JP5872170B2

JP5872170B2 - 建設機械の制御装置

Info

Publication number: JP5872170B2
Application number: JP2011031023A
Authority: JP
Inventors: 治彦川崎; 祐弘江川
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: JP2012167518A

Description

この発明は、ハイブリッド型の建設機械の制御装置に関する。

本出願人は、この種の建設機械を、特願２０１０−０３３５２６号にかかわる出願としてすでに提供している。
上記特願２０１０−０３３５２６号にかかわる発明は、吐出量が制御される一対の可変容量型の第１，２メインポンプを備え、これら第１，２メインポンプに第１，２回路系統を接続するとともに、少なくとも上記いずれか一方のメインポンプを発電用油圧モータに接続し、この油圧モータには電動・発電機を連係している。

そして、上記第１，２回路系統には、アクチュエータを制御する複数の切換制御弁を設け、これら切換制御弁のすべてが中立位置にあるとき、上記第１，２メインポンプの吐出油をタンクに導く中立流路を備えるとともに、上記いずれか一方の回路系統にはノーマル状態で中立流路をタンクに連通し、切換位置で上記中立流路とタンクとの連通を遮断して当該中立流路を上記発電用油圧モータに連通する回生切換弁を設けている。

特開２００２−２７５９４５号公報

上記従来の装置は、いずれか一方の回路系統に回生切換弁を個別に設けなければならないので、この回生切換弁の分だけ当該制御装置が大型化してしまうとともに、それを設置する際には、大きなスペースを必要とするという問題があった。
この発明の目的は、回生切換手段を特定の制御弁に付加してそれらを一体化することによって、当該装置の小型化及び省スペース化という課題を解決した装置を提供することである。

第１の発明は、一対の可変容量型の第１，２メインポンプと、これら第１，２メインポンプに接続した第１，２回路系統と、上記第１，２回路系統とは別に設けられ、上記第１，２メインポンプの吐出油が供給されたときに回転する発電用油圧モータと、この発電用油圧モータに連係した電動・発電機と、この電動・発電機が発電した電力を蓄電するバッテリーとを備え、さらに、上記第１，２回路系統には、上記第１，２回路系統に接続されるアクチュエータを制御する複数の切換制御弁を設けるとともに、いずれか一方のメインポンプを上記発電用油圧モータに連通したりその連通を遮断したりする回生切換手段を設けている。

そして、上記いずれかの回路系統には、上記第１，２回路系統のいずれかに接続されるアクチュエータを制御するとともに、上記切換制御弁よりも切換ポジション数を少なくした切換制御弁を設け、この切換ポジション数を少なくした切換制御弁に上記回生切換手段を付加してそれらを一体化している。

なお、上記第１，２回路系統のいずれかに接続されるアクチュエータを制御するとともに、上記切換制御弁よりも切換ポジション数を少なくした切換制御弁とは、例えば、上記切換制御弁の切換ポジションが３位置であるとき、回生切換手段を付加するのは切換ポジションが２位置の切換制御弁となることを意味している。
例えば、建設機械の切換制御弁は、それらのバルブ本体を他の制御弁と一体に組み付けてブロック化するので、切換ポジション数が多い切換制御弁で当該制御装置の全体の大きさが決められることになる。

したがって、例えば切換ポジション数が少ない切換制御弁に、この発明の回生切換手段を付加したとしても、当該制御装置の全体の大きさに影響を及ぼさない。
なお、上記回生切換手段を付加する切換制御弁は、切換ポジション数が少なければ、当該切換制御弁の制御対象であるアクチュエータの種類は問わない。

第２の発明は、上記第１，２回路系統のいずれか一方に、上記アクチュエータであるブームシリンダの２速制御をする２速切換制御弁を設け、この２速切換制御弁に上記回生切換手段を付加するとともに、この２速切換制御弁を切り換えて回生切換手段を開位置に保つ構成にし、ブームシリンダの非作業時に、上記２速切換制御弁を切り換えて上記回生切換手段を介してメインポンプの吐出量を発電用油圧モータに導く構成にしている。

第１の発明によれば、従来のように回生切換弁を、上記第１，２回路系統のいずれかに接続されるアクチュエータを制御する切換制御弁とは別に設けなくてもよいので、装置全体を小型化できるとともに、その設置スペースを小さくできる。

第２の発明によれば、ブームシリンダを制御する切換制御弁に回生切換手段を付加したので、大容量制御に最適である。つまり、ブームシリンダはその制御流量が大きいので、このブームシリンダを制御する切換制御弁も大流量を制御するのに適している。したがって、大流量制御が可能な切換制御弁に回生切換手段を付加すれば、発電用油圧モータに供給する流量も多くでき、その分、発電量を多くすることができる。

図１はこの発明の実施形態を示す回路図である。

図示した実施形態は、パワーショベルの制御装置で、エンジンＥで駆動する可変容量型の第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２を設けているが、これら第１，２メインポンプＭＰ１、ＭＰ２は同軸回転する構成にしている。
なお、図中符号１はエンジンＥに設けたジェネレータで、エンジンＥの余力を利用して発電機能を発揮する。

上記第１メインポンプＭＰ１は第１回路系統に接続しているが、この第１回路系統は、その上流側から順に、左走行用のモータを制御する切換制御弁２、旋回モータを制御する切換制御弁３、ブームシリンダＢＣを２速制御する２速切換制御弁４、アームシリンダを制御する切換制御弁５、予備用アタッチメントを制御する切換制御弁６を接続しているが、これら切換制御弁２〜６はスプール弁からなる。

上記各切換制御弁２〜６のそれぞれは、中立流路７およびパラレル通路８を介して第１メインポンプＭＰ１に接続している。
上記中立流路７であって、切換制御弁６の下流にはパイロット圧を生成するためのパイロット圧制御用の絞り９を設けている。この絞り９はそこを流れる流量が多ければ、その上流側に高いパイロット圧を生成し、その流量が少なければ低いパイロット圧を生成するものである。

また、上記中立流路７は、上記切換制御弁２〜６のすべてが中立位置もしくは中立位置近傍にあるとき、第１メインポンプＭＰ１から吐出された油の全部または一部を、絞り９を介してタンクＴに導くが、このときには絞り９を通過する流量も多くなるので、上記したように高いパイロット圧が生成される。

一方、上記切換制御弁２〜６がフルストロークの状態で切り換えられると、中立流路７が閉ざされて流体の流通がなくなる。したがって、この場合には、絞り９を流れる流量がなくなり、パイロット圧はゼロを保つことになる。

ただし、切換制御弁２〜６の操作量によっては、ポンプ吐出量の一部がアクチュエータに導かれ、一部が中立流路７からタンクＴに導かれることになるので、絞り９は、中立流路７に流れる流量に応じたパイロット圧を生成する。言い換えると、絞り９は、切換制御弁２〜６の操作量に応じたパイロット圧を生成することになる。

また、上記中立流路７であって、切換制御弁６と絞り９との間にはパイロット流路１０を接続しているが、このパイロット流路１０は、第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御するレギュレータ１１に接続している。

上記レギュレータ１１は、パイロット流路１０のパイロット圧と逆比例して第１メインポンプＭＰ１の傾転角を制御し、その１回転当たりの押し除け量を制御する。したがって、切換制御弁２〜６をフルストロークして中立流路７の流れがなくなり、パイロット圧がゼロになれば、第１メインポンプＭＰ１の傾転角が最大になり、その１回転当たりの押し除け量も最大になる。

さらに、上記ブームシリンダＢＣを制御する２速切換制御弁４は、中立位置ａと図面左側位置であるブーム上げ位置ｂ以外に、図面右側位置において回生切換手段ｃを付加している。
ブーム２速切換制御弁４が上記中立位置ａにあるときは中立流路７を開くとともに、ブームシリンダＢＣのピストン側室１２とロッド側室１３との連通を遮断する。

また、ブーム２速切換制御弁４がブーム上げ位置ｂにあるときには、上記中立流路７との連通を遮断して、上記パラレル通路８から流入した第１メインポンプＭＰ１の吐出油を、ブームシリンダＢＣのピストン側室１２に導く。
さらに、ブーム２速切換制御弁４が図面右側位置に切り換わると、回生切換手段ｃがパラレル通路８に対して開状態を維持するとともに、上記パラレル通路８から流入した第１メインポンプＭＰ１からの圧油を、通路１４を介して発電用油圧モータＭに導き、この発電油圧用モータＭを回転させる。

上記のようにしたブーム２速切換制御弁４は、そのスプールの両端をパイロット圧室１５，１６に臨ませている。そして、一方のパイロット圧室１５はオペレータが制御する図示していないパイロット操作機構に接続され、このパイロット操作機構を操作することによってパイロット圧が導かれ、ブーム２速切換制御弁４はブーム上げ位置ｂに切り換わる。

また、他方のパイロット圧室１６は、パイロット制御電磁弁１７を介してパイロットポンプＰＰに接続している。このパイロット制御電磁弁１７は、そのソレノイドをコントローラＣに接続し、コントローラＣからの出力信号に応じて開閉動作するようにしている。
そして、パイロット制御電磁弁１７が、図示のノーマル位置にあるとき、パイロットポンプＰＰと上記パイロット圧室１６との連通が遮断され、ソレノイドが励磁されてパイロット制御電磁弁１７が開位置に切り換わったとき、パイロットポンプＰＰと上記パイロット圧室１６とがパイロットポンプＰＰに連通し、回生切換手段ｃを開状態に保つ。

一方、上記第２メインポンプＭＰ２は第２回路系統に接続しているが、この第２回路系統は、その上流側から順に、右走行用モータを制御する切換制御弁１８、バケットシリンダを制御する切換制御弁１９、ブームシリンダＢＣを制御する切換制御弁２０およびアームシリンダを２速制御する２速切換制御弁２１を接続しているが、これら切換制御弁１８〜２１はスプール弁からなる。

上記各切換制御弁１８〜２１は、第２メインポンプＭＰ２に連通する中立流路２２を介して互いに連通するとともに、切換制御弁１９，２０はパラレル通路２３を介して第２メインポンプＭＰ２に接続している。
そして、上記中立流路２２であって切換制御弁２１の下流側にはパイロット圧制御用の絞り２４を設けているが、この絞り２４は、第１回路系統の絞り９と全く同様に機能するものである。

また、上記中立流路２２であって、上記切換制御弁２１と上記絞り２４との間には、パイロット流路２５を接続しているが、このパイロット流路２５は第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御するレギュレータ２７に接続している。
なお、上記レギュレータ２７は、そこに導かれるパイロット圧と逆比例して第２メインポンプＭＰ２の傾転角を制御し、その１回転当たりの押し除け量を制御する。

さらに、上記ブームシリンダＢＣを制御する切換制御弁２０は、図示の中立位置にあるとき、中立流路２２と連通して、この中立流路２２に供給された圧油をタンクＴに導く。そして、切換制御弁２０の一方のパイロット圧室２０ａにパイロット圧が導かれたとき、当該切換制御弁２０が図面左側であるブーム上げ位置に切り換わり、他方のパイロット圧室２０ｂにパイロット圧が導かれたとき、図面右側位置であるブーム下げ位置に切り換わる。

そして、この上記一方の側のパイロット圧室２０ａは、上記した２速切換制御弁４の一方のパイロット圧室１５と連通している。したがって、ブームシリンダＢＣを上昇させるために、上記したパイロット操作機構を操作すると、パイロット圧室１５，２０ａに同時にパイロット圧が導かれる。言い換えると、ブームシリンダＢＣの上昇モードでは、切換制御弁４，２０が切り換わって、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出油が通路２８で合流して、ブームシリンダＢＣのピストン側室１２に供給される。

上記のようにした通路２８には分配制御弁２９を設けているが、この分配制御弁２９は、ノーマル位置である上昇モード位置ａと、切換位置である分配モード位置ｂとに切り換え可能にしている。つまり、この分配制御弁２９は、その一方に設けたスプリング３０の作用で通常は上記上昇モード位置ａを保ち、他方に設けたパイロット圧室３１にパイロット圧が作用したとき、上記分配モード位置ｂに切り換わる構成にしている。

そして、上記上昇モード位置ａにおいては、通路２８を全開状態に保つ一方、分配モード位置ｂにおいては、通路１４あるいは２８に対する開度を、一方の通路に対する開度を大きくすれば、他方の通路に対する開度を小さくするように制御する。

上記のようにした分配制御弁２９は、そのパイロット圧室３１をパイロット制御電磁弁３２に接続しているが、このパイロット制御電磁弁３２は、コントローラＣから出力される信号に応じてその切換量が制御される。言い換えると、コントローラＣからの信号に応じてパイロット制御電磁弁３２の開度が制御されるとともに、その制御された開度に応じて分配制御弁２９のパイロット圧室３１に導かれるパイロット圧が制御される。
したがって、上記分配制御弁２９は、コントローラＣの出力信号に応じて、通路１４，２８に対する開度が制御されることになる。

また、コントローラＣは、上記パイロット操作機構を介して、ブームシリンダＢＣに接続した切換制御弁２０の切換方向と切換量とを判定する図示していない判定手段を備えている。そして、コントローラＣは、上記判定手段によって、切換制御弁２０の切換方向と切換量を判定するとともに、その切換方向及び切換量に応じてパイロット制御電磁弁３２に対する信号を制御する。
なお、コントローラＣの上記判定手段は、すべての切換制御弁２〜６及び１８〜２１が中立位置にあるかあるいは切換位置にあるかを判定する機能も備えている。

さらに、通路１４に接続した上記発電用油圧モータＭは電動・発電機３３に連係し、発電用油圧モータＭが回転すれば電動・発電機３３が回って発電するとともに、インバータ３４を介して発電電力をバッテリー３５に充電する。そして、コントローラＣはこのバッテリー３５の充電量を監視する機能を備えている。
そして、上記発電用油圧モータＭは傾角制御器３６によってその傾転角が制御されるようにしているが、この傾角制御器３６はコントローラＣの出力信号で制御されるようにしている。

なお、図中符号３７はバッテリーチャージャーで、ジェネレータ１で発電された電力をバッテリー３５に充電するためのものであるが、この実施形態では、バッテリーチャージャー３７を、家庭用の電源などの別系統の電源３８にも接続している。

さらに、上記発電用油圧モータＭと連携して回転するアシストポンプＡＰを設けているが、このアシストポンプＡＰには、コントローラＣによって制御される傾角制御器３９を設けている。

このようにしたアシストポンプＡＰは、第１，２合流制御弁４０，４１を介して、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２と第１，２回路系統との間における合流点４２，４３に接続しているが、これら第１，２合流制御弁４０，４１は、その一方にパイロット圧室を設け、このパイロット圧室に対向する側にスプリングを設けている。そして、第１，２合流制御弁４０，４１は、図示のノーマル状態で開位置を保ち、パイロット圧室にパイロット圧が作用したときにスプリングに抗して閉位置に切り換わる構成にしている。

さらに、上記第１，２合流制御弁４０，４１のパイロット圧室は、第１，２電磁制御弁４４，４５を介して上記パイロットポンプＰＰに接続しているが、これら第１，２電磁制御弁４４，４５は、コントローラＣの出力信号で制御されるもので、図示のノーマル状態では、閉位置を保ち、パイロットポンプＰＰと第１，２合流制御弁４０，４１のパイロット圧室との連通を遮断する。

また、コントローラＣの出力信号によって、第１，２電磁制御弁４４，４５が開位置に切り換わると、パイロットポンプＰＰの吐出圧を第１，２合流制御弁４０，４１のパイロット圧室に導く。したがって、このときに第１，２合流制御弁４０，４１は閉位置に切り換わって、アシストポンプＡＰと合流点４２，４３との間の流通を遮断する。
なお、図中符号４６，４７はチェック弁で、アシストポンプＡＰから上記合流点４２，４３への流れのみを許容するものである。

次にこの実施形態の作用を説明する。
第１，２回路系統のすべての切換制御弁２〜６及び１８〜２１が中立位置に保持されているときには、上記絞り９，２４の上流側の圧力が最高になるので、レギュレータ１１，２７が動作して第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の１回転当たりの押し除け量が最少に保たれる。

上記の状態から、例えば、上記パイロット操作機構を操作して、切換制御弁２０のパイロット圧室２０ａにパイロット圧を導き、切換制御弁２０を図面左側位置であるブーム上げ位置に切り換えると、このときのパイロット圧が２速切換制御弁４の一方のパイロット圧室１５にも作用するので、２速切換制御弁４もブーム上げ位置ｂに切り換わる。
なお、コントローラＣの判定手段は、上記パイロット操作機構の操作方向に応じてブームシリンダＢＣを上昇させるモードにあると判定して、パイロット制御電磁弁１７及びパイロット制御電磁弁３２を図示のノーマル位置に保持する。

上記のように切換制御弁２０及び２速切換制御弁４が、ブーム上げ位置に切り換えられれば、その切換量に応じて絞り９及び２４の上流側の圧力が制御されるとともに、その制御された圧力に応じて第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出量が増大する。
また、このときには上記したようにパイロット制御電磁弁３２がノーマル位置である閉位置を保つので、分配制御弁２９は上昇モード位置ａを保持する。

したがって、第１メインポンプＭＰ１の吐出油は、パラレル通路８及び２速切換制御弁４を経由して通路２８に流入する。また、第２メインポンプＭＰ２の吐出油は、パラレル通路２３および切換制御弁２０を経由して通路２８に流入する。つまり、第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出油が通路２８で合流することになる。
このようにして通路２８で合流した第１，２メインポンプＭＰ１，ＭＰ２の吐出油は、上昇モード位置ａにある分配制御弁２９を経由してブームシリンダＢＣのピストン側室１２に供給されるので、ブームシリンダＢＣは伸長する。

一方、上記パイロット操作機構を操作して、切換制御弁２０の他方のパイロット圧室２０ｂにパイロット圧を導くと、切換制御弁２０は図面右側位置であるブーム下げ位置に切り換わる。このとき、コントローラＣの判定手段は、上記パイロット操作機構の操作方向に応じて、ブームシリンダＢＣが下げモードにあると判定するとともに、コントローラＣは、上記パイロット操作機構の操作量に応じて、オペレータが望む下降速度を演算する。

コントローラＣは、上記判定結果に基づいて、パイロット制御電磁弁３２を切り換えるとともに、このパイロット制御電磁弁３２は、切換制御弁２０の切換量に応じてその開度が制御される。したがって、上記分配制御弁２９のパイロット圧室３１に導かれるパイロット圧は、切換制御弁２０の切換量すなわちオペレータが望むブームシリンダＢＣの下降速度に応じて制御される。

つまり、分配制御弁２９は、ブームシリンダＢＣの全戻り流量をＱｔとし、当該分配制御弁２９の絞りを介してタンクＴに戻される流量をＱａ、そのチェック弁を介して通路１４に供給される流量をＱｂとした場合、Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂとなる関係を保つように制御する。
このように分配制御弁２９が、タンクＴに戻る流量Ｑａと、通路１４に導かれる流量Ｑｂとの合計流量が全戻り流量Ｑｔと常に等しくなるように制御するので、発電用モータＭを動作させているときにも、オペレータの操作感が狂ったりしない。

一方、作業用アクチュエータを制御する切換制御弁が中立位置にある時、あるいはブームシリンダＢＣが非作業時の時、コントローラＣからの信号で、パイロット制御電磁弁１７を切り換えると、２速切換制御弁４のパイロット圧室１６にパイロット圧が導かれるが、このようにパイロット圧室１６にパイロット圧が導かれると、２速切換制御弁４は回生切換手段ｃを開く。回生切換手段ｃが開けば、パラレル通路８からの圧油がこの回生切換手段ｃを経由して通路１４に導かれ、そこから発電用油圧モータＭに導かれる。

いずれにしても、通路１４から圧油が供給されて発電用油圧モータＭが回転するが、この発電用油圧モータＭが回転すれば、電動・発電機３３が発電するとともに、その発電量はインバータ３４を介してバッテリー３５に充電される。

なお、上記発電用油圧モータＭは、上記したようにアシストポンプＡＰにも連係しているので、バッテリー３５の電源を利用してアシストポンプＡＰの動力源とすることもできる。
このときには、コントローラＣによって、アシストポンプＡＰのレギュレータ３９によってその１回転当たりの押し除け量が制御される。

このとき、オペレータが第１，２回路系統の両方に対してアシスト力を必要としたときには、コントローラＣは第１，２電磁制御弁４４，４５をノーマル状態である閉位置に保ち、いずれか一方の回路系統にアシスト力を必要とするときには、コントローラＣは、第１，２電磁制御弁４４，４５のいずれか一方を開位置に切り換えて、第１，２合流制御弁４０，４１のいずれか一方を閉位置に切り換える。さらに、第１，２回路系統のいずれにもアシストポンプＡＰのアシスト力が必要とされていないときには、コントローラＣは、第１，２電磁制御弁４４，４５の両方のソレノイドを励磁して、第１，２合流制御弁４０，４１を閉位置に切り換える。

なお、上記実施形態では、ブームシリンダＢＣの２速切換制御弁４に回生切換手段ｃを付加したが、上記第１，２回路系統のいずれかに接続されるアクチュエータを制御するとともに、上記切換制御弁よりも切換ポジション数を少なくした切換制御弁であれば、いずれの切換制御弁に回生切換手段を付加してもよい。例えば、アタッチメント用の切換制御弁に回生切換手段ｃを付加してもよい。

ハイブリッドタイプのパワーショベルに最適である。

ＭＰ１第１メインポンプ
ＭＰ２第２メインポンプ
２，３，５，６切換制御弁
４２速切換制御弁
ｃ回生切換手段
ＢＣブームシリンダ
７中立流路
Ｍ発電用油圧モータ
１５，１６パイロット圧室
１７，３２パイロット制御電磁弁
１８〜２１切換制御弁
３３電動・発電機
３５バッテリー

Claims

一対の可変容量型の第１，２メインポンプと、これら第１，２メインポンプに接続した第１，２回路系統と、
上記第１，２回路系統とは別に設けられ、上記第１，２メインポンプの吐出油が供給されたときに回転する発電用油圧モータと、
この発電用油圧モータに連係した電動・発電機と、
この電動・発電機が発電した電力を蓄電するバッテリーとを備え、
上記第１，２回路系統には、上記第１，２回路系統に接続されるアクチュエータを制御する複数の切換制御弁を設けるとともに、いずれか一方のメインポンプを上記発電用油圧モータに連通したりその連通を遮断したりする回生切換手段を設けた建設機械の制御装置において、
上記いずれかの回路系統には、上記第１，２回路系統のいずれかに接続されるアクチュエータを制御するとともに、上記切換制御弁よりも切換ポジション数を少なくした切換制御弁を設け、
この切換ポジション数を少なくした切換制御弁に上記回生切換手段を付加してそれらを一体化した建設機械の制御装置。
上記第１，２回路系統のいずれか一方に、上記アクチュエータであるブームシリンダの２速制御をする２速切換制御弁を設け、この２速切換制御弁に上記回生切換手段を付加するとともに、この２速切換制御弁を切り換えて回生切換手段を開位置に保つ構成にし、ブームシリンダの非作業時に、上記２速切換制御弁を切り換えて上記回生切換手段を介してメインポンプの吐出量を発電用油圧モータに導く構成にした請求項１に記載した建設機械の制御装置。