WO2013164928A1 - ハイブリッド式作業機械 - Google Patents
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Abstract
Description
<第1の実施の形態>
~構成~
図1は本発明の一実施の形態におけるハイブリッド式作業機械の油圧駆動システム(ハイブリッドシステム)の構成を示す図である。本実施の形態は、本発明をフロントスイング式の油圧ショベルに適用した場合のものである。
Fcp:LS制御ピストン12cから斜板2aが受ける力
Fp:ポンプ要素であるピストンシリンダの各ピストンから斜板2aが受ける合力
(ポンプ要素であるピストンシリンダの各ピストンは図1に示したトルク制御ピストン12aを兼ねている。ピストンシリンダの各ピストンは斜板2aの回転中心からオフセットしており、油圧ポンプ2の吐出圧が高くなると、斜板2aの傾転角を小さくする方向に力を発生する。)
Fk:トルク制御用バネ12fから斜板2aが受ける力
(バネ12fは油圧ポンプ2が消費する最大トルクを設定する。)
k:トルク制御用バネ12fのバネ定数
θ:斜板2aの傾転角
(傾転角θが大きくなるとポンプ容量が大きくなり、傾転角θが小さくなるとポンプ容量が小さくなる。)
lcp:LS制御ピストン12cから斜板2aが受ける力Fcpの作用点と斜板2aの回転中心との距離
lp:ピストンシリンダの各ピストン(トルク制御ピストン12a)から斜板2aが受ける合力Fpの作用点と斜板2aの回転中心との距離
lk:トルク制御用バネ12fから斜板2aが受ける力Fkの作用点と斜板2aの回転中心との距離
図3Aの演算で用いられる図3Dに示すパラメータ以外のパラメータは以下の通りである。
CPA:LS制御弁12bのポンプポートP→アクチュエータポートAの縮流係数
CAT:LS制御弁12bのアクチュエータポートA→タンクポートTの縮流係数
B:作動油の体積弾性率
Vcp:LS制御ピストン12c内部の体積
1/s:積分ブロック
ISW:斜板2aの回転中心まわりの慣性モーメント
c:斜板の粘性係数
図3Bに示すように、計算部81はサブ計算部81a~81fから構成され、以下のように圧力センサ41で検出したエンジン回転数検出弁13の出力圧Pgr(以下Pgr圧という)と圧力センサ42で検出した差圧減圧弁11の出力圧Pls(以下Pls圧という)からLS制御ピストン12c内の圧力を計算する。
<サブ計算部81a>
サブ計算部81aは、Pgr圧とPls圧との差の圧力を演算し、この差の圧力によってLS制御弁12bのメータイン開口面積APAとメータアウト開口面積AATを演算する。前述した如く、LS制御弁12bの対向する受圧部12d,12eにPgr圧とPls圧がそれぞれ導かれており、LS制御弁12bはPgr圧とPls圧との差の圧力に応じてストロークして、メータイン絞りの開口面積(メータイン開口面積APA)とメータアウト絞りの開口面積(メータアウト開口面積AAT)を変化させる。メータイン絞りはLS制御弁12bのポンプポートPとアクチュエータポートAを連通させる通路の絞りであり、メータアウト絞りはアクチュエータポートAとタンクポートTを連通させる通路の絞りである。ポンプポートPはパイロット油路31bに接続され、アクチュエータポートAはLS制御ピストン12cに接続され、タンクポートTはタンクTに接続されている。車体コントローラ64は、Pgr圧とPls圧との差の圧力に対するメータイン開口面積APAの関係及びメータアウト開口面積AATの関係を予め記憶しており、サブ計算部81aは、差の圧力の演算値をそれらの関係に参照することによりメータイン開口面積APAとメータアウト開口面積AATを求める。
<サブ計算部81b>
サブ計算部81bは、サブ計算部81aで演算したメータイン開口面積APAと、予め記憶したパイロット油路31bの圧力(一定値)と、後述する内部演算値であるLS制御ピストン12c内の圧力PCPを用いて、LS制御ピストン12cにLS制御弁12bのメータイン絞りを介して流入する流量を演算する。一般的に、絞り(オリフィス)を通過する流量Qは下記の式で求めることができる。
C:絞りの縮流係数
A:絞りの開口面積
ΔP:絞りの前後差圧
ρ:流体の密度
サブ計算部81bは、パイロット油路31bの圧力(一定値)から内部演算値であるLS制御ピストン12c内の圧力PCPを減算することで、LS制御弁12bのメータイン絞りの前後差圧を求め、この前後差圧と、サブ計算部81aで計算したメータイン開口面積APAと、作動油の密度ρ及びメータイン絞りの縮流係数CPAを上述した(1)式に適用することで、LS制御弁12bのメータイン絞りを介して流入する流量を求める。
<サブ計算部81c>
サブ計算部81cは、サブ計算部81aで演算したメータアウト開口面積AATと後述する内部演算値であるLS制御ピストン12c内の圧力PCPを用いて、サブ計算部81bと同様の考えに基づいて、LS制御ピストン12cからLS制御弁12bのメータアウト絞りを介して流出する流量を演算する。タンクTの圧力を0とみなした場合、メータアウト絞りの前後差圧はLS制御ピストン12c内の圧力PCPに等しくなり、この場合も、その前後差圧(LS制御ピストン12c内の圧力PCP)と、サブ計算部81aで計算したメータアウト開口面積AATと、作動油の密度ρ及びメータアウト絞りの縮流係数CATを上述した(1)式に適用することで、LS制御弁12bのメータアウト絞りを介して流出する流量が求まる。
<サブ計算部81d>
サブ計算部81dは、後述する内部演算値である斜板の角速度にLS制御ピストン12cの受圧面積Acpを乗じることで、LS制御ピストン12c自身が伸び縮みすることで発生する流量を演算する。
<サブ計算部81e>
サブ計算部81eは、サブ計算部81b,81c,81dで演算されたLS制御ピストン12cへの流入/流出する流量を加算し、合計流量を演算する。
<サブ計算部81f>
サブ計算部81fは、サブ計算部81eで演算した合計流量に堆積弾性率B/LS制御ピストン12cの内部の体積Vcpを乗じ、その値を積分することで、LS制御ピストン12c内の圧力PCPを演算する。
<サブ計算部82a>
サブ計算部82aは、計算部81で演算したLS制御ピストン12c内の圧力PCPにLS制御ピストン12cの受圧面積を乗じることで、LS制御ピストン12cから斜板2aが受ける力Fcpを演算し、この力Fcpに、LS制御ピストン12cから斜板2aが受ける力Fcpの作用点と斜板2aの回転中心との距離lcpを乗じることで、LS制御ピストン12c内の圧力PCPによる斜板2aの回転モーメントを演算する。
<サブ計算部82b>
サブ計算部82bは、ポンプ圧からピストンシリンダの各ピストンから斜板2aが受ける合力(トルク制御ピストン12aから斜板2aが受ける力)Fpを演算し、この合力Fpを、斜板2aが受ける合力Fpの作用点と斜板2aの回転中心との距離lpを乗じることで、ポンプ圧Pdによる斜板2aの回転モーメントを演算する。車体コントローラ64は、ポンプ圧とピストンシリンダの各ピストンから斜板2aが受ける合力Fpとの関係を予め記憶しており、サブ計算部82bは、ポンプ圧をその関係に参照することで、合力Fpを求める。
<サブ計算部82c>
サブ計算部82cは、後述する内部演算値である斜板2aの傾転角θにトルク制御用バネ12fのバネ定数kを乗じることで、トルク制御用バネ12fから斜板2aが受ける力Fkを演算し、この力Fkに、斜板2aが受ける力Fkの作用点と斜板2aの回転中心との距離lkを乗じることで、トルク制御用バネ12fの付勢力による斜板2aの回転モーメントを演算する。
<サブ計算部82d>
サブ計算部82dは、サブ計算部82a,82b,82cで演算した斜板2aの回転中心回りに作用するモーメントを加算して合計モーメントを演算する。
<サブ計算部82e>
サブ計算部82eは、後述する内部演算値である斜板の角速度に斜板の粘性係数cを乗じることで、斜板2aの回転中心回りに作用する抵抗モーメントを演算し、この抵抗モーメントをサブ計算部82dで演算した合計モーメントから減算することで、斜板2aの回転中心回りに作用するモーメントを算出する。
<サブ計算部82f>
サブ計算部82fは、サブ計算部82eで演算した斜板2aの回転中心回りに作用するモーメントに1/斜板2aの回転中心まわりの慣性モーメントISWを乗じ、その値を積分することで、斜板2aの角速度を演算する。
<サブ計算部82g>
サブ計算部82gは、サブ計算部82fで演算した斜板2aの角速度を積分することで、斜板2aの傾転角を演算する。
<サブ計算部82h>
サブ計算部82hは、サブ計算部82gで求めた斜板2aの傾転角からポンプ容量を演算する。車体コントローラ64は、斜板2aの傾転角とポンプ容量との関係を予め記憶しており、サブ計算部82hは、斜板2aの傾転角をその関係に参照することで、ポンプ容量を求める。
まず、本実施の形態の油圧駆動システムの油圧回路の基本動作を説明する。
~電動機/発電機60に係わる動作~
次に、本実施の形態の油圧駆動システムの特徴的構成である電動機/発電機60に係わる動作を説明する。
このように算出されたエンジン出力とポンプ必要動力とが減算器64gにて比較される。その後、演算器64hにおいて、「エンジン出力」-「ポンプ必要動力」-Pm≧0の場合は、エンジン出力に余裕があるということなので、電動機/発電機60が発電機として用いるようコンバータ61に制御信号が出力される。これにより電動機/発電機60は発電機として動作し、発生した電力がバッテリ62に蓄えられる。逆に、「エンジン出力」-「ポンプ必要動力」-Pm<0の場合は、ポンプ必要動力に対してエンジン出力の余裕が足りないということなので、電動機/発電機60を電動機として用いるようコンバータ61に制御信号が出力される。これにより電動機/発電機60はバッテリ62の電力を用いて電動機として動作し、エンジン1をアシストする。
<その他の実施の形態>
以上の実施の形態は本発明の精神の範囲内で種々の変更が可能である。以下にそのいくつかの例を説明する。
(3)上記実施の形態では、建設機械が小型の油圧ショベルである場合について説明したが、小型の作業機械であれば、油圧ショベル以外作業機械(例えばホイール式ショベル等)に本発明を適用し、同様の効果を得ることができる。
2 油圧ポンプ(メインポンプ)
3a,3b,3c… アクチュエータ
4 コントロールバルブ
4a 第2圧油供給油路
5 第1圧油供給油路
6a,6b,6c… 流量制御弁
7a,7b,7c… 圧力補償弁
8a,8b,8c… 油路
9a,9b,9c… シャトル弁
11 差圧減圧弁
12 ポンプ制御装置
12a トルク制御ピストン
12b LS制御弁
12c LS制御ピストン
13 エンジン回転数検出弁
14 メインリリーフ弁
15 アンロード弁
24 ゲートロックレバー
27,27a,27b 信号油路
30 パイロットポンプ
31a 圧油供給油路
31b パイロット油路
31c パイロット油路
32 パイロットリリーフ弁
33 パイロット油圧源
40 圧力センサ(第1圧力センサ)
41 圧力センサ(第3圧力センサ)
42 圧力センサ(第2圧力センサ)
60 電動機/発電機
61 コンバータ
62 バッテリ
63 バッテリコントローラ
64 車体コントローラ
64a 推定器(オブザーバ-)
64b 回転数テーブルデータ
64c,d 乗算器
64e 変換器
64f エンジン出力テーブルデータ
64g 減算器
64h 演算器
64j ポンプ動力演算部
70 動力分配器
81 計算部
81a~81f サブ計算部
82 計算部
82a~82h サブ計算部
100 ゲートロック弁
122,123 操作レバー装置
Claims (3)
- エンジンと、
前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、
前記エンジンと併用して前記油圧ポンプを駆動する電動機と、
前記油圧ポンプから吐出された圧油により駆動される複数のアクチュエータと、
前記油圧ポンプの吐出圧が高くなるにしたがって前記油圧ポンプの容量を減らし、前記油圧ポンプの吸収トルクが予め設定した最大トルクを超えないように制御するトルク制御部と、前記油圧ポンプの吐出圧が前記複数のアクチュエータの最高負荷圧より目標差圧だけ高くなるよう前記油圧ポンプの容量を制御するロードセンシング制御部とを有するポンプ制御装置とを備えたハイブリッド式作業機械において、
前記油圧ポンプの吐出圧を検出する第1圧力センサと、前記油圧ポンプの吐出圧と前記最高負荷圧との差圧に係わる圧力を検出する第2圧力センサとを含む複数の圧力センサと、
前記複数の圧力センサが検出した圧力に基づいて、前記油圧ポンプの必要動力と前記エンジンの出力とを演算し、前記油圧ポンプの必要動力と前記エンジンの出力との比較結果に応じて前記電動機の力行制御と発電制御とを切り換える制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記第1及び第2圧力センサで検出した圧力と、前記油圧ポンプの押しのけ容積可変部材の運動方程式を用いて前記油圧ポンプの容量を仮想的に演算することを特徴とするハイブリッド式作業機械。 - 請求項1記載のハイブリッド式作業機械において、
前記エンジンにより駆動されるパイロットポンプと、
前記パイロットポンプに接続され、前記パイロットポンプの吐出油に基づいてパイロット一次圧を生成するパイロット油圧源と、
前記パイロットポンプと前記パイロット油圧源の間に位置し、前記パイロットポンプの吐出油に基づいて前記エンジンの回転数に依存する油圧信号を絶対圧として生成して出力するエンジン回転数検出弁とを更に備え、
前記ポンプ制御装置のロードセンシング制御部は、前記エンジン回転数検出弁の前記油圧信号が前記ロードセンシング制御の目標差圧として導かれ、
前記複数の圧力センサは、前記エンジン回転数検出弁が出力する前記油圧信号を検出する第3圧力センサを更に含み、
前記制御装置は、
前記第3圧力センサで検出した前記油圧信号の圧力を用いて前記エンジンの回転数を演算し、このエンジン回転数を用いて前記エンジンの出力を演算するとともに、前記第1圧力センサ、前記第2圧力センサ、前記第3圧力センサのそれぞれが検出した圧力と、前記油圧ポンプの押しのけ容積可変部材の運動方程式を用いて前記油圧ポンプの容量を仮想的に演算することを特徴とするハイブリッド式作業機械。 - 請求項2記載のハイブリッド式作業機械において、
前記油圧ポンプの吐出圧と前記最高負荷圧との差圧を絶対圧として生成して出力する差圧減圧弁とを備え、
前記第2圧力センサは、前記差圧減圧弁が出力する前記差圧を検出する圧力センサであり、
前記複数の圧力センサは、前記第1圧力センサと前記第2圧力センサと前記第3圧力センサの3つの圧力センサであることを特徴とするハイブリッド式作業機械。
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