JP2009002318A - 建設機械のポンプ制御回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】操作レバーの急操作時や掘削対象の硬さの急変時に高トルクを維持する一方、トルクオーバーを防止する。
【解決手段】可変容量油圧ポンプ1と、吐出量制御手段3と、トルク制御手段8を具備した建設機械のポンプ制御回路に於いて、油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段11及びトルク制御手段の制御部8aを夫々コントローラ9に接続し、吐出圧が所定圧Pαより低く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより大きい場合若しくは吐出圧が所定圧Pαより高く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより小さい所定速度β以上の場合にコントローラからトルク制御手段の制御部に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、吐出量制御手段の移動速度をアシストして油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを防止すると共に、信号を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械のポンプ制御回路に関するもので、特に、負荷の急変に伴う回路圧の急上昇により燃料噴射量が急増し、燃費が悪化するのを防止するポンプ制御回路に関するものである。
従来の油圧ショベル等の建設機械におけるポンプ制御回路では、掘削開始時に操作レバーを急操作した場合及び掘削操作中に掘削対象の硬さが急変した場合にエンジン回転数が低下し、低下したエンジン回転数を元に戻すために燃料噴射量を急激に増加させるため、燃費が悪化するという不都合があった。この点について、図5〜図8に基づいて説明する。図5は従来の油圧ショベルの電気油圧回路図であり、油圧ポンプ1は吐出量可変の油圧ポンプで、エンジン2によって駆動され、吐出量制御手段であるレギュレータ3によって制御され、圧油をセンタ油路4に供給する。センタ油路4の下流にはアクチュエータ(図示省略)を制御する一群の方向切換弁5等が接続され、該方向切換弁5はリモコン弁6の2次側のパイロット圧により切り換えられる。
一方、レギュレータ3には2つの油室3a、3bが設けられており、油室3aは油路7を介して油圧ポンプ1のセンタ油路4に接続され、油圧ポンプ1の吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させてポンプ出力トルクが略一定に維持されるように構成されている。これによって、吐出圧が変化してもポンプ出力トルクがエンジントルクを越えないように馬力一定制御が行われる。一方、油室3bにはトルク制御手段を構成する電磁弁8の2次圧Pfが作用し、油圧ポンプ1の出力トルクを増減できるようになっている。また、電磁弁8のソレノイド8aはコントローラ9の出力側に接続され、コントローラ9の入力側には重掘削、標準掘削及び軽掘削等の作業モードを選択するモード切換スイッチ10が接続されている。ここでは、前記電磁弁8に逆比例電磁弁を使用しているため該逆比例電磁弁8に入力される制御信号(電流値)と逆比例電磁弁8の2次側圧力Pfとは反比例し、モード切換スイッチ10を重掘削モード「H」にすると逆比例電磁弁8のソレノイド8aには高い電流値が入力され、該逆比例電磁弁8の2次側圧力は低圧Pf1となり、レギュレータ3により油圧ポンプ1の吐出量が大きくなり、出力トルクも増大する。逆に、モード切換スイッチ10を軽掘削モード「L」にすると逆比例電圧弁8のソレノイド8aには低い電流値が入力され、該逆比例電磁弁8の2次側圧力は高圧Pf2となり、油圧ポンプ1の吐出量が小さくなり、出力トルクも減少するように構成されている。
前記モード切換スイッチ10によりスピード・パワー重視の重掘削モード「H」、燃費優先の標準掘削モード「S」及び微操作に適した軽掘削モード「L」等の作業モードの選択が可能であるが、以下の説明では、モード切換スイッチ10により重掘削モード「H」を選択した場合の応答について説明する。なお、図6で、高出力トルクを選択した場合の馬力一定曲線をHモード、低出力トルクを選択した場合の馬力一定曲線をLモードとし、その場合のトルクを夫々「Tmax」,「Tmin」とする。
図6の左側の図は油圧ポンプ1の吐出量Qと吐出圧Pの関係を表す油圧ポンプ特性を示す。更に右側に、エンジン2のトルク特性を示す。図7、図8は応答の時間変化を示したグラフで、横軸は時間tを示し、縦軸は油圧ポンプ1の吐出量Q、吐出圧P、油圧ポンプ1の出力トルクT、エンジン2の回転数N、燃料噴射量q、逆比例電磁弁8の2次圧Pfを示す。以下、これらの図6〜図8を用いて掘削作業を開始する場合と途中で掘削対象の硬さが急変した場合とを例として説明する。
図7において、掘削開始時刻t1よりリモコン弁6の操作レバー6aを急操作した場合は、油圧ポンプ1の吐出圧がP0からP1まで一気に上昇する。一方、油圧ポンプ1の吐出量は時間(t1〜t2)をかけて図6の点C0(Qmax)から2点鎖線の曲線Cに沿って点C1(Q1)になるまで減少する。即ち、吐出圧がP0〜P5の間は吐出流量がQmaxで、P5〜P1の間は馬力一定のHモード曲線に乗らずに曲線Cに沿って移動する。これはレギュレータ3の吐出量制御が機械的に構成されているために遅れを生じるためである。その結果、曲線Dに示すようにポンプ出力トルクTがTmaxを越えてしまう。
そのため図8に示すように、エンジン回転数Nはこれと釣合うようにN0からN1まで低下する。更に、エンジン2は出力を確保するために、回転数をN0まで戻そうとして燃料噴射量qをq0からq1を越えてq2まで増加させ、その後にq1の状態に落ち着く。即ち、図8の斜線で示した(イ)の部分は燃料が無駄に費やされた量を示す。
次に時間t3〜t4は掘削開始後にゆっくりと操作した場合を示す。この場合は、油圧ポンプ1の吐出圧PもP1からP2までゆっくり上昇する。従って、この場合はポンプ吐出量Qも追従が可能であるために、ポンプ吐出量Qは点C1(Q1)から点C2(Q2)へゆっくりと減少し、Hモード曲線(実線)上を移動する。さらに、時間t5でリモコン弁6の操作レバー6aの操作量が一定でも掘削対象の硬さが急変すると(油圧ショベルが地中の大きな岩にぶつかった場合等)油圧ポンプ1の吐出圧Pも図7に示すように、P2からP3に急上昇する。この場合も急操作の場合と同様にレギュレータ3の制御の応答が遅れてしまうために、ポンプ吐出量Qは図6の2点鎖線の曲線E上を移動し、ポンプ出力トルクTは曲線F上を移動し、一時的にTmaxを越えてしまう。その結果、図8に示すように、エンジン回転数NはN0から急減し、燃料消費量qは急増する。従って、図8の斜線部(ロ)に示す量だけ燃料が余計に消費される結果になる。
また、操作レバーの急操作時や掘削対象の硬さの急変時にポンプトルクを制御してエンジン回転数の変動を少なくして燃費の改善を図ったものとして、例えば、特許文献1に示す建設機械のエンジン制御装置が知られている。このエンジン制御装置は、エンジン2によって駆動されるメインポンプ17と、このメインポンプ17のトルクを制御する電磁比例弁18と、リモコン弁5により操作されて油圧アクチュエータへ圧油を給配制御するコントロールバルブ4と、このコントロールバルブ4のパイロット油路15に設けられた圧力スイッチ16と、この圧力スイッチ16、前記電磁比例弁18及びエンジンコントロールアクチュエータ6に夫々接続されるコントローラ8とを備えている。この特許文献1のエンジン制御装置は、非操作時にメインポンプ17を所定の低トルクに設定し、圧力スイッチ16により油圧アクチュエータの操作開始が検出されたときにメインポンプ17の設定トルクを所定時間で所定の低トルクから高トルクにすることにより、油圧アクチュエータ操作開始時に於けるエンジン回転数の急速な低下を防ぎ、燃費及び排ガスの悪化を防止するものである。
特開2001−271677
図5に示す従来の油圧回路では、操作レバー6aを急操作した場合、図6の曲線Dに示すようにポンプ吐出圧がP5〜P1の間でポンプ出力トルクTが一時的に高トルク(Tmax)を大きく超えてしまい、また、掘削対象の硬さが急変した場合は、図6の曲線Fに示すようにポンプ吐出圧がP2〜P3の間でポンプ出力トルクが一時的に高トルク(Tmax)を大きく超えることになり、その結果、エンジン回転数はこれと釣り合うように低下する。エンジン出力を確保するためには、燃料噴射量を増やして低下したエンジン回転数を元に戻してやる必要があり、必然的に燃料消費量が増加する。
一方、特許文献1記載の発明は、ポンプトルクを制御して操作開始時に於けるエンジン回転数の急速な低下を防ぎ、燃費及び排ガスの悪化を防止するものであるが、油圧アクチュエータの非操作時は電磁比例弁18に所定の小電流i1を入力してメインポンプ17を所定の小トルクt1に設定し、圧力スイッチ16により油圧アクチュエータの操作開始が検出されたときに、その時点から電磁比例弁18を所定時間Tで所定の小電流i1から所定の大電流i2に上昇させ、それによって、メインポンプ17のトルクを所定時間で所定の低トルクt1から所定の高トルクt2に変化させるので、エンジン回転数が低下することなく、過渡的な燃料の大量供給も必要なく、燃費も悪化することがないというものであるが、電磁比例弁18にコントローラ8から所定時間Tで所定小電流i1から所定大電流i2に変化する信号が入力された場合、その信号が電磁比例弁18に入力されてからメインポンプ17の傾転角を変えて吐出量及びトルクを増減させるまでに応答遅れが生じるために所定時間Tでポンプトルクが高トルクT2にならない場合があり、また、所定時間Tの間に電流値を所定小電流i1から所定大電流i2に比例的に変化させるだけであるので、最適な制御ができないという問題がある。
そこで、操作レバーの急操作時や掘削対象の硬さの急変時の諸条件に応じてコントローラからトルク制御手段に導出される電流値を制御し、応答遅れを考慮したポンプトルク制御を行うことにより、高トルクを維持する一方、トルクオーバーを防止し、エンジン回転数の変動を少なくして燃料消費を低減させたポンプ制御回路を提供することを課題とする。
本発明は上記の課題を解決するための手段として以下の構成を採用している。
即ち、請求項1に記載の発明は、エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減するトルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ制御装置に於いて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段及び前記トルク制御手段の制御部を夫々コントローラに接続し、前記圧力検出手段により検出された吐出圧が所定圧Pαより低く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより大きい場合に前記コントローラから前記トルク制御手段に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、前記吐出量制御手段の移動速度をアシストして前記油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを防止すると共に、前記信号(電流値)を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにした建設機械のポンプ制御回路を提供する。
この構成によれば、操作開始直後のポンプ吐出圧が低く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより大きい場合に油圧ポンプの出力トルクを下げてトルクオーバーを防止する一方、その後のトルク低下を防止して油圧ポンプの出力トルクを高トルクに維持できる。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、圧力検出手段により検出された吐出圧が所定圧Pαより高く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより小さい所定速度β以上の場合にコントローラからトルク制御手段に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、吐出量制御手段の移動速度をアシストして油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを少なくすると共に、前記信号(電流値)を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにした建設機械のポンプ制御回路を提供する。
この構成によれば、作業中に掘削対象の硬さが急変した場合のように、ポンプ吐出圧が高く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより小さい所定速度β以上の場合に油圧ポンプの出力トルクを下げてトルクオーバーを防止する一方、その後のトルク低下を防止して油圧ポンプの出力トルクを高トルクに維持できる。
請求項1記載の発明は、油圧ポンプの吐出圧が低い段階で吐出圧の急上昇があった場合に、油圧ポンプの出力トルクを制御してエンジン回転数の低下を防止し、過渡的な大量の燃料増量供給を不要として燃費の悪化を防止することができる。
また、請求項2記載の発明は、油圧ポンプの吐出圧が高い段階で吐出圧の急上昇があった場合に、油圧ポンプの出力トルクを制御してエンジン回転数の低下を防止し、過渡的な大量の燃料増量供給を不要として燃費の悪化を防止することができる。
操作レバーの急操作時や掘削対象の硬さの急変時に高トルクを維持する一方、トルクオーバーを防止し、エンジン回転数の変動を少なくして燃料消費を低減させるという目的を達成するために、本発明は、エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減するトルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ制御装置に於いて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段及び前記トルク制御手段の制御部を夫々コントローラに接続し、前記圧力検出手段により検出された吐出圧が所定圧Pαより低く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより大きい場合若しくは前記圧力検出手段により検出された吐出圧が前記所定圧Pαより高く、且つ、該吐出圧の上昇速度が前記所定速度αより小さい所定速度β以上の場合に前記コントローラから前記トルク制御手段に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、前記吐出量制御手段の移動速度をアシストして前記油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを防止すると共に、前記信号(電流値)を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにすることにより実現した。
以下、本発明の建設機械のポンプ制御回路について、好適な実施例をあげて説明する。
図1は、本発明を実施した電気油圧回路の構成例を示す。図1において、従来回路(図5)と同じ構成要素については同じ参照番号を付して詳細な説明を省略する。実施形態で従来回路と異なる点は以下の点である。即ち、吐出圧を検出する圧力センサ11を設けて、コントローラ9の入力側に接続している。コントローラ9は、圧力センサ11により検出されたポンプ吐出圧が所定圧Pαより低く、且つ、演算されたポンプ吐出圧の上昇速度(ΔP/Δt)が所定速度α以上であることを検出した場合は、所定の制御信号(電流値)をトルク制御手段を構成する逆比例電磁弁8の制御部であるソレノイド8aに出力する。また、コントローラ9は、圧力センサ11により検出されたポンプ吐出圧が所定圧Pαより高く、且つ、演算されたポンプ吐出圧の上昇速度(ΔP/Δt)が前記所定速度αより小さい所定速度β以上であることを検出した場合は、所定の制御信号(電流値)を逆比例電磁弁8のソレノイド8aに出力する。なお、前記ΔPはΔt時間における吐出圧の増加分を意味する。
次に実施形態の応答特性を図2〜図4に基づいて説明する。図2はポンプ吐出圧Pとポンプ吐出量Q及びポンプ出力トルクTの関係を示し、図3は逆比例電磁弁8のソレノイド8aに入力される制御信号である電流値Iとポンプ吐出圧Pとポンプ吐出量Qとポンプ出力トルクTの時間変化を示す。また、図4は電流値Iと逆比例電磁弁8の2次圧Pfとエンジン回転数Nと燃料噴射量qの時間変化を示す。ここで、操作が開始される前、すなわち、図3の時刻t1まではポンプ出力トルクTを低トルク(T0)にするための制御信号(電流値)Imaxがコントローラ9からトルク制御手段を構成する逆比例電磁弁8のソレノイド8aに出力される。そして、時刻t1において、操作レバー6aを操作して操作が開始されると、油圧ポンプ1の吐出圧Pが上昇し始めるがポンプ吐出圧Pは所定圧Pα(例えばPαはP1<Pα<P2とする)より低く、コントローラ9から逆比例電磁弁8のソレノイド8aに制御信号(電流値)I0が出力される。その結果、逆比例電磁弁8から2次圧Pf2が出力され、吐出量制御手段であるレギュレータ3を急速にアシストしてポンプ吐出量Qを減少させると共に、ポンプ出力トルクTを上昇させる。前記油圧ポンプ1の吐出圧Pの上昇速度ΔP/Δtが所定速度αよりも大きい急上昇の場合、コントローラ9から逆比例電磁弁8のソレノイド8aに出力される制御信号(電流値)がI0のままだと、逆比例電磁弁8から出力される2次圧はPf2に維持され、ポンプ出力トルクTが急上昇し、高トルク(Tmax)を超えてトルクオーバーとなるため、時刻t1〜t2にかけて徐々に前記逆比例電磁弁8のソレノイド8aに入力される制御信号(電流値)をI0からImaxにすることにより、逆比例電磁弁8の2次圧をPf2からPf1に減少させる。このとき、油圧ポンプ1の吐出量Qは図2の曲線A(2点鎖線)に示すように変化し、ポンプ出力トルクTは曲線B(1点鎖線)のように変化する。また、この場合エンジン回転数NはN0でほぼ一定となり、燃料噴射量qはq1のレベルを越えることはない(図4)。従って、燃料が無駄に消費されることがなくなる。
その後の時刻t2〜t5までは負荷変動が比較的少ない場合を示し、逆比例電磁弁8のソレノイド8aへ入力される電流値IがImax、2次圧PfがPf1、ポンプ出力トルクTがTmaxに夫々維持されている場合を示し、ポンプ吐出圧P及びポンプ吐出量Qの変動も少ない。
次に、ポンプ吐出圧Pが所定圧Pαより高い掘削作業中に、時刻t5で掘削対象の硬さが急変した場合(油圧ショベルが地中の大きな岩にぶつかった場合等)について説明する。この場合、ポンプ吐出圧Pが急上昇し、コントローラ9から逆比例電磁弁8のソレノイド8aに制御信号(電流値)I0が出力される。その結果、逆比例電磁弁8から2次圧Pf2が出力され、レギュレータ3を急速にアシストしてポンプ吐出量を減少させると共に、ポンプ出力トルクを上昇させるが、前記油圧ポンプ1の吐出圧Pの上昇速度ΔP/Δtが前記所定速度αよりは小さいが、異なる所定速度βよりも大きい場合、コントローラ9から逆比例電磁弁8のソレノイド8aに出力される制御信号(電流値)がI0のままだと、逆比例電磁弁8から出力される2次圧はPf2に維持され、それまで維持されてきたポンプ出力トルクTmaxを大幅に超えて上昇し、トルクオーバーとなるため、時刻t5〜t6にかけて徐々に前記逆比例電磁弁8のソレノイド8aに入力される制御信号(電流値)をI0からImaxにすることにより、逆比例電磁弁8の2次圧をPf2からPf1に減少させる。このとき、油圧ポンプ1の吐出量Qは図2の曲線A1(2点鎖線)に示すように変化し、ポンプ出力トルクTは曲線B1(1点鎖線)のように変化することになるが、ポンプ出力トルク変動を少なくすることができ、その結果エンジン回転数Nお呼び燃料噴射量qの変動も少なくでき(図4)、燃料が無駄に消費されることがなくなる。
図3、図4と図7、図8のグラフの比較から、本実施形態の場合の応答と従来回路による応答の差異が明らかになる。従来回路では油圧ポンプ1の出力トルクTが上下に大きく変動するためにエンジン回転数Nも反対方向に大きく変動する。この変動を打ち消すために燃料噴射量qが大きく変動し、無駄な燃料消費が行われる。これに対して、本実施形態の場合はポンプ出力トルクTの変動が滑らかに変化するために、エンジン回転数Nはほぼ一定値を維持し、従って燃料噴射量qも徐々に変化するために無駄な燃料消費が行われない。この結果、本実施形態によれば、無駄な燃料が消費されず、燃料噴射量qを低減できるという効果が得られる。これは上に説明した場合だけでなく、他の吐出圧が急上昇する場合でも同様な効果が得られる。
そして、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。逆比例電磁弁の2次圧を減少させる場合、上記実施形態のように直線的に減少させる代わりに適当な曲線で減少させてもよい。
本願発明を実施した実施形態の電気油圧回路図を示す。 本実施形態のポンプ特性曲線を示す。 本実施形態の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。 本実施形態の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。 従来装置の電気油圧回路図を示す。 従来装置のポンプ特性曲線とエンジントルク曲線を示す。 従来装置の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。 従来装置の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。
符号の説明
1 油圧ポンプ
2 エンジン
3 レギュレータ(吐出量制御手段)
5 方向切換弁
6 リモコン弁
8 逆比例電磁弁(トルク制御手段)
9 コントローラ(トルク制御手段)
10 モード切換スイッチ
11 圧力センサ(圧力検出手段)








Claims (2)

  1. エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減するトルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ制御装置に於いて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力検出手段及び前記トルク制御手段の制御部を夫々コントローラに接続し、前記圧力検出手段により検出された吐出圧が所定圧Pαより低く、且つ、該吐出圧の上昇速度が所定速度αより大きい場合に前記コントローラから前記トルク制御手段に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、前記吐出量制御手段の移動速度をアシストして前記油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを防止すると共に、前記信号(電流値)を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにしたことを特徴とする建設機械のポンプ制御回路。
  2. 上記圧力検出手段により検出された吐出圧が上記所定圧Pαより高く、且つ、該吐出圧の上昇速度が上記所定速度αより小さい所定速度β以上の場合に上記コントローラから上記トルク制御手段に油圧ポンプの出力トルクを所定値まで下げる信号(電流値)を導出し、上記吐出量制御手段の移動速度をアシストして前記油圧ポンプの傾転速度を上昇させてトルクオーバーを少なくすると共に、前記信号(電流値)を制御して出力トルクが高トルクを維持できるようにしたことを特徴とする請求項1記載の建設機械のポンプ制御回路。














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