JP6473702B2

JP6473702B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP6473702B2
Application number: JP2016017222A
Authority: JP
Inventors: 大木　孝利; 孝利大木; 徳孝伊藤
Original assignee: KCM Corp
Current assignee: KCM Corp
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: JP2017136887A

Description

本発明は、作業機械に関する。

ステアリング回路と作業機を一つのポンプで駆動する油圧システムにおいて、ステアリング回路に圧油が優先的に供給される構成とし、ポンプの吐出量制御を行うものが、特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載の技術では、ポンプ下流にプライオリティ弁を設けてステアリング回路に優先的に圧油が供給される構成にした上で、作業機用油圧回路の戻り油ラインに固定絞りを設けている。そして、固定絞りの前後差圧が一定となるようにポンプの傾転を制御すると共に、作業機を駆動制御する際には固定絞りと並列に設けたバイパス手段を開放することで固定絞りの前後差圧を低下させ、ポンプを最大吐出量とすることで、ステアリング回路と作業機を同時駆動制御するのに十分なポンプ吐出量を確保するようにしている。

特開２００８−１６２４１０号公報

しかしながら、作業機を操作したときにはポンプ吐出量を最大とするので、作業機の要求流量に関わらずポンプは最大流量を吐出する。そのため、作業機の要求流量が少ないと、プライオリティ弁からの余剰油の一部は作業機で利用されずにタンクに排出されることになり、エネルギーを浪費することになる

本発明に係る作業機械は、吐出容積を調整するレギュレータを備えた可変容量型の油圧ポンプと、冷却ファンを回転駆動する油圧モータと、前記油圧モータの回転を制御するファン回路と、ステアリングシリンダの伸縮動作を制御するステアリング回路と、前記油圧ポンプからの作動油を前記ステアリング回路に優先的に供給し、前記油圧ポンプからの作動油と前記ステアリング回路へ送出される作動油との差である余剰油を前記ファン回路に供給するプライオリティ弁とを有する油圧制御を備えた作業機械であって、前記プライオリティ弁と前記ファン回路との油路に設けられ、前記油圧モータの目標流量に応じて絞り量が可変な可変絞りを備え、前記レギュレータは、前記可変絞りの流入側圧力と排出側圧力との差圧を一定とするように前記油圧ポンプの前記吐出容積を制御することを特徴とする。

本発明によれば、ステアリング回路とファン回路に共通の油圧ポンプからの圧油を供給するように構成し、ステアリング回路に優先的に圧油を供給する油圧制御装置を備えた作業機械において、油圧ポンプが吐出する圧油の油量をステアリング回路およびファン回路に必要な油量に制御でき、エネルギー浪費を防止することができる。

図１は、本発明に係る作業機械の一実施の形態であるホイールローダを示す図である。図２は、油圧制御装置の油圧回路を示す概略図である。図３は、ステアリング回路の一例を示す図である。図４は、ファン回路の一例を示す図である。図５は、演算部における処理内容を示す機能ブロック図である。図６は、油圧制御装置の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態による作業機械について詳細に説明する。以下では、油圧制御装置が搭載される作業機械の一例として、ホイールローダを例に説明するが、本発明は、ホイールローダに限らず種々の作業機械に適用可能である。

−第１の実施の形態−
図１は、本発明に係る作業機械の一実施の形態であるホイールローダ２００を示す図である。ホイールローダ２００は、アーム２０１、バケット２０２、前輪１０１ａ，１０１ｂ等を有する前部車体２０３と、操縦室１０２、エンジン（不図示）、後輪１０１ｃ，１０１ｄ等を有する後部車体２０４とを備える。アーム２０１は、アームシリンダ１０３の駆動により上下方向に回動（俯仰動）する。バケット２０２は、バケットシリンダ１０４の駆動により上下方向に回動（ダンプまたはクラウド）する。なお、以下において、前輪１０１ａ，１０１ｂと後輪１０１ｃ，１０１ｄについて総称する場合には、車輪１０１と称する。

前部車体２０３と後部車体２０４とは、連結軸２０５により互いに回動自在に連結されている。ホイールローダ２００は、連結軸２０５にて前部車体２０３と後部車体２０４とが屈曲されるアーティキュレート式の作業車両である。前部車体２０３と後部車体２０４には、連結軸２０５を中心とする一対のステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの一端と他端とが、それぞれ回転可能に係止されている。後述する油圧装置により一対のステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの内の一方を伸長させ、他方を縮退させることにより、前部車体２０３と後部車体２０４とをそれぞれ連結軸２０５を中心に回転させる。これにより、前部車体２０３と後部車体２０４との相対的な角度が変化する。すなわち、ステアリングホイールを操作することにより車両が操舵される。

後部車体２０４には、冷却ファン４および冷却ファン４を回転駆動するための油圧モータ５が設けられている。冷却ファン４を回動することによって、エンジン１の冷却液を冷却するラジエータ１０６および作動油を冷却するオイルクーラ１０７に冷却風が送風される。

図２は、油圧制御装置の油圧回路の概略を示す図である。ホイールローダ２００には、エンジン１、エンジン１により駆動される可変容量型の油圧ポンプ２、一対のステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂを伸縮制御するためのステアリング回路３、油圧モータ５に供給される圧油の向きと流量を調節するファン回路６、プライオリティ弁８、可変絞り１０、油圧ポンプ２の傾転（吐出容積）を調整するレギュレータ１１、コントローラ１２が設けられている。

油圧ポンプ２から圧油が吐出されると、油圧ポンプ２の吐出油はプライオリティ弁８を通過してステアリング回路３に供給される。後述するが、ステアリング回路３はステアリングホイールの操作に応じて一対のステアリングシリンダ１０５ａ、１０５ｂに圧油を供給するステアリングバルブ３１を備えている。このステアリングバルブ３１は、ステアリングホイールが操作されていないときは供給された圧油を遮断する。したがって、ステアリングホイールが非操作時にはプライオリティ弁８はＲ位置に切り換わり、油圧ポンプ２の吐出油の全量が可変絞り１０を通ってファン回路６に供給される。可変絞り１０は、後述するように、コントローラ１２からの出力信号に基づいて駆動され、絞り量が可変とされる。可変絞り１０の前後差圧はレギュレータ１１の駆動圧として作用し、差圧が大きいほど油圧ポンプ２の傾転量（吐出容積）が小さくなり、油圧ポンプ２から吐出される油量が低減される。

図３は、ステアリング回路３の一例を示す図である。ステアリング回路３は、ステアリングバルブ３１、リリーフ弁３２ａ，３２ｂおよびチェック弁３３ａ，３３ｂを備えている。ステアリングバルブ３１は、ステアリングホイールの操作に応じて操作され、一対のステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの駆動方向および速度を制御するように圧油の流れを調整する。リリーフ弁３２ａ，３２ｂは、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの最大駆動圧を規定する。チェック弁３３ａ，３３ｂは、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂが負圧になるのを防止するためのメイクアップ用チェック弁である。

図示しないステアリングホイールの操作量に応じたパイロット圧がステアリングバルブ３１のパイロットポートａに作用すると、ステアリングバルブ３１は中立位置ＣからＡ位置方向に切り替わる。プライオリティ弁８を通ってステアリングバルブ３１に供給された圧油は、ステアリングバルブ３１で流量を調整されてステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂに送られ、ステアリングシリンダ１０５ａを伸張させると共にステアリングシリンダ１０５ｂを縮退させる。ステアリングホイールの操作が所定の操舵角に位置して停止すると、ステアリングバルブ３１は中立位置Ｃに戻る。その結果、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの伸縮動作は終了し、ステアリングホイールの操舵角に応じた伸張位置、すなわち操舵角が維持される。

プライオリティ弁８は、ステアリング回路３の回路差圧を一定にするように動作する。ステアリングホイールの操作によりステアリングバルブ３１が動作し、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂを伸張・縮退させる場合には、プライオリティ弁８はＲ位置側に切り換えられ、油圧ポンプ２より吐出される圧油はステアリング回路３に優先的に供給される。そして、油圧ポンプ２から供給される圧油流量とステアリング回路３からステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂへ流れる圧油流量との差である余剰油が、可変絞り１０および油路９を介してファン回路６へ供給される。

図４は、ファン回路６の一例を示す図である。ファン回路６は、方向制御弁２１、リリーフ弁２２、チェック弁２３ａ，２３ｂ、電磁比例減圧弁２４、電磁比例リリーフ弁２５および固定絞り２６を備えている。方向制御弁２１は、油圧モータ５に供給される圧油の方向を制御する。リリーフ弁２２は、油路９を介して方向制御弁２１に送られる圧油の最高圧力を規定する。チェック弁２３ａ，２３ｂは、油圧モータ５のポート５１，５２の圧力がタンク圧を下回ったときに、タンクＴから圧油をポートに導入してキャビテーションの発生を防止するために設けられている。

電磁比例減圧弁２４は、コントローラ１２から電気指令を受けて、方向制御弁２１に切換制御圧を提供する。電磁比例リリーフ弁２５は、コントローラ１２からの電気指令を受けて、リリーフ弁２２の指令圧ポート、すなわちパイロットポートの圧力を変化させてリリーフ弁２２のセット圧を変更する。固定絞り２６は、電磁比例リリーフ弁２５によりリリーフ弁２２のセット圧が制御可能なように、油路９と電磁比例リリーフ弁２５を繋ぐ油路上に設けられている。

冷却ファン４を逆転させる場合には、コントローラ１２から電磁比例リリーフ弁２５に対して減圧指令が入力される。電磁比例リリーフ弁２５はその一次圧を減圧するように動作し、固定絞り２６の下流からリリーフ弁２２のパイロットポートまでの管路が減圧される。リリーフ弁２２のパイロットポート圧が減圧されると、リリーフ弁２２のセット圧が低下し、リリーフ弁２２の一次圧、すなわち油路９の最大圧が低く抑えられる。その結果、油路９の圧油の一部がリリーフ弁２２からタンクへ逃げるため、油圧モータ５の回転数が低下する。油圧モータ５の回転数が十分に低下するだけの時間を待って、コントローラ１２から電磁比例減圧弁２４に昇圧指令が送られる。コントローラ１２からの昇圧指令を受けると、電磁比例減圧弁２４はその二次圧を昇圧する。その結果、方向制御弁２１が正転位置から逆転位置に切り換えられる。

次に、コントローラ１２から電磁比例リリーフ弁２５に昇圧指令が送られると、電磁比例リリーフ弁２５の一次圧が昇圧する。それにより、リリーフ弁２２のセット圧が高く設定されるので、油路９の圧力が増加して油圧モータ５が逆転駆動される。

一方、冷却ファン４を逆転状態から正転状態へ復帰させる場合には、電磁比例リリーフ弁２５を介してリリーフ弁２２のセット圧を低下させる。必要な回転数まで低下する時間を待ち、その時間経過後、電磁比例減圧弁２４を介して方向制御弁２１を逆転位置から正転位置に切り換え、電磁比例リリーフ弁２５を介してリリーフ弁２２のセット圧を増加させる。このようなプロセスを経て、油圧モータ５は逆転状態から正転状態に切り替わる。

次に、可変絞り１０およびレギュレータ１１の動作について説明する。レギュレータ１１は可変絞り１０の前後差圧を駆動圧とする油圧制御式のレギュレータであり、油路１３を介して可変絞り１０の上流圧Ｐｕが導かれると共に、油路１４を介して可変絞り１０の下流圧Ｐｄが導かれる。レギュレータ１１は、上流圧Ｐｕと下流圧Ｐｄとの差圧ΔＰ＝Ｐｕ−Ｐｄが設定圧Ｐｓとなるように、油圧ポンプ２の傾転を調整する。

このように、差圧ΔＰ＝Ｐｓとなるように油圧ポンプ２の傾転が制御されるので、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの動作に影響されず、可変絞り１０の差圧は一定となる。可変絞り１０の通過流量Ｑは、可変絞り１０の開口面積をＳ、差圧をΔＰとすると、オリフィスの式を用いて次式（１）のように表される。
Ｑ∝Ｓ√(ΔＰ) …（１）

上述のように、レギュレータ１１はΔＰ＝Ｐｓとなるように油圧ポンプ２の傾転を調整しているので、通過流量Ｑは、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの動作に関係なく可変絞り１０の開口面積Ｓの値によって決定される。例えば、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂが伸縮動作されて可変絞り１０への余剰油の流量が減少すると、可変絞り１０の差圧ΔＰは減少する。そのため、レギュレータ１１は差圧ΔＰが増加するように、油圧ポンプ２の傾転を調整して油圧ポンプ２の吐出流量を増加させる。逆に、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの伸縮動作が停止して余剰油の流量が増加した場合には差圧ΔＰが増加するので、レギュレータ１１は油圧ポンプ２の吐出流量が減少するように油圧ポンプ２の傾転（吐出容積）を調整する。

コントローラ１２は、温度センサ１５の検出温度に基づいて油圧モータ５の回転数を制御する。なお、一般的に、油圧モータ５の回転数制御に用いられる温度センサは複数設けられ、例えば、作動油の温度を検出する温度センサ、エンジン冷却液の温度を検出する温度センサ、操縦室内温度を検出する温度センサ、外気温度を検出する温度センサなどがある。図２では、それらの温度センサを温度センサ１５で表している。そして、コントローラ１２は、作動油の温度を検出する温度センサ、エンジン冷却液の温度を検出する温度センサ、操縦室内温度を検出する温度センサ、外気温度を検出する温度センサの少なくとも一つで検出される温度に基づいて可変絞り１０の開度を制御し、油圧モータ５の回転数を制御する。

例えば、温度センサ１５によってエンジン１の冷却液温度が設定値よりも高くなった場合には、コントローラ１２は油圧モータ５の回転数を増加させて、ラジエータ１０６の冷却性能を上げる。具体的には、コントローラ１２は、可変絞り１０の開口面積Ｓを大きくすることで通過流量Ｑを増加させて、油圧モータ５の回転数を増加させる。

図５は、コントローラ１２の演算部１２１における処理内容を示す機能ブロック図である。演算部１２１は、目標回転数演算部１２１ａ、開口面積演算部１２１ｂ、制御信号演算部１２１ｃを有している。目標回転数演算部１２１ａでは、温度センサ１５から入力された計測温度Ｔｓに基づいて冷却ファン４の目標回転数、すなわち油圧モータ５の目標回転数を、目標回転数と計測温度Ｔｓとの相関マップにより求める。開口面積演算部１２１ｂでは、可変絞り１０の開口面積Ｓと目標回転数との相関マップと、目標回転数演算部１２１ａで演算された目標回転数とに基づいて、可変絞り１０の開口面積Ｓを求める。制御信号演算部１２１ｃでは、可変絞り１０のソレノイドの駆動電流（制御信号）ｉと開口面積Ｓとの相関マップと、開口面積演算部１２１ｂで演算された開口面積Ｓとに基づいて駆動電流ｉを演算する。なお、目標回転数演算部１２１ａ、開口面積演算部１２１ｂおよび制御信号演算部１２１ｃにおいて、相関マップに代えて演算式を用いても良い。

コントローラ１２は駆動電流（制御信号）ｉを可変絞り１０に出力して、可変絞り１０の開口面積Ｓを変更する。可変絞り１０の開口面積Ｓを変更すると、可変絞り１０の差圧ΔＰが設定圧Ｐｓから変化するので、レギュレータ１１は差圧ΔＰの変化に応じて油圧ポンプ２の傾転を変更する。油圧ポンプ２の傾転が変更されて吐出流量が変化すると、プライオリティ弁８から可変絞り１０に流入する余剰油の流量が変化し、差圧ΔＰが設定圧Ｐｓに戻される。

以上のように、本実施の形態では、油圧ポンプ２からの作動油は、プライオリティ弁８によりステアリング回路３に優先的に供給されると共に、余剰油は油圧モータ５の回転を制御するファン回路６に供給される。

そして、油圧モータ５の目標流量に応じて絞り量が可変な可変絞り１０を、プライオリティ弁８とファン回路６との油路に設けると共に、可変絞り１０の流入側圧力である上流圧Ｐｕと排出側圧力である下流圧Ｐｄとの差圧ΔＰ＝Ｐｕ−Ｐｄが予め定められた圧力となるように、レギュレータ１１により油圧ポンプ２の吐出容積を調整するようにした。

そのため、ステアリングシリンダ１０５ａ，１０５ｂの動作に伴ってステアリング回路３へ送出される作動油の流量が変化すると、可変絞り１０の差圧ΔＰが一定となるようにレギュレータ１１が油圧ポンプ２の吐出容積を調整する。その結果、可変絞り１０を通過する作動油の流量は絞り量に応じた流量となり、プライオリティ弁８からの余剰油の流量は、油圧モータ５の駆動に必要な目標流量に対して過不足のない流量となる。すなわち、油圧ポンプ２は、ステアリング回路３が要求する流量と、可変絞り１０の開口面積Ｓで与えたファン回路６の要求流量との合計を常に出力することができる。そのため、従来は、余剰油の一部が利用されずエネルギーを浪費していたが、本実施の形態では、そのようなエネルギーの浪費を防止することができる。

なお、ファン回路６の要求流量は冷却ファン４の（すなわち油圧モータ５の）目標回転数と比例関係にあるので、ステアリング回路３が要求する流量を供給しつつ、冷却ファン４を目標回転数通りに駆動することが可能となる。

さらに、温度センサ１５で検出された温度、すなわち、外気温度、操縦室内温度、作動油の温度および冷却液の温度の少なくとも一つに基づいて、目標流量が演算部１２１において演算され、コントローラ１２は、その目標流量に基づいて可変絞り１０の絞り量を制御する。その結果、冷却ファン４は、温度センサ１５で検出された温度に応じた最適の回転数で回転駆動され、その際においても、プライオリティ弁８からの余剰油は、ファン回路６に必要なだけの油量となるようにレギュレータ１１により調整される。

図６は、図２に示す油圧制御装置の変形例を示す図である。図２に示した構成では、可変絞り１０の上流圧Ｐｕと下流圧Ｐｄとを油圧制御式のレギュレータ１１に入力し、油圧によりレギュレータ１１を制御するようにした。

一方、図６に示す変形例では、上流圧Ｐｕを検出する圧力センサ１７と、下流圧Ｐｄを検出する圧力センサ１８とを設け、各圧力センサ１７，１８の検出信号をコントローラ１２に入力するようにした。コントローラ１２は、検出された上流圧Ｐｕと下流圧Ｐｄとの差分ΔＰ＝Ｐｕ−Ｐｄを演算部１２１で演算し、その演算結果に基づく制御信号をレギュレータ１１に入力する。変形例におけるレギュレータ１１は電子制御式のレギュレータであり、入力された制御信号に基づいて油圧ポンプ２の吐出容積を調整する。差圧ΔＰに基づく油圧ポンプ２の制御は図２で説明した制御と同様であり、可変絞り１０の前後差圧（差分ΔＰ）が予め定められた圧力となるように吐出容積を調整する。

本発明は、ステアリング回路、プライオリティ弁、ファン回路を有するホイール式油圧ショベルなどの作業機械にも適用できる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。また、上述した実施形態および各変形例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。

１…エンジン、２…油圧ポンプ、３…ステアリング回路、４…冷却ファン、５…油圧モータ、６…ファン回路、８…プライオリティ弁、１０…可変絞り、１１…レギュレータ、１２…コントローラ、１５…温度センサ、１７，１８…圧力センサ、３１…ステアリングバルブ、１０５ａ，１０５ｂ…ステアリングシリンダ、１２１…演算部、１２１ａ…目標回転数演算部、１２１ｂ…開口面積演算部、１２１ｃ…制御信号演算部、２００…ホイールローダ（作業機械）、Ｐｄ…下流圧、Ｐｓ…設定圧、Ｐｕ…上流圧

Claims

吐出容積を調整するレギュレータを備えた可変容量型の油圧ポンプと、
冷却ファンを回転駆動する油圧モータと、
前記油圧モータの回転を制御するファン回路と、
ステアリングシリンダの伸縮動作を制御するステアリング回路と、
前記油圧ポンプからの作動油を前記ステアリング回路に優先的に供給し、前記油圧ポンプからの作動油と前記ステアリング回路へ送出される作動油との差である余剰油を前記ファン回路に供給するプライオリティ弁とを有する油圧制御を備えた作業機械であって、
前記プライオリティ弁と前記ファン回路とを結ぶ油路に設けられ、前記油圧モータの目標流量に応じて絞り量が可変な可変絞りを備え、
前記レギュレータは、前記可変絞りの流入側圧力と排出側圧力との差圧が予め定めた圧力となるように前記油圧ポンプの前記吐出容積を調整することを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記油圧モータを駆動するエンジンと、
前記目標流量を、外気温度、作動油の温度、前記エンジンの冷却液の温度および操縦室内温度の少なくとも一つに基づいて演算する演算部と、
前記演算部で演算された目標流量に基づいて前記可変絞りの絞り量を制御するコントローラと、を備えることを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記レギュレータは、前記可変絞りの前後差圧で前記吐出容積を調整する油圧装置であり、前記前後差圧が予め定められた圧力となるように前記吐出容積を調整することを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記可変絞りの流入側圧力を検出する第１の圧力センサと、
前記可変絞りの排出側圧力を検出する第２の圧力センサと、
前記第１および第２の圧力センサで検出される圧力に基づいて、前記レギュレータに前記吐出容積の調整を行わせるコントローラと、を備えることを特徴とする作業機械。