JP4754600B2 - 作業機の油圧システム - Google Patents

Description

本発明は、バックホー等の作業機の油圧システムに関する。

従来より、バックホー等の作業機の油圧システムは、油圧等のアクチュエータを作動させることでアームやブーム等のアタッチメントが動作するものである。
詳しくは、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る。制御部では、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る。そして、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（例えば、特許文献１）。
特開２００７−１７７６３５号公報

特許文献１の作業機の油圧システムにおいて、アクチュエータを作動させた際にアクチュエータの作動に起因する作動音が発生するという問題があった。
本発明は上記問題点に鑑み、油圧式のアクチュエータを快適に作動させつつ油圧アクチュエータの作動に起因する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。

この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、作業を行うための油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを操作する操作部材と、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、前記操作部材の操作量に応じて比例電磁弁の平均電流を制御する制御部とを備えた作業機の油圧システムにおいて、前記制御部は、前記操作部材の操作量に対応して電圧変調により生成されたパルス制御信号を前記比例電磁弁に出力することにより当該比例電磁弁の平均電流を制御すると共に、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るように比例電磁弁の電流ディザ振幅を所定値に制御する電流制御手段を備え、前記電流制御手段は、前記操作量に応じて設定された前記平均電流と、前記所定値に設定された電流ディザ振幅との両者が満たされるように、前記パルス制御信号の周期を一定にしてデューティ比を制御するように構成されている点にある。

発明者は、油圧アクチュエータを作動させた際に油圧アクチュエータの作動に起因する作動音の原因について様々な角度から検証を行った。
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。

そこで、発明者は、作動油の脈動の原因の１つである比例制御弁のパイロット油に着目し、比例電磁弁の電流ディザ振幅を抑制してパイロット油の脈動を抑えることで、油圧アクチュエータの微動幅を小さくし、最終的に、油圧アクチュエータの作動に起因する作動音を抑えることに着目した。
発明者は、さらに、作動音を抑えるための比例電磁弁の電流ディザ振幅の制御について検証を進めたところ、操作部材に対応して設定される比例電磁弁の平均電流と設定された電流ディザ振幅との両方を満たすには、比例電磁弁の電流を制御するためのパルス制御信号の周期を一定にしてデューティ比を制御することを見出した。

前記電流制御手段は、所定のデューティ比に対する平均電流と電流ディザ振幅との関係に基づき、パルス制御信号のデューティ比を制御するように構成されていることが好ましい。
前記電流制御手段は、前記比例電磁弁の制御する制御範囲が低電流領域であって、当該低電流領域で電流ディザ振幅が所定値になるように、パルス制御信号のデューティ比を設定して、前記電流ディザ振幅を制御するように構成されていることが好ましい。

本発明によれば、、油圧アクチュエータを快適に作動させつつ油圧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。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図７は、バックホー等の作業機を示している。
図７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。

旋回体３は、走行装置２上に旋回ベアリング１１を介して上下方向の旋回軸回りに左右旋回自在に支持された旋回台１２と、該旋回台１２の前部に備えられた作業装置１３（掘削装置）とを有している。旋回台１２上には、エンジン７，ラジエータ８，運転席９，燃料タンク，作動油タンク等が設けられている。また、旋回台１２上には運転席９を囲むキャビン１４が設けられ、前記エンジン７は左右方向右側に配置されて開閉ボンネット等で覆われている。
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。

スイングブラケット１７は、旋回台１２内に備えられたスイングシリンダの伸縮によって揺動され、ブーム１８は、該ブーム１８とスイングブラケット１７との間に介装されたブームシリンダ２２の伸縮によって揺動され、アーム１９は、該アーム１９とブーム１８との間に介装されたアームシリンダ２３の伸縮によって揺動され、バケット２０は、該バケット２０とアーム１９との間に介装されたバケットシリンダ２１の伸縮によってスクイ・ダンプ動作される。
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。

また、アーム１９の先端部には、ＳＰ用アタッチメントを作動させるためのＳＰ用アクチューエータに対し、作動油を供給する作動油供給部（図示省略）が設けられている。運転席９の近傍又はキャビン１４内には、ブームシリンダ２２、アームシリンダ２３、バケットシリンダ２１等のアクチュエータ及びＳＰ用アクチュエータとの各種アクチューエータＡ（各種アタッチメント）を操作する操作部材２５が左右方向又は前後方向に揺動自在に支持されている。操作部材２５の操作量は、ポジションメータやセンサ等で検出されるようになっている。

図１〜図２は、各種アクチュエータを作動させる油圧システムを示している。
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、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。

制御部３１には、操作部材２５の操作量（例えば、操作角度θ）に対応した電圧等の操作信号Ｓ１が入力され、この操作信号Ｓ１に基づいて求められた制御信号Ｓ２が比例電磁弁２８，２８に入力されるものとなっている。
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。

一方で、操作部材２５を中立位置側より右側に揺動させると、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）を右側用の比例電磁弁２８Ｒのソレノイド３２Ｒに出力し、ソレノイド３２Ｒの電流を制御するものとなっている。ソレノイド３２Ｒ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。

制御部３１は、操作部材２５の操作に対応して各比例電磁弁２８，２８の電流を制御する電流制御手段３３を備えており、当該電流制御手段３３は、例えば、操作部材２５の操作量が徐々に大きくなるにしたがって比例電磁弁２８の電流（平均電流）が徐々に大きくなるように制御信号Ｓ２の出力波形を調整し、操作部材２５の操作量が徐々に小さくなるにしたがって比例電磁弁２８の電流（平均電流）が徐々に小さくなるように制御信号Ｓ２の出力波形を調整する。
比例電磁弁２８を制御するにあたっては、ＰＷＭ制御によって電圧変調させたものを制御信号Ｓ２としており、電圧変調された制御信号Ｓ２によって、比例電磁弁２８の電流（電流波形）は所定の振幅（以降、電流ディザ振幅という）を有したものとなる［図５（ｃ）参照］。

本発明では、後述するように、比例電磁弁２８の電流ディザ振幅ＩＡを所定値範囲に制御することによって、油圧シリンダＡが作動したときに発生する作動音を抑制するものとしている。
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ＩＡの増加に応じて次第に大きくなる。

油圧シリンダＡの作動音がしない無音領域では、電流ディザ振幅ＩＡが存在していても、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小さいと考えられる。パイロット油の脈動が小さいと、制御弁２７における作動油の脈動も比較的小さく、脈動した作動油が油圧シリンダＡに供給されたとしても、油圧シリンダＡ内で作動油の脈動が許容され、油圧シリンダＡが殆ど伸縮せず、油圧シリンダＡとアタッチメントとの接続部分の干渉による音も発生しない。
一方で、油圧シリンダＡの作動音する有音領域では、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い。パイロット油の脈動が大きい、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。

したがって、電流ディザ振幅ＩＡの制御により作動音を抑制するには、少なくとも、電流ディザ振幅ＩＡを１０００ｍＡ以下にする必要がある。
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。

比例電磁弁２８の電流ディザ振幅ＩＡを変化させた様々な実験を行った結果、図４の閾値ラインＬ１に示すように、電流ディザ振幅ＩＡは６００ｍＡ以上にすることがなおよいことが分かった。
以上により、電流制御手段３３は、比例電磁弁２８の応答性を維持つつ（スプールを滑らかに作動させる）作動音を抑制するために、電流ディザ振幅ＩＡを６００ｍＡ〜１０００ｍＡの範囲に制御する。なお、作動音を抑制のみを重視する場合は、電流ディザ振幅ＩＡを１０００ｍＡ以下にするのがよい。

即ち、電流制御手段３３は、上述したように、操作部材２５の操作量に応じて比例電磁弁２８の平均電流を制御すると共に、電流ディザ振幅ＩＡも制御するものとなっている。
次に、比例電磁弁２８の平均電流と電流ディザ振幅ＩＡについて説明する。
図５（ａ）〜図５（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５（ｃ）は、比例電磁弁２８の電流の変化を示したものである。
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の電流、即ち、平均電流を制御すると共に、電流ディザ振幅ＩＡを６００ｍＡ〜１０００ｍＡの範囲に制御するものであるが、これら平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡは、比例電磁弁２８に出力する制御信号Ｓ２の波形によって決定する。

比例電磁弁２８に出力する制御信号Ｓ２の波形は、電圧変調により生成されたものであって、一定区間内での周波数やデューティー比によって、図５（ｂ）に示すように、見かけ上、周期Ｔ（周波数）が一定のパルスであるパルス制御信号Ｓ３の高電位側を形成するための高電位形成区間Ｋ１と、パルス制御信号Ｓ３の低電位側を形成する低電位形成区間Ｋ２とを備えたものである。
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５（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５（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ことがある。）
図５（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５（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における波形を変更することによって、平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡを設定するものとなっている。
図５（ｂ）に示すように、例えば、パルス制御信号Ｓ３での周期Ｔ及びデューティ比（τ ／Ｔ）を一定にした場合は、図５（ｃ）に示すように、電流ディザ振幅ＩＡはパルス制御信号Ｓ３に対応して一定の振幅を繰り返すものとなる。
さて、パルス制御信号Ｓ３の周期が一定であるとして、所定のデューティ比に対する平均電流と電流ディザ振幅ＩＡとの関係は、図６に示すものとなる。即ち、図６は、パルス制御信号Ｓのデューティ比を固定してパルス制御信号Ｓ３の電圧（高電位や低電位）を所定範囲（例えば、バッテリー電圧の０Ｖ〜１２Ｖ）変化させた場合での平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡが制御できる範囲をデューティ比毎に図示したもので、デューティ比に対応したライン内が制御範囲となる。例えば、デューティ比が５０％であると、ラインＬ２及びラインＬ３に囲まれた部分が、平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡが制御できる範囲である。

図６に示すように、パルス制御信号Ｓ３の電圧を所定範囲で変化させた場合、パルス制御信号Ｓのデューティ比が５０％であるときが最も電流ディザ振幅ＩＡを大きくすることができる。また、パルス制御信号Ｓ３の電圧を所定範囲で変化させた場合、パルス制御信号Ｓのデューティ比が５０％よりも小さくなるにしたがって平均電流が小さくなると共に電流ディザ振幅ＩＡも小さくすることができる。さらに、パルス制御信号Ｓ３の電圧を所定範囲で変化させた場合、パルス制御信号Ｓのデューティ比が５０％よりも大きくなるにしたがって平均電流が大きくなると共に電流ディザ振幅ＩＡは小さくすることができる。

ここで、例えば、操作部材２５の操作量によって平均電流の目標値がＪ１に設定されていて電流ディザ振幅ＩＡの目標値がＫ１に設定されている場合、パルス制御信号Ｓ３においてデューティ比を５０％に設定しても、設定領域から外れているために、平均電流の目標値Ｊ１及び電流ディザ振幅ＩＡの目標値Ｋ１の両方を満たすことができない。
本発明の電流制御手段３３では、図６に示す所定のデューティ比に対する平均電流と電流ディザ振幅ＩＡとの関係に基づき、平均電流の目標値Ｊ１及び電流ディザ振幅ＩＡの目標値Ｋ１の両方を満たすことができるように、例えば、パルス制御信号Ｓのデューティ比を５０％よりも小さい３０％にして、比例電磁弁２８の平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡを制御するようにしている。説明の便宜上、図６に示す所定のデューティ比に対する平均電流と電流ディザ振幅との関係図を制御マップということにする。

さらに詳しくは、電流制御手段３３は、制御マップにおいて、油圧シリンダＡの音を抑制するために制御する電流ディザ振幅ＩＡの範囲（６００ｍＡ〜１０００ｍＡ）を範囲Ｚとすると、パルス制御信号Ｓによって制御された電流ディザ振幅ＩＡが範囲Ｚ内となり、且つ、操作量に対応した平均電流を満たすように、パルス制御信号Ｓのデューティ比を選択して制御を行う。
特に、制御マップに示すように、デューティ比が５０％よりも大きくすると、平均電流が小さくなった（例えば、平均電流がＪ１未満）ときに、電流ディザ振幅ＩＡを所定範囲Ｚ内にすることができないため、電流制御手段３３は、平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡを制御するにあたっては、パルス制御信号Ｓ３のデューティ比を５０％よりも小さくする。例えば、作業機の油圧システムで用いる比例電磁弁２８の制御領域（平均電流の制御領域）がＪ１から小さくなる低電流領域（０〜Ｊ１）であるとすると、この低電流領域内で電流ディザ振幅ＩＡの範囲Ｚを制御できるデューティ比で、比例電磁弁２８を制御することが好ましい。具体的には、この実施形態では、上述したようにデューティ比が５０％よりも小さい３０％のデューティ比で制御することになる。

以上、本発明によれば、電流制御手段３３は、平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡを制御するにあたって、操作部材２５の操作量に対応して電圧変調により生成されたパルス制御信号Ｓ３の周期（周波数）は一定で、パルス制御信号Ｓ３の高電位及び低電位の設定、及び、デューティ比の設定によって、平均電流と電流ディザ振幅ＩＡとの両者が所定のものになるようにしている。
したがって、比例電磁弁２８の平均電流及び電流ディザ振幅ＩＡを制御するにあたり、この両者を周期（周波数）を変更することなく制御できるようになったので、制御部３１による制御速度は維持したまま、アクチュエータＡが作動したときの作動音を抑制すると共に、比例電磁弁２８の応答性が低下することもない。

油圧システムの制御部の構成を示した図である。 油圧システムの油圧経路の構成を示した図である。 電流ディザ振幅と油圧シリンダの作動時の音との関係を示した図である。 電流ディザ振幅とヒステリシスとの関係を示した図である。 制御信号の出力電圧と比例電磁弁の電流との関係を示した図である。 所定のデューティ比に対しての平均電流と電流ディザ振幅の関係を示した図である。 作業機の全体側面図である。

符号の説明

１ 作業機
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 (3)

1. 作業を行うための油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを操作する操作部材と、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、前記操作部材の操作量に応じて比例電磁弁の平均電流を制御する制御部とを備えた作業機の油圧システムにおいて、
   前記制御部は、前記操作部材の操作量に対応して電圧変調により生成されたパルス制御信号を前記比例電磁弁に出力することにより当該比例電磁弁の平均電流を制御すると共に、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るように比例電磁弁の電流ディザ振幅を所定値に制御する電流制御手段を備え、
   前記電流制御手段は、前記操作量に応じて設定された前記平均電流と、前記所定値に設定された電流ディザ振幅との両者が満たされるように、前記パルス制御信号の周期を一定にしてデューティ比を制御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。
2. 前記電流制御手段は、所定のデューティ比に対する平均電流と電流ディザ振幅との関係に基づき、パルス制御信号のデューティ比を制御するように構成されてい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。
3. 前記電流制御手段は、前記比例電磁弁の制御する制御範囲が低電流領域であって、当該低電流領域で電流ディザ振幅が所定値になるように、パルス制御信号のデューティ比を設定して、前記電流ディザ振幅を制御するように構成されてい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。

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