JP4870366B2 - 作業器具用の閉回路エネルギ回収システム - Google Patents

Description

本発明はローダ、バックホーまたはその類似物のような作業車の油圧装置用のエネルギ回収回路に関する。

新式の作業車では、作業器具を操作する油圧シリンダに動力を供給するために油圧回路が使用される。このようなシステムは押しのけ容積(displacement)の操作を介して作動液の流量を制御する押しのけ容積可変式のポンプを使用してもよい。変位制御弁を使用し、所望の作業、すなわち例えば油圧シリンダを伸長する、または収縮することを達成するために流体の流れの方向を決定する。変位制御弁(displacement control valve)は発生される圧力を最低限にするため、流体が自由に流れることができるように、すなわち、作業車が地面に沿って推進されると器具が土壌の上に据えられ、その輪郭をなぞる動作モードである浮動を可能にするためにも使用される。

作業車用の圧倒的に大多数の油圧系では、油圧シリンダは伸長位置へと移動する場合よりも収縮位置に移動する場合のほうが発生する動力が少なく、使用する流体が少ない。シリンダが収縮位置から伸長位置に移動する際に、流体媒質内の容積差を補うためにチャージポンプが使用されるが、可変容量形油圧ポンプ(variable displacement hydraulic pump)に流体が不適切に供給されることによるキャビテーションのリスクは完全には排除されない。通常は、キャビテーションのリスクはより高性能の、一般に高価な弁を使用してさらに除去される。

前述のように、従来の作業車では、変位制御弁を使用し、シリンダを収縮する、または伸長するために油圧ポンプからの流れを誘導する。しかし、その結果、変位制御弁の間の圧力損があるので、システムが不効率になる。ある技術文献では、流れの方向を決定するために可変容量形油圧ポンプが使用され、この機能のために変位制御弁を使用する必要をなくしている。しかしこれまでは、このようなシステムは例えば作業ツールが良好に動作するように操作するために、作業車では実際に利用されてきていない。

本明細書では電気油圧式可変容量形油圧ポンプを使用して、変位制御弁をなくした作業車用閉回路油圧系が提供される。容量型ポンプは押しのけ容積の調整を介して流体の流量を制御する。これはさらに、多方向型であるので、作業目的のために流体が流れる方向をも決定する。このように、従来のシステムと比較して補償後の損失が大幅に低減されるシステムが提示され、特許請求される。

前述のように、従来のシステムでは、キャビテーションによる損傷、または誤動作のリスクは複雑かつ高価な弁を使用することによって実質的に軽減される。本明細書ではアキュムレータと、流体の補償のための圧力低下が少ない安価なチェック弁を使用してキャビテーションのリスクを実質的に軽減する装置と方法が提供される。

従来のシステムでは、浮動機能、すなわち作業車が地面に沿って移動されると作業ツールが土壌の上に据えられ、その輪郭をなぞる能力は変位制御弁の機能を介して達成される。しかし、本明細書で提供される閉回路では、流体が弁を通貨する際の定格損に関連する不効率性と共に、変位制御弁は除去される。本明細書では押しのけ容積弁なしで浮動機能を達成する装置と方法が提供される。

本発明の実施形態について、以下の図を参照して詳しく述べる。

図１は本発明を使用できる作業車を示している。図１に示された特定の作業車は垂直ピボット４０によって車両後部３０にピボット連結された車両前部２０を含む車両本体１０を有する関着された四輪駆動ローダ１であり、ローダはこの分野ではよく知られている態様で車両前部２０を車両後部３０に対して枢動させることによって操縦される。車両前部および後部２０および３０はそれぞれ前部駆動輪５０と後部駆動輪６０とに支持されている。車両後部３０には操縦席７０が備えられ、一般に垂直ピボット４０の上方に位置している。車両全部２０はブーム８０と、リンケージアセンブリ８５と、作業ツール９０と、油圧シリンダ１２０とを含んでいる。前部および後部駆動輪５０および６０は車両を地面に沿って推進し、この分野ではよく知られている態様で動力が供給される。

図２は本発明の実施例を表す油圧回路１００を示している。図示されている油圧回路１００は器具を操作するための動力回路１１０と、追加の流体を動力回路に供給するためのチャージ回路１４０とを含んでいる。動力回路１１０は双方向の可変容量形油圧ポンプ１１１と、パイロットチェック弁１１２、１１３と、圧力変換器１１８と、アキュムレータ１１５と、作動液をアキュムレータ１１５に出し入れするための電気油圧流量制御弁１１６、１１７と、電気油圧オーバーライドを有する流量制御、またはパイロット制御圧力逃がし弁１３０、１３１とを組み込んでいる。油圧シリンダ１２０は例えば作業ツール９０を操作するような有効な作業用に必要な動力を得るため、動力回路と流体連通する。油圧シリンダ１２０は第１チャンバ１２０ａと、第２チャンバ１２０ｂと、シリンダロッド１２１と、ハウジング１２２とを含んでいる。シリンダロッド１２１はピストンロッド１２１ａとピストン１２１ｂとを含んでおり、ピストン１２１ｂは第１のピストン側１２１ｃと第２のピストン側１２１ｄとを含んでいる。第１チャンバ１２０ａは第１のピストン側１２１ｃと、第１のピストン側１２１ｃに露出されたハウジング１２２の内表面全体とによって形成されている。第２チャンバ１２０ｂは第２のピストン側１２１ｄと、第２のピストン側１２１ｄに露出されたハウジング１２２の内表面全体とによって形成されている。チャージ回路１４０はチャージポンプ１４１と、チャージポンプ１４１への逆流を防止するためのチェック弁１４２と、チャージポンプ１４１用のパイロット制御圧力逃がし弁１４３と、キャビテーション防止チェック弁１５０とを含んでいる。最後に、流体タンク１６０と、流体フィルタアセンブリ１６１と、流体クーラーアセンブリ１６２とを含んでいる。

動作時には、チャージポンプ１４１は流体タンク１６０から流体を供給することによって油圧ポンプ１１１に充填し、油圧ポンプ１１１はチェック弁１１２および１１３の１つを介して流体を油圧シリンダ１２０に供給する。チェック弁１１３を介して第１チャンバ１２０ａに供給された流体は油圧シリンダ１２０を伸長しようとし、チェック弁１１２を介して第２チャンバ１２０ｂに供給された流体は油圧シリンダ１２０を収縮しようとする。パイロットライン１１２ａは伸長中に加圧されるとチェック弁１１２を開いて、流体が第２チャンバ１２０ｂから油圧ポンプ１１１に流れることができるようにする。パイロットライン１１３ａは収縮中に加圧されるとチェック弁１１３を開いて、流体が第１チャンバから油圧ポンプ１１１に流れることができるようにする。この実施形態では、油圧ポンプ１１１はシリンダロッド１２１を伸長し、また収縮する目的のための加圧流体の唯一の方向付けソースである。

図２から容易に見て取られるように、油圧シリンダ１２０を伸長するにはこれを収縮するよりも多くの流体が必要である。これは完全に伸長されたシリンダロッド１２１の第１チャンバ１２０ａ内は完全に収縮された油圧シリンダ１２０の第２チャンバ１２０ｂ内よりも空き容積が大きいからである。ローダ１のような作業車の定常動作中、一般に伸長中に積荷が持ち上げられるので、油圧回路１００は油圧シリンダ１２０の収縮中よりも伸長中のほうがより多くのエネルギを費やす。このような条件下で、油圧シリンダ１２０は器具９０、リンケージ８５、およびブーム８０の重量を受けて収縮する場合が多いので、伸長工程で使用されるエネルギの一部を油圧シリンダ１２０の収縮中に回収することが可能である。このように、油圧回路１００は流量制御弁１１６を開いて、油圧ポンプ１１１が第２チャンバ１２０ｂに流体を供給するように向けられると、伸長された油圧シリンダ１２０の第１チャンバ１２０ａからの余剰の流体がアキュムレータ１１５内に流入することを可能にする。もちろん、この時点で流量制御弁１１７は閉じたままに留まっている。

アキュムレータ１１５内に蓄積された流体は多様な方法で回収できる。この特定の実施形態では、流体はシリンダロッド１２１の伸長中に回収される。油圧ポンプ１１１がシリンダロッド１２１の伸長側１２１ａに流体を供給するように向けられている場合は、流量制御弁１１７は開くように向けられて、アキュムレータ１１５からの流体が油圧ポンプ１１１の吸い込み側に流れることが可能になり、ひいてはより大きい容積を必要とする側に流体の供給を補給し、チャージポンプ１４１への何らかの潜在的な負荷を軽減する。このような条件下で、チャージポンプ１４１のサイズまたは容量を実際に縮小し、それによって油圧回路１００全体の効率または有効性に悪影響を及ぼすことなくエネルギを節減することが可能になる。

油圧シリンダ１２０の伸長中、アキュムレータ１１５およびチャージポンプ１４１が適正に機能してはいるが、特にアキュムレータ１１５からのエネルギが油圧シリンダ１２０を伸長する以外の何らかの機能に付与されている場合に、油圧ポンプ１１１への流体の供給は、場合によっては不適切になる場合がある。このような環境では、油圧ポンプ１１１の吸い込み側の流体圧は、キャビテーションが可能なレベルまで低下することがある。流体圧がこれらのレベルに近づくと、低圧キャビテーション防止チェック弁１５０は、流体が流体タンク１６０から低圧キャビテーション防止チェック弁１５０を経て流れるようにし、油圧ポンプ１１１への流体の供給を補給できる。

作業回路１０１内の余剰圧力を軽減するために圧力逃がし弁１３０および１３１が備えられている。しかし、例えばローダ１のような作業車の定常動作中、オペレータは作業ツール９０を地面に沿ってスライドさせ、ローダ１が地面に沿って推進されるとともに、土壌の輪郭をなぞりたい場合がある。このような場合は圧力逃がし弁１３０および１３１の電気油圧オーバーライドを使用して、圧力逃がし弁１３０および１３１を遠隔操作で開き、流体がこれらの弁を通って自由に流れることができ、ひいては作業ツール９０が浮動、すなわち地面に沿ってスライドし、最小限の抵抗で土壌の輪郭をなぞることができるようにしてもよい。

図示した実施形態をこれまで説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなくさまざまな修正が可能であることが明らかになる。例えば、アキュムレータ１１５から回収されたエネルギおよび流体をブレーキに向けることができよう。

本発明を利用できる作業車を示す図面である。 図１の作業車用の本発明の油圧回路の実施例の図である。

符号の説明

１０ 車両本体
２０ 車両前部
３０ 車両後部
４０ 垂直ピボット
５０ 前部駆動輪
６０ 後部駆動輪
７０ 操縦席
８０ ブーム
８５ リンケージアセンブリ
９０ 作業ツール
１００ 油圧回路
１１０ 動力回路
１１２、１１３ パイロットチェック弁
１１５ アキュムレータ
１２０ 油圧シリンダ
１２１ ピストン
１２２ ハウジング
１３０、１３１、１４３ パイロット制御圧力逃がし弁
１４０ チャージ回路
１４１ チャージポンプ
１４２ チェック弁
１５０ キャビテーション防止チェック弁
１６０ 流体タンク
１６１ 流体フィルタアセンブリ
１６２ 流体クーラーアセンブリ

Claims (16)

1. 作業車用の閉回路油圧系であって、
   第１チャンバと第２チャンバとを有する油圧シリンダと、
   該油圧シリンダと流体連通し、該油圧シリンダを伸長するように該第１チャンバに、また該油圧シリンダを収縮するように該第２チャンバに選択的にポンピングし誘導し、前記油圧シリンダが重量に抗して伸長し、重量を受けて収縮する、双方向の可変容量形油圧ポンプと、
   前記第１チャンバと流体連通するアキュムレータであって、重量を受けて油圧シリンダが収縮している間、第１チャンバからの流体を蓄積し、油圧シリンダが伸長している間、双方向の可変容量形油圧ポンプへの供給のため流体を補給する、アキュムレータと、
   該双方向の可変容量形油圧ポンプと該油圧シリンダとの間の油圧を軽減するための少なくとも１つの圧力逃がし弁と、を備え、
   前記双方向の可変容量形油圧ポンプは、前記第１チャンバおよび第２チャンバと直接に連通し、少なくとも１つの圧力逃がし弁が電気油圧オーバーライドを含む、
   閉回路油圧系。
2. 前記作業車は作業ツールを含むとともに、前記電気油圧オーバーライドは該作業ツールが浮動できるように前記少なくとも１つの流量制御弁を開く請求項１に記載の閉回路油圧系。
3. 流体タンクと、
   キャビテーション防止チェック弁と、をさらに備え、該キャビテーション防止チェック弁は前記双方向の可変容量形油圧ポンプへの流体の供給時に所定の圧力で開き、該所定の圧力は、該双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側の流体圧力がキャビテーションが発生し得るレベルに近づくとキャビテーションのリスクを軽減するように設定され、該キャビテーション防止弁は、流体タンクからの流体が該双方向の可変容量形油圧ポンプの該吸い込み側の圧力を高めることができるように開く請求項１に記載の閉回路油圧系。
4. 第１アキュムレータ流量制御弁と、
   第２アキュムレータ流量制御弁と、をさらに備え、該第１アキュムレータ流量制御弁は該アキュムレータ、および前記第１チャンバと流体連通し、該第２アキュムレータ流量制御弁は該アキュムレータ、および前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み口と流体連通する請求項１に記載の閉回路油圧系。
5. 前記第１アキュムレータ流量制御弁は伸長された油圧シリンダの収縮中、前記第２アキュムレータ流量制御弁の閉鎖中に開いて、前記アキュムレータが前記第１チャンバからの余剰の流体を蓄積できるようにする請求項４に記載の閉回路油圧系。
6. 前記第２アキュムレータ流量制御弁は収縮されたシリンダの伸長中、前記第１アキュムレータ流量制御弁の閉鎖中に開いて、前記アキュムレータが前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側に前記余剰の流体を逃がすことができるようにする請求項５に記載の閉回路油圧系。
7. 作業車用の閉回路油圧系であって、
   流体タンクと、
   第１チャンバと第２チャンバとを有する油圧シリンダと、
   該油圧シリンダと流体連通し、シリンダロッドを伸長するように流体タンクから伸長側に、またシリンダロッドを収縮するように収縮側に流体を選択的にポンピングし誘導し、前記油圧シリンダが重量に抗して伸長し、重量を受けて収縮する、双方向の可変容量形油圧ポンプと、
   前記第１チャンバと流体連通するアキュムレータであって、重量を受けて油圧シリンダが収縮している間、第１チャンバからの流体を蓄積し、油圧シリンダが伸長している間、双方向の可変容量形油圧ポンプへの供給のため流体を補給する、アキュムレータと、
   キャビテーション防止チェック弁と、をさらに備え、該キャビテーション防止チェック弁は該双方向の可変容量形油圧ポンプへの流体の供給時に所定の圧力で開き、該所定の圧力は、該双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側の流体圧力がキャビテーションを発生し得るレベルに近づくとキャビテーションのリスクを軽減するように設定され、該キャビテーション防止弁は、流体タンクからの流体が該双方向の可変容量形油圧ポンプの該吸い込み側の圧力を高めることができるように開く閉回路油圧系。
8. 閉回路油圧系によって動力が供給される少なくとも１つの器具を有する作業車であって、該閉回路油圧系は、
   伸長側と収縮側とを有するシリンダロッドを有する油圧シリンダと、
   該油圧シリンダと流体連通し、シリンダロッドを伸長するように伸長側に、またシリンダロッドを収縮するように収縮側に選択的にポンピングし誘導し、前記油圧シリンダが重量に抗して伸長し、重量を受けて収縮する、双方向の可変容量形油圧ポンプと、
   前記第１チャンバと流体連通するアキュムレータであって、重量を受けて油圧シリンダが収縮している間、第１チャンバからの流体を蓄積し、油圧シリンダが伸長している間、双方向の可変容量形油圧ポンプへの供給のため流体を補給する、アキュムレータと、
   該双方向の可変容量形油圧ポンプと該油圧シリンダとの間の油圧を軽減するための少なくとも１つの圧力逃がし弁であって、
   前記双方向の可変容量形油圧ポンプは前記伸長側と前記収縮側で前記油圧シリンダと直接連通し、
   前記少なくとも１つの圧力逃がし弁はパイロット制御の圧力逃がし弁を含み、
   前記パイロット制御の圧力逃がし弁は電気油圧オーバーライドを含む、作業車。
9. 前記電気油圧オーバーライドは前記器具が浮動できるように前記パイロット制御の圧力逃がし弁を開く請求項８に記載の作業車。
10. 流体タンクと、
    キャビテーション防止チェック弁と、をさらに備え、該キャビテーション防止チェック弁は前記双方向の可変容量形油圧ポンプへの流体の供給時に所定の圧力で開き、該所定の圧力は、前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側の流体圧力がキャビテーションが発生し得るレベルに近づくとキャビテーションのリスクを軽減するように設定され、該キャビテーション防止弁は、流体タンクからの流体が前記双方向の可変容量形油圧ポンプの該吸い込み側の圧力を高めることができるように開く請求項８に記載の作業車。
11. 第１アキュムレータ流量制御弁と、第２アキュムレータ流量制御弁と、をさらに備え、該第１アキュムレータ流量制御弁は該アキュムレータおよび前記伸長側と流体連通し、該第２アキュムレータ流量制御弁は該アキュムレータおよび前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み口と流体連通する請求項８に記載の作業車。
12. 前記第１アキュムレータ流量制御弁は伸長されたシリンダの収縮中、前記第２アキュムレータ流量制御弁の閉鎖中に開いて、前記アキュムレータが前記伸長側からの余剰の流体を蓄積できるようにする請求項１１に記載の作業車。
13. 前記第２アキュムレータ流量制御弁は収縮されたシリンダの伸長中、前記第１アキュムレータ流量制御弁の閉鎖中に開いて、前記アキュムレータが前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側に前記余剰の流体を逃がすことができるようにする請求項１２に記載の作業車。
14. 閉回路油圧系によって動力が供給される少なくとも１つの器具を有する作業車であって、該閉回路油圧系は、
    流体タンクと、
    伸長側と収縮側とを有するシリンダロッドを有する油圧シリンダと、
    該油圧シリンダと流体連通し、シリンダロッドを伸長するように伸長側に、またシリンダロッドを収縮するように収縮側に流体を選択的にポンピングし誘導し、前記油圧シリンダが重量に抗して伸長し、重量を受けて収縮する、双方向の可変容量形油圧ポンプと、
    前記伸長側と流体連通するアキュムレータであって、重量を受けて油圧シリンダが収縮している間、前記伸長側からの流体を蓄積し、油圧シリンダが伸長している間、双方向の可変容量形油圧ポンプへの供給のため流体を補給する、アキュムレータと、
    キャビテーション防止チェック弁と、をさらに備え、該キャビテーション防止チェック弁は該双方向の可変容量形油圧ポンプへの流体の供給時に所定の圧力で開き、該所定の圧力は、該ポンプの吸い込み側の流体圧力がキャビテーションが発生し得るレベルに近づくとキャビテーションのリスクを軽減するように設定され、該キャビテーション防止弁は、流体タンクからの流体が該双方向の可変容量形油圧ポンプの該吸い込み側の圧力を高めることができるように開く作業車。
15. 流体タンクと、
    該流体タンクからの流体を前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側に供給するチャージポンプと、をさらに備える請求項１に記載の閉回路油圧系。
16. 流体タンクと、
    該流体タンクからの流体を前記双方向の可変容量形油圧ポンプの吸い込み側に供給するチャージポンプと、をさらに備える請求項８に記載の作業車。

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