JP2008274887A - 油圧ユニット及びそれを備えた建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】可変容量型ポンプと、該可変容量型ポンプを駆動する回転数制御自在な電動機とを備えた油圧ユニットにおいて、ポンプの回転数と容量との組み合わせを適切に選択することにより、ポンプの効率を向上させる。
【解決手段】流量調整手段によって、可変容量型ポンプの容量を最大に保ち、電動機の回転数制御により流量を調整する第１領域Ａと、電動機の回転数を第１領域Ａよりも低い最低回転数に保ち、可変容量型ポンプの容量を変化させて流量を調整する第２領域Ｂと、第１領域Ａよりも可変容量型ポンプの吐出圧力が大きい範囲で、吐出圧力と電動機の最大軸トルクとから導かれる可変容量型ポンプの許容最大容量を保ちながら、電動機の回転数を最低回転数よりも大きい範囲で変化させて流量を調整する第３領域Ｃとの間で切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変容量型ポンプと、該可変容量型ポンプを駆動する回転数制御自在な電動機とを有する油圧ユニット及びそれを備えた建設機械に関するものである。

油圧ショベルのような建設機械では、搭載するディーゼルエンジンに可変容量油圧ポンプを同軸に直結し、必要流量の増減をエンジンの回転数を変えずにポンプ容量(１回転当たり吐出量）の変化で行う油圧ユニットは従来より知られている。

ここで、エンジンと、エンジンに駆動される可変容量型ポンプとを備えた油圧ユニットについて説明する。この油圧ユニットにおいて、エンジンの定格回転数２４００ｒｐｍ、ポンプの容量可変範囲０〜５４ｃｃ／ｒｅｖ、ポンプの許容圧力２５ＭＰａ、ポンプの定馬力機構設定２０ｋＷとすると、図７に示すように、エンジン回転数を定格の２４００ｒｐｍに保ち、ポンプ容量を５４ｃｃ／ｒｅｖから減じることにより、ポンプの吐出量（流量）が１３０Ｌ／ｍｉｎから順次減少するようになっている。油圧シリンダや油圧モータなどのアクチュエータの速度変化は、ポンプの流量変化に直接関係しているので、アクチュエータの作動に合わせて随時ポンプの流量は変更されるようになっている。

例えば、特許文献１には、エンジンと、エンジンにより駆動される可変容量型ポンプと、可変容量型ポンプに作用する負荷圧力と容量との積がほぼ一定になるように制御するポンプ出力制御手段とを備えた建設機械の制御装置が開示されている。
特開平１１−２９３７１０号公報

しかしながら、従来の油圧ユニットでは、アクチュエータの速度を変化させるためにポンプの流量を変化させようとすると、エンジンは、瞬時の回転数変化が行えないため、ポンプの回転数は変えずに、その容量を変化させて行う必要がある。

油圧ショベル等の建設機械で一般に使用される可変容量型ポンプは、斜板式ピストン油圧ポンプである。図１０に示すように、斜板式ピストン油圧ポンプでは、回転数を変えずに、ポンプ容量を半減させて流量を半減させると、ポンプの効率が１０％程度下がるため、小流量のときは効率が悪いという問題があった。これに比べ、図８に示すように、ポンプの容量を変えず、回転数を2400ｒｐｍから1200ｒｐｍに半減させてポンプ流量を半減させると場合は、ポンプの効率の低下は約２％にすぎない。また、図９に示すように電動機の特性では、軸トルクを変えずに回転数を2400ｒｐｍから1200ｒｐｍに半減させてポンプ流量を半減させる場合は電動機の効率低下は約２％にすぎない。

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、ポンプの回転数と容量との組み合わせを適切に選択することにより、ポンプの効率を向上させることにある。

エンジンの他に発電機と回転数制御自在な電動機を備え、エンジンの動力はすべて発電機駆動に使い、発生した電力で電動機を駆動して直結された油圧ポンプを回すシリーズ方式ハイブリッドショベルについて、油圧ポンプ小流量時の効率改善ができる制御方式を提案する。

一般に、可変容量型油圧ポンプではポンプ容量大の方が効率がよい(図１０)。ポンプの容量をできるだけ大きく保ち、流量の変更は瞬時に回転数変更可能な電動機(37)の回転数を優先して変化させる方針で、可変容量ポンプ(38,39)の運転領域を区分する。

具体的には、第１の発明では、可変容量型ポンプ（38）と、該可変容量型ポンプ（38）を駆動する回転数制御自在な電動機（37）とを備えた油圧ユニット（50）を対象とする。

上記油圧ユニット（50）は、
上記可変容量型ポンプ（38）の容量を最大に保ち、上記電動機（37）の回転数制御により流量を調整する第１領域Ａと、
上記電動機（37）の回転数をある程度油圧ポンプの効率が維持できる（上記第１領域Ａよりも低い）最低回転数に保ち、上記上記可変容量型ポンプ（38）の容量を変化させて流量を調整する第２領域Ｂと、
上記第１領域Ａよりも可変容量型ポンプ（38）の吐出圧力が大きい範囲で、ポンプ容量を該吐出圧力と上記電動機（37）の最大軸トルクとから導かれる可変容量型ポンプ（38）の許容最大容量にして、上記電動機（37）の回転数を上記最低回転数よりも大きい範囲で変化させて流量を調整する第３領域Ｃとの間で切り換える流量調整手段（51）を備えている。

上記の構成によると、第１領域Ａにおいては、可変容量型ポンプ（38）の容量を効率の最もよい最大に保ちながら、回転数制御自在な電動機（37）の回転数を変化させることで流量が調整される。第２領域Ｂにおいては、ポンプ（38 ）の回転数を最低回転数に保ちながら、可変容量型ポンプ（38）の容量を変化させて流量が調整される。第３領域Ｃは、第１領域Ａよりも可変容量型ポンプ（38）の吐出圧力が大きい範囲を対象とし、そのときの吐出圧力と電動機（37）の最大軸トルクから導かれる可変容量型ポンプ（38）の許容最大容量にし、これに合わせて回転数を変化させて流量を調整する。この許容最大容量は、吐出圧力に反比例して変化する。また、このときの電動機（37）の回転数は、第２領域Ｂの最低回転数よりも大きい範囲とする。このようにして、できるだけ可変容量型ポンプ（38）の容量を大きく保ち、回転数の変更容易な電動機（37）の回転数を優先して変化させて流量を調整することにより、可変容量型ポンプ（38）の効率の低下が確実に防止される。

第２の発明では、第１の発明において、
上記電動機（37）の回転数制御は、インバータ制御によって行われる。

上記の構成によると、電動機（37）の回転数は、インバータ制御により容易に変更可能であるので、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら、容易に可変容量型ポンプ（38）の流量が調整される。

第３の発明では、第２の発明において、
建設機械は、
エンジン（31）と、
上記エンジン（31）に駆動される発電機（32）とを備え、
上記電動機（37）には、上記発電機（32）の電力がインバータ（34）を介して供給される。

上記の構成によると、そのときのショベルの作業負荷やエンジン(31)の回転数とは関係なくエンジンは常に一定の出力トルクと回転数で連続運転して発電機を駆動し、得られた電力はインバータ制御により容易に変更して電動機（37）に伝達可能であるので、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら、容易に可変容量型ポンプ（38）の流量が調整される。このため、建設機械のアクチュエータの作業性を悪化させないで、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の作動が行われる。

第４の発明では、第３の発明において、
建設機械は、油圧ショベル（1 ）とする。

上記の構成によると、油圧ショベル（1 ）は、クレーン車をはじめとする他の建設機械と比較して、アクチュエータを多数搭載している上にアクチュエータの作動速度変化が頻発する。具体的には、各種シリンダの伸縮動作を頻繁に行うと共に、旋回速度が高速から低速へと頻繁に変化する。このような油圧ショベル（1 ）において、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の作動が可能であるため、作業効率が向上する。

以上説明したように、上記第１の発明によれば、第１〜第３領域に可変容量型ポンプ（38）の回転数と容量との分布を分割し、可変容量型ポンプ（38）の容量を効率のよい量に保つように、回転数の変更容易な電動機（37）の回転数を優先して変化させて流量を調整している。このため、可変容量型ポンプ（38）の効率を最大限に向上させることができる。

上記第２の発明によれば、電動機（37）の回転数制御をインバータ制御によって行うことにより、極めて容易に効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら流量を調整することができる。

上記第３の発明によれば、建設機械のエンジン（31）に駆動される発電機（32）の電力をそのときのショベルの作業負荷やエンジン（31）の回転数とは関係なくインバータ（34）を介して変化させて電動機（37）に供給することにより、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら流量を調整することができるので、建設機械の作業効率を格段に向上させることができる。

上記第４の発明によれば、建設機械を、アクチュエータを多数搭載し、その作動速度変化が頻発する油圧ショベル（1 ）としたことにより、可変容量型ポンプ（38）を効率よく作動させることができるので、作業効率が格段に向上する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−油圧ショベルの構成−
図２は本発明の実施形態の油圧ユニットを備えた建設機械としての油圧ショベル（1 ）を示す。この油圧ショベル（1 ）は、左右の走行モータ（2, 2）により走行可能な下部走行体（4 ）を備えている。走行モータ（2, 2）は、油圧モータとする。下部走行体（4 ）は、前側にドーザブレード（5 ）が、ブレードシリンダ（6 ）により起伏可能に連結されている。

この下部走行体（4 ）の上に上部旋回体（10）が旋回可能に載置されている。上部旋回体（10）は、油圧モータよりなる旋回モータ（11）により旋回されると共に、スイベルジョイント（12）により、両者間で電気及び油圧が伝達されるようになっている。

上部旋回体（10）には、アタッチメントとして、ブーム（19）が起伏可能に設けられている。ブーム（19）は、ブームシリンダ（20）を伸縮させることで起伏可能となっている。このブーム（19）には、先端にバケット（21）を有するアーム（22）がオフセット且つ揺動可能に接続されている。すなわち、ブームオフセットシリンダ（23）により、アーム（22）が水平方向にオフセット自在となり、アームシリンダ（24）により、アーム（22）が上下方向に揺動自在となっている。バケット（21）は、バケットシリンダ（25）を伸縮させることで上下方向に揺動自在に構成されている。

図３は油圧ショベル（1 ）の油圧システム（30）を示す。油圧ショベル（1 ）は、ディーゼルエンジン（ガソリンエンジンでもよい）等よりなるエンジン（31）と、このエンジン（31）に駆動される発電機（32）とを備えている。この発電機（32）は、エンジン（31）の出力軸に直結されている。このため、発電機（32）自体の回転数は、エンジン（31）の回転数に追随するため、瞬時に変更することはできない。発電機（32）には、コンバータ（33）が接続され、このコンバータ（33）において、発電機（32）で発電された交流電力が直流電力に整流される。コンバータ（33）には、例えば、インバータ（34）とキャパシタ（35）と、バッテリ（36）とが接続されている。コンバータ（33）で整流された直流電力がインバータ（34）に送られ、余った直流電力がキャパシタ（35）及びバッテリ（36）に蓄えられるようになっている。

上記インバータ（34）において、直流電力がインバータ制御されて電動機（37）に供給される。電動機（37）は、エンジン（31）に直結されていないので、エンジン（31）の回転数とは関係なく回転数制御が自在となっている。

上記電動機（37）には、可変容量ポンプ(38)が直結され各種アクチュエータに油を供給する。この部分は従来の油圧ショベルと差異はない。

油圧ユニット（50）は、流量調整手段（51）を備えたコントローラ（52）によって図６に示すフローチャートのように制御される。流量調整手段（51）には、第１〜第３領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割された効率マップが予めインプットされている。すなわち、図１に示すように、第１領域Ａは、可変容量型ポンプ（38）の容量を最大に保ちながら、電動機（37）の回転数制御により流量を調整する領域とされている。第２領域Ｂは、電動機（37）の回転数をある程度の効率が維持できる最低回転数に保ちながら、可変容量型ポンプ（38）の容量を変化させて流量を調整する領域とされている。第３領域Ｃは、第１領域Ａよりも可変容量型ポンプ（38）の吐出圧力が大きい範囲で、その吐出圧力と電動機（37）の最大軸トルクとから導かれる可変容量型ポンプ（38）の許容最大容量を保ちながら、電動機（37）の回転数を第２領域Ｂの最低回転数よりも大きい範囲で変化させて流量を調整する領域とされている。これら第１〜第３領域Ａ，Ｂ，Ｃの間を適宜行き来することで最適な制御が行われるようになっている。

−作動−
次に、本実施形態にかかる油圧ユニット（50）の作動について具体的な例を図１、図４及び図５用いて説明する。

この油圧ユニット（50）は、５ｔｏｎ級の油圧ショベル（1 ）に用いられるものとし、エンジン（31）の定格回転数は２４００ｒｐｍ、電動機（37）の回転数可変範囲は０〜２４００ｒｐｍ、可変容量型ポンプ（38）の容量可変範囲は０〜５４ｃｃ／ｒｅｖ、可変容量型ポンプ（38）の許容圧力は２５ＭＰａ、ポンプの定馬力機構設定は２０ｋＷとする。最大容量５４ｃｃ／ｒｅｖ×最大回転数２４００ｒｐｍのときに最大流量１３０Ｌ／ｍｉｎとなる。

可変容量型ポンプ（38）の実用可能な、ある程度の効率を出せる範囲として、実用容量可変範囲を２０〜５４ｃｃ／ｒｅｖ、実用回転数範囲を５００〜２４００ｒｐｍとする。

第１領域Ａでは、可変容量型ポンプ（38）の容量は、最大の５４ｃｃ／ｒｅｖ（一定）、圧力０〜９ＭＰａ、回転数５００〜２４００ｒｐｍを範囲とする。容量を最も効率のよい５４ｃｃ／ｒｅｖに保って、回転数や吐出圧力が選択され流量が決定される。具体的には、図５に示すように、回転数に比例した流量になる。

第２領域Ｂでは、可変容量型ポンプ（38）の回転数は最低回転数の５００ｒｐｍ（一定）、容量は、０〜５４ｃｃ／ｒｅｖ、圧力０〜２５ＭＰａを範囲とする。図４に示すように、回転数を５００ｒｐｍに固定したまま、容量を変化させることで、容量に比例した流量になる。

第３領域Ｃでは、可変容量型ポンプ（38）の容量は、２０〜５４ｃｃ／ｒｅｖ、圧力９〜２５ＭＰａ、回転数５００〜２４００ｒｐｍを範囲とする。吐出圧力と電動機（37）の最大軸トルクから可変容量ポンプ（38）の許容最大容量が決まり、この値に対応して回転数を調整して必要流量に合わせる。図４に示すように、許容最大容量は吐出圧力に反比例して54ｃｃ／ｒｅｖから変化する。

具体的に作動フローを説明する。

図６に示すように、まず、ステップ１０において、油圧ショベル（1 ）のアクチュエータを使用するために運転者がレバー操作を行う。

ステップ１１において、コントローラ（52）が、ポンプの運転状態を現状よりも、圧力を上げる／下げる、流量を上げる／下げるのそれぞれどちらに変更させるか指令する。

次いで、ステップ１２において、流量調整手段（51）に記憶された効率マップを参照し、現在の位置を確認する。

次いで、ステップ１３において、アクチュエータの要求方向へ１単位だけポンプの運転状態を変化させるための電動機（37）の回転数、軸トルク、及びポンプ容量の目標値が効率マップから導き出される。

次いで、ステップ１４において、コントローラ（52）によりポンプ容量を目標値へ変化させる。同時にステップ１５において、コントローラ（52）により電動機（37）の回転数及び軸トルクを目標値に変化させる。

次いで、ステップ１６において、アクチュエータがコントローラ（52）の指令に従って作動する。

次いで、ステップ１７において、このアクチュエータの動きが運転者の望みとおりのものか、コントローラ（52）又は運転者が判断する。

望み通りであれば、ステップ１８において、制御が完了し、可変容量型ポンプ（38）及び電動機（37）はその状態で作動が継続される。望みとおりでなければ、ステップ１１又はステップ１０に戻って繰り返す。

以上説明したように、随時マップを参照することで、第１領域Ａにおいては、可変容量型ポンプ（38）の容量を効率の最もよい最大に保ちながら、回転数制御自在な電動機（37）の回転数を変化させることで流量が調整される。第２領域Ｂにおいては、ポンプ（38）の回転数として使用可能な、第１領域Ａよりも低い最低回転数に保ちながら、可変容量型ポンプ（38）の容量を変化させて流量が調整される。第３領域Ｃにおいては、吐出圧力と電動機の最大軸トルクで決まる可変容量型ポンプ（38）の許容最大容量を保ちながら、電動機（37）の回転数を最低回転数よりも大きい範囲で変化させて流量が調整される。このようにして、できるだけ可変容量型ポンプ（38）の容量を許容される最大値に保って、回転数の変更容易な電動機（37）の回転数を優先して変化させて流量を調整することにより、可変容量型ポンプ（38）の効率の低下が確実に防止される。

また、エンジン（31）に直結された発電機（32）で発電された電力は、そのときのショベルの作業負荷やエンジン（31）の回転数とは関係なくインバータ制御により容易に変更して電動機（37）に伝達可能であるので、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら、電動機の回転数変化で容易に可変容量型ポンプ（38）の流量が調整される。このため、油圧ショベル（1 ）のアクチュエータの作業性を悪化させないで、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の作動が可能である。

−実施形態の効果−
したがって、本実施形態によると、可変容量型ポンプ（38）の回転数と容量との分布を第１〜第３領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割し、可変容量型ポンプ（38）の容量を効率のよい量に保つように、回転数の変更容易な電動機（37）の回転数を優先して変化させて流量を調整したことにより、可変容量型ポンプ（38）の効率を最大限に向上させることができる。

エンジン（31）に駆動される発電機（32）の電力をそのときのショベルの作業負荷やエンジン（31）の回転数とは関係なくインバータ（34）を介して電動機（37）に供給することにより、効率のよい可変容量型ポンプ（38）の容量を保ちながら流量を調整することができるので、油圧ショベル（1 ）の作業効率が格段に向上する。

アクチュエータを多数搭載し、その作動速度変化が頻発する油圧ショベル（1 ）において、作業効率の向上は著しい。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態では、走行モータ（2, 2）、旋回モータ（11）は、油圧モータとしたが、電動モータであってもよい。その場合には、インバータ（34）から電力を供給すればよい。

ハイブリッドショベルでなく、エンジンを持たない有線電動油圧ショベル、バッテリ式電動油圧ショベルでもよい。

上記実施形態では、建設機械として油圧ショベル（1 ）の例を示したが、クレーンや土木機械など、油圧式アクチュエータを備えたものであれば特に限定されない。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、特に油圧ショベルに代表される建設機械などに使用される油圧ユニットについて有用である。

本発明の実施形態にかかる効率マップを示すグラフである。 本発明の実施形態にかかる油圧ユニットを備えた油圧ショベルの斜視図である。 油圧ショベルの油圧システムを示す概略図である。 図１の効率マップについて、ポンプ容量の移り変わりを示す。 図１の効率マップについて、ポンプ回転数の移り変わりを示す。 流量調整手段を利用した制御を示すフローチャートである。 従来の流量制御の効率マップを示すグラフである。 ポンプの容量一定で回転数を変化させたときの斜板式可変ピストンポンプの効率分布図である。 電動機の軸トルクを変えずに回転数を変化させたときの電動機の効率分布図である。 回転数を変えずに、ポンプ容量を変化させたときの斜板式可変ピストンポンプの効率分布図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル（建設機械）
３１ エンジン
３２ 発電機
３４ インバータ
３７ 電動機
３８ 可変容量型ポンプ
５０ 油圧ユニット
５１ 流量調整手段

Claims (4)

1. 可変容量型ポンプ（38）と、該可変容量型ポンプ（38）を駆動する回転数制御自在な電動機（37）とを備えた油圧ユニットにおいて、
   上記可変容量型ポンプ（38）の容量を最大に保ち、上記電動機（37）の回転数制御により流量を調整する第１領域Ａと、
   上記電動機（37）の回転数を上記第１領域Ａよりも低い最低回転数に保ち、上記可変容量型ポンプ（38）の容量を変化させて流量を調整する第２領域Ｂと、
   上記第１領域よりも可変容量型ポンプ（38）の吐出圧力が大きい範囲で、該吐出圧力と上記電動機（37）の最大軸トルクとから導かれる可変容量型ポンプ（38）の許容最大容量を保ちながら、上記電動機（37）の回転数を上記最低回転数よりも大きい範囲で変化させて流量を調整する第３領域Ｃとの間で切り換える流量調整手段（51）を備えている
   ことを特徴とする油圧ユニット。
2. 請求項１に記載の油圧ユニットにおいて、
   上記電動機（37）の回転数制御は、インバータ制御によって行われる
   ことを特徴とする油圧ユニット。
3. 請求項２に記載の油圧ユニット（50）と、
   エンジン（31）と、
   上記エンジン（31）に駆動される発電機（32）とを備え、
   上記電動機（37）には、上記発電機（32）の電力がインバータ（34）を介して供給される
   ことを特徴とする建設機械。
4. 油圧ショベル（1 ）である
   ことを特徴とする請求項３に記載の建設機械。

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