(57)【要約】【課題】油圧ポンプを目標圧追従制御にて制御する場合において、作業機械のトラブルを防止すること。【解決手段】エンジン（１）によって駆動する可変容量型の油圧ポンプ（２）と、油圧ポンプの傾転角を変化させるレギュレータ（Ｒ）と、レギュレータにパイロット圧を供給するパイロット回路（ＰＣ１）と、を備え、油圧ポンプの傾転角が最小傾転角（ゼロ）から最大傾転角まで変化する作業機械の油圧制御装置において、油圧ポンプの吐出圧力を目標圧に追従させる第１の制御、または油圧ポンプの吐出圧力が増加するに連れて油圧ポンプの吐出流量が減少する第２の制御に従って油圧ポンプを制御する制御部（５）と、油圧ポンプの制御を第１の制御または第２の制御に切り換える切換手段（８）と、切換手段（８）を切換える選択スイッチ（９）と、を有する。【選択図】図２
2018025137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンによって駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプの傾転角を変化させるレギュレータと、前記傾転角を変化させるためにパイロット油圧源から前記レギュレータにパイロット圧を供給するパイロット回路と、を備え、前記油圧ポンプの傾転角が、前記油圧ポンプの押しのけ量がゼロとなる最小傾転角から前記油圧ポンプの吐出流量が最大となる最大傾転角まで変化するよう設定された作業機械の油圧制御装置において、
前記油圧制御装置は、
制御部を備え、前記制御部を用いて前記油圧ポンプの吐出圧力を前記制御部で設定された目標圧に追従させる第１の制御、または前記エンジンの出力馬力以下の領域で、前記油圧ポンプの吐出圧力を用いて前記油圧ポンプの吐出圧力が増加するに連れて前記油圧ポンプの吐出流量を減少させる第２の制御、のいずれかに従って前記レギュレータの制御を行い、
前記パイロット回路に設けられ、前記第１の制御時に前記制御部により前記パイロット油圧源からの前記パイロット圧を調整し前記レギュレータに供給する第１制御機構と、
前記パイロット回路に設けられ、前記第２の制御時に前記油圧ポンプの吐出圧力に応じて前記パイロット油圧源からの前記パイロット圧を調整し前記レギュレータに供給する第２制御機構と、
前記パイロット回路に設けられ、前記第１制御機構で調整した前記パイロット圧を前記レギュレータへ供給する回路を構成する第１切換位置と、前記第２制御機構で調整された前記パイロット圧を前記レギュレータへ供給する回路を構成する第２切換位置とを有する切換手段と、
前記切換手段を第１切換位置もしくは第２切換位置に切り替える選択装置と、
を有することを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記レギュレータは、前記パイロット圧を受けて前記油圧ポンプの傾転角が前記最大傾転角となる方向に動作する第１受圧部と、前記パイロット圧を受けて前記油圧ポンプの傾転角が前記最小傾転角となる方向に動作する第２受圧部と、を有し、
前記パイロット回路は、
前記第１受圧部に前記パイロット油圧源の吐出圧力である第１パイロット圧を供給する第１回路と、
前記パイロット油圧源と前記第１制御機構、さらに前記第２受圧部とが接続された第２回路と、
前記パイロット油圧源と前記第２制御機構、さらに前記第２受圧部とが接続された第３回路と、を有し、
前記油圧制御装置は、
さらに前記油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出器と、
前記油圧ポンプの吐出圧力を第２制御機構に供給する吐出圧供給油路とを備え、
前記切換手段が前記選択装置により第１切換位置に在る時、
前記圧力検出器が検出した前記油圧ポンプの吐出圧力に基づいて、前記制御部は前記第１の制御に従い前記第１制御機構を用いて前記第１パイロット圧を第２パイロット圧に調整し、前記第２パイロット圧は前記第２回路を介して前記第２受圧部に供給され、
前記切換手段が前記選択装置により第２切換位置に在る時、
前記油圧ポンプの吐出圧力が前記吐出圧供給油路を介して第２制御機構に供給され、前記第２制御機構は前記第２の制御に従い、前記第１パイロット圧を第３パイロット圧に調整し、前記第３パイロット圧は前記第３回路を介して前記第２受圧部に供給される
ことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記レギュレータは、前記パイロット圧を受けて前記油圧ポンプの傾転角が前記最大傾転角となる方向に動作する第１受圧部と、前記パイロット圧を受けて前記油圧ポンプの傾転角が前記最小傾転角となる方向に動作する第２受圧部と、を有し、
前記パイロット回路は、
前記第１受圧部にパイロット圧を供給する第１回路と、
前記パイロット油圧源から前記第２受圧部にパイロット圧を供給する第２回路と、
前記第２回路に設けられ、前記制御部により前記第１の制御を行う前記第１制御機構と、前記油圧ポンプの吐出圧力に応じて前記第２の制御を行う前記第２制御機構と、前記第１制御機構と前記第２制御機構とを前記切換手段により設定する設定装置とを備えたレギュレータ制御機構と、
を有し、
前記切換手段が前記第１切換位置に在る時、
前記設定装置は前記レギュレータ制御機構を第１制御機構に設定し、
前記切換手段が前記第２切換位置に在る時、
前記設定装置は前記レギュレータ制御機構を第２制御機構に設定する
ことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記レギュレータ制御機構はさらに前記油圧ポンプの吐出圧力が第１の制御もしくは第２の制御で用いられる最大圧力より小さい圧力以下である場合に所定の流量を吐出するよう前記レギュレータを制御する第３の制御を行う第３制御機構を備え、
前記切換手段は、さらに前記レギュレータ制御機構を第３制御機構に切換える第３切換位置を有し、
前記選択装置は、さらに前記第３切換位置の切換えを備え
前記切換手段が前記選択装置により前記第３切換位置に在る時、
前記設定装置は、前記レギュレータ制御機構を前記第３制御機構に設定する
ことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧ショベル等の作業機械の油圧制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等に代表される作業機械は、エンジン等で駆動する可変容量型の油圧ポンプを搭載しており、この油圧ポンプから供給される圧油によってアクチュエータを駆動して、各種作業を行っている。可変容量型の油圧ポンプは、斜板の傾転角を制御するレギュレータによって吐出流量が制御される。一般的な油圧ポンプの制御としては、操作レバーの操作量に基づいた吐出量制御や、エンジン馬力を超えないように油圧ポンプの吐出圧をフィードバックして吐出流量を制御する馬力一定制御が挙げられる。
【０００３】
レギュレータは、外部から制御圧を受圧することでレギュレータを構成するシリンダが移動し、その移動に伴い、斜板の傾転角が予め設定された最小傾転角と最大傾転角の間で変化する。制御圧が増大すると傾転角が減少し、油圧ポンプの吐出流量が減少する。一方、制御圧が減少すると傾転角が増大し、油圧ポンプの吐出流量が増大する。そして、油圧ポンプの吐出流量が増大すれば油圧ポンプの吐出圧も増大し、油圧ポンプの吐出流量が減少すれば油圧ポンプの吐出圧も減少する。
【０００４】
上記した馬力一定制御においては、制御圧に油圧ポンプの吐出圧を用いており、吐出圧に応じて傾転角が増減することで油圧ポンプの吐出圧を平衡に維持している。また、レギュレータ制御系に異常が発生した場合は作業機械を退避させるなど最低限の動作を行うのに必要な圧油の流量を確保するために、油圧ポンプの最小傾転角はゼロにならないように予め制限されている。
【０００５】
このように油圧ポンプの最小傾転角をゼロにしない従来構成では、最小傾転角にて油圧ポンプの吐出側の負荷により発生する吐出圧力に対し所定の流量を吐出することになるため、エネルギ損失を生じてしまう、所謂ブリードオフ損失という課題がある。
【０００６】
これに対して、例えば特許文献１に示すように、ブリードオフ損失が発生しないように、目標流量から変換した目標圧に追従するように油圧ポンプの吐出圧力を保持し、油圧回路上の漏れをカバーできる必要最小限の流量を吐出するようにレギュレータを制御（以降、「目標圧追従制御」と言う）すれば、油圧ポンプの最小傾転角をゼロ付近にすることができるため、アクチュエータを動作させる場合や油圧ショベルの旋回横当て動作などの力制御を行う場合でも無駄な流量を吐出することがなく、エネルギ損失を解消できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２０１４／０７３５４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
目標圧追従制御は追従性を図るためコンピュータを用いた制御系統で指令を算出し、その指令に基づいてレギュレータが制御される。この場合、その制御系統に何らかのトラブルが発生し、レギュレータが制御不能となる異常時が想定される。このような異常時においては、レギュレータを制御して油圧ポンプの傾転角が最小か最大のどちらかになるように予め設定する必要がある。
【０００９】
しかしながら、目標圧追従制御に使用する油圧ポンプは最小傾転角がほぼゼロであることから、異常時に油圧ポンプの傾転角が最小となる設定にすると、油圧ポンプの吐出流量がほぼゼロとなり、作業機械をスムーズに動かせなくなる課題が生じる。一方、異常時に油圧ポンプの傾転角が最大となる設定にすると、異常時に最大の吐出流量が供給されるため、油圧ポンプの負荷が油圧ポンプを駆動するエンジンの出力を超え、エンジンがストールするという課題が生ずる（図６（ａ）参照）。したがって、油圧ポンプを目標圧追従制御にて制御する場合、このような課題を解決することが重要である。
【００１０】
本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、油圧ポンプを目標圧追従制御にて制御する作業機械の油圧制御装置において、レギュレータの制御系統に異常が発生しても、その異常に起因する作業機械のトラブルを未然に防ぐことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、代表的な本発明は、エンジンによって駆動する可変容量型の油圧ポンプと、前記油圧ポンプの傾転角を変化させるレギュレータと、前記傾転角を変化させるためにパイロット油圧源から前記レギュレータにパイロット圧を供給するパイロット回路と、を備え、前記油圧ポンプの傾転角が、前記油圧ポンプの押しのけ量がゼロとなる最小傾転角から前記油圧ポンプの吐出流量が最大となる最大傾転角まで変化するよう設定された作業機械の油圧制御装置において、前記油圧制御装置は、制御部を備え、前記制御部を用いて前記油圧ポンプの吐出圧力を予め設定された目標圧に追従させる第１の制御、または前記エンジンの出力馬力以下の領域で、前記油圧ポンプの吐出圧力を用いて前記油圧ポンプの吐出圧力が増加するに連れて前記油圧ポンプの吐出流量を減少させる第２の制御、のいずれかに従って前記レギュレータの制御を行い、前記パイロット回路に設けられ、前記第１の制御時に前記制御部により前記パイロット油圧源からの前記パイロット圧を調整し前記レギュレータに供給する第１制御機構と、前記パイロット回路に設けられ、前記第２の制御時に前記油圧ポンプの吐出圧力に応じて前記パイロット油圧源からの前記パイロット圧を調整し前記レギュレータに供給する第２制御機構と、前記パイロット回路に設けられ、前記第１制御機構で調整した前記パイロット圧を前記レギュレータへ供給する回路を構成する第１切換位置と、前記第２制御機構で調整された前記パイロット圧を前記レギュレータへ供給する回路を構成する第２切換位置とを有する切換手段と、前記切換手段を第１切換位置もしくは第２切換位置に切り替える選択装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、油圧ポンプを目標圧追従制御にて制御する作業機械の油圧制御装置において、レギュレータの制御系統に異常が発生しても、その異常に起因する作業機械のトラブルを未然に防ぐことができる。なお、上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る油圧制御装置が適用される油圧ショベルの側面図である。
【図２】第１実施形態に係る油圧制御装置の構成図である。
【図３】第１実施形態での正常運転時における油圧制御装置の動作図である。
【図４】図３に示す制御装置の制御ブロック図である。
【図５】第１実施形態での異常時における油圧制御装置の動作図である。
【図６】従来技術と本発明との異常時における油圧ポンプの制御特性の違いを比較した図である。
【図７】第２実施形態に係る油圧制御装置の構成図である。
【図８】第２実施形態での正常運転時における油圧制御装置の動作図である。
【図９】図８に示す制御装置の制御ブロック図である。
【図１０】第２実施形態での異常時における油圧制御装置の動作図である。
【図１１】第３実施形態に係る油圧制御装置の構成図である。
【図１２】図１１に示す推力切換機構の詳細を示す図である。
【図１３】各モードにおける推力切換機構の動作と油圧ポンプの制御特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る油圧制御装置が適用される油圧ショベルの側面図である。作業機械の代表例である油圧ショベルは、図１に示すように、走行体１０１と、この走行体１０１上に配置される旋回体１０２と、旋回体１０２の前部に位置する運転室１１０と、旋回体１０２に取り付けられるフロント作業機１０３とを備えている。
【００１５】
フロント作業機１０３は、旋回体１０２に対して上下揺動自在に取り付けられたブーム１０４と、このブーム１０４に上下揺動自在に取り付けられたアーム１０５と、このアーム１０５に上下揺動自在に取り付けられたバケット１０６と、ブーム１０４を上下方向に揺動させるブームシリンダ１０７と、アーム１０５を上下方向に揺動させるアームシリンダ１０８と、バケット１０６を上下方向に揺動させるバケットシリンダ１０９とを有している。なお、ブームシリンダ１０７、アームシリンダ１０８、及びバケットシリンダ１０９は、何れも、後述する油圧ポンプ２から供給される圧油によって駆動するアクチュエータである。
【００１６】
「第１実施形態」（異常時に最大傾転角となる設定）
次に、油圧ショベルに搭載される油圧制御装置について説明する。図２は第１実施形態に係る油圧制御装置の構成図である。なお、図２は、各制御弁が制御されていない初期状態を示している。図２に示すように、可変容量型の油圧ポンプ２はエンジン１により駆動し、圧油を各シリンダ１０７，１０８，１０９、図示しない走行モータ等に供給している。油圧ポンプ２の吐出圧力は圧力検出器６で検出され、その検出データ（検出情報）は制御装置（制御部）５に入力される。制御装置５は、この検出データに基づき、油圧ポンプ２の吐出圧力が一定となるよう第１制御弁４（第１制御機構）の開度を調整して、レギュレータＲの動作を制御している。
【００１７】
レギュレータＲには、パイロット油圧源３からのパイロット圧がパイロット回路ＰＣ１を介して供給される。ラインＬ１（第１回路）を介して供給されるパイロット圧（第１パイロット圧）は、サーボピストン２ａの面積の小さい側の第１受圧部２ｂに導入される。一方、ラインＬ２−Ｌ３（第２回路）を介して供給されるパイロット圧（第２パイロット圧）、またはラインＬ４−Ｌ５−Ｌ３（第３回路）を介して供給されるパイロット圧（第３パイロット圧）は、サーボピストン２ａの面積の大きい側の第２受圧部２ｃに導入される。
【００１８】
レギュレータＲは、ラインＬ１を介して第１受圧部２ｂに供給されるパイロット圧により、油圧ポンプ２の押しのけ量が最大となる最大傾転角となる方向に油圧ポンプ２の傾転角を変化させる。そして、第２受圧部２ｃにパイロット圧がかかっていない初期状態では、油圧ポンプ２は最大傾転角に保持されて、最大流量を出力する。一方、第２受圧部２ｃにパイロット圧がかかると、レギュレータＲは、油圧ポンプ２の押しのけ量がゼロとなる最小傾転角（ゼロ傾転角）となる方向に油圧ポンプ２の傾転角を変化させる。
【００１９】
第１制御弁４は、制御装置５からの指令入力が無い状態ではバネによりラインＬ２をドレンに連通しており、制御装置５からの指令が開く方向に与えられると、パイロット油圧源３からのパイロット圧を切換弁（切換手段）８に向けて送り出している。開く方向の指令値が増大するに従い、第１制御弁４はパイロット油圧源３からのパイロット圧を調整し、ラインＬ２のパイロット圧を増大させる。第２制御弁７は、油路１５（吐出圧供給回路）を介して導入される油圧ポンプ２の吐出圧が０の場合は、バネによりラインＬ４をドレンに連通しており、油路１５を介して油圧ポンプ２からの吐出圧（自己圧）が直接導入されることでラインＬ４とラインＬ５とを連通する。第２制御弁７は油圧ポンプ２の吐出圧が増大するに従いパイロット油圧源３からのパイロット圧を調整しラインＬ５のパイロット圧を増大させる。
【００２０】
切換弁８は、選択スイッチ９（選択装置）がＯＦＦではバネによりラインＬ２とラインＬ３とが連通する第１切換位置であり、選択スイッチ９がＯＮの場合、ラインＬ５とラインＬ３とが連通する第２切換位置に切り換わる。選択スイッチ９は、例えば運転室１１０の内部や旋回体１０２のエンジンルーム内に設けられており、オペレータの手動操作によって選択スイッチ９がＯＮとなるよう構成されている。なお、切換弁８は、選択スイッチ９にて電源入／切が可能な電磁式を用いているが、手動式であっても良い。
【００２１】
次に、油圧ショベルの正常運転時における油圧制御装置の動作を説明する。図３は正常運転時における油圧制御装置の動作図、図４は図３に示す制御装置の制御ブロック図である。図３に示すように、正常運転時は圧力検出器６にて検出された油圧ポンプ２の吐出圧力値に基づいて、油圧ポンプ２の吐出圧力を目標圧に追従させる目標圧追従制御（第１の制御）に従うように、制御装置５が第１制御弁４の開度を制御している。
【００２２】
具体的には、図４に示すように、制御装置５は、演算・算出された目標ポンプ圧力（目標圧）と、圧力検出器６からの圧力値とから、差分器５ａ、制御器５ｂ、信号変換器５ｃを介して第１制御弁４への出力を算出し、油圧ポンプ２の圧力目標値となるようにＰＩＤ制御などにより第１制御弁４を制御する。よって、サーボピストン２ａには、ラインＬ１からのパイロット圧とラインＬ２−Ｌ３からのパイロット圧とがかかり、両者の圧力差に応じて油圧ポンプ２の傾転角が制御される。なお、目標ポンプ圧力の設定は、特許文献１に示されているように、アクチュエータに操作指令を与える図示しない操作レバーからの操作信号に基づいて求める事が例として挙げられる。
【００２３】
次に、油圧ショベルの異常時における油圧制御装置の動作を説明する。図５は、異常時における油圧制御装置の動作図である。図４に示すように、例えば、圧力検出器６や制御装置５などの故障により、第１制御弁４が正常に作動しないような場合、ラインＬ２のパイロット圧はドレンに排出され、ラインＬ２−Ｌ３を介してパイロット圧を第２受圧部２ｃに供給することができない。
【００２４】
一方、第１受圧部２ｂにはラインＬ１からパイロット圧が供給されているため、油圧ポンプ２の傾転角は最大傾転角となる。そのため、油圧ポンプ２は最大負荷で運転されることとなり、エンジン１がストール（以下、エンストという）する可能性がある。図６（ａ）に示す性能特性線図を用いて説明すると、エンジンのパワーカーブ（出力馬力）より油圧ポンプの出力が上側の領域では、過負荷となってエンストが生じる。
【００２５】
これを解消するために、本実施形態では、オペレータが選択スイッチ９を操作すると、切換弁８を第１切換位置から第２切換位置に切り換わり、ラインＬ５−Ｌ３が連通すると共に、第２制御弁７（第２制御機構）が油圧ポンプ２の吐出圧により動作してラインＬ４とラインＬ５とを所定の開度で連通させる。これにより、パイロット圧がラインＬ４−Ｌ５−Ｌ３を介して第２受圧部２ｃに供給されるため、油圧ポンプ２は、第１受圧部２ｂと第２受圧部２ｃとの差圧に応じた傾転角に制御される。この状態では、第２制御弁７は油路１５により供給された油圧ポンプ２の吐出圧力（自己圧）により制御されるため、油圧ポンプ２の傾転角は、吐出圧力Ｐの増加に連れて吐出流量Ｑが減少する吐出圧−流量制御（第２の制御）に従って制御されることとなる。
【００２６】
よって、図６（ｂ）に示す性能特性線図に示す通り、油圧ポンプ２をエンジン１のパワーカーブより下側の領域で使用することができるため、異常時においてエンストが発生するのを防止することができる。しかも、油圧ポンプ２の流量はある程度確保されているため、例えば異常時において油圧ショベルを一時的に退避させる動作や、フロント作業機１０３による所定の動作を確実に行うことができる。なお、吐出圧−流量制御にて油圧ポンプ２の出力をエンジン１の出力馬力以下の領域で推移させるために、吐出圧に対するエンジン１の出力馬力に規定される吐出量より油圧ポンプ２の吐出量が低くなるように設定すればよい。具体的には受圧部ピストンの位置制御をするために、受圧部ピストンに作用する圧力をコントロールすることで実現できる。
【００２７】
このように、第１実施形態に係る油圧制御装置によれば、油圧ポンプ２を目標圧追従制御（第１の制御）に従って制御することで、流量を必要としない状況下では傾転角をゼロにすることができるため、省エネ効果が高い。また、制御装置５の故障等によりレギュレータの制御不能となった場合には、油圧ポンプ２の傾転角が最大となるが、選択スイッチ９をオペレータが操作することにより、第２制御弁７を介してパイロット圧をレギュレータＲに供給して、油圧ポンプ２を吐出圧―流量制御（第２の制御）に従って制御することができる。そのため、異常時に油圧ポンプ２の吐出流量が抑えられる結果、エンストを防止することができる。
【００２８】
なお、第２制御弁のバネ特性を変更することにより、図６（ｂ）に示す吐出圧−流量制御特性を線形から非線形にすることもできる。
【００２９】
「第２実施形態」（異常時に最小傾転角となる設定）
次に、第２実施形態に係る油圧制御装置について説明する。図７は第２実施形態に係る油圧制御装置の構成図である。なお、図７は、各制御弁が制御されていない初期状態を示している。第２実施形態は、油圧ポンプ２の傾転角が初期状態において最小傾転角になるよう設定されている点で第１実施形態と構成が異なる。具体的には第１制御機構とその制御ブロックに相違がある。以下、この構成の相違に関する部分を中心に説明を行い、第１実施形態と共通する構成についての説明は省略する。
【００３０】
第１制御弁４’（第１制御機構）は、制御装置５からの指令入力が無い状態では、バネによりパイロット油圧源３とラインＬ２を連通させて、パイロット油圧源３からのパイロット圧を切換弁８に向けて送り出している。制御装置５からの指令が閉じる方向に与えられると、パイロット油圧源３とラインＬ２とを絞るように動作する。閉じる方向の指令値が増大するにつれてパイロット油圧源３からのパイロット圧を調整し、ラインＬ２のパイロット圧を減少させる。
【００３１】
レギュレータＲは、第１制御弁４’に対し制御装置５からの指令入力が無い状態では、ラインＬ１を介して第１受圧部２ｂに供給されるパイロット圧とラインＬ２−Ｌ３を介して第２受圧部２ｃに供給されるパイロット圧とは、パイロット油圧源３の吐出圧と同圧となる。これらがサーボピストン２ａの面積の小さい側の第１受圧部２ｂと大きい側の第２受圧部２ｃに導入される事により、油圧ポンプ２の押しのけ量がゼロとなる最小傾転角となる方向に油圧ポンプ２の傾転角を変化させる。そして、油圧ポンプ２は最小傾転角に保持されて、流量を殆ど出力しない。一方、第１制御弁４’に対し制御装置５からの指令入力が入り、第２受圧部２ｃにかかるパイロット圧が減少すると、レギュレータＲは、油圧ポンプ２の吐出流量が最大となる最大傾転角となる方向に油圧ポンプ２の傾転角を変化させる。
【００３２】
次に、油圧ショベルの正常運転時における油圧制御装置の動作を説明する。図８は正常運転時における油圧制御装置の動作図、図９は図８に示す制御装置の制御ブロック図である。図８に示すように、正常運転時は圧力検出器６にて検出された油圧ポンプ２の吐出圧力値に基づいて、油圧ポンプ２の吐出圧力を目標圧に追従させる目標圧追従制御（第１の制御）に従うように、制御装置５が第１制御弁４’の開度を制御している。
【００３３】
具体的には、図９に示すように、制御装置５は、演算・算出された目標ポンプ圧力（目標圧）と、圧力検出器６からの圧力値とから、差分器５ａ、制御器５ｂ、信号変換器５ｃ’を介して第１制御弁４’への出力を算出し、油圧ポンプ２の圧力目標値となるようにＰＩＤ制御などにより第１制御弁４’を制御する。よって、サーボピストン２ａには、ラインＬ１からのパイロット圧とラインＬ２−Ｌ３からのパイロット圧とがかかり、両者の圧力差に応じて油圧ポンプ２の傾転角が制御される。なお、第２実施形態に係る信号変換器５Ｃ’は、第１実施形態に係る信号変換器５ｃと特性が異なる。
【００３４】
次に、油圧ショベルの異常時における油圧制御装置の動作を説明する。図１０は、異常時における油圧制御装置の動作図である。図１０に示すように、例えば、圧力検出器６や制御装置５などの故障により、第１制御弁４’が正常に作動しないような場合、ラインＬ２のパイロット圧はパイロット油圧源３の吐出圧と同圧となり、ラインＬ２−Ｌ３を介してパイロット圧が第２受圧部２ｃに供給される。
【００３５】
一方、第１受圧部２ｂにはラインＬ１からパイロット圧が供給されており、第１受圧部２ｂと第２受圧部２ｃに供給されるパイロット圧は各々同圧となる。これらがサーボピストン２ａの面積の小さい側の第１受圧部２ｂと大きい側の第２受圧部２ｃに導入される事により、油圧ポンプ２の傾転角は最小傾転角となり、油圧ポンプ２は圧油を吐出することができない。そのため、異常時において油圧ショベルを退避させることができず、またブームシリンダ１０７、アームシリンダ１０８、及びバケットシリンダ１０９を作動させることもできない状況となる。
【００３６】
これを解消するために、本実施形態では、オペレータが選択スイッチ９を操作すると、切換弁８によりラインＬ５−Ｌ３が連通する。また、異常時に油圧ポンプ２は最小傾転角で動作するから、圧油を殆ど吐出しない。よって、油圧ポンプ２が最小傾転角の状態で動作している間、第２制御弁７には油圧ポンプ２の吐出圧が導入されず、第２制御弁７はバネにより初期状態に保持される。そのため、ラインＬ４とラインＬ５とが閉じた状態かつ、ラインＬ５がドレンに連通する状態となり、第２受圧部２ｃに供給されるパイロット圧はドレン圧となる。その結果、油圧ポンプ２は、傾転角が最大傾転角の方向に変化し、第１受圧部２ｂと第２受圧部２ｃとの差圧に応じた傾転角に制御される。
【００３７】
そして、次第に、第２制御弁７は油圧ポンプ２の吐出圧力（自己圧）により制御され、油圧ポンプ２の傾転角は、吐出圧力Ｐの増加に連れて吐出流量Ｑが減少する吐出圧−流量制御（第２の制御）に従って制御されることとなる。よって、異常時であっても、油圧ショベルを安全な場所に退避させたり、フロント作業機１０３を安全な姿勢になるよう動作させたりすることができる。
【００３８】
このように、第２実施形態に係る油圧制御装置によれば、油圧ポンプ２を目標圧追従制御（第１の制御）に従って制御することで、流量を必要としない状況下では傾転角をゼロにすることができるため、省エネ効果が高い。また、制御装置５の故障等によりレギュレータの制御不能となった場合には、油圧ポンプ２の傾転角が最小となるが、選択スイッチ９をオペレータが操作することにより、第１実施形態と同様、第２制御弁７を介してパイロット圧をレギュレータＲに供給して、油圧ポンプ２を吐出圧−流量制御（第２の制御）に従って制御することができる。そのため、異常時に油圧ショベルの安全上必要な動作を行うことができる。
【００３９】
「第３実施形態」
次に、本発明の第３実施形態に係る油圧制御装置について説明する。第３実施形態に係る油圧制御装置は、レギュレータの駆動がメカニカル方式で制御されている点に特徴がある。以下、この特徴点を中心に説明する。図１１は、第３実施形態に係る油圧制御装置の構成を示す図である。第１実施形態と同一部分には同一符号を付し説明を省略する。
【００４０】
第３実施形態に係る油圧制御装置では、図１１に示すように、パイロット回路ＰＣ２を介してレギュレータＲにパイロット圧が供給されて、レギュレータＲがメカニカル方式で駆動する。第３実施形態に係る油圧制御装置は、パイロット油圧源３からレギュレータＲの第１受圧部２ｂにパイロット圧を常時供給するラインＬ１１（第１回路）と、パイロット油圧源３からレギュレータＲの第２受圧部２ｃにパイロット圧を供給するラインＬ１２（第２回路）およびラインＬ１３と、ラインＬ１２に設けられ、パイロット油圧源３からのパイロット圧を調整し制御圧力を出力する圧力制御スプール（スプール）１１（レギュレータ制御機構）と、ラインＬ１３に設けられ、パイロット油圧源３からのパイロット圧を調整し制御圧力を出力する流量制御スプール１２と、圧力制御スプール１１を制御する電磁比例弁１３（レギュレータ制御機構）と、流量制御スプール１２を制御する電磁比例弁１４と、電磁比例弁１３への圧力制御指令及び電磁比例弁１４への流量制限指令を出力する制御装置５とを備えている。
【００４１】
各々のスプール１１，１２にはスリーブ１１ｃ，１２ｃが備えられ、ポンプ傾転の位置（傾転角）がフィードバックされ、これによりスプール位置に応じた傾転制御が精度良くなされるように構成されている（傾転位置フィードバック機構付）。
【００４２】
さらに、圧力制御スプール１１には油圧ポンプ２からの吐出圧力が電磁比例弁１３からのパイロット圧と同方向推力となるように併設された油室に付勢し、またそれとは反対推力となるような推力を与える上、その推力の大きさを切り換えることができる推力切換機構３０（設定装置）と、オペレータが推力切換機構３０に切換指示をする選択スイッチ９（選択装置）と、を備えている。
【００４３】
なお、流量制御は従来の方式と同一であり、電磁比例弁１４により傾転量に応じた指令圧が入力されると流量制御スプール１２が対抗するスプリングを押してあるストローク量が定まる。これにより外部指令による流量制御機能が流量制御スプール１２によって得られるものである。
【００４４】
次に、推力切換機構３０の詳細について、図１２を用いて説明する。図１２は、推力切換機構３０の詳細を示す図である。図１２に示すように、推力切換機構３０は、油圧ポンプ２からのポンプ圧力や電磁比例弁１３を介して供給されるパイロット圧によって軸方向に押圧される圧力制御スプール１１に対抗するように、サブスプール３１と、第１スプリング３２と、第２スプリング３３と、第２スプリング３３を保持するスプリング保持ピストン３４と、を含んで構成される。
【００４５】
サブスプール３１は、ハウジング３６内において軸方向に所定の移動量（圧力制御スプール１１の制御量に相当する量）だけ作動するよう制限されている。また、スプリング保持ピストン３４についても、同様にその作動が制限されるように構成されている。そして、詳しくは後述するが、スプリング保持ピストン３４と圧力制御スプール１１との間には第２スプリング３３が初期撓みの状態で介在するよう構成されている。つまり、第２スプリング３３が初期撓みの状態からさらに圧縮されて、その反力が圧力制御スプール１１とスプリング保持ピストン３４とに作用しないよう構成されている。
【００４６】
また、サブスプール３１を圧力制御スプール１１の方向に付勢する第１油室３０ａと、サブスプール３１とスプリング保持ピストン３４とに囲まれた第２油室３０ｂと、スプリング保持ピストン３４と圧力制御スプール１１とに囲まれた第３油室３０ｃを有し、それぞれ油路Ｌａ、油路Ｌｂ、油路Ｌｃとつながっている。油路Ｌａ、油路Ｌｂは供給圧力を切換える切換弁３５（切換手段）を介してパイロット油圧源３またはドレンへと選択的に接続される。油路Ｌｃはドレンと接続される。
【００４７】
選択スイッチ９は高圧まで圧力制御可能な通常モード（切換弁３５がＡ位置（第１切換位置）にある状態）、馬力制御可能なバックアップモード（切換弁３５がＢ位置（第２切換位置）にある状態）、低い圧力のみ供給可能な縮退モード（切換弁３５がＣ位置（第３切換位置）にある状態）が選択できるように構成されている。なお、詳しくは後述するが、通常モードでは油圧ポンプ２が目標圧追従制御（第１の制御）で制御され、バックアップモードでは油圧ポンプ２が吐出圧−流量制御（第２の制御）で制御され、縮退モードでは油圧ポンプ２の吐出圧力が第１の制御もしくは第２の制御で用いられる最大圧力より低い所定の低圧力領域にある場合に所定の流量を吐出するようレギュレータ制御（第３の制御）で油圧ポンプ２が制御されている。なお、第１の制御もしくは第２の制御で用いられる最大圧力とは、例えば図示しないリリーフ圧力である。
【００４８】
次に、第３実施形態に係る油圧制御装置の動作について説明する。図１３は、各モードにおける推力切換機構３０の動作と油圧ポンプの制御特性を示す図である。
【００４９】
「通常モード」
選択スイッチ９が「通常モード」にある時は、切換弁３５はＡ位置側（図１２参照）となって第１油室３０ａにはパイロット圧が供給され、第２油室３０ｂはドレンと接続される。この状態を図１３（ａ）に示す。図１３（ａ）に示すように、通常モードでは第１油室３０ａにパイロット圧が作用することによりサブスプール３１が圧力制御スプール１１側へ押し付けられる。また第２油室３０ｂはドレンに接続されていることからスプリング保持ピストン３４はフリー状態となり、第２スプリング３３は撓まない状態になる。
【００５０】
通常モードにおける圧力制御スプール１１の押し込みの推力ＦＡは、以下の式（１）により求められる。
ＦＡ＝Ａ１・Ｐ＋ｋ１（ｘ＋ｘ１０）      ・・・（１）
ｘ：圧力制御スプールの変位
ｘ１０：第１スプリングの初期撓み
Ｐ：パイロット圧力
Ａ１：サブスプールのパイロット受圧面積
ｋ１：第１スプリングのバネ定数
【００５１】
通常モードでは、油圧ポンプ２が作動油を吐出し圧力が上昇すると自己圧を導く油路１５（図１１参照）よりポンプ圧が受圧部１１ａに作用する。また制御装置５からの圧力信号により電磁比例弁１３を介してパイロット圧が受圧部１１ｂに作用する。推力切換機構３０からの推力ＦＡとこれら受圧部１１ａ、１１ｂに作用した推力とにより圧力制御スプール１１が動作し、これらの力のバランスするところで圧力制御スプール１１が保持される。その結果、サーボピストン２ａはそれに追従し、傾転角が所望の角度に制御される（第１制御機構）。通常モードでは、油圧ポンプ２の吐出圧が目標吐出圧になるよう目標圧追従制御されており、図１３（ａ）に示す圧力−流量特性となる。これにより、油圧ポンプ２が無駄な流量を吐出することがないため、省エネ効果が高い。
【００５２】
「バックアップモード」
選択スイッチ９が「バックアップモード」にある時は、切換弁３５はＢ位置側（図１２参照）となって第１油室３０ａはドレンに接続され、第２油室３０ｂにはパイロット圧が供給される。この状態を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）に示すように、バックアップモードでは第１油室３０ａがドレンに接続されているため、サブスプール３１が圧力制御スプール１１とは反対側へ押し付けられる。また、第２油室３０ｂにはパイロット圧が供給されているため、スプリング保持ピストン３４は圧力制御スプール１１側へ押し付けられガイドストッパ３７ａにて保持される。これにより、第２スプリング３３は初期撓みの状態で圧力制御スプール１１を押し付けている状態になる。
【００５３】
バックアップモードにおける圧力制御スプール１１の押し込みの推力ＦＢは、以下の式（２）により求められる。
ＦＢ＝ｋ２（ｘ＋ｘ２０）      ・・・（２）
ｘ：圧力制御スプールの変位
ｘ２０：第２スプリングの初期撓み
ｋ２：第２スプリングのバネ定数
【００５４】
バックアップモードでは、油圧ポンプ２が作動油を吐出し圧力が上昇すると自己圧を導く油路１５（図１１参照）よりポンプ圧が受圧部１１ａに作用する。また制御装置５からの圧力信号により電磁比例弁１３を介してパイロット圧が受圧部１１ｂに作用する。推力切換機構３０からの推力ＦＢとこれら受圧部１１ａ、１１ｂに作用した推力とにより圧力制御スプール１１が動作し、これらの力のバランスするところで圧力制御スプール１１が保持される。その結果、サーボピストン２ａはそれに追従し、最終的に油圧ポンプ２の吐出圧力が、推力切換機構３０の反力と制御装置５からの圧力指令値とから決まる目標圧力に制御される（第２制御機構）。このバックアップモードでは、油圧ポンプ２の圧力−流量特性が図１３（ｂ）に示すように、圧力の増加に従って流量が減少する吐出圧−流量制御特性となる。
【００５５】
また、バックアップモードは制御装置５が故障していない場合では圧力−流量特性が電磁比例弁１３の指令圧に応じて圧力がシフトする方向（圧力が下がる方向）に作用することになり、制御装置５の制御が不具合ない場合でも馬力制御＋特性シフトの特性として利用することができる。これにより目標とする馬力に合わせた設定にすることも可能である。また、制御装置５により指令を無くすことでハード設定した馬力特性とすることができる。これにより制御装置５等のトラブルになった場合においても、オペレータは制御装置５とは別の選択スイッチ９にてバックアップモードに切換えることで、ポンプ駆動力過負荷によるエンスト防止や負荷の軽い際の高速駆動にも対応できる。
【００５６】
「縮退モード」
選択スイッチ９が「縮退モード」にある時は、切換弁３５はＣ位置側（図１２参照）となって第１油室３０ａ及び第２油室３０ｂがドレンに接続される。この状態を図１３（ｃ）に示す。図１３（ｃ）に示すように、縮退モードでは第１油室３０ａがドレンと接続されているため、サブスプール３１が第１スプリング３２の付勢力により圧力制御スプール１１側へ押し付けられる。また、第２油室３０ｂもドレンに接続されているため、スプリング保持ピストン３４はフリーとなり、動作に伴い圧力制御スプール１１と反対側へ押し付けられガイドストッパ３７ｂにて保持される。これにより、スプリング保持ピストン３４はフリー状態となり、第２スプリング３３は撓まない状態になる。
【００５７】
縮退モードにおける圧力制御スプール１１の押し込みの推力ＦＣは、以下の式（３）により求められる。
ＦＣ＝ｋ１（ｘ＋ｘ１０）      ・・・（３）
ｘ：圧力制御スプールの変位
ｘ１０：第１スプリングの初期撓み
ｋ１：第１スプリングのバネ定数
【００５８】
縮退モードでは、油圧ポンプ２が作動油を吐出し圧力が上昇すると自己圧を導く油路１５（図１１参照）よりポンプ圧が受圧部１１ａに作用する。また制御装置５からの圧力信号により電磁比例弁１３を介してパイロット圧が受圧部１１ｂに作用する。推力切換機構３０からの推力ＦＣとこれら受圧部１１ａ、１１ｂに作用した推力とにより圧力制御スプール１１が動作し、これらの力のバランスするところで圧力制御スプール１１が保持される。その結果、サーボピストン２ａはそれに追従し、最終的にポンプ吐出圧力が、推力切換機構３０の反力と制御装置５とからの圧力指令値とから決まる目標圧力に制御される（第３制御機構）。
【００５９】
この縮退モードでは、油圧ポンプ２の圧力−流量特性が図１３（ｃ）に示すように、低圧力領域でしか流量を吐出しない特性となる。すなわち、油圧ポンプ２の圧力制御が比較的低い辺りで制限される。これにより、機械の組み換え段取り時や、メンテナンス時などの調整段取りなどにおいてもより安全な環境を提供することができる。
【００６０】
以上説明したように、第３実施形態によれば、通常モードでは目標圧追従制御にて油圧ポンプ２を制御することで、省エネ効果が期待できる。また、万一制御装置５が故障したり、圧力制御信号ケーブルが損傷したりするなどのトラブルが生じて目標圧追従制御が不可能となった場合においても、バックアップモードにより吐出圧−流量制御に切り換えることができるので、ポンプ駆動力過負荷によるエンスト防止や負荷の軽い際の高速動作にも対応でき、使い勝手が向上する。また、縮退モードでは、油圧ポンプ２の圧力制御が比較的低い辺りで制限されることから、機械の組み換え段取り時や、メンテナンス時などの調整段取りなどにおいてもより安全な作業環境を提供することができる。
【００６１】
本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。
【符号の説明】
【００６２】
１  エンジン
２  油圧ポンプ
２ａ  サーボピストン
２ｂ  第１受圧部
２ｃ  第２受圧部
３  パイロット油圧源
４、４’  第１制御弁（第１制御機構）
５  制御装置（制御部）
６  圧力検出器
７  第２制御弁（第２制御機構）
８、３５  切換弁（切換手段）
９  選択スイッチ（選択装置）
１１  圧力制御スプール（レギュレータ制御機構）
１３  電磁比例弁１３（レギュレータ制御機構）
１５  油路（吐出圧供給油路）
３０  推力切換機構（設定装置）
Ｒ  レギュレータ
ＰＣ１，ＰＣ２  パイロット回路
【図１】
2018025137.tif 000003
【図２】
2018025137.tif 000004
【図３】
2018025137.tif 000005
【図４】
2018025137.tif 000006
【図５】
2018025137.tif 000007
【図６】
2018025137.tif 000008
【図７】
2018025137.tif 000009
【図８】
2018025137.tif 000010
【図９】
2018025137.tif 000011
【図１０】
2018025137.tif 000012
【図１１】
2018025137.tif 000013
【図１２】
2018025137.tif 000014
【図１３】
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