JP5747087B2 - 建設機械のエネルギー再生システム - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械のブームダウンとアームアウトの複合動作時にエネルギーを再生することのできる建設機械のエネルギー再生システムに係り、特に、ブームダウンによって戻る油圧エネルギーをアームアウト作動時に再生して活用することのできるエネルギー再生システムに関する。
図１に示すように、従来の技術によるブームシリンダとアームシリンダとを結合させた油圧システムは、エンジン（図示せず）に接続される可変容量型の第１及び第２の油圧ポンプ１、２（以下、「第１及び第２の油圧ポンプ」と称する。）と、第１の油圧ポンプ１に接続されるアームシリンダ３と、第１の油圧ポンプ１の吐出流路に設けられ、アームシリンダ３のアームイン及びアームアウト動作を制御する制御弁４と、第２の油圧ポンプ２に接続されるブームシリンダ５と、第２の油圧ポンプ２の吐出流路に設けられ、ブームシリンダ５のブームアップ及びブームダウン動作を制御する制御弁６と、第１の油圧ポンプ１の吐出流路と第２の油圧ポンプ２の吐出流路を並列接続し、作業条件に応じて第１及び第２の油圧ポンプ１、２の流量を合流させて当該アクチュエータの駆動速度を確保する合流流路７と、を備える。
上述した構成を有する油圧システムにおいては、上述した制御弁６に供給されるパイロット信号圧によってスプールを図中の左側方向に切り換えてブームをダウン動作させると、第２の油圧ポンプ２から吐出される作動油は制御弁６を経てブームシリンダ５の小チャンバに供給される。このとき、ブームシリンダ５の大チャンバから帰還する作動油の一部は油圧タンクＴに戻され、作動油の一部はブームシリンダ５の小チャンバに供給される。
このように、ブームダウン時にブームシリンダ５の大チャンバから油圧タンクＴに帰還する高圧状態の作動油の一部をブームシリンダ５の低圧状態の小チャンバに供給して再生することにより、第２の油圧ポンプ２から吐出される油圧エネルギー効率を高めることができる。このとき、ブームシリンダ５の断面積の差分に見合う分だけ小チャンバに供給されて残った半分以上の作動油は油圧タンクＴに戻る。
また、アームアウト単独動作時に、アームシリンダ３に発生する高い負荷条件で駆動可能なように第１の油圧ポンプ１と第２の油圧ポンプ２の流量を合流させた吐出流量が要求される。
一方、掘削機などの装備の特性から、作業能率を高めるためにブームダウンとアームアウトの複合動作により掘削作業などを行うのが一般的である。このとき、ブームダウン時の供給側の作動油圧力が低いため、第２の油圧ポンプ２からブームシリンダ５に供給される作動油をアームアウト時のアームシリンダ３に供給することができなくなる。
これにより、ブームダウンとアームアウトの複合作動時におけるアームアウトの作業性能が、アームアウトの単独駆動時に比べて顕著に低下するという問題点がある。
本発明の目的は、ブームダウンとアームアウトの複合動作時に、ブームダウンによって戻る油圧エネルギーをアームアウトのアームシリンダに供給してアームアウトの作業性能を向上させることのできる建設機械のエネルギー再生システムを提供することである。
本発明の他の目的は、油圧アクチュエータに対する供給側流路（ｍｅｔｅｒ−ｉｎ）と帰還側流路（ｍｅｔｅｒ−ｏｕｔ）をそれぞれ別々に制御し、油圧アクチュエータの圧力をリアルタイムで検出して、複合動作時にアームシリンダに作動油を供給することのできる建設機械のエネルギー再生システムを提供することである。
本発明に係る建設機械のエネルギー再生システムは、可変容量型の第１及び第２の油圧ポンプと、前記第１の油圧ポンプにアームアウト供給流路を介して低圧側チャンバが接続されるアームシリンダと、前記アームシリンダの高圧側チャンバを油圧タンクに接続するアームアウト戻り流路と、前記第２の油圧ポンプにブームダウン供給流路を介して低圧側チャンバが接続されるブームシリンダと、前記ブームシリンダの高圧側チャンバを油圧タンクに接続するブームダウン戻り流路と、前記ブームダウン戻り流路と前記アームアウト供給流路とを並列接続して、ブームダウンとアームアウトの複合作動時にブームダウンによって油圧タンクに帰還する作動油の一部を前記アームアウト供給流路に供給して再生する合流及び再生流路と、ブームダウンとアームアウトの複合作動時に前記ブームシリンダから帰還する作動油の再生可否を判断するために前記アームシリンダ及び前記ブームシリンダの圧力をそれぞれ検出する検出手段と、前記ブームダウン供給流路に設けられて、前記第２の油圧ポンプから前記ブームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第１の可変流量制御弁と、前記ブームダウン戻り流路に設けられて、前記ブームシリンダの高圧側チャンバから戻る作動油を制御する第２の可変流量制御弁と、を備える。
前記検出手段は、前記ブームシリンダの高圧側チャンバに発生する圧力を検出する第１の圧力センサ、及び、前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される前記第１の油圧ポンプの吐出圧力を検出する第２の圧力センサを備える。
本発明に係る建設機械のエネルギー再生システムでは、前記ブームシリンダの高圧側チャンバの圧力値が前記第１の油圧ポンプの吐出圧力値よりも大きい場合に、前記ブームシリンダの高圧側チャンバから戻る作動油が前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される。
また、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、上述したアームアウト供給流路に設けられて第１の油圧ポンプからアームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第３の可変流量制御弁と、アームアウト戻り流路に設けられてアームシリンダの高圧側チャンバから油圧タンクに戻る作動油を制御する第４の可変流量制御弁と、をさらに備える。
また、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、上述した合流及び再生流路に設けられてブームシリンダの高圧側チャンバからアームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第５の可変流量制御弁をさらに備える。
上述した構成を有する本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、下記のメリットを有する。
掘削機のブームダウンとアームアウトの複合動作時に、ブームダウンによって戻る油圧エネルギーをアームシリンダに供給してアームアウトの作業性能を向上させることができる。
また、油圧アクチュエータに対する供給側流路と帰還側流路をそれぞれ別々に制御し、油圧アクチュエータ（ブームシリンダなど）の圧力をリアルタイムで検出するので、油圧システムをコンパクト化させてコストを節減することができる。
従来技術によるブームシリンダとアームシリンダとを結合させた油圧システムを示す回路図である。 本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムの油圧回路図である。 本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムにおいて、ブームダウンによって再生された流量をアームシリンダに供給することを説明するためのフローチャートである。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述する。本発明の実施形態は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものである。本発明の実施形態の開示により、本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。
図２に示す本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、
エンジン（図示せず）に接続される可変容量型の第１及び第２の油圧ポンプ１１、１２（以下、第１及び第２の油圧ポンプと称する）と、
第１の油圧ポンプ１１にアームアウト供給流路１３を介して低圧側チャンバ（小チャンバをいう）が接続されるアームシリンダ１４と、
アームシリンダ１４の高圧側チャンバ（大チャンバをいう）を油圧タンクＴに接続するアームアウト戻り流路１５と、
第２の油圧ポンプ１２にブームダウン供給流路１６を介して低圧側チャンバが接続されるブームシリンダ１７と、
ブームシリンダ１７の高圧側チャンバ（大チャンバをいう）を油圧タンクＴ に接続するブームダウン戻り流路１８と、
ブームダウン戻り流路１８とアームアウト供給流路１３を並列接続して、ブームダウンとアームアウトの複合作動時にブームダウンによって油圧タンクＴに帰還する作動油の一部をアームアウト供給流路１３に供給して再生する合流及び再生流路１９と、
ブームダウン戻り流路１８とブームダウン供給流路１６を並列接続して、ブームダウンによって油圧タンクＴに帰還する作動油の一部をブームシリンダ１７の低圧側チャンバに供給して再生する再生用流路２０と、
ブームダウンとアームアウトの複合作動時にブームシリンダ１７から帰還する作動油の再生可否を判断するためにアームシリンダ１４及びブームシリンダ１７の圧力をそれぞれ検出する検出手段と、を備える。
このとき、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、上述したブームダウン供給流路１６に設けられて第２の油圧ポンプ１２からブームシリンダ１７の低圧側チャンバに供給される流量または圧力を制御するように制御信号によって開口面積が可変となる第１の可変流量制御弁２１と、ブームダウン戻り流路１８に設けられてブームシリンダ１７の高圧側チャンバから戻る流量または圧力を制御するように制御信号によって開口面積が可変となる第２の可変流量制御弁２２と、をさらに備える。
また、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、上述したアームアウト供給流路１３に設けられて第１の油圧ポンプ１１からアームシリンダ１４の低圧側チャンバに供給される流量または圧力を制御するように制御信号によって開口面積が可変となる第３の可変流量制御弁２３と、アームアウト戻り流路１５に設けられてアームシリンダ１４の高圧側チャンバから油圧タンクＴに戻る流量または圧力を制御するように制御信号によって開口面積が可変となる第４の可変流量制御弁２４と、をさらに備える。
さらに、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムは、上述した合流及び再生流路１９に設けられてブームシリンダ１７の高圧側チャンバからアームシリンダ１４の低圧側チャンバに供給される流量または圧力を制御するように制御信号によって開口面積が可変となる第５の可変流量制御弁２５をさらに備える。
上述した検出手段は、ブームシリンダ１７の高圧側チャンバに発生する圧力を検出する第１の圧力センサ２６と、アームシリンダ１４の低圧側チャンバに供給される第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力を検出する第２の圧力センサ２７と、を備える。
図中、説明されていない符号２８は、アームシリンダの低圧側チャンバに発生する圧力を検出する第３の圧力センサである。
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムの使用例について詳述する。
図２に基づいてアームアウト動作を説明すると、上述した第１の油圧ポンプ１１から吐出される作動油は、第３の可変流量制御弁２３を経てアームシリンダ１４の小チャンバに供給される。このとき、アームシリンダ１４の大チャンバから帰還する作動油は、アームアウト戻り流路１５に設けられた第４の可変型流量制御弁２４を経て油圧タンクＴに戻る。
一方、アームアウト供給流路１３に設けられた第３の可変流量制御弁２３及びアーム戻り流路１５に設けられた第４の可変流量制御弁２４の開口断面積をそれぞれ別々に制御することにより、これらの開口部を通過する流量を制御するので、アームシリンダ１４の駆動を制御することができる。
図２に基づいてブームダウン動作を説明すると、上述した第２の油圧ポンプ１２から吐出される作動油は、第１の可変流量制御弁２１を経てブームシリンダ１７の小チャンバに供給される。このとき、ブームシリンダ１７の大チャンバから帰還する作動油は３方向に分かれて移動する。先ず、第一に、ブームシリンダ１７から戻る作動油の一部は、合流及び再生流路１９に設けられた第５の可変流量制御弁２５を経た後、アームアウト供給流路１３に沿ってアームシリンダ１４の小チャンバに供給されて再生される。
第二に、ブームシリンダ１７から戻る作動油の一部は、ブームダウン戻り流路１８に設けられた第２の可変流量制御弁２２を経た後、ブームダウン供給流路１６に沿ってブームシリンダ１７の小チャンバに再供給されて再生される。
第三に、ブームシリンダ１７から戻る作動油の一部は、ブームダウン戻り流路１８に沿って油圧タンクＴに帰還する。すなわち、ブームダウン時にブームシリンダ１７から戻る作動油はブームシリンダ１７の断面積の差分によってブームシリンダ１７の小チャンバに再供給されるか、あるいは、アームシリンダ１４の小チャンバに供給されて再生される。
一方、ブームダウン供給流路１６に設けられた第１の可変流量制御弁２１及びブームダウン戻り流路１８に設けられた第２の可変流量制御弁２２の開口断面積をそれぞれ別々に制御することにより、これらの開口部を通過する流量を制御するので、ブームシリンダ１７の駆動を制御することができる。
以下、上述した第１の油圧ポンプ１１及び第２の油圧ポンプ１２からアームシリンダ１４及びブームシリンダ１７に供給される流量について説明する。
図２に示すように、上述した第２の油圧ポンプ１２から吐出される流量Ｑ２は、ブームシリンダ１７の小チャンバに供給される。このとき、ブームシリンダ１７の大チャンバから戻る流量は、アームシリンダ１４の小チャンバに供給されて再生される流量Ｑａと、ブームシリンダ１７の小チャンバに再供給されて再生される流量Ｑｃと、油圧タンクＴに戻る流量Ｑｂと、からなる。
これにより、アームシリンダ１４には、ブームシリンダ１７から供給されて再生される流量Ｑａと、第１の油圧ポンプ１１から供給される流量Ｑ１とが同時に供給されるので、アームシリンダ１４に供給される流量を確保することができ、アームアウト動作性能を向上させることができる。なお、アームシリンダ１４の大チャンバから油圧タンクＴに流量（Ｑ３＝Ｑ１＋Ｑａ）に見合う分だけの流量を戻すことができる。
上述したように、ブームダウン供給流路１６に設けられた第１の可変流量制御弁２１及びアームアウト供給流路１３に設けられた第３の可変流量制御弁２３によってブームシリンダ１７及びアームシリンダ１４の供給側流路を、ブームダウン戻り流路１８に設けられた第２の可変流量制御弁２２及びアームアウト戻り流路１５に設けられた第４の可変流量制御弁２４によってブームシリンダ１７及びアームシリンダ１４のリターン側流路を、それぞれ別々に制御することができる。
一方、上述したブームダウン戻り流路１８に設けられた第１の圧力センサ２６と、アームアウト供給流路１３に設けられた第３の圧力センサ２８とによってブームシリンダ１７及びアームシリンダ１４の圧力をリアルタイムで検出することができる。
図３のステップＳ１００に示すように、運転者が操作レバー（ジョイスティック）を操作してブームダウン及びアームアウト動作を行う。
ステップＳ２００に示すように、上述した第１の圧力センサ２６によって検出されるブームシリンダ１７の大チャンバに発生する圧力値Ｐａと、第２の圧力センサ２７によって検出される第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値Ｐ１との大小を比較する。このとき、ブームシリンダ１７の大チャンバの圧力値Ｐａが第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値Ｐ１よりも大きければ（Ｐａ?Ｐ１）ステップＳ３００へ移行し、ブームシリンダ１７の大チャンバの圧力値Ｐａが第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値Ｐ１よりも小さければ（Ｐａ?Ｐ１）Ｓ４００へ移行する。
ステップＳ３００に示すように、ブームシリンダ１７の大チャンバの圧力値Ｐａが第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値Ｐ１よりも大きければ（Ｐａ?Ｐ１）、ブームシリンダ１７の大チャンバから戻る作動油をアームシリンダ１４の小チャンバに供給して再生することができる。すなわち、ブームシリンダ１７の大チャンバから戻る作動油は、合流及び再生流路１９に設けられた第５の可変流量制御弁２５及びブームダウン戻り流路１８に設けられた第２の可変流量制御弁２２の開口断面積をそれぞれ別々に制御することにより、ブームシリンダ１７から戻る作動油をアームシリンダ１４に供給して再生することができる。
このとき、上述した第１、第２、第３及び第５の可変流量制御弁２１、２２、２３、２５の開口断面積（Ａエリア、Ｂエリア、Ｃエリア、Ｄエリア）は、外部からの制御信号によってそれぞれ異なる値に制御される。
これにより、ブームダウン時に戻されてアームシリンダ１１に供給される再生可能な流量によって、第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値を検出して第１の油圧ポンプ１１の駆動を制御することにより、アームシリンダ１４に作動油を供給するために駆動する第１の油圧ポンプ１１を駆動させる動力を低減することができる。
Ｓ４００に示すように、ブームシリンダ１７の大チャンバの圧力値Ｐａが第１の油圧ポンプ１１の吐出圧力値Ｐ１よりも小さければ（Ｐａ?Ｐ１）、ブームシリンダ１７の大チャンバから戻る作動油をアームシリンダ１４の小チャンバに供給して再生することができない。このとき、上述した第１、第２、第３及び第５の可変流量制御弁２１、２２、２３、２５の開口断面積（Ａ´エリア、Ｂ´エリア、Ｃ´エリア、０（クローズ））は外部からの制御信号によってそれぞれ異なる値に制御される。
以上述べたように、本発明の実施形態による建設機械のエネルギー再生システムによれば、掘削機のブームダウンとアームアウトの複合動作時に、ブームダウンによって戻る油圧エネルギーをアームシリンダに供給してアームアウトの作業性能を向上させることができる。油圧アクチュエータに対する供給側流路と帰還側流路をそれぞれ別々に制御し、油圧アクチュエータの圧力をリアルタイムで検出するので、油圧システムをコンパクト化させることができる。
１１ 可変容量型第１の油圧ポンプ
１２ 可変容量型第２の油圧ポンプ
１３ アームアウト供給流路
１４ アームシリンダ
１５ アームアウト戻り流路
１６ ブームダウン供給流路
１７ ブームシリンダ
１８ ブームダウン戻り流路
１９ 合流及び再生流路
２０ 再生用流路
２１ 第１の可変流量制御弁
２２ 第２の可変流量制御弁
２３ 第３の可変流量制御弁
２４ 第４の可変流量制御弁
２５ 第５の可変流量制御弁
２６ 第１の圧力センサ
２７ 第２の圧力センサ
２８ 第３の圧力センサ

Claims (3)

  1. 可変容量型の第１及び第２の油圧ポンプと、
    前記第１の油圧ポンプにアームアウト供給流路を介して低圧側チャンバが接続されるアームシリンダと、
    前記アームシリンダの高圧側チャンバを油圧タンクに接続するアームアウト戻り流路と、
    前記第２の油圧ポンプにブームダウン供給流路を介して低圧側チャンバが接続されるブームシリンダと、
    前記ブームシリンダの高圧側チャンバを油圧タンクに接続するブームダウン戻り流路と、
    前記ブームダウン戻り流路と前記アームアウト供給流路とを並列接続して、ブームダウンとアームアウトの複合作動時にブームダウンによって油圧タンクに帰還する作動油の一部を前記アームアウト供給流路に供給して再生する合流及び再生流路と、
    ブームダウンとアームアウトの複合作動時に前記ブームシリンダから帰還する作動油の再生可否を判断するために前記アームシリンダ及び前記ブームシリンダの圧力をそれぞれ検出する検出手段と、
    前記ブームダウン供給流路に設けられて、前記第２の油圧ポンプから前記ブームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第１の可変流量制御弁と、
    前記ブームダウン戻り流路に設けられて、前記ブームシリンダの高圧側チャンバから戻る作動油を制御する第２の可変流量制御弁と、
    を備え、
    前記検出手段は、前記ブームシリンダの高圧側チャンバに発生する圧力を検出する第１の圧力センサ、及び、前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される前記第１の油圧ポンプの吐出圧力を検出する第２の圧力センサを備え、
    前記ブームシリンダの高圧側チャンバの圧力値が前記第１の油圧ポンプの吐出圧力値よりも大きい場合に、前記ブームシリンダの高圧側チャンバから戻る作動油が前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される、
    ことを特徴とする建設機械のエネルギー再生システム。
  2. 前記アームアウト供給流路に設けられて、前記第１の油圧ポンプから前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第３の可変流量制御弁と、
    前記アームアウト戻り流路に設けられて、前記アームシリンダの高圧側チャンバから油圧タンクに戻る作動油を制御する第４の可変流量制御弁と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の建設機械のエネルギー再生システム。
  3. 前記合流及び再生流路に設けられて、前記ブームシリンダの高圧側チャンバから前記アームシリンダの低圧側チャンバに供給される作動油を制御する第５の可変流量制御弁をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の建設機械のエネルギー再生システム。
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