JP2003074518A - 油圧シリンダ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電動機でポンプを駆動する方式をとり、か
つ、片ロッド式のシリンダに外力が作用するシリンダ回
路において、ポンプの流出・流入流量の過不足の問題を
解決しながら動力回生運転及び通常運転を可能とする。 【解決手段】 電動機１１で駆動される一つの油圧ポン
プ１２でブームシリンダ１３を伸長及び縮小方向に駆動
する１ポンプ方式をとる。そして、両側管路１８，１９
のうち、シリンダ１３に作用する外力Ｗによって相対的
に高圧が発生する側の管路を高圧に、反対側の管路を低
圧にそれぞれ設定することにより、シリンダ両側油室１
３ａ，１３ｂの容積差によるポンプ流量の余剰分をリリ
ーフ弁２０，２１でタンクＴに逃がす一方、不足分をチ
ェック弁２２，２３で補充するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は油圧シリンダからの
流出油で油圧ポンプを駆動して動力を回生するようにし
た油圧シリンダ回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】油圧シリンダの油圧源としての油圧ポン
プを電動機で駆動する電動機駆動方式の油圧シリンダ回
路においては、エネルギーの効率利用の観点から、外力
によって油圧シリンダに作用する伸縮作動力を動力とし
て油圧シリンダ、油圧ポンプ、電動機を介してバッテリ
に回収（動力回生）したいという要望がある。

【０００３】たとえば油圧ショベルのブームには、ブー
ムを含む作業アタッチメントの重量によって常に下向き
に力が作用し、ブームを駆動するブームシリンダに縮小
方向の外力が作用している。

【０００４】このとき、ブームシリンダには、上記縮小
方向の外力によってヘッド側油室に圧力が立っているた
め、同シリンダを縮小作動させるときには、ヘッド側油
室の油を抜くだけでよく、このシリンダから流出する高
圧油で油圧ポンプを回転させて電動機を駆動し、動力回
生することができる。

【０００５】この動力回生を行うための従来の油圧シリ
ンダ回路の原理構成を図２に示している。前記した油圧
ショベルのブームシリンダ回路の場合で説明する。

【０００６】この回路においては、電動機１でヘッド側
及びロッド側両油圧ポンプ（以下、ヘッド側ポンプ、ロ
ッド側ポンプという）２，３を駆動してその吐出油を片
ロッド式のブームシリンダ４のヘッド側油室４ａまたは
ロッド側油室４ｂに供給する構成をとっている。Ｔはタ
ンクである。

【０００７】ブームシリンダ４には、前記したように図
中矢印で示すように下向きの力が作用し、シリンダヘッ
ド側油室４ａ（斜線を付して示している）に圧力が発生
している。

【０００８】この状況下でブームシリンダ４を伸長作動
させるときは、電動機１を正転回転させることによって
ヘッド側ポンプ２を駆動し、その吐出油をヘッド側油室
４ａに供給する。こうすれば、シリンダ４が伸長作動
し、ロッド側油室４ｂから放出される油がロッド側ポン
プ３に流入してこれを回転させ、この回転力が電動機１
に加えられることによって動力回生作用が行われる。

【０００９】一方、ブームシリンダ４を縮小作動させる
ときは、電動機１を逆転回転させることによってロッド
側ポンプ３を駆動し、その吐出油をロッド側油室４ｂに
供給する。

【００１０】このとき、ヘッド側油室４ａから、外力に
よって発生している高圧の油がヘッド側ポンプ２に吸い
込まれる。これにより、同ポンプ２が、シリンダ伸長作
動時のロッド側ポンプ３の場合よりも強力なモータ作用
を行うため、より高い動力回生作用が行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この２ポン
プ方式をとる公知の油圧シリンダ回路によると、ブーム
シリンダ４が片ロッド式、つまり、ヘッド側及びロッド
側両油室４ａ，４ｂに容積の差があることから次のよう
な問題が生じていた。

【００１２】たとえばシリンダ伸長時には、前記したよ
うにヘッド側ポンプ２からヘッド側油室４ａに油が供給
されると同時に、ロッド側油室４ｂの油がロッド側ポン
プ３に流入する。

【００１３】このとき、両側油室４ａ，４ｂの容積差に
より、ロッド側ポンプ３への流入流量がヘッド側ポンプ
２からの流出流量よりも少ないため、両ポンプ２，３の
容量を同じとするとロッド側ポンプ３の流入流量が不足
してキャビテーションが発生する。

【００１４】逆に、シリンダ縮小時には、ヘッド側油室
４ａからの流出流量がロッド側油室４ｂへの流入流量よ
りも多くなってヘッド側の圧力が高くなる。

【００１５】このようなヘッド側とロッド側の流量の過
不足を解消するために、従来は、ヘッド側及びロッド側
両ポンプ２，３の容量比を両側油室４ａ，４ｂの容積比
と同じに設定している。

【００１６】ところが、ポンプ流量＝回転数×ポンプ容
量×容積効率の関係において、容積効率は圧力によって
大きく変化するし、回転数でも変化し、さらに個体差も
影響する。このため、ポンプの容量比を両側油室４ａ，
４ｂの容積比に合わせるだけでは流量の過不足は十分に
は解消できない。

【００１７】また、二台のポンプ２，３を用いるため、
コスト、スペースの点で不利となる。

【００１８】なお、ヘッド側及びロッド側両ポンプ２，
３を別々の電動機によって異なる回転数で回転させるこ
とも考えられるが、こうしてもポンプ容積効率の差の問
題は残るため、根本的な解決とはならない。しかも、電
動機を増設することでコスト及びスペースの点で益々不
利となる。

【００１９】そこで本発明は、電動機でポンプを駆動す
る方式をとり、かつ、シリンダに外力が作用する油圧シ
リンダ回路において、ポンプ流量の過不足の問題を解決
しながら、コスト、スペースの点で有利となり、しかも
動力回生運転及び通常運転を支障なく行うことができる
油圧シリンダ回路を提供するものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電動
機と、この電動機により正逆回転駆動されて油の吐出、
吸い込みを行う油圧ポンプと、この油圧ポンプによって
伸縮駆動される片ロッド式の油圧シリンダと、この油圧
シリンダのヘッド側及びロッド側両油室に作用する圧力
を検出する検出手段と、上記油圧シリンダのヘッド側及
びロッド側両管路の圧力を設定する設定圧力可変のヘッ
ド側及びロッド側両リリーフ弁と、上記両側管路のうち
シリンダに作用する外力によって相対的に低圧側となる
管路に油の不足分をタンクから吸入させるチェック弁
と、上記両側リリーフ弁の設定圧力を制御する制御手段
とを具備し、この制御手段は、上記両側管路のうち、シ
リンダに作用する外力によって相対的に高圧が発生する
側の管路を高圧に、反対側の管路を低圧にそれぞれ設定
して低圧側管路の余剰油をリリーフさせるように構成さ
れたものである。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１の構成におい
て、両側リリーフ弁のベント回路に、リリーフ設定圧力
を高圧と低圧の間で切換えるパイロット弁が設けられ、
制御手段はこのパイロット弁を切換えて両側リリーフ弁
の設定圧力を制御するように構成されたものである。

【００２２】上記構成によると、一つの油圧ポンプを正
逆回転させて片ロッド式の油圧シリンダを伸長及び縮小
方向に駆動しながら動力回生作用を得る１ポンプ方式を
とりながら、相対的に低圧側となる管路に発生する油の
不足分はタンクからチェック弁経由で補充され、高圧側
となる管路に発生する余剰油はリリーフ弁でタンクにリ
リーフされる。このため、ポンプ流入・流出流量の過不
足の問題は生じない。

【００２３】すなわち、ポンプ流量の過不足の問題を解
決しながら、油圧シリンダの通常運転及び外力を利用し
た動力回生運転を支障なく行うことができる。

【００２４】しかも、１ポンプ方式であるため、公知の
２ポンプ方式または２電動機・２ポンプ方式と比較して
コスト、スペースの点で有利となる。

【００２５】この場合、請求項２の構成によると、両側
リリーフ弁のベント回路に設けられたパイロット弁が制
御手段で切換制御されることによって上記リリーフ作用
が行われる。このため、回路構成及び制御が簡単です
む。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１によって
説明する。

【００２７】このシリンダ回路においては、一つの電動
機１１で一つの油圧ポンプ１２を正逆回転駆動させ、そ
の吐出油を片ロッド式の油圧シリンダ（以下、従来技術
の説明に合わせて油圧ショベルのブームシリンダの場合
で説明する）１３のヘッド側油室１３ａまたはロッド側
油室１３ｂに供給する１ポンプ方式をとっている。

【００２８】電動機１１は、インバータ１４を介して制
御手段としてのコントローラ１５に接続され、レバー操
作される操作体１６の操作に基づくコントローラ１５か
らの指令信号によってその運転（回転・停止・回転数）
が制御される。

【００２９】なお、インバータ１４にはバッテリ１７が
接続され、動力回生による電気エネルギーがこのバッテ
リ１７に蓄積される。

【００３０】１８は油圧ポンプ１２とシリンダヘッド側
油室１３ａとを接続するヘッド側管路、１９は同ポンプ
１２とロッド側油室１３ｂとを接続するロッド側管路
で、この両側管路１８，１９とタンクＴとの間に、管路
１８，１９の余剰油をタンクＴに戻す設定圧力可変のヘ
ッド側及びロッド側両リリーフ弁２０，２１と、逆に油
の不足分をタンクから管路１８，１９（ポンプ１２のヘ
ッド側またはロッド側）に補充するヘッド側びロッド側
チェック弁２２，２３が設けられている。２４，２５は
両リリーフ弁２０，２１のリリーフ圧力を設定する子弁
である。

【００３１】両リリーフ弁２０，２１のベント回路２
６，２７は、コントローラ１５によって切換制御される
一つの電磁切換式パイロット弁２８を介してタンクＴに
接続されている。

【００３２】このパイロット弁２８は、図示のようにヘ
ッド側リリーフ弁用のベント回路２６をブロックしてロ
ッド側リリーフ弁用のベント回路２７をタンクＴに連通
させる第１の位置イと、逆にヘッド側リリーフ弁用ベン
ト回路２６をタンクＴに連通させてロッド側リリーフ弁
用ベント回路２７をブロックする第２の位置ロとを有
し、コントローラ１５からの通電によって励磁されたと
きに第１の位置イから第２の位置ロに切換弁わる。

【００３３】上記第１の位置イでは、ヘッド側リリーフ
弁２０が相対的に高圧に、ロッド側リリーフ弁２１が低
圧にそれぞれ設定され、第２の位置ロでこの関係が逆転
する。

【００３４】また、シリンダヘッド側及びロッド側両管
路１８，１９には、圧力センサ２９，３０が設けられ、
両側管路圧力（シリンダヘッド側及びロッド側両油室１
３ａ，１３ｂの圧力）がこの両圧力センサ２９，３０に
より検出されてコントローラ１５に入力され、この圧力
信号に基づいてシリンダ１３に作用している外力の方向
と大きさがコントローラ１５で判別される。

【００３５】コントローラ１５の作用を含めたこのシリ
ンダ*E1回路の作用を説明する。

【００３６】Ａ．通常作業時 前記したように通常作業時には、ブームシリンダ１３に
はブームを含むアタッチメント重量と負荷の合計重量に
よる外力Ｗが矢印で示すようにシリンダ縮小方向の力と
して作用し、この外力Ｗによってヘッド側油室１３ａに
圧力が立っている。

【００３７】この状況は、圧力センサ２９，３０からの
圧力信号に基づいてコントローラ１５で判別される。

【００３８】Ａ−１ シリンダ伸長時 この状況下で操作体１６がシリンダ伸長方向に操作され
たときには、パイロット弁２８は励磁されず、図示のよ
うに第１の位置イにセットされる。

【００３９】このとき、前記のようにヘッド側リリーフ
弁２０が高圧、ロッド側リリーフ弁２１が低圧にそれぞ
れ設定される。すなわち、外力による圧力が立っている
ヘッド側の油室１３ａ及び管路１８が高圧に、圧力が立
っていないロッド側の油室１３ｂ及び管路１９が低圧に
それぞれ設定される。

【００４０】この状態で、操作体１６の伸長操作に基づ
くコントローラ１５からの信号によって電動機１１が正
転回転し、ポンプ１２からヘッド側管路１８を介してヘ
ッド側油室１３ａに油が吐出されるとともに、ロッド側
油室１３ｂ内の油がロッド側管路１９を介してポンプ１
２に流入する。このときには動力回生作用は行われな
い。

【００４１】この場合、ヘッド側及びロッド側両油室１
３ａ，１３ｂの容積差があるため、ポンプ１２からの流
出流量よりもポンプ１２への流入流量が少なくなるが、
その差分は、負圧によってタンク油がロッド側チェック
弁２３を介してポンプヘッド側に吸入される。このた
め、キャビテーションが発生するおそれがない。

【００４２】Ａ−２ シリンダ縮小時 操作体１６がシリンダ縮小方向に操作されると、ポンプ
１２が逆転回転し、ヘッド側油室１３ａ内の高圧油がポ
ンプ１２に流入してポンプ１２を駆動し、そのトルクで
圧力を保持しながらロッド側油室１３ｂに向けて油を送
る。これにより動力回生作用が行われる。

【００４３】このとき、ポンプ１２への流入流量（ヘッ
ド側油室１３ａからの流出流量）がポンプ１２からの吐
出流量よりも多くなるが、その余剰油は、低圧に設定さ
れたロッド側リリーフ弁２１を介してタンクＴに逃がさ
れる。

【００４４】Ｂ．特殊作業時 油圧ショベルでは、ブームを下げてアタッチメントを地
面に押し付けることによって車体を前上がりに浮かせた
状態で足まわりの検査や掃除を行う場合がある。

【００４５】この特殊作業時には、外力Ｗは、上記通常
作業時とは逆に上向き（シリンダ伸長方向）の力として
シリンダ１４に作用し、ロッド側油室１３ｂに圧力が立
った状態となる。

【００４６】この状態では、コントローラ１５からの信
号によってパイロット弁２８が第２の位置ロに切換わ
る。

【００４７】こうなると、上記通常作業時とは逆に、リ
リーフ弁２０，２１の設定圧力が逆転してヘッド側が低
圧、ロッド側が高圧となる。

【００４８】Ｂ−１ シリンダ伸長時 操作体１６が伸長操作されると、ポンプ１２が正転回転
してシリンダロッド側油室１３ｂ内の高圧油がポンプ１
２に流入し、ロッド側リリーフ弁２１によって高圧設定
されたロッド側て荷重を支持し、かつ、動力回生作用が
行われながらポンプ吐出油がヘッド側油室１３ａに送ら
れる。

【００４９】このとき、ヘッド側に流量不足が生じる
が、この不足分は、タンクＴからヘッド側チェック弁２
２経由でヘッド側に吸入される。

【００５０】Ｂ−２ シリンダ縮小時 操作体１６が縮小操作されると、ポンプ１２が逆転回転
し、ポンプ吐出油がロッド側油室１３ａに送られると同
時にヘッド側油室１３ａ内の油がポンプ１２に流入す
る。

【００５１】このとき、ロッド側が高圧設定されている
ため、ポンプ吐出油がリリーフ弁２１でリリーフされる
ことなく全量、ロッド側油室１３ｂに入る。

【００５２】また、両側油室１３ａ，１３ｂの容積差か
らヘッド側油室１３ａからの流出流量が余るが、この余
剰油は、低圧設定されたヘッド側リリーフ弁２０経由で
タンクＴに逃がされる。

【００５３】このように、ポンプ流量の過不足の問題を
解決し、かつ、動力回生作用を得ながら、ブームシリン
ダ１３を、通常作業時及び特殊作業時ともに支障なく作
動させることができる。

【００５４】ところで、上記実施形態では、油圧ショベ
ルのブームシリンダ回路を適用対象として例にとった
が、本発明は油圧ショベルの他のシリンダ回路（たとえ
ばアームシリンダ回路）にも、また油圧ショベル以外の
油圧作業機械の各種油圧シリンダ回路にも適用すること
ができる。

【００５５】

【発明の効果】上記のように本発明によると、一つの油
圧ポンプを正逆回転させて片ロッド式の油圧シリンダを
伸長及び縮小方向に駆動しながら動力回生作用を得る１
ポンプ方式をとり、かつ、シリンダのヘッド側及びロッ
ド側両油室の容積差によるポンプ流量の不足分はチェッ
ク弁でタンクから吸入し、余剰分はリリーフ弁でタンク
に逃がす構成としたから、２ポンプ方式の場合のような
両ポンプの容積効率の差によるポンプ流量の過不足の問
題は生じない。

【００５６】しかも、１ポンプ方式であるため、公知の
２ポンプ方式または２電動機・２ポンプ方式と比較して
コスト、スペースの点で有利となる。

【００５７】この場合、請求項２の発明によると、両側
リリーフ弁のベント回路に設けたパイロット弁を制御手
段で切換制御することによって、両側管路の圧力を高圧
・低圧に設定する構成としたから、回路構成及び制御が
簡単ですむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示すブームシリンダ回
路図である。

【図２】動力回生作用を行う従来のシリンダ回路の原理
構成図である。

【符号の説明】

１１ 電動機 １２ 油圧ポンプ １３ ブームシリンダ（油圧シリンダ） １３ａ ヘッド側油室 １３ｂ ロッド側油室 １５ 制御手段としてのコントローラ １８ ヘッド側管路 １９ ロッド側管路 ２０，２１ リリーフ弁のベント回路 ２２，２３ チェック弁 ２８ パイロット弁 ２６，２７ シリンダ圧力を検出する圧力センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電動機と、この電動機により正逆回転駆
   動されて油の吐出、吸い込みを行う油圧ポンプと、この
   油圧ポンプによって伸縮駆動される片ロッド式の油圧シ
   リンダと、この油圧シリンダのヘッド側及びロッド側両
   油室に作用する圧力を検出する検出手段と、上記油圧シ
   リンダのヘッド側及びロッド側両管路の圧力を設定する
   設定圧力可変のヘッド側及びロッド側両リリーフ弁と、
   上記両側管路のうちシリンダに作用する外力によって相
   対的に低圧側となる管路に油の不足分をタンクから吸入
   させるチェック弁と、上記両側リリーフ弁の設定圧力を
   制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、上記両
   側管路のうち、シリンダに作用する外力によって相対的
   に高圧が発生する側の管路を高圧に、反対側の管路を低
   圧にそれぞれ設定して低圧側管路の余剰油をリリーフさ
   せるように構成されたことを特徴とする油圧シリンダ回
   路。
2. 【請求項２】 両側リリーフ弁のベント回路に、リリー
   フ設定圧力を高圧と低圧の間で切換えるパイロット弁が
   設けられ、制御手段はこのパイロット弁を切換えて両側
   リリーフ弁の設定圧力を制御するように構成されたこと
   を特徴とする請求項１記載の油圧シリンダ回路。