JP3950438B2

JP3950438B2 - 油圧回路の油温制御方法

Info

Publication number: JP3950438B2
Application number: JP2003274239A
Authority: JP
Inventors: 育久澤田; 耕治岸田
Original assignee: 新キャタピラー三菱株式会社
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: JP2005036881A

Description

本発明は、ワークツールに応じた油温設定が可能な油圧回路の油温制御方法に関するものである。

図５に示されるように、作業機械または建設機械としての油圧ショベルは、下部走行体11に対し上部旋回体12が旋回可能に設けられ、この上部旋回体12にフロント作業機13が装着されているので、このフロント作業機13の先端にバケット（図示せず）を取付けた通常のバケットアプリケーションに加えて、他の作業アプリケーションに応じて、多種多様なワークツール14をフロント作業機13の先端に装着することができる。図には、ブレーカがワークツール14として取付けられている。また、上部旋回体12上にフロント作業機13とともに搭載されたキャブ15内には、制御手段の入出力装置として機能するモニタ（図示せず）が装備されている。

この油圧ショベルは、上部旋回体12に搭載されたエンジンにより駆動される油圧ポンプから、コントロール弁および配管を経て、下部走行体11の走行用油圧モータ、上部旋回体12の旋回用油圧モータ、フロント作業機13の各種油圧シリンダおよびワークツール14などに作動油を供給する油圧回路を備えており、さらに、ポンプロス、コントロール弁ロス、配管ロス、作業機などにより発熱した作動油を冷却するためオイルクーラを装備している。

そして、油圧回路の作動油の温度を油温センサにより検出し、この油温センサにより検出された検出油温に応じて、オイルクーラに設けられた冷却ファンを駆動する油圧モータなどを制御して、ファン回転速度を制御することで、油圧回路の作動油を検出油温に応じて冷却するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−４９４２７号公報（第３−４頁、図１）

油圧ショベルのワークツール14の中には、ブレーカのように内部のピストンシールおよび切換弁が円滑に作動するように、ワークツール入口の上限油温を規定しているものがある。

作動油の温度が上限油温を超えてしまうと、ピストンシールの劣化や、作動油の粘性低下により切換弁が円滑に作動しない現象「かじり」が起こり、ワークツール14の破損につながるおそれがある。

このワークツール14の上限油温は、ワークツール以外の機体側アクチュエータの上限油温より10〜15℃ほど低いにもかかわらず、従来は、バケットアプリケーションでの冷却能力を他のワークツール14にも適用していたため、ワークツール14に適した冷却能力を確保できず、ワークツール14の上限油温を保てなかった。

このように、従来のシステムは、ワークツール14に応じたクーリング能力を確保しておらず、その結果、ワークツール14での油漏れ、ワークツール14の破損および寿命短縮、ワークツール14でのコンタミネーション吸込みによる機体側コンポーネントの破損が発生している。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、ワークツールに応じた適切なクーリング能力を確保できる油圧回路の油温制御方法を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、ポンプ吐出流量を調整可能な油圧ポンプから作業機械のワークツールに加圧供給された作動油の温度を油温センサにより検出し、この油温センサにより検出された検出油温に応じて、冷却ファンにより作動油を冷却するオイルクーラのファン回転速度を制御する油圧回路の油温制御方法であって、設定油温を制御手段にセットし、制御手段は、検出油温を設定油温と比較し、検出油温が設定油温より高くなると検出油温と設定油温との温度差に応じてオイルクーラのファン回転速度を制御し、ファン回転速度が上限値に達したときはワークツールに作動油を供給する油圧ポンプのポンプ吐出流量を低減制御し、検出油温が設定油温より低く設定されたポンプ吐出流量復帰油温より低下したときにポンプ吐出流量を低減制御前に復帰させてファン回転速度の制御に戻す油圧回路の油温制御方法であり、ワークツールに応じて設定油温を設定して、設定油温センサにより検出された検出油温がワークツールに応じて設定された設定油温を上回るときは、オイルクーラのファン回転速度が上限値に達していないことを条件に、ファン回転速度を制御するが、このファン回転速度が限界値に達した場合は、油圧ポンプのポンプ吐出流量を低減制御し、検出油温がポンプ吐出流量復帰油温より低下したときにポンプ吐出流量を低減制御前に復帰させてファン回転速度の制御に戻すので、ワークツールに応じた適切なクーリング能力を確保でき、特に、オイルクーラのファン回転速度制御と油圧ポンプのポンプ吐出流量低減制御とを自在に組合せることができる方法であるから、ファン回転速度制御の限界を補って、ワークツールに供給される作動油の油温上昇を効果的に抑えることができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の油圧回路の油温制御方法において、油圧ショベルのフロント作業機にワークツールが装着されるごとに、装着されたワークツールに応じて変更された設定油温に基づきオイルクーラのファン回転速度制御および油圧ポンプのポンプ吐出流量低減制御をする方法であり、油圧ショベルにワークツールが装着される度に、対応して変更された設定油温に基づいて、オイルクーラのファン回転速度を制御し、必要に応じてポンプ吐出流量を低減制御するので、ワークツールに応じた適切なクーリング能力により、ワークツールでの油漏れ、ワークツールの破損および寿命短縮、コンタミネーション吸込みによる油圧ショベル機体側コンポーネントの破損などを改善できる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の油圧回路の油温制御方法における制御手段が、ワークツールに応じて手操作入力された設定油温を記憶するとともに、この設定油温に基づきポンプ吐出流量復帰油温を自動的に設定する方法であり、手操作入力によりワークツールに応じた任意の設定油温を自由に設定できるとともに、ポンプ吐出流量復帰油温を簡単に設定できる。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の油圧回路の油温制御方法における制御手段が、使用可能な複数のワークツールに対応した複数の設定油温を内蔵する複数のツールモードを有し、使用するワークツールに対応するツールモードをモニタに表示し、このモニタを通じてツールモードを選択することにより対応するワークツールの設定油温およびポンプ吐出流量復帰油温を自動的に設定する方法であり、複数のワークツールに対応するツールモードの中から、使用するワークツールのツールモードをモニタを通じて選択するのみで、そのワークツールに適する設定油温およびポンプ吐出流量復帰油温を簡単に設定できる。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか記載の油圧回路の油温制御方法における制御手段が、ワークツールの正常な機能を維持できる上限油温より所定値低い油温を設定油温としてファン回転速度制御を開始する方法であり、油温センサからの検出油温がワークツールの正常な機能を維持できる上限油温に達する前に、この上限油温より所定値低い設定油温を基準としてファン回転速度制御を開始するので、ワークツールの正常な機能を維持できる上限油温を、検出油温がオーバシュートするおそれを防止でき、ワークツールで高温作動油により発生する問題を確実に解消できる。

本発明によれば、油温センサにより検出された検出油温がワークツールに応じて設定された設定油温を上回るときは、オイルクーラのファン回転速度が上限値に達していないことを条件に、ファン回転速度を制御するが、これらのファン回転速度が限界値に達した場合は、油圧ポンプのポンプ吐出流量を低減制御し、検出油温がポンプ吐出流量復帰油温より低下したときにポンプ吐出流量を低減制御前に復帰させてファン回転速度の制御に戻すので、ワークツールに応じた適切なクーリング能力を確保でき、特に、オイルクーラのファン回転速度制御と油圧ポンプのポンプ吐出流量低減制御とを自在に組合せることができる方法であるから、ファン回転速度制御の限界を補って、ワークツールに供給される作動油の油温上昇を効果的に抑えることができる。

図１は、本発明に係る油圧回路の油温制御方法の一実施の形態を示し、図２は、その油温制御方法の他の実施の形態を示し、図３は、その油温制御方法の実施に使用する油圧回路および制御回路の一実施の形態を示し、図４は、その油圧回路および制御回路の他の実施の形態を示す。

図５に示されたブレーカなどのワークツール14を装備した作業機械または建設機械としての油圧ショベルは、図３に示されるように、エンジン20と、このエンジン20により駆動されレギュレータ21および斜板22などの容量可変手段によりポンプ吐出流量すなわち単位時間当りのポンプ吐出量（以下、単に「ポンプ吐出量」という）を調整可能な複数の油圧ポンプ23と、これらの油圧ポンプ23から吐出された作動油を方向制御および流量制御するコントロール弁24とを備えている。

さらに、この油圧ショベルは、コントロール弁24を経てワークツール14などに加圧供給された作動油をリターンフィルタ25を経て回収する油タンク26と、この油タンク26内に戻される戻り油を冷却ファン27により冷却するオイルクーラ28と、油タンク26内またはワークツール入口または圧油サクション側に設けられて作動油の温度を検出する油温センサ29と、この油温センサ29により検出された検出油温に応じてキャブ15内のモニタ30で設定された油温を目標としてオイルクーラ28のファン回転速度すなわち単位時間当りのファン回転数（以下、単に「ファン回転数」という）を制御する制御手段としての機体電子制御モジュール（以下、電子制御モジュールを「ＥＣＭ」という）31とを備えている。

油圧ポンプ23のレギュレータ21は、パイロットポンプ32から供給されるパイロット油圧を、機体ＥＣＭ31から出力されるポンプ制御信号に応じて作動する電磁比例弁33によって制御することで、変位制御され、斜板22の傾転角を調整して油圧ポンプ23のポンプ吐出量を調整する。

そして、オイルクーラ28の冷却ファン27は、エンジン20によりメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34を介して駆動されるが、これらのメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34を、機体ＥＣＭ31から出力されるファン制御信号に応じて制御することで、冷却ファン27のファン回転数を可変制御する。

また、オイルクーラ28には、バイパスバルブ35が並列に接続されていて、オイルクーラ28のクーリング能力を高める場合は、バイパスバルブ35を絞ることでオイルクーラ28に分配される戻り油量を増加させるか、冷却ファン27のファン回転数を上げるようにメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34を制御する。なお、動粘度の高い作動油を使用する場合は、バイパスバルブ35を開けることでオイルクーラ28に分配される戻り油量を減少させるか、冷却ファン27のファン回転数を下げるようにメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34を制御する。

この図３に示された実施の形態は、エンジンによりメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34を介してオイルクーラ28の冷却ファン27を駆動する駆動方式であるが、本発明は、この駆動方式に限定されものではない。

例えば、図４に示される実施の形態は、エンジン20により連動機構42を介して駆動されるとともにレギュレータ43および斜板44などの容量可変手段によりポンプ吐出量を調整可能なファン用油圧ポンプ45を設置し、このファン用油圧ポンプ45の吐出口に、リリーフ弁46が接続された管路47を介して、ファン用油圧モータ48が接続されている。

そして、ファン用油圧ポンプ45のレギュレータ43は、パイロットポンプ32から供給されるパイロット油圧を、機体ＥＣＭ31から出力されるポンプ制御信号に応じて作動する電磁比例弁49によって制御することで、変位制御され、斜板44の傾転角を調整してファン用油圧ポンプ45のポンプ吐出量を調整する。このファン用油圧ポンプ45のポンプ吐出量を調整することで、ファン用油圧モータ48のモータ回転数を可変制御し、冷却ファン27のファン回転数を可変制御する。

また、リリーフ弁46は、比例電磁式リリーフ弁であり、機体ＥＣＭ31から出力される制御信号によって、このリリーフ弁46を調整することによっても、冷却ファン27のファン回転数を可変制御することが可能である。

なお、この図４に示された他の部分は、図３に示されたものと同様であるから、同一符号を付して、その説明を省略する。

次に、機体ＥＣＭ31による油温制御方法の一実施の形態を、図１に示された制御フローに基づいて説明する。なお、図中の丸数字は、制御手順を示すステップ番号である。

（ステップ１）
油圧ショベルのエンジンキースイッチをオンにする。

（ステップ２）
機体のキャブ15内に装備されたモニタ30から、設定油温を入力するか否かの問いかけがあるので、フロント作業機13に装着されたワークツール14の種類に応じて、制御目標となる設定油温を入力するか否かを判断する。

（ステップ３）
フロント作業機13の先端部に通常のバケットが装着されている場合は、既に設定済みの標準の設定油温を用いるので、新たに設定油温を入力することはしない。

（ステップ４）
ステップ２において、フロント作業機13のバケットをブレーカなどのワークツール14に交換した場合は、ＹＥＳを選択し、モニタ30を通じて、ワークツール14に応じた設定油温Ｔiを、機体ＥＣＭ31に手操作入力でセットする。この設定油温Ｔiは、ワークツール14が正常に機能する上での上限油温より所定値低い油温が望ましい。

（ステップ５）
機体ＥＣＭ31は、設定油温Ｔiに基づきポンプ吐出流量復帰油温としてのポンプ吐出量復帰油温Ｔrを、例えば演算式
Ｔr＝Ｔi−５（℃）により、自動的に演算して設定する。

（ステップ６）
機体ＥＣＭ31は、このワークツール14に応じて手操作入力された設定油温Ｔi、およびこの設定油温Ｔiから算出されたポンプ吐出量復帰油温Ｔrをメモリに格納すなわち記憶する。

（ステップ７）
機体ＥＣＭ31は、メモリに格納した設定油温Ｔiをキャブ15内のモニタ30に表示する。

（ステップ８）
機体ＥＣＭ31は、油温センサ29が検出した油タンク26内の作動油温度またはワークツール入口での作動油温度すなわちワークツール入口温度を検出油温ｔとして、この検出油温ｔをワークツール14に応じた設定油温Ｔiと比較する。

（ステップ９）
油温センサ29から出力された検出油温ｔが設定油温Ｔiより高くなると、機体ＥＣＭ31は、検出油温ｔと設定油温Ｔi間の温度差との関係で予め決定されたファン回転数増加率の記憶データから、制御しようとする冷却ファン27の目標ファン回転数Ｒを求める。

（ステップ10）
オイルクーラ28のファン回転数は、通常、コンポーネントの制約上、上限値すなわち限界ファン回転数Ｒ_Ｌが規定されているので、機体ＥＣＭ31は、上記目標ファン回転数Ｒがこの限界ファン回転数Ｒ_Ｌより低いか否かを判断する。

（ステップ11）
目標ファン回転数Ｒがこの限界ファン回転数Ｒ_Ｌより低い場合は、冷却能力を増加させるため、検出油温ｔと設定油温Ｔiとの温度差に応じたファン回転数増加率で、オイルクーラ28のファン回転数を制御する。

具体的には、機体ＥＣＭ31からの制御信号により、冷却ファン27を駆動するメカニカルクラッチまたは流体クラッチ34の出力回転数を制御するか、または電磁比例弁49によりファン用油圧ポンプ45のレギュレータ43を制御してポンプ吐出量を制御することで冷却ファン27を駆動するファン用油圧モータ48のモータ回転数を制御する。

（ステップ12）
一方、ステップ10において、目標ファン回転数Ｒが限界ファン回転数Ｒ_Ｌより大きい場合は、オイルクーラ28のファン回転数は上限値に達していて、それ以上のファン増速制御は不可能であるので、このような場合は、機体ＥＣＭ31は、油圧ポンプ23からコントロール弁24を経てワークツール14に供給される作動油流量すなわちポンプ吐出量を低減させるように、電磁比例弁33を介しレギュレータ21を制御し、斜板22を介し油圧ポンプ23を制御する。

（ステップ13）
油圧ポンプ23のポンプ吐出量を低減させることで、作動油の検出油温ｔは低下するので、機体ＥＣＭ31は、油温センサ29による検出油温ｔが、ポンプ吐出量復帰油温Ｔrより低下したか否かを常に判断している。

（ステップ14）
油温センサ29による検出油温ｔが、ポンプ吐出量復帰油温Ｔrより低下したときに、油圧ポンプ23のレギュレータ21を元に戻して、そのポンプ吐出量を低減制御前に復帰させ、ファン回転数の制御（ステップ８〜11）に戻る。

このようにして、図５に示されるような油圧ショベルのフロント作業機13にブレーカなどのワークツール14が装着されるごとに、装着されたワークツール14に応じて変更された設定油温に基づき、オイルクーラ28のファン回転数制御および油圧ポンプ23のポンプ吐出量低減制御をする。

このような実施の形態を採用したので、次のような効果がある。

油温センサ29により検出された検出油温ｔがワークツール14に応じて設定された設定油温Ｔiを上回るときは、オイルクーラ28のファン回転数が上限値に達していないことを条件に、冷却ファン27の目標ファン回転数Ｒを制御するが、この目標ファン回転数Ｒが限界値すなわち限界ファン回転数Ｒ_Ｌを上回る場合は、油圧ポンプ23のポンプ吐出量を低減制御し、検出油温ｔがポンプ吐出量復帰油温Ｔrより低下したときにポンプ吐出量を低減制御前に復帰させて、冷却ファン27のファン回転数の制御に戻すので、ワークツール14に応じた適切なクーリング能力を確保でき、特に、オイルクーラ28のファン回転数制御と油圧ポンプ23のポンプ吐出量低減制御とを自在に組合せることができる方法であるから、ファン回転数制御の限界を補って、ワークツール14に供給される作動油の油温上昇を効果的に抑えることができる。

すなわち、各ワークツール14に応じた設定油温Ｔiを保つため、オイルクーラ28のファン回転数による冷却風量を調整して各ワークツール14に応じたクーリング能力を確保できるとともに、ワークツール14に作動油を供給する油圧ポンプ23のポンプ吐出量を必要に応じて低下させることにより、ワークツール入口温度などの検出油温ｔを設定油温Ｔi以下に管理できる。

このシステムを採用することにより、油圧ショベルにワークツール14が装着される度に、オイルクーラ28のファン回転数を制御し、必要に応じてポンプ吐出量を低減制御するので、ワークツール14に応じた適切なクーリング能力により、従来のシステムでの不具合、すなわちワークツール14での油漏れ、ワークツール14の破損および寿命短縮、コンタミネーション吸込みによる油圧ショベル機体側コンポーネントの破損などを改善できる。

手操作入力によりワークツール14に応じた任意の設定油温Ｔiを自由に設定できるとともに、ポンプ吐出量復帰油温Ｔrを簡単に設定できる。

油温センサ29からの検出油温ｔがワークツール14の正常な機能を維持できる上限油温に達する前に、この上限油温より所定値低い設定油温Ｔiを基準としてファン回転数制御を開始するので、検出油温ｔがワークツール14の正常な機能を維持できる上限油温をオーバシュートするおそれを防止でき、ワークツール14で高温作動油により発生する問題を確実に解消できる。

次に、機体ＥＣＭ31による油温制御方法の他の実施の形態を、図２に示された制御フローに基づいて説明する。なお、この図２において、最初の油温設定方法は、図１に示されたものと異なるが、油温調整方法は、図１に示されたものと同一であるから、その説明を省略する。

（ステップ21）
油圧ショベルのエンジンキースイッチをオンにする。

（ステップ22）
機体のキャブ15内に装備されたモニタ30に、フロント作業機13に使用可能な複数のワークツールの全てに対応するツールモードが表示されるので、そのツールモードの中から、フロント作業機13に実装されたワークツール14のツールモードを選択する。

（ステップ23）
各ツールモードには、各ワークツール14を適切に作動させる設定油温Ｔiを含む制御パラメータセットが内蔵されているので、オペレータがモニタ30を通じて、使用するワークツール14のツールモードを選択することにより、対応するワークツール14の設定油温Ｔiが機体ＥＣＭ31に自動的にセットされる。この設定油温Ｔiは、ワークツール14の正常な機能を維持できる上限油温より所定値低い油温である。

（ステップ24）
同時に、設定油温Ｔiに基づきポンプ吐出量復帰油温Ｔrが、例えば演算式
Ｔr＝Ｔi−５（℃）により、自動的に演算されて設定される。

（ステップ25）
設定油温Ｔiは、キャブ15内のモニタ30に表示される。

（ステップ26〜32）
ステップ８〜14と同様に、機体ＥＣＭ31は、検出油温ｔと設定油温Ｔiとの温度差に応じて、冷却ファン27のファン回転数制御を開始し、ファン回転数制御が不可能な領域では、油圧ポンプ23のポンプ吐出量を低減制御する。

この図２に示された実施の形態によれば、図１に示された実施の形態の効果に加えて、複数のワークツール14に対応するツールモードの中から、使用するワークツール14のツールモードをモニタ30を通じて選択するのみで、そのワークツール14に適する設定油温Ｔiおよびポンプ吐出量復帰油温Ｔrなどを簡単に設定できる効果が得られる。

また、油温センサ29から出力された検出油温ｔがワークツール14の正常な機能を維持できる上限油温を超えてから、オイルクーラ28のファン回転数を増速制御しても、検出油温ｔがオーバシュートしてしまうが、これを防止するため、機体ＥＣＭ31は、予め各ワークツール14の正常な機能を維持できる上限油温からある値（パラメータ）を差し引いた温度を設定油温Ｔiとし、この設定油温Ｔiよりファン回転数制御を開始することで、検出油温ｔのオーバシュートを防止できる。

本発明に係る油圧回路の油温制御方法の一実施の形態を示すフローチャートである。その油温制御方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。その油温制御方法の実施に使用する油圧回路および制御回路の一実施の形態を示す回路図である。その油圧回路および制御回路の他の実施の形態を示す回路図である。同上油温制御方法が適用される油圧ショベルの斜視図である。

符号の説明

13 フロント作業機
14 ワークツール
23 油圧ポンプ
27 冷却ファン
28 オイルクーラ
29 油温センサ
30 モニタ
31 制御手段としての機体ＥＣＭ
ｔ検出油温
Ｔi 設定油温
Ｔr ポンプ吐出流量復帰油温としてのポンプ吐出量復帰油温

Claims

ポンプ吐出流量を調整可能な油圧ポンプから作業機械のワークツールに加圧供給された作動油の温度を油温センサにより検出し、この油温センサにより検出された検出油温に応じて、冷却ファンにより作動油を冷却するオイルクーラのファン回転速度を制御する油圧回路の油温制御方法であって、
設定油温を制御手段にセットし、
制御手段は、
検出油温を設定油温と比較し、
検出油温が設定油温より高くなると検出油温と設定油温との温度差に応じてオイルクーラのファン回転速度を制御し、
ファン回転速度が上限値に達したときはワークツールに作動油を供給する油圧ポンプのポンプ吐出流量を低減制御し、
検出油温が設定油温より低く設定されたポンプ吐出流量復帰油温より低下したときにポンプ吐出流量を低減制御前に復帰させてファン回転速度の制御に戻す
ことを特徴とする油圧回路の油温制御方法。
油圧ショベルのフロント作業機にワークツールが装着されるごとに、装着されたワークツールに応じて変更された設定油温に基づきオイルクーラのファン回転速度制御および油圧ポンプのポンプ吐出流量低減制御をする
ことを特徴とする請求項１記載の油圧回路の油温制御方法。
制御手段は、
ワークツールに応じて手操作入力された設定油温を記憶するとともに、この設定油温に基づきポンプ吐出流量復帰油温を自動的に設定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の油圧回路の油温制御方法。
制御手段は、
使用可能な複数のワークツールに対応した複数の設定油温を内蔵する複数のツールモードを有し、
使用するワークツールに対応するツールモードをモニタに表示し、このモニタを通じてツールモードを選択することにより対応するワークツールの設定油温およびポンプ吐出流量復帰油温を自動的に設定する
ことを特徴とする請求項１または２記載の油圧回路の油温制御方法。
制御手段は、
ワークツールの正常な機能を維持できる上限油温より所定値低い油温を設定油温としてファン回転速度制御を開始する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の油圧回路の油温制御方法。