JP5004192B2

JP5004192B2 - フォークリフトの油圧システム

Info

Publication number: JP5004192B2
Application number: JP2008257976A
Authority: JP
Inventors: 治和木村
Original assignee: 日本輸送機株式会社
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: JP2010083672A

Description

本発明は、フォークを昇降させるためのリフトシリンダと他の油圧アクチュエータとを同時に作動させることができるフォークリフトの油圧システムに関する。

荷役作業を行うフォークリフトには、通常、フォークを昇降させるためのリフトシリンダ、マストを傾動（ティルト）させるためのティルトシリンダ等の複数の油圧アクチュエータ、及びこれらを同時作動させるための油圧システムが備えられている。また、近年では、フォーク下降時にフォークや荷物の位置エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリを充電する、いわゆる下降回生技術を用いた油圧システムが主流となってきている。

下降回生が可能な公知の油圧システムとして、例えば、特許文献１に記載のものがある。図７に示すように、この油圧システムはリフトシリンダ２３及びティルトシリンダ２４を作動させるためのもので、主に、作動油を貯留するタンク１３と、油圧ポンプ４と、油圧ポンプ４に機械的に連結された電動機３と、油圧モータ８と、油圧モータ８と電動機３とを連結するワンウェイクラッチ９と、作動油の流れを制御するリフト上昇制御弁５、ティルト制御弁６及びリフト下降制御弁７と、各部を結ぶ油圧配管とからなっている。ここで、ワンウェイクラッチ９は、油圧モータ８から電動機３への一方向にのみトルクを伝達可能で、逆方向のトルクに対しては空転してトルクの伝達が行われないよう構成されている。

この油圧システムにおいてフォーク下降操作とティルト操作が同時に行われると、リフトシリンダ２３内の作動油は、リフト下降制御弁７及び油圧モータ８を経由してタンク１３に返送される。このとき、油圧モータ８は返送される作動油の量に応じて回転し、その回転トルクはワンウェイクラッチ９を介して電動機３に伝達される。すなわち、電動機３は油圧モータ８からのトルクによってアシストされるので、油圧ポンプ４を駆動してティルトシリンダ２４を作動させるのに必要な電力を低減することができる。

また、この従来の油圧システムでは、ティルト操作が行われていない状態でリフトレバー２５が下降側に所定の角度以上に操作されると、リフト下降制御弁７が全開となる。そして、油圧モータ８からのトルクによって電動機３が発電機として動作し、バッテリが充電されるようになっている。これにより、リフト下降制御弁７における圧損が低減され、フォーク２１及び荷物の位置エネルギーを効率的に回生に利用することができる。
特開２００７−２５４０５８号公報（特に、実施例２）

しかしながら、上述の油圧システムでは、リフトレバー角が所定の角度以上であるか否かのみに基づいてリフト下降制御弁７を全開とするか否かが決定されるので、全開にすべき状況で全開とならなかったり、反対に全開にすべきでない状況で全開となったりする場合があり、リフト下降制御弁７における圧損が十分に低減できていなかった。

そこで、本発明は、より確実にリフト下降制御弁における圧損を低減し、フォーク及び荷物の位置エネルギーを無駄なく回生に利用することができる、フォークリフトの油圧システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る油圧システムは、リフトレバーの操作量に応じてフォークを昇降させるリフトシリンダと、前記フォーク以外の他の可動部材を動作させる油圧アクチュエータと、作動油を貯留するタンクと、前記タンクの作動油を前記リフトシリンダ及び／または前記油圧アクチュエータに送り出す油圧ポンプと、前記油圧ポンプに機械的に連結された電動機と、前記フォークの下降に伴って前記リフトシリンダから前記タンクに返送される作動油の量を制限するリフト下降制御弁と、前記リフト下降制御弁を通って返送されてきた作動油の量に応じた回転数で回転する油圧モータと、前記油圧モータと前記電動機とを連結し、前記油圧モータから前記電動機への一方向にのみトルクを伝達するトルク伝達手段とを備え、前記フォークの下降と前記油圧アクチュエータの動作とが同時に行われると、前記リフト下降制御弁が前記リフトレバーの操作量に比例した開度に制御されるとともに、前記電動機が前記油圧アクチュエータに必要な量の作動油を送り出せるような所定の回転数に制御されるよう構成された油圧システムであって、前記フォークの実際の下降速度、前記リフトレバーの操作量に比例した前記フォークの目標下降速度、前記電動機の実際の回転数から求められた前記フォークの下降速度、及び前記所定の回転数から求められた前記フォークの下降速度が全て一致した場合に、前記リフト下降制御弁の開度が全開に制御されることを特徴とする。

好ましくは、上記油圧システムは、前記油圧モータの回転数を検出する油圧モータ回転検出器をさらに備え、前記フォークの実際の下降速度は、前記油圧モータの回転数に基づいて求められることを特徴とする。

さらに好ましくは、上記油圧システムにおける前記油圧アクチュエータは、ティルトシリンダまたはステアリングシリンダであることを特徴とする。

本発明によれば、より確実にリフト下降制御弁における圧損を低減し、フォーク及び荷物の位置エネルギーを無駄なく回生に利用することができる、フォークリフトの油圧システムを提供することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る油圧システムの好ましい実施形態について説明する。

本発明に係る油圧システムは、例えば、図１に示すようなフォークリフトに備えられる。フォークリフト２０は、前後に傾動可能に支持されたマスト２２を備え、このマスト２２には上下に昇降可能に支持されたフォーク２１と、フォーク２１を昇降させるためのリフトシリンダ２３が備えられている。また、マスト２２とフォークリフト本体との間には、マスト２２を傾動させるためのティルトシリンダ２４が備えられている。

運転席前方には、フォーク２１を昇降させるためのリフトレバー２５と、マスト２２を傾動させるためのティルトレバー２６とが備えられている。例えば、作業者がリフトレバー２５を上昇側（手前方向）に操作すると、リフトレバー角に応じた量の作動油が油圧システム１からリフトシリンダ２３に送られ、フォーク２１が上昇する。反対に、作業者がリフトレバー２５を下降側（奥方向）に操作すると、リフトレバー角に応じた量の作動油がリフトシリンダ２３から油圧システム１に返送され、フォーク２１が下降する。作業者がティルトレバー２６を操作した場合も、同様に、油圧システム１とティルトシリンダ２４との間で作動油の受け渡しが行われ、マスト２２が前傾／後傾する。

また、作業者は、リフトレバー２５によるフォーク２１の昇降とティルトレバー２６によるマスト２２の傾動とを同時に行うこともできる。例えば、リフトレバー２５を手前方向に操作しながらティルトレバー２６を奥方向に操作すると、フォーク２１の上昇とマスト２２の前傾とが同時に行われる。

本発明に係る油圧システムの構成をブロック図で表したのが図２、具体的な油圧回路図で表したのが図３である。これらの図を参照して、本発明に係る油圧システム１は、主に、作動油を貯留するタンク１３と、タンク１３の作動油を各部に送り出す油圧ポンプ４と、油圧ポンプ４に機械的に連結された電動機３と、リフトシリンダ２３から返送されてくる作動油量に応じて回転する油圧モータ８と、油圧モータ８と電動機３とを連結するワンウェイクラッチ９と、作動油の流れを制御するリフト上昇制御弁５、ティルト制御弁６及びリフト下降制御弁７と、各部を結ぶ油圧配管とを備えている。

ここで、ワンウェイクラッチ９は、油圧モータ８から電動機３への一方向にのみトルクを伝達可能で、逆方向のトルクに対しては空転してトルクの伝達が行われないよう構成されている。すなわち、リフトシリンダ２３から返送されてくる作動油によって油圧モータ８が発生したトルクは電動機３に伝達される（アシストされる）が、油圧モータ８が電動機３の回転の影響を受けることはない。なお、油圧ポンプ４を駆動する際の電動機３の回転方向と、油圧モータ８からのトルクでアシストされて回転する際の電動機３の回転方向は同一である。

また、本発明に係る油圧システム１は、少なくとも電動機３及びリフト下降制御弁７を制御するコントローラ２と、コントローラ２を介して主に電動機３に電力を供給するバッテリ１１と、油圧モータ８の実際の回転数（以下、「油圧モータ実回転数」という）を検出するための油圧モータ回転検出器１２とを備え、さらに電動機３は自己の実際の回転数（以下、「電動機実回転数」という）を検出するための電動機回転検出器１０を有している。油圧モータ回転検出器１２が検出した油圧モータ実回転数に関する信号と、電動機回転検出器１０が検出した電動機実回転数に関する信号は、いずれもコントローラ２に入力される。

リフトレバー２５が操作されてリフトレバー角が変化すると、その角度に応じてリフト上昇制御弁５の開度が変化するとともに、リフトレバー角に関する信号がコントローラ２に入力される。ティルトレバー２６が操作された場合も、同様に、ティルトレバー角に応じてティルト制御弁６の開度が変化するとともに、ティルトレバー角に関する信号がコントローラ２に入力される。

コントローラ２は、リフトレバー角、ティルトレバー角、電動機実回転数及び油圧モータ実回転数に基づいて、電動機３の回転数Ｒとリフト下降制御弁７の開度Ｍを制御する。回転数Ｒ及び開度Ｍの具体的な制御については、後で詳細に説明する。

リフトレバー２５が上昇側に操作されるか、あるいはティルトレバー２６が前傾／後傾側に操作されて電動機３が回転すると、その回転数に応じた量の作動油が油圧ポンプ４によってリフト上昇制御弁５及び／またはティルト制御弁６に送られる。そして、リフト上昇制御弁５及びティルト制御弁６の開度に応じた量の作動油が、リフトシリンダ２３及びティルトシリンダ２４に送られる。つまり、油圧ポンプ４から送り出された作動油は、リフト上昇制御弁５及びティルト制御弁６の開度に応じて、リフトシリンダ２３及びティルトシリンダ２４に分配される。

一方、リフトレバー２５が下降側に操作されると、それに応じてリフト上昇制御弁５が閉じるとともに、コントローラ２に制御されてリフト下降制御弁７が開く。そして、フォーク２１を上昇させていたリフトシリンダ２３内の作動油は、リフト下降制御弁７及び油圧モータ８を経由してタンク１３に返送される。このとき、油圧モータ８は返送されてきた作動油の量に応じて回転し、その回転トルクはワンウェイクラッチ９を介して電動機３に伝達される。これにより、電動機３を力行制御する際に必要となる電力を低減したり、バッテリ１１を充電したりすることができる。

続いて、図４〜図６を参照して、本発明に係る油圧システムの具体的な動作、特にコントローラ２によって行われる電動機３の回転数Ｒとリフト下降制御弁７の開度Ｍの制御について説明する。

図４に示すように、リフトレバー２５が操作されると、まず、その操作がフォーク２１を“上昇”させるものであるのか、“下降”させるものであるのか、または上昇／下降を“停止”させるものであるのかが判定される（図４のステップＳ１）。そして、“上昇”と判定された場合は、ティルト操作の有無が判定され（ステップＳ２）、ティルト操作が“なし”の場合は、コントローラ２によって電動機３が回転数Ｒ₁で力行制御される（ステップＳ４、図６のグラフＣ）。これにより、作動油がリフトシリンダ２３に送られ、フォーク２１が上昇する。一方、ティルト操作が“あり”の場合、電動機３はティルトシリンダ２４を作動させるのに必要な回転数Ｒ₂（Ｒ₂＜Ｒ₁）で力行制御される（ステップＳ５、グラフＡ）。これにより、作動油がリフトシリンダ２３及びティルトシリンダ２４に送られ、フォーク２１が上昇するとともに、マスト２２が前傾／後傾する。なお、この場合は、電動機３の回転数がＲ₁ではなくＲ₂に制限されるので、リフトレバー角を大きくしても、フォーク２１の上昇速度は頭打ちとなる。

リフト操作が“停止”で、かつティルト操作が“あり”の場合も、電動機３は回転数Ｒ₂で力行制御される（ステップＳ５、グラフＩ）。これにより、ティルトシリンダ２４に作動油が送られ、マスト２２が前傾／後傾する。

なお、リフト操作が“上昇”及び“停止”の場合は、ティルト操作の有無にかかわらず、リフト下降制御弁７は閉じられたままである（グラフＢ，Ｄ，Ｊ，Ｌ）。これらの場合は、リフトシリンダ２３から作動油が返送されることはないからである。また、リフト操作が“停止”でかつティルト操作が“なし”の場合は、電動機３は力行制御も回生制御もされない（グラフＫ）。タンク１３とリフトシリンダ２３及びティルトシリンダ２４との間で、作動油の受け渡しを行う必要がないからである。

ステップＳ１においてリフト操作が“下降”と判定された場合も、続いてティルト操作の有無が判定される（ステップＳ６）。そして、ティルト操作が“なし”の場合は、コントローラ２によってリフト下降制御弁７が全開（Ｍ_MAX）とされ（ステップＳ７、グラフＨ）、さらにリフトレバー角Ｌに比例した回転数Ｒを超えないように電動機３が回生制御される（ステップＳ８、グラフＧ）。これにより、リフトレバー角Ｌに比例した速度でフォーク２１を下降させることができる。また、フォーク２１の自重や荷物が重く（位置エネルギーが大きく）、下降速度が速くなるような場合（すなわち、油圧モータ８からのトルクによって電動機３の回転数がリフトレバー角Ｌに比例した回転数Ｒを超えようとする場合）は、その超えようとする分のエネルギーでバッテリ１１を充電することができる。

リフト操作が“下降”でかつティルト操作が“あり”と判定されると、図５のフローチャートに従って電動機３の回転数Ｒ及びリフト下降制御弁７の開度Ｍの制御が行われる。すなわち、コントローラ２は、電動機３及びリフト下降制御弁７の制御のために必要な情報として、リフトレバー２５から出力されるリフトレバー角Ｌ、油圧モータ回転検出器１２から出力される油圧モータ実回転数Ｒ_H及び電動機回転検出器１０から出力される電動機実回転数Ｒ_Mに関する信号を参照する（図５のステップＳ９）。

続いて、コントローラ２は、参照した各信号のうち、リフトレバー角Ｌに基づいてフォーク２１の目標下降速度Ｖ_DLを求める（ステップＳ１０）。リフトレバー角Ｌと目標下降速度Ｖ_DLは比例関係にあり、一のリフトレバー角Ｌに基づいて一の目標下降速度Ｖ_DLが所定の計算式またはマップ等で求められる。例えば、リフトレバー角Ｌが７ビットのディジタル信号（０［digit］〜１２７［digit］）で表される場合に、コントローラ２に３９［digit］が入力されると、目標下降速度Ｖ_DL２４３［mm/s］が求められるようになっている。

次に、コントローラ２は、油圧モータ実回転数Ｒ_Hに基づいてフォーク２１の実際の下降速度Ｖ_DHを求める（ステップＳ１１）。下降速度Ｖ_DHは、例えば、次式で求めることができる。

ここで、Ｒ_Hは油圧モータ実回転数［rpm］、ｑは油圧モータ８を１回転させるのに理論的に必要となる作動油の量［mm³］、ηは油圧モータ８の効率（例えば、０．９）、Ｓはリフトシリンダ２３の断面積［mm²］である。油圧モータ実回転数Ｒ_H以外のｑ、η、Ｓは全て定数なので、結局、油圧モータ実回転数Ｒ_Hが分かると、それに応じた下降速度Ｖ_DHを簡単に求めることができる。具体的には、油圧モータ実回転数Ｒ_Hが１１１９［rpm］の場合、下降速度Ｖ_DHは２４３［mm/s］となる。また、油圧モータ実回転数Ｒ_Hが５６０（１１１９の約半分）［rpm］の場合、下降速度Ｖ_DHは１２２（２４３の約半分）［mm/s］となる。

続いて、コントローラ２は、電動機３の指令回転数Ｒ₂に基づいてフォーク２１の下降速度Ｖ_DCを求め（ステップＳ１２）、さらに電動機実回転数Ｒ_Mに基づいて下降速度Ｖ_DMを求める（ステップＳ１３）。下降速度Ｖ_DC及び下降速度Ｖ_DMは、例えば、次式で求めることができる。

ここで、ｑ、η、Ｓは、下降速度Ｖ_DHと同じ定数である。

その後、コントローラ２では、ステップＳ１０で求めた目標下降速度Ｖ_DL、ステップＳ１１で求めた下降速度Ｖ_DH、ステップ１２で求めた下降速度Ｖ_DC、及びステップ１３で求めた下降速度Ｖ_DMが全て一致しているか否かの判定が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、このステップでは、フォーク２１が作業者の思い通りの速度で下降しているか否か、ティルトシリンダ２４に必要な量の作動油が送られているか否か、及びリフトレバー角Ｌから見たフォーク２１の目標下降速度Ｖ_DLとティルト操作に必要な電動機３の回転数Ｒ₂から見たフォーク２１の下降速度Ｖ_DCとが釣り合っているか否かが判定される。

図５に示すように、本発明に係る油圧システムでは、ステップＳ１４の条件を満たしている場合と満たしていない場合とで、異なった制御が行われる。

具体的には、ステップＳ１４の条件を満たしている場合、すなわち、リフトレバー角ＬがＬ_t以上となり、フォーク２１の下降速度と電動機３の回転数とが作業者の思い通りに制御されている場合、コントローラ２はリフト下降制御弁７の開度を全開（Ｍ_MAX）に制御し（ステップＳ１５、グラフＦ（Ｌ≧Ｌ_tの領域））、さらに電動機３の回転数をＲ₂一定となるように回生制御する（ステップ１６、グラフＥ（Ｌ≧Ｌ_tの領域））。

これにより、リフト下降制御弁７による圧損を生じさせることなく油圧モータ８を回転させることができ、その回転トルクによって電動機３をアシストすることができる。また、リフト下降制御弁７が全開になると、油圧モータ８を通る作動油の量が増大して油圧モータ８の回転数も上昇するが、電動機３の回転数はＲ₂一定に回生制御されているので、結局、電動機３の回転数がＲ₂を超えようとする分のエネルギーはバッテリ１１に充電されることになる。
なお、電動機３の回転数はＲ₂に保たれているので、リフト下降制御弁７が全開になっても、フォーク２１の下降速度はリフトレバー角Ｌ_tに対応する速度以上にはならない。したがって、下降速度の急激な変化に起因する荷崩れ等が起こる心配はない。

一方、ステップＳ１４の条件を満たさない場合、コントローラ２はリフト下降制御弁７をリフトレバー角Ｌに比例した開度Ｍに制御し（ステップＳ１７、グラフＦ（Ｌ＜Ｌ_tの領域））、さらに電動機３の回転数をＲ₂一定となるように力行制御する（ステップ１８、グラフＥ（Ｌ＜Ｌ_tの領域））。

これにより、フォーク２１をリフトレバー角Ｌに応じた速度で下降させることができるとともに、マスト２２を傾動させるのに必要な量の作動油をティルトシリンダ２４に送ることができる。なお、このとき、電動機３は、油圧モータ８からのトルクでアシストされるので、単に電動機３の回転数をＲ₂で力行制御する場合よりも、電動機３に供給する電力を低減することができる。

以上のように、本発明に係る油圧システムでは、フォーク２１の下降速度と電動機３の回転数とが思い通りに制御されているか否かによって、リフト下降制御弁７を全開にするか否かが決定される。これにより、フォーク２１の下降速度をリフト下降制御弁７で調節する必要がない場合に、リフト下降制御弁７を不必要に絞ることによって発生する圧損を低減し、回生が非効率なものとなってしまうのを防ぐことができる。

なお、上記本発明に係る油圧システムの構成は単に一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、フォーク２１の昇降と同時に作動させることができる油圧アクチュエータは、ハンドル角度に応じて操舵輪の操舵角を変化させるステアリングシリンダであってもよい。また、電動機３と油圧モータ８とをつなぐワンウェイクラッチは、一方向にのみトルクを伝達する他の公知のトルク伝達手段に変更することができる。

フォークリフトの側面図である。本発明に係る油圧システムのブロック図である。本発明に係る油圧システムの具体的な油圧回路の一例を示す図である。本発明に係る油圧システムの動作を示すフローチャートである。図４のα部の動作を示すフローチャートである。本発明に係る油圧システムにおける電動機とリフト下降制御弁の動作を示すグラフである。従来の油圧システムの油圧回路図である。

符号の説明

１油圧システム
２コントローラ
３電動機
４油圧ポンプ
５リフト上昇制御弁
６ティルト制御弁
７リフト下降制御弁
８油圧モータ
９ワンウェイクラッチ（トルク伝達手段）
１０電動機回転検出器
１１バッテリ
１２油圧モータ回転検出器
１３タンク
２０フォークリフト
２１フォーク
２２マスト
２３リフトシリンダ
２４ティルトシリンダ
２５リフトレバー
２６ティルトレバー

Claims

リフトレバーの操作量に応じてフォークを昇降させるリフトシリンダと、前記フォーク以外の他の可動部材を動作させる油圧アクチュエータと、作動油を貯留するタンクと、前記タンクの作動油を前記リフトシリンダ及び／または前記油圧アクチュエータに送り出す油圧ポンプと、前記油圧ポンプに機械的に連結された電動機と、前記フォークの下降に伴って前記リフトシリンダから前記タンクに返送される作動油の量を制限するリフト下降制御弁と、前記リフト下降制御弁を通って返送されてきた作動油の量に応じた回転数で回転する油圧モータと、前記油圧モータと前記電動機とを連結し、前記油圧モータから前記電動機への一方向にのみトルクを伝達するトルク伝達手段と、を備え、
前記フォークの下降と前記油圧アクチュエータの動作とが同時に行われると、前記リフト下降制御弁が前記リフトレバーの操作量に比例した開度に制御されるとともに、前記電動機が前記油圧アクチュエータに必要な量の作動油を送り出せるような所定の回転数に制御されるよう構成された油圧システムであって、
前記フォークの実際の下降速度、前記リフトレバーの操作量に比例した前記フォークの目標下降速度、前記電動機の実際の回転数から求められた前記フォークの下降速度、及び前記所定の回転数から求められた前記フォークの下降速度が全て一致した場合に、前記リフト下降制御弁の開度が全開に制御されることを特徴とするフォークリフトの油圧システム。
前記油圧モータの回転数を検出する油圧モータ回転検出器をさらに備え、
前記フォークの実際の下降速度は、前記油圧モータの回転数に基づいて求められることを特徴とする請求項１に記載のフォークリフトの油圧システム。
前記油圧アクチュエータは、ティルトシリンダまたはステアリングシリンダであることを特徴とする請求項２に記載のフォークリフトの油圧システム。