KR20170136613A - 작업 기계용 하중 감지 유압 시스템 및 하중 감지 유압 시스템을 제어하는 방법 - Google Patents

작업 기계용 하중 감지 유압 시스템 및 하중 감지 유압 시스템을 제어하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작업 기계(1)용 유압 시스템(12)에 관한 것이다. 유압 시스템(12)은, 하중 감지 (LS) 시스템이고, 기구를 움직이기 위한 유압 액츄에이터(18)와, 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 제어하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로부터의 유압 유체를 드레인 하기 위한 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)를 갖는 컨트롤 밸브(15)를 포함한다. 유압 시스템은 또한, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 측정하기 위한 수단(44)을 포함한다. 상기 유압 시스템(12)은, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 측정된 상기 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하기 위한 밸브(24)를 추가적으로 포함한다.

Description

작업 기계용 하중 감지 유압 시스템 및 하중 감지 유압 시스템을 제어하는 방법
본 발명은 작업기계를 위한 유압시스템에 관한 것이다. 상기 유압시스템은 하중 감지(LS) 시스템이고, 기구를 움직이기 위한 유압 액츄에이터와, 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름을 제어하고, 유압 액츄에이터로부터 유압 유체를 드레인하기 위하여 유입 밸브 및 유출 밸브를 갖는 컨트롤 밸브를 포함한다. 본 발명은 또한 유압 시스템을 제어하기 위한 방법 및 컨트롤 유닛에 관한 것이다.
본 발명은, 다양한 타입의 유압 시스템, 예컨대, 암을 들어올리거나 휠 로더의 기구를 틸딩시키기 위한 유압 실린더를 작동시키거나, 굴절식 덤프트럭(articulated hauler)의 덤프 바디(dump body)를 위한 유압 실린더를 작동시키기 위한 유압 시스템에 적용될 수 있다.
본 발명이 휠 로더의 유압 시스템과 관련하여 기술될 것이지만, 본 발명의 적용은 이에 국한되지 않고, 다른 유압 시스템 및 차량에 또한 사용될 수 있다.
작업 차량은 일반적으로 하중을 파내고, 들어올리고, 운반하고 및/또는 운송하기 위하여 버킷, 컨테이너 또는 다른 타입의 기구를 구비한다.
예컨대, 휠 로더는 버킷과 같은 기구를 들어올리고 내리기 위한 리프트 암 유닛을 갖는다. 리프트 암 유닛은 로드 암과 로드 암에 부착되어 있는 기구를 움직이기 위한 유압 실린더를 포함한다. 일반적으로 한 쌍의 유압 실린더가 로드 암을 들어올리기 위하여 배치되고, 또 다른 실린더가 로드 암에 대하여 기구를 틸딩시키기 위하여 배치된다.
또한, 작업 기계는 때때로 차체 굴절 조향(articulated frame-steered)되고, 작업 기계의 프론트부와 리어부를 서로에 대하여 회전시켜 작업 기계를 회전/조향하기 위한 한 쌍의 유압 실린더들을 갖는다.
유압 시스템은 일반적으로, 유압 실린더에 유압 파워, 즉 유압 흐름 및/또는 유압 압력을 제공하도록 배치된 적어도 하나의 유압 펌프를 추가적으로 포함한다. 유압 펌프는 내연 기관 또는 전기 모터와 같은 동력원에 의하여 구동된다. 작업 기계의 유압 시스템은 일반적으로 이른바 하중 감지 시스템(LS-시스템)이다. 이는, 액츄에이터에 유압 유체를 제공하는 펌프가, 작동 중의 유압 실린더의 현재 하중 압력을 나타내는 신호를 수신함을 의미한다. 펌프는 이때, 유압 실린더의 하중 압력보다 다소 높은 압력을 제공하도록 제어된다.
유압 펌프는 때대로 작업 기계의 원동기(prime mover)에 의하여 구동되는 가변 용량 펌프이다. 펌프가 내연 기관에 의하여 구동된다면, 펌프는 내연 기관과 기어 박스와 같은 트랜스미션 기구 사이에 위치할 수 있는 동력 취출 장치(power take-off)에 연결된다. 상기 트랜스미션 기구는 다시, 예컨대, 작업 기계의 추진을 위해 작업 기계의 휠에 연결된다.
LS-시스템에서 유압 실린더를 구동할 때, 유압 오일은 펌프에 의하여 공급되고, 펌프로부터의 유압 오일의 흐름은 유입 밸브에 의하여 유압 실린더의 일측으로 향하고, 유압 실린더의 타측의 유압 오일의 흐름은 유출 밸브에 의하여 탱크로 드레인된다.
유입 밸브 및 유출 밸브는 컨트롤 밸브의 동일한 스풀 내에 일체화될 수 있다. 이는, 상기 밸브가 펌프를 유압 실린더의 피스톤 로드측에 연결하도록 제어될 때 유압 실린더의 피스톤측은 탱크에 연결되고, 펌프가 유압 실린더의 피스톤측에 연결될 때 유압 실린더의 피스톤 로드측은 탱크에 연결됨을 의미한다. 이는 강력한 시스템을 제공하고 상대적으로 낮은 비용을 가능하게 한다.
그러나 상기와 같은 시스템의 단점은, 펌프가 유압 실린더를 구동할 필요가 없는 때에도, 펌프가 언제나 유압 실린더에 유압 오일을 제공한다는데 있다. 예컨대, 하중을 내릴 때, 하중의 질량은 때때로, 펌프로부터 발생된 어떠한 압력의 제공 없이도, 하강 움직임을 달성하는데 충분할 수 있다. 이는 다시, 어떠한 작동 중에는, 펌프 작업이 유압 실린더에 필요치 않음에도 유압 펌프의 사용으로 인하여 에너지 손실(연료 소비 증가)이 야기됨을 의미한다.
본 발명의 목적은 에너지 손실 및 연료 소비를 저감시킬 수 있는 유압 시스템을 제공하는데 있다.
이러한 목적은 청구항 1에 따른 유압 시스템에 의하여 달성된다.
본 발명은, 유압 액츄에이터에 인가되는 측정된 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름을 연결 차단하고, 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하기 위한 밸브를 포함하는 유압 시스템을 제공함으로써, 펌프의 작업이 필요치 않을 때 펌프가 구동되지 않도록 하거나 펌프가 또 다른 유압 기능부를 위하여 사용될 수 있게 함으로써, 에너지 손실을 감소시킬 수 있다는 것에 착안한 것이다.
예컨대, 유입 밸브에 의하여 유압 실린더의 피스톤 로드측에 펌프를 연결하고 유출 밸브에 의하여 유압 실린더의 피스톤측을 드레인 하면서 하중을 하강시키는 중에, 차단 밸브에 의하여 펌프가 연결 차단되는 한편, 유압 실린더의 피스톤 로드측을 채우는데 필요한 유압 유체가 리턴 라인 및/또는 탱크로부터 얻어지고, 유압 실린더의 피스톤 로드는 액츄에이터의 하중의 질량으로 인하여 움직일 수 있다. 하강되는 (버킷 내의) 하중의 실제 질량 및/또는 사하중 (버킷 및/또는 리프트 암의 질량)에 의하여, 액츄에이터에 인가되는 하중이 야기될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유압 시스템은 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 흐름의 방향을 기준으로 컨트롤 밸브의 하류 및 유압 액츄에이터의 상류에 배치되는 로드 홀딩 밸브를 포함하고, 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름을 연결 차단하기 위한 상기 밸브는 로드 홀딩 밸브로의 파일럿 압력을 제공하여, 로드 홀딩 밸브를 폐쇄하고 펌프를 연결 차단하도록 배치된다. 이에 의하여, 액츄에이터로의 상대적으로 큰 유압 유체의 흐름으로 작동되는 로드 홀딩 밸브를 제어하는데, 상대적으로 작은 유압 유체의 흐름으로 작동되는 차단 밸브가 사용될 수 있다. 상기와 같은 로드 홀딩 밸브는 이러한 타입의 유압 시스템에 자주 사용되기 때문에, 추가적인 풀 플로우 밸브(full flow valve)가 필요치 않다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 유압 시스템은 펌프가 연결 차단될 때, 유압 액츄에이터에 인가되는 하중에 기초하는 LS-신호가 펌프에 도달하는 것을 방지하기 위한 밸브를 포함한다. 이에 의하여, 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름이 연결 차단될 때, 펌프는, 펌프의 용량을 변경함으로써 더 낮은 (스탠바이) 펌프 압력을 제공하도록 제어될 수 있다. 이를 대신하여, 펌프는 또 다른 액츄에이터에 필요한 압력을 제공하기 위하여 그 액츄에이터로부터의 LS-신호를 수신할 수 있다.
바람직하게는, 펌프가 연결 차단될 때 유압 액츄에이터에 인가되는 하중에 기초하는 LS-신호가 펌프에 도달하는 것을 방지하기 위한 밸브와, 유압 액츄에이터에 인가되는 측정된 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름을 연결 차단하는 밸브는 단일의 동일 밸브이다. 이에 의하여, LS-신호가 펌프에 도달하는 것이 방지되는 것과 동시에 펌프가 연결 차단되는 비용 효율적인 시스템이 얻어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 하중 측정 수단은, 유압 액츄에이터의 하중 압력을 나타내는 유압 압력을 측정하기 위하여 배치되는 압력 센서를 포함한다. 이에 의하여, 펌프로부터 유압 액츄에이터로의 유압 유체의 흐름이 연결 차단되어야 하는지 결정하기 위하여, 유압 액츄에이터에 인가되는 하중이 측정되고 쓰레숄드 값과 비교된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 유압 액츄에이터에 인가되는 하중에 대한 쓰레숄드 값은 유압 액츄에이터의 요구 속도를 나타내는 신호에 기초하여 계산된다. 이에 의하여, 펌프의 연결 차단은 액츄에이터에 인가되는 실제 하중뿐 아니라, 요구 속도에 따라 좌우되어, 바람직하게는, 액츄에이터의 상대적으로 낮은 요구 속도에 대한 하중 쓰레숄드 값이 액츄에이터의 상대적으로 높은 요구 속도에 대한 하중 쓰레숄드 값보다 낮도록 할 수 있다.
추가적인 태양에 따르면, 본 발명은 청구항 11에 따른 유압 시스템을 제어하기 위한 방법과 관련된다.
추가적인 태양에 따르면, 본 발명은 청구항 14에 따른 유압 시스템을 제어하기 위한 컨트롤 유닛과 관련된다.
본 발명에 따른 상기 방법 및 컨트롤 유닛도 상기 유압 시스템을 참조하여 전술한 이점들을 얻을 수 있다. 본 발명의 추가적인 이점 및 유용한 특징들이 이하의 상세한 설명 및 종속 청구항들에 개시된다.
도 1은 본 발명에 다른 유압 시스템을 갖는 휠 로더를 보여주는 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유압 시스템의 일 실시예를 보여준다.
도 3은 본 발명에 따른 컨트롤 유닛의 일 실시예를 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 플로우차트이다.
첨부 도면을 참조하여, 예시들로 인용된 본 발명의 실시예들을 상세히 살펴본다.
도 1은 휠 로더 형태의 작업 기계(1)를 도시하는 도면이다. 휠 로더는, 본 발명에 따른 유압 시스템이 적용될 수 있는 작업 기계의 일 예이다.
휠 로더는 기구(implement)(2)를 갖는다. 용어 "기구"는 버킷, 포크 또는 그립핑 도구와 같은 유압 장치에 의하여 제어되는 어떤 종류의 도구(tool)를 포함한다. 도시된 기구는 버킷(3)을 들어올리고 내리기 위한 로드 암(4)에 배치된 버킷(3)이고, 또한 버킷은 상기 로드 암에 대하여 틸트될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 휠 로더의 유압 시스템은 로드 암(4)의 작동을 위한 두 개의 유압 실린더(5, 6)과 로드 암(4)에 대하여 버킷(3)을 틸트시키기 위한 유압 실린더(7)를 포함한다. 이하에서는, (언로드 시) 기구의 사하중(dead load)이 언급된다. 또한, 휠 로더에서, 로드 암이 전체 리프트 구조의 전체 사하중(dead load) 및 그에 따라, 액츄에이터에 인가되는 하중에 기여할 수 있음에 주목하여야 한다.
휠 로더의 유압 시스템은, 프론트 바디부(10)와 리어 바디부(11)의 상대 운동에 의하여 휠 로더를 회전시키기 위하여 휠 로더(1)의 반대측에 배치된, 두 개의 유압 실린더들(8, 9)인 스티어링 실린더들을 추가적으로 포함한다
즉, 휠 로더는 스티어링 실린더들(8, 9)에 의하여 차체 굴절 조향(articulated frame-steered)된다. 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하기 위하여 휠 로더(1)의 프론트 바디부(10)과 리어 바디부(11)가 회전 가능하게 서로 연결되도록, 프론트 바디부(10)와 리어 바디부(11)를 연결하는 피봇 조인트가 제공된다.
본 발명에 따른 유압 시스템(12)의 일 실시예가 도 2에 도시된다. 유압 시스템(12)은 하중 감지(LS) 시스템이다. 펌프(13)가 하나 이상의 기능부에 유압 유체(hydraulic fluid)를 공급한다. 펌프(13)는, 작동 중인 최고 하중 압력을 갖는 기능부로부터 온 최고 LS 신호(14, 42)에 따라 제어된다. 이때, 펌프(13)는 최고 하중 압력보다 큰 압력, 즉, (하중 압력 + 약 20 bar 일 수 있는 오프셋)의 압력을 유압 시스템에 제공할 것이다.
유압 유체는 유압 오일 또는 그 밖에 이에 대응되는 유압 시스템에 적합한 유체를 의미한다.
시스템은, 펌프(13)로부터 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 제어하고 유압 액츄에이터(18)로부터 유압 유체를 드레인하기 위한, 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)를 갖는 컨트롤 밸브(15)를 포함한다. 액츄에이터(18)는 기구를 움직이기 위하여 배치되고, 유압 실린더가 그 예이다. 유압 실린더(18)에는 하중(19)이 가해진다. 예컨대, 유압 실린더(18)는 암 또는 붐을 들어올리거나 작업 기계의 기구를 틸딩시키기 위하여 사용될 수 있다. 물론, 액츄에이터(18)는 두개 이상의 유압 실린더를 포함하거나, 기타 다른 타입의 유압 액츄에이터 또는 장비가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서, 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)는 컨트롤 밸브(15)의 동일한 스풀 내에 일체화된다. 이는, 펌프(13)를 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)에 연결하도록 컨트롤 밸브(15)가 제어되면 유압 실린더(18)의 피스톤측(22)은 동시에 탱크(23)에 연결되고, 펌프(13)가 유압 실린더(18)의 피스톤측(22)에 연결되면 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)은 동시에 탱크(23)에 연결됨을 의미한다.
유압 시스템(12)은, 유압 액츄에이터에 인가되는 측정 하중(19)이 쓰레숄드값을 초과하면, 펌프(13)로부터 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 차단하는 한편, 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하기 위한 밸브(24)를 추가적으로 포함한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 차단밸브(disconnection valve)(24), 예컨대 전기적으로 제어되는 3/2 밸브 (3 포트 및 2 상태)가, 펌프(13)의 연결을 차단하기 위하여 또 다른 밸브(25)에 파일럿 압력(31)을 제공하도록 배치될 수 있다.
압 시스템(12)은, 어떠한 이유로 유압 실린더(18)의 압력이 펌프 압력보다 높을 때 유압 실린더(18)이 역진하는 것을 방지하기 위하여 배치되는 로드 홀딩 밸브들(25, 26)을 가진다. 이러한 로드 홀딩 밸브들(25, 26)은 내부 누설이 작아, 피스톤 로드(27)가 정지 상태에서 하중(19)을 받을 때, 피스톤 로드(27)가 수축되는 것을 방지할 수 있다. 로드 홀딩 밸브들(25, 26)은 로드 홀딩 파일럿 밸브(28, 29)에 의하여 작동된다. 로드 홀딩 파일럿 밸브들(28, 29)은 컨트롤 밸브(15)에 인가되는 파일럿 압력(30a, 30b)에 의하여 작동된다.
이러한 시스템에서, 차단밸브(24)가 파일럿 압력(31)을 제공하는 상기 밸브(25)는 로드 홀딩 밸브들 중 하나일 수 있다. 로드 홀딩 밸브(25)는 펌프(13)로부터 유압 액츄에이터(18)로의 흐름 방향에 대하여 컨트롤 밸브(15)의 하류에 그리고 액츄에이터(18)의 상류에 적절히 배치된다. 펌프(13)로부터 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 차단하기 위한 밸브(24)는, 로드 홀딩 밸브(25)에 파일럿 압력(31)을 제공하도록 배치되어, 로드 홀딩 밸브(25)를 폐쇄하고 펌프(13)의 연결을 차단한다. 컨트롤 밸브(15)가 컨트롤 밸브(15)의 우측에 인가되는 파일럿 압력(30a)에 의하여 작동 상태에 놓여 있으면, 펌프(13)는 유입 밸브(16a)를 통하여 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)에 연결되고, 유압 실린더(18)의 피스톤측(22)은 유출 밸브(17a)를 통하여 리턴 라인(32) 및 탱크(23)에 연결된다. 이 때, 차단 밸브(24)는 컨트롤 밸브(15)의 LS 포트(33)와 로드 홀딩 밸브(25)의 일측 (좌측)을 연결하도록 제어될 수 있다. 따라서, LS-압력은 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측에 작용한다. 동시에, 컨트롤 밸브(15)로부터 연장되는 메인 라인으로부터 동일한 압력이 로드 홀딩 밸브(25)의 타측 (우측)에 작용한다. 또한, 스프링(34)이 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측에 배치되어, 좌측에 인가되는 전체 힘은 로드 홀딩 밸브(25)의 우측에 인가되는 힘보다 클 것이다. 따라서, 로드 홀딩 밸브(25)는 폐쇄되고, 펌프(13)로부터 액츄에이터(18)로 유압 유체의 어떠한 흐름도 허용되지 않을 것이다.
따라서, 컨트롤 유닛(35)에 의하여 제어되는 차단 밸브(24)에 의하여, 로드 홀딩 밸브(25)는 폐쇄되고 펌프(13)으로부터 유압 실린더(18)로의 유압 유체의 흐름이 차단된다.
로드 홀딩 밸브(25)의 좌측과 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21) 사이의 연결 라인(36)이, 로드 홀딩 밸브(25)를 위한 파일럿 밸브(28)를 지나 배치된다. 이 라인(36)에는 스로틀링 밸브(37) 또는 유량 제한 오리피스(restricted orifice)가 제공된다. 유량 제한 오리피스의 목적은, 펌프 압력이 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)의 압력보다 클 때, 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측에 가해지는 압력이 펌프 압력과 동일하게 하기 위함이다.
펌프(13)가 연결 차단될 때, 즉 어떠한 고압의 유압 유체의 흐름도 펌프(13)에 의하여 제공되지 않을 때, 유압 실린더(18)의 챔버(21)을 채우고 (캐비테이션 없이) 피스톤 로드(27)의 움직임을 가능하도록 하기 위하여, 유압 유체의 또 다른 흐름이 유압 실린더(18)에 도달하는 것이 허용되어야 한다. 예컨대, 펌프(13)의 연결이 차단되고 (기구를 포함한) 로드(19)의 중량에 의해서만 움직임이 야기되는 하중(19)의 하강시에, 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)으로 유압 유체의 흐름이 요구된다. 이러한 흐름은 탱크(23) 또는 바람직하게는 탱크(14)에 연결된 리턴 라인(32)으로부터 제공될 수 있다. 이러한 유압 실린더 챔버의 채움은, 체크 밸브와 같은 캐비테이션 방지 밸브(38)를 지나 수행될 수 있다. 컨트롤 밸브(15)로부터 탱크(23)로의 흐름 방향을 기준으로, 리턴 라인과 유압 실린더의 연결 지점(40)의 하류에서 리턴 라인(32) 상에 배치되는 카운터 압력 밸브(counter pressure valve)(39)에 의하여, 로드(19)의 하강시에 유압 실린더 챔버(21)를 채우는 것을 용이하게 하는 압력이 생성된다.
유압 시스템은 바람직하게는 용량(displacement)이 변화 가능한 가변 펌프(13)을 포함하지만, 다른 펌프가 사용될 수도 있다. 펌프는, 예컨대, 내연 기관 또는 전기 모터에 의하여 구동될 수 있다. 도시된 실시예에서, 가변 펌프(13)는, 컨트롤 밸브(15)의 LS 포트(33)로부터 액츄에이터(18)의 하중 압력에 대응되는 LS-신호(14)를 수신할 수 있다.
유압 시스템(12)은 바람직하게는, 펌프(13)가 연결 차단될 때, 유압 액츄에이터(18) 상에 인가되는 하중에 기초하는 LS-신호(14)가 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위한 밸브(24)를 추가적으로 포함한다. 도 2에 도시한 실시예에서, 펌프의 연결이 차단될 때 유압 액츄에이터에 인가되는 하중에 기초한 LS-신호(14)가 펌프(13)에 도달하는 방지하기 위한 밸브(24)와, 유압 액츄에이터에 인가되는 하중이 쓰레숄드 값을 초과할 때 펌프(13)로부터 유압 액츄에이터(18)로 유압 유체의 흐름을 차단하는 밸브(24)는 단일의 동일 밸브(24)이다. 즉, 3/2 솔레노이드 밸브로 예시된 차단 밸브(24)는 또한, LS-신호(14)가 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 차단 밸브(24)가 컨트롤 밸브(15)의 LS 포트(33)와 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측을 연결시키도록 제어될 때, 이와 동시에, 컨트롤 밸브(15)의 LS 포트(33)와 펌프(13)의 컨트롤 장치(41) 또는 압력 레귤레이터 사이의 연결은 차단된다.
따라서, 펌프(13)로부터의 흐름이 차단됨과 동시에, 펌프(13)로의 제어 신호(14) 또한 차단된다. 펌프(13)는 어떠한 다른 기능부(43)로부터 또 다른 LS-신호를 수신하거나, 펌프(13)는 컨트롤 유닛(35)에 의하여 예를 들어 스탠바이 상태로 제어될 수 있다.
유압 시스템(12)은 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 측정하는 수단(44)을 포함한다. 하중 측정 수단은 바람직하게는 유압 액츄에이터의 하중 압력을 나타내는 유압을 측정함으로써 액츄에이터에 인가되는 실제 하중을 측정하기 위하여 배치되는 압력 센서(44)를 포함하지만, 하중의 질량 또는 중량을 측정하기 위한 다른 수단이 사용될 수도 있다. 예컨대, 액츄에이터 또는 액츄에이터에 의하여 제어되는 기구 또는 리프팅 암에 배치된 스트레인 게이지가 액츄에이터에 인가되는 실제 하중을 측정하는데 사용될 수 있다.
컨트롤 유닛(35)에 의하여, 액츄에이터에 인가되는 실제 하중(19)은, 액츄에이터(18)에 인가되는 하중의 쓰레숄드 값과 비교된다. 쓰레숄드 값 미만의 (또는 쓰레숄드 값과 동일한) 하중에 대하여, 펌프(13)는 연결이 차단되지 않고, 쓰레숄드 값을 초과하는 하중에 대하여 펌프(13)는 연결 차단된다. 일반적으로 쓰레숄드 값은 고정 값이 아니라, 해당 기계, (예컨대 틸트 또는 리프트 기능부를 위한) 액츄에이터, 수행되는 작업, 등에 따라 변화될 것이다. 쓰레숄드 값은 또한 다른 파라미터에 따라 달라질 수 있다.
쓰레숄드 값은, 펌프(13)가 연결 차단될 때에도, 충분한 하강 속도가 얻어지도록, 적절히 선택된다. 즉, 하중 쓰레숄드 값은 유압 액츄에이터(18)의 요구 속도에 따라 달라질 수 있다. 유압 액츄에이터(18)의 요구 속도는 일반적으로 운전자 레버(45)로부터 발생될 수 있다. 예컨대, 요구 속도는 유압 액츄에이터(18)에 의하여 이동 가능한 기구를 하강시키기 위한 희망 속도를 나타낸다. 이러한 움직임은, 기구가 부착된 암을 하강시키는 것이거나, 버킷과 같은 기구를 틸딩시켜 기구를 하강시키는 것일 수 있다.
휠 로더의 암을 상승시키는 것과 관련하여, 하중 쓰레숄드 값은, 바람직하게는 버킷 내에 하중이 없을 때 피스톤측의 압력보다 작다. 예컨대, 언로드된 버킷에 대하여, 피스톤측 압력은, 기구(버킷) 및 리프트 암의 사하중으로 인하여 (상승 높이에 따라) 40~60bar일 수 있다. 따라서, 많은 휠 로더들에서, 20~50 bar, 바람직하게는 30~40bar의 범위 내의 압력이 쓰레숄드 값으로 적절하다.
휠 로더의 틸트 기능부와 관련하여, 사하중은 상대적으로 작다. 그러나, 하중 사이클에서, 버킷을 틸팅하여 언로드하기 전에 버킷은 채워져 있다. 언로드의 시작시에, 압력은, 버킷의 틸트각으로 인하여 상대적으로 낮다. 따라서, 펌프 압력이 언로드 시작 시에 필요하나, 버킷이 틸트되고 "over centre" 포지션에 도달하면 압력은 증가하고, 펌프는 연결 차단된다. 쓰레숄드 값은 30~50bar 범위 내에 있을 수 있다.
유압 시스템(12)을 참조하여 전술한 모든 특징들 및 그 변형들은 컨트롤 유닛 및/또는 이하에서 살펴보는 본 발명에 따른 방법에 부분적으로 또는 전적으로 적용될 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명은 또한 컨트롤 유닛(35)에 관련된다. 도 3에서, 본 발명에 따른 컨트롤 유닛(35)의 일 실시예가 도시된다. 컨트롤 유닛과 관련하여 기술된 유압 시스템(12)의 특징들과 관련하여, 도 2가 참조된다. 컨트롤 유닛(35)에 대한 고유의 특징들 및 기능들이 상세하게 설명될 것이다. 도 2에서와 동일하게 도 3에서 사용된 참조번호는 도 2와 관련하여 이미 기술된 것과 동일 또는 유사한 구성부를 나타낼 것이고, 이하에서는 이러한 구성부들의 어떤 것들은 간단하게 기술되거나 기술이 생략될 것이다.
컨트롤 유닛(35)은 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 나타내는 신호(47)를 수신하기 위한 압력 컨트롤 모듈(46)과, 액츄에이터에 인가되는 상기 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 펌프(13)으로부터 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 차단하는 한편, 유압 액츄에이터로의 또 다른 유압 유체의 흐름을 허용하도록 밸브(24)를 제어하기 위한 신호(49)를 전송하기 위한 밸브 컨트롤 모듈(48)을 포함한다. 밸브 컨트롤 모듈(48)은, 바람직하게는 펌프가 연결 차단될 때, 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중에 기초한 LS-신호가 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위한 신호(49)를 전송하도록 배치된다.
컨트롤 유닛(35)은 운전자 레버(45)와 같은 어떠한 종류의 운전자 입력 수단(50)에 적절하게 연결된다. 운전자의 요구에 대한 응답으로서, 컨트롤 유닛(35)은 컨트롤 밸브(15)를 제어하고, 컨트롤 밸브(15)는 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 펌프(13)로부터 액츄에이터(18)로 유압 유체를 제공하기 위하여 개방된다. 유압 시스템(12)은 유압 실린더(18)의 하중 압력을 측정하기 위한 압력 센서(44)를 포함할 수 있다. 압력 센서(44)에 의하여 측정된 하중 압력에 대응되는 신호(47)가 컨트롤 유닛(35)으로 전송될 수 있다. 컨트롤 유닛(35)은 메인 컨트롤 유닛의 일부일 수도 있고, 메인 컨트롤 유닛과 통신하는 별도의 유닛일 수도 있다.
본 발명은 또한 유압 시스템을 제어하기 위한 방법과 관련된다. 상기 방법은 도 4의 플로우차트를 참조하여 설명될 것이지만, 상기 방법은 전술한 다른 특징들, 특히 도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 다른 특징들 중 어떠한 것들을 추가적으로 포함하거나 사용할 수 있다. 유압 시스템의 구성부들에 대해서는, 도 2와 관련된 참조 번호가 사용될 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 측정하고, 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 측정 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 펌프로부터 유압 액츄에이터(18)로 유압 유체의 흐름을 차단하고 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하도록 밸브(24)를 제어하는 것을 포함한다.
상기 방법은 펌프가 연결 차단될 때 유압 액츄에이터에 인가되는 하중에 기초하는 LS-신호(14)가 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하는 것을 포함한다. 상기 방법은 유압 액츄에이터(18)에 의하여 움직일 수 있는 기구를 하강시키는 동안 유압 시스템에 적용될 수 있다.
도 4 및 도 2를 참조하여 기술된 유압 시스템(12)에 적용되는 상기 방법은 이하에서 기술된 바와 같이 수행될 수 있다.
운전자는 기구를 하강시키기 위하여 하강 레버(45)를 작동시킬 것이다. 제1단계 S50에서, 컨트롤 유닛(35)은 레버 포지션을 가리키는 신호를 수신한다. 제2단계S60에서, 컨트롤 유닛(35)은 압력 센서(44)로부터 액츄에이터(18)에 인가되는 하중을 나타내는 신호를 수신한다. 다음 단계 S70에서, 측정된 하중 압력 P는 쓰레숄드 값 PT와 비교된다. 하중 압력이 어떠한 하중에 대응되는 예컨대 30 bar일 수 있는 기설정된 쓰레숄드 값 PT보다 작으면 (또는 같으면), 그 때 펌프(13)는 연결 차단되지 않고, 하강 작업은 종래의 시스템에서와 같이, 단계 S80에서 펌프로부터 제공된 가압된 유압 유체에 의하여 수행될 수 있다. 유압 실린더(18)의 피스톤측(22)의 낮은 압력은, 펌프(13)로부터 가압 유체가 공급됨이 없이, 유압 실린더를 하강 구동시키는데 충분하지 않을 수 있는 낮은 하중(19)이 유압 실린더에 가해짐을 나타낸다.
한편 압력 센서(44)로부터의 압력 P가 기설정된 쓰레숄드 값 PT보다 크면, 그때, 펌프(13)는 연결 차단되고, 펌프(13)로부터 액츄에이터(18)로 유압 유체를 공급함이 없이 하강 작업이 수행될 수 있다. 단계 S90에서, 컨트롤 유닛(35)은 차단 밸브(24)를 작동시킨다. 컨트롤 밸브(15)의 우측에 인가되는 파일럿 압력(30a)은 증가되고, 컨트롤 밸브(15)는 차단 밸브(24), 그리고 더 나아가 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측으로 연결되는 LS 포트(33)를 개방시킨다. 로드 홀딩 밸브의 좌측에 인가되는 힘이 로드 홀딩 밸브(25)를 폐쇄시키는 로딩 밸브의 우측에 인가되는 힘보다 클 수 있다. 로드 홀딩 밸브의 우측에 인가되는 파일럿 압력은 펌프 압력이다. 로드 홀딩 밸브의 좌측에 인가되는 압력은 유압 실린더의 피스톤 로드측으로부터의 압력과 펌프 압력 중 최고 압력일 수 있다. 또한, 로드 홀딩 밸브(25)의 좌측에 인가되는 힘은 스프링(34)에 의하여 발생되는 힘을 포함하여, 좌측에 인가되는 힘이 로드 홀딩 밸브(25)의 우측에 인가되는 힘을 초과하도록 보장한다.
차단 밸브(24)가 작동될 때 펌프가 연결 차단됨과 동시에, 차단 밸브(24)는 또한 컨트롤 밸브(15)의 LS 포트(33)로부터의 LS 신호(14)가 펌프(13)의 압력 레귤레이터(41)에 도달하는 것을 방지한다. 펌프는, 대신, 스탠 바이 압력으로 불리우는 어떠한 압력을 제공하는 스탠 바이 상태가 될 것이다. 다른 기능부(43)(액츄에이터)가 동시에 사용되면, 이 기능부로부터의 LS 신호(42)가 펌프(13)를 작동시켜 이 기능부의 하중 압력에 따라 압력을 증가시킬 것이다. 그러나, 펌프(13)는, 폐쇄된 로드 홀딩 밸브(25) 때문에, 제1 기능부(18)에 유압 유체를 제공하지 못할 것이다.
유압 실린더(18)의 피스톤측(22)으로부터의 흐름은 우측 로드 홀딩 밸브(26)를 지나는데, 상기 흐름은 컨트롤 밸브(15)의 유출 밸브(17a)에 의하여 제어된다.
유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름이 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)을 채우기 위하여 허용된다. 이 흐름은, 액츄에이터(18)에 인가되는 하중의 질량으로 인하여 피스톤 로드(27)가 이동될 때, 리턴 라인(32)으로부터 얻을 수 있다. 카운터 압력 밸브(39)는, 캐비테이션 방지 밸브로서 기능하는 체크 밸브(38)를 지나 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)을 유압 유체로 채우는 것을 가능하게 하는 어떠한 압력 레벨(예컨대, 약 5bar)로 리턴 흐름의 압력을 증가시킨다. 컨트롤 밸브(15)의 유출 밸브(17a)로부터의 유압 유체 중 일부는, 유압 실린더의 피스톤측(22)의 챔버가 유압 실린더(18)의 피스톤 로드측(21)의 챔버보다 크기 때문에, 탱크(23)로 갈 것이다.
본 발명이 앞서 살펴보고, 도면들에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 첨부 청구범위의 범위 내에서 많은 변형들 및 수정들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 하중 감지 (LS) 시스템이고, 기구를 움직이기 위한 유압 액츄에이터(18)와, 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 제어하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로부터의 유압 유체를 드레인 하기 위한 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)를 갖는 컨트롤 밸브(15)와, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 측정하기 위한 수단(44)을 포함하는 작업기계(1)용 유압 시스템(12)으로서,
    상기 유압 시스템(12)은, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 측정된 상기 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하기 위한 밸브(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유압 시스템(12)은 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 상기 흐름의 방향을 기준으로 상기 컨트롤 밸브(15)의 하류 및 상기 유압 액츄에이터(18)의 상류에 배치되는 로드 홀딩 밸브(25)를 포함하고,
    상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하기 위한 상기 밸브(24)는 상기 로드 홀딩 밸브(25)로의 파일럿 압력을 제공하여, 상기 로드 홀딩 밸브(25)를 폐쇄하고 상기 펌프(13)를 연결 차단하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유압 시스템(12)은, 상기 펌프가 연결 차단될 때, 상기 유압 액츄에이터에 인가되는 상기 하중에 기초하는 LS-신호가 상기 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위한 밸브(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 펌프가 연결 차단될 때 상기 유압 액츄에이터에 인가되는 상기 하중에 기초하는 LS-신호가 상기 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위한 상기 밸브(24)와, 상기 유압 액츄에이터에 인가되는 측정된 상기 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하는 상기 밸브(24)는 단일의 동일 밸브(24)인 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 밸브(16a, 16b) 및 상기 유출 밸브(17a, 17b)는 상기 컨트롤 밸브(15)의 동일한 스풀(20) 내에 일체화된 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중 측정 수단은, 상기 유압 액츄에이터(18)의 상기 하중 압력을 나타내는 유압 압력을 측정하기 위하여 배치된 압력 센서(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰레숄드 값은 상기 유압 액츄에이터(18)의 요구 속도를 나타내는 신호에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유압 액츄에이터(18)의 요구 속도를 나타내는 상기 신호는 운전자 입력 수단(50)으로부터 발생되는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 신호는, 상기 기구를 하강시키기 위한 상기 유압 액츄에이터(18)의 요구 속도를 나타내는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰레숄드 값은 상기 액츄에이터에 작용하는 사하중에 의하여 상기 액츄에이터에 야기되는 하중보다 낮도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템.
  11. 하중 감지 (LS) 시스템이고, 기구를 움직이기 위한 유압 액츄에이터(18)와, 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 제어하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로부터의 유압 유체를 드레인 하기 위한 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)를 갖는 컨트롤 밸브(15)를 포함하는 유압 시스템(12)을 제어하는 방법으로서,
    상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중을 측정하고, 상기 유압 액츄에이터에 인가되는 측정된 상기 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하는 한편 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하도록 밸브(24)를 제어하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펌프가 연결 차단될 때, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 상기 하중에 기초하는 LS-신호가 상기 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템 제어 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 유압 액츄에이터(18)에 의하여 움직일 수 있는 상기 기구를 하강시키는 동안, 상기 유압 시스템을 제어하는 것을 특징으로 하는, 유압 시스템 제어 방법.
  14. 하중 감지 (LS) 시스템이고, 기구를 움직이기 위한 유압 액츄에이터(18)와, 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 흐름을 제어하고, 상기 유압 액츄에이터(18)로부터의 유압 유체를 드레인 하기 위한 유입 밸브(16a, 16b) 및 유출 밸브(17a, 17b)를 갖는 컨트롤 밸브(15)와, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중(19)을 측정하기 위한 수단(44)을 포함하는 유압 시스템(12)을 제어하기 위한 컨트롤 유닛(35)으로서,
    상기 컨트롤 유닛(35)은, 상기 유압 액츄에이터(18)에 인가되는 하중을 나타내는 신호(47)을 수신하기 위한 압력 컨트롤 모듈(46)과, 상기 액츄에이터(18)에 인가되는 하중이 쓰레숄드 값을 초과하면, 상기 펌프(13)로부터 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 상기 흐름을 연결 차단하는 한편 상기 유압 액츄에이터(18)로의 유압 유체의 또 다른 흐름을 허용하도록 밸브(24)를 제어하기 위한 신호(49)를 전송하기 위한 밸브 컨트롤 모듈(48)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 컨트롤 유닛(35)
  15. 제14항에 있어서,
    상기 밸브 컨트롤 모듈(48)은, 상기 펌프가 연결 차단될 때, 상기 유압 액츄에이터에 인가되는 상기 하중에 기초하는 LS- 신호(14)가 상기 펌프(13)에 도달하는 것을 방지하기 위한 신호(49)를 전송하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 컨트롤 유닛.
  16. 컴퓨터 상에서 실행될 때, 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항의 단계들을 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램.
  17. 제16항에 따른 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 읽기 가능한 매체.
  18. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 유압 시스템(12)을 포함하는 작업 기계.
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