JP6290709B2 - 油圧駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、油圧駆動装置に関する。

建設機械、例えば油圧ショベルは、ブーム、アーム、走行用キャタピラ等の複数の油圧アクチュエータを備えている。これら油圧アクチュエータを駆動させるための油圧駆動装置は、各油圧アクチュエータを操作するための操作信号を出力する操作部（パイロット弁）と、各油圧アクチュエータに所望の圧油を供給する可変容量型油圧ポンプ（以下、単に油圧ポンプという）と、操作信号に基づいて各油圧アクチュエータにそれぞれ供給される圧油の流量を制御する複数の油圧制御弁と、操作信号に基づいて油圧ポンプの駆動制御を行うポンプ制御（コントロールユニット）と、を備えている。油圧ポンプと各油圧制御弁は、圧油が通流するタンデム通路、またはパラレル通路を介して連結されている。

ここで、油圧ポンプをポジティブコントロール制御する場合、操作信号の増加に応じて油圧ポンプの吐出量が増加する。すなわち、オープンループ制御であり、油圧ポンプの吐出量に対して油圧制御弁のスプール開度が適正でない場合、高圧力により油圧制御弁にハンチングが生じたり、この結果、油圧アクチュエータの微操作性が悪化したりする。
また、複数の油圧アクチュエータを同時に作動させようとした場合、操作信号に基づく各油圧アクチュエータへの圧油要求流量を合算した流量の圧油を油圧ポンプから吐出することになる。しかしながら、その合算した流量が油圧ポンプの最大吐出量を越えていると、各油圧アクチュエータへの圧油の流量が不足してしまう。

より具体的には、例えば、２つの油圧アクチュエータに、油圧ポンプの最大吐出量に対してそれぞれ５０％の圧油流量を要求するように操作したとする。この場合、２つの油圧アクチュエータへの圧油要求流量の合計が既に油圧ポンプの最大吐出量に達してしまう。このため、各油圧アクチュエータに、油圧ポンプの最大吐出量に対して５０％以上の圧油流量を要求したとしても各油圧アクチュエータが操作部の要求通りに動作しないことになる。換言すれば、操作部を操作しても各油圧アクチュエータの動作に変化が生じないことになる。このように、複数の油圧アクチュエータを同時に操作する場合、各油圧ショベルの操作性が悪化すると共に、操作員が油圧ショベルの操作に違和感を覚える。

特許第３０７１２１５号公報

本発明が解決しようとする課題は、複数の油圧アクチュエータを同時に操作する場合において、各油圧アクチュエータの操作性の悪化を防止すると共に、操作員への操作感を向上できる油圧駆動装置を提供することである。

実施形態の油圧駆動装置は、油圧アクチュエータと、操作部と、油圧ポンプと、油圧制御弁と、ポンプ制御部と、を持つ。操作部は、油圧アクチュエータを操作するための操作信号を出力する。油圧ポンプは、油圧アクチュエータに所望の圧油を供給する。油圧制御弁は、油圧アクチュエータと油圧ポンプとの間に設けられ、操作部から出力される操作信号に基づいて、油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する。ポンプ制御部は、操作部から出力される操作信号に基づいて、油圧ポンプの駆動制御を行う。また、ポンプ制御部は、ｋを自然数とし、前記操作信号に基づく前記要求流量をＱｐ１ｌ，Ｑｐ２ｌ・・・Ｑｐｋｌとし、前記油圧ポンプの最大吐出量をＱｐｍａｘとし、前記油圧ポンプの最小吐出量をＱｐｍｉｎとし、低減後の前記油圧ポンプの吐出量をＱｐｃとしたとき、 前記吐出量Ｑｐｃが、

を満たすように、前記油圧ポンプの駆動制御を行う。

実施形態の油圧駆動装置を示す概略構成図。 実施形態の油圧ポンプの吐出量の変化を示すグラフ。

以下、実施形態の油圧駆動装置を、図面を参照して説明する。

図１は、油圧駆動装置の概略構成図である。
同図に示すように、油圧駆動装置１は、例えば油圧ショベルに搭載されるものであって、複数の油圧アクチュエータ２を備えている。また、各油圧アクチュエータ２を操作するための操作信号を出力する操作部３を備えている。さらに、各油圧アクチュエータ２に所望の圧油を供給するポジティブコントロール制御方式の油圧ポンプ（可変容量型油圧ポンプ）４を備えている。そして、油圧アクチュエータ２と油圧ポンプ４との間に設けられ、操作部３から出力される操作信号に基づいて、油圧アクチュエータ２に供給される圧油の流量を制御する油圧制御弁５を備えている。また、操作部３から出力される操作信号に基づいて、油圧ポンプ４の駆動制御を行うポンプ制御部６を備えている。

なお、本実施形態の油圧駆動装置１は、２つの油圧ポンプ４（４ａ，４ｂ）を備え、各油圧ポンプ４ａ，４ｂに、対応する油圧制御弁５（５ａ，５ｂ）を介して油圧アクチュエータ２が接続されている。しかしながら、油圧ポンプ４の個数は２つに限られるものではなく、３つ以上の複数個設けてもよい。また、油圧制御弁５の個数も油圧ポンプ４の個数に対応して３つ以上の複数個設けてもよい。
ここで、各油圧ポンプ４ａ，４ｂおよび油圧制御弁５ａ，５ｂの構成はほぼ同一である。このため、以下の説明においては、一方の油圧ポンプ４ａおよび油圧制御弁５ａについて主に説明し、必要に応じて他方の油圧ポンプ４ｂおよび油圧制御弁５ｂについて説明する。

複数の油圧アクチュエータ２は、アーム駆動用の油圧シリンダ２ａ、キャブ（旋回体）旋回用の油圧モータ２ｂ、バケット駆動用の油圧シリンダ２ｃ、ブーム駆動用の油圧シリンダ２ｄ、走行駆動用の２つの油圧モータ２ｅ，２ｆ等で構成されている。なお、本実施形態では、一方の油圧制御弁５ａに、アーム駆動用の油圧シリンダ２ａ、キャブ（旋回体）旋回用の油圧モータ２ｂ、および２つの走行駆動用の油圧モータ２ｅ，２ｆのうちの一方の油圧モータ２ｅが接続されている。また、他方の油圧制御弁５ｂに、バケット駆動用の油圧シリンダ２ｃ、ブーム駆動用の油圧シリンダ２ｄ、および走行駆動用の２つの油圧モータ２ｅ，２ｆのうちの他方の油圧モータ２ｆが接続されている。しかしながら、これらに限られるものではなく、各油圧制御弁５ａ，５ｂに任意の油圧アクチュエータ２を接続することが可能である。

油圧制御弁５ａは、各油圧アクチュエータ２への圧油の流量を調整するための切換弁（スプール）７を有している。切換弁７は、いわゆるオープンセンタ型の切換弁であって、油圧ポンプ４ａに、圧油が通流する高圧配管であるタンデム通路８、およびタンデム通路８から分岐したパラレル通路９を介して連結されている。また、各切換弁７には、操作部３から出力される操作信号が入力される。
さらに、パラレル通路９には、各切換弁７に対応するようにチェック弁１０が設けられており、切換弁７に供給された圧油が逆流しないようになっている。また、パラレル通路９の最下流側には、チェック弁１０よりも上流側にオリフィス１１が設けられている。

油圧ポンプ４には、ギヤポンプ１４が併設されている。ギヤポンプ１４は、配管１５を介して操作部３に接続されており、操作部３からパイロット圧を発生させるために用いられる。具体的には、ギヤポンプ１４から吐出された圧油は配管１５を通流し、配管１５の途中に設けられたリリーフ弁１６によりタンク１７に還流される。そして、リリーフ弁１６を介し、ギヤポンプ１４から吐出された圧油が操作部３に供給される。

操作部３は、操作レバー１２と、この操作レバー１２で操作される複数（例えば、４つ）のパイロット弁１３とを主構成としている。そして、操作レバー１２の操作（操作角度）に応じて各パイロット弁１３が押圧され、パイロット弁１３から操作レバー１２の操作角度に比例したパイロット圧が出力される。このパイロット圧により各切換弁７の切換が行われる。
また、操作部３には、パイロット圧を検出する複数（例えば、２つ）の圧力センサ２１が設けられている。この圧力センサ２１により検出された信号は、電気信号としてポンプ制御部６に出力される。

ポンプ制御部６は、予め設定された各油圧アクチュエータ２の流量特性テーブルを有している。そして、操作部３から出力された信号に基づいて流量特性テーブルを参照し、所望の油圧アクチュエータ２に供給する圧油の流量を算出する。なお、以下の説明では、操作部３の操作に基づいて算出された圧油の流量、すなわち、操作部３の操作に基づく各油圧アクチュエータ２に要求されている圧油の流量を、単に要求流量と称する。

ここで、ポンプ制御部６では、複数の油圧アクチュエータ２を同時操作する場合で、かつ各油圧アクチュエータ２の要求流量の合計が油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の最大吐出量以下であっても、要求流量から所定比率にて油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の吐出量を低減するように制御している。つまり、ポンプ制御部６では、以下の数（１）〜数（３）の計算を行い、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の吐出量が算出される。

すなわち、ｋを自然数とし、各油圧アクチュエータ２の要求流量をＱｐ１，Ｑｐ２・・・Ｑｐｋとし、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の最大吐出量をＱｐｍａｘとし、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の最小吐出量をＱｐｍｉｎとし、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の制御後の吐出量をＱｐｃとしたとき、
吐出量Ｑｐｃは、

を満たすように設定されている。なお、ｋは、油圧アクチュエータ２の個数を示している。また、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）の最小吐出量とは、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）を駆動させるにあたって、最低限吐出しなければならない圧油の流量のことをいう。これは、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）を最小吐出量以上で駆動させないと、油圧ポンプ４ａ（４ｂ）が焼き付き等を起こすおそれがあるからである。

次に、上記数式（１）〜数式（２）の具体的な計算方法について、油圧駆動装置１の動作説明と共に、説明する。
まず、操作員が操作部３を操作すると、この操作に基づいて対応する油圧アクチュエータ２の切換弁７が作動すると共に、圧力センサ２１により圧力信号（操作信号）が検出される（操作信号検出工程）。

このとき、圧力センサ２１により（操作信号検出工程の検出結果により）、操作員が複数の油圧アクチュエータ２を同時に操作しようとしているのか否かが判断される（アクチュエータ操作判断工程）。
続いて、圧力センサ２１により検出された信号がポンプ制御６に出力される。ポンプ制御部６は、圧力センサ２１からの出力センサ２１に基づいて油圧ポンプ４の吐出量を制御する。

ここで、一例として、油圧駆動装置１には２つの油圧アクチュエータ２が設けられており、操作員は、これら２つの油圧アクチュエータ２を同時に駆動させようとしている場合について、具体的に説明する。なお、以下の説明では、油圧ポンプ４の最大吐出量Ｑｐｍａｘを２２０［Ｌ／ｍｉｎ］とし、油圧ポンプ４の最小吐出量Ｑｐｍｉｎを２０［Ｌ／ｍｉｎ］とし、各油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋ（ｋ＝１，２）が、それぞれ１２０［Ｌ／ｍｉｎ］であるとする。

まず、数式（１）に基づいて、各油圧アクチュエータ２のＱｐｓを算出する。
すなわち、数式（１）より、１つ目の油圧アクチュエータ２のＱｐｓ_１は、
Ｑｐｓ_１＝１−（１２０−２０）／（２２０−２０）＝０．５
と算出される。
ここで、Ｑｐｋ＝（１２０−２０）となるのは、各油圧アクチュエータ２の要求流量から油圧ポンプ４の最小吐出量を減ずるからである。

同様に、１つ目の油圧アクチュエータ２のＱｐｓ_２は、
Ｑｐｓ_２＝１−（１２０−２０）／（２２０−２０）＝０．５
と算出される。

次に、数式（１）により求められたＱｐｓ_１，Ｑｐｓ_２、および数式（２）に基づいて、Ｓｑを算出する。
すなわち、数式（２）より、
Ｓｑ＝１−０．５×０．５＝０．７５
と算出される。

続いて、数式（２）により求められたＳｑ、および数式（３）に基づいて、油圧ポンプ４の油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃを算出する。
すなわち、数式（３）より、
Ｑｐｃ＝０．７５×（２２０−２０）＋２０＝１７０
と算出される。

つまり、２つの油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋ（ｋ＝１，２）が、それぞれ１２０［Ｌ／ｍｉｎ］であるとき、実際の油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃは、１７０［Ｌ／ｍｉｎ］となる。ここで、単純に２つの油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋ（ｋ＝１，２）を合算すると、１２０＋１２０＝２４０［Ｌ／ｍｉｎ］であるから、この合算値に対し、実際の油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃは、約７０％程度に低減されたということになる。

換言すれば、２つの油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋの合算が最大吐出量Ｑｐｍａｘを越える場合、または最大吐出量Ｑｐｍａｘ以下の何れであっても、要求流量Ｑｐｋの合算から所定比率にて油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが低減される。上記の場合、油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃ（１７０［Ｌ／ｍｉｎ］）は、まだ最大吐出量Ｑｐｍａｘ（２２０［Ｌ／ｍｉｎ］）に達していないので、操作員が２つの油圧アクチュエータ２をさらに動作させようとした場合であっても、それに応じて油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃを増加させることができ、各油圧アクチュエータ２の動作速度等を変化させることができる。

より具体的に、図２に基づいて、操作部３の操作に基づく油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃの変化について説明する。
図２は、縦軸を、油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃ［Ｌ／ｍｉｎ］とし、横軸を、操作部３による各油圧アクチュエータ２への要求度（油圧ポンプ４の最大吐出量Ｑｐｍａｘに対する要求流量の比率）［％］とした場合の、油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃの変化を示すグラフである。なお、図２では、２つの油圧アクチュエータ２を同時に動作させる場合と、３つの油圧アクチュエータ２を同時に動作させる場合の２つの場合を示している。また、図２中、破線で示している線は、それぞれ各油圧アクチュエータ２に要求されている合算流量を示している。

同図に示すように、本実施形態では、複数の油圧アクチュエータ２を同時に操作させる場合、操作部３による各油圧アクチュエータ２への要求度が高くなるに従って油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが最大吐出量Ｑｐｍａｘに近づくが、最大吐出量Ｑｐｍａｘを越えないことが確認できる。

次に、油圧駆動装置１には２つの油圧アクチュエータ２が設けられているが、操作員が１つの油圧アクチュエータ２のみを単独で駆動させる場合について説明する。なお、各流量の条件は、上記２つの油圧アクチュエータ２を同時に駆動させる場合と同様とする。すなわち、油圧ポンプ４の最大吐出量Ｑｐｍａｘを２２０［Ｌ／ｍｉｎ］とし、油圧ポンプ４の最小吐出量Ｑｐｍｉｎを２０［Ｌ／ｍｉｎ］とし、油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋ（ｋ＝１，２）を１２０［Ｌ／ｍｉｎ］とする。

この場合、数式（１）より、１つ目の油圧アクチュエータ２のＱｐｓ_１は、
Ｑｐｓ_１＝１−（１２０−２０）／（２２０−２０）＝０．５
と算出される。
一方、２つ目の油圧アクチュエータ２のＱｐｓ_２は、要求流量が０［Ｌ／ｍｉｎ］であるから、結果的に油圧ポンプ４の最小吐出量ということになり、
Ｑｐｓ_２＝１−（２０−２０）／（２２０−２０）＝１
と算出される。

次に、数式（１）により求められたＱｐｓ_１，Ｑｐｓ_２、および数式（２）に基づいて、Ｓｑを算出する。
すなわち、数式（２）より、
Ｓｑ＝１−０．５×１＝０．５
と算出される。

続いて、数式（２）により求められたＳｑ、および数式（３）に基づいて、油圧ポンプ４の油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃを算出する。
すなわち、数式（３）より、
Ｑｐｃ＝０．５×（２２０−２０）＋２０＝１２０
と算出される。

つまり、１つの油圧アクチュエータ２のみを単独で駆動させる場合、油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋに対して実際の油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが１００％となる。
このことは、各数式（１）〜（３）からも読み取れる。すなわち、便宜上、操作されていない油圧アクチュエータ２では、「１」を算出させるため、数式（１）では、１から引き変換しているのである。そして、数式（２）では、各油圧ポンプ４の要求流量の総乗数を算出している。数式（１）では、操作されていない油圧アクチュエータ２は、「１」が算出されているので、数式（１）で算出された油圧ポンプ４の最大吐出量Ｑｐｍａｘに対する割合がそのまま算出される。そして、数式（１）での変換を再変換し、数式（３）により油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが決定する。

したがって、上述の実施形態によれば、複数の油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋの合算が最大吐出量Ｑｐｍａｘを越える場合、または最大吐出量Ｑｐｍａｘ以下の何れであっても、要求流量Ｑｐｋの合算から所定比率にて油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが低減されるので、油圧ポンプ４から圧油が過剰に吐出されてしまうことを防止できる。具体的には、上記数式（１）〜数式（３）を満たすように油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃを設定することにより、複数の油圧アクチュエータ２を同時に操作する場合における油圧ポンプ４の過剰な圧油の吐出を防止できる。このため、複数の油圧アクチュエータ２を同時に操作する場合において、各油圧アクチュエータ２の操作性の悪化を防止すると共に、操作員への操作感を向上できる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数の油圧アクチュエータ２を同時操作する場合、複数の油圧アクチュエータ２の要求流量Ｑｐｋの合算が最大吐出量Ｑｐｍａｘを越える場合、または最大吐出量Ｑｐｍａｘ以下の何れであっても、要求流量Ｑｐｋの合算から所定比率にて油圧ポンプ４の吐出量Ｑｐｃが低減されるので、油圧ポンプ４から圧油が過剰に吐出されてしまうことを防止できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…油圧駆動装置、２…油圧アクチュエータ、３…操作部、４…油圧ポンプ、５…油圧制御弁、６…ポンプ制御部、７…切換弁

Claims (1)

1. 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ための操作信号を出力する操作部と、
   前記油圧アクチュエータに所望の圧油を供給する油圧ポンプと、
   前記油圧アクチュエータと前記油圧ポンプとの間に設けられ、前記操作部から出力される前記操作信号に基づいて、前記油圧アクチュエータに供給される前記圧油の流量を制御する油圧制御弁と、
   前記操作部から出力される前記操作信号に基づいて、前記油圧ポンプの駆動制御を行うポンプ制御部と、を備え、
   前記ポンプ制御部は、
   ｋを自然数とし、
   前記操作信号に基づく前記要求流量をＱｐ１ｌ，Ｑｐ２ｌ・・・Ｑｐｋｌとし、
   前記油圧ポンプの最大吐出量をＱｐｍａｘとし、
   前記油圧ポンプの最小吐出量をＱｐｍｉｎとし、
   低減後の前記油圧ポンプの吐出量をＱｐｃとしたとき、
   前記吐出量Ｑｐｃが、
   

   

   を満たすように、前記油圧ポンプの駆動制御を行う油圧駆動装置。

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