JP2005054903A

JP2005054903A - 建設機械の過負荷防止回路

Info

Publication number: JP2005054903A
Application number: JP2003286572A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsukamoto; 浩之塚本
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】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。
【構成】
ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、圧力センサの出力を入力側に接続し、出力側からレギュレータの入力トルクを制御する制御信号を出力するコントローラと、コントローラの出力と前記レギュレータを接続する油圧回路を具備し、コントローラはポンプの吐出圧が所定速度以上で上昇したときは、入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンに沿って入力トルクを増大させるように制御したことを特徴とする。
【選択図】
図１

Description

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。

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。なお、本出願人は既に提出した特許文献１において類似の記載をしているが、念のため再度記載する。
特許出願、特願２００２−３２９６２３号

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。

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出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出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、油圧ポンプの入力トルクを設定（増減）できるように構成されている。なお、油圧ポンプの入力トルクと出力トルクは、機械的な遅れ要素（傾斜板による吐出流量制御）のために、過度状態では一致しないが、定常状態では略一致する。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。

図６は、電磁弁６０として逆比例電磁弁を使用した場合の電磁弁６０の２次側圧力Ｐｆとポンプ入力トルクＴの関係を示す。図６に示すように２次側圧力Ｐｆとポンプ入力トルクは逆比例的な関係にある。選択スイッチ５８の位置「Ｈ」を選択すると高入力トルクになる。即ち、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り、出力トルクも増大する。逆に、位置「Ｌ」を選択すると低入力トルクになる。即ち、油圧ポンプ５１の吐出量が小さくなり、出力トルクも減少するように構成されている。

油圧ショベルはいろいろ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の入力トルクのレベルを選択スイッチ５８により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。

図７の左側の図は油圧ポンプ５１の吐出量Ｑと吐出圧ｐの関係を表す油圧ポンプ特性を示す。更に右側に、エンジンのトルク特性を示す。なお、油圧ポンプ特性は実際の挙動を示している。図８、図９は応答の時間変化を示したグラフで、横軸は時間ｔ（各グラフで共通）を示し、縦軸は油圧ポンプ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を示す。以下、これらの図７〜図９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例として説明する。

図８において、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６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に示すように出力トルクがＴmaxを越えてしまう。

この結果、図９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、ｑ０から増加させ、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９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。

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７）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、出力トルクは曲線Ｆ上を移動し、出力トルクは一時的にＴmaxを越えてしまう。その結果、図９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９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。

以上に説明したように、従来の油圧回路では、吐出圧が急上昇しても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。

本発明は上記の課題を解決するための手段として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、エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該入力トルクを増減する入力トルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ駆動制御システムにおいて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、該圧力センサの出力を入力トルク制御手段の入力側に接続し、該入力トルク制御手段は、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α以上の速度で上昇したことを検出したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＡに沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴としている。

また、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、前記入力トルク制御手段は、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度αよりも小さい所定の第２速度β（β＜α）以上で、第１速度α以下の速度で上昇したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＢに沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の過負荷防止回路。
即ち、請求項１及び請求項２に記載の発明は入力トルクの大きさに関係なく、油圧ポンプの吐出圧が第１速度α以上の速度で上昇している場合と、第１速度α以下で、第２速度β以上の速度で上昇している場合とを対象としている。

請求項３に記載の発明は、エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減する入力トルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ駆動制御システムにおいて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、該油圧ポンプへの入力トルクを検出するセンサとを具備し、該圧力センサの出力並びに該入力トルク検出センサの出力を入力トルク制御手段の入力側に接続し、該油圧ポンプの入力トルクがアイドル状態又は入力トルクが小さい状態からの増大を検出し、かつ、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α’以上の速度で上昇したことを検出したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＡ’に沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする過負荷防止回路。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記過負荷防止回路において、該油圧ポンプの入力トルクが略一定状態を検出し、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α’よりも小さい所定の第２速度β’（β’＜α’）以上の速度で上昇したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＢ’に沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の過負荷防止回路。
即ち、請求項３は、入力トルクが増大している場合において、油圧ポンプの吐出圧が第１速度α’以上の速度で上昇している場合を対象としており、請求項４に記載の発明は入力トルクが一定の場合において油圧ポンプの吐出圧が第２速度β’以上の速度で上昇している場合を対象としている。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４記載の発明において、前記所定のパターンＡ、Ａ’又はＢ、Ｂ’は、緩やかな速度で直線的に入力トルクを上昇させるように構成したことを特徴としている。

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。

以下本発明の実施形態（実施形態１、実施形態２）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例を示す。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。実施形態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１１を設けて、コントローラ１２の入力側に接続している。コントローラ１２は、吐出圧の上昇速度（ΔＰ／Δｔ）が所定速度「α」以上であることを検出した場合は、油圧ポンプの５１の入力トルク（又は設定トルク）Ｔを、所定の低トルク（例えばＴmin）まで下げ、その後に所定のパターンＡに沿って入力トルクを所定の高トルク（例えばＴmax）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、ΔＰはΔｔ時間における吐出圧の増加分を意味する。

また、コントローラ１２が、吐出圧の上昇速度が所定速度「β」以上であり、かつ「α」以下であることを検出した場合は、油圧ポンプの５１の入力トルク（又は設定トルク）Ｔを、所定の低トルク（例えばＴmin）まで下げ、その後に所定のパターンＢに沿って入力トルクを所定の高トルク（例えばＴmax）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。

所定のパターンＡ、及び所定パターンＢは何れも、例えば、所定の低トルク（例えばＴmin）から所定の高トルク（例えばＴmax）まで、入力トルク（又は設定トルク）を、緩やかな速度で直線的に上昇させるように構成している。ここで、パターンＡの上昇速度はパターンＢの場合の上昇速度より緩やかに設定している。なお、所定のパターンＡ、及び所定パターンＢは何れもこれに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

実施形態２では、実施形態１の場合に比べて、更に電磁弁６０の２次側出力圧Ｐｆを圧力センサ１３で検出し、圧力センサ１３の出力をコントローラ１２の入力側に接続している。コントローラ１２は吐出圧の上昇速度を検出する他に、更に２次側出力圧Ｐｆの挙動を検出する。即ち、油圧ポンプ５１の入力トルクの設定値変化を検出し、入力トルクが増大している場合は掘削開始時と考え、入力トルクがほぼ一定の場合は掘削中と考えて、これらの条件を実施形態１の場合に追加したケースである。なお、入力トルクが増大した直後の所定時間も入力トルクが増大している場合に含める。

即ち、コントローラ１２が、２次側出力圧Ｐｆの下降速度（―ΔＰｆ／Δｔ）が所定速度γよりも大きいことを検出し、かつ、吐出圧の上昇速度が所定速度「α’」以上であることを検出した場合は、油圧ポンプの５１の入力トルクを、所定の低トルク（例えばＴmin）まで下げ、その後に所定のパターンＡ’に沿って入力トルクを所定の高トルク（例えばＴmax）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。

また、コントローラ１２が、２次側出力圧Ｐｆがほぼ一定であることを検出し、かつ、吐出圧の上昇速度が所定速度「β’」以上であることを検出した場合は、油圧ポンプの５１の入力トルクを、所定の低トルク（例えばＴmin）まで下げ、その後に所定のパターンＢ’に沿って入力トルクを所定の高トルク（例えばＴmax）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。

実施形態１のケースも実施形態２のケースもほぼ同様な応答特性が得られる。以下、所定速度「α」＝所定速度「α’」で、
所定速度「β’」＝所定速度「β’」で、Ａ＝Ａ’、かつ、Ｂ＝Ｂ’とする。これらの実施形態の応答特性を図２〜図４に基づいて説明する。図３の時刻t１において、入力トルクが増大し（２次側出力圧Ｐｆは減少し）、油圧ポンプ５１の吐出圧も急上昇し、その上昇速度が「α」よりも大きい。コントローラ１２はポンプ入力トルクを低トルク（Ｔmin）にするための制御信号を電磁弁６０に出力する。これにより、電磁弁６０の２次圧をＰｆ１からＰｆ２に急増させる（図４右側下図参照）、次に時刻ｔ１〜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、ポンプ出力トルクは曲線Ｂ（１点鎖線）のように変化する。このときの吐出量と出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のレベルを越えることはない（図４）。従って、燃料が無駄に消費されることがなくなる。

次に、時刻ｔ４以後の掘削作業中（２次側出力圧Ｐｆはほぼ一定）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「β」よりも大きく「α」よりも小さいので、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４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の出力トルクは曲線Ｂ１（１点鎖線）のように変化する。この場合の出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（図４）。

図３、図４と図８、図９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への出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出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（実施形態１のケースで）他の場合でも同様な効果が得られる。

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。また、α＝α’、β＝
β’、Ａ＝Ａ’、Ｂ＝Ｂ’ が成立する場合に限定されない。

本願発明を実施した実施形態の油圧回路図を示す。本実施形態のポンプ特性曲線を示す。本実施形態の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。本実施形態の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。従来装置の油圧回路図を示す。ポンプ入力トルクと逆比例電磁弁の２次圧との関係を示す。従来装置のポンプ特性曲線とエンジントルク曲線を示す。従来装置の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。従来装置の各種の時間経過に対する応答曲線を示す。

符号の説明

１１、１３圧力センサ
１２コントローラ（入力トルク制御手段）
５１油圧ポンプ
５２レギュレータ（吐出量制御手段）
５３エンジン
５５方向切換え弁
５６リモコン弁
６０逆比例電磁弁（入力トルク制御手段）

Claims

エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減する入力トルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ駆動制御システムにおいて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、該圧力センサの出力を入力トルク制御手段の入力側に接続し、該入力トルク制御手段は、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α以上の速度で上昇したことを検出したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＡに沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする過負荷防止回路。
前記入力トルク制御手段は、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度αよりも小さい所定の第２速度β（β＜α）以上で、第１速度α以下の速度で上昇したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＢに沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の過負荷防止回路。
エンジンで駆動される可変容量油圧ポンプと、該油圧ポンプの吐出圧の増加に応じて吐出量を減少させて該油圧ポンプの出力トルクを略一定に維持する吐出量制御手段と、該出力トルクを増減する入力トルク制御手段を具備した建設機械の油圧ポンプ駆動制御システムにおいて、前記油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサと、該油圧ポンプへの入力トルクを検出するセンサとを具備し、該圧力センサの出力並びに該入力トルク検出センサの出力を入力トルク制御手段の入力側に接続し、該油圧ポンプの入力トルクがアイドル状態又は入力トルクが小さい状態からの増大を検出し、かつ、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α’以上の速度で上昇したことを検出したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＡ’に沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする過負荷防止回路。
前記過負荷防止回路において、該油圧ポンプの入力トルクが略一定状態にある場合において、該油圧ポンプの吐出圧が所定の第１速度α’よりも小さい所定の第２速度β’（β’＜α’）以上の速度で上昇したときは、該入力トルクを所定の低トルクまで下げ、その後に所定のパターンＢ’に沿って入力トルクを増大させる制御信号を前記吐出量制御手段に送出するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の過負荷防止回路。
前記所定のパターンＡ、Ａ’又はＢ、Ｂ’は、緩やかな速度で直線的に入力トルクを上昇させるように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１に記載の過負荷防止回路。