KR101833063B1 - 건설기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설기계의 선회 조작을 위한 전자유압펌프 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 예컨대, 굴삭기와 같은 건설기계가 경사지에 위치한 상태에서 선회 조작을 하는 경우 전자유압펌프를 제어하는 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은 압력 제어형 전자유압펌프인 선회 펌프와, 선회 모터를 포함하는 선회 장치; 및 선회 펌프의 토출 유량을 제어하는 제어부;를 포함하는 선회 미캐니즘을 포함하는 건설기계의 선회 조작 방법으로서, 건설기계가 경사지에 위치하여 선회 장치의 압력이 일정 압력 이상의 고압일 때, 선회 펌프의 토출 유량을 임의로 강제 증대시키는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프의 제어 방법을 제공하고, 이러한 제어 방법에 따라 선회 조작의 초기에 선회 펌프의 토출 유량을 강제 증대시킴으로써 건설기계가 경사지에 위치하여 일정 압력 이상일 때에도 건설기계의 선회 조작을 용이하게 수행할 수 있다.

Description

건설기계{construction machinery}

본 발명은 건설기계의 선회 조작을 위한 전자유압펌프 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 예컨대, 굴삭기와 같은 건설기계가 경사지에 위치한 상태에서 선회 조작을 하는 경우 전자유압펌프를 제어하는 방법에 관한 것이다.

굴삭기 등과 같은 건설기계는 통상적으로 엔진에 의해 구동되는 유압펌프와, 유압펌프로부터 토출되는 작동유의 압력을 통해 붐, 암, 버켓, 및 주행모터, 선회 모터 등과 같은 다수의 작업기를 구동하는 유압 시스템으로 구성된다.

이러한 건설기계의 유압 시스템에서 사용되는 유압펌프는 펌프 내에 형성된 사판과 사판의 각도(사판각)를 조정하기 위한 조정기를 구비하는 가변 용량형 펌프이며, 특히 사판각을 조정하기 위해 조정기로 입력되는 지시의 유형에 따라 기계 제어 방식 또는 전자 제어 방식으로 구분될 수 있고, 이러한 전자 제어 방식의 유압펌프는 소위 압력 제어형 전자유압펌프를 포함한다.

압력 제어형 전자유압펌프는 사용자의 요구량, 예컨대 조이스틱의 압력(또는 압력에 대응하는 전류값)에 해당하는 유량의 작동유만을 토출함으로써 시스템 내 공급 유량을 최소화시켜 시스템의 효율성을 극대화함을 특징으로 한다.

이러한 전자유압펌프를 사용하는 유압 시스템, 특히 선회 미캐니즘을 포함하는 건설기계의 시스템의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 참고로, 도 1은 선회모터(도시하지 않음)를 구동하기 위한 메인제어밸브(20e)에 관한 제어를 중심으로 도시한 것이며, 기타 작업기에 관한 파일럿 압력 라인 등은 생략되어 있음에 유의한다.

도 1에 따르면, 시스템(100)은 가변 용량 펌프인 압력 제어형 전자유압펌프(10a, 10b)와 이들로부터 토출되는 작동유 유량을 제어하기 위한 전자비례감압밸브(EPPR)와 같은 조정기(12a, 12b)를 포함하고, 토출된 작동유가 유압 라인을 통해 전달되는 다수의 메인제어밸브(MCV)(20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f)와, 사용자의 지령을 메인제어밸브로 전달하는 조이스틱(30)과, 그리고 시스템 내 압력 등에 기초하여 전자유압펌프(10a, 10b)의 작동유 토출 유량을 제어하는 제어부(40)를 포함한다. 또한, 시스템의 센터바이패스 라인에는 센터바이패스 컷오프 밸브(22a, 22b)가 형성되고, 이들 밸브가 차단됨으로써, 이 시스템은 밀폐형 시스템으로써 운용되어 시스템의 효율성을 극대화할 수 있다.

통상, 제어부(40)는 유량 센서(14a, 14b)를 이용하여 검출된 전자유압펌프(10a, 10b)로부터 토출된 작동유의 유량과, 압력 센서(34)를 이용하여 검출된 조이스틱의 압력을 기초로, 요구되는 양만큼 토출 유량을 제어한다.

또한, 이 명세서에서, 설명의 편의상 선회모터(도시되지 않음)로 작동유를 공급하는 측의 전자유압펌프(10b)를 선회 펌프라 칭한다.

또한, 이 명세서에서, 선회 펌프로부터 토출되는 작동유를 이용하여 동작하는 선회 모터(도시되지 않음) 및 선회 모터의 설정 압력을 설정하는 릴리프 밸브(도시되지 않음)를 포함하여 선회 장치라 칭한다. 릴리프 밸브에 의해 정의된 설정 압력은 통상의 시스템 압력(예컨대, 주행 압력, 작업기 압력 등)보다 낮은 수준에서 설정된다.

이러한 시스템에서 선회 조작을 할 경우, 선회 펌프가 압력 제어형 전자유압펌프이기 때문에 다음과 같은 단점을 나타낸다. 예컨대, 도 2에 도시된 바를 참고하여 이를 설명하면 다음과 같다. 도 2는 특히 경사지에 위치한 건설기계에서 선회 조작을 하는 경우를 기준으로 펌프 및 선회 장치의 작동 압력을 시간에 대해 나타낸 예시적인 그래프이다.

먼저, 사용자의 의도와는 다르게 설정된 압력 최대값에 도달하게 되면 압력 제어형 전자유압펌프는 그 토출 유량을 줄이므로, 경우에 따라서는 사용자의 요구에 부응하지 못하는 선회 성능(선회 토크, 선회 속도)이 제한될 수 있다.

예컨대, 경사지에서 상부 방향으로 선회시에는 일반적으로 유압식 굴삭기의 경우 상부 선회체의 중량 및 각도에 의해 발생하는 반력이 작용하여 설정된 압력값에 쉽게 도달하며, 이 경우 선회 펌프(전자유압펌프)는 유량을 저감시켜 선회 속도의 파형이 지수함수 형태를 나타낸다.

또한, 평지에서는 정지마찰력의 영향과 지면 등의 장애물로 인한 반력이 작용하게 되어 초기 선회 조작 시점에서 선회 성능(토크, 속도)이 역시 사용자의 의도에 부응하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

또한, 현재의 압력 제어형 전자유압펌프를 사용하는 경우 건설기계의 선회 조작과 관련하여 전자유압펌프(선회 펌프)의 제어결과는 도 3에 도시된 바와 같다.

예컨대, 선회 조작시 압력 제어형 전자유압펌프(선회 펌프)는 "일정 마력"을 생성하며, 다음과 같은 상관관계를 갖는다. 또한, 일정 마력을 유지하기 위해 전자유압펌프는 압력과 유량의 반비례 관계를 나타내며, 이때 선회 장치의 경우 토크와 속도가 반비례 관계를 유지하게 된다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, "일정 마력"을 유지하기 위해 특정 압력에 따라 토출 유량이 결정되며, 펌프의 압력이 높을수록 선회 속도가 감소함을 알 수 있다.

이상에서 기술한 바와 같이, 압력 제어형 전자유압펌프(선회 펌프)를 포함하는 건설기계가 선회를 하는 경우, 특히 경사지에서 상부 선회체의 중량 및 경사지의 각도(즉, 건설기계가 기울어진 각도)에 의해 반력이 작용하여, 압력이 급작스럽게 상승하게 되고, 이에 선회 펌프의 토출 유량이 급격히 감소하게 되어 결국 선회 장치의 스톨(stall) 현상이 발생할 수 있다. 즉, 선회 펌프가 압력 제어형 전자유압펌프로 구성됨에 따라, 그 제어 인자 중 하나인 압력이 급상승함에 따라 사용자의 의도와는 다르게 선회 성능이 저하되거나, 심지어는 선회 자체가 불가능해지는 단점이 발생할 수 있다. 특히, 이러한 단점은 선회 조작의 초기에 발생한다.

본 발명의 목적은 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 선회 조작을 개선하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 선회 조작시 발생하는 선회 장치의 스톨 현상을 방지하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압력 제어형 가변 용량 펌프인 전자유압펌프로 구성되는 선회 펌프와; 선회 펌프로부터 토출되는 작동유를 이용하여 동작하는 선회 모터, 및 선회 모터의 설정 압력을 규정하는 릴리프 밸브를 포함하는 선회 장치와; 선회 장치의 구동에 관한 사용자의 지령을 전달하기 위한 선회 조이스틱; 및 선회 장치의 실시간 압력을 검출하고 검출된 압력에 기초하여 선회 펌프의 토출 유량을 제어하는 제어부;를 포함하는 선회 미캐니즘을 포함하는 건설기계의 선회 조작 방법으로서, 선회 장치의 압력이 일정 압력 이상의 고압이고, 선회 조이스틱의 조작 압력이 소정의 기준 압력 이상이며, 선회 펌프의 토출 유량이 소정의 기준 유량 이하일 때, 제어부가 상기 선회 펌프의 토출 유량을 강제로 증대시키는 것을 특징으로 하는, 건설기계의 선회 조작을 위한 전자유압펌프 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 선회 조이스틱은 유압식 조이스틱인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 선회 펌프의 토출 유량의 증대는 선회 펌프의 유량을 제어하는 전자비례제어밸브(EPPR)로 입력되는 제어 전류값의 증가를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 선회 장치는 설정 압력보다 낮은 크기의 선회 시스템 압력으로 더 규정되고, 건설기계의 선회 조작시 선회 시스템 압력을 기준으로 선회 펌프의 토출 유량이 제어되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 선회 조작이 크게 개선될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 선회 조작시 발생하는 선회 장치의 스톨 현상이 방지되고, 선회 장치의 초기 기동 능력이 크게 향상될 수 있다.

도 1은 통상의 선회 미캐니즘을 포함하는 건설기계를 간략히 도시한 유압 회로도;
도 2는 경사지에서 건설기계의 선회 조작시 나타나는 펌프 및 선회 장치의 작동 압력을 도시한 그래프;
도 3은 종래의 건설기계에서 선회 조작시 전자유압펌프의 제어 결과를 도시한 그래프;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선회 조작시 전자유압펌프의 제어 방법을 개략적으로 도시한 순서도; 및
도 5는 도 4의 제어 방법에 따른, 선회 조작시 전자유압펌프의 제어 결과를 도시한 그래프이다.

본 발명은 압력 제어형 전자유압펌프를 포함하는 건설기계에서 선회 조작을 할 때, 특히 건설기계가 경사지에 위치하는 등으로 인해 반력이 발생하여 선회모터와 같은 선회 장치의 압력이 급상승하는 경우에도, 가변 용량형 전자유압펌프인 선회 펌프로부터 토출 유량이 감소하는 것을 방지함으로써 건설기계의 선회 조작이 용이하게 수행될 수 있도록 전자유압펌프를 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명의 건설기계에서 사용되는 유압 시스템은 도 1의 시스템과 실질적으로 동일하며, 이에 그 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명은 이 시스템의 전자유압펌프(즉, 선회 펌프)를 제어하는 방법에서 특징을 갖는다.

즉, 통상의 전자유압펌프가 일정 마력을 기준으로 제어되는 것과 달리, 본 발명에 따른 전자유압펌프의 제어는 선회 조작시 초기에(예컨대, 선회 속도가 낮은 저속 구간에서) 마력을 임의로 강제 증대시킴으로써, 선회 조작 초기에 토출 유량을 강제 증대시키는 것을 특징으로 한다. 이는, 특히 건설기계가 경사지에 위치하여 상부 선회체의 중량 등으로 인해 발생하는 반력에 의해, 선회 조작 초기에 급상승한 압력으로 인한 문제점을 해소할 수 있다.

예컨대, 종래와 달리, 본 발명의 제어 방법에 따르면, 압력 제어형 전자유압펌프인 선회 펌프는 선회 조작 초기에(예컨대, 일정 압력 이상의 고압 영역에서) 펌프의 토출 유량을 강제로 증대시킴으로써, 선회 속도를 임의로 높이고 선회 토크를 증대시킬 수 있어, 선회 조작 초기의 선회 장치의 스톨(stall) 현상과 같은 종래의 문제점을 방지할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 실시예에서 기술되는 각 구성요소는 종래의 시스템(도 1 참조)과 동일하며, 이에 각 구성요소에 대해 동일한 도면부호를 차용하여 설명한다는 점에 유의한다.

본 발명에서 선회 조작 초기에 선회 펌프로부터 토출 유량을 강제 증대시키는 제어 방법이 도 4에 순서도로 도시되어 있다. 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자유압펌프의 제어 방법을 설명한다.

먼저, 사용자가 건설기계의 조이스틱(예컨대, 선회 조이스틱)(30)을 구동하여 상부 선회체의 선회 조작을 실시한다(단계 S110). 사용자의 의도에 따라 선회 조이스틱(30)이 조작되면, 이때 선회 조이스틱(30)의 압력 및 선회 펌프(10b)의 토출 유량을 압력 센서(34)와 유량 센서(14b)를 이용하여 검출한다(단계 S120).

검출된 압력과 유량을 기초로, 현재 상태의 건설기계의 상태를 판단한다. 예컨대, 선회 조이스틱의 압력이 소정의 기준 압력 이상이고 동시에 선회 펌프의 토출 유량이 소정의 기준 유량 이하인지 여부를 판단한다(단계 S130). 여기서, 선회 조이스틱의 압력이 소정의 기준 압력 이상이라는 것은, 그만큼 선회 조이스틱이 강하게 조작된다는, 즉 급조작이라는 점을 의미하고, 또한 선회 펌프의 토출 유량이 소정의 기준 유량 이하라는 것은, 그만큼 선회 속도가 낮고 선회 토크가 작다는 의미가 된다.

달리 말하면, 선회 속도가 낮은 선회 조작의 초기이면서 중량 등 반력에 의해 압력이 급상승한 상태임을 지칭할 수 있다. 이때 선회 조이스틱의 압력 조건과 선회 펌프의 토출 유량 조건은 논리곱(AND) 개념이다.

이러한 판단에 부합한다면(예컨대, 단계 130에서 "예"), 즉, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계가 경사지에 위치할 때 중력 방향으로 형성되는 반력으로 인해 급상승한 압력에서 선회 토크(속도)가 낮은 경우에, 예컨대 선회 조작 초기의 일정 압력 이상일 때, 선회 펌프의 토출 유량을 임의로 강제 증대시킨다(단계 S140). 이를 통하여 압력이 급상승한 상태임에도 불구하고 선회 펌프의 토출 유량이 감소하는 것을 방지할 수 있고, 따라서 선회 조작에 따른 선회 토크를 적절하게 인가할 수 있다.

이후, 선회 펌프(10b)의 토출 유량이 토출 가능한 최대 유량인지 여부를 판단한다(단계 S150). 만일 현재 토출 유량이 최대 유량이라면(단계 S150에서 "예"), 통상의 선회 조작으로 복귀한다(단계 S160). 즉, 선회 조작 초기에 건설기계가 경사지에 위치하는 등으로 인해 반력이 발생하여 압력이 급상승한 경우에, 선회 펌프(10b)의 토출 유량을 최대 유량이 될 때까지 강제 증대시키는 것이 본 발명의 특징이 될 수 있다.

한편, 현재 토출 유량이 최대 유량이 아니라면(단계 S150에서 "아니오"), 절차는 다시 단계 S120으로 진행되어 이후 단계가 반복된다.

이와 달리, 단계 S130에서 판단 기준에 부합하지 않는다면(단계 S130에서 "아니오"), 예컨대 상부 선회체의 중량 등 반력으로 인해 압력이 급상승한 경우가 아니라면, 본 발명의 실시예에 따른 과정[예컨대, 선회 펌프(10b)의 토출 유량의 강제 증대, 예를 들어, 단계 S140]을 수행할 필요 없이, 통상의 선회 조작 방식으로 직접 전자유압펌프의 제어가 진행될 수 있다.

이러한 제어 방법에서, 실제 각 판단 기준에 대한 구체적인 제어 기준은 다음과 같이 계산될 수 있다.

예컨대, 선회 조이스틱(30)의 압력은 선회 조이스틱의 조작 범위에 대한 미분값으로 구현될 수 있고, 구체적으로 선회모터용 메인제어밸브(20e)의 선회 스풀의 구동 길이(stroke)의 미분값으로 계산될 수 있다. 이러한 선회 조이스틱(30)의 압력은 소정의 기준 압력(예컨대, 선회 조이스틱의 급조작 기준)과 비교하여 급조작 여부를 판단할 수 있다.

또한, 선회 펌프(10b)의 토출 유량은 역시 선회 펌프(10b)의 실시간 토출 유량의 미분값으로 계산될 수 있으며, 이러한 토출 유량이 소정의 기준 유량(예컨대, 낮은 선회 속도 및 소량의 선회 토크)과 비교하여 판단될 수 있다.

이처럼, 선회 조이스틱(30)의 조작 압력과 선회 펌프(10b)의 토출 유량에 관한 검출값이 전술한 판단 기준에 부합하는 경우에, 건설기계가 선회 조작 초기에 반력을 받아 압력이 급상승한 상태, 즉 압력이 일정 압력 이상인 상태에 있는 것으로 판단되고, 이에 본 발명의 특징에 따라 선회 펌프(10b)의 토출 유량을 임의로 강제 증대시킴으로써, 펌프의 압력이 높음에도 펌프의 토출 유량이 감소하는 것을 방지할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 제어 방법을 사용할 때, 건설기계의 선회 조작과 관련하여 전자유압펌프(선회 펌프)의 제어결과는 도 5에 도시된 바와 같이 나타난다.

예컨대, 선회 조작의 초기에 압력 제어형 전자유압펌프(선회 펌프)는 종래와 달리 "일정 마력"이 아닌 임의로 증대된 마력을 생성하며, 이는 도 5의 우측의 그래프와 같이 표현될 수 있다. 즉, 선회 속도가 낮은 선회 조작의 초기에, 마력은 종래의 마력의 크기(예컨대, 점선으로 표현됨)보다 상대적으로 높은 임의의 마력(예컨대, 실선으로 표현됨)으로 제어되고, 이후 선회 조작이 궤도에 오르면 본 발명의 제어에서 복귀하여 통상의 선회 조작을 위한 "일정 마력"으로 복귀한다.

또한, 이와 같은 형태(도 5의 우측 그래프 참조)의 마력을 유지하기 위해 전자유압펌프는 압력과 유량의 반비례 관계를 나타내며, 특히 펌프 압력이 일정 압력 이상인 경우에 종래의 펌프 유량(예컨대, 점선으로 표시됨)에 비해 상대적으로 높은 펌프 유량(예컨대, 실선으로 표시됨)을 갖는 개선된 상대 관계를 나타낸다(도 5의 좌측 그래프 참조).

또한, 이와 유사하게, 선회 장치의 경우 선회 토크와 선회 속도가 반비례 관계를 유지하며, 특히 선회 속도가 낮은 경우, 즉 선회 조작의 초기에 선회 토크가 종래의 선회 토크(예컨대, 점선으로 표시됨)에 비해 상대적으로 큰 선회 토크(예컨대, 실선으로 표시됨)를 갖는 개선된 상대 관계를 나타낸다(도 5의 가운데 그래프 참조).

이상에서 기술한 바와 같이, 압력 제어형 전자유압펌프를 포함하는 건설기계에서 종래의 제어 방법에 따른 선회 조작시 급작스러운 압력 상승으로 인해 발생하는 선회 장치의 스톨(stall) 현상과 같은 단점은, 일정 압력 이상의 고압 영역에서 선회 펌프의 토출 유량을 임의로 강제 증대시키는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 제어 방법을 적용함으로써 해소될 수 있다.

또한, 선회 조작의 초기, 즉 선회 속도가 낮은 저속 구간에서 펌프의 마력을 임의로 강제 증대시킴으로써 결국 선회 토크를 증대시키는 효과를 가져올 수 있다.

따라서, 선회 압력이 순간적으로 증가하게 되어 선회 펌프에서는 토출 유량이 증가하고, 이로 인해 선회 장치의 기동 능력을 상승시키는 효과를 가져올 수 있다. 선회 장치가 움직이기 시작하는 동시에 압력이 저하되며, 이에 대응하는 수준만큼 펌프의 토출 유량이 증대된다.

따라서, 종래와 달리 건설기계가 경사지에 위치하는 등의 이유로 인해 중력 방향으로 반력을 받아 압력이 급상승한 경우에도, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 선회 조작이 사용자의 의도에 맞게 적절하게 수행될 수 있다. 구체적으로, 선회 조작의 초기에 선회 펌프의 토출 유량을 임의로 강제 증대시킴으로써, 압력의 증가에도 선회 펌프의 토출 유량이 감소하는 것을 방지할 수 있어, 선회 조작이 적절하게 수행될 수 있도록 보장한다.

100: 유압 시스템
10a, 10b: 전자유압펌프
12a, 12b: 전자비례감압밸브(EPPR)
14a, 14b: 유량 센서
20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f: 메인제어밸브
30: 조이스틱
34: 압력 센서
40: 제어부

Claims (4)

1. 압력 제어형 가변 용량 펌프인 전자유압펌프로 구성되는 선회 펌프(10b)와;
   상기 선회 펌프(10b)로부터 토출되는 작동유를 이용하여 동작하는 선회 모터, 및 상기 선회 모터의 설정 압력을 규정하는 릴리프 밸브를 포함하는 선회 장치와;
   상기 선회 장치의 구동에 관한 사용자의 지령을 전달하기 위한 선회 조이스틱(30); 및
   상기 선회 장치의 실시간 압력을 검출하고 상기 검출된 압력에 기초하여 상기 선회 펌프(10b)의 토출 유량을 제어하는 제어부(40);를 포함하는 건설기계에 있어서,
   상기 제어부(40)는,
   상기 선회 장치의 압력이 일정 압력 이상의 고압이고, 상기 선회 조이스틱(30)의 조작 압력이 소정의 기준 압력 이상이며, 상기 선회 펌프(10b)의 토출 유량이 소정의 기준 유량 이하일 때, 동일 압력하에서 상기 선회 펌프(10b)의 토출 유량을 강제로 증대시키는 건설기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 선회 조이스틱(30)은 유압식 조이스틱인 것을 특징으로 하는 건설기계.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 선회 펌프(10b)의 토출 유량의 증대는 상기 선회 펌프의 유량을 제어하는 전자비례제어밸브(EPPR)(12b)로 입력되는 제어 전류값의 증가를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 건설기계.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 선회 장치는 상기 설정 압력보다 낮은 크기의 선회 시스템 압력으로 더 규정되고, 상기 건설기계의 선회 조작시 상기 선회 시스템 압력을 기준으로 상기 선회 펌프(10b)의 토출 유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 건설기계.

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