JP6469844B2 - ショベルおよびショベルの駆動方法 - Google Patents

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Description

本発明は、油圧モータにより旋回機構を駆動するショベルおよびショベルの駆動方法に関する。
ショベルの旋回機構を駆動する油圧モータは、油圧ポンプからモータ駆動油圧回路を通じて供給される高圧の作動油により駆動される。モータ駆動油圧回路は、油圧モータに供給される作動油が流れる管路と油圧モータから排出された作動油が流れる管路との一対の主管路を含む。主管路の一方が供給管路となると、もう一方が排出管路となる。油圧モータの回転方向を反転するには、供給管路と排出管路を切り替える。
ショベルの旋回体の旋回を停止するときには、モータ駆動油圧回路の一対の主管路を両方とも閉止して、油圧モータの駆動を停止する。ところが、ショベルの旋回体は大きな慣性重量を有しており、瞬時には停止することができない。このため、供給管路を閉止しても油圧モータは旋回体の慣性力により回り続けようとする。
これに伴い、閉止された排出管路には油圧モータから排出された作動油が流れ込み、排出管路内の油圧が急激に上昇する。この排出配管内の油圧の上昇により油圧モータにブレーキをかけることとなるが、油圧が上昇しすぎると排出配管が破損するおそれがある。そこで、排出管路にリリーフ弁を設けて、排出管路内の油圧が所定の圧力(リリーフ圧)を超えないようにし、高圧による排出管路の破損を防止する(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に開示されたモータ駆動油圧回路では、可変リリーフ弁により排出管路の油圧を供給管路に戻すこととしているが、排出管路内の作動油をリリーフ弁により作動油タンクに戻すこともある。
実開平5−27303号公報
モータ駆動油圧回路の主管路にリリーフ弁を設けて排出管路から油圧を逃がす場合、高圧の作動油を放出することとなり、圧力として作動油に蓄積されたエネルギが無駄になる。
そこで、本発明は、モータ駆動油圧回路から排出される高圧の作動油でアシスト油圧モータを駆動してエンジンの駆動をアシストし、かつ、アシスト油圧モータの過回転を防止することができるショベルを提供することを目的とする。
ある実施形態によれば、旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、ショベルの駆動を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記エンジンの負荷状態を検出し、検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、前記コントローラは、検出した前記エンジンの負荷状態に基づいて、前記アシスト油圧モータの目標トルクを決定する、ショベルが提供される。
同様に、ある実施形態によれば、旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、ショベルの駆動を制御するコントローラと、を有し、前記コントローラは、前記エンジンの負荷状態を検出し、検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、前記旋回用油圧モータの減速時に、前記旋回用油圧モータの吸入側へ前記作動油を補充するメインポンプをさらに有する、ショベルが提供される。
同様に、ある実施形態によれば、旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、ショベルの駆動を制御するコントローラとを有するショベルの駆動方法であって、前記エンジンの負荷状態を検出し、前記検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、作動油の供給の制御は、検出した前記エンジンの負荷状態に基づいて、決定された前記アシスト油圧モータの目標トルクに基づいて行われる、ショベルの駆動方法が提供される。

開示した実施形態によれば、エンジンの負荷状態を監視しながらアシスト油圧モータに供給する作動油の流量を制御するので、アシスト油圧モータの過回転が防止され、エンジンの駆動を適切にアシストすることができる。
本発明の一実施形態によるショベルの側面図である。 ショベルの駆動系の構成図である。 タンデム油圧回路の回路図である。 全パラレル油圧回路の回路図である。 アシスト油圧モータへ作動油を供給する経路に可変絞りが設けられたタンデム油圧回路の回路図である。 図5に示す油圧回路による旋回停止操作時のアシスト油圧モータの駆動を説明するためのタイムチャートである。 アシスト油圧モータとして可変容量油圧モータを用いたタンデム油圧回路の回路図である。 図7に示す油圧回路による旋回停止操作時のアシスト油圧モータの駆動を説明するためのタイムチャートである。
図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図1は一実施形態によるショベルの側面図である。ショベルの下部走行体1には旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載される。上部旋回体3にはブーム4が取り付けられる。ブーム4の先端にはアーム5が取り付けられ、アーム5の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット6が取り付けられる。エンドアタッチメントとして、法面用バケット、浚渫用バケット、ブレーカ等が用いられてもよい。
ブーム4、アーム5、及びバケット6は、アタッチメントの一例として掘削アタッチメントを構成し、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によりそれぞれ油圧駆動される。
上部旋回体3にはキャビン10が設けられ、且つエンジン11及びエンジン11により駆動されるメインポンプ14(油圧ポンプ)等の動力源が搭載される。また、上部旋回体3には、上述の旋回機構2を駆動して上部旋回体3を旋回させるための旋回用油圧モータ21が設けられる。さらに、上部旋回体3には、旋回用油圧モータ21、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等を駆動するための油圧回路(図示せず)が設けられる。
キャビン10内には、ショベルの駆動を制御するための主制御部としてコントローラ30が設けられる。本実施形態では、コントローラ30は、CPU及び内部メモリを含む演算処理装置で構成される。コントローラ30の各種機能は、CPUが内部メモリに格納されたプログラムを実行することで実現される。
図2は、図1のショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図2において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示される。
エンジン11はショベルの動力源である。本実施形態では、エンジン11は、エンジン負荷の増減にかかわらずエンジン回転数を一定に維持するアイソクロナス制御を採用したディーゼルエンジンである。エンジン11における燃料噴射量、燃料噴射タイミング、ブースト圧等は、エンジンコントロールユニットD7により制御される。
エンジンコントロールユニットD7はエンジン11を制御する装置である。本実施形態では、エンジンコントロールユニットD7は、オートアイドル機能、オートアイドルストップ機能等の各種機能を実行する。
エンジン11の出力軸には、変速機13を介して油圧ポンプとしてのメインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続される。メインポンプ14には高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続される。また、アシスト油圧モータ40も、変速機13を介してエンジン11の出力軸に接続されている。
コントロールバルブ17は、ショベルの油圧系の制御を行う油圧制御装置である。右側走行用油圧モータ1A、左側走行用油圧モータ1B、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ17に接続される。また、旋回用油圧モータ21は、旋回駆動油圧回路19を介してコントロールバルブ17に接続される。
パイロットポンプ15にはパイロットライン25を介して操作装置26が接続される。
操作装置26は、レバー26A、レバー26B、ペダル26Cを含む。本実施形態では、操作装置26は、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17に接続される。また、操作装置26は、油圧ライン28を介して圧力センサ29に接続される。
圧力センサ29は、操作装置26のレバー26A、レバー26B、及びペダル26Cの操作をパイロット圧の変化として検出する。圧力センサ29は、圧力検出値をコントローラ30に対して出力する。
上述の構成に加えて、本実施形態では、エンジン11をアシストするアシスト油圧モータ40が設けられる。アシスト油圧モータ40は、旋回用油圧モータ21を含む油圧アクチュエータから排出された作動油が旋回駆動油圧回路19を通じて供給されることで駆動される。アシスト油圧モータ40を駆動することにより、エンジン11の駆動をアシストすることができる。すなわち、旋回用油圧モータ21から排出される作動油のエネルギをエンジン11の駆動力として再利用することで、エンジン11の燃料消費量が低減され、ショベルの省エネに貢献する。
次に、図3を参照しながら、本実施形態による油圧回路の一例であるタンデム油圧回路について説明する。図3はタンデム油圧回路の回路図である。
図3に示すタンデム油圧回路は、第1ポンプ14L、第2ポンプ14R、コントロールバルブ17、及び各種油圧アクチュエータを含む。油圧アクチュエータは、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9、旋回用油圧モータ21、及びアシスト油圧モータ40を含む。
ブームシリンダ7は、ブーム4を昇降させる油圧シリンダである。ブームシリンダ7のボトム側油室とロッド側油室との間には再生弁7aが接続され、ボトム側油室側には保持弁7bが配置される。アームシリンダ8は、アーム5を開閉させる油圧シリンダである。アームシリンダ8のボトム側油室とロッド側油室との間には再生弁8aが接続され、ロッド側油室側には保持弁8bが配置される。バケットシリンダ9は、バケット6を開閉させる油圧シリンダである。
第1ポンプ14Lは、作動油タンクTから作動油を吸い込んで吐出する油圧ポンプであり、本実施形態では斜板式可変容量油圧ポンプである。第1ポンプ14Lはレギュレータ(図示せず)に接続される。レギュレータは、コントローラ30からの指令に応じて第1ポンプ14Lの斜板傾転角を変更して第1ポンプ14Lの吐出量を制御する。第2ポンプ14Rについても同様である。
アシスト油圧モータ40は、本実施形態では固定容量油圧モータである。アシスト油圧モータ40は、旋回用油圧モータ21の旋回駆動油圧回路19に接続され、旋回駆動油圧回路19から排出される高圧の作動油により駆動される。
本実施形態では、第1ポンプ14L、第2ポンプ14R、及びアシスト油圧モータ40は、それぞれの駆動軸が機械的に連結される。具体的には、第1ポンプ14L、第2ポンプ14R、及びアシスト油圧モータ40の駆動軸は、変速機13を介して所定の変速比でエンジン11の出力軸に連結される。そのため、エンジン回転数が一定であれば、第1ポンプ14L、第2ポンプ14R、及びアシスト油圧モータ40の回転数も一定となる。但し、第1ポンプ14L、第2ポンプ14R、及びアシスト油圧モータ40は、エンジン回転数が一定であっても回転数を変更できるよう、無段変速機等を介してエンジン11に接続されてもよい。
コントロールバルブ17は、ショベルにおける油圧駆動系の制御を行う油圧制御装置である。コントロールバルブ17は、可変ロードチェック弁50,51A,51B,52A,52B,53、統一ブリードオフ弁56L、56R、切替弁62B,62C、及び流量制御弁170,171A,171B,172A,172B,173を含む。
流量制御弁171A,171Bは、アームシリンダ8に流出入する作動油の向き及び流量を制御する弁である。具体的には、流量制御弁171Aは、第1ポンプ14Lが吐出する作動油(以下、「第1作動油」と称する)をアームシリンダ8に供給し、流量制御弁171Bは、第2ポンプ14Rが吐出する作動油(以下、「第2作動油」と称する)をアームシリンダ8に供給する。したがって、アームシリンダ8には、第1作動油と第2作動油とが同時に流入し得る。
流量制御弁172Aは、ブームシリンダ7に流出入する作動油の向き及び流量を制御する弁である。流量制御弁172Bは、ブーム上げ操作が行われた場合に、ブームシリンダ7のボトム側油室に第1作動油を流入させる弁である。流量制御弁172Bは、ブーム下げ操作が行われた場合には、ブームシリンダ7のボトム側油室から流出する作動油を第1作動油に合流させることができる。
流量制御弁173は、バケットシリンダ9に流出入する作動油の向き及び流量を制御する弁である。流量制御弁173は、バケットシリンダ9のロッド側油室から流出する作動油をボトム側油室に再生するためのチェック弁173cをその内部に含む。
流量制御弁170は、旋回用油圧モータ21を駆動するための旋回駆動油圧回路19に、第1ポンプ14Lが吐出する作動油を供給する。
可変ロードチェック弁50,51A,51B,52A,52B,53は、流量制御弁170,171A,171B,172A,172B,173のそれぞれと第1ポンプ14L及び第2ポンプ14Rのうちの少なくとも一方との間の連通・遮断を切り替え可能な2ポート2位置の弁である。これら6つの可変ロードチェック弁は、それぞれが連動して動作することで合流切替部としての機能を果たす。
統一ブリードオフ弁56L,56Rは、コントローラ30からの指令に応じて動作する弁である。本実施形態では、統一ブリードオフ弁56Lは、第1作動油の作動油タンクTへの排出量を制御可能な2ポート2位置の電磁弁である。統一ブリードオフ弁56Rについても同様である。この構成により、統一ブリードオフ弁56L,56Rは、流量制御弁170,171A,171B,172A,172B,173のうちの関連する流量制御弁の合成開口を再現できる。具体的には、統一ブリードオフ弁56Lは流量制御弁170,171A,172Bの合成開口を再現でき、統一ブリードオフ弁56Rは流量制御弁171B,172A,173の合成開口を再現できる。
なお、流量制御弁170,171A,171B,172A,172B,173の各々は、6ポート3位置のスプール弁であり、センターバイパスポートを有する。そのため、統一ブリードオフ弁56Lは流量制御弁171Aの下流に配置され、統一ブリードオフ弁56Rは流量制御弁171Bの下流に配置される。
可変ロードチェック弁50,51A,51B,52A,52B,53は、コントローラ30からの指令に応じて動作する弁である。本実施形態では、可変ロードチェック弁50,51A,51B,52A,52B,53は、流量制御弁170,171A,171B,172A,172B,173のそれぞれと第1ポンプ14L又は第2ポンプ14Rの一方との間の連通・遮断を切り替え可能な2ポート2位置の電磁弁である。可変ロードチェック弁50,51A,51B,52A,52B,53の各々は、第1位置において、ポンプ側に戻る作動油の流れを遮断するチェック弁を有する。具体的には、可変ロードチェック弁51A,51Bは、チェック弁が第1位置にある場合に、流量制御弁171A,171Bと第1ポンプ14L及び第2ポンプ14Rとの間をそれぞれ連通させ、チェック弁が第2位置にある場合にその連通を遮断する。可変ロードチェック弁52A,52B及び可変ロードチェック弁53についても同様である。
旋回用油圧モータ21は、上部旋回体3を旋回させる油圧モータである。旋回用油圧モータ21のポート21L、21Rは、それぞれリリーフ弁22L、22Rを介して作動油タンクTに接続され、シャトル弁22Sを介して再生弁22Gに接続される。また、旋回用油圧モータ21のポート21L、21Rは、チェック弁23L、23Rを介して、アシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに接続される。
チェック弁23L、23Rとアシスト油圧モータ40の供給ポート40Aとを接続する配管の所定の位置であってアシスト油圧モータ40の近傍に、アシスト供給側圧力センサ80が接続される。アシスト供給側圧力センサ80はアシスト油圧モータ40に流入する作動油の圧力を検出して、検出信号をコントローラ30に供給する。
アシスト油圧モータ40の排出ポート40Bは作動油タンクTに接続される。排出ポート40Bから作動油タンクTに接続された配管の所定の位置であって排出ポート40Bの近傍に、アシスト排出側圧力センサ82が接続される。アシスト排出側圧力センサ82はアシスト油圧モータ40から排出される作動油の圧力を検出して、検出信号をコントローラ30に供給する。なお、アシスト油圧モータ40から排出される作動油の圧力が大気圧に等しいとみなすことで、アシスト排出側圧力センサ82は必ずしも設ける必要はない。
リリーフ弁22Lは、ポート21L側の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に開き、ポート21L側の作動油を作動油タンクTに排出する。同様に、リリーフ弁22Rは、ポート21R側の圧力が所定のリリーフ圧に達した場合に開き、ポート21R側の作動油を作動油タンクTに排出する。
シャトル弁22Sは、ポート21L側及びポート21R側のうちの圧力が高い方の作動油を再生弁22Gに供給する。再生弁22Gは、コントローラ30からの指令に応じて動作する開閉弁であり、旋回用油圧モータ21(シャトル弁22S)とアシスト油圧モータ40との間の連通・遮断を切り替える。
再生弁22Gが開くと、ポート21L側及びポート21R側のうちの圧力が高い方の作動油が、アシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに供給され、アシスト油圧モータ40が駆動される。
チェック弁23Lは、ポート21L側の圧力が負圧になった場合に開き、作動油タンクTに貯留されている作動油を、旋回用油圧モータ21のポート21L側に補給する。チェック弁23Rは、ポート21R側の圧力が負圧になった場合に開き、作動油タンクTに貯留されている作動油を、旋回用油圧モータ21のポート21R側に補給する。このように、チェック弁23L、23Rは、旋回用油圧モータ21の制動時に吸い込み側のポートに作動油を補給する補給機構を構成する。
以上のようなタンデム油圧回路により、旋回用油圧モータ21のブレーキ時にポート21L又はポート21Rに発生する高圧の作動油をアシスト油圧モータ40に供給して、アシスト油圧モータ40を駆動することができる。アシスト油圧モータ40が駆動されることで、エンジン11の駆動がアシストされるので、その分だけエンジンの燃料消費量を低減することができる。
次に、アシスト油圧モータ40が駆動されるときの作動油の流れについて、図3を参照しながら説明する。
ここで、旋回用油圧モータ21のポート21Lに作動油が供給されて上部旋回体3が旋回している状態で、旋回操作レバー26Aが中立位置に戻されて、旋回動作が停止された場合について説明する。
旋回操作レバー26Aが中立位置に戻されると、圧力センサ29がこれを検知し、コントローラ30に信号を送る。この信号を受けると、コントローラ30は、流量制御弁170に制御信号を送り、流量制御弁170の位置を切り替えて第1ポンプ14Lから旋回駆動油圧回路19への作動油の供給を遮断する。
すると、旋回用油圧モータ21のポート21Lへの作動油の供給が停止される。ところが、上部旋回体3の慣性力により旋回用油圧モータ21は回転を続ようとする。旋回用油圧モータ21の回転により、ポート21L側の作動油は減圧され、ポート21R側の作動油は加圧される。
このとき、チェック弁23Lが開いて作動油タンクTから作動油が負圧により吸い上げられてポート21L側に流入する。これにより、ポート21L側が大きな負圧とはならずに旋回用油圧モータ21は慣性により回転できる状態となる。
このように、旋回用油圧モータ21が慣性により回転を続けると、旋回用油圧モータ21のポート21R側の作動油の圧力が上昇し、リリーフ弁22Rのリリーフ圧まで上昇する。このときにポート21R側の作動油に発生した圧力は、旋回用油圧モータ21の回転を阻止しようとするブレーキ力として働く。
そして、再生弁22Gの上流側に接続された旋回排出側圧力センサ84が、ポート21R側の作動油の圧力がリリーフ圧となったことを検出すると、コントローラ30は再生弁22Gに制御信号を送って再生弁22Gを開く。これにより、ポート21R側の高圧の作動油は、再生弁22Gを通って矢印A,Bのように流れ、アシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに供給される。したがって、アシスト油圧モータ40は、旋回用油圧モータ21の慣性による回転により発生したポート21R側の高圧の作動油により駆動され、エンジン11の駆動をアシストすることができる。
アシスト油圧モータ40を駆動して低圧となった作動油は、排出ポート40Bから排出されて矢印Cのように流れ、作動油タンクTに戻る。
以上のように作動油が旋回用油圧モータ21からアシスト油圧モータ40へと流れて、アシスト油圧モータ40が駆動されている間、コントローラ30はエンジン11の負荷状態を監視している。具体的には、コントローラ30は、例えば、エンジンコントロールユニットD7から送られてくるエンジン11の燃料噴射量からエンジン11の負荷状態を推定することができる。あるいは、コントローラ30は、第1及び第2ポンプ14L,14Rの出力(吐出圧力及び吐出流量)からエンジン11の負荷状態を推定することができる。
そして、コントローラ30は、エンジン11の負荷状態(エンジン11のトルクに相当する)に対応したアシスト油圧モータ40の目標トルクを決定する。次に、コントローラ30は、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力とアシスト排出側圧力センサ82の検出圧力との差圧を求める。そして、コントローラ30は、求めた差圧からアシスト油圧モータ40の出力トルクを算出し、算出した出力トルクと決定した目標トルクとを比較する。なお、アシスト油圧モータから排出される作動油の圧力が大気圧に等しいとみなせば、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力のみから出力トルクを算出してもよい。
算出した出力トルクが目標トルク以下であれば、コントローラ30は再生弁22Gを開いたままとし、アシスト油圧モータ40の駆動によるアシストを続行する。一方、算出した出力トルクが目標トルクを超えている場合、コントローラ30は、再生弁22Gを閉じてアシスト油圧モータ40の駆動を停止し、エンジン11のアシストを停止する。これにより、エンジン11が過回転となることが防止され、エンジン11の適切なアシストが実行される。
すなわち、アシスト油圧モータ40の出力トルクが目標トルクを上回る場合は、アシスト油圧モータ40がエンジン11を連れ回りさせる状態となり、エンジン11が過回転となってしまうので、再生弁22Gを閉じてアシスト油圧モータ40のアシスト駆動を停止する。このような状態になるのは、例えば、上部旋回体3の旋回が終了して第1及び第2ポンプ14L,14Rの負荷が無くなり、その結果、エンジン11が無負荷状態となった場合などが考えられる。この場合、エンジン11は、第1及び第2ポンプ14L,14Rを空転させるためのトルク及び油圧損失や機械損失に相当するトルクを出すために回転していればよく、エンジン11が出力するトルクは非常に小さくなる。したがって、そのような状態では、アシスト油圧モータ40による大きなアシストは必要なく、アシストするとかえって過回転となるおそれがあるため、アシスト油圧モータ40によるエンジン11のアシストを停止する。
以上の例では、エンジン11の負荷状態からアシスト油圧モータ40の目標トルクを算出したが、エンジン11が無負荷状態のときにアシストを停止するという制御であれば、コントローラ30は、目標トルクを決定せずに、エンジン11の無負荷状態を検出するだけでもよい。例えば、コントローラ30は、レバー26A、26B、ペダル26C等のすべての操作の有無を検出し、レバー26A、26B、ペダル26C等のすべてが中立位置に戻ったことを検出したら、再生弁22Gを閉じてアシスト油圧モータ40のアシスト駆動を停止することとしてもよい。
なお、本実施形態では、コントローラ30は、旋回排出側圧力センサ84の検出圧力を監視しており、検出圧力が排出側のリリーフ弁22R又は22Lのリリーフ圧より小さくなると、コントローラ30は再生弁22Gに制御信号を送り、再生弁22Gを閉じる。これは、旋回用油圧モータ21の排出側のポート21R又は21Lの作動油の圧力がリリーフ弁22R又は22Lのリリーフ圧より低くなると、旋回用油圧モータ21の適正なブレーキ力が得られなくなるからである。
なお、本実施形態では、アシスト油圧モータ40はエンジン11の出力軸に接続されて常に回転している。このため、アシスト油圧モータ40は、旋回駆動油圧回路19から作動油が供給されない場合には(再生弁22Gが閉じられたときには)空転できる油圧モータが用いられることが好ましい。
また、旋回用油圧モータ21の高圧側の圧力を検出するために旋回排出側圧力センサ84を再生弁22Gの上流側に設けているが、旋回排出側圧力センサ84の代わりに、圧力センサ84L,84Rを設けて高圧側の作動油の圧力を検出してもよい。圧力センサ84Lは旋回用油圧モータ21のポート21Lの近傍に設けられ、ポート21L側の圧力を検出してコントローラ30に通知する。圧力センサ84Rは旋回用油圧モータ21のポート21Rの近傍に設けられ、ポート21R側の圧力を検出してコントローラ30に通知する。
次に、本実施形態による油圧回路の他の例として全パラレル油圧回路について、図4を参照しながら説明する。図4は全パラレル油圧回路の回路図である。図4において、図3に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は適宜省略する。
図4に示す全パラレル油圧回路において、コントロールバルブ17は、可変ロードチェック弁51〜53、合流弁55、及び流量制御弁170〜173を含む。
流量制御弁170〜173は、油圧アクチュエータに流出入する作動油の向き及び流量を制御する弁である。本実施形態では、流量制御弁170〜173のそれぞれは、対応するレバー26A、26B、ペダル26C等の操作装置26が生成するパイロット圧を左右何れかのパイロットポートで受けて動作する4ポート3位置のスプール弁である。操作装置26は、レバー26A、26B、ペダル26C等の操作量(操作角度)に応じて生成したパイロット圧を、操作方向に対応する側のパイロットポートに作用させる。
具体的には、流量制御弁170は、旋回駆動油圧回路19(旋回用油圧モータ21)に流出入する作動油の向き及び流量を制御するスプール弁である。流量制御弁171は、アームシリンダ8に流出入する作動油の向き及び流量を制御するスプール弁である。流量制御弁172は、ブームシリンダ7に流出入する作動油の向き及び流量を制御するスプール弁である。流量制御弁173は、バケットシリンダ9に流出入する作動油の向き及び流量を制御するスプール弁である。
可変ロードチェック弁51〜53は、コントローラ30からの指令に応じて動作する弁である。本実施例では、可変ロードチェック弁51〜53は、流量制御弁171〜173のそれぞれと第1ポンプ14L及び第2ポンプ14Rのうちの少なくとも一方との間の連通・遮断を切り替え可能な2ポート2位置の電磁弁である。なお、可変ロードチェック弁51〜53は、第1位置において、ポンプ側に戻る作動油の流れを遮断するチェック弁を有する。具体的には、可変ロードチェック弁51は、第1位置にある場合に流量制御弁171と第1ポンプ14L及び第2ポンプ14Rのうちの少なくとも一方との間を連通させ、第2位置にある場合にその連通を遮断する。可変ロードチェック弁52及び可変ロードチェック弁53についても同様である。
合流弁55は、合流切替部の一例であり、コントローラ30からの指令に応じて動作する弁である。本実施例では、合流弁55は、第1ポンプ14Lが吐出する作動油(第1作動油)と第2ポンプ14Rが吐出する作動油(第2動油)とを合流させるか否かを切り替え可能な2ポート2位置の電磁弁である。具体的には、合流弁55は、第1位置にある場合に第1作動油と第2作動油とを合流させ、第2位置にある場合に第1作動油と第2作動油とを合流させないようにする。
図4に示す全パラレル油圧回路の構成部品及びそれらの接続は、上述のコントロールバルブ17以外は、図3に示す構成部品及びそれらの接続と同様であり、その説明は省略する。
以上のような全パラレル油圧回路によっても、上述のタンデム油圧回路と同様に、旋回用油圧モータ21のブレーキ時にポート21L又はポート21Rに発生する高圧の作動油をアシスト油圧モータ40に供給して、アシスト油圧モータ40を駆動することができる。そして、旋回減速時又は旋回停止時のアシスト油圧モータ40の駆動の際に、コントローラ30は、アシスト供給側圧力センサ80が検出した圧力とアシスト排出側圧力センサ82が検出した圧力の差圧から、アシスト油圧モータ40の出力トルクを算出する。そして、出力トルクが目標トルクを超えると、コントローラ30は再生弁22Gを閉じて、アシスト油圧モータ40への作動油の供給を遮断する。これにより、アシスト油圧モータ40の過回転が防止され、結果としてアシスト油圧モータ40に接続されたエンジン11の過回転を防止することができる。
次に、他の実施形態について、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は可変絞りが設けられたタンデム油圧回路の回路図である。図6は図5に示す油圧回路による旋回停止操作時のアシスト油圧モータの駆動を説明するためのタイムチャートである。図5において、図3に示すタンデム油圧回路の構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図5に示すタンデム油圧回路では、再生弁22Gの代わりに、内部に可変絞りが設けられた再生弁22Vが設けられている。再生弁22Vの可変絞りは、エンジン11の負荷状態に基づいて制御される。
具体的には、上述の再生弁22Gと同様に、旋回用油圧モータ21の減速が開始されてから、旋回駆動油圧回路19の排出ポート側の圧力が上昇し、リリーフ圧に達すると、旋回排出側圧力センサ84がこれを検知し、コントローラ30に検出信号を送る。この信号を受けると、コントローラ30は、再生弁22Vに制御信号を送って再生弁22Vを開く。これにより、ポート21R側の高圧の作動油は、再生弁22Vの可変絞りを通って矢印A,Bのように流れ、アシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに供給される。したがって、アシスト油圧モータ40は、旋回用油圧モータ21の慣性による回転により発生したポート21R側の高圧の作動油により駆動され、エンジン11の駆動をアシストする。
アシスト油圧モータ40を駆動して低圧となった作動油は、排出ポート40Bから排出されて矢印Cのように流れ、作動油タンクTに戻る。
以上のように作動油が旋回用油圧モータ21からアシスト油圧モータ40へと流れて、アシスト油圧モータ40が駆動されている間、コントローラ30はエンジン11の負荷状態を監視している。具体的には、コントローラ30は、例えば、エンジンコントロールユニットD7から送られてくるエンジン11の燃料噴射量からエンジン11の負荷状態を推定する。あるいは、コントローラ30は、第1及び第2ポンプ14L,14Rの出力(吐出圧力及び吐出流量)からエンジン11の負荷状態を推定する。
そして、コントローラ30は、エンジン11の負荷状態(エンジン11のトルクに相当する)に対応したアシスト油圧モータ40の目標トルクを決定する。コントローラ30は、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力とアシスト排出側圧力センサ82の検出圧力との差圧を求める。そして、コントローラ30は、求めた差圧からアシスト油圧モータ40の出力トルクを算出し、算出した出力トルクと決定した目標トルクとを比較する。なお、アシスト油圧モータ40から排出される作動油の圧力が大気圧に等しいとみなせば、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力のみから出力トルクを算出してもよい。
コントローラ30は、算出した出力トルクが目標トルクに一致するように、再生弁22Vの可変絞りを制御する。すなわち、アシスト油圧モータ40の出力トルクが目標トルクを上回る場合は、コントローラ30は再生弁22Vの可変絞りをより強く絞って出力トルクを目標トルクまで下げて、アシスト油圧モータ40の駆動によるアシスト動作の駆動力を低減してアシストを続行する。これにより、エンジン11が過回転となることが防止され、且つ、エンジン11の適切なアシストが実現される。一方、アシスト油圧モータ40の出力トルクが目標トルク以下の場合、コントローラ30は、再生弁22Vの可変絞りをより大きく開いて出力トルクを目標トルクまで上げて、アシスト油圧モータ40の駆動を続行する。これにより、エンジン11を適切にアシストすることができる。
ここで、図6のタイムチャートを参照しながら、以上の動作についてさらに詳細に説明する。
以下の説明では、旋回単独操作を行う場合について説明する。旋回単独操作とは、旋回操作レバー26Aのみが操作されて旋回が行われ、他の操作レバーは操作されない(中立位置にある)場合の操作を意味する。
図6(a)に示すように、旋回操作レバー26Aが時刻t0から操作されて時刻t1で最大に傾けられ、時刻t1から時刻t2までの間、最大の傾きで維持され、時刻t4において旋回操作が終了し、中立位置に戻されたものとする。
時刻t2において旋回操作レバー26Aが中立位置に向けて戻されるので、旋回用油圧モータ21は減速される。これにより、旋回用油圧モータ21の排出側のポート(ここでは、ポート21Rとする)の油圧は、時刻t2から急激に上昇し始める。そして、ポート21R側の油圧が時刻t3においてリリーフ弁22Rのリリーフ圧に到達すると、再生弁22Vが開かれ、リリーフ圧の作動油がアシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに向かって流れる。したがって、アシスト油圧モータ40の供給ポート40A側の圧力は、時刻t3から上昇し始める。これによりアシスト油圧モータ40は駆動され、エンジン11の駆動をアシストする。
ここで、旋回単独操作の場合、エンジン11に対する負荷は、図6(c)に示すように、時刻t0から上昇して最大となり、その後時刻t1まで減少する。時刻t1から時刻t2までは、旋回速度を維持する分の負荷となる。エンジン負荷は時刻t2からまた徐々に減少し、旋回操作レバーが中立位置に戻された時刻t4において、空転時のエンジン負荷となる。時刻t4以降は、その負荷が維持される。
コントローラ30は図6(c)に示されるエンジン負荷状態を監視しながら、エンジン負荷に応じたアシスト油圧モータ40の目標トルクを算出する。アシスト油圧モータ40の目標トルクの算出は、図6(d)に示すように、アシスト油圧モータ40の駆動が開始された時刻t3で開始される。
ここで、図6に示す例は、旋回単独操作の場合であり、時刻t3以降はエンジン11の負荷が減少する。そして、時刻t4以降は、図6(d)の実線で示すように、目標トルクはエンジン11の回転と第1及び第2ポンプ14L,14Rの空転を維持するためだけの最小の目標トルクτ0となる。
そこで、コントローラ30は、再生弁22Vの可変絞りを制御して、アシスト油圧モータ40の供給ポート40A側の油圧を、図6(e)に示すように最小圧力Pminになるように設定する。これにより、エンジン負荷が小さくなっても、アシスト油圧モータ40(エンジン11)は過回転とならずに、適切にエンジン11をアシストすることができる。さらに、エンジン11はエンジン11自体の内部負荷のためにも燃料を噴射しているため、アシスト油圧モータ40はエンジン11の内部負荷に対してもエンジンアシストすることができ、燃料噴射量を減少させることができる。
なお、目標トルクに基づいてアシスト油圧モータ40に供給する油圧を制御しない場合、アシスト油圧モータ40の出力トルクτは、目標トルクが図6(d)の二点鎖線で示すように増大するのと同じように増大してしまう。つまり、出力トルクτは、エンジン負荷が大きいときに設定される目標トルクτ1となってしまう。
このため、図6(e)の二点鎖線で示すように、アシスト油圧モータ40の供給ポート40A側の圧力は、リリーフ圧Prelまで上昇する。その結果、アシスト油圧モータ40はエンジン11を過大にアシストすることとなってしまう。そこで、コントローラ30は、アシスト油圧モータ40の目標トルクを算出し、その目標トルクに応じてアシスト油圧モータ40への作動油の圧力を制御することにより、アシスト油圧モータ40(エンジン11)の過回転を防止しながら、エンジン11の適切なアシストを実行する。
なお、図4に示す全パラレル油圧回路においても、再生弁22Gの代わりに、内部に可変絞りが設けられた再生弁22Vを設けることとしてもよい。
次に、さらに他の実施形態について、図7及び図8を参照しながら説明する。図7はアシスト油圧モータとして可変容量油圧モータを用いたタンデム油圧回路の回路図である。図8は旋回停止操作時のアシスト油圧モータの駆動を説明するためのタイムチャートである。図7において、図3に示すタンデム油圧回路の構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。
図7に示すタンデム油圧回路では、アシスト油圧モータ40として、可変容量油圧モータ40Vが用いられている。可変容量油圧モータ40Vの出力は、エンジン11の負荷に基づいて制御される。
図7に示すタンデム油圧回路では、アシスト油圧モータ40として、固定容量油圧モータの代わりに、可変容量油圧モータが用いられている。可変容量油圧モータの出力は、コントローラ30からの制御信号により制御できる。例えば、アシスト油圧モータ40として、斜板式可変容量油圧モータが用いられた場合、コントローラ30は、エンジン11の負荷に応じて、斜板傾転角を制御することで、アシスト油圧モータ40の出力を制御し、アシスト油圧モータ40(エンジン11)の過回転を防止する。
具体的には、上述の再生弁22Gと同様に、旋回用油圧モータ21の減速が開始されてから、旋回駆動油圧回路19の排出ポート側の圧力が上昇し、リリーフ圧に達すると、旋回排出側圧力センサ84がこれを検知し、コントローラ30に検出信号を送る。この信号を受けると、コントローラ30は、再生弁22Gに制御信号を送って再生弁22Gを開く。これにより、ポート21R側の高圧の作動油は、再生弁22Gを通って矢印A,Bのように流れ、アシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに供給される。したがって、アシスト油圧モータ40は、旋回用油圧モータ21の慣性による回転により発生したポート21R側の高圧の作動油により駆動され、エンジン11の駆動をアシストする。
アシスト油圧モータ40を駆動して低圧となった作動油は、排出ポート40Bから排出されて矢印Cのように流れ、作動油タンクTに戻る。
以上のように作動油が旋回用油圧モータ21からアシスト油圧モータ40へと流れて、アシスト油圧モータ40が駆動されている間、コントローラ30はエンジン11の負荷状態を監視している。具体的には、コントローラ30は、例えば、エンジンコントロールユニットD7から送られてくるエンジン11の燃料噴射量からエンジン11の負荷状態を推定する。あるいは、コントローラ30は、第1及び第2ポンプ14L,14Rの出力(吐出圧力及び吐出流量)からエンジン11の負荷状態を推定する。
そして、コントローラ30は、エンジン11の負荷状態(エンジン11のトルクに相当する)に対応したアシスト油圧モータ40の目標トルクを決定する。コントローラ30は、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力とアシスト排出側圧力センサ82の検出圧力との差圧を求める。そして、コントローラ30は、求めた差圧からアシスト油圧モータ40の出力トルクを算出し、算出した出力トルクと決定した目標トルクとを比較する。なお、アシスト油圧モータ40から排出される作動油の圧力が大気圧に等しいとみなせば、アシスト供給側圧力センサ80の検出圧力のみから出力トルクを算出してもよい。
コントローラ30は、算出した出力トルクが目標トルクに一致するように、アシスト油圧モータ40の出力を制御する。具体的には、アシスト油圧モータ40として斜板式可変容量油圧モータが用いられた場合は、コントローラ30は、算出した出力トルクが目標トルクに一致するように、アシスト油圧モータ40の斜板の傾転角を制御する。すなわち、アシスト油圧モータ40の出力トルクが目標トルクを上回る場合は、コントローラ30はアシスト油圧モータ40の傾転角を小さくして出力トルクを目標トルクまで下げて、アシスト油圧モータ40の駆動によるアシストを続行する。これにより、エンジン11が過回転となることが防止され、且つ、エンジン11の適切なアシストが実現される。一方、アシスト油圧モータ40の出力トルクが目標トルク以下の場合、コントローラ30は、アシスト油圧モータ40の傾転角を大きくして出力トルクを目標トルクまで上げて、アシスト油圧モータ40の駆動を続行する。これにより、エンジン11を適切にアシストすることができる。
ここで、図8のタイムチャートを参照しながら、以上の動作についてさらに詳細に説明する。
以下の説明では、旋回単独操作を行う場合について説明する。旋回単独操作とは、旋回操作レバー26Aのみが操作されて旋回が行われ、他の操作レバーは操作されない(中立位置にある)場合の操作を意味する。
図8(a)に示すように、旋回操作レバー26Aが時刻t0から操作されて時刻t1で最大に傾けられ、時刻t1から時刻t2までの間、最大の傾きで維持され、時刻t4において旋回操作が終了し、中立位置に戻されたものとする。
時刻t2において旋回操作レバー26Aが中立位置に向けて戻されるので、旋回用油圧モータ21は減速される。これにより、旋回用油圧モータ21の排出側のポート(ここでは、ポート21Rとする)の油圧は、図8(b)に示すように、時刻t2から急激に上昇し始める。そして、ポート21R側の油圧が時刻t3においてリリーフ弁22Rのリリーフ圧Prelに到達すると、再生弁22Gが開かれ、リリーフ圧の作動油がアシスト油圧モータ40の供給ポート40Aに向かって流れる。したがって、アシスト油圧モータ40の供給ポート40A側の圧力は、図8(e)に示すように、時刻t3から上昇し始める。これによりアシスト油圧モータ40は駆動され、エンジン11の駆動をアシストする。一方、旋回用油圧モータ21の吸い込み側のポートへは、旋回用油圧モータ21が減速される際に、メインポンプ14から作動油が補充される。
ここで、旋回単独操作の場合、エンジン11に対する負荷は、図8(c)に示すように、時刻t0から上昇して最大となり、その後時刻t1まで減少する。時刻t1から時刻t2までは、旋回速度を維持する分の負荷となる。エンジン負荷は時刻t2からまた徐々に減少し、旋回操作レバー26Aが中立位置に戻された時刻t4において、空転時のエンジン負荷となる。時刻t4以降は、その負荷が維持される。
コントローラ30は図8(c)に示されるエンジン負荷を監視しながら、エンジン負荷に応じたアシスト油圧モータ40の目標トルクを算出する。アシスト油圧モータ40の目標トルクの算出は、図8(d)に示すように、アシスト油圧モータ40の駆動が開始された時刻t3で開始される。
ここで、図8に示す例は、旋回単独操作の場合であり、時刻t3以降はエンジン11の負荷が減少する。そして、時刻t4以降は、図8(d)の実線で示すように、目標トルクはエンジン11の回転と第1及び第2ポンプ14L,14Rの空転を維持するためだけの最小の目標トルクτ0となる。
ところが、アシスト油圧モータ40に供給される作動油の圧力は、図8(e)に示すように、時刻t3から急激に上昇し、リリーフ圧Prelにまで到達する。したがって、リリーフ圧の作動油がアシスト油圧モータ40に供給されても、アシスト油圧モータ40の出力が図8(d)の実線で示す目標トルクτ0に一致するように、コントローラ30は斜板を制御してアシスト油圧モータ40の出力を制御する。これにより、エンジン負荷が小さくなっても、アシスト油圧モータ40(エンジン11)は過回転とならずに、適切にエンジン11をアシストすることができる。
なお、目標トルクに基づいてアシスト油圧モータ40に供給する油圧を制御しない場合、アシスト油圧モータ40の出力トルクτは、目標トルクが図8(d)の二点鎖線で示すように増大するのと同じように増大してしまう。つまり、出力トルクτは、エンジン負荷が大きいとき(リリーフ圧Prelの作動油が供給されたとき)に設定される目標トルクτ1となってしまう。この場合、アシスト油圧モータ40はエンジン11を過大にアシストすることとなってしまう。そこで、コントローラ30は、エンジン負荷に応じてアシスト油圧モータ40の作動油の圧力を制御することにより、アシスト油圧モータ40(エンジン11)の過回転を防止しながら、エンジン11の適切なアシストを実行している。
なお、図4に示す全パラレル油圧回路においても、アシスト油圧モータ40として、可変容量油圧モータを用いることとしてもよい。
本国際特許出願は2015年3月27日に出願した日本国特許出願第2015−067689号に基づきその優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2015−067689号の全内容を本願に援用する。
1 下部走行体
2 旋回機構
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
7a,8a,9a 再生弁
7b,8b 保持弁
10 キャビン
11 エンジン
13 変速機
14L 第1ポンプ
14R 第2ポンプ
17 コントロールバルブ
19 旋回駆動油圧回路
21 旋回用油圧モータ
21L,21R ポート
22L,22R リリーフ弁
22S シャトル弁
22G,22V 再生弁
23L,23R チェック弁
29 圧力センサ
30 コントローラ
40,40V アシスト油圧モータ
50,51,51A,51B,52,52A,52B,53 可変ロードチェック弁
55 合流弁
56L,56R 統一ブリードオフ弁
80 アシスト供給側圧力センサ
82 アシスト排出側圧力センサ
84,84L,84R 旋回排出側圧力センサ

Claims (9)

  1. 旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、
    該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、
    エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、
    ショベルの駆動を制御するコントローラと、
    を有し、
    前記コントローラは、前記エンジンの負荷状態を検出し、検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、
    前記コントローラは、検出した前記エンジンの負荷状態に基づいて、前記アシスト油圧モータの目標トルクを決定する、ショベル。
  2. 旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、
    該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、
    エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、
    ショベルの駆動を制御するコントローラと、
    を有し、
    前記コントローラは、前記エンジンの負荷状態を検出し、検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、
    前記旋回用油圧モータの減速時に、前記旋回用油圧モータの吸入側へ前記作動油を補充するメインポンプをさらに有する、ショベル。
  3. 請求項1または2に記載のショベルであって、
    前記エンジンの負荷が所定値より小さい場合、前記アシスト油圧モータの目標トルクを前記エンジンの駆動をアシストしない第1のトルクに設定する、ショベル。
  4. 請求項3に記載のショベルであって、
    前記第1のトルクは前記エンジンの空転を維持するトルクとされる、ショベル。
  5. 請求項1または2記載のショベルであって、
    前記アシスト油圧モータの上流側に圧力センサが設けられ、
    前記コントローラは、
    前記圧力センサの検出値に基づいて前記アシスト油圧モータの出力トルクを算出し、
    算出された出力トルクが前記アシスト油圧モータの目標トルクとなるように、前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御する、ショベル。
  6. 請求項5に記載のショベルであって、
    前記圧力センサは、旋回用油圧モータの作動油の排出ポートに設けられる、ショベル。
  7. 請求項1または2記載のショベルであって、
    前記アシスト油圧モータと前記旋回駆動油圧回路との間に可変絞りが設けられ、
    前記コントローラは、前記アシスト油圧モータの目標トルクに基づいて前記可変絞りを制御する、ショベル。
  8. 請求項1または2記載のショベルであって、
    前記アシスト油圧モータは可変容量油圧モータであり、
    前記コントローラは、前記アシスト油圧モータの目標トルクに基づいて、前記可変容量油圧モータの出力を制御する、ショベル。
  9. 旋回体を旋回させる旋回用油圧モータと、
    該旋回用油圧モータを駆動する旋回駆動油圧回路と、
    エンジンに接続され、前記旋回駆動油圧回路から排出された作動油が供給されるアシスト油圧モータと、
    ショベルの駆動を制御するコントローラとを有するショベルの駆動方法であって、
    前記エンジンの負荷状態を検出し、
    前記検出された負荷状態に基づいて、前記旋回用油圧モータの減速時の前記アシスト油圧モータへの作動油の供給を制御し、
    作動油の供給の制御は、検出した前記エンジンの負荷状態に基づいて、決定された前記アシスト油圧モータの目標トルクに基づいて行われる、
    ショベルの駆動方法。
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