特許 7285380 建設機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-24

(45)【発行日】2023-06-01

(54)【発明の名称】建設機械

(51)【国際特許分類】

   E02F 9/22 20060101AFI20230525BHJP

   F15B 11/00 20060101ALI20230525BHJP

   F15B 11/02 20060101ALI20230525BHJP

   F15B 11/042 20060101ALI20230525BHJP

   F15B 21/14 20060101ALI20230525BHJP

【ＦＩ】

E02F9/22 M

F15B11/00 E

F15B11/02 C

F15B11/042

F15B21/14 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022557536

(86)(22)【出願日】2021-10-18

(86)【国際出願番号】 JP2021038490

(87)【国際公開番号】W WO2022085645

(87)【国際公開日】2022-04-28

【審査請求日】2022-08-16

(31)【優先権主張番号】P 2020175621

(32)【優先日】2020-10-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005522

【氏名又は名称】日立建機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】土方 聖二

(72)【発明者】

【氏名】釣賀 靖貴

(72)【発明者】

【氏名】星野 雅俊

(72)【発明者】

【氏名】八木澤 遼

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２７５７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平５－６４２５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１５－３１３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２９５８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２８１３３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００１０６６３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｆ ９／２２

Ｆ１５Ｂ １１／００

Ｆ１５Ｂ １１／０２

Ｆ１５Ｂ １１／０４２

Ｆ１５Ｂ ２１／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原動機と、
前記原動機によって駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプによって駆動されるアクチュエータと、
前記アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置と、
前記油圧ポンプから前記アクチュエータに供給される圧油の流量を調整可能な第１制御弁と、
前記蓄圧装置から前記アクチュエータに供給される圧油の流量を調整可能な第２制御弁と、
前記アクチュエータの動作を指示するための操作装置と、
前記操作装置から操作信号が入力され、前記第１制御弁および前記第２制御弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、
前記建設機械の作業モードを選択するための作業モード選択装置を備え、
前記コントローラは、前記作業モード選択装置で選択された作業モードに応じて前記アクチュエータの上限出力であるアクチュエータ上限出力を設定し、前記油圧ポンプの出力と前記蓄圧装置の出力との合計が前記アクチュエータ上限出力を超えないように前記第１制御弁および前記第２制御弁を制御する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項2】

請求項１に記載の建設機械において、
前記コントローラは、前記アクチュエータ上限出力の低下に応じて前記油圧ポンプの上限出力であるポンプ上限出力を低下させ、前記油圧ポンプの出力が前記ポンプ上限出力を超えないように前記第１制御弁を制御する
ことを特徴とする建設機械。

【請求項3】

請求項２に記載の建設機械において、
前記コントローラは、前記ポンプ上限出力の低下に応じて前記原動機の回転数を低下させる
ことを特徴とする建設機械。

【請求項4】

請求項１に記載の建設機械において、
前記コントローラは、前記作業モード選択装置で作業性を優先する作業モードが選択された場合に、前記アクチュエータ上限出力を定格回転数で稼働している前記原動機の出力よりも大きい値に設定する
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、油圧ショベル等の建設機械に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、アキュムレータ（蓄圧装置）に蓄えた圧油をブームシリンダに供給し、その分ポンプからブームシリンダに送る流量を低減させることにより、燃費を向上することができる流体圧アクチュエータ制御回路が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－２７５７７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に記載の流体圧アクチュエータ制御回路では、ポンプ流量をアキュムレータ流量分だけ低減させるため、流体圧アクチュエータの速度向上による作業性の向上は期待できない。また、特許文献１には、単にポンプ流量にアキュムレータ流量が追加される場合は、流体圧アクチュエータの速度向上による作業性の向上は期待できるが、ポンプ所要エネルギーを低減することはできず、ポンプ駆動エンジンの燃費低減にはつながらないことが記載されている。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置を搭載し、燃費の向上と作業性の向上とを両立できる建設機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明は、原動機と、前記原動機によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプによって駆動されるアクチュエータと、前記アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置と、前記油圧ポンプから前記アクチュエータに供給される圧油の流量を調整可能な第１制御弁と、前記蓄圧装置から前記アクチュエータに供給される圧油の流量を調整可能な第２制御弁と、前記アクチュエータの動作を指示するための操作装置と、前記操作装置から操作信号が入力され、前記第１制御弁および前記第２制御弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、前記建設機械の作業モードを選択するための作業モード選択装置を備え、前記コントローラは、前記作業モード選択装置で選択された作業モードに応じて前記アクチュエータの上限出力であるアクチュエータ上限出力を設定し、前記油圧ポンプの出力と前記蓄圧装置の出力との合計が前記アクチュエータ上限出力を超えないように前記第１制御弁および前記第２制御弁を制御するものとする。

【0007】

以上のように構成した本発明によれば、アクチュエータの上限出力が油圧ポンプの最大出力と蓄圧装置の最大出力との合計を下回る場合は、油圧ポンプの出力を低下させることにより、燃費を向上させることができる。また、アクチュエータの上限出力が油圧ポンプの最大出力を上回る場合は、油圧ポンプの出力を蓄圧装置の出力で補うことにより、作業性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置を搭載した建設機械において、燃費の向上を図ると共に作業性の向上も図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係る油圧ショベルの側面図である。

【図2】図２に示す油圧ショベルに搭載される油圧駆動装置の回路図である。

【図3】図２に示すコントローラの処理内容を示す図である。

【図4】図２に示す作業モード設定マップの内容を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態に係る建設機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

【0011】

図１は、本実施の形態に係る油圧ショベルの側面図である。

【0012】

図１に示すように、油圧ショベル２００は、走行体２０１と、走行体２０１上に旋回可能に配置され、車体を構成する旋回体２０２と、旋回体２０２に上下方向に回動可能に取り付けられ、土砂の掘削作業等を行う作業装置２０３とを備えている。旋回体２０２は、旋回モータ２０４によって駆動される。

【0013】

作業装置２０３は、旋回体２０２に上下方向に回動可能に取り付けられるブーム２０５と、ブーム２０５の先端に上下方向に回動可能に取り付けられるアーム２０６と、アーム２０６の先端に上下方向に回動可能に取り付けられるバケット２０７とを含んでいる。ブーム２０５はブームシリンダ４によって駆動され、アーム２０６はアームシリンダ２０８によって駆動され、バケット２０７はバケットシリンダ２０９によって駆動される。

【0014】

旋回体２０２上の前側位置には運転室２１０を設けてあり、後側位置には重量バランスを確保するカウンタウエイト２１１を設けてある。運転室２１０とカウンタウエイト２１１の間には機械室２１２を設けてある。機械室２１２には、原動機としてのエンジン、油圧ポンプ、コントロールバルブ２１３等が収容される。コントロールバルブ２１３は、油圧ポンプから各アクチュエータへ供給される圧油の流れを制御する。なお、本発明における原動機はエンジンに限られず、インバータを介して回転数を調整可能なモータであっても良い。

【0015】

図２は、油圧ショベル２００に搭載される油圧駆動装置の回路図である。なお、図２では、ブームシリンダ４の駆動に関わる部分のみを示し、その他のアクチュエータの駆動に関わる部分は省略している。

【0016】

図２において、本実施の形態に係る油圧駆動装置は、動力源であるエンジン２と、エンジン２によって駆動される油圧ポンプ１と、油圧ポンプ１によって駆動されるブームシリンダ４と、油圧ポンプ１からブームシリンダ４に供給される圧油の方向および流量を調整するセンターバイパス型の制御弁３と、油圧ポンプ１によって蓄圧される蓄圧装置としてのアキュムレータ６と、油圧ポンプ１からアキュムレータ６に流入する圧油の流量を調整する制御弁５と、アキュムレータ６からブームシリンダ４に供給される圧油の方向および流量を調整する制御弁７と、油圧ポンプ１の圧油がタンク２０に流れることを防止するセンターバイパスカット弁８と、ブームシリンダ４の動作を指示する操作装置としてのブーム操作レバー１１と、油圧ショベル２００の動作モード（以下、作業モード）を切り換えるための作業モードスイッチ１２と、ブーム操作レバー１１の操作量および作業モードスイッチ１２で設定された作業モードに応じて、油圧ポンプ１の流量、エンジン２の回転数、制御弁３，５，７の流量または開度を制御するコントローラ１０とを備えている。

【0017】

コントローラ１０は、ブーム操作レバー１１が操作されると、レバー操作量に応じて油圧ポンプ１の流量を増加させると共に、レバー操作方向に応じて制御弁３，７の少なくとも一方を切り換え、油圧ポンプ１またはアキュムレータ６からブームシリンダ４の一方の油室に圧油を供給し、他方の油室から排出される作動油をタンク２０に戻すことにより、ブームシリンダ４を伸長または収縮させることができる。また、コントローラ１０は、アキュムレータ６の圧力が低下した場合に制御弁５を開いて油圧ポンプ１からアキュムレータ６に圧油を供給することにより、アキュムレータ６の圧力を保持することができる。

【0018】

また、コントローラ１０は、作業モードスイッチ１２の操作に応じて複数の作業モード（本実施の形態では、通常モード、省エネ優先モード、および作業性優先モード）のうちの１つを選択し、選択した作業モードに応じて、ブームシリンダ４の出力上限値（以下、アクチュエータ上限出力）、油圧ポンプ１の出力上限値（以下、ポンプ上限出力）、およびエンジン２の回転数（以下、エンジン回転数）を設定する。

【0019】

図３は、コントローラ１０の処理内容を示す図である。

【0020】

図３において、操作レバー信号１１１は、ブーム操作レバー１１の操作に応じてコントローラ１０に入力される信号である。作業モードスイッチ信号１１２は、作業モードスイッチ１２の操作に応じてコントローラ１０に入力される信号である。

【0021】

関数発生部１０４は、操作レバー信号１１１（ブーム操作レバー１１の操作量）をブームシリンダ４の出力に変換し、最小値選択部１０５に出力する。

【0022】

作業モード設定マップ１１９は、作業モードスイッチ信号１１２（作業モード）に応じてアクチュエータ上限出力１１６、ポンプ上限出力１１７、およびエンジン回転数１１８を設定し、アクチュエータ上限出力１１６を最小値選択部１０５に出力し、ポンプ上限出力１１７を最小値選択部１０６に出力し、エンジン回転数１１８を出力変換部１１５に出力する。

【0023】

作業モード設定マップ１１９の詳細について図４を用いて説明する。

【0024】

図４において、作業モード設定マップ１１９は、複数の作業モード（省エネ優先モード、通常モード、作業性優先モード）のそれぞれに対するアクチュエータ上限出力１１６、ポンプ上限出力１１７、およびエンジン回転数１１８を記憶している。アクチュエータ上限出力１１６およびポンプ上限出力１１７は、エンジン２が定格回転数（例えば１８００ｒｐｍ）で稼働しているときのエンジン２の出力（以下、エンジン最大出力）に対する比で表し、エンジン回転数１１８は定格回転数に対する比で表している。

【0025】

通常モードでは、アクチュエータ上限出力１１６は１００％に設定され、ポンプ上限出力１１７は８０％に設定され、エンジン回転数１１８は８０％に設定される。アクチュエータ４の出力（最大１００％）に対する油圧ポンプ１の出力（最大８０％）の不足分（最大２０％）はアキュムレータ６の出力によって補われる。これにより、エンジン最大出力相当のアクチュエータ４の出力を得つつ、エンジン２の出力を最大出力の８０％以下に抑えて燃費を向上することができる。なお、本実施の形態では、説明を簡単にするため、バルブの圧損やポンプの損失については考慮せず、アクチュエータ４の出力は油圧ポンプ１の出力とアキュムレータ６の出力との合計に等しいと仮定している。また、アクチュエータとしてブームシリンダ４を例に挙げているが、アクチュエータは特に限定されない。

【0026】

省エネ優先モードでは、アクチュエータ上限出力１１６は８０％に設定され、ポンプ上限出力１１７は６０％に設定され、エンジン回転数１１８は６０％が設定される。アクチュエータ４の出力（最大８０％）に対する油圧ポンプ１の出力（最大６０％）の不足分（最大２０％）はアキュムレータ６の出力によって補われる。これにより、エンジン最大出力の８０％相当のアクチュエータ４の出力を得つつ、エンジン２の出力を最大出力の６０％以下に抑えて燃費をさらに向上することができる。

【0027】

作業性優先モードでは、アクチュエータ上限出力１１６は１２０％に設定され、ポンプ上限出力１１７は１００％に設定され、エンジン回転数１１８は１００％に設定される。アクチュエータ４の出力（最大１２０％）に対する油圧ポンプ１の出力（最大１００％）の不足分（最大２０％）はアキュムレータ６の出力によって補われる。これにより、エンジン最大出力よりも大きなアクチュエータ４の出力を得ることができる。

【0028】

各作業モードにおいて、ポンプ上限出力をアクチュエータ上限出力からアキュムレータ６の最大出力（２０％）を引いた値に設定することにより、アキュムレータ６の出力を最大限利用し、油圧ポンプ１の出力を最小限に抑えることができる。また、エンジン回転数をポンプ上限出力と同等の比率に設定することにより、エンジン２の出力を必要最小限に抑えることができる。

【0029】

図３に戻り、最小値選択部１０５は、関数発生部１０４からのアクチュエータ出力および作業モード設定マップ１１９からのアクチュエータ上限出力１１６のうち、小さい方をアクチュエータ出力として選択し、最小値選択部１０６および減算部１０８に出力する。これにより、アクチュエータ４の出力をアクチュエータ上限出力１１６以下に制限することができる。

【0030】

最小値選択部１０６は、最小値選択部１０５からのアクチュエータ出力および作業モード設定マップ１１９からのポンプ上限出力１１７のうち、小さい方をポンプ出力として選択し、減算部１０８、出力変換部１１３、および出力変換部１１４に出力する。これにより、油圧ポンプ１の出力をポンプ上限出力１１７以下に制限することができる。

【0031】

減算部１０８は、最小値選択部１０５からのアクチュエータ出力から最小値選択部１０６からのポンプ出力を引いてアキュムレータ出力を算出し、出力変換部１０９に出力する。これにより、アクチュエータ４の出力に対する油圧ポンプ１の出力の不足分をアキュムレータ６の出力で補うことができる。

【0032】

出力変換部１０９は、アキュムレータ６の出力を減算部１０８からのアキュムレータ出力と一致させるための制御弁制御信号１０７を制御弁７に出力する。出力変換部１１３は、最小値選択部１０６からのポンプ出力を制御弁３の操作量に変換し、当該操作量に応じた制御弁制御信号１０３を制御弁３に出力する。出力変換部１１４は、油圧ポンプ１の出力を最小値選択部１０６からのポンプ出力と一致させるためのポンプ制御信号１０１を油圧ポンプ１に出力する。出力変換部１１５は、エンジン２の回転数を作業モード設定マップ１１９からのエンジン回転数１１８と一致させるためのエンジン制御信号１０２をエンジン２に出力する。
（効果）
本実施の形態では、原動機２と、原動機２によって駆動される油圧ポンプ１と、油圧ポンプ１によって駆動されるアクチュエータ４と、アクチュエータ４の戻り油を蓄える蓄圧装置６と、油圧ポンプ１からアクチュエータ４に供給される圧油の流量を調整可能な第１制御弁３と、蓄圧装置６からアクチュエータ４に供給される圧油の流量を調整可能な第２制御弁７と、アクチュエータ４の動作を指示するための操作装置１１と、操作装置１１から操作信号が入力され、第１制御弁３および第２制御弁７に制御信号を出力するコントローラ１０とを備えた建設機械２００において、建設機械２００の作業モードを選択するための作業モード選択装置１２を備え、コントローラ１０は、作業モード選択装置１２で選択された作業モードに応じてアクチュエータ４の上限出力であるアクチュエータ上限出力を設定し、油圧ポンプ１の出力と蓄圧装置６の出力との合計が前記アクチュエータ上限出力を超えないように第１制御弁３および第２制御弁７を制御する。

【0033】

以上のように構成した本実施の形態によれば、アクチュエータ４の上限出力が油圧ポンプ１の最大出力と蓄圧装置６の最大出力との合計を下回る場合は、油圧ポンプ１の出力を低下させることにより、燃費を向上させることができる。また、アクチュエータ４の上限出力が油圧ポンプ１の最大出力を上回る場合は、油圧ポンプの出力を蓄圧装置６の出力で補うことにより、作業性を向上させることができる。

【0034】

また、本実施の形態におけるコントローラ１０は、前記アクチュエータ上限出力の低下に応じて油圧ポンプ１の上限出力であるポンプ上限出力を低下させ、油圧ポンプ１の出力が前記ポンプ上限出力を超えないように第１制御弁３を制御する。これにより、蓄圧装置６の出力を最大限利用し、油圧ポンプ１の出力を最小限に抑えることができる。

【0035】

また、本実施の形態におけるコントローラ１０は、前記ポンプ上限出力の低下に応じて原動機２の回転数を低下させる。これにより、エネルギー効率の高い領域で原動機２を使用することができ、燃費をさらに向上させることができる。

【0036】

また、本実施の形態におけるコントローラ１０は、作業モード選択装置１２で作業性を優先する作業モード（作業性優先モード）が選択された場合に、前記アクチュエータ上限出力を定格回転数で稼働している原動機２の出力（１００％）よりも大きい値（１２０％）に設定する。これにより、アクチュエータ４の出力を原動機２の最大出力よりも大きくすることができる。

【0037】

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0038】

１…油圧ポンプ、２…エンジン（原動機）、３…制御弁（第１制御弁）、４…ブームシリンダ（アクチュエータ）、５…制御弁、６…アキュムレータ（蓄圧装置）、７…制御弁（第２制御弁）、８…センターバイパスカット弁、１０…コントローラ、１１…ブーム操作レバー（操作装置）、１２…作業モードスイッチ（作業モード選択装置）、２０…タンク、１０１…ポンプ制御信号、１０２…エンジン制御信号、１０３…制御弁制御信号、１０４…関数発生部、１０５…最小値選択部、１０６…最小値選択部、１０７…制御弁制御信号、１０８…減算部、１０９…出力変換部、１１１…操作レバー信号、１１２…作業モードスイッチ信号、１１３…出力変換部、１１４…出力変換部、１１５…出力変換部、１１６…アクチュエータ上限出力、１１７…ポンプ上限出力、１１８…エンジン回転数、１１９…作業モード設定マップ、２００…油圧ショベル（建設機械）、２０１…走行体、２０２…旋回体、２０３…作業装置、２０４…旋回モータ（アクチュエータ）、２０５…ブーム、２０６…アーム、２０７…バケット、２０８…アームシリンダ（アクチュエータ）、２０９…バケットシリンダ（アクチュエータ）、２１０…運転室、２１１…カウンタウエイト、２１２…機械室、２１３…コントロールバルブ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】