JP2013513770A - 負荷部駆動用バルブ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ポンプ接続Ｐを負荷部接続Ａ及びＢに接続することを可能とする入口側スロットルとして機能する無限可変方向制御バルブ３を有し、負荷部２を駆動するためのバルブ装置に関する。負荷部２は、作動ライン４及び５によって方向制御バルブ３に接続されており、且つ負荷部２から流れる圧力媒体７の吐出体積流量６は、負荷部からの負荷信号LSに応じてスロットル装置８によって調整できる。このバルブ装置は、スロットル装置８が、負荷部２への圧力媒体流れ７の圧力及び方向を検知するハイドロリック回路１７によって駆動されることを特徴とする。

Description

本発明は、入口側スロットルとして機能し且つポンプポートを負荷ポートに接続することが可能な無限可変方向制御バルブを有する負荷部駆動用ハイドロリックバルブであって、作動ラインによって負荷部を方向制御バルブに接続し、駆動部から流れる圧力媒体の吐出体積流量が、負荷部からの負荷信号に応じてスロットル装置によって調整でき、かつスロットル装置が負荷信号による動圧によって調整可能な負荷部駆動用ハイドロリックバルブに関する。

バルブ装置は、ハイドロリックモーターやパワーリフトのような、単動式負荷部及び複動式負荷部を駆動し又は回転機構を駆動する等の工作機械の可動型ハイドロリック装置に使用されている。よって、ハイドロリックオイルの流入体積流量及び流出体積流量を調整するスロットル装置は、それぞれの負荷部へとつながる作動ラインに結合されている。

圧力媒体の流入及び流出を調整するため、それぞれの作動ラインは、機械的に結合されたバルブ部材を有するスロットル弁体を有する。スロットル弁体の流入口の開放及び吐出口の開放間の関係は、それぞれのスロットル弁体ごとの仕様に応じた吐出側ライン内の圧力を特定の圧力へ低下させるため、ジョイント・バルブ・スプールの開口部端の機械的結合によって決定される。この圧力損失は、特に単動式負荷部に接続した場合において有意に機能しないため、望ましくない結果をもたらす。圧力損失はエネルギー損失となり、圧力媒体の温度を上昇させ、場合によってはスロットル弁体の摩耗及び損傷を早めることにもなる。

さらに、引張荷重方向を有するハイドロリック式負荷部に対して、選択された作動ラインに、下降ブレーキバルブを設けること、又は、少なくとも、ピストンチャンバーに圧力媒体を供給する作動ラインに下降ブレーキバルブを設けることが知られている。こうした下降ブレーキバルブを作動シリンダーに直接取り付けた場合には、この構成によって、安全かつ効果的にそれぞれの配管を破損から保護することができる。作動ラインに漏れが発生した場合には、逆止弁によって作動ラインを閉じることができる。そのとき、作動シリンダーが停止する。こうした下降ブレーキバルブは、対応する作動ライン内の圧力媒体の圧力によって開かれ、圧縮バネのようなアクチュエーターによって再度閉じられる。

下降ブレーキバルブは、制御不能の圧力低下を抑制するのみならず、入口側の流体充填不足を防ぎ、よって、キャビテーションの発生を防ぐことができる。作動シリンダーの作動工程又は上昇工程において、下降ブレーキバルブはチェックバルブを介してバイパスされる。しかしながら、チェックバルブを経由した流体は大きな圧力損失を生じさせる。それに加え、装置運転時に不安定性の原因とも成りうる。そのような現象を排除するため、多くの場合、圧力媒体は、あらかじめ非常に高い圧力、例えば７０barで予圧される。そのため、例えば、負荷部を上昇させるために使用されるハイドロリックシリンダーについて言えば、下降操作工程において負荷部そのものは圧力媒体が予圧されずに減少しているにもかかわらず、負荷部が加圧された状態となってしまう。

このようなシステムを安定させるための一つの方法は、比例制御バルブ特性を備えるように設計され、且つ、例えば、方向制御バルブの駆動圧によって駆動する、破損防止バルブを使用することである。このような破損防止バルブの開放信号は、それぞれの負荷部又は負荷圧に結合していないため不安定になることはない。しかしながら任意遠隔作動シリンダーへの付加的な駆動ラインが必要となるという欠点がある。それゆえ、このような制御システムのコストは、とりわけ小型工作機械においては容認し難い。小型掘削機等のシンプルな工作機械は、破損防止バルブのための駆動圧を供給することができない機械操作式方向制御バルブを有する。このような理由から、従来の下降ブレーキバルブは、機械操作式制御スプールとの相互作用による負荷を抑制するための標準的解決手段となっている。

関連するバルブ装置のそれぞれの応用分野にもよるが、とりわけ小型工作機械においては、下降ブレーキ機能を方向制御バルブに組み込まれることがコスト面で望ましい。特許文献１にはこのようなバルブ装置が記載されている。しかしながら、このバルブ装置の機能性及び信頼性は、電子検出器及び電子制御調整装置に依存する。

冒頭部に記載されたタイプのバルブ装置は、特許文献２から公知である。先行技術にかかるバルブ装置は、圧力媒体の体積流量を特定するための入口側計測オリフィスを具備する方向制御バルブと方向切替部とを有するハイドロリック消費器に、圧力媒体を提供する働きをする。方向制御バルブは個々の圧力補償器が割り当てられている。消費器から戻ってきた流路は、開放方向にパイロット圧を供給された下降ブレーキバルブを有し、それと並列接続されるのが、消費器の方向に開放されたチェックバルブである。この場合において、パイロット圧は、圧力補償器及び方向切替部間のダクトに供給される。ダクトは、圧力補償器出口と方向制御バルブの供給側方向制御部及びリターン側方向制御部の中間チャンバーとの間の、湾曲したダクトである。それと同時に、下降ブレーキバルブは、供給側及び吐出側の両方に配置可能とされ、パイロット圧も両方に適用可能とされる。公知のバルブ装置としては、可動式制御ブロックの方向制御バルブ要素が望ましい。

独国特許出願公開第１０２００５０１３８２３号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０５４１３７号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２０５５８号明細書

本発明の目的は、負荷部駆動のためのバルブ装置を提供することにあり、ブレーキバルブの駆動信号はシリンダー圧又は他のどの負荷圧とも結合されておらず、高い操作信頼性及び強化された切替動作性が保証される。

この目的は、請求項１全体に記載する特徴を有するハイドロリックバルブ装置によって達成される。請求項１の特徴記載部分によれば、スロットル装置は、駆動部へ流れる圧力媒体の圧力と方向とを検知するハイドロリック回路によって駆動される。

本発明は、バルブ装置内を負荷部へと流れる圧力媒体の圧力と方向とを検知する装置を提供する。この特徴はブレーキスライドのための動圧信号に、圧力媒体の圧力と方向とを計測するためのこの装置の信号を、重ね合わせることを可能とする。

このような装置は、例えば、方向制御バルブの制御スプールのスイッチングポジションを検知する。制御スプールが、負荷部の作動ポジションに相当するスイッチングポジションからニュートラルポジションに切り替わって戻ったときは、次いで、この装置はブレーキスライドを、閉鎖ポジションに相当するスイッチングポジションへ動かす。負荷部へ流れる圧力媒体の圧力及び方向を検知する装置又はハイドロリック回路は、バルブ装置の駆動圧によって減少した圧力がブレーキスライドを作動させるような方法で、ブレーキスライドを閉鎖ポジションに動かしていく工程において、圧力分岐回路によって作動する。

一方、制御スプールが、負荷部の作動ポジションという意味において開放ポジションに相当するスイッチングポジションへと動かされたときは、ブレーキスライドのための動圧信号が、前述した装置の信号と、ブレーキスライドが比例定数の大きな比例関係に従う(over-proportionally)高速開放ポジションとみなされるという意味で、重ね合わされる。

さらに、圧力分岐回路を備えるブレーキ検知器としても参照することができるこのようなハイドロリック回路は、制御スプールのための２つの制御ラインそれぞれに結合することができる点で都合がよい。本発明によるバルブ装置の、その他の都合のよい実施形態は、付加的な従属請求項の主題である。

スロットル装置は、負荷信号又は負荷検知信号からの動圧によって調整されるため、ブレーキバルブの駆動圧又は駆動信号における負荷部の圧力上昇による正的フィードバックを避けるという設計的特徴を導入した。好適には、負荷検知信号からの動圧は、方向切替スライド部の計測オリフィス又は方向制御バルブの制御ピストンから供給するのが望ましい。このような方向制御バルブの圧力補償器は負荷信号に関連した動圧を生じ得る。スロットル装置は、計測オリフィスとして、とりわけ可変計測オリフィスとして設計することができる。特にコンパクトなデザインのバルブ装置にするため、下降ブレーキバルブのブレーキスライドを、既存の、方向制御バルブの制御スプールに組み込むことは実際的である。

動圧信号は、基本的に、外的な短時間の圧力変動又はハイドロリックシステムの圧力上昇によってのみ得られる物理量を意味する。状況は圧力そのものによって異なる。それは、本質的には、フィルタリングされた信号を含む。それゆえ、標準的な方向制御バルブを、低コストで、負荷部下降ブレーキ機能を備える方向制御バルブへと機能拡張することができる。その結果、短い制御経路が可能となり、ブレーキスライドを駆動するために、制御スプールの論理的なスイッチングポジションを使用することができる。この方法により、方向バルブ制御スプールがニュートラルポジションから移動したときにだけ、ブレーキバルブのスロットルノッチが圧力媒体を吐出することを確実にすることが容易となる。ブレーキバルブスライド内部のスロットルノッチは、流体輸送方式によって、制御スプールの内部貫通路の貫通孔に接続されている。それにより動圧は、ブレーキスライドの両側表面又はブレーキバルブスライドに供給することができる。

ハイドロリック式負荷部が作動中の場合、本発明によるバルブ装置は、圧力媒体の、負荷部へのいずれの流体方向の圧力損失をも、低減させる。負荷部が単動式ハイドロリックシリンダーであれば、上昇工程の過程において、圧力損失は減少するが、それはチェックバルブを流れる必要がないためである。さらに、圧力損失はハイドロリックシリンダーの下降工程中に低減されるが、それはハイドロリックシリンダーの入口側チャンバーの圧力のみ考慮すればよいためであり、且つ、ブレーキスライドの復元スプリングのスプリング力が、現在の最新技術の約５分の１の値にまで低減され得るためである。

負荷検知式(LS)方向制御バルブの動圧によって駆動されるブレーキスライドを備え、負荷部を駆動させるためのバルブ装置の、典型的な実施例の略図である。 方向制御バルブの制御スプールに組み込まれたブレーキスライドを備える、本発明にかかるバルブ装置の縦断面略図である。 負荷部へ流れる圧力媒体の圧力及び方向を検知する、本発明にかかるバルブ装置及びハイドロリック回路の回路図の略図である。 負荷部へ流れる圧力媒体の圧力及び方向を検知する、ハイドロリック回路を備えるバルブ装置の縦断面部分略図である。 本発明にかかるバルブ装置のブレーキスライドの駆動圧特性であって、方向制御バルブの制御スプールにおける駆動圧に亘ってプロットされた駆動圧特性の実施例を示す。 制御スプールにおける駆動圧の圧力リバーサルを備える負荷部へと流れる圧力媒体及び負荷部から流れる圧力媒体の、圧力及び方向を検知するハイドロリック回路の分解能精度の実施例を示す。

本発明によるハイドロリックバルブ装置について、以下に複数の典型的な実施形態を用いて詳細に説明する。

本文において、図１は、ハイドロリック式負荷部（ｌｏａｄ）２を駆動するためのバルブ装置1の典型的な実施形態の回路図の略図を示す。負荷部２は、複動式ハイドロリックシリンダーとして設計されており、定吐出ポンプ１９によって供給される圧力媒体の流れによって駆動される。定吐出ポンプ１９は、小型掘削機やホイールローダーのような工作機械の燃焼機関（図示せず）によって駆動される。ハイドロリックシリンダーは、例えば前面工作具や掘削グラップやバケット等の、昇降のために使用される。産業車両や、公知のハイドロリックリフトなどの他の応用分野においても、バルブ装置１が適用できることは言うまでもない。

負荷部２は、無限可変方向制御バルブ３によって駆動されるが、図１ないし図３においてはその典型的な実施形態のみ示す。図１によれば、方向制御バルブ３は、流体輸送方式により、２つの作動ライン４、５を備える４／３方バルブとして負荷部２に接続される。駆動検知ラインも考慮するならば、５／３方バルブを含む。ブレーキバルブ１０は、ハイドロリックシリンダーのピストン側作動チャンバーに流れ込む作動ライン５に組み込まれている。ブレーキバルブ１０は、パイプ破損防止機能を実装させるため、ハイドロリックシリンダーに直接取り付けられている。パイプ破損時には、チェックバルブ２１が、バルブ装置１が圧力媒体を消失することを防ぐ。先行技術の下降ブレーキバルブとは異なり、下降ブレーキバルブ２０は、それぞれに対応する作動ライン４（ロッド側）の圧力媒体の圧力によっては、直接的に開放されない。むしろ、このような従来技術による制御ユニットにおいて知られている、不安定性を排除するため、負荷検知バルブ３５は、圧力媒体ラインに組み込まれ、定吐出ポンプ１９と方向制御バルブ３との間に配置されている。この負荷検知方向制御バルブ３５の動圧ｐ’は、機能を制御し、その際、ブレーキバルブ１０のブレーキスライド１１のスイッチングポジションも制御する。

このようにして、ブレーキバルブ１０の制御不安定性と、それ故例えば負荷部の制御されない下降とは防止される。一方、ハイドロリックシリンダー又は負荷部２の上昇工程において、チェックバルブ２１は、流れが通過し、その工程は相応する圧力損失を伴う。言うまでもないが、異なる制御ロジックを有する他のバルブデザインであっても、バルブ装置１に開示された発明にかかる機能を実装するために用いることができる。このように、スロットル装置８に代表されるブレーキバルブ１０は、非常に安定した方法により、負荷部２の圧力媒体７の吐出体積流量６を制御する。

図２は、ブレーキバルブ１０のブレーキスライド１１を備える方向制御バルブ３を具備したバルブ装置１の、縦断面略図である。本発明によれば、このブレーキスライドは方向制御バルブに組み込まれ、制御された動圧ｐ’によって駆動される。バルブ装置１は、ポンプポート又は圧力供給ポートＰ、リターンフローポートＲ、２つの負荷ポートＡ、Ｂ、２つの制御ポートＰ’_A及びＰ’_B、並びに、負荷信号ポート又は負荷検知ポートＬＳを有する。このようなバルブ装置１の基本機能は、様々な先行出願（例えば特許文献２）によって開示されているため、この点においては、それらの詳細の説明は不要だろう。

バルブ装置１は、バルブ装置のハウジングの中に、図２を視認する方向に対して水平方向に移動させることができる制御スプール１２を有する。この制御スプールはその中立ポジションを示している。そして、制御スプール１２は、前述したハウジングに対して水平方向に移動させることができるブレーキスライド１１のハウジングとして同様に機能する。制御スプール１２は、制御ポートＰ’_A及び制御ポートＰ’_B間の計測オリフィス９（図４）とそれぞれの負荷ポートＡ及び負荷ポートＢとに加えて、内側の長手方向に延びる経路孔２３内に２つの貫通孔２２を有する。これらの貫通孔２２は、内部に横たわったブレーキスライド１１のスロットルノッチ２４に永久的に接続されている。スロットルノッチ２４は、制御スプール１２が図示した中立ポジションから作動ポジションに移動させられた場合にのみ、吐出部又は流体輸送接続１３をリターンフローポートＲに解放することができる。この目的のため、貫通孔１５、１５’の各々は、制御スプール１２のそれぞれの端部１６に設けられ、且つ、ブレーキスライド１１の作業基準面１８は、動圧ｐ’に接続することができる。

図３は、本発明にかかるバルブ装置１における、略回路図中のハイドロリック回路１７の付加的使用を示す。このハイドロリック回路は、ブレーキスライド１１の動圧信号を、負荷部２の圧力媒体流れの、圧力及び方向をマッピングする信号と、重ね合わせることを可能とする。図３は、また、圧力分岐回路を備えるブレーキ検知器ともみなせるこうしたハイドロリック回路１７が、制御スプール１２の、それぞれ２つの制御ライン２５、２６に組み込まれることを示している。バネ要素によってあらかじめ圧縮荷重を与えてはいないピストン２７を作動させる（deflecting）場合に、ハイドロリック回路１７は、制御スプール１２の駆動圧を、ブレーキスライド１１へ通過させる。中立ポジション方向への制御スプール１２の通過動作の過程において、図４に詳細を示された圧力分岐回路は、比較的圧力減少を生じさせ、ブレーキスライド１１を作動させる。スロットル装置８又はブレーキバルブ１０は、比例係数の大きな比例関係（over-proportionately）に従って閉じられる。この特徴は、例えば、図３にハイドロリックモーター２８として示される負荷部２の動特性に寄与し、、結果としてハイドロリックモーター２８の早い減速をもたらす。それに加えて、図３にかかる回路には、定吐出ポンプ１９の上流側に圧力補償器２９が示されているが、圧力補償器２９はハイドロリックモーター２８の過負荷を防ぐために、圧力媒体の量を減らす働きをする。

図４に、それぞれの負荷部のための、圧力媒体流れの圧力及び方向を検知するためのハイドロリック回路１７の実施形態を示す。このハイドロリック回路は、例えば、方向制御バルブのハウジング内の制御スプール１２のそれぞれの作業基準面において、２度実行させることができる。ハイドロリック回路１７は、縦断面図の方向制御バルブ３の長手方向中心断面で描かれているため、回路図３にかかる流体輸送コネクションの全てが図示されているわけではない。

この回路図について、描かれたスイッチング要素は基本的に以下の要素を含む
- 制御スプール１２用計測オリフィスＤ_D1、
- 制御スプール１２（圧力Ｘ’）及びスナップ表面Ａ_sch間計測オリフィスＤ_D2、
- ハイドロリック回路１７用ブレーキ検知ピストンの可変スロット３１、
- ブレーキ検知面３２（制御スプール１２のスプリング空間）、
- ハイドロリック回路１７のスナップ面Ａ_sch又は３３及び、
- マスターシリンダー接圧面３４

図５は、制御スプール１２の駆動圧に亘ってプロットされたブレーキスライド１１の制御圧ある。制御スプール１２の、作動ポジションにおける操作状態（ａ）及びブレーキポジションにおける操作状態（ｂ）の両方に線形依存性がある。制御スプール１２の作動ポジション（ａ）においては、前述の圧力間に正比例の関係があるのに対し、ブレーキスライド１１のブレーキポジション又はスロットリングポジションにおいては、圧力について、比例係数が小さい比例（under-proportional）関係となる。

さらに、図６は、負荷部を停止（ａ）させるとき及び負荷部又は消費器２を加速（ｂ）させるときのブレーキスライド１１の駆動圧の変化を示す。

Claims (9)

1. 入口側スロットルとして機能し且つポンプポート（Ｐ）を負荷ポート（Ａ、Ｂ）に接続することが可能な無限可変の方向制御バルブ（３）を有して負荷部(２)を駆動させるバルブ装置であって、前記負荷部（２）は作動ライン（４、５）によって前記方向制御バルブ（３）に接続され、前記負荷部（２）からの圧力媒体（７）の吐出体積流量（６）は、前記負荷部（２）の負荷信号（ＬＳ）に応じてスロットル装置（８）によって調整されることができ、該スロットル装置（８）は前記負荷信号（ＬＳ）の動圧（ｐ’）によって調整されることができるバルブ装置において、
   前記スロットル装置（８）が、前記負荷部（２）へと流れる圧力媒体（７）の、圧力及び方向を検知するハイドロリック回路（１７）によって駆動されることを特徴とするバルブ装置。
2. 前記スロットル装置（８）がブレーキバルブ（１０）の一部又はブレーキバルブ（１０）のブレーキスライド（１１）であり、且つ、前記方向制御バルブ（３）の制御スプール（１２）が作動ポジションにあるとき、前記ハイドロリック回路（１７）が、前記ブレーキスライド（１１）の作業基準面（１８）における動圧と、前記制御スプール（１２）の駆動圧とを重ね合わせることができることを特徴とする請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記制御スプール（１２）が作動ポジションから中立ポジションへと移動する場合において、前記ハイドロリック回路（１７）が、比例係数が小さい比例関係に従って前記制御スプール（１２）の駆動圧を前記ブレーキスライド（１１）へ通過させ、且つその逆も同様に行うことを特徴とする請求項２に記載のバルブ装置。
4. ハイドロリック回路（１７）が前記制御スプール（１２）の２つの制御ライン（２５、２６）のそれぞれに組み込まれていることを特徴とする請求項２又は３に記載のバルブ装置。
5. 前記動圧（ｐ’）が、前記方向制御バルブ（３）の計測オリフィス（９）によって体積流量を決定するために用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のバルブ装置。
6. 前記動圧（ｐ’）が、前記方向制御バルブ（３）の圧力補償器（２９）から供給されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のバルブ装置。
7. 前記ブレーキスライド（１１）が、前記方向制御バルブ（３）の前記制御スプール（１２）に組み込まれており、前記方向制御バルブに対して軸線方向に移動させることを可能とする請求項２から６のいずれか１つに記載のバルブ装置。
8. 前記制御スプール（１２）が前記負荷部（２）の作動ポジションに相当するスイッチポジションにあるとき、前記ブレーキスライド（１１）が流体輸送接続（１３）を前記負荷部（２）から圧力媒体タンク（１４）へと解放することを特徴とする請求項２から７のいずれか１つに記載のバルブ装置。
9. 前記ブレーキスライド（１１）が、貫通孔（１５、１５’）を通して、前記制御スプール（１２）の端部におけるその２つの作業基準面において動圧（ｐ’）を供給されることを特徴とする請求項２から８のいずれか１つに記載のバルブ装置。

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