KR20190055075A

KR20190055075A - 쇼벨

Info

Publication number: KR20190055075A
Application number: KR1020197006393A
Authority: KR
Inventors: 준이치 오카다; 카즈노리 히라누마
Original assignee: 스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-05-22
Also published as: WO2018062209A1; EP3521519A1; JPWO2018062209A1; EP3521519A4; EP3521519B1; US11242666B2; KR102403563B1; JP6941108B2; US20190211526A1; CN109689981A; CN109689981B

Abstract

쇼벨(1)은, 주행체와, 주행체에 회동 가능하게 마련되는 상부선회체와, 붐, 암, 버킷을 갖고, 상부선회체에 장착된 어태치먼트를 갖는다. 미끄러짐억제부(500)는, 어태치먼트의 연장방향의 후방으로의 주행체의 미끄러짐이 억제되도록, 어태치먼트의 붐실린더(7)의 동작을 보정한다.

Description

쇼벨

본 발명은, 쇼벨에 관한 것이다.

쇼벨은, 주로 주행체(크롤러, 로어라고도 함), 상부선회체, 어태치먼트를 구비한다. 상부선회체는 주행체에 대하여 회동(回動) 가능하게 장착되어 있으며, 선회모터에 의하여 위치가 제어된다. 어태치먼트는 상부선회체에 장착되어 있으며, 작업 시에 사용된다.

쇼벨이 연토양 등의 탄성계수가 낮은 부서지기 쉬운 필드에서 사용되는 경우, 혹은 마찰계수가 작은 필드에서 사용되는 경우, 쇼벨의 미끄러짐이 문제가 된다. 예를 들면 특허문헌 1에는, 굴삭 시의 쇼벨차체의 부상이나, 쇼벨차체의 끌려감을 방지하는 기술이 개시된다. 또한 특허문헌 2에는, 선회 시의 주행체의 미끄러짐방지에 관한 기술이 개시된다. 특허문헌 3에는, 암실린더의 보텀압을 억제함으로써, 차체 전방(굴삭지점에 근접하는 방향)으로의 끌려감을 방지하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2014-64024호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2014-163155호 특허문헌 3: 일본 공개특허공보 2014-122510호

본 발명자는 쇼벨에 대하여 검토한바, 이하의 과제를 인식하기에 이르렀다. 쇼벨의 작업상태에 따라서는, 차체가 후방으로 끌려갈 가능성이 있다. 작업자(오퍼레이터)에게 시계(視界)가 미치지 않는 후방향으로의 미끄러짐은, 작업자에게 심리적인 불안을 느끼게 하여, 작업효율을 저하시키기 때문에, 전방으로의 미끄러짐보다 심각한 경우도 있을 수 있다.

본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 어태치먼트의 동작에 기인하는 후방으로의 미끄러짐억제기구를 구비한 쇼벨을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 양태는 쇼벨에 관한 것이다. 쇼벨은, 주행체와, 주행체에 회동 가능하게 마련되는 상부선회체와, 붐, 암, 버킷을 갖고, 상부선회체에 장착된 어태치먼트와, 어태치먼트의 연장방향의 후방으로의 주행체의 미끄러짐이 억제되도록, 어태치먼트의 붐실린더의 동작을 보정하는 미끄러짐억제부를 구비한다.

이 양태에 의하면, 후방미끄러짐을 억제함으로써 안전성을 높일 수 있다.

미끄러짐억제부는, 붐실린더가 상부선회체에 미치는 힘에 근거하여, 붐실린더의 동작을 보정해도 된다.

미끄러짐억제부는, 붐실린더의 로드압 및 보텀압에 근거하여, 붐실린더의 동작을 보정해도 된다.

미끄러짐억제부는, 붐실린더의 로드압을 제어해도 된다. 예를 들면 붐실린더의 로드측에 릴리프밸브를 마련하여, 로드압이 너무 높아지는 것을 억제함으로써, 후방미끄러짐을 억제할 수 있다. 혹은 붐실린더의 컨트롤밸브에 대한 파일럿라인에 전자(電磁)제어밸브를 마련하여, 파일럿압을 조절함으로써, 로드압이 너무 높아지는 것을 억제해도 된다.

미끄러짐억제부는, 붐실린더와 연직축이 이루는 각도를 η₁, 붐실린더가 상부선회체에 미치는 힘을 F₁, 정지(靜止)마찰계수를 μ, 차체중량을 M, 중력가속도를 g라고 할 때,

F₁sinη₁＜μMg

가 성립되도록, 붐실린더의 동작을 보정해도 된다.

μMg/sinη₁을 힘(F₁)의 허용최댓값 F_MAX로 하고,

F₁＜μMg/sinη₁

이 성립되도록 F₁을 제어함으로써, 후방미끄러짐을 억제해도 된다.

여기에서 F₁은, 붐실린더의 로드압(P_R)과 보텀압(P_B)에 근거하여 계산해도 된다.

혹은, 로드압(P_R)의 최댓값 P_RMAX를 계산하여,

P_R＜P_RMAX

가 성립되도록, 로드압(P_R)을 조절함으로써 후방미끄러짐을 억제해도 된다.

본 발명의 다른 양태도 또한, 쇼벨이다. 이 쇼벨은, 주행체와, 주행체에 회동 가능하게 마련되는 상부선회체와, 붐, 암, 버킷을 갖고, 상부선회체에 장착된 어태치먼트와, 어태치먼트의 붐실린더와 연직축이 이루는 각도를 η₁, 붐실린더가 상부선회체에 미치는 힘을 F₁, 정지마찰계수를 μ, 차체중량을 M, 중력가속도를 g라고 할 때,

F₁sinη₁＜μMg가 성립되도록, 어태치먼트의 동작을 보정하는 미끄러짐억제부를 구비한다.

이 양태에 의하면, 주행체의 미끄러짐을 억제할 수 있다.

또한, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 상호 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.

본 발명에 의하면, 쇼벨의 주행체의 미끄러짐을 억제할 수 있다.

도 1은 실시형태에 관한 건설기계의 일례인 쇼벨의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2에 있어서 도 2의 (a), 도 2의 (b)는, 후방미끄러짐이 발생하는 쇼벨의 작업의 구체예를 설명하는 도이다.
도 3은 쇼벨의 전기계통 및 유압계통의 블록도이다.
도 4는 후방미끄러짐에 관련된 쇼벨의 역학적인 모델을 나타내는 도이다.
도 5는 제1 구성예에 관한 쇼벨의 미끄러짐억제부 및 그 주변의 블록도이다.
도 6은 제2 구성예에 관한 미끄러짐억제부를 나타내는 블록도이다.
도 7은 제3 구성예에 관한 쇼벨의 미끄러짐억제부 및 그 주변의 블록도이다.
도 8은 후방미끄러짐에 관련된 쇼벨의 역학적인 모델을 나타내는 도이다.
도 9는 제4 구성예에 관한 쇼벨의 미끄러짐억제부 및 그 주변의 블록도이다.
도 10은 실시형태에 관한 미끄러짐보정의 플로차트이다.
도 11은 변형예에 관한 쇼벨의 전기계통 및 유압계통의 블록도이다.
도 12에 있어서 도 12의 (a), 도 12의 (b)는, 어태치먼트의 동작에 기인하는 쇼벨의 미끄러짐을 설명하는 도이다.
도 13에 있어서 도 13의 (a)~(d)는, 쇼벨의 미끄러짐을 설명하는 도이다.
도 14는 실시형태에 관한 미끄러짐보정의 플로차트이다.
도 15에 있어서 도 15의 (a), 도 15의 (b)는, 센서의 장착개소의 일례를 설명하는 도이다.
도 16에 있어서 도 16의 (a)~(c)는, 후방미끄러짐의 다른 예를 설명하는 도이다.
도 17은 쇼벨의 운전실에 마련된 디스플레이 및 조작부 일례를 나타내는 도이다.
도 18에 있어서 도 18의 (a), 도 18의 (b)는, 미끄러짐억제기능을 무효화해야 할 상황을 설명하는 도이다.

이하, 본 발명을 적합한 실시형태를 근거로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타나는 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적절히 중복된 설명은 생략한다. 또, 실시형태는, 발명을 한정하는 것이 아닌 예시이며, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 한정되지 않는다.

본 명세서에 있어서, "부재 A가, 부재 B와 접속된 상태"란, 부재 A와 부재 B가 물리적으로 직접적으로 접속되는 경우 외에, 부재 A와 부재 B가, 그들의 전기적인 접속상태에 실질적인 영향을 미치지 않거나, 혹은 그들의 결합에 의하여 나타나는 기능이나 효과를 저해시키지 않는, 그 외의 부재를 통하여 간접적으로 접속되는 경우도 포함한다.

도 1은, 실시형태에 관한 건설기계의 일례인 쇼벨(1)의 외관을 나타내는 사시도이다. 쇼벨(1)은, 주로 주행체(로어, 크롤러라고도 함)(2)와, 주행체(2)의 상부에 선회장치(3)를 통하여 회동 가능하게 탑재된 상부선회체(4)를 구비하고 있다.

상부선회체(4)에는, 어태치먼트(12)가 장착된다. 어태치먼트(12)는, 붐(5)과, 붐(5)의 선단에 링크접속된 암(6)과, 암(6)의 선단에 링크접속된 버킷(10)이 장착되어 있다. 버킷(10)은, 토사, 강재 등의 적하(吊荷)를 포획하기 위한 수단이다. 붐(5), 암(6) 및 버킷(10)은, 각각 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9)에 의하여 유압구동된다. 또, 상부선회체(4)에는, 버킷(10)의 위치나 여자(勵磁)동작 및 석방동작을 조작하는 오퍼레이터(운전자)를 수용하기 위한 운전실(4a)이나, 유압을 발생시키기 위한 엔진(11)과 같은 동력원이 마련되어 있다.

계속해서, 쇼벨(1)의 미끄러짐 및 그 억제에 대하여 상세하게 설명한다.

쇼벨(1)에 의한 미끄러짐의 억제는, 지탱하고 있는 어태치먼트를 완만하게 하여, 어태치먼트의 반동·힘이 차체에 전달되지 않도록 하는 것이라고 이해할 수 있다.

도 2의 (a), 도 2의 (b)는, 후방미끄러짐이 발생하는 쇼벨의 작업의 구체예를 설명하는 도이다. 도 2의 (a)의 쇼벨(1)은, 지면(50)의 평탄화 작업을 행하고 있고, 주로 암의 개방동작에 의하여 버킷(10)이 토사(52)를 전방으로 밀어내도록 힘(F₂)이 발생하고 있다. 이때 쇼벨(1)의 차체(주행체(2), 선회장치(3), 선회체(4))에는, 어태치먼트(12)로부터의 반력(F₃)이 작용한다. 반력(F₃)이 쇼벨(1)과 지면(50)의 사이의 최대정지마찰력(F₀)을 상회하면, 차체는 후방으로 미끄러지게 된다.

도 2의 (b)의 쇼벨(1)은, 하천공사 등을 행하고 있고, 주로 암의 개방동작에 의하여, 버킷을 경사진 벽면에 대하여 눌러서 토사를 굳혀, 정지(整地)하는 작업을 행하고 있다. 이와 같은 작업에 있어서도, 어태치먼트(12)로부터의 반력이 차체를 후방으로 미끄러뜨리는 방향으로 작용한다.

계속해서, 후방미끄러짐을 억제 가능한 쇼벨(1)의 구체적인 구성을 설명한다. 도 3은, 쇼벨(1)의 전기계통 및 유압계통의 블록도이다. 다만, 도 3에서는, 기계적으로 동력을 전달하는 계통을 이중선으로, 유압계통을 굵은 실선으로, 조종계통을 파선(破線)으로, 전기계통을 가는 실선으로 각각 나타내고 있다. 다만 여기에서는 유압쇼벨에 대하여 설명하지만, 선회에 전동기를 이용하는 하이브리드쇼벨에도 본 발명은 적용 가능하다.

엔진(11)은, 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)에 접속되어 있다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되어 있다. 다만, 유압액추에이터에 유압을 공급하는 유압회로는 2계통 마련되는 경우가 있으며, 그 경우에는 메인펌프(14)는 2개의 유압펌프를 포함한다. 본 명세서에서는 이해의 용이화를 위하여, 메인펌프가 1계통인 경우를 설명한다.

컨트롤밸브(17)는, 쇼벨(1)에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 장치이다. 컨트롤밸브(17)에는, 도 1에 나타낸 주행체(2)를 구동하기 위한 주행유압모터(2A 및 2B) 외에, 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9)가 고압유압라인을 통하여 접속되어 있으며, 컨트롤밸브(17)는, 이들에 공급하는 유압(제어압)을 오퍼레이터의 조작입력에 따라 제어한다.

또, 선회장치(3)를 구동하기 위한 선회유압모터(21)가 컨트롤밸브(17)에 접속된다. 선회유압모터(21)는, 선회컨트롤러의 유압회로를 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속되지만, 도 3에는 선회컨트롤러의 유압회로는 나타나지 않고, 간략화되어 있다.

파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)(조작수단)가 접속되어 있다. 조작장치(26)는, 주행체(2), 선회장치(3), 붐(5), 암(6) 및 버킷(10)을 조작하기 위한 조작수단이며, 오퍼레이터에 의하여 조작된다. 조작장치(26)에는, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속되고, 또한 유압라인(28)을 통하여 압력센서(29)가 접속된다.

예를 들면 조작장치(26)는, 유압파일럿식의 조작레버(26A~26D)를 포함한다. 조작레버(26A~26D)는 각각, 붐축, 암축, 버킷축 및 선회축에 대응하는 조작레버이다. 실제로는, 조작레버는 2개 마련되며, 일방의 조작레버의 세로방향, 가로방향에 2축이, 나머지 조작레버의 세로방향, 가로방향에 나머지 2축이 할당된다. 또한 조작장치(26)는, 주행축을 제어하기 위한 페달(도시하지 않음)을 포함한다.

조작장치(26)는, 파일럿라인(25)을 통하여 공급되는 유압(1차측의 유압)을 오퍼레이터의 조작량에 따른 유압(2차측의 유압)으로 변환하여 출력한다. 조작장치(26)로부터 출력되는 2차측의 유압(제어압)은, 유압라인(27)을 통하여 컨트롤밸브(17)에 공급됨과 함께, 압력센서(29)에 의하여 검출된다. 즉 압력센서(29)의 검출값은, 조작레버(26A~26D) 각각에 대한 오퍼레이터의 조작입력(θ_CNT)을 나타낸다. 다만 도 3에 있어서 유압라인(27)은 1개로 그려져 있지만, 실제로는 좌측주행유압모터, 우측주행유압모터, 선회 각각의 제어지령값의 유압라인이 존재한다.

컨트롤러(30)는, 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되며, CPU가 메모리에 로드된 구동제어용 프로그램을 실행함으로써 실현된다.

또한 쇼벨(1)은, 미끄러짐억제부(500)를 구비한다. 미끄러짐억제부(500)는, 어태치먼트(12)의 연장방향의 후방으로의 주행체(2)의 미끄러짐이 억제되도록, 어태치먼트(12)의 붐실린더(7)의 동작을 보정한다. 미끄러짐억제부(500)의 주요부는, 컨트롤러(30)의 일부로서 구성할 수 있다.

도 4는, 후방미끄러짐에 관련된 쇼벨의 역학적인 모델을 나타내는 도이다.

붐실린더(7)와 연직축(54)이 이루는 각도를 η₁, 붐실린더(7)가 상부선회체(4)에 미치는 힘을 F₁이라고 한다. 이때, 붐실린더(7)가 선회체(4)를 수평방향으로 미는 힘(F₃)은,

F₃=F₁sinη₁ …(1)

이 된다.

한편, 주행체(2)와 지면(50)의 사이의 정지마찰계수를 μ, 차체중량을 M, 중력가속도를 g라고 할 때, 최대정지마찰력(F₀)은, μMg가 된다.

F₀=μMg

쇼벨(1)이 미끄러지지 않는 조건은,

F₃＜F₀ …(3)

이며, 식 (1), 식 (2)를 대입하면, 관계식 (4)를 얻는다.

F₁sinη₁＜μMg …(4)

가 된다.

즉, 도 3의 미끄러짐억제부(500)는, 식 (4)의 관계식이 성립되도록, 붐실린더(7)의 동작을 보정하면 된다.

(제1 구성예)

도 5는, 제1 구성예에 관한 쇼벨(1)의 미끄러짐억제부(500) 및 그 주변의 블록도이다. 압력센서(510, 512)는 각각, 붐실린더(7)의 로드측 유실(油室)의 압력(로드압)(P_R), 보텀측 유실의 압력(보텀압)(P_B)을 측정한다. 측정된 압력(P_R, P_B)은, 미끄러짐억제부(500)(컨트롤러(30))에 입력된다.

미끄러짐억제부(500)는, 힘추정부(502), 각도산출부(504), 압력조절부(506)를 포함한다.

힘(F₁)은 압력(P_R, P_B)의 함수 f(P_R, P_B)로 나타난다.

F₁=f(P_R, P_B) …(5)

힘추정부(502)는, 로드압(P_R) 및 보텀압(P_B)에 근거하여, 붐실린더(7)가 선회체(4)에 미치는 힘(F₁)을 계산한다.

일례로서, 로드측의 수압(受壓)면적을 A_R, 보텀측의 수압면적을 A_B라고 할 때,

F₁=A_R·P_R-A_B·P_B

라고 나타낼 수 있다. 힘추정부(502)는 이 식에 근거하여 힘(F₁)을 계산 혹은 추정해도 된다.

또한 각도산출부(504)는, 연직축(54)과 붐실린더(7)가 이루는 각도(η₁)를 산출한다. 각도(η₁)는, 붐실린더(7)의 신축길이와 쇼벨(1)의 치수 및 쇼벨(1)의 차체의 기울기 등으로부터 기하학적으로 계산할 수 있다. 혹은 각도(η₁)를 측정하는 센서를 마련하여, 센서의 출력을 이용해도 된다. 정지마찰계수(μ)는, 전형적인 소정값을 이용해도 되고, 작업장의 지면의 상황에 따라 오퍼레이터가 입력할 수 있도록 해도 된다.

혹은, 쇼벨(1)에 정지마찰계수(μ)를 추정하는 수단을 마련해도 된다. 쇼벨(1)이 지면에 대하여 정지한 상태에 있어서, 어태치먼트(12)에 의한 작업 중에 차체의 미끄러짐을 검출하면, 그 순간의 힘(F₁)으로부터, μ를 계산할 수 있다. 예를 들면, 쇼벨(1)의 상부선회체(4)에 가속도센서나 속도센서 등을 탑재함으로써, 미끄러짐을 검출할 수 있다.

압력조절부(506)는, 힘(F₁), 각도(η₁)에 근거하여, 식 (4)가 성립되도록, 붐실린더(7)의 압력을 제어한다. 이 구성예에서는, 압력조절부(506)는, 식 (4)가 성립되도록 붐실린더(7)의 로드압(R_R)을 조절한다.

전자비례릴리프밸브(520)는, 붐실린더(7)의 로드측 유실과 탱크의 사이에 마련된다. 압력조절부(506)는, 식 (4)가 성립되도록, 전자비례릴리프밸브(520)를 제어하여, 붐실린더(7)의 실린더압을 릴리프한다. 이로써 로드압(P_R)이 저하되고, 따라서 F₁이 작아져, 미끄러짐을 억제할 수 있다.

다만 붐실린더(7)를 제어하는 컨트롤밸브(17)의 스풀상태, 바꾸어 말하면 메인펌프(14)로부터 붐실린더(7)에 공급되는 압유의 방향은 특별히 한정되지 않으며, 어태치먼트(12)의 상태(작업내용)에 따라서는, 도 5와 같은 순방향이 아닌, 역방향이거나, 차폐상태여도 된다.

(제2 구성예)

도 6은, 제2 구성예에 관한 미끄러짐억제부(500)를 나타내는 블록도이다. 식 (4)를 변형하면, 이하의 관계식 (6)을 얻는다.

F₁＜μMg/sinη₁ …(6)

즉, μMg/sinη₁은, 힘(F₁)의 허용최댓값 F_MAX이다.

또, 로드압(P_R)은, 힘(F₁) 및 보텀압(R_B)의 함수 g(F₁, R_B)로서 나타낼 수도 있다.

P_R=g(F₁, R_B) …(7)

따라서, 로드압(P_R)이 취할 수 있는 최댓값(최대압력) P_RMAX를 계산할 수 있다.

P_RMAX=g(F_MAX, R_B) …(8)

최대압력산출부(508)는, 식 (8)에 근거하여, 로드압(P_R)에 허용되는 최대압력 P_RMAX를 산출한다. 압력조절부(506)는, 압력센서(510)가 검출하는 로드압(P_R)이, 최대압력 P_RMAX를 초과하지 않도록, 전자비례릴리프밸브(520)를 제어한다.

당업자에 의하면, 도 5나 도 6 외에도, 관계식 (4)를 충족시키도록 로드압(P_R)을 제어할 수 있는 것이 이해된다.

(제3 구성예)

도 7은, 제3 구성예에 관한 쇼벨(1)의 미끄러짐억제부(500) 및 그 주변의 블록도이다. 도 7의 쇼벨(1)은, 도 5의 쇼벨(1)의 전자비례릴리프밸브(520) 대신에, 전자비례제어밸브(530)를 구비한다. 전자비례제어밸브(530)는, 조작레버(26A)로부터 컨트롤밸브(17)로의 파일럿라인(27A)에 마련되어 있다. 미끄러짐억제부(500)는, 관계식 (4)를 충족시키도록 전자비례제어밸브(530)로의 제어신호를 변화시키고, 컨트롤밸브(17)로의 압력을 변화시키며, 이로써 붐실린더(7)의 보텀실측의 압력 및 로드측 유실의 압력을 변화시킨다.

다만 도 7의 미끄러짐억제부(500)의 구성이나 제어방식은 한정되지 않으며, 도 5 혹은 도 6 그 외의 구성, 방식을 채용할 수 있다.

(제4 구성예)

미끄러짐억제부(500)는 메인펌프(14)의 출력을 저하시킴으로써, 예를 들면 마력제한을 걸거나, 유량제한을 거는 것에 의해, 붐실린더(7)의 동작을 보정해도 된다.

(제5 구성예)

지금까지의 설명에서는, 암의 개방동작에 기인하는 후방미끄러짐을 억제하기 위하여, 붐실린더(7)를 제어했지만 그것에 한정되지 않는다. 쇼벨(1)은 후방미끄러짐을 억제하기 위하여, 붐실린더(7)에 더하여, 혹은 그것 대신에, 암실린더(8)의 압력을 제어해도 된다.

도 8은, 후방미끄러짐에 관련된 쇼벨의 역학적인 모델을 나타내는 도이다. 암 개방동작 중, 암실린더(8)는 수축방향으로 힘(F_A)을 발생시킨다. 이때, 버킷(10)이 지면(50)으로부터 받는 굴삭반력(F_R)은,

F_R=F_A·D₅/D₄

로 나타난다. D5는, 암(6)과 붐(5)의 연결점과 암실린더(8)를 통과하는 직선의 사이의 거리이며, D4는, 암(6)과 붐(5)의 연결점과 굴삭반력(F_R)의 벡터를 포함하는 직선의 사이의 거리이다.

굴삭반력(F_R)의 벡터와 연직축(54)이 이루는 각도를 θ라고 할 때, 굴삭반력(F_R)이 쇼벨의 차체를 후방으로 미끄러뜨리고자 하는 힘(F_R2)은,

F_R2=F_R×sinθ

가 되며, 후방미끄러짐이 발생하지 않는 조건은,

F_R2＜μMg

가 된다.

따라서 미끄러짐억제부(500)는,

F_A·D₅/D₄×sinθ＜μMg …(9)

가 성립되도록, 암실린더(8)의 동작을 보정한다.

여기에서, 암실린더(8)의 보텀측 유실에 면하는 피스톤의 수압면적을 A_A라고 할 때, 힘(F_A)은 F_A=P_A·A_A로 나타난다. P_A는, 암실린더(8)의 보텀측 유실의 작동유의 압력(보텀압)이다. 따라서, 후방미끄러짐이 발생하지 않는 조건으로서, 부등식 (10)을 얻는다.

P_A＜μMg·D4/(A_A·D5·sinθ) …(10)

즉 μMg·D4/(A_A·D5·sinθ)가, 보텀압(P_A)의 허용최댓값 P_MAX가 된다. 미끄러짐억제부(500)는, 암실린더(8)의 보텀압(P_A)을 감시하여, 보텀압(P_A)이 허용최댓값 P_MAX를 초과하지 않도록, 암실린더(8)의 동작을 보정한다.

도 9는, 제5 구성예에 관한 쇼벨의 미끄러짐억제부 및 그 주변의 블록도이다. 미끄러짐억제부(500)는, 암실린더(8)를 제어대상으로 하지만, 기본구성, 동작은 도 5와 동일하다. 구체적으로는 후방미끄러짐이 발생하지 않도록, 구체적으로는, 부등식 (9) 또는 부등식 (10)이 성립되도록, 암실린더(8)의 보텀압(P_B)(도 8의 P_A)을 제어한다. 이 구성예에서는, 전자비례릴리프밸브(520)가, 암실린더(8)의 보텀측 유실과 탱크의 사이에 마련된다.

미끄러짐억제부(500)는, 전자비례릴리프밸브(520)를 제어함으로써, 암실린더(8)의 보텀압을 제어하여, 후방미끄러짐을 억제한다.

암실린더(8)의 보정에 의한 후방미끄러짐의 억제를 위한 구성은, 도 9에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 6 혹은 도 7을 기본구성으로 하여, 암실린더(8)의 보정기구를 구성해도 된다. 혹은 제4 구성예에 기재한 바와 같이, 미끄러짐억제부(500)는 메인펌프(14)의 출력을 저하시킴으로써, 예를 들면 마력제한을 걸거나, 유량제한을 거는 것에 의해, 암실린더(8)의 동작을 보정해도 된다.

도 10은, 실시형태에 관한 미끄러짐보정의 플로차트이다. 먼저 쇼벨이 주행 중인지의 여부가 판정된다(S100). 그리고 주행 중인 경우(S100의 Y), 다시 S100의 판정으로 되돌아간다. 쇼벨이 주행정지 중인 경우(S100의 N), 어태치먼트가 동작 중인지의 여부가 판정된다(S102). 비동작 중이면(S102의 N), 스텝 S100으로 되돌아간다. 어태치먼트(12)의 동작이 검출되면(S102의 Y), 미끄러짐억제처리가 유효해진다.

미끄러짐억제처리에서는, 붐실린더의 보텀압 및 로드압, 나아가서는 붐이 차체에 미치는 힘(F₁)이 감시된다. 그리고 미끄러짐이 발생하지 않도록, 보다 자세하게는 관계식 (4)를 충족시키도록 붐실린더(7)의 압력이 조정된다.

이상이 쇼벨(1)의 동작이다. 실시형태에 관한 쇼벨(1)에 의하면, 쇼벨의 후방으로의 미끄러짐을 억제할 수 있다.

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다. 이하, 이러한 변형예를 설명한다.

(변형예 1)

센서를 이용하여 미끄러짐을 검출하고, 미끄러짐이 발생했을 때에, 실시형태에서 설명한 미끄러짐억제처리를 행해도 된다. 도 11은, 변형예 1에 관한 쇼벨(1)의 전기계통 및 유압계통의 블록도이다. 쇼벨(1)은, 도 3의 쇼벨(1)에 더하여, 센서(540)를 더 구비한다.

센서(540)는, 쇼벨(1)의 본체의 운동을 검출한다. 센서(540)는, 쇼벨(1)의 주행체(2)의 미끄러짐을 검출할 수 있으면 되며, 그 종류나 구성은 특별히 한정되지 않는다. 또한 센서(540)는, 복수의 센서의 조합이어도 된다. 바람직하게는 센서(540)는, 상부선회체(4)에 마련된 가속도센서나 속도센서를 포함해도 된다. 가속도센서나 속도센서의 검출축의 방향은, 어태치먼트(12)의 연장방향과 일치시키는 것이 바람직하다.

미끄러짐억제부(500)는, 센서(540)의 출력에 근거하여, 어태치먼트(12)의 연장방향의 주행체(2)의 미끄러짐을 검출하고, 미끄러짐이 억제되도록, 어태치먼트(12)의 붐실린더(7)의 동작을 보정한다. "미끄러짐의 검출"은, 실제로 미끄러지고 있는 것의 검출이어도 되고, 미끄러질 징조의 검출이어도 된다.

다만, 센서(540)의 출력에는, 미끄러짐에 기인하는 성분 외에, 진동에 기인하는 성분, 선회에 기인하는 성분, 외란(外亂)에 기인하는 성분 등이 포함될 수 있다. 미끄러짐억제부(500)는, 센서(540)의 출력으로부터, 미끄러짐운동에 있어서 지배적인 주파수성분만을 추출하고, 그 외의 주파수성분을 제거하는 필터를 포함해도 된다.

이상이 쇼벨(1)의 기본구성이다. 이어서 그 동작을 설명한다. 도 12의 (a), 도 12의 (b)는, 어태치먼트(12)의 동작에 기인하는 쇼벨(1)의 미끄러짐을 설명하는 도이다. 도 12의 (a), 도 12의 (b)는, 쇼벨(1)을 바로 옆에서 본 도이다. τ₁~τ₃은 각각, 붐(5), 암(6), 버킷(10)의 각 링크에 있어서 발생하는 토크(힘)를 나타낸다. 도 12의 (a)는, 굴삭작업을 나타내고 있으며, 어태치먼트(12)가 쇼벨(1)의 본체(주행체(2) 및 상부선회체(4))에 미치는 힘(F)은, 붐(5)의 근원(522)에 작용하고, 이 힘(F)은 주행체(2)를 버킷(10)에 근접시키는 방향으로 작용한다. 주행체(2)와 지면의 사이의 정지마찰계수를 μ로 하고, 주행체(2)에 대한 수직항력을 N으로 하면,

F＞μN

을 충족시켰을 때에, 주행체(2)는 힘(F)의 방향으로 미끄러지기 시작한다.

도 12의 (b)는, 정지작업을 나타내고 있으며, 어태치먼트(12)가 쇼벨(1)의 본체에 미치는 힘(F)은, 주행체(2)를 버킷(10)으로부터 멀어지게 하는 방향으로 작용한다. 이 경우도,

F＞μN

도 13의 (a)~(d)는, 쇼벨(1)의 미끄러짐을 설명하는 도이다. 도 13의 (a)~(d)는, 쇼벨(1)을 바로 위에서 본 도이다. 어태치먼트(12)의 붐(5), 암(6), 버킷(10)은, 그 자세나 작업내용에 관계없이 항상 동일 평면(화살표상면) 내에 위치한다. 따라서 어태치먼트(12)의 동작 중에, 어태치먼트(12)로부터의 반력(F)은, 쇼벨(1)의 본체(주행체(2) 및 상부선회체(4))에 대하여, 어태치먼트의 연장방향(L1)으로 작용한다고 할 수 있다. 이것은, 주행체(2)와 상부선회체(4)의 위치관계(회전각도)에도 의존하지 않는다. 힘(F)의 방향은, 도 12의 (a), 도 12의 (b)에 나타내는 바와 같이, 작업내용에 따라 다르다. 바꾸어 말하면, 어태치먼트(12)의 연장방향(L1)으로의 미끄러짐이 발생하고 있을 때, 그 미끄러짐은, 어태치먼트(12)의 동작에 기인하는 것이라고 추정되며, 따라서 어태치먼트(12)를 제어함으로써 그 미끄러짐을 억제할 수 있다.

도 14는, 실시형태에 관한 미끄러짐보정의 플로차트이다. 먼저 어태치먼트가 동작 중인지의 여부가 판정된다(S100). 비동작 중이면(S100의 N), 스텝 S100으로 되돌아간다. 어태치먼트(12)의 동작이 검출되면(S100의 Y), 어태치먼트 연장방향(L1)의 쇼벨본체의 운동(예를 들면 가속도)이 검출된다(S102). 그리고 미끄러짐이 검출되지 않을 때(S104의 N)에는, 오퍼레이터의 입력에 근거하는 통상의 어태치먼트동작(S108)이 행해진다. 미끄러짐이 검출된 경우(S104의 Y), 어태치먼트(12)의 동작이 보정된다(S106).

변형예 1에 관한 쇼벨(1)에 의하면, 센서(540)에 의하여 어태치먼트(12)의 동작에 기인하는 미끄러짐을 검출하고, 그 결과에 따라, 어태치먼트(12)의 동작을 보정함으로써, 미끄러짐을 억제할 수 있다.

주행체(2)가 변위하는 원인은, 어태치먼트의 굴삭반력에 의한 미끄러짐 외에, 주행체에 의한 의도적인 변위, 선회체의 선회에 기인하는 미끄러짐 등이 존재하지만, 어태치먼트의 동작보정이 가장 유효한 것은, 굴삭반력을 원인으로 하는 미끄러짐이며, 그 외의 요인에 의한 미끄러짐이나 변위는, 오히려 미끄러짐이나 변위를 증대시키는 경우도 있을 수 있다. 따라서 보다 자세하게는, 어태치먼트에 의한 굴삭작업 중에 있어서, 주행체가 변위한 경우에, 어태치먼트(12)의 동작을 보정해도 된다.

따라서 주행상태, 선회상태라고 판단할 수 있는 경우에는, 미끄러짐이 발생했다고 해도 어태치먼트에 의한 미끄러짐은 아닌 것으로 하여 제어의 판단재료로 할 수도 있다. 반대로 말하면 어태치먼트로 토사를 굴삭하고 있을 때에, 주행상태가 아니고, 선회상태가 아니라고 하는 판단재료를 더 고려하여, 어태치먼트의 동작에 의한 미끄러짐이라고 판단하면, 굴삭동작에 의한 미끄러짐을 양호한 정밀도로 억제할 수 있다.

변형예 1에 의하면, 어태치먼트의 굴삭 중에 주행체의 위치가 변위하는 것을 조건으로 하여, 어태치먼트의 동작이 보정되어, 미끄러짐이 억제된다. 또, 이때의 보정의 판단재료로서, 어태치먼트의 조작레버나, 주행체, 선회의 조작정보나 실제의 동작을 더 고려하여, 어태치먼트의 동작을 보정함으로써, 굴삭동작에 의한 미끄러짐을 양호한 정밀도로 억제할 수 있다.

도 13의 (a)~(d)에 나타내는 바와 같이, 어태치먼트(12)의 연장방향(L1)은, 상부선회체(4)의 방향(정면방향)과 항상 일치한다. 따라서 센서(540)(가속도센서)를, 실제의 미끄러짐이 발생하는 주행체(2)측이 아닌, 상부선회체(4) 위에 탑재함으로써, 상부선회체(4)의 선회각도(위치)에 의존하지 않고, 연장방향(L1)으로의 미끄러짐운동을 직접적이고 또한 정확하게 검출할 수 있다.

어태치먼트(12)의 동작의 보정을 고속으로 행함으로써, 오퍼레이터가 보정을 의식하지 않고 미끄러짐을 억제하는 것은 이론적으로 가능하다. 그러나 응답지연이 길어지면, 오퍼레이터가, 자기 자신의 조작과, 어태치먼트(12)의 동작에 괴리를 느낄 가능성도 있다. 따라서 쇼벨(1)은, 미끄러짐이 검출되었을 때에, 어태치먼트(12)의 동작의 보정과 병행하여, 오퍼레이터에게 미끄러짐이 발생하고 있는 것을 알림, 경보해도 된다. 이 알림, 경보는, 음성메시지나 경고음 등의 청각적 수단을 이용해도 되고, 디스플레이나 경고등 등의 시각적 수단을 이용해도 되며, 진동 등의 촉각적(물리적) 수단을 이용해도 된다.

이로써, 오퍼레이터는, 조작과 동작의 괴리가, 어태치먼트(12)의 동작의 자동보정에 의한 것임을 인지할 수 있다. 또한 오퍼레이터는, 이 알림이 연속적으로 발생하는 경우에는, 자신의 조작이 부적절한 것임을 인식하는 것이 가능하며, 조작이 지원된다.

도 15의 (a), 도 15의 (b)는, 센서(540)의 장착개소의 일례를 설명하는 도이다. 상기와 같이, 센서(540)는, 상부선회체(4)에 마련된 가속도센서(542)를 포함한다. 가속도센서(542)는, 연장방향(L1)에 검출축을 갖고 있다. 여기에서 어태치먼트(12)가 상부선회체(4)에 미치는 힘의 작용점은, 붐(5)의 근원(522)이다. 따라서 가속도센서(542)는, 붐(5)의 근원(522)에 마련하는 것이 바람직하다. 이로써 어태치먼트(12)의 동작에 기인하는 미끄러짐을 적합하게 검출할 수 있다.

여기에서 가속도센서(542)가 선회축(521)으로부터 멀어지면, 선회체(4)가 선회운동할 때에, 가속도센서(542)가, 선회운동에 의한 원심력의 영향을 받게 된다. 따라서 가속도센서(542)는, 붐(5)의 근원(522)의 근방이며, 또한 선회축(521)의 근방에 배치하는 것이 바람직하다. 정리하면, 가속도센서(542)는, 붐(5)의 근원(522)과 상부선회체(4)의 선회축(521)의 사이의 영역(R1)에 배치하는 것이 바람직하다. 이로써, 가속도센서(542)의 출력에 포함되는 선회운동의 영향을 저감시킬 수 있어, 어태치먼트(12)의 동작에 기인하는 미끄러짐을 적합하게 검출할 수 있다.

또한 가속도센서(542)의 위치가 지면에서 너무 멀면, 가속도센서(542)의 출력이, 피칭이나 롤링에 기인하는 가속도성분을 포함하게 되어 바람직하지 않다. 이 관점에서, 가속도센서(542)는 상부선회체(4)의 가능한 한 아래쪽에 설치하는 것이 바람직하다.

(변형예 2)

도 2의 (a), 도 2의 (b)를 참조하여, 암의 조작에 기인하는 후방미끄러짐에 대하여 설명했지만, 본 발명의 적용은 그것에 한정되지 않는다. 도 16의 (a)~(c)는, 후방미끄러짐의 다른 예를 설명하는 도이다. 도 16의 (a)는, 법면의 마무리작업을 나타낸다. 이 작업에서는, 법면을 따라 버킷(10)을 이동시키는 동작이 행해지지만, 잘못된 조작에 의하여 법면을 따르지 않는 힘이 발생하면, 차체가 전방으로 끌어당겨진다.

도 16의 (b)는, 굴삭작업을 나타낸다. 버킷(10)이 단단한 지면에 걸린 상태에서, 어태치먼트(12)를 구동하면, 쇼벨(1)이 전방으로 끌어당겨진다.

도 16의 (c)는, 언덕의 굴삭작업을 나타낸다. 버킷(10)이 언덕에 걸린 상태에서 강한 힘을 발생시키면, 토사가 단번에 붕괴되는 경우가 있다. 이 경우, 붕괴되기 직전의 균형력으로 어태치먼트의 반동이 차체에 전달되어, 차체의 후방미끄러짐을 유발한다.

이와 같이 본 발명은, 다양한 작업 중에 발생하는 미끄러짐에 대하여 유효하다.

(변형예 3)

오퍼레이터가 의도적으로, 차체의 미끄러짐을 이용하고자 하는 경우도 있다. 따라서 미끄러짐억제기능을, 오퍼레이터가 온, 오프할 수 있도록 하면 된다. 도 17은, 쇼벨의 운전실에 마련된 디스플레이(700) 및 조작부(710)의 일례를 나타내는 도이다. 예를 들면 디스플레이(700)에는, 미끄러짐보정기능의 온·오프(유효·무효)를 오퍼레이터에게 묻는 다이얼로그(702)나 아이콘이 표시된다. 오퍼레이터는 조작부(710)를 이용하여, 미끄러짐보정기능을 유효로 할지, 무효로 할지를 선택한다. 조작부(710)는 터치패널이어도 되며, 오퍼레이터는, 디스플레이 상의 적절한 개소를 터치함으로써, 유효·무효를 지정해도 된다.

도 18의 (a), 도 18의 (b)는, 미끄러짐억제기능을 무효화해야 할 상황을 설명하는 도이다. 도 18의 (a)는, 주행체(2)가 구덩이에 빠지게 되어, 그곳으로부터 탈출하고자 하는 경우이다. 주행체(2)에 의한 추진력을 양호하게 얻지 못하는 경우에는, 어태치먼트(12)를 조작하여, 적극적으로 주행체(2)를 미끄러뜨림으로써, 구덩이로부터 탈출할 수 있다.

도 18의 (b)는, 주행체(2)의 크롤러(캐터필러)의 진흙제거를 행하고자 하는 경우이다. 어태치먼트(12)를 이용하여, 편측의 크롤러를 부상시켜 공전시킴으로써, 크롤러의 진흙을 제거할 수 있다. 이 경우에도, 미끄러짐억제기능은 무효화해야 한다.

(변형예 4)

실시형태에서는, 붐실린더(7)의 압력을 제어함으로써, 미끄러짐을 억제했지만, 그것에 더하여, 암실린더나 버킷실린더의 압력을 제어해도 된다.

또한 실시형태에서는, 후방으로의 미끄러짐억제에 대하여 설명했지만, 동일한 기술은 차체 전방으로의 미끄러짐에도 적용 가능하고, 그와 같은 양태도 본 발명의 범위에 포함된다.

실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용을 나타내고 있는 것에 지나지 않고, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.

1…쇼벨
2…주행체
2A, 2B…주행유압모터
3…선회장치
4…선회체
4a…운전실
5…붐
6…암
7…붐실린더
8…암실린더
9…버킷실린더
10…버킷
11…엔진
12…어태치먼트
14…메인펌프
15…파일럿펌프
17…컨트롤밸브
21…선회유압모터
26…조작장치
27…파일럿라인
30…컨트롤러
500…미끄러짐억제부
502…힘추정부
504…각도산출부
506…압력조절부
510, 512…압력센서
520…전자비례릴리프밸브
530…전자비례제어밸브
산업상 이용가능성
본 발명은, 산업기계에 이용할 수 있다.

Claims

주행체와,
상기 주행체에 회동 가능하게 마련되는 상부선회체와,
붐, 암, 버킷을 갖고, 상기 상부선회체에 장착된 어태치먼트와,
상기 어태치먼트의 연장방향의 후방으로의 상기 주행체의 미끄러짐이 억제되도록, 상기 어태치먼트의 동작을 보정하는 미끄러짐억제부를 구비하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제1항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 어태치먼트의 붐실린더가 상기 상부선회체에 미치는 힘에 근거하여, 상기 붐실린더의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제2항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 붐실린더의 로드압 및 보텀압에 근거하여, 상기 붐실린더의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 붐실린더의 로드압을 제어하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 붐실린더와 연직축이 이루는 각도를 η₁, 상기 붐실린더가 상기 상부선회체에 미치는 힘을 F₁, 정지마찰계수를 μ, 차체중량을 M, 중력가속도를 g라고 할 때,
F₁sinη₁＜μMg
가 성립되도록, 상기 붐실린더의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 어태치먼트의 암실린더의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제6항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 암실린더의 보텀압이 허용최댓값을 초과하지 않도록, 상기 암실린더의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
주행체와,
상기 주행체에 회동 가능하게 마련되는 상부선회체와,
붐, 암, 버킷을 갖고, 상기 상부선회체에 장착된 어태치먼트와,
상기 어태치먼트의 붐실린더와 연직축이 이루는 각도를 η₁, 붐실린더가 상기 상부선회체에 미치는 힘을 F₁, 정지마찰계수를 μ, 차체중량을 M, 중력가속도를 g라고 할 때,
F₁sinη₁＜μMg
가 성립되도록, 상기 어태치먼트의 동작을 보정하는 미끄러짐억제부를 구비하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주행체의 운동을 검출하는 센서를 더 구비하고,
상기 미끄러짐억제부는, 상기 센서의 출력에 근거하여, 상기 주행체의 미끄러짐 또는 그 징조가 검출되면, 상기 어태치먼트의 동작을 보정하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미끄러짐억제부의 기능은, 오퍼레이터의 입력에 근거하여 무효화 가능한 것을 특징으로 하는 쇼벨.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
오퍼레이터에게 미끄러짐이 발생하고 있는 것을 알림, 경보하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 쇼벨.