液压作业机的泵控制装置、泵控制方法以及工程机械 【技术领域】
本发明涉及用于控制由发动机驱动的多个液压泵的液压作业机的泵控制装置、泵控制方法以及工程机械。
背景技术
作为这种泵控制装置，公知有以下专利文献1记载的装置。根据专利文献1记载的装置，如下所述地对由发动机驱动的执行机构驱动用液压泵和风扇驱动用液压泵进行控制。即，根据冷却水温、润滑油温计算冷却风扇的必要转速，根据该必要转速控制风扇驱动用液压泵的喷出流量。而且，利用该喷出流量计算风扇驱动用液压泵的吸收扭矩，根据吸收扭矩的增减来调整执行机构驱动用液压泵的吸收扭矩。由此将未在风扇驱动用液压泵中使用的吸收扭矩分配成执行机构驱动用液压泵的吸收扭矩。
专利文献1：日本特开2005-188674号公报
【发明内容】
但是，在上述专利文献1记载的装置中，由于根据发动机转速的检测值来控制液压泵，所以在发动机转速变动的情况下，泵的控制就变得不稳定。
本发明的第1方式是，一种液压作业机的泵控制装置，包括：用于设定发动机的目标转速的转速设定装置；将发动机转速控制成目标转速的转速控制装置；由发动机驱动的作业用液压执行机构驱动用的第1可变液压泵；由发动机驱动的冷却风扇驱动用的第2可变液压泵；和泵控制装置，控制第1可变液压泵的喷出流量以及第2可变液压泵的喷出流量，使得第1可变液压泵的吸收扭矩和第2可变液压泵的吸收扭矩之和不超过由目标转速预先确定的发动机输出扭矩，泵控制装置进行如下控制：(a)根据目标转速和能够获得冷却风扇所必需的冷却风量的第2可变液压泵的目标喷出流量来控制第2可变液压泵的喷出流量，并且，(b)计算第2可变液压泵的吸收扭矩，并从由目标转速预先确定的发动机输出扭矩中减去第2可变液压泵的吸收扭矩，由此对第1可变液压泵的吸收扭矩进行限制控制。
第1方式的液压作业机的泵控制装置优选还包括用于检测润滑油温的油温检测装置和用于检测发动机冷却水温的水温检测装置中的至少一个，泵控制装置根据与由油温检测装置检测出的润滑油温相应的目标流量和与由水温检测装置检测出的发动机冷却水温相应的目标流量中的至少一个，计算第2可变液压泵的目标喷出流量。
第1方式的液压作业机的泵控制装置优选还包括用于检测来自作业用液压执行机构的返回油的油温(以下称为工作油温)的油温检测装置和用于发动机冷却水温的水温检测装置中的至少一个，泵控制装置根据与由油温检测装置检测出的工作油温相应的目标流量和与由水温检测装置检测出的发动机冷却水温相应的目标流量中的至少一个，计算第2可变液压泵的目标喷出流量。
第1方式的液压作业机的泵控制装置优选还包括：用于检测发动机的实际转速的转速检测装置；和修正扭矩计算装置，计算与由转速检测装置检测出的实际转速和由转速设定装置设定的目标转速之间的偏差相应的修正扭矩，泵控制装置利用由修正扭矩计算装置计算出的修正扭矩来修正第1可变液压泵的吸收扭矩。
泵控制装置也可以进行如下控制：(c)根据目标转速和第2可变液压泵的目标喷出流量计算冷却风扇的风扇转速，(d)根据预先确定的特性计算与风扇转速相应的第2可变液压泵的喷出压，(e)根据计算出的喷出压计算第2可变液压泵的吸收扭矩。
本发明的第2方式是一种液压作业机的泵控制装置，包括：用于设定发动机的目标转速的转速设定装置；将发动机转速控制成目标转速的转速控制装置；由发动机驱动的作业用液压执行机构驱动用的第1可变液压泵；由发动机驱动的冷却风扇驱动用的第2可变液压泵；和泵控制装置，控制第1可变液压泵的喷出流量以及第2可变液压泵的喷出流量，使得第1可变液压泵的吸收扭矩和第2可变液压泵的吸收扭矩之和不超过由目标转速预先确定的发动机输出扭矩，泵控制装置进行如下控制：(a)根据目标转速和能够获得冷却风扇所必需的冷却风量的第2可变液压泵的目标喷出流量来控制第2可变液压泵的喷出流量，并且，(b)根据第2可变液压泵的吸收扭矩和目标转速进行调整，使得第1可变液压泵的吸收扭矩与发动机的实际转速无关地保持稳定。
本发明的第3方式是一种液压作业机的泵控制方法，对由被控制成目标转速的发动机驱动的、作业用液压执行机构驱动用的第1可变液压泵及冷却风扇驱动用的第2可变液压泵进行控制，使得第1可变液压泵以及第2可变液压泵的各吸收扭矩之和不超过由目标转速预先确定的发动机输出扭矩，根据目标转速和能够获得冷却风扇所必需的冷却风量的第2可变液压泵的目标喷出流量来控制第2可变液压泵的喷出流量，并计算第2可变液压泵的吸收扭矩，从由目标转速预先确定的发动机输出扭矩中减去第2可变液压泵的吸收扭矩，由此对第1可变液压泵的吸收扭矩进行限制控制。
本发明的第4方式的工程机械具有第1方式的液压作业机的泵控制装置。
发明效果
根据本发明，由于根据冷却风扇驱动用的第2可变液压泵的吸收扭矩和发动机的目标转速来控制作业用液压执行机构驱动用的第1可变液压泵的吸收扭矩，所以即使在因作业用液压执行机构的负荷变动而导致发动机的实际转速变动的情况下，也能够稳定地控制第1可变液压泵。
【附图说明】
图1是本发明的一实施方式所适用的液压挖掘机的侧视图。
图2是表示图1的液压挖掘机上所搭载的发动机及其周边设备的大致结构的图。
图3是表示本发明的一实施方式的泵控制装置的结构的液压回路图。
图4是表示图3的控制器内的结构的方框图。
图5是表示控制器内的具体处理内容的方框图。
图6是表示进行速度感测控制时的一特性的图。
图7是表示一实施方式的变形例的泵控制装置的结构的液压回路图。
【具体实施方式】
以下，参照图1～图6对本发明的泵控制装置的一实施方式进行说明。
图1是本发明的一实施方式所适用的大型的液压挖掘机1的侧视图。在安装有履带2的行进体3的上方，以可旋转的方式设置有旋转体4。在旋转体4上，搭载有驾驶室5且以可俯仰移动的方式设置有前作业机6。前作业机6由起重臂7、臂8以及铲斗9构成，它们分别在起重臂缸10、臂缸11以及铲斗缸12的驱动下工作。
图2是表示搭载在液压挖掘机1上的发动机13及其周边设备的大致结构的图。在发动机13中通过进气配管14吸入空气，该空气和燃料的混合气体在气缸15中燃烧，通过排气配管16被排出。排出气体用于驱动涡轮17，来自进气配管14的进气被中间冷却器18冷却。发动机13的冷却水通过冷却水配管19在散热器20中循环，通过散热器20而被冷却。通过冷却风扇21a的驱动分别向中间冷却器18、散热器20和油冷却器22送出冷却风。
在发动机13的输出轴23上，通过变速器25连结有可变容量型的一对液压泵26、27和固定容量型的液压泵28。发动机13的输出轴23的旋转由转速传感器24检测。
液压泵26是将驱动压力油供给到多个液压执行机构(起重臂缸10、臂缸11、铲斗缸12、行进用液压马达、旋转用液压马达等)的执行机构用泵。另一方面，液压泵27是通过液压配管29将驱动压力油供给到液压马达21(风扇用马达)的风扇用泵。风扇用马达21根据所供给的压力油量而驱动，以控制冷却风扇21a的旋转。并且，为便于说明，对这些执行机构用泵26和风扇用泵27各设置一个的情况进行说明，但也可以设置多个。液压泵28是将存储在变速箱31内的变速器油30供给到油冷却器22的变速器用泵。
图3是表示本实施方式的泵控制装置的结构的液压回路图。并且，在图3中，为了简化说明，对于起重臂缸10、臂缸11、铲斗缸12、行进用液压马达、旋转用液压马达等的液压执行机构，以1个执行机构(液压缸32)为代表进行表示。
从执行机构用泵26向执行机构32供给压力油，压力油向执行机构32的流动由控制阀33控制。控制阀33由来自与操作杆34a的操作相应的先导泵的先导压力切换。来自执行机构用泵26的喷出压Pt由压力传感器26a检测，因操作杆34a的操作产生的先导压力Pia、Pib由压力传感器34b、34c检测。
执行机构用泵26的排油容积(也有被称为斜板角或倾转的情况)由调节器35控制，风扇用泵27的排油容积(也有被称为斜板角或倾转的情况)由调节器36控制。在各调节器35、36上分别作用与电磁比例减压阀45、46的驱动量相应的先导泵48的先导压力。电磁比例减压阀45、46由来自控制器38的控制信号按下述控制。
在控制器38上连接有压力传感器26a、34b、34c以及用于检测油冷却器22(参照图2)的润滑油的温度Toil的油温传感器38a，并且控制器38通过网络40与发动机控制装置39连接。在发动机控制装置39上连接有用于检测散热器20(参照图2)的冷却水的温度Tw的水温传感器37a以及用于设定发动机13(具体的是输出轴23)的目标转速Nr的转速设定器39a。在转速设定器39a中，例如通过刻度盘的操作设定目标转速Nr。并且，还可以通过杆或油门踏板等的操作来设定目标转速Nr。发动机控制装置39将控制信号输出到未图示的调节器杆驱动用的脉冲马达，将发动机13的实际转速(即，由转速传感器24检测出的转速)控制成目标转速Nr。
图4是表示控制器38内的结构的方框图。控制器38具有：用于对来自压力传感器26a、34b、34c以及油温传感器38a的检测信号进行A/D转换的A/D转换器41；存储控制程序和各种常数的ROM42、RAM 42a；根据ROM 42所存储的控制程序进行规定的运算处理的CPU 43；通过网络40收发信号的网络端口电路44；以及将由CPU43生成的驱动信号放大成脉冲宽度调制输出信号，并输出给电磁比例阀减压阀45、46的螺线管的输出电路47。
图5是表示控制器38(尤其是CPU 43)中的处理内容的方框图。由油温传感器38a检测出的润滑油温Toil被输入到信号发生部43a。在信号发生部43a中，预先存储有如图所示那样地润滑油温Toil越高供给到风扇用马达21的流量Qoil就越大的特性，即增大冷却风扇21a的转速的特性。在信号发生部43a，根据该特性计算与润滑油温Toil相应的流量Qoil。
由水温传感器37a检测出的冷却水温Tw通过网络40被输入到信号发生部43b。在信号发生部43b中，预先存储有如图所示那样地冷却水温Tw越高供给到风扇用马达21的流量Qw就越大的特性，即增大冷却风扇21a的转速的特性。在信号发生部43b，根据该特性计算与冷却水温Tw相应的流量Qw。在MAX选择部43c，选择从信号发生部43a、43b输出的流量Qoil、Qw中的大的值，并作为目标流量Qp2输出。
在容积计算部43d中，将从MAX选择部43c输出的目标流量Qp2除以由转速设定器39a设定的目标转速Nr。而且，选择该除算值(Qp2/Nr)和风扇用泵27的排油容积的最大值Dp2max中的小的值，并作为目标容积D2输出。在信号发生部43q中，预先存储有如图所示那样的目标容积D2和控制电流I2的关系，根据该关系在信号发生部43q计算出与目标容积D2相应的控制电流I2，并输出到输出电路47。由此风扇用泵27的排油容积被控制成目标容积D2。
在转速计算部43e，使用由转速设定器39a设定的目标转速Nr和由容积计算部43d计算出的目标容积D2执行规定的运算(D2×Nr×ηv/Dm)，以计算出冷却风扇21a的转速Nf。在此，ηv是风扇用泵27和风扇用马达21的容积效率之积，Dm是风扇用马达27的排油容积。
根据喷出压计算部43f中预先存储的图示的特性，将由转速计算部43e计算出的转速Nf变换成风扇用泵27的喷出压Pfp。在此，喷出压计算部43f的特性是预先通过实验或模拟等设定的。即，使风扇用泵27的喷出流量变化，求出风扇转速Nf或风扇马达21的驱动流量或泵27的喷出流量与泵喷出压Pfp之间的关系，由此设定喷出压计算部43f的特性。
在扭矩计算部43g，使用由喷出压计算部43f输出的泵喷出压Pfp和由容积计算部43d输出的风扇用泵27的目标容积D2来执行用于计算扭矩的规定的运算(D2×Pfp/2π)。而且，选择该计算值和由调节器36限制的泵27的最大吸收扭矩Tp2max中的小的值，并作为风扇用泵27的吸收扭矩Tp2输出。由此，不用压力传感器等检测喷出压Pfp，就能求出风扇用泵27的吸收扭矩Tp2。
在基准扭矩计算部43h中，预先存储有如图所示那样地与发动机13的目标转速Nr对应的基准扭矩Ta的特性。该特性是根据发动机13的输出特性而设定的，并且被设定成沿着发动机13的满负荷性能曲线而不超过满负荷性能曲线。在基准扭矩计算部43h，根据该特性计算与由转速设定器39a设定的目标转速Nr相应的基准扭矩Ta。在减算部43i，从由基准扭矩计算部43h输出的基准扭矩Ta中减去由扭矩计算部43g输出的泵吸收扭矩Tp2(Ta-Tp2)，以计算执行机构用泵26的吸收扭矩的限制值(限制扭矩Tp1)。
在容积计算部43j中，预先存储有如图所示那样地与执行机构用泵26的喷出压Pt和限制扭矩Tp1对应的泵26的目标容积Dt的特性。根据该特性，随着喷出压Pt的增加，目标容积Dt减少，并且限制扭矩Tp1越大，与喷出压Pt相对的目标容积Dt就变得越大。在容积计算部43j，根据该特性，计算与由压力传感器26a检测出的喷出压Pt和由减算部43i输出的限制扭矩Tp1相应的目标容积Dt。
在MAX选择部43k，选择由压力传感器34b检测出的先导压力Pia和由压力传感器34c检测出的先导压力Pib中的大的值，并将其作为代表压Pi输出。在容积计算部43m中，预先存储有如图所示那样地随着先导压力Pi的增加而使目标容积Di增加的特性。在容积计算部43m，根据该特性，计算与由MAX选择部43k输出的先导压力Pi相应的目标容积Di。
在MIN选择部43n，选择由容积计算部43j输出的目标容积Dt和由容积计算部43m输出的目标容积Di中的小的值，并将其作为用于控制执行机构用泵26的目标容积D1输出。在信号发生部43p中，预先存储有如图所示的目标容积D1和控制电流I1的关系，根据该关系，信号发生部43p计算与目标容积D1相应的控制电流I1，并输出到输出电路47。由此，执行机构用泵26的排油容积被控制成目标容积D1，液压泵26的吸收扭矩被限制到限制扭矩Tp1以下。
对本实施方式的泵控制装置的动作进行如下总结。
在利用液压挖掘机进行作业的情况下，操作员通过刻度盘操作设定发动机13的目标转速Nr。由此，发动机控制装置39将发动机转速控制成目标转速Nr。在该状态下，操作员操作操作杆34a，于是与其操作量相应地控制阀33被切换，从而执行机构32驱动，发动机13的冷却水温Tw、润滑油温Toil根据液压挖掘机的作业负荷等变化。
此时，在控制器38中，计算与冷却水温Tw、润滑油温Toil相对应的风扇用泵27的喷出流量Qoil、Qw，将其中任意一个大的值设定成目标流量Qp2(43a～43c)。而且，使用目标转速Nr计算与目标流量Qp2相对应的泵27的目标容积D2(43d)，并将与目标容积D2相对应的控制信号I2输出给电磁比例减压阀46的螺线管，以将液压泵27的容积控制成目标容积Qp2。由此，冷却风扇21a以目标速度旋转，从而能够抑制冷却水温Tw和润滑油温Toil的过度上升。
另外，在控制器38中，使用风扇用泵27的目标容积D2以及发动机13的目标转速Nr和容积效率η来计算冷却风扇21a的转速Nf(43e)，并根据预先确定的特性计算与风扇转速Nf相对应的泵27的喷出压Pfp(43f)。而且，使用泵喷出压Pfp和目标容积D2计算泵27的吸收扭矩Tp2(43g)，并从发动机13的基准扭矩Ta中减去吸收扭矩Tp2以求出执行机构用泵26的吸收扭矩的限制值Tp1(43i)。将通过该限制扭矩Tp1和泵26的喷出压Pt求出的泵26的排油容积Dt以及与操作杆34a的操作量相应的泵26的排油容积Di中的小的值设定为目标容积D1(43j、43m、43n)。而且，将与目标容积D1相对应的控制信号I1输出给电磁比例减压阀45的螺线管，并将液压泵26的容积控制成目标容积D1。由此，能够将液压泵26的吸收扭矩抑制到限制扭矩Tp1以下。
例如泵26的排油容积Dt、Di为Dt＜Di时，目标容积D1为Dt，泵26的吸收扭矩与限制扭矩Tp1相等。该情况下，若泵27的吸收扭矩Tp2变小，则泵26的吸收扭矩(限制扭矩Tp1)仅增大相应量的部分，若泵27的吸收扭矩Tp2变大时，则泵26的吸收扭矩仅减小相应量的部分。由此，在泵26、27的吸收扭矩的和(Tp1+Tp2)被抑制到基准扭矩Ta以下的状态下，能够将风扇用泵27没有使用的吸收扭矩分配成执行机构用泵26的吸收扭矩，从而能够将发动机的输出扭矩效率良好地分配给液压泵26。
根据以上的实施方式，能够发挥以下作用效果。
(1)根据由刻度盘设定的发动机13的目标转速Nr来计算风扇用泵27的吸收扭矩Tp2，根据该吸收扭矩Tp2和目标转速Nr来调整执行机构用泵26的吸收扭矩。由此，即使发动机13的实际转速变动，泵26、27的排油容积也不变化，控制稳定。
(2)由于使用目标转速Nr和风扇用泵27的目标容积D2来计算冷却风扇21a的转速Nf(43e)，所以不需要用于检测风扇转速Nf的转速传感器。
(3)由于考虑了风扇用泵27和风扇用马达21的容积效率η来计算风扇转速Nf(43e)，所以转速计算的精度提高。
(4)由于根据预先确定的风扇转速Nf和泵27的喷出压Pfp之间的关系，求出与风扇转速Nf相对应的泵喷出压Pfp(43f)，所以不使用压力传感器就能求出泵喷出压Pfp，从而能够以低成本构成。
并且，本发明不限于上述实施方式，还具有各种变形例。例如在上述实施方式的基础上，还可以进行以下的速度感测控制。图6是进行速度感测控制时的一特性，是发动机13的实际转速与目标转速之间的偏差ΔN越增加，修正扭矩ΔT就越增加的特性。该特性预先存储在控制器38中。并且，速度感测的特性不限于图6的情况。
在进行速度感测控制的情况下，在控制器38，求出由转速传感器24检测出的发动机13的实际转速与目标转速Nr之间的偏差ΔN，并利用图6的特性求出与该偏差ΔN相对应的修正扭矩ΔT。然后，将该修正扭矩ΔT与减算部43i的限制扭矩Tp1相加，以进行扭矩修正(Tp1+ΔT)，并输出到容积计算部43j。由此，在发动机13的扭矩有富余的情况下，修正扭矩ΔT为正，从而限制扭矩Tp1增加，在扭矩过载的情况下，修正扭矩为负，从而限制扭矩Tp1减少。由此，能够使泵26、27的吸收扭矩之和接近额定扭矩，从而能够有效利用发动机输出。
在该情况下，由于不使用发动机13的实际转速、计算与修正扭矩ΔT相加之前的限制扭矩Tp1，所以能够良好地进行速度感测控制。即，由于在使用实际转速计算限制扭矩Tp1的情况下，若发动机转速变动，限制扭矩Tp1和修正扭矩ΔT两方就变动，所以Tp1+ΔT的变动量变大，动作变得更不稳定。与此相反，在使用目标转速Nr计算限制扭矩Tp1的情况下，即使发动机转速变动，也只有修正扭矩ΔT变动，因此Tp1+ΔT的变动量小，动作稳定。
另外，为了缓和吸收扭矩Tp2的变动，例如也可以限制风扇用泵27的目标流量Qp2的变化率。虽然是通过转速设定器39a设定发动机13的目标转速Nr，但转速设定机构可以是任何机构。虽然是通过发动机控制装置39将发动机转速控制成目标转速Nr，但转速控制机构可以是任何机构。作为第1可变液压泵的执行机构用泵26以及作为第2可变液压泵的风扇用泵27的结构也不限于上述结构。
只要是对泵26、27的喷出流量进行控制，使得执行机构用泵26和风扇用泵27的吸收扭矩之和不超过根据发动机13的目标转速Nr预先确定的基准扭矩Ta，作为泵控制机构的控制器38的处理不限于上述处理。即，只要是根据目标转速Nr和泵27的目标喷出流量Qp2控制泵27的喷出流量，并且计算泵的吸收扭矩Tp2，从基准扭矩Ta中减去该吸收扭矩Tp2，由此来限制控制泵26的吸收扭矩Tp1，作为泵控制机构的控制器38的处理不限于上述处理。另外，虽然是由油温传感器38a检测润滑油温Toil，由水温传感器37a检测冷却水温Tw，但油温检测机构以及水温检测机构的结构不限于此。
如图7所示，也可以设置用于检测执行机构32的工作油的温度(工作油温)Tfluid的油温传感器38b来作为油温检测机构，以代替用于检测润滑油温Toil的油温传感器38a。油温传感器38b例如被配置在将来自执行机构32的返回油经控制阀33导入到油箱内的管路中。油温传感器38b检测出来自执行机构32的返回油的温度Tfliud，并将检测信号输出到控制器38。控制器38根据工作油温Tfluid来决定供给到风扇用马达21的流量Qoil。工作油温Tfluid和流量Qoil的关系与被存储在信号发生部43a中的润滑油温Toil和流量Qoil的关系相同(参照图5)。控制器38在使用工作油温Tfluid的情况下，也与使用润滑油温Toil的情况相同地计算出目标喷出流量Qp2、目标容积D1、D2等。
另外，只要是根据与被检测出的润滑油温Toil或工作油温Tfluid相应的目标流量Qoil以及与被检测出的发动机冷却水温Tw相应的目标流量Qw，计算能够获得冷却风扇21a所必需的冷却风量的目标喷出流量Qp2，作为泵控制机构的控制器38的处理不限于上述处理。而且，只要是能适当地计算出能够获得冷却风扇21a所必需的冷却风量的目标喷出流量Qp2，也可以只使用润滑油温Toil和发动机冷却水温Tw中的任意一方。同样地，也可以只使用工作油温Tfluid和发动机冷却水温Tw中的任意一方来计算目标喷出流量Qp2。在使用润滑油温Toil或工作油温Tfluid以及发动机冷却水温Tw中的至少任意一个来计算目标喷出流量Qp2时，可以省略油温传感器38a、38b以及水温传感器37a中的任意一个不需要的传感器。
虽然上述实施方式将泵控制装置应用于液压挖掘机，但也可以将本发明同样地应用于具有由发动机13驱动的执行机构驱动用的液压泵26和冷却风扇驱动用的液压泵27的其他工程机械、以及工程机械以外的液压作业机。液压作业机例如包括叉车等。另外，液压挖掘机1也可以采用轮式来代替履带式。即，只要能够实现本发明的特征、功能，本发明不限于实施方式的泵控制装置。另外，以上的说明只是一个例子而已，在解释本发明时，并不对上述实施方式的记载事项与权利要求书的记载事项的对应关系构成任何限定和约束。
本申请是以日本专利申请2005-374120号(2005年12月27日提出)为基础，其内容在此有所引用。