JP4715400B2

JP4715400B2 - 建設機械の油圧制御装置

Info

Publication number: JP4715400B2
Application number: JP2005253958A
Authority: JP
Inventors: 昭筒井; 博藤後
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: JP2007064446A

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に搭載された油圧アクチュエータ等を制御する油圧制御装置に関するものである。

従来、油圧ショベル等の建設機械に搭載された油圧アクチュエータ等を制御する油圧制御装置として、例えば図１２に示すように、油圧ポンプ１０１と油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）１０２とが接続された油圧回路１０３に流量制御可能な方向切換弁１０４を設け、この方向切換弁１０４によってメータイン流量とメータアウト流量を制御することにより油圧シリンダ１０２の駆動制御を行うものが一般的に知られている。同図の油圧制御装置では、油圧シリンダ１０２を押し縮める動作が行われるときには、油圧ポンプ１０１から吐出された圧油が方向切換弁１０４を通過して油圧シリンダ１０２のロッド側に流入する一方、ロッドを押し縮める圧力によってシリンダヘッドから押出された圧油は、方向切換弁１０４を通過してタンクに戻される。

一方、建設機械の油圧制御装置として、例えば下記特許文献１に開示されているように、油圧アクチュエータの有する油圧エネルギーをエンジンの動力として回生させるものが公知となっている。具体的に、同文献１に開示されたものでは、図１３に示すように、エンジン１１１によって駆動される油圧ポンプ１１２と、ブーム等を駆動するための油圧シリンダ１１３とが接続された油圧回路１１４にシリンダ用切換弁１１５が設けられている。この油圧回路１１４において、油圧シリンダ１１３からシリンダ用切換弁１１５を通してタンクへ戻る戻り油が流れる戻り通路１１４ａには、第２の切換弁１１６と可変容量型モータ１１７とが設けられる。この可変容量型モータ１１７は油圧ポンプ１１２の駆動軸に直結されており、動力回生用のモータとして機能する。第２の切換弁１１６は、シリンダ用切換弁１１５を通過した油がタンクへの排出通路と可変容量型油圧モータ１１７への供給通路を切り換えるように構成されている。そして、操作レバーを切り換えてシリンダ用切換弁１１５及び第２の切換弁１１６に操作油圧信号ｂ１が入力されると、第２の切換弁１１６が戻り通路１１４ａ内の圧油を可変容量型油圧モータ１１７へ供給するように弁切換を行うことにより、油圧シリンダ１１３からの圧油による可変容量型油圧モータ１１７の回転力が油圧ポンプ１１２の回転駆動力として利用され、圧油の有する油圧エネルギーの回生作用が遂行される。
特開２００３−１２０６１６号公報

前記特許文献１に開示された油圧制御装置では、油圧シリンダ１１３の圧油の有するエネルギーを動力源として利用することが可能となっている。しかしながら、このものでは、回生作用が遂行される運転状態のときに、油圧シリンダ１１３から押出された圧油がシリンダ用切換弁１１５と第２の切換弁１１６との２つの切換弁を通過する構成となっているため、この圧油には、油圧シリンダ１１３と可変容量型油圧モータ１１７の間において２つの切換弁１１５，１１６で圧力損失が発生するので、このような構成では、回生動力を得るのに損失が大きくなり、回生作用を有効に発揮させることができないという問題がある。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、油圧制御装置の構成が複雑になるのを抑制しつつ、効率よく回生動力を得ることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出された圧油によって作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの作動方向が切り換わるように圧油の流れを切り換える制御弁とが接続された油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置を前提として、前記油圧ポンプの駆動軸に連結された補助モータと、前記油圧アクチュエータが特定方向に動作するときにこの油圧アクチュエータから排出された圧油がタンクへ向かって流れる戻り通路から分岐され、前記補助モータに接続される分岐通路と、前記戻り通路と分岐通路の流量制御を行う制御手段とを備え、前記制御弁は、前記戻り通路と前記分岐通路に接続されるとともに、前記分岐通路を遮断する遮断状態と、前記油圧アクチュエータを前記特定方向に動作させるときの弁位置で前記分岐通路を開通する回生用切換状態とを有し、前記回生用切換状態には、前記戻り通路と前記分岐通路の双方を開通する両開放切換状態が含まれており、前記制御手段は、前記制御弁が前記両開放切換状態にあるときに前記分岐通路を通して前記油圧アクチュエータから供給される圧油によって生ずる前記補助モータの動力が、前記油圧ポンプの動力源によって発生される動力よりも大きくならないように前記戻り通路の絞りを制御する。

この構成では、制御弁が油圧アクチュエータを特定方向に動作させる弁位置のときに分岐通路を開通するので、油圧アクチュエータから排出された圧油が戻り通路から分岐通路へと流れて補助モータへ供給される。このため、油圧アクチュエータから排出された圧油のエネルギーが補助モータを駆動するのに利用され、この補助モータによる駆動力をアシスト動力として油圧ポンプが駆動される。言い換えると圧油のエネルギーが油圧ポンプの動力源として回生される。

本発明では、油圧アクチュエータを特定方向に動作させる弁位置で分岐通路を開通するように制御弁を構成しているので、分岐通路を開閉するための切換弁が不要となる。このため、油圧アクチュエータから吐出されて補助モータに導入される圧油の圧力損失原因となり得るのが前記制御弁のみとなり、これにより効率よく動力回生を遂行することができる。この結果、油圧ポンプのポンプ容量を維持しつつ油圧ポンプの本来の駆動源が発生させる動力を低減することができる。さらに、制御弁以外の弁を設置するのに要するコストやその設置スペースも不要となる。また、本発明では、前記回生用切換状態に、前記戻り通路と分岐通路の双方を開通する両開放切換状態が含まれており、前記制御手段は、前記制御弁が両開放切換状態にあるときに前記戻り通路の絞りを制御するので、油圧アクチュエータから排出された圧油の一部を補助モータへ供給する一方、圧油の残部をタンクに戻すことができる。また、本発明では、前記制御手段が、前記分岐通路を通して前記油圧アクチュエータから供給される圧油によって生ずる前記補助モータの動力が前記油圧ポンプの動力源によって発生される動力よりも大きくならないように前記戻り通路の絞りを制御するので、補助モータの動力を受けることで油圧ポンプの動力がオペレータの意図に反して大きくなるのを抑制でき、油圧アクチュエータの動きがオペレータの意図に反した動きとなるのを回避することができる。

ここで、前記回生用切換状態に、前記戻り通路を遮断し且つ前記分岐通路を開通する片開放切換状態が含まれている場合には、油圧アクチュエータから排出された圧油を全量補助モータへ供給することができる。

この両開放切換状態が含まれている場合において、前記制御弁がスプール位置によって前記戻り通路の流量を調整可能に構成され、前記制御手段が前記制御弁による前記戻り通路の絞り制御を実行可能に構成されていれば、制御弁とは別個に絞り弁を設けることなく、回生流量の制御をすることができる。一方、前記戻り通路における前記制御弁の下流に絞り弁が設けられ、前記制御手段は、前記絞り弁による前記戻り通路の絞り制御を実行可能に構成されていれば、制御弁の動作とは独立して絞り弁を動作させることが可能となるので、よりきめ細かな回生流量の調整が可能となる。

また、前記油圧ポンプがエンジンを動力源としている場合には、前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段を設け、前記制御手段が、前記回転数検出手段による検出値が所定の回転数を超えないように前記戻り通路の絞りを制御するようにすれば、エンジン回転数についてのフィードバック制御が行われるので、エンジン回転数が過大になるの確実に防止することができ、油圧アクチュエータの動きがオペレータの意図に反した動きとなるのを確実に回避することができる。

また、前記補助モータで動力回生に利用された圧油を、前記油圧ポンプによって駆動される他の油圧アクチュエータを駆動するのに利用すれば、さらに高効率化を図ることができる。

前記油圧制御装置において、前記補助モータが、ポンプとして動作するように切換可能に構成されていれば、前記制御弁は、前記油圧アクチュエータが前記特定方向とは逆向きに作動するときに前記油圧ポンプから吐出された圧油が前記油圧アクチュエータへ向かって流れる吐出通路に接続されるとともに、この吐出通路と前記分岐通路とを連通させる増速切換状態を有し、前記制御手段は、前記油圧アクチュエータが前記特定方向とは逆向きに作動するときに、前記補助モータをポンプとして動作させてこの補助モータから吐出された圧油を前記油圧アクチュエータへ向かって前記分岐通路を流通させるとともに、前記制御弁を増速切換状態に切り換える構成とするのが好ましい。

この構成では、油圧ポンプから吐出された圧油と補助モータから吐出された圧油との双方を油圧アクチュエータへ供給してこの油圧アクチュエータを駆動することができるので、補助モータから供給される圧油量に応じて油圧アクチュエータの作動速度を速くすることができる。

また、特許文献１に開示された油圧制御装置においては、油圧ポンプの駆動軸に連結された可変容量型モータを、動力回生を行うときにだけ駆動する構成なので、油圧ポンプの駆動軸に可変容量型モータが設けられることで、動力回生以外の動作時においてはその増設分だけ原動機の負荷が増大し、原動機にとって連れ回り損失となる。これに対して本構成では、油圧ポンプから吐出された圧油を油圧アクチュエータに供給して油圧アクチュエータを駆動する運転状態のときにも補助モータをポンプとして動作させることができるので、補助モータの増設分が損失となることはなく油圧ポンプの損失が増大するのを抑止することができる。

以上説明したように、本発明によれば、圧油の流れ方向を切り換える制御弁と補助モータとを接続する分岐通路を設け、制御弁が油圧アクチュエータを特定方向に動作させるときの弁位置で分岐通路を開通する回生用切換状態を有するようにしたので、動力回生用として補助モータへ導入される圧油の圧力損失を低減することができて効率よく動力回生を遂行することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

《実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る建設機械の油圧制御装置１０を示している。同図は油圧制御装置１０の油圧回路系統を示すものである。同図に示すように、当該油圧制御装置１０は、油圧ポンプ１２と油圧アクチュエータの一例としての油圧シリンダ１４と制御弁１６とが接続された油圧回路１８を備えている。

油圧ポンプ１２は、容量可変型のものであり、エンジン２０によって駆動される。

油圧ポンプ１２の駆動軸には、容量可変型の補助モータ２２が連結されている。この補助モータ２２は、両傾転型のポンプ・モータによって構成されており、図示省略したレギュレータにより例えば斜板をマイナス側に傾斜させることでモータとして動作する一方、斜板をプラス側に傾斜させることでポンプとして動作する構成となっている。そして、この斜板の傾斜角を変えることでポンプ容量を変えることができるようになっている。

油圧回路１８は、油圧ポンプ１２の吐出側と制御弁１６とを接続する吐出通路１８ａと、制御弁１６と油圧シリンダ１４のロッド側とを接続するロッド側通路１８ｂと、制御弁１６と油圧シリンダ１４のヘッド側とを接続するヘッド側通路１８ｃと、制御弁１６とタンク２４とを接続する排出通路１８ｄとを備えている。

また、油圧回路１８には、分岐通路１８ｅが設けられている。この分岐通路１８ｅは、その一端部がヘッド側通路１８ｃに接続される一方、他端部が補助モータ２２に接続されている。この分岐通路１８ｅには前記制御弁１６が接続されている。

制御弁１６は、スプール（図示省略）が中立位置ロにあるときに全ポートがブロックされるクローズドセンタ形の方向制御弁からなる。この制御弁１６は、油圧シリンダ１４を伸長させる方向に圧油を流通させる第１位置イと、油圧シリンダ１４を収縮させる方向に圧油を流通させる第２位置ハと、前記中立位置ロとに切換可能となっている。そして、制御弁１６は、そのスプールストロークによって流量を調整可能となっている。

第１位置イでは、吐出通路１８ａとヘッド側通路１８ｃとが連通し且つロッド側通路１８ｂと排出通路１８ｄとが連通する。つまり、この第１位置イでは、制御弁１６は、吐出通路１８ａとヘッド側通路１８ｃとを連通させることにより、油圧ポンプ１２から吐出された圧油が油圧シリンダ１４のヘッド側へ導入されるのを許容し、かつその流量をスプールストロークによって調整可能なメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしての機能と、ロッド側通路１８ｂと排出通路１８ｄとを連通させることにより、油圧シリンダ１４のロッド側から導出された圧油がタンク２４へ導かれるのを許容し、かつその流量をスプールストロークによって調整可能なメータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしての機能とを有する。

また、この第１位置イにおいて制御弁１６は、分岐通路１８ｅを開放して補助モータ２２から吐出された圧油がヘッド側通路１８ｃへ流入するのを許容する増速弁Ｓ／Ｕとしての機能を有する。

一方、第２位置ハでは、吐出通路１８ａとロッド側通路１８ｂとが連通し且つヘッド側通路１８ｃと排出通路１８ｄとが連通する。つまり、第２位置ハでは、制御弁１６は、吐出通路１８ａとロッド側通路１８ｂとを連通させることにより、油圧ポンプ１２から吐出された圧油が油圧シリンダ１４のロッド側へ導入されるのを許容し、かつその流量をスプールストロークによって調整可能なメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしての機能と、ヘッド側通路１８ｃと排出通路１８ｄとを連通させることにより、油圧シリンダ１４のヘッド側から導出された圧油がタンク２４へ導かれるのを許容し、かつその流量をスプールストロークによって調整可能なメータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしての機能とを有する。

この第２位置ハでは、油圧シリンダ１４が収縮する方向に作動するので、この第２位置ハにあるときに油圧シリンダ１４から排出された圧油は、ヘッド側通路１８ｃと排出通路１８ｄとを通ってタンク２４へ向かって流れる。つまり、このヘッド側通路１８ｃと排出通路１８ｄとによって、油圧シリンダ１４が収縮する方向（特定方向）に動作するときにこの油圧シリンダ１４から排出された圧油がタンク２４へ向かって流れる戻り通路２６が構成されている。

この第２位置ハにおいて制御弁１６は、分岐通路１８ｅを開放してヘッド側通路１８ｃの圧油が補助モータ２２へ導入されるのを許容する動力回生弁Ｐ／Ｒとしての機能を有する。

制御弁１６が中立位置イにあるときには、油圧ポンプ１２と油圧シリンダ１４とが遮断されるとともに分岐通路１８ｅが遮断される。

ここで、制御弁１６の開口特性について、図２を参照しながら具体的に説明する。

制御弁１６は、中立位置では、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏ、増速弁Ｓ／Ｕ、動力回生弁Ｐ／Ｒ及びメータイン制御弁Ｍ／Ｉの何れの弁としても閉弁状態となっている。そして、スプールが中立位置ロから第１位置イ寄り（図２右側寄り）に移動すると、制御弁１６は、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏ、増速弁Ｓ／Ｕ及びメータイン制御弁Ｍ／Ｉの何れの弁としても、開弁状態となる。このとき制御弁１６は、吐出通路１８ａとヘッド側通路１８ｃとが連通するともに、分岐通路１８ｅとヘッド側通路１８ｃとが連通される。したがって、制御弁１６は、スプールが中立位置ロから図２右寄りに移動した状態が、吐出通路１８ａと分岐通路１８ｅとが連通された増速切換状態となる。この増速切換状態において、制御弁１６は、中立位置ロから所定範囲の移行領域ではメータアウト制御弁Ｍ／Ｏ、増速弁Ｓ／Ｕ及びメータイン制御弁Ｍ／Ｉの何れの弁としても、中立位置ロからのストローク量に応じて開口面積が大きくなる設定となっており、また制御弁１６は、その移行領域を越えた領域においてはスプール位置によらずメータアウト制御弁Ｍ／Ｏ及び増速弁Ｓ／Ｕとして一定の開口面積を保つ一方、メータイン制御弁Ｍ／Ｉとしてはスプールの中立位置ロからのストローク量に応じて次第に開口面積が大きくなる絞り弁として機能する。

一方、スプールが中立位置ロから第２位置ハ寄り（図２左側寄り）に移動すると、制御弁１６は、メータイン制御弁Ｍ／Ｉ及び動力回生弁Ｐ／Ｒとしては開弁状態となる。このとき制御弁１６は、分岐通路１８ｅが開通された回生用切換状態となる。この回生用切換状態において、制御弁１６は、中立位置ロから所定範囲の移行領域において、動力回生弁Ｐ／Ｒ及びメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしては、中立位置ロからのストローク量に応じて開口面積が大きくなる設定となっており、この移行領域ではメータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしては閉弁状態が維持される。つまり、この移行領域にある状態が、排出通路１８ｄを遮断し且つ分岐通路１８ｅを開通する片開放切換状態となる。

そして、その移行領域を越えると、制御弁１６は、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしては開放され、排出通路１８ｄ（戻り通路２６）と分岐通路１８ｅの双方が開通された両開放切換状態となる。この両開放切換状態においては、メータイン制御弁Ｍ／Ｉと動力回生弁Ｐ／Ｒの双方が、スプール位置によらず一定の開口面積の設定となる一方、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏが、ストローク量に応じて次第に開口面積が大きくなる設定となっている。つまり、この領域では、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏは流量調整可能な絞り弁として機能する。言い換えると、制御弁１６は、排出通路１８ｄ（戻り通路２６）を絞る絞り機能を有している。

図１に示すように、吐出通路１８ａ、ロッド側通路１８ｂ及びヘッド側通路１８ｃには、それぞれリリーフ弁３１，３２，３３が設けられている。また、吐出通路１８ａにはアンロード弁３５が設けられている。

また、吐出通路１８ａとヘッド側通路１８ｃには、それぞれ油圧を検出する圧力検出手段３７，３８が設けられている。これら各圧力検出手段３７，３８は、検出した油圧に応じた検出信号を出力するように構成されている。ヘッド側通路１８ｃ（油圧シリンダ１４の負荷保持側の通路）においては、油圧シリンダ１４に負荷がかかると、それに応じて油圧が上昇する。このため、このヘッド側通路１８ｃに圧力検出手段３８を設けることにより、油圧シリンダ１４に作用している外力を間接的に検出可能となっている。

油圧制御装置１０には制御器４０が設けられている。この制御器４０は、圧力検出手段３７，３８、操作レバー４６及びエンジン２０の回転数を検出する回転数検出手段４８と電気的に接続されており、この制御器４０には、圧力検出手段３７，３８、操作レバー４６及び回転数検出手段４８からの制御信号がそれぞれ入力されている。制御器４０は、主制御部４１と容量制御部４２と回転数制御部４３とを備えている。

主制御部４１は、操作レバー４６からの制御信号が入力されると、この操作レバー４６の操作量と圧力検出手段３７，３８による検出圧力とに応じて油圧ポンプ１２の容量及び補助モータ２２の容量を調整するとともに制御弁１６のスプールストロークを調整するように構成されている。このとき、操作レバー４６からの制御信号が油圧シリンダ１４の伸長動作に相当する場合には、補助モータ２２がポンプとして動作するように斜板をプラス側に傾斜させるとともに、制御弁１６を第１位置イに切り換えるように制御指令を出力するように構成されている。一方、収縮動作に相当する場合には、補助モータ２２がモータとして動作するように斜板をマイナス側に傾斜させるとともに、制御弁１６を第２位置ハに切り換えるように制御指令を出力するように構成されている。また主制御部４１は、エンジン回転数の調整、アンロード弁３５の開閉を適宜行う。

容量制御部４２は、補助モータ２２の目標容量を設定するとともに、圧力検出手段３７，３８による検出圧力等に基づいて補助モータ２２の容量上限値Ｖ_2Limを導出し、目標容量Ｖ₂₀が容量上限値Ｖ_2Limを越えないように制御弁１６に制御指令を出力する。

回転数制御部４３は、エンジン２０の目標回転数Ｎoを設定するとともに、回転数検出手段４８からの検出信号に基づいて、エンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎoを上回っているか否かを判断し、この目標回転数Ｎoを超えないように制御弁１６に制御指令を出力する。

次に、ポンプ１２，２２の容量制御及び制御弁１６の動作制御について図３に示すフローを参照しながら説明する。

まず、ステップＳＴ１において、レバー操作量Ｌ、エンジン回転数Ｎ、油圧ポンプ１２の吐出圧力である吐出通路１８ａの油圧Ｐ₁及びヘッド側通路１８ｃの油圧Ｐ₂を検出し、ステップＳＴ２に移る。ステップＳＴ２では、制御弁１６のメータイン側の目標流量Ｑをレバー操作量Ｌに応じた値に設定する。そして、ステップＳＴ３に移り、操作レバー４６からの制御信号に基づいて油圧シリンダ１４が伸長動作か否かを判定し、伸長動作にあるときには、ステップＳＴ４に移る。

ステップＳＴ４では、油圧ポンプ１２の容量Ｖ₁と補助モータ２２の容量Ｖ₂を設定する。これらポンプ容量Ｖ₁，Ｖ₂は、メータイン側の目標流量Ｑをエンジン回転数Ｎで除して得られた値に設定するが、このとき両ポンプ容量をそれぞれＱ／２Ｎとして容量が互いに等しくなるようにしている。そして、ステップＳＴ５に移り、制御弁１６のメータイン制御弁Ｍ／Ｉの開口面積を設定して、ステップＳＴ６に移る。ステップＳＴ６では、図２に示した開口面積特性に基づいてスプールのストローク位置を導出し、ステップＳＴ７に移る。ステップＳＴ７では、制御弁１６のパイロット信号を出力するとともに、油圧ポンプ１２及び補助モータ２２の容量制御指令を出力する。

これにより、制御弁１６のメータイン制御弁Ｍ／Ｉが所定開度に調整される一方、油圧ポンプ１２及び補助モータ２２の容量が調整される。この結果、油圧ポンプ１２から吐出された圧油と補助モータ２２から吐出された圧油とがそれぞれ油圧シリンダ１４へ供給され、油圧シリンダ１４の伸長動作が行われる。

一方、油圧シリンダ１４が収縮動作にあるときには、前記ステップＳＴ３の判定がＮＯとなって、ステップＳＴ１１に移る。このステップＳＴ１１以降は、油圧シリンダ１４から排出された圧油を補助モータ２２に流入させることで補助モータ２２をエンジン２０のアシスト用モータとして駆動させるときの制御を実行する。

ステップＳＴ１１では、油圧ポンプ１２の容量Ｖ₁と補助モータ２２の目標容量Ｖ₂₀を設定する。油圧ポンプ１２の容量Ｖ₁は、メータイン側の目標流量Ｑをエンジン回転数Ｎで除して得られた値に設定する。一方、補助モータ２２の目標容量Ｖ₂₀は、メータアウト側の目標流量Ｑ_MOをエンジン回転数Ｎで除して得られた値に設定する。

ステップＳＴ１２では、補助モータ２２の容量上限値Ｖ_2Limを導出する。この容量上限値Ｖ_2Limは、補助モータ２２の軸トルクが油圧ポンプ１２の軸トルクよりも大きくなると、補助モータ２２が油圧ポンプ１２を加速させてしまうのを防止するために設定されるものである。油圧ポンプ１２及び補助モータ２２のポンプ効率Ｋ₁、Ｋ₂を考慮し、エンジン２０の駆動による軸トルクと補助モータ２２の駆動による軸トルクとが同じ値になるような補助モータ２２の容量を容量上限値Ｖ_2Limとしている。容量上限値Ｖ_2Limは、Ｐ₁Ｖ₁／Ｐ₂Ｋ₁Ｋ₂として導出される。なお、この容量上限値Ｖ_2Limの計算式において、ヘッド側通路１８ｃの油圧Ｐ₂は、補助モータ２２の圧力とほぼ等しいと仮定して用いている。

ステップＳＴ１３に移り、補助モータ２２の目標容量Ｖ₂₀が容量上限値Ｖ_2Limを超えているか否かを判定する。そして、目標容量Ｖ₂₀が容量上限値Ｖ_2Limを超えているときには、ステップＳＴ１４において目標容量Ｖ₂₀を容量上限値Ｖ_2Limに設定してステップＳＴ１５に移る。なお、目標容量Ｖ₂₀が上限値Ｖ_2Lim以下のときには、ステップＳＴ１４を経由することなくステップＳＴ１５に移る。

ステップＳＴ１５において、エンジン２０の回転数Ｎが目標回転数Ｎoを上回っているか否かを判定する。これは、油圧シリンダ１４から吐出された高圧の圧油を補助モータ２２へ導入させることで圧油のエネルギーをエンジン２０の動力として回生することから、この回生動力を受けてエンジン回転数Ｎが上昇してしまわないように監視するためである。そして、エンジン回転数Ｎが目標回転数Ｎoを上回っているときには、ステップＳＴ１６に移り、補助モータ２２の目標容量Ｖ₂₀を低減させる補正を行う。この補正は、エンジン回転数の上昇分に応じて容量の低減化を図る補正である。つまり、ステップＳＴ１５及びステップＳＴ１６は、目標容量Ｖ₂₀の容量上限値Ｖ_2Limを設定してエンジン回転数が上昇しないような設定としているものの、実際にはエンジン回転数が上昇することがあり得ることから、フィードバック制御を実行するものである。そして、補助モータ２２の目標容量Ｖ₂₀の補正を行った後、ステップＳＴ１７に移る。なお、ステップＳＴ１５において、エンジン２０回転数Ｎが目標回転数Ｎo以下となっているときには、ステップＳＴ１６を経由することなく、ステップＳＴ１７に移る。

ステップＳＴ１７では、制御弁１６のメータアウト制御弁Ｍ／Ｏの開口面積Ａ_MOを設定する。このとき、目標容量Ｖ₂₀と容量上限値Ｖ_2Limとの差ΔＱがゼロ以下の場合、つまり目標容量Ｖ₂₀が容量上限値Ｖ_2Lim以下の場合には、制御弁１６は、メータウアウト弁Ｍ／Ｏとしてのみ閉鎖され（Ａ_MO＝０）、かつメータイン制御弁Ｍ／Ｉ及び動力回生弁Ｐ／Ｒとしては開放される設定となる。これにより制御弁１６が片開放切換状態となるような設定値が導出される。一方、前記差ΔＱが正のとき、つまり、目標容量Ｖ₂₀が容量上限値Ｖ_2Limを超えているときには、スプールが更にストロークして制御弁１６がメータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしても開放された両開放切換状態となるような設定値が導出される。この設定値は、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏをオリフィスと仮定したときに、油圧シリンダ１４のヘッド側の圧力Ｐ₂とタンク圧Ｐ_Tとの差圧によって生ずる流量をΔＱとすると、開口面積Ａ_MOは以下の関係式

により導出される。なお、式中Ｃは流量係数である。

そして、ステップＳＴ６に移り、ステップＳＴ６〜ステップＳＴ７を実行する。これにより、制御弁１６がステップＳＴ１７で導出された開口面積となるようなスプール位置に調整される一方、油圧ポンプ１２及び補助モータ２２の容量制御が実行される。

以上説明したように、本実施形態では、制御弁１６が油圧シリンダ１４を収縮動作させる弁位置のときに分岐通路１８ｅを開放するので、油圧シリンダ１４が収縮されるのと同時に油圧シリンダ１４から排出された圧油が補助モータ２２へ供給される。このため、油圧シリンダ１４から排出された圧油のエネルギーが補助モータ２２を駆動するのに利用され、この補助モータ２２による駆動力をアシスト動力として油圧ポンプ１２が駆動される。

したがって、油圧シリンダ１４を収縮させる弁位置で分岐通路１８ｅを開通するように制御弁１６を構成しているので、分岐通路１８ｅを開閉するための切換弁が不要となる。このため、油圧シリンダ１４から吐出されて補助モータ２２に導入される圧油の圧力損失原因となり得るのが制御弁１６のみとなり、これにより効率よく動力回生を遂行することができる。この結果、油圧ポンプ１２のポンプ容量を維持しつつエンジン動力を低減することができる。さらに、制御弁１６以外の弁を設置するのに要するコストやその設置スペースも不要となる。

また、本実施形態１では、制御弁１６が両開放切換状態を有し、その両開放切換状態においてスプール位置によって戻り通路２６の流量を調整可能に構成したので、制御弁１６とは別個に絞り弁を設けることなく、回生流量の制御をすることができる。そして、この回生流量の制御において、本実施形態１では、補助モータ２２の動力がエンジン動力よりも大きくならないように絞りをかけるようにしているので、補助モータ２２の動力を受けることで油圧ポンプ１２の動力がオペレータの意図に反して大きくなるのを抑制でき、これにより油圧シリンダ１４の動きがオペレータの意図に反した動きとなるのを回避することができる。

また、本実施形態１では、前記回生流量の制御において、エンジン回転数のフィードバック制御を行うようにしているので、エンジン回転数が過大になるの確実に防止することができ、油圧シリンダ１４の動きがオペレータの意図に反した動きとなるのを確実に回避することができる。

また、本実施形態では、油圧シリンダ１４の伸長動作時において、油圧ポンプ１２から吐出された圧油と補助モータ２２から吐出された圧油との双方を油圧シリンダ１４へ供給するようにしたので、補助モータ２２から供給される圧油量に応じて油圧シリンダ１４の伸長速度を速くすることができる。換言すれば、特許文献１に開示された油圧制御装置と異なり、油圧シリンダ１４を伸長させる運転状態のときにも補助モータ２２をポンプとして駆動させるので、この運転時において補助モータ２２の増設分が損失となることはなく油圧ポンプ１２の損失が増大するのを抑止することができる。

なお、本実施形態１では、補助モータ２２は、ポンプとしての動作とモータとしての動作が可能なポンプ・モータによって構成したが、これに限れられるものではなく、ポンプとしての動作を有しないモータによって構成することも可能である。

《実施形態２》
図４は本発明の実施形態２を示す。ここでは、実施形態１と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。この実施形態２では、制御弁１６が第２位置ハにおいて絞り弁としての機能を有さない。その代わり、絞り弁５１が制御弁１６と別個に設けられている。

制御弁１６は、実施形態１と異なり、図５に示す開口面積設定となっている。つまり、制御弁１６は、スプールが中立位置ロから第２位置ハ寄り（図５左寄り）に移動すると、メータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしては、中立位置ロから所定範囲の移行領域において中立位置ロからのストローク量に応じて開口面積が次第に大きくなっており、その所定範囲を超える領域においてスプール位置によらず一定の開口面積の設定となっている。その他の開口面積設定は実施形態１と同様である。

絞り弁５１は、排出通路１８ｄに制御弁１６よりも下流側に位置して設けられている。この絞り弁５１は、制御器４０と電気的に接続されており、制御器４０から制御信号がパイロット信号として入力されるとその制御信号に応じた開口面積となるように開放される。これにより排出通路１８ｄが開放される。

したがって、本実施形態２によれば、制御弁１６の動作とは独立して絞り弁５１を動作させることが可能となるので、よりきめ細かなメータアウト制御が可能となる。

なお、図６に示すように、絞り弁５１は、制御器４０と電気的に接続される構成に代え、油圧パイロット方式で切換操作が行われる構成としてもよい。この場合、操作レバー４６と制御弁１６の各パイロットポートとを接続する油路に油圧を検出する圧力検出手段５３，５４を設け、この圧力検出手段５３，５４の検出信号を制御器４０に入力する構成とする必要がある。

その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態１と同様である。

《実施形態３》
本発明の実施形態３は、図７に示すように油圧制御装置１０を備えた建設機械の一例としての油圧ショベル６０に本発明の油圧制御装置１０を適用したものである。図７は本油圧ショベル６０を概略的に示している。尚、ここでは、実施形態２と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

同図に示すように、本油圧ショベル６０は、下部走行体６２に上部旋回体６３が搭載され、この上部旋回体６３の前部に掘削アタッチメント６４が装着された構成とされている。

下部走行体６２は、左右のクローラフレーム６６及びクローラ６７から成り、両側クローラ６７が、油圧アクチュエータである左右の走行モータ６９，７０（図８参照）によって個別に回転駆動されて走行するように構成されている。

上部旋回体６３は、旋回フレーム７２、キャビン７３等から成り、旋回フレーム７２に動力源としてのエンジン２０が設置されている。この上部旋回体６３は、油圧アクチュエータである旋回モータ７４（図８参照）によって駆動されて旋回するように構成されている。

掘削アタッチメント６４は、ブーム７６、アーム７７及びバケット７８で構成されている。ブーム７６は、油圧アクチュエータである一対のブーム用油圧シリンダ８０を伸縮させることによって起伏する。アーム７７は、油圧アクチュエータであるアーム用油圧シリンダ８１を伸縮させることによって回動する。バケット７８は、油圧アクチュエータであるバケット用油圧シリンダ８２を伸縮させることによって回動する。

本油圧ショベル６０の油圧制御装置１０の油圧回路系統を図８に示す。同図に示すように、本実施形態３では、油圧ポンプ１２は、２つの油圧ポンプ、即ち第１油圧ポンプ１２ａと第２油圧ポンプ１２ｂからなる。第１油圧ポンプ１２ａ及び第２油圧ポンプ１２ｂは、それぞれ容量可変型のポンプによって構成されている。第１油圧ポンプ１２ａは、第１油圧回路８４に接続されており、この第１油圧回路８４には、例えば走行モータ６９、ブーム用油圧シリンダ８０及びバケット用油圧シリンダ８２が接続されている。一方、第２油圧ポンプ１２ｂは、第２油圧回路８５に接続されており、この第２油圧回路８５には、例えば走行モータ７０、旋回モータ７４、及びアーム用油圧シリンダ８１が接続されている。

油圧ショベル６０は、エンジン２０を動力源として油圧ポンプ１２を駆動し、その吐出油を各部に配設されたモータ６９，７０，７４や油圧シリンダ８０，８１，８２に供給して、下部走行体６２の走行、上部旋回体６３の旋回、ブーム７６の起伏、アーム７７の回動及びバケット７８の作動を行わせるように構成されている。

本実施形態３に係る油圧ショベル６０では、第１油圧回路８４のうち、ブーム用油圧シリンダ８０の制御を行う油圧回路１８に本発明が適用されている。本油圧制御装置１０は、実施形態２と同様に制御弁１６と別個に絞り弁５１を備えた構成の油圧制御装置である。

なお、本実施形態３では、補助モータ２２をブーム用油圧シリンダ８０と接続する構成としたが、これに代え、補助モータ２２を走行モータ６９，７０、旋回モータ７４、アーム用油圧シリンダ８１及びバケット用油圧シリンダ８２の何れか１つ以上と接続する構成としてもよい。その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態２と同様である。

《実施形態４》
図９は本発明の実施形態４を示す。ここでは、実施形態３と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。この実施形態４では、実施形態３と異なり、制御弁１６は、図１０に示すように、実施形態１と同様に第２位置ハで絞り弁としての機能を有している。このため、本実施形態４では、制御弁１６とは別個の絞り弁は設けられていない。

また、制御弁１６は、スプールが中立位置ロから第１位置イ寄り（図１０右寄り）に移動したときには、中立位置ロから所定範囲の移行領域（図１０に（Ａ）で示す）でメータアウト制御弁Ｍ／Ｏ及び増速弁Ｓ／Ｕとしては、中立位置ロからのストローク量に応じて開口面積が大きくなり、かつメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしては閉鎖されたまま維持される設定となっている。

制御弁１６が、（Ａ）で示す領域においてこのような設定となっているのは、以下の理由による。すなわち、制御弁１６が実施形態１と同様の構成（図２参照）とした場合において、スプールが第１位置イにあって第１油圧ポンプ１２ａ及び補助モータ２２の双方からの圧油をブーム用油圧シリンダ８０のヘッド側に供給するときに、制御弁１６は、メータイン制御弁Ｍ／Ｉとしての開口面積を小さく絞るメータイン制御が実行される。このとき、第１油圧ポンプ１２ａに接続された走行モータ６９やバケット用油圧シリンダ８２の負荷圧力が大きいと、制御弁１６においてメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしての圧力損失が大きくなってしまう。そこで、制御弁１６は、第１油圧ポンプ１２ａと連通されたメータイン制御弁Ｍ／Ｉとしては遮断するとともに、補助モータ２２と連通された増速弁Ｓ／Ｕとしては開放し、かつメータアウト制御弁Ｍ／Ｏとしても開放する図１０の（Ａ）で示す領域に調整することにより、走行モータ６９やバケット用油圧シリンダ８２の負荷圧力の影響を受けることなく補助モータ２２によるブーム用油圧シリンダ８０への圧油の供給を行うことができる。したがって、ブーム用油圧シリンダ８０の伸長動作においては、第１油圧ポンプ１２ａと補助モータ２２からの併給、又は補助モータ２２からの単独供給を選択しながら、安定したブーム用油圧シリンダ８０の伸長動作を行うことができる。

なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態３と同様である。

《実施形態５》
図１１は本発明の実施形態５を示す。ここでは、実施形態３と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。この実施形態５では、実施形態３と異なり、補助モータ２２へ供給された動力回生用の圧油をタンク２４へ排出するのではなく、油圧ポンプ１２によって駆動される他の油圧アクチュエータ、例えばアーム用油圧シリンダ８１への合流流量として再利用できるようにしたものである。

補助モータ２２からタンク２４へ向かう油路には、合流用切換弁９０が設けられている。この合流用切換弁９０は、アーム用油圧シリンダ８１とこの油圧シリンダ８１を制御するアーム用制御弁９２とを接続する油路に方向切換弁９４を介して接続されている。合流用切換弁９０は、補助モータ２２から排出された圧油をタンク２４又はアーム用油圧シリンダ８１へ供給するように切り換える。一方、方向切換弁９４は、アーム用油圧シリンダ８１のロッド側又はヘッド側への圧油の供給を切り換える。これら切換弁９０，９４及びアーム用制御弁９２はそれぞれ制御器４０と電気的に接続されている。

アーム用油圧シリンダ８１は、第２油圧ポンプ１２ｂから吐出された圧油が供給されるようになっているが、流量制御弁９６を開放することにより第１油圧ポンプ１２ａから吐出された圧油を適宜アーム用油圧シリンダ８１へ供給できるようになっている。

本実施形態５によれば、補助モータ２２で動力回生に利用された圧油を他の油圧アクチュエータ８１を駆動するのに利用するようにしたので、さらに高効率化を図ることができる。

なお、本実施形態５では、補助モータ２２をアーム用油圧シリンダ８１と接続する構成としたが、これに限られるものではなく、油圧ポンプ１２によって駆動される油圧アクチュエータであれば旋回モータ７４等の他のアクチュエータと接続する構成としてもよい。その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記実施形態３と同様である。

本発明の実施形態１に係る建設機械の油圧制御装置の構成を示す図である。前記油圧制御装置に設けられた制御弁の開口特性を示す特性図である。前記油圧制御装置の制御動作を示すフロー図である。本発明の実施形態２に係る建設機械の油圧制御装置の構成を示す図である。前記油圧制御装置に設けられた制御弁の開口特性を示す特性図である。本発明の実施形態２のその他の構成を示す図である。本発明の実施形態３に係る油圧制御装置を備えた油圧ショベルを概略的に示す図である。前記油圧制御装置の構成を示す図である。本発明の実施形態４に係る建設機械の油圧制御装置の構成を示す図である。前記油圧制御装置に設けられた制御弁の開口特性を示す特性図である。本発明の実施形態５に係る建設機械の油圧制御装置の構成を示す図である。従来の油圧制御装置の構成を示す図である。従来の油圧制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１２油圧ポンプ
１４油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
１６制御弁
１８油圧回路
１８ｅ分岐通路
２０エンジン
２２補助モータ
２４タンク
２６戻り通路
４０制御器（制御手段）
４８回転数検出手段
５１メータアウト制御弁（絞り弁）
８０ブーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）
８１アーム用油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）

Claims

油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出された圧油によって作動する油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの作動方向が切り換わるように圧油の流れを切り換える制御弁とが接続された油圧回路を備える建設機械の油圧制御装置であって、
前記油圧ポンプの駆動軸に連結された補助モータと、
前記油圧アクチュエータが特定方向に動作するときにこの油圧アクチュエータから排出された圧油がタンクへ向かって流れる戻り通路から分岐され、前記補助モータに接続される分岐通路と、
前記戻り通路と分岐通路の流量制御を行う制御手段とを備え、
前記制御弁は、前記戻り通路と前記分岐通路に接続されるとともに、前記分岐通路を遮断する遮断状態と、前記油圧アクチュエータを前記特定方向に動作させるときの弁位置で前記分岐通路を開通する回生用切換状態とを有し、
前記回生用切換状態には、前記戻り通路と前記分岐通路の双方を開通する両開放切換状態が含まれており、
前記制御手段は、前記制御弁が前記両開放切換状態にあるときに前記分岐通路を通して前記油圧アクチュエータから供給される圧油によって生ずる前記補助モータの動力が、前記油圧ポンプの動力源によって発生される動力よりも大きくならないように前記戻り通路の絞りを制御することを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
前記回生用切換状態には、前記戻り通路を遮断し且つ前記分岐通路を開通する片開放切換状態が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置。
前記制御弁は、スプール位置によって前記戻り通路の流量を調整可能に構成され、
前記制御手段は、前記制御弁による前記戻り通路の絞り制御を実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の建設機械の油圧制御装置。
前記戻り通路における前記制御弁の下流に絞り弁が設けられ、
前記制御手段は、前記絞り弁による前記戻り通路の絞り制御を実行可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の建設機械の油圧制御装置。
前記油圧ポンプは、エンジンを動力源としており、
前記エンジンの回転数を検出する回転数検出手段が設けられ、
前記制御手段は、前記回転数検出手段による検出値が所定の回転数を超えないように前記戻り通路の絞りを制御することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の建設機械の油圧制御装置。
前記補助モータで動力回生に利用された圧油を、前記油圧ポンプによって駆動される他の油圧アクチュエータを駆動するのに利用することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の建設機械の油圧制御装置。
前記補助モータは、ポンプとして動作するように切換可能に構成され、
前記制御弁は、前記油圧アクチュエータが前記特定方向とは逆向きに作動するときに前記油圧ポンプから吐出された圧油が前記油圧アクチュエータへ向かって流れる吐出通路に
接続されるとともに、この吐出通路と前記分岐通路とを連通させる増速切換状態を有し、
前記制御手段は、前記油圧アクチュエータが前記特定方向とは逆向きに作動するときに、前記補助モータをポンプとして動作させてこの補助モータから吐出された圧油を前記油圧アクチュエータへ向かって前記分岐通路を流通させるとともに、前記制御弁を増速切換状態に切り換える構成とされていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の建設機械の油圧制御装置。