KR102010592B1

KR102010592B1 - 건설기계의 유압시스템

Info

Publication number: KR102010592B1
Application number: KR1020130027260A
Authority: KR
Inventors: 조용락; 장달식; 정우용; 안민하; 서아름
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2019-10-21
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: KR20140114491A

Abstract

본 발명은 건설기계의 유압시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템은, 실린더(72)의 헤드 쪽과 로드(74)쪽에 각각 제1, 제2 포트(70a, 70b)가 형성된 액추에이터(70); 어큐뮬레이터(80); 펌프/모터(40)와 제1 포트(70a)가 연결되고 제1 압력(Pa)이 형성된 제1 유압라인(La); 펌프/모터(40)와 제2 포트(70b)가 연결되고 제2 압력(Pb)이 형성된 제2 유압라인(Lb); 작동유가 제1, 제2 유압라인(La, Lb)쪽으로 이동만 허용하는 제1, 제2 체크밸브 유닛(310, 320); 제1, 제2 압력(Pa, Pb)이 설정된 압력과 같거나 낮게 유지하는 복수의 릴리프 밸브 유닛(60); 및 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)이 스풀의 양측에 작용되고, 제1, 제2 압력(Pa, Pb) 중에 어느 하나에 큰 압력이 형성되면 큰 압력은 어큐뮬레이터(80)와 차단되고, 낮은 압력이 어큐뮬레이터(80)와 연결되게 제어되는 제어밸브 유닛(200);을 포함한다.

Description

건설기계의 유압시스템{hydraulic system of Construction machinery}

본 발명은 건설기계의 유압시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 액추에이터가 구비되는 건설기계에 있어서, 각 액추에이터마다 펌프/모터가 구비되고, 각 액추에이터는 해당 펌프/모터의 제어에 의해 작동되며, 액추에이터에 유입되는 유량과 배출되는 유량의 유량차이에 대응하도록 작동유를 어큐뮬레이터에 저장하거나 어큐뮬레이터에서 보충 받도록 하는 건설기계의 유압시스템에 관한 것이다.

일반적으로 건설기계의 유압시스템은 동력을 발생시키는 엔진과, 엔진의 동력을 전달받아 구동되어 작동유를 토출하는 메인 유압펌프와, 작업을 수행하는 복수의 액추에이터와, 소망하는 작업기의 액추에이터를 작동시키도록 조작되는 조작부와, 조작부의 조작에 의해 요구되는 작동유를 해당 액추에이터로 분배하는 메인컨트롤 밸브를 포함하여 구성된다.

조작부는 작업자가 조작하는 조작 변위에 따라 요구 값(유량)이 형성되고, 요구 값에 의해 유압펌프에서 토출되는 작동유의 유량이 제어된다. 조작부는 예를 들면 조이스틱, 페달 등이 있다. 상술한 바와 같이, 작동유의 유량을 제어하는 것을 유압시스템의 유량제어라 한다.

또한, 메인 유압펌프에서 작동유를 토출시키려면 펌프에 회전토크를 가변시켜야 한다. 이러한 토크는 펌프 토크라 한다. 펌프 토크(T)는 펌프 용적과 작동유에 형성된 압력(P)의 곱으로 계산된다. 상술한 펌프 용적은 펌프의 축이 1회전당 토출되는 작동유의 유량이다.

유압 펌프의 용적은 사판의 경사각도와 엔진 회전수(rpm)에 의해 가변될 수 있다. 사판의 경사각도가 작을수록 용적이 작아지고, 사판의 경사각도가 커질수록 용적이 커진다. 사판의 경사각도는 해당 유압펌프의 펌프 제어부에 의해 제어된다. 또한, 엔진 회전수(rpm)가 빠를수록 유량이 증가되고, 엔진 회전수(rpm)가 느릴수록 유량이 감소된다.

액추에이터에 작업부하가 작용되지 않은 상태에서 빠르게 작동시키고자 할 때에는 유량이 증가되도록 펌프 제어부에 의해 유압펌프가 제어된다. 반면에, 액추에이터에 큰 작업부하가 작용되는 상태에서는 엔진의 제한된 토크에 맞추기 위해 펌프 제어부에 의해 유량이 감소되도록 유압 펌프가 제어된다. 이와 같이 유압 펌프에서 구현되는 펌프 토크를 제어하는 제어를 유압시스템의 마력제어라 한다.

다른 한편으로, 액추에이터는 로드가 선형 운동하는 리니어 액추에이터(Linear actuator)와 샤프트가 회전 운동하는 유압모터가 있다.

리니어 액추에이터는 실린더의 내부에 피스톤 로드가 삽입되어 있고, 실린더의 양쪽에는 제1, 제2 포트가 형성된다. 작동유가 어느 한쪽 제1 포트에 제공되면 작동유에 의해 피스톤 로드가 밀려나고, 밀려나는 피스톤 로드에 의해 다른 제2 포트에서 작동유가 빠져나간다. 그런데, 이때 제1 포트에서 유입되는 작동유의 유량과 제2 포트에서 배출되는 작동유의 유량은 다르다. 작동유의 유량이 다른 이유는 피스톤 로드의 단면적만큼 차이가 발생하기 때문이다. 이에 부연설명하면, 피스톤 로드가 없는 쪽에는 실린더 내경에 해당하는 큰 단면적이 되고, 실린더 로드가 있는 쪽에는 실린더 내경에서 실린더 로드의 단면적만큼을 뺀 작은 단면적이기 때문에 단면적 차이로 인하여 피스톤 로드의 양쪽에서 작동유의 유량에 차이가 나는 것이다.

상술한 바와 같이 액추에이터가 구동될 때에 유입되는 작동유 유량과 배출되는 작동유의 유량에 차이가 있으므로 작동유 유량차이로 인하여 액추에이터의 작동속도가 느려지는 문제가 발생한다.

이에 부연 설명하면, 유량이 과잉되는 쪽에서 유량이 부족한 쪽으로 보충하도록 하는 차징 유압회로가 구성되는데, 이러한 작동유의 차징 과정에서 액추에이터의 작동속도가 감소되는 현상이 발생한다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 액추에이터가 작동될 때에 액추에이터에 유입되는 제1 유량과 액추에이터에서 배출되는 제2 유량에서, 제1 유량과 제2 유량의 유량차이가 근소하게 발생될 때에 어큐뮬레이터로부터 작동유의 재순환이 이루어지지 않도록 하여 액추에이터의 작동속도가 저하되는 것을 방지하도록 하는 건설기계의 유압시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템은, 엔진의 구동에 의해 작동유를 토출하는 유압펌프 작용과 작동유에 의해 회전력을 발생시키는 모터작용을 겸하는 펌프/모터(40); 상기 펌프/모터(40)로부터 유압을 공급받아 작동되며 상기 유압이 출입하는 제1, 2 포트(70a, 70b)가 형성된 액추에이터(70); 상기 펌프/모터(40)와 상기 엑추에이터(70)를 연결하는 제1, 2 유압라인(La, Lb); 상기 제1, 2 유압라인(La, Lb)과 제1, 2 우회라인(411, 412)을 통해 작동유를 저장 또는 방출하는 어큐뮬레이터(80); 상기 제1, 2 우회라인(411, 412) 상에 각각 구비되어 작동유가 상기 제1, 2 유압라인(La, Lb)쪽으로만 이동을 허용하는 제1, 2 체크밸브 유닛(610, 620); 및 양측 수압부가 상기 제1, 2 유압라인(La, Lb)과 연결되고, 상기 제1, 2 유압라인 중에서 압력이 낮은 쪽의 유압라인이 상기 어큐뮬레이터(80)와 연통 되도록 절환되는 제어 밸브 유닛(200);을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 건설기계의 유압시스템은, 펌프작용과 모터작용을 겸하는 펌프/모터(40); 실린더(72)의 헤드 쪽과 로드(74)쪽에 각각 제1, 2 포트(70a, 70b)가 형성된 액추에이터(70); 작동유가 저장되는 어큐뮬레이터(80); 상기 펌프/모터(40)와 상기 제1 포트(70a)가 연결되고 제1 압력(Pa)이 형성된 제1 유압라인(La); 상기 펌프/모터(40)와 상기 제2 포트(70b)가 연결되고 제2 압력(Pb)이 형성된 제2 유압라인(Lb); 상기 제1, 2 유압라인(La, Lb)과 상기 어큐뮬레이터(80)가 각각 연결되는 제1, 2 우회라인(411, 412)에 각각 구비되어 작동유가 상기 제1, 제2 유압라인(La, Lb)쪽으로만 이동을 허용하는 제1, 제2 체크밸브 유닛(610, 620); 상기 제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 상기 어큐뮬레이터(80)가 각각 연결되는 제3, 4 우회라인(421, 422)에 각각 구비되어 상기 제1, 2 압력(Pa, Pb)이 설정된 압력과 같거나 낮게 유지하는 복수의 릴리프 밸브 유닛(60); 및 상기 제1 압력(Pa)과 상기 제2 압력(Pb)이 스풀의 양측에 작용되고, 상기 제1, 제2 압력(Pa, Pb) 중에 어느 하나에 큰 압력이 형성되면 큰 압력은 상기 어큐뮬레이터(80)와 차단되고, 낮은 압력이 상기 어큐뮬레이터(80)와 연결되게 제어되는 제어밸브 유닛(200);을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템의 상기 제어 밸브 유닛(200)은, 상기 제1 유압라인(La)과 어큐뮬레이터(80)를 연결하는 제3 위치(230)와, 제2 유압라인(Lb)과 어큐뮬레이터(80)를 연결하는 제1 위치(210)와, 어느 쪽으로도 유압의 흐름을 차단하는 제2 위치(220)로 된 내부 유로를 가지며, 양측 수압부에는 각각 상기 제1, 2 유압라인(La, Lb)의 제1압력(Pa)과 제2압력(Pb)이 각각 작용하는 스풀 구조인 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템의 상기 제어 밸브 유닛(200)은, 상기 제1 압력(Pa)과 상기 제2 압력(Pb)이 서로 동일한 경우 상기 스풀은 상기 제2 위치(220)를 유지하는 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템은 액추에이터가 작동될 때에 액추에이터에 유/출입되는 유량 차이가 필연적으로 발생하지만, 압력의 차이가 무시될 정도로 작은 경우에도 작동유 차징 유압회로에서 작동유의 재순환 작용을 방지할 수 있고, 이로써 액추에이터의 작동속도의 저하를 방지하여 작업성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 건설기계의 유압시스템을 설명하기 위한 유압회로 도면이다.
도 2는 건설기계의 유압시스템에서 비교예에 따른 작동유 차징 유압회로를 설명하기 위한 유압회로 도면이다.
도 3는 도 2에 기재된 비교예의 체크밸브 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 건설기계의 유압시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 작동유 차징 유압회로를 설명하기 위한 유압회로 도면이다.
도 5는 도 4에 기재된 본 발명의 실시예의 체크밸브 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.

한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

먼저 도 1 내지 도 3을 참조하여 건설기계의 유압시스템에 적용되는 비교예에 따른 작동유 저장/보충의 유압회로를 설명한다.

건설기계의 유압시스템은 종래에 메인펌프가 1개 내지 2개의 펌프에서 작동유를 토출하고 메인 컨트롤 밸브(MCV)에서 각각의 액추에이터로 작동유를 분배하는 구성이었다. 그러나 메인 컨트롤 밸브가 구비된 유압시스템은 메인컨트롤밸브를 경유하는 과정에서 압력손실이 발생하여 에너지 효율이 낮은 문제점이 있었다.

에너지 효율을 개선하기 위한 유압시스템으로서 각각의 액추에이터마다 독립된 펌프/모터를 구비하고, 펌프/모터를 제어함으로써 해당 액추에이터가 제어되도록 하는 유압시스템이 개발되고 있다. 이와 같은 건설기계의 유압시스템은 "PCA(Pump Controlled Actuation) 유압시스템"으로 불리운다.

PCA 유압시스템은 각각의 액추에이터에 각각의 양방향 형식의 펌프/모터로부터 유량을 공급받아 작동하고, 별도의 미터링 밸브(컨트롤 밸브)가 없으므로 작동유가 각종 밸브를 통과할 때에 저항이 없으므로 작동유의 압력손실 적고, 이로써 실질적으로 액추에이터를 작동시키도록 하는 에너지 효율이 높다.

이하에 기재되는 "PCA 유압시스템"은 각각의 액추에이터에 대해 독립된 양방향 펌프/모터가 할당된 유압시스템을 의미하고, 이는 첨부도면 도1을 참조하여 설명한다. 첨부도면 도 1은 건설기계의 유압시스템을 설명하기 위한 유압회로 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 유압시스템은 동력을 발생하는 엔진(10)과, 엔진(10)에서 발생한 동력을 복수의 펌프/모터(40)에 분배하는 동력분배 유닛(20)과, 각 펌프/모터(40)에서 토출되는 작동유에 의해 작동되는 액추에이터(70)를 포함한다.

펌프/모터(40)는 유압펌프 작용과 유압 모터의 작용을 겸하는 유압 구성요소이다. 즉, 펌프/모터(40)는 액추에이터(70)를 작동시키고자 할 때에 유압펌프로 이용되고, 반대로 액추에이터(70)의 운동에너지 또는 관성에너지에 의해 작동유가 유동될 때에 유압모터로 이용될 수 있다.

펌프/모터(40)가 유압모터로 이용될 때에는 엔진(10)에 의해 구동되는 토크에 도움이 될 수 있다. 이에 부연설명하면, 엔진(10)의 동력은 동력분배 유닛(20)에 의해 각 펌프/모터(40)의 축을 회전시키는데, 펌프/모터(40)가 액추에이터(70)에 의해 생성되는 위치에너지/관성에너지에 의해 유압모터로 작동되면 펌프/모터(40)의 축은 엔진동력에 의해 회전하던 방향으로 회전력을 더하게 되므로 엔진부하가 저감되는 효과가 있다.

한편, 복수의 펌프/모터(40)의 한쪽에는 차징 펌프(30: Charging Pump)가 구비되고, 차징 펌프(30)는 작동유를 토출하여 어큐뮬레이터(80)에 에너지를 저장한다.

상술한 바와 같은 유압시스템은 조작부(120)를 조작하면, 조작부(120)의 조작에 의해 액추에이터(70)를 제어하도록 하는 펌프/모터(40)에 대한 제어지령(bcmd1, bcmd2,……. bcmdn)이 생성된다.

제어지령(bcmd1, bcmd2,……. bcmdn)은 펌프/모터 제어부(100)에 제공된다. 좀더 상세하게는, 각 제어지령(bcmd1, bcmd2,……. bcmdn)은 각 펌프/모터 제어부(pc1, pc2,……. pcn)에 각각 제공되어 펌프/모터(40)에 구비된 사판의 사판각도를 제어한다.

한편, 각 펌프/모터(40)에는 각각 작동유 압력센서(sp1, sp2,……. spn)와 사판각 센서(sq1, sq2,……. sqn)가 구비된다.

작동유 압력센서(sp1, sp2,……. spn)는 각 펌프/모터(40)에서 토출되는 작동유의 압력을 주기적으로 검출하여 제어부(110)에 제공한다. 이로써 제어부(110)에서는 검출되는 매순간마다 각 펌프/모터의 입출구 압력의 차이(Dp1, Dp2,……. Dpn)을 계산하여 각 펌프/모터(40)에서 토출되는 작동유 압력의 변화를 모니터링하여 관리하게 된다.

사판각 센서(sq1, sq2,……. sqn)는 각 펌프/모터(40)의 사판각도를 주기적으로 검출하여 제어부(110)에 제공한다. 사판각도는 각 펌프/모터(40)의 용적을 계산하는 정보로 이용된다. 즉, 제어부(110)는 검출되는 매순간마다 각 펌프/모터(40)의 용적(b1, b2,……. bn)을 계산하여 각 펌프/모터(40)에서 토출되는 작동유 토출 유량을 모니터링하여 관리하게 된다.

또한, 유압시스템에는 작동유 차징 유압회로(charging system)이 도입된다, 작동유 차징 유압회로는 차징펌프(30)와 어큐뮬레이터(80)와 차징 릴리프 밸브(90)를 포함하여 구성된다.

차징 펌프(30)는 엔진 동력에 의해 작동유를 토출하고, 토출된 작동유를 어큐뮬레이터(80)에 제공한다.

어큐뮬레이터(80)는 작동유를 저장하는 것으로, 작동유에 작용되고 압력 에너지가 저장되는 것이다.

차징 릴리프 밸브(90)는 차징되는 작동유의 압력이 설정된 압력보다 높은 압력이 형성될 때에 개방되어 작동유 차징 유압회로의 내에 설정된 압력을 유지하도록 하는 것이다.

미설명부호 sw는 엔진회전수 센서이고, 미설명부호 w는 엔진회전수(rpm)이며, 미설명부호 w1, w2,……. wn는 각 펌프/모터의 회전수다. 엔진회전수(rpm)는 작동유에 형성된 토크를 계산할 때에 이용되는 정보이다.

도 2의 (a)를 참조하여 각 펌프/모터(40)와 액추에이터(70)가 연결된 유압회로를 설명한다. 첨부도면 도 2는 건설기계의 유압시스템에서 비교예에 따른 작동유 차징 유압회로를 설명하기 위한 유압회로 도면이다.

도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 펌프/모터(40)와 액추에이터(70)에는 각각 제1, 제2 유압라인(La, L2)이 연결된다. 좀 더 구체적으로 제1 유압라인(La)은 펌프/모터(40)와 액추에이터(70)의 실린더(72)의 헤드 쪽에 형성된 제1 포트(70a)에 연결된다. 제2 유압라인(Lb)은 펌프/모터(40)와 액추에이터(70)의 로드(74) 쪽에 형성된 제2 포트(70b)에 연결된다.

또한, 제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 어큐뮬레이터(80)로 각각 연결되는 제1, 제2 우회라인(411, 412)에 각각 체크밸브 유닛(50)이 복수로 구비된다. 체크밸브 유닛(50)은 제1, 제2 체크밸브 유닛(50a, 50b)이다.

제1 체크밸브 유닛(50a)은 제1 유압라인(La)에서 어큐뮬레이터(80)쪽으로 작동유의 흐름을 차단하고, 어큐뮬레이터(80)쪽에서 제1 유압라인(La)쪽으로 작동유가 유동되도록 한다. 한편, 제2 유압라인(Lb)에 형성된 작동유의 제2 압력(Pb)은 제1 체크밸브 유닛(50a)이 개방되는 방향으로 작용된다.

마찬가지로, 제2 체크밸브 유닛(50b)은 제2 유압라인(Lb)에서 어큐뮬레이터(80)쪽으로 작동유의 흐름을 차단하고, 어큐뮬레이터(80)쪽에서 제2 유압라인(Lb)쪽으로 작동유가 유동되도록 한다. 한편, 제2 유압라인(Lb)에 형성된 작동유의 제1 압력(Pa)은 제2 체크밸브 유닛(50b)이 개방되는 방향으로 작용된다.

또한, 제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 어큐뮬레이터(80)로 연결되는 제3, 제4 우회라인(421, 422)에 릴리프 밸브 유닛(60)이 복수로 구비된다. 릴리프 밸브 유닛(60)은 제1, 제2 유압라인(La, Lb)에서 설정된 압력보다 높은 압력이 형성되면 개방되도록 제어된다. 이로써 고압의 작동유는 유량의 일부를 어큐뮬레이터(80)쪽으로 보내게 된다.

상술한 바와 같이 구성되는 비교예의 작동유 차징 유압회로는 다음과 같이 작동된다.

도 2의 (a)에서 펌프/모터(40)는 모터작용을 하고, 액추에이터(70)는 로드(74)가 확장되는 방향으로 작용되는 것으로 가정하여 설명한다.

로드(74)가 확장될 때에 제1 포트(70a)에서 작동유가 실린더(72)의 헤드 쪽으로 유입되고, 제2 포트(70b)에서 작동유가 배출된다. 이때 유입되는 작동유 유량과 배출되는 작동유 유량은 차이가 있다. 좀 더 상세하게는 실린더 헤드 쪽에는 단면적이 크지만, 로드(74)가 배치된 쪽에는 로드(74)의 단면적만큼 단면면적이 작다. 이로써 제1 포트(70a)를 통하여 유출 입되는 제1 유량이 제2 포트(70b)를 통하여 유출입 되는 제2 유량에 비교하여 많게 된다.

상술한 바와 같이, 제1, 제2 유랑의 차이로 인하여 제1, 제2 유압라인(La, Lb)에는 각각 제1, 제2 압력(Pa, Pb)가 형성되고, 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 대소 관계에 따라 체크밸브 유닛(50)은 개폐 제어된다.

체크밸브 유닛(50)의 개폐제어는 도 2의 (b)를 참조하여 설명한다.

체크밸브 유닛(50)의 개방은 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 차이가 발생할 때에 개방된다. 한편, 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 차이가 해소되면 체크밸브 유닛(50)은 닫히게 된다.

제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)이 어큐뮬레이터 압력(Pc)과 유사한 수준으로 부하가 작게 형성될 때에, 펌프/모터(40)의 유량이 액추에이터(70)로 전부 다 공급되지 않고, 작동유 차징 유압회로의 체크밸브 유닛(50)을 통해 작동유가 어큐뮬레이터(80)와 재순환(recirculation)되므로, 액추에이터(70)의 작동속도가 감소되는 현상이 발생된다.

예를 들어, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 압력(Pa)이 어큐뮬레이터 압력(Pc)보다 근소하게 크고, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 제2 압력(Pb)보다 근소하게 큰 작동이 있을 수 있고, 이러한 경우에 작동유의 일부 유량이 내부에서 순환하는 경우가 발생될 수 있다.

작동유 차징 유압회로에서 체크밸브 유닛(50)이 개방된 후에 폐쇄되려면 다음의 조건을 만족하여야 한다.

체크밸브 유닛(50)이 닫히는 조건은 다음의 수학식1로 설명될 수 있다.

Pa, Pb: 제1, 제2 압력

Pc: 어큐뮬레이터 압력

A2: Pb와 Pc가 작용하는 수압 면적

A1: Pc와 Pa가 작용하는 수압 면적

Fko: 스프링 힘

Fst: 포펫의 정지마찰력

비교예에서, 제1 압력(Pa)이 어큐뮬레이터 압력(Pc)보다 큰 경우(일반적인 상태인 경우)에, 포펫은 닫혀서 역방향으로 흐를 수 없다. 그러나 각 압력의 차이가 근소한 경우, 포펫의 정지 마찰력을 이기지 못하고 개방된 상태가 유지되는 경우가 발생된다. 체크밸브 유닛(50)이 닫히는 작용을 향상시키기 위하여 체크밸브 유닛(50)에 구비되는 스프링을 더욱 강한 스프링으로 적용할 수 있지만 이러한 경우에 순방향으로 에너지가 저장(charging)될 때에 경우 압력손실이 증가되어,유압 시스템의 에너지 효율이 저하된다.

한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 체크밸브 유닛(50)의 포펫이 개방되어 닫힐 때에 닫히는 시작 시점부터 닫힘이 종료된 시점까지 작동유 재순환 작용이 일어나고, 종료되는 시점에서 제1 압력(Pa)은 순간적으로 증가되어 압력 피크(Pick)가 형성된다.

즉, 비교예에 따른 작동유 차징 유압회로는 액추에이터(70)의 작동속도가 일시적/순간적으로 느려진 직후에 충격이 발생하고, 이러한 충격은 유압회로의 제어성을 어렵게 하는 문제점이 있다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 작동유 차징 유압회로가 적용된 건설기계의 유압시스템을 설명한다.

첨부도면 도 4는 건설기계의 유압시스템에서 본 발명의 실시예에 따른 작동유 차징 유압회로를 설명하기 위한 유압회로 도면이다. 도 5는 도 4에 기재된 본 발명의 실시예의 체크밸브 유닛을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 실시예에서 비교예와 동일한 구성요소에 대하여 동일한 부호를 부여하고, 중복된 설명은 생략한다.

제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 어큐뮬레이터(80)가 연결되는 우회라인에 제어밸브 유닛(200)이 구비된다. 또한, 제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 어큐뮬레이터(80)로 연결되는 다른 제1, 제2 우회라인(411, 412)에 각각 제1, 제2 체크밸브 유닛(310, 320)이 구비된다.

제어밸브 유닛(200)은 제1 압력라인(La)과 어큐뮬레이터(80)가 연결되는 제3 위치(230), 작동유의 순환을 차단하는 제2 위치(220) 및 제2 압력라인(Lb)과 어큐뮬레이터(80)가 연결되는 제1 위치(210)를 포함하여 구성된다.

또한, 제어밸브 유닛(200)의 스풀 양측에는 각각 제1압력(Pa)과 제2압력(Pb)이 작용한데, 부연설명하면, 제1위치(210)의 수압부에는 제1 압력(Pa)이 작용되고, 제3 위치(220)의 수압부에는 제2 압력(Pb)이 작용된다. 또한, 제어밸브 유닛(200)의 스풀에는 양측에 스풀 복원용 스프링이 배치된다.

제1 체크밸브 유닛(310)은 작동유가 제1 유압라인(La)에서 어큐뮬레이터(80)쪽으로 이동되는 것을 방지하고, 작동유가 어큐뮬레이터(80)에서 제1 유압라인(La)쪽으로 이동되는 것만을 허용한다.

마찬가지로 제2 체크밸브 유닛(320)은 작동유가 제2 유압라인(La)에서 어큐뮬레이터(80)쪽으로 이동되는 것을 방지하고, 작동유가 어큐뮬레이터(80)에서 제2 유압라인(Lb)쪽으로 이동되는 것만을 허용한다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 실시예의 작동유 차징 유압회로는 다음과 같이 작동된다.

도 4의 (a)에서 펌프/모터(40)는 펌프작용을 하고, 액추에이터(70)는 로드(74)가 확장되는 방향으로 작용되는 것으로 가정하여 설명한다.

제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 차이가 크게 발생하는 경우에, 예를 들면, 제1 압력(Pa)이 제2 압력(Pb)보다 큰 압력이면, 제어밸브 유닛(200)의 스풀이 이동되어 제2위치(220)에서 제1 위치로(210)로 전환된다. 이로써, 제2 압력라인(Lb)과 어큐뮬레이터(80)가 연결된다. 한편, 제2 압력(Pb)과 어큐뮬레이터 압력(Pc)의 대소 관계에 따라 작동유의 흐름방향이 결정되고, 작동유는 압력이 높은 쪽에서 압력이 낮은 쪽으로 이동된다. 제1 압력(Pa)은 배출되지 않고 액추에이터(70)에 작용된다. 이로써 액추에이터(70)의 작동속도가 저하되는 것이 방지되는 것이다.

한편, 상대적으로 압력이 낮은 제2 압력라인(Lb)은 어큐뮬레이터(80)에서 작동유를 보충 받는다.

다른 한편으로, 또한, 제1, 제2 유압라인(La, Lb)과 어큐뮬레이터(80)로 연결되는 제3, 제4 우회라인(421, 422)에 각각 릴리프 밸브 유닛(60)이 구비된다. 제1, 제2 압력라인(La, Lb)에 설정된 압력보다 높은 압력이 형성될 때에는 릴리프 밸브 유닛(60)이 개방되고, 이로써 작동유의 일부는 어큐뮬레이터(80)에 저장되면서 제1, 제2 압력라인(La, Lb)의 내에는 설정된 압력보다 낮거나 같게 유지된다.

제어 밸브 유닛(200)의 작용은 도 4의 (b)를 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.

제어 밸브 유닛(200)는 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 차이가 발생할 때에 제1 위치(210) 또는 제3 위치(230)로 전환된다. 한편, 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 차이가 해소되면 제어밸브 유닛(200)은 제2 위치(220)로 전환되어 닫히게 된다.

본 발명에 따른 제어밸브 유닛(200)은 제1 압력(Pa)과 제2 압력(Pb)의 압력이 어큐뮬레이터 압력(Pc)과 유사한 수준으로 부하가 작게 형성되더라도 펌프/모터(40)의 유량이 액추에이터(70)로 전부 공급되고, 본 발명에 따른 작동유 차징 유압회로에서 고압의 제1, 제2 압력(Pa, Pb)이 고스란히 액추에이터(70)에 작용되고, 이로써 액추에이터(70)의 작동속도가 정상적인 속도로 작용되는 것이다.

예를 들어, 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 압력(Pa)이 어큐뮬레이터 압력(Pc)보다 근소하게 크고, 어큐뮬레이터 압력(Pc)이 제2 압력(Pb)보다 근소하게 큰 작동이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 실시예에서, 제어밸브 유닛(200)의 스풀이 작동되는 변수는 제1, 제2 압력(Pa, Pb)의 차이에 지배를 받는다. 즉, 어큐뮬레이터 압력(Pc)은 제어밸브 유닛(200)의 전환 작동 여부에 영향을 끼치지 않는다.

본 발명에 따른 작동유 차징 유압회로에서 제어 밸브 유닛(200)이 개방된 후에 폐쇄되려면 다음의 조건을 만족하여야 한다.

제어 밸브 유닛(200)이 닫히는 조건은 다음의 수학식2로 설명될 수 있다.

Pa: 제1 압력

Pb: 제2 압력

A: Pa와 Pc가 작용하는 수압 면적

Fko: 스프링 힘

Fst: 포펫의 정지마찰력

즉, 제1 압력(Pa)이 제2 압력(Pb)보다 근소하게 큰 경우일지라도, 압력 차이는 양수 값이 나오고, 수압면적(A)과의 곱에 스프링이 힘이 더해지는 경우에 포켓의 정지마찰력(Fst)보다 큰 값이 되므로 제어밸브 유닛(200)의 스풀이 이동된다. 그 결과 제어밸브 유닛(200)은 제1 위치(210)로 전환되고, 이로써 제1 압력(Pa)이 어큐뮬레이터(80)쪽으로 배출되지 않도록 더욱 확실하게 닫히게 된다.

따라서 본 발명에 따른 작동유 차징 유압회로는 유량손실을 방지하여 액추에이터(70)를 작동시킬 수 있고, 나아가 유압 시스템의 에너지 효율 저하가 방지된다.

한편, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어밸브 유닛(200)이 제1 위치(210) 또는 제3위치(230)에서 제2 위치(220)로 복귀되어 닫힐 때에 작동유 재순환 작용이 일어나지 않는다. 특히, 액추에이터(70)가 작동하는 속도는 유지되고, 이로써 액추에이터(70)의 제어성이 향상된다.

다른 한편으로, 본 발명에 따른 작동유 차징 유압회로는 제1 압력(Pa)이 완만하게 증가하는 것으로 제어밸브 유닛(200)의 전환에 따른 충격이 발생하지 않는다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템은 액추에이터가 작동될 때에 액추에이터에 유/출입되는 유량 차이가 필연적으로 발생하지만, 액추에이터 유출입 라인의 압력의 차이가 무시될 정도로 작은 경우에도 작동유 차징 유압회로에서 작동유의 재순환 작용을 방지할 수 있고, 이로써 액추에이터의 작동속도의 저하를 방지하여 작업성을 향상시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 건설기계의 유압시스템은 액추에이터에 전용 펌프/모터가 설치되는 유압시스템에서, 액추에이터의 유/출입되는 라인의 압력차이가 작게 발생하더라도 펌프의 유량이 내부순환되지 않고 액추에이터에 작용되도록 하여 액추에이터의 작동속도를 유지하도록 하는 데에 이용될 수 있다.

10: 엔진 20: 동력 분배 유닛
30: 차장 펌프(Charging Pump) 40: 펌프/모터
50: 체크밸브 유닛 60: 릴리프 밸브 유닛
70: 액추에이터 80: 어큐뮬레이터(Accumulator)
90: 차징 릴리프 밸브 100: 펌프/모터 제어부
110: 제어부 120: 조작부
200: 제어밸브 유닛
210, 220, 230: 제1, 제2, 제3 위치
50a, 50b: 제1, 제2 체크밸브 유닛
310, 320: 제1, 제2 체크밸브 유닛
411, 412: 제1, 제2 우회라인
421, 422: 제3, 제4 우회라인
pc1, pc2,……. pcn: 각 펌프/모터 제어부
sw: 엔진회전수 센서
sp1, sp2,……. spn: 작동유 압력센서
sq1, sq2,……. sqn: 사판각 센서
w: 엔진회전수(rpm)
w1, w2,……. wn: 각 펌프/모터의 회전수
b1, b2,……. bn: 각 펌프/모터의 용적
bcmd1, bcmd2,……. bcmdn: 각 펌프/모터에 대한 제어지령
Dp1, Dp2,……. Dpn: 각 펌프/모터의 입출구 압력의 차이
La, Lb: 제1, 제2 유압라인

Claims

엔진의 구동에 의해 작동유를 토출하는 유압펌프 작용과 작동유에 의해 회전력을 발생시키는 모터작용을 겸하는 펌프/모터;
상기 펌프/모터로부터 유압을 공급받아 작동되며 상기 유압이 출입하는 제1, 2 포트가 형성된 액추에이터;
상기 펌프/모터와 상기 액추에이터를 연결하는 제1, 2 유압라인;
상기 제1, 2 유압라인과 제1, 2 우회라인을 통해 작동유를 저장 또는 방출하는 어큐뮬레이터;
상기 제1, 2 우회라인 상에 각각 구비되어 작동유가 상기 제1, 2 유압라인쪽으로만 이동을 허용하는 제1, 2 체크밸브 유닛; 및
양측 수압부가 상기 제1, 2 유압라인과 연결되고, 상기 제1, 2 유압라인 중에서 압력이 낮은 쪽의 유압라인이 상기 어큐뮬레이터와 연통 되도록 절환되는 제어 밸브 유닛을 포함하는 건설기계의 유압시스템.
펌프작용과 모터작용을 겸하는 펌프/모터;
실린더의 헤드 쪽과 로드쪽에 각각 제1, 2 포트가 형성된 액추에이터;
작동유가 저장되는 어큐뮬레이터;
상기 펌프/모터와 상기 제1 포트가 연결되고 제1 압력이 형성된 제1 유압라인;
상기 펌프/모터와 상기 제2 포트가 연결되고 제2 압력이 형성된 제2 유압라인;
상기 제1, 2 유압라인과 상기 어큐뮬레이터가 각각 연결되는 제1, 2 우회라인에 각각 구비되어 작동유가 상기 제1, 제2 유압라인쪽으로만 이동을 허용하는 제1, 제2 체크밸브 유닛;
상기 제1, 제2 유압라인과 상기 어큐뮬레이터가 각각 연결되는 제3, 4 우회라인에 각각 구비되어 상기 제1, 2 압력이 설정된 압력과 같거나 낮게 유지하는 복수의 릴리프 밸브 유닛; 및
상기 제1 압력과 상기 제2 압력이 스풀의 양측에 작용되고, 상기 제1, 제2 압력 중에 어느 하나에 큰 압력이 형성되면 큰 압력은 상기 어큐뮬레이터와 차단되고, 낮은 압력이 상기 어큐뮬레이터와 연결되게 제어되는 제어밸브 유닛을 포함하는 건설기계의 유압시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어 밸브 유닛은,
상기 제1 유압라인과 어큐뮬레이터를 연결하는 제3 위치와, 제2 유압라인과 어큐뮬레이터를 연결하는 제1 위치와, 어느 쪽으로도 유압의 흐름을 차단하는 제2 위치로 된 내부 유로를 가지며, 양측 수압부에는 각각 상기 제1, 2 유압라인의 제1압력과 제2압력이 각각 작용하는 스풀 구조인 것을 특징으로 하는 건설기계의 유압시스템.
제3항에 있어서,
상기 제어 밸브 유닛은,
상기 제1 압력과 상기 제2 압력이 서로 동일한 경우, 상기 스풀은 상기 제2 위치를 유지하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 유압시스템.