JP6356634B2 - 作業機械の油圧駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、油圧ショベルやクレーン等の作業機械に搭載される油圧駆動装置に関する。
油圧ショベルなどの油圧式作業機械では、エンジンで油圧ポンプを回転駆動し、油圧ポンプから吐出された圧油により、油圧シリンダなどの油圧アクチュエータを操作するものが一般的である。このような作業機械に搭載される油圧駆動装置として、例えば特許文献1及び2に記載のものがある。
特許文献1に記載の油圧駆動装置は、1台の油圧ポンプから吐出される圧油を分流して複数のアクチュエータに供給することにより複合動作を可能としている。
一方、特許文献2に記載の油圧駆動装置は、エンジン駆動の油圧ポンプ2台と電動式油圧ポンプ1台とを備え、各アクチュエータを別々の油圧ポンプで駆動することにより、複合動作における操作の独立性を実現している。
特開平8−105078 特許第4509877号公報
特許文献1に記載の油圧駆動装置では、1台の油圧ポンプで複数のアクチュエータを駆動するため、油圧ポンプを回転駆動する際に生じる引きずり損失が小さい。しかし、複数のアクチュエータを駆動する複合動作時に、油圧ポンプの吐出油を分流する制御絞りにおいて圧力損失が生じる。
一方、特許文献2に記載の油圧駆動装置では、各アクチュエータが別々の油圧ポンプで駆動されるため、複合動作時も分流に伴う圧力損失は生じない。しかし、電動式油圧ポンプで駆動するように構成されたバケットのみを操作する単独動作時に、エンジン駆動の油圧ポンプと合わせて3台の油圧ポンプが駆動されることとなり、引きずり損失が大きくなる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、油圧ポンプの圧力損失及び引きずり損失を低減することにより、作業機械の燃費を改善できる油圧駆動装置を提供することである。
(1)上記課題を解決するために、本発明は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される第1及び第2油圧ポンプと、前記第1及び第2油圧ポンプの吐出油がそれぞれ供給される第1及び第2ポンプ油路と、前記第1ポンプ油路から供給される圧油によって駆動される少なくとも1つの第1アクチュエータと、前記第2ポンプ油路から供給される圧油によって駆動される複数の第2アクチュエータと、前記第1ポンプ油路に設けられ、前記第1アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する第1方向制御弁と、前記第2ポンプ油路に設けられ、前記複数の第2アクチュエータに供給される圧油の流量をそれぞれ制御する複数の第2方向制御弁と、前記第1方向制御弁及び前記複数の第2方向制御弁をそれぞれ切換操作することにより前記第1アクチュエータ及び前記複数の第2アクチュエータを操作する複数の操作装置と、電動機と、前記電動機によって駆動される第3油圧ポンプと、前記第3油圧ポンプの吐出油が供給される第3ポンプ油路と、前記第3ポンプ油路に設けられ、前記複数の第2アクチュエータのうちの特定のアクチュエータを操作する前記複数の操作装置のうちの特定の操作装置によって切換操作され、前記第3油圧ポンプから前記特定のアクチュエータに供給される圧油の流量を制御する第3方向制御弁と、前記複数の第2アクチュエータの操作に応じて前記電動機を駆動制御する制御装置と、前記複数の操作装置の操作量をそれぞれ検出する複数の操作量検出装置とを備え、前記制御装置は、前記複数の操作量検出装置によって前記複数の第2アクチュエータのうち前記特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合操作が検出されたときに、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動するものとする。
このように構成した本発明においては、特定のアクチュエータをエンジン駆動の第2油圧ポンプと電動機駆動の第3油圧ポンプとで選択的に駆動可能としたことにより、第2油圧ポンプの圧力損失及び第3油圧ポンプの引きずり損失が抑えられ、作業機械の燃費を改善できる。
また、本発明は、前記複数の操作装置の操作量をそれぞれ検出する複数の操作量検出装置を更に備え、前記制御装置は、前記複数の操作量検出装置によって前記複数の第2アクチュエータのうち前記特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合操作が検出されたときに、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動する。
このように、特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合動作時は、第3油圧ポンプによって特定のアクチュエータが駆動され、第2油圧ポンプから特定のアクチュエータに圧油が供給されないため、第2油圧ポンプの圧力損失が抑えられる。
)上記()において、好ましくは、前記特定のアクチュエータの負荷圧を検出する負荷圧検出装置を更に備え、前記制御装置は、前記複数の操作量検出装置によって前記複数の第2アクチュエータのうち前記特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合操作が検出され、かつ前記負荷圧検出装置によって検出された前記特定のアクチュエータの負荷圧が所定の負荷圧より高いときは、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動しない。
このように、特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合動作時でかつ重負荷作業時は、エンジン駆動の第2油圧ポンプで特定のアクチュエータを駆動することにより、電動機の電力損失を抑えるとともに、従来と同等の操作性を維持することができる。
)上記(1)において、好ましくは、前記第特定のアクチュエータがアームシリンダである。
このように、軽負荷作業時に複合操作される頻度が高くかつ大流量を要するアームシリンダを、エンジン駆動の第2油圧ポンプと電動機駆動の第3油圧ポンプとで選択的に駆動可能な特定のアクチュエータとすることで、第2油圧ポンプの圧力損失及び第3油圧ポンプの引きずり損失の低減効果を向上できる。
)上記(1)において、好ましくは、前記電動機を含む電動系統の異常を検出する異常検出装置を更に備え、前記制御装置は、前記異常検出装置によって前記電動系統の異常が検出されたときは、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動しない。
このように、電動機を含む電動系統に異常が生じた場合は、エンジン駆動の第2油圧ポンプで特定のアクチュエータを駆動することにより、電動系統に関わる重大な故障を防ぐとともに、従来と同等の操作性を維持することができる。
)上記(1)において、好ましくは、前記電動機を駆動するための電力を蓄えるバッテリと、前記バッテリの充電率を検出する充電率検出装置とを更に備え、前記制御装置は、前記充電率検出装置によって検出されたバッテリ充電率が所定の充電率よりも低いときは、前記電動機で第3油圧ポンプを駆動しない。
このように、バッテリの残量が不足している場合は、エンジン駆動の第2油圧ポンプで特性のアクチュエータを駆動することにより、従来と同等の操作性を維持することができる。
本発明によれば、油圧ポンプの圧力損失または引きずり損失を低減することにより、作業機械の燃費を改善することができる。
本発明の実施の形態に係る油圧駆動装置を備えた油圧ショベルの側面図である。 本発明の実施の形態に係る油圧駆動装置の構成図である。 本発明の実施の形態におけるメインコントローラによる制御を示すフロー図である。 本発明の実施の形態におけるエンジン回転数と第1及び第2ポンプの基準動力との関係、及び、バッテリSOCと第3ポンプの基準動力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態におけるポンプ基準流量の演算フロー図である。 本発明の実施の形態におけるアーム負荷圧と第3ポンプの基準流量の補正ゲインとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態における電動系統からメインコントローラへのデータフローを示すブロック図である。 本発明の実施の形態におけるメインコントローラによる電動系統異常フラグの設定処理を示すフロー図である。 アームシリンダの駆動モードとエネルギー損失との関係を示す図である。
以下、本発明の実施の形態として、本発明を油圧ショベルの油圧駆動装置に適用した場合を例に説明する。
〜構成〜
図1は、本実施の形態に係る油圧ショベルの外観を示す図である。油圧ショベルは、下部走行体1と、上部旋回体2と、フロント作業装置3とを備えている。
下部走行体1は、左右の履帯11a,11b(左側のみ図示)と左右の走行油圧モータ12a,12b(左側のみ図示)とを備え、左右の走行油圧モータ12a,12bで左右の履帯11a,11bをそれぞれ駆動することにより走行する。
上部旋回体2は、支持機構としての旋回フレーム2aを有し、旋回フレーム2a上には、原動機としてのエンジン13、電動機M(図示せず)、エンジン13に連結された発電電動機GM(図示せず)、エンジン13により駆動される油圧ポンプP1,P2、電動機により駆動される油圧ポンプP3(図示せず)、下部走行体1に対して上部旋回体2(旋回フレーム2a)を旋回駆動する旋回油圧モータ10、油圧ポンプP1〜P3の吐出油を各アクチュエータ7〜10,12a,12bに分配して供給するコントロールバルブ15等が搭載されている。
フロント作業装置3は、上部旋回体2に上下方向に回動可能に取り付けられたブーム4と、ブーム4の先端に回動可能に取り付けられたアーム5と、アーム5の先端に回動可能に取り付けられたバケット6とを有している。ブーム4はブームシリンダ7の伸縮により上下方向に回動し、アーム5はアームシリンダ8の伸縮により上下・前後方向に回動し、バケット6はバケットシリンダ9の伸縮により上下・前後方向に回動する。
図2は、本発明の実施の形態に係る油圧駆動装置の構成図である。油圧駆動装置は、エンジン13と、発電電動機GMと、電動機Mと、3つの油圧ポンプ(以下、適宜第1〜第3ポンプという)P1〜P3と、コントロールバルブ15と、複数のアクチュエータ8〜10と、各アクチュエータ8〜10をそれぞれ操作する複数の操作装置19〜21と、制御装置としてのメインコントローラ(以下、適宜コントローラという)18とを備えている。
なお、図1に示したブームシリンダ7及び左右の走行油圧モータ12a,12bは第1、第2ポンプP1,P2のいずれかで駆動されるが、アクチュエータ7,12a,12bの動作は以下の議論に影響しないため、図2ではアクチュエータ7,12a,12bの駆動に関わる部分は省略している。
エンジン13の出力軸には発電電動機GMが連結されており、発電電動機GMの出力軸には第1、第2ポンプP1,P2が連結されている。発電電動機GMは、エンジン13の駆動力及びバッテリ14に蓄えられた電気エネルギーのいずれか一方又は双方によって作動し、第1、第2ポンプP1,P2を駆動する。発電電動機GMは、第1インバータINV1を介してバッテリ14及び第2インバータINV2に接続されており、エンジン13の動力を電気エネルギーに変換してバッテリ14又は第2インバータINV2に出力する発電機としての機能と、第1インバータINV1を介して供給されるバッテリ14の電気エネルギーによって第1、第2ポンプP1,P2をアシスト駆動する電動機としての機能とを有する。
電動機Mの出力軸には、第3ポンプP3が連結されている。電動機Mは、第2インバータINV2を介してバッテリ14及び第1インバータINV1に接続されており、バッテリ14に蓄えられた電気エネルギー及び発電電動機GMで発電した電気エネルギーのいずれか一方又は双方によって作動し、第3ポンプP3を駆動する。
第1、第2ポンプP1,P2は、可変容量型の油圧ポンプであり、それぞれ第1、第2ポンプレギュレータR1,R2を介してポンプ容量(押しのけ容積)を調整することにより吐出流量が制御される。第3ポンプP3は、固定容量型の油圧ポンプであり、第2インバータINV2を介して電動機Mの回転数を調整することにより吐出流量が制御される。
コントロールバルブ15は、第1〜第3ポンプP1〜P3と複数のアクチュエータ8〜10との間に配置され、第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出油を各アクチュエータ8〜10に分配して供給する。コントロールバルブ15の内部には、複数のポンプ油路(以下、適宜第1〜第3ポンプ油路という)L1〜L3が形成されており、第1ポンプ油路L1にはバケットシリンダ9に供給する圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁V2が配置され、第2ポンプ油路L2にはアームシリンダ8に供給する圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁V1と旋回油圧モータ10の供給する圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁V3とが配置され、第3ポンプ油路L3にはアームシリンダ8に供給する圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁V4が配置されている。第1〜第3油圧ポンプP1〜P3の吐出油は、第1〜第3ポンプ油路L1〜L3にそれぞれ導かれ、各方向制御弁V1〜V4を介して各アクチュエータ8〜10に供給される。
第1〜第3ポンプ油路L1〜L3には、第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出圧を検出するポンプ圧センサS1〜S3がそれぞれ取り付けられており、アームシリンダ8と方向制御弁V1,V4とを接続するヘッド側油路L5及びロッド側油路L6には、アームシリンダ8の負荷圧を検出する負荷圧センサS4,S5がそれぞれ取り付けられている。ポンプ圧センサS1〜S3及び負荷圧センサS4,S5の検出信号は、コントローラ18に入力される。
操作装置(以下、適宜アーム操作装置という)19は、パイロットバルブ19aと、パイロットバルブ19aに連結された操作レバー(以下、適宜アーム操作レバーという)19bとを備えている。パイロットバルブ19aは、パイロットポンプ及びパイロットリリーフ弁等で構成されるパイロット油圧源17に接続されており、操作レバー19bの操作方向及び操作量に応じてパイロット油圧源17から入力されるパイロット一次圧を減圧し、パイロット圧PL1,PL2として出力する。パイロット圧PL1,PL2は、方向制御弁V1,V4の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、アーム操作用の方向制御弁V1,V4を右左いずれかの方向に切換操作する。パイロットバルブ19aに接続された2つのパイロット油路には、パイロット圧PL1,PL2を検出するパイロット圧センサS6,S7がそれぞれ取り付けられており、パイロット圧センサS6,S7の検出信号は、コントローラ18に入力される。
操作装置20(以下、適宜バケット操作装置という)は、パイロットバルブ20aと、パイロットバルブ20aに連結された操作レバー(以下、適宜バケット操作レバーという)20bとを備えている。パイロットバルブ20aは、パイロット油圧源17に接続されており、操作レバー20bの操作方向及び操作量に応じてパイロット油圧源17から入力されるパイロット一次圧を減圧し、パイロット圧PL3,PL4として出力する。パイロット圧PL3,PL4は、バケット操作用の方向制御弁V2の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V2を右左いずれかの方向に切換操作する。パイロットバルブ20aに接続された2つのパイロット油路には、パイロット圧PL3,PL4を検出するパイロット圧センサS8,S9がそれぞれ取り付けられており、パイロット圧センサS8,S9の検出信号は、コントローラ18に入力される。
操作装置21(以下、適宜旋回操作装置という)は、パイロットバルブ21aと、パイロットバルブ21aに連結された操作レバー(以下、適宜旋回操作レバーという)21bとを備えている。パイロットバルブ21aは、パイロット油圧源17に接続されており、操作レバー21bの操作方向及び操作量に応じてパイロット油圧源17から入力されるパイロット一次圧を減圧し、パイロット圧PL5,PL6として出力する。パイロット圧PL5,PL6は、旋回操作用の方向制御弁V3の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V3を右左いずれかの方向に切換操作する。パイロットバルブ21aに接続された2つのパイロット油路には、パイロット圧PL5,PL6を検出するパイロット圧センサS10,S11がそれぞれ取り付けられており、パイロット圧センサS10,S11の検出信号は、コントローラ18に入力される。
コントローラ18は、第1〜第3ポンプP1〜P3が制限値を超えないようにポンプ圧センサS1〜S3の検出値(第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出圧)を監視するとともに、ポンプ圧センサS1〜S3の検出値(第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出圧)、負荷圧センサS4,S5の検出値(アーム負荷圧)及びパイロット圧センサS6〜S11の検出値(パイロット圧P1〜P6)に応じて第1〜第3ポンプP1〜P3の目標流量を設定し、第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出流量がそれぞれの目標流量と一致するように、第1、第2ポンプP1,P2の容量(押しのけ容積)及び電動機Mの回転数を制御する。第1、第2ポンプP1,P2のポンプ容量(押しのけ容積)は、コントローラ18が第1、第2ポンプレギュレータR1,R2に傾転制御信号を送信することで制御され、電動機Mの回転数は、コントローラ18が第2インバータINV2に回転数制御信号を送信することで制御される。
〜制御〜
本実施の形態に係る油圧駆動装置の制御方法を、図3を用いて説明する。
図3は、コントローラ18による制御を示すフロー図である。図3の制御フローを構成する各ステップについて、以下順に説明する。
ステップS101では、予め設定したテーブル(一例を図4(a)に示す)を参照して、エンジン現在回転数またはエンジン回転数目標値から第1・第2ポンプ基準動力Pow12を決定する。ここで、前記テーブルは、第1・第2ポンプ基準動力Pow12がエンジン最大出力HP1を超えないように設定されている。
ステップS102では、予め設定したテーブル(一例を図4(b)に示す)を参照して、バッテリ充電量(S0C)から第3ポンプ基準動力Pow3を決定する。ここで、前記テーブルは、第3ポンプ基準動力Pow3が電動機Mの最大出力HP2を超えないように、かつ、所定のバッテリ残量(SOC2)を下回ると、第3ポンプ基準動力がゼロとなるように設定されている。
ステップS103では、電動系統異常フラグがオフか否かを判定し、電動系統異常フラグがオフの場合はステップS105へ進む。電動系統異常フラグがオンの場合はステップS104へ進み、第3ポンプ基準動力Pow3をゼロに設定してステップS105に進む。
ステップS105では、図5に示す演算フローに基づいて、各種操作信号と、第1〜第3ポンプ吐出圧(ポンプ圧センサS1〜S3の検出値)Sv1〜Sv3と、ポンプ基準動力Pow12,Pow3とから、各ポンプの基準流量Q1c,Q2c,Q3cを決定する。
図5の演算フローにおいて、まず、第1、第2ポンプP1,P2の基準流量を演算するフローを説明する。
初めに、テーブルT1を参照し、第1ポンプP1に接続されたアクチュエータの操作パイロット圧の最大値PLm1から流量Q1aを決定する。同様にテーブルT2を参照し、第2ポンプP2に接続されたアクチュエータの操作パイロット圧の最大値PLm2から流量Q2aを決定する。
次に、第1、第2ポンプ吐出圧Sv1,Sv2と第1・第2ポンプ基準動力Pow12とから、以下の式に従って流量Q12bを計算する(流量演算C1)。
P12 = (Sv1+Sv2)/2
Q12b = Pow12b/P12×60
最後に、Q1a,Q12bの最小値を第1ポンプ基準流量Q1cに設定し、Q2a,Q12bの最小値を第2ポンプ基準流量Q2cに設定する。
次に、図5の演算フローにおいて,第3ポンプP3の基準流量を演算するフローを説明する。
初めに、テーブルT3を参照し、第3ポンプP3に接続されたアクチュエータの操作パイロット圧の最大値PLm3から流量Q3aを決定する。
次に、第3ポンプ吐出圧Sv3と第3ポンプ基準動力Pow3とから、以下の式に従って流量Q3bを計算する(流量演算C2)。
Q3b = Pow3b/Sv2×60
最後に、Q3a,Q3bの最小値を第3ポンプ基準流量Q3cに設定する。ここで、特にステップS102およびS104で第3ポンプ基準動力Pow3がゼロになった場合は、第3ポンプ基準流量Q3cがゼロとなる。
ステップS106では、操作パイロット圧センサ値から、アーム操作と旋回操作とが同時に行われているかを判定し、同時に行われている場合はステップS108へ進む。同時に行われていない場合はステップS107へ進み、第3ポンプ基準流量Q3cをゼロに設定する。
ステップS108では、予め設定したテーブル(一例を図6に示す)を参照し、負荷圧センサS4,S5の検出値Sv4,Sv5から補正ゲインGを決定し、以下の式で第3ポンプ基準流量を補正する。
Q3c’= Q3c×G
ここで、Gは0から1の値をとり、アクチュエータ負荷圧がある一定以上の値(図6におけるPam2)では0となる。
ステップS109では、第2ポンプ基準流量から補正後の第3ポンプ基準流量Q3c’を減算し、補正後第2ポンプ基準流量Q2c’を演算する。
Q2c’= Q2c−Q3c’
ステップS110では、第1〜第3ポンプ目標流量Q1d,Q2d,Q3dを決定する。ここで、第1ポンプ目標流量Q1dはQ1c、第2ポンプ目標流量Q2dは補正後第2ポンプ基準流量Q2c’とし、第3ポンプ目標流量Q3dは補正後第3ポンプ基準流量ポンプQ3c’とする。
ステップS111では、第1、第2ポンプ目標流量Q1d,Q2dとエンジン現在回転数またはエンジン目標回転数から第1及び第2ポンプ目標押しのけ容積を演算し、第1、第2ポンプレギュレータR1,R2に傾転指令を送信する。
ステップS112では、第3ポンプ目標流量Q3dと第3ポンプ押しのけ容積から電動機目標回転数を演算し、第2インバータINV2に電動機回転数指令を送信して電動機回転数を制御し、フローを終了する。
次に、メインコントローラ18によるバッテリ充電率の取得方法および電動系統異常フラグの設定方法について、図7および図8を用いて説明する。
図7は、電動系統30からメインコントローラ18へのデータフローを示すブロック図である。電動系統30は、バッテリ14、発電電動機GM、電動機M、第1インバータINV1、第2インバータINV2等の第3ポンプP3の駆動に関わる装置で構成されている。バッテリ14に搭載されたバッテリコントローラ22は、バッテリ温度、バッテリ電圧及びバッテリ電流値に基づいてバッテリ充電率を計算し、メインコントローラ18に送信する。また、バッテリコントローラ22は、バッテリ温度に基づいてバッテリ異常フラグをオフまたはオンに設定し、メインコントローラ18に送信する。ここで、バッテリ異常フラグは、バッテリ温度が正常な温度範囲にある場合はオフに設定され、バッテリ温度が正常な温度範囲から外れた場合はオンに設定される。
第1インバータINV1に搭載された第1インバータ用コントローラ23は、インバータ温度と発電電動機GMに取り付けられた発電電動機用サーミスタ25から受信した発電電動機温度とに基づいて発電電動機異常フラグをオフまたはオンに設定し、メインコントローラ18に送信する。ここで、発電電動機異常フラグは、インバータ温度および発電電動機温度がそれぞれ正常な温度範囲にある場合はオフに設定され、インバータ温度または発電電動機温度のいずれかが正常な温度範囲から外れた場合はオンに設定される。
第2インバータINV2に搭載された第2インバータ用コントローラ24は、インバータ温度と電動機Mに取り付けられた電動機用サーミスタ26から受信した電動機温度とに基づいて電動機異常フラグをオフまたはオンに設定し、メインコントローラ18に送信する。ここで、電動機異常フラグは、インバータ温度および電動機温度がそれぞれ正常な温度範囲にある場合はオフに設定され、インバータ温度または電動機温度のいずれかが正常な温度範囲から外れた場合はオンに設定される。
図8は、メインコントローラ18による電動系統異常フラグの設定処理を示すフロー図である。図8のフローを構成する各ステップについて、以下順に説明する。
メインコントローラ18は、まず、バッテリコントローラ22から受信したバッテリ異常フラグがオフか否かを判定する(ステップS201)。
ステップS201でYES(バッテリ異常フラグがオフ)と判定された場合は、第1インバータ用コントローラ23から受信した発電電動機異常フラグがオフか否かを判定する(ステップS202)。
ステップS202でYES(バッテリ異常フラグがオフ)と判定された場合は、第2インバータ用コントローラ24から受信した電動機異常フラグがオフか否かを判定する(ステップS203)。
ステップS203でYES(電動機異常フラグがオフ)と判定された場合は、電動機器異常フラグをオフに設定し(ステップS204)、フローを終了する。
一方、ステップS201〜S203のいずれかでNOと判定された場合は、電動系統異常フラグをオンに設定し(ステップS205)、フローを終了する。
以上のフローにより、電動系統30を構成する機器の全てが正常な場合は、電動系統異常フラグはオフに設定され、電動系統30を構成する機器のいずれかに異常が生じた場合は、電動系統異常フラグがオンに設定される。
〜動作〜
上述したコントローラ18の制御フローによって実現される油圧駆動装置の動作を、図2を用いて説明する。
(アーム・バケット複合動作)
アーム操作レバー19b及びバケット操作レバー20bが同時に操作されると、各レバーの操作方向及び操作量に応じてパイロット圧PL1,PL2及びパイロット圧PL3,PL4がパイロットバルブ19a,20aからそれぞれ出力される。
コントローラ18は、第1、第2ポンプP1,P2の吐出圧(ポンプ圧センサS1,S2の検出値)に応じて第1、第2ポンプP1,P2の目標流量を設定し、第1、第2ポンプP1,P2の吐出流量がそれぞれの目標流量と一致するように、第1、第2ポンプP1,P2の傾転角を制御する。また、旋回・アーム複合操作ではないため、第3ポンプP3の目標流量をゼロに設定し、電動機Mを作動させない。
アーム操作装置19から出力されたアームパイロット圧PL1,PL2は、方向制御弁V1,V4を左右いずれかの方向に切換操作する。バケット操作装置20から出力されたバケットパイロット圧PL3,PL4は、方向制御弁V2を左右いずれかの方向に切換操作する。
これにより、アーム操作レバー19bの操作に応じて第2ポンプ油路L2からアームシリンダ8に圧油が供給されるとともに、バケット操作レバー20bの操作に応じて第1ポンプ油路L1からバケットシリンダ9に圧油が供給され、アーム・バケット複合操作が実現される。このとき、電動機Mは作動しないため、第3油圧ポンプP3からアームシリンダ8に圧油が供給されることはない。
(アーム・バケット・旋回複合動作(軽負荷))
アーム操作レバー19b、バケット操作レバー20b及び旋回操作レバー21bが同時に操作されると、各レバーの操作方向及び操作量に応じてパイロット圧PL1,PL2、パイロット圧PL3,PL4、及びパイロット圧PL5,PL6がパイロットバルブ19a〜21aからそれぞれ出力される。
コントローラ18は、図3の制御フローに基づいて第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出流量を制御する。まず、エンジン回転数からPow12を決定し、バッテリ充電量からPow3を決定する。バッテリ充電量が所定の値(図4(b)のSOC2)を下回るとPow3はゼロとなり、後に演算される第3ポンプ目標流量がゼロとなることから、バッテリ充電量が所定の値以下になると第3ポンプP3を駆動する電動機Mは作動しない。
図4における各ポンプの基準流量の演算について説明する。テーブルT1を参照し、第1ポンプP1に接続されたアクチュエータの最大操作圧PLm1(この場合は、バケット操作パイロット圧)からQa1を決定する。また、テーブルT2を参照し、第2ポンプP2に接続されたアクチュエータの最大操作圧PLm2(この場合は、アーム操作パイロット圧、旋回操作パイロット圧の最大値)からQa2を決定する。流量演算C1により、第1、第2ポンプ吐出圧Sv1,Sv2と第1・第2ポンプ基準動力Pow12とからQ12bを決定し、Q1a,Q12bの最小値を第1ポンプ基準流量Q1cとし、Q2a,Q12bの最小値を第2ポンプ基準流量Q2cとする。
また、テーブルT3を参照し、第3ポンプP3に接続されたアクチュエータの最大操作圧PLm3(この場合は、アーム操作パイロット圧)から基準流量Qa3を決定する。流量演算C2により、第3ポンプ吐出圧Sv3と第3ポンプ基準動力Pow3とから基準流量Q3bを決定し、基準流量Q3a,Q3bの最小値を第3ポンプ基準流量Q3cとする。ここで、旋回・アーム複合操作がなされており、かつアーム負荷圧が軽負荷(図6におけるPam1以下)とすると、第3ポンプ目標流量Q3dはQ3cとなり、第2ポンプ目標流量Q2dは第2ポンプ基準流量Q2cからQ3cを減算したものとなる。第1ポンプ目標流量は補正されず、Q1d=Q1cとなる。
以上のように計算した各ポンプ目標流量に基づいて、第1、第2ポンプP1,P2の傾転角および第3ポンプP3を駆動する電動機Mの回転数を制御する。
アーム操作装置19から出力されるパイロット圧PL1,PL2は、方向制御弁V1,V4の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V1,V4を左右いずれかの方向に切換操作する。バケット操作装置20から出力されるパイロット圧PL3,PL4は、方向制御弁V2の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V2を左右いずれかの方向に切換操作する。旋回操作装置21から出力されるパイロット圧PL5,PL6は、方向制御弁V3の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V3を左右いずれかの方向に切換操作する。
これにより、アーム操作レバー19bの操作に応じて第3ポンプP3からアームシリンダ8に圧油が供給され、バケット操作レバー20bの操作に応じて第1ポンプP1からバケットシリンダ9に圧油が供給され、旋回操作レバー21bの操作に応じて第2ポンプP2から旋回油圧モータ10に圧油が供給され、軽負荷作業におけるアーム・バケット・旋回の複合動作が実現される。このとき、第2ポンプ油路L2が方向制御弁V1,V2を介してアームシリンダ8及び旋回油圧モータ10の双方と連通することとなるが、方向制御弁V1は方向制御弁V3に対してタンデム接続の下流側に設けられており、かつパラレル油路L4に絞りが設けられているため、第2ポンプP2の吐出油はアームシリンダ8にほとんど供給されない。従って、第2ポンプP2の吐出油をアームシリンダ8に分流する制御絞りにおいて圧力損失はほとんど生じない。
(アーム・バケット・旋回複合動作(重負荷))
アーム操作レバー19b、バケット操作レバー20b及び旋回操作レバー21bが同時に操作されると、各操作レバーの操作に応じてパイロット圧PL1〜PL6がパイロットバルブ19a〜21aから出力される。
コントローラ18は、図3の制御フローに基づいて、第1〜第3ポンプP1〜P3の吐出流量を制御する。ここで、アーム負荷圧が所定の値以上(図6におけるPam2以上)となると、第3ポンプ補正ゲインGがゼロとなり、補正後第3ポンプ基準流量がゼロとなる。これにより、第3ポンプ目標流量はゼロとなり、第2ポンプ目標流量は第2ポンプ基準流量に一致する。
アーム操作装置19から出力されたパイロット圧PL1,PL2は、方向制御弁V1,V4の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V1,V4を左右いずれかの方向に切換操作する。バケット操作装置20から出力されたパイロット圧PL3,PL4は、方向制御弁V2の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V2を左右いずれかの方向に切換操作する。旋回操作装置21から出力されたパイロット圧PL5,PL6は、方向制御弁V3の左右のパイロット受圧部にそれぞれ導かれ、方向制御弁V3を左右いずれかの方向に切換操作する。
これにより、アーム操作レバー19b及び旋回操作レバー21bの操作に応じて第2ポンプP2の吐出油がアームシリンダ8及び旋回油圧モータ10に分流して供給され、バケット操作レバー20bの操作に応じて第1ポンプP1の吐出油がバケットシリンダ9に供給され、重負荷作業におけるアーム・バケット・旋回の複合動作が実現される。このとき、電動機Mは作動しないため、第3ポンプP3からアームシリンダ8に圧油が供給されることはない。
図9は、本実施の形態に係る油圧駆動装置において、アーム負荷圧(軽負荷/重負荷)、アーム操作(単独/複合)及びアーム駆動源(第2ポンプP2/第3ポンプP3)に組合せによって定まる駆動モードM1〜M8と各駆動モードにおいて生じるエネルギー損失(引きずり損失、圧力損失及び電力損失)との関係を示す図である。
(駆動モードM1,M2)
アーム単独の軽負荷作業において、アームシリンダ8をエンジン駆動の第2ポンプP2で駆動した場合(駆動モードM1)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失は生じない。また、第2ポンプP2の吐出油はアームシリンダ8にのみ供給されるため、分流に伴う圧力損失は生じない。一方、アームシリンダ8を電動機駆動の第3ポンプP3で駆動した場合(駆動モードM2)、駆動モードM1と同じく分流に伴う圧力損失は生じないものの、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失が生じる。従って、アーム単独の軽負荷作業においては、エンジン駆動の第2ポンプP2でアームシリンダ8を駆動(駆動モードM5を選択)した方が、エネルギー損失が小さい(燃費が良い)。
(駆動モードM3,M4)
旋回・アーム複合の軽負荷作業において、アームシリンダ8と旋回油圧モータ10とをエンジン駆動の第2ポンプP2で駆動した場合(駆動モードM3)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失は生じない。しかし、第2ポンプP2がアームシリンダ8と旋回油圧モータ10とに連通するとともに、第2ポンプP2から負荷圧の小さいアームシリンダ8に多量の圧油が分流して供給されるため、大きな圧力損失が生じる。一方、旋回油圧モータ10を第2ポンプP2で駆動し、アームシリンダ8を第3ポンプP3で駆動した場合(駆動モードM4)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失が生じるものの、アーム負荷圧が低く電動機Mの消費電力が小さいため、電力損失は小さい。また、第2ポンプP2の吐出油は旋回油圧モータ10にのみ供給されるため、分流に伴う圧力損失は生じない。従って、旋回・アーム複合の軽負荷作業においては、電動機駆動の第3ポンプP3でアームシリンダ8を駆動(駆動モードM4を選択)した方が、エネルギー損失が小さい(燃費が良い)。
(駆動モードM5,M6)
アーム単独の重負荷作業において、アームシリンダ8をエンジン駆動の第2ポンプP2で駆動した場合(駆動モードM5)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失は生じない。また、第2ポンプP2の吐出油はアームシリンダ8にのみ供給されるため、分流に伴う圧力損失は生じない。一方、アームシリンダ8を電動機駆動の第3ポンプP3で駆動した場合(駆動モードM6)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失が生じるものの、アームシリンダ8の負荷圧が低く電動機Mの消費電力が小さいため、電力損失は小さい。従って、アーム単独の重負荷作業においては、エンジン駆動の第2ポンプP2でアームシリンダ8を駆動(駆動モードM5を選択)した方が、エネルギー損失は小さい(燃費が良い)。
(駆動モードM7,M8)
旋回・アーム複合の重負荷作業において、アームシリンダ8と旋回油圧モータ10をエンジン駆動の第2ポンプP2で同時に駆動した場合(駆動モードM7)、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失及び電動機Mの作動に伴う電力損失は生じない。また、第2ポンプP2はアームシリンダ8と旋回油圧モータ10とに連通することとなるが、アーム負荷圧が高く第2ポンプP2からアームシリンダ8に分流して供給される圧油が少量であるため、大きな圧力損失は生じない。一方、旋回油圧モータ10を第2ポンプP2で駆動し、アームシリンダ8を第3ポンプP3で駆動した場合(駆動モードM8)、第2ポンプP2の吐出油は旋回油圧モータ10にのみ供給されるため、分流に伴う圧力損失は生じない。しかし、第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失が生じるとともに、負荷圧の高いアームシリンダ8を電動機駆動の第3ポンプP3で駆動することにより、電動機Mの消費電力が増大し、大きな電力損失が生じる。従って、旋回・アーム複合の重負荷作業においては、エンジン駆動の第2ポンプP2でアームシリンダ8を駆動(駆動モードM7を選択)した方が、エネルギー損失が小さい(燃費が良い)。
本実施の形態に係る油圧駆動装置では、コントローラ18が図3で示した制御フローを実行することにより、アーム操作、旋回操作及びアーム負荷圧に応じてエネルギー損失の小さい(燃費の良い)駆動モードM1,M4,M5,M7のいずれかが選択される。
〜効果〜
上述した本発明の実施の形態によれば、第2ポンプ油路L2に接続された複数のアクチュエータ8,10のうちアームシリンダ8のみが操作される単独動作時は、電動機Mを作動させず、第2ポンプP2でアームシリンダ8を駆動することにより、第3油圧ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失の発生を抑えることができる。一方、第2ポンプ油路L2に接続されたアームシリンダ8を含む複数のアクチュエータ8,10が同時に操作される複合動作時は、電動機Mを作動させ、第3ポンプP3でアームシリンダ8を駆動することにより、第2ポンプP2の吐出油を分流してアームシリンダ8に供給した場合に発生する圧力損失を抑えることできる。このように、アーム操作及び旋回操作に応じてアームシリンダ8をエンジン駆動の第2ポンプP2と電動機駆動の第3ポンプP3とで選択的に駆動し、分流に伴う圧力損失及び第3ポンプP3の駆動に伴う引きずり損失を抑えることにより、作業機械の燃費を改善することができる。なお、軽負荷作業において複合操作される頻度が高くかつ大流量を要するアームシリンダ8を、第2ポンプP2と第3ポンプP3とで選択的に駆動可能な特定のアクチュエータとすることで、その他のアクチュエータを特定のアクチュエータとした場合よりも圧力損失及び引きずり損失の抑制効果を高めることができる。
また、上述した本発明の実施の形態によれば、重負荷作業(アームシリンダ8の負荷圧がPam2以上)において、電動機Mを作動させず、第2ポンプP2でアームシリンダ8を駆動することにより、電動機Mの消費電力が過度に上昇することを防ぎ、電動機Mの作動に伴う電力損失の増大を防ぐことができる。
さらに、上述した本発明の実施の形態によれば、第3ポンプP3の駆動に関わる電動系統に異常が生じた場合は、電動機Mを作動させず、エンジン駆動の第2ポンプP2の吐出油をアームシリンダ8と旋回油圧モータ10とに分流して供給することにより、電動系統に関わる重大な故障を防ぐとともに、従来と同等の操作性を維持することができる。また、バッテリ14の残量が不十分な場合も同様に、電動機Mを作動させず、エンジン駆動の第2ポンプP2の吐出油をアームシリンダ8と旋回油圧モータ10とに分流して供給することにより、従来と同等の操作性を維持することができる。
1:下部走行体
2:上部旋回体
2a:旋回フレーム
3:フロント作業装置
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(第2アクチュエータ/特定のアクチュエータ)
9:バケットシリンダ(第1アクチュエータ)
10:旋回油圧モータ(第2アクチュエータ)
11a,11b:履帯
12a,12b:走行油圧モータ
13:エンジン
14:バッテリ
15:コントロールバルブ
17:パイロット油圧源
18:メインコントロ一ラ(制御装置)
19:アーム操作装置
20:バケット操作装置
21:旋回操作装置
19a〜21a:パイロットバルブ
19b:アーム操作レバー
20b:バケット操作レバー
21b:旋回操作レバー
22:バッテリコントローラ(充電率検出装置)
23:第1インバータ用コントローラ
24:第2インバータ用コントローラ
25:発電電動機用サーミスタ
26:電動機用サーミスタ
30:電動系統
GM:発電電動機
INV1:第1インバータ
INV2:第2インバータ
L1:第1ポンプ油路
L2:第2ポンプ油路
L3:第3ポンプ油路
L4:パラレル油路
L5:ヘッド側油路
L6:ロッド側油路
M:電動機
M1〜M8:駆動モード
P1:第1ポンプ
P2:第2ポンプ
P3:第3ポンプ
PL1〜PL6:パイロット圧
R1:第1ポンプレギュレータ
R2:第2ポンプレギュレータ
S1〜S3:ポンプ圧センサ
S4,S5:負荷圧センサ(負荷圧検出装置)
S6〜S11:パイロット圧センサ(操作量検出装置)
T1,T2:変換テーブル
V1:方向制御弁(第2方向制御弁)
V2:方向制御弁(第1方向制御弁)
V3:方向制御弁(第2方向制御弁)
V4:方向制御弁(第3方向制御弁)

Claims (5)

  1. エンジンと、
    前記エンジンによって駆動される第1及び第2油圧ポンプと、
    前記第1及び第2油圧ポンプの吐出油がそれぞれ供給される第1及び第2ポンプ油路と、
    前記第1ポンプ油路から供給される圧油によって駆動される少なくとも1つの第1アクチュエータと、
    前記第2ポンプ油路から供給される圧油によって駆動される複数の第2アクチュエータと、
    前記第1ポンプ油路に設けられ、前記第1アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する第1方向制御弁と、
    前記第2ポンプ油路に設けられ、前記複数の第2アクチュエータに供給される圧油の流量をそれぞれ制御する複数の第2方向制御弁と、
    前記第1方向制御弁及び前記複数の第2方向制御弁をそれぞれ切換操作することにより前記第1アクチュエータ及び前記複数の第2アクチュエータを操作する複数の操作装置と、
    電動機と、
    前記電動機によって駆動される第3油圧ポンプと、
    前記第3油圧ポンプの吐出油が供給される第3ポンプ油路と、
    前記第3ポンプ油路に設けられ、前記複数の第2アクチュエータのうちの特定のアクチュエータを操作する前記複数の操作装置のうちの特定の操作装置によって切換操作され、前記第3油圧ポンプから前記特定のアクチュエータに供給される圧油の流量を制御する第3方向制御弁と、
    前記複数の第2アクチュエータの操作に応じて前記電動機を駆動制御する制御装置と
    前記複数の操作装置の操作量をそれぞれ検出する複数の操作量検出装置とを備え
    前記制御装置は、前記複数の操作量検出装置によって前記複数の第2アクチュエータのうち前記特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合操作が検出されたときに、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動することを特徴とすることを特徴とする作業機械の油圧駆動装置。
  2. 請求項記載の作業機械の油圧駆動装置において、
    前記特定のアクチュエータの負荷圧を検出する負荷圧検出装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記複数の操作量検出装置によって前記複数の第2アクチュエータのうち前記特定のアクチュエータを含む2つ以上の第2アクチュエータの複合操作が検出され、かつ前記負荷圧検出装置によって検出された前記特定のアクチュエータの負荷圧が所定の負荷圧より高いときは、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動しないことを特徴とする作業機械の油圧駆動装置。
  3. 請求項1記載の油圧駆動装置において、
    前記特定のアクチュエータがアームシリンダであることを特徴とする作業機械の油圧駆動装置。
  4. 請求項1記載の作業機械の油圧駆動装置において、
    前記電動機を含む電動系統の異常を検出する異常検出装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記異常検出装置によって前記電動系統の異常が検出されたときは、前記電動機で前記第3油圧ポンプを駆動しないことを特徴とする作業機械の油圧駆動装置。
  5. 請求項1記載の作業機械の油圧駆動装置において、
    前記電動機を駆動するための電力を蓄えるバッテリと、
    前記バッテリの充電率を検出する充電率検出装置とを更に備え、
    前記制御装置は、前記充電率検出装置によって検出されたバッテリ充電率が所定の充電率よりも低いときは、前記電動機で第3油圧ポンプを駆動しないことを特徴とする作業機械の油圧駆動装置。
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