KR20170005489A - 유압 장치 - Google Patents

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KR20170005489A
KR20170005489A KR1020167035662A KR20167035662A KR20170005489A KR 20170005489 A KR20170005489 A KR 20170005489A KR 1020167035662 A KR1020167035662 A KR 1020167035662A KR 20167035662 A KR20167035662 A KR 20167035662A KR 20170005489 A KR20170005489 A KR 20170005489A
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카즈히로 오와다
케이시 야마나카
켄스케 카네다
히데카즈 니우
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얀마 가부시키가이샤
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    • E02F3/40—Dippers; Buckets ; Grab devices, e.g. manufacturing processes for buckets, form, geometry or material of buckets
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Abstract

붐 실린더와 아암 실린더와 버킷 실린더의 복합 작동시의 압력 간섭 회피할 수 있어 조작성을 향상시키고, 로스 마력을 저감시킬 수 있는 유압 셔블을 제공하는 것을 목적으로 한다. 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)에서의 각 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)과 각 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)의 비율, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 각 압출 부재에 의해 1회전당 기저오일 챔버(35)로의 흡입 또는 토출되는 양, 및 로드 오일 챔버(36)로의 토출량 또는 흡입량의 비율이 일치하도록 설정한다.

Description

유압 장치{HYDRAULIC APPARATUS}
본 발명은, 유압 셔블의 마력 로스를 저감시키기 위한 기술에 관한 것이다.
종래, 소형 유압 셔블의 붐 실린더나 아암 실린더, 버킷 실린더 등을 구동하기 위한 유압 회로는 오픈 센터형(예를 들면, 특허문헌 1 참조)이나 로드(load) 센싱형(예를 들면, 특허문헌 2 참조)이 채용되었다.
그러나, 오픈 센터형의 유압 회로에서는 작업시에 항상 최대 유량을 계속 흘리기 때문에, 특히, 미속 주행시의 로스 마력이 커진다. 또한, 로드 센싱형 유압 회로에서는 복합 작동시에 압력 간섭이 발생하여 조작성이 나쁘고, 로스 마력도 커진다. 또한, 두 유압 회로 모두 실린더가 중력의 영향에 의해 작동할 때 에너지를 회수할 수 없었다.
일본 등록 특허 제4569940호 공보 일본 특허 공개 제2011-196116호 공보
본 발명은 이상의 문제를 해결하기 위해, 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 각 유압 실린더를 각각 개별적으로 유압 펌프·모터와 폐회로에 접속하여, 복합 작동시의 압력 간섭을 피할 수 있으며 조작성을 향상시키고, 로스 마력을 저감시킬 수 있는 유압 셔블(백호)을 제공한다.
본 발명은, 싱글 로드(rod) 복동형의 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 토출·흡입 포트가 회전 구동형의 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 토출·흡입 포트와 각각 유로(油路)를 통해 연통되어 각각 유압 폐회로가 구성됨과 함께, 상기 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더에서의 각 기저 오일 챔버의 수압(受壓) 면적과 각 로드 오일 챔버의 수압 면적의 비율과, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 압출 부재에 의해 1회전당 기저 오일 챔버로 흡입 또는 토출되는 양과 로드 오일 챔버로 토출되는 양 또는 흡입되는 양의 비율이 일치하도록 설정되는 것이다.
본 발명은, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 회전축은, 각각 제1 모터 제너레이터, 제2 모터 제너레이터 및 제3 모터 제너레이터의 구동축과 접속되어 구동 가능하게 이루어지며, 상기 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더는 각각 독립적으로 구동됨과 함께, 각각 독립적으로 에너지 회생 가능하게 구성되는 것이다.
본 발명은, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 구동축은 하나의 구동축에서 접속되며, 상기 구동축은 엔진 또는 모터의 출력축과 연결됨과 함께, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터는 가동 경사판을 구비하는 사축식 피스톤형이며, 상기 가동 경사판의 경도(傾倒)에 의해 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 작동 속도 및 신축 방향을 변경하고, 상기 실린더가 부하 또는 중력에 의해 신축되어, 상기 제1 유압 펌프·모터 또는 제2 유압 펌프·모터 또는 제3 유압 펌프·모터로 송유되어 출력됨으로써 취출 가능하게 구성되는 것이다.
본 발명은, 상기 제1 유압 펌프·모터 또는 제2 유압 펌프·모터 또는 제3 유압 펌프·모터 중 적어도 하나가 엔진 또는 모터에 의해 구동되며, 적어도 다른 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되는 실린더로부터의 압유에 의해 구동되어 회생되는 경우, 회생 에너지는 엔진 또는 모터의 어시스트 또는 충전에 이용되는 것이다.　
본 발명에 의하면, 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 각 유압 실린더를 각각 개별 유압 펌프·모터에 의해 작동시킬 수 있음과 함께, 복합 작동시의 압력 간섭을 회피할 수 있으며 조작성을 향상시키고, 로스 마력을 저감시킬 수 있다.
도 1은 백호와 유압 장치의 접속을 나타내는 도면이다.
도 2는 유압 장치의 유압 회로도이다.
도 3은 유압 펌프·모터의 측면 단면도이다.
도 4는 밸브 플레이트의 정면도이다.
도 5는 피스톤의 회전각과 피스톤 스트로크 비율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 피스톤 내주 지지식의 래디얼 피스톤형 유압 펌프·모터의 단면도이다.
도 7은 피스톤 외주 지지식의 래디얼 피스톤형 유압 펌프·모터의 단면도이다.
도 8은 베인형 유압 펌프·모터의 단면도이다.
도 9는 외접 기어형의 병렬식 유압 펌프·모터의 단면도이다.
도 10은 도 9의 선 Z-Z를 따라서 본 단면도이다.
도 11은 다른 실시 형태의 모터 구동 백호와 유압 장치의 접속을 나타내는 도면이다.
도 12는 다른 실시 형태의 엔진 구동 백호와 유압 장치의 접속을 나타내는 도이다.
이하, 본 발명의 유압 장치를 구비하는 백호(유압 셔블)(1)의 전체 구성을 도 1을 참조하면서 설명한다.
백호(1)는 좌우 한 쌍의 주행 크롤러(3·3)를 가지는 크롤러식 주행 장치(2)와 주행 장치(2) 상에 수평 선회 가능하게 마련된 선회대(4)(기체)를 구비한다.
선회대(4)에는, 조종부(6)와 구동원으로서의 모터 제너레이터(7·107·207), 모터 제너레이터(7·107·207)에 전력을 공급하고, 회생한 전기 에너지를 축전하는 배터리(8) 및 작동유를 저장하는 작동유 탱크(9)가 탑재되어 있다. 선회대(4)의 앞부분에는 굴삭 작업을 위한 붐(11), 아암(12) 및 버킷(13)을 가지는 작업부(10)가 마련되어 있다.
작업부(10)의 구성 요소인 붐(11)은 선단측이 전방으로 돌출되어 측면에서 보아 "〈" 모양으로 굴곡된 형상으로 형성되어 있다. 붐(11)의 기단부는 선회대(4)의 전방부에 장착된 붐 브라켓(14)에 회동 가능하게 피봇 장착되어 있다. 붐(11)의 전면측에는 상하로 회동시키기 위한 싱글 로드 복동형의 붐 실린더(16)가 배치되고, 붐 실린더(16)의 기저측 단부는 붐 브라켓(14)의 전단부에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다. 붐 실린더(16)의 로드측 단부는 붐(11)의 굴곡부의 전면측(오목한 쪽)에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다.
붐(11)의 선단부에는 아암(12)의 기단부가 회동 가능하게 피봇 장착되어 있다. 붐(11)의 상면 전부측에는 아암(12)을 회동시키기 위한 싱글 로드 복동형의 아암 실린더(17)가 배치되어 있다. 아암 실린더(17)의 기저측 단부는 붐(11)에서의 굴곡부의 배면측에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다. 아암 실린더(17)의 로드측 단부는 아암(12)의 기단측 외면(앞면)에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다.
아암(12)의 선단부에는, 굴삭용 어태치먼트로서의 버킷(13)이 회동 가능하게 피봇 장착되어 있다. 아암(12)의 외면(앞면)측에는 버킷(13)을 회동시키기 위한 싱글 로드 복동형의 버킷 실린더(18)가 배치되어 있다. 버킷 실린더(18)의 기저측 단부는 아암(12)의 베이스부 측에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다. 버킷 실린더(18)의 로드측 단부는 연결 링크를 통하여 버킷(13)에 회동 가능하게 피봇 지지되어 있다.
다음으로, 도 1을 참조하면서, 유압 실린더(붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18))와 유압 펌프·모터(제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32))가 접속되는 유압 회로에 대해 설명한다.
붐 실린더(16)의 공급·배출 포트는 제1 유로(33) 및 제2 유로(34)를 통하여 제1 유압 펌프·모터(30)의 토출·흡입 포트와 연통되어 있다. 아암 실린더(17)의 공급·배출 포트는 제1 유로(133) 및 제2 유로(134)를 통하여 제2 유압 펌프·모터(31)의 토출·흡입 포트와 연통되어 있다. 버킷 실린더(18)의 공급·배출 포트는 제1 유로(233) 및 제2 유로(234)를 통하여 제3 유압 펌프·모터(32)의 토출·흡입 포트와 연통되어 있다. 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)는 각각 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)의 크기·용량에 맞춘 용량으로 되어 있다. 그리고 후술하는 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 각 압출 부재에 의해 1회전당 압출되는 기저 오일 챔버로의 흡입 또는 토출되는 양과 로드 오일 챔버내로 토출량 또는 흡입량의 비율이 일치하도록 설정되어 있다. 또한, 제1 유로(33·133·233)와 제2 유로(34·134·234) 사이에는 체크 밸브나 릴리프 밸브 등이 배치된다.
제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 회전축(74·174·274)은 각각 모터 제너레이터(7·107·207)의 구동축과 연동하여 연결되어 있다. 제1 모터 제너레이터(7), 제2 모터 제너레이터(107) 및 제3 모터 제너레이터(207)는 각각 인버터(29·129·229)와 접속되어 있다. 또한, 인버터(29·129·229)는 제어 회로(21)와 접속되어, 배터리(8)로부터의 공급 전력을 제어함으로써 각 모터 제너레이터(7·107·207)의 회전을 제어 가능하게 한다. 제1 모터 제너레이터(7), 제2 모터 제너레이터(107) 및 제3 모터 제너레이터(207)는 정·역회전 및 회전 속도를 변경할 수 있게 되어 있다.
또한, 붐 실린더(16) 또는 아암 실린더(17) 또는 버킷 실린더(18)가 부하 또는 위치 에너지에 의해 신축된 경우, 그 신축에 따른 압유의 흐름에 의해 제1 유압 펌프·모터(30) 또는 제2 유압 펌프·모터(31) 또는 제3 유압 펌프·모터(32)가 회전 구동되면, 제1 모터 제너레이터(7) 또는 제2 모터 제너레이터(107) 또는 제3 모터 제너레이터(207)가 회전되어 발전하고, 인버터(29) 또는 인버터(129) 또는 인버터(229)를 통하여 배터리(8)에 충전된다. 즉, 회생 가능하게 이루어진다.
제1 유압 펌프·모터(30)와 붐 실린더(16) 사이의 유압 회로, 제2 유압 펌프·모터(31)와 아암 실린더(17) 사이의 유압 회로 및 제3 유압 펌프·모터(32)와 버킷 실린더(18) 사이의 유압 회로의 구성은 대략 동일하므로, 도 2로부터 제1 유압 펌프·모터(30)와 붐 실린더(16)(이하, 유압 실린더(16)로서 설명한다) 사이의 유압 회로 구성에 대해 설명한다.
유압 실린더(16)는 상술한 바와 같이 싱글 로드 복동형이며, 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)(단면적)이 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)과 비교하여 피스톤 로드(37)의 단면적(Q)만큼 크다. 즉, (기저 오일 챔버(35)의 수압 면적 (B))=(로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R))＋(피스톤 로드(37)의 단면적(Q))의 관계가 성립된다.
상기 유압 실린더(16)의 공급·배출 포트와 제1 유압 펌프·모터(30)의 토출·흡입 포트를 연통하는 제1 유로(33)와 제2 유로(34) 사이에는 2개의 릴리프 밸브(64·65)와 2개의 역지 밸브(66·67)를 가지는 회로(61)가 배치되어 있다. 회로(61)는 일방의 유로(33)(또는 34) 내의 압력이 너무 높아지면, 작동유를 유압 실린더(16)의 일방의 오일 챔버(35)(또는 36)에 공급하지 않고, 타방의 유로(34)(또는 33)나 작동유 탱크(9)로 빠져나가게 함으로써, 유압 장치의 과부하를 방지한다.
본 실시 형태에서는, 제1 유로(33)와 제2 유로(34) 사이에는 바이패스 유로(62)가 접속되어 있다. 바이패스 유로(62)에는 제1 유로(33) 내의 압력(작동유)을 빠져나가게 하기 위한 제1 릴리프 밸브(64), 제2 유로(34) 내의 압력(작동유)을 빠져나가게 하기 위한 제2 릴리프 밸브(65), 제1 유로(33) 방향으로만 열리는 제1 역지 밸브(66) 및 제2 유로(34) 방향으로만 열리는 제2 역지 밸브(67)가 마련되어 있다. 바이패스 유로(62)에서 양 릴리프 밸브(64·65) 사이와 양 역지 밸브(66·67) 사이에는 배출 유로(63)의 일단이 접속되고, 배출 유로(63)의 타단은 작동유 탱크(9)에 접속된다.
상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)는 압출 부재의 회전 슬라이딩에 의해 용적 변경을 하는 회전 구동형의 유압 펌프·모터이다. 제1 실시 형태에서는 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 압출 부재를 피스톤(78)으로 하며 회전축(74)과 평행하게 그 주위에 배치되는 사축식 피스톤형의 유압 펌프·모터이다. 제2 실시 형태(도 6)와 제3 실시 형태(도 7)에서는 상기 압출 부재를 플런저(178)로 하며 회전축(74)에 대해 편심축상에 방사상으로 배치한 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터이다. 제4 실시 형태(도 8)에서는 상기 압출 부재를 베인(278)으로 한 베인형의 유압 펌프·모터이다. 제5 실시 형태(도 9 및 도 10)에서는 상기 압출 부재를 기어(473a·473b·476a·476b)로 하는 기어형의 유압 펌프·모터이다.
우선, 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제 3 유압 펌프·모터(32)를 사축식 피스톤형으로 한 경우에 대해 설명한다. 한편, 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)는 동일한 구조이므로, 제1 유압 펌프·모터(30)(이하, 유압 펌프·모터(30))에 대해 설명한다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 유압 펌프·모터(30)는 중공 박스 형상의 하우징 본체(71) 내에 베어링(72·73)을 개재하여 회전 가능하게 피봇 지지된 회전축(74), 회전축(74)에 일체로 회전하도록 스플라인 결합된 실린더 블록(75), 복수의 포트(51·52·53)를 가지는 밸브 플레이트(76) 및 하우징 본체(71)의 개방측을 닫아 유로를 구비하는 유로판(83)을 구비하고 있다. 회전축(74)의 일단은 유로판(83) 또는 하우징 본체(71)를 관통하여 외방으로 돌출되며, 모터 제너레이터(7)의 출력축과 연결된다. 실린더 블록(75)에는 회전축(74)을 중심으로 하는 동일 원주상에 회전축(74)과 평행하는 형상으로 연장되는 복수의 실린더 챔버(77)가 형성되어 있다. 각 실린더 챔버(77) 내에는 피스톤(78·78···)이 왕복 슬라이딩 가능하게 삽입되어 있다.
하우징 본체(71)내의 베어링(72) 측(상부)에는 고정 경사판(80)이 배치되고, 고정 경사판(80)의 실린더 블록(75)과 대치하는 쪽에는 피스톤 슈(79)가 배치되고, 상기 피스톤슈(79)에 각 피스톤(78)의 선단부가 접촉(또는 결합)되어 있다.
실린더 블록(75)의 축심부에 개구된 축 홀에는, 회전축(74)에 끼워진(스플라인 결합된) 상태로 압축 스프링(82)이 배치되어 있다. 상기 압축 스프링(82)의 작용(가압 바이어스력)에 의해 피스톤 슈(79)가 고정 경사판(80)의 피스톤 슬라이딩면에 가압되어 있다.
하우징 본체(71)의 하부에 분리 가능하게 유로판(83)이 장착되며, 상기 유로판(83)의 상면과 실린더 블록(75) 사이에는 회전축(74)을 삽입한 상태로 밸브 플레이트(76)가 배치되어 있다. 밸브 플레이트(76)는 유로판(83)에 고정되며 상기 밸브 플레이트(76)에 면접촉한 상태로 실린더 블록(75)이 회전축(74)과 함께 일체로 회전한다. 유로판(83)에는 바이패스 유로(62)나 배출 유로(63) 등이 형성되고, 릴리프 밸브(64·65)나 역지 밸브(66·67)가 배치되어 있다.
한편, 실린더 블록(75) 중 밸브 플레이트(76)에 접촉하는 쪽의 단면에는, 각 실린더 챔버(77)에 연통되는 연통홀(84)이 각각 형성되어 있다. 각 연통홀(84)은 실린더 블록(75)의 회전에 수반하여 밸브 플레이트(76)의 후술하는 각 포트(51·52·53)에 선택적으로 연통되도록 구성되어 있다. 즉, 연통홀(84)과 각 포트(51·52·53)는 회전축(74)의 축심으로부터 등거리의 위치에 개구되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 밸브 플레이트(76)에는, 두께 방향으로 관통하는 3개의 포트(51·52·53)가 회전축(74)을 중심으로 하는 동일 원주를 따라 연장되는동일 폭의 원호상의 장공(長孔)으로서 적절하게 간격을 두고 형성되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 포트(51)는 제1 유로(33)를 통하여 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)와 연통된다. 제2 포트(52)는 제2 유로(34)를 통하여 유압 실린더(16)의 로드 오일 챔버(36)와 연통된다. 제3 포트(53)는 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)와 접속된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53)는 소정 각도로 송유 방향(토출 또는 흡입)을 절환하는 복수의 절환 구간내에서 밸브 플레이트(76) 상에 형성된다. 즉, 밸브 플레이트(76)는 회전축심을 중심으로 소정 각도마다 절환 구간이 3지점 마련되어 있다. 절환 구간은 한 바퀴(360˚)를 상사점으로 하여 우회전(Y1 방향 회전)으로 제1 절환 구간(U1)(각도 α), 제2 절환 구간(U2)(각도 β), 제3 절환 구간(U3)(각도 γ)의 순서로 구획된다. 따라서, 각도 β＋각도 γ=α=180˚가 된다.
하사점과 상사점을 연결하는 선상을 기준 절환 위치(90)로 하고, 하사점이 위치하는 기준 절환 위치(90)로부터 각도 β만큼 회전한 위치를 제1 절환 위치(91)로 하며 그 사이를 제2 절환 구간(U2)으로 한다. 제1 절환 위치(91)로부터 각도 γ만큼 회전한 위치가 기준 절환 위치(90)가 되며 그 사이를 제3 절환 구간(U3)으로 한다.
제1 포트(51)는 제1 절환 구간(U1)에 위치하는 밸브 플레이트(76) 상에 배치되고, 제2 포트(52)는 제2 절환 구간(U2)에 위치하는 밸브 플레이트(76) 상에 배치되며, 제3 포트(53)는 제3 절환 구간(U3)에 위치하는 밸브 플레이트(76) 상에 배치된다. 단, 제2 포트(52)가 위치하는 제2 절환 구간(U2)과 제3 포트(53)가 위치하는 제3 절환 구간(U3)을 회전 방향에서 역배치할 수도 있다. 다시 말하면, Y1 방향 회전으로 제1 절환 구간(U1), 제3 절환 구간(U3), 제2 절환 구간(U2)으로 배치할 수도 있다.
여기서, 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)은 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)과 비교하여 피스톤 로드(37)의 단면적(Q)만큼 작기 때문에(R＋Q=B), 만일 이대로라면 로드 오일 챔버(36)로부터 유출되어 유압 펌프·모터(30)로 돌아오는 작동유의 양은 유압 펌프·모터(30)로부터 토출되어 기저 오일 챔버(35)로 유입되는 작동유의 양보다 작아, 유압 펌프·모터(30)내에서 캐비테이션이 발생하게 된다.
한편, 유압 실린더(16)를 단축 구동시키는 경우, 기저 오일 챔버(35)로부터 유출되어 유압 펌프·모터(30)로 돌아오는 작동유의 양이 유압 펌프·모터(30)로부터 토출되어 로드 오일 챔버(36)에 유입되는 작동유의 양보다 많아지기 때문에, 만일 이대로라면, 유압 펌프·모터(30)가 잉여분의 작동유를 흡인하지 못하고, 제1 유로(33) 및 기저 오일 챔버(35) 내의 압력이 상승하여 피스톤 로드(37)의 움직임을 멈추게 되지만, 상술한 바와 같이, 유압 펌프·모터(30)의 제3 포트(53)가 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)에 접속되어 있고, 유압 펌프·모터(30) 자체의 구동으로 제3 포트(53) 및 제3 유로(41)를 통하여 잉여분의 작동유를 작동유 탱크(9)로 배출할 수 있다.
그러나, 제1 포트(51)가 위치하는 제1 절환 구간(U1)에 대한 제2 포트(52)가 위치하는 제2 절환 구간(U2)의 비(각도비)를, 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)에 대한 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)의 비와 동일하게 하는 것(U2/U1=R/B=β/α, 단, U1=U2+U3, α=β+γ)만으로는, 기저 오일 챔버(35)로부터의 토출량과 로드 오일 챔버(36)로의 흡입량은 동일해지지 않는다.
이를 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는, 횡축을 피스톤(78)의 회전축(74)을 중심으로 한 회전 각도로 하고, 종축을 피스톤(78)이 하사점으로부터 상사점까지 슬라이딩하는 스트로크를 100%로 했을 때의 비율을 나타내고 있다. 단, 종축은 하 사점으로부터 상사점까지의 용량비를 나타낼 수 있다. 이 피스톤(78)의 회전각과 스트로크 비율의 관계는 피스톤(78)이 실린더 블록(75)의 실린더 챔버(77)에 수납된 상태로 회전축(74)을 중심으로 회전하면서 하사점으로부터 상사점까지 슬라이딩할 때, 피스톤(78)의 회전 초기의 스트로크량(단위시간당 이동량)은 작으며 회전과 함께 서서히 스트로크량이 커지고, 90˚에서 최대가 되어 회전 종기를 향해 서서히 스트로크량이 작아진다. 즉, 피스톤(78)의 회전각과 스트로크 비율은 정비례의 관계는 되지 않으며, 점대칭의 관계가 된다(sin 곡선을 그린다). 따라서, 밸브 플레이트(76) 상에서의 제2 절환 구간(U2)의 각도(β)와 제3 절환 구간(U3)의 각도(γ)를 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)에 대한 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)과 피스톤 로드(37)의 단면적(Q)의 비와 동일해지도록 하면, 기저 오일 챔버(35)로부터의 토출량과 로드 오일 챔버(36)로의 흡입량은 동일해지지 않고, 작동유 탱크(9)에 여분으로 유출되어 효율이 나쁘며, 기저 오일 챔버(35)에 흡입하는 경우에는 부족이 발생하여 캐비테이션이 발생할 우려가 있다.
따라서, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 피스톤(78)의 하사점으로부터 상사점까지 슬라이딩하는 스트로크 비율을 100%로 하고, 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)에 대한 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)의 비율을 스트로크 비율에 대응시켜, 그 비율을 제2 스트로크 비율 J(%)로 한다. 마찬가지로, 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)에 대한 피스톤 로드(37)의 단면적(Q)의 비율을 제3 스트로크 비율 K(%)(J+K=100)로 한다. 제2 절환 구간(U2)은 제2 스트로크 비율(J)에 대응하는 피스톤 회전각을 각도 β로 한다. 즉, 하사점이 위치하는 기준 절환 위치(90)로부터 각도 β만큼 회전한 위치에 제1 절환 위치(91)가 위치하도록 설정된다. 다시 말하면, 제1 절환 위치(91)는 상사점이 위치하는 기준 절환 위치(90)로부터 각도 γ만큼 역회전한 위치에 있다.
이와 같이 하여, 상기 실린더 블록(75)을 회전시켰을 때, 하나의 피스톤(78)이 제2 포트(52)가 위치하는 제2 절환 구간(U2)(각도 β)을 회전했을 때, 피스톤(78)은 J% 상승하고, 이때 제2 포트(52)로부터 흡입되는(또는 압출되는) 작동유의 양을 M2로 한다. 더 회전하여, 제3 절환 구간(U3)(각도 γ)을 회전했을 때, 피스톤(78)은 K% 상승하고, 이때 제3 포트(53)로부터 흡입되는(또는 압출되는) 작동유의 양을 M3라고 하면, 작동유의 양(M2·M3)의 비는 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)과 피스톤 로드(37)의 단면적(Q)의 비와 동일해지도록(M2/M3=R/Q) 하고 있으며, 상기 실린더 블록(75)이 180˚ 회전했을 때, 하나의 피스톤(78)으로부터 작동유가 토출되는 양은 피스톤(78)의 스트로크 또는 피스톤(78)의 왕복 행정의 실린더 챔버(77)의 용적에 비례하게 되어, 효율이 향상되고 캐비테이션의 발생도 방지된다. 단, 제3 포트(53)를 2개로 분할하고, 제2 포트(52)의 양측에 배치하는 구성으로 할 수도 있고, 피스톤(78)의 스트로크 비율이 회전 각도와 일치하면 된다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 포트(51), 제2 포트(52), 제3 포트(53)의 회전 방향(둘레 방향) 양측 개구 단부에는 각각 삼각형 형상의 노치(51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b)가 마련된다. 즉, 각 포트의 실린더 블록(75)의 회전 방향의 후측과 전측에 각각, 제1 포트(51)에서는 노치(51a·51b), 제2 포트(52)에서는 노치(52a·52b), 제3 포트(53)에서는 노치(53a·53b)가 마련되어 있다. 각 노치(51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b)는 선단을 향할수록 폭 및 깊이가 작아지도록 구성되어 있다.
이와 같이, 각 포트의 단부에 노치(51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b)를 마련함으로써, 실린더 블록(75)으로부터 압유가 제1 포트(51)에 유입/유출될 때, 또는 유압 실린더(16)로부터 제2 포트(52)에 압유가 유입/유출될 때, 또는 작동유 탱크(9)로부터 제3 포트(53)에 압유가 유입/유출될 때, 갑자기 압유가 유입/유출되어 큰 압력 변동이 생기지 않고 노치(51a, 51b, 52a, 52b, 53a, 53b)로부터 서서히 유입/유출되고 피스톤(78)의 슬라이딩도 급격하게 슬라이딩되어 이동하지 않아, 캐비테이션이나 소음의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 노치(52a·52b)의 둘레 방향의 길이는 노치(53a·53b)의 둘레 방향의 길이보다 짧게 구성되어 있다(52a·52b＜53a·53b＜51a·51b). 이러한 구성에 의해, 캐비테이션이나 소음의 발생을 더욱 감소시킨다.
상기 유압 장치에 의한 유압 실린더(16)의 신축 동작에 대해 설명한다.
도 2에서, 조종부(6)에 마련한 조작 레버(19)의 회동 베이스부에는 조작 레버(19)의 조작을 감지하는 각도 센서(22)가 배치되고, 각도 센서(22)는 제어 수단이 되는 제어 회로(21)와 접속되어 있다. 또한, 모터 제너레이터(7)는 인버터 등으로 이루어지는 구동 회로(24)와 충전 회로(25)에 접속되고, 구동 회로(24)와 충전 회로(25)는 제어 회로(21)와 접속되어 있다. 한편, 모터(7)에 대해 구동 회로(24)와 충전 회로(25)의 절환은 제어 회로(21)에서 이루어진다. 이와 같이 하여, 조작 레버(19)를 회동하면, 그 회동 방향, 회동각이 각도 센서(22)에 의해 감지되어 제어 수단(21)에 입력되고, 그 회동 방향, 회동각에 따른 신호가 구동 회로(24)에 입력되어, 그 구동 회로(24)에 의해 조작 레버(19)의 회동 방향, 회동각에 따라 모터 제너레이터(7)가 회전 구동된다. 이 모터(7)의 구동에 의해, 유압 펌프·모터(30)가 작동되어 압유가 유압 실린더(16)로 송유되어 신장되거나 단축된다.
또한, 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)를 통하는 유로에는 압력 센서(26)가 배치되어 기저 오일 챔버(35)의 유압이 압력 센서(26)에 의해 감지되고, 로드 오일 챔버(36)를 통하는 유로에는 압력 센서(27)가 배치되어 로드 오일 챔버(36)의 유압은 압력 센서(27)에 의해 감지되며, 압력 센서(26·27)는 제어 수단(21)과 접속되어 있다.
이러한 구성에서, 조종부(6)의 조작 레버(19)를 조작하여, 유압 실린더(16)가 신장되는 방향(X2 방향)으로 회동 조작하면, 압력 센서(26)에 의해 기저 오일 챔버(35)의 유압(P1)을 검출하고, 압력 센서(27)에 의해 로드 오일 챔버(36)의 유압(P2)을 검출한다. 조작 레버(19)가 신장 조작, 압력 센서(26)로부터의 검출값이 압력 센서(27)의 검출값보다 큰 경우(P1＞P2)이면, 제어 수단(21)은 회생이 아니라 들어올림 작업이라고 판단하여, 제어 수단(21)으로부터 구동 회로(24)에 구동 신호가 송신되어, 모터(7)에 전력을 공급하고 조작 레버(19)의 경도 각도에 따라 회전 구동하여 유압 펌프·모터(30)가 구동되어 유압 실린더(16)를 신장시킨다.
상기 모터(7)의 구동에 의해 유압 펌프·모터(30)의 회전축(74)을 Y1 방향(도 4)으로 회전시키면, 실린더 블록(75)이 회전축(74)과 함께 일체로 회전하고, 피스톤 슈(79)가 고정 경사판(80)의 피스톤 슬라이딩면 상을 슬라이딩한다. 이때의 고정 경사판(80)의 경사 각도에 기초하여, 각 피스톤(78)은 실린더 챔버(77) 내를 왕복 슬라이딩하여 각 실린더 챔버(77)의 용적을 변화시킨다.
예를 들면, 상기 피스톤(78)이 상사점으로부터 하사점 방향으로 이동할 때(Y1 방향으로 회동할 때)에는 피스톤(78)이 하강하여 연통홀(84)을 통하여 압유가 노치(51a)에 의해 서서히 제1 포트(51)에 들어간다. 이와 같이 하여, 초기 압력의 상승을 억제하고 급격한 피스톤(78)의 이동에 의한 소음 등을 억제한다. 그리고, 압유가 제1 포트(51), 제1 유로(33)를 통하여 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)로 송유되어 유압 실린더(16)를 신장시킨다.
피스톤(78)이 하사점에 도달하면 토출이 정지되고, 다시 실린더 블록(75)이 회전되면 노치(52a)로부터 유압 실린더(16)의 로드 오일 챔버(36) 내의 작동유가 제2 유로(34)를 통하여 서서히 흡입된다. 이때, 상기와 마찬가지로 피스톤(78)의 급격한 상승이 억제되고, 소음 등이 억제된다. 그리고, 제2 포트(52)로부터 흡입되게 되어 흡입량도 증가한다. 이때, 기저 오일 챔버(35)와 로드 오일 챔버(36)의 용량 차이의 부족분이 발생한 경우에는 바이패스 유로(62), 역지 밸브(67), 배출 유로(63)를 통하여 작동유 탱크(9)로부터 제2 포트(52)에 흡입된다. 그리고, 피스톤(78)이 하사점으로부터 각도 β만큼 회동하면 제2 포트(52)로부터의 흡입은 정지되고, 작동유 탱크(9)로부터 제3 유로(41)를 통하여 노치(53a)로부터 서서히 작동유를 흡입한다. 이때, 피스톤(78)의 급격한 상승이 억제되고, 소음 등이 억제된다. 더 회전하여 후측 제3 포트(53R)로부터 흡입되게 된다. 그리고 더 회전하여 피스톤(78)이 상사점에 도달하면 상기와 동일한 동작이 된다.
이와 같이, 실린더 블록(75)의 회전에 수반하여 밸브 플레이트(76)에서 유로 절환이 이루어지고, 각 실린더 챔버(77)에서는 피스톤(78)의 승강에 의해 흡인 행정과 토출 행정이 순차적으로 실행된다.
다음으로, 회생이 이루어지는 경우에 대해 설명한다.
붐(11)이 상승 위치에 있고, 조작 레버(19)를 조작하여, 유압 실린더(16)가 단축되는 방향(X1 방향)으로 회동 조작해 붐(11)(아암(12)이나 버킷(13) 등)의 자중으로 하강시키는 경우에는 모터 제너레이터(7)를 작동시키지 않고 하강시킬 수 있으며, 그 하강할 때의 에너지를 전력으로 변환하여 충전할 수 있다. 즉, 제어 회로(21)는 조작 레버(19)의 하강 조작을 감지하여, 압력 센서(26)의 검출값이 압력 센서(27)의 검출값보다 큰(P1＞P2) 경우, 제어 회로(21)는 회생이라고 판단하여 제어 회로(21)는 구동 회로(24)로부터 충전 회로(25)로 절환하고, 유압 펌프·모터(30)가 유압 모터로서 작용하여 회전축(74)이 상기와 역방향으로 회전되어 모터 제너레이터(7)는 발전기로서 작용하고, 발전된 전력은 충전 회로(25)를 통하여 배터리(8)에 충전된다. 즉, 에너지가 회생된다.
이때, 기저 오일 챔버(35) 내의 작동유가 고압이 됨에 따라, 제1 유로(33)를 통하여 제1 포트(51)에 유입되고 피스톤(78)은 상승 이동된다. 예를 들면, 상기 피스톤(78)이 하사점으로부터 상사점 방향으로 이동할 때(Y2 방향으로 회동할 때)에는, 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)로부터 제1 유로(33)를 통하여 제1 포트(51)로 송유된다. 이때의 압유는 노치(51b)로부터 서서히 제1 포트(51)에 들어가고 연통홀(84)을 통하여 실린더 챔버(77)에 들어가 피스톤(78)을 밀어 올린다. 이와 같이 하여, 초기 압력의 상승을 억제하고 급격한 피스톤(78)의 이동에 의한 소음 등을 억제한다. 그리고, 실린더 블록(75)은 Y2 방향으로 회전되게 된다. 이 회전에 의해 회전축(74)이 Y2 방향으로 회전되고 모터(7)를 발전기로서 구동한다.
한편, 유압 실린더(16)의 로드 오일 챔버(36)의 유압은 기저 오일 챔버(35) 내의 유압보다 낮기 때문에, 제2 포트(52)에 위치하고 있는 실린더 챔버(77) 내의 작동유는 로드 오일 챔버(36)로 송유된다. 이때, 노치(52b)로부터 제2 포트(52)에 들어가기 때문에 소음이 저감된다. 전측 제 3 포트(53F)에 위치하는 실린더 챔버(77) 내의 작동유는 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)로 송유됨과 함께, 로드 오일 챔버(36)에는 작동유 탱크(9)로부터 배출 유로(63), 바이패스 유로(62), 제2 유로(34)를 통하여 부족분이 송유된다.
또한, 작업시, 신장 조작으로 유압 실린더(16)가 성장하는 방향으로 잡아당겨지는 경우에도 회생된다. 이때 모터(7)는 작동되지 않으며, 유압 펌프·모터(32)의 실린더 블록(75)은 상기와 동일한 방향(Y1 방향)으로 회전되며, 모터(7)는 발전기로서 작용하여 에너지가 회생되게 된다.
즉, 조작 레버(19)를 유압 실린더(16)가 신장되는 방향(X2 방향)으로 회동 조작하여, 작업기의 질량이나 부하 등으로 유압 실린더(16)를 신장시키는 경우에는 압력 센서(26)에 의해 기저 오일 챔버(35)의 유압(P1)이 검출되고, 압력 센서(27)에 의해 로드 오일 챔버(36)의 유압(P2)이 검출된다. 조작 레버(19)가 신장 조작되고 압력 센서(26)의 검출값이 압력 센서(27)의 검출값보다 작은 경우(P1＜P2), 제어 회로(21)는 회생이라고 판단하여 구동 회로(24)로부터 충전 회로(25)로 절환하고, 유압 펌프·모터(32)가 유압 모터로서 작용하여 회전축(74)이 상기와 동일한 방향으로 회전되어 모터(7)는 발전기로서 작용하고, 발전된 전력은 충전 회로(25)를 통하여 배터리(8)에 충전된다. 즉, 에너지가 회생된다.
이때, 로드 오일 챔버(36) 내의 작동유가 기저 오일 챔버(35)보다 고압이 됨에 따라, 제2 유로(34)를 통하여 제2 포트(52)에 유입되고, 피스톤(78)은 상승 이동되어 실린더 블록(75)는 Y1 방향으로 회전되게 된다. 이 회전에 의해 회전축(74)이 Y1 방향으로 회전되고 모터(7)를 발전기로서 구동한다.
한편, 유압 실린더(16)의 로드 오일 챔버(36)의 유압(P2)은 유압 기저 오일 챔버(35) 내의 유압(P1)보다 높기 때문에(P1＜P2), 실린더 챔버(77) 내의 작동유는 제1 포트(51)로부터 기저 오일 챔버(35)로 송유되고, 부족분은 작동유 탱크(9)로부터 제3 유로(41), 제3 포트(53)를 통하여 기저 오일 챔버(35)로 송유된다.
한편, 붐(11)을 하강시키면서 굴삭 작업이나 무너뜨리는 작업 등을 실시하는 경우에는 회생은 이루어지지 않는다. 즉, 조작 레버(19)를 하강 조작(유압 실린더(16)가 단축되는 방향(X1 방향)으로 회동 조작)하여 붐(11)을 하강시키는 경우에는 압력 센서(26)에 의해 기저 오일 챔버(35)의 유압(P1)을 검출하고, 압력 센서(27)에 의해 로드 오일 챔버(36)의 유압(P2)을 검출하고, 조작 레버(19)가 단축 조작되고 압력 센서(26)의 검출값이 압력 센서(27)의 검출값보다 작은 경우(P1＜P2), 제어 회로(21)는 굴삭 작업이라고 판단하여 구동 회로(24)로 절환하여 모터(7)를 구동하고, 회전축(74)이 Y2 방향으로 회전되어 유압 펌프·모터(32)가 작동된다.
이때, 실린더 챔버(77)내의 작동유는 제2 포트(52)로부터 제2 유로(34)를 통하여 로드 오일 챔버(36)로 송유되고 유압 실린더(16)를 단축시킨다. 전측 제3 포트(53F) 및 후측 제3 포트(53R)로부터의 작동유는 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)로 송유된다. 기저 오일 챔버(35) 내의 작동유는 제1 유로(33)를 통하여 제1 포트(51)에 유입된다.
다음으로, 상기 압출 부재를 플런저(피스톤)로 하여, 회전축에 대해서 편심축상에 방사상으로 배치한 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터(130)에 대해 설명한다.
유압 펌프·모터(130)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 하우징 본체(171) 내에 원통 형상의 실린더 블록(175)이 회전 가능하게 수납되고, 상기 실린더 블록(175)과 하우징 본체(171) 사이에 제1 포트(151), 제2 포트(152) 및 제3 포트(153)가 마련되어 있다. 상기 실린더 블록(175)은 일단에 회전축이 마련되며, 모터 제너레이터(7)의 출력축과 연결되어 회전 구동 또는 회생 회전 가능하게 구성되어 있다.
실린더 블록(175)에는 방사상으로 실린더 챔버(175a·175a···)가 형성되고, 다시 말하면, 소정 각도마다 반경 방향으로 관통공이 개구되어 실린더 챔버(175a·175a···)가 형성되어 있다. 실린더 챔버(175a)의 일단은 상기 제1 포트(151) 또는 제2 포트(152) 또는 제3 포트(153)와 연통 가능하게 이루어지며, 타측은 각 실린더 챔버(175a·175a···)에 슬라이딩 가능하게 삽입된 피스톤(178·178···)이 수납되어 있다.
상기 실린더 블록(175)의 내측에는 소정 공간을 형성하여 실린더 블록(175)의 축심과 편심하여 지지축(174)이 배치되고, 지지축(174)은 하우징(171)에 지지되어 있다. 상기 지지축(174) 상에는 로터(173)가 베어링을 개재하여 회전 가능하게 지지되어 있다. 상기 로터(173)의 외주에는 소정 간격(상기 실린더 챔버(175a)와 동일한 소정 각도)을 두고 복수의 피스톤 슈(172·172···)가 고정 설치되고, 상기 피스톤 슈(172·172···)에 상기 피스톤(178)의 단부가 요동 가능하게 결합되어 있다.
상기 제1 포트(151)는 상기 사축식 피스톤형의 유압 펌프·모터와 마찬가지로 제1 절환 구간(U1)의 하우징(171)에 배치되고, 제2 포트(152)는 제2 절환 구간(U2)의 하우징(171)에 배치되며, 제3 포트(153)는 제3 절환 구간(U3)의 하우징(171)에 배치된다. 단, 제2 포트(152)가 위치하는 제2 절환 구간(U2)과 제3 포트(153)가 위치하는 제3 절환 구간(U3)을 회전 방향에서 역배치로 할 수 있다.
또한, 피스톤 외주 지지식 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터(230)의 구조에 대해 도 7을 참조하여 설명한다.
유압 펌프·모터(230)는 지지축(174)상에 실린더 블록(175)이 회전 가능하게 지지되고, 실린더 블록(175)에 방사상으로 실린더 챔버(175a·175a···)가 형성되어 있다. 로터(173)는 링 형상으로 구성되어 실린더 블록(175)의 외주측에 편심하여 배치되고, 상기 로터(173)의 내주측에 피스톤 슈(172·172···)를 마련하고, 피스톤(178·178···)을 실린더 블록(175)의 외측으로부터 삽입하여 슬라이딩 가능하게 하는 구성으로 되어 있다. 상기 지지축(174)에 제1 포트(151), 제2 포트(152) 및 제3 포트(153)가 형성되고, 상기와 같이 제1 절환 구간(U1), 제2 절환 구간(U2) 및 제3 절환 구간(U3)이 설정되며, 제1 절환 구간(U1)에 제1 포트(151)가 배치되고, 제2 절환 구간(U2)에 제2 포트(152)가 배치되며 제3 절환 구간(U3)에 제3 포트(153)가 배치된다.
상기 피스톤 내주 지지식 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터(130) 및 피스톤 외주 지지식 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터(230)의 제1 포트(151)는 기저 오일 챔버(35)와 접속되고, 제2 포트(152)는 로드 오일 챔버(36)와 접속되며 제3 포트(153)는 작동유 탱크(9)와 접속된다. 그리고, 상기 사축식 피스톤형의 유압 펌프·모터(30)와 마찬가지로 스트로크 비율에 따라 제1 절환 위치(91)가 설정되며 동일하게 작용한다. 회생시키는 경우도 상기와 마찬가지로 진행된다.
또한, 베인형의 유압 펌프·모터(330)도 상기와 마찬가지로 동작할 수 있다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 유압 펌프·모터(330)는 지지축(274) 상에 로터(273)가 고정 설치되고, 지지축(274)은 모터 제너레이터(7)의 출력축과 연결되어 있다. 통 형상의 로터(273)에는 방사상으로 복수의 슬릿(273a·273a···)이 형성되고, 상기 슬릿(273a·273a···)에 베인(날개판)(278·278···)이 슬라이딩 가능하게 수납되어 있다. 베인(278)은 바이어스 부재(277)에 의해 외주측에 바이어스되어 있다. 그리고, 로터(273)는 하우징(271) 내에 형성한 원통형의 로터 케이스(271a) 내에 편심하여 수납되고, 베인(278)의 선단이 로터 케이스(271a) 내면에 항상 접촉하도록 되어 있다.
로터 케이스(271a)에는 상기와 마찬가지로, 제1 포트(251)는 제1 유로(33)를 통하여 기저 오일 챔버(35)와 연통되고, 제2 포트(252)는 제2 유로(34)를 통하여 로드 오일 챔버(36)와 연통되며, 제3 포트(253)는 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)와 연통되어 있다. 제1 절환 구간(U1)에 제1 포트(251)가 배치되고, 제2 절환 구간(U2)에 제2 포트(252)가 배치되며 제3 절환 구간(U3)에 제3 포트(253)가 배치된다. 그리고, 유압 펌프·모터(330)의 베인(278)의 스트로크 비율이 유압 실린더(16)의 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)에 대한 로드 오일 챔버(36)의 수압면적(D)의 비율과 일치하는 위치에, 상기 제2 절환 구간(U2)과 제3 절환 구간(U3)을 절환하는 부분 절환 위치(91)를 설정하고 있다.
이와 같이 하여, 조작 레버를 조작하여 유압 실린더(16)가 신장되는 방향(X1 방향)으로 회동 조작하면, 상기와 마찬가지로 기저 오일 챔버(35)의 유압이 로드 오일 챔버(36)의 유압보다 높은 경우, 상기 모터 제너레이터(7)가 구동되어 로터(273)가 Y1 방향으로 회전되고, 작동유가 제2 포트(252), 제3 포트(253)로부터 제1 포트(251)로 송유되고 제1 유로(33)를 통하여 기저 오일 챔버(35)로 토출되어 유압 실린더(16)를 신장시킨다. 로드 오일 챔버(36) 내의 작동유는 제2 유로(34), 제2 포트(52)를 통하여 로터 케이스내로 송유된다. 부족분은 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)로부터 흡입한다. 회생시키는 경우에도 상기와 마찬가지로 이루어진다.
또한, 회전형의 유압 펌프·모터를 외접형의 기어형 펌프에 의해 상기와 마찬가지로 작동시키는 구성으로 할 수도 있다.
즉, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 유압 펌프·모터(432)는 대소 2조의 제1 펌프(473) 및 제2 펌프(476)가 하우징(471) 내에 수납되고, 제1 펌프(473) 및 제2 펌프(476)는 각각 상하로 외부 톱니 기어(473a·473b), 외부 톱니 기어(476a·476b)를 맞물리게 하고 있다. 상측의 외부 톱니 기어(473a·476a)는 지지축(474) 상에 고정되어 설치되어 있다.
상하의 외부 톱니 기어(473a·473b), 외부 톱니 기어(476a·476b)의 맞물림 부분의 좌우 일측이 제1 포트(51)로 하여, 제1 유로(33)를 통하여 기저 오일 챔버(35)와 연통된다. 대용량측의 제1 펌프(473)의 좌우 타측이 제2 포트(52)가 되고, 제2 유로(34)를 통하여 로드 오일 챔버(36)와 연통되어 있다. 소용량측의 제2 펌프(476)의 좌우 외측이 제3 포트(53)가 되고, 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)와 연통되어 있다. 제1 펌프(473)와 제2 펌프(476)의 토출량의 비는, 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)과 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(D)의 비와 동일해지도록 구성되어 있다. 단, 트로코이드형 펌프에서도 상기와 같이 대소 2조의 펌프로 구성하여 작동시킬 수 있다.
이와 같이 하여, 조작 레버를 조작하여, 유압 실린더(16)가 신장하는 방향(X1 방향)으로 회동 조작하면, 상기 모터 제너레이터(7)가 구동되고, 지지축(474)가 Y1 방향으로 회전되어 외부 톱니 기어(473a·473b), 외부 톱니 기어(476a·476b)가 회전되어, 외부 톱니 기어(473a·473b), 외부 톱니 기어(476a·476b) 및 하우징(471)에 의해 둘러싸인 작동유가 제2 포트(52), 제3 포트(53)로부터 제1 포트(51)로 이동되고 제1 유로(33)를 통하여 기저 오일 챔버(35)로 토출되어 유압 실린더(16)를 신장시킨다. 로드 오일 챔버(36) 내의 작동유는 제2 유로(34), 제2 포트(52)를 통하여 제1 펌프(473)로 송유된다. 부족분은 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)로부터 제2 펌프(476)로 송유된다.
조작 레버를 조작하여, 유압 실린더(16)가 축소되는 방향(X2 방향)으로 회동 조작하면, 모터(7) 및 지지축(474)이 상기와 역방향(Y2 방향)으로 회전되어, 외부 톱니 기어(473a·473b), 외부 톱니 기어(476a·476b)와 하우징(471)에 의해 둘러싸인 작동유가 제2 포트(52), 제2 유로(34)를 통하여 로드 오일 챔버(36)로 송유되어 유압 실린더(16)를 축소시킨다. 기저 오일 챔버(35) 내의 작동유는 제1 유로(33)를 통하여 제1 포트(51)로 송유되고, 제2 펌프(476)의 제3 포트(53)로부터는 제3 유로(41)를 통하여 작동유 탱크(9)로 송유된다. 회생시키는 경우도 상기와 마찬가지로 진행된다.
이상과 같이, 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)를 회전 구동형의 사축식 피스톤형의 유압 펌프·모터, 혹은 래디얼 피스톤형의 유압 펌프·모터, 혹은 베인형의 유압 펌프·모터, 혹은 기어형의 유압 펌프·모터 중 어느 하나의 형식의 유압 펌프·모터에 의해 구성하고, 싱글 로드 복동형의 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)의 토출·흡입 포트가 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 각 토출·흡입 포트와 각각 유로(33·34)를 통하여 연통되어 유압 폐회로가 구성되고, 상기 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)에서의 각 기저 오일 챔버(35)의 수압 면적(B)과 각 로드 오일 챔버(36)의 수압 면적(R)의 비율과, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 각 압출 부재에 의해 1회전당 압출되는 기저 오일 챔버(35)로 흡입 또는 토출되는 양과 로드 오일 챔버(36)로의 토출량 또는 흡입량의 비율이 일치하도록 설정되어 있으므로 작업시에 캐비테이션 등이 발생하지 않고, 높은 효율로 유압 실린더를 작동시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)는 각각 제1 모터 제너레이터(7), 제2 모터 제너레이터(107) 및 제3 모터 제너레이터(207)와 접속되어 구동 가능하게 이루어지며, 상기 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)는 각각 독립적으로 구동됨과 함께, 각각 독립적으로 에너지 회생이 이루어지므로, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 적어도 하나가 모터 제너레이터(7)에 의해 구동되어 적어도 하나의 회생이 동시에 이루어져도, 서로 간섭하지 않고 구동과 회생이 동시에 가능하다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 구동축이 하나의 회전축(74)과 접속되고, 상기 회전축(74)은 모터 제너레이터(7)의 출력축과 연결됨과 함께, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)는 가동 경사판(30a·31a·32a)을 구비하는 사축식 피스톤형으로 하고, 상기 가동 경사판(30a·31a·32a)의 경도에 의해 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)의 작동 속도 및 신축 방향을 변경할 수 있도록 구성할 수도 있다.
이 경우, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 어느 하나를 작동시키고 싶을 때에는, 모터 제너레이터(7)를 구동함과 함께 작동시키고자 하는 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32)의 가동 경사판(30a·31a·32a)을 경도시켜, 개별적으로(독립적으로) 또는 복합적으로 작동시킬 수 있다.
그리고, 상기 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되고, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32)로 송유되어 회전 구동되는 경우, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 모두 모터 제너레이터(7)에 의해 구동하고 있지 않을 때에는, 그 출력(회전력)은 모터 제너레이터(7)로부터 취출하고 인버터(29)를 통하여 배터리(8)에 충전하여 회생할 수 있다.
상기 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되고, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32)로 송유되어 회전 구동되고, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 하나가 모터 제너레이터(7)에 의해 구동되고 있을 때에는, 그 출력(부하 또는 중력에 의해 신축되어 얻어지는 회생 에너지)이 모터 제너레이터(7)의 구동력보다 큰 경우에는 잉여분을 배터리(8)에 충전한다. 그 출력이 모터 제너레이터(7)의 구동력보다 작은 경우는 다른 실린더 구동을 어시스트 한다. 이 어시스트에 대해서는 후술한다.
또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 1축상에 배치한 가동 경사판(30a·31a·32a)을 구비하는 사축식 피스톤형의 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)를 엔진(20)의 출력축과 연결하여 구동 가능하게 하고, 각각 가동 경사판(30a·31a·32a)을 경도시킴으로써 독립적으로 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)를 구동 가능하게 구성할 수도 있다.
이 경우, 상기 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되고, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32)로 송유되어 회전 구동하는(회생 에너지로 구동되고 있는) 경우, 엔진(20)에 의해 구동되고 있는 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32)를 어시스트 하도록 구성할 수 있다.
즉, 상기 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32) 중 하나가, 부하 또는 중력의 회생 에너지에 의해 구동되고, 제1 유압 펌프·모터(30), 또는 제2 유압 펌프·모터(31), 또는 제3 유압 펌프·모터(32) 중 어느 하나를 어시스트 하기 위해, 제1 유압 펌프·모터(30), 제2 유압 펌프·모터(31) 및 제3 유압 펌프·모터(32)의 회전축(74)의 회전수가 회전수 센서(97)에 의해 감지되고 회전수 센서(97)는 제어 회로(21)와 접속된다. 또한, 가동 경사판(30a·31a·32a)은 각각 모터 또는 솔레노이드 등으로 구성되는 액츄에이터(98·198·298)와 연결되어 각각 액츄에이터(98·198·298)에 의해 구동 가능하게 구성되며, 액츄에이터(98·198·298)는 제어 회로(21)와 접속되어 있다.
이러한 구성에서, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18) 중 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되면, 즉, 상술한 바와 같이, 조작 레버(19)의 조작 방향과 압력 센서(26·27)의 검출값으로부터 에너지 회생 상태인지 어떤지를 검출하여 에너지 회생 상태가 아니면, 엔진(20)에 의해 구동한다. 어느 하나가 에너지 회생 상태이고, 다른 어느 하나가 에너지 회생 상태가 아니면 그것을 어시스트 한다. 예를 들면, 붐 실린더(16)가 에너지 회생이고, 아암 실린더(17)를 엔진(20)(또는 모터 제너레이터(7))으로 구동하고 있을 때에는 회전축(74)의 회전 방향과 회전수를 회전수 센서(97)에 의해 검출하고, 제1 유압 펌프·모터(30)의 가동 경사판(30a)을 액츄에이터(98)에 의해 그 회전 방향과 회전수가 되도록 작동시켜, 제2 유압 펌프·모터(31)를 어시스트 하는 것이다. 한편, 전부가 에너지 회생 상태이면, 어시스트나 충전을 실시할 수 없다.
이와 같이 하여, 붐 실린더(16), 아암 실린더(17) 및 버킷 실린더(18)의 복합 작동시의 압력 간섭을 피할 수 있으며, 조작성을 향상시키고 로스 마력을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명은, 유압 실린더와 유압 펌프·모터가 유압 폐회로에 의해 접속되어 작동되는 유압 장치를 구비하는 건설 기계나 농용 작업차 등에 이용 가능하다.
B: 기저 오일 챔버의 수압 면적 R: 로드 오일 챔버의 수압 면적
Q: 피스톤 로드의 단면적 7: 모터 제너레이터
16: 붐 실린더(유압 실린더) 17: 아암 실린더
18: 버킷 실린더 30: 제1 유압 펌프·모터
31: 제2 유압 펌프·모터 32: 제3 유압 펌프·모터
33: 제1 유로 34: 제2 유로
35: 기저 오일 챔버 36: 로드 오일 챔버
37: 피스톤 로드 51: 제1 포트
52: 제2 포트 53: 제3 포트
74: 회전축

Claims (4)

  1. 싱글 로드 복동형의 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 토출·흡입 포트가, 회전 구동형의 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 토출·흡입 포트와 각각 유로를 통해 연통되어 각각 유압 폐회로가 구성됨과 함께, 상기 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더에서의 각 기저 오일 챔버의 수압 면적과 각 로드 오일 챔버의 수압 면적의 비율과, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 압출 부재에 의해 1회전당 기저 오일 챔버로 흡입 또는 토출되는 양과 로드 오일 챔버로 토출되는 양 또는 흡입되는 양의 비율이 일치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 각 회전축은, 각각 제1 모터 제너레이터, 제2 모터 제너레이터 및 제3 모터 제너레이터의 구동축과 접속되어 구동 가능하게 이루어지며, 상기 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더는 각각 독립적으로 구동됨과 함께, 각각 독립적으로 에너지 회생 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터의 구동축은 하나의 구동축에서 접속되며, 상기 구동축은 엔진 또는 모터의 출력축과 연결됨과 함께, 상기 제1 유압 펌프·모터, 제2 유압 펌프·모터 및 제3 유압 펌프·모터는 가동 경사판을 구비하는 사축식 피스톤형이며, 상기 가동 경사판의 경도에 의해 붐 실린더, 아암 실린더 및 버킷 실린더의 작동 속도 및 신축 방향을 변경하고, 상기 실린더가 부하 또는 중력에 의해 신축되어, 상기 제1 유압 펌프·모터 또는 제2 유압 펌프·모터 또는 제3 유압 펌프·모터로 송유되어 출력됨으로써 취출 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유압 펌프·모터 또는 제2 유압 펌프·모터 또는 제3 유압 펌프·모터 중 적어도 하나가 엔진 또는 모터에 의해 구동되며, 적어도 다른 하나가 부하 또는 중력에 의해 신축되는 실린더로부터의 압유에 의해 구동되어 회생되는 경우, 회생 에너지는 엔진 또는 모터의 어시스트 또는 충전에 이용되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.　
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