以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態では、作業機械の一例として、フロント装置(フロント作業機)の先端に作業具としてバケットを備える油圧ショベルを例示して説明するが、バケット以外のアタッチメントを備える油圧ショベルに本発明を適用することも可能である。
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態を図1〜図5を参照しつつ説明する。
図1は、本実施の形態に係る作業機械の一例である油圧ショベルの外観を模式的に示す側面図である。
図1において、油圧ショベル100は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材(ブーム31、アーム33、バケット(作業具)35)を連結して構成された多関節型のフロント装置(フロント作業機)30と、車体を構成する上部旋回体20及び下部走行体10とを備えており、上部旋回体20は下部走行体10に対して旋回可能に設けられている。上部旋回体20は、基部となる旋回フレーム21上に各部材を配置して構成されており、上部旋回体20を構成する旋回フレーム21が下部走行体10に対して旋回可能となっている。また、フロント装置30のブーム31の基端は上部旋回体20の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム33の一端はブーム31の基端とは異なる端部(先端)に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム33の他端にはバケット35が垂直方向に回動可能に支持されている。
下部走行体10は、左右一対のクローラフレーム12a(12b)にそれぞれ掛け回された一対のクローラ11a(11b)と、クローラ11a(11b)をそれぞれ駆動する走行油圧モータ13a(13b)とから構成されている。なお、下部走行体10の各構成については、左右一対のうちの一方の構成のみを図示して符号を付し、他方の構成については図中に括弧書きの符号のみを付して図示を省略する。
ブーム31、アーム33、バケット35、及び下部走行体10は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36、及び左右の走行油圧モータ13a(13b)によりそれぞれ駆動される。また、上部旋回体20も同様に油圧アクチュエータである旋回油圧モータ27により減速機構26を介して駆動され、下部走行体10に対して旋回動作を行う。
上部旋回体20を構成する旋回フレーム21上には、原動機であるエンジン22とともに、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36、旋回油圧モータ27及び左右の走行油圧モータ13a(13b)などの各油圧アクチュエータを駆動するための油圧回路システム40が搭載されている。
図2は、本実施の形態に係る油圧回路システムの要部を抜き出して模式的に示す図である。なお、図2においては複数の油圧アクチュエータのうちバケットシリンダ36とその関連構成のみを代表して図示し、それ以外の油圧アクチュエータ及びその関連構成については説明の簡単のために図示を省略する。
図2において、油圧回路システム40は、エンジン22によって駆動される可変容積型の油圧ポンプ41及び固定容積型のパイロットポンプ(パイロット油圧源)49と、油圧ポンプの作動油供給源である作動油タンク48と、バケット操作用の操作レバー装置52からパイロットラインL1,L2により導かれる操作パイロット圧(操作信号)に基づいて油圧ポンプ41から吐出ラインL4を介して油圧アクチュエータ(バケットシリンダ)36に供給される作動油の方向及び流量を制御するコントロールバルブ(方向切換弁)44と、パイロットラインL1,L2の操作パイロット圧を検出することにより操作レバー装置52の操作量を検出する操作パイロット圧センサ(操作量検出装置)SE1,SE2と、操作レバー装置52の操作に応じて生成されるパイロット圧(ポンプ制御信号)に基づいて油圧ポンプ41のポンプ容積(傾転角)を制御するレギュレータ42と、操作レバー装置52からレギュレータ42に入力されるポンプ制御信号を減圧することにより調整可能な比例電磁弁45(信号調整弁)と、操作パイロット圧センサSE1,SE2からの操作量の検出結果に基づいて比例電磁弁45を制御するコントローラ60とから概略構成されている。油圧ポンプ41からの吐出ラインL4には、油圧ポンプ41の吐出圧力の上限を規定するリリーフ弁41aが設置されている。
オペレータが搭乗する運転室23(キャビネット:図1参照)には、油圧アクチュエータ27,32,34,36を操作するための操作信号を出力する複数の操作レバー装置(操作装置)が設けられている。このうち、バケット操作用の操作レバー装置52は、オペレータに傾倒操作される操作レバー52aと、操作レバー52aのレバー操作量及び操作方向に基づいてパイロットラインL1,L2に出力される操作信号を生成する操作信号生成部52bとを有している。操作信号生成部52bは、操作レバー52aが操作されると、その操作方向及び操作量に応じて図示しない一対の減圧弁の一方を作動させ、パイロットポンプ49のパイロット1次圧力をその操作量に応じたパイロット圧に減圧し、操作信号(操作パイロット圧)としてパイロットラインL1,L2の何れか一方に出力する。パイロットラインL1,L2には、操作パイロット圧を検出することにより操作レバー52aの操作量(以降、操作レバー装置52の操作量とも称する)を検出する操作パイロット圧センサ(操作量検出装置)SE1,SE2が配置されており、操作レバー52aによるバケットクラウドの操作信号が操作パイロット圧センサSE1で検出され、操作レバー52aによるバケットダンプの操作信号が操作パイロット圧センサSE2で検出されて、それぞれコントローラ60に送られる。なお、操作レバー装置は電気信号方式であってもよく、オペレータにより操作される操作レバー装置52からの操作信号に相当するレバーの傾倒量(すなわちレバー操作量)を電気的にコントローラ60に出力し、その検出したレバー操作量に基づいてコントローラ60で電磁比例弁などを制御することによって各油圧アクチュエータ27,32,34,36を駆動するパイロット圧を制御するように構成しても良い。
操作レバー装置52にはバケット35の操作が割り当てられており、操作レバー装置52によってバケットクラウドが操作されると、その操作量に応じてコントロールバルブ44が図2中右側(すなわち、図2に示す方向)に駆動され、油圧ポンプ41から吐出された圧油がコントロールバルブ44を介してバケットシリンダ36のボトム室(バケットシリンダボトム室)36aに供給されるとともに、バケットシリンダ36のロッド室(バケットシリンダロッド室)36bの圧油がコントロールバルブ44を介して作動油タンク48に流れることにより、バケットシリンダ36が伸張してバケットクラウド動作が行われる。同様に、操作レバー装置52によってバケットダンプが操作されると、その操作量に応じてコントロールバルブ44が図2中左側に駆動され、油圧ポンプ41から吐出された圧油がコントロールバルブ44を介してバケットシリンダロッド室36bに供給されるとともに、バケットシリンダボトム室36aの圧油がコントロールバルブ44を介して作動油タンク48に流れることにより、バケットシリンダ36が縮短してバケットダンプ動作が行われる。また、操作レバー装置52による操作がなされていない場合には、コントロールバルブ44は中立位置となり、油圧ポンプ41から吐出された圧油がセンタバイパスラインL5を介して作動油タンク48に戻る。
コントロールバルブ44の供給流路の上流側(すなわち、油圧ポンプ41側)には、チェック弁44aが設けられている。チェック弁44aは、油圧ポンプ41の吐出圧(ポンプ圧)が油圧アクチュエータ36側の圧力(アクチュエータ圧)よりも高い場合にのみ、油圧アクチュエータ36側への圧油の供給を許容し、ポンプ圧がアクチュエータ圧よりも低い場合は、油圧アクチュエータ36側から油圧ポンプ41側への圧油の通流を遮断する。
パイロットラインL1,L2の操作パイロット圧は、それぞれシャトル弁43に導かれ、大きい方の操作パイロット圧が選択的にパイロットラインL3に出力される(以降、ポンプ制御信号1次圧と称する)。パイロットラインL3に出力されたポンプ制御信号1次圧は、比例電磁弁45で減圧され、レギュレータに42出力される(以降、ポンプ制御信号2次圧と称する)。レギュレータ42は、入力される操作パイロット圧(ポンプ制御信号2次圧)が増加するに従って油圧ポンプ41のポンプ容積(吐出流量)を増加させるポジティブコントロール方式である。
コントローラ60は、操作パイロット圧センサSE1,SE2の検出結果に基づいて油圧ポンプ41のポンプ目標容積を演算し、ポンプ目標容積に基づいて比例電磁弁45を制御する。すなわち、比例電磁弁45は、コントローラ60からの制御信号に基づいてその開口面積を変化させることにより、レギュレータ42にシャトル弁43を介して入力されるポンプ制御信号(操作パイロット圧)をポンプ制御信号1次圧からポンプ制御信号2次圧に減圧することによって調整可能な信号調整弁である。比例電磁弁45は、コントローラ60からのポンプ制御信号が無いときには図2に示した位置(開口面積最大)に保持され、制御信号の増加に伴って図2における上方向に移動して開口面積が減少する。比例電磁弁45は、油圧アクチュエータに多くの流量が必要ないようなレバー操作量の微操作の領域において、レギュレータ42に入力されるポンプ制御信号を減圧して制限することにより、油圧ポンプの吐出流量を少なくすることによって不必要なポンプ吐出流量をタンクに捨てるブリードオフ流量の損失を低減する。
図3は、コントローラにおけるポンプ目標容積の演算内容を示す機能ブロック図である。
図3において、コントローラ60は、ポンプ目標容積演算部C1、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2、応答性優先モード切換部C3、ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4、及び、比例電磁弁電流演算部C5を備えている。
ポンプ目標容積演算部C1は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量(操作パイロット圧)と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ目標容積を演算する。
ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2は、ポンプ目標容積演算部C1で算出されたポンプ目標容積と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ制御信号2次圧目標値を演算する。ポンプ目標容積からポンプ制御信号2次圧目標値を演算するのに用いるテーブルは、ポジティブコントロール方式のレギュレータ42でハード的に設定されたポンプ制御信号(パイロット圧)による油圧ポンプ41のポンプ容積の変化特性から設定する。
応答性優先モード切換部C3は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量に基づいて、バケット操作の応答性が必要とされる動作をしているかどうかを判定するものであり、応答性が必要とされる動作をしていると判定した場合は動作モードを応答性優先モードに切り換え、そうでない場合には動作モードを通常モードに切り換える。
ここで、応答性優先モードとは、例えば、掘削用のバケットを用いた砂利まき動作のように操作レバー装置52をバケットダンプ方向に倒す動作と戻す動作を短時間に繰り返し行う場合や、底面に網目状の穴を有するスケルトンバケット(図示せず)を用いたふるい分け動作のように操作レバー装置52をバケットダンプ方向およびバケットクラウド方向に倒す動作と戻す動作を短時間に繰り返し行ってバケットを振動させるような場合、言い換えると、操作レバー装置52の操作量が短時間で断続的かつ頻繁に変わる場合などのように応答性が必要な動作において切り換えられる動作モードであり、本実施の形態において応答性優先モードに切り換えられると、比例電磁弁45の開口面積を広くして応答性を高くする。また、通常モードとは、応答性優先モード以外の操作時に切り換えられる動作モードであり、本実施の形態において通常モードに切り換えられると、比例電磁弁45の開口面積を狭くしてレギュレータ42に入力されるポンプ制御信号1次圧をポンプ制御信号2次圧に減圧することにより、油圧ポンプのポンプ容積を少なくすることによって不必要なポンプ吐出流量をタンクに捨てるブリードオフ流量の損失を低減する。
ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4は、応答性優先モード切換部C3で切り換えられた動作モードに応じてポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の演算結果(ポンプ制御信号2次圧目標値)の扱いを切り換えるものであり、動作モードが通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の出力をそのまま後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力し、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号2次圧目標値を油圧回路システム40の最大パイロット圧力(例えば、4MPa)に置き換えて後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力する。
比例電磁弁電流演算部C5は、ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4から入力される比例電磁弁45の目標圧力と、予め定めたテーブルとに基づいて比例電磁弁45の制御信号を演算して出力し、比例電磁弁45を駆動する。すなわち、応答性優先モード切換部C3で通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の演算結果に基づいてポンプ制御信号1次圧がポンプ制御信号2次圧に減圧されるよう比例電磁弁45は駆動され、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、比例電磁弁45での減圧が無効となるように比例電磁弁45は駆動される。
図4は、ポンプ目標容積演算部の処理内容の詳細を示す機能ブロック図である。
図4において、ポンプ目標容積演算部C1は、バケットクラウド操作に相当する操作パイロット圧、すなわち、操作パイロット圧センサSE1の検出結果と、予め定めたテーブルとに基づいて油圧ポンプ41のポンプ目標容積を演算するバケットクラウド目標容積演算部T1と、バケットダンプ操作に相当する操作パイロット圧、すなわち、操作パイロット圧センサSE2の検出結果と、予め定めたテーブルとに基づいて油圧ポンプ41のポンプ目標容積を演算するバケットダンプ目標容積演算部T2と、バケットクラウド目標容積演算部T1とバケットダンプ目標容積演算部T2の演算結果のうち、大きい方をポンプ目標容積演算部C1のポンプ目標容積の演算結果として出力する最大値選択部T3とを有している。
バケットクラウド目標容積演算部T1に設定されるテーブルは、例えば、図4に示すように横軸に入力値(操作レバー装置52のバケットクラウド側の操作量)を、縦軸にポンプ目標容積を設定したグラフ状のテーブルであり、操作レバー装置52のバケットクラウド側の操作量が増加するのに伴ってポンプ目標容積が増加するように設定されている。バケットクラウド目標容積演算部T1に設定されるテーブルにおいて、油圧ポンプ41の目標容積(実線で示す)は、コントロールバルブ44の開口面積に応じて圧損や流量損失が最小限となるように設定されており、油圧ポンプ41の基準容積(点線で示す)よりも小さくなるように設定されている。ここで、油圧ポンプ41の基準容積とは、レギュレータ42に入力されるパイロット圧力(ポンプ制御信号)とポンプ容積の関係に相当する。
同様に、バケットダンプ目標容積演算部T2に設定されるテーブルは、例えば、図4に示すように横軸に入力値(操作レバー装置52のバケットダンプ側の操作量)を、縦軸にポンプ目標容積を設定したグラフ状のテーブルであり、操作レバー装置52のバケットダンプ側の操作量が増加するのに伴ってポンプ目標容積が増加するように設定されている。バケットダンプ目標容積演算部T2に設定されるテーブルにおいて、油圧ポンプ41の目標容積(実線で示す)は、コントロールバルブ44の開口面積に応じて圧損や流量損失が最小限となるように設定されており、油圧ポンプ41の基準容積(点線で示す)よりも小さくなるように設定されている。
最大値選択部T3は、バケットクラウド目標容積演算部T1とバケットダンプ目標容積演算部T2の演算結果のうち、大きい方をポンプ目標容積演算部C1のポンプ目標容積の演算結果として出力する。
図5は、応答性優先モード切換部における処理内容を説明するフローチャートである。
図5において、応答性優先モード切換部C3は、モード判定処理(ステップS100〜S161)を時間Δtの間隔で繰り返し実施する。すなわち、時間Δtは、モード判定処理の実施を繰り返す周期であって、操作パイロット圧センサSE1,SE2のサンプリング周期であり、例えば、コントローラ60における内部演算の単位時間(例えば、10ms)が用いられる。
応答性優先モード切換部C3は、まず、前回のモード判定処理の実施時(時刻t−Δtとする)におけるバケット操作に相当するパイロット圧の検出値、すなわち、操作パイロット圧センサSE1,SE2の前回の検出結果(前回値)が予め定めた閾値PI_ON未満であり、かつ、現在(時刻tとする)の検出結果(現在値)が閾値PI_ON以上であるかどうかを判定する(ステップS100)。閾値PI_ONは、操作レバー装置52によってバケット35の操作(バケットクラウド操作又はバケットダンプ操作)がなされたかどうかを判定するための基準となるものであり、操作パイロット圧センサSE1,SE2の検出結果が閾値PI_ON未満の場合は操作レバー装置52が操作されていない(ニュートラル位置である)と判定し、閾値PI_ON未満の場合は操作レバー装置52が操作されていると判定する。なお、ステップS100の処理がモード判定処理の初回である等の理由によって前回値が存在しない場合には、前回値は閾値PI_ON未満であるとしてステップS100の判定を行う。
ステップS100での判定結果がYESの場合、すなわち、時間Δtの間に操作レバー装置52によってバケット35の操作がなされた場合には、時間をカウントするための変数であるタイマTをリセットしてT(t)=0とし(ステップS110)、操作レバー装置52によってバケット35の操作がなされた回数(動作回数)をカウントするための変数であるカウントNに1を加算する(ステップS120)。また、ステップS100での判定結果がNOの場合、すなわち、時間Δtの間に操作レバー装置52によってバケット35の操作がなされなかった場合には、タイマTに時間Δtを加算する(ステップS111)。
続いて、タイマTが予め定めた基準時間Tmax(例えば、0.5秒)よりも小さいかどうかを判定する(ステップS130)。ステップS100での判定結果がNOの場合(言い換えると、基準時間Tmaxの間に操作レバー装置52によってバケット35の操作がなされなかった場合)には、カウントNをリセットしてN(t)=0とする(ステップS140)。
続いて、ステップS130での判定結果がYESの場合、又は、ステップS140での処理が終了した場合には、カウントNが予め定めた基準回数Nmax(例えば、2回)以上であるかどうかを判定する(ステップS150)。ステップS150での判定結果がYESの場合、言い換えると、一定時間(ここでは、基準時間Tmax)内に操作レバー装置52によってバケット35の操作がなされた回数が一定回数(ここでは、基準回数Nmax)以上となった場合には、応答優先モードに切り換え(ステップS160)、ステップS150での判定結果がNOの場合には通常モードに切り換えて(ステップS161)、モード判定処理(ステップS100〜S161)を繰り返す。
以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。
本実施の形態の作業機械100において、操作レバー装置52の操作量が短時間に断続的かつ頻繁に変化するような作業を行う場合、すなわち、例えば砂利まき動作やコンクリートガラふるい分け動作のように操作レバー装置52をバケットダンプ方向(或いは、クラウド方向)に倒す動作と戻す動作を短時間に繰り返し行う場合には応答性優先モードに切り換えられる。応答性優先モードに切り換えられると、比例電磁弁45によるレギュレータ42の制御信号の減圧を無効にする。これにより、操作レバー装置52の操作量が短時間で断続的かつ頻繁に変わるような動作において、ポンプ容積を増加させることができるので、バケット操作の応答性を高くすることができる。
また、応答性優先モードが設定されるような操作以外の通常の操作が行われた場合には通常モードが設定される。通常モードに切り換えられると、操作レバー装置52の操作量に応じて比例電磁弁45によりレギュレータ42に入力される制御信号を減圧して制限(調整)する。このときの制御信号の調整では、コントロールバルブ44での過度な圧損やセンタバイパス通路からの流量損失を最小限にできる最適化されたテーブル(バケットダンプ目標容積演算部T1、T2参照)を用いるため、燃費低減を実現することができる。
以上のように構成した本実施の形態の効果を説明する。
油圧ポンプから油圧アクチュエータへの油圧エネルギーの流れにおいて、流量損失を低減する従来技術としては、例えば、油圧アクチュエータに多くの流量が必要ないようなレバー操作量の微操作の領域では、油圧ポンプのポンプ容積を少なくすることによって不必要なポンプ吐出流量をタンクに捨てるブリードオフ流量の損失を低減するものが知られている。また、レバー操作量に応じたポンプ基準流量をブリードオフ弁の開度に応じて必要最低限のポンプ吐出流量に調整することで、操作性を悪化させることなく圧損やブリードオフ流量損失を最低限に抑えるものも知られている。
しかしながら、可変容積型の油圧ポンプにおける吐出流量の増加・減少の応答は、方向制御弁や電子制御のブリードオフ弁の応答よりも遅い傾向にある。したがって、油圧ポンプの吐出流量が方向制御弁やブリードオフ弁の開度に対して適切な吐出流量となるまで時間がかかるため、油圧ポンプの吐出圧が油圧アクチュエータの負荷圧に打ち勝つまで増加せず、油圧アクチュエータの動作が遅れてしまうという問題がある。つまり、操作レバーを断続的に素早く操作する場合では、ポンプ流量が増加し終える前に操作レバーが戻されるため、定常操作よりもポンプ流量が少なくなり、油圧アクチュエータの動作が極端に悪化してしまうことが懸念される。特に、電磁弁で油圧ポンプの流量制御信号圧を生成する場合には、電磁弁の制御遅れや、電磁弁を通過する際の圧損による信号圧の低下などによって、急激なポンプ制御信号圧の変化が行えない場合があった。
具体的に、油圧ショベルにおいて応答性を要求される作業としては、例えば、スケルトンバケット(バケット底面に網目状に穴が開いており、細かい土砂が下に落ちる構造となっているバケット)を装着して行うコンクリードガラのふるい分け動作などがある。このようなふるい作業では、バケット操作(アーム操作を伴う場合もある)を素早く切返し続けることでバケット部を振動させてバケット内のガラをふるいにかける必要があるため、従来技術においてはポンプ流量の立ち上がりの遅れにより、アクチュエータが十分動作しない懸念がある。
これに対して本実施の形態においては、原動機(例えば、エンジン22)により駆動される可変容積型の油圧ポンプ41と、複数の被駆動部材(例えば、ブーム31、アーム33、バケット35)が回動可能に連結されて構成された多関節型のフロント作業機30と、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動され、複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36)と、油圧ポンプから複数の油圧アクチュエータにそれぞれ供給される圧油の方向及び流量を制御する複数の方向切換弁(例えば、コントロールバルブ44)と、複数の方向切換弁を制御する複数の操作装置(例えば、操作レバー装置52)と、複数の操作装置のうち少なくとも1つの操作装置の操作量を検出する1つ以上の操作量検出装置(例えば、操作パイロット圧センサSE1,SE2)と、複数の操作装置のうちの少なくとも1つの操作装置の操作量に応じて生成されるポンプ制御信号に基づいて前記油圧ポンプのポンプ容積を制御するレギュレータ42と、レギュレータに入力されるポンプ制御信号を調整可能な信号調整弁(例えば、比例電磁弁45)と、ポンプ制御信号の生成に係わる操作装置の操作量を検出する前記操作量検出装置のうちの少なくとも1つの操作量検出装置からの操作量の検出結果に基づいて信号調整弁を制御するコントローラとを備え、コントローラは、信号調整弁によりポンプ制御信号の調整を行う通常モードと、信号調整弁によるポンプ制御信号の調整を行わない応答性優先モードとのいずれか一方に切り換え可能であるように構成したので、砂利まき動作やふるい分け動作のように操作レバーを断続的に素早く操作してバケットを振動させるような場合、言い換えると、操作レバー装置の操作量が短時間で断続的かつ頻繁に変わる場合などのように応答性が必要な動作においては応答性優先モードに切り換えることができるので、油圧ポンプのポンプ容積(吐出流量)制御による圧力損失や流量損失の低減と、断続的な急レバー操作での油圧アクチュエータの応答性とを両立させることができる。
なお、本実施の形態においては、バケット操作について通常モードと応答性優先モードとを切り換え、動作モードに応じてポンプ容積の制御様態を変更するように構成した場合を例示して説明したが、これに限られず、例えば、バケット操作に代えて(或いは、加えて)アーム操作について通常モードと応答性優先モードとを切り換えるように構成した場合においても、同様の効果を得ることができる。
<第1の実施の形態の変形例>
第1の実施の形態の変形例を図6〜図8を参照しつつ説明する。
本変形例は、第1の実施の形態において、フロント作業機で行う作業内容に応じて設定される作業モードごとに、動作モードの通常モードから応答性優先モードへの切り換えの可否を設定可能に構成したものである。
図6は、コントローラにおけるポンプ目標容積の演算内容を示す機能ブロック図である。
図6において、コントローラ60Aは、ポンプ目標容積演算部C1、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2、応答性優先モード切換部C3、ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4、比例電磁弁電流演算部C5、及び応答性優先モード有効・無効切換部C6を備えている。また、コントローラ60Aには、キャビネット23に配置され、油圧ショベル100に関する種々の情報や設定画面等を表示するためのモニタ(表示装置)63aと、モニタ63aに表示される各種設定画面を操作する操作スイッチ群63bとが配置された入出力装置63が接続されている。なお、操作スイッチ群63bは、モニタ63aに表示される内容の操作を行えれば良いため、例えば、回転スイッチを回転および押下することにより選択や決定を行うよう構成を採用しても良い。
ポンプ目標容積演算部C1は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量(操作パイロット圧)と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ目標容積を演算する。
ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2は、ポンプ目標容積演算部C1で算出されたポンプ目標容積と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ制御信号2次圧目標値を演算する。ポンプ目標容積からポンプ制御信号2次圧目標値を演算するのに用いるテーブルは、ポジティブコントロール方式のレギュレータ42でハード的に設定されたポンプ制御信号圧力による油圧ポンプ41のポンプ容積の変化特性から設定する。
応答性優先モード切換部C3は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量に基づいて、バケット操作の応答性が必要とされる動作をしているかどうかを判定するものであり、応答性が必要とされる動作をしていると判定した場合は動作モードを応答性優先モードに切り換え、そうでない場合には動作モードを通常モードに切り換える。
応答性優先モード有効・無効切換部6Cは、入出力装置(作業モード設定装置)63からの作業モード信号と予め定めた有効・無効判定テーブル300(後の図8参照)とに基づいて、応答性優先モード切換部C3で切り換えられた動作モードのポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4への出力の有効・無効を切り換えるものである。
応答性優先モード有効・無効切換部6Cに入力される作業モード信号は、入出力装置(作業モード設定装置)63において設定される作業モードに対応して出力されるものであり、フロント作業機30で行う作業内容に応じてオペレータにより設定される。応答性優先モード有効・無効切換部6Cは、作業モード信号と予め定めた有効・無効判定テーブル300とに基づいて応答性優先モード切換部C3で切り換えられた動作モードのうち、応答性優先モードを有効とするか無効とするかを切り換える。具体的には、応答性優先モード有効・無効切換部6Cは、作業モード信号に基づく作業モードについて有効・無効判定テーブル300で有効・無効の何れが設定されているかを判定し、有効に設定されている場合には、応答性優先モード有効・無効切換部6Cで切り換えられた動作モードの結果(すなわち、「通常モード」または「応答性優先モード」)を示す信号をそのままポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4に出力する。また、応答性優先モード有効・無効切換部6Cは、作業モード信号に基づく作業モードについて無効に設定されている場合には、応答性優先モードが無効であると判定し、応答性優先モード有効・無効切換部6Cで切り換えられた動作モードの如何によらず(すなわち、動作モードが「通常モード」及び「応答性優先モード」の何れであっても)、「通常モード」を示す信号をポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4に出力する。なお、有効・無効判定テーブルは、入出力装置63で設定し、応答性優先モード有効・無効切換部6Cに記憶させるよう構成しても良い。
ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4は、応答性優先モード有効・無効切換部6Cで切り換えられた動作モードに応じてポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の演算結果(ポンプ制御信号2次圧目標値)の扱いを切り換えるものであり、動作モードが通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の出力をそのまま後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力し、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号2次圧目標値を油圧回路システム40の最大パイロット圧力(例えば、4MPa)に置き換えて後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力する。
比例電磁弁電流演算部C5は、ポンプ流量制御比例電磁弁有効・無効切換部C4から入力される比例電磁弁45の目標圧力と、予め定めたテーブルとに基づいて比例電磁弁45の制御信号を演算して出力し、比例電磁弁45を駆動する。すなわち、応答性優先モード切換部C3で通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ制御信号圧力目標値演算部C2の演算結果に基づいてポンプ制御信号1次圧がポンプ制御信号2次圧に減圧されるよう比例電磁弁45は駆動され、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、比例電磁弁45での減圧が無効となるように比例電磁弁45は駆動される。
図7は、入出力装置のモニタ(表示装置)に表示される設定メニュー構成の一例を示す図である。
図7に示すように、オペレータによる操作スイッチ群63bの操作によって入出力装置63のモニタ63aに表示可能な情報としては、メインメニュー200の選択によって表示される情報メニュー210や設定メニュー220などの他に、フロント作業機30で行う作業内容に応じて作業モードを設定する作業モード設定メニュー230などがある。作業モード設定メニュー230が選択されると、例えば、作業モードとして掘削モード231、クレーンモード232、ブレーカモード233、小割機モード234、破砕機モード235、チルトバケットモード236などが表示され、オペレータが所望の作業モードを選択することにより、作業モードが設定される。入出力装置63からは、設定された作業モードを示す作業モード信号がコントローラ60Aの応答性優先モード有効・無効切換部6Cに出力される。
図8は、作業モードごとの応答性優先モードへの切り換えの可否を判定するための有効・無効判定テーブルの一例を示す図である。
図8において、有効・無効判定テーブル300は、複数種類の作業モード301と、各作業モードに対応して設定された応答性優先モードへの切り換えの可否、すなわち、有効であるか無効であるかの設定状態302とから構成されている。有効・無効判定テーブル300において、例えば、繊細な動作を要求されるクレーンモード232や、動きが急変しやすい重いアタッチメントを使用するブレーカモード233などでは、応答性優先モードへの切り換えを無効に設定している。一方で、掘削モード231やチルトバケットモード236などでは、ガラのふるい動作や砂利まき動作など、応答性が要求される動作が行われる可能性があるため、応答性優先モードへの切り換えを有効に設定している。
その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
以上のように構成した本変形例においても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、所定の作業モードにおいては応答性優先モードを無効とすることができるので、繊細な動作を要求される作業モードや動きが急変しやすい重いアタッチメントを使用する作業モードでは、応答性優先モードへの切り換えを無効に設定することができ、操作性を向上することができる。
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態を図9及び図10を参照しつつ説明する。本実施の形態では第1の実施の形態との相違点についてのみ説明するものとし、図面において第1の実施の形態と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、第1の実施の形態のレギュレータにネガティブコントロール方式を採用した場合を示すものである。
図9は、本実施の形態に係る油圧回路システムの要部を抜き出して模式的に示す図である。なお、図9においては複数の油圧アクチュエータのうちバケットシリンダ36とその関連構成のみを代表して図示し、それ以外の油圧アクチュエータ及びその関連構成については説明の簡単のために図示を省略する。
図9において、油圧回路システム40Bは、エンジン22によって駆動される可変容積型の油圧ポンプ41及び固定容積型のパイロットポンプ(パイロット油圧源)49と、油圧ポンプの作動油供給源である作動油タンク48と、バケット操作用の操作レバー装置52からパイロットラインL1,L2により導かれる操作パイロット圧(操作信号)に基づいて油圧ポンプ41から吐出ラインL4を介して油圧アクチュエータ(バケットシリンダ)36に供給される作動油の方向及び流量を制御するコントロールバルブ(方向切換弁)44と、パイロットラインL1,L2の操作パイロット圧を検出することにより操作レバー装置52の操作量を検出する操作パイロット圧センサ(操作量検出装置)SE1,SE2と、操作レバー装置52の操作に応じて生成されるパイロット圧(ポンプ制御信号)に基づいて油圧ポンプ41のポンプ容積(傾転角)を制御するレギュレータ42aと、操作レバー装置52からレギュレータ42aに入力されるポンプ制御信号を調整可能な比例電磁弁56(信号調整弁)と、操作パイロット圧センサSE1,SE2からの操作量の検出結果に基づいて比例電磁弁56を制御するコントローラ60Bとから概略構成されている。油圧ポンプ41からの吐出ラインL4には、油圧ポンプ41の吐出圧力の上限を規定するリリーフ弁41aが設置されている。
コントロールバルブ44から作動油タンク48への圧油の戻りラインであるセンタバイパスラインL5の最下流には、絞り53と、絞り53のコントロールバルブ44側(つまり、油圧ポンプ41側)の圧力の上限を規定するリリーフ弁54とが設置されている。絞り53のコントロールバルブ44側(つまり、油圧ポンプ41側)の圧力(ポンプ流量制御信号と称する)と、パイロットポンプ49の吐出圧を比例電磁弁56で減圧することによって生成される圧力(ポンプ流量低下信号と称する)は、それぞれシャトル弁55に導かれ、大きい方の圧力が選択的にポンプ制御信号(パイロット圧)としてパイロットラインL13に出力され、レギュレータに42aに入力される。レギュレータ42aは、入力されるパイロット圧(ポンプ制御信号)が増加するに従って油圧ポンプ41のポンプ容積を減少させるネガティブコントロール方式である。
コントローラ60Bは、操作パイロット圧センサSE1,SE2の検出結果に基づいて油圧ポンプ41のポンプ目標容積を演算し、ポンプ目標容積に基づいて比例電磁弁56を制御する。すなわち、比例電磁弁56及びシャトル弁55は、コントローラ60Bからの制御信号に基づいてその開口面積を変化させることによりポンプ流量低下信号を生成し、シャトル弁55を介してパイロットラインL13に供給することにより、レギュレータ42aに入力されるポンプ制御信号を調整可能な信号調整弁を構成する。比例電磁弁56は、コントローラ60Bからの制御信号が無いときには図2に示した位置(開口面積最大)に保持されるので、制御信号の増加に伴って図2における上方向に移動して開口面積が減少する。比例電磁弁56は、油圧アクチュエータに多くの流量が必要ないような場合、すなわち、レバー操作量が微操作の領域にある場合においてはより大きな開口面積をとるように制御され、ポンプ流量低下信号をシャトル弁55を介してポンプ制御信号としてレギュレータ42aに入力することによって、ポンプ制御信号の圧力油圧ポンプの吐出流量を少なくすることにより、不必要なポンプ吐出流量をタンクに捨てるブリードオフ流量の損失を低減する。
図10は、コントローラにおけるポンプ目標容積の演算内容を示す機能ブロック図である。
図10において、コントローラ60Bは、ポンプ目標容積演算部C1、ポンプ流量低下信号圧力目標値演算部C12、応答性優先モード切換部C3、ポンプ流量低下比例電磁弁有効・無効切換部C14、及び、比例電磁弁電流演算部C5を備えている。
ポンプ目標容積演算部C1は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量(操作パイロット圧)と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ目標容積を演算する。
ポンプ流量低下信号圧力目標値演算部C12は、ポンプ目標容積演算部C1で算出されたポンプ目標容積と予め定めたテーブルとに基づいて、ポンプ流量低下信号目標圧力を演算する。ポンプ目標容積からポンプ流量低下信号目標圧力を演算するのに用いるテーブルは、ネガティブコントロール方式のレギュレータ42aでハード的に設定されたポンプ制御信号(パイロット圧)による油圧ポンプ41のポンプ容積の変化特性から設定する。
応答性優先モード切換部C3は、操作パイロット圧センサSE1,SE2で検出された操作レバー装置52のレバー操作量に基づいて、バケット操作の応答性が必要とされる動作をしているかどうかを判定するものであり、応答性が必要とされる動作をしていると判定した場合は動作モードを応答性優先モードに切り換え、そうでない場合には動作モードを通常モードに切り換える。
ポンプ流量低下比例電磁弁有効・無効切換部C14は、応答性優先モード切換部C3で切り換えられた動作モードに応じてポンプ流量低下信号圧力目標値演算部C12の演算結果(ポンプ流量低下信号)の扱いを切り換えるものであり、動作モードが通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ流量低下信号圧力目標値演算部C12の出力をそのまま後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力し、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、ポンプ流量低下信号を油圧回路システム40の最少パイロット圧力(例えば、0(ゼロ)MPa)に置き換えて後段の処理ブロック(比例電磁弁電流演算部C5)に出力する。
比例電磁弁電流演算部C5は、ポンプ流量低下比例電磁弁有効・無効切換部C14から入力される比例電磁弁56の目標圧力と、予め定めたテーブルとに基づいて比例電磁弁56の制御信号を演算して出力し、比例電磁弁56を駆動する。すなわち、応答性優先モード切換部C3で通常モードに切り換えられている場合には、ポンプ流量低下信号圧力目標値演算部C12の演算結果に基づいてポンプ流量低下信号が生成されるように比例電磁弁56は駆動され、動作モードが応答性優先モードに切り換えられている場合には、比例電磁弁56での減圧が無効となるように比例電磁弁56は駆動される。
その他の構成は第1の実施の形態と同様である。
以上のように構成した本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態の作業機械100において、操作レバー装置52の操作量が短時間に断続的かつ頻繁に変化するような作業を行う場合、すなわち、例えば砂利まき動作やコンクリートガラふるい分け動作のように操作レバー装置52をバケットダンプ方向(或いは、クラウド方向)に倒す動作と戻す動作を短時間に繰り返し行う場合には応答性優先モードに切り換えられる。応答性優先モードに切り換えられると、比例電磁弁56によるポンプ流量低下信号の生成およびシャトル弁55を介してのレギュレータ42aへのポンプ制御信号としての入力を無効にする。これにより、センタバイパスラインL5の絞り53の油圧ポンプ41側の圧力(ポンプ流量制御信号)がシャトル弁55によりポンプ制御信号として常に選択されるので、操作レバー装置52の操作量が短時間で断続的かつ頻繁に変わるような動作において、ポンプ容積を増加させることができ、バケット操作の応答性を高くすることができる。
また、応答性優先モードが設定されるような操作以外の通常の操作が行われた場合には通常モードが設定される。通常モードに切り換えられると、操作レバー装置52の操作量に応じて比例電磁弁56によるポンプ流量低下信号の生成を有効にし、シャトル弁55を介してポンプ制御信号としてレギュレータ42aに入力し、結果的にレギュレータ42aに入力ポンプ制御信号を調整する。このときの制御信号の調整では、コントロールバルブ44での過度な圧損やセンタバイパス通路からの流量損失を最小限にできる最適化されたテーブル(バケットダンプ目標容積演算部T1、T2参照)を用いるため、燃費低減を実現することができる。
次に上記の各実施の形態の特徴について説明する。
(1)上記の実施の形態では、原動機(例えば、エンジン22)により駆動される可変容積型の油圧ポンプ41と、複数の被駆動部材(例えば、ブーム31、アーム33、バケット35)が回動可能に連結されて構成された多関節型のフロント作業機30と、前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動され、前記複数の被駆動部材をそれぞれ駆動する複数の油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36)と、前記油圧ポンプから前記複数の油圧アクチュエータにそれぞれ供給される圧油の方向及び流量を制御する複数の方向切換弁(例えば、コントロールバルブ44)と、前記複数の方向切換弁を制御する複数の操作装置(例えば、操作レバー装置52)と、前記複数の操作装置のうち少なくとも1つの操作装置の操作量を検出する1つ以上の操作量検出装置(例えば、操作パイロット圧センサSE1,SE2)と、複数の操作装置のうち少なくとも1つの操作装置の操作量に応じて生成されるポンプ制御信号に基づいて前記油圧ポンプのポンプ容積を制御するレギュレータ42と、前記レギュレータに入力される前記ポンプ制御信号を調整可能な信号調整弁(例えば、比例電磁弁45;シャトル弁55、比例電磁弁56)と、前記ポンプ制御信号の生成に係わる操作装置の操作量を検出する前記操作量検出装置のうちの少なくとも1つの操作量検出装置からの操作量の検出結果に基づいて前記信号調整弁を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記信号調整弁により前記ポンプ制御信号の調整を行う通常モードと、前記信号調整弁による前記ポンプ制御信号の調整を行わない応答性優先モードとのいずれか一方に切り換え可能であるものとした。
これにより、砂利まき動作やふるい分け動作のように操作レバーを断続的に素早く操作してバケットを振動させるような場合、言い換えると、操作レバー装置の操作量が短時間で断続的かつ頻繁に変わる場合などのように応答性が必要な動作においては応答性優先モードに切り換えることができるので、通常操作時の作業性を低下させることなく、操作レバーの操作量が短時間で頻繁に変わる動作など応答性が必要な動作では応答性を高くすることができ、作業効率の低下を抑制することができる。
(2)また、上記の実施の形態では、(1)の作業機械において、前記レギュレータは、前記ポンプ制御信号が増加するに従って前記油圧ポンプのポンプ容積を増加させるポジティブコントロール方式であって、前記信号調整弁は、前記レギュレータにポンプ制御信号として入力されるパイロット圧を減圧可能な比例電磁弁であるものとした。
(3)また、上記の実施の形態では、(1)の作業機械において、前記コントローラは、前記操作装置の操作量が予め定めた一定時間内に予め定めた閾値を越えて上昇した回数が予め定めた回数を超えた場合に、前記信号調整弁による前記ポンプ制御信号の調整を行わない応答性優先モードに切り換えるものとした。
(4)また、上記の実施の形態では、(1)の作業機械において、前記フロント作業機で行う作業内容に応じた作業モードを設定する作業モード設定装置を備え、前記コントローラは、前記作業モード設定装置により設定された作業モードについて、応答性優先モードが無効となるよう予め設定されている場合には、前記応答性優先モードに切り換えないものとした。
これにより、所定の作業モードにおいては応答性優先モードを無効とすることができるので、繊細な動作を要求される作業モードや動きが急変しやすい重いアタッチメントを使用する作業モードでは、応答性優先モードへの切り換えを無効に設定することができ、操作性を向上することができる。
(5)また、上記の実施の形態では、(1)の作業機械において、前記レギュレータは、前記ポンプ制御信号が増加するに従って前記油圧ポンプのポンプ容積を減少させるネガティブコントロール方式であって、前記信号調整弁は、前記ポンプ制御信号の生成に係わる前記操作装置の操作量が増加するに従って減少するように生成されるポンプ容積制御用パイロット圧と、前記油圧ポンプのポンプ容積を制限するために生成されるポンプ容積制限用パイロット圧の大きい方をポンプ制御信号として選択的に前記レギュレータに導くシャトル弁と、前記シャトル弁に入力される前記ポンプ容積制限用パイロット圧を減圧可能な比例電磁弁とを有するものとした。
<付記>
なお、上記の実施の形態においては、エンジン等の原動機で油圧ポンプを駆動する一般的な油圧ショベルを例に挙げて説明したが、油圧ポンプをエンジン及びモータで駆動するハイブリッド式の油圧ショベルや、油圧ポンプをモータのみで駆動する電動式の油圧ショベル等にも本発明が適用可能であることは言うまでもない。
また、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。すなわち、上記各実施の形態においては、バケット35に係わる操作レバー装置52の操作量に応じてポンプ制御信号を生成する場合を例示して説明したが、これに限られず、バケット35以外の構成に係わる油圧アクチュエータ(例えば、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、旋回油圧モータ27など)の操作量に応じて、すなわち、複数の油圧アクチュエータの操作量を複合的に用いてポンプ制御信号を生成する場合に本発明を適用しても良い。また、上記各実施の形態においては、バケット35に係わる操作レバー装置52の操作量に基づいて通常モードと応答性優先モードとを切り換える場合を例示して説明したが、これに限られず、操作レバーを断続的に素早く操作する可能性のある構成に係わる油圧アクチュエータ(例えば、バケットを振動させる場合に素早く操作する可能性のあるアーム33に係わるアームシリンダ34)の操作量に基づいて通常モードと応答性優先モードとを切り換えるように構成しても良いし、それらの操作量を複合的に用いて通常モードと応答性優先モードとを切り換えるように構成しても良い。
また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。