(57)【要約】【課題】簡単な回路構成で油圧の急上昇に対する衝撃を緩和すると共に燃料効率の低下を防止した建設機械の油圧回路を提供することを課題とする。【構成】建設機械の油圧回路において、メイン油圧ポンプの油路にチェック弁を介して可変リリーフ弁を接続し、該可変リリーフ弁の制御ポートにリリーフ圧を制御する制御手段を接続し、該制御手段の入力側には前記メイン油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサの出力側を接続し、前記制御手段は前記可変リリーフ弁のリリーフ圧が前記メイン油圧ポンプの吐出圧よりも高いリリーフ圧を維持する追従制御手段であって、ハイパスフィルター特性を有する遅れ要素を具備していることを特徴とする。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建設機械の油圧回路において、メイン油圧ポンプの油路に可変リリーフ弁を接続し、該可変リリーフ弁の制御ポートにリリーフ圧を制御する制御手段を接続し、該制御手段の入力側には前記メイン油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサの出力側を接続し、前記制御手段は前記可変リリーフ弁のリリーフ圧が前記メイン油圧ポンプの吐出圧よりも高いリリーフ圧を維持する追従制御手段であって、ハイパスフィルター特性を有する遅れ要素を具備していることを特徴とする建設機械の油圧回路。
【請求項２】
前記遅れ要素は、前記油圧ポンプの吐出流量を制御する傾斜板の傾転の応答速度に比べて同程度又はやや遅い程度の遅れ要素であって、前記油路に生じる急激変化のインパルス成分には追従不能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の油圧回路。
【請求項３】
前記制御手段は、前記可変リリーフ弁のリリーフ圧を制御する電磁弁と該電磁弁を制御するコントローラから構成され、該電磁弁の出力側ポートを前記リリーフ弁の制御ポートに接続すると共に入力側ポートにはパイロット油圧ポンプ及び油タンクを接続し、該電磁弁のソレノイドに該コントローラの出力側を接続し、該コントローラの入力側に前記圧力センサの出力を接続し、該コントローラは圧力センサの計測圧力の緩やかな変動に対してのみ追従制御信号を出力するように構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の建設機械の油圧回路。
【請求項４】
前記電磁弁は電磁逆比例式弁で構成したこと特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１に記載の建設機械の油圧回路。
【請求項５】
前記可変リリーフ弁の初期設定圧を傾転開始圧の略１／２に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１に記載の建設機械の油圧回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建設機械の油圧回路における油圧の急上昇を防止した油圧回路の技術に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
油圧ショベル等の建設機械で掘削作業を行う場合に、作業中に作業機が障害物に突き当たったりすると油圧回路の圧力が急上昇する。また、油圧シリンダがエンドストロークに達したときにも油圧回路の圧力が急上昇する。油圧の急上昇は油圧機器にとって疲労や破壊の原因になるだけでなくエネルギー効率の面からも好ましくない。
【０００３】
図４は従来の油圧回路の１例を示すものであり、本願発明の適用はこの油圧回路にのみ適用可能という訳ではない。図４の左側回路において、油圧ポンプ１１はエンジン１２によって駆動されている。油圧ポンプ１１のセンタ油路１３には、下流に向かって、切換弁２２、切換弁２４等が接続され、負帰還圧検出のための絞り１９を経て油タンクに接続されている。なお、切換弁２２は油圧モータ２１の圧油流れを制御する切換弁で，切換弁２４油圧シリンダ２３の圧油流れを制御する切換弁である。また切換弁２２，切換弁２４にはセンタ油路から分岐した油路１４ａ、１４ｂによって油圧が供給され、油圧モータ２１と油圧シリンダ２３の同時操作ができるように構成されている。図４の右側回路も全く同じ構成になっているので説明は省略する。
【０００４】
図４（５）は油圧ポンプ１１の吐出量を制御する調節器１６の１例を示す。油圧ポンプ１１はエンジン１２によって回転駆動されている。２油圧ポンプの場合は、エンジン１２の出力軸に油圧ポンプ１１と油圧ポンプ３１が同軸に連結され、油圧ポンプ３１も同様に制御される。以下、油圧ポンプ１１の制御方式について説明する。調節器１６はセンタ油路１３に接続された油路１７の油圧が第２シリンダ１６ａ内に導かれ、センタ油路１３下流に設けられた絞り（負帰還用絞り）１９の直前からのネガコン圧が第１シリンダ１６ｂ内に導かれ、両者の圧力が合成されてピストン軸１６ｃが左右に移動する。ピストン軸１６ｃが矢印Ａ方向（右方向）に移動すると油圧ポンプの斜板角度が小さくなり、油圧ポンプの吐出量が増加する。逆に左に矢印Ｂ方向（左方向）に移動すると油圧ポンプの斜板角度が大きくなり、油圧ポンプの吐出量が減少する。
【０００５】
図５（Ｂ）は油圧ポンプ１１の動作特性を示す特性曲線である。横軸はポンプの吐出圧で、縦軸はポンプの１回転当たり吐出量Ｄを示す。直線ＦＪ間はポンプの回転数（又はエンジンの回転数）が増大し、トルクも増大している。曲線ＪＫ間はエンジンの回転数が一定に制御されており、ポンプの時間当たりの吐出量は一定になり、かつトルクも一定になる。点Ｊにおいてエンジン出力トルクと油圧ポンプの負荷がバランスして斜板が傾転を開始するように制御されている。なお、点Ｊに相当する油圧Ｐｊを傾転開始圧と呼んでいる。
【０００６】
油圧ポンプ１１の吐出圧（センタ油路１３の油圧）を負帰還することによって特性曲線のトルク一定の曲線（図Ｂの実線）上を移動し、ネガコン圧を負帰還することによって図Ｂの点線の方向に移動し、トルクを増減させている。図４に示した油圧回路で、作業機が障害物に突き当たったり、油圧シリンダがエンドストロークに達したりすると圧油供給油路１４ａ、１４ｂの何れか一部に流れていた圧油流れが急激に減少し油圧が急上昇する。例えば吐出圧Ｐ１の状態（点Ｘ１にある状態）から吐出圧Ｐ２（点Ｘ２にある状態）に油圧が急上昇した場合について説明する。この場合油圧の上昇が緩やかであれば、実線の曲線上を移動して点Ｘ１から点Ｘ２に移動する。
【０００７】
しかし、油圧上昇が急激に行われると、調節器１６や油圧ポンプ１１は機械的な構成要素であり、応答速度が限られているために、点Ｘ１、点Ｘ３、点Ｘ２という経路をたどって点Ｘ２に到達する。このために、油圧ポンプ１１の負荷トルクが一時的に過大（点Ｘ３のトルク）となる。その結果、エンジン１２の回転数が落ち、エンジンのガバナーが作動して燃料噴射ポンプを通常より多めに燃料を噴射させて所定の回転数まで復帰させるように働く。また、一時的油圧の急上昇は油圧回路全般に伝わり、他の部分の油圧機器にとって疲労や破壊の原因となるだけでなく、エネルギー効率を低下させる原因ともなる。
【０００８】
このために、従来の油圧回路では、例えば公開特許公報、２０００−８７９１６号に示すように油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃緩和回路を設けたりする工夫が行われてきた。しかし、このような対策は衝撃緩和回路を設けた油圧シリンダには有効であるが、他の部分の油圧回路まで圧力急上昇による弊害を防止できない。この圧力急上昇の影響は他の部分の油圧機器に及び、疲労や破壊の原因となる。また、エンジンのエネルギー効率が低下するという課題もあった。更に、油圧シリンダのストロークエンドにおける衝撃緩和回路を設けただけでは作業機が障害物に突き当たった場合には有効に作用しないという課題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、簡単な回路構成で油圧の急上昇に対する衝撃を緩和すると共に燃料効率の低下を防止した建設機械の油圧回路を提供することを課題とする。なお、本出願人は上記課題を解決した発明の既出願を行っている（特願２００２−４５２６３）。本発明は既出願発明とは原理及び回路構成を異にした追加発明に相当する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するための手段として以下の構成を採用している。即ち、
請求項１に記載の発明は、建設機械の油圧回路において、メイン油圧ポンプの油路に可変リリーフ弁を接続し、該可変リリーフ弁の制御ポートにリリーフ圧を制御する制御手段を接続し、該制御手段の入力側には前記メイン油圧ポンプの吐出圧を検出する圧力センサの出力側を接続し、前記制御手段は前記可変リリーフ弁のリリーフ圧が前記メイン油圧ポンプの吐出圧よりも高いリリーフ圧を維持する追従制御手段であって、ハイパスフィルター特性を有する遅れ要素を具備していることを特徴としている。
請求項１に記載の発明は、油路の緩やかな圧力変動にリリーフ圧が追従して作動油は排出されないが、油圧が急上昇したときにリリーフ圧が追従できずに作動油を排出するように制御回路を設けたことを主な特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記遅れ要素は、前記油圧ポンプの吐出流量を制御する傾斜板の傾転の応答速度に比べて同程度又はやや遅い程度の遅れ要素であって、前記油路に生じる急激変化のインパルス成分には追従不能に構成したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は遅れ要素の内容を具体的に定めたことを主な特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記制御手段は、前記可変リリーフ弁のリリーフ圧を制御する電磁弁と該電磁弁を制御するコントローラから構成され、該電磁弁の出力側ポートを前記リリーフ弁の制御ポートに接続すると共に入力側ポートにはパイロット油圧ポンプ及び油タンクを接続し、該電磁弁のソレノイドに該コントローラの出力側を接続し、該コントローラの入力側に前記圧力センサの出力を接続し、該コントローラは圧力センサの計測圧力の緩やかな変動に対してのみ追従制御信号を出力するように構成したことを特徴としている。
請求項３記載の発明は制御手段の回路構成を具体的に定めたことを主な特徴としている。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、前記電磁弁は電磁逆比例式弁で構成したこと特徴としている。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４に記載の発明において、前記可変リリーフ弁の初期設定圧を傾転開始圧の略１／２に設定したことを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、制御開始段階におけるリリーフ圧の急激な変化を防止して円滑な制御を可能にしたことを主な特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を実施した油圧回路の回路図を示す。なお、本実施回路では２個の油圧ポンプが使用されている場合について説明する。油圧ポンプが１個の場合、或いは３個以上ある場合も同様である。図２はコントローラの特性を説明する図である。図３は、本実施回路と従来装置との性能の比較を示す。以下本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、図１において、従来装置（図４，図５）で説明したと同じ構成要素については同一の引用番号を付して詳細な説明を省略する。図１において、センタ油路１３及びセンタ油路３３からそれぞれ分岐油路１ａ、１ｂを分岐させ、チェック弁２ａ、２ｂを介して接続する。この接続した油路に油路３を接続し、油路３の反対側にリリーフ圧が可変のメインリリーフ弁４の入力側ポートを接続する。
【００１６】
一方、センタ油路１３及びセンタ油路３３に油圧を検出する油圧センサ６ａ、６ｂを接続し、油圧センサ６ａ、６ｂの出力をコントローラ８の入力側に接続する。コントローラ８の出力側には電磁弁９のソレノイドに接続する。なお、電磁弁９は電磁逆比例弁を使用することが制御の安全の見地から望ましい。即ち、電気配線の断線等により接続不良になった場合は、ソレノイド電流は常にゼロとなり、電磁逆比例弁９はパイロット油圧がリリーフ弁に作用する。このために、異常の場合でもリリーフ圧は最高圧に維持され、機械の作業能力の低下防止を図ることができる。以下、電磁弁９の代わりに電磁逆比例弁９とする。電磁逆比例弁９の入力側にはパイロット油圧ポンプ１０、油タンクＴが接続されており、電磁比例弁９の出力側はメインリリーフ弁４のリリーフ圧制御用の信号ポートに接続されている。
【００１７】
コントローラ８は例えば、以下のように構成する。コントローラ８の入力として油路１３の油圧をＰａ、油路３３の油圧をＰｂとし、メインリリーフ弁４のリリーフ圧Ｒｆとしたときに、入力Ｐａ、Ｐｂからリリーフ圧Ｒｆまでの伝達関数ＷのゲインをＧ、遅れ要素をＤとするときに伝達関数Ｗが以下の特性を有するように構成する。
即ち、ゲインＧは、Ｇ＝ｍａｘ｛Ｐａ，Ｐｂ｝＋Ｓ　とする。但し、Ｓは所定の小さな油圧とし、遅れ要素Ｄは図２（Ａ）の曲線Ａに示すような周波数特性の要素である。図２（Ａ）で、曲線Ｂは傾斜板の周波数特性を示し、曲線Ｃは油路に油圧急上昇を生じさせる衝撃波の周波数特性を示す。
【００１８】
図２（Ｂ）は上記周波数特性を有する応答例を示す。衝撃波Ｃは図２（Ｂ）に示すごとくインパルス状の波形となり、コントローラ８の応答は傾斜板の応答曲線Ｂと同程度又はそれよりやや遅い立ち上がり特性をもつ波形となる。これらの図から明らかなように、衝撃波Ｃはメインリリーフ弁４のリリーフ圧Ｒｆに殆ど影響を与えずに消失してしまう。
【００１９】
なお、上記の説明においては、伝達関数Ｗは、コントローラ８の入力からリリーフ弁４の出力までの伝達関数としているが、電磁逆比例弁９及びメインリリーフ弁４の伝達関数は何れも比例ゲインと見なしてよいからコントローラ８の遅れ特性は伝達関数Ｗの遅れ特性に等しい。従って、コントローラ８は図２（Ａ）のような周波数特性を持つ電気（アナログ）回路、デジタル回路又は計算機のソフトウエアで構成できる。なお、コントローラ８の初期設定として、メインリリーフ弁４のリリーフ圧が傾転開始圧の略１／２としておくのが好ましい。２ポンプの場合の傾転開始圧は、２ポンプの吐出圧の合計圧（Ｐａ＋Ｐｂ）が図２（Ｂ）の点Ｊにある場合を示す。
【００２０】
本実施形態は上記した構成により以下のように機能する。正常作業時には、コントローラ８は制御電流を電磁逆比例弁９のソレノイドに出力し、電磁逆比例弁９の出力油圧がメインリリーフ弁４のパイロットポートに印可され、リリーフ圧はセンタ油路１３の油圧Ｐａとセンタ油路３３の油圧Ｐｂの何れかよりも大きい圧、即ち、｛ｍａｘ（Ｐａ、Ｐｂ）＋Ｓ｝に制御されている。油圧Ｓは余裕のための所定圧で、小さい油圧が選択される。従って、この場合は図４に示した従来回路と同様に機能する。
【００２１】
しかし、作業中に作業機が障害物に突き当たったり、油圧シリンダが急激にエンドストロークに達したりするとセンタ油路１３又はセンタ油路３３の油圧が急上昇する。一方、コントローラ８は前述したように遅れ特性を有しているために、メインリリーフ弁４のリリーフ圧は緩慢にしか上昇しない。そのために、急上昇した油圧はメインリリーフ弁４から排出されて元の油圧に戻る。その結果、回路油圧の急上昇が押さえられる。
【００２２】
図３（Ａ），（Ｂ）は本実施形態の性能（Ａ）と従来回路の特性（Ｂ）との比較を示している。図３において横軸は時間軸（ｔ）であり、時刻ｔ１は油圧上昇開始時刻、時刻ｔ２は変動の整定時刻である。また、縦軸は各々、Ｑｐ（ポンプ吐出流量）、Ｐａ＋Ｐｂ（２ポンプ合計吐出圧）、Ｔ（ポンプトルク）、Ｎｅ（エンジン回転数）、Ｑｆ（燃料噴射流）を示す。図３から理解できるように、圧力上昇開始時刻から整定時刻まで変化が少なく（振動成分が殆どゼロで）、しかも滑らかに変化することが理解できる。特に、ポンプトルクＴは本実施形態の場合は殆ど直線的に上昇し、変動成分が表れていない。また、エンジン回転数Ｎ、燃料噴射量Ｑｆは本実施形態ではほぼ一定であり、また、燃料消費量が少なくてもよいことが理解できる。即ち、本実施形態によりエンジンの特性が著しく改善されることが理解できる。
【００２３】
以上本発明の実施形態を図面に基づいて詳述してきたが、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。例えば油圧ポンプが１個の場合にも本発明は適用可能で、この場合には可変リリーフ弁４はチェック弁を介して直接接続される。また、電磁弁９は電磁逆比例弁でなくてもよい。この場合はコントローラ８にその機能を持たせればよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、油圧回路の圧力の急上昇が防止できるので、油圧機器の破壊又は疲労が少なくなり、寿命が永くなるという効果が得られる。また、ポンプの吐出圧の変化が緩和される結果調節器の斜板傾転速度が小さくなるために十分に追従していけるようになり、エンジン回転数、燃料消費量等のエンジンの性能が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した回路構成を示す。
【図２】本実施回路のコントローラの周波数特性（Ａ）、応答特性（Ｂ）を示す。
【図３】本実施回路と従来回路の特性の比較を示す。
【図４】従来回路の回路構成を示す。
【図５】従来回路のポンプの制御回路（Ａ）とポンプの特性曲線（Ｂ）を示す。
【符号の説明】
４　　　　　　メイン（可変）リリーフ弁
６ａ、６ｂ　　圧力センサ
９　　　　　電磁逆比例弁
１１，３１　　油圧ポンプ
１３，３３　　メイン油路
１６，３６　　油圧ポンプのレギュレータ
１９，３９　　ネガコン用絞り
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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