JP4474497B2 - 建設機械の油圧回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建設機械の油圧回路に関し、更に具体的には燃料噴射量を低減するために過負荷を防止する油圧回路の技術に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来の油圧ショベル等の建設機械における油圧回路では、掘削開始時に操作レバーを急操作した場合や、或いは掘削操作中に掘削対象の硬さが急変して硬くなった場合において、油圧ポンプのトルクが急増するためにエンジンの燃料噴射量が余計に消費されるという不都合があった。しかし、この問題は、これまで理由があまり解析されておらず、解決もされていなかった。そこで、この問題を解析し、解決の方法を提供する。
【０００３】
以下に、従来回路における解析結果について説明する。図５は従来の油圧ショベルの油圧回路図である。図５において、油圧ポンプ５１は吐出量可変の油圧ポンプで、レギュレータ５２によって制御されている。また、油圧ポンプ５１はエンジン５３によって駆動されていると共に高圧の作業圧油をセンタ油路５４に供給する。センタ油路５４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５５等が接続されている。方向切換弁５５はリモコン弁５６の２次側のパイロット油圧により遠隔操作される。
【０００４】
一方、レギュレータ５２には２つの油室５２a、５２ｂが設けられており、油室５２aはセンタ油路５４に接続された分岐油路５９から吐出圧がネガティブ・フィードバックされて油圧ポンプの入力トルクが一定になるように負帰還系が構成されている。これによって、吐出圧が変化しても入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。また油室５２ｂには電磁弁６０の２次側圧Ｐｆが作用し、入力トルクを増減できるように制御されている。電磁弁６０のソレノイドはコントローラ５７の出力側に接続され、コントローラ５７の入力側には入力トルクの選択スイッチ５８が接続されている。位置「Ｈ」を選択すると高入力トルクになり、電磁弁６０の２次側圧力は低圧力Ｐｆ１となり、レギュレータ５２により油圧ポンプ５１の吐出量が大きくなる。逆に、位置「Ｌ」を選択すると低入力トルクになり、油圧ポンプ５１の吐出量が小さくなるように構成されている。
【０００５】
油圧ショベルは様様な作業に使用される。例えば、重掘削作業、軽作業、仕上げ作業等があり、これらの作業を効率よく行うために油圧ポンプ５１の入力トルクを、選択スイッチ５８を切換えて行っている。以下の説明では、選択スイッチ５８で位置「Ｈ」を選択し、高入力トルクを選択した場合の応答について説明する。なお、図７で、高入力トルクを選択した場合の馬力一定曲線をＨモード、低入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。
【０００６】
図６は種種の応答変化を示したグラフで、横軸には時間ｔをとり、縦軸には油圧ポンプ５１の吐出量Ｑ、吐出圧Ｐ、油圧ポンプ５１への入力トルクＴ、エンジン５３の回転数Ｎ、燃料噴射量ｑ、電磁弁６０の２次側圧Ｐｆをとっている。図７は油圧ポンプ５１の吐出量と吐出圧の関係を示す特性曲線と実際の挙動を示している。以下、これらの図６、図７を利用し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説明する。
【０００７】
掘削開始時刻ｔ１よりリモコン弁５６の操作レバーを急操作した場合は、油圧ポンプ５１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５１の吐出量は時間（ｔ１〜ｔ２）をかけて図７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５２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。この結果曲線Ｄに示すように入力トルクがＴmaxを越えてしまう。
【０００８】
この結果、図６に示すように、エンジン回転数はこれと釣合うようにＮ０からＮ１まで低下する。さらに、この結果、エンジン５３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消費量ｑを図示のように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６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。
【０００９】
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５１の吐出圧もＰ１からＰ２までゆっくり上昇する。従って、この場合は吐出量も追従が可能であるために、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５６の操作レバー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５１の吐出圧も図示（図６）のように、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５５の制御の応答が遅れてしまうために、吐出量は図７の２点鎖線の曲線Ｅ上を移動し、入力トルクは曲線Ｆ上を移動し、入力トルクは一時的にＴmaxを越えてしまう。その結果、図６に示すように、エンジン回転数はＮ０から急減し、燃料消費量は急増する。従って、図６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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、従来の油圧回路では、吐出圧が急上昇すると吐出量が追従できなくなり、燃料消費量が無駄に消費される。本発明は過負荷状態を回避して作業時の燃料消費を低減させた油圧回路を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として本発明は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、可変容量吐出ポンプと、該ポンプを駆動するエンジンと、該ポンプの吐出圧に応じて吐出量を変化させて該ポンプへの入力トルクを一定に調整し、かつ、該ポンプの入力トルクを増減するレギュレータと、を具備した建設機械の油圧回路において、
前記ポンプの吐出圧を検出する圧力センサーと、該圧力センサーの出力を入力側に接続し、出力側から前記レギュレータの入力トルクを増減する制御信号を出力するコントローラを設け、前記コントローラからの制御信号により切り換わる電磁弁を前記レギュレータとパイロットポンプの間に挿入し、
前記コントローラは、前記ポンプの吐出圧の上昇速度が所定速度以上であることを検出したときは、前記ポンプへの入力トルクを急速に低下させる制御信号を前記電磁弁に出力して該電磁弁を切り換え、続けて該電磁弁を徐々に元の状態に切り換える制御信号を出力するように構成したことを特徴としている。
【００１２】
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、前記電磁弁を電磁逆比例弁としたことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１は本発明を実施した油圧回路の構成を示す。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。図１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ー１１を設けて、コントローラ１２の入力側に接続し、コントローラ１２によりポンプ吐出圧の上昇速度が所定速度「ａ」以上であることが検出された場合は、油圧ポンプ５１の入力トルクが所定の高トルク（例えばＴmax）を超えないようにすると共に、その後のトルク低下を防止するために前記油圧ポンプ５１の入力トルクを増大させるようにプログラム制御した構成となっている。なお、ここでは、電磁弁は電磁逆比例弁１６を採用している。
【００１５】
この実施形態の応答特性を図２ないし図４に基づいて説明する。図３の時刻ｔ１において油圧ポンプ５１の吐出圧が急上昇し、その上昇速度が「ａ」よりも大きいときは、コントローラ１２はポンプ入力トルクが高トルク（Ｔmax）を超えないように制御信号を電磁弁１６に出力する。これにより、電磁弁１６の２次圧をＰｆ１からＰｆ２に急増させる（図３右側下図参照）、次に時刻ｔ２にかけて徐々にＰｆ２からＰｆ１に減少させる。このとき、油圧ポンプ５１の吐出量は図２の曲線Ａ（２点鎖線）に示すようにＰ４からＰ１に変化し、ポンプ入力トルクは曲線Ｂ（１点鎖線）のように変化する。このときの吐出量と入力トルクの時間変化を図３に示す。また、この場合エンジン回転数はＮ０でほぼ一定となり、燃料噴射量はｑ１のレベルを超えることはない。従って、燃料が無駄に消費されることがなくなる。一方、図４はポンプ入力トルクＴと電磁弁１６の２次圧Ｐｆとの関係を示し、電磁弁１６の２次圧がＰｆ１からＰｆ２に増加した場合は、レギュレータの移動速度をアシストしてポンプ吐出量低下速度が増速し、ポンプ入力トルクＴはＴmaxを超えないですむ。
【００１６】
次に、時刻ｔ４以後の掘削作業中に、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。この場合にも吐出圧が急上昇し、その上昇速度が「ａ」よりも大きいので、コントローラ１２は制御信号を出力して電磁弁１６の2次圧を図３に示すようにＰｆ２まで急上昇させ、その後徐々にＰｆ１まで減少させる。このとき、油圧ポンプ５１の吐出量は図２の曲線Ａ１（２点鎖線）に示すようにＰ２からＰ３に変化し、油圧ポンプ５１への入力トルクは曲線Ｂ１（１点鎖線）のように変化する。この場合の入力トルクの時間変化（時刻ｔ５から時刻ｔ６）は図３に示すように小さな変化が起こる。同様に、エンジン回転数もＮ０の回りに小さな変化を生じ、燃料噴射量もｑ１の回りに小さな変化を生じる。
【００１７】
図３と図６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５１への入力トルクが上下に大きく変動するためにエンジン回転数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入力トルクの変動が滑らかに変化するために、エンジン回転数はほぼ一定値を維持し、従って燃料噴射量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２つの場合だけでなく、吐出圧が急上昇する他の場合でも同様な効果が得られる。
【００１８】
以上本発明の実施形態を図面に基づいて詳述してきたが、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではなく、実質上同一と考えられる場合も本発明の技術的範囲に属する。例えば、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。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、無駄な燃料が消費されず、燃料噴射量を低減できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明を実施した実施形態の油圧回路図を示す。
【図２】 本実施形態のポンプ特性曲線を示す。
【図３】 本実施形態の各種の応答曲線を示す。
【図４】 ポンプ入力トルクと電磁弁２次圧との関係を示す。
【図５】 従来装置の油圧回路図を示す。
【図６】 従来装置の各種の応答曲線を示す。
【図７】 従来装置のポンプ特性曲線を示す。
【符号の説明】
１１ 圧力センサ
１２ コントローラ
１６ 電磁弁
５１ 油圧ポンプ
５２ レギュレータ
５３ エンジン
５５ 方向切換え弁
５６ リモコン弁

Claims (2)

1. 可変容量吐出ポンプと、該ポンプを駆動するエンジンと、該ポンプの吐出圧に応じて吐出量を変化させて該ポンプへの入力トルクを一定に調整し、かつ、該ポンプの入力トルクを増減するレギュレータと、を具備した建設機械の油圧回路において、
   前記ポンプの吐出圧を検出する圧力センサーと、該圧力センサーの出力を入力側に接続し、出力側から前記レギュレータの入力トルクを増減する制御信号を出力するコントローラを設け、前記コントローラからの制御信号により切り換わる電磁弁を前記レギュレータとパイロットポンプの間に挿入し、
   前記コントローラは、前記ポンプの吐出圧の上昇速度が所定速度以上であることを検出したときは、前記ポンプへの入力トルクを急速に低下させる制御信号を前記電磁弁に出力して該電磁弁を切り換え、続けて該電磁弁を徐々に元の状態に切り換える制御信号を出力するように構成したことを特徴とする建設機械の油圧回路。
2. 前記電磁弁を電磁逆比例弁としたことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の油圧回路。

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