JP2001089079A - カウンタバランス弁を用いた油圧回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成によってモータ低速回転時のハン
チングの発生やモータ高速回転時の応答性の悪化を防止
する。 【解決手段】 カウンタバランス弁１０のスプール１２
の端部に形成された油室１３ａと管路１５とを固定絞り
１４を介して連通するとともに、油室１３ａとタンクＴ
とをスプール１２のランド部１２ａに形成された貫通穴
１７と固定絞り２１を介して連通する。これにより、モ
ータ駆動圧Ｐ1の変動によるスプール１２の移動に伴い
貫通穴１７も移動し、油室１３ａとタンクＴとを結ぶ経
路の開口面積が変化する。その結果、スプール１２の移
動量の増加に伴いモータ駆動圧Ｐ1と油室１３ａの圧力
Ｐaとの比Ｐa/Ｐ1が増加し、スプール１２の移動量が小
さいときは油室１３ａの圧力変動が小さくなってハンチ
ングが防止され、スプール１２の移動量が大きいときは
油室１３ａの圧力変動が大きくなって応答性が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カウンタバランス
弁を用いた建設機械等の油圧回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ウインチの油圧回路において
は、油圧モータの巻上時の圧油入口側管路（以下、巻上
側管路）に吊り荷の落下防止用のカウンタバランス弁が
設けられる。巻下駆動時、カウンタバランス弁のスプー
ルは油圧モータの巻下時の圧油入口側管路（以下、巻下
側管路）の圧力に応じて駆動され、スプールの駆動によ
りカウンタバランス弁の流量制御部が開閉される。これ
によって、巻上側管路に保持圧が発生し、油圧モータの
巻下速度が制御される。

【０００３】この場合、巻下側管路の圧力の変化量に対
する流量制御部の開口面積の変化量の割合を一定とする
と、次のような問題が発生する。吊り荷の重量を一定と
した場合、油圧モータの回転数が低いと流量制御部の開
口面積は減少し、その結果、スプールのわずかな動きが
巻下速度に大きな影響を与え、振動やハンチングが発生
するおそれがある。逆に、油圧モータの回転数が高い場
合には流量制御部の開口面積は増大し、スプールの応答
性が悪化する。また、吊り荷の重量をパラメータとする
と、保持圧が大きいほどハンチングが発生しやすく、保
持圧が小さいほど応答性が悪化する傾向にある。このよ
うな問題を解決するカウンタバランス回路が例えば特開
平６−１５９３１７号公報に開示されている。

【０００４】この公報記載の回路によると、巻下側管路
の圧油をスプールに導くための管路の途中に可変絞りを
設け、油圧モータの回転数と保持圧に基づいて可変絞り
の開口面積を制御する。これによって、巻下側管路の圧
力の変化量に対する流量制御部の開口面積の変化量の割
合が、油圧モータの回転数が低い、または保持圧が大き
い場合には小さめに制御され、油圧モータの回転数が高
い、または保持圧が小さい場合には大きめに制御され
て、ハンチングの発生や応答性の悪化を防止することが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報記載の回路では、油圧モータの回転数や保持圧を検出
するためのセンサ、センサからの検出値を演算する演算
装置、可変絞りを駆動するアンプ、ソレノイド等、多数
の電気部品が必要となる。そのため、構成が複雑となっ
てコストが増大するばかりか、電気部品の故障の際には
制御不能となる。

【０００６】本発明の目的は、簡易な構成によってハン
チングの発生や応答性の悪化を防止することができるカ
ウンタバランス弁を用いた油圧回路を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１） 一実施の形態を
示す図１,３を参照して説明すると、請求項１の発明
は、油圧ポンプ１と、油圧ポンプ１から吐出される圧油
により駆動する油圧モータ２と、油圧ポンプ１から油圧
モータ２に供給される圧油の流れを制御する制御弁３
と、油圧モータ２の駆動時の戻り側管路９に介装された
カウンタバランス弁１０とを有する油圧回路に適用され
る。そして、カウンタバランス弁１０が、油圧モータ２
の駆動時の送り側管路１５から導かれる圧油によって移
動し、移動量の増加に伴い戻り側管路９の通路面積を増
加させるスプール１２と、油圧モータ２の駆動時の送り
側管路１５からスプール１２への供給油路に介装された
固定絞り１４と、固定絞り１４を介して供給された圧油
をタンクＴへ戻す管路の絞り面積を、スプール１２の移
動量の増加に伴い最大Ａ2から最小Ａ1に変化させる可変
絞り機構１１ａ,１６,１７,２１とを有することにより
上述した目的は達成される。 （２） 請求項２の発明は、図５,６に示すように、可
変絞り機構１１ａ,１６,１７,２１からの圧油をタンク
Ｔへ戻す管路に、油圧モータ２に作用する負荷の増加に
伴い可変絞り機構１１ａ,１６,１７,２１とタンクＴと
を連通する面積を最小０から最大Ａ2に変化させるよう
な弁装置５１を介装するものである。 （３） 請求項３の発明は、弁装置５１が、スプール１
２の移動により絞り面積が最大値Ａ2に達する前に、油
圧モータ２に作用する負荷の増加に伴い可変絞り機構１
１ａ,１６,１７,２１とタンクＴとを連通する面積を最
小０から最大Ａ2に変化させるものである。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が実施の形態に限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。 −第１の実施の形態− 図１は、本発明の第１の実施の形態に係わるカウンタバ
ランス弁を用いた油圧回路図であり、図４は、そのカウ
ンタバランス弁を用いた油圧回路を有するクレーンの側
面図である。図４に示すように、クレーンは、走行体４
１と、走行体４１上に旋回装置４２を介して旋回可能に
搭載された旋回体４３と、旋回体４３の先端部に起伏可
能に取り付けられたブーム４４とを有し、巻上ロープ４
５の巻回された巻上ウインチ４のドラム４６を巻上また
は巻下駆動することで、ブーム先端からフック４７を介
して吊り下げられた吊り荷４８が昇降する。

【００１０】図１に示すように、カウンタバランス弁を
用いた油圧回路は、原動機Ｍによって駆動される可変容
量型の油圧ポンプ１と、油圧ポンプ１から吐出される圧
油によって駆動する巻上用油圧モータ２と、油圧ポンプ
１から油圧モータ２に供給される圧油の流れを制御する
方向制御弁３と、油圧モータ２からの駆動トルクによっ
て巻上巻下駆動される巻上ウインチ４と、オペレータが
巻上ウインチ４の巻上巻下指令を入力する操作レバー５
と、操作レバー５により操作されるパイロット弁６Ａ,
６Ｂと、パイロット弁６Ａ,６Ｂに圧油を供給するパイ
ロット油圧源７と、油圧モータ２の巻上側管路に保持管
路８を形成し、保持管路８から管路９への流れを規制し
て油圧モータ２の巻下速度を制御するカウンタバランス
弁１０とを有している。

【００１１】カウンタバランス弁１０はシリンダ１１に
挿入された第１、第２ランド１２ａ,１２ｂからなるス
プール１２を有し、スプール１２はシリンダ内を移動可
能となっている。シリンダ１１の両端部にはスプール１
２の両端面との間に油室１３ａ,１３ｂがそれぞれ形成
されている。シリンダ１１の内周面の３カ所には溝状の
通路１１ａ〜１１ｃが全周にわたって形成されている。
油室１３ａは固定絞り１４を介して油圧モータ２の巻下
側管路１５に連通されるとともに、第１ランド１２ａの
内部に設けられた通路１６、およびその通路１６から第
１ランド１２ａの表面にかけて貫通された貫通穴１７を
介して通路１１ａに連通されている。通路１１ａは固定
絞り２１を介してタンクＴに連通されている。油室１３
ｂにはバネ１８が介装され、スプール１２はバネ力によ
って油室１３ａ側に付勢されている。油室１３ｂは第２
ランド１２ｂの内部に設けられた絞り１９と通路２０を
介して外部通路１１ｃに連通され、通路１１ｃは管路９
に接続されている。

【００１２】図２（ａ）は、図１に示したカウンタバラ
ンス弁の貫通孔の拡大図であり、図２（ｂ）は、図２
（ａ）のｂ-ｂ線断面図である。図２に示すように、貫
通穴１７は、スプール１２を貫通する丸穴部１７ａと、
スプール１２の表面に設けられたｖ型ノッチ部１７ｂお
よびｕ型ノッチ部１７ｃとからなっている。貫通孔１７
の表面積は、図２（ａ）に示すように、丸穴部１７ａか
らｖ型ノッチ部１７ｂにかけて徐々に減少し、ｕ型ノッ
チ部１７ｃで面積一定となるように形成されている。ま
た、貫通孔１７の深さは、図２（ｂ）に示すように、ｖ
型ノッチ部１７ｂからｕ型ノッチ部１７ｃにかけて徐々
に浅くなり、ｕ型ノッチ部１７ｃで深さ一定となるよう
に形成されている。したがって、スプール１２がバネ１
８の方向に移動するにつれて貫通穴１７と通路１１ａと
を連通する開口面積Ａは、図３の点線に示す如く徐々に
減少する。そして、スプール１２のストローク量がＳ1
に達し、通路１１ａの側面とｖ型ノッチ部１７ｂ先端と
の距離Ｌが０になると、以降、開口面積Ａは一定（＝Ａ
1）となる。この場合の開口面積Ａ1は、ｕ型ノッチ部１
７ｂの面積に相当する。

【００１３】固定絞り２１の開口面積Ａ2は貫通穴１７
の最大面積Ａ3よりも小さく、ｕ型ノッチ部の開口面積
Ａ1よりも大きくなっている。これにより、油室１３ａ
とタンクＴとを結ぶ経路における最小絞りＡ'は図３の
実線のように変化する。すなわち、スプール１２のスト
ロークＳが０からＳ2までは絞り２１の開口面積Ａ2の方
が開口面積Ａよりも小さいので、最小絞りＡ'はＡ2で一
定となる。これによって、最小絞りを大きくしすぎるこ
とがなく、モータ２の回転に必要な駆動トルクを得るこ
とができる。ストロークＳがＳ2を越えると絞り２１の
開口面積Ａ2よりも開口面積Ａの方が小さいので、最小
絞りＡ'はＡに一致する。

【００１４】図１に示すように、通路１１ｂには保持管
路８とチェック弁２２がそれぞれ接続され、巻上時には
チェック弁２２を通過した圧油が通路１１ｂを通って保
持管路８から油圧モータ２に導かれる。第２ランド１２
ｂの油室１３ａ側の端部外周には切り欠き部２３が形成
され、この切り欠き部２３を介して通路１１ｂと通路１
１ｃが連通可能とされている。巻下時にスプール１２の
ストローク量が大きくなると切り欠き部２３を介して通
路１１ｂと通路１１ｃとを連通する開口面積（流量制御
部）が増大し、この開口面積の変化に応じた圧油が保持
管路８から管路９へと流れてモータ速度が変化する。

【００１５】次に、本発明の第１の実施の形態の動作に
ついて説明する。図１の油圧回路において、操作レバー
５をＡ方向へ操作すると、その操作量に応じてパイロッ
ト弁６Ａが駆動され、パイロット油圧源７からの圧油は
パイロット弁６Ａを介して方向制御弁３のパイロットポ
ートに供給される。このパイロット圧の供給により方向
制御弁３は位置Ａ側に切り換えられ、油圧ポンプ１から
の圧油は方向制御弁３、チェック弁２２、通路１１ｂ、
保持管路８を介して油圧モータ２に供給される。これに
よって、油圧モータ２は回転し、モータ２からの駆動ト
ルクによってドラム４６は巻上駆動され、吊り荷４８が
上昇する。

【００１６】一方、操作レバー５をＢ方向へ操作する
と、その操作量に応じてパイロット弁６Ｂが駆動され、
パイロット油圧源７からの圧油はパイロット弁６Ｂを介
して方向制御弁３のパイロットポートに供給される。こ
れにより、方向制御弁３は位置Ｂ側に切り換えられ、油
圧ポンプ１からの圧油は方向制御弁３および管路１５を
介して油圧モータ２へ供給されるとともに、管路１５か
らの圧油は絞り１４を介して油室１３ａに供給される。
このとき、油室１３ａに作用する圧力Ｐaがバネ力より
も小さいときは、スプール１２のストロークＳはゼロの
ままであり、管路１５内の巻下駆動圧Ｐ1と管路８内の
保持圧Ｐ2がともに増加する。油室１３ａに作用する圧
力Ｐaがバネ力にうち勝つとスプール１２は移動を開始
し、圧力Ｐaとバネ力がバランスしたところでスプール
１２は停止する。スプール１２の移動により、油圧モー
タ２からの圧油は保持管路８、通路１１ｂ、切り欠き部
２３、通路１１ｃを介して管路９へと導かれ、これによ
って、油圧モータ２は前述とは逆方向に回転し、モータ
２からの駆動トルクによってドラム４６は巻下駆動さ
れ、吊り荷４８が下降する。

【００１７】巻下駆動時において、油室１３ａとタンク
Ｔとを結ぶ経路の最小絞りＡ'が一定ならば、巻下駆動
圧Ｐ1と油室１３ａの圧力Ｐaの比Ｐa/Ｐ1も一定であ
り、この場合は巻下駆動圧Ｐ1の増加に伴い油室１３ａ
の圧力Ｐaも一定の割合で増加する。この点、本実施の
形態では油室１３ａとタンクＴを結ぶ経路の最小絞り
Ａ'を図３の実線Ａ'に示すように変化させるので、圧力
比Ｐa/Ｐ1は一定とならず図３の実線Ｐa/Ｐ1に示すよう
に変化する。すなわち、スプール１２のストロークＳが
Ｓ2より小さい領域では絞りＡ'が最大なので、油室１３
ａからの圧油の多くはタンクＴに流出し、圧力比Ｐa/Ｐ
1は最小となる。ストロークＳがＳ2からＳ1の領域では
絞りＡ'が徐々に減少するのでそれに伴い圧力比Ｐa/Ｐ1
は徐々に増加し、ストロークＳがＳ1以上の領域では絞
りＡ'が最小なので、圧力比Ｐa/Ｐ1は最大となる。

【００１８】これにより、吊り荷４８の重量が一定の下
で、例えば操作レバー５を巻下方向に微小に操作すると
方向切換弁３の切換量は微小であり、油圧モータ２に供
給される流量は少量となって油圧モータ２は低速で回転
する。このとき、スプール１２のストローク量Ｓは小さ
く、図３のグラフに示すように圧力比Ｐa/Ｐ1も小さ
い。その結果、油室１３ａの圧力変動は小さいので、モ
ータ駆動圧Ｐ1が変動してもスプール１２の動きは遅く
なり、ハンチングの発生を防止することができる。

【００１９】また、吊り荷４８の重量が一定の下で、操
作レバー５をフルに巻下操作した場合には方向切換弁３
は最大に切り換えられ、油圧モータ２へ最大流量が供給
されて、油圧モータ２は高速で回転する。このとき、ス
プール１２のストローク量Ｓは大きく、図３のグラフよ
り圧力比Ｐa/Ｐ1も大きい。その結果、モータ駆動圧Ｐ1
の変動に応じてスプール１２が駆動され、操作レバー５
に対するモータ速度の追従性が良好となる。なお、ハン
チングがとくに問題となるのは、周波数が低い領域（系
の固有振動数付近）であり、それ以外の領域では作業を
スムーズに行うために圧力比Ｐa/Ｐ1を高く設定する。
この場合、圧力比Ｐa/Ｐ1を低く設定する領域は、図３
に示すように、カウンタバランス弁１０のスプールスト
ロークの比較的小さい領域とすることが作業性の上から
は望ましい。

【００２０】このように第１の実施の形態によると、ス
プール１２の端部に油室１３ａを形成し、その油室１３
ａに固定絞り１４を介してモータ駆動圧Ｐ1を導くとと
もに、スプール１２のランド部１２ａに油室１３ａとタ
ンクＴとを連通させる貫通穴１７を設け、スプール１２
の移動により油室１３ａからタンクＴに至る経路の最小
絞りＡ'を可変とした。これにより、スプール１２のス
トロークＳが小さい領域（Ｓ≦Ｓ1）ではモータ駆動圧
Ｐ1と油室１３ａの圧力Ｐaとの圧力比Ｐa/Ｐ1を小さく
設定し、ストロークＳが大きい領域（Ｓ≧Ｓ1）では圧
力比Ｐa/Ｐ1を大きく設定することができ、ハンチング
の発生や応答性の悪化を防止することができるととも
に、油圧部品のみから構成され、構成が簡素化される。

【００２１】−第２の実施の形態− 図５は、本発明の第２の実施の形態に係わるカウンタバ
ランス弁を用いた油圧回路図である。なお、図１と同一
の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主
に説明する。図５に示すように、第２の実施の形態では
通路１１ａと絞り２１の間に油圧切換弁５１が設けら
れ、油圧切換弁５１のパイロットポートは保持管路８に
接続されている。油圧切換弁５１は、保持圧Ｐ2≦所定
値Ｐ21で位置（イ）に切り換えられ、所定値Ｐ21≦保持
圧Ｐ2≦所定値Ｐ22で位置（ロ）に切り換えられ、保持
圧Ｐ2≧所定値Ｐ22で位置（ハ）に切り換えられるよう
に、そのバネ力が設定されている。この場合の保持圧Ｐ
2と油圧切換弁５１の開口面積との関係は図６に示すと
おりである。図６において、保持圧Ｐ2が所定値Ｐ21よ
り小さいときは開口面積は最小（＝０）となり、保持圧
が所定値Ｐ22より大きいときは開口面積は最大（＝Ａma
x）となる。所定値Ｐ21≦保持圧Ｐ2≦所定値Ｐ22のとき
は保持圧の増加に応じて開口面積は徐々に増加する。ま
た、油圧切換弁５１の開口面積の最大値Ａmaxは絞り２
１の開口面積Ａ2よりも大きい。なお、モータ入口圧の
増加に伴いスプール１２のストローク量も増加するが、
少なくともストローク量が図３のＳ1よりも小さい領域
で油圧切換弁５１の開口面積が最大値Ａmaxより小さく
なるように、バネ１８のバネ力に対して油圧切換弁５１
のバネ力が設定されている。

【００２２】このような構成により、吊り荷４８が小重
量で保持圧Ｐ2が所定値Ｐ21以下のときは油室１３ａは
タンクＴから遮断されるので圧力比Ｐa/Ｐ1は高く設定
される。その結果、モータ駆動圧が変動した際のスプー
ル１２の動きは敏感となり、油室１１ｂから油室１１ｃ
へと流れる圧油の変化量は大きくなる。これによって、
油圧モータ２の速度変化が大きくなり、応答性が向上す
る。一方、吊り荷４８が大重量で保持圧Ｐ2が所定値Ｐ2
2以上のときは油室１３ａは貫通穴１７および絞り２１
を介してタンクＴに連通し、圧力比Ｐa/Ｐ1が低く設定
される。その結果、モータ駆動圧Ｐ1が変動した際のス
プール１２の動きは鈍感となり、油室１１ｂから油室１
１ｃへと流れる圧油の変化量は小さくなる。これによっ
て、油圧モータ２の速度変化も小さくなり、ハンチング
が防止される。

【００２３】なお、上記実施の形態において、貫通穴１
７は丸穴部１７ａとｖ型ノッチ部１７ｂからなる形状と
し、貫通穴１７と通路１１ａとの開口面積をスプールの
移動に伴い図３のＡのように変化させたがこれに限ら
ず、例えば貫通穴１７と通路１１ａとの開口面積が図３
のＡ'となるように貫通穴１７の形状を定めれば、絞り
２１が不要となる。

【００２４】以上の実施の形態と請求項との対応におい
て、通路１１ａ,１６と貫通穴１７と固定絞り２１が可
変絞り機構を、油圧切換弁５１が弁装置をそれぞれ構成
する。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、油圧モータの駆動時の送り側管路からカウンタバ
ランス弁のスプールへの供給油路に固定絞りを介装し、
その固定絞りを介して供給された圧油をタンクへ戻す管
路の絞り面積を、スプールの移動量の増加に伴い最大か
ら最小に変化させるようにしたので、スプールのストロ
ークが小さい領域では固定絞りの前後の差圧の比を小さ
く設定し、ストロークが大きい領域では前後の差圧の比
を大きく設定することができ、簡易な構成によって低速
時のハンチングの発生や、高速時の応答性の悪化を防止
することができる。また、とくに請求項２、３の発明に
よれば、スプールに供給された圧油をタンクへ戻す管路
の面積を油圧モータに作用する負荷の増加に伴い最小か
ら最大に変化させるようにしたので、負荷の大小による
ハンチングの発生や応答性の悪化をも防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るカウンタバラ
ンス弁を用いた油圧回路の構成を示す図。

【図２】図１の要部拡大図。

【図３】本実施の形態を構成するカウンタバランス弁の
弁特性の一例を示す図。

【図４】本発明が適用されるクレーンの側面図。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係るカウンタバラ
ンス弁を用いた油圧回路の構成を示す図。

【図６】第２の実施の形態を構成する油圧切換弁の弁特
性の一例を示す図。

【符号の説明】

１ 油圧ポンプ ２ 油圧モータ ３ 方向制御弁 ８ 保持管路 ９ 管路 １０ カウンタバラ
ンス弁 １１ａ,１６ 通路 １４,２１ 固定絞り １５ 巻下側管路 １７ 貫通穴 ５１ 油圧切換弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五十嵐 照夫 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 Ｆターム(参考） 3F204 AA04 BA02 CA07 GA01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油圧ポンプと、 前記油圧ポンプから吐出される圧油により駆動する油圧
   モータと、 前記油圧ポンプから前記油圧モータに供給される圧油の
   流れを制御する制御弁と、 前記油圧モータの駆動時の戻り側管路に介装されたカウ
   ンタバランス弁とを有する油圧回路において、 前記カウンタバランス弁は、 前記油圧モータの駆動時の送り側管路から導かれる圧油
   によって移動し、移動量の増加に伴い前記戻り側管路の
   通路面積を増加させるスプールと、 前記油圧モータの駆動時の送り側管路から前記スプール
   への供給油路に介装された固定絞りと、 前記固定絞りを介して供給された圧油をタンクへ戻す管
   路の絞り面積を、前記スプールの移動量の増加に伴い最
   大から最小に変化させる可変絞り機構とを有することを
   特徴とするカウンタバランス弁を用いた油圧回路。
2. 【請求項２】 前記可変絞り機構からの圧油をタンクへ
   戻す管路に、前記油圧モータに作用する負荷の増加に伴
   い前記可変絞り機構とタンクとを連通する面積を最小か
   ら最大に変化させるような弁装置を介装することを特徴
   とする請求項１に記載のカウンタバランス弁を用いた油
   圧回路。
3. 【請求項３】 前記弁装置は、前記スプールの移動によ
   り前記絞り面積が最大値に達する前に、前記油圧モータ
   に作用する負荷の増加に伴い前記可変絞り機構とタンク
   とを連通する面積を最小から最大に変化させることを特
   徴とする請求項２に記載のカウンタバランス弁を用いた
   油圧回路。