JP3936552B2

JP3936552B2 - 油圧シリンダ回路

Info

Publication number: JP3936552B2
Application number: JP2001156794A
Authority: JP
Inventors: 吉美早乙女; 祐弘江川
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; KYB Corp
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; KYB Corp
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2021-05-25
Also published as: JP2002349505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機で油圧ポンプを駆動し、油圧シリンダから出た油を油圧ポンプに戻して回生する方式をとる油圧シリンダ回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、油圧ショベルやクレーン等の建設機械において、油圧シリンダの油圧源である油圧ポンプを電動機で駆動する電動機駆動方式が採用されつつある。
【０００３】
この電動機駆動方式においては、操作手段（レバーまたはペダル。以下、レバーの場合で説明する）の操作により、電動機をこのレバー操作量に対応する回転数で回転させてポンプ流量を制御し、このポンプ流量によってシリンダ速度を制御する構成がとられる。
【０００４】
また、電動機駆動方式においては、油圧シリンダから出た油を油圧ポンプに吸い込ませてモータ作用を行わせることにより、電動機に回生電力を発生させてバッテリ等に蓄える動力回生作用が行われる。とくに、油圧ショベルのブームシリンダのように、掘削アタッチメントの重量プラス土砂重量によって常に一方向（縮小方向）の負荷が加えられる油圧シリンダの場合、負加圧をモータ作用に利用できることで動力回生の効果が大きく、省エネルギーに寄与する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような電動機駆動方式においては、電動機（ポンプ）の回転数によってシリンダ速度を制御するため、条件によって、低速域（レバー操作量の小さい微操作域）での速度制御が困難で操作性が悪くなるという問題があった。
【０００６】
たとえば、上記ブームシリンダの場合、殆どの作業姿勢でシリンダヘッド側油室に常に負荷圧が作用する状態となるため、上記した単なる電動機回転数（ポンプ流量）による制御では、ポンプの油洩れ等の影響によって正確な速度制御が困難となる。
【０００７】
なお、旧来のエンジン駆動方式のように油圧シリンダとポンプを結ぶ管路中に流量制御弁を設け、この流量制御弁の開度制御によってシリンダ速度を制御する構成をとることが考えられる。しかし、こうすると、流量制御弁での圧力損失が大きいため、動力回生効率が低下するという弊害が生じる。
【０００８】
そこで本発明は、微操作域での操作性が良く、しかも動力回生を効率良く行うことができる油圧シリンダ回路を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、片側ロッド式の油圧シリンダと、この油圧シリンダのヘッド側油室に接続された第１油圧ポンプと、同シリンダのロッド側油室に接続された第２油圧ポンプと、この両油圧ポンプを駆動する電動機と、この電動機に対する回転数と回転方向の指令を出す操作手段と、この操作手段からの指令信号に基づいて電動機の回転数と回転方向を制御する制御手段とを具備し、かつ、上記油圧シリンダの縮小作動時に、上記第２油圧ポンプからの油をロッド側油室に供給すると同時に、ヘッド側油室から出る油を上記第１油圧ポンプに吸い込ませた後タンクに放出することで動力回生を行うように構成される一方、上記第１油圧ポンプと油圧シリンダのヘッド側油室とを結ぶヘッド側管路に上記制御手段によって制御される制御弁が設けられ、上記油圧シリンダの縮小作動時に、同シリンダのヘッド側油室から出た油がこの制御弁を通過する流量をＡ、上記第１油圧ポンプに吸い込まれる流量をＢとして、制御手段は、
（ｉ）上記操作手段の操作量が予め設定された値以下の微操作域では、Ａ＜Ｂとなって制御弁によってシリンダ速度が制御され、
（ｉｉ）この微操作域を超える操作域では、Ａ＞Ｂとなって油圧ポンプの回転数によってシリンダ速度が制御される
ように上記電動機の回転数及び制御弁を制御するように構成されたものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、制御手段は、微操作域及びこれを超える操作域で、操作手段の操作量の増加に応じて制御弁通過流量Ａ及びポンプ吸い込み流量Ｂが連続して増加するように構成されたものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、油圧シリンダはヘッド側に常時負荷圧が作用する状態で用いられ、制御弁は、油圧シリンダの停止時にヘッド側管路を閉じて負荷圧を保持し、かつ、微操作域を超える操作域で全開となるロック弁を有するものである。
【００１２】
上記構成によると、油圧シリンダの縮小作動時に、微操作域では、油圧シリンダのヘッド側油室から出て制御弁を通過する流量Ａが第１油圧ポンプに吸い込まれる流量Ｂよりも少なくなる。この状態では、制御弁の開度によってシリンダ速度が決まり、制御弁による速度制御が行われる。このため、油圧シリンダが操作通りに動く良好な操作性が得られる。
【００１３】
これに対し、微操作域を超える操作域では、上記とは逆にＡ＞Ｂとなり、制御弁と第１油圧ポンプとの間に圧力が発生した状態で、同ポンプの回転数によるシリンダ速度制御が行われる。すなわち、制御弁での圧力損失が少ない状態で動力回生作用が行われる。
【００１４】
こうして、良好な微操作性と効率のよい動力回生を両立させることができる。
【００１５】
この点の効果は、請求項３のように、常に一方向に負荷が作用する油圧シリンダ（たとえば前記した油圧ショベルのブームシリンダ）を対象とする場合にとくに顕著となる。
【００１６】
この場合、請求項２の構成によると、微操作域及びこれを超える操作域で制御弁通過流量Ａ及びポンプ吸い込み流量Ｂが、ともに操作手段の操作量に応じて連続して増加するため、上記速度制御の切換えがショック無く滑らかに行われる。
【００１７】
また、請求項３の構成によると、上記のように常にヘッド側に負荷が作用する油圧シリンダを対象とした場合に、ロック弁により、油圧シリンダを負荷に抗して停止状態にロックすることができる。すなわち、微操作域での速度制御を行う制御弁がロック弁を兼ねることとなり、回路構成を簡略化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図によって説明する。
【００１９】
この実施形態では、油圧ショベルのブームシリンダ回路を適用対象として例にとっている。
【００２０】
油圧ショベルは、図４に示すように、下部走行体１上に上部旋回体２が搭載され、この上部旋回体２に掘削アタッチメント３が取付けられて構成される。
【００２１】
掘削アタッチメント３は、起伏自在なブーム４の先端にアーム５、このアーム５の先端にバケット６がそれぞれ取付けられて成り、ブーム４、アーム５、バケット６がそれぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９によって駆動される。
【００２２】
この掘削アタッチメント３において、ブームシリンダ７には、殆どの作業姿勢でアタッチメント重量プラス土砂重量により図４矢印で示す縮小方向の力が加えられてヘッド側油室７ａ（図１，２参照）に負荷圧が作用する。
【００２３】
そこで、ブームシリンダ回路においては、シリンダ停止時にブームシリンダ７が上記負荷圧によって自然に縮小しないように、ヘッド側管路（負荷側管路）にロック弁が設けられるのが通例である。
【００２４】
図１，２に示すこの実施形態にかかるブームシリンダ回路においても、ブームシリンダ７のヘッド側、ロッド側両管路１０，１１のうちヘッド側管路１０にロック機能付きの制御弁１２が設けられ、この制御弁１２によってシリンダ停止時のロック作用を行うとともに、後述するように微操作域でブームシリンダ７の速度制御を行うように構成されている。
【００２５】
このブームシリンダ回路について詳述する。
【００２６】
図１はブームシリンダ回路の原理構成、図２は具体構成をそれぞれ示している。
【００２７】
まず、図１によって原理構成を説明すると、１３は図示しない発電機等を電源として正逆回転する電動機で、この電動機１３によって第１及び第２両油圧ポンプ１４，１５が駆動される。
【００２８】
第１ポンプ１４はシリンダ伸長用ポンプとしてブームシリンダ７のヘッド側油室７ａに、第２ポンプ１５はシリンダ縮小用ポンプとして同シリンダ７のロッド側油室７ｂにそれぞれ接続され、次のように作用する。
【００２９】
（ｉ）シリンダ伸長時
電動機１３の正回転により第１ポンプ１４が駆動されてブームシリンダ７のヘッド側油室７ａに油が供給され、同シリンダ７が伸長作動する。このとき、ロッド側油室７ｂから出た油は第２ポンプ１５に吸い込まれてモータ作用をなした後、タンクＴに戻される。
【００３０】
（ｉｉ）シリンダ縮小時
電動機１３の逆回転により第２ポンプ１５が駆動されてブームシリンダ７のロッド側油室７ｂに油が供給され、同シリンダが縮小作動する。このとき、ヘッド側油室７ａから出た油は第１ポンプ１４に吸い込まれてモータ作用をなした後、タンクＴに戻される。
【００３１】
このように、シリンダ伸縮時に両ポンプ１４，１５の一方がモータ作用をなすことにより、電動機１３に回生電力が発生し、この回生電力が図示しないバッテリに蓄えられる。とくに、前記したようにシリンダヘッド７ａ側には常に負荷圧が作用するため、ブーム下げ時（シリンダ縮小時）の動力回生効率が良いものとなる。
【００３２】
ここで、ブームシリンダ７は片側ロッド式であり、ロッド側油室７ｂの断面積がヘッド側油室７ａのそれよりも小さいため、供給流量が同じでも伸長動作と縮小動作に速度差が生じ、バケット軌跡の制御が正確にできない等の問題が生じる。
【００３３】
そこで、この実施形態では、上記速度差が生じない（吐出量が断面積比に対応して異なる）ように、両ポンプ１４，１５のポンプ容積が設定されている。
【００３４】
具体的には、両ポンプ１４，１５のポンプ容積ｑ１，ｑ２は、シリンダ７のヘッド側及びロッド側両油室７ａ，７ｂの断面積Ａｈ，Ａｒとの関係において、
ｑ２＝ｑ１×（Ａｒ／Ａｈ）
に設定されている。
【００３５】
次に、具体構成を図２によって説明する。
【００３６】
電動機１３の回転数は、操作手段としての操作レバー（操作ペダルでもよい）１６の操作に基づく制御手段としてのコントローラ１７からの回転数指令信号によって低速（たとえば１００--ｒｐｍ）から高速（たとえば３，０００rｐｍ）まで制御される。１３ａはコントローラ１７からの指令に基づいて電動機回転数を設定する電動機制御器である。
【００３７】
なお、ここで操作レバー１６とは、レバーそのものと、レバー操作量を電気信号に変換する変換器から成るものをいう。
【００３８】
制御弁１２は、シリンダ７を停止保持するロック弁１８と、このロック弁１８を制御するとともに微操作域でシリンダ７の速度制御を行う流量調整弁１９と、チェック弁付きリリーフ弁２０から成っている。
【００３９】
ロック弁１８は、弁体２１を開弁方向に加圧する図左側の開き側圧力室２２と、弁体２１を閉弁方向に加圧する図右側の閉じ側圧力室２３を有し、この閉じ側圧力室２３に、閉じ側圧力にバネ力をプラスするスプリング２４が設けられている。
【００４０】
流量調整弁１９は、パイロットポンプ用電動機２５によって駆動されるパイロットポンプ２６からのパイロット圧と、レバー操作に基づくコントローラ１７からの電気指令信号とによって作動する電気・油圧パイロット式切換弁として構成され、レバー操作量に応じて図上側の第１の位置ａと、中間の第２の位置ｂと、下側の第３の位置ｃの間で切換わる。
【００４１】
また、この制御弁１２には、ロック弁１８の開き側圧力室２２とブームシリンダ７のヘッド側油室７ａとを結ぶ主通路２７と、ロック弁１８を迂回して流量調整弁１９経由でヘッド側油室７ａとヘッド側管路１０を結ぶ副通路２８と、ロック弁１８の両側圧力室２２，２３を流量調整弁１９を介して接続する連通路２９と、タンクＴに通じるタンク通路３０が設けられている。
【００４２】
流量調整弁１９の各位置ａ，ｂ，ｃで次のような作用が行われる。
【００４３】
第１の位置ａ
ロック弁１８の両側圧力室２２，２３が連通路２９により連通して同圧となり、この状態で弁体２１に閉じ側バネ力が加えられるため、弁体２１が閉じ側に押されてロック弁１８が閉じる。
【００４４】
この状態では、主通路２７が閉じ、このとき副通路２８も流量調整弁１９で閉じられるため、シリンダ７が停止保持（自然縮小が防止）される。
【００４５】
第２の位置ｂ
両側圧力室２２，２３は依然、連通路２９によって連通した状態となるため、ロック弁１８は閉じた状態のままとなる。
【００４６】
一方、副通路２８はレバー操作量に応じた開度で開き、この副通路２８を通じてシリンダヘッド側油室７ａの油が絞り作用を受けながらヘッド側管路１０に流れる。
【００４７】
第３の位置ｃ
閉じ側圧力室２３がタンク通路３０に連通するため、ヘッド側管路１０の圧力がスプリング２４のバネ力を上回るとロック弁１８が全開となって、シリンダヘッド側油室７ａの油が主通路２７（ロック弁１８）経由で殆ど絞り作用を受けずにヘッド側管路１０に流れる。
【００４８】
図２中、３１，３２はレバー操作に基づくコントローラ１７からの信号により作動してシリンダ作動時の余剰流量をタンクＴに戻す排出弁、３３，３４は逆に流量不足状態となったときにタンクＴから管路１０，１１に油を補充するチェック弁、３５，３６は両ポンプ１４，１５に必要に応じてタンク油を吸い込ませるチェック弁、３７はメインリリーフ弁である。
【００４９】
次に、このブームシリンダ回路全体の作用を説明する。
【００５０】
レバー１６がブーム下げ（シリンダ縮小）側に操作されると、コントローラ１７からの指令信号に基づいて電動機１３が回転し、第２ポンプ１５からの吐出油がシリンダロッド側油室７ｂに供給されてシリンダ７が縮小作動を開始する。
【００５１】
この場合、レバー操作量に応じたコントローラ１７からの指令信号によって電動機１３の回転数と制御弁１２（ロック弁１８及び流量調整弁１９）の状態が変化し、シリンダヘッド側油室７ａから出た油がこの状態変化に応じた流量制御作用を受けながら第１ポンプ１４に吸い込まれた後タンクＴに戻される。
【００５２】
このとき、上記流量制御作用によってシリンダ速度が制御され、かつ、第１ポンプ１４がモータ作用を行うことによって動力回生作用が行われる。
【００５３】
図３は、シリンダ縮小時におけるレバー操作量に基づくコントローラ１７の制御内容、すなわち、レバー操作量と、制御弁１２を通過する流量（以下、制御弁通過流量という）Ａ、及び第１ポンプ１４に吸い込まれる流量（以下、ポンプ吸い込み流量という）Ｂの関係を示している。
【００５４】
この制御によると、レバー操作量が小さい微操作域（図３横軸の数値でいうと「１０」以下の範囲）では、ロック弁１８が閉じ、流量調整弁１９が第２の位置ｂにセットされる。
【００５５】
この状態では、
Ａ＜Ｂ
となり、流量調整弁１９の第２の位置ｂでの開度（レバー操作量）によってブームシリンダ７の縮小速度が決まる。すなわち、制御弁１２による速度制御が行われる。
【００５６】
制御弁通過流量Ａ及びポンプ吸い込み流量Ｂは、ともに、レバー操作量の増加に応じて連続して増加し、レバー操作量が微操作域を超えると、図３に示すように制御弁通過流量Ａとポンプ吸い込み流量Ｂの関係は、上記微操作域とは逆に、
Ａ＞Ｂ
となる。
【００５７】
この状態では、第１ポンプ１４の吸い込み作用が追いつかずに制御弁１２と第１ポンプ１４との間（ヘッド側管路１０）に圧力が発生するため、第１ポンプ１４（電動機１３）の回転数によってシリンダ速度が制御される。
【００５８】
なお、レバー操作量が一定値に達すると、流量調整弁１９が第３の位置ｃに切換わってロック弁１８が全開となるが、このとき既に上記のように第１ポンプ１４に圧力が発生しており、ポンプ回転数による制御が行われているため、ロック弁１８の全開によるショックが無く、速度制御が、制御弁１２によるものからポンプ回転数によるものに滑らかに移行する。
【００５９】
このように、ブームシリンダ７の縮小作動時に、シリンダ速度を、微操作域では制御弁１２の絞り作用によって、これを超える操作域では第１ポンプ１４の回転数によってそれぞれ制御するため、微操作域での操作性が良く、しかもこれを超える操作域では制御弁１２での圧力損失を小さくして動力回生作用を効率良く行わせることができる。
【００６０】
一方、ブーム下げ（ブームシリンダ伸長）時には、制御弁１２のロック弁１８が全開となり、第１ポンプ１４からの吐出油がこのロック弁１８を介してシリンダヘッド側油室７ａに供給されることにより、シリンダ７がレバー操作量に応じた速度で伸長作動する。
【００６１】
このとき、シリンダロッド側油室７ｂから出た油は、ロッド側管路１１経由で第２ポンプ１５に吸い込まれてタンクＴに戻される。
【００６２】
このシリンダ伸長時には、縮小時と異なり、第１ポンプ１４の圧力でシリンダ７を作動させるため、微操作域を含む全操作域で電動機回転数（ポンプ回転数）による速度制御が行われる。
【００６３】
ただし、微操作域の小流量状態では圧力の変動の影響を受けて流量が変化し易いため、この実施形態では、微操作域で安定したポンプ流量が得られるように、コントローラ１７の制御によってポンプ回転数をレバー操作量に対して高めに設定し、その結果生じる実際流量とシリンダ必要流量との差（余剰）分を排出弁３１，３２でブリードオフする構成をとっている。
【００６４】
ところで、本発明は、とくに上記実施形態で挙げたブームシリンダ回路のようにシリンダのヘッド側に常に負荷圧が作用する回路に適するが、電動機駆動方式をとり、かつ、微操作域での速度制御が困難なシリンダ回路に広く適用することができる。
【００６５】
さらに、上記実施形態では、ロック弁１８を備えた制御弁１２を用いた場合を例示したが、シリンダ保持のためのロック弁１８と、微操作域での速度制御のための制御弁をそれぞれ独立した弁として別々に設けてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
上記のように本発明によるときは、電動機駆動方式をとり、かつ、油圧シリンダの縮小作動時に第２油圧ポンプからの油をロッド側油室に供給すると同時に、ヘッド側油室から出る油を第１油圧ポンプに吸い込ませた後タンクに放出することで動力回生を行う構成を前提として、油圧シリンダのヘッド側油室と第１油圧ポンプとの間に制御弁を設け、シリンダヘッド側油室から出た油がこの制御弁を通過する流量をＡ、第１油圧ポンプに吸い込まれる流量をＢとして、微操作域ではＡ＜Ｂとして制御弁によってシリンダ速度を制御し、これを超える操作域ではＡ＞Ｂとしてポンプ回転数によってシリンダ速度を制御する構成としたから、良好な微操作性と効率のよい動力回生を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるブームシリンダ回路の原理構成を示す図である。
【図２】同回路の具体的構成を示す図である。
【図３】コントローラによって制御されるレバー操作量と制御弁通過流量及びポンプ吸い込み流量の関係を示す図である。
【図４】このブームシリンダ回路が適用される油圧ショベルの概略側面図である。
【符号の説明】
７ブームシリンダ（油圧シリンダ）
７ａブームシリンダのヘッド側油室
７ｂ同ロッド側油室
１３電動機
１４第１油圧ポンプ
１５第２油圧ポンプ
１０ヘッド側管路
１１ロッド側管路
１２制御弁
１８制御弁を構成するロック弁
１９同流量調整弁
１６操作手段としてのレバー
１７制御手段としてのコントローラ

Claims

片側ロッド式の油圧シリンダと、この油圧シリンダのヘッド側油室に接続された第１油圧ポンプと、同シリンダのロッド側油室に接続された第２油圧ポンプと、この両油圧ポンプを駆動する電動機と、この電動機に対する回転数と回転方向の指令を出す操作手段と、この操作手段からの指令信号に基づいて電動機の回転数と回転方向を制御する制御手段とを具備し、かつ、上記油圧シリンダの縮小作動時に、上記第２油圧ポンプからの油をロッド側油室に供給すると同時に、ヘッド側油室から出る油を上記第１油圧ポンプに吸い込ませた後タンクに放出することで動力回生を行うように構成される一方、上記第１油圧ポンプと油圧シリンダのヘッド側油室とを結ぶヘッド側管路に上記制御手段によって制御される制御弁が設けられ、上記油圧シリンダの縮小作動時に、同シリンダのヘッド側油室から出た油がこの制御弁を通過する流量をＡ、上記第１油圧ポンプに吸い込まれる流量をＢとして、制御手段は、
（ｉ）上記操作手段の操作量が予め設定された値以下の微操作域では、Ａ＜Ｂとなって制御弁によってシリンダ速度が制御され、
（ｉｉ）この微操作域を超える操作域では、Ａ＞Ｂとなって油圧ポンプの回転数によってシリンダ速度が制御される
ように上記電動機の回転数及び制御弁を制御するように構成されたことを特徴とする油圧シリンダ回路。
請求項１記載の油圧シリンダ回路において、制御手段は、微操作域及びこれを超える操作域で、操作手段の操作量の増加に応じて制御弁通過流量Ａ及びポンプ吸い込み流量Ｂが連続して増加するように構成されたことを特徴とする油圧シリンダ回路。
請求項１または２記載の油圧シリンダ回路において、油圧シリンダはヘッド側に常時負荷圧が作用する状態で用いられ、制御弁は、油圧シリンダの停止時にヘッド側管路を閉じて負荷圧を保持し、かつ、微操作域を超える操作域で全開となるロック弁を有することを特徴とする油圧シリンダ回路。