JP2005090703A - 建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧アクチュエータの圧油供給排出量制御を行う制御バルブにおいて、供給用弁路の開口面積と排出用弁路の開口面積とを正確にバランスさせるための高精度の調整や加工を不要とする。
【解決手段】 制御バルブ１１Ａを、油圧アクチュエータ８への供給油が通る供給用弁路１４ａおよび油圧アクチュエータ８からの排出油が通る第一排出用弁路１４ｂを備え、これら弁路１４ａ、１４ｂの開口量制御を油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づいて行うメインスプール１４と、油圧アクチュエータ８からの排出油が通る第二排出用弁路１５ａを備え、該第二排出用弁路１５ａの開口量制御を操作モード制御部からの制御信号に基づいて行うサブスプール１５とを用いて構成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブの技術分野に属するものである。

一般に、油圧ショベル等の建設機械には、旋回モータやブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等、油圧ポンプからの圧油供給で動作する複数の油圧アクチュエータが設けられているが、各油圧アクチュエータの圧油供給排出量制御を行うための制御バルブは、従来、油圧ポンプから油圧アクチュエータへの供給圧油が通る供給用弁路および油圧アクチュエータから油タンクへの排出油が通る排出用弁路を備えた一本のスプールを用いて構成されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
このものにおいて、前記スプールの供給用弁路および排出用弁路の開口面積は、スプールのノッチ形状とボディの油路位置との相対的な関係で決まるが、供給用弁路の開口面積と排出用弁路の開口面積とのバランスが良くないとブースト圧や負圧が発生するため、できるだけブースト圧や負圧が発生しないように開口面積のバランス調整を行う必要がある。尚、負圧の発生は、油圧機器の寿命、シールの信頼性に悪影響を及ぼすばかりか、操作性（例えば、操作具操作に対する油圧アクチュエータの応答性など）が悪化する。また、ブースト圧の発生は、不要な圧力損失を伴い、生産性、燃費の低下を招くことになるが、ブースト圧をたたせ気味にしたおいた方が操作性は良い。
特開２００２−８９５１２号公報（図１） 特開２００２−２４２９０４号公報（図１）

ところで、前記スプールの供給用弁路および排出用弁路の開口面積をバランスさせるための調整は、複数の油圧アクチュエータが同時に操作された場合の連動性等を考慮しなければならないため、開発、設計段階から長時間を要する。さらに、調整した通りにスプールを加工するためには、高い機械工作精度が要求される。特に、オペレータが微操作を行うとき、つまり供給用弁路および排出用弁路の開口面積が小さいときの操作性の調整は難しく、高い加工精度も要求され、開発費や製造費のコストアップの要因となるが、現実では、製造公差内でしか対応できないため、一般的には操作性を重視してブースト気味となるように調整される。
しかるに、建設機械で行う作業は多用化しており、例えば作業スピードを重視する現場では、オペレータは操作レバーを殆どフル操作している。このようにフル操作しかしない場合には、前述したようにコストアップの要因となる微操作のときのための高精度の実機上での調整やスプールの加工が無駄になってしまうという問題があり、ここに本発明が解決しようとする課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、油圧アクチュエータの圧油供給排出量制御を行うための制御バルブを、油圧アクチュエータへの供給圧油が通る供給用弁路および油圧アクチュエータからの排出油が通る第一排出用弁路を備え、これら供給用弁路および第一排出用弁路の開口量制御を油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づいて行うメインスプールと、該メインスプールの第一排出用弁路に直列状に接続されると共に、油圧アクチュエータからの排出油が通る第二排出用弁路を備え、該第二排出用弁路の開口量制御を操作モード制御手段からの制御信号に基づいて行うサブスプールとを用いて構成したことを特徴とするものである。
そして、この様にすることにより、油圧アクチュエータからの排出油量制御を、操作具操作に基づいて開口量制御されるメインスプールの第一排出用弁路、または操作モード制御手段からの制御信号に基づいて開口制御されるサブスプールの第二排出用弁路の何れでも行うことができ、而して、建設機械で行う作業内容等に対応させて、油圧アクチュエータからの排出油量制御を第一排出用弁路あるいは第二排出用弁路の開口量制御の何れかで行うことにより、良好な操作性が得られると共に、供給用弁路の開口面積と第一、第二排出用弁路の開口面積とを正確にバランスさせるべく設計や製造を高精度に行う必要がなくなり、コストダウンを達成できる。
請求項２の発明は、請求項１において、操作モード制御手段は、油圧アクチュエータからの排出油の流量制御を、メインスプールの第一排出用弁路の開口量制御により行う第一モード、サブスプールの第二排出用弁路の開口量制御により行う第二モードを設定し、これら各モードの制御を行うことを特徴とするものである。
これにより、油圧アクチュエータからの排出油の流量制御を、メインスプールの第一排出用弁路の開口量制御で行う第一モード、サブスプールの第二排出用弁路の開口量制御で行う第二モードの各モードを設定できる。
請求項３の発明は、請求項２において、操作モード制御手段は、第一モードでは、第二排出用弁路の開口量が第一排出用弁路の開口量以上となるように制御し、第二モードでは、第二排出用弁路の開口量が第一排出用弁路の開口量より小さくなるように制御することを特徴とするものである。
これにより、第一モードでは、第一排出用弁路の開口量制御により油圧アクチュエータからの排出量制御がなされ、第二モードでは、第二排出用弁路の開口量制御により油圧アクチュエータからの排出量制御がなされる構成とすることができると共に、第二モードにおける油圧アクチュエータからの排出流量を第一モードよりも少なくでき、これにより油圧アクチュエータ用回路をブースト気味にして、微操作における操作性の向上を図ることができる。
請求項４の発明は、請求項２または３において、第二モードにおける第二排出用弁路の開口は、油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づく第一排出用弁路の開口に対して遅延するように制御されることを特徴とするものである。
これにより、第二モードにおける第二排出用弁路の開口量を第一排出用弁路の開口量よりも小さくなるように制御できる。
請求項５の発明は、請求項４において、第二モードにおける第二排出用弁路の開口の遅延量を可変せしめることができる可変手段を設けたことを特徴とするものである。
これにより、オペレータの好みの操作性が得られるように、第二モードにおける第二排出用弁路の開口量調整を行うことができる。
請求項６の発明は、請求項２、３、４または５の何れかにおいて、第一、第二の各モードは、モード設定用操作具からの操作信号に基づいて設定されることを特徴とするものである。
これにより、モード設定用操作具の操作によって各モードを設定することができる。
請求項７の発明は、請求項２、３、４または５の何れかにおいて、第一、第二の各モードは、油圧アクチュエータ用操作具の操作速度に対応して設定されることを特徴とするものである。
これにより、オペレータの好みに応じて油圧アクチュエータ用操作具の操作速度に対応したモード設定を、自動的に行うことができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、クローラ式の下部走行体２、該下部走行体２に旋回自在に支持される上部旋回体３、該上部旋回体３に装着されるフロントアタッチメント４等の各部から構成され、さらに該フロントアタッチメント４は、上部旋回体３に上下動自在に支持されるブーム５、該ブーム５の先端部に前後揺動自在に支持されるアーム６、該アーム６の先端部に取付けられるバケット７等の部材装置から構成されている。

さらに、油圧ショベル１には、左右の走行モータ、旋回モータ、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等の複数の油圧アクチュエータ８が配設されているが、これら油圧アクチュエータ８の油圧回路の概略図を図２に示すと、図２において、９は油圧ポンプ、１０は油タンク、１１Ａ、１１Ｂは前記各油圧アクチュエータ８の油圧供給排出量制御を行うための制御バルブであって、本実施の形態では、これら制御バルブ１１Ａ、１１Ｂのうち、旋回モータ用、ブームシリンダ用、アームシリンダ用、バケットシリンダ用の各制御バルブ１１Ａに本発明が実施されている。尚、左右の走行モータ用の制御バルブ１１Ｂは従来通りの構成のものが用いられているため、その説明は省略する。
また、図２中、１２は二個の油圧ポンプ９の圧油を合流するための合流弁、また１３はネガティブフローコントロールリリーフバルブである。

扨、前記旋回モータ用、ブームシリンダ用、アームシリンダ用、バケットシリンダ用の各制御バルブ１１Ａは、前述したように対応する油圧アクチュエータ８の圧油供給排出量制御を行うものであるが、該制御バルブ１１Ａは、メインスプール１４とサブスプール１５との二本のスプールを用いて構成されている。

メインスプール１４は、対応する油圧アクチュエータ用操作具（図示しないが、ジョイスティック式の操作レバー等）の操作に基づいて切換わる三位置切換弁であって、油圧ポンプ９から油圧アクチュエータ８への供給圧油が通る供給用弁路１４ａと、油圧アクチュエータ８から油タンク１０への排出油が通る第一排出用弁路１４ｂとを備えている。そして、油圧アクチュエータ用操作具が操作されていない状態では、前記供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂを閉じる中立位置Ｘに位置しているが、油圧アクチュエータ用操作具が操作されることに伴い、供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂを開く作動位置ＸまたはＹに切換るように設定されている。この場合、作動位置ＸまたはＹにおける供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂの開口面積は、油圧アクチュエータ用操作具の操作量に対応して増減するように構成されている。そして、これら供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂの開口面積は略バランスが取れた状態となるように設計されている。
尚、本実施の形態では、図５に示す如く、供給用弁路１４ａ（供給側）の開口面積が常に第一排出用弁路１４ｂ（排出側）の開口面積よりも大きくなるように設定されているが、シリンダのロッド側とヘッド側のピストンの面積差により、逆転する場合もある。

また、サブスプール１５は、前記メインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂの下流側に直列状に接続され、且つ第一排出用弁路１４ｂを通過した排出油が通る第二排出用弁路１５ａを備えている。そしてこのサブスプール１５は、後述する操作モード制御部１６からの制御指令に基づいて、第二排出用弁路１５ａの開口面積の制御を行うように構成されている。

前記操作モード制御部１６は、マイクロコンピュータ等を用いて構成されるものであって、このものは、図３のブロック図に示す如く、油圧アクチュエータ用操作具、後述する操作モード選択スイッチ１７、調整ダイヤル１８等からの信号を入力し、該入力信号に基づいて前記サブスプール１５に制御指令を出力する。

ここで、前記操作モード選択スイッチ１７および調整ダイヤル１８は、油圧ショベル１を運転するオペレータが操作できるようにキャブ１９内に配設されている。そして、操作モード選択スイッチ１７により「通常モード（本発明の第一モードに相当する）」と「微操作モード（本発明の第二モードに相当する）」との何れか一方のモードを選択できるようになっており、また調整ダイヤル１８により後述するサブスプール１５の遅延量αを調整できるようになっている。

次いで、操作モード制御部１６における制御手順について、図４に示すフローチャート図に基づいて説明すると、まず、操作モード選択スイッチ１７で選択されたモードが「通常モード」、「微操作モード」の何れであるかが判断される。ここで、「通常モード」が選択されている場合には、操作モード制御部１６は、サブスプール１５に対して「通常モード用制御指令」を出力する。
前記「通常モード用制御指令」が出力されると、サブスプール１５は、第二排出用弁路１５ａの開口面積が最大となるように動作する。この第二排出用弁路１５ａの最大開口面積は、メインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂの最大開口面積と略一致するように設計されている。而して、「通常モード」が選択されている場合には、油圧アクチュエータ８から油タンク１０への排出油の流量制御は、油圧アクチュエータ用操作具の操作量に対応して開口面積制御がなされる第一排出用弁路１４ｂによって行われるように構成されている。

一方、「微操作モード」が選択されている場合には、操作モード制御部１６は、調整ダイヤル１８からの信号を読み込んだ後、サブスプール１５に対して「微操作モード用制御指令」を出力する。
前記「微操作モード用制御指令」が出力されると、サブスプール１５は、図５に示す如く、第二排出用弁路１５ａの開口が、油圧アクチュエータ用操作具の操作に対応するメインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂの開口に対し遅延して行われるように動作する。その遅延量αは、前記調整ダイヤル１８によりオペレータが任意に調整できる。さらに、油圧アクチュエータ用操作具の操作量が増加するにつれて、第二排出用弁路１５ａの開口面積も増加するが、該第二排出用弁路１５ａの開口面積は、第一排出用弁路１４ｂの開口面積よりも前記開口が遅延した分だけ小さくなるように制御される。而して、「微操作モード」が選択されている場合には、油圧アクチュエータ８から油タンク１０への排出油の流量制御は、操作モード制御部１６からの制御指令に基づいて開口面積制御がなされる第二排出用弁路１５ａによって行われるように構成されているが、該第二排出用弁路１５ａの開口面積は、前述したように第一排出用弁路１４ｂの開口面積よりも小さくなるように制御されるため、メインスプール１４の供給用弁路１４ａと略バランスが取れている第一排出用弁路１４ｂの開口量によって排出油量制御がなされる前述の「通常モード」の場合と比べると、油圧アクチュエータ８からの排出油量が少なくなり、これにより、油圧アクチュエータ８用の回路がブースト気味となるように構成されている。
尚、前記遅延量αが大きくなるほど操作具操作量に対する第二排出用弁路１５ａの開口量が少なくなって、ブースト圧も高めとなるが、どの程度が操作し易いかはオペレータの好みにより異なるため、本実施の形態では、調整ダイヤル１８により遅延量αを任意に調整できるようになっている。

叙述の如く構成された本実施の形態において、油圧アクチュエータ８への供給油量は、油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づくメインスプール１４の供給用弁路１４ａの開口量によって制御されると共に、油圧アクチュエータ８からの排出油量は、「通常モード」の設定時には、油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づくメインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂの開口量によって制御される一方、「微操作モード」の設定時には、操作モード制御部１６からの制御指令に基づくサブスプール１５の第二排出用弁路１５ａの開口量によって制御されることになる。

そして、作業スピードを重視する現場であって、オペレータが油圧アクチュエータ用操作具を殆どフル操作するような場合には、「通常モード」を選択することにより、油圧アクチュエータ８からの排出量はメインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂの開口量によって制御されることになるが、この場合、メインスプール１４の供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂの開口面積は共に略最大となるため、メインスプール１４を製作するにあたり、供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂの開口面積が小さいときのバランス精度がそれほど厳密でなくても、供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂが最大開口面積のときのバランスが良ければ、ブースト圧や負圧の発生を回避できることになる。而して、供給用弁路１４ａおよび第一排出用弁路１４ｂの開口面積が小さいときに両弁路１４ａ、１４ｂの開口面積のバランスを正確に取るために面倒な調整や高精度の加工を厳密に行う必要がなくなって、メインスプール１４の製作が容易となり、開発費や製造費のコストダウンに寄与できる。

一方、細かい作業を行う場合には「微操作モード」を選択することにより、油圧アクチュエータ８からの排出量はサブスプール１５の第二排出用弁路１５ａの開口量によって制御されることになるが、この場合、第二排出用弁路１５ａの開口量は第一排出用弁路１４ｂの開口量よりも小さくなるように制御されるため、油圧アクチュエータ８の回路はブースト気味となり、微操作における操作性が向上する。この場合、メインスプール１４の供給用弁路１４ａの開口面積とサブスプール１５の第二排出用弁路１５ａの開口面積とのバランス関係は、ブースト気味となれば良いから、第二排出用弁路１５ａの開口面積の設計や製造、さらには操作モード制御部１６による開口量制御を、メインスプール１４の供給用弁路１４ａと正確にバランスさせるべく厳密に行う必要はなく、サブスプール１５の製作も容易に行うことができる。尚、ブースト気味の状態は、操作性（操作具操作に対する油圧アクチュエータ８の応答性）が良い反面、圧力損失が増加するため生産性や燃費が若干低下するが、「微操作モード」のときだけであるため、操作性を重視する細かい作業を行う場合には有利である。

この様に、本実施の形態にあっては、油圧アクチュエータ８からの排出油量制御を、作業内容等に対応させてメインスプール１４の第一排出用弁路１４ｂまたはサブスプール１５の第二排出用弁路１５ａの何れかで行うことにより、良好な操作性が得られると共に、供給用弁路１４ａの開口面積と第一排出用弁路１４ｂまたは第二排出用弁路１５ａの開口面積とを正確にバランスさせるべく設計や製造を高精度に行う必要がなくなり、コストダウンを達成できる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、例えば、操作モード選択スイッチではなく微操作モード設定スイッチを設けて、該微操作モード設定スイッチがＯＦＦのときには「通常モード」が設定され、ＯＮ操作されたときに「微操作モード」が設定されるように構成することもできる。
また、「通常モード」、「微操作モード」の設定を、油圧アクチュエータ用操作具の操作速度に対応させて自動的に行うように構成することもできる。この場合、例えば、オペレータの操作具操作速度を所定時間センシングし、操作速度が速い場合には「通常モード」となり、操作速度が遅い場合には「微操作モード」となるように自動的にモード設定する。そして、この様に自動的にモード設定される構成にした場合には、該自動設定をオペレータが任意にキャンセルすることができるキャンセル用操作具を設けることが望ましい。
さらに、サブスプールの開口量制御を行うにあたり、例えば一つの油圧アクチュエータが単独で操作されている場合、複数の油圧アクチュエータが複合操作されている場合等、各種作業内容に対応させて異なる制御を行うように構成することもできる。

油圧ショベルの側面図である。 油圧ショベルの油圧回路図である。 操作モード制御部の入出力を示すブロック図である。 操作モード制御のフローチャート図である。 「微操作モード」における油圧アクチュエータ用操作具の操作量と各弁路の開口面積との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

８ 油圧アクチュエータ
１１Ａ 制御バルブ
１４ メインスプール
１４ａ 供給用弁路
１４ｂ 第一排出用弁路
１５ サブスプール
１５ａ 第二排出用弁路
１６ 操作モード制御部
１７ 操作モード選択スイッチ
１８ 調整ダイヤル

Claims (7)

1. 油圧アクチュエータの圧油供給排出量制御を行うための制御バルブを、
   油圧アクチュエータへの供給圧油が通る供給用弁路および油圧アクチュエータからの排出油が通る第一排出用弁路を備え、これら供給用弁路および第一排出用弁路の開口量制御を油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づいて行うメインスプールと、
   該メインスプールの第一排出用弁路に直列状に接続されると共に、油圧アクチュエータからの排出油が通る第二排出用弁路を備え、該第二排出用弁路の開口量制御を操作モード制御手段からの制御信号に基づいて行うサブスプールとを用いて構成したことを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
2. 請求項１において、操作モード制御手段は、油圧アクチュエータからの排出油の流量制御を、メインスプールの第一排出用弁路の開口量制御により行う第一モード、サブスプールの第二排出用弁路の開口量制御により行う第二モードを設定し、これら各モードの制御を行うことを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
3. 請求項２において、操作モード制御手段は、第一モードでは、第二排出用弁路の開口量が第一排出用弁路の開口量以上となるように制御し、第二モードでは、第二排出用弁路の開口量が第一排出用弁路の開口量より小さくなるように制御することを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
4. 請求項２または３において、第二モードにおける第二排出用弁路の開口は、油圧アクチュエータ用操作具の操作に基づく第一排出用弁路の開口に対して遅延するように制御されることを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
5. 請求項４において、第二モードにおける第二排出用弁路の開口の遅延量を可変せしめることができる可変手段を設けたことを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
6. 請求項２、３、４または５の何れかにおいて、第一、第二の各モードは、モード設定用操作具からの操作信号に基づいて設定されることを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。
7. 請求項２、３、４または５の何れかにおいて、第一、第二の各モードは、油圧アクチュエータ用操作具の操作速度に対応して設定されることを特徴とする建設機械における油圧アクチュエータ用制御バルブ。

Images