JP2009228796A - 作業機の油圧システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】作業を行うための油圧アクチュエータAと、パイロット圧に応じて油圧アクチュエータAに作動油を供給する制御弁27と、この制御弁27のパイロット圧を制御する比例電磁弁28と、この比例電磁弁28の電流を制御する電流制御手段33とを備え、比例電磁弁28により制御弁27のパイロット圧が制御されて油圧アクチュエータAが作動油によって作動する作業機の油圧システムにおいて、電流制御手段33は、油圧アクチュエータAの作動時における作動音を抑制すべく、比例電磁弁28の電流ディザ振幅IAを所定範囲内に制御し、且つ、パイロット油の脈動の脈動が一定となるように電流ディザ振幅IAを所定範囲内で補正するように構成されている。
【選択図】図5
Description
特許文献1の作業機の油圧システムでは、運転席に設けられた操作部材を操作すると、操作部材の操作量が制御部に入力され、当該制御部は、操作量に応じた電圧を比例電磁弁に出力して、当該比例電磁弁の電流を変化させることで比例電磁弁を作動させている。比例電磁弁の作動により制御弁のスプールにパイロット油を供給して当該スプールを動かして、制御弁を介してアクチュエータに所定の作動油を供給することで、アタッチメントは動作するようになっている。
本発明は上記問題点に鑑み、油圧式のアクチュエータの作動に起因するの作動音を抑制することができる作業機の油圧システムを提供するようにしたものである。
油圧アクチュエータを作動させるために、比例電磁弁に電流を流すことになるが、当該比例電磁弁の電流にはディザ振幅(以降、電流ディザ振幅ということがある)が存在する。この電流ディザ振幅によってパイロット油のパイロット圧が変動(パイロット油の脈動)することとなり、このパイロット圧の変動により、制御弁から油圧アクチュエータに供給する作動油の流量変動や圧力変動して作動油が脈動する。作動油の脈動が大きいと、油圧アクチュエータの伸縮幅が大きいために油圧アクチュエータの微動幅が大となり、微動幅が大きいがゆえに、作動音が発生すると思われた。
発明者は、さらに、比例電磁弁の電流ディザ振幅について検証を進めたところ、電流ディザ振幅を小さくするにつれてパイロット油の脈動が抑えられるが、比例電磁弁に流す電流(平均電流)によっては、電流ディザ振幅を同じ値にしても、パイロット油の脈動の変化が生じることを突き止めた。
前記電流制御手段は、前記比例電磁弁の平均電流及びパイロット油の脈動に対する電流ディザ振幅の変化に基づき、前記電流ディザ振幅を補正してパイロット油の脈動が一定となるように制御することが好ましい。また、前記電流制御手段は、前記比例電磁弁の平均電流及びパイロット油の脈動に対する電流ディザ振幅の変化を表した変換マップを備えており、前記電流制御手段は、前記変換マップにより予め定められた前記平均電流の目標値と予め定められた電流ディザ振幅の目標値とから得られるパイロット油の脈動が変化領域にあるときに、前記電流ディザ振幅の目標値を前記所定範囲内で補正することが好ましい。
前記変換マップは、電流ディザ振幅に対し、前記平均電流とパイロット油の脈動との変化を示す変化線を備えており、前記変化線は、平均電流に応じてパイロット油の脈動が変化する変化領域と平均電流に応じてパイロット油の脈動が一定となる一定領域とを備え、前記電流制御手段は、平均電流の目標値と電流ディザ振幅とを設定した際に、設定した1の電流ディザ振幅に対応する前記変換線から得られた平均電流の目標値に対するパイロット油の脈動が変化領域にあるときに、前記変換線を基準として電流ディザ振幅の目標値を前記所定範囲内で補正することが好ましい。
図1〜図10は、バックホー等の作業機を示している。
図10に示すように、作業機(バックホー)1は、下部の走行装置2と、上部の旋回体3とから構成されている。
走行装置2は、ゴム製覆帯を有する左右一対の走行体4を備え、両走行体4を走行モータMで駆動するようにしたクローラ式走行装置が採用されている。また、該走行装置2の前部にはドーザ5が設けられている。
作業装置13は、旋回台12の前部に左右方向の中央部よりやや右寄りにオフセットして設けられた支持ブラケット16に上下方向の軸心回りに左右揺動自在に支持されたスイングブラケット17と、該スイングブラケット17に基部側を左右方向の軸心廻りに回動自在に枢着されて上下揺動自在に支持されたブーム18と、該ブーム18の先端側に左右方向の軸心廻りに回動自在に枢着されて前後揺動自在に支持されたアーム19と、該アーム19の先端側にスクイ・ダンプ動作可能に設けられたバケット20とを備えている。
アーム19の先端部には、バケット20の代わりにグラップル,サム,ブレーカ,ブラッシュカッタ,チルトバケット,ロータリーグラーブル等のSP用アタッチメントが装着できるようになっている。
上述したように、作業機1は複数のアクチュエータを有するものとなっているが、説明の便宜上、これらのアクチュエータをまとめた油圧アクチュエータAを1つのものとして説明する。なお、油圧アクチュエータAは、油圧により伸縮自在な油圧シリンダとする。
油圧システム26は、パイロット圧に応じて油圧シリンダAに作動油を供給する制御弁27と、この制御弁27のパイロット圧を制御する一対の比例電磁弁28,28と、比例電磁弁28,28にパイロット油を供給する第1ポンプ29と、制御弁27に作動油を供給する第2ポンプ30と、比例電磁弁28,28を制御する制御部(コントローラ)31とを備えている。
一方の比例電磁弁28Lは、1つの制御弁27に対してそのスプールの一方に所定のパイロット圧のパイロット油を供給し、他方の比例電磁弁28Rは、制御弁27のスプールの他方に所定のパイロット圧のパイロット油を供給するものとなっている。
操作部材25を中立位置より左側に揺動させると、制御部31は操作部材25の操作量に応じた電圧(制御信号S2)を左側用の比例電磁弁28Lのソレノイド32Lに出力し、ソレノイド32Lの電流を制御するものとなっている。ソレノイド32Lの電流に応じてブランジャが移動し、制御弁27へ供給されるパイロット油のパイロット圧が変化する。
このように、操作部材25の操作量に応じて比例電磁弁28L,28Rを操作することで、制御弁27のスプールに2方向からパイロット油が供給されることになり、このパイロット油で制御弁27を作動させることで、作動油が制御弁27を介して油圧シリンダAに供給され、当該油圧シリンダAが、例えば、伸縮することによって、アタッチメントが作動する。
電流制御手段33は、比例電磁弁28の電流を制御するにあたり、PWM制御によって電圧変調させたものを制御信号S2としているため[図8(a)参照]、比例電磁弁28の電流は所定の振幅を繰り返す電流ディザ振幅IAを有するものとなっている[図8(c)参照]。
図3は、電流ディザ振幅と油圧シリンダに発生する音との関係を様々な実験によりまとめたものである。
図3に示すように、比例電磁弁28のの電流ディザ振幅IAがあまり大きくなく1000mA以下であると、油圧シリンダAの作動時の作動音は殆どしないが、電流ディザ振幅IAが1000mAを超えてしまうと、油圧シリンダAの作動時の作動音が電流ディザ振幅Iの増加に応じて次第に大きくなる。
一方で、油圧シリンダAの作動音がする有音領域では、電流ディザ振幅IAの変動が大きいために、この電流ディザ振幅IAによって発生するパイロット油の脈動が大きくなる。そうすると、制御弁27における作動油の脈動も大きくなり、脈動した作動油が油圧シリンダAに供給されると、油圧シリンダA内で作動油の脈動が許容されずに油圧シリンダAが大きく伸縮し、油圧シリンダAとアタッチメントとの接続部分の干渉よって大きな音が発生する。
図4は、電流ディザ振幅と比例電磁弁のヒステリシス特性とをまとめた図である。
図4に示すように、比例電磁弁28の電流ディザ振幅IAが小さいときは、比例電磁弁28のヒステリシスが大きく、比例電磁弁28の電流ディザ振幅IAが大きくなるにつれてヒステリシスは小さくなる。比例電磁弁28の電流ディザ振幅IAを小さくし過ぎると、比例電磁弁28のスプールの移動量が小さくなり、その結果、スプールと比例電磁弁28のケース等との摺動抵抗が大きくなる。比例電磁弁28のスプールの摺動抵抗が大きくなると、滑らかにスプールが動き難くなり、比例電磁弁28の応答性が損なわれる。
電流制御手段33は、ディザ振幅IAを600mA〜1000mAの範囲に制御することによって、比例電磁弁28の応答性が損なわれることなく油圧アクチュエータAの作動音を抑制している。
また、電流制御手段33は、上記のように油圧アクチュエータAの作動音を抑制するに加えて、油圧アクチュエータAを作動させるにあたっては、パイロット油の脈動が一定となるとなるように、電流ディザ振幅IAを上記範囲(600mA〜1000mA)内で補正しながら比例電磁弁28の電流制御を行っている。
図5に示すように、電流ディザ振幅IAを一定にした状態で、比例電磁弁28の平均電流とパイロット油の脈動との変化線Dを見ると、変化線Dは平均電流が徐々に増加するにしたがってパイロット油の脈動が増加して変化する変化領域と、平均電流が増加してもパイロット油の脈動が一定となる一定領域とを有している。電流ディザ振幅IA毎に、平均電流とパイロット油の脈動との関係は異なっていて、電流ディザ振幅IA毎に変化線Dは存在することになる。
また、電流ディザ振幅IAが大きい値に対応した変化線Dほど、一定領域におけるパイロット油の脈動の値は大きく、電流ディザ振幅IAが小さい値に対応した変化線Dほど、一定領域におけるパイロット油の脈動の値は小さくなっている。
例えば、電流制御手段33が1つの変化線D1に応じて、電流ディザ振幅IAを一定の状態で比例電磁弁28の平均電流を制御している際に、比例電磁弁28に加える平均電流をN1値に設定しなければならなく、変化線D1であるとパイロット油の脈動が変化領域になる場合、電流制御手段28は、パイロット油の脈動が変化線D1の一定領域と同じM1となるように、平均電流はそのままで、予め設定していた電流ディザ振幅IAの目標値IA1を増加させる補正を行い、これにより、平均電流の変化によってパイロット油の脈動が変動しないようにしている。
図6に示すように、電流制御手段33は、所定の電流ディザ振幅IAに対して、比例電磁弁28の平均電流とパイロット油の脈動との変化を表した変換マップ40を備えている。この変換マップ40は、比例電磁弁28の平均電流とパイロット油の脈動との関係を示す変換線(上述した変換線D)を複数有している。なお、変換線Dは図5と同じものであるため、説明を省略する。
変換マップ40における各変換線Dは、電流ディザ振幅IAにそれぞれ対応したものであって、所定の平均電流値に対しての変換線Dにおいて変化領域の値が最も大であり且つ一定領域におけるパイロット油の脈動の最も大きいD1が、電流ディザ振幅IA=1000mAに対応している。
したがって、変換マップ40は、電流制御手段33が電流ディザ振幅IAを制御する範囲(600mA〜1000mA)に対応した複数の変換線Dを有しているものとなっている。
図7に示すように、比例電磁弁28の制御にあたっては、まず、電流制御手段33は、操作部材25の操作量に応じて、比例電磁弁28に流す平均電流の目標値を設定する(ステップ1:平均電流設定工程)。また、電流制御手段33は、電流ディザ振幅IAが600mA〜1000mAの範囲内で、目標とする電流ディザ振幅IAを決定して、変換マップ40における変換線Dの選択する(ステップ2:電流ディザ振幅設定工程)。
そのため、電流制御手段33は、平均電流の目標値をN3は変更せずに固定した状態で、パイロット油の脈動の値が、予め設定した変換線D5の一定領域と同じ値のM2となる電流ディザ振幅の値を、複数の変換線Dから求めて、予め設定した電流ディザ振幅IAの目標値を補正する。つまり、図6に示すように、電流ディザ振幅IAの目標値N3であるときのパイロット油の安定した脈動はM2であるため、電流ディザ振幅IAの目標値N3のときに脈動をM2値に可能とする変換線D4から、電流ディザ振幅IAを700mAにすればよいことを割り出し、電流ディザ振幅IAの目標値を600mAから700mAに補正し、電流制御手段33は、平均電流が目標値のN3となり、且つ、電流ディザ振幅が700mAとなるように、比例電磁弁28の電流を制御する。
以上のように、比例電磁弁28を制御する際に、予め設定した比例電磁弁28の平均電流と、パイロット油の脈動との関係に基づいて電流ディザ振幅IAを補正することによって、パイロット油の脈動を一定にすることができる。
図8(a)〜図8(b)は、電流制御手段33から比例電磁弁28に出力した制御信号S2の出力電圧の波形を示したもので、図8(c)は、比例電磁弁28の電流の変化を示したものである。図8(d)は、パルス制御信号S3での振幅VAを示したものである。
なお、図8(a)〜図8(d)を用いて電流ディザ振幅IAを抑制する説明においては、説明の便宜上、操作部材25の操作量は一定とし、制御部31から比例電磁弁28に出力する電圧は変化しないものとする。
詳しくは、電流制御手段33は、高電位形成区間K1における信号の周波数やデューティー比をPWM制御によって変化させることによって、図8(b)のパルス制御信号S3における所望の電圧V1Hを発生させ、低電位形成区間K2における信号の周波数やデューティー比をPWM制御によって変化させることで、パルス制御信号S3における所望の電圧V1Lを発生させるものとなっている。説明の便宜上、図8(a)に示すような制御信号S2のことを基本制御信号という。)
図8(b)に示すように、基本制御信号S2の波形を全体的に見ると、高電位形成区間K1と低電位形成区間K2とを一定の間隔で繰り返すものとなっており、見かけ上、周波数が一定のパルスであるパルス制御信号と言える(説明の便宜上、図8(b)に示すような見かけ上の制御信号をパルス制御信号S3という)。
電流制御手段33は、パルス制御信号S3での周期T及びデューティ比(τ /T)を一定にしてパルス制御信号S3の振幅VAを調整することによって、電流ディザ振幅IAが600mA〜1000mAの範囲となるようにしている。パルス制御信号S3の振幅VAの調整にあたっては、電流制御手段33は、パルス制御信号S3の高電位側を降下或いは上昇させる、又は、パルス制御信号S3の低電位側を上昇或いは下降させる。
図8(d)に示すように、パルス制御信号S3が低電位が零であると、電圧振幅VAはV1H=VAとなる。このときの電圧振幅VAが大きく、その結果、電流ディザ振幅IAが1000mAを超える場合には、図8(b)に示すように、電流制御手段33によって、パルス制御信号S3における高電位はそのままで、低電位の電位を上昇させることで、パルス制御信号S3の電圧振幅VAを小さくし(V1H≠VAとする)、電流ディザ振幅IAが1000mA未満になるように制御する。なお、電流制御手段33は、パルス制御信号S3の電圧振幅VAによって、電流ディザ振幅IAが600mA未満にならないように、比例電磁弁28に出力する最低の電圧振幅VAは確保するようにしている。
本発明の油圧システムによれば、操作部材25を操作すると、その操作量が制御部31に入力され、制御部31(電流制御手段33)で操作量に基づいて比例電磁弁28の電流(平均電流)が決定され、この平均電流を流すべく求められたパルス制御信号S3によって比例電磁弁28が制御されることになる。このとき、比例電磁弁28の電流ディザ振幅IAは、600mA〜1000mAであるため、操作部材25の操作量によってパルス制御信号S3の電圧が変化しても、比例電磁弁28の応答性が低下したり、油圧シリンダAの作動による作動音はしないものとなる。これに加え、所定の電流ディザ振幅IAに対する比例電磁弁28に流れる平均電流とパイロット油の脈動との関係とを用いて、パイロット油の脈動が一定となるように電流ディザ振幅IAを補正しているため、、パイロット油の脈動を安定させた状態で油圧アクチュエータAの作動に起因するの作動音を抑制することができる。
上記の電流制御手段33では、比例電磁弁28に出力するパルス制御信号S3の周期T及びデューティ比を一定にしてパルス制御信号S3の電圧振幅VAを制御することによって電流ディザ振幅IAを制御していたが、これに限らず、下記に示すような、他の方法でパルス制御信号S3を制御することによって電流ディザ振幅IAを制御してもよい。
電流ディザ振幅IAの制御にあたっては、図9(a)に示すように、パルス制御信号S3の周期T(周波数)を増減してもよいし、図9(b)に示すように、パルス制御信号S3のデューティ比と振幅を増減してもよい。また、図9(c)に示すように、パルス制御信号S3のデューティ比と周期(周波数)を増減してもよい。
25 操作部材
26 油圧システム
27 制御弁
28 比例電磁弁
31 制御部
33 電流制御手段
35 高電位形成区間
36 低電位形成区間
IA 電流ディザ振幅
S1 操作信号
S2 制御信号
S3 パルス制御信号
T 周期
VA 電圧振幅
Claims (4)
- 作業を行うための油圧アクチュエータと、パイロット圧に応じて前記油圧アクチュエータに作動油を供給する制御弁と、この制御弁のパイロット圧を制御する比例電磁弁と、この比例電磁弁の電流を制御する電流制御手段とを備え、前記比例電磁弁により制御弁のパイロット圧が制御されて油圧アクチュエータが作動油によって作動する作業機の油圧システムにおいて、
前記電流制御手段は、前記油圧アクチュエータ作動時における作動音を抑制すべく、前記比例電磁弁の電流ディザ振幅を所定範囲内に制御し、且つ、前記パイロット油の脈動の脈動が一定となるように前記電流ディザ振幅を前記所定範囲内で補正するように構成されていることを特徴とする作業機の油圧システム。 - 前記電流制御手段は、所定の電流ディザ振幅に対しての平均電流とパイロット油の脈動との関係に基づき、前記電流ディザ振幅を補正してパイロット油の脈動が一定となるように制御することを特徴とする請求項1に記載の作業機の油圧システム。
- 前記電流制御手段は、前記所定の電流ディザ振幅に対しての比例電磁弁の平均電流とパイロット油の脈動との関係を示した変換マップを備えており、
前記電流制御手段は、前記変換マップにより予め定められた前記平均電流の目標値と予め定められた電流ディザ振幅の目標値とから得られるパイロット油の脈動が変化領域にあるときに、前記電流ディザ振幅の目標値を前記所定範囲内で補正することを特徴とする請求項1又は2に記載の作業機の油圧システム。 - 前記変換マップは、電流ディザ振幅に対し、前記平均電流とパイロット油の脈動との変化を示す変化線を備えており、前記変化線は、平均電流に応じてパイロット油の脈動が変化する変化領域と平均電流に応じてパイロット油の脈動が一定となる一定領域とを備え、
前記電流制御手段は、平均電流の目標値と電流ディザ振幅とを設定した際に、設定した1の電流ディザ振幅に対応する前記変換線から得られた平均電流の目標値に対するパイロット油の脈動が変化領域にあるときに、前記変換線を基準として電流ディザ振幅の目標値を前記所定範囲内で補正することを特徴とする請求項3に記載の作業機の油圧システム。
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