JP2015102107A - 作業機械の駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】切換弁の不要な切換制御を減少できる作業機械の駆動装置を提供する。【解決手段】いずれか1つの油圧アクチュエータ7a〜7c,10cに少なくとも2つ以上の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fが電磁切換弁12を介して閉回路接続可能に構成され、コントローラ16は、操作レバー17a,17bの操作と、複数の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fと複数の油圧アクチュエータ7a〜7c,10cとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、油圧アクチュエータ7a〜7c,10cに対する複数の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てを演算する優先順位演算回路を備え、優先順位演算回路は、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当て数が増加する場合、割り当てられていない閉回路用油圧ポンプ2a〜2fを選択して割り当てる構成にしてある。【選択図】図2

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の作業機械に用いられる駆動装置に関し、特に、油圧ポンプにて油圧アクチュエータを駆動させる駆動装置に関する。
近年、環境問題等から省エネルギ化が求められているものの、油圧ショベルやホイールローダ等の作業機械において、省エネルギ化を行うためには、作業機械を駆動させるための油圧システム全体の省エネルギ化が重要である。そして、省エネルギ化の観点から、油圧アクチュエータに対し油圧ポンプを閉回路状に接続し、油圧ポンプにて油圧アクチュエータを直接制御する油圧閉回路システムが開発されている。
油圧閉回路システムは、油圧ポンプから吐出される作動油の供給方向および流量を制御する制御弁が不要であるため、制御弁による圧力損失がなく、必要な流量の作動油を油圧ポンプから吐出させればよく、流量損失が少ない。また、駆動させる油圧アクチュエータの位置エネルギや、減速時の運動エネルギを回生することもでき、省エネルギ化が実現できる。
その一方で、油圧閉回路システムにおいては、各油圧アクチュエータの駆動に必要な作動油量を、1つの油圧ポンプから吐出される作動油量でまかなうため、各油圧アクチュエータ毎に、吐出流量が大きな大型の油圧ポンプが必要となる。そこで、複数の油圧ポンプから吐出される作動油を合流させ、これら複数の油圧ポンプを大型化することなく、油圧アクチュエータの駆動速度を確保する従来技術が、特許文献1に開示されている。この特許文献1には、複数の油圧ポンプと複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップに基づいて、各油圧アクチュエータに対する油圧ポンプの割り当てを行い、この割り当てに応じて切換弁を切換制御している。
特公昭62−25882号公報
上述した特許文献1に開示された従来技術は、常に優先順位マップに基づいて各油圧アクチュエータに対する油圧ポンプの割り当てと、この割り当てに応じて切換弁の切換制御とを行うため、以下の課題が生じる可能性がある。
例えば、ある油圧アクチュエータの駆動中、他の油圧アクチュエータを駆動させる場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が増加する場合に、優先順位マップに基づき、ある油圧アクチュエータに接続されている油圧ポンプを、その優先順位から起動させる油圧アクチュエータに接続し、さらにある油圧アクチュエータへは別の油圧ポンプを接続し直すことが起こり得る。また、複数の油圧アクチュエータの駆動中、ある油圧アクチュエータへの流量を減らして減速する場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が減少する場合には、流量を減らす油圧アクチュエータへの油圧ポンプが複数割り当てられた状態から、これら複数割り当てられた油圧ポンプのうち、ある油圧ポンプが接続されない状態となる。したがって、このある油圧ポンプが未使用の状態となる。しかし、その未使用の油圧ポンプが、他の油圧アクチュエータに対し、接続されている油圧ポンプよりも優先順位が高い場合には、優先順位マップに基づき、他の油圧アクチュエータに接続されていた油圧ポンプから割り当てを外し、その未使用の油圧ポンプを接続し直すことが起こり得る。この結果、油圧ポンプの接続を変更する際に切換弁が必要以上の切換回数(以降、切換数と呼ぶことがある。)で制御が行われる可能性がある。これにより、切換え時の圧力変動により発生するショックによる車体振動の増加や操作性の悪化、さらには切換弁を含む構成機器の劣化による寿命低減におよび得る。
本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、切換弁の不要な切換制御を減少させることができる作業機械の駆動装置を提供することにある。
この目的を達成するために、本発明は、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータを駆動させるための可変容量型の複数の油圧ポンプと、前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプとの間に接続された複数の切換弁と、前記油圧アクチュエータを操作するための操作部と、前記油圧ポンプおよび前記切換弁を制御するコントローラとを具備し、いずれか1つの前記油圧アクチュエータに少なくとも2つ以上の前記油圧ポンプが前記切換弁を介して閉回路接続可能に構成された作業機械の駆動装置であって、前記コントローラは、前記操作部の操作と、前記複数の油圧ポンプと前記複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、前記油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当てを演算する優先順位演算回路を備え、前記優先順位演算回路は、前記油圧ポンプの割り当て数が増加する場合、割り当てられていない前記油圧ポンプを選択して割り当てることを特徴としている。
このように構成した本発明は、コントローラの優先順位演算回路により、操作部の操作と、複数の油圧ポンプと複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、油圧アクチュエータに対する複数の油圧ポンプの割り当てを演算する際において、複数の油圧ポンプの割り当て数が増加する場合に、増加直前において割り当てられていない油圧ポンプを割り当てる。この結果、例えば、ある油圧アクチュエータの駆動中に、他の油圧アクチュエータを駆動させる場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が増加する場合においても、ある油圧アクチュエータに接続されている油圧ポンプを接続変更することなく、未使用の油圧ポンプを、起動すべき油圧アクチュエータに接続できるため、切換弁の不要な切換制御を減少させることができる。その結果、切換え時の圧力変動により発生するショックの頻度を低減させることができ、車体振動の低減や操作性の向上、さらには切換弁を含む構成機器の寿命向上を図ることができる。
また本発明は、複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータを駆動させる可変容量型の複数の油圧ポンプと、前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプとの間に接続された複数の切換弁と、前記油圧アクチュエータを操作するための操作部と、前記油圧ポンプおよび前記切換弁を制御するコントローラとを具備し、いずれか1つの前記油圧アクチュエータに少なくとも2つ以上の前記油圧ポンプが前記切換弁を介して閉回路接続可能に構成された作業機械の駆動装置であって、前記コントローラは、前記操作部の操作と、前記複数の油圧ポンプと前記複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、前記油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当てを演算する優先順位演算回路を備え、前記優先順位演算回路は、所定の油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当て数が減少する場合、前記所定の油圧アクチュエータ以外の前記油圧アクチュエータに割り当てられた前記油圧ポンプの割り当てを維持することを特徴としている。
このように構成した本発明は、コントローラの優先順位演算回路により、操作部の操作と、複数の油圧ポンプと複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、油圧アクチュエータに対する油圧ポンプの割り当てポンプ数を演算する際において、所定の油圧アクチュエータに対する油圧ポンプの割り当て数が減少する場合に、この所定の油圧アクチュエータ以外の油圧アクチュエータに割り当てられた油圧ポンプの割り当てを維持する。これにより、複数の油圧アクチュエータの駆動中、ある油圧アクチュエータへの流量を減らし減速させる場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が減少する場合においても、流量を減らす油圧アクチュエータへの油圧ポンプから割り当てを外し、他の油圧アクチュエータへの油圧ポンプの割り当てを維持するため、切換弁の不要な切換制御を減少させることができる。その結果、切換え時の圧力変動により発生するショックの頻度を低減させることができ、車体振動の低減や操作性の向上、さらには切換弁を含む構成機器の寿命向上を図ることができる。
本発明は、優先順位演算回路により、操作部の操作と、複数の油圧ポンプと複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、油圧アクチュエータに対する複数の油圧ポンプの割り当てを演算する際において、複数の油圧ポンプの割り当て数が増加する場合に、増加直前において割り当てられていない油圧ポンプを割り当てる構成にしてある。また本発明は、所定の油圧アクチュエータに対する油圧ポンプの割り当て数が減少する場合に、この所定の油圧アクチュエータ以外の油圧アクチュエータに対して割り当てられた油圧ポンプの割り当てを維持する構成にしてある。これら構成により本発明は、切換弁の不要な切換制御を減少させることができる。そして、前述した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明より明らかにされる。
本発明に係る作業機械の駆動装置の一実施形態を含む油圧ショベルを示す側面図である。 図1に示す油圧ショベルに備えられる駆動装置の要部を示す回路構成図である。 図2に示す駆動装置中のコントローラを示す構成図である。 図3に示すコントローラの要求ポンプ数演算回路での演算を示すグラフで、(a)はブームシリンダ、(b)はアームシリンダ、(c)はバケットシリンダ、(d)は旋回モータである。 図3に示すコントローラの優先順位マップを示す表である。 図3に示すコントローラの要求ポンプ数増加時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1前の切換弁の状態、(e)は時刻t1、および時刻t1後の切換弁の状態である。 図3に示すコントローラの要求ポンプ数減少時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1から時刻t2前の切換弁の状態、(e)は時刻t2、および時刻t2後の切換弁の状態である。 図3に示すコントローラの油圧ポンプの割り当て制御を示すフローチャートである。 従来の油圧ショベルにおける要求ポンプ数増加時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1前の切換弁の状態、(e)は時刻t1、および時刻t1後の切換弁の状態である。 従来の油圧ショベルにおける要求ポンプ数減少時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1から時刻t2前の切換弁の状態、(e)は時刻t2、および時刻t2後の切換弁の状態である。
以下、本発明に係る作業機械の駆動装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る作業機械の駆動装置の一実施形態を含む油圧ショベル1を示す側面図である。
本発明の一実施形態に係る作業機械の一例である油圧ショベル1は、走行体101を備え、走行体101の上に旋回体102が設けられている。走行体101と旋回体102とから本体が構成されている。走行体101は、本体の左右側に備えられた履帯と、油圧アクチュエータであり左右の履帯に走行動力を与える走行モータ10a,10bとが設けられている。旋回体102は、走行体101との間に介在するベアリング機構(図示せず)と、油圧アクチュエータである旋回モータ10cとより走行体101に対し旋回可能とされている。旋回体102は、メインフレーム105の前部に作業装置103、後部にカウンタウェイト108、左前部に運転室104が搭載されている。カウンタウェイト108の前側には、原動機であるエンジン106と、エンジン106からの駆動出力により駆動する駆動システム107とが収容されている。
作業装置103は、ブーム111、アーム112およびバケット113からなる構造物がリンク機構により結合され、各々リンク軸を中心に回転運動を行い、掘削などの作業を行うためのフロント作業機である。作業装置103は、ブーム111、アーム112およびバケット113を回転運動させる油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ7a、アームシリンダ7bおよびバケットシリンダ7cを備えている。
図2は、図1に示す油圧ショベル1に備えられる駆動装置の要部を示す回路構成図である。なお、本駆動装置の説明においては、指令から動作までの応答時間は考えないものとする。
図2に示すように、駆動装置である駆動システム107は、可変容量型の閉回路用油圧ポンプ2a〜2f(以降、単に油圧ポンプと呼ぶことがある。)と、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cとがコントロールバルブを介さず配管を用いて接続された油圧閉回路システム、および可変容量型の開回路用油圧ポンプ1a、1bと走行モータ10a、10bとが供給流量および供給方向を制御する油圧制御装置としてのコントロールバルブ11を介して配管を用いて接続された油圧開回路システムから構成されている。
なお、本一実施形態では油圧閉回路システムと油圧開回路システムを混在させているが、それにこだわるものではなく、作業機械の用途により、例えば全油圧アクチュエータを油圧閉回路システムで構成するなど、別の形態をとってもよい。
ここで、上述した本油圧閉回路システムについて説明する。
本油圧閉回路システムは、エンジン106と、歯車機構等で構成された動力伝達装置15と、エンジン106によりトルクおよび回転数からなる駆動出力が動力伝達装置15を介して供給される、例えば計6台の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fと、これら閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの吐出流量を可変にする吐出流量可変装置である油圧レギュレータ3a〜3fとを備えている。また、油圧閉回路システムは、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cと、これらブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cと少なくとも一つ以上の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fとを油圧閉回路接続可能とするための接続装置である電磁切換弁12と、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cへの操作信号であるレバー操作量を生成する操作装置17と、操作装置17のレバー操作量に応じて油圧レギュレータ3a〜3fおよび電磁切換弁12を制御する制御装置としてのコントローラ16とを備えている。
閉回路用油圧ポンプ2a〜2fは、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの駆動方向と吐出流量を与えるため、これら閉回路用油圧ポンプ2a〜2fに備えられた2つの接続ポートのそれぞれから作動油(圧油)を吐出可能とした両方向吐出機構とされている。両方向吐出機構は、油圧レギュレータ3a〜3fにて制御される。
両方向吐出機構により、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの2つの接続ポートの内、一つの接続ポートから作動油が吐出されると、電磁切換弁12を介して、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの内のいずれかの油圧アクチュエータに備えられた2つの接続ポートの内の一つの接続ポートに接続され、いずれかの油圧アクチュエータに備えられた2つの接続ポートの内のもう一つの接続ポートから戻り作動油が、電磁切換弁12を介して、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの2つの接続ポートの内、もう一つの接続ポートに戻される。すなわち、作動油が作動油タンク9に戻ることなく、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fと油圧アクチュエータとの間を循環する油圧閉回路が構成される。
なお、油圧閉回路システムでは、ブーム111、アーム112が重力方向に下がる場合または旋回体102の旋回動作を停止する場合に発生するブーム111、アーム112の位置エネルギや、旋回体102の運動エネルギが、回生エネルギとなって戻り作動油に伝達され、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fのいずれかに伝えられる。この際、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fは、回生エネルギにて回生動作する。回生エネルギは、駆動出力として動力伝達装置15を介し、他の油圧アクチュエータを駆動している閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの内の他のいずれかに伝えられる。この結果、エンジン106に対し、回生エネルギ分の省エネルギ効果が得られる。
また、図2では省略しているが、油圧閉回路システムは、回路圧力を高めてキャビテーションを防止するためのチャージポンプ、メイクアップチェック弁、片ロッド式油圧シリンダである油圧アクチュエータのヘッド側とロッド側との流量差を吸収しつつ閉回路内の作動油を入れ替えるためのフラッシング弁、作動油圧が所定値以上になった場合に作動油をリリーフさせるリリーフ弁等を備えている。
電磁切換弁12は、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの内の複数を、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの内の一つに接続するために、“BM”用切換弁、“AM”用切換弁、“BK”用切換弁および“SW”用切換弁からなる全18個にて構成されている。
電磁切換弁12の内、“BM”用切換弁は、ブームシリンダ7aに接続するための切換弁であり、電磁切換弁12の上流に位置する閉回路用油圧ポンプ2a〜2fを、最大で全て接続可能とされている。“AM”用切換弁は、アームシリンダ7bに接続するための切換弁で、電磁切換弁12の上流に位置する閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの内、最大で閉回路用油圧ポンプ2a〜2dを接続可能とされている。“BK”用切換弁は、バケットシリンダ7cに接続するための切換弁で、電磁切換弁12の上流に位置する閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの内、最大で全て接続可能とされている。“SW”用切換弁は、旋回モータ10cに接続するための切換弁で、電磁切換弁12の上流に位置する閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの内、最大で計2台の閉回路用油圧ポンプ2e,2fを接続可能とされている。
なお、上述の電磁切換弁12の接続形態は、これにこだわるものではなく、作業機械の用途により別の接続形態でもよい。
オペレータが搭乗する運転室104には、各油圧アクチュエータに操作指令を与える操作装置17が設けられている。操作装置17は、前後左右に傾倒可能な操作レバー17a,17bと、操作信号である操作レバー17a,17bの傾倒量、すなわちレバー操作量を電気的に検知する検出装置(図示せず)とを備え、検出装置が検出したレバー操作量をレバー操作量信号として電気配線を介してコントローラ16へ出力する。
なお、操作装置17は、レバー操作量を電気的に検知する機構を有しているが、これにこだわるものでなく、油圧機構等、別の機構でもよい。すなわち、油圧機構であるならば、別にパイロット油圧ポンプを設け、この油圧ポンプの吐出圧をレバー操作量に応じて減圧する機構が代表的である。
コントローラ16では、所定の制御演算を実施して、油圧レギュレータ3a〜3fに対し開度指令信号を出力し、電磁切換弁12に対し切換弁接続指令信号を出力し、各々制御を行う。すなわち、コントローラ16は、操作装置17から出力されるレバー操作量信号や、各油圧アクチュエータの各接続ポートに接続された圧力センサ18a〜18hから出力される作動油圧信号等の情報に基づいて、油圧レギュレータ3a〜3f、電磁切換弁12およびコントロールバルブ11を制御する。
油圧開回路システムは、上述のように、走行モータ10a、10bの駆動方向と吐出流量を与えるためのコントロールバルブ11が下流に備えられている。開回路用油圧ポンプ1a,1bは、片方向吐出機構とされ、2つの接続ポートを備え、これら2つの接続ポートの内、一つの接続ポートが、圧油を一時的に溜める作動油タンク9から吸い込む吸い込みポートとして、配管を用いて作動油タンク9に接続されている。また、開回路用油圧ポンプ1a,1bのもう一つの接続ポートは、吐出ポートとしてコントロールバルブ11の接続ポートに接続されている。そして、この吐出ポートからの吐出流量を片方向吐出機構にて制御する。片方向吐出機構は、油圧レギュレータ3g,3hにて制御される。
走行モータ10a,10bからの戻り作動油は、コントロールバルブ11を介して作動油タンク9へ戻る。コントロールバルブ11および油圧レギュレータ3g,3hは、運転室104に備えられた操作装置(図示せず)で生成されるレバー操作量に応じて制御される。レバー操作量は、コントローラ16へ出力される。コントローラ16は、油圧閉回路システムとは別の制御演算を実施し、出力信号に変換して、電気配線を介しコントロールバルブ11および油圧レギュレータ3g,3hに出力する。
次に、コントローラ16の構成について、図3を参照して説明する。図3は、図2に示す駆動装置中のコントローラを示す構成図である。図4は、図3に示すコントローラ16の要求ポンプ数演算回路30での演算を示すグラフで、(a)はブームシリンダ7a、(b)はアームシリンダ7b、(c)はバケットシリンダ7c、(d)は旋回モータ10cである。図5は、図3に示すコントローラ16の優先順位マップを示す表である。
コントローラ16は、要求ポンプ数演算回路30と、優先順位演算回路31と、優先順位マップ32とを備えている。要求ポンプ数演算回路30は、操作装置17の操作レバー17a,17bの操作量、すなわちレバー操作量に基づいて、油圧アクチュエータに接続させる要求ポンプ数を演算する。要求ポンプ数演算回路30は、図4(a)ないし図4(d)に示すように、操作レバー17a,17bが操作された際に操作装置17から出力されるレバー操作量信号に基づいて、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの駆動に必要となる作動油量から要求油圧ポンプ数を演算する。なお、図4(a)ないし図4(d)においては、レバー操作量に応じて作動油流量が比例的に増加する例を示したが、これにこだわるものでなく、作業機械に応じて別の仕様を与えてもよい。
優先順位マップ32は、各閉回路用油圧ポンプ2a〜2fとブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの各油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めたものであり、図5に示すように、これら各油圧アクチュエータを縦軸とし、各閉回路用油圧ポンプ2a〜2fを横軸として示し、各軸に対応する各マスに、例えば「1」、「2」、・・・、「7」等の優先順位が示されている。これらマス中の「−」の表示は、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fと油圧アクチュエータとが電磁切換弁12を介して接続されていないことを示す。
例えば、操作対象の油圧アクチュエータが大流量を必要とするブームシリンダ7aの場合、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fのそれぞれをP1〜P6と示すと、接続可能な油圧ポンプは、P1〜P6の全部であり、その接続順位は、P1、P4、P2、P5、P6、P3の順である。操作対象の油圧アクチュエータがアームシリンダ7bの場合、接続可能な油圧ポンプは、P1〜P4であり、その接続順位は、P2、P1、P3、P4の順である。操作対象の油圧アクチュエータが大流量を必要とするバケットシリンダ7cの場合、接続可能な油圧ポンプは、P1〜P6の全部であり、その接続順位は、P3、P6、P4、P5、P2、P1の順である。操作対象の油圧アクチュエータが小流量で足りる旋回モータ10cの場合、接続可能な油圧ポンプは、P5、P6であり、その接続順位は、P5、P6の順である。優先順位マップ32中の「1」〜「7」の各数字は、所定の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fにおいて、より小さな数字の油圧アクチュエータほど優先的に接続させる優先順位を示している。
優先順位演算回路31は、操作レバー17a,17bの操作量に基づいて要求ポンプ数演算回路30にて演算された要求ポンプ数と優先順位マップ32とに基づいて、各油圧アクチュエータに対する閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てを演算する。そして、優先順位演算回路31での演算結果に基づいて、所定の電磁切換弁12を切換制御させるための切換弁接続指令信号と、所定の閉回路用ポンプ2a〜2fを接続する油圧ポンプ接続指令とが出力され、これらの出力された切換弁接続指令信号、および油圧ポンプ接続指令に基づいて所定の電磁切換弁12が切換制御され、開回路用油圧ポンプ2a〜2fが油圧アクチュエータに接続される。
さらに、優先順位演算回路31は、閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てポンプ数が増加する場合(ポンプ数増加時)、増加直前において割り当てられていない、すなわち未使用の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fを割り当てる構成とされ、かつ所定の油圧アクチュエータに対する複数の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てポンプ数が減少する場合(ポンプ数減少時)、この所定の油圧アクチュエータ以外の他の油圧アクチュエータに割り当てられた閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てを維持する構成とされている。
次いで、上記コントローラ16の動作について、図6ないし図8を参照してより詳細に説明する。
図6は、図3に示すコントローラ16の要求ポンプ数増加時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1前の電磁切換弁12の状態、(e)は時刻t1、および時刻t1後の電磁切換弁12の状態である。図7は、図3に示すコントローラ16の要求ポンプ数減少時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1から時刻t2前の電磁切換弁12の状態、(e)は時刻t2、および時刻t2後の電磁切換弁12の状態である。図8は、図3に示すコントローラ16の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当て制御を示すフローチャートである。図6(a)〜図6(c)、および図7(a)〜図7(c)においては、横軸を時刻と示し、各図の縦軸は、図6(a)および図7(a)がレバー操作量、図6(b)および図7(b)が要求ポンプ数、図6(c)および図7(c)が使用ポンプ数、を示している。
各時刻におけるレバー操作量に対し、要求ポンプ数演算回路30にて、ブームシリンダ7a、アームシリンダ7b、バケットシリンダ7cおよび旋回モータ10cの各油圧アクチュエータに対する要求ポンプ数を演算する。要求ポンプ数演算回路30にて演算された各時刻の要求ポンプ数に基づき、優先順位マップ32を参照して、優先順位演算回路31にて、各閉回路用油圧ポンプ2a〜2fのポンプ割り当てを演算する。
(増加時)
例えば、図6(b)に示すように、時刻t1前のブームシリンダ7aの要求ポンプ数が「0」で、アームシリンダ7bの要求ポンプ数が「2」で、バケットシリンダ7cの要求ポンプ数が「0」で、旋回モータ10cの要求ポンプ数が「0」である場合(以下、「0,2,0,0」と示す。)に、時刻t1時に操作レバー17a,17bが操作され、要求ポンプ数が「1,2,0,0」となり、「1,0,0,0」ほど要求ポンプ数が増加したとする。
この場合には、図8に示すように、優先順位判定回路31へ、時刻t1、および時刻t1後の要求ポンプ数「1,2,0,0」と、時刻t1前の使用ポンプ数「0,2,0,0」とが入力され(ステップS1)、これら要求ポンプ数NPrが使用ポンプ数NPu以上かどうか、すなわちNPr≧NPuが判断される(ステップS2)。なお、図8に示すフローチャートは、スタートで制御を開始し、リターンに到達すると、スタートに戻る。この制御は、コントローラ16に備えられた、図示しない内部タイマにより、予め定められた周期で行われる。
このステップS2にて、要求ポンプ数NPrが使用ポンプ数NPu以上と判断された(Yesの)場合は、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとが等しいかどうか、すなわちNPr=NPuが判断される(ステップS3)。
このステップS3にて、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとが等しいと判断された(Yesの)場合は、新たな閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当て演算が行われない。これに対し、上記ステップS3にて、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとが等しくないと判断された(Noの)場合は、未使用の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fが存在するかどうかが判断される(ステップS4)。
このステップS4にて、未使用の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fが存在すると判断された(Yesの)場合は、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとの差分、すなわちNPr−NPuが算出され、この差分に基づいて未使用の油圧ポンプが割り当てられる(ステップS5)。これに対し、上記ステップS4にて、未使用の油圧ポンプが存在しない(Noの)場合は、優先順位マップ32に基づいて所定の油圧アクチュエータに所定の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fが割り当てられる(ステップS6)。
具体的に、図6(a)に示すように、時刻t1においては、時刻t1前にて入力されていたアームシリンダ7bに対するレバー操作量と複合駆動するように、ブームシリンダ7aに対するレバー操作量が入力される。その結果、図6(b)に示すように、要求ポンプ数NPrが時刻t1前の「0,2,0,0」から「1,2,0,0」となる。また、図6(c)に示すように、時刻t1前の使用ポンプはP1、P2であり、使用ポンプ数NPuは「0,2,0,0」である。次に、優先順位演算回路31に要求ポンプ数NPr「1,2,0,0」と、使用ポンプ数NPu「0,2,0,0」とが入力され(ステップS1)、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとを比較し、「0,1,0,0」分の増加、すなわち、要求ポンプ数NPrが使用ポンプ数NPu以上と判定する(ステップS2)。さらに、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとが等しくないと判定し(ステップS3)、未使用の油圧ポンプ有無の判定へ移行する。ここで、未使用の油圧ポンプは、P3,P4,P5,P6が存在するため、未使用の油圧ポンプあり、すなわちYESと判定し(ステップS4)、これら未使用の油圧ポンプの内、優先順位マップ32中で、最もブームシリンダ7aに対する優先順位の高い油圧ポンプを割り当てる(ステップS5)。各閉回路用油圧ポンプ2a〜2fのブームシリンダ7aに対する優先順位は、図5に示すように、P3が「6」、P4が「2」、P5が「4」、P6が「5」であるため、優先順位が最も高い「2」であるP4が割り当てられる。
一方、電磁比例弁12は、図6(d)に示すように、時刻t1前ではP1,P2とアームシリンダ7bとの接続に伴い、P1およびP2の下流にある“AM”用切換弁がオンになっている。さらに、図6(e)に示すように、時刻t1において、割り当てられたP4とブームシリンダ7aとの接続に伴い、P4の下流にある“BM”用切換弁がオンとなる。
この結果、図6(b)および図6(c)に示すように、時刻t1後の使用ポンプ数NPuが要求ポンプ数NPrを満たしており、要求ポンプ数通りの使用ポンプ数NPuが確保されているため、要求通りの油圧アクチュエータの作業速度が得られ、さらに電磁比例弁12の切換数は“BM”用切換弁の1回のみとなる。
(減少時)
さらに、上記ステップS2において、要求ポンプ数NPrが使用ポンプ数NPu以上とならない(Noの)場合、すなわち要求ポンプ数NPrが減少している場合は、図5に示す優先順位マップ32に従って閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの割り当てを元に戻すようにすると、後述のように不要な電磁切換弁12の切換が必要となるため、要求ポンプ数が減少する油圧アクチュエータの駆動に使用している閉回路用ポンプ2a〜2fのポンプ数を減少させ、この油圧アクチュエータ、すなわちアームシリンダ7b以外の他の油圧アクチュエータ、すなわちブームシリンダ7aへの閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの接続変更を行わない(ステップS7)。
具体的には、図7(a)に示すように、時刻t2においては、時刻t2前にて入力されていたブームシリンダ7a、およびアームシリンダ7bの各レバー操作量の内、アームシリンダ7bのレバー操作量が減少する。その結果、図7(b)に示すように、要求ポンプ数NPrが「1,2,0,0」から「1,1,0,0」となる。また、図7(c)に示すように、時刻t2前の使用ポンプは、P1,P2,P4であり、使用ポンプ数NPuは「1,2,0,0」である。次に、増加時と同様、優先順位演算回路31に要求ポンプ数NPr「1,1,0,0」と、使用ポンプ数NPr「1,2,0,0」とが入力され(ステップS1)、要求ポンプ数NPrと使用ポンプ数NPuとを比較し、「0,1,0,0」分の減少、すなわち、要求ポンプ数NPrが使用ポンプ数NPuより少ないと判定する(ステップS2)。次に、要求ポンプ数が減少する油圧アクチュエータであるアームシリンダ7bに接続している油圧ポンプから使用ポンプ数を減少させる(ステップS7)。アームシリンダ7bに接続している油圧ポンプは、図5および図7(c)に示すように、時刻t2前において、優先順位が「2」であるP1、および優先順位が「1」であるP2であり、時刻t2における要求ポンプ数の減少数が「0,1,0,0」であるため、図5に示すように、優先順位がより低い「2」のP1を未使用とする。
一方、電磁切換弁12は、図7(d)に示すように、時刻t2前ではP1,P2とアームシリンダ7bとの接続に伴い、P1およびP2の下流にある“AM”用切換弁がオンになっている。さらに、図7(e)に示すように、時刻t2において、要求ポンプ数NPrの減少に伴い、P1の下流にある“AM”用切換弁がオフとなる。
この結果、ブームシリンダ7aに対する優先順位が「1」であるP1が未使用となり空くことになるが、要求ポンプ数NPrが減少する油圧アクチュエータであるアームシリンダ7b以外の油圧アクチュエータへの閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの接続変更が行われず、図7(c)に示すように、ブームシリンダ7aがP4に継続して接続され続け、P1へ接続し直されない。また、図7(e)に示すように、電磁切換弁12は、時刻t2後において、“AM”用切換弁のみがオンからオフとなり、切換数は1回のみとなる。
(従来の駆動システム)
ここで、従来の駆動システムの動作について、図9および図10を参照して説明する。図9は、従来の油圧ショベル1における要求ポンプ数増加時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1前の電磁切換弁12の状態、(e)は時刻t1、およびt1後の電磁切換弁12の状態である。図10は、従来の油圧ショベル1における要求ポンプ数減少時の動作を示すタイムチャートで、(a)はレバー操作量、(b)は要求ポンプ数、(c)は使用ポンプ数、(d)は時刻t1から時刻t2前の電磁切換弁12の状態、(e)は時刻t2、および時刻t2後の電磁切換弁12の状態である。なお、図9(a)〜図9(c)、および図10(a)〜図10(c)の横軸および縦軸は、図6(a)〜図6(c)、および図7(a)〜(c)と同様である。
(増加時)
図9(b)に示すように、時刻t1前において、ブームシリンダ7aの要求ポンプ数が「0」で、アームシリンダ7bの要求ポンプ数が「2」で、バケットシリンダ7cの要求ポンプ数が「0」で、旋回モータ10cの要求ポンプ数が「0」、すなわち「0,2,0,0」である。この場合は、アームシリンダ7bの要求ポンプ数が「2」であり、他の油圧アクチュエータからの要求ポンプがないため、図5に示す優先順位マップ32を参照し、優先順位が高い順、すなわちP2、P1の順でアームシリンダ7bに割り当てられる。
時刻t1においては、図9(a)に示すように、時刻t1前にて入力されていたアームシリンダ7bに対するレバー操作量と複合駆動するように、ブームシリンダ7aに対するレバー操作量が入力される。その結果、図9(b)に示すように、要求ポンプ数が「0,2,0,0」から「1,2,0,0」とされ、「1,0,0,0」ほど増加し、ブームシリンダ7aの要求ポンプ数が「0」から「1」に変更されている。この場合に、図5に示す優先順位マップ32を参照すると、ブームシリンダ7aに割り当てる閉回路用油圧ポンプ2a〜2fは、P1の優先順位が「1」、P4の優先順位が「2」、P2の優先順位が「3」であり、アームシリンダ7bに割り当てる閉回路用油圧ポンプ2a〜2fは、P2の優先順位が「1」、P1の優先順位が「2」、P3の優先順位が「3」であって、P1に対するブームシリンダ7aの優先順位の「1」とアームシリンダ7bの優先順位の「2」とが重複している。このため、図9(c)に示すように、P1は、アームシリンダ7bから、より優先順位が高いブームシリンダ7aに割り当てられ、アームシリンダ7bに対しては、次いで優先順位が「3」と高いP3が割り当てられる。
この場合、図9(c)に示すように、使用ポンプ数が要求ポンプ数を満たしているため、要求ポンプ数通りの作業速度を得ることができるものの、図9(d)および図9(e)に示すように、時刻t1において、電磁比例弁12は、P1の下流にあり、アームシリンダ7bへの接続に対応する“AM”用切換弁がオンからオフとされ、P1の下流にあり、ブームシリンダ7aへの接続に対応する“BM”用切換弁がオフからオンとされ、P3の下流にあり、アームシリンダ7bへの接続に対応する“AM”用切換弁がオフからオンとされているため、電磁切換弁12の切換数が3回必要となる。
一方、図10(a)および図10(b)に示すように、時刻t1から時刻t2前まではブームシリンダ7aにP4が接続し、アームシリンダ7bにP1,p2が接続しており、時刻t2において、要求ポンプ数が「1,2,0,0」から「1,1,0,0」とされ、「0,1,0,0」ほど減少し、アームシリンダ7bの要求ポンプ数が「2」から「1」に変更されている。この場合、図5に示す優先順位マップ32を参照すると、P1のブームシリンダ7aに対する優先順位が「1」、アームシリンダ7bに対する優先順位が「2」、およびP4のブームシリンダ7aに対する優先順位が「2」である。このため、図10(c)に示すように、P1は、アームシリンダ7bから、より優先順位が高いブームシリンダ7aに割り当てられ、P4は未使用となる。
また、電磁比例弁12は、図10(d)および図10(e)に示すように、P1のアームシリンダ7bへの接続に対応する“AM”用切換弁がオンからオフとされ、P1のブームシリンダ7aへの接続に対応する“BM”用切換弁がオフからオンとされ、かつP4のブームシリンダ7aへの接続に対応する“BM”用切換弁がオンからオフとされているため、電磁切換弁12の切換数が3回必要となる。
これに対し、上述した本発明の一実施形態に係る駆動システム107においては、例えば、図6(b)に示すように、時刻t1において、要求ポンプNPr数が「0,2,0,0」から「1,2,0,0」と変更され、「1,0,0,0」増加したときに、未使用の油圧ポンプが存在する場合には、優先順位マップ32に基づいて所定の油圧アクチュエータに所定の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fを割り当てる際に、増加分の油圧ポンプを未使用の油圧ポンプから割り当てる。すなわち、図5に示すように、各閉回路用油圧ポンプ2a〜2fのブームシリンダ7aに対する優先順位が、P3が「6」、P4が「2」、P5が「4」、P6が「5」であることから、優先順位が最も高いP4を割り当てる。
この結果、使用ポンプ数NPuが要求ポンプ数NPrを満たし、要求ポンプ数通りの使用ポンプ数が確保され、要求通りの油圧アクチュエータの作業速度らを得ることができる上、図6(e)に示すように、時刻t1において、電磁切換弁12は、P4のブームシリンダ7aへの接続に対応する“BM”切換弁がオフからオンとなるのみで、電磁切換弁12の切換数を1回にすることができる。よって、ある油圧アクチュエータの駆動中に、他の油圧アクチュエータを起動させる場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が増加する場合においても、ある油圧アクチュエータに接続されている油圧ポンプを接続変更することなく、未使用の油圧ポンプを、起動させる油圧アクチュエータに接続できるため、上述した従来の駆動システムでの要求ポンプ数増加時の電磁切換弁の切換数3回に対し、本発明の一実施形態に係る駆動システム107では、電磁切換弁12の切換数を1回にすることができ、電磁比例弁12の不要な切換制御を減少させることができる。
さらに、例えば、図7(b)に示すように、時刻t2においては、要求ポンプ数NPrが「1,2,0,0」から「1,1,0,0」と変更され、「0,1,0,0」減少したときに、図5および図7(c)に示すように、時刻t2前において、優先順位が「2」であるP1、および優先順位が「1」であるP2が使用されている場合に、要求ポンプ数NPrが減少するアームシリンダ7bに対する優先順位がより低い「2」のP1を未使用とした。
この結果、ブームシリンダ7aに対する優先順位が「1」であるP1が未使用となるが、要求ポンプ数NPrが減少するアームシリンダ7b以外の油圧アクチュエータへの閉回路用油圧ポンプ2a〜2fの接続変更が行われず、ブームシリンダ7aによるP4への接続(割り当て)が維持され、P1へ接続し直されない。また、図7(e)に示すように、時刻t2において、電磁比例弁12は、P1のアームシリンダ7bへの接続に対応する“AM”用切換弁がオンからオフになるのみで、電磁切換弁12の切換数が1回でよい。
よって、使用ポンプ数NPuが要求ポンプ数NPrを満たしているため、要求通りの油圧アクチュエータの作業速度を得ることができる上、図7(e)に示すように、時刻t2において、電磁切換弁12の切換数を1回にできる。したがって、複数の油圧アクチュエータの駆動中、ある油圧アクチュエータへの流量を減らし減速させる場合、すなわち、油圧ポンプの割り当て数が減少する場合においても、流量を減らす油圧アクチュエータへの油圧ポンプから割り当てを外し、他の油圧アクチュエータへの油圧ポンプの割り当てを維持するため、上述した従来の駆動システムでの要求ポンプ数減少時の切換数が3回に対し、電磁切換弁12の切換数を1回にすることができ、電磁切換弁12の不要な切換制御を減少させることができる。
以上により、要求ポンプ数の増加時および減少時のそれぞれにおいて、電磁切換弁12の切換数を減少できるため、電磁切換弁12の切換時の作動油の圧力変動により発生するショックの頻度を低減させることができ、車体振動の低減や操作性を向上させ、さらには電磁比例弁12を含む構成機器寿命を向上させることができる。また、電磁切換弁12の切換数が減少するため、電磁切換弁12の切換に伴う消費電力も削減することもできる。
[その他]
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が含まれる。例えば、前述した実施形態は、本発明を分りやすく説明するために説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、上記一実施形態においては、駆動システム107を油圧ショベル1に搭載させた場合を例として説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば油圧式クレーンやホイールローダなどの油圧で駆動可能な油圧アクチュエータを備えた作業機械であれば、油圧ショベル1以外の作業機械についても適用可能である。
さらに、上記一実施形態に係る駆動システム107の閉回路用油圧ポンプ2a〜2fは、これら閉回路用油圧ポンプ2a〜2fそれぞれが同容量の吐出容量であっても良いし、異なる吐出容量の油圧ポンプとしても良い。
また、上記一実施形態においては、要求ポンプ数が増加する場合と、要求ポンプ数が減少する場合とのそれぞれにおいて、電磁切換弁12の切換数を減少させる構成としたが、要求ポンプ数が増加する場合のみ、または要求ポンプ数が減少する場合のみに、電磁切換弁12の切換数が減少するよう本発明に係る処理を行っても良い。
1 油圧ショベル(作業機械)
1a,1b 開回路用油圧ポンプ
2a〜2f 閉回路用油圧ポンプ(油圧ポンプ)
3a〜3g 油圧レギュレータ
7a ブームシリンダ(油圧アクチュエータ)
7b アームシリンダ(油圧アクチュエータ)
7c バケットシリンダ(油圧アクチュエータ)
9 作動油タンク
10a,10b 走行モータ
10c 旋回モータ(油圧アクチュエータ)
11 コントロールバルブ
12 電磁切換弁(切換弁)
15 動力伝達装置
16 コントローラ
17 操作装置(操作部)
17a,17b 操作レバー
18a〜18h 圧力センサ
30 要求ポンプ数演算回路
31 優先順位演算回路
32 優先順位マップ
101 走行体
102 旋回体
103 作業装置
104 運転室
105 メインフレーム
106 エンジン
107 駆動システム(駆動装置)
108 カウンタウェイト
111 ブーム
112 アーム
113 バケット

Claims (2)

  1. 複数の油圧アクチュエータと、
    前記複数の油圧アクチュエータを駆動させるための可変容量型の複数の油圧ポンプと、
    前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプとの間に接続された複数の切換弁と、
    前記油圧アクチュエータを操作するための操作部と、
    前記油圧ポンプおよび前記切換弁を制御するコントローラとを具備し、
    いずれか1つの前記油圧アクチュエータに少なくとも2つ以上の前記油圧ポンプが前記切換弁を介して閉回路接続可能に構成された作業機械の駆動装置であって、
    前記コントローラは、前記操作部の操作と、前記複数の油圧ポンプと前記複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、前記油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当てを演算する優先順位演算回路を備え、
    前記優先順位演算回路は、前記油圧ポンプの割り当て数が増加する場合、割り当てられていない前記油圧ポンプを選択して割り当てる
    ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
  2. 複数の油圧アクチュエータと、
    前記複数の油圧アクチュエータを駆動させる可変容量型の複数の油圧ポンプと、
    前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプとの間に接続された複数の切換弁と、
    前記油圧アクチュエータを操作するための操作部と、
    前記油圧ポンプおよび前記切換弁を制御するコントローラとを具備し、
    いずれか1つの前記油圧アクチュエータに少なくとも2つ以上の前記油圧ポンプが前記切換弁を介して閉回路接続可能に構成された作業機械の駆動装置であって、
    前記コントローラは、前記操作部の操作と、前記複数の油圧ポンプと前記複数の油圧アクチュエータとの優先接続関係を定めた優先順位マップとに基づき、前記油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当てを演算する優先順位演算回路を備え、
    前記優先順位演算回路は、所定の油圧アクチュエータに対する前記複数の油圧ポンプの割り当て数が減少する場合、前記所定の油圧アクチュエータ以外の前記油圧アクチュエータに割り当てられた前記油圧ポンプの割り当てを維持する
    ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
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