KR20120040684A - 유압 시스템 및 그러한 유압 시스템을 포함하는 작동 기계 - Google Patents

유압 시스템 및 그러한 유압 시스템을 포함하는 작동 기계 Download PDF

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KR20120040684A
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보 비그홀름
안드레아스 에크발
킴 하이브로엑
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볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비
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Abstract

작동 기계(101)용 유압 시스템이 개시된다. 시스템은 적어도 하나의 일 함수(1;217, 221, 203) 및 일 함수로 그리고 일 함수로부터 유압 유체를 제어하기 위한 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c), 및 일 함수로부터 에너지를 복원하기 위하여 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에 연결되는 복원 유닛(9; 295; 595)을 포함한다. 시스템은 리턴 포트에서 유압 유체의 압력을 제한하기 위한 수단(11; 287b, 289b, 291b)을 더 포함하는데, 상기 압력 제한 수단은 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에서 최대 허용가능 압력을 설정하도록 배열되는 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)를 가지며, 상기 압력은 제어 유닛(13; 213)에 의한 파일럿 작동형 밸브의 제어에 의해 가변된다.

Description

유압 시스템 및 그러한 유압 시스템을 포함하는 작동 기계{A HYDRAULIC SYSTEM AND A WORKING MACHINE COMPRISING SUCH A HYDRAULIC SYSTEM}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 유압 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 유압 시스템을 포함하는 작동 기계에 관한 것이다.
휠 로더(wheel loader) 형태의 작동 기계는 작동 기계의 기구 및 조향(프레임 조향)의 올림과 틸팅과 같이, 유압으로 제어되는 복수의 서로 다른 일 함수(work function)을 갖는다. 각각의 일 함수의 제어는 유압 실린더 형태의 선형 모터와 같은, 유압 액츄에이터(actuator)를 거쳐 수행된다.
아래에 본 발명이 휠 로더의 작동과 관련되어 설명될 것이다. 이는 바람직하나, 본 발명의 적용을 한정하지는 않는다. 본 발명은 또한 다른 형태의 작동 기계 혹은 유압 일 함수을 갖는 작동 차량을 위하여 이용될 수 있다. 그것은 또한 예를 들면 연접식 양승기(articulated hauler), 백호우 로더(backhoe loader), 굴삭기, 혹은 트랙터와 같은 농업용 기계일 수 있다.
본 발명의 유압 시스템은 바람직하게는 로드 센싱 형태(load sensing type, LS systems)이다. 이는 시스템에 유압 오일을 공급하는 펌프가 구동된 유압 실린더(들)로부터 압력(로드 센싱 신호를 거쳐)을 감지하는 것을 의미한다. 펌프는 그때 유압 실린더 내의 압력보다 약간 높은 압력을 설정한다. 그것에 의해, 유압 실린더 외부로의 유압 오일의 흐름이 획득된다. 펌프 및 유압 실린더 사이에 제어 밸브(또한 조정 밸브(manoeuvre valve)로 불림)가 위치된다. 유압 실린더로의 흐름의 규모는 구동된 제어 밸브가 얼마나 많이 개방되어 조절되는가에 의해 결정된다.
로드 센싱 형태의 본 발명의 유압 시스템에서, 복원될 수 있는 에너지는 손실된다. 일어날 수 있는 에너지 손실의 몇몇 예들이 아래에 설명될 것이다.
에너지 손실이 일어날 수 있는 작동 모드는 버킷, 혹은 컨테이너와 같이, 작업 기구(work implement)을 내릴 때인데, 상기 작업 기구의 고유 무게(및 일부 경우에는 로드)는 유압 실린더 내의 피스톤을 구동한다. 여기서, 제어 밸브를 가로질러 일반적으로 압력 강하가 발생하는데, 그 이유는 돌아온 유압 오일이 탱크로 배수되고, 그것이 차례로 에너지 손실(열)을 야기하기 때문이다. 에너지 손실이 일어날 수 있는 또 다른 작동 모드는 이른바 백업 압력(back-up pressure)이다. 작동 기계의 조향이 사용될 때, 돌아온 유압 오일은 저크(jerk) 없이 적절한 조향을 획득하기 위한 목적으로 약 10-40 바(bar) 규모의 역압력(back pressure)으로 가압된다. 이러한 백업 압력은 결국 에너지 손실에 이르게 한다. 에너지 손실이 일어날 수 있는 또 다른 작동 모드는 이른바 서로 다른 일 함수의 평행 작동(parallel operation) 동안이다. 복수의 일 함수을 위하여 일반적으로 단일 커먼 밸브(common valve)가 사용된다. 그러나, 이러한 일 함수은 서로 다른 압력을 필요로 할 수 있는데, 이는 펌프가 가정 높은 필요 압력에 따라 조절되어야만 한다는 것을 의미한다. 이는 서로 다른 압력 요구조건을 갖는 두 가지의 일 함수의 평행 작동 동안에, 압력이 가장 낮은 압력을 필요로 하는 일 함수을 위하여 감소되어야만 한다는 것을 의미한다. 가장 낮은 압력을 필요로 하는 일 함수을 위하여 제어 밸브를 가로질러 일어나는 압력 강하는 에너지 손실을 야기한다.
앞서 정의된 종류의 유압 시스템을 생산하는 것이 본 발명의 목적이며, 상기 시스템은 유압 시스템 및/또는 그러한 유압 시스템이 제공되는 작동 기계의 더 효율적인 작동을 위한 조건을 만든다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 유압 시스템에 의해 달성된다.
제어 밸브 유닛을 가로지른 압력 강하에 의해 일어나는 손실을 갖는 대신에, 에너지는 복원 유닛(recovery unit)으로 복원될 수 있다. 압력 제한 수단은 제어 유닛에 의해 파일럿 작동형 밸브를 제어함으로써 압력이 변경될 수 있는, 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(return port)에서의 최대 허용가능 압력을 설정하도록 적용된 파일럿 작동형(pilot-operated) 밸브를 포함하기 때문에, 일 함수로부터 복원되려는 원하는 에너지의 양을 위한 상한이 선택될 수 있다.
설정 최대 압력은 또한 제어 밸브 유닛을 가로지른 최소의 가능한 압력 강하를 결정한다. 일 함수로부터 유압 오일의 리턴 흐름(return flow)은 복원 유닛을 통하여 흐를 것이며 복원 유닛이 설정 최대 허용가능 압력보다 더 높은 역압력을 생산하지 않는 한 에너지는 복원될 것이다. 본 발명은 실제 작동 모드에서 다양한 방법에 따라 에너지 복원을 제어하는 조건을 생성한다.최대 허용가능 압력의 범위에서, 제어 밸브 유닛을 가로지른 압력 강하는 복원 유닛으로부터의 저항에 의해 결정될 것이다. 많은 경우에 있어서, 제어 밸브 유닛을 가로지른 압력 강하는 에너지 복원을 최대화하기 위하여 가능한 한 적으나, 유압 유체의 요청된 리턴 흐름의 조절을 달성하기에 충분히 큰 것이 바람직하다. 복원 유닛은 예를 들면, 에너지를 복원할 때 유압 모터로서 기능을 하는 유압 기계일 수 있다. 복원된 에너지는 직접 소비자로 향하거나 혹은 적절한 방식으로 저장될 수 있다.
비록 복원 유닛이 실제 유압 시스템에 적용되어도, 몇몇 경우에 있어서 시간의 특정 지점에서 잠재적으로 복원될 수 있는 모든 에너지는 저장될 수 없거나 혹은 즉시 소비된다. 그러한 경우에 있어서, 에너지의 특정 양은 종래의 방식으로 제어 밸브 유닛 및/또는 파일럿 작동형 밸브를 가로지른 압력 강하로부터 야기하는 열 형태로 여전히 방출될 수 있다. 특정 조전에서 단지 제한된 에너지 복원 혹은 에너지 복원이 전혀 원치 않는 경우에 있어서, 리턴 포트에서의 최대 허용가능 압력이 낮도록 하기 위하여(의문시 되는(in question) 일 함수의 압력과 관련하여) 혹은, 후자의 경우에 있어서, 리턴 포트에서의 최대 허용가능 압력이 본질적으로 무시되도록 하기 위하여 파일럿 작동형 밸브가 제어될 수 있다. 다른 한편으로, 만일 가능한 한 많은 에너지를 복원하도록 원한다면, 최대 허용가능 압력이 높도록(논의중인 일 함수의 압력과 같은 규모이거나 혹은 더 높게) 하기 위하여 파일럿 작동형 밸브가 제어될 수 있다. 그러한 경우에 있어서 제어 밸브 유닛을 가로지른 압력 강하가 유압 유체의 요청된 리턴 흐름의 조절을 달성하기에 충분히 크도록 보장되는 것과 동시에, 원하는 복원이 획득되도록 복원 유닛이 제어된다.
용어 "제어 밸브 유닛의 리턴 포트"는 하나 혹은 몇몇의 밸브의 두 개 혹은 그 이상의 출구를 위한 일반적인 연결 지점뿐만 아니라(만일 예를 들면, 제어 밸브 유닛이 두 개의 제어 밸브를 포함하면) 하나의 밸브로부터의 하나의 분리된 출구도(만일 제어 밸브 유닛이 하나의 출구 및 하나의 리턴 포트를 포함하면) 포함한다는 것이 언급되어야만 한다. 중요한 점은 파일럿 작동형 밸브에 의해, 제어 밸브 유닛의 리턴 흐름 하류의 최대 허용가능 압력이 원하는 레벨로 제어될 수 있다는 것이다.
파일럿 작동형 밸브는 바람직하게는 전기적으로 제어될 수 있으며, 게다가 제어 밸브 유닛의 리턴 포트에서의 최대 허용가능 압력은 바람직하게는 파일럿 작동 밸브에 의해 연속적으로 가변된다. 제어 밸브 및 적절한 소프트웨어에 의해 제어 밸브 유닛의 리턴 포트에서의 압력은 조절될 수 있으며 에너지 복원을 최적화하기 위하여 실제 작동 조전으로 적용된다. 대안의 제어가능한 밸브는 정확한 방식으로 에너지를 복원하기 위한 조건을 생성한다.
위에서 설명된 것과 같이, 압력 제한 수단은 파일럿 작동형 밸브를 포함한다. 이러한 밸브는 예를 들면, 압력 제한 밸브 혹은 제어 유닛 및 압력 센서에 의해 압력 제한 밸브로서 기능을 하는, 비례 방향 밸브(proportional directional valve)일 수 있다.
용어 "파일럿 작동형" 밸브는 그것의 참조(압력 혹은 흐름)가 바람직하게는 제어 유닛으로부터, 외부 신호(전기 혹은 유압)에 의해 결정되는 밸브를 언급한다. 이는 직접 작용하는 밸브, 즉, 시스템에서 특정 조건(일반적으로 압력)에 반응하도록 적용되며, 따라서 일반적 조건과 관련하여 고정된 설정을 갖는 밸브와 비교된다. 예를 들면, 그러한 직접적인 작용 밸브는 미리 설치된 스프링에 의해 결정되는 주어진 압력 레벨을 갖는다.
본 발명은 주 펌프(main pump)에 의해 배달되는 유압 유체가 주어진 작동 조건에서 특정 일 함수를 위하여 필요한 압력을 초과하는 압력을 갖는 경우에 특히 바람직하다. 그러한 초과 압력은 일정한 압력 레벨에서 작동하는 펌프를 갖는 시스템의 결과일 수 있으나, 일 함수를 위하여 서로 다른 압력이 필요하며 그때 펌프 압력은 가장 높은 압력을 필요로 하는 일 함수로 적용되어야만 하는 두 개 혹은 그 이상의 일 함수를 위한 하나 및 동일한 펌프를 사용할 때 더 일반적이다. 만일 예를 들면, 리프팅 및 스티어링을 위한 유압 실린더가 동시에 사용되면, 리프트 기능은 200 바의 압력을 필요로 할 것이며 스티어링은 50 바의 압력을 필요로 할 것이다. 본 발명에 따른 시스템으로, 에너지 손실과 관련된 약 50 바의 스티어링에 대한 압력을 감소시키기 위하여 제어 밸브 유닛은 사용될 필요가 없을 것이다. 대신에, 50 바(200-150=50)의 필요한 압력 차이를 획득하기 위하여 복원 유닛이 150 바를 갖는 스티어링으로부터의 리턴 흐름의 압력을 승압(boost)할 수 있다. 이는 200 바의 펌프 압력이 리프트 기능 및 스티어링 기능 모두를 위하여 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 압력 강하는 대신에 복원 유닛을 가로질러 발생하기 때문에, 스티어링으로부터의 에너지는 복원될 것이며 복원된 에너지(부품 관련 손실은 예외로 하고)는 복원 유닛을 가로지른 압력 강하에 의해 증가된 복원 유닛을 통과하는 유압 유체의 볼륨의 산물에 비례할 것이다.
위에서 나타낸 것과 같이, 본 발명은 바람직하게는 복수의 일 함수를 포함하는 유압 시스템에 적용될 수 있으며, 본 발명의 일 실시 예에 따라, 유압 시스템은 관련된 각각의 제어 밸브 유닛(밸브 유닛을 제어하나, 그 결과 둘 혹은 두 개 이상이 일 함수를 위한 통상의 전체 유체 제어 수단으로 통합할 수 있는)을 갖는 복수의 일 함수를 포함하며, 각각의 일 함수를 위하여 상기 하나의 파일럿 작동형 밸브가 제공된다. 이는 효율적인 방식으로 복수의 일 함수 중 어떤 것으로부터 에너지를 복원하기 위한 조건을 생성하는 유압 시스템을 제공한다. 어던 일 함수가 복원되어야만 하며 어느 정도까지 에너지가 복원되어야만 하는가를 제어하는 것이 가능하다. 이는 작동 기계의 전체 에너지 소비를 상당히 감소시킬 수 있도록 하는 매우 유연한 시스템을 야기한다. 비록 또한 서로 다른 일 함수를 위하여 제공되는 복수의 복원 유닛을 사용하는 것이 가능할 수 있으나, 복원 유닛은 바람직하게는 상기 모든 파일럿 작동형 밸브와 평행하게 배열된다. 일 함수와 관련하여 설명되는 유압 시스템의 서로 다른 변형들이 물론 또한 두 개 혹은 그 이상의 일 함수에 적용된다는 것을 이해하여야만 한다.
제 1 일 함수를 위하여 압력을 설정함으로써, 다른 일 함수를 위한 파일럿 작동형 밸브가 낮은 압력 레벨로 설정되는 것과 동시에, 유압 기계의 특정한 가압을 가능하게 하는, 파일럿 작동형 밸브를 갖는 제 1 일 함수로부터의 유압 유체는 유압 기계로 향할 것이며, 반면에 다른 일 함수로부터의 유압 유체는 대신에 각각의 파일럿 작동형 밸브를 거쳐 탱크로 향할 것이다.
게다가, 에너지 복원과 관련된 유압 시스템의 일부가 주어진 유압 시스템에 연결될 수 있는, 개별적인 유닛으로서 디자인되는 것을 가능하게 하기 위한 조건들이 생성된다. 그러한 개별적인 유닛은 서로 다른 형태의 유압 시스템에서 하나 혹은 몇몇의 일 함수의 리턴 면에 연결될 수 있다. 따라서, 에너지 복원 시스템은 분리된 유닛으로서 만들어질 수 있으며 표준 시스템에 옵션으로서 제공된다. 아래에서, 용어 "에너지 복원 시스템"은 간단한 방식으로 기본 시스템에 연결될 수 있는 그러한 분리된 유닛을 포함할 수 있는 유압 시스템의 일부를 위하여 사용될 수 있다.
유압 시스템은 상기 적어도 하나의 일 함수에 유압 유체를 공급하기 위하여 바람직하게는 또한 아래에 주 펌프 혹은 공급 펌프로 불리는, 펌프를 포함한다. 그러한 펌프는 하나 혹은 몇몇의 일 함수에 유압 유체를 공급하도록 적용된다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 유압 시스템은 일 함수로부터의 리턴 흐름으로부터 펌프의 압력 면으로 복원된, 에너지를 반환하기 위한 수단을 포함한다. 이는 그리고 나서 하나 혹은 몇몇의 일 함수를 공급함에 있어 주 펌프를 보조하도록 사용되는 에너지를 복원하기 위한 가능성을 제공한다. 이는 그 결과 작동 기계 내의 낮은 엔진 속도에서 유압 시스템 및 구동계(driveline)를 구동하기 위하여 충분한 에너지를 제공하는 문제를 해결하거나, 혹은 적어도 감소시키기 위한 조건을 생성한다. 논의중인 종류의 유압 시스템 내의 주 펌프는 주로 일반적으로 디젤 모터와 같이, 작동 기계를 추진하기 위하여 유압 시스템 및 구동계 모두를 구동하도록 사용되는, 작동 기계의 엔진에 기계적으로 연결된다. 주 펌프의 속도는 따라서 디젤 엔진의 속도에 의존할 것이다. 그 결과, 디젤 엔진의 속도는 작동 기계의 원하는 추진 속도 및 실제 작동 모드에 의해 결정된 토크에 따라 결정된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 복원 유닛은 제 1 유압 기계 및 제 2 유압 기계를 포함하며, 제 1 및 제 2 유압 기계는 기계적으로 서로 연결되며, 제 1 유압 기계는 유압 유체의 흐름에 의해 구동되도록 적용되며 제 2 유압 기계는 제 1 유압 기계에 의해 구동됨으로써 유압 유체를 퍼내도록 적용된다. 제 1 유압 기계는 일 함수로부터 리턴 흐름에 의해 구동되기 위하여 바람직하게는 리턴 포트에 연결되며 제 2 유압 기계는 예를 들면 탱크로부터 주 펌프의 압력 면 및/또는 어큐뮬레이터(accumulator)로, 그리고 어큐뮬레이터로부터 나아가 펌프의 압력 면(혹은 흡입 면)으로 유압 유체를 퍼올리도록 적용된다. 어큐뮬레이터를 사용할 때, 어큐뮬레이터는 제 1 유압 기계를 공급하며 제 2 유압 기계는 유압 유체를 주 펌프의 압력 면(혹은 흡입 면)으로 퍼올린다는 점에서, 유압 유체는 어큐뮬레이터로부터 주 펌프로 직접, 혹은 복원 유닛을 거쳐 제공될 수 있다.
따라서, 적합한 복원 유닛과 함께, 작동 기계의 엔진 속도와 관계없는 방법으로 일 함수을 공급하기 위하여 유압 유체가 제공될 수 있다. 또한 만일 디젤 엔진이 주 펌프의 용량이 감소되도록 야기하는 낮은 속도에서 작동하면, 많은 상황에서 이러한 흐름은, 주 펌프에 의해 독립적으로 발생되는 흐름과 함께, 일 함수에 충분한 흐름을 제공한다. 따라서, 바꾸어 말하면, 순간적으로 저장되거나 혹은 사용되는 복원된 에너지는 디젤 엔진을 지원하기 위하여 사용될 수 있다.
더 단순한 복원 유닛이 사용되는 경우에 있어서, 예를 들면 단순한 유압 기계의 형태에 있어서, 에너지는 또한 복원되고 주 펌프의 압력 면으로 리턴될 수 있다. 만일 리턴 흐름 상에 충분히 높은 압력이 존재하면, 적어도 흐름의 일부는 직접 주 펌프의 압력 면으로 리턴될 수 있다. 만일 압력이 너무 낮으면, 유압 기계는 압력을 증가시키기 위하여 펌프로서 사용될 수 있으며 따라서 리턴 흐름이 리턴되며, 몇몇 경우에 있어서, 만일 리턴 흐름의 압력이 일부 마진(margin)에 의해 주 펌프의 압력 면 상의 압력을 초과하면, 유압 기계에서 에너지의 일부가 먼저 복원되며, 그 후에 리턴 흐름이 주 펌프의 압력 면으로 리턴될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 유압 시스템은 일 함수으로부터 펌프의 흡입 면으로 복원된 에너지를 리턴하기 위한 수단을 포함한다. 물론, 적어도 어느 정도는, 또한 주 펌프의 흡입 면에 유압 유체를 제공하는 대신으로 주 펌프를 지원하는 위에서 설명된 장점들을 획득할 가능성이 존재한다. 예를 들면, 리턴 흐름의 유압 유체 압력이 유압 유체를 압력 면으로 리턴할 수 있을 정도로 충분히 높지 않은 경우에 있어서, 그것을 주 펌프의 흡입 면으로 리턴함으로써 에너지가 사용될 수 있는데, 그 이유는 주 펌프는 마치 그것이 대신에 탱크로부터 유압 유체를 배수한 것만큼 이러한 유압 유체의 압력을 증가시킬 필요가 없기 때문이다. 따라서 주 펌프의 압력 면으로의 에너지(혹은 바꾸어 말하면 유압 유체) 리턴과 관련하여 위에서 설명된 변형들이 또한 주 펌프의 흡입 면으로의 리턴과 관련하여 적용될 수 있다. 리턴 흐름의 초과의 경우에 있어서, 특정 양이 탱크로 향할 수 있거나 및/또는 주 펌프로의 연속적인 리턴을 위하여 중간에 어큐뮬레이터 내에 저장될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 펌프, 바람직하게는 일 함수을 공급하기 위한 주 펌프가 작업 기계의 구동계에 의해 구동할 수 있으며 작업 기계의 감속 동안에 구동계를 제동하도록 적용되며, 시스템은 작업 기계의 감속 동안에 에너지를 복원하기 위하여 펌프의 압력 면으로부터 복원 유닛으로 유압 유체의 흐름을 제어하기 위한 유압 제어 수단을 포함한다. 그것에 의해, 작업 기계의 감속 동안에 감속 에너지가 복원되는 것과 동시에, 복원 유닛은 또한 작업 기계를 감속하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따라, 복원 유닛은 적어도 일 방향으로, 작업 기구 및 작동 기계의 기계 몸체(machine body) 사이의 외부 방해에 의해 야기되는 상대 운동을 감쇄하도록 적용되는데, 상기 작업 기구은 상기 일 함수에 의해 기계 몸체와 관련하여 움직일 수 있다. 바람직하게는, 유압 시스템은 기계 몸체와 관련된 작업 기구을 위한 참조 위치를 결정하기 위한 센서를 포함한다. 그것에 의해, 복원 유닛은 그것이 예를 들면, 휠 로더의 암을 올리기 위한 현가 장치의 일부인 것과 동시에 에너지를 복원할 수 있다. 복원 유닛 및 나머지 유압 시스템의 적합한 제어와 함께, 복원 유닛으로 에너지가 복원되는 것과 동시에, 감쇄 현가 시스템(damped suspension system)이 달성될 수 있다.
본 발명은 또한 청구항 31에 따른 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 유압 시스템과 관련하여 위에서 설명된 것과 상응하는 방법으로 에너지는 복원 유닛에 의해 복원될 수 있다. 복귀 포트에서의 최대 허용가능한 압력이 제어 유닛으로부터 바람직하게는 전기인, 수신 신호를 통한 압력 제한 수단으로 제어되기 때문에, 일 함수으로부터 복원되기에 바람직한 에너지의 양을 위한 상한이 선택될 수 있다.
설정 최대 압력은 또한 제어 밸브 유닛을 가로질러 가장 작은 압력 강하를 결정한다. 일 함수으로부터 유압 오일의 리턴 흐름은 복원 유닛을 통하여 흐를 것이며 복원 유닛이 설정 최대 허용가능 압력보다 높은 역압력을 발생하지 않는 한 에너지는 복원될 것이다. 본 발명은 실제 작동 모드에 따라 다양한 방법으로 에너지 복원을 제어하기 위한 조건을 만든다. 최대 허용가능 압력의 범위 내에서, 제어 밸브 유닛을 가로지르는 압력 강하는 복원 유닛으로부터의 저항에 의해 결정될 것이다. 많은 경우에 있어서, 제어 밸브 유닛을 가로지르는 압력 강하는 바람직하게는 에너지 복원을 최대화하기 위하여 가능한 만큼 작으나, 유압 유체의 요청된 리턴의 조절을 달성하기에 충분히 크다. 복원 유닛은 예를 들면, 에너지를 복원할 때 유압 모터와 같은 유압 기계 기능일 수 있다. 복원된 에너지는 직접 소비자로 향하거나 혹은 적절한 방법으로 저장될 수 있다.
본 발명은 게다가 본 발명에 따른 유압 시스템이 제공되는 작동 기계에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 장점 및 바람직한 특징들이 아래의 상세한 설명 및 청구항으로부터 자명해질 것이다.
다음의 도면을 참조하여, 본 발명의 서로 다른 바람직한 실시 예들의 더 상세한 설명들이 아래에 뒤따를 것이다.
도 1은 휠 로더의 측면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 유압 시스템이다;
도 3은 휠 로더를 위한 복수의 일 함수을 포함하는 본 발명의 유압 시스템이다;
도 4는 에너지 복원 시스템의 제 1 실시 예를 포함하는 도 3의 유압 시스템을 도시한다;
도 5-9는 에너지 복원 시스템의 제 1 실시 예의 다른 변형을 도시한다;
도 10은 에너지 복원 시스템의 제 2 실시 예를 도시한다; 및
도 11-13은 에너지 복원 시스템의 제 2 실시 예의 다른 변형을 도시한다.
도 1은 휠 로더(101) 형태의 작동 기계를 도시한다. 휠 로더(101)는 본 발명에 따른 유압 기계가 적용될 수 있는 작동 기계의 예로서 도시되어야 한다. 휠 로더(101)는 전면 차량 섹션(front vehicle section, 102) 및 후방 차량 섹션(rear vehicle section, 103)을 포함한다. 이러한 차량 섹션(102, 103) 각각은 구동 액슬(112, 113) 상에 배열되는 프레임 및 휠을 포함한다. 후방 차량 섹션(103)은 운전실(operator's cab, 114)을 포함한다. 차량 섹션(102, 103)은 그것들이 두 개의 차량 섹션(102, 103)에 연결되는, 조향 실린더(steering cylinder)라 불리는 두 개의 유압 실린더(104, 105)에 의해 수직 축 주위를 서로 선회하는 것과 같은 방법으로 서로 연결된다. 따라서, 유압 실린더(104, 105)는 유압 실린더에 의해 휠 로더(101)를 조향하거나 혹은 돌리기 위하여, 차량의 세로 방향으로 확장하는 중앙선(center line)의 서로 다른 면 상에 배열된다. 달리 말하면, 휠 로더(101)는 프레임 조향식이다(frame-steered).
휠 로더(101)는 대상 혹은 (풀린) 재료를 다루기 위한 리프트 암 어셈블리(111)를 포함한다. 리프트 암 어셈블리(111)는 리프트 암 유닛(106) 및 리프트 암 유닛(106) 상에 장착되는, 버킷 형태의 기구(implement, 107)를 포함한다. 여기서, 버킷(107)은 재료(116)로 차 있다. 리프트 암 유닛(106)의 제 1 단은 버킷의 리프팅 운동을 달성하기 위하여 전면 차량 섹션(102)에 선회하여 연결된다. 버킷(107)은 버킷의 틸팅(tilting) 운동을 달성하기 위하여 리프트 암 유닛(106)의 제 2 단에 선회하여 연결된다. 리프트 암 유닛(106)은 두 개의 유압 실린더(108, 109)에 의해 차량의 전면 섹션(102)과 관련하여 올려지거나 내려질 수 있다. 각각의 유압 실린더(108, 109)는 제 1 단에서 전면 차량 섹션(102)에 그리고 제 2 단에서 리프트 암 유닛(106)에 연결된다. 버킷(107)은 제 1 단에서 전면 차량 섹션(102)에 연결되고 제 2 단에서 링크 암 시스템(115)을 거쳐 버킷(107)에 연결되는, 틸팅 실린더라 불리는 부가적인 유압 실린더(110)에 의해 리프트 암 유닛(106)과 관련하여 틸팅될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예의 개략도이다. 유압 시스템은 적어도 하나의 일 함수(1) 및 일 함수로 혹은 일 함수로부터 유압 유체를 제어하기 위한 제어 밸브 유닛(2)을 포함한다. 제어 밸브 유닛(2)을 거쳐 일 함수(1)로 유압 유체를 공급하기 위하여 펌프(3)와 같은 공급 유닛(supply unit)이 적용된다. 본문에 사용되는 용어 유압 유체는 유압 시스템에서 발생할 수 있는 다른 모든 유체뿐만 아니라 유압 오일도 포함하도록 의도된다. 펌프(3)는 탱크(4)로부터 오일을 뽑아낼 수 있다(비록 단순화의 이유로 도 2에서는 서로 다른 탱크 위치가 도시되었으나, 적합하게는, 실제로 하나의 동일한 탱크라는 것이 주지의 사실이다). 이 실시 예에서, 일 함수는 작동 기계(도 2에서는 도시되지 않음) 상에 배열되는 유압 실린더(5)를 갖는다. 유압 실린더(5)는 바람직하게는 복동식(double-acting) 피스톤(6)이 제공되는데, 이는 두 면(7, 8) 상에 가압될 수 있다. 제어 밸브 유닛(2)은 하나 혹은 서로 다른 몇몇의 밸브를 포함한다. 일 함수를 제어하도록 적용된 두 개의 밸브를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 제어 밸브 중 하나는 제 1 방향으로의 피스톤 변위를 위하여 펌프(3)를 유압 실린더의 피스톤 면(7)에 연결하도록 적용된다. 제 1 제어 밸브는 나아가 유압 실린더의 피스톤 면(7)을 탱크로 연결하도록 적용될 수 있으며 제 2 제어 밸브는 그때 제 1 방향에 반대되는 제 2 방향으로의 피스톤 변위를 위하여 펌프(3)를 유압 실린더의 피스톤 로드 면(8)에 연결하도록 적용될 수 있다.
게다가, 일 함수(1)로부터 에너지를 복원하기 위하여 복원 유닛(9)이 제어 밸브 유닛(2)의 리턴 포트(10)에 연결된다. 도 2의 바람직한 실시 예에서, 복원 유닛(9)은 리턴 유닛(10) 및 탱크(4) 사이에 연결된다. 유압 시스템은 또한 리턴 포트(10)에서 유압 유체의 압력을 제한하기 위한 수단(11)을 포함한다. 압력 제한 수단(11)은 제어 밸브 유닛(2)의 리턴 포트(10)에서의 최대 허용가능 압력을 설정하도록 적용된 파일럿 작동형 밸브(12)를 포함하는데, 상기 압력은 제어 유닛(13)에 의한 파일럿 작동형 밸브의 제어에 의해 변경될 수 있다. 제어 유닛(13)은 나아가 제어 밸브 유닛에 의해 일 함수(1)로 그리고 일 함수(1)로부터 유압 유체의 흐름의 규모를 제어하기 위하여 제어 밸브 유닛(2)에 연결된다. 그리하여, 이러한 제어는 피스톤(6)에 대한 속도에 따라 결정된다. 일 함수(1)를 구동하고 일 함수(1)의 원하는 속도를 요청하기 위하여 액츄에이터(14)가 작동될 수 있다.
이 실시 예에서, 복원 유닛(9)은 유압 모터 혹은 유압 기계인데, 이는 유압 모두 및 펌프로서 두 기능을 할 수 있다. 에너지를 복원할 때 알 함수(1)로부터의 리턴 흐름은 유압 기계(9)를 구동하는데, 이는 유압 기계(9)의 샤프트(15) 상에 행해진 작업(W)을 야기한다. 이러한 에너지는 그리고 나서 사용되거나 혹은 저장될 수 있다. 예를 들면, 기계 작업을 전기 에너지로 변환하기 위하여 발전기가 유압 기계에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 유압 실린더의 피스톤 면 혹은 피스톤 로드 면 중의 하나로부터의 리턴 흐름이 에너지 복원을 위하여 사용될 수 있는 것과 같은 방법으로 일 함수(1)가 연결된다. 유압 실린더의 피스톤 면 혹은 피스톤 로드 면 중의 하나로부터의 에너지를 복원하는 것이 선택적이기 때문에, 피스톤은 이른바 재생 복원 동안 외부 하중에 의해 구동될 때의 경우, 및 피스톤이 피스톤을 대체하기 위하여 필요한 압력을 초과하는 압력에서 공급 유닛(3)에 의해 구동될 때의 경우 모두에서 복원될 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 피스톤 및 피스톤 로드 면을 상호연결하는 가능성이 존재하는데, 따라서 이러한 두 경우 모두 에너지가 복구되는 동안 복구 유닛(9)과 관련된다.
바람직하게는, 파일럿 작동형 밸브(12)는 제어 밸브 유닛(2)의 리턴 포트(10)에 연결되며 복원 유닛(9)에 평행으로 연결된다. 게다가, 파일럿 작동형 밸브(12)는 제어 유닛(13)에 의해 적절하게 전기적으로 제어되며 따라서 제어 밸브 유닛(2)의 리턴 포트(10)에서의 최대 허용가능 압력이 연속적으로 해서 변경되도록 디자인된다. 따라서, 바람직한 최대 압력은 에너지 복원 동안 제어 밸브 유닛(2)의 리턴 포트(10)에서 설정될 수 있다. 최대 허용가능 압력을 초과하는 압력에서, 파일럿 작동형 밸브(12)는 밸브를 통한 흐름을 위하여 열릴 것인데, 상기 압력은 탱크(4)로 향해질 수 있다. 리턴 흐름의 낮은 압력에서, 파일럿 작동형 밸브(12)는 닫혀질 것이며, 리턴 흐름은 유압 기계(9)로부터의 저항이 최대 허용가능 압력을 초과하는 압력을 생성하지 않는 한 유압 기계(9)를 구동할 것이다.
제어 밸브 유닛(2)을 가로지른 압력 강하는 압력 제한 수단(11)이 파일럿 작동형 밸브(12)를 포함한다는 점에서, 실제 작동 상황에 적용되는 유연한 방식으로 조절될 수 있다. 그것에 의해, 에너지 복원은 따라서 실제 작동 상황에 적용될 수 있다. 작업 기계(9)를 거쳐 행해진 적절한 작업량을 인출함으로써, 제어 밸브 유닛(2)의 유압 유체 상류에 일어나는 압력에 적용되는 압력 레벨이 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10)에서 획득된다. 복원 유닛은 복원 유닛(9)의 제어를 가능하게 하기 위하여 바람직하게는 제어 유닛(13)에 연결된다. 예를 들면, 유압 기계의 전위는 제어 유닛(13)에 의해 변경될 수 있다. 바꾸어 말하면, 제어 밸브 유닛(2)을 가로지른 압력 강하는 요청된 흐름의 필요로 하는 조절(및 피스톤(6)의 바람직한 속도)이 달성될 수 있는 것과 동시에, 복원 유닛(9)을 거쳐 에너지를 복원하기 위하여 감소될 수 있다. 모든 복원된 에너지가 사용되거나 저장될 수 있다고 가정하면, 제어 밸브 유닛(2)을 가로지른 압력 강하는 에너지 복원을 최대화하기 위하여 가능한한 작게, 그러나 유압 유체의 요청된 리턴 흐름의 조절을 달성하도록 충분히 크게 적절히 유지된다.
유압 시스템은 체크 밸브(check valve, 16)를 더 포함하는데, 이는 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10) 및 복원 유닛(9) 사이의 위치에서 복원 유닛(9)과 연속하여 연결된다. 도시된 실시 예에서, 체크 밸브(16)는 복원 유닛(9)으로부터 일 함수(1)로 향하는 방향의 흐름을 차단하고 제어 밸브 유닛(2)으로부터 복원 유닛(9)으로 향하는 방향의 흐름을 허용하기 위하여 복원 유닛과 연속하여 연결되며 파일럿 작동형 밸브(12)와 평행으로 연결된다. 복수의 일 함수를 복원 유닛에 연결할 때, 각각의 파일럿 작동형 밸브를 위하여 적절한 체크 밸브가 사용되는데, 따라서 에너지가 복원되려는 일 함수로부터 유압 유체는 또 다른 일 함수의 파일럿 작동형 밸브를 거쳐 탱크로 배수되지 않는다.
게다가, 유압 시스템은 바람직하게는 공급 및/또는 리턴 면 상의 제어 밸브 유닛의 유압 유체 상류 및 하류의 압력을 측정하기 위하여 하나 혹은 몇몇의 압력 센서(17, 19, 20, 22)를 포함할 수 있다. 이러한 압력 센서는 또한 제어 밸브 유닛으로 통합될 수 있다. 예를 들면, "평행 작동(이전에 설명된)" 동안 에너지를 복원할 때, 유압 실린더의 피스톤 로드 면 상의 압력을 측정하기 위하여 압력 센서(20)가 사용될 수 있으며 상기 복원 유닛은 바이어싱 압력(biasing pressure)이 바람직한 것이라는 것을 보장하기 위하여 압력을 신장하도록 사용된다.
작업 기구의 위치를 표시하기 위하여 위치 센서(21)가 사용될 수 있다. 이는 아래에 복원 유닛이 작동 기계의 기계 몸체와 관련하여 작업 기구의 위치를 제어하기 위한 목적으로 작업 기구의 감쇄 서스펜션을 획득하기 위하여 사용되는 실시 예에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 3은 유압 시스템(201)을 도시한다. 유압 시스템은 휠 로더(101)의 유압 일 함수를 실행하도록 디자인된다(또한 도 1 참조).
도 4는 상세히 도시된 에너지 복원 시스템(301)의 제 1 실시 예를 포함하는 도 3의 유압 시스템을 도시한다.
다음 문장에서, 도 3 및 4가 참조된다. 유압 시스템(201)은 휠 로더의 리프트 암 유닛을 들어올리고 내리기 위한 제 1 일 함수(203)가 제공된다. 일 함수는 리프트 암 유닛(106)을 작동하기 위하여 상기 두 개의 유압 실린더(108, 109)를 포함한다.
시스템(201)은 상기 일 함수에 유압 회로를 거쳐 가압된 유압 유체를 제공하도록 적용된 펌프(205)를 더 포함한다. 펌프(205)는 차량의 추진 엔진(propulsion engine, 206)에 의해 구동되는데, 이는 예를 들면 디젤 엔진일 수 있다. 적합하게는, 펌프(205)는 일 함수에 필요한 흐름을 제공하기 위하여 가변형의, 바람직하게는 무한 가변형의 전위를 갖는다. 시스템(201)은 각각의 일 함수를 위한 제어 밸브 유닛을 갖는 유체 제어 수단(208)을 포함한다. 그리하여, 각각의 제어 밸브 유닛은 펌프(205)로부터 각각의 일 함수로 그리고 각각의 일 함수로부터 탱크(243)로 가압된 유압 유체의 배달을 제어하도록 적용된 하나 혹은 몇몇의 제어 밸브를 갖는 유압 회로를 포함할 수 있다.
도시된 실시 예에서, 도 4로부터 자명한 것과 같이, 제어 밸브 유닛(200b)은 올림 및 내림 운동을 위하여, 흐름 밸브 형태의 두 개의 제어 밸브(207, 209)를 포함한다. 이러한 제어 밸브는 올림 및 내림 운동을 제어하기 위하여, 회로 내의 펌프(205) 및 리프팅 실린더(108, 109) 사이에 배열된다. 피스톤을 제 1 방향으로 배열할 때, 이러한 밸브의 첫 번째(207)는 펌프(205)를 유압 실린더(108, 109)의 피스톤 면에 연결하도록 적용되며, 이러한 밸브의 두 번째(209)는 탱크(243)를 유압 실린더의 피스톤 면에 연결하도록 적용된다. 피스톤을 제 2의 반대 방향으로 배열할 때, 첫 번째 밸브(207)는 탱크(243)를 유압 실린더의 피스톤 면에 연결하도록 적용되며, 두 번째 밸브(209)는 그때 펌프(205)를 피스톤 로드 면에 연결하도록 적용된다. 이는 제어를 변경하는 중대한 가능성을 제공한다. 특히, 특정 경우에 있어서, 펌프(205) 및 탱크(243)를 동시에 일 함수에 연결할 필요가 없다. 예를 들면, 펌프(205)는 하중 내림 동안 연결될 필요가 없다.
도 3으로부터 자명한 것과 같이, 유압 시스템은 일 함수를 제어하기 위한 소프트웨어를 포함하는 제어 유닛(213)을 더 포함한다. 제어 유닛은 또한 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit) 혹은 전자 제어 모듈(ECM, Electronic Control Module)로 불린다. 적합하게는, 제어 유닛(213)은 마이크로프로세서를 포함한다.
리프트 레버 형태의, 작동자 제어 소자(operator-controlled element, 211)가 제어 유닛(213)에 작동가능하도록 연결된다. 제어 유닛(213)은 리프트 레버로부터 제어 신호를 수신하며 레버 위치에 따른 제어 밸브 유닛(200b)의 제어 밸브(207, 209)를 제어하도록 적용된다. 이는 제어 유닛(213)으로부터 직접 발생할 수 있거나 혹은, 도 3에 도시된 것과 같이, 밸브 제어 유닛(215)을 거쳐 발생할 수 있다. 제어 유닛(213)은 바람직하게는 작동 기계를 위한 더 일반적인 제어 전략을 제어하며 제어 유닛(215)은 유체 제어 수단(208)의 제어 밸브(200a, 200b, 200c)의 기본 기능을 제어한다. 유체 실린더에 도달하는 흐름의 규모는 제어 밸브(207, 208)에 의해 조절될 수 있다.
유압 시스템(201)은 작동 기계를 조향하기 위한 제 2 일 함수(217)를 더 포함한다. 일 함수는 여기서 조향 실린더(104, 105)로 불리는(또한 도 1 참조), 두 개의 유압 실린더를 포함한다. 스티어링 휠 형태의 작동자 제어 소자(219)가 조향 실린더(104, 105)의 직접 제어를 위하여, 오비트롤 유닛(orbitrol unit, 220a) 형태의 밸브 유닛을 거쳐 조향 실린더(104, 105)에 유압으로 연결된다.
도 4로부터 자명한 것과 같이, 조향 기능을 위한 제어 밸브 유닛(220c)은 작동 기계를 조향하기 위하여 회로 내의 펌프(205) 및 조향 실린다(104, 105) 사이에 배열되는, 흐름 밸브 형태의, 두 개의 제어 밸브(210, 211)를 포함한다. 조향 실린더는 또한 조향 레버 형태의 작동자 제어 소자(214, 도 3에 도시)에 의해 작동될 수 있는데, 이는 제어 유닛(213)에 작동가능하도록 연결된다. 제어 유닛(213)은 조향 레버(214)로부터 제어 신호를 수신하며 레버 위치에 따른 제어 밸브(210, 212)를 제어하도록 적용된다.
시스템(201)은 작업 기구를 틸팅하기 위하여, 리프트 암 유닛 상에 배열되는 제 3 일 함수를 더 포함한다. 일 함수는 여기서 틸팅 실린더(110)로 불리는, 유압 실린더를 포함한다. 올림 기능과 유사한 방식으로, 틸트 기능을 위한 제어 밸브 유닛(200a)은 리프트 암 유닛과 관련하여 기구의 전진 및 리턴 운동을 제어하기 위하여 펌프(205) 및 틸팅 실린더(110) 사이에 배열되는 두 개의 제어 밸브(223, 233)를 포함한다. 틸트 레버 형태의, 작동자 제어 소자(227)는 제어 유닛(213)에 작동가능하도록 연결된다. 제어 유닛(213)은 틸트 레버로부터 제어 신호를 수신하며 레버 위치에 따른 제어 밸브(223, 233)를 제어하도록 적용된다.
조향이 항상 필요한 압력 및 흐름을 얻도록 보장하기 위한 목적으로, 리프트 기능 및 틸트 기능에 대한 조향 기능에 자동으로 우선순위를 두기 위하여 펌프의 출력 도관 상에 우선순위 밸브(prioritizinf valve, 220)가 배열된다. 우선순위 밸브(220)는 압력을 조절하며 조향이 필요한 압력을 받도록 보장한다. 정확한 압력에서일 때, 조향으로의 필요한 흐름이 또한 획득되는데, 이는 만일 전체 유압 유체 요구가 시스템이 제공가능한 것을 초과할 수 있으며 다른 일 함수의 희생에서 발생한다.
도시된 실시 예에서, 유압 시스템은 로드 센싱 시스템(load sensing system)이며, 이러한 목적을 위하여, 상기 일 함수 각각의 실제 압력이 탐지될 수 있는 복수의 압력 센서(229, 231; 216, 218; 235, 237; 233, 239)를 적절하게 포함한다. 시스템의 리프트 기능은 바람직하게는 두 개의 압력 센서(229, 231)를 포함하는데, 이중 하나(229)는 리프팅 실린더의 피스톤 면 상의 압력을 측정하도록 적용되며(그리고 리프팅 실린더의 피스톤 면으로의 도관 상에 적절하게 배열되며) 두 번째(231)는 리프팅 실린더의 피스톤 로드 면 상의 압력을 측정하도록 적용된다(그리고 리프팅 실린더의 피스톤 로드 면으로의 도관 상에 적절하게 배열된다). 상응하는 방식으로, 시스템의 틸트 기능은 두 개의 압력 센서(235, 237)를 포함하는데, 이중 하나(235)는 틸팅 실린더의 피스톤 면 상의 압력을 측정하도록 적용되며(그리고 틸팅 실린더의 피스톤 면으로의 도관 상에 적절하게 배열되며) 두 번째(237)는 틸팅 실린더의 피스톤 로드 면 상의 압력을 측정하도록 적용된다(그리고 틸팅 실린더의 피스톤 로드 면으로의 도관 상에 적절하게 배열된다).
조향 휠 제어 기능은 조향 실린더(104, 105)로 연결되는 도관 내의 압력 센서(233)를 포함한다. 압력 센서(233)는 바람직하게는 일 방향으로 조향할 때 하나의 실린더 면 및 다른 방향으로 조향할 때 또 다른 실린더 면과 동일한 압력을 받는, 로드 센싱 도관 상에 위치된다. 되는데, 자연적으로, 로드 센싱 도관은 탱크에 연결된다.
상응하는 방식으로, 시스템의 레버 제어 기능은 두 개의 압력 센서(216, 218)를 포함하는데, 이중 하나(216)는 조향 실린더의 피스톤 로드 면 상의 압력을 측정하도록 적용되며(그리고 조향 실린더의 피스톤 로드 면으로의 도관 상에 적절하게 배열되며) 두 번째(218)는 조향 실린더의 피스톤 면 상의 압력을 측정하도록 적용된다(그리고 조향 실린더의 피스톤 면으로의 도관 상에 적절하게 배열된다).
유압 시스템은 유압 신호를 거쳐 펌프의 압력 면 상의 압력을 제어하도록 적용된 전기적으로 제어되는 밸브(241)를 더 포함할 수 있다. 시스템(201)은 또한 펌프의 압력 면 상의 압력을 나타내는 압력을 탐지하기 위하여 추가적인 압력 센서(239)를 포함할 수 있다. 압력 센서(239)는 바람직하게는 전기적으로 제어되는 밸브(241)의 하류 위치에서의 압력을 탐지하도록 적용된다. 일 함수가 구동될 때, 제어 유닛은 유압 실린더 내의 압력을 논의중(in question)으로 등록한다. 제어 유닛은 그리고 나서 로드 센싱 도관 내의 바람직한 압력을 획득하기 위하여 밸브(241)를 조절한다(그리하여 펌프의 압력을 제어한다). 압력 센서(239)는 압력을 탐지하도록 적용되며 제어 유닛(239)은 압력 레벨에 관한 정보를 갖는 펌프 압력 센서(239)로부터 신호를 수신하도록 적용된다. 압력 센서(239)는 밸브(241)가 완전히 열릴 때, 펌프 압력을 직접 탐지할 것이나, 정상 작동 모드에서 압력 센서(239)는 밸브(241)로부터 변조된 압력을 탐지한다. 이러한 기능은 유압 시스템이 변경가능한 제어 압력으로 작동될 수 있다는 것을 나타낸다.
따라서, 제어 유닛(213)은 압력 센서(216, 218, 231, 233, 235, 237, 239) 및 전기적으로 제어된 밸브(241)로 연결된다. 따라서, 제어 유닛(213)은 압력 센서로부터 전기 신호를 수신하며 전기 밸브(241)를 제어하기 위하여 전기 신호를 발생하는데, 이는 그 결과 주 펌프(205)로 유압 신호를 낸다. 제어 유닛(213)은 일 함수 중 어느 하나를 위하여 가장 높게 탐지된 하중에 상응하는 전기적으로 제어된 밸브(241)로 제어 신호를 발생하는데, 따라서 펌프의 압력 면 상의 압력은 필요로 하는 하중 압력보다 약간 높게 된다.
이전에 설명한 것과 같이, 제어 유닛(213)은 제어 레버(211, 214, 227)로부터 신호를 수신하도록 적용된다. 작동자가 버킷을 들어올리기를 원할 때, 리프트 레버(211)가 작동된다. 제어 유닛은 리프트 레버(211)로부터 상응하는 신호를 수신하며 펌프가 리프팅 실린더(108, 109)의 피스톤 면에 연결되며 리프팅 실린더의 피스톤 로드 면이 탱크(243)에 연결되는 것과 같은 위치로 제어 밸브(207, 209)를 제어한다. 제어 유닛은 리프팅 실린더의 피스톤 면 상의 압력 센서(229)로부터 그리고 펌프의 압력 센서(239) 하부로부터 신호를 더 수신한다. 수신된 신호를 기초로 하여, 탐지된 하중 압력 위의 레벨에서 바람직한 펌프 압력이 결정되며, 전기적으로 제어된 펌프 제어 밸브(241)가 그에 따라 제어된다.
제어 유닛(213)은 바람직하게는 최적 작동을 위하여 제어 밸브(207, 209)의 개방 정도 및 펌프(205)의 출력 압력을 조정하도록 적용된다.
리버싱 밸브(reversing valve) 형태의 유압 수단(253)은 전기적으로 제어된 펌프 제어 밸브(241) 및 펌프(205) 사이의 도관 상에 배열된다. 리버싱 밸브(253)는 제 2 일 함수(217, 조향을 위하여) 및 펌프 제어 밸브(241)로부터 유압 신호를 수신하도록 적용된다. 리버싱 밸브는 가장 높은 압력을 나타내는 수신된 신호에 따라 펌프(205)를 제어하도록 더 적용된다. 따라서, 유압 수단(253, 리버싱 밸브)은 두 개의 입력 압력 신호로 만들어진 출력 신호에서 더 높은 압력을 선택한다.
제어 수단(208)의 각각의 제어 밸브 유닛은 바람직하게는 제어 밸브가 전기적으로 제어되며 분리된 입구와 출구 및 제어밸브의 양면 상의 압력 센서 및 슬라이드 면 상의 위치 센서를 갖는 복동식 유압 실린더용으로 적용된다.
도 4는 상기 하나의 복원 유닛(296) 및 각각의 일 함수를 위한 압력 제한 수단(287b, 289b, 291b)을 도시한다. 각각의 압력 제한 수단은 상기 하나의 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291)를 포함한다. 복원 유닛(295), 적합하게는 유압 기계는 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291)와 함께, 전기 에너지를 위한 복원 시스템(301)을 생산하기 위하여 파일럿 발전기(혹은 발전기 및 모터의 두 기능을 할 수 있는 전기 기계)에 연결된다.
에너지 복원 시스템(301)은 그 위에 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291)가 배열되는 복수의 제 1 도관(280, 282, 284)을 포함한다. 상기 각각의 제 1 도관은 파일럿 작동형 밸브를 포함하며 상기 일 함수 중 하나로부터의 리턴 도관(281, 283, 285) 및 유압 시스템 내의 탱크(243) 사이에 연결된다.
에너지 복원 시스템(301)은 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291)의 상류로 각각의 제 1 도관(280, 282, 284)에 연결되는 제 2 도관(293)을 더 포함한다. 복원 유닛(295)은 에너지를 복원하기 위하여 상기 일 함수 중 하나 혹은 몇몇으로부터 유압 유체의 흐름에 의해 구동되기 위한 목적을 위하여 제 2 도관(293) 상에 배열된다.
에너지 복원 시스템(301)은 그 위에 체크 밸브(297, 298, 299)가 배열되는 복수의 분기 도관(branch conduit, 303, 305, 307)을 포함한다. 각각의 분기 도관(303, 305, 307)은 체크 밸브에 의해 복원 유닛(295)으로부터 각각의 일 함수를 향하는 방향으로의 흐름을 차단하기 위하여 각각의 제 1 도관(280, 282, 284) 및 제 2 도관(293) 사이에 배열된다.
에너지 복원 시스템(301)은 복원 유닛(295)의 상부로 제 2 도관(293) 내의 압력 센서(309)를 더 포함한다.
제 1 도관(280, 282, 284)은 나아가 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291) 및 복원 유닛(295)의 하류로 제 2 도관(293)에 연결된다. 바꾸어 말하면, 각각의 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291)는 복원 유닛과 평행하게 연결된다.
전자 제어 유닛(213, 도 3에 도시)은 일 함수 중 하나로부터 에너지 복원을 달성하기 위하여 각각의 파일럿 작동형 밸브(287, 289, 291, 도 4에 도시)를 개별적으로 제어하도록 적용된다. 제어 유닛(213)은 나아가 복원 유닛(295)으로부터의 저항에 기인하는(파일럿 작동형 밸브에 의해 논의중으로 설정된 최대 허용가능 압력의 범위 내에서), 압력 센서(309)에 의해 탐지되는, 압력에 관한 정보를 갖는 신호를 수신하도록 적용된다.
따라서, 일 함수의 리턴 흐름은 에너지를 복원 시스템(301)을 거쳐 통과한다. 본질적으로, 더 많거나 혹은 더 적은 일 함수가 에너지 복원 시스템에 연결될 수 있다. 비록 많은 경우에서 유압 실린더의 두 피스톤 면 및 피스톤 로드 면이 제어 밸브 유닛에 의해 에너지 복원 시스템에 연결될 수 있는 것이 바람직하나, 하나 혹은 몇몇의 일 함수를 위하여 연결될 수 있는 단지 하나의 실린더 면을 선택할 가능성도 존재한다. 다른 실린더 면으로부터의 리턴 흐름은 그때 적절하게 탱크 내에 그것의 출구를 갖는다.
본 발명에 따른 유압 시스템의 또 다른 변형 및 에너지 복원을 위하여 그것을 사용하는 또 다른 방법의 설명들이 아래에 뒤따른다.
제 1 변형에 따라, 리프트 암 어셈블리(111, 또한 도 1 참조)를 내릴 때 에너지가 복원된다. 제어 유닛은 작동자가 리프트 레버로부터 신호의 수신을 통하여 어셈블리를 내리기를 원하도록 등록한다. 제어 유닛은 리프팅 실린더(108, 109)와 관련된 파일럿 작동형 밸브를 원하는 리턴 흐름의 압력보다 약간 높은 압력으로 설정하며, 리턴 포트로부터 리턴 흐름을 허용하기 위하여 제어 밸브(207)를 개방한다. 리턴 흐름의 원하는 압력은 유압 모터(295)의 저항을 조절함으로써 획득된다. 유압 유체는 이제 리프팅 실린더(108, 109)의 피스톤 면으로부터 체크 밸브(298)를 거쳐, 제어 밸브(207)를 통하여, 그리고 유압 모터(295)를 통하여 흐를 수 있으며 나아가 역압 밸브(counterpressure valve, 311)를 거쳐 탱크(243)로 흐를 수 있다(유압 유체는 단지 압력 피크가 일어나거나 및/또는 유압 모터가 다룰 수 없는 흐름 피크가 일어나는 정도까지 파일럿 작동형 밸브(298)를 통과할 것이다). 리프팅 실린더(108, 109)의 피스톤 로드 면은 종래의 방법으로 안티캐비테이션 밸브(anticavitation valve)를 거쳐 충전된다. 그것에 의해, 유압 모터(295)에 의해 구동되는 발전기(313)는 전기 에너지 형태의 복원된 에너지를 예를 들면, 배터리 혹은 커패시터(capacitor)와 같은 에너지 저장 수단(314)으로 배달할 수 있다.
리프트 암 어셈블리를 내릴 때 에너지 복원을 위하여 서로 다른 제어 옵션이 사용될 수 있다.
Figure pct00001
복원 않됨:
모든 흐름은 최소 역압력을 발생하도록 설정된 파일럿 작동형 밸브(289)를 통과한다. 리턴 흐름의 규모의 제어는 리프트 암 어셈블리의 원하는 내림 속도에 따라 제어 밸브(207)에 의해 발생한다.
Figure pct00002
완전 복원:
파일럿 작동형 밸브(289)는 최대 허용가능 압력이 획득될 수 있도록 제어되는데, 이는 전체 리턴 흐름이 유압 모터(295)를 통과한다는 것을 의미한다. 리턴 흐름의 규모는 이제 리프트 암 어셈블리의 원하는 내림 속도를 획득하기 위하여 발전기(313)의 속도를 거쳐 제어될 수 있거나, 혹은 제어 밸브(207)에 의해 흐름 제어가 발생한다.
Figure pct00003
부분 복원:
제어 유닛은 특히 작동 모드에서, 잠재적으로 복원가능한 에너지의 단지 일부만이 복원될 수 있는지와 얼마나 많은 에너지/동력이 복원될 수 있는지를 결정할 수 있다. 파일럿 작동형 밸브(289)는 리턴 포트에서 최대 허용가능 압력이 획득되도록 제어되는데, 상기 압력은 원하는 에너지 복원 레벨에 적용된다(복원 시스템에서의 손실은 제외하고, 시간 유닛 당 복원된 에너지는 유압 모터를 통한 흐름에 의해 증가된 유압 모터(295)를 가로지른 실제 압력 강하와 동등하다). 유압 모터를 위한 흐름은 발전기(313)의 속도에 의해 결정된다. 이러한 작동 모드에서, 유압 유체는 두 유압 모터(295) 및 파일럿 작동형 밸브(289)를 거쳐 평행하게 흐른다. 예를 들면, 유압 모터로 연결된 발전기의 하중(토크)은 원하는 속도가 획득되도록 조절될 수 있다. 대안으로서, 하중은 일정하게 유지되며 속도는 파일럿 작동형 밸브(289)를 통하여 제어된다. 전체 흐름(유압 실린더의 피스톤 면이 얼마나 빨리 비어지고 그것에 의해 리프트 암 어셈블리의 내림 속도를 결정하는)은 제어 밸브(207)에 의해 제어된다.
Figure pct00004
결합(combined) 복원
하나 혹은 동일한 내림 작동 동안 위의 제어 옵션(복원 않됨, 전체 복원, 일부 복원) 사이를 전환하는 것이 가능하다.
Figure pct00005
힘 감소
만일 충분한 내림 속도가 도달될 수 없으면, 비록 제어 밸브(207)가 거의 완전히 개방되고 파일럿 작동형 밸브(289)가 낮은 역압력을 발생하도록 설정한다 해도(대안으로서, 발전기가 낮은 역압력을 야기하는 유압 모터 상에 상대적으로 낮은 하중을 놓는다고 해도), 또한 공급 펌프를 피스톤 로드 면에 연결하는 제어 밸브(209)는 개방된다. 그것에 의해, 유압 실린더의 피스톤은 피스톤 로드 면 상의 가압에 의해 눌려진다. 하중을 향하는 방향으로의 유압 실린더의 힘은 감소되는데, 그 이유는 피스톤 로드 면이 또한 가압되기 때문이다. 제어 유닛은 언제 공급 펌프가 구동되려는지를 결정할 수 있다. 이는 예를 들면 다음에 따라 행해진다:
Figure pct00006
리턴 흐름이 특정 레벨 아래일 때, 혹은 대안으로서, 흐름이 리프트 레버를 거쳐 요청된 흐름 아래일 때, 펌프가 구동된다. 제어 밸브(207)를 가로지른 실제 흐름은 제어 밸브(207)를 가로지른 슬라이드 위치 및 압력 강하를 기초로 하여 계산될 수 있거나, 혹은 대안으로서, 시간 측정에 의하거나 유압 실린더의 피스톤의 위치를 나타내는 위치 센서(50)로부터의 정보로 계산될 수 있다.
Figure pct00007
대안으로서, 유압 실린더의 피스톤 면 상의 압력이 특정 레벨 이하일 때 펌프의 구동이 일어날 수 있다. 이러한 레벨은 고정되거나 혹은 요청된 내림 속도에 따른 레벨일 수 있다.
Figure pct00008
유압 실린더의 피스톤 면 상의 리턴 흐름 및 압력과 관련된 위의 조건의 결합을 기초로 하여 펌프의 구동을 제어하는 것이 가능하다.
본 발명의 대안의 실시 예에 따라, 두 제어 밸브(207, 209)는 에너지 복원 시스템으로의 그것들의 출구가 개방되도록 제어될 수 있는데, 이는 두 피스톤 면 및 피스톤 로드 면이 복원 유닛에 연결되는 것을 의미한다. 이는 그 결과, 복원 시스템으로의 감소된 리턴 흐름(그러나 높은 압력)을 야기할 것인데, 그 이유는 내림 작동이 다음의 피스톤 면으로부터 피스톤 로드 면으로의 유압 유체에 의해 주로 실행될 것이기 때문이다. 이것은 예를 들면, 버킷이 비어 있으며 유압 모터(295)의 과속 위험 없이 급속한 내림이 일어날 때 사용될 수 있다.
버킷을 비울 때(틸트 아웃), 실제로 리프트 기능을 위하여 이미 설명된 것과 방식으로 에너지는 복원될 수 있다. 버킷을 틸팅하기 위한 일 함수는 도 4에서 유압 실린더(110) 및 관련된 제어 밸브(223,225)와 함께 설명된다.
또 다른 변형에 따라, 스티어링 레버로 작동 기계를 조향할 때 에너지가 복원된다. 스티어링 기능은 하중이 실제로 수평으로 움직이거나, 혹은 바꾸어 말하면, 중력 방향에 수직으로 움직인다는 사실 때문에 다소 특별하다. 작동 기계의 마찰 및 관성은 하중이 공급 펌프(205)에 의해 움직여야만 하며, 때때로 대신에 그것은 제어 밸브(210, 212)로 감속해야만 한다는 것을 야기한다. "불안하고" 불규칙적인 스티어링을 얻기 위하여, 펌프가 원하는 움직임을 위하여 스티어링 실린더를 가압하는 것과 동시에, 리턴 면은 특정 역압력으로 승압되어야 하는데, 이는 스티어링 실린더 상의 영향 없이 그것이 움직임을 계속 하려고 할 때 하중의 감속을 가능하게 한다. 본 발명의 시스템에서, 흐름에 다라 그것의 규모가 변경되는, 리턴 면 상에 우회 압력이 사용된다. 이러한 백업 압력(backup pressure)은 일반적으로 10-40 바 범위 내이다. 우회 압력을 달성하기 위하여 에너지 복원 시스템을 사용함으로써, 에너지는 다음에 따라 복원될 수 있다:
Figure pct00009
복원 않됨:
모든 흐름은 최소 역압력을 발생시키도록 설정된, 파일럿 작동형 밸브(291)를 통과한다. 필요한 바이어싱 압력은 파일럿 작동형 밸브(291)로의 리턴 흐름을 제어하는 제어 밸브(201, 212) 중 하나에 의해 제어된다.
Figure pct00010
완전 복원:
파일럿 작동형 밸브(291)는 적절한 최대 허용가능 압력이 획득되도록 제어되는데, 이는 전체 흐름이 유압 모터(295)를 통과하는 것을 의미한다. 바이어싱 압력은 이제 유압 모터(295) 상의 발전기(313)로부터 하중을 적용함으로써 제어될 수 있다.
Figure pct00011
일부 복원:
특히 작동 모드에서, 제어 유닛은 잠재적으로 복원될 수 있는 에너지의 단지 일부만이 복원될 수 있는가 및 얼머나 많은 에너지/동력이 복원될 수 있는지를 결정할 수 있다. 리턴 포트에서 최대 허용가능 압력이 획득되기 위하여 파일럿 작동 밸브(291)가 제어되는데, 상기 압력은 원하는 바이어싱 압력으로 적용된다. 바이어싱 압력은 이제 유압 모터(295) 상의 발전기(313)로부터 하중을 적용함으로써 제어될 수 있다(최대 허용가능 압력까지). 이러한 작동 모드에서, 유압 유체는 두 유압 모터(295) 및 파일럿 작동형 밸브(291)를 거쳐 평형하게 흐른다. 유압 모터(295)의 속도를 제어하는 서로 다른 방법이 존재한다. 예를 들면, 원하는 속도를 획득하기 위하여 유압 모터에 연결된 발전기로부터의 하중(토크)이 조절될 수 있다. 대안으로서, 하중은 일정하게 유지되며 속도는 파일럿 작동형 밸브(289)를 거쳐 제어된다.
Figure pct00012
결합 복원:
하나 및 동일한 스티어링 이벤트 동안에 위의 제어 옵션(복원 않됨, 전체 복원, 일부 복원) 사이를 전환하는 것이 가능하다.
Figure pct00013
바이어싱 압력의 레벨은 다음 기준 중 하나를 기초로 하여(혹은 그것들의 결합을 기초로 하여) 결정될 수 있다:
Figure pct00014
고정된 미리 결정된 바이어싱 압력의 이용;
Figure pct00015
다음의 함수가 되는 가변 바이어싱 압력의 이용;
Figure pct00016
스티어링 비율 및/또는
Figure pct00017
기계 속도 및/또는
Figure pct00018
실제 스티어링 각도
Figure pct00019
요구 관련 바이어싱 압력의 이용;
스티어링에서의 불규칙성으로의 증가된 경향이 존재할 때 바이어싱 압력은 증가되며, 불규칙성이 적을 때 주어진 시간 경사 혹은 또 다른 여과 형태에 따라 감소된다. 불규칙적 스티어링은 발전기(313)를 거쳐, 혹은 대안으로서, 스티어링 실린더(104, 105) 상의 위치 센서를 거쳐, 혹은 출구 밸브(201, 212)를 가로지른 흐름의 계산을 거쳐 등록될 수 있는 스티어링 비율의 파생을 거쳐 탐지될 수 있다. 또 다른 방법은 압력 센서(216, 218)를 거쳐, 제어 유닛이 스티어링 실린더 내에 큰 압력 변동이 일어나는 것을 등록하는 것이다.
또 다른 변형에 따라, 스티어링 휠(219)로 조향할 때(오비트롤 유닛을 거쳐) 에너지가 복원된다. 이는 다음을 제외하고는, 레버 조향의 위의 설명에 따라 달성된다:
Figure pct00020
복원 않됨:
최대 허용가능 압력이 원하는 우회 압력과 상응하도록 하기 위하여 파일럿 작동형 밸브(291)가 제어된다. 발전기(313)로부터 유압 모터 상의 하중은 유압 유체가 유압 모터(295)를 통과하지 못하는 높은 레벨로 조절되나, 실제로 전체 흐름은 파일럿 작동형 밸브(291)를 통과한다. 대안으로서, 흐름이 유압 모터(295)를 통하여 발생하는 것을 예방하기 위하여 유압 모터(295) 앞 혹은 뒤에 차단 밸브(shut-off valve)가 추가될 수 있다.
도 5는 도 4의 실시 예의 또 다른 개발을 도시한다. 유압 압력 제한 밸브와 같은, 압력 제한기(pressure limitor, 321)가 레버 제어 기능으로부터의 리턴 도관(285) 및 탱크(243)를 연결하는 도관(323) 상에 배열된다. 그것에 의해, 안정성이 더 증가되는데 그 이유는 리턴 흐름 내의 멈춤을 야기하는 전기적 고장의 경우에 있어서 또한 스티어링 기능이 공급될 것이기 때문이다. 만일 복원 시스템에 고장이 발생하면, 유압 유체의 리턴 흐름은 여전히 항상 압력 제한 밸브(321)를 거쳐 탱크(243)에 도달할 수 있다. 그것에 의해, 압력 제한 밸브의 개방 압력은 에너지 복원 시스템에서의 사용을 위하여 원하는 압력 레벨보다 약간 위로 적절하게 설정된다. 대안으로서, 이러한 압력 제한 밸브(321)는 또한 스티어링 휠 조정과 관련하여 사용될 수 있다. 만일 몇몇 이유로, 오비트롤 유닛이 문제의 우회 압력을 처리할 수 없는 그러한 높은 우회 압력이 레버 조향을 위하여 사용되어야만 하면, 레버 조향을 위하여 우회 압력이 압력 제한기 및 오비트롤 유닛에 도달하는 것을 예방하기 위하여 체크 밸브가 추가될 수 있다.
또 다른 변형에 따라, 몇몇 일 함수가 동시에 사용될 때 에너지가 복원된다. 만일 예를 들면, 리프팅 및 스티어링이 동시에 사용되고 리프트 기능이 펌프 압력 200 바(bar) 및 스티어링 50 바를 필요로 하면, 에너지 복원 시스템은 150 바의 스티어링으로 리턴 압력을 승압할 수 없다. 이는 200 바의 펌프 압력이 리프팅 및 스티어링 모두를 위하여 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 스티어링으로부터의 우회 에너지는 복원된다.
도 4를 참조하여, 에너지 복원 시스템이 작동 기계의 작업 기구를 위한 능동 현가 장치(active suspension system)로서 사용되는, 또 다른 실시 예가 아래에 설명된다. 유압 시스템은 바람직하게는 작동 기계 상에 장착되는 작업 기구를 위한 참조 위치를 결정하기 위하여 센서(50)를 포함한다. 작업 기구는 상기 하나의 유압 일 함수에 의해 작동 기계의 기계 몸체와 관련하여 움직일 수 있다. 작업 기구는 예를 들면, 기계 몸체 및/또는 작업 기구의 원치 않는 운동 에너지가 상대 움직임이 제동되는 것과 동시에 복원되는 리프팅 어셈블리 혹은 다른 형태의 함수일 수 있다. 복원 유닛은 작업 기구 및 기계 몸체 사이의 적어도 일 방향으로, 상대 움직임을 약화시키도록 적용된다. 이는 예를 들면, 작동 기계를 움직일 때 발생할 수 있는 외부 장애에 의해 영향을 받을 때 매우 중요하다. 다음에서, 에너지가 복원되는 동안에 기계 몸체와 관련된 버킷의 내밀 운동의 약화가 발생할 수 있는, 리프트 기능의 현가 장치가 설명될 것이다(틸트 기능을 위한 현가 장치도 유사한 방법으로 기능을 할 수 있다).
리프팅 실린더에 결합될 수 있는 위치 센서(50, 도 4 참조)를 거쳐, 제어 유닛은 기계 몸체와 관련된 리프팅 어셈블리의 위치를 등록한다. 제어 유닛의 컴퓨터는 현가 장치 기능 바로 앞에 리프팅 어셈블리가 구동된 위치 및 유압 실린더의 피스톤 및/또는 피스톤 로드 면 상의 실제 압력 레벨을 메모리 내로 저장한다. 리프트 암 어셈블리는 일반적으로 작동 기계의 기계 몸체와 선회하여 연결된다. 이는 만일 작동 기계가 울퉁불퉁한 표면상으로 구동하면, 즉, 작은 오름(범프(bump)) 위를 구동하거나 및/또는 작은 구멍 내로 구동하면, 이는 피스톤 및 피스톤 로드 면 성의 압력의 변경 형태로 유압 실린더 내에 반영된다.
복원 시스템을 거쳐, 제어 밸브(209)는 탱크(243)로의 피스톤 로드 면을 개방한다. 피스톤 면 상의 압력이 초기 압력보다 높을 때, 펌프(243)로의 제어 밸브(207)가 오일이 보충될 수 있고 리프트 암 어셈블리를 약간 올리기 위하여 개방된다. 만일 피스톤 면 상이 압력이 높아지면, 제어 밸브(209)는 닫히며, 제어 밸브(207)가 복원 시스템으로 열리며, 따라서 어셈블리는 내려지는데, 이때 유압 유체의 흐름이 복원 시스템 내의 전기 에너지를 발생시킨다. 리프트 암 어셈블리를 내릴 때, 다음을 거쳐 감속이 발생할 수 있다:
Figure pct00021
발전기(313)는 토크 제어를 갖는데, 즉, 유압 모터 상의 발전기로부터의 하중은 리프팅 어셈블리가 멈출 때까지 증가될 수 있는데 그 이유는 유압 모터로부터의 역압력이 충분히 크기 때문이다. 유압 실린더의 피스톤 스트로크 길이 및 피스톤 속도는 선택된 토크 제어 전략에 따라 결정된다. 파일럿 작동형 밸브(289)는 복원 유닛을 위하여 원하는 압력 레벨을 허용하는 최대 허용가능 압력을 설정하도록 제어된다.
Figure pct00022
발전기(313)는 속도 제어를 갖는데, 이때 유압 실린더의 피스톤 스트로크 길이 및 피스톤 속도는 선택된 속도 제어 전략에 따라 결정된다. 파일럿 작동형 밸브(289)는 복원 유닛을 위하여 원하는 압력 레벨을 허용하는 최대 허용가능 압력을 설정하도록 제어된다.
Figure pct00023
만일 에너지 복원이 에너지 복원이 주어진 레벨에 고정되거나 혹은 또 다른 이유로 제한되는 점에 기인할 수 있는, 리프팅 어셈블리의 원하는 감속을 달성하기에 불충분하면, 제어 밸브(207, 관련된 손실을 갖는)를 거쳐 추가적인 감속이 발생할 수 있으며 유압 유체의 우회가 파일럿 작동형 밸브(289)를 거쳐 발생할 수 있다.
제어는 어셈블리가 위치 센서(50)에 의해 등록될 수 있는, 초기 위치 주위를 머무는 것과 같이 실행될 수 있다. 초기 위치와 관련된 최대 허용가능 진폭은 제한되어야만 한다. 이는 안정성 이류를 위한 것이며, 따라서 어셈블리는 버킷에 견인력(pulling force)이 적용될 때 너무 많이 접히지 낳는다.
게다가, 시스템은 가변 "탄력/감속(springing/damping)" 특성을 위한 조건을 생성한다. 바람직하게는, 시스템은 특히 감속을 갖는 스프링과 같이 작동하는데, 즉, 만일 장애가 리프팅 어셈블리를 밀어 내리면, 전기 동력이 발전기의 구동에 의해 획득되며, 동시에 위의 제어 전략에 의해 움직임이 감속된다(스프링과 같이). 상응하는 방법으로, 공급 펌프에 의해 리프팅 어셈블리의 올림이 일어날 때, 특정 동력 레벨이 추가될 것이며, 이는 그리고 나서 리프팅 어셈블리를 멈추도록 약화된다. 이러한 스프링 특성의 형태는 다음의, 혹은 그것들의 일부분의 기능일 수 있다:
Figure pct00024
방해력의 규모:
스프링 특성은 방해력의 규모의 기능일 수 있다. 방해 이점 치 이후의 유압 실린더의 압력의 차이가 방해력의 양이다.
Figure pct00025
하중 무게의 규모:
스프링 특성은 하중 무게의 기능일 수 있다. 유압 실린더의 피스톤 면 상의 압력이 하중 무게의 양이다.
Figure pct00026
처리(handling) 형태:
스프링 특성은 처리 및/또는 사용되려는 일 기구(버킷, 팔레트 포크(pallet fork), 팀버 그랩(timber grab) 등)에 따라 변경될 수 있다. 제어 유닛은 실제 처리를 등록하며 서로 다른 작업 작동을 위하여 적용된 미리 결정된 특성의 수로부터 선택할 수 있다.
Figure pct00027
전달 및 작업 모드:
기계가 단지 전달 모드에서 작동되는가 혹은 리프팅 어셈블리를 갖는 작업이 진행중인가 따라 서로 다른 특성이 선택될 수 있다. 이는 예를 들면, 작업 기계의 속도의 등록 및/또는 어떠한 레버 움직임의 등록에 의해 표시될 수 있다.
또 다른 변형에 따라, 유압 시스템에 펌프 기능을 추가하기 위하여 에너지 복원 시스템이 사용된다. 도 6a이 참조된다. 유압 시스템은 일 함수로부터의 리턴 흐름으로부터 펌프의 압력 면으로 복원된, 에너지를 반환하기 위한 수단(520)을 포함한다. 전기 기계(513)는 유압 기계(595)에 기계적으로 연결된다. 전기 기계는 유압 기계에 의해 구동될 수 있으며 따라서 에너지를 복원할 때 발전기로서 사용되나, 또한 유압 기계를 펌프로서 구동하기 위한 모터로서 사용될 수 있다. 따라서, 유압 기계(595)는 유압 모터 및 펌프로서의 두 기능을 할 수 있다.
유압 기계(595)를 탱크(243)로 연결하는 탱크 도관(517) 상에 전기적으로 제어되는 밸브(515)가 배열된다. 밸브는 유압 기계로부터 탱크(243)로 유압 유체의 흐름을 방지할 수 있도록 하기 위하여 사용될 수 있다. 펌프 도관(521)은 유압 기계를 주 펌프(205)의 출구 면(압력 면)으로 연결하도록 적용된다. 이러한 펌프 도관(521)은 그것의 단 중의 하나에서 유압 기계(595) 및 밸브(517) 사이의 위치에서 탱크 도관(517)에 적절하게 연결되며, 그것의 다른 단에서 주 펌프(205)의 출구 면에 연결된다. 펌프 도관(521) 상에 체크 밸브(519)가 배열될 수 있다. 그것에 의해, 유압 유체는 주 펌프(205)로부터의 방향으로 직접 에너지 복원 시스템에 도달하는 것을 예방한다. 에너지 복원 시스템으로부터 유압 유체가 주 펌프(205)를 거쳐 탱크(243)를 통과할 수 없도록 하기 위하여 주 펌프의 출구 면 상에 체크 밸브(523)가 또한 배열될 수 있다.
이러한 방법으로, 에너지 복원 시스템은 또한 유압 유체를 유압 시스템의 일 함수에 제공할 수 있다. 복원 유닛은 일 함수의 리턴 라인으로부터 도착하는 유압 유체를 사용한다.
도 6ab에 도시된, 이러한 시스템의 또 다른 변형에 따라, 주 펌프(205b)에서의 체크 밸브(523)는 제거되었다. 주 펌프(205b)는 펌프 및 유압 모터로서의 두 기능을 하도록 적용된다. 펌프는 펌프가 일 함수를 제공하기 위하여 압력 면 상에 필요한 압력을 제공하는 것과 동시에, 유압 유체가 복원 유닛(595b)으로부터 펌프의 압력 면(50b)으로 그리고 나아가 펌프를 통하여 펌프의 흡입 면으로 흐를 때 토크를 제공하도록 적용된다. 유압 기계(595b)는 전기 기계(513)에 연결될 수 있으며, 이전에 설명된 것과 동일한 방법으로, 에너지를 복원하기 위한 유압 모터로서, 혹은 리턴 흐름의 압력을 증가시키기 위한 모터로서 기능을 할 수 있다.
에너지를 복원할 때 구동계로 토크를 전달하기 위하여 주 펌프(205b)는 작동 기계(도 6ab에 개략적으로 도시)의 구동계(52b)에 연결된다. 적절하게, 구동계는 동력 인출기(power take-off)를 갖는다. 동력 인출기에서의 동력 인출은 그때 작동 기계의 선택적 기능을 위하여 사용될 수 있다. 이 경우에 있어서 펌프 및 유압 모터로서 모두 작동할 수 있는 주 펌프(205b)는 복원 유닛(595b)으로부터의 초과 흐름이 도관(521)을 거쳐 그리고 나아가 주 펌프(205b)를 통하여 탱크(243)로 흐를 수 있는 것과 동시에 압력 면 상의 요청된 압력을 유지하도록 적용된다. 바람직하게는 "오버-센터(over-center) 가변 전위 펌프" 형태의 가변 하중 센싱 펌프인, 주 펌프는 또한 구동계(52b)에 기계적으로 연결되며, 따라서 유압 유체가 펌프(205b)를 통하여 탱크(243)로 "거꾸로" 흐른다는 점에서 구동계 상에 토크를 발생시키도록 사용될 수 있다. 이는 공급 면 상의 필요한 흐름이 논의중의 순간에서, 상대적으로 낮은 것과 동시에, 특히 하나 혹은 몇몇의 일 함수가 상대적으로 큰 리턴 흐름을 발생시키는 작동 모드에서 바람직할 수 있다. 또한 전기 기계(513)로 연결되는 에너지 저장이 가득 차는 경우에 있어서 대신에 주 펌프(205b)를 거쳐 에너지를 복원하는 가능성이 존재한다.
다음에서, 도 6a을 참조하여, 일 함수로부터 주 펌프의 압력 면으로의 유압 유체의 반환이 예로서 틸트 기능을 가지고 설명될 것이다.
파일럿 작동형 밸브(287)는 필요한 최대 허용가능 압력이 획득되도록 제어되는데, 이는 일 함수로부터 유압 유체의 전체 리턴 흐름이 유압 기계(595)로 향하는 것을 의미한다. 주 펌프의 압력 면의 압력과 관련된 리턴 흐름의 압력에 따라 서로 다른 전략이 사용될 수 있다.
Figure pct00028
리턴 압력이 주 펌프의 공급 압력보다 높다:
밸브(515)는 닫히며 유압 유체의 전체 흐름은 유압 기계(595)를 거쳐 통과한다. 전기 기계(513)가 상당한 양의 에너지를 복원할 수 있는데, 즉, 리턴 압력 및 공급 압력 사이의 압력 차이에 상응하는 전기적 동력을 발생시킨다.
Figure pct00029
리턴 압력이 주 펌프의 공급 압력보다 낮다:
밸브(515)는 닫히며 유압 유체의 전체 흐름은 유압 기계(595)를 거쳐 통과한다. 전기 기계(513)가 모터로서 기능을 하며 리턴 흐름의 압력이 유압 유체를 주 펌프의 출구 면 상에 공급되도록 할 수 있는 레벨로 올릴 수 있도록 하기 위하여 에너지를 공급한다.
만일 전체 흐름이 공급 라인으로 되돌아오도록 원치 않는다면(예를 들면 만일 리턴 흐름이 필요한 공급 흐름보다 크면), 다음이 행해질 수 있다:
Figure pct00030
초과 흐름이 파일럿 작동형 밸브(287)를 거쳐 탱크(243)로 버려진다.
대안으로서, 모든 에너지는 전기 에너지 저장 유닛 내에 저장될 수 있으며 이후에 소비되거나 혹은 다른 전기 소비자를 위하여 사용될 수 있다.
복원된 에너지는 서로 다른 필요를 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 낮은 디젤 엔진 속도에서, 일 함수 내의 높은 실린더 속도를 발생시키기 위하여, 혹은 구동계에 더 많은 엔진 동력을 풀기 위하여 전기 에너지가 사용될 수 있다.
또 다른 변형에 따라, 예비 스티어링 펌프(standby steering pump) 형태의 기능을 갖는 유압 시스템(201)을 제공하기 위하여 복원 유닛이 사용된다. 도 7이 참조된다. 도 6a에 도시된 시스템과 비교하여, 유압 기계(595)가 탱크(243)로부터 유압 유체를 끌 수 있게 하는 흡입 도관(601)이 추가된다. 흡입 도관(601)은 바람직하게는 유압 기계(595)가 탱크(243)로부터 유압 유체를 끌 수 있도록 하기 위하여 제 2 도관(293)으로부터 탱크(243)로 확장하도록 적용된다. 흡입 도관(601) 상에 체크 밸브(621)가 배열될 수 있다. 흡입 도관(601)에 의해, 몇몇 이유로 주 펌프(205)가 유압 유체를 제공할 수 없는 경우에, 유압 기계(595)는 유압 유체를 스티어링 시스템으로 배달할 수 있다.
또 다른 변형에 따라, 작동 기계(101)의 감속 동안에 에너지를 복원하기 위하여 에너지 복원 시스템이 사용된다. 도 8이 참조된다. 주 펌프(205)는 작동 기계의 구동계(205b)에 의해 구동될 수 있으며 작동 기계의 감속 동안에 구동계를 제동하도록 적용된다. 유압 시스템은 작동 기계의 감속 동안에 에너지를 복원하기 위하여 펌프(205)의 압력 면으로부터 복원 유닛(595)으로 유압 유체의 흐름을 제어하기 위한 유압 제어 수단(701b)을 포함한다. 도 7의 실시 예와 비교하여, 도 8의 유압 시스템의 실시 예는 전기적으로 제어되는 밸브(701) 형태의 상기 제어 수단(701b) 및 도관(703)을 포함한다. 흡입 도관(601) 및 펌프 도관(521)을 연결하는 도관(703) 상에 밸브(701)가 배열된다. 기계의 감속 동안에, 흐름은 펌프(205)로부터 밸브(701)를 거쳐 복원 유닛으로 구동되는데, 이때 유압 에너지는 직접적 소비 혹은 저장 유닛 내의 저장을 위하여 전기 에너지로 변환될 수 있다. 기계는 펌프(및 유압 기계 및 발전기)를 구동하기 위하여 필요한 에너지에 상응하는 정도까지 감속될 것이다. 감속 레벨의 조절은 예를 들면, 펌프로의 최대 로드 센싱 신호를 조절함으로써 그리고 그 후에 토크 혹은 속도 제어에 의한 전기 기계(513)를 제어하기 위하여 일어날 수 있다. 복원 유닛을 통과한 흐름에 의해 증가된 압력 레벨은 달성될 수 있는 감속 효과와 상응한다. 흐름은 전기 기계의 직접적인 속도 제어, 혹은 특정 속도(및 그것에 의한 특정 흐름)와 상응할 하중(토크)의 제어에 의해 결정될 수 있다. 만일 주 펌프에 의해 다른 기능들이 동시에 공급되면, 전기 기계(513)는 압력 및 흐름이 이러한 다른 기능들에 계속해서 유지되도록 제어되며 나머지 부분은 복원 유닛을 통과한다.
도 9는 도 8의 실시 예에 대한 대안의 실시 예를 도시한다. 여기서, 제어 수단(801b)은 전기적으로 제어되는 밸브(801) 및 흡입 도관(601) 및 공급 도관(805)을 연결하는 도관(803)을 포함한다. 공급 도관(805)은 펌프로부터 우선순위 밸브(220)로 그리고 나아가 일 함수로 확장한다. 밸브(801)는 도관(803) 상에 배열되는데, 이는 우선순위 밸브(220) 및 일 함수 사이의 위치에서 공급 도관(805)으로 연결된다. 그것에 의해, 복원 유닛의 가능할 수 있는 고장의 경우에 스티어링은 또한 흐름을 받는 것이 보장된다. 그러한 경우에 있어서, 우선순위 밸브(220)는 일 함수 및/또는 복원 유닛으로의 공급을 희생하여 주 펌프(205)로부터 스티어링으로의 흐름을 우선순위에 둘 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 유압 시스템의 대안의 실시 예를 도시한다. 유압 시스템의 에너지 복원 시스템(901)이 유압 기초 시스템(201) 내에 제공되는데, 이는 이미 도 3 및 4를 참조하여 위에서 설명되었다. 아래에는 도 3 및 4의 에너지 복원 시스템과 비교하여 이러한 시스템에 내에 존재하는 차이점만이 설명될 것이다.
이러한 실시 예에서, 복원 유닛은 제 1 유압 기계(295) 및 제 2 유압 기계(903)를 포함한다. 제 1 및 제 2 유압 기계는 기계적으로 상호 연결되며, 제 1 유압 기계(295)는 유압 흐름의 흐름에 의해 구동되도록 적용되며 제 2 유압 기계(903)는 제 1 유압 기계에 의해 구동됨으로써 유압 유체를 퍼올리도록 적용된다. 따라서, 전기 기계(313) 대신에, 에너지 복원 시스템(901)은 상기 제 2 유압 기계(903)를 포함한다.
아래에, 제 2 유압 기계(903)는 펌프로서 참조될 것이며 제 1 유압 기계(295)는 유압 모터로서 참조될 것이다. 동력 전달장치용 중간 샤프트를 갖는 펌프 및 모터의 배열은 유압 토크 변환기를 형성한다. 예를 들면 어큐뮬레이터 형태의 유압 에너지 저장장치(905)가 펌프(903)의 출구 면에 연결된다. 펌프(903)의 출구 면은 나아가 주 펌프(205)의 흡입 면에 연결되는 도관(907)을 거쳐 유압 시스템(201)에 연결된다. 따라서, 어큐뮬레이터(905) 내에 저장된 에너지는 주 펌프(205)의 흡입 면을 거쳐 시스템으로 다시 배달될 수 있다.
주 펌프(205)는 바람직하게는 작동 기계의 구동계에 기계적으로 연결되며 디젤 엔진과 같은, 작동 기계의 추진 엔진에 의해 구동된다. 유압 시스템은 일 함수로부터의 리턴 흐름으로부터, 펌프(205)의 흡입 면으로 복원된 에너지를 반환하기 위한 수단(900)을 포함한다. 유압 유체는 어큐뮬레이터(905)로부터 주 펌프로 제공될 수 있다. 어큐뮬레이터 내의 유압 유체가 가압되기 때문에, 어큐뮬레이터(905) 내에 저장된 모든 에너지는 어큐뮬레이터 내의 실제 압력 레벨과 상관없이 시스템에서 사용될 수 있다. 어큐뮬레이터 내의 압력이 작동되려는 일 함수에서보다 높은 경우에 있어서, 즉, 어큐뮬레이터(905) 내의 압력이 주 펌프의 압력 면 상의 압력보다 높은 경우에 있어서, 어큐뮬레이터로부터 공급되는 초과 토크는 디젤 엔진의 토크를 감소시킬 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 주 펌프는 디젤 엔진을 공급하는 유압 모터로서 기능을 할 것이다.
에너지를 복원하기 위하여 에너지 복원 시스템(901)을 사용하는 서로 다른 방법들의 설명이 아래에 뒤따를 것이다.
제 1 변형에 따라, 리프트 암 어셈블리(111)가 내려질 때 에너지는 복원된다(또한 도 1 참조). 제어 유닛은 작동자가 리프트 레버를 거쳐 리프트 암 어셈블리를 내리도록 원한다는 것을 등록한다. 제어 유닛은 리프팅 실린더(108, 109)와 관련하여, 파일럿 작동형 밸브(289)를 최대 허용가능 압력으로 설정하는데, 이는 복원 유닛을 위한 필요한 압력이 달성될 수 있으며, 제어 밸브(207)를 개방한다는 것을 의미한다. 유압 유체는 이제 제어 밸브(207)를 통한 리프팅 실린더(108, 1098)의 피스톤 면으로부터, 체크 밸브(298)를 통하여, 나아가 유압 모터(295)를 통하여 그리고 나서 나아가 상응하는 밸브(311)를 거쳐 탱크(243)로 흐를 수 있다. 리프팅 실린더(108, 109)의 피스톤 로드 면은 제어 밸브 유닛 내에 배열되는 안티캐비테이션 밸브에 의해 종래의 방법으로 보충된다.
유압 모터(295)에 의해 구동되는 펌프(903)는 가압된 유압 유체를 어큐뮬레이터(905)로 배달한다. 모터를 통과한 리턴 흐름의 압력은 유압 실린더 내의 압력에 따라 결정된다(이는 차례로 실제 하중에 따라 결정된다). 펌프(903)의 압력 면 상의 압력은 어큐뮬레이터(905) 내의 가스가 얼마나 많이 압축되는가에 따라 결정된다. 이는 어큐뮬레이터(905) 내의 압력 및 유압 모터(295) 앞의 유압 유체의 압력이 본질적으로 동일하지 않다는 것을 의미한다. 유압 토크 변환기(converter)를사용함으로써, 모든 복원된 에너지는 압력 레벨에 상관없이, 어큐뮬레이터(905) 내에서 처리될 수 있다.
만일 모터(903)가 높은 압력에서 작동하고 어큐뮬레이터(905)가 낮은 압력을 가지면, 동일한 토크를 획득하기 위하여 설정되어야만 하는 변위의 계산이 실행될 수 있다(토크는 압력에 의해 증가된 변위에 비례한다). 실제로, 이는 펌프(903)가 유압 유체를 유압 모터(295)와 비교하여 더 큰 흐름 및 더 낮은 압력을 갖는 어큐뮬레이터(905) 내로 밀어내지만, 어큐뮬레이터(905) 내에 저장된 에너지는 실제로 유압 모터 내에서 발생된 것과 상응한다는 것을 의미한다. 대안으로서, 제어 밸브(207) 및 제어 밸브(209) 모두가 복원 유닛으로의 출구를 개방할 수 있는데, 이는 피스톤 면 및 피스톤 로드 면 모두가 복원 유닛에 연결된다는 것을 의미한다. 이는, 결국 복원 유닛으로의 감소된 리턴 흐름(그러나 더 높은 압력)을 야기할 것인데, 그 이유는 주로 피스톤 면으로부터 피스톤 로드 면으로의 유압 유체 흐름에 의해 내림 작동이 실행될 것이기 때문이다. 이는 예를 들면, 버킷이 비어 있고 유압 모터(295)를 과속하는 위험 없이 급속한 내림이 일어날 때 사용될 수 있다.
또 다른 제어 옵션이 사용될 수 있다:
Figure pct00031
복원 않됨:
전체 리턴 흐름은 파일럿 작동형 밸브(289)를 통과하는데, 이는 최소 역압력을 발생시키도록 적용된다. 리턴 흐름의 규모의 제어는 리프트 암 어셈블리의 원하는 내림 속도에 따른 제어 밸브(207)에 의해 발생한다. 흐름은 슬라이드 위치 및 제어 밸브(207)의 슬라이드를 가로지른 압력 강하를 기초로 하여 계산될 수 있다. 유압 실린더의 피스톤 상의 압력 센서 및 복원 유닛에서의 압력 센서(309)가 사용될 수 있다. 에너지가 복원되도록 원치 않는 이유는 예를 들면, 어큐뮬레이터(905)가 완전히 충전되기 때문일 수 있는데, 즉, 어큐뮬레이터 내의 압력이 최대 레벨에 도달했기 때문이다. 그것은 또한 리프트 암 어셈블리가 최대 힘으로 내려지도록 원하기 때문일 수 있으며, 그러한 경우에 있어서 리턴 라인 내의 역압력은 내림 운동에 대응할 수 있다.
Figure pct00032
완전 복원:
파일럿 작동형 밸브는 적절한 최대 허용가능 압력이 획득되도록 제어되는데, 이는 모든 흐름이 유압 모터(295)를 통과하는 것을 의미한다. 리턴 흐름의 규모의 제어는 제어 밸브(207)에 의해 발생한다. 제어 유닛은 유압 실린더의 피스톤 면 상의 압력에 관한 정보를 가지며 바람직하게는 가능한 한 제어 밸브(207)를 개방한다. 요청된 흐름을 획득하기 위하여 제어 밸브(207) 뒤에 얼마나 높은 역압력이 만연하는가의 계산이 실행될 수 있다. 그것은 Mut=Displ*압력 강하*ηhm/(2*PI)로 적용된다. 펌프(903)에 대하여, 그것은 Min=Displ*압력 강하*/(ηhm*2*PI)로 적용된다. 압력, 효율성 및 모터 변위에 관한 입력 데이터에 의해, 펌프(903)의 필요한 변위의 설정의 결정이 계산될 수 있다. 게다가, 압력 센서(309)에 의해 측정된 실제 압력을 확인한 후에 변위의 우수한 유효한 선회가 실행될 수 있다. 변위의 반복된 계산 및 조절이 계속해서 실행될 수 있는데, 그 이유는 압력이 어큐뮬레이터(905) 내 및 유압 실린더의 피스톤 면 상에서 변경되기 때문이다.
Figure pct00033
부분 복원:
만일 단지 에너지의 특정 일부만이 복원될 수 있다면, 원하는 토크의 계산 및 조절은 펌프(903)의 변위를 조절함으로써 실행된다. 이는 제어 밸브 및 유압 모터 사이의 위치, 즉, 압력 센서(309)에서의 특정 압력과 상응한다. 속도 센서(909)로부터의 정보로, 유압 모터(295) 및 펌프(903)가 과속하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 파일럿 작동형 밸브는 그리고 나서 과속이 일어나지 않는 것과 같은 값으로 리턴 포트에서의 최대 허용가능 압력을 조절한다. 따라서, 유압 유체의 흐름은 파일럿 작동형 밸브를 거쳐 탱크(243)로 직접 우회할 수 있다. 제어 밸브(207)는 정확한 실린더 속도를 획득하기 위하여 종래의 방법으로 조절된다.
Figure pct00034
결합 복원
하나 및 동일한 내림 이벤트 동안 위의 제어 옵션(복원 않됨, 전체 복원, 일부 복원) 사이를 전환하는 것이 가능하다. 예를 들면, 내림 운동의 시작에서, 어큐뮬레이터(905) 내의 압력이 낮은 경우에 일부 복원이 적용될 수 있다. 그 후에, 전체 복원이 실행되며 어큐뮬레이터(905)가 최대 압력에 도달한 후에 더 이상 복원이 발생하지 않는다.
또 다른 변형에 따라, 버킷을 비웠을 때(틸트 아웃(tilt-out)) 에너지는 복원된다. 버킷을 비웠을 때 리프트 암 어셈블리를 내릴 때와 상응하는 방법으로 복원이 일어난다.
또 다른 변형에 따라, 조향 레버로 조향할 때 에너지는 복원된다. 도 10의 실시 예에 따른 시스템에 의한 레버 조향 동안에 에너지 복원은 일부 차이점을 제외하고는, 실제로 도 4의 실시 예에 따른 시스템에 의한 레버 조향 동안에 에너지 복원을 위한 것과 동일한 방법으로 일어난다:
Figure pct00035
"완전 복원"의 경우에 있어서, 바이어싱 압력은 펌프(903) 상의 토크의 조절에 의해 제어된다(앞서 설명에 따라).
또 다른 변형에 따라, 스티어링 휠로 조향할 때(오비트롤 유닛을 거쳐) 에너지가 복원된다. 도 10의 실시 예에 따른 시스템에 의한 스티어링 휠의 조향 동안에 에너지 복원은 일부 차이점을 제외하고는, 실제로 도 4의 실시 예에 따른 시스템에 의한 스티어링 휠의 조향 동안에 에너지 복원을 위한 것과 동일한 방법으로 일어난다:
Figure pct00036
"복원 않됨"의 경우에 있어서, 펌프(903)의 변위는 (최대) 레벨로 제어되는데, 따라서 유압 모터 상의 하중이 너무 커서 흐름은 유압 모터(295)를 거쳐 통과할 수 없다.
도 11은 도 9의 실시 예의 또 다른 개발을 도시한다(이러한 또 다른 개발은 도 4의 유압 시스템의 도 5의 또 다른 개발과 상응한다). 압력 제한기(1021)는 레버 스티어링으로부터 탱크(243)로 리턴 도관을 연결하는 도관(1023) 상에 배열된다.
또 다른 변형에 따라, 몇몇의 일 함수가 동시에 사용될 때 에너지는 복원된다. 이는 실제로 도 4에 도시된 유압 시스템을 위하여 위에서 설명된 것과 동일한 방법으로 작용한다.
또 다른 변형에 따라, 유압 시스템은 일 함수를 위한 능동 현가 장치로서 사용되는데, 이때 기계 몸체 및/도는 작업 기구의 바람직하지 않은 운동 에너지가 적어도 부분적으로 복원된다. 이는 일부 차이점을 제외하고는, 도 4의 유압 시스템을 위하여 위에서 설명된 것과 상응하는 방법으로 일어난다.
Figure pct00037
펌프(903)는 바람직하게는 토크 제어를 갖는데, 즉, 유압 모터 상의 펌프로부터의 하중은 리프팅 어셈블리가 멈출 때까지 증가될 수 있는데 그 이유는 유압 모터로부터의 역압력이 충분히 크기 때문이다. 유압 실린더의 피스톤 스트로크(stroke) 길이 및 피스톤 속도는 선택된 토크 제어 전략에 따라 결정될 것이다. 파일럿 작동형 밸브(289)는 최대압력의 범위 내의 원하는 압력 레벨에서 작동할 수 있는 것을 의미하는 최대 허용가능 압력을 설정하도록 제어된다.
Figure pct00038
단지 제한된 에너지 복원만이 실행될 수 있는 경우에, 작업 기구의 운동의 특정 감속은 제어 밸브(207)에 의해 발생할 수 있으며 유압 유체의 우회가 파일럿 작동형 밸브(289)를 거쳐 발생할 수 있다.
작동 기계의 감속 동안에, 주 펌프(205)가 구동계를 제동하는 것과 동시에 주 펌프(205)는 구동계에 의해 구동된다. 그것에 의해, 주 펌프는 밸브(1101)를 거쳐 복원 유닛으로 흐름을 퍼올린다. 작동 기계는 주 펌프(205)(및 복원 유닛)를 구동하기 위하여 필요한 에너지와 상응하는 정도까지 감속된다. 감속 동안에, 밸브(1101)는 바람직하게는 완전히 열린다. 감속 레벨의 조절은 주 펌프로의 로드 센싱 신호의 계산 및 조절(그 이유는 로드 센싱 신호가 펌프의 압력 조절기에 대한 참조 신호를 포함하기 때문에), 그리고 펌프(903)의 변위의 조절에 의해 일어날 수 있다. 흐름은 속도 센서(909)로부터의 입력 데이터로 계산될 수 있다. 감속 효과는 흐름에 의해 증가된 압력에 비례한다.
에너지는 다른 일 함수가 사용되는 것과 동시에, 감속으로부터 복원될 수 있다. 만일 다른 일 함수가 동시에 사용되면, 주 펌프로의 로드 센싱 신호는 다른 일 함수를 위하여 필요한 압력의 가장 높은 압력 및 원하는 감속 효과(감속 에너지)를 획득하기 위하여 필요한 압력에 의해 결정된다. 얼마나 많은 에너지가 복원될 수 있는가의 계산이 실행되며 펌프의 변위가 그에 알맞게 조절된다. 유압 모터(295)를 가로지른 흐름이 계산되며(속도 센서(909)에 의해) 다른 일 함수로 나가는 흐름이 계산된다(슬라이드 위치 및 관련 제어 밸브의 압력 강하에 의해). 만일 오비트롤 유닛을 갖는 스티어링 휠이 사용되면, 예를 들면, 스티어링으로의 흐름을 계산하기 위하여 스티어링 위치 센서가 사용될 수 있다. 만일 복원 유닛이 감속 에너지의 필요한 양에 상응하는 압력 및/또는 흐름을 받을 수 없으면, 에너지의 특정 양이 제어 밸브(1101)의 제어에 의해 버려질 수 있는데 따라서 상응하는 압력 강하가 그것을 가로질러 일어난다.
도 13은 도 12의 실시 예에 대한 대안의 실시 예를 도시한다. 여기서, 전기적으로 제어되는 밸브(1201)는 복원 시스템 내의 제 2 도관(293)을 주 펌프(205) 및 일 함수 사이에 배열되는 공급 도관(805)으로 연결하는 도관(1203) 상에 배열된다. 도관(1203)은 우선순위 밸브(220) 및 일 함수 사이의 위치에서 공급 도관(805)으로 연결된다. 그것에 의해, 스티어링은 또한 복원 유닛의 가능할 수 있는 고장의 경우에 흐름을 받도록 보장하며 우선순위 밸브(220)는 일 함수 및/또는 복원 유닛으로의 공급을 희생하여 주 펌프(205)로부터 스티어링으로의 흐름을 우선순위에 둘 것이다.
또 다른 변형에 따라, 어큐뮬레이터(accumulator)로부터 주 펌프로 복원된 에너지를 공급하기 위하여 유압 시스템이 사용된다.
일 함수를 위하여 직접적으로 어큐뮬레이터 내에 저장된 에너지를 사용하는 것은 일반적으로 큰 손실을 야기한다. 어큐뮬레이터 내의 압력은 얼마나 많은 가스가 압축되는가에 따라 결정되며, 유압 실린더에 의해 필요로 하는 압력은 실제 하중 상황에 따라 결정된다. 어큐뮬레이터 내의 압력은 유압 실린더의 필요로 하는 압력보다 낮은데, 이는 유압 실린더가 더 이상 움직이지 않을 것이라는 것을 의미하며, 어큐물레이터 내의 압력은 유압 실린더의 필요로 하는 압력보다 높은데, 이는 혹은 에너지가 유압 실린더 피스톤의 속도가 제어될 수 있도록 하기 위하여 밸브를 거쳐 감속되어야만 한다는 것을 의미한다.
그러나, 본 발명에 따른 이러한 유압 시스템의 변형을 통하여, 실제로 어큐뮬레이터 내에 저장된 모든 에너지는 복원될 수 있다. 도 10이 참조된다.
어큐뮬레이터(905)는 밸브(913)를 거쳐 펌프(205)의 흡입 면에 연결된다. 주 펌프(205) 및 탱크(243) 사이의 도돤 상의 체크 밸브(915)는 어큐물레이터(905)로부터 가압된 오일이 탱크(243)로 통과하는 것을 방지한다. 밸브(913)가 닫힐 때, 주 펌프는 종래의 방법으로 탱크로부터 오일을 끌어낸다.펌프를 구동하기 위하여 필요한 동력은 압력 및 펌프를 통한 흐름에 의해 증가된 펌프의 흡입 면 사이의 압력 차이에 비례한다. 밸브(913)가 개방될 때, 어큐뮬레이터 내의 압력은 펌프의 흡입 면으로 공급되는데, 이는 압력 및 펌프(205)의 흡입 면 사이의 압력 차이를 감소시킨다. 만일 어큐뮬레이터 내의 압력이 출력 압력과 동일하면, 실제로 펌프를 구동하기 위하여 디젤 엔진으로부터 어떤 에너지도 공급되지 않아야 한다(슬립 손실에 의한 에너지 소비를 제외하고는). 어큐뮬레이터(905) 내의 압력이 주 펌프(205)로부터의 출력 압력보다 낮은 경우에 있어서, 펌프의 압력 면 상에 필요한 압력까지 어큐뮬레이터(905) 내에서 일어나는 압력을 증가시키는 동력만이 디젤 엔진으로부터 필요하다. 압력이 압력 면 상의 원하는 압력보다 어큐뮬레이터(905) 내에서 더 높은 경우에 있어서, 주 펌프(205)는 유압 모터로서 작용할 것이며 디젤 엔진 및 그것의 보조 장비를 구동할 것이다.
위의 설명에서, 용어 "전기적으로 제어되는 밸브"는 유압 도관 내의 직접 전기적으로 제어되는 밸브를 위하여 사용되었으며, 이는 다시 말해서 밸브가 입력 전기적 신호를 거쳐 제어되도록 적용된다. 몇몇 밸브의 배열에서와 같이, 물론 용어 "전기적으로 제어되는 밸브"의 범위 내에서 변형들이 존재하는데, 이 중에서 유압 도관 상에 제 1 밸브가 배열되며 제 2의 직접 전기적으로 제어되는 밸브는 유압 신호를 거쳐 제 1 밸브를 제어하도록 적용된다.
1 : 일 함수
2 : 제어 밸브 유닛
3 : 펌프
4 : 탱크
5 : 유압 실린더
6 : 피스톤
7 : 유압 실린더의 피스톤 면
8 : 유압 실린더의 피스톤 로드 면
9 : 복원 유닛
10 : 리턴 포트
12 : 파일럿 작동형 밸브
13 : 제어 유닛
14 : 액츄에이터
15 : 유압 기계의 샤프트
16 : 체크 밸브
17, 19, 20, 22 : 압력 센서
21 : 위치 센서
50 : 센서
101 : 휠 로더
102 : 전면 차량 섹션
103 : 후방 차량 섹션
104, 105 : 유압 실린더
106 : 리프트 암 유닛
107 : 기구
108, 109 : 리프팅 실린더
110 : 유압 실린더
111 : 리프트 암 어셈블리
112, 113 : 구동 액슬
114 : 운전실
115 : 링크 암 시스템
201 : 유압 시스템
203 : 제 1 일 함수
205 : 펌프
206 : 추진 엔진
207 : 제어 밸브
208 : 유체 제어 수단
209, 210 : 제어 밸브
211 : 작동자 제어 소자
212, 213 : 제어 유닛
214 : 조향 레버
217 : 제 2 일 함수
219 : 작동자 제어 소자
220 : 우선순위 밸브
223, 233 : 제어 밸브
229, 231; 216, 218; 235, 237; 233, 239 : 압력 센서
241 : 전기적으로 제어되는 밸브
243 : 탱크
253 : 리버싱 밸브
280, 282, 284 : 제 1 도관
281, 283, 285 : 리턴 도관
287, 289, 291 : 파일럿 작동형 밸브
293 : 제 2 도관
295 : 복원 유닛
301 : 에너지 복원 시스템
303, 305, 307 : 분기 도관
309 : 압력 센서
311 : 역압 밸브
313 : 발전기
314 : 에너지 저장 수단
321 : 압력 제한기
323 : 도관
513 : 전기 기계
515 : 전기적으로 제어되는 밸브
517 : 탱크 도관
519, 523 : 체크 밸브
595 : 유압 기계
801 : 전기적으로 제어되는 밸브
803 : 도관
805 : 공급 도관
901 : 에너지 복원 시스템
903 : 펌프
905 : 어큐뮬레이터
909 : 속도 센서
915 : 체크 밸브
1101 : 제어 밸브
1201 : 전기적으로 제어되는 밸브
1203 : 도관

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 일 함수(1;217, 221, 203) 및 일 함수로 그리고 일 함수로부터 유압 유체를 제어하기 위한 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c), 및 일 함수로부터 에너지를 복원하기 위하여 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에 연결되는 복원 유닛(9; 295; 595), 및 리턴 포트에서 유압 유체의 압력을 제한하기 위한 수단(11; 287b, 289b, 291b)을 포함하는 작동 기계(101)용 유압 시스템에 있어서,
    상기 압력 제한 수단은 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에서 최대 허용가능 압력을 설정하도록 배열되는 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)를 포함하며, 상기 압력은 제어 유닛(13; 213)에 의한 파일럿 작동형 밸브의 제어에 의해 가변되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)는 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에 연결되며 복원 유닛(9; 295; 595)과 평행하게 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  3. 제 1항 혹은 2항에 있어서, 상기 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)는 전기적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c)의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에서 최대 허용가능 압력은 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)에 의해 연속적으로 가변되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  5. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c) 및 복원 유닛 사이의 위치에서 복원 유닛(9; 295; 595)과 연속하여 연결되는 체크 밸브(16; 297, 298, 299)를 포함하며, 상기 체크 밸브는 일 함수(1; 217, 221, 203)로 향하는 방향으로 흐름을 차단하기 위하여 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)와 평행하게 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  6. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c) 및 파일럿 작동형 밸브의 입구 포트(18; 280b, 282b, 284b) 사이에 위치되는 위치에서 유압 유체의 압력을 측정하도록 적용된 압력 센서(17; 309)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  7. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 유압 유체를 제공하기 위한 펌프(3; 205)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 펌프(3; 205)는 상기 적어도 하나의 일 함수(1; 217, 221, 203)에 유압 유체를 제공하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 시스템은 일 함수로부터의 리턴 흐름으로부터, 펌프의 압력 면으로 에너지를 반환하기 위한 수단(520)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  10. 제 8항 및 9항에 있어서, 상기 펌프(205b)는 펌프 및 유압 모터로서의 두 기능을 하도록 적용되며, 상기 펌프는 펌프가 일 함수(1; 217, 221, 203)를 공급하기 위하여 압력 면 상에 필요한 압력을 제공하는 것과 동시에, 유압 유체가 복원 유닛(595b)으로부터 펌프의 압력 면(50b)으로 흐를 때 토크를 제공하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  11. 제 8항 혹은 9항에 있어서, 상기 시스템은 일 함수로부터의 리턴 흐름으로부터 복원된 에너지를 펌프(205)의 흡입 면으로 반환하기 위한 수단(900)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  12. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복원 유닛은 제 1 유압 기계(295) 및 제 2 유압 기계(903)를 포함하며, 상기 제 1 유압 기계는 유압 유체의 흐름에 의해 구동되도록 적용되며 상기 제 2 유압 기계는 제 1 유압 기계에 의해 구동됨으로써 유압 유체를 퍼올리도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제 1 유압 기계(295)는 리턴 흐름에 의해 구동되기 위하여 리턴 포트에 연결되며, 상기 제 2 유압 기계(903)는 유압 유체를 어큐뮬레이터(905)로 퍼올리도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  14. 제 8항 및 12항에 있어서, 상기 제 1 유압 기계(295)는 리턴 흐름에 의해 구동되기 위하여 리턴 포트에 연결되며, 상기 제 2 유압 기계(903)는 유압 유체를 펌프의 압력 면으로 퍼올리도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  15. 제 8항 및 12항에 있어서, 상기 제 1 유압 기계(295)는 리턴 흐름에 의해 구동되기 위하여 리턴 포트에 연결되며, 상기 제 2 유압 기계(903)는 유압 유체를 펌프의 흡입 면으로 퍼올리도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  16. 제 7항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프(205)는 작동 기계의 구동계에 의해 구동될 수 있고 작동 기계(101)의 감속 동안에 구동계를 제동하도록 적용되며, 상기 시스템은 작동 기계의 감속 동안에 에너지를 복원하기 위하여, 펌프의 압력 면으로부터 복원 유닛으로 유압 유체의 흐름을 제어하기 위한 유압 제어 수단(701b, 801b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  17. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 일 함수(1; 217, 221, 203)는 동력을 작동 기계 내의 기계 부품으로 전달하기 위한 피스톤이 제공되는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c)은 선택적으로 유압 실린더의 피스톤 면 및/또는 유압 실린더의 피스톤 로드 면으로부터, 복원 유닛으로 유압 유체의 리턴 흐름을 제어하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  19. 제 17항 혹은 18항에 있어서, 상기 시스템은 유압 실린더의 피스톤 면 상의 유압 유체의 압력을 측정하도록 적용된 압력 센서(19; 235, 229, 216)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  20. 제 17항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 유압 실린더의 피스톤 로드 면 상의 유압 유체의 압력을 측정하도록 적용된 압력 센서(20; 237, 231, 218)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  21. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복원 유닛(9; 295; 595)은 작업 기구(111) 및 작동 기계(101)의 기계 몸체(102) 사이의, 적어도 한 방향으로, 외부 방해에 의해 기인하는 상대적 움직임을 약화시키며, 상기 작업 기구는 상기 일 함수(1; 217, 221, 203)에 의해 기계 몸체와 관련하여 이동가능한 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 시스템은 기계 몸체(102)와 관련하여 작업 기구를 위한 참조 위치를 결정하기 위한 센서(21; 50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  23. 전 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 관련된 각각의 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c)을 갖는 복수의 일 함수(1; 217, 221, 203)를 포함하며, 상기 하나의 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)가 각각의 일 함수를 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  24. 제 5항 및 23항에 있어서, 상기 시스템은 각각의 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)를 위하여 배열되는 상기 하나의 체크 밸브(16; 297, 298, 299)를 포함하며, 상기 체크 밸브는 각각의 제어 밸브 유닛의 리턴 포트 및 복원 유닛 사이의 위치에서 복원 유닛과 연속하여 연결되며, 각각의 일 함수(217, 221, 203)로 향하는 방향으로의 흐름을 차단하기 위하여 파일럿 작동형 밸브와 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 체크 밸브(297, 298, 299)의 출구는 복원 유닛의 상류에 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 시스템은 체크 밸브의 하류 및 복원 유닛의 상류에 위치되는 위치에서 유압 유체의 압력을 측정하도록 적용된 압력 센서(309)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  27. 제 23항 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 각각의 제어 밸브 유닛의 리턴 포트 및 각각의 파일럿 작동형 밸브의 입구 포트 사이에 위치되는 위치에서 유압 유체의 압력을 측정하도록 적용된 각각의 파일럿 작동형 밸브를 위한 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  28. 제 23항 혹은 24항에 있어서, 상기 시스템은 각각의 일 함수를 위한 상기 하나의 복원 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  29. 제 23항 내지 28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 파일럿 작동형 밸브(12; 287, 289, 291)의 개별적인 제어를 위한 제어 유닛(13; 213)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  30. 제 1항 내지 29항 중 어느 한 항에 따른 유압 시스템을 포함하는 작동 기계(101).
  31. 유압 시스템 내의 에너지를 복원하는 방법에 있어서, 상기 유압 시스템은 적어도 하나의 일 함수(1;217, 221, 203) 및 일 함수로 그리고 일 함수로부터 유압 유체를 제어하기 위한 제어 밸브 유닛(2; 200a, 200b, 200c), 및 일 함수로부터 에너지를 복원하기 위하여 제어 밸브 유닛의 리턴 포트(10; 60a, 60b, 60c)에 연결되는 복원 유닛(9; 295; 595)를 포함하며, 상기 리턴 포트에서의 최대 허용가능 압력(Pmax)은 복원 유닛(9; 295; 595)의 최대 에너지 복원 비율을 적용하기 위한 목적을 갖는 제어 유닛(13; 213)으로부터 상기 일 함수(1; 217, 221, 203)의 실제 작동 모드로의 신호의 수신을 통하여 압력 제한 수단(11; 287b, 289b, 291b)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
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