KR102482814B1

KR102482814B1 - 건설기계용 유압 시스템

Info

Publication number: KR102482814B1
Application number: KR1020170129082A
Authority: KR
Inventors: 제임스 휴이트
Original assignee: 제이씨 뱀포드 엑스카베이터즈 리미티드
Priority date: 2016-10-03
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2022-12-29
Also published as: JP2018087634A; US10550547B2; KR20180037126A; CN107893788B; US20180119390A1; GB2554683A; GB201616801D0; JP7065582B2; CN107893788A; EP3309407A1; GB2554683B

Abstract

본 발명은 제1 액츄에이터(101)와, 제1 회로(103)를 통해 제1 액츄에이터(101)에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제1 액츄에이터(101)를 구동하도록 적용된 제1 펌프(102)를 포함하는 유압 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 제2 펌프(202), 제2 액츄에이터(201), 제3 펌프(302)를 더 포함하는데, 제3 펌프(302)는 제2 회로(303)를 통해 제2 액츄에이터(201)에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제2 액츄에이터(201)를 구동하도록 적용된다. 제1 및 제3 펌프들(102, 302)이 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)을 움직이는 것을 보조하기 위해, 제2 펌프(202)는 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)을 통해 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)로 연결될 수 있다.

Description

건설기계용 유압 시스템{HYDRAULIC SYSTEMS FOR CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 유압 시스템, 특히 엑스커베이터(excavator)와 같은 건설 기계용 유압 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 이 유압 시스템을 포함하는 건설 기계와도 관련되어 있다.

건설 기계용의 다양한 상이한 유압 시스템들이 해당 기술분야에서 알려져 있다. 유압 시스템들은 스윙 드라이브(swing drive), 붐(boom), 디퍼(dipper), 버킷(bucket), 주행 모터 등 각각의 건설 기계의 움직일 수 있는 다른 부분들과 같은 기계의 움직일 수 있는 부재들을 작동시키기 위한 가압 유체를 공급받는 몇몇의 유압 액츄에이터들을 포함한다. 건설 기계의 크기에 따라, 통상적인 유압 시스템들에서 하나 또는 그 이상의 대형 용적형 펌프(displacement pump)가 각각의 기계의 모든 액츄에이터로 가압된 유압 유체를 공급하는 데에 사용된다. 이 목적을 위해 유압 용적형 펌프는 각각 방향성 제어 밸브들에 의해 몇몇의 액츄에이터들로 연결되어 있는데, 이 밸브들은 펌프의 배출 포트를 유압 액츄에이터 모두로 연결한다. 유압 펌프의 출력 유동은 따라서 비례 제어 밸브들에 의해 몇몇 액츄에이터들로 분배된다. 이런 소위 미터링 시스템(metering system)은 제어 밸브를 통과하는 유동에 스로틀링(throttling, 압력 강하)를 유발하며, 그 결과로서 에너지를 허비하는 것으로 알려져 있다.

보다 최신의 발전형태에서, 용적 제어 시스템 또는 미터리스 유압 시스템(meterless hydraulic system)으로 알려져 있는 대안적인 타입의 유압 시스템이 증대된 에너지 효율의 관점에서 연구되었다. 용적 제어 유압 시스템들은 각각 단일한 액츄에이터에 연결된 복수의 유압 펌프들을 포함한다. 용적 제어 시스템들의 유압 펌프들은 펌프에 의해 그 각 액츄에이터로 공급되는 가압 유체의 유동을 선택적으로 조절하기 위해 통상 가변 용적형 펌프들이다. 예를 들어, 액츄에이터를 높은 속도로 움직이기 위해 각 펌프의 유동이 증대되는 반면, 액츄에이터의 보다 느린 작동이 요구되는 경우에는 유동이 감소된다. 용적 제어 유압 시스템들은, 액츄에이터로 지향되는 유동의 양이 비례적인 미터링 밸브들로 유동을 제한하는 것과 달리 펌프 출력 유동의 변화를 통해 제어된다. 바꾸어 말해, 용적 제어 유압 시스템의 펌프들은 액츄에이터들을 필요한 속도와 힘으로 움직이기 위해 필요한 유동율 및 압력으로 유압 유체를 배출하도록만 규제되며, 따라서 유체 유동의 스로틀링 또는 압력 감소를 통한 에너지 손실을 유발하지 않는다.

용적 제어 유압 시스템들이 에너지 효율의 측면에서 상당한 향상을 보여주지만, 이들은 엑스커베이터와 같은 건설 기계에서의 활용에 상업적으로 존립할 수 없는 것이 밝혀졌다. 이것은 알려져 있는 용적 제어 시스템들이 대개 액츄에이터들을 필요한 속도(엑스커베이터에서 이 속도는 공하중(in air) 상태에서 액츄에이터를 완전히 확장하고 수축시키는 데에 필요한 소위 싸이클 타임(cycle time)에 의해 결정된다)로 움직이기 위해 개별적인 용적형 펌프들이 대형일 것을 필요로 하기 때문이다. 그러나 복수의 대형 펌프들(액츄에이터당 하나)을 갖추는 것은 용적 제어 시스템의 제조 비용을 상당히 증가시킨다. 이에 더하여, 큰 유압 펌프들이 감소된 출력 유동율로 작동될 때, 즉 액츄에이터들이 보다 낮은 속도로 움직일 때 낮은 에너지 효율을 보인다는 것은 알려져 있는 문제이다.

이상의 관점에서, 본 발명의 목적은 높은 하중/속도 상황 및 낮은 하중/속도 상황에서 높은 연료 효율을 보여주는 유압 시스템을 제공하는 것이다. 통상적인 용적 제어 유압 시스템들과 비교하여 제조 비용을 낮추고 에너지 효율을 향상시키는 것이 본 발명의 다른 목적이다.

제1 실시예에서, 본 발명은 제1 액츄에이터와, 제1 회로를 통해 제1 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제1 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제1 펌프를 포함하는 유압 시스템과 관련되어 있다. 이 시스템은 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터에 연결될 수 있는 제2 펌프와, 제2 액츄에이터를 더 포함한다. 제3 펌프가 제2 회로를 통해 제2 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있으며 제2 액츄에이터를 구동하도록 적용되어 있는데, 여기서 제2 펌프는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터에 연결될 수 있고, 제2 펌프는 제1 및 제2 액츄에이터에 선택적으로, 그리고 동시적으로 연결될 수 있다.

간단한 용어로, 본 발명의 유압 시스템은 용적 제어 유압 시스템과 미터링 시스템의 조합이다. 보다 상세하게는, 제1 회로와 제2 회로는 용적 제어 액츄에이터 회로들일 수 있는데, 이들은 각각 제1 및 제2 액츄에이터들을 서로 다른 속도/유동율로 작동시키기 위한 가변 용적 펌프를 포함한다. 한편, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 작동을 보조하거나 및/또는 제2 액츄에이터의 작동을 보조하도록 이용될 수 있다. 이것은 고속 조건하에서, 즉 제1 및/또는 제2 액츄에이터들의 작동에 대해 보다 짧은 싸이클 타임이 요구될 때 특히 그러하다. 숙련된 전문가라면 건설 기계의 하나 또는 그 이상의 액츄에이터들의 작동 속도가, 공하중 상태에서 각각의 유압 액츄에이터들을 완전히 확장하고 수축시키는 데에 필요한 시간과 관련된 소위 "싸이클 타임(cycle time)"에 의해 결정된다는 것을 이해할 것이다. 본 발명에 따르면, 최소 싸이클 타임으로 지칭될 가장 짧은 싸이클 타임은 제1 및 제2 펌프들의 유동을 조합함으로써 얻어진다. 기계가 최소 싸이클 타임을 이룰 수 있는 것이 고객의 기대이며, 이것이 건설 기계의 성능을 판단하는 데에 사용되는 핵심 기준이다. 그러나 대부분의 사용 주기(duty cycle) 내에서 최소 싸이클 타임은 때때로만 성취될 필요가 있고, 평균적인 사용 주기(즉, 통상적인 땅파기 작업 싸이클)는 상대적으로 낮은 평균 작동 속도가 필요하다는 것이 밝혀졌다.

이상의 관점에서, 본 발명의 특정한 장치는 제1 펌프와 제3 펌프가 통상적인/평균적인 속도 조건하에서 제1 및 제2 액츄에이터들을 움직일 수 있도록 보다 작은 크기로 되는 것을 허용한다. 평균 속도 요구 조건은 궁극적으로 특정한 사용 주기에서 기계의 조작자의 요구를 통해 결정된다. 제1 및/또는 제2 액츄에이터들이 특정한 상황에서 보다 시속히 움직여야 할 필요가 있다면, 제1 펌프 및/또는 제3 펌프로부터의 유체 유동이 제2 펌프로부터의 추가 유체 유동(top up fluid flow)에 의해 보조될 수 있다. 보다 작은 크기로 된 펌프들은 큰 가변 용적형 펌프들을 활용하는 통상적인 용적 제어 유압 시스템과 비교할 때 유압 시스템의 비용을 줄여줄 것이다. 또한, 복수의 보다 작은 펌프들을 이용하는 것은 유압 시스템 전체의 효율을 증대시킬 것이라는 점이 밝혀졌다. 건설 기계에는 복수의 서로 다른 액츄에이터들이 제공되는데, 이들 각각은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 최소 싸이클 타임을 성취하기 위해 둘 또는 그 이상의 서로 다른 펌프들로부터 유동을 공급받을 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 회로는 폐쇄 루프 회로이다. 제1 회로는 차지 펌프(charge pump)에 연결될 수 있는데, 이 차지 펌프는 공동현상(cavitation)을 방지하기 위해 약간 상승된 유체 압력으로 시스템을 유지한다.

다른 실시예에서, 제2 회로는 폐쇄 루프 회로이다. 이때, 제2 회로는 차지 펌프에 연결될 수 있다. 대안적으로, 제2 회로는 개방 루프 회로일 수 있는데, 이 경우 제2 펌프는 차지 펌프로부터 가압된 유체를 공급받는 대신 유체 저장소로부터 직접적으로 유압 유체를 인입한다.

다른 실시예에 따르면, 제2 펌프는 가변 용적형 펌프이다. 이것은 제2 펌프로부터의 추가 유체 유동이 제1 및/또는 제2 액츄에이터들의 정확한 요구에 맞춰 조정될 수 있다는 장점을 가진다. 이를 대체하여 또는 이에 더하여, 제2 펌프는 고정 용적형 제2 펌프로부터 제1 및/또는 제2 액츄에이터로 공급되는 유체의 유동을 조정하는 데에 사용될 수 있는 비례 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터 및/또는 제2 액츄에이터에 연결된 고정 용적형 펌프일 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 펌프는 제1 액츄에이터에 직접적으로 연결되거나/연결될 수 있는데, 여기서 제1 제어 밸브는 밸브 조립체의 일부일 수 있으며 제2 펌프로부터 제1 액츄에이터로 공급되는 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 제1 비례 제어 밸브로서 구성될 수 있다. 본 명세서에서, '직접적으로 연결된'이라는 용어는 펌프가, 펌프의 유체 유동을 분배하기 위해 하나 또는 그 이상의 비례 밸브들을 필요로 하는 미터링 회로와는 다르게, 인공적인 유동 제한을 개입시키는 비례 밸브 또는 감쇄 밸브(스로틀)을 포함하지 않는 유체 라인들을 통해 액츄에이터에 직접적으로 연결되어 있는 배열을 지칭한다. 바꾸어 말해, 직접 연결이란 호스 파열 체크 밸브(hose burst check valve), 로드 홀딩 밸브(load holding valve) 또는 온/오프 밸브와 같은 안전을 위해 필요한 유체 라인들 및/또는 밸브들 내에서의 불가피한 손실을 제외하고는 유체 유동의 에너지 손실로 귀결되지 않으며, 회로에 추가적인 유동 미터링을 의도적으로 더하지 않는 연결을 지칭한다. 결과적으로, 제1 액츄에이터는 항상 제1 펌프에 의해 제공되는 출력 유동의 실질적인 전부를 받을 것이다. 제1 펌프와 제1 액츄에이터의 직접 연결로 인해, 제1 회로는 용적 제어 회로로 묘사될 수 있다. 이와 대조적으로, 제2 펌프는 바람직하게는 제1 액츄에이터로 제2 유체 유동의 미리 정해진 일부를 공급하도록만 적용된 제1 비례 제어 밸브(미터링 밸브)를 통해 제1 액츄에이터에 연결될 수 있다. 결과적으로, 미터링/비례 밸브를 통해 제1 액츄에이터에 연결된 제2 펌프에 의해 생성되는 유체 회로는 미터링 회로로 묘사될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 펌프의 유동을 지원하는 데에 사용되지 않은 제2 유체 유동의 남은 부분은 제2 액츄에이터에 동시적으로 적용될 수 있다. 이와 같이, 제2 펌프는 제1 액츄에이터를 움직이는 데에서 제1 펌프를 보조하는 것이 실현 가능한 한편, 제2 액츄에이터의 움직임을 동시적으로 보조한다.

다른 실시예에서, 제1 비례 제어 밸브는 방향성, 비례 스풀 밸브이다. 제1 비례 스풀 밸브는 바람직하게는 4/3 스풀 밸브이다. 4/3 스풀 밸브는 4개의 유체 포트들과 3개의 위치를 포함한다. 제1 유체 포트는 제1 펌프의 고압 포트(또는 펌프 유동)에 연결될 수 있으며, 제2 유체 포트는 제1 펌프의 저압 포트(또는 유동 복귀)에 연결될 수 있다. 제3 유체 포트는 제1 액츄에이터의 제1 챔버에 연결될 수 있고, 제4 포트는 제1 액츄에이터의 제2 챔버에 연결될 수 있다. 제1 위치에서, 4/3 스풀 밸브는 폐쇄되며 어떤 유체 포트도 연결되지 않는다. 제2 위치에서, 제1 및 제4 유체 포트는 물론 제2 및 제3 유체 포트가 연결된다. 따라서, 제2 위치에서, 제1 펌프의 고압 포트가 제2 챔버에 연결될 수 있는 한편, 저압 포트는 제1 액츄에이터의 제1 챔버에 연결되어 제1 액츄에이터를 확장한다. 제3 위치에서, 제1 및 제3 유체 포트들은 물론 제2 및 제4 유체 포트들이 연결되어 제1 액츄에이터를 수축시킨다. 이 경우, 4/3 스풀 밸브가 일방향 펌프의 고압/고유동 포트와 저압/저유동 포트를 제1 액츄에이터의 원하는 고압/저압, 고유동/저유동 인입구로 연결하는 데에 시용될 수 있으므로, 제2 펌프는 일방향 펌프로 구성될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 제1 비례 제어 밸브는 독립적인 미터링 밸브이다. 예를 들어, 이 독립적인 미터링 밸브는 브리지 밸브 또는 듀얼 스풀 밸브일 수 있다. 이 독립적인 미터링 밸브는 제1 액츄에이터의 챔버들의 체적 차이를 보상하기 위한 보상 기능을 수행하도록 제어될 수 있다. 이를 위해, 이 독립적인 미터링 밸브는 제1 유체 라인을 통해 제1 액츄에이터의 제1 챔버에, 그리고 제2 유체 라인을 통해 제1 액츄에이터의 제2 챔버에 연결될 수 있다. 유압 시스템은 제1 및 제2 압력 센서들로부터 압력 정보를 수신하도록 적용된 제어 유닛을 포함할 수 있는데, 여기서 제어 유닛은 압력 정보에 따라 독립적인 미터링 밸브가 제1 또는 제2 챔버를 유체 복귀 라인으로 연결하게 제어하도록 구성될 수 있다. 이때 제1 압력 센서는 제1 유체 라인에 제공되고 제2 압력 센서는 제2 유체 라인에 제공될 수 있다. 통상적인 보상 밸브들에서, 파일럿 활성화 체크 밸브들(pilot activated check valve)이 보상 기능을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 이와 대조적으로, 본 실시예에 따르면, 제1 및 제2 압력 센서들이 제1 액츄에이터의 하중이 가해진 측과 하중이 가해지지 않은 측을 결정하는 데에 이용될 수 있는데, 이는 그리고 나서 제1 액츄에이터의 챔버들 중 하나를 보상의 목적을 위해 유체 복귀 갤러리로 연결하는 데에 사용될 수 있다. 이와 같이, 제1 비례 제어 밸브가 다양한 제어 기능들을 위해 사용될 수 있고 추가적인 체크 밸브들은 더 이상 필요하지 않다.

제1 회로와 유사하게, 제2 회로의 제3 펌프는 제2 액츄에이터에 직접 연결되거나 연결될 수 있는데, 여기서 제2 제어 밸브는 제2 펌프로부터 제2 액츄에이터로의 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 비례 제어 밸브를 포함한다. 다시, '직접적으로'라는 용어는 제2 회로가 용적 제어 회로이며, 따라서 비례/미터링 밸브와 같은 어떠한 유동 감소 구성도 없이 제2 액츄에이터에 연결되어 있는 제3 펌프를 구비한다는 사실을 가리킨다. 제2 비례 제어 밸브는 방향성의, 비례 스풀 밸브, 바람직하게는 표준 4/3 스풀 밸브일 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1 펌프는 양방향 가변 용적형 펌프로 구성되며 제2 펌프는 단방향 펌프로 구성되는데, 여기서 제1 제어 밸브는 방향성 제어 밸브이다. 이 배치에 따르면, 제1 펌프는 폐쇄 루프 회로에 의해 제1 액츄에이터에 연결되고 가압된 유압 유체를 액츄에이터 인입구들 중 하나에 선택적으로 공급하는 양방향 펌프로서 구성된다. 제2 펌프는 바람직하게는 방향성 제어 밸브를 통해 제1 및 제2 액츄에이터 모두에 연결 가능하며, 따라서 양방향 펌프가 필요하지 않다. 단방향 펌프를 제2 펌프로서 사용할 때, 추가 회로(top up circuit)는 개방 루프 회로 또는 폐쇄 루프 회로 어느 쪽으로도 구성될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1 펌프는 제1 액츄에이터의 제1 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 펌프 포트와, 제1 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 펌프 포트를 포함한다. 제1 펌프가 양방향 펌프인 경우, 제1 및 제2 포트 모두가 고압 포트 또는 저압 포트 중 하나로 이용될 수 있다. 이와 같이, 제1 펌프의 제1 포트가 고압 포트인 경우, 제1 액츄에이터의 제1 챔버는 펌프의 고압측에 연결되는 반면, 제2 포트는 저압 포트에 연결되는데, 이로써 액츄에이터의 제2 챔버를 펌프의 저압측에 연결한다. 제2 포트가 고압 포트인 것과 같이 펌프의 방향이 반대로 된다면 그 반대도 가능하다. 결과적으로, 제1 펌프로부터의 고압 유체의 공급이 제1 액츄에이터의 제1 및/또는 제2 챔버로 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 로드 홀딩 밸브들이 펌프의 포트들과 액츄에이터의 챔버들 사이에 추가될 수 있다. 이런 로드 홀딩 밸브들은 미터링 기능을 도입하지 않을 것이라는 점이 이해되어야 한다. 따라서, 제1 펌프는 여전히 제1 액츄에이터에 “직접적으로 연결된” 상태로 있을 것이다.

다른 실시예에서, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버에 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버에 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 포함한다. 이 실시예의 제2 펌프는 표준 4/3 밸브로서 구성될 수 있는 제1 제어 밸브에 의해 제1 액츄에이터의 두 챔버들에 연결될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 이 실시예는 제2 펌프가 단방향 펌프로 구성되는 것을 가능하게 한다.

또 다른 실시예에 따르면, 제2 펌프는 유압 시스템을 상승된 유체 압력으로 유지하는 차지 펌프로 작동하도록 배치된다. 결과적으로, 이 실시예의 유압 시스템은 별도의 차지 펌프가 필요하지 않다; 오히려 제2 펌프가 3가지 기능, 즉 제1 및 제2 액츄에이터에 공급하는 기능과 시스템 압력에 대한 차지 펌프로서 작동하는 기능을 가진다.

제2 회로는 개방 회로일 수 있다. 특히, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 유압 유체 저장소로 연결된 제2 포트를 포함할 수 있다. 제2 펌프의 제1 포트는 가변 압력 릴리프 밸브와 같은 바이패스 밸브를 통해 유압 유체 저장소로 더 연결될 수 있다. 이 바이패스 밸브는 두 가지 미리 정해진 설정 압력 릴리프 값들 사이에서 절환될 수 있다. 바이패스 밸브가 가변 압력 릴리프 밸브로 구성되어 있다면, 제1 압력 릴리프 값은 제1 및 제2 액츄에이터들에 대한 최대 허용 압력과 관련될 수 있는 반면, 제2 릴리프 값은 가변 압력 릴리프 밸브가 유체 유동에 어떠한 상당한 제한도 제공하지 않도록 가능한 한 낮을 수 있다. 물론, 바이패스 밸브는 고정 압력 릴리프 밸브와 연계된 온/오프 밸브와 같은 임의의 다른 적절한 방식으로 구성될 수 있다.

다른 실시예에서, 제2 회로는 실질적으로 제1 회로와 동일하게 구성되고, 제2 액츄에이터의 제1 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제2 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 구비한 제3 펌프를 포함한다. 제2 펌프의 제1 및 제2 포트들은 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버에 선택적으로 연결될 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 및 제2 펌프들과 제3 펌프들은 공통 구동축과 같은 공통 드라이브 메커니즘에 의해 원동기에 연결된다. 제4 및 제5 펌프들은 제2 공동 구동축을 통해 동일한 원동기에 연결될 수 있다. 2개의 구동축들이 제1 및 제2 공통 구동축들이 동일하거나 서로 다른 회전 속도로 회전될 수 있는 방식으로 원동기의 출력단에서 기어/가변 속도 메커니즘에 연결될 수 있다. 따라서, 제1, 제2 및 제3 펌프들은 바람직하게는 공통 구동축에 의해 동일한 회전 입력 속도로 구동되지만, 서로 다른 토출 유동을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1, 제2 및 제3 펌프들이 가변 용적형 스워시 플레이트 펌프(variable displacement swash-plate pump)들일 수 있는데, 이들은 공통 구동축의 회전속도와는 독립적으로 각각의 출력 유동율을 조정할 수 있다. 물론, 이 배치는 단일한 원동기만이 필요하므로 본 발명의 유압 시스템이 더욱 컴팩트하고 비용 효율적이도록 할 것이다. 앞서 언급된 바와 같이, 제4 및 제5 펌프들 및 잠정적으로 추가되는 펌프들도 바람직하게는 제2 공통 구동축을 통해 그 단일한 원동기에 연결될 수 있다. 모든 펌프들을 단일한 공통 구동축에 연결하는 것도 가능하다. 본 발명은 그러나 하나 또는 그 이상의 공통 구동축들을 통해 펌프들을 구동하는 단일한 원동기로 한정되지 않는다. 숙련된 전문가라면 펌프들이 하나 또는 그 이상의 원동기(들)에 의해 구동될 수 잇다는 것을 이해할 것이다. 원동기(들)는 연료 엔진 또는 전기 모터일 수 있는데, 이들은 가변 기어/속도 메커니즘을 통해 펌프(들)로 연결될 수 있다. 한 펌프당 하나의 원동기가 있거나 모든 펌프들에 대해 하나의 원동기가 있을 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 원동기는 단일 속도 모터일 수 있다. 모터가 단일 속도 모터인 경우에도, 본 시스템의 다양한 펌프들을 가변 기어/속도 메커니즘에 의해 서로 다른 속도로 구동하는 것이 가능하다. 따라서 단일 속도 모터를 사용할 때, 펌프들 각각 또는 몇몇 펌프들은 공통된 또는 개별적인 가변 구동 메커니즘(들)을 통해 모터에 연결될 수 있다. 이를 대체하여, 원동기는 디젤 엔진과 같은 내연기관일 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 펌프는 제1 펌프의 최대 출력 유동율이 제1 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크(peak) 유동율의 25%에서 75%, 바람직하게는 40%에서 60%, 더욱 바람직하게는 45%에서 55%에 상당하도록 크기가 정해진다. 바꾸어 말해, 제1 펌프는 통상적인 속도 요구조건 하에서 제1 액츄에이터를 움직이는 데에 충분한 최대 유동율을 제공하도록 크기가 정해질 수 있는데, 이 통상 속도 요구조건은 건설 기계 제조자에 의해 미리 정해진 최소 싸이클 타임을 성취하기 위한 속도/유동 요구조건의 25%에서 75%에 상당한다. 특히, “최소 싸이클 타임”은 각각의 유압 액츄에이터를 완전히 확장하고 수축시키는 데에 필요한 가장 짧은 시간과 관련되어 있다. 예를 들어, 제1 액츄에이터가 엑스커베이터의 붐을 들어올리는 유압 램(ram)이라면, 제1 펌프는 미리 정해진 최대 속도로 붐을 들어올리고 수축시키는 데에 필요한 유동율의 25%에서 75%, 즉 최소 싸이클 타임 이내에 붐의 완전한 작동 싸이클을 수행하는 데에 필요한 유동율의 25%에서 75%와 동일한 최대 유동율을 제공하는 크기로 될 수 있다. 싸이클 타임은 공하중에서, 즉 붐이 중력 이외의 어떠한 저항에도 대응하여 작동하지 않을 때 측정된다는 것에 주목하여야 한다. 예시적인 일실시예에서, 미리 정해진 최소 싸이클 타임은 약 5초로 설정될 수 있다. 이 예에서, 제1 펌프는 제1 펌프에 의해 제공되는 최대 유동율이 약 7.5에서 20초의 보다 긴 싸이클 타임을 얻기에 충분하도록 크기가 정해질 것이다. 조작자가 붐을 작동시키기 위한 더 빠른 최소 싸이클 타임을 원한다면, 제1 펌프의 최대 출력 유동율은 제1 액츄에이터를 원하는 속도로 움직이는 데에(즉, 미리 정해진 최소 싸이클 타임을 획득하는 데에) 충분치 않을 것이며, 따라서 제2 펌프로부터의 보조가 필요할 것이다. 그러면 제2 펌프는, 제1 및 제2 펌프의 조합이 미리 정해진 최소 싸이클 타임을 성취하기에 충분하도록 제1 펌프에 대해 보완적인 크기로 정해진다는 것이 이해될 것이다. 물론, 본 발명은 앞에서 언급된 특정한 싸이클 타임들의 예에 한정되지 않는다. 이와 관련하여, 서로 다른 싸이클 타임들, 그리고 따라서 서로 다른 작동 속도들이 건설 기계의 서로 다른 액츄에이터들에 적용된다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 어느 엑스커베이터의 붐 액츄에이터는 6초라는 가장 빠른/최소(즉, 제2의) 싸이클 타임을 성취할 필요가 있는 반면, 디퍼 액츄에이터에 대한 최소 싸이클 타임은 4초일 수 있으며 버킷 액츄에이터에 대해서는 2.5초일 수 있다.

물론, 숙련된 사람은 각각의 건설 기계가 특정한 최소 싸이클 타임들을 성취하기 위한, 주로 고객 요구에 의해 결정되는 일반적인 요구조건을 이해할 것이다. 이와 같이 숙련된 전문가는 필요한 최대 유체 유동율 값을 계산할 수 있는데, 이는 상기 최소 싸이클 타임을 성취하기에 충분한 속도로 액츄에이터를 움직이기 위해 제공될 필요가 있다. 그러면 제1 펌프는 앞서 언급한 최대 유체 유동율 값의 25%에서 75%와 관련된 유체 유동을 보이도록 크기가 정해질 것이다. 이런 식으로 제1 펌프의 크기를 정하는 것이 실질적으로 향상된 에너지 효율의 결과가 될 것이라는 점이 밝혀졌다.

본 발명의 유압 시스템은, 제1 펌프만이 제2 액츄에이터에 공급하는 데에 사용된다면 통상적인/평균적인 속도 조건 하에서 작업하는 데에 한정되어 있다. 그러나, 이 시스템은 또한 제1 액츄에이터에 제1 및 제2 펌프로부터 가압된 유체를 공급하는 것에 의해 더 빠른 “최소” 싸이클 타임을 성취하도록 구성되어 있기도 하다. 말하자면, 본 발명의 유압 시스템은 또한 제1 및 제2 펌프들의 고압 배출구들을 조합함으로써 제2의, 더 높은 유체 유동율을 제공하도록 적용되어 있다. 이와 대조적으로, 통상적으로 알려져 있는 용적 제어 유압 시스템들은 각 액츄에이터에 대해 매우 과도한 크기로 된 용적형 펌프들을 포함하는데, 이들은 다른 펌프들로부터의 보조 없이 독립적으로 최소 싸이클 타임을 성취할 수 있다. 그러나 통상적인 속도 조건 하에서, 통상적으로 알려져 있는 용적형 펌프들은 그 최대 배출 유동의 약 50%로 작동한다. 이 실시예에 따르면, 통상 작업 상황에서 그 최대 배출 유동의 약 90%로 작동하는 더 작은 펌프들은 더 값쌀 뿐 아니라 더욱 효율적으로 작동한다.

다른 실시예에서, 유압 시스템은 제1 제어 밸브에 연결되고, 제1 펌프의 최대 유체 유동 출력율이 제1 액츄에이터를 높은 속도로, 즉 더 짧은 싸이클 타임으로 움직이기에 충분하지 않은 경우, 제1 제어 밸브가 제2 펌프를 제1 회로에 선택적으로 연결하게 제어하도록 적용된 컨트롤러를 포함한다. 이 실시예에서, 컨트롤러는 조작자 인터페이스에 연결된 센서 장치로 연결될 수 있다. 특히, 센서 장치는 제1 액츄에이터의 움직임을 제어하기 위해 조작자에 의해 사용되는 조이스틱과 같은 입력 장치에 연결될 수 있다. 요구되는 작동 속도는 조이스틱 위치의 기능일 수 있다. 일례에 따르면, 요구되는 속도는 조이스틱의 변위량과 함께 증가할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 센서 장치에 의해 감지된 변위가 제1 펌프의 최대 유체 유동 성능을 초과하는 요구된 작동 속도/싸이클 타임을 가리킨다면, 컨트롤러는 제2 펌프로부터의 제2 유체 유동의 전부 또는 일부가 제1 액츄에이터로 전환되도록 제1 제어 밸브를 조정할 것이다.

제1 컨트롤 밸브는 비례 제어 밸브를 포함할 수 있다. 비례 제어 밸브는, 컨트롤러가 제1 액츄에이터를 움직이는 데 있어서 제1 펌프를 지원하도록 지향된 제2 유체 유동의 일부가 센서 장치에 의해 감지된 요구된 속도를 획득하는 데에 충분하게 비례 제어 밸브를 조정할 수 있도록 컨트롤러에 연결될 수 있다. 컨트롤러는 필요한 양의 추가 유체 유동(top up fluid flow)만이 제1 회로에 공급되도록 비례 제어 밸브를 조정할 수 있다. 추가 유체 유동의 나머지 부분들은 제2 액츄에이터를 움직이는 데에 동시적으로 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 제3 펌프는 제3 펌프의 최대 출력 유동율이 제2 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25%에서 75%, 바람직하게는 40%에서 60%, 더욱 바람직하게는 45%에서 55%에 상당하도록 크기가 정해진다.

다른 측면에서, 제2 펌프는, 제1 액츄에이터와 관련하여 이전에 언급된 바와 같은 더 빠른 싸이클 타임을 획득하기 위해, 제2 액츄에이터를 더 높은 속도로 움직이는 데에 있어서 제3 펌프를 지원하기 위해 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터에 유체적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 제어 밸브를 포함하는 이 실시예의 밸브 조립체는 제2 펌프가 제1 및 제2 액츄에이터에 동시적으로 또는 순차로 유체적으로 연결될 수 있도록 구성될 수 있다.

앞서 언급한 컨트롤러는 또한, 제3 펌프의 최대 유체 출력 유동이 제2 액츄에이터를 높은 속도, 즉 제2 액츄에이터에 대해 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 움직이기에 충분하지 않은 경우, 제2 제어 밸브가 제2 펌프를 제2 유체 회로에 선택적으로 연결하도록 제어하게 적용될 수도 있다.

다른 실시예에 따르면, 제1 펌프는 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%, 바람직하게는 75%에서 125%, 더욱 바람직하게는 95%에서 105%인 최대 출력 유동을 나타내도록 크기가 정해진다. 바람직하게는, 제3 펌프 또한 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%, 바람직하게는 75%에서 125%, 더욱 바람직하게는 95%에서 105%인 최대 출력 유동을 나타내도록 크기가 정해진다. 이 실시예에 따르면, 제1, 제2 및 제3 펌프들은 유사한 방식으로 크기가 정해진다. 이와 같이, 제1 및 제2 액츄에이터들은 최대 유동으로 움직여질 수 있는데, 이는 제1 또는 제3 펌프 각각의 최대 출력 유동의 약 두 배에 상당한다. 결과적으로, 더 빠른 제2의 싸이클 타임(즉, 최소 싸이클 타임)은 제1 싸이클 타임의 50%로 감소될 수 있다. 앞서 언급된 예에서, 따라서 제1 액츄에이터의 싸이클 타임은, 제1 액츄에이터를 작동시킴에 있어서 제1 및 제2 펌프의 유동을 조합함으로써 10초에서 5초로 감소될 수 있다.

특히 유리한 실시예에서, 제1, 제2 및 제3 펌프들은 동일한 크기로 정해지는데, 이는 본 유압 시스템의 비용을 더욱 감소시킨다.

다른 실시예에서, 유압 시스템은 제3 액츄에이터와, 제3 유체 회로를 통해 제4 액츄에이터에 연결될 수 있고 제3 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제4 펌프를 더 포함한다. 제4 펌프는 바람직하게는 제3 펌프에 직접적으로 연결되어 있다. 제3 액츄에이터는 엑스커베이터 버킷을 움직이기 위한 유압 실린더와 같은 리니어 액츄에이터일 수 있다.

다른 실시예에서, 유압 시스템은 제4 액츄에이터와, 제4 유체 회로를 통해 제4 액츄에이터에 연결될 수 있고 제4 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제5 펌프를 더 포함한다. 제5 펌프는 바람직하게는 제4 액츄에이터에 직접적으로 연결되어 있다. 제4 액츄에이터는 회전 액츄에이터, 특히 건설 기계의 선회부를 위한 유압 모터일 수 있다.

다른 실시예에서, 시스템은 제5 액츄에이터를 더 포함하는데, 여기서 제1 펌프는 제5 액츄에이터에 선택적으로 연결될 수 있다. 바람직하게는, 제1 펌프는 말하자면 밸브들을 통해 제5 액츄에이터에 직접적으로 연결될 수 있는데, 이 밸브들은 제1 펌프로부터 제공되는 유체 유동을 제한하지 않는다. 이 밸브들은 단일한 전환 밸브(diverter valve) 또는 복수의 온/오프 밸브들로 구성될 수 있다.

다른 실시예에서, 시스템은 제6 액츄에이터를 더 포함하는데, 여기서 제3 펌프는 제6 액츄에이터에 선택적으로 연결될 수 있다. 제3 펌프는 바람직하게는 밸브들에 의해 제6 액츄에이터에 직접적으로 연결될 수 있는데, 이 밸브들은 제3 펌프로부터 제공되는 유동을 제한하지 않는다. 이 밸브들은 단일한 전환 밸브 또는 복수의 온/오프 밸브들로 구성될 수 있다.

앞서 언급된 제5 및 제6 액츄에이터의 배치가 조작자로 하여금 4개의 펌프들만으로 6개의 액츄에이터들 모두를 동시에 작동시킬 수 있게 한다는 점이 이해되어야 한다. 예를 들어, 건설 기계(예컨대, 엑스커베이터)의 주행을 위해 제1 및 제3 펌프들이 제5 및 제6 액츄에이터들을 작동시키는 데에 사용될 수 있는 한편, 제2 펌프는 제1 및/또는 제3 제어 밸브를 통해 제1 및/또는 제2 액츄에이터를 구동하는 데에 활용될 수 있다. 엑스커베이터에서, 이것은 기계의 주행과 굴작 단부의 이동을 동시에 가능하게 할 것이다.

본 발명은 앞서 여기서 설명된 유압 시스템을 포함하는 건설 기계에도 관련되어 있다.

발명의 실시예들이 첨부된 도면들을 참조로 예시적인 방식으로서만 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1e는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1f는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 1g는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타낸다.
도 5는 전형적인 사용 주기에서 제1 및 제2 액츄에이터의 유동율 요구조건을 나타낸다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 유압 시스템의 개략도를 나타내고 있다. 일례로서, 이 실시예의 유압 시스템이 엑스커베이터와 같은 토양 이동 장치와 관련하여 아래에서 설명될 것이다. 그러나 도 1a에 나타낸 유압 시스템은 본 출원으로 한정되지 않으며 다양한 다른 기계에 적합하다는 것이 이해되어야 한다.

유압 시스템은 제1 회로(103)을 통해 제1 펌프(102)에 연결된 제1 액츄에이터(101)를 포함한다. 이 제1 액츄에이터는 유압 실린더와 같은 리니어 액츄에이터일 수 있다. 도 1a의 제1 회로(103)는 제1 액츄에이터(101)로 연결될 수 있는 제1 펌프(102)를 포함하는 폐쇄 루프 회로로 묘사되어 있다. 제1 펌프(102)는 제1 및 제2 유체 라인들(110, 111)을 통해 제1 액츄에이터(101)로 연결될 수 있다.

제1 펌프(102)는 양방향, 가변 용적형 펌프로서 나타내어져 잇는데, 이는 제1 유체 라인(110)을 통해 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)로 연결될 수 있다. 제1 펌프9102)의 제2 출력 포트는 제2 유체 라인(111)을 통해 제1 액츄에이터(101)의 제2 챔버(105)로 연결되어 있다. 제1 펌프(102)가 양방향 펌프이기 때문에, 가압 유체는 유체 라인(110)을 통해 제1 챔버(104)로 공급되거나, 또는 대안적으로 제2 유체 라인(111)을 통해 챔버(105)로 공급될 수 있다. 제1 펌프(102)의 용적을 변화시킴으로써, 제1 액츄에이터(101)는 서로 다른 속도로 작동될 수 있다.

도 1a는 제2 펌프(202)를 더 보여주는데, 이는 추가 유체 회로(203)에서 제1 액츄에이터(101)에 연결되어 있다. 제2 펌프(202)는 제1 제어 밸브(701)에 의해 제1 액츄에이터(101)에 선택적으로 연결될 수 있다. 제2 펌프(202)는 또한 제2 제어 밸브(702)에 의해 제2 액츄에이터(201)로도 선택적으로 연결될 수 있다. 특히, 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)은 도 1a에 도시된 바와 같이 밸브 배열(700)의 일부이다. 밸브들(701, 702)은 모두 솔레노이드 작동 비례 스풀 밸브들로 구성된다. 더 상세하게, 제어 밸브들(701, 702)인 스풀 밸브들은 모두 4/3 방향성 스풀 밸브인데, 이들은 그 폐쇄 위치로 바이어스되어 있다. 제어 밸브들(701, 702)은 개별적인 유닛들일 수 있으며 또는 공통 밸브 블록 안에 구축될 수 있다.

제2 펌프(202)는 단방향 가변 용적형 펌프인데, 이는 제2 제어 밸브(702)를 통해 제3 액츄에이터(201)로 연결될 수 있다.

제2 펌프(202)는 제1 제어 밸브(701)에 의해 제1 펌프(102)에 연결될 수 있다. 상세하게는, 제2 펌프(202)는 제1 제어 밸브(701)가 그 휴지 위치에 있을 때 제1 액츄에이터(101)로부터 분리된다. 제1 제어 밸브(701)의 제1 위치(도 1a의 아랫쪽)에서, 제2 펌프(202)의 고압 포트가 제1 액츄에이터(101)의 제2 챔버(105)에 연결되고 제2 펌프(202)의 저압 포트는 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)에 연결된다. 이 제1 제어 밸브(701)의 제1 위치는 제1 액츄에이터(101)를 확장시키는 데에서 제1 펌프(102)를 보조하는 데에 사용될 수 있다. 제1 제어 밸브(701)가 그 제2 위치(도 1a의 윗쪽)에 있을 때, 제2 펌프(202)의 고압 포트는 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)에 연결되고 제2 펌프(202)의 저압 포트는 제1 액츄에이터(101)의 제2 챔버(105)에 연결되며, 따라서 제1 액츄에이터를 수축시키는 데에서 제1 펌프(102)를 보조한다. 제1 및 제2 펌프들(102, 202)은 물론 제1 제어 밸브(701)가 제1 펌프(102)의 고압 포트와 제2 펌프(202)의 고압 포트가 항상 제1 액츄에이터(101)의 동일한 챔버에 연결되도록 제어된다는 것이 이해될 것이다. 물론, 동일한 것이 제1 및 제2 펌프들(101, 202)에 대해서도 적용되는데, 이들도 동일한 챔버에 연결될 것이다.

밸브 배열(700)은 컨트롤러(미도시)에 연결되는데, 이것은 제1 및 제2 액츄에이터(101, 201)의 작동 속도에 대한 요구에 응답하여 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)의 위치를 규제할 것이다. 통상적인/평균적인 상황에서, 제1 펌프(102)는 용적 제어된 방식으로 가압 유체를 제1 액츄에이터(101)에 독립적으로 제공할 것이다. 이와 같이, 제1 펌프(102)의 고압 유동은, 제1 액츄에이터(101)(유압 실린더와 같은 리니어 액츄에이터)의 피스톤 로드(piston rod)가 실린더 하우징 밖으로 확장되어야 하는 경우(도 1a에서 좌측으로)에 제2 챔버(105)로 연결될 것이다. 리니어 액츄에이터를 수축시키기 위해서는, 제1 펌프(102)의 펌핑 방향이, 제1 펌프(102)의 고압 포트가 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)에 연결되고 저압 포트가 제1 액츄에이터(101)의 제2 챔버(105)에 연결되도록 역전된다. 제1 펌프(102)의 최대 유체 출력 유동이 제1 액츄에이터(101)를 요구되는 속도로 확장하기에 충분하지 않다면, 컨트롤러는 제1 액츄에이터(101)의 램을 확장시키는 데에서 제1 펌프(102)를 보조하기 위해 제2 펌프(202)의 고압 배출구가 제2 챔버(105)로 연결되도록 제1 제어 밸브(701)를 그 제1 위치(도 1a에서 아랫쪽)으로 바꿀 수 있다. 제1 펌프(102)의 최대 유체 출력 유동이 제1 액츄에이터(101)를 원하는 속도로 수축시키기에 충분하지 않다면, 컨트롤러는 제1 펌프(102)가 제1 액츄에이터(101)의 램을 수축시키는 것을 보조하기 위해 제2 펌프(202)의 고압 배출구가 제1 챔버(104)에 연결되도록 제1 제어 밸브(701)를 그 제2 위치(도 1a에서 윗쪽)로 바꿀 수 있다.

제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)은 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)로 제2 펌프(202)에 의해 공급되는 유체 유동/압력이 요구에 따라 분배될 수 있도록 비례 스풀 밸브들일 수 있다. 말하자면, 제1 액츄에이터(101)를 원하는 속도로 확장하는 데에 적은 양의 추가적인 유동/압력만이 필요하다면, 컨트롤러는 제2 펌프(202)에 의해 공급되는 제2 유체 유동의 적은 일부만이 제1 액츄에이터(101)의 제1 또는 제2 챔버(104, 105)로 전환되도록 밸브(701)를 조정할 것이다. 제2 펌프(202)에 의해 제공되는 나머지 유동은 따라서 제2 액츄에이터(201)의 동작을 동시에 구동/보조하는 데에 사용될 수 있다.

제1 액츄에이터(101)와 유사하게, 도 1a에 나타낸 제2 액츄에이터(201)는 다시 리니어 액츄에이터(특히 유압 실린더)로서 묘사되어 있다. 제2 액츄에이터(201)는 엑스커베이터의 디퍼 또는 암을 움직이는 데에 사용될 수 있다. 제2 액츄에이터(201)는 폐쇄 루프 회로(303)에서 제3 펌프(302)에 연결된다. 제3 회로(303)는 실질적으로 제1 회로(103)과 동일하며 대응하는 부분들은 제1 회로에 대응하여 '200'만큼 증가된 참조 번호가 부기되어 있다. 제1 회로(103)와 유사하게, 제2 펌프(202)는 밸브 배열(700)의 제2 제어 밸브(702)를 통해 제3 회로(303)에 연결될 수 있다. 이와 같이, 제2 펌프(202)는 또한 제3 펌프(302)가 고속 조건 하에서, 즉 제2 액츄에이터(201)에 대해 미리 정해진 최소 싸이클 타임을 얻기에 충분치 않을 경우 제2 액츄에이터(201)의 움직임을 보조하는 데에 사용될 수도 있다.

도 1a에 나타낸 실시예에서, 제1 및 제2 펌프들(102, 202)은 공통 구동축(801)에 의해 구동되는데, 이것은 펌프들(102, 202) 각각을 구동 모터(800)으로 나타낸 내연 기관 또는 전기 모터와 같은 단일한 원동기로 연결한다. 구동 모터(800)는 또한 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 공통 구동축(801)을 통해 차지 펌프(902)에 연결된다. 본 발명은 이 특정한 구동 배열로 제한되지 않는다. 예를 들어, 임의의 원동기가 펌프들을 구동하는 데에 사용될 수 있으며 펌프들은 복수의 구동축들을 통해 복수의 원동기들에 연결될 수 있는데, 그 예들이 아래에서 설명된다.

도 1b를 보면, 본 유압 시스템의 다른 실시예가 나타나 있다. 도 1a의 도면의 실시예와 동일한 도 1b에 나타낸 실시예의 각 부분들은 동일한 참보 부호가 부여되어 있다. 도 1b의 실시예는 제2 유체 회로(203)이 개방 회로라는 점에서 도 1a의 실시예와 다르다. 단방향 제2 펌프(202)가 제1 유체 라인(210)을 통해 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)에 연결된 제1 고압 포트를 여전히 포함하는 반면, 제2 펌프(202)의 저압 포트는 이제 유압 유체 저장소(901)로 연결되어 있다. 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)의 복귀 포트들은 이제 제2 유체 라인(212) 및 릴리프 밸브(904)를 통해 유압 유체 저장소(901)에 연결된다.

이 실시예에서 가변 압력 릴리프 밸브(207)인 바이패스 밸브의 인입 포트는 유체 라인(210)을 통해 제2 펌프(202)의 고압 배출 포트에 연결된다. 가변 압력 릴리프 밸브(207)의 배출 포트는 제2 유체 라인(212)을 통해 릴리프 밸브(904)의 인입 포트와 어큐뮬레이터(903)의 인입 포트에 연결된다.

제1 및/또는 제2 액츄에이터들(101, 201)이 작동하는 동안, 가변 압력 릴리프 밸브(207)는 제1 및/또는 제2 액츄에이터(101, 201)의 미리 정해진 최대 작동 압력에서 제1 릴리프 값으로 설정된다. 바꾸어 말해, 가변 압력 릴리프 밸브(207)는 제1 및/또는 제2 액츄에이터들(101, 201)의 각 챔버들 내의 압력이 미리 정해진 문턱값을 초과할 경우 안전 릴리프 밸브로서 작용한다. 제1 및/또는 제2 액츄에이터(101, 201)가 작동하는 동안, 제1 및/또는 제2 액츄에이터들(101, 201)로부터의 복귀 유동은 릴리프 밸브(904)를 통해 유압 유체 저장소(901)로 인도된다. 이와 같이, 제1 및/또는 제2 액츄에이터(101, 201)를 사용하는 동안, 복귀 유동이 시스템을 충전한다.

제1 및 제2 액츄에이터(101, 201)의 어느 것도 사용 중이지 않을 때, 즉 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)이 폐쇄되어 있을 때, 가변 압력 릴리프 밸브(207)는 제2 릴리프 값으로 설정된다. 제2 릴리프 값은 제2 압력 릴리프 밸브가 유체 라인들(210, 212) 사이에서 유체 유동을 많이 제한하지 않는 완전한 개방 상태일 수 있다. 그러면 제2 펌프(202)가 유일하게 차지 펌프로서 작동하며, 어큐뮬레이터(903)을 채움으로써 시스템 압력을 릴리프 밸브(904)에 의해 설정된 압력값으로 설정할 것이다.

가변 압력 릴리프 밸브(207)는 솔레노이드 작동 릴리프 밸브 또는 2개의 미리 설정된 릴리프 값들 사이에서 신속한 변경을 가능하게 하는 임의의 다른 적절한 밸브일 수 있다.

본 유압 시스템의 다른 실시예가 도 1c에 묘사된 개략도에 나타나 있다. 도 1a의 도면의 실시예와 동일한 제2 실시예의 각 부분들은 동일한 참조 부호가 주어져 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 도 1c에 따른 실시예는 밸브 배열(710)이 브리지 밸브(bridge valve)들로서 구성된 제1 및 제2 제어 밸브들(711, 712)을 포함하는 점에서만 도 1a의 실시예와 다르다. 브리지 제어 밸브들(711, 712) 각각은 4개의 독립적으로 제어 가능한 미터링 밸브들(711a, 711b, 711c, 711d, 712a, 712b, 712c, 712d)을 포함한다. 독립적 미터링 밸브들(711a, 711b, 711c, 711d, 712a, 712b, 712c, 712d) 각각은 통상적으로 폐쇄된 2/2 비례 솔레노이드 밸브로서 구성된다. 독립적 미터링 밸브들(711a, 711b, 711c, 711d, 712a, 712b, 712c, 712d)은 포핏 밸브(poppet valve) 또는 스풀 밸브(spool valve) 또는 숙련된 사람들이 적합하다고 보는 임의의 다른 종류의 미터링 밸브일 수 있다. 제2 펌프(202)가 피스톤 로드를 확장하기 위해 제1 액츄에이터(101)를 구동하는 데에 있어서 제1 펌프(102)를 보조하는 데에 이용된다면, 컨트롤러는 제1 미터링 밸브(711a)를 그 제2 위치로(도 1b에서 오른쪽으로) 움직여서 펌프(202)의 고압 배출구를 제1 유체 라인(210)을 통해 제1 액츄에이터(101)의 챔버(105)와 연결한다. 동시에, 컨트롤러는 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)가 제2 유체 라인(211)을 통해 제2 펌프(202)의 저압 포트로 연결되도록 독립적 솔레노이드 밸브(711d)를 개방한다. 한편, 제2 펌프(202)가 제1 액츄에이터(101)의 피스톤을 수축시키는 데에 이용된다면, 펌프(202)의 고압 유체 포트가 제1 챔버(104)에 연결되는 반면, 저압 유체 포트는 제2 챔버(105)에 연결된다. 이를 위해, 컨트롤러는 독립적 밸브들(711c, 711b)을 개방하는 반면, 밸브들(711a, 711d)은 폐쇄된 채로 남아 있다.

밸브 배열(710)의 제2 브리지 제어 밸브(712)의 기능은 실질적으로 제1 브리지 제어 밸브(711)의 기능과 동일하다. 물론, 제1 브리지 제어 밸브(711)와 대조적으로, 제2 브리지 제어 밸브(712)는 제2 펌프(202)를 제2 액츄에이터(2012)에 선택적으로 연결한다. 도 1c에 나타낸 실시예의 밸브 배열(710)이 제2 회로(203)의 고압 및 저압 유체 라인들의 개별적인 미터링을 허용한다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 제1 브리지 제어 밸브(711)는 제1 액츄에이터(101)를 확장할 때 독립적 미터링 밸브(711a)를 통해 제2 펌프(202)의 고압 유체 유동이 미터링되도록 허용하는 한편, 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104) 밖으로 밀려나는 유체는 밸브(711d)를 따른 미터링 없이 제2 펌프의 저압 포트로 연결될 수 있다. 즉, 도 1c에 나타낸 실시예의 브리지 밸브 배열은 제1 및 제2 유체 라인들(210, 211)에서 유체 유동들의 서로 다른 미터링을 허용한다.

도 1d에서, 본 발명에 따른 유압 시스템의 다른 실시예가 나타나 있다. 도 1c에 따른 실시예의 부분들과 동일한 도 1d에 나타낸 실시예의 각 부분들은 동일한 참조 부호들이 부여되어 있다. 도 1c의 반-공동현상 시스템들(anti-cavitation system)(130, 330)과는 대조적으로, 도 1d에 나타낸 실시예는 파일럿 작동 체크 밸브들을 더 이상 필요로 하지 않는 반-공동현상 시스템들(131, 331)을 보여주고 있다. 대신 도 1d의 실시예는 제1 제어 밸브(711)를 제1 액츄에이터(101)과 연결하는 유체 라인들에 제공된 제1 및 제2 압력 센서들(730, 731)을 포함한다. 특히, 제1 압력 센서(730)는 제1 제어 밸브(711)과 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104) 사이에서 제1 유체 라인에 배치된다. 제2 압력 센서(731)는 제1 제어 밸브(711)와 제1 액츄에이터(101)의 제2 챔버(105) 사이에서 유체 라인에 제공된다. 제3 및 제4 압력 센서들(732, 733)은 제2 제어 밸브(712)를 제2 액츄에이터(201)와 연결하는 유체 라인들에 제공된다. 특히, 제3 압력 센서(732)는 제2 제어 밸브(712)오 제2 액츄에이터(201)의 제1 챔버(204) 사이에서 제1 유체 라인에 배열된다. 제2 압력 센서(733)는 제2 제어 밸브(712)와 제2 액츄에이터(201)의 제2 챔버(205) 사이에서 유체 라인에 제공된다.

도 1d의 실시예에 따르면, 브리지 밸브로서 구성된 제1 제어 밸브(711)는 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)와 제2 챔버(105) 사이에서 체적 차이를 보상하는 데에 이용될 수 있다. 이를 위해, 제1 및 제2 압력 센서들(730, 731)이 제어 유닛에 연결될 수 있는데, 이것은 제1 제어 밸브(711)의 독립적 미터링 밸브들(711a, 711b, 711c, 711d)을 차례로 제어한다. 제1 및 제2 압력 센서들(730, 731)은 제1 및 제2 챔버들(104, 105) 중 어느 것이 부하를 받고 부하를 받지 않는지를 각각 결정하기 위해 제1 액츄에이터(101)를 가로질러 압력을 측정한다. 그러면 제1 제어 밸브(711)는 부하를 받지 않는 챔버를 유체 복귀 라인, 즉 제2 유체 회로(203)의 제2 유체 라인(211)으로 연결할 수 있다. 보다 상세하게, 제1 챔버(104)가 저항성 부하를 받는다면, 피스톤은 제2 챔버(105)를 향해 움직일 것인데, 그러면 제2 챔버가 부하 해제되고 유압 유체는 제2 챔버(105)로부터 배출될 것이다. 로드측 제1 챔버(104)와 헤드측 제2 챔버(105) 사이의 체적 차이로 인해, 제1 유체 회로(103)에는 제1 제어 밸브(711)를 통해 해제될 수 있는 초과적인 유압 유체가 공급될 것이다.특히, 위와 같은 시나리오에서, 제어 유닛은 제2 챔버(105)를 유체 복귀 라인, 즉 제2 유체 라인(211)과 연결하기 위해 미터링 밸브(711b)를 개방할 수 있다. 제1 액츄에이터(101)가 확장되면, 즉 제2 챔버(105)가 저항성 부하를 받으면, 부하를 받지 않는 제1 챔버(104)가 제1 제어 밸브(711)를 통해 유체 복귀 라인, 즉 제2 유체 라인(211)과 연결될 수 있다. 상세하게는, 제어 유닛은 제1 액츄에이터(101)의 제1 챔버(104)를 제2 유체 라인(211)과 연결하기 위해 미터링 밸브(711d)를 개방할 수 있다. 숙련된 사람이라면, 제1 액츄에이터가 오버런 하는 경우, 그 반대도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 제2 제어 밸브(712)는 제2 액츄에이터(201)의 챔버들(204, 205) 사이의 체적 차이를 보상하기 위해 유사한 방식으로 이용될 수 있다.

본 유압 시스템의 다른 실시예가 도 1e에 나타나 있다. 도 1a에 따른 실시예의 부분들과 동일한 이 실시예의 각 부분들은 동일한 참조 부호가 부여되어 있다. 도 1e에 따른 실시예는 다른 밸브 배열(720)을 보여주는데, 이는 도 1a에서 도 1d에 나타낸 밸브 배열들(700, 710)과는 다르다. 도 1e에 나타낸 밸브 배열(720)은 제1 및 제2 제어 밸브들(721, 722)을 구비하는데, 이들 각각은 제1 및 제2 독립적 미터링 스풀 밸브들(721a, 721b, 722a, 722b)을 포함한다. 도 1c의 실시예와 유사하게, 독립적 미터링 밸브들(721a, 721b)은, 제2 펌프(202)와 제1 액츄에이터(101) 사이에서 제1 및 제2 유체 라인들(210, 211)에서의 유체 유동을 개별적으로 미터링하는 데에 이용될 수 있다. 유사하게, 제2 제어 밸브(722)의 제1 및 제2 스풀 밸브들(722a, 722b)은 제1 및 제2 유체 유동 라인들(210, 211)과 제2 액츄에이터(201)의 챔버들(204, 205) 사이에서 유체 유동을 독립적으로 미터링하는 데에 이용될 수 있다.

이전에 언급된 바와 같이, 제1 및 제2 펌프들(102, 202)은 전기 또는 연료 모터(800)와 같은 임의의 원동기에 의해 구동될 수 있는데, 이 원동기는 공통 연결축(801)을 통해 펌프들 각각에 연결된다. 도 1f에 나타낸 본 발명의 다른 실시예에서, 각 펌프들(102, 202, 302, 902)은 별도의 원동기(810, 820, 830, 840)에 연결되어 있다. 특히 도 1f의 실시예에서, 원동기들(810, 820, 830, 840)은 연결축들(811, 821, 831)을 통해 그들의 각 펌프(122, 222, 322, 902)에 연결되어 있다. 원동기들 또는 모터들(810, 820, 830, 840)은 바람직하게는 연결축(811, 821, 831, 841)을 가변적인 회전 속도로 구동하고 이로써 그들 각각의 펌프들(122, 222, 322, 902)의 출력 유동율을 가변시키도록 적용되어 있다. 원동기들 또는 모터들(810, 820, 830)을 통해 개별적인 연결축들(811, 821, 831)의 회전 속도를 변경함으로써 출력 유동율이 제어 가능하므로, 이 실시예의 제1, 제2 및 제3 펌프들(122, 222, 322)은 따라서 고정 용적형 펌프들일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 대안적으로, 모터들(810, 820, 830, 840)은 단일 속도 모터들일 수 있으며, 연결축들(811, 821, 831, 841)을 가변적인 회전 속도로 구동하도록 모터(810, 820, 830, 840)의 출력을 연결축들(811, 821, 831, 841)과 연결하는 조정 가능한 기어 메커니즘을 포함할 수 있다.

도 1g에 나타낸 다른 실시예에 따르면, 도 1a의 제1 실시예와 유사하게 유압 시스템이 다시 공통축(801)을 구동하도록 적용된 단일한 원동기 또는 모터(800)를 포함한다. 또한, 이 실시예의 동일한 부분들은 동일한 참조 번호가 부여되어 있다. 도 1a의 실시예와는 대조적으로, 도 1g의 실시예는 공통축(801)과 제1, 제2, 제3 펌프(122, 222, 322) 각각의 사이에 배치된 가변 비율 메커니즘(840, 850, 860)을 보여준다. 가변 비율 메커니즘(840)은 제1 펌프(122)의 구동축(841)을 모터(800)의 공통 구동축(801)으로 연결한다. 제2 가변 비율 메커니즘(850)은 제2 펌프(222)의 제2 구동축(851)을 공통축(801)으로 연결한다. 제3 가변 비율 메커니즘(860)은 제3 펌프(322)의 제3 구동축(861)을 공통축(801)으로 연결한다. 가변 비율 메커니즘들(840, 850, 860)은 공통 구동축(801)의 회전 속도를, 제1, 제2 또는 제3 펌프들(122, 222, 322)을 각각 구동하는 데에 요구되는 제1, 제2 및 제3 구동축(841, 851, 861)의 회전 속도로 변환한다. 이와 같이, 가변 비율 메커니즘들(840, 850, 860)은 기어, 벨트 또는 체인 메커니즘과 같은 임의의 공통적으로 활용 가능한 형태를 구비할 수 있다. 따라서 도 1f의 실시예와 유사하게, 스워시 플레이트 펌프들과 같은 가변 용적형 펌프들을 제공할 필요가 없으며, 따라서 펌프들(122, 222, 322)은 고정 용적형 펌프들로 도시되어 있다. 물론 가변 용적형 펌프들도 여전히 제1 및 제2 펌프들로서 이행될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)의 전형적인 사용 주기가 도 5에 나타나 있다. 특히, 도 5는 180도 적재 과정을 수행하는 엑스커베이터의 사용 주기를 보여주고 있다. 이 예에서, 제1 액츄에이터는 붐 액츄에이터인 반면, 제2 액츄에이터는 엑스커베이터의 암/디퍼 액츄에이터이다. 이 챠트는 180도 적재 사용 주기 동안 서로 다른 시점에서 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)의 유동 요구를 보여준다. 실선은 제1 액츄에이터(101)에 공급되는 유동을 나타내며 점선은 제2 액츄에이터(201)에 공급되는 유동을 가리킨다. 숙련된 사람이라면 서로 다른 유동율이 사용 주기의 서로 다른 시점에서 요구된다는 점을 이해할 것이다. 이 특정한 예에서, 제1 액츄에이터에 의해 요구되는 유동율들(도 5에서 실선)은 2개의 분명한 피크들을 보이는 한편, 대부분의 사용 주기에 대해 유동 요구는 상대적으로 낮다. 매우 유사한 거동이 제2 액츄에이터(도 6에서 점선)에 대해 나타나 있는데, 이는 하나의 분명한 피크만을 포함한다.

특히, 도 5의 챠트는 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)에 의해 요구되는 피크 유동의 백분율을 180도 적재 사용 주기 동안 임의의 지점에서 보여주고 있다. 100% 수평선은 제1 및 제2 펌프들 또는 제3 및 제2 펌프들의 유체 유동을 각각 조합함으로써 제1 또는 제2 액츄에이터들 각각에 제공될 수 있는 피크 유동을 지칭한다는 것이 이해되어야 한다. 이와 같이, 100%는 앞서 규정된 바와 같은 최소 싸이클 타임을 성취하기 위해 필요한 피크 유동율과 관련되어 있다.

명백하게도, 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)은 도 5에 나타낸 대부분의 사용 주기 동안 피크 유동율의 50% 미만만을 요구한다. 앞서 언급된 바와 같이, 제1 및 제3 펌프들(102, 302)은 그 최대 출력 유동이 제1 액츄에이터를 상기 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25%에서 75%, 보다 바람직하게는 45%에서 55%에 상당하도록 크기가 정해질 수 있다. 일례로서, 제1 및 제3 펌프(102, 302)의 최대 유동 출력율이 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)을 최소 싸이클 타임을 성취하기에 충분한 속도로 작동시키는 데에 필요한 피크 유동율의 50%에 상당한다면, 도 5에 나타낸 50% 수평선 아래의 임의의 유체 유동 요구는 제1 또는 제3 펌프(102, 302)를 이용하는 것만으로 제공될 수 있다.

제1 액츄에이터의 그래프(실선)를 특히 참조하면, 이것은 도 5에 나타낸 시간 간격들(T1, T3, T5) 동안 제1 액츄에이터가 제2 펌프(202)로부터의 추가적인 유체 유동의 필요 없이 제1 펌프(102)로부터의 유체 유동을 배타적으로 공급받을 수 있다는 것을 의미한다. 시간 간격(T2, T4)에서만, 즉 제1 액츄에이터가 더 높은 속도(즉, 더 높은 유동율 및 더 짧은 싸이클 타임이 요구됨)로 움직여질 때에만 제2 펌프(202)로부터의 보조가 필요하다. 바꾸어 말해, 제1 펌프(102)의 유체 유동은 간격들(T2, T4)에서만 제2 펌프(202)로부터의 유체 유동에 의해 보조된다. 도 5에 나타낸 사용 주기는 전형적인 180도 적재 싸이클만을 지칭하며, 따라서 다른 사용 주기들은 실질적으로 더 높거나 더 낮은 유동 요구를 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러나 각각의 액츄에이터들에서 피크 유동은 조작자에 의해 드물게만 요청되며, 따라서 사용 주기의 대부분은 피크 유동의 25에서 75%에 달하는 유동율로 수행된다는 것이 일반적으로 밝혀졌다. 따라서, 제1 및 제3 펌프들이 피크 유동의 25에서 75%에 관련된 최대 출력 유동을 만들어내도록 크기를 정하는 것이 시스템의 에너지 효율을 상당히 증대시킨다는 것이 밝혀졌다.

다른 실시예가 도 2에 나타나 있다. 도 1a에 따른 실시예의 부분들과 동일한 이 실시예의 각 부분들은 동일한 참조 부호가 부여되어 있다. 도 2의 실시예는 추가적인 제3 액츄에이터(301)를 보여주는데, 이는 제4 유체 회로(403)을 통해 제4 펌프(402)에 연결된다. 제3 액츄에이터는 엑스커베이터 버킷의 작동을 위한 유압 실린더와 같은 또 다른 리니어 액츄에이터로서 묘사되어 있다. 제1 액츄에이터(101)와 유사하게, 제3 액츄에이터는 제1 및 제2 챔버들(304, 305)를 포함하는데, 이들은 양방향 제4 펌프(402)의 분리된 포트들에 연결된다. 도시된 제4 유체 회로가 바람직하게는 자급자족할 수 있다. 즉, 제4 펌프(402)는 제3 액츄에이터(예컨대 엑스커베이터 버킷)를 조작자에 의해 요구되는 임의의 속도로 구동하기에 충분한 크기로 되어 있다. 그러나 숙련된 독자라면 제3 회로(303) 역시 예컨대 제1 및 제2 제어 밸브들(701, 702)와 유사한 제3 제어 밸브를 통해 제2의 추가 펌프(202)에 연결될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 2의 실시예가 도 1a와 동등한 모터(800) 및 스풀 밸브들(701, 702)를 보여준다면, 도 1c 내지 도 1g에 나타낸 대안적인 밸브 배열들 및 원동기들도 도 2에 나타낸 유압 시스템에서 활용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

본 발명의 다른 실시예가 도 3에 나타나 있다. 도 3은 도 2에 나타낸 실시예와 대부분 대응하며, 상응하는 부분들은 동일한 참조 부호가 부여되어 있다.

도 3에 나타낸 유압 시스템은 제4 액츄에이터(401)를 더 포함하는데, 이는 제4 폐쇄 루프 회로(503)에서 제5 가변 용적형 펌프(502)에 연결된다. 제4 액츄에이터(401)는 수직축 둘레로 엑스커베이터를 선회시키는 데에 이용될 수 있는 선회 모터와 같은 회전 모터일 수 있다. 이 실시예의 제5 펌프(502)는 제1 및 제2 유체 라인들(510, 511)을 통해 제4 액츄에이터(401)의 제1 및 제2 인입 포트들에 연결된 양방향 가변 용적형 펌프이다. 도 3으로부터 도출될 수 있는 바와 같이, 제4 회로(503)는 제1 내지 제4 회로들(103, 203, 303, 403) 중 어느 것과도 연결되어 있지 않다. 그러나 제2 회로(203)의 제2 펌프(202)가 밸브 배열(700)을 통해 제4 액츄에이터(401)에 연결될 수 있게 배치하는 것도 일반적으로 가능하다.

도 4의 실시예에 묘사된 바와 같이, 제1 및 제3 펌프들(102, 302)은 제5 및 제6 액츄에이터들(501, 601)에 더 연결될 수 있다. 보다 상세하게, 제1 펌프(102)는 제3 및 제4 유체 라인들(610, 611)을 통해 제5 액츄에이터(501)의 인입 포트에 연결될 수 있다. 제1 펌프(102)와 제5 액츄에이터(501) 사이의 연결은 제1 액츄에이터(101)가 사용 중일 때 전환 밸브(150)에 의해 차단될 수 있다. 유사하게, 전환 밸브(150)는 제1 펌프(102)가 제5 액츄에이터(501)를 구동하는 데에 이용되고 있을 때 제1 펌프(102)와 제1 액츄에이터(101) 사이의 연결을 차단하는 데에 이용될 수 있다. 제5 액츄에이터(501)는 회전 액츄에이터일 수 있는데, 이는 엑스커베이터의 트랙들 중 하나(즉, 좌측 트랙)에 대한 주행 모터로서 이용된다. 따라서, 제1 펌프(102)는 제1 액츄에이터(101)에 가압 유체를 공급하도록 구성될 뿐만 아니라, 엑스커베이터의 좌측 트랙을 구동하기 위해 제5 액츄에이터(501)에도 이어서 공급할 수 있다.

제1 펌프(102)가 전환 밸브(150)를 통해 제5 액츄에이터(501)에 연결되어 있을 때(미도시된 상태), 제1 액츄에이터(101)는 제1 펌프(102)로부터 차단된다. 그러나 제1 펌프(102)가 제5 액츄에이터(501)를 구동하는 데에 이용되고 있을 때 제2 펌프(202)를 통해 제1 액츄에이터(101)를 구동하는 것은 여전히 가능하다. 이와 같이, 도 4의 시스템은 제1 펌프(102)에 의해 제5 액츄에이터(501)를 구동하는 데에 이용될 수 있으며, 동시에 제2 펌프(202)에 의해 리니어 제1 액츄에이터(101)를 작동시키는 데에 이용될 수 있는데, 여기서 제2 펌프는 제1 제어 밸브(701)를 통해 제1 액츄에이터(101)에 연결된다.

제3 펌프(302)는 차례로 제3 및 제4 유체 라인들(910, 911)과 전환 밸브(350)를 통해 제6 액츄에이터(601)에 연결될 수 있다. 따라서, 제3 펌프(302)는 이어서 가압 유체를 제2 액츄에이터(201)와 제6 액츄에이터(601)로 공급하는 데에 이용될 수 있다. 제6 액츄에이터(601)는 엑스커베이터의 나머지 트랙(즉, 우측 트랙)을 구동하기 위한 주행 모터와 같은 회전 액츄에이터로서 구성된다. 제1 액츄에이터(101)와 유사하게, 제2 액츄에이터(201)는 제2 펌프(202)를 제2 액츄에이터(201)에 연결함으로써 제6 액츄에이터(601)와 동일한 시간에 작동될 수 있다.

결론적으로, 제5 및 제6 액츄에이터들(501, 601)을 통해 엑스커베이터를 주행시킬 때, 도 4에 나타낸 제8 실시예의 제1 및 제2 펌프들(102, 302)은 주행 목적을 위해 배타적으로 사용된다. 제1 및 제2 액츄에이터들(101, 201)이 주행 중에 사용된다면, 각각의 유체 유동은 제2 펌프(202)에 의해 밸브 배열(700)의 제어 밸브들(701, 702)을 통해 배타적으로 공급된다.

도 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 2, 3, 4에 나타낸 실시예에서, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 펌프들(102, 202, 302, 402, 502)은 펌프들(102, 202, 302, 402, 502) 각각을 내연기관 또는 전기 모터와 같은 단일한 원동기 또는 구동 모터(800)에 연결하는 공통 구동축(801)에 의해 구동된다. 구동 모터(800)는 또한 공통 구동축(801)을 통해 차지 펌프(902)에 연결된다. 도 1f 및 도 1g와 관련하여 앞서 언급된 바와 같이, 본 발명은 이 특정한 구동 배열에 한정되지 않는다. 예를 들어, 임의의 원동기가 펌프들을 구동하는 데에 이용될 수 있고, 펌프들은 도 1f에 나타낸 바와 같이 복수의 구동축들을 통해 복수의 원동기들에 연결될 수 있다. 대안적으로, 펌프들은 도 1g에 묘사된 바와 같이 가변 비율 메커니즘들을 통해 공통 구동축에 연결될 수 있다.

차지 펌프(902)는 유압 저장소(901)로부터 유체 회로들로 가압된 유체를 공급함으로써 유압 시스템의 시스템 압력을 유지하도록 구성된다. 이를 위해, 유체 회로들 각각은, 차지 펌프(902)가 약간 상승된 압력을 유지하도록 허용하는 체크 밸브들을 구비한 반-공동현상 배열(130, 230, 330, 430, 530)을 포함한다. 반-공동현상 시스템들(130, 230, 330, 430, 530) 각각은 각각의 유체 회로들의 작동 중에 고압 손상을 방지하기 위해 압력 릴리프 밸브들을 더 포함한다.

본 발명은 첨부된 도면들에 나타낸 실시예를 참조로 설명된 특정한 실시예들로 한정되지 않는다. 특히, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5 펌프들(102, 202, 302, 402, 502)은 고정 용적형 또는 가변 용적형, 단방향 또는 양방향 및/또는 가역/비가역(reversible/non-reversible) 펌프들일 수 있다. 유사하게, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6 액츄에이터들(101, 201, 301, 401, 501, 601)은 도시된 특정한 적용예로 한정되지 않으며, 건설 기계의 각 부분들을 움직이는 데에 적합한 임의의 타입의 액츄에이터일 수 있다.

이하의 조항들은 이전에 설명된 유압 시스템 및 건설 기계의 일례들을 언급하고 있다.

1. 유압 시스템으로서,

- 제1 액츄에이터;

- 제1 회로를 통해 제1 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제1 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제1 펌프;

- 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터에 연결될 수 있는 제2 펌프;

- 제2 액츄에이터;

- 제2 회로를 통해 제2 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제2 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제3 펌프

를 포함하고,

제2 펌프는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터에 연결될 수 있고, 제2 펌프는 제1 및 제2 액츄에이터들에 선택적으로, 그리고 동시적으로 연결될 수 있는 유압 시스템.

2. 조항 1의 유압 시스템으로서, 제1 회로는 폐쇄 루프 회로인 유압 시스템.

3. 조항 1 또는 2의 유압 시스템으로서, 제2 회로는 폐쇄 루프 회로인 유압 시스템.

4. 조항 1 내지 조항 3 중 어느 하나의 유압 시스템으로서, 제1 펌프는 가변 용적형 펌프이고, 및/또는 제2 펌프는 가변 용적형 펌프인 유압 시스템.

5. 조항 1 내지 조항 4 중 어느 하나의 유압 시스템으로서, 제1 펌프는 제1 액츄에이터에 직접적으로 연결되거나 연결될 수 있고, 제1 제어 밸브는 제2 펌프로부터 제1 액츄에이터로 공급되는 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 비례 제어 밸브를 포함하는 유압 시스템.

6. 조항 5의 유압시스템으로서, 제1 비례 제어 밸브는 방향성, 비례 스풀 밸브, 바람직하게는 4/3 스풀 밸브인 유압 시스템.

7. 조항 5의 유압시스템으로서, 제1 비례 제어 밸브는 독립적 미터링 밸브인 유압 시스템.

8. 조항 7의 유압 시스템으로서, 독립적 미터링 밸브는 제1 유체 라인을 통해 제1 액츄에이터의 제1 챔버에, 그리고 제2 유체 라인들 통해 제1 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되되, 제1 압력 센서가 제1 유체 라인에 제공되고 제2 압력 센서가 제2 유체 라인에 제공된 유압 시스템.

8. 조항 1 내지 조항 7 중 어느 한 유압 시스템으로서, 제3 펌프는 제2 액츄에이터에 직접적으로 연결되거나 연결될 수 있고, 제2 제어 밸브는 제2 펌프로부터 제2 액츄에이터로 공급되는 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 비례 제어 밸브를 포함하는 유압 시스템.

9. 조항 8의 유압 시스템으로서, 제2 비례 제어 밸브는 방향성, 비례 스풀 밸브, 바람직하게는 4/3 스풀 밸브인 유압 시스템.

10. 조항 1 내지 조항 9 중 어느 하나의 유압 시스템으로서, 제1 펌프는 양방향 가변 용적형 펌프로서 구서되고 제2 펌프는 단방향 펌프로서 구성되며, 제1 제어 밸브는 방향성 제어 밸브인 유압 시스템.

11. 조항 10의 유압 시스템으로서, 제1 펌프는 제1 액츄에이터의 제1 챔버와 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제1 액츄에이터의 제2 챔버와 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.

12. 조항 11의 유압 시스템으로서, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트를 포함하고, 제3 펌프의 제2 포트는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 유압 시스템.

13. 조항 1 내지 조항 12 중 어느 한 유압 시스템으로서, 제3 펌프는 양방향 가변 용적형 펌프로서 구성되고, 제2 펌프는 단방향 펌프로서 구성되며, 제2 제어 밸브는 방향성 제어 밸브인 유압 시스템.

14. 조항 13의 유압 시스템으로서, 제3 펌프는 제2 액츄에이터의 제1 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제2 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.

15. 조항 14의 유압 시스템으로서, 제2 펌프의 제1 포트는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있고, 제3 펌프의 제2 포트는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 유압 시스템.

16. 조항 13 내지 조항 15 중 한 유압 시스템으로서, 제2 펌프는 유압 시스템을 상승된 유체 압력으로 유지하는 차지 펌프로서 작용하도록 배치된 유압 시스템.

17. 조항 16의 유압 시스템으로서, 제2 회로는 개방 회로인 유압 시스템.

18. 조항 17의 유압 시스템으로서, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 유압 유체 저장소로 연결된 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.

19. 조항 18의 유압시스템으로서, 제2 펌프의 제1 포트는 바이패스 밸브, 바람직하게는 가변 압력 릴리프 밸브를 통해 유압 유체 저장소로 연결된 유압 시스템.

20. 조항 1 내지 조항 19 중 한 유압 시스템으로서, 제1, 제2, 제3 펌프들은 공통 구동축을 통해 단일한 구동 모터에 연결된 유압 시스템.

21. 조항 1 내지 조항 20 중 한 유압 시스템으로서, 제1 펌프는, 제1 펌프의 최대 출력 유동율이, 제1 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25% 내지 75%, 바람직하게는 40% 내지 60%, 더욱 바람직하게는 45% 내지 55%에 상당하도록 크기가 정해진 유압 시스템.

22. 조항 21의 유압시스템으로서, 유압 시스템은, 제1 제어 밸브에 연결되고 제1 펌프의 최대 유체 출력 유동이 제1 액츄에이터에 대한 최소 싸이클 타임을 획득하는 데에 필요한 속도로 제1 액츄에이터를 움직이기에 충분하지 않을 경우 제1 제어 밸브가 제2 펌프를 제1 액츄에이터에 선택적으로 연결하게 제어하도록 적용된 컨트롤러를 포함하는 유압 시스템.

23. 조항 21 또는 조항 22의 유압 시스템으로서, 제1 제어 밸브는 비례 제어 밸브인 유압 시스템.

24. 조항 23의 유압 시스템으로서, 비례 제어 밸브는 방향성 스풀 밸브인 유압 시스템.

25. 조항 21 내지 조항 24 중 한 유압 시스템으로서, 제3 펌프는, 제3 펌프의 최대 출력 유동율이 제2 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25% 내지 75%, 바람직하게는 40% 내지 60%, 더욱 바람직하게는 45% 내지 55%에 상당하도록 크기가 정해진 유압 시스템.

26. 조항 25의 유압 시스템으로서, 유압 시스템은, 제2 제어 밸브에 연결되고 제3 펌프의 최대 유체 출력 유동이 제2 액츄에이터에 대한 최소 싸이클 타임을 획득하는 데에 필요한 속도로 제2 액츄에이터를 움직이기에 충분하지 않을 경우 제2 제어 밸브가 제2 펌프를 제2 액츄에이터에 선택적으로 연결하게 제어하도록 적용된 컨트롤러를 포함하는 유압 시스템.

27. 조항 1 내지 조항 26 중 한 유압 시스템으로서, 제1 펌프는 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%, 바람직하게는 75%에서 125%, 더욱 바람직하게는 95%에서 105%인 최대 출력 유동을 보이도록 크기가 정해진 유압 시스템.

28. 조항 1 내지 조항 27 중 한 유압 시스템으로서, 제3 펌프는 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%, 바람직하게는 75%에서 125%, 더욱 바람직하게는 95%에서 105%인 최대 출력 유동을 보이도록 크기가 정해진 유압 시스템.

29. 조항 1 내지 조항 28 중 한 유압 시스템으로서, 제1 액츄에이터는 리니어 액츄에이터인 유압 시스템.

30. 조항 29의 유압 시스템으로서, 제1 액츄에이터는 엑스커베이터 붐의 변위를 위한 유압 실린더인 유압 시스템.

31. 조항 1 내지 조항 30 중 한 유압 시스템으로서, 제2 액츄에이터는 리니어 액츄에이터인 유압 시스템.

32. 조항 31의 유압 시스템으로서, 제2 액츄에이터는 엑스커베이터 암의 변위를 위한 유압 실린더인 유압 시스템.

33. 조항 1 내지 조항 32 중 한 유압 시스템으로서, 시스템은 제3 회로를 통해 제4 펌프에 연결되거나 연결될 수 있는 제3 액츄에이터를 포함하고, 제3 액츄에이터는 리니어 액츄에이터인 유압 시스템.

34. 조항 33의 유압 시스템으로서, 제3 액츄에이터는 엑스커베이터 버킷의 변위를 위한 유압 실린더인 유압 시스템.

35. 조항 1 내지 조항 34 중 한 유압 시스템으로서, 제4 액츄에이터와, 제4 회로를 통해 제4 액츄에이터에 연결될 수 있고 제4 액츄에이터를 구동하는 데에 적용된 제5 펌프를 더 포함하는 유압 시스템.

36. 조항 35의 유압 시스템으로서, 제4 액츄에이터는 회전 액츄에이터인 유압 시스템.

37. 조항 35 또는 조항 36의 유압 시스템으로서, 제4 액츄에이터는 건설 기계의 부분들을 선회시키기 위한 유압 모터인 유압 시스템.

38. 조항 1 내지 조항 37 중 한 유압 시스템으로서, 시스템은 제5 액츄에이터를 더 포함하고, 제1 펌프는 제5 액츄에이터에 선택적으로 연결될 수 있는 유압 시스템.

39. 조항 1 내지 조항 38 중 한 유압 시스템으로서, 시스템은 제6 액츄에이터를 더 포함하고, 제3 펌프는 제6 액츄에이터에 선택적으로 연결될 수 있는 유압 시스템.

40. 조항 1 내지 조항 39 중 하나의 유압 시스템을 포함하는 건설 기계.

Claims

유압 시스템으로서,
- 제1 액츄에이터;
- 제1 회로를 통해 제1 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제1 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제1 펌프;
- 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터에 연결될 수 있는 제2 펌프;
- 제2 액츄에이터;
- 제2 회로를 통해 제2 액츄에이터에 유체적으로 연결되거나 연결될 수 있고 제2 액츄에이터를 구동하도록 적용된 제3 펌프
를 포함하고,
제2 펌프는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터에 연결될 수 있고, 제2 펌프는 제1 및 제2 액추에이터들에 선택적으로, 그리고 동시적으로 연결될 수 있어 제1 펌프로부터의 유체 유동 및/또는 제3 펌프로부터의 유체 유동을 보조하기 위해 추가 유체 유동(top-up fluid flow)을 제공하며, 상기 유압 시스템은 제2 펌프가 유압 시스템을 상승된 유체 압력으로 유지하는 차지 펌프로서 작용하도록 구성되는, 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1 회로는 폐쇄 루프 회로인 유압 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 펌프는 가변 용적형 펌프이고, 및/또는 제2 펌프는 가변 용적형 펌프인 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1 펌프는 제1 액츄에이터에 직접적으로 연결되거나 연결될 수 있고, 제1 제어 밸브는 제2 펌프로부터 제1 액츄에이터로 공급되는 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 비례 제어 밸브를 포함하는 유압 시스템.
제4항에 있어서, 제1 비례 제어 밸브는 방향성, 비례 스풀 밸브이고, 및/또는 제2 비례 제어 밸브는 방향성, 비례 스풀 밸브인 유압 시스템.
제4항에 있어서, 제1 비례 제어 밸브는 독립적 미터링 밸브이고, 이 독립적 미터링 밸브는 제1 유체 라인을 통해 제1 액츄에이터의 제1 챔버에, 그리고 제2 유체 라인들 통해 제1 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되되, 제1 압력 센서가 제1 유체 라인에 제공되고 제2 압력 센서가 제2 유체 라인에 제공되며, 유압 시스템은 제1 및 제2 압력 센서들로부터 압력 정보를 수신하도록 적용된 제어 유닛을 포함하고, 제어 유닛은 압력 정보에 따라 독립적 미터링 밸브가 제1 또는 제2 챔버 중 하나를 유체 복귀 라인으로 연결시키게 제어하도록 구성된 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제3 펌프는 제2 액츄에이터에 직접적으로 연결되거나 연결될 수 있고, 제2 제어 밸브는 제2 펌프로부터 제2 액츄에이터로 공급되는 유체 유동을 가변적으로 제한하도록 적용된 비례 제어 밸브를 포함하는 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1 펌프는 양방향 가변 용적형 펌프로서 구서되고 제2 펌프는 단방향 펌프로서 구성되며, 제1 제어 밸브는 방향성 제어 밸브인 유압 시스템.
제8항에 있어서, 제1 펌프는 제1 액츄에이터의 제1 챔버와 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제1 액츄에이터의 제2 챔버와 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.
제9항에 있어서, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트 및 유압 유체 저장소에 연결되는 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제3 펌프는 양방향 가변 용적형 펌프로서 구성되고, 제2 펌프는 단방향 펌프로서 구성되며, 제2 제어 밸브는 방향성 제어 밸브이고, 제3 펌프는 제2 액츄에이터의 제1 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 제2 액츄에이터의 제2 챔버에 연결되거나 선택적으로 연결될 수 있는 제2 포트를 포함하는 유압 시스템.
제11항에 있어서, 제2 펌프의 제1 포트는 제2 제어 밸브를 통해 제2 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있고, 제2 펌프의 제2 포트는 유압 유체 저장소에 연결되는 유압 시스템.
제11항 또는 제12항에 있어서, 제2 회로는 개방 회로이고, 제2 펌프는 제1 제어 밸브를 통해 제1 액츄에이터의 제1 또는 제2 챔버로 선택적으로 연결될 수 있는 제1 포트와, 유압 유체 저장소로 연결된 제2 포트를 포함하고, 제2 펌프의 제1 포트는 바이패스 밸브를 통해 유압 유체 저장소로 연결된 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1, 제2, 제3 펌프들은 공통 구동축을 통해 단일한 구동 모터에 연결된 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1 펌프는, 제1 펌프의 최대 출력 유동율이, 제1 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25% 내지 75%에 상당하도록 크기가 정해진 유압 시스템.
제15항에 있어서, 유압 시스템은, 제1 제어 밸브에 연결되고 제1 펌프의 최대 유체 출력 유동이 제1 액츄에이터에 대한 최소 싸이클 타임을 획득하는 데에 필요한 속도로 제1 액츄에이터를 움직이기에 충분하지 않을 경우 제1 제어 밸브가 제2 펌프를 제1 액츄에이터에 선택적으로 연결하게 제어하도록 적용된 컨트롤러를 포함하는 유압 시스템.
제15항 또는 제16항에 있어서, 제3 펌프는, 제3 펌프의 최대 출력 유동율이 제2 액츄에이터를 미리 정해진 최소 싸이클 타임으로 구동하는 데에 필요한 피크 유동율의 25% 내지 75%에 상당하도록 크기가 정해진 유압 시스템.
제17항에 있어서, 제2 제어 밸브에 연결되고 제3 펌프의 최대 유체 출력 유동이 제2 액츄에이터에 대한 최소 싸이클 타임을 획득하는 데에 필요한 속도로 제2 액츄에이터를 움직이기에 충분하지 않을 경우 제2 제어 밸브가 제2 펌프를 제2 액츄에이터에 선택적으로 연결하게 제어하도록 적용된 컨트롤러를 포함하는 유압 시스템.
제1항에 있어서, 제1 펌프는 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%인 최대 출력 유동을 보이도록 크기가 정해지고, 및/또는 제3 펌프는 제2 펌프의 최대 출력 유동의 50%에서 150%인 최대 출력 유동을 보이도록 크기가 정해진 유압 시스템.
제1항에 있어서, 유압 시스템은 제1 및/또는 제2 액츄에이터의 작동 중에 제1 및/또는 제2 액츄에이터로부터의 복귀 유동이 시스템을 충전하도록 구성되는, 유압 시스템.
제1항의 유압 시스템을 포함하는 건설 기계.