生可能流量Ｑ３の全てが回生モータ１８に流れることになる。

一方、前記ステップＳ１１で回生モータ１８の最大流量Ｑmaxよりも回生可能流量Ｑ３の方が大きいと判定されると（ステップＳ１１でＮＯ）、当該最大流量Ｑmaxの全てを回生モータ１８が受け入れることができないものとして（余剰流量が存在するものとして）、回生モータ１８を最大傾転ｑmaxに調整するとともに（ステップＳ１４）、余剰の流量をＭＯ弁２１を通してタンクＢ２に導くことができるように、当該ＭＯ弁２１の開口面積Ａ２を調整する（ステップＳ１５）。

Ａ２＝（Ｑ３−Ｑmax）÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２×γ）｝・・・［８］
つまり、ステップＳ１５では、上記式［８］に従い、回生モータ１８へ流すことができない余剰流量（Ｑ３−Ｑmax）と、戻り油圧Ｐ２とに基づいてＭＯ弁２１の開口面積Ａ２を算出する。

前記ステップＳ１４及びＳ１５により、回生可能流量Ｑ３のうち流量Ｑmax（回生流量）を回生モータ１８に回生する一方、余剰の流量（Ｑ３−Ｑmax）をＭＯ弁２１を通してタンクＢ２に導くことができる。

一方、前記ステップＳ１０において、戻り油によって得ることができる回生可能動力Ｗ２がエンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１を超えると判定された場合（ステップＳ１０でＮＯ）には、負荷動力Ｗ１を生じさせるために回生モータ１８に供給すべき必要流量Ｑ２が、回生モータ１８の最大流量Ｑmax以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

つまり、ステップＳ１６では、負荷動力Ｗ１を補うための必要流量Ｑ２の全てを回生モータ１８に流すことができるか否かを判定し、必要流量Ｑ２が最大流量Ｑmax以下であると判定されると（ステップＳ１６でＹＥＳ）、当該必要流量Ｑ２を流すための回生モータ１８の傾転ｑ３を算出し、この傾転ｑ３に回生モータ１８を調整する（ステップＳ１７）。

ｑ３＝Ｑ２÷Ｒ１・・・［９］
すなわち、ステップＳ１７では、上記式［９］に従い、必要流量Ｑ２とエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて傾転ｑ３を算出する。

次いで、回生可能流量Ｑ３のうち余剰となる流量（Ｑ３−Ｑ２）を流すためのＭＯ弁２１の開口面積Ａ３を算出するとともに、ＭＯ弁２１をこの開口面積Ａ３に調整する（ステップＳ１８）。

Ａ３＝（Ｑ３−Ｑ２）÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２×γ）｝・・・［１０］
すなわち、ステップＳ１８では、上記式［１０］に従い、余剰流量（Ｑ３−Ｑ２）を戻り油圧Ｐ２で流すことができるＭＯ弁２１の開口面積Ａ３を算出し、ＭＯ弁２１を開口面積Ａ３に調整する。

そして、前記ステップＳ１６で必要流量Ｑ２が回生モータ１８の最大流量Ｑmaxを超えると判定されると（ステップＳ１６ＮＯ）、回生モータ１８を最大傾転ｑmaxに調整するとともに（ステップＳ１９）、余剰の流量（Ｑ３−Ｑmax）を流すことができるＭＯ弁２１の開口面積Ａ４を算出し、この開口面積Ａ４にＭＯ弁２１を調整する（ステップＳ２０）。

Ａ４＝（Ｑ３−Ｑmax）÷｛Ｃｖ×√（２ｇ×Ｐ２×γ）｝・・・［１１］
すなわち、このステップＳ２０では、上記式［１１］に従い、余剰流量（Ｑ３−Ｑmax）を戻り油圧Ｐ２で流すことができるＭＯ弁２１の開口面積Ａ４を算出し、ＭＯ弁２１をこの開口面積Ａ４に調整する。

以上説明したように、前記実施形態によれば、戻り油の圧力Ｐ２が油圧ポンプ１７の吐出圧Ｐ１を超える外力付加期間中に、回生油路３２に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、回生流量の戻り油だけを回生モータに供給するようにしているので、油圧ポンプ１７に要求される動力を生じさせる流量以上の戻り油が回生モータ１８に供給されるのを防止することができる。

したがって、前記実施形態によれば、油圧ポンプ１７の吐出流量が必要以上に増加するのを防止することにより、各シリンダ９〜１１及び旋回モータ１２の駆動速度を維持しながら戻り油を有効に活用することができる。

前記実施形態のように、回生可能動力Ｗ２が負荷動力Ｗ１以下である場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）に、回生可能流量Ｑ３以下の流量を回生流量に設定する構成とすれば、油圧ポンプ１７の吐出流量が目標流量Ｑ１を超えることを防止することができる。

前記実施形態のように、回生可能流量Ｑ３が回生モータ１８の最大流量Ｑmax以下である場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）に、回生可能流量Ｑ３を受け入れることが可能となるようにレギュレータ２３を操作するとともにＭＯ弁２１を全閉にする（ステップＳ１２及びＳ１３）構成とすれば、戻り油の全てを有効に活用することができる。

前記実施形態のように、回生可能流量Ｑ３が最大流量Ｑmaxを超える場合（ステップＳ１１でＮＯ）に、最大流量Ｑmaxを回生流量に設定するとともに回生可能流量Ｑ３から最大流量Ｑmaxを減じた流量を余剰流量として設定する（ステップＳ１４及びＳ１５）構成とすれば、回生モータ１８に余剰の戻り油が供給されるのを防止して当該回生モータ１８の保護を図ることができる。

前記実施形態のように、回生可能動力Ｗ２が負荷動力Ｗ１を超える場合（ステップＳ１０でＮＯ）に、回生モータ１８の必要流量Ｑ２以下の流量を回生流量に設定する構成とすれば、負荷動力Ｗ１以上の動力が回生モータ１８に生じるのを防止することができる。

前記実施形態のように、必要流量Ｑ２が最大流量Ｑmaxを超える場合（ステップＳ１６でＮＯ）に、最大流量Ｑmaxが回生モータ１８を最大傾転ｑmaxに調整するとともに回生可能流量Ｑ３から最大流量Ｑmaxを減じた流量を流すことができるようにＭＯ弁２１の開口面積を調整する（ステップＳ１９及びＳ２０）構成とすれば、最大流量Ｑmaxを超える流量の戻り油が回生モータ１８に供給されるのを防止することにより当該回生モータ１８の保護を図ることができる。

前記実施形態のように、必要流量Ｑ２が最大流量Ｑmax以下である場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）に、必要流量Ｑ２を回生流量に設定するとともに回生可能流量Ｑ３から必要流量Ｑ２を減じた流量を余剰流量に設定する（ステップＳ１７及びＳ１８）構成とすれば、回生モータ１８にとって必要な流量の戻り油を供給しながら余剰の流量の戻り油をＭＯ弁２１からタンクＢ２へ導くことができる。

なお、前記実施形態では、ブームシリンダ９を油圧アクチュエータの一例として説明したが、上部旋回体３を旋回するための前記旋回モータ１２の戻り油を回生モータに供給する構成とすることもできる。以下、この実施形態について図７を参照して説明する。

図７は、別の実施形態に係る制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。

この実施形態に係る制御装置３５は、前記旋回モータ１２を含む油圧回路３６と、この油圧回路３６における作動油の流通を電気的に制御するコントローラ（制御部）３７とを備えている。

油圧回路３６は、前記油圧ポンプ１７と、回生モータ１８と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油を旋回モータ１２に供給するとともに、この旋回モータ１２から排出された作動油をタンクＢ１に導くための給排回路３８と、この給排回路３８から分岐して旋回モータ１２から排出された戻り油をタンクＢ２に導くための導出油路３９と、この導出油路３９に設けられたＭＯ弁（導出弁）４０と、前記給排回路３８に設けられた回生回路４１とを備えている。

給排回路３８は、油圧ポンプ１７から吐出された作動油をコントロールバルブ（給排調整部）４２を介して旋回モータ１２に供給するとともに、この旋回モータ１２から排出された作動油をコントロールバルブ４２を介してタンクＢ１に導くようになっている。

具体的に、給排回路３８は、油圧ポンプ１７とコントロールバルブ４２とを連結する吐出油路４３と、コントロールバルブ４２と旋回モータ１２の両ポートとを連結する第一油路４４及び第二油路４５と、コントロールバルブ４２とタンクＢ１とを連結する回収油路４６と、コントロールバルブ４２に対しパイロット圧を供給するための操作レバー４７とを備えている。

第一油路４４には、当該第一油路４４内の作動油の圧力Ｐ３を検出可能な第一圧力センサ４８が設けられている。この第一圧力センサ４８は、後述するコントローラ３７に電気的に接続されている。

第二油路４５には、当該第二油路４５内の作動油の圧力Ｐ２を検出可能な第二圧力センサ４９が設けられている。この第二圧力センサ４９は、後述するコントローラ３７に電気的に接続されている。

操作レバー４７は、オペレータによる操作に応じて前記コントロールバルブ４２に対するパイロット圧を調整することが可能とされており、当該操作に応じた電気信号Ｏ１が後述するコントローラ３７に出力されるようになっている。

導出油路３９は、前記第一油路４４及び第二油路４５からそれぞれ分岐する第一導出油路５０及び第二導出油路５１を備え、これら導出油路５０、５１がそれぞれＭＯ弁４０に接続されている。ＭＯ弁４０は、コントローラ３７からの指令によって、各導出油路５０、５１を通ってタンクＢ２へ向かう作動油の流量を調整することが可能とされている。

回生回路４１は、前記第一油路４４及び第二油路４５からそれぞれ分岐する第一回生油路５２及び第二回生油路５３と、これら回生油路５２、５３を合流させるとともに回生モータ１８に接続された合流油路５４とを備えている。両回生油路５２、５３には、合流油路５４側へ向かう作動油の流通を許容する一方、反対側への流通を阻止するチェック弁５５及びチェック弁５６がそれぞれ設けられている。一方、合流油路５４には、各回生油路５２、５３内の作動油の圧力が所定値を超えたときに開放するホールディング弁５７が設けられている。

そして、前記コントローラ３７は、前記第一圧力センサ４８により検出された圧力Ｐ３、第二圧力センサ４９により検出された圧力Ｐ２、操作レバー４７の操作に応じた信号Ｏ１、回転数センサ５８により検出されたエンジン１６の回転数Ｒ１、及びトルクメータ５９により検出されたエンジン１６のトルクＴ１が入力され、これらの情報に基づいて前記ＭＯ弁４０及びレギュレータ２３を制御するための情報を以下のように特定する。なお、以下の説明では、第二油路４５が旋回モータ１２の排出側である場合について説明し、前記実施形態と同様の部分の説明を省略する。

（１）エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１
Ｗ１＝Ｔ１×Ｒ１・・・［１２］
コントローラ３７は、上記式［１２］に従い、エンジン１６のトルクＴ１とエンジン１６の回転数Ｒ１とに基づいて、エンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１を算出する。本実施形態では、トルクＴ１と回転数Ｒ１とによって負荷動力Ｗ１を算出することができるので、前記実施形態と異なり油圧ポンプ１７の吐出圧を検出するための第一センサ３０（図２参照）が不要となる。

以下、前記コントローラ３７により実行される処理について説明する。

図８は、図７に示すコントローラによって実行される処理を示すフローチャートである。

図８を参照して、処理が実行されると、前記実施形態と同様にステップＳ１〜Ｓ３が実行される。つまり、操作レバー４７からの入力信号Ｏ１に応じた非回生開口面積Ａ１及び目標傾転ｑ１を特定するとともに（ステップＳ１及びＳ２）、この目標傾転ｑ１とエンジン回転数Ｒ１とに基づいて油圧ポンプ１７の目標流量Ｑ１を算出する（ステップＳ３）。

次いで、エンジン１６の回転数Ｒ１とトルクＴ１とに基づいて、前記式［１２］に従いエンジン１６に要求される負荷動力Ｗ１を算出する（ステップＳ４１）。

このように算出された負荷動力Ｗ１と旋回モータ１２からの戻り油圧とに基づいて、前記ステップＳ５と同様に回生モータ１８の必要流量Ｑ２を算出する。

続いて、前記実施形態と同様に、ステップＳ６〜Ｓ９を行った上で、図４に示す処理が実行されることになる。なお、本実施形態におけるステップＳ９では、操作レバー４７からの入力信号Ｏ１に基づき旋回モータ１２の排出側が第一油路４４、第二油路４５の何れであるかを特定し、排出側であると特定された油路（図８の例では第二油路４５）内の圧力（Ｐ２）が供給側の油路（第一油路４４）内の圧力（Ｐ３）よりも大きいか否かを判定することにより、外力付加期間中であるか否かを判定する。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。 図１の油圧ショベルに設けられた制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。 コントローラにより実行される処理の前半分を示すフローチャートである。 コントローラにより実行される処理の後半分を示すフローチャートである。 操作レバーの操作量とＭＯ弁開口面積との関係を示すマップである。 操作レバーの操作量と油圧ポンプの傾転との関係を示すマップである。 別の実施形態に係る制御装置の電気的及び油圧的構成を示す回路図である。 図７の実施形態のコントローラによる処理の前半分を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｑmax 最大流量
Ｑ１ 目標流量
Ｑ２ 必要流量
Ｑ３ 回生可能流量
Ｗ１ 負荷動力
Ｗ２ 回生可能動力
ｑmax 最大傾転
ｑ１ 目標傾転
１ 油圧ショベル（作業機械）
３ 上部旋回体（旋回体）
４ 作業アタッチメント
５ 制御装置
９ ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）
１０ アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
１１ バケット用シリンダ（油圧アクチュエータ）
１２ 旋回モータ（油圧アクチュエータ）
１５ コントローラ（制御部）
１７ 油圧ポンプ
１８ 回生モータ
１９、３８ 給排回路
２０、３９ 導出油路
２１、４０ ＭＯ弁（導出弁）
２２、４１ 回生回路
２３ レギュレータ（傾転調整部）
３５ 制御装置
３７ コントローラ（制御部）

Claims (9)

1. 油圧ポンプと、この油圧ポンプから作動油の供給を受けるとともに内部の作動油を排出することにより駆動される油圧アクチュエータとを有する油圧駆動装置であって、
   前記油圧ポンプに対しこの油圧ポンプを駆動可能となるように連結され、当該油圧ポンプから作動油の供給を受けることにより駆動される回生モータと、
   前記油圧ポンプから油圧アクチュエータに作動油を供給するための供給油路と、前記油圧アクチュエータから排出された戻り油をタンクに導く戻り油路と、これら両油路内を流れる作動油の流量を同時に調整可能な給排調整部とを有する給排回路と、
   前記戻り油を前記給排調整部を介さずにタンクに導くように前記戻り油路から分岐する導出油路と、
   前記戻り油を前記給排調整部を介さずに前記回生モータへ導く回生油路と、
   前記導出油路及び回生油路を流れる戻り油の流量をそれぞれ調整可能な分配流量調整手段と、
   前記戻り油の圧力が油圧ポンプの吐出圧を超える外力付加期間中に、前記給排調整部を介してタンクに導かれるもの以外の戻り油のうち、回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御する制御部とを備えていることを特徴とする油圧駆動装置。
2. 前記制御部は、前記回生モータに戻り油を回生しない場合における戻り油の流量である回生可能流量によって前記油圧ポンプに生じさせ得る回生可能動力が、前記油圧ポンプに目標となる流量を吐出させるために前記回生モータに要求される負荷動力以下である場合に、前記回生可能流量以下の流量を前記回生流量に設定することを特徴とする請求項１に記載の油圧駆動装置。
3. 前記分配流量調整手段は、前記回生モータが受け入れる戻り油の流量が調整可能となるように前記回生モータの傾転を調整可能な傾転調整部と、前記導出油路に設けられた導出弁とを備え、前記制御部は、前記回生可能流量が前記回生モータに予め設定された最大受入流量以下である場合に、前記回生可能流量を受け入れることが可能となるように前記傾転調整部を操作するとともに前記導出弁を全閉にすることを特徴とする請求項２に記載の油圧駆動装置。
4. 前記制御部は、前記回生可能流量が前記最大受入流量を超える場合に、前記最大受入流量を回生流量に設定するとともに、前記回生可能流量から最大受入流量を減じた流量を前記余剰流量として設定することを特徴とする請求項３に記載の油圧駆動装置。
5. 前記制御部は、前記回生可能動力が負荷動力を超える場合に、当該負荷動力を生じさせるために前記回生モータに必要となる流量である必要流量以下の流量を前記回生流量に設定することを特徴とする請求項２に記載の油圧駆動装置。
6. 前記分配流量調整手段は、前記回生モータが受け入れる戻り油の流量が調整可能となるように前記回生モータの傾転を調整可能な傾転調整部と、前記導出油路に設けられた導出弁とを備え、前記制御部は、前記必要流量が前記回生モータに予め設定された最大受入流量を超える場合に、前記最大受入流量により規定される回生モータの最大傾転となるように前記傾転調整部に操作するとともに、前記回生可能流量から最大受入流量を減じた流量を流すことができるように前記導出弁の開口面積を調整することを特徴とする請求項５に記載の油圧駆動装置。
7. 前記制御部は、前記必要流量が最大受入流量以下である場合に、前記必要流量を回生流量に設定するとともに、前記回生可能流量から必要流量を減じた流量を前記余剰流量に設定することを特徴とする請求項６に記載の油圧駆動装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の油圧駆動装置と、作業アタッチメントとを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータは前記作業アタッチメントを駆動する油圧シリンダからなり、前記制御部は、前記作業アタッチメントの自重が付加されて前記油圧シリンダから排出される戻り油圧が当該油圧シリンダに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記戻り油のうち前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が前記導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御することを特徴とする作業機械。
9. 請求項１〜７の何れか１項に記載の油圧駆動装置と、旋回体とを備えた作業機械であって、前記油圧アクチュエータは前記旋回体を駆動する油圧モータからなり、前記制御部は、旋回駆動に基づく前記旋回体の慣性力が付加されて前記油圧モータから排出される戻り油圧が当該油圧モータに供給される作動油圧を超える外力付加期間中に、前記油圧ポンプに要求される動力に基づいて前記戻り油のうち回生油路に導くことができる回生流量とこの回生流量以外の余剰流量とを特定し、前記回生流量の戻り油を前記回生油路に導くとともに、前記余剰流量の戻り油が導出油路に導かれるように前記分配流量調整手段を制御することを特徴とする作業機械。

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