JP5889098B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、ネガコン制御を行う建設機械に関する。

従来から、この種の建設機械は知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−４８３５９号公報

ところで、一般的に知られるように、ネガコンシステムは、レバー操作量に応じて切換バルブのスプールが変位することでネガコン圧が低下し、そのネガコン圧の低下に応動して油圧ポンプの吐出流量を増加させることになるので、方向切換弁を中立位置から変位させ始めたときのアクチュエータ作動立ち上がりを滑らかなものとすることができる点で人間の感性に相性が良いものである。

しかしながら、ネガコンシステムでは、ネガコン圧により油圧ポンプの吐出流量が定まるため、負荷圧が所定圧以上になると、比較的大きなストロークになるまでアクチュエータに導入される流量は発生せず、そのストロークを超えると急激に流量特性が立ち上がる傾向となり、インチング操作の操作性が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明は、負荷圧が所定圧以上になる場合でもインチング操作の操作性を高めることができる建設機械の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、ポンプと、
前記ポンプに切換バルブを介して接続され、前記ポンプにより吐出される油により駆動されるアクチュエータと、
前記ポンプによる油の吐出圧を検出する第１圧力センサと、
前記アクチュエータに対応する切換バルブとアクチュエータとの間の油圧を検出する第２圧力センサと、
前記切換バルブとタンクとの間に設けられるネガコン圧センサと、
コントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第２圧力センサにより検出される油圧が前記第１圧力センサにより検出される油圧よりも大きい場合には、前記第１圧力センサにより検出される油圧が前記第２圧力センサにより検出される油圧よりも所定値だけ大きくなるように、前記ネガコン圧センサにより検出される油圧に応じて定まる前記ポンプの制御目標値を補正することを特徴とする、建設機械が提供される。

本発明によれば、負荷圧が所定圧以上になる場合でもインチング操作の操作性を高めることができる建設機械が得られる。

本発明に係る建設機械１の構成例を示す図である。 本発明の一実施例による油圧ポンプ制御装置１００の油圧回路図である。 本実施例のメインコントローラ５４により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。 本実施例による切換弁１３Ｒのストロークに対する各種特性を示す図である。 比較例による切換弁１３Ｒのストロークに対する各種特性を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明に係る建設機械１の構成例を示す図である。図１において、建設機械１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載している。また、上部旋回体３は、前方中央部に、ブーム４、アーム５及びバケット６、並びに、これらをそれぞれ駆動する油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９から構成される掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブレーカや破砕機等のような他のアタッチメントであってもよい。

図２は、建設機械１に搭載される油圧ポンプ制御装置１００の油圧回路図の一例を示す図である。尚、図２では、便宜上、エンジン７０が２箇所に示されているが、エンジン７０は１つである。

油圧ポンプ制御装置１００は、エンジン７０によって駆動される二つの油圧ポンプ１０L、１０Rから、切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌをタンデムに接続するセンターバイパス管路３０L、又は、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒをタンデムに接続するセンターバイパス管路３０Rを経てタンク２２まで圧油を循環させる。尚、油圧ポンプ１０L、１０Rは、可変容量傾斜板ピストンポンプであり、一回転当たりの吐出量（ｃｃ／ｒｅｖ）が可変である。油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出圧Ｐ１，Ｐ２は、圧力センサ２８Ｌ，２８Ｒにより検出される。圧力センサ２８Ｌ，２８Ｒの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。

切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌ、及び、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒは全てオープンセンター型である。即ち、切換弁１１Ｌ、１２Ｌ、１３Ｌ及び１５Ｌ、及び、切換弁１１Ｒ、１２R、１３Ｒ、１４Ｒ及び１５Ｒは、それぞれのブリードオフ通路がセンターバイパス管路３０L、３０Ｒに接続されることにより、中立位置のときに略全量を下流側に通過させると共にストローク量に応じてブリードオフ通路を閉塞していくような特性で油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出側をタンク２２に連通させる。

切換弁１１Ｌは、油圧ポンプ１０Lが吐出する圧油を走行用油圧モータ４２Lで循環させるために圧油の流れを切り換えるスプール弁である。

ブームシリンダ７のボトム側の油圧は、圧力センサ２９Ａにより検出される。尚、本例では、ブームシリンダ７は、ブーム上げ動作時にブームシリンダ７のロッドが伸びる態様で設けられているが、逆であってもよい。この場合、圧力センサ２９Ａは、ブームシリンダ７のロッド側の圧力を検出してもよい。圧力センサ２９Ａの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。アームシリンダ８のロッド側の油圧は、圧力センサ２９Ｂにより検出される。圧力センサ２９Ｂの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。ブームシリンダ７のロッド側の油圧は、圧力センサ２９Ｃにより検出される。圧力センサ２９Ｃの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。

操作装置２６は、旋回用油圧モータ４４、走行用油圧モータ４２L、４２Ｒ、ブーム４、アーム５、及びバケット６を操作するための操作装置であり、各種のレバーやペダル（アーム操作レバー、ブーム操作レバー、バケット操作レバー、旋回操作レバー、走行ペダル（右）、走行ペダル（左））を含んでよい。操作装置２６における各種のレバーやペダルの各操作量を表す電気信号は、メインコントローラ５４に供給される。ユーザによる各種のレバーやペダルの操作量の検知方法は、パイロット圧を圧力センサで検知する方法であってもよいし、レバー角度を検知する方法であってもよい。

センターバイパス管路３０L、３０Rは、それぞれ、最も下流にある切換弁１５Ｌ、１５Ｒとタンク２２との間にネガコン絞り２０L、２０Ｒを備え、油圧ポンプ１０L、１０Rが吐出した圧油の流れを制限することにより、ネガコン絞り２０L、２０Rの上流において、ネガコンシステムのための制御圧（以下、「ネガコン圧」とする。）を発生させる圧油管路である。ネガコン圧は、ネガコン圧センサ２７Ｌ，２７Ｒにより検出される。ネガコン圧センサ２７Ｌ，２７Ｒの出力信号は、メインコントローラ５４に供給される。

図２に示す構成では、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流のネガコン圧、及び吐出圧Ｐ１，Ｐ２等を圧力センサ２７Ｌ，２７Ｒ，２８Ｌ，２８Ｒで検出し、検出したネガコン圧、吐出圧Ｐ１，Ｐ２等に基づいてメインコントローラ５４により吐出流量の目標値を求め、その吐出流量の目標値となるように電磁比例弁５７Ａ，５５Ａを駆動してスプール弁６００Ｌ，６００Ｒを変位させて傾転アクチュエータ４１Ｌ，４１Ｒを制御する。この際、典型的には、メインコントローラ５４は、検出されるネガコン圧が大きいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出量を減少させ、検出されるネガコン圧が小さいほど油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量の目標値を増大させるようにする。また、メインコントローラ５４は、吐出圧Ｐ１，Ｐ２に基づいて、任意の設定トルクに見合う吐出流量（馬力制御目標値）を算出し、この馬力制御目標値と上述の如くネガコン圧に基づいて算出された吐出流量の目標値のうちのいずれか小さい方を最終目標値として選択する。但し、以下で説明するように、ネガコン圧に基づいて算出された吐出流量の目標値は補正されうる。

一方、建設機械１における何れかの油圧アクチュエータが利用された場合、油圧ポンプ１０L、１０Rが吐出する圧油は、その油圧アクチュエータに対応する切換弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込み、ネガコン絞り２０L、２０Rに至る量を減少或いは消滅させ、ネガコン絞り２０L、２０Rの上流で発生するネガコン圧を低下させる。

この際、メインコントローラ５４は、検出したネガコン圧の低下に応動して油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出流量の目標値を増大させることで油圧ポンプ１０L、１０Rの吐出量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な圧油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

次に、本実施例のメインコントローラ５４による特徴的な制御方法について説明する。

図３は、本実施例のメインコントローラ５４により実行される主要処理の一例を示すフローチャートである。図３に示す処理ルーチンは、例えば建設機械１のエンジンがオンである間、所定周期毎に繰り返し実行されてよい。或いは、図３に示す処理ルーチンは、吊り作業時に、所定周期毎に繰り返し実行されてよい。これは、吊り作業では、後述の所定圧以上の負荷圧が発生しやすいためである。吊り作業であるか否かは、任意の方法で判定されてもよいが、例えば吊りモードを選択するためのスイッチを備える構成では、当該スイッチの状態に基づいて判定されてよい。

ステップ３００では、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃからの出力信号に基づいて、負荷圧が所定圧以上であるか否かが判定される。負荷圧は、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃにより検出される圧力に対応する。負荷圧が所定圧以上であるか否かの判定は、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃの少なくともいずれか１つにより検出される圧力（即ち、検出圧力のうちの最大値）が所定圧以上であるか否かを判定することにより実現されてよい。所定圧は、上述のネガコン圧に基づいて算出された吐出流量の目標値（後述の補正なしの場合の目標値）による制御時にインチング操作（細かい刻みでアタッチメントを動かす操作）の操作性が悪くなるような負荷圧範囲の下限値に対応してよく、試験等により適合されてよい。

本ステップ３００において、負荷圧が所定圧以上である場合は、ステップ３０２に進み、それ以外の場合（即ち負荷圧が所定圧未満である場合）、ステップ３０４に進む。

ステップ３０２では、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃにより検出される圧力を、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒのうちの対応する油圧ポンプの吐出圧Ｐｔから引いた差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が、それぞれ、０よりも小さいか否かが判定される。即ち、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が負であるか否かが判定される。例えば、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃうち、圧力センサ２９Ａに関しては、即ちブームシリンダ７の負荷圧に関しては、圧力センサ２９Ａにより検出される圧力がＰｂとして使用され、ブームシリンダ７側の油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧（圧力センサ２８Ｒによる検出値）がＰｔとして使用され、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さいか否かが判定される。同様に、圧力センサ２９Ｂに関しては、即ちアームシリンダ８の負荷圧に関しては、圧力センサ２９Ｂにより検出される圧力がＰｂとして使用され、アームシリンダ８側の油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧（圧力センサ２８Ｌによる検出値）がＰｔとして使用され、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さいか否かが判定される。同様に、圧力センサ２９Ｃに関しては、即ちバケットシリンダ９の負荷圧に関しては、圧力センサ２９Ｃにより検出される圧力がＰｂとして使用され、バケットシリンダ９側の油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧（圧力センサ２８Ｒによる検出値）がＰｔとして使用され、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さいか否かが判定される。

本ステップ３０２において、いずれかの差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さい場合は、ステップ３０６に進み、それ以外の場合（即ちいずれの差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）も０以上である場合）、ステップ３０４に進む。尚、本例では、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さいか否かを判定しているが、等価的に、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定値（例えば絶対値の非常に小さい値）よりも小さいか否かを判定してもよい。

ステップ３０４では、上述のネガコン圧に基づく吐出流量の目標値に基づいて油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが制御される。即ち、通常のネガコン制御が実現される。

ステップ３０６では、０よりも小さい差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）に対して、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるように、上述のネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が補正されて、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが制御される。例えば、アームシリンダ８の負荷圧Ｐｂに関して差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さい場合は、油圧ポンプ１０Ｌに関するネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が補正される。また、ブームシリンダ７又はバケットシリンダ９の負荷圧Ｐｂに関して差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さい場合は、油圧ポンプ１０Ｒに関するネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が補正される。ネガコン圧に基づく吐出流量の目標値は、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるように補正される。所定の目標値Ｐｋは、インチング操作の操作性が向上するような吐出流量が実現されるときに対応する差圧であってよく、試験等により適合されてもよい。尚、所定の目標値Ｐｋと吐出流量の目標値との関係は、各切換弁１３Ｒ、１４Ｒ、１５Ｌの特性（ストロークに対する開口面積）に基づいて予め決定でき、従って、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるような吐出流量の目標値は、予め算出されてもよい。本ステップ３０６では、メインコントローラ５４は、補正後の最終目標値が実現されるように、電磁比例弁５７Ａ，５５Ａを駆動してスプール弁６００Ｌ，６００Ｒを変位させて傾転アクチュエータ４１Ｌ，４１Ｒを制御する。但し、最終的には、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）の検出値に基づいて、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるようにフィードバック制御されてよい。

ステップ３０８では、上述のネガコン圧に基づく吐出流量の目標値（補正前の吐出流量の目標値）が、上記ステップ３０６で補正された吐出流量の目標値（補正後の吐出流量の目標値）よりも大きいか否かが判定される。補正前の吐出流量の目標値が補正後の吐出流量の目標値よりも大きくなる場合とは、ネガコン圧が十分に小さくなり、ネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が十分大きくなる状況に対応する。かかる状況では、上述のネガコン圧に基づく吐出流量の目標値で制御した場合でも、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋよりも大きくなるため、ステップ３０６の制御はもはや必要でなくなる。従って、補正前の吐出流量の目標値が補正後の吐出流量の目標値よりも大きくなると、ステップ３０６の制御が終了される。他方、補正前の吐出流量の目標値が補正後の吐出流量の目標値より小さい間は、ステップ３０６の制御が継続される。

尚、以上の図３に示す処理では、上述の如く、ステップ３００にて負荷圧が所定圧以上であるか否かを判定しているが、かかる判定は省略されてもよい。これは、負荷圧が十分低い場合にはステップ３０２にて差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が負にならず、ステップ３０２の判定がステップ３００の判定を実質的にカバーするためである。

また、以上の図３に示す処理では、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さいか否かを判定し、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が０よりも小さい場合に、ネガコン圧に基づく吐出流量の目標値を、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるように補正しているが、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）を監視せず、２つの目標値、即ち、ネガコン圧に基づく吐出流量の目標値と、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるような吐出流量の目標値のうち、大きい方の吐出流量の目標値を選択することで、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるような吐出流量の目標値よりもネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が小さい間、ネガコン圧に基づく吐出流量の目標値を実質的に補正することとしてもよい。

図４は、本実施例による制御の有用性の説明図であり、横軸に切換弁１３Ｒのストローク（スプールのストローク）を示し、切換弁１３Ｒのストロークに対する各種特性を示す図である。図５は、比較例による同特性を示す図である。各種特性は、切換弁１３Ｒのストロークに対する切換弁１３Ｒの開口面積の特性、切換弁１３Ｒのストロークに対する油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧の変化特性Ｘ１、及び、切換弁１３Ｒのストロークに対するブームシリンダ７への流量特性Ｘ２を含む。切換弁１３Ｒの開口面積の特性は、ブリード開口特性Ｃ１と、メータイン側の開口特性Ｃ２とが示されている。ここでは、切換弁１３Ｒのストロークに対するブームシリンダ７への流量特性として、負荷圧が所定圧（図３のステップ３００参照）のときの流量特性が示されている。尚、ここでは、ブームシリンダ７の負荷圧に関して説明するが、他の負荷圧（アームシリンダ８の負荷圧）についても同様である。

ここでは、先ず、比較例について説明する。比較例では、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）に応じた上述の補正は実行されず、切換弁１３Ｒの全ストローク範囲に亘って、上述のネガコン圧に基づく吐出流量の目標値が使用される。この場合、切換弁１３Ｒのストロークが小さい間は、高いアームシリンダ８の負荷圧（所定圧）に起因して、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が負となり、Ｘ２に示すように流量が発生しない。その後、油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧が上昇し、Ｘ２に示すように、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が正となる地点Ｓ１から流量が発生し始める。このときは、開口特性Ｃ２も立ち上がりが大きくなっているので、Ｘ２に示すように、流量特性が急激に上昇し、インチング操作の操作性が悪化する。

これに対して、本実施例によれば、図５にてＹ１内に示すように、比較例において差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が負となる切換弁１３Ｒのストローク範囲では、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋ（＞０）となるように、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量の目標値が補正される。これにより、図５にてＹ２内に示すように、比較例よりも小さい切換弁１３Ｒのストロークから流量が発生する。これにより、アームシリンダ８の負荷圧が高い場合でも、開口特性Ｃ２の立ち上がりが大きくなる前に流量を発生させることができ、比較例のような流量特性の急激な上昇を防止することができ、この結果、インチング操作の操作性を高めることができる。

また、本実施例では、ブームシリンダ７の負荷圧、アームシリンダ８の負荷圧及びバケットシリンダ９の負荷圧の全てが考慮されているが、いずれか１つのみ又は任意の２つの組み合わせのみが考慮されてもよい。例えば、ブームシリンダ７の負荷圧のみが考慮される場合、油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧Ｐｔとブームシリンダ７の負荷圧Ｐｂとの差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）のみを監視し、この差圧が負になる場合に、差圧（Ｐｔ−Ｐｂ）が所定の目標値Ｐｋとなるように、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量の目標値が補正されればよい。この場合、圧力センサ２９Ｂ、２９Ｃは省略されてよい。

また、ブーム上げ動作、アーム開き動作、及び、バケット開き動作の際に高い負荷圧が発生することを考慮して、圧力センサ２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃをそれぞれ対応する箇所に配置しているが、他の動作についても同様に負荷圧が高くなる場合には、当該動作に係る負荷圧を検出する圧力センサを追加すればよい。この場合は、当該動作に係る負荷圧についても監視対象とし、同様に、対応する油圧ポンプの吐出圧との差圧が負になる場合に、差圧が所定の目標値Ｐｋとなるように、対応する油圧ポンプの吐出流量の目標値が補正されればよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述では、図２に示す特定の構成の油圧回路が開示されているが、油圧回路の構成は多種多様である。例えば、油圧アクチュエータの一部は、電動モータにより駆動される油圧ポンプにより実現されてもよい。また、油圧ポンプ１０L、１０Rのいずれかは電動モータにより駆動されてもよい。

１ 建設機械
２ 下部走行体
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
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０Ｌ、１０Ｒ 油圧ポンプ
１１Ｌ、１１Ｒ 切換弁
１２Ｌ、１２Ｒ 切換弁
１３Ｌ、１３Ｒ 切換弁
１４Ｒ 切換弁
１５Ｌ、１５Ｒ 切換弁
２０Ｌ、２０Ｒ ネガコン絞り
２２ タンク
２６ 操作装置
２７Ｌ、２７Ｒ ネガコン圧センサ
２８Ｌ、２８Ｒ 圧力センサ
２９Ａ、２９Ｂ，２９Ｃ 圧力センサ
３０Ｌ、３０Ｒ センターバイパス管路
４１Ｌ、４１Ｒ 傾転アクチュエータ
４２Ｌ、４２Ｒ 走行用油圧モータ
４４ 旋回用油圧モータ
５４ メインコントローラ
５５Ａ，５７Ａ 電磁比例弁
７０ エンジン
１００ 油圧ポンプ制御装置

Claims (2)

1. ポンプと、
   前記ポンプに切換バルブを介して接続され、前記ポンプにより吐出される油により駆動されるアクチュエータと、
   前記ポンプによる油の吐出圧を検出する第１圧力センサと、
   前記アクチュエータに対応する切換バルブとアクチュエータとの間の油圧を検出する第２圧力センサと、
   前記切換バルブとタンクとの間に設けられるネガコン圧センサと、
   コントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記第２圧力センサにより検出される油圧が前記第１圧力センサにより検出される油圧よりも大きい場合には、前記第１圧力センサにより検出される油圧が前記第２圧力センサにより検出される油圧よりも所定値だけ大きくなるように、前記ネガコン圧センサにより検出される油圧に応じて定まる前記ポンプの制御目標値を補正することを特徴とする、建設機械。
2. 前記アクチュエータ、及び、前記アクチュエータに対応する切替バルブは、複数あり、
   前記複数の切替バルブをタンデムに接続し、前記ポンプから前記タンクまで圧油を循環させるセンターバイパス管路を更に備える、請求項１に記載の建設機械。

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