WO1992006305A1 - Circuit capable of varying pump discharge volume in closed center-load sensing system - Google Patents

Circuit capable of varying pump discharge volume in closed center-load sensing system Download PDF

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Daijiro Ito
Hiroshi Imai
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Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho
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Description

明 細 害 ク ローズドセンタ · ロー ドセンシングシステムにおけるポンプの吐 ffl容積の可 変回路 技 術 分 野
本発明は、 ク ローズドセンタ · ロー ドセンシングシステムにおけるポンプの吐 出容積の可変面路に係り、 特にパワーショベル等の建設機械に好適なポンプの吐 出容穰の可変回路の改良に閬する。 背 景 技 術
従来のパワーショベル等の建設機械では、 例えば第 6図に示すようにェンジン 5 1に配設された動力取出し装置 （以下 PT0 という） 5 2を介して駆動される 2個のポンプ 5 3、 5 4 と作業機を作動するアーム、 ブームおよび旋面等のァク チユエ一タ 5 5、 5 7、 5 8への油圧を切り換える 2個の切換弁 5 9、 6 0 ( 下 2 ポンプ 2バルブという） とを別々の配管 6 1、 6 2で連結していた。
最近はこれに加えて、 第 7図に示すように 2悃のポンプ 7 1、 7 2から吐出さ れた油量をパラ レルに各種のァクチユエ一タ 5 7、 5 8に接続されるスタックを 組み合わせた 1個の切換弁 7 3 (以下 2ポンプ 1バルブという） に配管 7 4、 7 5を集めて連結している。 この場合に切換弁 7 3にはクローズドセンタ方式が使 用されるとともに 2個のポンプ 7 1、 7 2は各々の吐出容稷を負荷圧 Pによらず バルブ開度により可変にするロードセ ンシングシステム 8 0が用いられており、 フローコ ン ト ロールバルブ 8 1を遮断して、 1個のポンプ 7 2の吐出容積に切り 換える構成としている。
しかしながら、 第 6図に示す 2ポンプ 2バルブでは 2個のポンプ 5 3、 5 4を P T 0 δ 2を用いて駆動し、 それぞれを別置きの 2個の切換弁 5 9、 6 0に配 管で接続しているため、 構造が複雑になってスペースを広く取り、 価格も高くな るという問題点がある。 また、 第 7図に示す 2ポンプ 1バルブでは、 2ポンプの ため上記と同様な構造面の不具合があり、 加えて性能面では第 8図に示すように 以下の問題点がある。
① 切換弁のスプールス ト ロークが S範囲、 即ちスロ ッ ト リ ング （ス ト ローク と流量の特性） の範囲では、 2ポンプ 7 1、 7 2から 1ポンプ 7 2に切り換えて もァクチユエータ 5 7、 5 8に流れる流量のフ ァ イ ンコ ン ト ロールカーブ （A ) がス トロークに対して一定となり可変に出来ない。 あるいは、 1ポンプ 7 2を用 いる場合には吐出量の大きいポンプを用いる必要があるため、 やはりフアイ ンコ ン ト ロールカーブ （A ) はス ト ロークに対して一定である。
② フローコ ン ト ロールバルブ 8 1 を切り換えて 1個のポンプ 7 2 の吐出量に しても、 最大流量は （B ) から （C ) に少なくなるが、 ①項の問題点は解消しな い。
さらに、 構造を簡単にしてスペースを小さくするために、 1ポンプ 1バルブに しても良い。 しかし、 パワーショ ベルの旋面のようにポンプの最大吐出量に対し て要求流量の少ない場合は、 ェンジンでポンプの面転を下げても第 9図に示すよ うにァクチユエータの最大速度即ち旋面速度 （D ) が変わらず、 運転者の感覚と 锭面速度とにズレが生ずるという問題点がある。
そこで本発明者は、 日本特許出願番号：特願平 1 一 8 2 9 6 1において、 切換 弁の切換えに用いられるポンプの吐出圧とァクチユエータの負荷圧およびスプリ ングの付加力を可変にしてポンプの吐出容積を変えること、 あるいは、 エンジン の面転速度に応じてポンプの吐出容積を変えることを提案している。 このために 、 エ ンジンの回転速度に応じてポ ンプの吐出容積が変わり、 エ ンジンの面転速度 の設定に合わせて作業機の作業速度も追随するので、 運転者の感覚と作業機の作 業速度が合ようになった。
また、 近頃では人手不足による熟練運転者の不足、 あるいは、 リースにより初 心者の運転の増加等による運転技術の低下と、 地面を水平にならす水平掘削、 あ るいは、 斜面を均一にならす法面掘削等の工法の要望から素人でも精度良く、 容 易に運転できることが油圧ショ ベル等の建設機械に望まれている。 さらに、 水平 掘削、 あるいは、 法面掘削は、 例えば、 ブームの操作レバーのみを操作すればコ ントローラの制御により自動的にブームシリ ンダとアームシリ ンダが作動して水 平、 あるいは、 法面の掘削が出来る油圧ショ ベルが開発されている。
ところで前記提案では、 ポンプの吐出容積を変える指令値はヱンジンの回転速 度を回転センサ一で検出して指令しているため、 例えば水平掘削で岩石にバケ ッ トが当接して負荷が変動した場合には、 ポンプの吐出容積は前記の指令値による 変動と、 エ ンジンの EI転速度の急激な変化 （第 1 0図） に伴うポンプの吐出容積 の増加遅れによる変動とが加算され、 ポンプの吐出容積の変動が大き くなる。 従 つて、 ブーム シリ ンダとアーム シリ ンダの作動がズレて水平掘削が精度良く出来 ないこ とがある。
本発明はかかる従来の問題点に着目し、 常に精度良く、 しかも容易にポンプの 吐出容積を可変に出来るクローズドセ ンタ · ロードセンシングシステムを提供す ることを目的としている。 発 明 の 開 示
本発明は、 面転速度の指示装置を備えた動力源と、 動力源により駆動される可 変容量油圧ポンプと、 可変容量油圧ポンプから吐出される圧油によつて駆動され るァクチユエータと、 この圧油の流れを制御する切換弁と、 ポンプ圧とァクチュ エータ負荷圧との差圧を所定圧に保つように可変容量油圧ポンプから吐出される 流量を制御するとともに、 この差圧を変えたときに可変容量油圧ポンプから吐出 される流量を変えるロー ドセ ンシングシステムとを有するク ローズドセンタ · 口 ー ドセ ンシングシステムにおけるポンプの吐出容積の可変面路において、 動力源 の面転速度を設定する指示装置と、 指示装置からの設定信号を受けて動力源の面 転速度を演算出力するコン ト ローラと、 コ ン トローラからの指令信号を受けて動 力源の面転速度を制御する電子比例制御ガバナーを具備し、 ポンプ圧とァクチュ エータ負荷圧との差圧の設定を指示装置により行うものである。 この指示装置は スロッ トルダイヤルのス ト α—ク位置で差圧を指示している。 また、 コン トロー ラはァクチ ェ一タの作動を選択する切替スイ ッチと、 ポンプのレギユレ一タを 制御する電磁圧力比例弁を備えている。
上記構成によれば、 ポンプの面転速度で要求流量の少ないポンプの吐出容積を 制御するときに、 ポンブを駆動する動力源の面転速度をスロ ッ トルダイヤルのス トローク位置により制御しているため、 スロ ッ トルダイヤルのス ト ローク位置で 一定の指令値が得られ、 負荷の変動には無関係である。 従って、 流量変動の少な い安定したポンプの吐出容積が得られる。 また、 切換弁のス トロークに対しての フアイ ンコ ン トロールカーブの範囲でァクチュエータへの流量が可変となり、 ァ クチユエータを少し動かしたい時も微操作が可能になるとともに、 負荷の変動が あってもポンプの吐出容積の変動が少なくなる。 これにより、 ス ロ ッ トルダイヤ ルのス トローク位置、 および切換弁のス トローク位置 （操作レバーの位置） によ り安定したポンプの吐出容積が得られるので、 水平掘削、 法面掘削等の工法の精 度が良くなり、 初心者でも操作し易くなる。 図面の簡単な説明
第 1図は本発明のクローズドセンタ · ロー ドセンシングシステムにおけるボン ブの吐出容積の可変面路の実施例を示す全体構成図、 第 2図は本発明のスロッ ト ルダイヤルのス トローク位置とポンプの吐出容積の関係を示す図表、 第 3図は本 発明の切換弁スプールのス トロークとァクチュヱータへの流量の闋係を示す図表 、 第 4図は本発明のスロッ トルダイヤルのス トローク位置と指令信号の電圧の闋 係を示す図表、 第 5図は本発明のスロ ッ トルダイヤルの指令信号の電圧と圧力比 例弁の圧力の関係を示す図表、 第 6図は従来の 2ポンプ 2バルブの油圧回路の全 体構成図、 第 7図は従来のクローズドセンタ · ロー ドセンシングシステムにおけ るポンプの吐出容積の可変面路の全体構成図、 第 8図は第 7図に示す面路の切換 弁スプールのス ト ロークとァクチユエータへの流量の関係を示す図表、 第 9図は 第 7図に示す面路のェンジン面転速度とァクチュヱ一タの最大速度の関係を示す 図表、 第 1 0図はヱンジンの回転速度の変動を示す図表である。 穽明を実施するための最良の形態
本発明に係るクローズドセンタ · ロードセ ンシングシステムにおけるポンプの 吐出容積の可変回路の実施例につき、 図面を参照して詳細に説明する。 第 1図に おいて動力源すなわちエンジン 1 と、 これで駆動される可変容量形ポンプ 2 (以 下ポンプ 2 という） と、 作業機を作動する例えばブーム、 アーム用のァクチユエ ータ 3、 4が配罈されている。 これらァクチユエータ 3、 4への流量を切り換え るク ローズドセンタのスタ ック形の切換弁 Ί、 8は 1体に結合され、 配管 9でポ ンプ 2に、 配管 1 0でタ ンク 1 1 にそれぞれ接続されている。 ポンプ 2の吐出容 積を可変にするレギユレータ 1 2が、 レギユレータバルブ 1 3 (以下バルブ 1 3 という） と、 ポンプ 2の配管 9より分岐したバイロッ ト配管 1 4 とに接続され、 ポンプ 2の吐出圧 P pを受けてポンプ 2の吐出容積 Q Pを制御している。 バルブ 1 3は 3ポー ト 2位署の構成であり、 バルブ 1 3の一端 1 3 aに作用するポンプ 2の吐出圧と、 その他端 1 3 bに作用する各ァクチユエータ 3、 の最髙圧力と 、 押付力が変わるスブリ ング 1 5 とにより制御されて切り換わる。 スプリ ング 1 5にはレギュレータ 1 6が連結され、 固定容量形ポンプ 1 Ί (以下ポンプ 1 7と いう） からの油圧を圧力比例弁 3 5を介して受けてスプリ ング 1 5の取付け县さ を変えることにより、 押付力を可変にしている。 レギユレータ 1 6にはスプリ ン グ 1 6 aが内蔵され、 ポンプ 1 7からの油圧により収縮している。 切換弁 7、 8 にはポンプ 2からの配管 9に並列に配管 9 a、 9 bが接続されるとともに、 ブー ムのァクチユエ一夕 3には配管 3 a、 3 わが、 またアームのァクチユエ一夕 4に は配管 4 a、 4 bが接続されている。 切換弁 7、 8は 3位置によりなり、 中立位 置 Nではポンプポー トはクローズドされている。 切換位置 L、 Mへ移る過程では 、 流量がスプールに設けられたス口ッ ト リングの可変絞り 2 0で絞られ、 切換位 置 L、 Mでは可変絞り 2 0 (以下絞り 2 0という） が所定の面積となり、 一定流 量となる。 また、 これら各位置ではポー ト Rを経てシャ トル弁 2 1、 2 2に接続 - - されている。 シャ トル弁 2 1、 2 2はパイロッ ト管 2 3 a、 2 3 bで接続される とともに、 分吱したバイロッ ト管 2 4を経て各ァクチユエータ 3、 4の配管 3 a 、 3 b、 4 a . 4 bにそれぞれ揷入された減圧弁 2 5 a、 2 5 b、 2 6 a、 2 6 bに接続されている。 また、 エ ンジン 1 の面転速度を設定するスロッ トルダイヤ ル 3 1 と、 スロ ッ トルダイャル 3 1からの設定信号を受けてェンジン 1の面転速 度を演算し電子比例制御ガバナー 3 2に指令信号を出力するコ ント π—ラ 3 3と 、 コ ン ト ローラ 3 3からの指令信号でェンジン 1の面転速度を制御する電子比例 制御ガバナー 3 2とが配線で接続されている。 さらに、 コ ン ト ローラ 3 3は、 ス 口ッ トルダイヤル 3 1 のス トローク位置 （ X ) に応じて記憶されている、 例えば ポンプ 2の吐出容積を第 2図のように可変にする指令信号を読み出して、 レギュ レータ 1 6 に接続されている圧力比例弁 3 5 にこの指令信号を出力する。 圧力比 例弁 3 5は、 ポンプ 1 Ίの油圧をコントロ一ラ 3 3からの指令信号に応じて制御 し、 レギユレータ 1 6に供袷する。 レギユレータ 1 6は、 これに連結されたスブ リ ング 1 5の取付け县さを漸次圧力に比例して変えることにより押付力を可変に し、 ポンブ 2の吐出容積を可変にするレギュレータバルブ 1 3を制御している。 本実施例ではレギレータ 1 6はスプリ ング 1 5の押付力を軽減するように作動さ せたが、 逆に增加するように作動させても良い。
また、 コ ン ト ローラ 3 3にはこれを作動あるいは停止させる切換スィ ツチ 4 0 が接続されている。 切換弁 7、 8は、 図示しない運転席近傍に設けられたレバ一 操作によるパイロッ ト比例圧力弁等からの圧力指令を受けて切り換わる。 本実施 例では圧力指令としたが、 電気により指令しても良い。 また、 切換位置 L、 Mに おいて絞り 2 0が一定の面穣ではなく、 可変絞りにおける最大面積としても良い 次に本回路の作動について説明する。 切換スイ ッチ 4 0を入れずに通常の作業 をする場合、 例えばブームァクチユエータ 3を作動させる場合には運転席近傍に 設けられた図示しない操作レバーの操作により切換弁 Ίを中立位置 Nより、 切換 位置 Lあるいは Mに切り換える。 そうすると、 配管 9が絞り 2 0 (絞り面積 Z m mz ) により絞られるために、 ポンプ 2の吐出圧 P pはブームの食荷圧すなわち ブームのァクチユエータ 3の配管 3 a、 3 の圧力 P aよりも所定量の圧力 P c だけ髙くなる。 すなわち、
P p = P a + P c ( 1 )
となる。
所定量の圧力 P cは、 レギユ レータ 1 6に連結されたスプリ ング 1 5の押付力 により設定され、 ポンプ 2の吐出容積 Q Pにより絞り 2 0の圧力が所定量の圧力 P cになるようにバルブ 1 3の切換圧力が制御される。 すなわち、
Qp = C X Z XvrP p -P a
Figure imgf000009_0001
となり、 ポンプ 2の吐出容積 Q Pは絞り 2 0の面穣 Zと、 バルブ 1 3の切換圧 力 P cの平方根の積により決まる。 ここで、 Cは流量係数を示す。 従って、 ァク チユエータ 3への流量も切換弁 7のスプールのス ト ロークにより可変となる絞り 2 0の面積 Zに応じて決まる。 このとき、 前記流量はポート Rに接続したシャ ト ル弁 2 1を介してァクチユエ一タ 3への減圧弁 2 5 aに導かれているが、 減圧弁 2 5 aに作用するパイロッ ト圧力 P 1 と P 2はほぼ等しいため、 減圧弁 2 5 aで の圧力抵抗はこれに付設されたスプリ ングによる小さな抵抗のみである。
また、 水平掘削等でブームとアームを同時に操作したときには、 切換弁 7、 8 がともに切換位置 Lあるいは Mに切り換わり、 前記流量はブームとアームのァク チユエ一タ 3、 4に切換弁 7、 8のスプールの絞り 2 0、 2 0を介して流入する 。 このときアームの食荷圧 P sがブームの負荷圧 P aより小さい場合には、 ブー ムの負荷圧 P aはシャ トル弁 2 1を通過し、 シャ トル弁 2 2ではブームの負荷圧 P a とアームの負荷圧 P sが比較され、 ブームの負荷圧 P aの方が髙いためシャ トル弁 2 2を通過する。 この食荷圧 P aはポンプ 2のバルブ 1 3に導かれるとと もに、 各ァクチユエータ 3、 の减圧弁 2 5 a、 2 5 b、 2 6 a、 2 6 bにも導 かれる。 ブームの減圧弁 2 5 a、 2 5 bでは前記流量は小さい抵抗で流れるが、 アームの減圧弁 2 6 a、 2 6 bではアームの負荷圧 P sに対してブームの負荷圧 P a と付設されたスプリ ングの押圧力とにより大きな減圧 P s aが行われる。 す なわち、 ポンプの吐出圧 P pは
P p = P s + P c + P s a ( 3 )
となる。
ポンプ 2の吐出容積 Q pは、 切換弁 7、 8のスプールの絞り 2 0、 2 0を流れ る流量が所定量の圧力 P cになるように、 バルブ 1 3の切換圧力によって制御さ れる。
このとき、 ポンプ 2の吐出容積を第 3図に示すように （E〉 から （F ) に小さ く して水平掘削等の精度を向上する場合には、 切換スィツチ 4 0を入れてコ ント ローラ 3 3を作動させ、 次いでスロッ トルダイヤル 3 1を作業に適合するェンジ ン 1 の面転速度に設定する。 このスロ ッ トルダイヤル 3 1のス トローク位置に応 じてコ ン ト ローラ 3 3に記憶されている例えば第 4図に示すような指令信号の電 圧 Vを電磁圧力比例弁 3 5に出力する。 電磁圧力比例弁 3 5は、 ポンブ 1 7の油 圧をこの指令信号に応じてレギユレータ 1 6への圧力 P iを第 5図に示すように 制御し、 レギユレータ 1 6に出力する。 この圧力 P i でレギユ レータ 1 6内のス プリ ング 1 6 aを撓ませるとともにレギユレータ 1 6に結合されたスプリ ング 1 5の取付け县さを変えてバルブ 1 3の押付力を小さくする。 これにより、 バルブ 1 3の切換圧力を P cより小さ く し、 第 2図に示すようにポンプ 2の吐出容積 ( あるいはァクチユエータへの流量） はェンジン 1の面転速度の変動に応じて変動 する。
次に、 切換スィ ツチ 4 0を入れてコン トローラ 3 3を作動させ、 例えばブーム ァクチユエータ 3を作動させる場合を説明すると、 運転席近傍に設けられた図示 しない操作レバ一の操作により切換弁 7を中立位置 Nより切換位置 Lあるいは M に切り換える。 そうすると、 第 3図に示すようにスプールのス トロークの U点ま ではスプールに設けられた絞り 2 0の面積 Zが開口しないためァクチユエータ 3 への流量供狯はない。 次にスプールのス トロークが W点にくると、 絞り 2 0の面 稹 Zが開口してバルブ 1 3の切換圧力が P cより小さくなるため、 前記 （ 2 ) 式 に従いァクチユエータ 3への流量は Q Pより Q P aまで少なくなる。 また、 ス ト の移行は、 バルブ 1 3の切換圧力を変えるこ とにより可変にするこ とができる。
なお、 本実施例においてはエンジン 1の回転数の変動に対して指令信号を 1次 比例して変動させているが、 通常のコ ン ト ローラを用いて、 2次、 3次および他 の連続した変動としても良い。 また、 レギユ レータ 1 6への圧力を減圧したが、 逆に加圧するようにしても良く、 スブリ ング 1 5の押付け力を大きくするように しても良い。 さらに、 本実施例では 1 ポンプで説明したが、 2ポンプ 1バルブに 用いてもよいことは言うまでもない。 産業上の利用可能性
本発明は、 常に精度良く、 容易にポンプの吐出容穣を可変に出来るクローズド センタ · ロードセンシングシステムとして有用であり、 特に建設機械による水平 掘削及び法面掘削等の工法精度が良くなり、 初心者でも容易に操作できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 面転速度の指示装置を備えた動力源と、 動力源により駆動される可変容量油 圧ポンプと、 可変容量油圧ポンプから吐出される圧油によつて駆動されるァクチ ユエータと、 この圧油の流れを制御する切換弁と、 ポンプ圧とァクチユエータ負 荷圧との差圧を所定圧に保つように可変容量油圧ポンプから吐出される流量を制 御するとともに、 ボンブ圧とァクチユエータ負荷圧との差圧を変えたときに可変 容量油圧ポンプから吐出される流量を変える σ—ドセンシングシステムを有する ポンプの吐出容積の可変面路において、 動力源の面転速度を設定する指示装置と 、 指示装置からの指令信号を受けて動力源の面転速度を演算出力するコ ン ト ロー ラと、 コ ン トローラからの指令信号を受けて動力源の面転速度を制御する電子比 例制御ガバナーを具備し、 前記ポンブ圧とァクチユエータ負荷圧との差圧の設定 を前記指示装置により行うことを特徴とするクローズドセンタ . ロードセンシン グシステムにおけるポンプの吐出容積の可変面路。
2 . 前記指示装置は、 動力籙の面転速度を設定するスロッ トルダイヤルであって 、 このスロッ トルダイヤルのス トローク位置により動力濂の面転速度を設定する ことを特徴とする請求の範囲 1記載のクローズドセンタ . ロードセンシングシス テムにおけるポンプの吐出容稹の可変面路。
3 . 前記コ ン トローラは、 コントローラを作動させる切替スィ ツチと、 ポンプの レギュレータを制御する電磁圧力比例弁を接続していることを特徴とする請求の 範囲 1記載のクローズドセンタ · ロー ドセンシングシステムにおけるポンプの吐 出容積の可変面路。
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