JP7257181B2

JP7257181B2 - 駆動装置及び建設機械

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Publication number: JP7257181B2
Application number: JP2019031763A
Authority: JP
Inventors: 正幸小林; 篤史住本; 晃右三上
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2023-04-13
Anticipated expiration: 2039-02-25
Also published as: KR20200103537A; CN111608970A; JP2020133855A

Description

本発明は、駆動装置及び建設機械に関する。

建設機械は、旋回体（キャブ）、バケット、ブーム等を駆動させるためのさまざまな油圧アクチュエータと、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とを備えている。油圧駆動装置は、操作部と、油圧アクチュエータに油を供給するための油圧ポンプと、各油圧アクチュエータに供給される油の流量を制御する油圧制御弁とを備えている。

ここで、例えば旋回体を旋回させると、ブームの先端での旋回半径が大きくなるので、吊荷の揺れが大きくなりやすい。このため、旋回体の旋回操作性を向上させるために、駆動装置の油圧回路（制御装置）としては、操作部の操作信号に基づいて油圧制御弁の駆動制御を行ういわゆるブリードオフ（圧力制御）方式の油圧回路とする場合が多い。
ブリードオフ方式の油圧回路では、油圧制御弁にセンター通路（ブリードオフ通路）が設けられている。そして、操作部の操作信号に基づいて、油圧制御弁のスプールを駆動させる。このスプールの移動量に応じて油圧ポンプから吐出された油の一部がタンクに還流され、油圧アクチュエータへの油の流量が制御される。

特開平６－２４６８８号公報

ところで、近年、建設機械の自動運転化の要望が高まっている。一方、建設機械は、ブームが長いと風の影響を受けやすく、ブームにかかる風圧によって油圧アクチュエータに負荷がかかり、油圧回路内の油圧が変化してしまう。このため、建設機械を自動運転化させるためには、油圧回路内の油圧を所定値内に保持するように制御するいわゆる圧力補償制御方式の油圧回路とすることが望ましい。

しかしながら、圧力補償制御方式の油圧回路では、油圧回路内の油圧を所定値内に保持するように制御されてしまうので、ブリードオフ方式の油圧回路のように操作性を満足できない。このように、ブリードオフ方式と圧力補償制御方式とはトレードオフの関係にあり、操作性を向上させるのに限界があるという課題があった。

本発明は、操作性を向上できる駆動装置及び建設機械を提供する。

本発明の一態様に係る駆動装置は、流体を送り出すポンプと前記流体が排出されるタンクとを連通する通路部と、前記流体によって駆動される駆動体と、前記駆動体に供給される前記流体の流量を調整する制御弁、少なくとも前記通路部の通路の前記制御弁よりも上流側通路に設けられて前記上流側通路における前記流体の圧力を所定値内に保持する圧力補償制御部、及び前記圧力補償制御部の駆動状態と非駆動状態とを切り替える切替部を備え、前記通路部の途中に設けられて前記駆動体の駆動制御を行う制御装置とを備え、前記制御弁は、前記駆動体のブレーキ制御を行うものであり、前記圧力補償制御部は、前記上流側通路における前記流体の圧力を所定値内に保持する第１制御弁と、前記制御弁に供給する前記流体の流量を調整する第２制御弁とを有し、前記上流側通路に、上流側から前記第１制御弁、前記第２制御弁の順に接続されており、前記圧力補償制御部の前記非駆動状態のとき、前記第２制御弁と前記制御弁とが同期して駆動される。

このように構成することで、圧力補償制御部を駆動状態とさせた場合、駆動装置を圧力補償制御方式として使用できる。また、圧力補償制御部を非駆動状態とさせた場合、駆動装置をブリードオフ方式として使用できる。このように、切替部によって、圧力補償制御方式とブリードオフ方式とを容易に切り替えることができるので、容易に両方式を満足することができる。このため、駆動装置の操作性を向上できる。
また、第１制御弁及び第２制御弁の駆動制御を行うだけで圧力補償制御方式とブリードオフ方式との両方の方式を満足できる駆動装置とすることができる。
さらに、圧力補償制御方式とブリードオフ方式との両方の方式を満足できる駆動装置を、できる限り簡素化できる。
また、圧力補償制御部を非駆動状態とさせた場合、駆動装置をブリードオフ方式として確実に使用できる。

上記構成であって、前記圧力補償制御部の前記駆動状態のとき、前記制御弁に供給される前記流体の流量は前記第２制御弁によって制御され、前記流体は、前記上流側通路における前記第２制御弁を挟んで上流側と下流側との差圧に基づいて前記差圧が所定圧以上の場合に、前記第１制御弁を介して前記タンクへと排出され、前記ポンプから送り出される前記流体は、前記制御弁によって制御された余剰油のみ前記第１制御弁を介して前記タンクへと排出されてもよい。

このように構成することで、圧力補償部制御部の駆動状態のとき、駆動装置を圧力補償制御方式として確実に使用できる。

上記構成であって、前記第１制御弁及び前記第２制御弁は２ポート２位置方向制御弁であってもよい。

このように構成することで、駆動装置をさらに簡素化できる。

本発明の他の態様に係る建設機械は、上述の駆動装置を備え、前記ポンプは油圧ポンプであり、前記駆動体は油圧アクチュエータである。

このように構成することで、圧力補償制御方式とブリードオフ方式とに切り替え可能な建設機械を提供できる。

上述の駆動装置及び建設機械は、圧力補償制御方式とブリードオフ方式とに切り替え可能とし、操作性を向上できる。

本発明の実施形態における建設機械の概略構成図。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（建設機械）
図１は、建設機械１００の概略構成図である。
建設機械１００は、例えばラフテレーンクレーン等のクレーン車であり、旋回体１０１と、旋回体１０１を旋回駆動する駆動装置１とを備えている。

（駆動装置）
図１に示すように、駆動装置１は、旋回体１０１を旋回駆動するための旋回用の油圧モータ（請求項の油圧アクチュエータに相当）２と、油圧モータ２を駆動するための油圧ポンプ（請求項のポンプに相当）３と、油圧モータ２の操作を行うための操作部４と、操作部４の出力信号に基づいて油圧モータ２の駆動制御を行う制御装置５及び制御部６とを主構成としている。油圧モータ２の出力軸２ａに、旋回体１０１が連結されている。

油圧ポンプ３は、油圧モータ２を駆動するためにこの油圧モータ２に圧油を供給する。油圧ポンプ３としては、例えば斜板式可変容量型の油圧ポンプが用いられる。斜板式可変容量型の油圧ポンプは、内部に、斜板とポンプ軸の回転に連動して往復運動するピストン（いずれも図示しない）とを有している。そして、斜板の傾斜角度によってピストンのストローク量を変化させ、圧油の吐出流量が調整できる。なお、油圧ポンプ３は、斜板式可変容量型の油圧ポンプに限られるものではなく、例えば、斜軸式容量型の油圧ポンプ等を用いてもよい。

操作部４は、例えば図示しない操作レバーを有し、この操作レバーを傾けることによって信号としてのパイロット圧Ｐ１、及び操作信号Ｓ１を出力する。操作信号Ｓ１は、制御部６に入力される。
油圧ポンプ３の吐出ポートには、第１センター通路（請求項の通路部に相当）Ｌ１が接続されている。第１センター通路Ｌ１は、油圧ポンプ３とタンク７とを連通している。第１センター通路Ｌ１における油圧ポンプ３とタンク７との間に、制御装置５が接続されている。

制御装置５は、第１センター通路Ｌ１に接続された第２センター通路（請求項の通路部に相当）Ｌ２と、第２センター通路Ｌ２に接続された制御弁９及び圧力補償制御部１０と、操作部４に設けられ圧力補償制御部１０の駆動制御を行う切替部８とを備えている。切替部８の切替信号Ｓ２は、制御部６に出力される。

制御弁９は、いわゆる４ポート３位置方向制御弁である。制御弁９には、操作部４から出力されたパイロット圧Ｐ１が入力される。これにより、制御弁９が駆動される。
制御弁９は、一対の給排通路１３ａ，１３ｂを介して油圧モータ２に接続されている。制御弁９は、パイロット圧Ｐ１に基づいて第２センター通路Ｌ２を介して油圧ポンプ３から送られる油の流量を制御する。また、制御弁９は、制御した流量で、一対の給排通路１３ａ，１３ｂを介して油圧モータ２に油を供給する。制御弁９は、油圧モータ２への油の流量を制御することにより、油圧モータ２のブレーキ制御を行う。

圧力補償制御部１０は、第２センター通路Ｌ２における制御弁９よりも上流側（油圧ポンプ３側）の上流側通路Ｌ３に配置されている。圧力補償制御部１０は、上流側通路Ｌ３に接続された第１切替弁（請求項の第１制御弁に相当）１１及び第２切替弁（請求項の第２制御弁に相当）１２を備えている。

第１切替弁１１は、上流側通路Ｌ３から分岐されてタンク７へと連通するバイパス通路１６の途中に設けられている。第１切替弁１１は、いわゆる２ポート２位置方向制御弁である。第１切替弁１１は、上流側通路Ｌ３の油圧を所定値内に保持する役割を有する。また、第１切替弁１１は、第１比例制御弁１４を介して制御部６に接続されている。第１比例制御弁１４は、制御部６からの出力信号に基づいて第１切替弁１１に駆動油圧を供給する。これにより、第１切替弁１１が駆動される。
バイパス通路１６の第１切替弁１１よりも下流側（タンク７側）には、チェック弁２１が接続されている。チェック弁２１は、バイパス通路１６が所定の油圧以上になると開放される。

第２切替弁１２は、上流側通路Ｌ３のバイパス通路１６との分岐点よりも下流側（制御弁９側）に設けられている。第２切替弁１２は、いわゆる２ポート２位置方向制御弁である。第２切替弁１２は、制御弁９に供給する油の流量を調整する役割を有する。また、第２切替弁１２は、第２比例制御弁１５を介して制御部６に接続されている。第２比例制御弁１５は、制御部６からの出力信号に基づいて第２切替弁１２に駆動油圧を供給する。これにより、第２切替弁１２が駆動される。

制御部６は、例えばＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｏｒｏｌＵｎｉｔ）である。制御部６は、操作部４から出力される操作信号Ｓ１や切替信号Ｓ２に基づいて、駆動装置１を総括的に制御する。
また、制御部６は、第２切替弁１２よりも上流側（油圧ポンプ３側）の絞り前油圧ＰＧと、第２切替弁１２よりも下流側（制御弁９側）の絞り後油圧ＬＳＧとの差圧（以下、第２切替弁１２の前後の差圧という）を検出する。この検出結果、及び切替部８の切替信号Ｓ２に基づいて、制御部６は、第２切替弁１２の前後の差圧が一定になるように第１切替弁１１及び第２切替弁１２の駆動を制御したり、制御弁９と第２切替弁１２とを同期させたりする。なお、駆動装置１の動作の詳細については後述する。

制御弁９と油圧モータ２とを接続する一対の給排通路１３ａ，１３ｂには、一対のリリーフ弁１７ａ，１７ｂと、一対のチェック弁１８ａ，１８ｂとが接続されている。一対のリリーフ弁１７ａ，１７ｂは、油圧モータ２の過度の圧力上昇を防止するための安全弁としての役割を有するとともに、油圧モータ２にブレーキ力を作用させたりする役割を有する。

リリーフ弁１７ａ，１７ｂは、パイロット圧Ｐ１が入力される第１ポート１８と、一対の給排通路１３ａ，１３ｂが接続されて各給排通路１３ａ，１３ｂの油圧が入力される第２ポート１９とを備えている。
第１ポート１８と操作部４との間には、第３切替弁２０が接続されている。第３切替弁２０は、操作部４の操作信号Ｓ１に基づいて、第１ポート１８と操作部４との連結と、第１ポート１８とタンク７との連結とを切り替える。

（駆動装置の動作）
次に、駆動装置１の動作について説明する。
まず、圧力補償制御部１０の動作について説明する。
圧力補償制御部１０は、操作部４の切替部８から出力される切替信号Ｓ２に基づいて駆動状態と非駆動状態とに切り替わる。

（非駆動状態）
制御部６に圧力補償制御部１０の非駆動状態の切替信号Ｓ２が入力されると、第１切替弁１１が開放されたままの状態になる。そして、操作部４から出力されるパイロット圧Ｐ１に基づいて制御弁９が駆動される。また、制御部６に操作部４の操作信号Ｓ１が入力されると、制御部６は、操作信号Ｓ１に基づいて第２切替弁１２を駆動させる。この際、制御弁９、及び第２切替弁１２は、同期して駆動する。油圧ポンプ３から送り出される油は、制御弁９、及び第２切替弁１２によって流量が制御され、一対の給排通路１３ａ，１３ｂへと流れる。制御弁９によって制御された余剰油は、第２センター通路Ｌ２を介してタンク７へと還流される。また、第１センター通路Ｌ１及び上流側通路Ｌ３の油圧が所定圧以上になると、バイパス通路１６に接続されているチェック弁２１が開放されてタンク７へと油が還流される。このように、圧力補償制御部１０の非駆動状態では、いわゆるブリードオフ制御（ブリードオフ方式）が行われる。

（駆動状態）
制御部６に圧力補償制御部１０の駆動状態の切替信号Ｓ２が入力されると、制御部６は、第２切替弁１２の前後の差圧を検出する。制御部６には、予め第２切替弁１２の前後の設定差圧領域（以下、単に設定差圧領域という）が記憶されている。制御部６は、第２切替弁１２の前後の差圧を検出し、この差圧が設定差圧領域に収まるように第１切替弁１１を駆動させる。具体的には、第２切替弁１２の前後の差圧が設定差圧領域を下回る場合、第１切替弁１１によってバイパス通路１６が閉塞される。第２切替弁１２の前後の差圧が設定差圧領域を上回る場合、第１切替弁１１によってバイパス通路１６が開放される。

制御部６に操作部４の操作信号Ｓ１が入力されると、制御部６は、操作信号Ｓ１に基づいて第２切替弁１２を駆動させる。これにより、制御弁９に供給される油の流量が制御される。第２切替弁１２を介して制御弁９に供給された油は、制御弁９によって流量が制御され、一対の給排通路１３ａ，１３ｂへと流れる。このように、圧力補償制御部１０の駆動状態では、第２センター通路Ｌ２の油圧が所定値内に保持されるように、いわゆる圧力補償制御（圧力補償制御方式）が行われる。
ここで、上記ブリードオフ制御、及び圧力補償制御の両制御では、制御弁９は、油圧ポンプ３から送り出される油の流量を制御することにより、油圧モータ２の駆動制御を行っていることから、油圧モータ２のブレーキ制御を行っているといえる。

（リリーフ弁の動作）
次に、一対の給排通路１３ａ，１３ｂに接続されている一対のリリーフ弁１７ａ，１７ｂの動作について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするために、操作部４の図示しない操作レバーを一方向に傾けることにより、一対の給排通路１３ａ，１３ｂのうち、給排通路１３ａが油圧モータ２に油を供給する側の通路となり（以下、供給通路１３ａという）、給排通路１３ｂが油圧モータ２から油が戻る通路となる（以下、排出通路１３ｂという）場合について説明する。

上記のような操作部４の操作によって、第３切替弁２０は、供給通路１３ａ側におけるリリーフ弁１７ａの第１ポート１８と操作部４とが連結されるように切り替わる。これにより、供給通路１３ａ側のリリーフ弁１７ａにはパイロット圧Ｐ１がかかり、このパイロット圧Ｐ１と供給通路１３ａの油圧との差圧により閉塞される。リリーフ弁１７ａが閉塞されることにより、供給通路１３ａの油圧が昇圧される。

一方、排出通路１３ｂ側のリリーフ弁１７ｂにかかるパイロット圧Ｐ１が下降していく。このため、パイロット圧Ｐ１と排出通路１３ｂとの差圧によってリリーフ弁１７ｂが開放され、排出通路１３ｂの油がタンク７に還流される。
このように、各給排通路１３ａ，１３ｂとパイロット圧Ｐ１との差圧を信号とし、この信号に基づいて供給通路１３ａが高圧となる一方、排出通路１３ｂが低圧となる。このため、操作部４の１回の操作で、油圧モータ２は所望の方向に回転し続ける。つまり、油圧モータ２は、自動運転となる。

油圧モータ２を停止させる場合、操作部４の図示しない操作レバーを一方向とは反対方向に傾ける。すると、第３切替弁２０は、排出通路１３ｂ側におけるリリーフ弁１７ｂの第１ポート１８と操作部４とが連結されるように切り替わる。これにより、供給通路１３ａ側のリリーフ弁１７ａにかかるパイロット圧Ｐ１が下降していく。このため、パイロット圧Ｐ１と供給通路１３ａとの差圧によってリリーフ弁１７ａが開放され、供給通路１３ａの油がタンク７に還流される。

一方、排出通路１３ｂ側のリリーフ弁１７ｂはパイロット圧Ｐ１がかかり、このパイロット圧Ｐ１と排出通路１３ｂの油圧との差圧により閉塞される。リリーフ弁１７ｂが閉塞されることにより、排出通路１３ｂの油圧が昇圧される。このように、各給排通路１３ａ，１３ｂとパイロット圧Ｐ１との差圧を信号とし、この信号に基づいて排出通路１３ｂが高圧となる一方、供給通路１３ａが低圧となる。このため、油圧モータ２にブレーキ力が作用する。
なお、油圧モータ２にブレーキ力を作用させる場合、つまり、図示しない操作レバーを反対方向に傾ける場合、第２切替弁１２を閉塞するように制御することが望ましい。このように制御することにより、第２センター通路Ｌ２に無駄に油が流れ出てしまうことを防止できる。

このように、駆動装置１は、センター通路Ｌ１，Ｌ２（第１センター通路Ｌ１、第２センター通路Ｌ２）の途中に制御装置５を備えている。制御装置５は、制御弁９と、第２センター通路Ｌ２の上流側通路Ｌ３に設けられた圧力補償制御部１０と、圧力補償制御部１０の駆動状態と非駆動状態とを切り替える切替部８とを備えている。このため、圧力補償制御部１０を駆動状態とさせた場合、駆動装置１を圧力補償制御方式として使用できる。また、圧力補償制御部１０を非駆動状態とさせた場合、駆動装置１をブリードオフ方式として使用できる。このように、切替部８によって、圧力補償制御方式とブリードオフ方式とを容易に切り替えることができるので、容易に両方式を満足することができる。このため、駆動装置１の操作性を向上できる。

また、制御弁９は、油圧モータ２のブレーキ制御を行うものであり、圧力補償制御部１０は、上流側通路Ｌ３の油圧を所定値内に保持する第１切替弁１１と、制御弁９に供給する油の流量を調整する第２切替弁１２とを備えている。このため、駆動装置１を簡素な構造とすることができる。また、このような簡素な構造でありながら、第１切替弁１１及び第２切替弁１２の駆動制御を行うだけで圧力補償制御方式とブリードオフ方式との両方の方式を満足できる。

また、第１切替弁１１、及び第２切替弁１２は、上流側からこの順で配置されている。このため、圧力補償制御方式とブリードオフ方式との両方の方式を満足できる駆動装置１を、できる限り簡素化できる。
また、第１切替弁１１、及び第２切替弁１２は、２ポート２位置方向制御弁である。このように構成することで、駆動装置１をさらに簡素化できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、建設機械１００は、油圧ショベルである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざま建設機械に上述の駆動装置１を適用することができる。

また、上述の実施形態では、制御装置５は、油圧ポンプ３から送り出される油によって、油圧モータ２を駆動させる油圧回路に適用されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、制御装置５の構成は、油以外のさまざまな流体の回路に適用することが可能である。
また、上述の実施形態では、油によって駆動される駆動体として、油圧モータ２を用いて説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、駆動体として、油圧シリンダ等、さまざまなアクチュエータを用いることが可能である。

また、上述の実施形態では、制御弁９と油圧モータ２とを接続する一対の給排通路１３ａ，１３ｂに、一対のリリーフ弁１７ａ，１７ｂと、一対のチェック弁１８ａ，１８ｂとが接続されている場合について説明した。しかしながら、リリーフ弁１７ａ，１７ｂやチェック弁１８ａ，１８ｂの他に、一対の給排通路１３ａ，１３ｂに第２切替弁１２を追加で設けもよい。この場合、リリーフ弁１７ａ，１７ｂよりも上流側（制御弁９側）に第２切替弁１２を設ける。このように構成することで、さらに高精度に油圧モータ２の駆動制御を行うことができる。

また、上述の実施形態では、圧力補償制御部１０を構成する制御弁として、２ポート２位置方向制御弁の第１切替弁１１、及び第２切替弁１２とした場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな制御弁で圧力補償制御部１０を構成することができる。

１…駆動装置、２…油圧モータ（駆動体、油圧アクチュエータ）、３…油圧ポンプ、５…制御装置、７…タンク、８…切替部、９…制御弁、１０…圧力補償制御部、１１…第１切替弁（第１制御弁）、１２…第２切替弁（第２制御弁）、１００…建設機械、Ｌ１…第１センター通路（通路部）、Ｌ２…第２センター通路（通路部）、Ｌ３…上流側通路（通路部）

Claims

流体を送り出すポンプと前記流体が排出されるタンクとを連通する通路部と、
前記流体によって駆動される駆動体と、
前記駆動体に供給される前記流体の流量を調整する制御弁、少なくとも前記通路部の通路の前記制御弁よりも上流側通路に設けられて前記上流側通路における前記流体の圧力を所定値内に保持する圧力補償制御部、及び前記圧力補償制御部の駆動状態と非駆動状態とを切り替える切替部を備え、前記通路部の途中に設けられて前記駆動体の駆動制御を行う制御装置と
を備え、
前記制御弁は、前記駆動体のブレーキ制御を行うものであり、
前記圧力補償制御部は、
前記上流側通路における前記流体の圧力を所定値内に保持する第１制御弁と、
前記制御弁に供給する前記流体の流量を調整する第２制御弁とを有し、
前記上流側通路に、上流側から前記第１制御弁、前記第２制御弁の順に接続されており、
前記圧力補償制御部の前記非駆動状態のとき、前記第２制御弁と前記制御弁とが同期して駆動される
駆動装置。
前記圧力補償制御部の前記駆動状態のとき、前記制御弁に供給される前記流体の流量は前記第２制御弁によって制御され、
前記流体は、前記上流側通路における前記第２制御弁を挟んで上流側と下流側との差圧に基づいて前記差圧が所定圧以上の場合に、前記第１制御弁を介して前記タンクへと排出され、
前記ポンプから送り出される前記流体は、前記制御弁によって制御された余剰油のみ前記第１制御弁を介して前記タンクへと排出される
請求項１に記載の駆動装置。
前記第１制御弁及び前記第２制御弁は２ポート２位置方向制御弁である請求項１又は請求項２に記載の駆動装置。
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の駆動装置を備え、
前記ポンプは油圧ポンプであり、
前記駆動体は油圧アクチュエータである
建設機械。