以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る油圧駆動システムについて説明する。
1.第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係る油圧駆動システムが搭載された油圧ショベル100の斜視図である。油圧ショベル100は、車両本体1と作業機2とを有する。車両本体1は、上部旋回体3と運転室4と下部車体5とを有する。上部旋回体3は、下部車体5上に載置されている。上部旋回体3は、下部車体5に対して旋回可能に設けられる。上部旋回体3は、後述するエンジンや油圧ポンプなどの装置を収容している。運転室4は上部旋回体3の前部に載置されている。運転室4内には、後述する操作装置が配置される。下部車体5は履帯5a,5bを有しており、履帯5a,5bが回転することにより油圧ショベル100が走行する。
作業機2は、車両本体1の前部に取り付けられており、ブーム90とアーム91とバケット92とを有する。ブーム90の基端部は、ブームピン96を介して上部旋回体3に揺動可能に取り付けられている。アーム91の基端部は、アームピン97を介してブーム90の先端部に揺動可能に取り付けられている。アーム91の先端部には、バケットピン98を介してバケット92が揺動可能に取り付けられている。ブーム90は、油圧シリンダ14によって駆動される。アーム91は、油圧シリンダ94によって駆動される。バケット92は、油圧シリンダ95によって駆動される。
図2は、油圧駆動システムの構成を示すブロック図である。この油圧駆動システムは、ブーム90を駆動するためのシステムである。油圧駆動システムは、エンジン11と、メインポンプ10と、油圧シリンダ14と、作動油流路15と、第1制御弁16と、第2制御弁17と、ポンプコントローラ24とを有する。
エンジン11は、メインポンプ10を駆動する。エンジン11は、本発明の駆動源の一例である。エンジン11は、例えば、ディーゼルエンジンであり、燃料噴射装置21からの燃料の噴射量が調整されることにより、エンジン11の出力が制御される。燃料噴射量の調整は、燃料噴射装置21がエンジンコントローラ22によって制御されることで行われる。なお、エンジン11の実回転速度は、回転速度センサ23にて検出され、その検出信号は、エンジンコントローラ22およびポンプコントローラ24にそれぞれ入力される。
メインポンプ10は、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13とを有する。第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13は、エンジン11によって駆動され、作動油を吐出する。メインポンプ10から吐出された作動油は、第1制御弁16を介して油圧シリンダ14に供給される。
第1油圧ポンプ12は、可変容量型の油圧ポンプである。第1油圧ポンプ12の傾転角が制御されることにより、第1油圧ポンプ12の容量が制御される。第1油圧ポンプ12の傾転角は、第1ポンプ流量制御部25によって制御される。第1ポンプ流量制御部25は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて、第1油圧ポンプ12の傾転角を制御することにより、第1油圧ポンプ12から吐出される作動油の流量を制御する。第1油圧ポンプ12は、2方向吐出型の油圧ポンプである。具体的には、第1油圧ポンプ12は、第1ポンプポート12aと第2ポンプポート12bとを有する。第1油圧ポンプ12は、第1吐出状態と第2吐出状態とに切り換え可能である。第1油圧ポンプ12は、第1吐出状態では、第2ポンプポート12bから作動油を吸入して第1ポンプポート12aから作動油を吐出する。第1油圧ポンプ12は、第2吐出状態では、第1ポンプポート12aから作動油を吸入して第2ポンプポート12bから作動油を吐出する。
第2油圧ポンプ13は、可変容量型の油圧ポンプである。第2油圧ポンプ13の傾転角が制御されることにより、第2油圧ポンプ13の容量が制御される。第2油圧ポンプ13の傾転角は、第2ポンプ流量制御部26によって制御される。第2ポンプ流量制御部26は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて第2油圧ポンプ13の傾転角を制御することにより、第2油圧ポンプ13から吐出される作動油の流量を制御する。第2油圧ポンプ13は、2方向吐出型の油圧ポンプである。具体的には、第2油圧ポンプ13は、第1ポンプポート13aと第2ポンプポート13bとを有する。第2油圧ポンプ13は、第1油圧ポンプ12と同様に、第1吐出状態と第2吐出状態とに切り換え可能である。第2油圧ポンプ13は、第1吐出状態では、第2ポンプポート13bから作動油を吸入して第1ポンプポート13aから作動油を吐出する。第2油圧ポンプ13は、第2吐出状態では、第1ポンプポート13aから作動油を吸入して第2ポンプポート13bから作動油を吐出する。
油圧シリンダ14は、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13から吐出された作動油によって駆動される。上述したように、油圧シリンダ14はブーム90を駆動する。油圧シリンダ14が伸長することにより、ブーム90の先端が上昇する。すなわち、作業機2が上昇する。油圧シリンダ14が収縮することにより、ブーム90の先端が下降する。すなわち、作業機2が下降する。油圧シリンダ14は、シリンダロッド14aとシリンダチューブ14bとを有する。シリンダチューブ14bの内部は、シリンダロッド14aによって第1室14cと第2室14dとに区画されている。油圧シリンダ14は、第1室14cと第2室14dに対する作動油の供給と排出とが切り換えられることにより伸縮する。具体的には、第1室14cに作動油が供給され、第2室14dから作動油が排出されることによって、油圧シリンダ14は伸張する。第2室14dに作動油が供給され、第1室14cから作動油が排出されることによって、油圧シリンダ14は収縮する。
なお、シリンダロッド14aの第1室14cにおける受圧面積は、シリンダロッド14aの第2室14dにおける受圧面積よりも大きい。従って、油圧シリンダ14を伸張させるときには、第2室14dから排出される作動油よりも多量の作動油が第1室14cに供給される。また、油圧シリンダ14を収縮させるときには、第2室14dに供給される作動油よりも多量の作動油が第1室14cから排出される。
作動油流路15は、第1油圧ポンプ12と、第2油圧ポンプ13と、油圧シリンダ14とに接続されている。作動油流路15は、第1流路15aと第2流路15bとを有する。第1流路15aは、第1油圧ポンプ12の第1ポンプポート12aと、油圧シリンダ14の第1室14cとを接続している。第2油圧ポンプ13の第1ポンプポート13aは、第1流路15aに接続されている。第2流路15bは、第1油圧ポンプ12の第2ポンプポート12bと、油圧シリンダ14の第2室14dとを接続している。第2油圧ポンプ13の第2ポンプポート13bは、作動油タンク27に接続されている。
第1流路15aは、第1シリンダ流路31と第1ポンプ流路33とを有する。第2流路15bは、第2シリンダ流路32と第2ポンプ流路34とを有する。第1シリンダ流路31は、油圧シリンダ14の第1室14cに接続される。第2シリンダ流路32は、油圧シリンダ14の第2室14dに接続される。第1ポンプ流路33は、第1シリンダ流路31を介して油圧シリンダ14の第1室14cに作動油を供給する、或いは、第1シリンダ流路31を介して油圧シリンダ14の第1室14cから作動油を回収するための流路である。第1ポンプ流路33は、第1油圧ポンプ12の第1ポンプポート12aに接続される。また、第1ポンプ流路33は、第2油圧ポンプ13の第1ポンプポート13aに接続される。従って、第1ポンプ流路33には、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13との両方からの作動油が供給される。第2ポンプ流路34は、第2シリンダ流路32を介して油圧シリンダ14の第2室14dに作動油を供給する、或いは、第2シリンダ流路32を介して油圧シリンダ14の第2室14dから作動油を回収するための流路である。
第2ポンプ流路34は、第1油圧ポンプ12の第2ポンプポート12bに接続される。第2油圧ポンプ13の第2ポンプポート13bは、作動油タンク27に接続される。従って、第2ポンプ流路34には、第1油圧ポンプ12からの作動油が供給される。以上のように、作動油流路15は、第1流路15aと第2流路15bとによって、メインポンプ10と油圧シリンダ14との間で閉回路を構成している。
油圧駆動システムは、チャージポンプ28をさらに備える。チャージポンプ28は、第1流路15a又は第2流路15bに作動油を補充するための油圧ポンプである。チャージポンプ28は、エンジン11によって駆動されることにより作動油を吐出する。チャージポンプ28は、固定容量型の油圧ポンプである。作動油流路15は、チャージ回路35をさらに有する。チャージ回路35は、チェック弁41aを介して第1ポンプ流路33に接続されている。チェック弁41aは、第1ポンプ流路33の油圧がチャージ回路35の油圧よりも低くなったときに開かれる。チャージ回路35は、チェック弁41bを介して第2ポンプ流路34に接続されている。チェック弁41bは、第2ポンプ流路34の油圧がチャージ回路35の油圧よりも低くなったときに開かれる。また、チャージ回路35は、チャージリリーフ弁42を介して作動油タンク27に接続されている。
チャージリリーフ弁42は、チャージ回路35の油圧を所定のチャージ圧に維持する。第1ポンプ流路33又は第2ポンプ流路34の油圧がチャージ回路35の油圧よりも低くなると、チャージポンプ28からの作動油がチャージ回路35を介して第1ポンプ流路33又は第2ポンプ流路34に供給される。これにより、第1ポンプ流路33及びは第2ポンプ流路34の油圧が所定値以上に維持される。
作動油流路15は、リリーフ流路36をさらに有する。リリーフ流路36は、チェック弁41cを介して第1ポンプ流路33に接続されている。チェック弁41cは、第1ポンプ流路33の油圧がリリーフ流路36の油圧よりも高くなったときに開かれる。リリーフ流路36は、チェック弁41dを介して第2ポンプ流路34に接続されている。チェック弁41dは、第2ポンプ流路34の油圧がリリーフ流路36の油圧よりも高くなったときに開かれる。また、リリーフ流路36は、リリーフ弁43を介してチャージ回路35に接続されている。リリーフ弁43は、リリーフ流路36の圧力を所定のリリーフ圧以下に維持する。これにより、第1ポンプ流路33及び第2ポンプ流路34の油圧が所定のリリーフ圧以下に維持される。
油圧駆動システムは、調整流路37を有する。調整流路37は、チャージ回路35に接続されている。調整流路37には、油圧シリンダ14の微小速度制御時に、第1ポンプ流路33及び第2ポンプ流路34からの余剰な作動油が供給される。油圧シリンダ14の微小速度制御については後に詳細に説明する。
第1制御弁16は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて制御される電磁制御弁である。第1制御弁16は、スプールと、スプールが収容されるボディとを有する、いわゆるスプール弁である。第1制御弁16は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて、油圧シリンダ14に供給される作動油の流量を制御する。第1制御弁16は、作動油流路15においてメインポンプ10と油圧シリンダ14との間に配置される。後述する油圧シリンダ14の微小速度制御によって油圧シリンダ14を伸張させるときには、第1制御弁16は、第1ポンプ流路33から油圧シリンダ14に供給される作動油の流量と、第1ポンプ流路33から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御する。また、微小速度制御によって油圧シリンダ14を収縮させるときには、第1制御弁16は、第2ポンプ流路34から油圧シリンダ14に供給される作動油の流量と、第2ポンプ流路34から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御する。
なお、第1制御弁16はパイロット油圧により制御される油圧制御弁であってもよい。この場合には、ポンプコントローラ24と第1制御弁16との間には電磁比例減圧弁が配置される。電磁比例減圧弁はポンプコントローラ24からの指令信号により制御される。電磁比例減圧弁は指令信号に応じたパイロット油圧を第1制御弁16へ供給する。第1制御弁16はパイロット油圧により切換制御される。電磁比例減圧弁はパイロットポンプの吐出する作動油を減圧してパイロット油圧を発生させる。パイロットポンプの代わりにチャージポンプ28の吐出する作動油を用いてもよい。
第1制御弁16は、第1ポンプ用ポート16aと第1シリンダ用ポート16bと第1調整用ポート16cと第1バイパスポート16dとを有する。第1ポンプ用ポート16aは、第1チェック弁44を介して第1ポンプ流路33に接続される。第1チェック弁44は、作動油の流れを一方向に規制するチェック弁である。第1シリンダ用ポート16bは、第1シリンダ流路31に接続される。第1調整用ポート16cは、調整流路37に接続される。第1チェック弁44は、第1制御弁16によって作動油が第1ポンプ流路33から第1シリンダ流路31に供給される際に、第1ポンプ流路33から第1シリンダ流路31への作動油の流れを許容し、第1シリンダ流路31から第1ポンプ流路33への作動油の流れを禁止する。
第1制御弁16は、第2ポンプ用ポート16eと第2シリンダ用ポート16fと第2調整用ポート16gと第2バイパスポート16hとをさらに有する。第2ポンプ用ポート16eは、第2チェック弁45を介して第2ポンプ流路34に接続される。第2チェック弁45は、作動油の流れを一方向に規制するチェック弁である。第2シリンダ用ポート16fは、第2シリンダ流路32に接続される。第2調整用ポート16gは、調整流路37に接続される。上述した第2チェック弁45は、第1制御弁16によって作動油が第2ポンプ流路34から第2シリンダ流路32に供給される際に、第2ポンプ流路34から第2シリンダ流路32への作動油の流れを許容し、第2シリンダ流路32から第2ポンプ流路34への作動油の流れを禁止する。
第1制御弁16は、ボディ内のスプールを移動させることによって、第1位置状態P1と第2位置状態P2と中立位置状態Pnとに切り換え可能である。第1制御弁16は、第1位置状態P1では、第1ポンプ用ポート16aと第1シリンダ用ポート16bとを連通させ、且つ、第2シリンダ用ポート16fと第2バイパスポート16hとを連通させる。従って、第1制御弁16は、第1位置状態P1では、第1ポンプ流路33を、第1チェック弁44を介して第1シリンダ流路31に接続し、且つ、第2シリンダ流路32を、第2チェック弁45を介さずに第2ポンプ流路34に接続する。なお、第1制御弁16が第1位置状態P1であるときには、第1バイパスポート16dと第1調整用ポート16cと第2ポンプ用ポート16eと第2調整用ポート16gとは、何れのポートに対しても遮断されている。
油圧シリンダ14を伸張させるときには、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13とが第1吐出状態で駆動されると共に、第1制御弁16が第1位置状態P1に設定される。これにより、第1油圧ポンプ12の第1ポンプポート12aと、第2油圧ポンプ13の第1ポンプポート13aとから吐出された作動油が、第1ポンプ流路33、第1チェック弁44、第1シリンダ流路31を通って、油圧シリンダ14の第1室14cに供給される。また、油圧シリンダ14の第2室14dの作動油が、第2シリンダ流路32、第2ポンプ流路34を通って、第1油圧ポンプ12の第2ポンプポート12bに回収される。これにより、油圧シリンダ14が伸長する。
第1制御弁16は、第2位置状態P2では、第2ポンプ用ポート16eと第2シリンダ用ポート16fとを連通させ、且つ、第1シリンダ用ポート16bと第1バイパスポート16dとを連通させる。従って、第1制御弁16は、第2位置状態P2では、第1シリンダ流路31を、第1チェック弁44を介さずに第1ポンプ流路33に接続し、且つ、第2ポンプ流路34を、第2チェック弁45を介して第2シリンダ流路32に接続する。なお、第1制御弁16が第2位置状態P2であるときには、第1ポンプ用ポート16aと第1調整用ポート16cと第2バイパスポート16hと第2調整用ポート16gとは、何れのポートに対しても遮断されている。
油圧シリンダ14を収縮させるときには、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13とが第2吐出状態で駆動されると共に、第1制御弁16が第2位置状態P2に設定される。これにより、第1油圧ポンプ12の第2ポンプポート12bから吐出された作動油が、第2ポンプ流路34、第2チェック弁45、第2シリンダ流路32を通って、油圧シリンダ14の第2室14dに供給される。また、油圧シリンダ14の第1室14cの作動油が、第1シリンダ流路31、第1ポンプ流路33を通って、第1油圧ポンプ12の第1ポンプポート12a及び第2油圧ポンプ13の第1ポンプポート13aに回収される。これにより、油圧シリンダ14が収縮する。
第1制御弁16は、中立位置状態Pnでは、第1バイパスポート16dと第1調整用ポート16cとを連通させ、且つ、第2バイパスポート16hと第2調整用ポート16gとを連通させる。従って、第1制御弁16は、中立位置状態Pnでは、第1ポンプ流路33を、第1チェック弁44を介さずに調整流路37に接続し、且つ、第2ポンプ流路34を、第2チェック弁45を介さずに調整流路37に接続する。なお、第1制御弁16が中立位置状態Pnであるときには、第1ポンプ用ポート16aと第1シリンダ用ポート16bと第2ポンプ用ポート16eと第2シリンダ用ポート16fとは、何れのポートに対しても遮断されている。
第1制御弁16は、第1位置状態P1と中立位置状態Pnとの間の任意の位置状態に設定されることができる。これにより、第1制御弁16は、第1ポンプ流路33から第1チェック弁44を介して第1シリンダ流路31に供給される作動油の流量と、第1ポンプ流路33から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御することができる。すなわち、第1制御弁16は、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13から油圧シリンダ14の第1室14cに供給される作動油の流量と、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御することができる。
第1制御弁16は、第2位置状態P2と中立位置状態Pnとの間の任意の位置状態に設定されることができる。これにより、第1制御弁16は、第2ポンプ流路34から第2チェック弁45を介して第2シリンダ流路32に供給される作動油の流量と、第2ポンプ流路34から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御することができる。すなわち、第1制御弁16は、第1油圧ポンプ12から油圧シリンダ14の第2室14dに供給される作動油の流量と、第1油圧ポンプ12から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御することができる。
第2制御弁17は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて制御される電磁制御弁である。第2制御弁17は、第1シリンダ流路31に設けられている。第1シリンダ流路31は、シリンダ側流路31aと制御弁側流路31bとを有する。シリンダ側流路31aは、第1室14cと第2制御弁17とを接続する。制御弁側流路31bは、第1制御弁16と第2制御弁17とを接続する。第2制御弁17は、ポンプコントローラ24からの指令信号に応じて、開状態X1と閉状態Y1とに切り換えられる。第2制御弁17は、開状態X1において、第1制御弁16と第1室14cとの間の作動油の流れを許容する。第2制御弁17は、閉状態Y1において、第1室14cと第1制御弁16との間の作動油の流れを禁止する。第2制御弁17は、メイン部18と、パイロット部19とを有する。
なお、第2制御弁17はパイロット油圧により制御される油圧制御弁であってもよい。この場合には、ポンプコントローラ24と第2制御弁17との間には電磁比例減圧弁が配置される。電磁比例減圧弁はポンプコントローラ24からの指令信号により制御される。電磁比例減圧弁は指令信号に応じたパイロット油圧を第2制御弁17へ供給する。第2制御弁17はパイロット油圧により切換制御される。電磁比例減圧弁はパイロットポンプの吐出する作動油を減圧してパイロット油圧を発生させる。パイロットポンプの代わりにチャージポンプ28の吐出する作動油を用いてもよい。
メイン部18は、いわゆるポペット弁であり、図3に示すように、ボディ61と弁体62と弾性部材63とを有する。ボディ61は、第1室64と、第2室65と、第1パイロットポート66と、第2パイロットポート67と、第3パイロットポート68と、弁座69とを有する。第1室64は、第1パイロットポート66に連通している。第1パイロットポート66は、制御弁側流路31bに接続されている。第2パイロットポート67は、シリンダ側流路31aに接続されている。第1室64と第2パイロットポート67との間の通路は、弁体62によって開閉される。第2室65は、第3パイロットポート68に連通している。第1室64と第2室65との間は、弁体62によって閉じられている。
弁体62は、胴部71と先端部72とを有する。胴部71は、第1室64と第2室65との間を閉じている。胴部71は内部空間73を有している。内部空間73は第2室65に連通している。弾性部材63の一部は、内部空間73に配置されている。先端部72は、第1室64に配置されている。先端部72が弁座69に接触することによって、第1室64と第2パイロットポート67との間の通路が閉じられる。先端部72が弁座69から離れることによって、第1室64と第2パイロットポート67との間の通路が開かれる。先端部72は、内部通路74を有する。内部通路74は、第2パイロットポート67と胴部71の内部空間73とに連通している。内部通路74には、第1の絞り75が設けられている。従って、第3パイロットポート68は、第1の絞り75を介してシリンダ側流路31aに接続されている。弾性部材63は、弁体62を弁座69に押し付ける方向に付勢する。
メイン部18は、制御弁側流路31bの油圧P1によって弁体62に作用する力と、シリンダ側流路31aの油圧P2によって弁体62に作用する力と、第3パイロットポート68の油圧P3によって弁体62に作用する力と、弾性部材63によって弁体62に作用する力との釣り合いによって、閉状態Y1から開状態X1に切り換わる。従って、弁体62が弁座69から離れて、第2制御弁17は開状態X1となるときの条件(以下、「開弁条件」と呼ぶ)は、以下の数1式で表される。逆に、数1式の開弁条件が満たされないときには、弁体62が弁座69に接触して、第2制御弁17は閉状態Y1となる。
d1は、弁体62の弁座69と接触する部分の直径である。d2は、弁体62の胴部71の直径である。Fsは、弾性部材63によって弁体62に作用する力である。なお、第2制御弁17が開状態X1とは、メイン部18が開状態X1であること意味している。第2制御弁17が閉状態Y1とは、メイン部18が閉状態Y1であること意味している。
パイロット部19は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて制御される電磁制御弁である。パイロット部19は、ポンプコントローラ24からの指令信号に基づいて開状態X2と閉状態Y2とに切り換えられる。パイロット部19は、開状態X2において、メイン部18の第3パイロットポート68を、第2の絞り76を介して作動油タンクに接続する。パイロット部19は、閉状態Y2において、メイン部18の第3パイロットポート68と作動油タンク27との間を遮断する。
なお、パイロット部19はパイロット油圧により切換られる油圧切換弁であってもよい。この場合には、ポンプコントローラ24とパイロット部19との間には電磁切換弁が配置される。電磁切換弁はポンプコントローラ24からの指令信号により切り換えられてパイロット油圧をパイロット部19へ供給する。パイロット部19はパイロット油圧により切換制御される。電磁切換弁の元圧としてはパイロットポンプの吐出圧力が利用される。また、パイロットポンプの代わりにチャージポンプ28の吐出圧力を元圧として利用してもよい。
ポンプコントローラ24は、油圧シリンダ14を伸長させるとき及び収縮させるときには、メイン部18が開状態X1となるように、パイロット部19を制御する。また、ポンプコントローラ24は、油圧シリンダ14を静止させるときには、メイン部18が閉状態Y1となるように、パイロット部19を制御する。ポンプコントローラ24による第2制御弁17の制御については後に詳細に説明する。
油圧駆動システムは、操作装置46をさらに備える。操作装置46は、操作部材46aと、操作検出部46bとを有する。操作部材46aは、油圧シリンダ14の動作を操作するための部材である。例えば、操作部材46aは、ブーム操作レバーである。操作部材46aは、中立位置から油圧シリンダ14を伸長させる方向と、油圧シリンダ14を収縮させる方向との2方向に操作可能である。操作検出部46bは、操作部材46aの操作量(以下「ブーム操作量」と呼ぶ)及び操作方向を検出する。操作検出部46bは、例えば操作部材46aの位置を検出するセンサである。操作部材46が中立位置に位置しているときには、ブーム操作量はゼロである。ブーム操作量及び操作方向を示す検出信号が、操作検出部46bからポンプコントローラ24に入力される。ポンプコントローラ24は、ブーム操作量に応じて油圧シリンダ14に供給される作動油の目標流量を演算する。
エンジンコントローラ22は、燃料噴射装置21を制御することによりエンジン11の出力を制御する。エンジンコントローラ22には、設定された目標エンジン回転速度および作業モードに基づいて設定されるエンジン出力トルク特性がマップ化されて記憶されている。エンジン出力トルク特性は、エンジン11の出力トルクと回転速度との関係を示す。エンジンコントローラ22は、エンジン出力トルク特性に基づいて、エンジン11の出力を制御する。
ポンプコントローラ24は、操作部材46aによって設定された目標流量が所定範囲内であるときには、第1制御弁16によって油圧シリンダ14へ供給される作動油の流量を制御する。また、ポンプコントローラ24は、操作部材46aによって設定された目標流量が所定範囲より大きいときには、第1ポンプ流量制御部25及び第2ポンプ流量制御部26によって油圧シリンダ14へ供給される作動油の流量を制御する。具体的には、ポンプコントローラ24は、ブーム操作量が所定の微速操作範囲内であるときには、第1制御弁16によって油圧シリンダ14へ供給される作動油の流量を制御する。また、油圧シリンダ14を伸張させる場合、ポンプコントローラ24は、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときには、第1ポンプ流量制御部25及び第2ポンプ流量制御部26によって油圧シリンダ14へ供給される作動油の流量を制御する。油圧シリンダ14を収縮させる場合、ポンプコントローラ24は、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときには、第1ポンプ流量制御部25によって油圧シリンダ14へ供給される作動油の流量を制御する。
所定の微速操作範囲は、上述した目標流量の所定範囲に対応する操作部材46aの操作範囲である。詳細には「所定の微速操作範囲」とは、油圧シリンダ14を微小速度で制御するときの操作部材46aの操作範囲である。すなわち、「所定の微速操作範囲」とは、油圧ポンプの吐出流量の最小制御可能流量を下回るような微小流量の制御を必要とする操作部材46aの操作範囲である。例えば、所定の微速操作範囲は、中立位置から油圧シリンダ14の伸長方向に最大操作量の15〜20%程度の範囲である。また、所定の微速操作範囲は、中立位置から油圧シリンダ14の収縮方向に最大操作量の15〜20%程度の範囲である。以下、ブーム操作量が所定の微速操作範囲内であるときの油圧シリンダ14の制御を「微小速度制御」と呼ぶ。また、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときの油圧シリンダ14の制御を「通常制御」と呼ぶ。なお、以下の説明では、油圧シリンダ14を伸長させるときの制御について説明する。
油圧シリンダ14の微小速度制御時には、ポンプコントローラ24は、第1制御弁16を制御することにより、油圧シリンダ14への作動油の流量を制御する。ブーム操作量が所定の微速操作範囲より小さいときは、ポンプコントローラ24は、第1制御弁16を中立位置状態Pnに設定する。このため、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より小さいときには、第1ポンプ流路33と第1シリンダ流路31との間の開口面積はゼロである。また、ブーム操作量が大きくなるほど、第1ポンプ流路33と調整流路37との間の開口面積が小さくなるように、第1制御弁16が制御される。なお、ブーム操作量がゼロであるときには、ポンプコントローラ24は、第1油圧ポンプ12の傾転角と第2油圧ポンプ13の傾転角とをゼロにする。
ブーム操作量が所定の微速操作範囲内であるときには、ポンプコントローラ24は、第1制御弁16を第1位置状態P1と中立位置状態Pnとの間で制御する。具体的には、ブーム操作量が所定の微速操作範囲内であるときには、ブーム操作量が大きくなるほど、第1ポンプ流路33と第1シリンダ流路31との間の開口面積が大きくなるように、第1制御弁16が制御される。また、ブーム操作量が大きくなるほど、第1ポンプ流路33と調整流路37との間の開口面積が小さくなるように、第1制御弁16が制御される。また、ブーム操作量が微速操作範囲の最大操作量のときに第1ポンプ流路33と調整流路37との間の開口面積がゼロになるように、第1制御弁16が制御される。
さらに、ブーム操作量が所定の微速操作範囲内であるときには、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13との合計吐出流量は、所定の吐出流量に維持される。具体的には、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13との合計吐出流量が所定の吐出流量に維持されるように、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13とが所定の傾転角に維持される。所定の吐出流量は、ブーム操作量に対応した目標流量よりも大きい。従って、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13からの作動油は、油圧シリンダ14と調整流路37とに分流して供給される。すなわち、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13からの作動油のうち、油圧シリンダ14の微小速度制御に必要な流量の作動油が、第1シリンダ流路31を介して、油圧シリンダ14に供給される。また、余剰な作動油が、調整流路37を介してチャージ回路35に送られる。余剰な作動油は、チャージ回路35から第1ポンプ流路33又は第2ポンプ流路34に戻されるか、或いは、チャージリリーフ弁42を介して作動油タンク27へ送られる。
油圧シリンダ14の通常制御時には、ポンプコントローラ24は、第1ポンプ流量制御部25と第2ポンプ流量制御部26とを制御することにより、油圧シリンダ14への作動油の流量を制御する。具体的には、ポンプコントローラ24は、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときには、第1制御弁16を第1位置状態P1に設定する。従って、第1ポンプ流路33と調整流路37との間の開口面積がゼロにされる。すなわち、第1ポンプ流路33と調整流路37との間が閉鎖される。また、ポンプコントローラ24は、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときには、第1ポンプ流路33と第1シリンダ流路31との間の開口面積を全開にする。また、ブーム操作量が所定の微速操作範囲より大きいときには、第1油圧ポンプ12と第2油圧ポンプ13の合計吐出流量が、ブーム操作量に対応した目標流量になるように、第1ポンプ流量制御部25と第2ポンプ流量制御部26とが制御される。これにより、第1ポンプ流路33から第1制御弁16に送られる作動油の全量が、油圧シリンダ14に供給される。
油圧シリンダ14の通常制御時には、ポンプコントローラ24は、ポンプ吸収トルク特性に基づいて第1油圧ポンプ12の吸収トルクと第2油圧ポンプ13の吸収トルクが制御されるように、第1油圧ポンプ12の吐出流量と第2油圧ポンプ13の吐出流量とを制御する。ポンプ吸収トルク特性は、ポンプ吸収トルクとエンジン回転速度との関係を示す。ポンプ吸収トルク特性は、作業モードや運転状況に基づいて予め設定されており、ポンプコントローラ24に記憶されている。
以上、油圧シリンダ14が伸張する場合のポンプコントローラ24による制御について説明したが、油圧シリンダ14が収縮する場合のポンプコントローラ24による制御も上記と同様である。ただし、油圧シリンダ14が収縮する場合には、油圧シリンダ14には、第2油圧ポンプ13からの作動油が供給されずに第1油圧ポンプ12からの作動油が供給される。従って、油圧シリンダ14が収縮する場合の通常制御時には、第1油圧ポンプ12から吐出された作動油が第2ポンプ流路34及び第2シリンダ流路32を介して油圧シリンダ14に供給される。このとき、ポンプコントローラ24は、第1ポンプ流量制御部25を制御することにより、第1油圧ポンプ12の吐出流量を制御する。
また、油圧シリンダ14が収縮する場合の微小速度制御時には、第1油圧ポンプ12から吐出された作動油の一部が第2ポンプ流路34及び第2シリンダ流路32を介して油圧シリンダ14に供給される。また、第1油圧ポンプ12から吐出された作動油のうち余剰な作動油が、調整流路37を介してチャージ流路35に送られる。このとき、ポンプコントローラ24は、流量制御弁16を制御することにより、第1油圧ポンプ12から油圧シリンダ14に供給される作動油の流量と、第1油圧ポンプ12から調整流路37に供給される作動油の流量とを制御する。
次に、ポンプコントローラ24による第2制御弁17の制御について説明する。ポンプコントローラ24は、油圧シリンダ14を伸長させるときには、パイロット部19を閉状態Y2とする。油圧シリンダ14を伸長させるときには、作動油が、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13から第1ポンプ流路33と第1制御弁16と制御弁側流路31bとを通って、第2制御弁17の第1パイロットポート66に送られる。このとき、第2パイロットポート67の油圧P2と第3パイロットポート68の油圧P3とは、ほぼ等しい。このため、数1式の開弁条件は、以下の数2式のように表せる。
弾性部材63によって弁体62に作用する力Fsは、油圧シリンダ14を伸長させるときの油圧による力と比べて十分に小さい。従って、数2式においてFSを含む項を省略して、開弁条件は、以下の数3式のように表せる。
従って、制御弁側流路31bの油圧がシリンダ側流路31aの油圧よりも大きくなったときに、第2制御弁17が開状態X1となる。これにより、作動油が、第1シリンダ流路31を通って油圧シリンダ14の第1室14cに作動油が供給される。そして、油圧シリンダ14の第2室14dから排出された作動油が、第2シリンダ流路32と第1制御弁16と第2ポンプ流路34とを通って、第1油圧ポンプ12に戻る。
ポンプコントローラ24は、油圧シリンダ14を収縮させるときには、パイロット部19を開状態X2とする。油圧シリンダ14を収縮させるときには、作動油が、第1油圧ポンプ12から第2ポンプ流路34と第1制御弁16と第2シリンダ流路32とを通って油圧シリンダ14の第2室14dに供給される。そして、油圧シリンダ14の第1室14cから排出された作動油が、第2制御弁17の第2パイロットポート67に供給される。また、作動油は、第1の絞り75を通って第3パイロットポート68へ送られる。そして、作動油は、第2の絞り76を通って作動油タンク27に送られる。
このため、第3パイロットポート68の油圧P3は、第1の絞り75の開度と第2の絞り76との開度とに応じて定められる。第1の絞り75の開度と第2の絞り76との開度とは、パイロット部19が開状態X2であるときに上述した数1式の開弁状態を満たすように予め設定されている。このため、油圧シリンダ14を収縮させるときには、パイロット部19を開状態X2とすることにより、メイン部18が開状態X1となる。これにより、油圧シリンダ14の第1室14cから排出された作動油が、第1シリンダ流路31と第1制御弁16と第1ポンプ流路33とを通って、第1油圧ポンプ12に戻る。
ポンプコントローラ24は、油圧シリンダ14を静止させているときには、パイロット部19を閉状態Y2とする。すなわち、ポンプコントローラ24は、第1制御弁16を中立位置状態Pnに設定しているときには、パイロット部19を閉状態Y2とする。上述したように、パイロット部19が閉状態Y2であるときには、開弁条件は上記の数3式のように表せる。
第1制御弁16が中立位置状態Pnに設定された瞬間には、パイロット部19を閉状態Y2とすることによって、メイン部18も閉状態Y1となる。油圧シリンダ14の第1室14cに保持圧が発生しているときには、メイン部18の弁座69部からの作動油の漏れにより、制御弁側流路31b内にはシリンダ側流路31aから保持圧が供給される。一方、制御弁側流路31b内の作動油は、第1制御弁16のスプールクリアランスから漏れる。ここで、ポペット弁であるメイン部18での漏れ量はスプール弁である第1制御弁16での漏れ量に比べて大幅に少ない。このため、制御弁側流路31b内の圧力は次第に低下してシリンダ側流路31aの油圧よりも低くなる。従って、シリンダ側流路31aの油圧は、制御弁側流路31bの油圧よりも大きい。すなわち、第2パイロットポート67の油圧P2は、第1パイロットポート66の油圧P1よりも大きい。従って、数3式の開弁条件は満たされないので、メイン部18は、閉状態Y1に維持される。メイン部18はポペット弁であるため、スプール弁である第1制御弁16と比べて、作動油の漏れが大幅に少ない。このため、油圧シリンダ14の第1室14cに保持圧が発生していても、作業機2の下降を抑えることができる。
2.第2実施形態
本発明の第2実施形態に係る油圧駆動システムを図4に示す。第2実施形態に係る油圧駆動システムは、第1実施形態の油圧駆動システムのエンジン11に代えて、電動モータ60を備えている。また、第2実施形態に係る油圧駆動システムでは、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13は、固定容量型のポンプである。回転速度センサ23は、電動モータ60の実回転速度を検出する。ポンプコントローラ24は、電動モータ60の回転速度を制御することにより、第1油圧ポンプ12及び第2油圧ポンプ13からの吐出流量を制御する。第2実施形態に係る油圧駆動システムの他の構成は、第1実施形態に係る油圧駆動システムの構成と同様である。また、第2実施形態に係る油圧駆動システムにおける第2制御弁17の制御についても、第1実施形態に係る油圧駆動システムと同様である。第2実施形態に係る油圧駆動システムにおいても、第1実施形態に係る油圧駆動システムと同様の効果を奏することができる。
3.第3実施形態
本発明の第3実施形態に係る油圧駆動システムを図5に示す。第3実施形態に係る油圧駆動システムでは、第1実施形態の油圧駆動システムにおいて第2油圧ポンプ13が省略されている。従って、メインポンプ10は、1つの油圧ポンプ(第1油圧ポンプ12)によって構成されている。また、第3実施形態に係る油圧駆動システムは、シャトル弁51を備えている。
シャトル弁51は、第1入力ポート51aと、第2入力ポート51bと、ドレンポート51cと、第1受圧部51dと、第2受圧部51eとを有する。第1入力ポート51aは、第1流路15aに接続される。第2入力ポート51bは、第2流路15bに接続されている。具体的には、第1入力ポート51aは、第1ポンプ流路33に接続されている。第2入力ポート51bは、第2ポンプ流路34に接続されている。ドレンポート51cは、ドレン流路52に接続されている。ドレン流路52は、調整流路37を介してチャージ回路35に接続されている。第1受圧部51dは、第1パイロット流路53を介して、第1流路15aに接続されている。これにより、第1受圧部51dには、第1流路15aの油圧が印加される。第1パイロット流路53には、絞り54が配置されている。第2受圧部51eは、第2パイロット流路55を介して、第2流路15bに接続される。これにより、第2受圧部51eには、第2流路15bの油圧が印加される。第2パイロット流路55には、絞り56が配置されている。
シャトル弁51は、第1流路15aの油圧と第2流路15bの油圧とに応じて、第1位置状態Q1と第2位置状態Q2と中立位置状態Qnとに切り換えられる。シャトル弁51は、第1位置状態Q1において、第2入力ポート51bとドレンポート51cとを連通させる。これにより、第2流路15bがドレン流路52に接続される。シャトル弁51は、第2位置状態Q2において、第1入力ポート51aとドレンポート51cとを連通させる。これにより、第1流路15aがドレン流路52に接続される。シャトル弁51は、中立位置状態Qnにおいて、第1入力ポート51aと第2入力ポート51bとドレンポート51cとの間を閉塞する。
シャトル弁51は、スプール57と、第1弾性部材58と、第2弾性部材59とを有する。第1弾性部材58は、第1受圧部51d側から第2受圧部51e側に向かってスプール57を押圧する。第2弾性部材59は、第2受圧部51e側から第1受圧部51d側に向かってスプール57を押圧する。第1弾性部材58は自然長よりも圧縮された状態で、スプール57に取り付けられている。第1弾性部材58は、スプール57が中立位置であるときにスプール57を押圧するように取り付けられている。第2弾性部材59は自然長よりも圧縮された状態で、スプール57に取り付けられている。第2弾性部材59は、スプール57が中立位置であるときにスプール57を押圧するように取り付けられている。
第1受圧部51dの受圧面積と第2受圧部51eの受圧面積との比は、第1室14cの受圧面積と第2室6514dの受圧面積との比に等しい。例えば、第1室14cの受圧面積と第2室14dの受圧面積との比が2:1であるときには、第1受圧部51dの受圧面積と第2受圧部51eの受圧面積との比は、2:1である。
第1流路15aの油圧によって第1受圧部51dに加えられる力が、第2流路15bの油圧によって第2受圧部51eに加えられる力よりも大きいときには、シャトル弁51は、第1位置状態Q1となる。これにより、第2流路15bとドレン流路52とが接続される。その結果、第2流路15bの作動油の一部が、ドレン流路52及び調整流路37を介してチャージ回路35へ流れる。第2流路15bの油圧によって第2受圧部51eに加えられる力が、第1流路15aの油圧によって第1受圧部51dに加えられる力よりも大きいときには、シャトル弁51は、第2位置状態Q2となる。これにより、第1流路15aとドレン流路52とが接続される。その結果、第1流路15aの作動油の一部が、ドレン流路52及び調整流路37を介してチャージ回路35へ流れる。
第3実施形態に係る油圧駆動システムの他の構成は、第1実施形態に係る油圧駆動システムの構成と同様である。また、第3実施形態に係る油圧駆動システムにおける第2制御弁17の制御についても、第1実施形態に係る油圧駆動システムと同様である。
次に、第3実施形態に係る油圧駆動システムにおける作業機2の下降時の作動油の流れの一例について、図5に基づいて説明する。なお、第1室14cの受圧面積と第2室14dの受圧面積との比が2:1であるものとする。
第1油圧ポンプ12の第2ポンプポート12bからの作動油の吐出流量が“1.0”である場合、第2シリンダ流路32から第2室14dへの流入流量は“1.0”である。このとき、第1室14cから第1シリンダ流路31への排出流量は、“2.0”である。“2.0”の作動油は、第1シリンダ流路31と第1制御弁16とを通り、第1ポンプ流路33に送られる。しかし、第1油圧ポンプ12の吐出流量は“1.0”であるため、“2.0”の作動油の全てを吸入することはできない。このため、第2室14d内の油圧は、第1室14c内の油圧よりも大きくなる。従って、第2流路15bの油圧は第1流路15aの油圧よりも大きくなる。このため、シャトル弁51は、第2位置状態Q2となる。
これにより、第1流路15aとドレン流路52とが接続される。その結果、第1流路15aの作動油のうち“1.0”の作動油が、ドレン流路52と調整流路37とチャージ回路35とリリーフ弁42とを通って作動油タンク27へ流れる。そして、残りの“1.0”の作動油が、第1ポンプ流路33を通って第1油圧ポンプ12の第1ポンプポート12aに戻る。
第3実施形態に係る油圧駆動システムにおいても、第1実施形態に係る油圧駆動システムと同様の効果を奏することができる。
4.第4実施形態
本発明の第4実施形態に係る油圧駆動システムを図6に示す。第4実施形態に係る油圧駆動システムは、第3実施形態の油圧駆動システムのエンジン11に代えて、電動モータ60を備えている。また、第4実施形態に係る油圧駆動システムでは、第1油圧ポンプ12は、固定容量型のポンプである。回転速度センサ23は、電動モータ60の実回転速度を検出する。ポンプコントローラ24は、電動モータ60の回転速度を制御することにより、第1油圧ポンプ12からの吐出流量を制御する。第4実施形態に係る油圧駆動システムの他の構成は、第3実施形態に係る油圧駆動システムの構成と同様である。また、第4実施形態に係る油圧駆動システムにおける第2制御弁17の制御についても、第3実施形態に係る油圧駆動システムと同様である。第4実施形態に係る油圧駆動システムにおいても、第3実施形態に係る油圧駆動システムと同様の効果を奏することができる。
5.第2制御弁の変形例
第1実施形態の第2制御弁17は、第2〜第4実施形態の油圧駆動システムに適用されてもよい。ただし、第2制御部の構成は、第1実施形態の第2制御弁17の構成に限られず、変更されてもよい。変形例に係る第2制御弁17’の構成を図7に示す。第2制御弁17’では、第1実施形態の第2制御弁17と比べて、第1パイロットポート66の位置と、第2パイロットポート67の位置とが入れ替わっている。すなわち、第2パイロットポート67がメイン部18の第1室64と連通している。第1室64と第1パイロットポート66との間の通路は、弁体62によって開閉される。第2制御弁17’の他の構成は、第1実施形態の第2制御弁17の構成と同様である。このような第2制御弁17’が、第1〜第4実施形態の油圧駆動システムにおいて、第2制御弁17に代えて用いられてもよい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
油圧駆動システムは、油圧ショベルのブームを駆動するためのシステムに限らず、他の作業車両の作業機を駆動するためのシステムであってもよい。例えば、油圧駆動システムは、ホイールローダのリフトアームを駆動するシステムであってもよい。或いは、油圧駆動システムは、ブルドーザのブレードを駆動するシステムであってもよい。
パイロット部19は、第1制御弁16と同様のスプール弁であってもよい。パイロット部19がスプール弁であっても、メイン部18及び第1制御弁16と比べて小型であるため、パイロット部19での作動油の漏れは大幅に少ない。或いは、パイロット部19は、メイン部18と同様のポペット弁であってもよい。
上記の実施形態において、微小速度制御が省略されてもよい。