JP2024093943A - ショベル - Google Patents

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陽二 三崎
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Abstract

Figure 2024093943000001
【課題】操作性を向上するショベルを提供する。
【解決手段】油圧ポンプから油圧アクチュエータに供給される作動油の流量を制御する制御弁と、前記制御弁に入力される2次圧を制御する電磁比例弁と、操作レバーを有する操作装置と、前記操作レバーの操作が入力され、前記電磁比例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、前記操作レバーの操作量に基づいて決定された2次圧である2次圧基本値に、前記操作レバーの操作量の変化量に基づいて決定されたオフセット量である2次圧オフセット量を加えた値である2次圧指令値に基づいて、前記電磁比例弁を制御する、ショベル。
【選択図】図10

Description

本発明は、ショベルに関する。
特許文献1には、電気式操作レバーの操作に基づいて電磁比例弁を制御することにより、制御弁のパイロット圧を制御して、油圧アクチュエータを動作させるショベルが開示されている。
特開2022-157410号公報
ところで、電磁比例弁の応答遅れによってショベルの操作性が低下するおそれがある。このため、ショベルの操作性の向上が求められている。
そこで、上記課題に鑑み、操作性を向上するショベルを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、油圧ポンプから油圧アクチュエータに供給される作動油の流量を制御する制御弁と、前記制御弁に入力される2次圧を制御する電磁比例弁と、操作レバーを有する操作装置と、前記操作レバーの操作が入力され、前記電磁比例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、前記操作レバーの操作量に基づいて決定された2次圧である2次圧基本値に、前記操作レバーの操作量の変化量に基づいて決定されたオフセット量である2次圧オフセット量を加えた値である2次圧指令値に基づいて、前記電磁比例弁を制御する。
上述の実施形態によれば、操作性を向上するショベルを提供することができる。
ショベルの側面図である。 ショベルに搭載される油圧システムの構成例を示す図である。 アームシリンダの操作に関する油圧システム部分を抜き出した図である。 レバー操作量と指令電流との関係の一例を示すグラフである。 比例弁の特性の一例を示すグラフである。横軸は、入力される電流値を示す。 制御弁の特性の一例を示すグラフである。 レバー操作量と制御弁のパイロットポートに作用する2次圧との関係の一例を示すグラフである。 オペレータによる左操作レバーのレバー操作の一例を示すグラフである。 本実施形態に係るコントローラによる比例弁の制御における2次圧オフセット量を説明するグラフの一例である。 レバー操作量と制御弁の2次圧との関係の一例を示すグラフである。 レバー操作量と2次圧との関係の一例を示すグラフである。
最初に、図1を参照して、本発明の実施形態に係る掘削機としてのショベル100について説明する。図1は、ショベル100の側面図である。
本実施形態では、ショベル100の下部走行体1はクローラを含む。クローラは、下部走行体1に搭載されている走行アクチュエータとしての走行油圧モータ2Mによって駆動される。具体的には、クローラは左クローラ及び右クローラを含む。左クローラは左走行油圧モータ2MLによって駆動され、右クローラは右走行油圧モータ2MRによって駆動される。
下部走行体1には旋回機構2を介して上部旋回体3が旋回可能に搭載されている。旋回機構2は、上部旋回体3に搭載されている旋回アクチュエータとしての旋回油圧モータ2Aによって駆動される。但し、旋回アクチュエータは、電動アクチュエータとしての旋回電動発電機であってもよい。
上部旋回体3にはブーム4が取り付けられている。ブーム4の先端にはアーム5が取り付けられ、アーム5の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット6が取り付けられている。ブーム4、アーム5及びバケット6は、アタッチメントの一例であるアタッチメントATを構成する。ブーム4はブームシリンダ7で駆動され、アーム5はアームシリンダ8で駆動され、バケット6はバケットシリンダ9で駆動される。ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9は、アタッチメントアクチュエータを構成している。図1に示す例では、バケット6は、掘削バケットであるが、スケルトンバケット又は(除礫バケット)であってもよい。また、バケット6は、バケットチルト機構を備えていてもよい。
上部旋回体3には、運転室としてのキャビン10が設けられ、且つ、エンジン11等の動力源が搭載されている。キャビン10の内部には、操作装置26及びコントローラ30等が設けられている。また、上部旋回体3には、空間認識装置70等が取り付けられている。なお、本書では、便宜上、上部旋回体3における、アタッチメントATが取り付けられている側を前方とし、カウンタウェイトが取り付けられている側を後方とする。
空間認識装置70は、ショベル100の周囲の三次元空間に存在する物体を認識するように構成されている。また、空間認識装置70は、空間認識装置70又はショベル100から認識された物体までの距離を算出するように構成されていてもよい。空間認識装置70は、例えば、超音波センサ、ミリ波レーダ、撮像装置、LIDAR、距離画像センサ、赤外線センサ等、又はそれらの任意の組み合わせを含む。撮像装置は、例えば、単眼カメラ又はステレオカメラ等である。本実施形態では、空間認識装置70は、キャビン10の上面前端に取り付けられた前方センサ70F、上部旋回体3の上面後端に取り付けられた後方センサ70B、上部旋回体3の上面左端に取り付けられた左方センサ70L、及び、上部旋回体3の上面右端に取り付けられた右方センサ(不図示)を含む。上部旋回体3の上方の空間に存在する物体を認識する上方センサがショベル100に取り付けられていてもよい。
操作装置26は、操作者がアクチュエータの操作のために用いる装置である。操作装置26は、例えば、操作レバー及び操作ペダルを含む。アクチュエータは、油圧アクチュエータ及び電動アクチュエータの少なくとも1つを含む。
コントローラ30は、ショベル100を制御するための制御装置である。本実施形態では、コントローラ30は、CPU、揮発性記憶装置、及び不揮発性記憶装置等を備えたコンピュータで構成されている。そして、コントローラ30は、各機能に対応するプログラムを不揮発性記憶装置から読み出して揮発性記憶装置にロードし、対応する処理をCPUに実行させる。各機能は、例えば、操作者によるショベル100の手動操作をガイド(案内)するマシンガイダンス機能、及び、操作者によるショベル100の手動操作を支援したり或いはショベル100を自動的或いは自律的に動作させたりするマシンコントロール機能を含む。コントローラ30は、ショベル100の周囲の監視範囲内に存在する物体とショベル100との接触を回避するためにショベル100を自動的或いは自律的に動作させたり或いは停止させたりする接触回避機能を含んでいてもよい。ショベル100の周囲の物体の監視は、監視範囲内だけでなく監視範囲外に対しても実行される。
次に、図2を参照し、ショベル100に搭載される油圧システムの構成例について説明する。図2は、ショベル100に搭載される油圧システムの構成例を示す図である。図2は、機械的動力伝達系、作動油ライン、パイロットライン及び電気制御系を、それぞれ、二重線、実線、破線及び点線で示している。
ショベル100の油圧システムは、主に、エンジン11、レギュレータ13、メインポンプ14、パイロットポンプ15、コントロールバルブユニット17、操作装置26、吐出圧センサ28、操作センサ29、及びコントローラ30等を含む。
図2において、油圧システムは、エンジン11によって駆動されるメインポンプ14から、センターバイパス管路40又はパラレル管路42を経て作動油タンクまで作動油を循環させることができるように構成されている。
エンジン11は、ショベル100の駆動源である。本実施形態では、エンジン11は、例えば、所定の回転数を維持するように動作するディーゼルエンジンである。エンジン11の出力軸は、メインポンプ14及びパイロットポンプ15のそれぞれの入力軸に連結されている。
メインポンプ14は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブユニット17に供給できるように構成されている。本実施形態では、メインポンプ14は、斜板式可変容量型油圧ポンプである。
レギュレータ13は、メインポンプ14の吐出量を制御できるように構成されている。本実施形態では、レギュレータ13は、コントローラ30からの制御指令に応じてメインポンプ14の斜板傾転角を調節することによってメインポンプ14の吐出量を制御する。
パイロットポンプ15は、パイロット圧生成装置の一例であり、パイロットラインを介して油圧制御機器に作動油を供給できるように構成されている。本実施形態では、パイロットポンプ15は、固定容量型油圧ポンプである。但し、パイロット圧生成装置は、メインポンプ14によって実現されてもよい。すなわち、メインポンプ14は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブユニット17に供給する機能に加え、パイロットラインを介して各種油圧制御機器に作動油を供給する機能を備えていてもよい。この場合、パイロットポンプ15は、省略されてもよい。
コントロールバルブユニット17は、ショベル100における油圧システムを制御する油圧制御装置である。本実施形態では、コントロールバルブユニット17は、制御弁171~176を含む。制御弁175は制御弁175L及び制御弁175Rを含み、制御弁176は制御弁176L及び制御弁176Rを含む。コントロールバルブユニット17は、制御弁171~176を通じ、メインポンプ14が吐出する作動油を1又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給できるように構成されている。制御弁171~176は、例えば、メインポンプ14から油圧アクチュエータに流れる作動油の流量、及び、油圧アクチュエータから作動油タンクに流れる作動油の流量を制御する。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9、左走行油圧モータ2ML、右走行油圧モータ2MR及び旋回油圧モータ2Aを含む。
操作装置26は、操作者がアクチュエータを操作できるように構成されている。本実施形態では、操作装置26は、操作者が油圧アクチュエータを操作できるように構成された油圧アクチュエータ操作装置を含む。具体的には、油圧アクチュエータ操作装置は、パイロットラインを介して、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、コントローラ30によって制御される比例弁31を介してコントロールバルブユニット17内の対応する制御弁171~176のパイロットポートに供給できるように構成されている。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力(パイロット圧)は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置26の操作方向及び操作量に応じた圧力である。
吐出圧センサ28は、メインポンプ14の吐出圧を検出できるように構成されている。本実施形態では、吐出圧センサ28は、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
操作センサ29は、操作者による操作装置26の操作の内容を検出できるように構成されている。本実施形態では、操作センサ29は、アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置26の操作方向及び操作量を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
メインポンプ14は、左メインポンプ14L及び右メインポンプ14Rを含む。そして、左メインポンプ14Lは、左センターバイパス管路40L又は左パラレル管路42Lを経て作動油タンクまで作動油を循環させ、右メインポンプ14Rは、右センターバイパス管路40R又は右パラレル管路42Rを経て作動油タンクまで作動油を循環させる。
左センターバイパス管路40Lは、コントロールバルブユニット17内に配置された制御弁171、173、175L及び176Lを通る作動油ラインである。右センターバイパス管路40Rは、コントロールバルブユニット17内に配置された制御弁172、174、175R及び176Rを通る作動油ラインである。
制御弁171は、左メインポンプ14Lが吐出する作動油を左走行油圧モータ2MLへ供給し、且つ、左走行油圧モータ2MLが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁172は、右メインポンプ14Rが吐出する作動油を右走行油圧モータ2MRへ供給し、且つ、右走行油圧モータ2MRが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁173は、左メインポンプ14Lが吐出する作動油を旋回油圧モータ2Aへ供給し、且つ、旋回油圧モータ2Aが吐出する作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁174は、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をバケットシリンダ9へ供給し、且つ、バケットシリンダ9内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁175Lは、左メインポンプ14Lが吐出する作動油をブームシリンダ7へ供給するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。制御弁175Rは、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をブームシリンダ7へ供給し、且つ、ブームシリンダ7内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁176Lは、左メインポンプ14Lが吐出する作動油をアームシリンダ8へ供給し、且つ、アームシリンダ8内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
制御弁176Rは、右メインポンプ14Rが吐出する作動油をアームシリンダ8へ供給し、且つ、アームシリンダ8内の作動油を作動油タンクへ排出するために作動油の流れを切り換えるスプール弁である。
左パラレル管路42Lは、左センターバイパス管路40Lに並行する作動油ラインである。左パラレル管路42Lは、制御弁171、173、及び175Lの何れかによって左センターバイパス管路40Lを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。右パラレル管路42Rは、右センターバイパス管路40Rに並行する作動油ラインである。右パラレル管路42Rは、制御弁172、174、及び175Rの何れかによって右センターバイパス管路40Rを通る作動油の流れが制限或いは遮断された場合に、より下流の制御弁に作動油を供給できる。
レギュレータ13は、左レギュレータ13L及び右レギュレータ13Rを含む。左レギュレータ13Lは、左メインポンプ14Lの吐出圧に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節することによって、左メインポンプ14Lの吐出量を制御する。具体的には、左レギュレータ13Lは、例えば、左メインポンプ14Lの吐出圧の増大に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節して吐出量を減少させる。右レギュレータ13Rについても同様である。吐出圧と吐出量との積で表されるメインポンプ14の吸収パワー(吸収馬力)がエンジン11の出力パワー(出力馬力)を超えないようにするためである。
操作装置26は、左操作レバー26L、右操作レバー26R及び走行レバー26Dを含む。走行レバー26Dは、左走行レバー26DL及び右走行レバー26DRを含む。
左操作レバー26Lは、旋回操作とアーム5の操作に用いられる。左操作レバー26Lは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁176のパイロットポートに導入させる。また、左右方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁173のパイロットポートに導入させる。
具体的には、左操作レバー26Lは、アーム閉じ方向に操作された場合に、制御弁176Lの右側パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁176Rの左側パイロットポートに作動油を導入させる。また、左操作レバー26Lは、アーム開き方向に操作された場合には、制御弁176Lの左側パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁176Rの右側パイロットポートに作動油を導入させる。また、左操作レバー26Lは、左旋回方向に操作された場合に、制御弁173の左側パイロットポートに作動油を導入させ、右旋回方向に操作された場合に、制御弁173の右側パイロットポートに作動油を導入させる。
図2に示す例では、左操作レバー26Lは、前後方向に操作されたときにアーム操作レバーとして機能し、左右方向に操作されたときに旋回操作レバーとして機能する。
右操作レバー26Rは、ブーム4の操作とバケット6の操作に用いられる。右操作レバー26Rは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁175のパイロットポートに導入させる。また、左右方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁174のパイロットポートに導入させる。
具体的には、右操作レバー26Rは、ブーム下げ方向に操作された場合に、制御弁175Rの左側パイロットポートに作動油を導入させる。また、右操作レバー26Rは、ブーム上げ方向に操作された場合には、制御弁175Lの右側パイロットポートに作動油を導入させ、且つ、制御弁175Rの左側パイロットポートに作動油を導入させる。また、右操作レバー26Rは、バケット閉じ方向に操作された場合に、制御弁174の右側パイロットポートに作動油を導入させ、バケット開き方向に操作された場合に、制御弁174の左側パイロットポートに作動油を導入させる。
図2に示す例では、右操作レバー26Rは、前後方向に操作されたときにブーム操作レバーとして機能し、左右方向に操作されたときにバケット操作レバーとして機能する。
走行レバー26Dは、クローラの操作に用いられる。具体的には、左走行レバー26DLは、左クローラの操作に用いられる。左走行ペダルと連動するように構成されていてもよい。左走行レバー26DLは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁171のパイロットポートに導入させる。右走行レバー26DRは、右クローラの操作に用いられる。右走行ペダルと連動するように構成されていてもよい。右走行レバー26DRは、前後方向に操作されると、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、レバー操作量に応じた制御圧を制御弁172のパイロットポートに導入させる。
吐出圧センサ28は、吐出圧センサ28L及び吐出圧センサ28Rを含む。吐出圧センサ28Lは、左メインポンプ14Lの吐出圧を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。吐出圧センサ28Rについても同様である。
操作センサ29は、操作センサ29LA、29LB、29RA、29RB、29DL、29DRを含む。操作センサ29LAは、操作者による左操作レバー26Lに対する前後方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。操作の内容は、例えば、レバー操作方向、レバー操作量(レバー操作角度)等である。
同様に、操作センサ29LBは、操作者による左操作レバー26Lに対する左右方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。操作センサ29RAは、操作者による右操作レバー26Rに対する前後方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。操作センサ29RBは、操作者による右操作レバー26Rに対する左右方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。操作センサ29DLは、操作者による左走行レバー26DLに対する前後方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。操作センサ29DRは、操作者による右走行レバー26DRに対する前後方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
コントローラ30は、操作センサ29の出力を受信し、必要に応じてレギュレータ13に対して制御指令を出力し、メインポンプ14の吐出量を変化させる。また、コントローラ30は、絞り18の上流に設けられた制御圧センサ19の出力を受信し、必要に応じてレギュレータ13に対して制御指令を出力し、メインポンプ14の吐出量を変化させる。絞り18は左絞り18L及び右絞り18Rを含み、制御圧センサ19は左制御圧センサ19L及び右制御圧センサ19Rを含む。
左センターバイパス管路40Lには、最も下流にある制御弁176Lと作動油タンクとの間に左絞り18Lが配置されている。そのため、左メインポンプ14Lが吐出した作動油の流れは、左絞り18Lで制限される。そして、左絞り18Lは、左レギュレータ13Lを制御するための制御圧を発生させる。左制御圧センサ19Lは、この制御圧を検出するためのセンサであり、検出した値をコントローラ30に対して出力する。コントローラ30は、この制御圧に応じて左メインポンプ14Lの斜板傾転角を調節することによって、左メインポンプ14Lの吐出量を制御する。コントローラ30は、この制御圧が大きいほど左メインポンプ14Lの吐出量を減少させ、この制御圧が小さいほど左メインポンプ14Lの吐出量を増大させる。右メインポンプ14Rの吐出量も同様に制御される。
具体的には、図2で示されるようにショベル100における油圧アクチュエータが何れも操作されていない待機状態の場合、左メインポンプ14Lが吐出する作動油は、左センターバイパス管路40Lを通って左絞り18Lに至る。そして、左メインポンプ14Lが吐出する作動油の流れは、左絞り18Lの上流で発生する制御圧を増大させる。その結果、コントローラ30は、左メインポンプ14Lの吐出量を許容最小吐出量まで減少させ、吐出した作動油が左センターバイパス管路40Lを通過する際の圧力損失(ポンピングロス)を抑制する。一方、何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、左メインポンプ14Lが吐出する作動油は、操作対象の油圧アクチュエータに対応する制御弁を介して、操作対象の油圧アクチュエータに流れ込む。そして、左メインポンプ14Lが吐出する作動油の流れは、左絞り18Lに至る量を減少或いは消失させ、左絞り18Lの上流で発生する制御圧を低下させる。その結果、コントローラ30は、左メインポンプ14Lの吐出量を増大させ、操作対象の油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、操作対象の油圧アクチュエータの駆動を確かなものとする。なお、コントローラ30は、右メインポンプ14Rの吐出量も同様に制御する。
上述のような構成により、図2の油圧システムは、待機状態においては、メインポンプ14における無駄なエネルギ消費を抑制できる。無駄なエネルギ消費は、メインポンプ14が吐出する作動油がセンターバイパス管路40で発生させるポンピングロスを含む。また、図2の油圧システムは、油圧アクチュエータを作動させる場合には、メインポンプ14から必要十分な作動油を作動対象の油圧アクチュエータに確実に供給できる。
即ち、コントローラ30は、吐出圧と吐出量との積で表されるメインポンプ14の吸収パワー(吸収馬力)がエンジン11の出力パワー(出力馬力)を超えないように算出された第1の吐出量と、制御圧センサ19で検出された制御圧に基づいて算出された第2の吐出量と、のうち、小さい方の吐出量となるようにレギュレータ13を制御する。
また、ブームシリンダ7にはブームロッド圧センサS7R及びブームボトム圧センサS7Bが取り付けられている。アームシリンダ8にはアームロッド圧センサS8R及びアームボトム圧センサS8Bが取り付けられている。バケットシリンダ9にはバケットロッド圧センサS9R及びバケットボトム圧センサS9Bが取り付けられている。ブームロッド圧センサS7R、ブームボトム圧センサS7B、アームロッド圧センサS8R、アームボトム圧センサS8B、バケットロッド圧センサS9R及びバケットボトム圧センサS9Bは、集合的に「シリンダ圧センサ」とも称される。また、旋回油圧モータ2Aには左旋回圧センサS10L及び右旋回圧センサS10Rが取り付けられている。
ブームロッド圧センサS7Rはブームシリンダ7のロッド側油室の圧力(以下、「ブームロッド圧」とする。)を検出し、ブームボトム圧センサS7Bはブームシリンダ7のボトム側油室の圧力(以下、「ブームボトム圧」とする。)を検出する。アームロッド圧センサS8Rはアームシリンダ8のロッド側油室の圧力(以下、「アームロッド圧」とする。)を検出し、アームボトム圧センサS8Bはアームシリンダ8のボトム側油室の圧力(以下、「アームボトム圧」とする。)を検出する。バケットロッド圧センサS9Rはバケットシリンダ9のロッド側油室の圧力(以下、「バケットロッド圧」とする。)を検出し、バケットボトム圧センサS9Bはバケットシリンダ9のボトム側油室の圧力(以下、「バケットボトム圧」とする。)を検出する。左旋回圧センサS10Lは、旋回油圧モータ2Aの左側ポートにおける作動油の圧力を検出する。右旋回圧センサS10Rは、旋回油圧モータ2Aの右側ポートにおける作動油の圧力を検出する。各センサで検出された値は、コントローラ30に送信される。
次に、図3を参照し、コントローラ30がマシンコントロール機能によってアクチュエータを動作させるための構成について説明する。図3は、アームシリンダ8の操作に関する油圧システム部分を抜き出した図である。なお、図3では、アームシリンダ8の動作を例に説明したが、これに限られるものではなく、ブームシリンダ7の動作、バケットシリンダ9の動作、旋回油圧モータ2Aの動作、左走行油圧モータ2MLの動作、右走行油圧モータ2MRの動作についても同様であり、重複する説明は省略する。
図3に示すように、油圧システムは、比例弁31を含む。比例弁31は、比例弁31AL及び比例弁31ARを含む。
比例弁31は、マシンコントロール用制御弁として機能する。比例弁31は、パイロットポンプ15とコントロールバルブユニット17内の対応する制御弁のパイロットポートとを接続する管路に配置され、その管路の流路面積を変更できるように構成されている。本実施形態では、比例弁31は、コントローラ30が出力する制御指令に応じて動作する。そのため、コントローラ30は、操作者による操作装置26の操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31を介し、コントロールバルブユニット17内の対応する制御弁のパイロットポートに供給できる。そして、コントローラ30は、比例弁31が生成するパイロット圧を、対応する制御弁のパイロットポートに作用させることができる。
この構成により、コントローラ30は、特定の操作装置26に対する操作が行われていない場合であっても、その特定の操作装置26に対応する油圧アクチュエータを動作させることができる。また、コントローラ30は、特定の操作装置26に対する操作が行われている場合であっても、その特定の操作装置26に対応する油圧アクチュエータの動作を強制的に停止させることができる。
例えば、図3に示すように、左操作レバー26Lは、アーム5を操作するために用いられる。具体的には、左操作レバー26Lは、パイロットポンプ15が吐出する作動油を利用し、前後方向への操作に応じたパイロット圧を制御弁176のパイロットポートに作用させる。より具体的には、左操作レバー26Lは、アーム閉じ方向(後方向)に操作された場合に、操作量に応じたパイロット圧を制御弁176Lの右側パイロットポートと制御弁176Rの左側パイロットポートに作用させる。また、左操作レバー26Lは、アーム開き方向(前方向)に操作された場合には、操作量に応じたパイロット圧を制御弁176Lの左側パイロットポートと制御弁176Rの右側パイロットポートに作用させる。
左操作レバー26LにはスイッチNSが設けられている。本実施形態では、スイッチNSは、左操作レバー26Lの先端に設けられた押しボタンスイッチである。操作者は、スイッチNSを押しながら左操作レバー26Lを操作できる。スイッチNSは、右操作レバー26Rに設けられていてもよく、キャビン10内の他の位置に設けられていてもよい。
操作センサ29LAは、操作者による左操作レバー26Lに対する前後方向への操作の内容を検出し、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
比例弁31ALは、コントローラ30が出力する制御指令(指令電流)に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31ALを介して制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31ARは、コントローラ30が出力する制御指令(指令電流)に応じて動作する。そして、パイロットポンプ15から比例弁31ARを介して制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに導入される作動油によるパイロット圧を調整する。比例弁31ALは、制御弁176L及び制御弁176Rを任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。同様に、比例弁31ARは、制御弁176L及び制御弁176Rを任意の弁位置で停止できるようにパイロット圧を調整可能である。
また、比例弁31ALと制御弁176の一方のポート(制御弁176Lの右側ポート及び制御弁176Rの左側ポート)とを接続するパイロットラインには、パイロット圧を検出するパイロット圧センサ32ALが設けられている。また、比例弁31ARと制御弁176の他方のポート(制御弁176Lの左側ポート及び制御弁176Rの右側ポート)とを接続するパイロットラインには、パイロット圧を検出するパイロット圧センサ32ARが設けられている。各パイロット圧センサ32AL,32ARで検出された値は、コントローラ30に送信される。
この構成により、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作に応じ、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31ALを介し、制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに供給できる。また、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31ALを介し、制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポートに供給できる。すなわち、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作に応じ、或いは、操作者によるアーム閉じ操作とは無関係に、アーム5を閉じることができる。
また、コントローラ30は、操作者によるアーム開き操作に応じ、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31ARを介し、制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに供給できる。また、コントローラ30は、操作者によるアーム開き操作とは無関係に、パイロットポンプ15が吐出する作動油を、比例弁31ARを介し、制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポートに供給できる。すなわち、コントローラ30は、操作者によるアーム開き操作に応じ、或いは、操作者によるアーム開き操作とは無関係に、アーム5を開くことができる。
また、この構成により、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であっても、必要に応じて、制御弁176の閉じ側のパイロットポート(制御弁176Lの左側パイロットポート及び制御弁176Rの右側パイロットポート)に作用するパイロット圧を減圧し、アーム5の閉じ動作を強制的に停止させることができる。操作者によるアーム開き操作が行われているときにアーム5の開き動作を強制的に停止させる場合についても同様である。
或いは、コントローラ30は、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であっても、必要に応じて、比例弁31ARを制御し、制御弁176の閉じ側のパイロットポートの反対側にある、制御弁176の開き側のパイロットポート(制御弁176Lの右側パイロットポート及び制御弁176Rの左側パイロットポート)に作用するパイロット圧を増大させ、制御弁176を強制的に中立位置に戻すことで、アーム5の閉じ動作を強制的に停止させてもよい。操作者によるアーム開き操作が行われている場合にアーム5の開き動作を強制的に停止させる場合についても同様である。
また、操作装置26の形態として電気式操作レバーに関する説明を記載したが、電気式操作レバーではなく油圧式操作レバーが採用されてもよい。この場合、油圧式操作レバーのレバー操作量は、圧力センサによって圧力の形で検出されてコントローラ30へ入力されてもよい。また、油圧式操作レバーとしての操作装置26と各制御弁のパイロットポートとの間には電磁弁が配置されてもよい。電磁弁は、コントローラ30からの電気信号に応じて動作するように構成される。この構成により、油圧式操作レバーとしての操作装置26を用いた手動操作が行われると、操作装置26は、レバー操作量に応じてパイロット圧を増減させることで各制御弁を移動させることができる。また、各制御弁は電磁スプール弁で構成されていてもよい。この場合、電磁スプール弁は、電気式操作レバーのレバー操作量に対応するコントローラ30からの電気信号に応じて動作する。
次に、オペレータが操作装置26の左操作レバー26Lを操作することにより、アームシリンダ8を動作させる場合を例に説明する。オペレータが操作装置26の左操作レバー26Lを操作すると、操作センサ29LAで左操作レバー26Lの操作が検出され、検出された左操作レバー26Lの操作がコントローラ30に入力される。
図4は、レバー操作量と指令電流との関係の一例を示すグラフである。横軸は、操作センサ29LAで検出された左操作レバー26Lのレバー操作量である。縦軸は、比例弁31へ出力される指令電流である。コントローラ30は、左操作レバー26Lの操作量に応じた比例弁31の指令電流を制御して出力する。左操作レバー26Lの中立位置付近は、不感帯となっており、レバー操作量に対し指令電流は出力されない(指令電流はゼロである。)。そして、左操作レバー26Lの不感帯を超えて操作されると、レバー操作量に応じた指令電流が出力される。なお、左操作レバー26Lを一の方向(例えば、図4において右方向)に操作された場合、コントローラ30は、一方の比例弁31ALに指令電流が出力される。また、左操作レバー26Lを一の方向とは逆向きの他の方向(例えば、図4において左方向)に操作された場合、コントローラ30は、他方の比例弁31ARに指令電流が出力される。
図5は、比例弁31の特性の一例を示すグラフである。横軸は、比例弁31に入力される電流値を示す。縦軸は、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧(パイロット圧)を示す。比例弁31は、コントローラ30から指令電流が入力されることにより、指令電流に対応した2次圧が制御弁176のパイロットポートに作用する。電流値(コントローラ30から入力される指令電流)のゼロ付近は、不感帯となっており、電流値に対し2次圧は出力されない(指令電流はゼロである。)。そして、不感帯を超えて電流値が入力されると、電流値に応じて比例弁31の開口面積が増加し、制御弁176に2次圧が出力される。
図6は、制御弁176の特性(スプール特性)の一例を示すグラフである。横軸は、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧(パイロット圧)を示す。縦軸は、制御弁176のスプールストロークを示す。制御弁176のパイロットポートに2次圧が作用して、制御弁176のスプールが移動する。制御弁176のスプールが移動することにより、制御弁176のPT開口(メインポンプ14から作動油タンクへの油路の開口)、PC開口(メインポンプ14からアームシリンダ8への油路の開口)、CT開口(アームシリンダ8から作動油タンクへの油路の開口)の開口面積が制御される。
図7は、レバー操作量と制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧との関係の一例を示すグラフである。横軸は、操作センサ29LAで検出された左操作レバー26Lのレバー操作量である。縦軸は、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧(パイロット圧)を示す。また、図4及び図5に示す特性によって算出されるレバー操作量に対する2次圧の指令値710を実線で図示する。
ここで、比例弁31の応答の遅れ等によって、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧の実際値721,722は2次圧の指令値710に対してズレが発生する。
中立位置から傾倒させる方向に左操作レバー26Lを操作(往き操作)する場合、換言すれば左操作レバー26Lの操作量を増加させる場合、更に換言すればアームシリンダ8の動作速度を加速させる場合、におけるパイロット圧センサ32で検出される2次圧の実際値721を破線で示す。比例弁31の応答の遅れ等によって、2次圧の実際値721は、2次圧の指令値710に遅れて増加する。即ち、レバー操作量に基づく2次圧の指令値710に対し、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧の実際値721は少なくなっている。よって、制御弁176のスプールストロークも指令値に対し実際値が小さくなる。
また、傾倒した状態から中立位置に復帰させる方向に左操作レバー26Lを操作(戻り操作)する場合、換言すれば左操作レバー26Lの操作量を減少させる場合、更に換言すればアームシリンダ8の動作速度を減速させる場合におけるパイロット圧センサ32で検出される2次圧の実際値722を破線で示す。比例弁31の応答の遅れ等によって、2次圧の実際値722は、2次圧の指令値710に遅れて減少する。即ち、レバー操作量に基づく2次圧の指令値710に対し、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧の実際値722は多くなっている。よって、制御弁176のスプールストロークも指令値に対し実際値が大きくなる。
また、図7に示すように、左操作レバー26Lの操作方向によって、ヒステリシスが発生している。このため、レバー操作量に基づく2次圧の指令値710に対し、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧の実際値721,722にずれが生じる場合がある。また、制御弁176のスプールストロークも左操作レバー26Lの操作量に基づく指令値に対し実際値にずれが生じる場合がある。
このように、図7に示すコントローラ30による比例弁31の制御では、比例弁31の応答の遅れやヒステリシス等によって、オペレータはショベル100の操作性が低下していると感じるおそれがある。
次に、本実施形態に係るコントローラ30による比例弁31の制御について、図8から図11を用いて説明する。
図8は、オペレータによる左操作レバー26Lのレバー操作の一例を示すグラフである。横軸は、時間を示す。上段のグラフの縦軸は、左操作レバー26Lのレバー操作量を示す。中段のグラフの縦軸は、レバー操作速度(単位時間当たりのレバー操作量の変化量)を示す。下段のグラフの縦軸は、レバー操作加速度(単位時間当たりのレバー操作量の変化量の変化量)を示す。
オペレータは、ステップS101からステップS105に示す手順で左操作レバー26Lを操作する。
ステップS101,S102では、オペレータは、中立位置で静止した左操作レバー26Lを所定の操作量に向かって傾倒させる。ステップS101,S102では、左操作レバー26Lの操作量が増加する方向(中立位置から離れる方向)に操作されており、レバー操作速度は正の方向(上側)となる。また、ステップS101ではレバー操作加速度は正の方向(上側)となり、ステップS102ではレバー操作加速度は負の方向(下側)となる。
ステップS103では、オペレータは、左操作レバー26Lを所定の操作量で維持する。ステップS103では、レバー操作速度及びレバー操作加速度はゼロとなる。
ステップS104,S105では、オペレータは、所定の操作量から中立位置に向かって左操作レバー26Lを戻す。ステップS104,S105では、左操作レバー26Lの操作量が減少する方向(中立位置に向かう方向)に操作されており、レバー操作速度は負の方向(下側)となる。また、ステップS104ではレバー操作加速度は負の方向(下側)となり、ステップS105ではレバー操作加速度は正の方向(上側)となる。
図9は、本実施形態に係るコントローラ30による比例弁31の制御における2次圧オフセット量を説明するグラフの一例である。横軸は、左操作レバー26Lのレバー操作速度である。縦軸は、2次圧オフセット量である。レバー操作速度がゼロ付近は、不感帯となっており、レバー操作量に対し2次圧のオフセットは行わない(2次圧オフセット量がゼロである。)。そして、不感帯を超えるレバー操作速度でレバー操作されると、レバー操作速度に応じた2次圧オフセット量が出力される。具体的には、操作レバーを中立位置から離れる方向に操作する際、2次圧オフセット量がゼロ(不感帯)または正の値となり、レバー操作速度が増加するほど2次圧オフセット量も増加する。操作レバーを中立位置に近づける方向に操作する際、2次圧オフセット量がゼロ(不感帯)または負の値となり、レバー操作速度が減少するほど(中立位置へ向かう操作速度が増加するほど)2次圧オフセット量も減少する(負の値の2次圧オフセット量の絶対値が増加する)。
ここで、コントローラ30による比例弁31の制御について説明する。
まず、コントローラ30は、操作センサ29LAで検出された左操作レバー26Lのレバー操作量に基づいて、制御弁176のパイロットポートに作用させる2次圧を求める。例えば、コントローラ30は、レバー操作量に基づいて、図4に示す特性から指令電流を求める。次に、コントローラ30は、求めた指令電流に基づいて、図5に示す特性から2次圧を求める。この求めた2次圧を、レバー操作量に基づいて決定された2次圧(2次圧基本値)とする。
また、コントローラ30は、操作センサ29LAで検出された左操作レバー26Lのレバー操作量の変化量(レバー操作速度)に基づいて、制御弁176のパイロットポートに作用させる2次圧の2次圧オフセット量を求める。例えば、コントローラ30は、レバー操作量に基づいて、レバー操作量の変化量としてレバー操作速度を求める。また、コントローラ30は、求めたレバー操作速度に基づいて、図9に示す特性から2次圧オフセット量を求める。この求めた2次圧オフセット量は、レバー操作量の変化量に基づいて決定されたオフセット量である。
そして、コントローラ30は、操作量に基づいて決定された2次圧(2次圧基本値)に2次圧オフセット量を加えた値を2次圧指令値とする。ここで、2次圧オフセット量は、操作レバーを中立位置から離れる方向に操作する際、2次圧指令値が2次圧基本値よりも増加するオフセット量を有する。また、2次圧オフセット量は、操作レバーを中立位置に近づける方向に操作する際、2次圧指令値が2次圧基本値よりも減少するオフセット量を有する。コントローラ30は、算出した2次圧指令値に基づいて、図5に示す特性から比例弁31に出力する電流値(指令電流)を求める。そして、コントローラ30は、比例弁31に求めた指令電流を出力して、比例弁31を制御する。
図10は、レバー操作量と制御弁176の2次圧との関係の一例を示すグラフである。横軸は、操作センサ29LAで検出された左操作レバー26Lのレバー操作量である。縦軸は、制御弁176のパイロットポートに作用する2次圧(パイロット圧)を示す。
操作量に基づいて決定された2次圧である2次圧基本値910は、図4及び図5に示す特性によって求められる。
レバー操作量が増加する加速時(S101,S102参照)において、図9に示すように、正の2次圧オフセット量が求められる。これにより、図10に示すように、加速時における2次圧指令値921は、2次圧基本値910よりも大きくなる。
一方、レバー操作量が減少する減速時(S104,S105参照)において、図9に示すように、負の2次圧オフセット量が求められる。これにより、図10に示すように、減速時における2次圧指令値922は、2次圧基本値910よりも小さくなる。
図11は、レバー操作量と2次圧との関係の一例を示すグラフである。図11において、横軸は時間である。上段の縦軸は、レバー操作量を示す。中段の縦軸は、図10に示す2次圧基本値910で制御した場合における2次圧実際値730を示す。下段の縦軸は、2次圧基本値に2次圧オフセット量を足した2次圧指令値921,922で制御した場合における2次圧実際値930を示す。
オペレータは、ステップS11からステップS13に示す手順で左操作レバー26Lを操作する。
ステップS11では、オペレータは、中立位置で静止した左操作レバー26Lを所定の操作量に向かって傾倒させる。ステップS12では、オペレータは、左操作レバー26Lを所定の操作量で維持する。ステップS13では、オペレータは、所定の操作量から中立位置に向かって左操作レバー26Lを戻す。
ここで、2次圧基本値910で制御した場合における2次圧実際値730は、レバー操作量に対して遅れが発生する。即ち、ステップS11の区間において、図7を用いて前述したように、比例弁31の応答の遅れ等によって、2次圧の実際値721は、2次圧の指令値710に遅れて増加する。また、ステップS13の区間において、図7を用いて前述したように、比例弁31の応答の遅れ等によって、2次圧の実際値722は、2次圧の指令値710に遅れて減少する。
これに対し、2次圧基本値に2次圧オフセット量を加えた値である2次圧指令値921,922で制御した場合における2次圧実際値930は、レバー操作量に対する遅れが抑制される。即ち、ステップS11の区間において、図10を用いて前述したように、2次圧基本値910よりも大きな2次圧指令値921を2次圧の指令値として比例弁31を制御する。これにより、レバー操作量に対する遅れが抑制される。即ち、2次圧基本値と2次圧の実際値との差を低減することができる。また、ステップS13の区間において、図10を用いて前述したように、2次圧基本値910よりも小さな2次圧指令値922を2次圧の指令値として比例弁31を制御する。これにより、レバー操作量に対する遅れが抑制される。即ち、2次圧基本値と2次圧の実際値との差を低減することができる。
なお、2次圧オフセット量は、レバー操作速度(図9参照)に基づいて求めるものとして説明したが、これに限られるものではない。2次圧オフセット量は、操作レバーの操作量の変化量に基づいて求めるものとしてもよい。操作レバーの操作量の変化量としては、レバー操作速度に限られず、レバー操作速度及びレバー操作加速度を含んでもよい。
なお、図3から図11に示すコントローラ30による比例弁31の制御は、アームシリンダ8を制御する制御弁176の比例弁31を例に説明したが、これに限られるものではない。他の油圧アクチュエータ(ブームシリンダ7、バケットシリンダ9、旋回油圧モータ2A、左走行油圧モータ2ML、右走行油圧モータ2MR等)の制御に適用してもよい。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
1 下部走行体
1L,1R 走行油圧モータ(油圧アクチュエータ)
2 旋回機構
2A 旋回油圧モータ(油圧アクチュエータ)
2ML 左走行油圧モータ(油圧アクチュエータ)
2MR 右走行油圧モータ(油圧アクチュエータ)
3 上部旋回体
4 ブーム
5 アーム
6 バケット
7 ブームシリンダ(油圧アクチュエータ)
8 アームシリンダ(油圧アクチュエータ)
9 バケットシリンダ(油圧アクチュエータ)
13 レギュレータ
14 メインポンプ(油圧ポンプ)
15 パイロットポンプ
17 コントロールバルブユニット
171~176 制御弁
30 コントローラ
26 操作装置
26R 右操作レバー
26L 左操作レバー
31 比例弁(電磁比例弁)
100 ショベル

Claims (6)

  1. 油圧ポンプから油圧アクチュエータに供給される作動油の流量を制御する制御弁と、
    前記制御弁に入力される2次圧を制御する電磁比例弁と、
    操作レバーを有する操作装置と、
    前記操作レバーの操作が入力され、前記電磁比例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、
    前記操作レバーの操作量に基づいて決定された2次圧である2次圧基本値に、前記操作レバーの操作量の変化量に基づいて決定されたオフセット量である2次圧オフセット量を加えた値である2次圧指令値に基づいて、前記電磁比例弁を制御する、
    ショベル。
  2. 前記2次圧オフセット量は、
    前記操作レバーを中立位置から離れる方向に操作する際、前記2次圧指令値が前記2次圧基本値よりも増加するオフセット量を有し、
    前記操作レバーを中立位置に近づける方向に操作する際、前記2次圧指令値が前記2次圧基本値よりも減少するオフセット量を有する、
    請求項1に記載のショベル。
  3. 前記操作レバーの操作量の変化量は、前記操作レバーの操作速度である、
    請求項1に記載のショベル。
  4. 前記操作レバーの操作量の変化量は、前記操作レバーの操作速度及び前記操作レバーの操作加速度を含む、
    請求項1に記載のショベル。
  5. 前記操作レバーを中立位置から離れる方向に操作する際、前記2次圧オフセット量はゼロまたは正の値を有し、前記操作レバーの操作量の変化量が増加するほど前記2次圧オフセット量も増加する、
    請求項1に記載のショベル。
  6. 前記操作レバーを中立位置に近づける方向に操作する際、前記2次圧オフセット量はゼロまたは負の値を有し、前記操作レバーの操作量の変化量が減少するほど前記2次圧オフセット量も減少する、
    請求項1に記載のショベル。
JP2022210604A 2022-12-27 ショベル Pending JP2024093943A (ja)

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