WO2018074628A1

WO2018074628A1 - 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템

Info

Publication number: WO2018074628A1
Application number: PCT/KR2016/011808
Authority: WO
Inventors: 신흥주
Original assignee: 볼보 컨스트럭션 이큅먼트 에이비; 신흥주
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-04-26

Abstract

본 발명은 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 건설기계, 예컨대, 굴삭기에 장착되어 있는 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버의 조작성 향상을 가능하게 하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명의 제어부는 원동기의 입력 회전수에 따라 상기 유압펌프가 최대 토출 가능한 작동유의 유량을 낼 때, 스풀 밸브를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압을 결정하고, 상기 조작 레버의 조작량을 검출하며, 상기 조작 레버의 조작량에 따라 상기 유효 파일럿 신호압까지 비례적으로 상기 스풀 밸브에 파일럿 신호압이 인가되도록 전자비례감압밸브를 제어하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템을 제공한다.

Description

건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템

본 발명은 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 건설기계, 예컨대, 굴삭기에 장착되어 있는 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버의 조작성 향상을 가능하게 하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템에 관한 것이다.

상당수의 유압식 건설기계들에는 유량을 제어하는 방식으로 로드 센싱 유량 제어 시스템이 적용되고 있다. 로드 센싱 유량 제어 시스템의 중요한 특징은, 펌프가 낼 수 있는 토크 제한에 걸리지 않는 한, 스풀의 개구 면적에 비례하여 작동유의 유량이 결정되고, 이때, 스풀의 개구 면적은 조작 레버의 조작에 의해 인가되는 파일럿 신호압에 비례하므로, 결과적으로 작동유의 유량은 파일럿 신호압에 비례하게 된다.

여기서, 펌프가 낼 수 있는 용적은 한계가 있으므로, 이 최대 용적을 q_max라 할 때, 펌프에 연결된 원동기의 입력 회전수를 N이라 하면, 최대 토출 가능한 작동유의 유량은 q_max × N이 된다. q_max는 고정이므로, 원동기의 입력 회전수가 낮아지게 되면, 최대 토출 가능한 작동유의 유량 또한 줄어들게 된다. 이 경우, 예컨대, 굴삭기에 장착되어 있는 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버의 조작량이 늘어서 파일럿 신호압이 증가하더라도 실제 작동유의 유량이 더 이상 증가하지 않는 구간이 생겨나게 된다. 이 때문에 조작 레버의 조작 제어 구간이 줄어들게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 건설기계, 예컨대, 굴삭기에 장착되어 있는 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버의 조작성 향상을 가능하게 하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 기계적인 회전을 생성하는 원동기에 의해 구동되는 유압펌프와 연결되고, 상기 유압펌프로부터 토출되어 공급되고 유압탱크로 귀환하는 작동유에 의해 구동되는 유압 액츄에이터; 상기 유압펌프와 상기 유압 액츄에이터 및 상기 유압 액츄에이터와 상기 유압탱크 사이를 이동하는 작동유의 이동 경로 상에 설치되어, 작동유의 이동을 제어하는 스풀 밸브; 조작 레버의 조작에 따라 상기 스풀 밸브에 파일럿 신호압을 인가하는 전자비례감압밸브; 및 상기 전자비례감압밸브를 동작시키는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 원동기의 입력 회전수에 따라 상기 유압펌프가 최대 토출 가능한 작동유의 유량을 낼 때, 상기 스풀 밸브를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압을 결정하고, 상기 조작 레버의 조작량을 검출하며, 상기 조작 레버의 조작량에 따라 상기 유효 파일럿 신호압까지 비례적으로 상기 스풀 밸브에 상기 파일럿 신호압이 인가되도록 상기 전자비례감압밸브를 제어하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 스풀 밸브의 일측 및 타측에는 각각, 상기 파일럿 신호압이 인가되는 포트가 형성되어 있을 수 있다.

또한, 상기 전자비례감압밸브는, 상기 스풀 밸브의 일측 및 타측에 형성되어 있는 상기 포트 각각과 연결되는 제1 전자비례감압밸브 및 제2 전자비례감압밸브를 포함할 수 있다.

그리고 상기 유압 액츄에이터는 작업장치용 유압 실린더 또는 옵션장치용 유압 실린더일 수 있다.

본 발명에 따르면, 건설기계, 예컨대, 굴삭기에 장착되어 있는 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버의 조작 제어 구간을 일정하게 늘릴 수 있고, 이를 통해, 조작 레버의 정밀 조작을 가능하게 할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 조작 레버의 조작성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명의 비교 실시 예에 따른 파일럿 신호압 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 비교 실시 예에 따른 조작량 대비 파일럿 신호압을 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 비교 실시 예에 따른 조작량 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 조작량 대비 파일럿 신호압을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 조작량 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템(100)은 유압 액츄에이터(110), 스풀 밸브(120), 전자비례감압밸브 및 제어부(140)를 포함하여 형성된다.

유압 액츄에이터(110)는 기계적인 회전을 생성하는 원동기(111)에 의해 구동되는 유압펌프(112)와 연결된다. 이러한 유압 액츄에이터(110)는 유압펌프(112)로부터 토출되어 공급되고 유압탱크(113)로 귀환하는 작동유에 의해 구동된다.

본 발명의 실시 예에서, 유압 액츄에이터(110)는 예컨대, 굴삭기의 붐, 아암, 버켓으로 이루어지는 작업장치용 유압 실린더일 수 있다. 또한, 유압 액츄에이터(110)는 예컨대, 햄머, 쉐어, 로테이터 등과 같은 옵션장치용 유압 실린더일 수 있다. 그리고 유압 액츄에이터(110)는 굴삭기의 하부 주행체 상에 탑재되어 있는 상부 선회체를 정방향 또는 역방향으로 선회시키는 선회모터일 수도 있다.

한편, 유압펌프(112)의 최대 토출 가능한 작동유의 유량은 q_max × N이다. 이때, q_max는 유압펌프(112)의 최대 용적이고, N은 원동기(111)의 입력 회전수이다. 본 발명의 실시 예에서는 원동기(111)의 입력 회전수를 보상하여 스풀 밸브(120)를 절환시키는 파일럿 신호압에 반영함으로써, 조작 레버(131)의 조작성을 향상시키는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

스풀 밸브(120)는 유압펌프(112)와 유압 액츄에이터(110) 및 유압 액츄에이터(110)와 유압탱크(113) 사이를 이동하는 작동유의 이동 경로 상에 설치되어, 작동유의 이동을 제어한다. 즉, 스풀 밸브(120)는 조작 레버(131) 조작을 통해 인가되는 파일럿 신호압에 의해 절환되어, 유압펌프(112)로부터 유압 액츄에이터(110)로 작동유의 공급을 가능하게 하고, 유압 액츄에이터(110)로부터 유압탱크(113)로 작동유의 귀환을 가능하게 한다. 이를 통해, 유압 액츄에이터(110)가 붐 실린더인 경우, 붐 실린더의 피스톤(134)이 상승하거나 하강하게 되고, 이에 의해 붐이 업다운 형태로 동작하게 된다.

스풀 밸브(120)의 길이방향 일측과 타측에는 각각, 제1 포트(a)와 제2 포트(b)가 형성되어 있다. 예를 들어, 붐 실린더로 이루어진 유압 액츄에이터(110)에서 피스톤(134)을 상승시키기 위해, 조작 레버(131)를 조작하여, 스풀 밸브(120)의 제1 포트(a)에 파일럿 신호압을 인가하면, 인가된 파일럿 신호압에 따라 스풀 밸브(120)의 스트로크가 변화되어 스풀 밸브(120)가 좌측(도면기준)으로 이동하게 된다. 이와 같이, 스풀 밸브(120)가 절환되면, 유압펌프(112)로부터 토출되는 작동유는 스풀 밸브(120)를 경유하여 붐 실린더로 이루어진 유압 액츄에이터(110)의 라지 챔버(132)에 공급되고, 이에 따라, 피스톤(134)이 상승하게 된다. 이때, 유압 액츄에이터(110)의 스몰 챔버(133)에 채워져 있던 작동유는 피스톤(134)이 상승함에 따라 가압되어, 스몰 챔버(133)로부터 배출된 후 스풀 밸브(120)를 경유하여 유압탱크(113)로 귀환하게 된다.

반대로, 피스톤(134)을 하강시키기 위해, 조작 레버(131)를 조작하여, 스풀 밸브(120)의 제2 포트(b)에 파일럿 신호압을 인가하면, 인가된 파일럿 신호압에 따라 스풀 밸브(120)의 스트로크가 변화되어 스풀 밸브(120)가 우측(도면기준)으로 이동하게 된다. 이와 같이, 스풀 밸브(120)가 절환되면, 유압펌프(112)로부터 토출되는 작동유는 스풀 밸브(120)를 경유하여 붐 실린더로 이루어진 유압 액츄에이터(110)의 스몰 챔버(133)에 공급되고, 이에 따라, 피스톤(134)은 하강하게 된다. 이때, 라지 챔버(132)에 채워져 있던 작동유는 피스톤(134)이 하강함에 따라 가압되어, 라지 챔버(132)로부터 배출된 후 스풀 밸브(120)를 경유하여 유압탱크(113)로 귀환하게 된다.

본 발명의 실시 예에서는 로드 센싱 방식으로 작동유의 유량을 제어한다. 로드 센싱 방식의 경우에는 스풀 밸브(120)의 양단의 압력 차가 일정하게 유지되므로, 유압펌프(112)가 낼 수 있는 토크 제한에 걸리지 않는 한, 작동유의 유량은 스풀 밸브(120)의 개구 면적에 비례하게 된다. 즉, 스풀 밸브(120)의 개구 면적에 비례하여 작동유의 유량이 결정된다. 이때, 스풀 밸브(120)의 개구 면적은 인가되는 파일럿 신호압에 비례하므로, 결과적으로, 작동유의 유량은 인가되는 파일럿 신호압에 비례하게 된다.

전자비례감압밸브는 조작 레버(131)의 조작에 따라 스풀 밸브(120)에 파일럿 신호압을 인가한다. 본 발명의 실시 예에 따른 전자비례감압밸브는 제1 전자비례감압밸브(135) 및 제2 전자비례감압밸브(136)을 포함하여 형성된다.

여기서, 제1 전자비례감압밸브(135)는 스풀 밸브(120)의 제1 포트(a)에 연결되어, 스풀 밸브(120)의 제1 포트(a)에 파일럿 신호압을 인가한다. 또한, 제2 전자비례감압밸브(136)는 스풀 밸브(120)의 제2 포트(b)에 연결되어, 스풀 밸브(120)의 제2 포트(b)에 파일럿 신호압을 인가한다.

제어부(140)는 제1 전자비례감압밸브(135) 및 제2 전자비례감압밸브(136)를 동작시킨다. 예를 들어, 유압 액츄에이터(110)가 붐 실린더로 이루어졌을 때, 제어부(140)는 피스톤(134)을 상승시키기 위해 조작 레버(131)가 조작된 경우, 제1 전자비례감압밸브(135)에 전기적 제어 신호를 출력하여, 스풀 밸브(120)의 제1 포트(a)에 파일럿 신호압이 인가되도록 제어할 수 있다. 반대로, 제어부(140)는 피스톤(134)을 하강시키기 위해 조작 레버(131)가 조작된 경우, 제2 전자비례감압밸브(136)에 전기적 제어 신호를 출력하여, 스풀 밸브(120)의 제2 포트(b)에 파일럿 신호압이 인가되도록 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(140)는 조작 레버(131)의 조작성을 향상시키기 위해, 먼저, 원동기(111)의 입력 회전수(N)에 따라 유압펌프(112)가 최대 토출 가능한 작동유의 유량(q_max × N)을 낼 때, 스풀 밸브(120)를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압을 결정한다. 그 다음, 제어부(140)는 조작 레버(131)의 조작량을 검출한다. 마지막으로, 제어부(140)는 조작 레버(131)의 조작량에 따라 유효 파일럿 신호압까지 비례적으로 스풀 밸브(120)에 파일럿 신호압이 인가되도록 제1 전자비례감압밸브(135) 또는 제2 전자비례감압밸브(136)에 전기적 제어 신호를 출력한다. 이를 통해, 작업장치의 속도를 제어하는 조작 레버(131)의 제어 구간을 일정하게 늘릴 수 있어, 조작 레버(131)의 정밀 조작을 가능하게 할 수 있다.

이하, 본 발명의 비교 실시 예에 따른 제어부의 제어 방식에 대하여, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 비교 실시 예에 따른 파일럿 신호압 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명의 비교 실시 예에 따른 조작량 대비 파일럿 신호압을 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 비교 실시 예에 따른 조작량 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이다. 여기서, 각 구성들의 도면 부호를 도 1을 참조한다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 조작 레버(131)의 조작에 의해 파일럿 신호압 및 스풀 밸브(12)의 개구 면적이 증가하더라도, 원동기(111)의 입력 회전수(N)와 유압펌프(112)의 최대 용적(q_max)의 곱으로 유압펌프(112)의 최대 토출 가능한 작동유의 유량이 제한되므로(q_max × N), 파일럿 신호압을 P₂에서 P₁로 증가시켜도 스풀 밸브(120)의 통과 유량이 q_max × N₂(파일럿 신호압이 P2일 때)에서 q_max × N₁으로 증가되는 것이 아니라 파일럿 신호압이 P₂일 때의 스풀 밸브(120) 통과 유량으로 제한된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비교 실시 예에 따른 제어부는 전자비례감압밸브로 파일럿 신호압을 생성할 때, 조작량에 따른 따른 파일럿 신호압의 최대값 증감만을 제어한다. 즉, 본 발명의 비교 실시 예에서는 제어부가 원동기(111)의 입력 회전수를 변수로 감안하여 파일럿 신호압 생성을 제어하지 않는다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 비교 실시 예의 경우에는 원동기(111)의 입력 회전수가 N₁일 때, 즉, 스풀 밸브(120) 통과 유량이 q_max × N₁인 경우, 조작 레버(131)는 제어구간1 범위만큼 조작 가능하다. 또한, 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂일 때, 즉, 스풀 밸브(120) 통과 유량이 q_max × N₂인 경우, 조작 레버(131)는 제어구간2 범위만큼 조작 가능하다.

여기서, 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂일 때, 조작 범위를 늘리기 위해 조작 레버(131)의 조작량을 늘리더라도 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂에서 N₁으로 증가된 것이 아니기 때문에 스풀 밸브(120) 통과 유량은 q_max × N₂로 제한된다. 즉, 원동기(111)의 입력 회전수의 증가 없이 조작량을 늘리는 경우, 즉, 파일럿 신호압만 증가된 경우, 작동유의 유량이 증가하지 않는 구간만 늘어나게 되므로, 조작 레버(131)는 조작 구간의 손해를 보게 된다. 다시 말해, 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂인 상태에서 조작량을 늘리는 경우, 조작 레버(131)의 조작 범위는 원동기(111)의 입력 회전수가 N₁일 때의 제어구간1 만큼 증가 되는 것이 아니라 제어구간2를 벗어나지 못하게 된다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부의 제어 방식에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 조작량 대비 파일럿 신호압을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 조작량 대비 스풀 통과 유량을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시 예에 따른 제어부(140)는 스풀 밸브(120)를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압을 결정한다. 예를 들어, 도 5의 P₁은 원동기(111)의 입력 회전수가 N₁일 때, 스풀 밸브(120)를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압이고, P₂는 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂일 때, 스풀 밸브(120)를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(140)는 이와 같이, 원동기(111)의 입력 회전수에 따른 유효 파일럿 신호압을 결정한 다음, 조작 레버(131)의 조작량에 따라 유효 파일럿 신호압까지 파일럿 신호압이 비례적으로 인가되도록 제어한다.

그 결과, 도 6에 도시한 바와 같이, 원동기(111)의 입력 회전수가 N₂인 경우의 조작 레버(131)의 조작 범위 즉, 제어구간2를 원동기(111)의 입력 회전수가 N₁인 경우의 조작 레버(131)의 조작 범위인 제어구간1 만큼 늘릴 수 있게 된다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(140)는 조작 레버(131)의 조작량에 따라 유효 파일럿 신호압까지 파일럿 신호압이 비례적으로 인가되도록 제어함으로써, 원동기(111)의 입력 회전수가 낮은 경우에도 본 발명의 비교 실시 예 대비 조작 레버(131)의 조작 범위가 상대적으로 늘어나게 된다.

이와 같이, 원동기(111)의 입력 회전수가 낮은 경우에 조작 레버(131)의 조작 범위가 늘어난다는 것은 조작 레버(131)에 의해 정밀 조작이 가능해진다는 것을 의미한다. 결국, 조작 레버(131)의 조작성은 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(140)의 제어 방식에 의해 향상될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

기계적인 회전을 생성하는 원동기에 의해 구동되는 유압펌프와 연결되고, 상기 유압펌프로부터 토출되어 공급되고 유압탱크로 귀환하는 작동유에 의해 구동되는 유압 액츄에이터;

상기 유압펌프와 상기 유압 액츄에이터 및 상기 유압 액츄에이터와 상기 유압탱크 사이를 이동하는 작동유의 이동 경로 상에 설치되어, 작동유의 이동을 제어하는 스풀 밸브;

조작 레버의 조작에 따라 상기 스풀 밸브에 파일럿 신호압을 인가하는 전자비례감압밸브; 및

상기 전자비례감압밸브를 동작시키는 제어부;

를 포함하고,

상기 제어부는 상기 원동기의 입력 회전수에 따라 상기 유압펌프가 최대 토출 가능한 작동유의 유량을 낼 때, 상기 스풀 밸브를 최대로 개구시키는 유효 파일럿 신호압을 결정하고, 상기 조작 레버의 조작량을 검출하며, 상기 조작 레버의 조작량에 따라 상기 유효 파일럿 신호압까지 비례적으로 상기 스풀 밸브에 상기 파일럿 신호압이 인가되도록 상기 전자비례감압밸브를 제어하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 스풀 밸브의 일측 및 타측에는 각각, 상기 파일럿 신호압이 인가되는 포트가 형성되어 있는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템.
제2항에 있어서,

상기 전자비례감압밸브는,

상기 스풀 밸브의 일측 및 타측에 형성되어 있는 상기 포트 각각과 연결되는 제1 전자비례감압밸브 및 제2 전자비례감압밸브를 포함하는 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템.
제1항에 있어서,

상기 유압 액츄에이터는 작업장치용 유압 실린더 또는 옵션장치용 유압 실린더인 건설기계용 로드 센싱 유량 제어 시스템.