JP5372674B2 - 作業機械の油圧制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、オープンセンタ式の油圧回路におけるセンタバイパスのネガコン圧を用いて油圧ポンプからの吐出流量を制御する作業機械の油圧制御装置に関する。
従来、オープンセンタ式の油圧回路を備えた油圧ショベルやホイールローダ等の作業機械では、センタバイパスの作動油圧を利用して油圧ポンプの吐出流量が制御されている。例えば特許文献1には、センタバイパス上にオリフィス(絞り)を設け、オリフィスの上流側から引き出されたネガティブコントロール通路(いわゆるネガコン通路)をレギュレータ制御弁へと連通させた油圧回路構成が記載されている。
この技術では、ネガコン通路の作動油圧(すなわちネガコン圧)が低圧であるほど油圧ポンプの吐出流量が増加するように、レギュレータ制御弁が制御されている。このような構成により、回路上の油圧シリンダ,油圧モータの非作動時(すなわちレバー操作がなされていない中立時)や微操作時に高圧のネガコン圧をレギュレータ制御弁へ導入して、油圧ポンプの吐出流量を最小にすることができるとされている。一般に、このようなセンタバイパス上のオリフィスの差圧を利用した油圧ポンプの吐出流量制御は、ネガコン制御と呼ばれている。
ところで、ネガコン制御に係るオリフィスの絞り特性は、作業機械の通常の作業状態、すなわちエンジンが定格回転している状態での油圧ポンプの吐出流量に係るポンプ特性に基づいて設定される。例えば、図3中に実線で示すように、ネガコン圧Pnが低圧であるほど吐出流量Qが増加するように、そしてネガコン圧Pnが高圧であるほど吐出流量Qが減少するようにポンプ特性が設定される。
この例では、エンジンの定格回転時のポンプ特性として、ネガコン圧Pnが第一圧力P1以上であるときに吐出流量Qが第一流量Q1に設定され、ネガコン圧Pnが第二圧力P2未満であるときに吐出流量Qが第二流量Q2(ただしQ2>Q1)に設定されている。また、ネガコン圧PnがP2≦Pn<P1の範囲では、ネガコン圧Pnの増分に比例して吐出流量Qが減少する設定となっている。
このようなポンプ特性に対し、オリフィスの絞り特性の設定は、レバー操作中立時に油圧ポンプからの吐出流量Qを最小とするネガコン圧を生じさせるように設定される。例えば、図3中に破線で示すように、吐出流量Qが第一流量Q1であるときにネガコン圧Pn(すなわちオリフィスの上流圧)が第一圧力P1以上となるように設定される。図3中の実線グラフと破線グラフとの交点Aの座標の一方をなす圧力Pn1が、レバー操作中立時のネガコン圧であり、そのときのポンプ流量が第一流量Q1となる。
特開2001−271806号公報
しかしながら、このような油圧ポンプの吐出流量Qに係るポンプ特性は、エンジンの定格回転時を基準としたものであるため、実際のエンジン回転数が定格回転数を下回る場合には適用できない。すなわち、エンジン回転数が低下すると、エンジン回転数の低下量に比例してポンプ吐出流量が減少するため、例えば、図3中に一点鎖線で示すように、同一のネガコン圧Pnに対する吐出流量Qが全体的に低下することになる。
したがって、図3中の一点鎖線グラフと破線グラフとの交点をBとおくと、レバー操作中立時のネガコン圧は交点Bの座標の一方をなす圧力Pn2となり、第一圧力P1よりも低圧となってしまう。
また、エンジン回転数が定格回転数を下回った状態における油圧ポンプの最小吐出流量Q3が第一圧力P1時におけるオリフィスの流量Qs(すなわち、点Cの座標の一方をなす流量)よりも小さければ、交点Bの座標の他方をなすポンプ流量Qrが最小吐出流量Q3よりも大きくなる。つまり、ポンプ流量Qr及び最小吐出流量Q3の差分の作動油が無駄に作動油タンクへ捨てられることになり、効率が悪化することになる。また、このとき油圧ポンプは必要十分とされる最小吐出流量Q3よりも多量の作動油を吐出しているため、実際の吐出圧が本来得られるはずの吐出圧よりも低下することになるという圧力損失が生じる。
このように、従来のネガコン制御では、エンジン回転数が定格回転数を下回った時にポンプ吐出流量が最小とならず、燃費効率を悪化させる場合があるという課題が存在する。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、エンジン回転数に関わらず、レバー操作中立時における油圧ポンプからの吐出流量を最低流量に安定させることができ、出力を低減して燃費を改善することができるようにした作業機械の油圧制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1記載の本発明の作業機械の油圧制御装置は、作業機械の駆動源であるエンジンと、該エンジンの回転数を任意に設定するための複数の操作位置を有するアクセルダイヤルと、オープンセンタ式の油圧回路上に設けられ、該エンジンによって駆動されるとともに、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じてポンプ出力が設定され、ネガコン圧が第一所定圧以上であるときに、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じたポンプ出力における吐出流量を最小とするポンプ特性を有する油圧ポンプと、該油圧回路上に介装され、該油圧ポンプから作動油の供給を受けて作動する油圧アクチュエータと、該油圧回路におけるセンタバイパスの油圧をネガコン圧として該油圧ポンプへ導くネガコン回路と、該センタバイパスに介装され、該油圧ポンプから吐出される作動油の流量が減少するほど該ネガコン圧を該第一所定圧未満まで低下させる絞り特性を有するオリフィスと、該油圧アクチュエータが非作動状態であるか否かを検出するアイドリング検出手段と、該ネガコン圧を任意の値に制御するネガコン圧制御手段とを備え、該ネガコン圧制御手段が、該アイドリング検出手段において該油圧アクチュエータの該非作動状態が検出された場合に、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じたポンプ出力を維持したまま該ネガコン圧を強制的に該第一所定圧以上に制御することを特徴としている。
また、請求項2記載の本発明の作業機械の油圧制御装置は、請求項1記載の構成に加え、該油圧アクチュエータに係る操作レバーへの操作入力の有無に応じてオン/オフ信号を出力する圧力スイッチをさらに備え、該アイドリング検出手段が、該圧力スイッチからのオフ信号を受けたときに、該非作動状態を検出することを特徴としている。
また、請求項3記載の本発明の作業機械の油圧制御装置は、請求項2記載の構成に加え、該アイドリング検出手段が、該圧力スイッチからのオフ信号を所定時間受け続けたときに、該非作動状態を検出することを特徴としている。
つまり、アイドリング検出手段は、エンジンの自動デセル(デセラレーション)機能が働いたときに、油圧アクチュエータが非作動状態であるとみなす。
また、請求項4記載の本発明の作業機械の油圧制御装置は、請求項1〜3の何れか1項に記載の構成に加え、該油圧アクチュエータに係るコントロールバルブの動作をロックする油圧ロック装置をさらに備え、該アイドリング検出手段が、該油圧ロック装置の作動時に、該非作動状態を検出することを特徴としている。
本発明の作業機械の油圧制御装置(請求項1)によれば、油圧アクチュエータの非作動時にネガコン圧の最小値が強制的に第一所定圧以上に制御されるため、エンジン回転数に関わらず高いネガコン圧を保持することができ、油圧ポンプからの吐出流量を最小のまま維持することが可能となる。これにより、燃費効率を向上させることができる。
また、本発明の作業機械の油圧制御装置(請求項2)によれば、操作レバーへの操作入力の有無を参照することにより、簡素な構成で確実に非作動状態を検出することができる。
また、本発明の作業機械の油圧制御装置(請求項3)によれば、非作動状態であるとみなされる条件に時間条件を付加することにより、短時間の間に制御が繰り返し実施されるような事態を防止することができ、制御を安定化させることができる。
また、本発明の作業機械の油圧制御装置(請求項4)によれば、油圧ロック装置の動作を参照することにより、より正確に非作動状態を検出することができる。また、オペレータが意識的に油圧ロック装置を作動させたときにのみ非作動状態と判断されるため、操作フィーリングを向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る作業機械の油圧制御装置が適用された油圧回路を模式的に示す油圧回路図である。 本油圧制御装置における油圧ポンプの吐出流量とネガコン圧との関係を示すグラフである。 従来の油圧制御内容を説明するためのグラフである。
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
[1.構成]
本発明は、図1に模式的に示す油圧ショベルのオープンセンタ式の油圧回路10に適用されている。ここでは、フロント作業機を伸縮させるための油圧シリンダ3の駆動に係る油圧回路の概略構成を示す。
油圧ポンプ2はエンジン1によって駆動され、作動油タンク11に貯留された作動油を油圧回路10内へと吐出している。作動油は、油圧ポンプ2からコントロール弁8を介して油圧シリンダ3へと供給されている。また、油圧ポンプ2にはその吐出流量を制御するためのレギュレータ2aが併設されている。
エンジンの回転数は、アクセルダイヤル16によってオペレータが任意に設定可能となっている。例えば、アクセルダイヤル16の操作位置が1番に設定されると、エンジン回転数が最低回転(1000rpm)に維持されるようにエンジン1が制御される。また、アクセルダイヤル16の操作位置が10番に設定されると、エンジン回転数が最高回転(2000rpm)に維持されるようにエンジン1が制御される。このように、エンジン回転数は、アクセルダイヤル16の操作位置に応じて段階的に設定される。
なお、本エンジン1の出力(馬力)は、アクセルダイヤル16の操作位置の番号が大きいほど増加する特性となっている。したがって、アクセルダイヤル16の操作位置が10番に設定されているときに、エンジン出力が最も大きい状態となる。また、油圧ポンプ2の出力(馬力)も、エンジン出力に合わせて設定されるようになっている。
コントロール弁8は、スプール(流量制御ステム)の位置を複数の位置に切り替えて作動油の流通方向及び流量を可変制御する制御弁として構成されている。また、コントロール弁8のスプールの両端のそれぞれには、操作系パイロットライン14が接続されている。
操作系パイロットライン14は、操作レバー13の操作量に応じて開閉するリモコン弁13aに接続されており、その操作量に対応するパイロット圧をスプールへ導くものである。ここでは、操作レバー13の一方向又は他方向への操作に対応して、二本の操作系パイロットライン14が設けられている。これにより、操作レバー13を一方向又は他方向へ操作すると、コントロール弁8のスプールが図1中の上下方向に移動し、油圧シリンダ3へ供給される作動油流量等がそのレバー操作量に応じて制御され、油圧シリンダ3が伸縮動作する。
また、操作系パイロットライン14には、シャトル弁7aがコントロール弁8に対して並列に介装されている。シャトル弁7aは、二本の操作系パイロットライン14のうち高圧の一方を選択するように機能する。ここで選択されたパイロット圧は、圧力スイッチ7へ導入されている。
圧力スイッチ7は、レバー中立時(非操作時)よりも高圧のパイロット圧が導入された時にのみオン信号を出力するスイッチである。なお、シャトル弁7aから導入される圧力は操作レバー13の操作方向に依存しないため、操作レバー13に何らかの操作入力があれば圧力スイッチ7がオン信号を出力することになる。また、操作レバー13が中立であれば、圧力スイッチ7はオフ信号を出力する。これらのオン/オフ信号は、後述するコントローラ5へ入力されている。
操作レバー13の中立時に油圧ポンプ2から吐出された作動油の還流路となるセンタバイパス15上には、オリフィス9及びネガコンリリーフ弁17が並列に介装されている。また、オリフィス9及びネガコンリリーフ弁17よりも上流側(コントロール弁8側)のセンタバイパス15からは、ネガコン回路4が分岐形成されている。
ネガコン回路4は、油圧ポンプ2のレギュレータ2aにおけるネガティブコントロール用の回路である。ネガティブコントロールとは、ネガコン回路4の作動油圧の高低に対応するように油圧ポンプ2の吐出流量を減少又は増加させて、油圧ポンプ2の出力を略一定に保たせる制御である。以下、ネガコン回路4を介してレギュレータ2aへ導入される作動油圧のことをネガコン圧とも呼ぶ。
オリフィス9及びネガコンリリーフ弁17はともにネガコン圧を生成するための弁である。ネガコンリリーフ弁17は、予め設定された上限値以下の範囲にセンタバイパス15内の作動油圧を保持する安全弁として機能する。またオリフィス9は、センタバイパス15から作動油タンク11へ排出される作動油流量を制限する絞り弁である。
オリフィス9及びネガコンリリーフ弁17によって生成されるネガコン圧Pnとセンタバイパス15の作動油の流量Qとの関係は、図2中に破線で示すように、流量Qが大きいほどネガコン圧Pnが高く設定される。なお、オリフィス9の絞り特性に関して、ネガコン圧Pnと流量Qとの関係は、以下に示す式1のように記述される。
Figure 0005372674
(ただし、ρ:作動油密度,C:流量係数,A:開口面積,Pt:タンク圧)
また、レギュレータ2aへ導入されるネガコン圧Pnとそれによって制御される油圧ポンプ2の吐出流量との関係を、図2中に重ね合わせて示す。なお、操作レバー13が中立であるときには、油圧ポンプの吐出流量とセンタバイパス15の作動油の流量Qが一致する。以下、記号Qを操作レバー13の中立時における吐出流量を表す記号としても用いて説明する。
図2中に実線で示されたグラフは、エンジン1の定格回転時におけるポンプ特性を示すものであり、アクセルダイヤル16の操作位置が10番に設定されたときのポンプ特性である。また、一点鎖線で示されたグラフは、定格回転時よりも低回転時におけるポンプ特性を示すものであり、アクセルダイヤル16の操作位置が1番に設定されたときのポンプ特性である。
アクセルダイヤル16の操作位置が10番に設定されたときのポンプ特性は、ネガコン圧Pnが第一圧力P1(第一所定圧力)以上であるときに吐出流量Qが第一流量Q1に設定され、ネガコン圧Pnが第二圧力P2未満であるときに吐出流量Qが第二流量Q2(ただしQ2>Q1)に設定されている。また、ネガコン圧PnがP1≦Pn<P2の範囲では、ネガコン圧Pnの増分に比例して吐出流量Qが減少する設定となっている。
また、アクセルダイヤル16の操作位置が1番に設定されたときには、10番に設定されたときに比して全体的に流量Qが減少したポンプ特性となっている。一般に、エンジン1の定格回転時における吐出流量をQpとおくと、エンジン1の実回転数がNであるときの吐出流量Qrは以下の式2のように記述される。
Figure 0005372674
したがって、アクセルダイヤル16の操作位置が10番(定格回転数2000rpm)から1番(1000rpm)へと変更されると、流量Qは半分になる。
前述のオリフィス9の絞り特性を示す図2中の破線のグラフは、第一圧力P1以上の範囲でエンジン1の定格回転時におけるポンプ特性のグラフと交わるように設定されている。つまり、レバー操作中立時に油圧ポンプ2からの作動油の流量が第一流量Q1となるネガコン圧が生じるように、オリフィス9の絞り特性が設定されている。したがって、これらのグラフの交点をAとおくと、交点Aの座標の一方をなす圧力Pn1がレバー操作中立時のネガコン圧であり、その時の流量はQ1である。
[2.ネガコン圧の制御]
ネガコン回路4上には、NFC(Negative flow control)制御弁6が介装されている。このNFC制御弁6は、非作動状態にネガコン圧Pnを強制的に昇圧させるネガコン圧制御手段としての機能を備えており、高圧選択型のシャトル弁6a及び電磁比例減圧弁6bを備えて構成されている。電磁比例減圧弁6bは、パイロットポンプ12から供給される作動油をネガコン回路4へ導入するためのものであり、コントローラ5によって開度を制御されている。
ここでは、電磁比例減圧弁6bがオン(励磁状態)になると、その下流側の油圧の大きさが所定圧力Pc(ただしPc≧P1)となるように、開度が設定されている。これにより、実際のオリフィス9の上流圧の大きさに関わらず、レギュレータ2aへ導入されるネガコン圧Pnを強制的に所定圧力Pcに保持することができるようになっている。なお、本実施形態では、所定圧力が図2中の交点Aの圧力Pn1よりも小さく設定されているものとする。
なお、図1に示すように、電磁比例減圧弁6bは作動油タンク11にも接続されており、オフ(非励磁状態)のときにはその二次圧が最低圧(タンク圧)に設定されている。
コントローラ5(アイドリング検出手段)は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやROM,RAM等を集積したLSIデバイスとして提供されている。このコントローラ5は、油圧シリンダ3が非作動状態であるか否かを検出する手段としての機能を備えている。すなわち、圧力スイッチ7からオフ信号が入力されている場合には、電磁比例減圧弁6bを励磁状態に制御する。一方、圧力スイッチ7からオン信号が入力されている場合には、電磁比例減圧弁6bを非励磁状態に制御する。
[3.作用,効果]
アクセルダイヤル16の操作位置が10番に設定された油圧ショベルにおいて、操作レバー13に何らかの操作入力がある状態では、その操作量に応じてパイロットライン14にパイロット圧が生じ、コントロール弁8が制御される。センタバイパス15の作動油圧は、操作レバー13の操作量が大きいほど低下する。一方、このときコントローラ5は電磁比例減圧弁6bを非励磁状態に制御するため、シャトル弁6aではセンタバイパス15側の作動油圧が選択される。これにより、ネガコン回路4を介してレギュレータ2aへ導入されるネガコン圧Pnが低下し、油圧ポンプ2から吐出される作動油流量が増加する。
続いて、操作レバー13に何も操作入力がない場合には、オリフィス9の上流圧としてのネガコン圧Pnが圧力Pn1となる。一方、コントローラ5は電磁比例減圧弁6bを励磁状態に制御し、電磁比例減圧弁6bの下流側に所定圧力Pcを生じさせる。この場合、シャトル弁6aでは、電磁比例減圧弁6b側の作動油圧Pcよりもセンタバイパス15側の作動油圧Pn1の方が高圧であるため、センタバイパス15側の作動油圧Pn1がレギュレータ2aへ導入されることになる。
また、アクセルダイヤル16が10番から1番へと変更されると、センタバイパス15の作動油流量Qが低下するため、シャトル弁6aにおけるセンタバイパス15側の作動油圧が低下する。すなわち、図2中のグラフにおいて、破線で示されたオリフィス9の絞り特性のグラフに沿って圧力が低下することになる。しかし、シャトル弁6aの他方には所定圧力Pcが生じているため、レギュレータ2aへ導入されるパイロット圧Pnは所定圧力Pc未満にはならない。つまり、油圧ポンプ2の吐出流量Qとレギュレータ2aへ導入されるパイロット圧Pnとの関係は、図2中に点A′で示される状態となり、油圧ポンプ2の吐出流量Qを最小流量にすることができる。
このように、本油圧制御回路によれば、操作レバー13に何も操作入力がないときにネガコン圧Pnの最小値が強制的に所定圧力Pcに制御されるため、エンジン回転数に関わらず高いネガコン圧Pnを保持することができ、油圧ポンプ2からの吐出流量Qを最小流量とすることができる。これにより、作業のアイドリング時(非操作時)の油圧エネルギー損失を軽減することができ、燃費効率を向上させることができる。
また、操作レバー13が中立状態であることを検出するための構成が簡素であり、確実に油圧シリンダ3の非作動状態を検出することができる。
[4.その他]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態では、コントローラ5で電磁比例減圧弁6bを励磁する条件が、圧力スイッチ7から入力される信号がオフ信号であることとなっているが、これに加えて、あるいはこれに代えて、他の条件を用いることも考えられる。以下に制御の開始条件を例示する。
・アクセルダイヤル操作によらず、オフ信号を所定時間継続的に受け続けること
・アクセルダイヤル操作によらず、油圧ロックレバーがオフ操作されること
・アクセルダイヤルが下げられ、かつ操作レバー13の中立を検出すること
・アクセルダイヤルが下げられ、かつオフ信号を所定時間継続的に受け続けること
・アクセルダイヤルが下げられ、かつ油圧ロックレバーがオフ操作されること
上記のように、油圧シリンダ3が非作動状態であるとみなされる条件に時間条件を付加することにより、短時間の間に制御が繰り返し実施されるような事態を防止することができ、制御を安定化させることができる。なお、エンジンの自動デセル(デセラレーション)機能が働いたときに、油圧アクチュエータが非作動状態であるとみなすものとしてもよい。
また、コントロール弁8のスプール動作をロックする油圧ロックレバー(油圧ロック装置)の操作状態を参照した場合には、より正確に非作動状態を検出することができる。なおこの場合、オペレータが意識的に油圧ロック装置を作動させたときにのみ非作動状態と判断されるため、操作フィーリングを向上させることができる。
また、上述の実施形態では油圧式の操作レバー13の場合を示したが、電気式の操作レバーにも応用が可能である。この場合、電気式の操作レバーから出力される操作量に係る信号をコントローラ5に入力する構成とすれば、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。
なお、上述の実施形態では、図2に示すように、所定圧力PcがP1≦Pc≦Pn1の範囲で設定されているが、上述の実施形態と同様の効果を奏するには、少なくともP1≦Pcを満たすように設定すればよい。
本発明は、油圧ショベルをはじめとして、ブルドーザやホイールローダ,油圧式クレーン等様々な作業機械の製造産業全般に利用可能である。
1 エンジン
2 油圧ポンプ
2a レギュレータ
3 油圧シリンダ
4 ネガコン回路
5 コントローラ(アイドリング検出手段)
6 NFC制御弁(ネガコン圧制御手段)
6a シャトル弁
6b 電磁比例減圧弁
7 圧力スイッチ
7a シャトル弁
8 コントロール弁(コントロールバルブ)
9 オリフィス
10 油圧回路
11 作動油タンク
12 パイロットポンプ
13 操作レバー
13a リモコン弁
14 操作系パイロットライン
15 センタバイパス
16 アクセルダイヤル
17 ネガコンリリーフ弁

Claims (4)

  1. 作業機械の駆動源であるエンジンと、
    該エンジンの回転数を任意に設定するための複数の操作位置を有するアクセルダイヤルと、
    オープンセンタ式の油圧回路上に設けられ、該エンジンによって駆動されるとともに、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じてポンプ出力が設定され、ネガコン圧が第一所定圧以上であるときに、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じたポンプ出力における吐出流量を最小とするポンプ特性を有する油圧ポンプと、
    該油圧回路上に介装され、該油圧ポンプから作動油の供給を受けて作動する油圧アクチュエータと、
    該油圧回路におけるセンタバイパスの油圧をネガコン圧として該油圧ポンプへ導くネガコン回路と、
    該センタバイパスに介装され、該油圧ポンプから吐出される作動油の流量が減少するほど該ネガコン圧を該第一所定圧未満まで低下させる絞り特性を有するオリフィスと、
    該油圧アクチュエータが非作動状態であるか否かを検出するアイドリング検出手段と、
    該ネガコン圧を任意の値に制御するネガコン圧制御手段とを備え
    該ネガコン圧制御手段、該アイドリング検出手段において該油圧アクチュエータの該非作動状態が検出された場合に、該アクセルダイヤルの該操作位置に応じたポンプ出力を維持したまま該ネガコン圧を強制的に該第一所定圧以上に制御する
    ことを特徴とする、作業機械の油圧制御装置。
  2. 該油圧アクチュエータに係る操作レバーへの操作入力の有無に応じてオン/オフ信号を出力する圧力スイッチをさらに備え、
    該アイドリング検出手段が、該圧力スイッチからのオフ信号を受けたときに、該非作動状態を検出する
    ことを特徴とする、請求項1記載の作業機械の油圧制御装置。
  3. 該アイドリング検出手段が、該圧力スイッチからのオフ信号を所定時間受け続けたときに、該非作動状態を検出する
    ことを特徴とする、請求項2記載の作業機械の油圧制御装置。
  4. 該油圧アクチュエータに係るコントロールバルブの動作をロックする油圧ロック装置をさらに備え、
    該アイドリング検出手段が、該油圧ロック装置の作動時に、該非作動状態を検出する
    ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の作業機械の油圧制御装置。
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