KR101735232B1

KR101735232B1 - 작업 기계

Info

Publication number: KR101735232B1
Application number: KR1020157021065A
Authority: KR
Inventors: 신야 이무라; 고우지 이시카와; 히데토시 사타케; 신지 니시카와; 도모아키 가네타; 시호 이즈미
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2017-05-12
Also published as: CN104981572A; US9822803B2; EP3040483A1; CN104981572B; KR20150103725A; WO2015030143A1; EP3040483B1; US20160003266A1; EP3040483A4; JP2015048626A; JP5992886B2

Abstract

본 발명은 선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 작업 기계에 있어서, 선회 조작량이 작을 때 등, 유압 모터에 의한 선회의 효율이 악화되는 영역에서의 연비를 저감할 수 있는 작업 기계를 제공하는 것이다. 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체 구동용 전동 모터와, 상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용 유압 모터와, 상기 선회체의 구동을 명령하는 선회용 조작 레버 장치를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 조작 레버 장치의 조작량 및/또는 상기 선회체의 선회 속도에 기초하여, 상기 전동 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 전동 선회 모드와, 상기 유압 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 유압 선회 모드 중 어느 하나로 제어하는 제어 장치를 구비했다.

Description

작업 기계 {WORKING MACHINE}

본 발명은 작업 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유압 셔블 등의 선회체를 갖는 작업 기계에 관한 것이다.

선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 하이브리드식 건설 기계(작업 기계)에 있어서, 선회체와 다른 액추에이터의 복합 동작 시에, 전동 모터의 작동 상황에 관계없이, 그 복합 동작의 조작성을 확보할 수 있는 하이브리드식 건설 기계(작업 기계)가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 출원 공개 제2011-241653호 공보

상술한 종래 기술에 의하면, 선회용 유압 모터와 전동 모터의 합계 토크에 의해 선회체를 구동하므로, 선회체의 감속 시에 있어서의 운동 에너지를, 전동 모터에 의해 회생할 수 있다. 따라서, 선회체를 유압 모터만으로 구동하는 건설 기계(작업 기계)에 비해, 에너지 절약화가 도모된다.

상술한 종래 기술에 있어서, 선회체는 항상 발생하는 유압 모터의 토크와, 필요에 따라 부가되는 전동 모터의 토크로 구동되지만, 오퍼레이터의 선회 조작량이 작을 때나 선회체의 선회 속도가 낮을 때는, 이하에 서술하는 이유에 의해, 엔진 출력으로부터 유압 모터 출력까지의 효율이 악화되어, 작업 기계 전체적으로 충분히 연비를 저감할 수 없다는 과제가 있었다.

상술한 종래 기술에 있어서는, 그 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 유압 펌프로부터의 압유는 중립 위치 B로부터 A 위치(예를 들어, 우측 선회 위치) 또는 C 위치(예를 들어, 좌측 선회 위치)로 연속적으로 전환되는 선회용 제어 밸브에 의해, 선회용 유압 모터로 전환 공급된다. 또한, 선회용 제어 밸브는 중립 위치 B에 있을 때, 유압 펌프로부터의 압유가 센터 바이패스 커트 밸브(블리드 오프 오리피스)를 통해 탱크로 복귀되도록 배관 접속되어 있다.

예를 들어, 선회 조작 레버가 중립 상태인 경우는, 선회용 제어 밸브의 스풀은 중립 위치에 있고, 유압 펌프로부터 토출된 작동유는 센터 바이패스 커트 밸브의 블리드 오프 오리피스를 통해 전량 탱크로 복귀된다. 한편, 선회 조작 레버가 좌측 선회를 행하도록 조작된 경우는, 선회용 제어 밸브의 스풀은 A 위치로 전환된다. 이에 의해, 센터 바이패스 커트 밸브의 블리드 오프 오리피스의 개구 면적이 감소하고, 선회용 제어 밸브의 미터 인 오리피스, 미터 아웃 오리피스의 개구 면적이 증가하므로, 유압 펌프로부터 토출된 작동유는 이 A 위치의 미터 인 오리피스를 통해 선회 유압 모터의 A 포트로 보내지고, 선회 유압 모터로부터의 복귀유는 A 위치의 미터 아웃 오리피스를 통해 탱크로 복귀된다. 이와 같은 작동유의 제어를 행함으로써, 선회 유압 모터는 좌측 방향으로 회전한다.

우측 선회의 조작이 행해진 경우는, 선회용 제어 밸브의 스풀이 C 위치로 전환되고, 동일한 동작으로부터 선회 유압 모터를 우측 방향으로 회전시킨다.

그런데, 선회 조작량이 중립과 최대 조작량 사이일 때는, 선회용 제어 밸브의 스풀은 중립 위치 B와 A 위치의 중간 또는 중립 위치 B와 C 위치의 중간에 위치하고 있다. 이때, 유압 펌프가 토출한 작동유는 센터 바이패스 커트 밸브의 블리드 오프 오리피스와 선회용 제어 밸브의 미터 인 오리피스로 분배되지만, 선회 조작량이 작을수록, 센터 바이패스 커트 밸브의 블리드 오프 오리피스의 개구 면적이 넓고, 선회용 제어 밸브의 미터 인 오리피스와 미터 아웃 오리피스의 개구 면적은 좁아진다.

따라서, 선회 조작량이 작을수록, 유압 펌프로부터 토출된 작동유 중, 선회 유압 모터를 통하지 않고 탱크로 유출되는 비율이 높아지고, 또한 선회용 제어 밸브의 미터 인 오리피스나 미터 아웃 오리피스를 통과할 때의 저항도 커지므로, 에너지 손실이 많아진다.

또한, 선회체의 선회 속도가 낮은 상태일 때에, 선회 조작량을 크게 했다고 해도, 선회 유압 모터의 포트에 유입될 수 있는 작동유의 유량은 한정된다. 이로 인해, 유압 펌프로부터 토출된 작동유는 선회 유압 모터를 통하지 않고 탱크로 유출되는 비율이 높아져, 에너지 손실이 많아진다는 과제가 있다.

본 발명은 상술한 사항에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 작업 기계에 있어서, 선회 조작량이 작을 때 등, 유압 모터에 의한 선회의 효율이 악화되는 영역에서의 연비를 저감할 수 있는 작업 기계를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 제1 발명은 엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체 구동용 전동 모터와, 상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용 유압 모터와, 상기 선회체의 구동을 명령하는 선회용 조작 레버 장치를 구비한 작업 기계에 있어서, 상기 조작 레버 장치의 조작량 및/또는 상기 선회체의 선회 속도에 기초하여, 상기 전동 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 전동 선회 모드와, 상기 유압 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 유압 선회 모드 중 어느 하나로 제어하는 제어 장치를 구비한 것으로 한다.

본 발명에 따르면, 선회체의 구동에 유압 모터와 전동 모터를 사용한 작업 기계에 있어서, 선회 조작량이 작을 때 등, 유압 모터에 의한 선회의 효율이 악화되는 영역에서의 연비를 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 4는 본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 6은 본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.
도 7은 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.

이하, 작업 기계로서 유압 셔블을 예로 들어 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 선회체를 구비한 작업 기계 전반에 적용이 가능하고, 본 발명의 적용은 유압 셔블로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 선회체를 구비한 크레인차 등, 그 밖의 건설 기계에도 적용 가능하다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 도시하는 측면도, 도 2는 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 구성하는 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성도, 도 3은 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다.

도 1에 있어서, 유압 셔블은 주행체(10)와, 주행체(10) 상에 선회 가능하게 설치한 선회체(20) 및 선회체(20)에 장착설치한 셔블 기구(프론트 장치)(30)를 구비하고 있다.

주행체(10)는 한 쌍의 크롤러(11a, 11b) 및 크롤러 프레임(12a, 12b)(도 1에서는 편측만을 도시함), 각 크롤러(11a, 11b)를 독립하여 구동 제어하는 한 쌍의 주행용 유압 모터(13a, 13b) 및 그 감속 기구 등으로 구성되어 있다.

선회체(20)는 선회 프레임(21)과, 선회 프레임(21) 상에 설치된, 원동기로서의 엔진(22)과, 엔진에 의해 구동되는 어시스트 발전 모터(23)와, 선회용 전동 모터(25) 및 선회용 유압 모터(27)와, 어시스트 발전 모터(23) 및 선회용 전동 모터(25)에 접속되는 전기 이중상 캐패시터(24)와, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 회전을 감속하는 감속 기구(26) 등으로 구성되고, 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 구동력이 감속 기구(26)를 통해 전달되고, 그 구동력에 의해 주행체(10)에 대해 선회체(20)[선회 프레임(21)]를 선회 구동시킨다.

또한, 선회체(20)에는 셔블 기구(30)가 탑재되어 있다. 셔블 기구(30)는 붐(31)과, 붐(31)을 구동하기 위한 붐 실린더(32)와, 붐(31)의 선단부 근방에 회전 가능하게 축지지된 아암(33)과, 아암(33)을 구동하기 위한 아암 실린더(34)와, 아암(33)의 선단에 회전 가능하게 축지지된 버킷(35)과, 버킷(35)을 구동하기 위한 버킷 실린더(36) 등으로 구성되어 있다.

또한, 선회체(20)의 선회 프레임(21) 상에는 상술한 주행용 유압 모터(13a, 13b), 선회용 유압 모터(27), 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 등의 유압 액추에이터를 구동하기 위한 유압 시스템(40)이 탑재되어 있다. 유압 시스템(40)은 가변 용량형의 유압 펌프(41)(도 2 참조)와, 유압 펌프(41)의 틸팅각을 변경함으로써 용량을 변경하는 레귤레이터(42)(도 2 참조)와, 각 액추에이터를 구동 제어하기 위한 컨트롤 밸브(43)(도 2 참조)를 포함한다. 유압 펌프(41)는 엔진(22)에 의해 회전 구동되어, 회전수와 용량의 곱에 비례한 작동유를 토출한다.

다음에, 유압 셔블의 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성에 대해 개략 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 컨트롤 밸브(43)는 선회용 조작 레버 장치(72)로부터의 선회 조작 명령(유압 파일럿 신호)에 따라, 선회용 스풀을 동작시키고, 선회용 유압 모터(27)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다. 또한, 컨트롤 밸브(43)는 선회용 이외의 조작 레버 장치로부터의 조작 명령(유압 파일럿 신호)에 따라, 각종 스풀을 동작시키고, 붐 실린더(32), 아암 실린더(34), 버킷 실린더(36) 및 주행용 유압 모터(13a, 13b)에 공급되는 압유의 유량과 방향을 제어한다.

전동 시스템은 상술한 어시스트 발전 모터(23), 캐패시터(24) 및 선회용 전동 모터(25)와, 파워 컨트롤 유닛(55) 및 메인 컨택터(56) 등으로 구성되어 있다. 파워 컨트롤 유닛(55)은 초퍼(51), 인버터(52, 53), 평활 콘덴서(54) 등을 갖고, 메인 컨택터(56)는 메인 릴레이(57), 돌입 전류 방지 회로(58) 등을 갖고 있다. 또한, 파워 컨트롤 유닛(55)에는 선회 전동 모터(25)의 회전수를 검출하는 회전수 센서(25a)와, 캐패시터(24)의 전압을 검출하는 전압 센서(24a)와, 초퍼(51)의 전류를 검출하는 전류 센서(51a)가 설치되어 있고, 검출한 각 신호를 컨트롤러(80)로 출력하고 있다.

캐패시터(24)로부터의 직류 전력은 초퍼(51)에 의해 소정의 모선 전압으로 승압되고, 선회용 전동 모터(25)를 구동하기 위한 인버터(52), 어시스트 발전 모터(23)를 구동하기 위한 인버터(53)에 입력된다. 평활 콘덴서(54)는 모선 전압을 안정화시키기 위해 설치되어 있다. 선회용 전동 모터(25)와 선회용 유압 모터(27)의 회전축은 결합되어 있고, 감속 기구(26)를 통해 선회체(20)를 구동한다. 어시스트 발전 모터(23) 및 선회용 전동 모터(25)의 구동 상태(역행하고 있는지 회생하고 있는지)에 따라, 캐패시터(24)는 충방전되게 된다.

컨트롤러(80)는 선회용 조작 레버 장치(72)로부터의 선회 조작 신호, 선회용 전동 모터(25)의 회전수 신호, 캐패시터(24)의 전압 신호, 초퍼(51)의 전류 신호 등을 입력하는 입력부와, 이 입력 신호를 사용하여, 선회용 전동 모터(25)의 토크 명령값, 어시스트 발전 모터(23)의 토크 명령값, 유압 펌프(41)의 출력 감소 명령값 등을 연산하는 연산부와, 연산부에서 산출한 각종 명령을 출력하는 출력부를 구비하고 있다.

컨트롤러(80)의 입력부에는 선회용 조작 레버 장치(72)로부터 출력되고, 유압ㆍ전기 신호 변환 디바이스(예를 들어, 압력 센서)(73)에 의해 전기 신호로 변환된 선회 조작량 신호와, 회전수 센서(25a)가 검출한 선회 전동 모터(25)의 회전수 신호와, 전압 센서(24a)가 검출한 캐패시터(24)의 전압 신호와, 전류 센서(51a)가 검출한 초퍼(51)의 전류 신호가 입력되어 있다.

컨트롤러(80)의 출력부로부터는, 선회용 전동 모터(25)로의 토크 명령과 어시스트 발전 모터(23)로의 토크 명령이 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력되고, 각각의 인버터(52와 53)가 제어된다. 또한, 컨트롤러(80)의 출력부로부터는, 유압 펌프(41)로의 출력 감소 명령이 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스(70)를 통해 레귤레이터(42)로 출력되고, 레귤레이터(42)가 유압 펌프(41)의 출력(용량)을 제어한다. 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스(70)는 컨트롤러(80)로부터의 전기 신호를 유압 파일럿 신호로 변환하는 것으로, 예를 들어 전자 비례 밸브에 상당한다.

여기서, 오퍼레이터가 선회용 조작 레버 장치(72)를 조작하면, 그 조작 방향 및 조작량에 따른 유압 파일럿 신호가 발생하여, 컨트롤 밸브(43)에 입력됨과 함께, 유압ㆍ전기 신호 변환 디바이스(73)를 통해 컨트롤러(80)에도 전기 신호로 변환된 선회 조작량 신호가 입력된다. 이에 의해, 선회 유압 모터(27)용 컨트롤 밸브가 개방되어, 선회 유압 모터(27)가 구동됨과 함께, 선회 전동 모터(25)가 캐패시터(24)로부터의 전력 공급을 받아 구동된다.

본 발명의 제1 실시 형태에 있어서는, 이때에, 선회 조작량과 선회 회전수를 기초로, 선회 전동 모터(25)로의 토크 명령과 유압 펌프(41)의 출력 감소 명령값 등을 연산하여 출력하고, 작업 기계의 연비를 저감하는 것이다.

다음에, 컨트롤러(80)로 실행하는 제어에 대해 도 3을 사용하여 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 컨트롤러(80)의 연산부는 유압 선회 효율 연산부(101)와, 목표 토크 연산부(102)와, 전동 선회 효율 연산부(103)와, 감산부(104)와, 전동 선회 비율 연산부(105)와, 승산부(106)를 구비하고 있다.

유압 선회 효율 연산부(101)는 선회 조작량 신호와 선회 전동 모터(25)의 선회 회전수 신호를 입력하고, 이들 신호에 기초하여, 엔진 출력으로부터 선회 유압 모터(27)의 출력까지의 효율(이후, 유압 선회 효율이라고 함)을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 선회 조작량과 선회 회전수에 기초한 테이블을 참조하여, 유압 선회 효율을 산출한다. 이 테이블은 미리, 선회 조작량과 선회 회전수와 유압 선회 효율의 관계를 측정해 두고, 그것에 기초하여 설정한다. 유압 선회 효율 연산부(101)에서 산출한 유압 선회 효율의 신호는 감산부(104)의 일단부측으로 입력된다.

목표 토크 연산부(102)는 선회 조작량 신호와 선회 전동 모터(25)의 선회 회전수 신호를 입력하고, 이들 신호에 기초하여, 선회 유압 모터(27)와 선회 전동 모터(25)의 합계 토크의 목표값(이후, 목표 토크라고 함)을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 선회 조작량과 선회 회전수에 기초한 테이블을 참조하여, 목표 토크를 산출한다. 이 테이블은 미리, 종래의(선회용 전동 모터를 탑재하고 있지 않음) 유압 셔블을 사용하여 선회 조작량과 선회 회전수와 선회 유압 모터 토크의 관계를 측정해 두고, 그것에 기초하여 설정한다. 목표 토크 연산부(102)에서 산출한 목표 토크의 신호는 전동 선회 효율 연산부(103)의 일단부측과 승산부(106)의 일단부측으로 입력된다.

전동 선회 효율 연산부(103)는 목표 토크 연산부(102)에서 산출한 목표 토크의 신호와 선회 전동 모터(25)의 선회 회전수 신호를 입력하고, 이들 신호에 기초하여, 그 목표 토크를 모두 선회 전동 모터(25)에서 발생하는 경우의 엔진 출력으로부터 선회 전동 모터 출력까지의 효율(이후, 전동 선회 효율이라고 함)을 연산한다. 이 효율은 엔진 출력에 의해 어시스트 발전 모터(23)로 발전하고, 그 발전한 전력을 캐패시터(24)에 축전하고, 그 축전한 전력으로 선회 전동 모터(25)를 구동하는 경우의 효율로 한다. 구체적으로는, 예를 들어 선회 전동 모터 토크와 선회 회전수에 기초한 테이블을 참조하여, 전동 선회 효율을 산출한다. 이 테이블은 미리, 선회 전동 모터 토크와 선회 회전수와 전동 선회 효율의 관계를 측정해 두고, 그것에 기초하여 설정한다. 전동 선회 효율 연산부(103)에서 산출한 전동 선회 효율의 신호는 감산부(104)의 타단부측으로 입력된다.

감산부(104)는 전동 선회 효율 연산부(103)에서 산출한 전동 선회 효율의 신호로부터 유압 선회 효율 연산부(101)에서 산출한 유압 선회 효율의 신호를 감산하여, 산출한 차분 신호를 전동 선회 비율 연산부(105)로 입력한다.

전동 선회 비율 연산부(105)는 감산부(104)에서 산출한 전동 선회 효율과 유압 선회 효율의 차에 따라 전동 선회 비율을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 전동 선회 효율과 유압 선회 효율의 차에 기초한 테이블을 참조하여, 전동 선회 비율을 산출한다. 이 테이블에는, 도 3에 도시한 바와 같이 전동 선회 효율이 유압 선회 효율보다도 높을수록, 전동 선회 비율이 높아지는 특성선이 미리 설정되어 있다. 전동 선회 비율 연산부(105)에서 산출한 전동 선회 비율의 신호는 승산부(106)의 타단부측으로 입력된다.

승산부(106)는 목표 토크 연산부(102)에서 산출한 목표 토크의 신호와, 전동 선회 비율 연산부(105)에서 산출한 전동 선회 비율의 신호를 승산하고, 산출한 값을, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값으로 하여 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력한다.

또한, 이때, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값과 동일한 값을, 선회 유압 모터 토크 감소 명령값으로 하여, 유압 펌프(41)로의 출력 감소 명령이, 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스(70)를 통해 레귤레이터(42)로 출력되어, 유압 펌프(41)의 출력(용량)을 제어한다.

구체적으로는, 예를 들어 이하의 스텝으로 제어한다.

(1) 선회 유압 모터 토크 감소 명령값으로부터 선회 유압 모터 압력 감소 명령값을 계산한다(유압 모터 토크＝유압 모터 압력×유압 모터 용량/2π의 식으로부터 계산하고, 선회 유압 모터의 용량은 고정값으로 함).

(2) (1)에서 산출된 선회 유압 모터 압력 감소 명령값에 미리 정한 게인(1 이상의 값)을 곱하여, 저감 펌프 토출 목표압을 산출한다.

(3) 유압 펌프(41)의 토출압이 (2)에서 산출한 저감 펌프 토출 목표압의 분만큼 감소하도록, 유압 펌프(41)의 유량을 감소 제어한다.

혹은, 다음의 스텝으로 제어해도 된다.

(A) 선회 유압 모터 토크 감소 명령값으로부터 선회 유압 모터 출력 감소 명령값을 계산한다(유압 모터 출력＝유압 모터 토크×유압 모터 각속도의 식으로부터 계산함).

(B) (A)에서 산출된 선회 유압 모터 출력 감소 명령값에 미리 정한 게인(1 이상의 값)을 곱하여, 저감 펌프 목표 출력을 산출한다.

(C) 유압 펌프(41)의 출력이 (B)에서 산출한 분만큼 감소하도록, 유압 펌프(41)의 출력을 제어한다.

이상의 방법에 의해, 전동 선회와 유압 선회의 각각의 효율을 계산하여, 효율이 좋은 쪽으로 구동할 수 있고, 유압 선회의 효율이 나쁜 영역에서 선회할 때의 연비를 저감할 수 있다.

상술한 본 발명의 작업 기계의 제1 실시 형태에 의하면, 선회체(20)의 구동에 선회 유압 모터(27)와 선회 전동 모터(25)를 사용한 작업 기계에 있어서, 선회 조작량이 작을 때 등, 선회 유압 모터(27)에 의한 선회의 효율이 악화되는 영역에서의 연비를 저감할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 선회 조작량이 작은 경우에는 유압 선회의 효율이 나쁘기 때문에, 전동 선회 비율은 높아지도록 설정한다. 또한, 선회 조작량이 작은 경우는, 일반적으로, 종래의(선회 전동 모터를 탑재하고 있지 않음) 유압 셔블의 선회 유압 모터 토크는 작기 때문에, 본 실시 형태에 있어서의 제어의 목표 토크도 작게 설정한다. 따라서, 선회 조작량이 작은 경우는, 선회 전동 모터 주체로 선회하지만, 그 토크는 작아도 되므로, 탑재하는 전동 모터의 토크 성능(최대 토크)은 작아도 된다. 구체적으로는, 전동 모터의 최대 출력을, 유압 모터의 최대 출력보다도 작게 할 수 있다.

전동 모터의 토크 성능을 작게 할 수 있으므로, 인버터 등의 전기 시스템의 출력 성능도 작게 할 수 있다. 탑재하는 전동 모터나 인버터 등의 전기 시스템의 출력 성능을 작게 할 수 있으므로, 사이즈가 작아져 탑재성이 향상된다. 이 결과, 생산 비용을 낮게 할 수 있다.

실시예 2

이하, 본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다. 도 4에 있어서, 도 1 내지 도 3에 나타내는 부호와 동일 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태에 있어서, 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성은 제1 실시 형태와 동일하지만, 컨트롤러(80)의 연산부에서 실행하는 처리가 제1 실시 형태와 다르다.

도 4에 있어서, 컨트롤러(80)의 연산부는 선회 전동 모터 토크 연산부(201)를 구비하고 있다. 선회 전동 모터 토크 연산부(201)는 선회 조작량 신호와 선회 전동 모터(25)의 선회 회전수 신호를 입력하고, 이들 신호에 기초하여, 선회 전동 모터 토크 명령값을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 선회 조작량과 선회 회전수에 기초한 테이블을 참조하여, 선회 전동 모터 토크 명령값을 산출한다. 이 테이블은, 미리, 종래의 유압 셔블(유압 모터만으로 선회)을 사용하여 선회 조작량과 선회 회전수와 선회 유압 모터 토크의 개방계를 측정해 두고, 그것에 기초하여 설정한다.

본 실시 형태에 있어서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 횡축을 조작량, 종축을 토크 지령으로 하고, 선회 회전수의 고저에 따른 복수의 특성선이, 테이블로서 미리 설정되어 있다.

선회 전동 모터 토크 연산부(201)는 산출한 값을, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값으로 하여 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력한다. 또한, 이때, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값과 동일한 값을, 선회 유압 모터 토크 감소 명령값으로 하여, 유압 펌프(41)로의 출력 감소 명령이 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스(70)를 통해 레귤레이터(42)로 출력되고, 유압 펌프(41)의 출력(용량)을 제어한다.

선회 전동 모터 토크 연산부(201)에서 설정하는 선회 전동 모터 토크 명령값을, 선회 조작량이 큰 영역이나, 선회 속도가 높은 영역에서 0 근방에, 또는 선회 유압 모터(27)의 토크에 비해 작은 값으로 설정하면, 그 영역에서는 선회 유압 모터(27) 주체로 선회(유압 선회 모드)할 수 있다.

상술한 본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 작업 기계의 제2 실시 형태에 의하면, 선회 조작량이 작을 때나 선회 회전수가 낮을 때는, 전동 선회 모드로 구동하고, 그 이외일 때는 유압 선회 모드로 구동할 수 있다. 이 결과, 유압 선회의 효율이 나쁜 영역에서 선회할 때의 연비를 저감할 수 있다.

실시예 3

이하, 본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다. 도 5에 있어서, 도 1 내지 도 4에 나타내는 부호와 동일 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태에 있어서, 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성은 제1 실시 형태와 동일하지만, 컨트롤러(80)의 연산부에서 실행하는 처리가 제1 실시 형태와 다르다.

도 5에 있어서, 컨트롤러(80)의 연산부는 유압 선회 효율 연산부(101)와, 목표 토크 연산부(102)와, 전동 선회 효율 연산부(103)와, 감산부(104)와, 전동 선회 비율 연산부(105)와, 축전량 연산부(301)와, 어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)와, 전동 선회 비율 연산부(303)와, 최댓값 선택 연산부(304)와, 승산부(305)를 구비하고 있다. 여기서, 유압 선회 효율 연산부(101)로부터 전동 선회 비율 연산부(105)는 제1 실시 형태와 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

축전량 연산부(301)는 전압 센서(24a)가 검출한 캐패시터(24)의 전압 신호 V와, 전류 센서(51a)가 검출한 초퍼(51)의 전류 신호 I[캐패시터(24)에 유입하는 방향을 플러스측으로 규정함]를 기초로, 캐패시터(24)의 축전량(축전 에너지) E의 계산을 행한다. 구체적으로는, 예를 들어 다음의 수식으로 산출한다.

E＝1/2×C×(V－I×R)²

여기서, C는 캐패시터의 용량을, R은 캐패시터의 내부 저항을 나타낸다. 축전량 연산부(301)에서 산출한 축전량의 신호는 어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)와 전동 선회 비율 연산부(303)로 입력된다.

어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)는 축전량 연산부(301)에서 산출한 축전량에 기초하여, 어시스트 발전 모터 토크 명령값을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 축전량에 기초한 테이블을 참조하여, 어시스트 발전 모터 토크 명령값을 산출한다. 이 테이블에는, 도 5에 도시한 바와 같이 축전량이 적어진 때에, 어시스트 발전 모터의 토크 명령값을 증가시켜 발전하는 특성선이 미리 설정되어 있다. 산출한 어시스트 발전 모터 토크 명령값은 파워 컨트롤 유닛(55)에 출력된다.

전동 선회 비율 연산부(303)는 축전량 연산부(301)에서 산출한 축전량에 기초하여, 전동 선회 비율을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 축전량에 기초한 테이블을 참조하여, 전동 선회 비율을 산출한다. 이 테이블에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 축전량이 많을 때는 전동 선회 비율이 많아지는 특성선이 미리 설정되어 있다. 전동 선회 비율 연산부(303)에서 산출된 전동 선회 비율은 최댓값 선택 연산부(304)의 일단부측으로 입력된다.

최댓값 선택 연산부(304)는 타단부 입력측에 전동 선회 비율 연산부(105)에서 산출한 전동 선회 비율의 신호를 입력하고, 전동 선회 비율 연산부(303)에서 산출한 전동 선회 비율과 전동 선회 비율 연산부(105)에서 산출한 전동 선회 비율의 입력값 중, 어느 하나의 큰 쪽의 값을 출력한다. 최댓값 선택 연산부(304)에서 선택된 전동 선회 비율의 신호는 승산부(305)의 타단부측으로 입력된다.

승산부(305)는 일단부 입력측에 목표 토크 연산부(102)에서 산출한 목표 토크의 신호를 입력하고, 이 목표 토크의 신호와, 최댓값 선택 연산부(304)에서 선택된 전동 선회 비율의 신호를 승산하고, 산출한 값을, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값으로 하여 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력한다.

또한, 이때, 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값과 동일한 값을, 선회 유압 모터 토크 감소 명령값으로 하여, 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스(70)를 통해 레귤레이터(42)로 출력되고, 유압 펌프(41)의 출력(용량)을 제어한다.

상술한 본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 작업 기계의 제3 실시 형태에 의하면, 축전량이 많을 때는 항상 전동 선회 모드로 구동하므로, 축전량이 많을 때의 연비가 좋아진다. 또한, 축전량이 적을 때는, 전동 선회 모드와 유압 선회 모드의 각각의 효율을 계산하여, 효율이 좋은 쪽의 모드로 구동할 수 있고, 유압 선회의 효율이 나쁜 영역에서 선회할 때의 연비를 저감할 수 있다.

실시예 4

이하, 본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다. 도 6에 있어서, 도 1 내지 도 5에 나타내는 부호와 동일 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태에 있어서, 전동ㆍ유압 기기의 시스템 구성은 제1 실시 형태와 동일하지만, 컨트롤러(80)의 연산부에서 실행하는 처리가 제1 실시 형태와 다르다.

도 6에 있어서, 컨트롤러(80)의 연산부는 목표 토크 연산부(102)와, 선회 전동 모터 토크 연산부(201)와, 축전량 연산부(301)와, 어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)와, 전동 선회 비율 연산부(303)와, 승산부(401)와, 최댓값 선택부(402)를 구비하고 있다. 여기서, 목표 토크 연산부(102)는 제1 실시 형태와, 선회 전동 모터 토크 연산부(201)는 제2 실시 형태와, 축전량 연산부(301)∼전동 선회 비율 연산부(303)는 제3 실시 형태와 각각 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

승산부(401)는 일단부 입력측에 목표 토크 연산부(102)에서 산출한 목표 토크의 신호를 입력하고, 타단부 입력측에 전동 선회 비율 연산부(303)에서 산출한 전동 선회 비율을 입력한다. 이들 입력값을 승산하여 산출한 값은 최댓값 선택부(402)의 일단부측으로 입력된다.

최댓값 선택부(402)는 타단부 입력측에 선회 전동 모터 토크 연산부(201)에서 산출한 선회 전동 모터 토크 명령값의 신호를 입력하고, 승산부(401)에서 산출한 값과 선회 전동 모터 토크 연산부(201)에서 산출한 선회 전동 모터 토크 명령값 중, 어느 하나의 큰 쪽의 값을 출력한다. 이 선택된 값은 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값으로 하여 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력한다.

상술한 본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 작업 기계의 제4 실시 형태에 의하면, 축전량이 많을 때는 항상 전동 선회 모드로 구동하므로, 축전량이 많을 때의 연비가 좋아진다. 또한, 축전량이 적을 때는, 선회 조작량이 작을 때나 선회 속도가 낮을 때는 전동 선회 모드로 구동하고, 그렇지 않을 때는 유압 선회 모드로 구동할 수 있어, 유압 선회의 효율이 나쁜 영역에서 선회할 때의 연비를 저감할 수 있다.

실시예 5

이하, 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 도 7은 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 제어 블록도이다. 도 7에 있어서, 도 1 내지 도 6에 나타내는 부호와 동일 부호의 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태에 있어서, 전동ㆍ유압 기기의 시스템의 구성은 제1 실시 형태와 동일하지만, 컨트롤러(80)의 연산부에서 실행하는 처리가 제1 실시 형태와 다르다.

도 7에 있어서, 컨트롤러(80)의 연산부는 선회 전동 모터 토크 연산부(201)와, 축전량 연산부(301)와, 어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)와, 선회 전동 모터 토크 명령값 연산부(501)와, 최솟값 선택부(502)를 구비하고 있다. 여기서, 선회 전동 모터 토크 연산부(201)는 제2 실시 형태와, 축전량 연산부(301)와 어시스트 발전 모터 토크 명령값 연산부(302)는 제3 실시 형태와 각각 동일하므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

선회 전동 모터 토크 명령값 연산부(501)는 축전량 연산부(301)에서 산출한 축전량에 기초하여, 선회 전동 모터 토크 명령값을 연산한다. 구체적으로는, 예를 들어 축전량에 기초한 테이블을 참조하여, 선회 전동 모터 토크 명령값을 산출한다. 이 테이블에는, 도 7에 도시한 바와 같이, 축전량이 많을 때는 선회 전동 모터 주체로 구동하는 특성선이 미리 설정되어 있다. 선회 전동 모터 토크 명령값 연산부(501)에서 산출된 선회 전동 모터 토크 명령값은 최솟값 선택 연산부(502)의 일단부측으로 입력된다.

최솟값 선택 연산부(502)는 타단부 입력측에 선회 전동 모터 토크 연산부(201)에서 산출한 선회 전동 모터 토크 명령값의 신호를 입력하고, 선회 전동 모터 토크 명령값 연산부(501)에서 산출한 값과 선회 전동 모터 토크 연산부(201)에서 산출한 선회 전동 모터 토크 명령값 중, 어느 하나의 작은 쪽의 값을 출력한다. 이 선택된 값은 선회 전동 모터(25)의 토크 명령값으로 하여 파워 컨트롤 유닛(55)으로 출력한다.

상술한 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태에 의하면, 축전량이 적을 때는 전동 선회를 행하지 않으므로, 선회 전동 모터 토크 명령이 나오고 있음에도, 어시스트 발전 모터(23)의 발전이 제때에 맞추지 못하기 때문에 선회할 수 없다는 사태를 방지할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 작업 기계의 제5 실시 형태에 의하면, 축전량이 많을 때이며, 또한 선회 조작량이 작을 때나 선회 속도가 낮을 때는 전동 선회 모드로 구동하고, 그렇지 않을 때는 유압 선회 모드로 구동할 수 있으므로, 유압 선회의 효율이 나쁜 영역에서 선회할 때의 연비를 저감할 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 실시 형태에 있어서, 어시스트 발전 모터(23)로의 발전 토크 명령의 구성은 생략해도 된다. 어시스트 발전 모터(23)나 어시스트 발전 모터용 인버터(53)를 생략한 경우, 탑재성이 향상되므로, 생산 비용을 낮게 할 수 있다.

10 : 주행체
11 : 크롤러
12 : 크롤러 프레임
13 : 주행용 유압 모터
20 : 선회체
21 : 선회 프레임
22 : 엔진
23 : 어시스트 발전 모터
24 : 캐패시터
24a : 전압 센서(축전량 검출 수단)
25 : 선회 전동 모터
25a : 회전수 센서(선회 속도 검출 수단)
26 : 감속 기구
27 : 선회 유압 모터
28 : A포트측 릴리프 밸브
29 : B포트측 릴리프 밸브
30 : 셔블 기구
31 : 붐
32 : 붐 실린더
33 : 아암
34 : 아암 실린더
35 : 버킷
36 : 버킷 실린더
40 : 유압 시스템
41 : 유압 펌프
42 : 레귤레이터
43 : 컨트롤 밸브
44 : 선회용 스풀
51 : 초퍼
51a : 전류 센서(축전량 검출 수단)
52 : 선회 전동 모터용 인버터
53 : 어시스트 발전 모터용 인버터
54 : 평활 콘덴서
55 : 파워 컨트롤 유닛
56 : 메인 컨택터
57 : 메인 릴레이
58 : 돌입 전류 방지 회로
70 : 전기ㆍ유압 신호 변환 디바이스
72 : 선회용 조작 레버 장치
73 : 유압ㆍ전기 신호 변환 디바이스(선회용 조작 레버 조작량 검출 수단)
80 : 컨트롤러(제어 장치)
101 : 유압 선회 효율 연산부
102 : 목표 토크 연산부
103 : 전동 선회 효율 연산부
201 : 선회 전동 모터 토크 연산부
301 : 축전량 연산부

Claims

엔진과, 상기 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프와, 선회체와, 상기 선회체 구동용 전동 모터와, 상기 유압 펌프에 의해 구동되는 상기 선회체 구동용 유압 모터와, 상기 선회체의 구동을 명령하는 선회용 조작 레버 장치를 구비한 작업 기계에 있어서,
상기 조작 레버 장치의 조작량 및 상기 선회체의 선회 속도 중 하나 이상에 기초하여, 상기 전동 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 전동 선회 모드와, 상기 유압 모터의 토크를 주체로 하여 상기 선회체를 구동하는 유압 선회 모드 중 어느 하나로 제어하는 제어 장치를 구비하고,
상기 선회용 조작 레버 장치의 선회 조작량을 검출하는 선회용 조작 레버 조작량 검출 수단과, 상기 선회체의 선회 속도를 검출하는 선회 속도 검출 수단을 구비하고,
상기 제어 장치는 상기 선회용 조작 레버 조작량 검출 수단이 검출한 상기 선회용 조작 레버 장치의 조작량과, 상기 선회 속도 검출 수단이 검출한 상기 선회체의 선회 속도를 도입하여, 상기 선회용 조작 레버 장치의 조작량이 미리 설정한 값보다 작을 때 및 상기 선회체의 선회 속도가 미리 설정한 값보다 낮을 때 중 하나 이상의 경우에는, 상기 전동 선회 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 엔진 출력으로부터 상기 유압 모터의 출력까지의 효율을 연산하는 유압 선회 효율 연산부와, 상기 엔진 출력으로부터 상기 전동 모터의 출력까지의 효율을 연산하는 전동 선회 효율 연산부를 갖고, 상기 유압 선회 효율 연산부와 상기 전동 선회 효율 연산부가 각각 산출한 효율에 기초하여, 상기 전동 선회 모드 또는 상기 유압 선회 모드 중 어느 하나로 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서, 상기 전동 모터를 구동하기 위한 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 축전 장치의 축전량을 검출하는 축전량 검출 수단을 구비하고,
상기 제어 장치는 상기 축전량 검출 수단이 검출한 상기 축전 장치의 축전량을 도입하여, 상기 축전량이 미리 설정한 값보다 높을 때는, 상기 전동 선회 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항에 있어서, 상기 전동 모터를 구동하기 위한 전력을 축적하는 축전 장치와, 상기 축전 장치의 축전량을 검출하는 축전량 검출 수단을 구비하고,
상기 제어 장치는 상기 축전량 검출 수단이 검출한 상기 축전 장치의 축전량을 도입하여, 상기 축전량이 미리 설정한 값보다 높고, 또한 상기 선회용 조작 레버 장치의 조작량이 미리 설정한 값보다 작을 때, 또는 상기 선회체의 선회 속도가 미리 설정한 값보다 낮을 때는, 상기 전동 선회 모드로 제어하는 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전동 모터의 최대 출력은 상기 유압 모터의 최대 출력보다도 작은 것을 특징으로 하는, 작업 기계.
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