(57)【要約】【課題】電動機で駆動するパイロットポンプを備えた建設機械において、パイロットポンプの吐出圧が供給されるパイロット油圧源回路の圧力を設定値に保持するにあたり、リリーフ損をなくすと共に、安定した状態で確実に設定値に保持できるようにする。【解決手段】パイロット油圧源回路４６の圧力を検出する圧力センサ４７と、パイロットポンプ用電動機１９のトルクを制御する制御装置２２とを設けると共に、制御装置２２は、前記圧力センサ４７により検出されるパイロット油圧源回路の圧力Ｐを入力し、該検出圧力Ｐとパイロット設定圧Ｐｓとの圧力差ΔＰをなくすべくパイロットポンプ用電動機１９のトルクを制御する。【選択図】図４
2012007652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ作動用やポンプ制御用のパイロット圧の油圧源になるパイロットポンプと、該パイロットポンプを駆動せしめるパイロットポンプ用電動機とを備えてなる建設機械において、パイロットポンプの吐出圧が供給されるパイロット油圧源回路の圧力を予め設定されるパイロット設定圧に保持するにあたり、パイロット油圧源回路の圧力を検出する圧力検出手段と、パイロットポンプ用電動機のトルク或いは回転数を制御する制御装置とを設けると共に、該制御装置は、前記圧力検出手段により検出されるパイロット油圧源回路の圧力を入力し、該パイロットポンプ油圧源回路の圧力と前記パイロット設定圧との圧力差をなくすべくパイロットポンプ用電動機のトルク或いは回転数を制御することを特徴とする建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種パイロット圧の油圧源になるパイロットポンプを備えた油圧ショベル等の建設機械の技術分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、油圧ショベル等の建設機械のなかには、油圧ポンプとして、走行用油圧モータや作業用油圧シリンダ等の各種油圧アクチュエータの油圧源になるメインポンプとは別に、バルブ作動用やポンプ制御用の各種パイロット圧の油圧源となるパイロットポンプを設けたものがある。この様なパイロットポンプは、従来、エンジンに機械的に接続されていてエンジン回転と同期して回転すると共に、パイロットポンプの吐出圧が供給されるパイロット油圧源回路の圧力は、リリーフバルブによって設定圧に保持されるように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。しかるに、この様にリリーフバルブによってパイロット油圧源回路の圧力を設定圧に保持するものにおいては、パイロットポンプの吐出油の一部が常にリリーフバルブから油タンクに流れることになって、エネルギー損失が大きいという問題がある。
一方、近年、油圧ショベル等の建設機械においても、省エネルギー化、燃費の向上、排ガス低減等を達成するべく、ハイブリッド化が図られている。この様なハイブリッド型の建設機械として、前述のパイロットポンプを、該パイロットポンプのみに連結される電動機により駆動するように構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。このものでは、パイロット油圧源回路の圧力が設定値未満になると電動機を起動し、設定値以上になると電動機を停止するように構成されており、これにより、パイロットポンプがエンジンに機械的に接続されている前記特許文献１のものと比して、消費エネルギーの削減が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２２０１７７号公報
【特許文献２】特開２００８−２７５１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、前記特許文献２のものは、前述したように、パイロット油圧源回路の圧力が設定値未満になると電動機を起動し、設定値以上になると電動機を停止する構成であるから、パイロット油圧源回路の圧力は、設定値を中央値として上下変動（振動）する不安定な状態になる。これを回避するためには、電動機の起動時と停止時とで設定値を異ならしめればよいが、そうすると、パイロット油圧源回路の圧力は、起動時の設定値と停止時の設定値との間を上下変動することになる。しかるに、パイロット油圧源回路の圧力が変動すると、例えば、パイロット油圧源回路に、該パイロット油圧源回路の圧力を操作具操作量や制御信号値に応じて減圧してバルブやポンプに出力するパイロットバルブが接続されている場合、操作具操作量や制御信号値が同じであっても、パイロット油圧源回路の圧力変動に伴いパイロットバルブから出力されるパイロット圧も変動してしまうことになって、操作具操作量や制御信号値と出力パイロット圧との関係が安定せず、パイロット圧によるバルブ制御やポンプ制御が不安定になって操作性が悪化するという問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、バルブ作動用やポンプ制御用のパイロット圧の油圧源になるパイロットポンプと、該パイロットポンプを駆動せしめるパイロットポンプ用電動機とを備えてなる建設機械において、パイロットポンプの吐出圧が供給されるパイロット油圧源回路の圧力を予め設定されるパイロット設定圧に保持するにあたり、パイロット油圧源回路の圧力を検出する圧力検出手段と、パイロットポンプ用電動機のトルク或いは回転数を制御する制御装置とを設けると共に、該制御装置は、前記圧力検出手段により検出されるパイロット油圧源回路の圧力を入力し、該パイロットポンプ油圧源回路の圧力と前記パイロット設定圧との圧力差をなくすべくパイロットポンプ用電動機のトルク或いは回転数を制御することを特徴とする建設機械である。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明とすることにより、制御装置の行なうパイロットポンプ用電動機のトルク制御によって、パイロット油圧源回路の圧力を安定した状態で確実にパイロット設定圧に保持することができると共に、リリーフ弁によってパイロット油圧源回路の圧力を一定に保持する場合のように、パイロットポンプの吐出油の一部が常に油タンクに流れてしまうような損失がなく、省エネルギー化を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】油圧ショベルの側面図である。
【図２】油圧ショベルに設けられる制御システムの全体構成を示す図である。
【図３】油圧ショベルに設けられる油圧回路図である。
【図４】パイロットポンプ用電動機のトルク制御の制御手順を示すフローチャート図である。
【図５】パイロットポンプ用電動機の回転数制御の制御手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は本発明が適用される建設機械の一例であるハイブリッド型の油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２、該下部走行体２に旋回自在に支持される上部旋回体３、該上部旋回体３に装着されるフロント作業機４等から構成され、さらに、該フロント作業機４は、ブーム５、アーム６、バケット７等を用いて構成されている。また、上部旋回体３には、動力源としてエンジン８が搭載されている。
【０００９】
次に、図２に基づいて、前記油圧ショベル１を運転せしめる制御システムの全体構成を説明すると、９は前記エンジン８により駆動される発電機であって、該発電機９で発電された電力は、発電機制御器１０、母線１１、電動機制御器（インバータ）１２〜１６を介して、メインポンプ用電動機１７、旋回用電動機１８、パイロットポンプ用電動機１９、冷却ファン用電動機２０、冷却ポンプ用電動機２１に供給されるように構成されている。
【００１０】
前記発電機制御器１０は、発電機９で発電された交流電力を直流に変換すると共に、後述する制御装置２２から出力される制御指令に基づいて、発電機９の出力を制御する。また、電動機制御器１２〜１６は、直流を交流に変換すると共に、制御装置２２からの制御指令に基づいて、メインポンプ用電動機１７、旋回用電動機１８、パイロットポンプ用電動機１９、冷却ファン用電動機２０、冷却ポンプ用電動機２１の駆動、停止、及びトルク或いは回転数を制御する。
【００１１】
さらに、２３はバッテリやキャパシタ等の蓄放電装置であって、該蓄放電装置２３は、発電機制御器１０と電動機制御器１２〜１６との間の母線１１に接続され、発電機９の出力と、メインポンプ用電動機１７、旋回用電動機１８、パイロットポンプ用電動機１９、冷却ファン用電動機２０、冷却ポンプ用電動機２１の出力と間の過不足に応じて、電力を蓄放電するようになっている。
【００１２】
一方、エンジン８は、ガバナ８ａによる噴射量調整により回転数制御されると共に、ガバナ８ａは、制御装置２２から出力される制御指令に基づいて、エンジン回転数を制御するようになっている。
【００１３】
また、前記メインポンプ用電動機１７は、メインポンプ２４を駆動せしめる専用の電動機であり、旋回用電動機１８は、旋回減速機２５を介して上部旋回体３の旋回機構２６を駆動せしめる専用の電動機であり、パイロットポンプ用電動機１９は、パイロットポンプ２７を駆動せしめる専用の電動機であり、冷却ファン用電動機２０は、ラジエータやオイルクーラ等の熱交換器（図示せず）やエンジン８を冷却するための冷却ファン２８を駆動せしめる専用の電動機であり、冷却ポンプ用電動機２１は、冷却装置（図示せず）に冷却媒体を供給する冷却ポンプ２９を駆動せしめるための専用の電動機である。そして、これら電動機１７〜２１の駆動、停止、トルク或いは回転数の制御は、前述したように、制御装置２２から電動機制御器１２〜１６に出力される制御指令に基づいて行なわれるように構成されている。
【００１４】
次いで、油圧ショベル１に設けられる油圧回路について、図３に基づいて説明する。図３において、３０、３１は下部走行体２を走行せしめる左右の走行モータ、３２はブーム５を揺動せしめるブームシリンダ、３３はアーム６を揺動せしめるアームシリンダ、３４はバケット７を揺動せしめるバケットシリンダ、３５〜３９は左右の走行用、ブーム用、アーム用、バケット用のコントロールバルブである。また、２４は前記メインポンプ用電動機１７により駆動されるメインポンプであって、該メインポンプ２４は、前記左右の走行モータ３０、３１、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３３、バケットシリンダ３４の油圧源になる。さらに、２７は前記パイロットポンプ用電動機１９により駆動されるパイロットポンプであって、該パイロットポンプ２７は、後述する左右の走行用、ブーム用、アーム用、バケット用のパイロットバルブ４０〜４４から出力されるパイロット圧の油圧源になる。尚、本実施の形態では、パイロットポンプ２７は定容量型ポンプが用いられている。また、図３中、４５は油タンクである。
【００１５】
前記左右の走行用、ブーム用、アーム用、バケット用のコントロールバルブ３５〜３９は、パイロットポート３５ａ〜３９ａ、３５ｂ〜３９ｂを備えたパイロット作動式のスプール弁であって、上記パイロットポート３５ａ〜３９ａ、３５ｂ〜３９ｂにパイロット圧が入力されることにより、中立位置Ｎから作動位置ＸまたはＹに切換わって、メインポンプ２４の吐出油を左右の走行モータ３０、３１、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３３、バケットシリンダ３４に供給するように構成されている。この場合、作動位置ＸまたはＹのコントロールバルブ３５〜３９のスプール移動量は、パイロットポート３５ａ〜３９ａ、３５ｂ〜３９ｂに入力されるパイロット圧の増減に応じて増減すると共に、スプール移動量に応じてメインポンプ２４から左右の走行モータ３０、３１、ブームシリンダ３２、アームシリンダ３３、バケットシリンダ３４への供給流量が増減制御されるようになっている。
【００１６】
一方、前記左右の走行用、ブーム用、アーム用、バケット用のパイロットバルブ４０〜４４は、入力側がパイロット油圧源回路４６を介して前記パイロットポンプ２７に接続され、出力側が前記左右の走行用、ブーム用、アーム用、バケット用のコントロールバルブ３５〜３９のパイロットポート３５ａ〜３９ａ、３５ｂ〜３９ｂに接続される減圧弁であって、これらパイロットバルブ４０〜４４は、対応する操作具の操作に基づいてコントロールバルブ３５〜３９を作動位置ＸまたはＹに切換えるためのパイロット圧を出力する。この場合、パイロットバルブ４０〜４４は、パイロット油圧源回路４６の圧力を操作具操作量に応じて減圧して出力し、而して、パイロットバルブ４０〜４４から出力されるパイロット圧は、操作具の操作量に応じて増減するように制御される。
【００１７】
ここで、前記パイロット油圧源回路４６は、パイロットポンプ２７からパイロットバルブ４０〜４４に至る回路であって、該パイロット油圧源回路４６にはパイロットポンプ２７の吐出圧が供給される。そして、該パイロット油圧源回路４６の圧力は、圧力センサ（本発明の圧力検出手段に相当する）４７により検出されて、前記制御装置２２に入力されるようになっている。
【００１８】
また、４８はパイロット油圧源回路４６から分岐されて油タンク４５に至るリリーフ油路、４９は該リリーフ油路４８に配されるリリーフ弁であって、該リリーフ弁４９は、パイロット油圧源回路４６の圧力が過剰に上昇した場合に、該パイロット油圧源回路４６の圧油を油タンク４５に逃がすべくリリーフ油路４８を開くように構成されている。尚、上記リリーフ弁４９がリリーフ油路４８を開くリリーフ圧Ｐｒは、後述するパイロット設定圧Ｐｓよりも高圧（Ｐｒ＞Ｐｓ）に設定されていて、パイロット油圧源回路４６の圧力がパイロット設定圧Ｐｓに保持されている状態では、リリーフ弁油路４８は常時閉じているように構成されている。
【００１９】
次いで、前記制御装置２２の行なうパイロットポンプ用電動機１９のトルク制御について、図４のフローチャート図に基づいて説明する。まず、油圧ショベル１が運転開始すると、制御装置２２は、予め設定されたパイロットポンプ２７の運転圧力、つまり、パイロット油圧源回路４６の圧力として予め設定されたパイロット設定圧Ｐｓを入力する（ステップＳ１）。
【００２０】
さらに、前記圧力センサ４７により検出されるパイロット油圧源回路４６の圧力Ｐ（検出圧力Ｐ）を入力する（ステップＳ２）。
【００２１】
次いで、前記パイロット設定圧Ｐｓとパイロット油圧源回路４６の検出圧力Ｐとの圧力差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｓ−Ｐ）を演算する（ステップＳ３）。
【００２２】
続けて、前記ステップＳ３により演算された圧力差ΔＰに基づいて、該圧力差ΔＰをなくすためのパイロットポンプ用電動機１９に対するトルク指令値Ｔｒｃを演算する（ステップＳ４）。該トルク指令値Ｔｒｃの演算は、下記の式（１）を用いて行なう。
Ｔｒｃ＝Ｔｒ０＋ΔＰ×（Ｇ１＋Ｔ１／ｓ）          ・・・（１）
尚、上記式（１）において、Ｔｒ０は基準トルク指令値であって、該基準トルク指令値Ｔｒ０は、パイロット設定圧Ｐｓに応じて予め設定される。また、Ｇ１、Ｔ１、ｓはＰＩ制御（比例積分制御）におけるゲイン、時定数、ラプラス演算子である。
【００２３】
そして、前記ステップＳ４により演算されたトルク指令値Ｔｒｃを、パイロットポンプ用電動機１９を制御する電動機制御器１４に出力する（ステップＳ５）。これによりパイロットポンプ用電動機１９のトルクは、パイロット設定圧Ｐｓとパイロット油圧源回路４６の検出圧力Ｐとの圧力差ΔＰをなくすように制御される。
【００２４】
前記ステップＳ５の処理後は、油圧ショベル１が運転中であるか否かを判断する（ステップＳ６）。該ステップＳ６の判断で「ＹＥＳ」、つまり、運転中と判断された場合には、前記ステップＳ２に戻る。
【００２５】
一方、前記ステップＳ６の判断で「ＮＯ」、つまり、運転停止している判断された場合には、パイロットポンプ用電動機１９を制御する電動機制御器１４に対し、パイロットポンプ用電動機１９を停止させるための指令値、つまり、トルク指令値Ｔｒｃ＝０を出力して終了する。
【００２６】
而して、上記制御装置２２の行なうパイロットポンプ用電動機１９のトルク制御によって、パイロットポンプ用電動機１９は、パイロット設定圧Ｐｓとパイロット油圧源回路４６の検出圧力Ｐとの圧力差ΔＰをなくすべく制御されることになり、これによりパイロットポンプ２７の吐出圧は、パイロット油圧源回路４６の圧力をパイロット設定圧Ｐｓに保持するように制御されるようになっている。
【００２７】
叙述の如く構成された本形態において、油圧ショベル１には、パイロット圧の油圧源になるパイロットポンプ２７と、該パイロットポンプ２７を駆動せしめるパイロットポンプ用電動機１９とが設けられており、さらに、上記パイロットポンプ２７の吐出圧が供給されるパイロット油圧源回路４６の圧力を検出する圧力センサ４７と、上記パイロットポンプ用電動機１９のトルクを制御する制御装置２２とが設けられている。そして、該制御装置２２は、圧力センサ４７により検出されるパイロット油圧源回路４６の圧力を入力し、該パイロットポンプ油圧源回路４６の圧力Ｐと予め設定されたパイロット設定圧Ｐｓとの圧力差ΔＰをなくすべく、パイロットポンプ用電動機１９のトルクを制御することになる。
【００２８】
而して、前記制御装置２２の行なうパイロットポンプ用電動機１９のトルク制御によって、パイロットポンプ２７の吐出圧は、パイロット油圧源回路４６の圧力をパイロット設定圧Ｐｓに保持するように制御されることになる。この結果、リリーフ弁によってパイロット油圧源回路４６の圧力を一定に保持する場合のように、パイロットポンプ２７の吐出油の一部が常に油タンク４５に流れてしまうような損失がなく、省エネルギー化を達成できると共に、パイロット油圧源回路４６の圧力は、パイロットポンプ用電動機１９のトルク制御によって、安定した状態で確実にパイロット設定圧Ｐｓに保持されることになる。そして、該パイロット油圧源回路４６の圧力が安定した状態で確実にパイロット設定圧Ｐｓに保持されることにより、パイロット油圧源回路４６の圧力を操作具操作量に応じて減圧するパイロットバルブ４０〜４４からの出力パイロット圧と操作具操作量との関係が安定し、而して、パイロットバルブ４０〜４４からの出力パイロット圧で作動するコントロールバルブ３５〜３９を、操作具操作量に対応したスプール移動量になるよう精度良く制御できることになって、良好な操作性を確保できる。
【００２９】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されないことは勿論であって、上記実施の形態において、制御装置２２は、パイロット油圧源回路４６の圧力をパイロット設定圧Ｐｓに保持するにあたり、パイロットポンプ用電動機１９のトルクを制御する構成になっているが、図５のフローチャート図に示す如く、パイロットポンプ用電動機１９の回転数を制御するように構成しても良い。この場合、制御装置２２は、パイロット設定圧Ｐｓとパイロット油圧源回路４６の検出圧力Ｐとの圧力差ΔＰをなくすべくパイロットポンプ用電動機１９に対する回転数指令値ωｃを演算（ステップＳ１１）し、該回転数指令値ωｃを、パイロットポンプ用電動機１９を制御する電動機制御器１４に出力する（ステップＳ１２）。上記回転数指令値ωｃの演算は、下記の式（２）を用いて行なう。
ωｃ＝ω０＋ΔＰ×（Ｇ２＋Ｔ２／ｓ）          ・・・（２）
尚、上記式（２）において、ω０は基準回転数指令値であって、該基準回転数指令値ω０は、パイロット設定圧Ｐｓに応じて予め設定される。また、Ｇ２、Ｔ２、ｓはＰＩ制御（比例積分制御）におけるゲイン、時定数、ラプラス演算子である。また、図５のステップＳ８、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１３、Ｓ１４は、前述した図４に示すトルク制御のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ６、Ｓ７とそれぞれ同様であるため、説明は省略する。
そして、この様にパイロットポンプ用電動機１９の回転数を制御する構成にしても、前述したトルクを制御する場合と同様の作用効果を奏し、リリーフ損をなくすことができるとともに、パイロット油圧源回路４６の圧力を、安定した状態で確実にパイロット設定圧Ｐｓに保持することができる。
【００３０】
また、上記実施の形態では、パイロットポンプとして定容量型ポンプが用いられているが、容量可変型ポンプであっても本発明を実施できる。この場合、パイロットポンプは、制御装置からの制御指令に基づいて容量を変化させる容量可変手段を有すると共に、制御装置は、パイロットポンプの回転数が機器仕様や効率等によって求まる適正回転数の範囲内になるように、パイロットポンプの容量可変手段を制御する構成にすることができる。具体的には、前記図５のステップＳ１１において回転数指令値ωｃの演算を行なう場合に、さらに、前記式（２）により演算された回転数指令値ωｃが適正回転数の範囲内であるか否か（ωｌ≦ωｃ≦ωｈ？）を判断し、適正回転数の範囲内であれば、パイロットポンプの容量を変化させることなく上記回転数指令値ωｃをパイロットポンプ用電動機に出力する。一方、式（２）により演算された回転数指令値ωｃが適正回転数の範囲内でない場合には、パイロットポンプ用電動機に対する回転数指令値として適正回転数の下限値ωｌ或いは上限値ωｈを出力すると共に、パイロットポンプの回転数を適正回転数の下限値ωｌ或いは上限値ωｈにするためのパイロットポンプの容量指令値Ｖｃを演算し、該容量指令値Ｖｃを容量可変手段に出力する。これによりパイロットポンプは、パイロット油圧源回路の圧力をパイロット設定圧に保持すると共に、適正回転数の範囲内となるように回転数制御されることになる。
【００３１】
さらに、上記実施の形態では、パイロットポンプは、コントロールバルブのスプール移動用のパイロット圧の油圧源として用いられているが、この様なバルブ作動用のパイロット圧の油圧源としてだけでなく、例えばメインポンプの出力制御用の信号圧となるパイロット圧の油圧源として用いられているものであっても良い。
【００３２】
また、上記実施の形態の油圧ショベルは、エンジンの動力を発電機の発電のみに用いるシリーズ方式のハイブリッド型油圧ショベルであるが、エンジンの動力を発電機の発電とメインポンプの駆動とに用いるパラレル方式のハイブリッド型油圧ショベルであっても、本発明を実施できることは勿論である。さらに、本発明は、ハイブリッド型油圧ショベルに限らず、各種パイロット圧の油圧源になるパイロットポンプと、該パイロットポンプを駆動せしめる電動機とを備えた各種の建設機械に実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、各種パイロット圧の油圧源になるパイロットポンプと、該パイロットポンプを駆動せしめる電動機とを備えた各種の建設機械に利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１９    パイロットポンプ用電動機
２２    制御装置
２７    パイロットポンプ
４６    パイロット油圧源回路
４７    圧力センサ
【図１】
2012007652.tif 000003
【図２】
2012007652.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012007652.tif 000006
【図５】
2012007652.tif 000007