KR100517849B1 - 건설 기계 - Google Patents

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KR100517849B1
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요시마쯔히데아끼
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코벨코 겐키 가부시키가이샤
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Abstract

각각 복수의 작동기를 구동하는 제1 및 제2 양 유압 펌프(15, 16)를 각각의 전동기(13, 14)에 의해 구동하여 제어 밸브를 제어하는 레버(26 내지 31)의 조작에 의거하는 제어기(32)로부터의 신호에 의해, 동시에 양 전동기(13, 14)의 회전수를 개별로 제어하여 양 유압 펌프(15, 16)의 토출량을 제어하는 구성으로 한 건설 기계이다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINERY}
본 발명은 전동기로 유압 펌프를 구동하여 유압 작동기를 작동시키는 건설 기계(유압 쇼벨, 크레인 등)에 관한 것이다.
유압 쇼벨을 예로 들어 종래의 기술을 설명한다.
종래, 유압 쇼벨은 하부 주행체 상에 상부 선회체를 선회 가능하게 탑재하고, 이 상부 선회체에 붐과 아암과 버킷을 구비한 굴삭 부속품을 부착하여 구성하고, 펌프 토출유를 각 유압 작동기에 공급하여 붐, 아암, 버킷, 주행, 선회의 각 동작을 행하게 하도록 구성하고 있다.
그러나, 이 종래의 유압 쇼벨은 엔진으로 펌프를 구동하고, 이 펌프로부터의 압력유를 제어 밸브 경유로 유압 작동기에 공급하는 구성을 취하고 있다. 즉, 펌프의 잉여 유량을 제어 밸브나 릴리프 밸브 등으로 탱크에 짜 버림으로써 작동기의 유량 제어를 행하는 구성을 취하고 있으므로, 에너지의 손실이 큰 데다가, 소음, 배기 가스 등의 공해 문제가 생겼다.
그래서 최근, 엔진으로 발전기를 구동하여 전동기를 회전시키고, 이 전동기로 유압 펌프를 회전시키는 소위 하이브리드 방식의 쇼벨이 제안되어 있다.
이 하이브리드 방식에 따르면, 전동기의 회전수 제어에 의해 펌프 토출량(작동기 공급 유량)을 제어할 수 있으므로, 종래의 순유압식과 비교하여 기본적으로 에너지 손실이 적은 등의 장점이 있다.
그런데, 제안된 기술에서는 하나의 전동기로 복수의 유압 펌프를 구동하는 구성을 취하고 있으므로, 각 펌프의 회전수가 항상 동일해지고, 각각의 필요 토출유량이 다름에도 불구하고 각 펌프가 동일해진다. 따라서, 토출량이 적어도 되는 펌프도 다른 펌프에 이끌려서 고속 회전하게 되어 펌프 효율이 악화되는 동시에, 잉여 유량을 밸브에 의해 탱크로 버리게 되므로, 또한 에너지 손실이 커진다.
또한, 다음과 같은 문제점도 있었다.
① 굴삭시에는, 많은 경우, 아암 및 버킷에 의해 굴삭하면서 붐을 올리거나, 또는 낮추는 복합 동작이 행해진다. 이 때, 상대적으로 주된 굴삭 동작을 행하는 아암 및 버킷 양 실린더는 고압이 되지만, 부속품의 승강을 행하는 붐 실린더는 부속품 자중의 영향이 크기 때문에 아암, 버킷 양 실린더만큼 고압이 되지 않는다.
이 경우, 이미 알려진 기술에서는 붐 실린더와 버킷 실린더가 동일 펌프에 의해 구동되므로, 버킷 실린더의 압력까지 오른 펌프 토출유를 제어 밸브로 강압하여 붐 실린더에 공급해야만 하고, 여기에 압력(에너지) 손실이 생긴다.
② 붐, 아암, 버킷 각 실린더의 전체에 대해 제어 밸브의 개방도 제어(개방 회로 제어)에 의해 작동 속도를 제어하는 구성을 취하고 있으므로, 이들에 작용하는 부속품 자중에 의한 큰 중력을 제동할 때에 동력으로서 회생할 수 없다. 특히, 작업 부속품 전체의 중량이 작용하는 붐에는 큰 중력이 작용하지만, 붐 하강시에 동력 회생할 수 없어, 이 점에서도 에너지의 낭비가 된다.
또한, 부속품용 각 실린더에 대해 제어 밸브를 폐기하고, 전동기의 회전 방향과 회전 속도에 의해 작동 방향과 작동 속도를 제어하는 구성을 취하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이렇게 하면 실린더 신축 절환시의 응답성이 악화되므로, 특히 아암, 버킷 양 실린더의 좁은 규모의 신축 절환을 필요로 하는 작업(오물 제거 작업이나 토사의 미조작 작업)이 불가능해진다.
그래서 본 발명은, 전동기로 유압 펌프를 구동하는 하이브리드 방식에 있어서, 펌프의 불필요한 운전을 없애어 에너지 절약화를 실현할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 상기 하이브리드 방식에 있어서, 에너지 손실을 억제하면서 필요한 응답성을 확보할 수 있는 건설 기계를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 쇼벨의 전체 측면도이다.
도2는 상기 실시 형태에 있어서의 구동계 및 제어계의 구성을 도시한 도면이다.
도3은 상기 실시 형태에 있어서의 동력 특성을 나타낸 도면이다.
도4는 상기 구동계 중 제1 유압 펌프계의 유압 회로의 일부를 도시한 도면이다.
도5는 상기 유압 회로에 사용되는 제어 밸브의 개구 면적 특성을 나타낸 도면이다.
도6은 상기 실시 형태에 있어서의 레버 조작량/유량의 특성을 나타낸 도면이다.
도7은 본 발명의 제2 실시 형태의 도3에 상응하는 도면이다.
도8은 본 발명의 제3 실시 형태의 도3에 상응하는 도면이다.
도9는 상기 실시 형태에 있어서의 레버 조작량/전동기 회전수 및 토오크의 특성을 나타낸 도면이다.
도10은 본 발명의 제4 실시 형태의 도2에 상응하는 도면이다.
도11은 상기 실시 형태에 있어서의 선회용 전동기의 회전수/토오크의 특성을 나타낸 도면이다.
도12는 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 유압 쇼벨 각부의 구동계 및 제어계의 구성을 도시한 도면이다.
도13은 상기 실시 형태에 있어서의 붐 실린더의 유압 회로도이다.
도14는 상기 실시 형태에 있어서의 아암, 버킷 양 실린더 및 주행 모터의 유압 회로도이다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 채용하였다.
즉, 복수의 유압 작동기를 구동하는 복수의 유압 펌프가 각각의 전동기에 의해 구동되고, 제어 수단에 의해 이 각 전동기의 회전수가 개별적으로 제어됨으로써 상기 각 유압 펌프의 토출량이 제어되도록 구성된 것이다.
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또한 본 발명은 복수의 유압 작동기와, 이 유압 작동기를 분담하여 구동하는 복수의 유압 펌프와, 이 각 유압 펌프를 따로따로 구동하는 복수의 전동기와, 상기 유압 펌프와 각 유압 작동기 사이에 설치되어 각 유압 작동기에 대한 압력유의 급배를 제어하는 제어 밸브와, 외부로부터 조작되어 이 제어 밸브에 대한 작동 지령을 내는 조작 장치와, 이 조작 장치의 조작에 따라서 상기 제어 밸브의 작동 스트로크 및 전동기의 회전수를 제어하는 제어 수단을 구비하는 것이다.
한편, 본 발명은 하부 주행체 상에 상부 선회체가 종축 주위로 선회 가능하게 탑재되고, 이 상부 선회체에, 붐과, 이 붐의 선단부에 부착된 아암과, 이 아암의 선단부에 부착된 버킷을 구비한 작업 부속품이 기복 가능하게 부착된 건설 기계에 있어서, 상기 붐, 아암, 버킷을 개별 구동하는 붐 실린더, 아암 실린더, 버킷 실린더와, 상기 붐 실린더의 유압원으로서의 제1 펌프와, 상기 아암 실린더 및 버킷 실린더의 유압원으로서의 제2 펌프와, 이 제2 펌프와 상기 아암 실린더 및 버킷 실린더 사이에 설치된 제어 밸브와, 상기 제1 펌프를 구동하는 제1 전동기와, 상기 제2 펌프를 구동하는 제2 전동기를 구비하고, 상기 붐 실린더는 상기 제1 전동기의 회전 방향과 회전 속도에 의해 작동 방향과 작동 속도가 제어되고, 상기 아암 실린더 및 버킷 실린더는 상기 제2 전동기의 회전 속도와 상기 제어 밸브에 의해 작동 속도가 제어되는 동시에, 제어 밸브에 의해 작동 방향이 제어되도록 구성된 것이다.
이하의 실시 형태에서는, 본 발명이 적용되는 건설 기계로서 유압 쇼벨을 예로 들고 있다.
제1 실시 형태(도1 내지 도6 참조)
도1에 본 실시 형태에 관한 쇼벨 전체를 도시하고 있다.
도1에 있어서, 부호 1은 크롤러식의 하부 주행체이고, 이 하부 주행체(1) 상에 상부 선회체(2)가 선회 가능하게 탑재되고, 이 상부 선회체(2)의 전방부에 붐(3), 아암(4), 버킷(5), 붐 기복용의 붐 기복 실린더(6), 아암 작동용의 아암 실린더(7), 버킷 작동용의 버킷 실린더(8)로 이루어지는 굴삭 부속품(9)이 장착되어 있다.
상부 선회체(2)에는 동력원으로서의 엔진(10)과, 이 엔진(10)에 의해 구동되는 발전기(11)와, 배터리(12)와, 제1 및 제2 2대의 전동기(여기서는 한 쪽만을 도시함. 도2에서는 M1, M2라 표시)(13, 14)와, 이 양 전동기(13, 14)에 의해 각각 구동되는 제1 및 제2 유압 펌프(P1, P2라 표시)(15, 16)가 설치되어 있다.
부호 17은 선회용 유압 모터, 부호 18은 이 선회용 유압 모터의 회전력을 감속하여 상부 선회체(2)에 선회력으로서 전달하는 선회용 감속기, 부호 19는 복수의 제어 밸브를 구비한 제어 밸브 유닛이다.
또한, 하부 주행체(1)에는 주행 구동원으로서의 좌우 주행용 유압 모터(여기서는 한 쪽만 도시)(20, 21)가 설치되어 있다.
도2는 이 쇼벨의 구동계 및 제어계의 구성을 도시하고 있다.
엔진(10)의 출력은 증속 기구(22)를 거쳐서 발전기(11)에 전달되고, 이 발전기(11)에서 만들어진 전력이 발전기 제어기(23) 및 전동기 제어기(24, 25)를 거쳐서 제1 및 제2 전동기(13, 14)에 가해져 양 전동기(13, 14)가 회전하고, 제1 전동기(13)에 의해 제1 유압 펌프(15), 제2 전동기(14)에 의해 제2 유압 펌프(16)가 각각 구동된다.
또한, 상기 증속 기구(예를 들어 유성 기어 기구가 이용됨)(22)에 의해 발전기(11)를 엔진(10)보다도 고속으로 운전함으로써 발전기(11)의 소형화가 가능해진다.
또한, 발전기(11)로 만들어진 전력은 도3에 도시한 바와 같이, 작업시에 필요한 동력과의 관계에서 남은 만큼이 발전기 제어기(23)에 의해 직류로 변환되어 배터리(12)에 축적되고, 필요에 따라서 이 배터리(12)의 축전력이 전동기 전원으로서 이용된다.
이와 같이 배터리(12)의 축전력으로 동력을 보충하는 구성을 취함으로써, 종래의 엔진으로 유압 펌프를 구동하는 순유압 방식을 취하는 경우와 비교하여, 엔진을 소형화할 수 있는 동시에 엔진 부하를 평활화하여 소음 및 배기 가스를 소멸할 수 있다.
한편, 조작 장치로서 선회, 아암, 좌측 주행, 우측 주행, 붐, 버킷 각 레버(26, 27, 28, 29, 30, 31)가 설치되고, 이 각 레버(26 내지 31)의 조작에 의해, 도시하지 않은 조작량/전기 신호 변환 수단(예를 들어 포텐시오미터)으로부터 레버 조작량(조작 방향을 포함함. 이하 동일)에 따른 지령 신호가 제어기(32)를 향해 출력된다.
이 제어기(32)는 상기 지령 신호에 의거하여 각 작동기마다 설치된 제어 밸브[도2에서는 밸브 유닛(19)으로서 도시함]에 작동 신호를 출력하는 동시에, 제1 및 제2 양 전동기(13, 14)[전동기 제어기(24, 25)]에 회전수 지령 신호(a, b)를 보낸다.
이에 의해, 제어 밸브가 레버 조작량에 따라서 스트로크 작동하는 동시에, 전동기(13, 14)가 레버 조작량에 따른 회전수로 회전하여 펌프(15, 16)가 이 전동기 회전수에 비례한 유량을 토출한다.
즉, 레버 조작에 의해 제어 밸브와 전동기(13, 14)[펌프(15, 16)]가 동시에 제어되고, 이 동시 제어에 의해 각 작동기의 속도가 제어된다.
제1 유압 펌프(15)는 선회용 유압 모터(17), 아암 실린더(7), 좌측 주행용 유압 모터(20)의 압력유 공급원으로서 사용되고, 제2 유압 펌프(16)는 나머지 작동기[우측 주행용 유압 모터(21), 붐 실린더(6), 버킷 실린더(8)]의 압력유 공급원으로서 사용된다.
또한, 양 전동기(13, 14) 및 양 펌프(15, 16)는 각각 동일 용량의 것이 사용된다. 또한, 제1 유압 펌프(15)는 붐 실린더(6)를 증속시키기 위한 합류 오일의 공급원으로서도 사용되고, 제2 유압 펌프(16)는 아암 실린더(7)를 증속시키기 위한 합류 오일의 공급원으로서도 사용되는 것은 종래와 같다.
도4에는, 그 중 제1 유압 펌프(15)[제1 전동기(13)]계의 유압 회로를 예시하고 있다.
부호 33은 좌측 주행 모터용, 부호 34는 아암 실린더용, 부호 35는 선회 모터용, 부호 36은 붐 실린더 합류 증속용 각 제어 밸브이고, 이 각 제어 밸브(33, 34, 35, 36)가 각각 레버 조작량에 따른 스트로크로 작동하여 상기 각 작동기[선회용 유압 모터(17), 아암 실린더(7), 좌측 주행용 유압 모터(20)]의 작동이 제어된다. 부호 36은 릴리프 밸브, T는 탱크이다.
각 제어 밸브(33 내지 35)는 도5에 도시한 바와 같은 개구 면적 특성을 구비한 미터 인, 미터 아웃, 브리드 오프의 각 통로를 갖고, 레버 조작에 의한 이 제어 밸브(33 내지 35)의 스트로크 제어와 전동기(13, 14)[펌프(15, 16)]의 제어에 의해 도6에 도시한 바와 같은 유량 특성을 얻을 수 있다.
즉, 레버 중립(조작량 0)에서는 전동기 회전수는 0이고, A점에서 전동기 회전수가 급구배로(또는 스텝형으로) 급상승하여 스탠바이 회전수로 상승하고, 펌프 토출량이 스탠바이 유량(Qs)이 된다. 이 때 제어 밸브(33 내지 35)는 아직 스트로크 작동하고 있지 않으며, 펌프 토출유는 브리드 오프된다.
이와 같이, 제어 밸브(33 내지 35)의 스트로크 작동에 앞서서 스탠바이 유량(Qs)을 확보해 둠으로써, 복합 조작시 등의 조작성이 양호한 것이 된다.
그리고, 레버 조작량이 A점을 초과한 후, 레버 조작량에 따라서 전동기 회전수(펌프 유량) 및 제어 밸브(33 내지 35)의 스트로크가 증가하여, 이 밸브 스트로크(개방도)와 펌프 유량, 그에 작동기 부하 압력에 의해 작동기 유량이 결정된다.
B점은 펌프 유량을 브리드 오프 통로에서 교축하여 펌프 압력이 부하 압력이 된 점이고, 이 B점으로부터 작동기로 오일이 흐르기 시작한다.
한편, 전동기 토오크의 최대치를 제어함으로써, 유압 펌프(15)의 최고 토출 압력을 제한할 수 있다. 이렇게 하면, 지금까지의 릴리프 밸브에서의 릴리프 작용 대신에, 전동기 토오크의 제어에 의해 펌프 최고 압력을 제한하므로, 에너지가 절약된다.
또한, 도2에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 양 전동기(13, 14)와는 별도로 도시하지 않은 선회 및 주행용 파킹 브레이크 등을 구동하는 동시에 제어 밸브에 대해 파일럿 유압을 공급하기 위한 제어용 제3 전동기(38)(M3이라 표시) 및 제3 유압 펌프(39)(P3이라 표시)가 설치되어 있다.
이 제3 유압 펌프(39)에 의한 유압은 어큐뮬레이터(41)에 축적되어 사용되고, 이 어큐뮬레이터(41)의 축압이 종료되면, 이것이 압력 센서(42)에 의해 검출되고, 제어기(32)를 통해 제3 전동기(38)가 정지한다. 부호 40은 이 제3 전동기(38)용의 전동기 제어기이다.
이와 같은 구성으로 하면,
① 양 유압 펌프(15, 16)가 각각 가장 최적 유량으로 제어되므로, 펌프 효율이 양호한 동시에, 오일을 밸브로 짜 버리는 낭비를 억제할 수 있다.
② 레버 조작에 의해 제어 밸브(33 내지 36)와 전동기 회전수(펌프 토출량)가 동시에 제어되고, 이 동시에 의해 각 작동기에 대한 공급 유량, 즉 각 작동기의 작동/정지 및 작동 속도가 제어되므로, 유량의 낭비가 없어 에너지가 절약된다.
③ 하나의 전동기(13)로 복수의 작동기를 담당함으로써, 작동기마다 전동기를 설치하는 낭비가 없다.
④ 레버 조작에 의해서만 펌프 유량 제어와 각 작동기로의 유량 배분을 행할 수 있으므로, 조작이 간단해진다.
⑤ 레버 조작에 의해 제어 밸브(33 내지 36)와 전동기(13)를 제어하는 구성을 전제로 하고, 레버 조작되어 있지 않을 때는 제어 밸브(33 내지 36)가 중립이 되는 동시에 전동기(13)가 정지하므로, 불필요한 유량이 일체 없으며, 에너지 절약 효과가 보다 높은 것이 된다.
또한, 우측 주행 모터(21), 붐 실린더(6), 버킷 실린더(8)를 구동 및 제어하는 제2 유압 펌프(16)[제2 전동기(14)]계에 대해서도 상기 제1 유압 펌프계와 마찬가지로 구성되어, 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
제2 실시 형태(도7 참조)
이하의 제2 내지 제4 각 실시 형태에 있어서는 제1 실시 형태와의 차이점만을 설명한다.
제1 실시 형태에서는 각 제어 밸브(33 내지 36)에 브리드 오프 통로를 설치한 구성을 취한 데 반해, 제2 실시 형태에서는 각 제어 밸브(33 내지 36)에는 브리드 오프 통로를 설치하지 않고, 각 제어 밸브(33 내지 36)에 공용되는 독립된 브리드 오프 수단으로서의 브리드 오프 밸브(43)를 펌프 토출 회로에 설치하고, 레버 조작에 의거하는 제어기(32)로부터의 지령 신호(d)에 의해 이 브리드 오프 밸브(43)가 작동하여 제1 실시 형태의 경우와 동일한 밸브 특성을 발휘하도록 구성하고 있다.
이 구성에 따르면, 각 제어 밸브(33 내지 36)가 콤팩트해지고, 하이브리드화에 수반하는 기기 종류의 증가에 의한 기기 실장 공간의 감소를 보상할 수 있다.
제3 실시 형태(도8 및 도9 참조)
제3 실시 형태에서는 브리드 오프 수단을 각 제어 밸브(33 내지 36)에도, 또한 외부에도 일절 설치하지 않고, 레버 조작량에 따라서 전동기 회전수(펌프 토출량)를 제어하는 구성을 취하고 있다.
즉, 도9에 도시한 바와 같이 레버 중립에서는 전동기 회전수는 0이고, A점에서 전동기 회전수가 수직 상승하기 시작하여, 레버 조작량의 증가에 따라서 회전수가 연속하여 증가한다.
또한, 레버 조작량에 따라서 제어 밸브 스트로크가 제어되고, A점에서는 미터 인 개구가 개방되기 시작하여(혹은 조금 개방되어 있으며), 작동기에 오일이 흐르기 시작한다.
이렇게 하면, 브리드 오프 부분이 없어, 브리드 오프 유량으로서 짜 버리는 유량이 없는 만큼, 에너지 절약 면에서 더욱 유리해진다.
또한, 레버 조작량에 대한 전동기 회전수(펌프 토출량)의 특성을 도시하지 않은 특성 절환 수단에 의해, 도9에 도시한 바와 같이 통상 모드와, 이 통상 모드보다도 전동기 회전수 변화의 정도가 작은 미조작 모드 사이에서 절환하도록 해도 좋다.
또한, 레버 조작량이 작은 범위에서는 전동기 토오크를 최대치보다도 작게 하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 작동기 정지시에, 전동기(13)와 제어 밸브(33 내지 36)의 동특성의 약간의 차이에 의해 전동기(13)의 정지 쪽이 지연되면 펌프 토출유가 갈 곳이 없어져 릴리프 밸브(37)가 작동하고, 회로에 고압이 발생하여 조작성이나 기기 강도의 면에서 문제가 생긴다. 이에 대해, 상기와 같이 레버 조작량이 작은 범위에서 전동기 토오크를 최대치보다도 작게 억제함으로써, 유압 회로의 이상 고압 발생을 억제할 수 있다.
제4 실시 형태(도10 및 도11 참조)
제4 실시 형태에서는 선회용 작동기로서 유압 모터 대신에 전동기(제4 전동기 ＝ 도10에서는 M4라 표시)(44)를 이용하고,
(가) 이 제4 전동기(44)를 전동기 제어기(45)를 통해 레버 조작에 의거하는 제어기(32)로부터의 회전수 지령 신호(e)에 의해 제어하고,
(나) 상기 전동기(44)를 선회 제동시에는 발전기로서 작용시키는 구성을 취하고 있다.
상기 (가)의 제어에 관하여 회전수 제어로 할 수도 있고, 전류 제어를 거친 토오크 제어로 할 수도 있고, 혹은 속도와 토오크의 복합적인 제어도 가능하므로, 관성이 큰 쇼벨의 선회 동작 제어에 적합하다.
또한, 상기 (나)의 제어에 의해 회생 브레이크가 작용하고, 회생 작용에 의해 얻게 된 전력은 배터리(12)에 축적되거나, 혹은 다른 작동기의 대부하시의 전동기 구동력으로서 이용된다.
이렇게 하면, 선회 운동 에너지가 종래와 같이 브레이크 밸브로부터 릴리프하여 버려지는 것은 아니며, 전기 에너지로서 회생되므로 에너지 절약이 되는 동시에, 유압계의 온도 상승을 방지할 수 있다. 또한, 선회 동작을 다른 작동기 동작과 독립하여 제어할 수 있으므로 복합 조작시의 조작성이 양호해진다.
그런데, 상기 실시 형태에서는 제어기(32)로부터의 전기 신호에 의해 제어 밸브(33 내지 36)를 제어하는 구성을 취하였지만, 제어기(32)로부터의 신호에 의해 전자 비례식 감압 밸브(리모콘 밸브)를 제어하고, 이 리모콘 밸브의 이차압에 의해 제어 밸브를 제어하는 구성을 취해도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는 본 발명의 적합한 예인 쇼벨을 적용 대상으로서 예를 들었지만, 상기한 발명은 크레인을 포함하여 복수의 유압 작동기를 구비한 건설 기계에 널리 적용할 수 있다.
제5 실시 형태(도12 내지 도14 참조)
본 제5 실시 형태에 있어서는 그 특징점이 상기한 제1 내지 제4 각 실시 형태와 다르므로, 이들 실시 형태와 구별하여 내용을 이해하기 쉽게 하기 위해 제1 내지 제4 각 실시 형태와 동일 부분에 대해서도 전혀 다른 부호를 붙여 도시하고 설명한다.
쇼벨의 상부 선회체에 장착된 굴삭 부속품에, 붐 기복용의 붐 실린더(106), 아암 작동용의 아암 실린더(107), 버킷 작동용의 버킷 실린더(108)가 설치되어 있다.
또한, 상부 선회체에는 동력원으로서의 엔진(110)과, 이 엔진(110)에 의해 구동되는 발전기(111)와, 배터리(112)와, 붐용, 아암ㆍ우측 주행용, 버킷ㆍ좌측 주행용 각 전동기(113, 114, 115), 그에 선회용 전동기(116)와, 이 선회용 전동기(116)를 제외한 각 전동기(113, 114, 115)에 의해 구동되는 붐용, 아암ㆍ우측 주행용, 버킷ㆍ좌측 주행용의 각 펌프(117, 118, 119)가 설치되어 있다.
한편, 선회용 전동기(116)의 회전력은 감속기(120)에 의해 감속되어 도시하지 않은 선회 기구(선회 기어)에 직접, 선회력으로서 전달된다.
또한, 하부 주행체에는 주행 구동원으로서의 우측 주행용 및 좌측 주행용 양 유압 모터(주행 모터)(121, 122)가 설치되어 있다.
도12는 이 쇼벨의 구동계 및 제어계의 구성을 도시하고 있다.
도12에 도시한 바와 같이, 엔진(110)의 출력은 발전기(111)에 전달되고, 이 발전기(111)에서 만들어진 전력이 발전기용 제어기(123) 및 전동기 제어용 제어기(124a, 124b, 124c, 124d)를 거쳐서 각 전동기(113, 114, 115, 116)에 더해져 이들이 회전하고, 이에 의해 각 펌프(117, 118, 119, 120)가 구동된다.
또한, 발전기(111)로 만들어진 전력 중, 작업시에 필요한 동력과의 관계에서 남은 만큼은 배터리(112)에 축적되고, 필요에 따라서 이 배터리(112)의 축전력이 전동기 전원으로서 이용된다.
이와 같이, 배터리(112)의 축전력으로 동력을 보충하는 구성을 취함으로써 엔진으로 유압 펌프를 구동하는 순유압식을 취하는 경우와 비교하여, 엔진을 소형화할 수 있는 동시에, 엔진 부하를 평활화하여 소음 및 배기 가스를 삭감할 수 있다.
한편, 조작 장치로서 붐, 우측 주행, 아암, 버킷, 좌측 주행, 선회 각 레버(125, 126, 127, 128, 129, 130)가 설치되고, 이 각 레버(125 내지 130)의 조작에 의해, 도시하지 않은 신호 변환기(예를 들어, 포텐시오미터)로부터 레버 조작량 및 조작 방향에 따른 조작 신호(f1, f2, f3, f4, f5, f6)가 제어기(131)를 향해 출력된다.
이 제어기(131)는 상기 조작 신호에 의거하여 우측 주행 모터용, 아암 실린더용, 버킷 실린더용, 좌측 주행용 각 제어 밸브(132, 133, 134, 135)에 밸브 작동 신호(g1, g2, g3, g4)를 출력하는 동시에, 각 전동기(113 내지 116)[제어기(124…)]에 회전수 지령 신호(h1, h2, h3, h4)를 출력한다.
이에 의해, 제어 밸브(132 내지 135)가 레버 조작 방향에 따른 방향으로 레버 조작량에 따른 스트로크로 절환 작동하는 동시에, 전동기(113 내지 116)가 레버 조작량에 따른 회전수로 회전한다.
여기서, 아암ㆍ우측 주행용 펌프(118) 및 버킷 좌측 주행용 펌프(119)(제2 펌프)를 구동하는 아암ㆍ우측 주행용 전동기(114) 및 버킷ㆍ좌측 주행용 전동기(115)(제2 전동기)는 레버 조작 방향에 관계없이 항상 일정 방향으로 회전한다. 이에 대해, 붐용 펌프(117)(제1 펌프)를 구동하는 붐용 전동기(113)(제1 전동기)는 레버 조작 방향에 따라서 회전 방향이 변화하도록 구성되어 있다.
한편, 붐용 펌프(117)에는 도13에도 도시한 바와 같이 오일의 토출 방향이 전동기(113)의 회전 방향에 의해 변화하는 양 방향 토출 펌프가 이용되고, 이 펌프(117)의 회전 방향(오일 토출 방향)과 회전수(오일 토출량)에 의해 붐 실린더(106)의 신축 작동 방향과 작동 속도가 변화하도록 붐용 펌프(117)의 한 쪽 포트가 붐 실린더(106)의 헤드측 관로(137)에, 다른 쪽 포트가 상기 로드측 관로(138)에 각각 접속되어 붐 실린더 회로가 구성되어 있다.
또한, 도13 중, 부호 136은 붐용 펌프(117)에 탠덤하게 접속된 부붐용 펌프이고, 이 부붐용 펌프(136)의 한 쪽 포트는 붐 실린더(106)의 헤드측 관로(137)에, 다른 쪽 포트는 탱크(T)에 각각 접속되어 있다.
붐 실린더(106)의 헤드측 및 로드측 양 오일실(106a, 106b)은 피스톤 로드만큼의 단면적 차가 있으므로[로드측 오일실(106b) 쪽이 헤드측 오일실(106a)보다도 작음], 실린더(106)의 신축에 대해 헤드측과 로드측에서 유량차가 생긴다.
이 경우, 이 붐 실린더 회로에 있어서는 실린더 신장시에 부붐용 펌프(136)로부터의 압력유가 붐용 펌프(117)로부터의 압력유에 합류하여 헤드측 오일실(106a)에 공급됨으로써 상기 유량차가 해소된다.
부호 139, 부호 140은 양측 관로(137, 138)에 설치한 파일럿 체크 밸브 등의 정지 보유 지지 밸브이다(파일럿 회로에 대해서는 기재를 생략함).
한편, 다른 펌프(118, 119)에는 토출 방향이 일정한 일방향 토출 펌프가 이용되고, 상기 펌프(118, 119)로 구동되는 각 작동기[우측 주행 모터(121), 아암 실린더(107), 버킷 실린더(108), 좌측 주행 모터(122)]에 대해서는 전동기(114, 115)의 회전수와 제어 밸브(132, 133, 134, 135)의 개방도에 의해 작동 속도가 변화하고, 제어 밸브(132 내지 135)의 절환 방향에 의해 작동 방향이 변화하도록 회로가 구성되어 있다.
이 붐 실린더 회로 이외의 작동기 회로의 구체예를 도14에 나타내고 있다.
이 회로에 있어서는, 기본적으로는 도14에 도시한 바와 같이 아암ㆍ우측 주행용 펌프(118)로부터의 오일에 의해 도면 우측의 우측 주행 모터(121)와 아암 실린더(107)가 구동되어, 버킷ㆍ좌측 주행용 펌프(119)로부터의 오일에 의해 도면 좌측의 좌측 주행 모터(122)와 버킷 실린더(108)가 구동된다.
도면 우측의 아암계 및 도면 좌측의 버킷계에 있어서는 각각 주행용 제어 밸브(132, 135)와 아암용, 버킷용 제어 밸브(133, 134)가 탠덤하게 접속되고, 또한 각각의 바이패스 통로를 관통하여 바이패스 라인(141, 142)이 설치되는 동시에, 이 바이패스 라인(141, 142)에 있어서의 주행용 제어 밸브(132, 135)의 하류측에 오일 공급 라인(143, 144)이 접속되어 있다.
또한, 양 펌프(118, 119)와 양 주행용 제어 밸브(132, 135) 사이에 주행 직진 밸브(145)가 설치되고, 예를 들어 주행하면서 아암을 압박하고 당기는 등의 복합 조작이 행해질 때에, 이 주행 직진 밸브(145)가 도시한 통상 위치로부터 직진 위치구로 절환한다. 이에 의해, 버킷ㆍ좌측 주행용 펌프(119)로부터의 오일이 오일 공급 라인(143, 144)을 거쳐서 아암, 버킷 양 실린더(107, 108)를 향해 흐르는 한 편, 아암ㆍ우측 주행용 펌프(118)로부터의 오일이 양 주행용 제어 밸브(132, 135)를 거쳐서 양 주행 모터(121, 122)에 나란히 흐르므로, 주행 직진성이 유지된다.
한편, 상부 선회체의 선회 동작에 대해서는 선회용 전동기(116)의 회전 방향에 의해 선회 방향이 제어되고, 상기 전동기(116)의 회전수에 의해 선회 속도가 제어된다. 이로 인해, 선회계에 대해 유압 설비가 일체 불필요해져 에너지의 전달 효율이 양호해지는 동시에, 선회 감속시의 관성력을 제어기(124), 발전기용 제어기(123) 경유로 배터리(112)에 전력으로서 회수할 수 있다.
이 쇼벨에 있어서는, 상기와 같이
(가) 붐 실린더(106)에 대해서는 붐용 전동기(113)[붐용 펌프(117)]의 회전 방향에 의해 신축 작동 방향, 상기 전동기(113)[상기 펌프(117)]의 회전수에 의해 작동 속도를 각각 제어하고,
(나) 우측 주행 모터(121), 아암 실린더(107), 버킷 실린더(108), 좌측 주행 모터(122)에 대해서는 각각의 제어 밸브(132, 133, 134, 135)의 작동 방향에 의해 작동 방향, 상기 밸브(132 내지 135)의 개방도와 전동기(114, 115, 116)의 회전수에 의해 작동 속도를 각각 제어하는 구성으로 하고 있다.
이렇게 하면,
① 굴삭시에 상대적으로 저압측이 되는 붐 실린더(106)와, 고압측이 되는 버킷 실린더(108), 혹은 아암 실린더(107)를 각각의 펌프(117, 118, 119)로 구동하므로, 이들의 복합 조작시에 고압의 펌프 토출유를 강압하여 붐 실린더(106)에 공급하는 등의 압력 손실이 없어져 에너지가 절약된다.
게다가, 아암 실린더(7)와 버킷 실린더(8)도 다른 펌프(118, 119)로 구동하므로, 이들 사이의 압력 간섭도 없어짐으로써 보다 에너지가 절약된다.
② 부속품 자중에 의한 큰 중력이 작용하는 붐 실린더(106)는 다른 작동기와 달리, 제어 밸브 없이 펌프(117)에 직결하고 있으므로, 붐 하강시의 부속품의 위치 에너지를 펌프(117), 전기(113), 제어기(124), 발전기용 제어기(123)를 통해 배터리(112)에 회생 전력으로서 회수할 수 있다.
③ 아암 실린더(107) 및 버킷 실린더(108)에 대해서는 제어 밸브(133, 134)로 작동 방향을 제어하므로, 오물 제거나 미조작 작업 등의 작은 규모의 움직임이 필요한 작업시에 높은 응답성을 확보할 수 있다.
④ 아암ㆍ우측 주행용 펌프(118)와 버킷ㆍ좌측 주행용 펌프(119)를 각각의 전동기(114, 115)로 구동하므로, 아암 실린더(107)와 버킷 실린더(108)를 완전히 독립하여 조작할 수 있다. 이로 인해, 복합 조작시의 조작성이 양호해지는 동시에, 속도 제어를 독립하여 행함으로써 에너지 손실이 없어진다.
제5 실시 형태에 대한 변형예
(1) 버킷 실린더용 제어 밸브(134)의 하류에 아암 합류용 제어 밸브를 탠덤 회로로 접속하고, 버킷 실린더(108)를 사용하고 있지 않을 때에 아암 실린더(107)의 유량을 늘려 속도를 증가시킬 수 있도록 해도 좋다. 또한, 탠덤 회로이기 때문에, 버킷 실린더용 제어 밸브(134)를 절환하면, 아암 합류용 제어 밸브에는 오일이 흐르지 않아, 버킷 실린더(108)와 아암 실린더(107)는 대략 독립하여 사용 가능해진다.
또한, 버킷 실린더용 제어 밸브(134)와 병렬 회로에서 아암 합류용 제어 밸브를 접속하고, 버킷 실린더용 제어 밸브(134)의 조작 신호로 아암 합류용 제어 밸브의 절환 신호를 저하시킴으로써, 상기와 같은 작용을 행하게 할 수 있다.
(2) 아암 실린더(107)와 버킷 실린더(108)를 하나의 펌프로 구동하는 구성으로 해도 좋다.
(3) 선회 구동 수단으로서, 전동기로 펌프를 구동하여 선회용 유압 모터를 회전시키는 구성을 취해도 좋다.
(4) 상기 실시 형태에서는, 전원으로서 엔진(110)으로 구동되는 발전기(111)와 배터리(112)를 이용하는 구성을 취하였지만, 배터리만을 전원으로 해도 좋다. 이렇게 하면, 엔진(110)이 불필요해짐으로써 엔진 소음, 연비 문제가 없어진다. 또한, 상기와 같이 쇼벨 전체적으로 에너지 절약 구성을 취하고 있으므로, 배터리의 소지가 양호하고, 일회의 충전으로 연속 사용할 수 있는 시간이 길어진다.
(5) 각 조작 레버는 전기 신호를 출력하는 대신에, 유압 리모콘 밸브로서 리모콘 압력을 센서로 검출하여 전기 신호로 변환하는 것도 가능하고, 전기 출력의 조작 레버와 유압 리모콘 밸브를 병용하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 복수의 유압 펌프를 각각의 전동기에 의해 구동하고, 제어 수단에 의해 이 각 전동기의 회전수를 개별 제어하여 각 유압 펌프의 토출량을 제어하는 구성으로 하였으므로, 펌프 효율이 양호한 동시에 오일을 밸브로 짜 버리는 낭비를 억제할 수 있다.
또한, 제어 밸브를 조작하는 조작 장치의 조작에 의해 동시에 전동기의 회전수(펌프 토출량)를 제어하고, 이 제어 밸브와 펌프 토출량의 두개의 제어에 의해 각 작동기에 대한 공급 유량, 즉 각 작동기의 작동/정지 및 작동 속도를 제어하는 구성으로 하였으므로, 유량의 낭비가 없어 에너지 절약이 되는 동시에, 하나의 전동기로 복수의 작동기를 담당할 수 있어 작동기마다 전동기를 설치하는 낭비가 없다.
또한, 조작 장치의 조작에 의해서만 펌프 유량 제어와 각 작동기로의 유량 배분을 행할 수 있으므로 조작이 간단해진다.
한편, 본 발명에 따르면 굴삭시에 상대적으로 저압측이 되는 붐 실린더와 고압측이 되는 아암 실린더 및 버킷 실린더를 각각의 펌프로 구동하는 구성으로 하였으므로, 이들의 복합 조작시에 고압의 펌프 토출유를 강압하여 붐 실린더에 공급하는 등의 압력 손실이 없어져 에너지가 절약된다.
특히, 아암 실린더와 버킷 실린더도 별도의 펌프로 구동하는 구성을 취함으로써, 이들 사이의 압력 간섭도 없어지게 되어, 보다 에너지가 절약된다.
또한, 부속품 자중에 의한 큰 중력이 작용하는 붐 실린더는 제어 밸브 없이 펌프에 직결하고 있으므로, 붐 하강시의 부속품의 위치 에너지를 펌프, 전동기를 통해 동력으로서 회생할 수 있다.
한편, 아암 실린더 및 버킷 실린더에 대해서는 제어 밸브로 작동 방향을 제어하므로, 오물 제거나 미조작 작업 등의 작은 규모의 움직임을 필요로 하는 작업시에 높은 응답성을 확보할 수 있다.

Claims (19)

  1. 하이브리드 건설 기계이며,
    엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되도록 연결된 발전기와,
    상기 발전기로부터의 잉여 전력을 저장하도록 연결된 배터리와,
    상기 발전기로부터 전력을 수용하도록 연결된 분리된 전기 모터에 의해 작동되고 복수의 유압 작동기를 작동시키기 위한 복수의 유압 펌프를 포함하고,
    상기 전기 모터 각각의 회전수가 제어기에 의해 제어됨으로써, 상기 유압 펌프 각각의 토출량이 제어되는 하이브리드 건설 기계.
  2. 하이브리드 건설 기계이며,
    엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되도록 연결된 발전기와,
    상기 발전기로부터 잉여 전력을 저장하도록 연결된 배터리와,
    유압 작동기와,
    상기 유압 작동기를 작동시키도록 구성된 유압 펌프와,
    상기 발전기로부터 전력을 수용하도록 연결되고 상기 유압 펌프를 작동시키도록 구성된 전기 모터와,
    상기 유압 펌프와 상기 유압 작동기 사이에 배치되어 상기 유압 작동기에 대한 압력유의 급배를 제어하는 제어 밸브와,
    외부 조작에 의해 상기 제어 밸브에 작동 지령을 내도록 구성된 조작 수단과,
    상기 조작 수단의 조작에 따라 상기 제어 밸브 각각의 작동 스트로크 및 상기 전기 모터의 회전수를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 하이브리드 건설 기계.
  3. 하이브리드 건설 기계이며,
    엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되도록 연결된 발전기와,
    상기 발전기로부터 잉여 전력을 저장하도록 연결된 배터리와,
    유압 작동기와,
    상기 유압 작동기를 개별적으로 작동시키도록 구성된 유압 펌프와,
    상기 발전기로부터 전력을 수용하도록 연결되고 상기 유압 펌프를 개별적으로 작동시키도록 구성된 전기 모터와,
    상기 유압 펌프와 상기 유압 작동기 사이에 배치되어 상기 유압 작동기에 대한 압력유의 급배를 제어하는 제어 밸브와,
    외부 조작에 의해 상기 제어 밸브에 작동 지령을 내도록 구성된 조작 수단과,
    상기 조작 수단의 조작에 따라 상기 제어 밸브 각각의 작동 스트로크 및 상기 전기 모터 각각의 회전수를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는 하이브리드 건설 기계.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 조작 수단이 조작량에 있어 0의 값을 가지는 경우, 상기 제어 밸브는 중립 위치에 놓여지고, 상기 전기 모터 각각은 정지된 위치에 놓여지며, 상기 조작 수단의 조작량을 증가시킴으로써, 상기 제어 밸브 각각의 작동 스트로크 및 상기 전기 모터 각각의 회전수가 증가하는 하이브리드 건설 기계.
  5. 제4항에 있어서, 상기 조작 수단이 0 상태로부터 일정량 조작된 경우, 상기 전기 모터 각각의 회전수는 0으로부터 스탠바이 회전수로 증가하여 스탠바이 유량을 확보하는 하이브리드 건설 기계.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 조작 수단의 작은 조작량 범위에 있어서는 모터 토오크는 그 최대값보다 작게되는 하이브리드 건설 기계.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 조작 수단의 조작량에 대한 모터 회전수 특성은 통상 모드와 상기 통상 모드보다 모터 회전수의 변화 정도가 작은 미조작 모드 사이에서 절환될 수 있는 하이브리드 건설 기계.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 펌프 토출유를 브리드 오프하도록 구성된 브리드 오프 수단이 상기 제어 밸브와는 별도로 제어 밸브에 의해 공용되는 공용 상태로 제공되는 하이브리드 건설 기계.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 유량은 전기 모터 회전수 제어에 기초하여 유압 펌프 토출량 제어에 의해서만 제어되어서 브리드 오프 유량이 0이 되도록 하는 하이브리드 건설 기계.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 유압 펌프의 최대 토출 압력은 모터 토오크의 최대값을 제어함으로써 제한되는 하이브리드 건설 기계.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 건설 기계의 본체는 하부 주행체 및 상기 하부 주행체 상에 회전 가능하게 장착되는 상부 선회체를 포함하고, 상기 상부 선회체를 회전시키기 위한 선회용 전기 모터는 상기 유압 작동기를 제외한 작동기로서 사용되는 하이브리드 건설 기계.
  12. 제2항 또는 제3항에 있어서, 건설 기계의 본체는 하부 주행체 및 상기 하부 주행체 상에 회전 가능하게 장착되는 상부 선회체를 포함하고, 굴삭 부속품이 상기 상부 선회체 내에 제공되는 하이브리드 건설 기계.
  13. 상부 선회체가 하부 주행체 상에 장착되어 그 수직 축을 중심으로 회전 가능하고 붐, 상기 붐의 선단부에 고정된 아암, 상기 아암의 선단부에 고정된 버켓을 포함한 작업 부속품이 기복 가능하게 상기 상부 선회체에 장착된 하이브리드 건설 기계이며,
    엔진과,
    상기 엔진에 의해 구동되도록 연결된 발전기와,
    상기 발전기로부터 잉여 전력을 저장하도록 연결된 배터리와,
    붐 실린더와,
    아암 실린더와,
    버켓 실린더와,
    상기 붐 실린더용의 유압원으로서 기능하는 제1 펌프와,
    상기 아암 실린더 및 상기 버켓 실린더용 유압원으로서 기능하는 제2 펌프와,
    상기 제2 펌프와 상기 아암 및 버켓 실린더 사이에 배치되는 제어 밸브와,
    상기 제1 펌프를 가동시키는 제1 전기 모터와,
    상기 제2 펌프를 가동시키는 제2 전기 모터를 포함하고,
    상기 붐 실린더, 상기 아암 실린더 및 상기 버켓 실린더는 별도의 방식으로 개별적으로 상기 붐, 상기 아암 및 상기 버켓을 작동시키도록 구성되고,
    상기 제1 및 제2 전기 모터는 상기 발전기로부터 전력을 수용하도록 연결되고, 상기 붐 실린더는 상기 제1 전기 모터의 회전 방향 및 속도에 의해 그 작동 방향 및 속도가 제어되고, 상기 아암 실린더 및 상기 버켓 실린더는 상기 제2 전기 모터의 회전 속도 및 상기 제어 밸브에 의해 그 작동 속도가 제어되고 상기 제어 밸브에 의해 그 작동 방향이 제어되는 하이브리드 건설 기계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 펌프로서 상기 아암 실린더를 작동시키기 위한 아암 펌프 및 상기 버켓 실린더를 작동시키기 위한 버켓 펌프가 개별적으로 제공되는 하이브리드 건설 기계.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 전기 모터는 상기 아암 펌프를 작동시키기 위한 아암 전기 모터 및 상기 버켓 펌프를 작동시키기 위한 버켓 전기 모터를 포함하는 하이브리드 건설 기계.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 하부 주행체는 좌우 크롤러를 포함하고, 분리된 유압 주행 모터에 의해 구동되는 구동원으로서 유압 모터가 사용되고, 모터의 회전 방향을 제어하는 제어 밸브를 통해 상기 주행 모터 중 하나는 상기 아암 펌프에 연결되고 다른 주행 모터는 상기 버켓 펌프에 개별적으로 연결되는 하이브리드 건설 기계.
  17. 제13항에 있어서, 전기 모터는 상기 상부 선회체의 구동원으로서 사용되고 상기 전기 모터의 회전력은 감속 기구에 의해 감속된 이후에 회전 기구로 전달되는 하이브리드 건설 기계.
  18. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배터리는 상기 전기 모터로부터 재생된 전력을 저장하도록 연결되는 하이브리드 건설 기계.
  19. 삭제
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