JP2016223484A - 油圧回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンチングの発生を、より効果的に抑制する。【解決手段】カウンタバランス弁を備えた油圧回路であって、油圧モータの巻下駆動時の戻り側油路と連通される油室の圧力を上昇させる加圧装置を備えた油圧回路。また、油圧モータの巻下駆動時の送り側油路と連通された油室と連通する通路に設けられた絞りと並列に、送り側油路から油室への圧油の流れを許容し、油室から送り側油路への流れを阻止する逆止弁が設けられた油圧回路。【選択図】図２

Description

本発明は、カウンタバランス弁を備えた油圧回路に関する。

吊り荷を昇降するためのウインチを備えたクレーン等の建設機械において、ウインチを駆動する油圧モータの巻下速度を制御するカウンタバランス弁を備えた油圧回路が知られている。特許文献１には、巻下駆動の停止指令が検出されると、カウンタバランス弁におけるバネの介装された第２油室（ダンピング室）の容積を大きくする容積変更手段を備えた油圧回路が開示されている。

特許文献１に記載の発明によれば、油圧モータの巻下駆動停止時には、スプールの応答性が遅れるため、サージ圧が低減される。また、巻下駆動時にはスプールの応答性が良好となり、ハンチングが抑制される。

特開２００２−３９１０７号公報

特許文献１に記載の発明によれば、吊り荷が大きく振動するような、大きなハンチングを抑えることはできるものの、作動油には空気が混入する場合があり、カウンタバランス弁のダンピング室に空気（気泡）が存在していると、スプールが移動したときに、気泡が潰れるだけで、スプールの微小運動に対する減衰効果が低下する。これにより微小なハンチングが発生する事があり、改善の余地があった。

請求項１に記載の油圧回路は、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧モータと、油圧モータと油圧ポンプとの間に介装されたカウンタバランス弁とを備えた油圧回路であって、カウンタバランス弁は、シリンダおよびスプールを有し、シリンダの内部の一端側には、油圧モータの巻下駆動時の送り側油路と連通される第１油室が形成され、シリンダの内部の他端側には、油圧モータの巻下駆動時の戻り側油路と連通される第２油室が形成され、第２油室には、スプールを付勢するバネが配置され、スプールは、第１油室に作用する力と第２油室に作用する力との差により移動し、移動量に応じて戻り側油路の通路面積を増減し、油圧回路は、第２油室の圧力を上昇させる加圧装置を備えている。

本発明によれば、ハンチングの発生を、より効果的に抑制できる。

本発明の一実施の形態に係る油圧回路を搭載したクレーンの外観を示す側面図。 本発明の一実施の形態に係る油圧回路を示す図。 （ａ）は比較例の油圧回路により巻上ウインチを巻下駆動したときのスプールの位置の変化を示すタイムチャート。（ｂ）は比較例の油圧回路により巻上ウインチを巻下駆動したときの巻下圧Ｐｄおよびスプール圧Ｐａ、ダンピング室圧Ｐｂの変化を示すタイムチャート。 巻下圧Ｐｄおよびスプール圧Ｐａと、スプールの移動量との関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明による油圧回路の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る油圧回路を搭載したクレーンの外観を示す側面図である。クレーンは、走行体１０１と、旋回装置１０２を介して走行体１０１上に旋回可能に搭載された旋回体１０３と、旋回体１０３の先端部に起伏可能に取り付けられたブーム１０４とを有する。旋回体１０３には巻上ドラム１０５が搭載され、巻上ドラム１０５の駆動により巻上ロープ１０６が巻き取りまたは繰り出され、ブーム先端から吊り下げられたフック１０７を介して吊り荷が昇降する。

図２は、クレーンの油圧回路を示す図である。油圧回路は、エンジン（不図示）により駆動される油圧ポンプ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油圧モータ２と、油圧ポンプ１から油圧モータ２への圧油の流れを制御する方向制御弁３と、方向制御弁３と油圧モータ２とを接続する一対の主管路４ａ，４ｂと、ポートＰ１〜Ｐ４を介して主管路４ａ，４ｂに介装されたカウンタバランス弁１０とを有する。油圧モータ２の出力軸の回転は巻上ドラム１０５に伝達され、油圧モータ２により巻上ドラム１０５が巻上および巻下駆動される。

カウンタバランス弁１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１内に摺動可能に収容されたスプール１２とを有する。シリンダ１１の内周面には周方向に溝１１１，１１２が形成されている。

スプール１２は、第１ランド１２１と第２ランド１２２とを有する。第１ランド１２１と第２ランド１２２の間には、溝１１１に対向して周方向にわたって通路２２が形成され、第２ランド１２２の周囲には溝１１２により通路２３が形成されている。通路２２は、逆止弁１３が設けられた通路Ｌ１ａを介してポートＰ１に連通し、通路Ｌ２を介してポートＰ２に連通している。通路２３は、通路Ｌ１ｂを介してポートＰ１に連通している。

シリンダ１１の内部の一端側には、スプール１２の一端面に面して油室２４が形成され、シリンダ１１の内部の他端側には、スプール１２の他端面に面してバネ室２５が形成されている。油室２４は、流れを制限する絞り１５が設けられた連通路Ｌ５を介して通路Ｌ３に連通している。

油室２４は、逆止弁１７が設けられた連通路Ｌ４を介して通路Ｌ３に連通している。連通路Ｌ４および連通路Ｌ５は、並列に配置され、それぞれ油室２４と通路Ｌ３とを連通している。逆止弁１７は、通路Ｌ３から油室２４への圧油の流れを許容し、油室２４から通路Ｌ３への流れを阻止（遮断）する。

通路Ｌ３は、ポートＰ３とポートＰ４とを連通している。ポートＰ３は主管路４ｂを介して油圧モータ２に接続され、ポートＰ２は主管路４ａを介して油圧モータ２に接続されている。ポートＰ１およびポートＰ４は、それぞれ方向制御弁３を介して油圧ポンプ１に接続されている。

油圧モータ２の巻下駆動時には、通路Ｌ３および主管路４ｂが送り側油路を構成し、主管路４ａ、通路Ｌ２、通路２２および通路２３、通路Ｌ１ｂが戻り側油路を構成する。油圧モータ２の巻上駆動時には、主管路４ａ、通路Ｌ１ａ、通路２２および通路Ｌ２送り側油路を構成し、主管路４ｂおよび通路Ｌ３が戻り側油路を構成する。

バネ室２５は、逆止弁１４を介して通路２３に連通するとともに、流れを制限する絞り２０を介して通路２３に連通している。逆止弁１４は、通路２３からバネ室２５への圧油の流れを許容し、バネ室２５から通路２３への流れを阻止（遮断）する。逆止弁１４が設けられた連通路Ｌ７および絞り２０が設けられた連通路Ｌ６は、並列に配置され、それぞれバネ室２５と通路２３とを連通している。

バネ室２５にはコイルばね１６が配置され、スプール１２はばね力により常時矢印Ａ方向に付勢されている。スプール１２の一端面には油室２４内の油圧力が、他端面にはバネ室２５内の油圧力とコイルばね１６の付勢力がそれぞれ作用し、スプール１２はこれらの力の大小（差）によりシリンダ１１内を摺動する。スプール１２が移動すると、その移動量に応じて、通路２２と通路２３との境界に設けられた開口部２６の通路面積が増減する。

スプール１２が矢印Ａ方向に最大に移動している状態では、通路２２と通路２３の間の開口部２６が閉塞され、通路２２から通路２３への油の流れが阻止される。スプール１２が矢印Ｂ方向に移動して開口部２６が開口すると、通路２２から通路２３への油の流れが可能となる。

カウンタバランス弁１０の動作を図２の油圧回路により説明する。図２において、方向制御弁３は図示しない操作レバーにより操作される。方向制御弁３が巻上位置（ａ）側に操作されると、油圧ポンプ１からの圧油は、カウンタバランス弁１０内の逆止弁１３および通路２２を経て油圧モータ２に供給される。これにより油圧モータ２が巻上方向に回転し、巻上ドラム１０５が巻上駆動される。

一方、方向制御弁３が巻下位置（ｂ）側に操作されると、油圧ポンプ１からの圧油は、通路Ｌ３および主管路４ｂを経て油圧モータ２に供給され、油圧モータ２が巻下駆動される。このとき、スプール１２の一端側の油室２４には逆止弁１７を介してモータ駆動圧が導かれ、スプール１２はコイルばね１６の付勢力およびバネ室２５内の油圧力に抗して矢印Ｂ方向に移動する。これにより開口部２６が開放されて通路２２から通路２３へと戻り油が流れ、油圧モータ２が巻下方向に回転し、ドラム１０５が巻下駆動される。

その後、方向制御弁３が中立位置に戻し操作されると、油圧モータ２の回転が停止する。このとき、スプール１２はコイルばね１６の付勢力によって矢印Ａ方向に押動され、開口部２６が閉塞される。このため、通路２２から通路２３への圧油の流れが阻止され、吊り荷の自重により油圧モータ２が逸走することを防止でき、吊り荷の落下を防ぐことができる。

ところで、作動油には空気が混入する場合がある。カウンタバランス弁１０のバネ室（ダンピング室）２５に空気（気泡）が混入していると、スプール１２がＢ方向に移動したときに、気泡が潰れるまではバネ室２５内の圧油が絞り２０を通過して抜け出る事による減衰効果が低下する。この要因についてシミュレーションを行うと、図３（ａ）および図３（ｂ）の様な結果が得られる。

図３（ａ）は、比較例の油圧回路により巻上ウインチ１０５を巻下駆動したときのスプール１２の位置の変化、すなわち移動量（スプールストローク）を示すタイムチャートである。図３（ｂ）は、比較例の油圧回路により巻上ウインチ１０５を巻下駆動したときの巻下圧Ｐｄおよびスプール圧Ｐａ、ダンピング室圧Ｐｂの変化を示すタイムチャートである。なお、比較例の油圧回路は、図２に示す本実施の形態の油圧回路に示す逆止弁１４、逆止弁１７、電磁切換弁３１および油圧源３０が設けられていない油圧回路である。

図４は、図３（ａ）のＩＶａ部および図３（ｂ）のＩＶｂ部を拡大した図であり、巻下圧Ｐｄおよびスプール圧Ｐａと、スプールの移動量との関係を示す図である。操作レバーを巻下側に最大操作すると、方向制御弁３が巻下位置（ｂ）側に切り換えられ、油圧ポンプ１から吐出された圧油が油圧モータ２に供給される。

操作レバーの最大操作とともに、巻下圧Ｐｄが急上昇する。巻下圧Ｐｄの上昇に伴ってスプール圧Ｐａが上昇し、スプール１２が移動する。スプール圧Ｐａとダンピング室圧Ｐｂとの差圧ΔＰにより生じる力がコイルばね１６の弾性力とバランスすることでスプール１２が停止する。

比較例では、図３に示すように、スプール１２は完全に停止せず、微小なハンチング（振動）が発生している。これは油室（ダンピング室）２５内には気泡が存在するため、スプール１２の微小移動に対しダンピングが効かず、スプール１２の慣性エネルギにより、スプール１２がコイルばね１６とのバランス点を超えてストロークしてしまうことが原因と考えられる。

この様な振動現象が発生した場合、通常はスプール１２の応答性を下げてスプール１２を動きにくくすることを行うが、気泡混入によるダンピング喪失状態では、絞り２０をより小さくしても微小な振動に対して振動抑制効果は低く、また微小振動時以外の通常時の応答性も低下させてしまう。

そこで本願発明では、バネ室２５に油圧力を供給することにより、内包する気泡を事前に押しつぶし、ダンピングの効果を安定化させること、および、通常とは逆にスプール１２の応答性を上げることで振動周期をずらしハンチング現象を抑制しようと考えた。

図２に示すように、本実施の形態に係る油圧回路は、気泡を事前に押しつぶすために、バネ室２５の圧力を上昇させる加圧装置を備えている。加圧装置は、コントローラ１２０と、電磁切換弁３１と、油圧源３０とを含む。コントローラ１２０は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成され、クレーンの各部を制御する。

電磁切換弁３１は、カウンタバランス弁１０のバネ室２５と、油圧源３０とを接続する油路に介装されている。電磁切換弁３１とバネ室２５との間には、電磁切換弁３１からバネ室２５への圧油の流れを許容し、バネ室２５から電磁切換弁３１への圧油の流れを阻止（遮断）する逆止弁１９が設けられている。

コントローラ１２０は、エンジンの回転速度や操作レバーの操作量などに応じて加圧条件が成立したか否かを判定し、判定結果に応じて電磁切換弁３１を制御する。コントローラ１２０は、加圧条件が成立している場合、電磁切換弁３１のソレノイドにオン信号を出力して、電磁切換弁３１を位置（Ｙ）に切り換える。コントローラ１２０は、加圧条件が成立していない場合、電磁切換弁３１のソレノイドにオフ信号を出力して、電磁切換弁３１を位置（Ｘ）に切り換える。

このため、加圧条件が成立すると、油圧源３０から電磁切換弁３１を介してバネ室２５に圧油が供給されることで、バネ室２５の圧力が加圧条件成立前に比べて上昇し、バネ室２５内に存在する気泡が押し潰される。その結果、バネ室２５内の圧油による減衰効果を向上させることができ、ハンチングを抑制できる。

本実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）バネ室２５に付加された加圧装置により加圧された油に内包された気泡は、圧力により押しつぶされているため、次にスプール１２が移動しようとした場合、遅れなく減衰効果を発揮するため、微小な振動現象に対しスプール１２の安定性を高めることができ、ハンチングを抑制できる効果を奏する。
（２）加圧装置の動作を制御可能としたため、必要な場合以外は、巻き下げの押し込み圧力を増加させる事を避ける事ができ、常時使用による燃費悪化を避けられる。また、気泡混入以外の、油圧モータ２の入口圧力と出口圧力が同圧になることが原因による摩擦のスティックスリップによるハンチング時にも状況を避けることが可能となる。
（３）比較例では巻下側管路（通路Ｌ３）に供給された圧油が、絞り１５を介して油室２４に供給されるため、スプール１２の移動の応答速度が低下していた。これに対して、本実施の形態では、巻下側管路（通路Ｌ３）と油室２４との間に逆止弁１７を設ける構成としたので、巻下圧Ｐｄの上昇に伴うスプール移動の応答性を向上でき、その結果振動周期が早くなり、ハンチング現象を感じにくい周期に移動させることができるという効果を奏する。また同時に応答性を高められるため、サージ圧の低減も可能となる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
上述した実施の形態では、油圧源３０とバネ室２５との間に電磁切換弁３１を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。電磁切換弁３１に代えて、電磁比例弁を設け、コントローラ１２０からの制御電流に応じて開口面積を調整し、バネ室２５の圧力を調整できるようにしてもよい。

（変形例２）
電磁切換弁３１に代えて、パイロット圧により駆動されるパイロット式の弁によってバネ室２５の圧力を制御するようにしてもよい。

（変形例３）
上述した実施の形態では、油圧ポンプ１を駆動する原動機としてエンジンを採用した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。電動モータを原動機として採用し、電動モータによって油圧ポンプ１を駆動するようにしてもよい。

（変形例４）
上述した実施の形態では、油室２４と通路Ｌ３とを連通する連通路Ｌ４に逆止弁１７を設け、バネ室２５と通路Ｌ１ｂとを連通する連通路Ｌ７に逆止弁１４を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されない。逆止弁１７や逆止弁１４を省略してもよい。この場合、バネ室２５を加圧する加圧装置（３０，３１，１２０）により、微小なハンチングの発生を抑制することができる。

（変形例５）
上述した実施の形態では、バネ室２５を加圧する加圧装置（３０，３１，１２０）を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されず、加圧装置を省略してもよい。この場合、油室２４と巻下側管路（通路Ｌ３）とを連通する連通路Ｌ４に逆止弁１７を設けることで、巻下圧Ｐｄの上昇に伴うスプール圧Ｐａの上昇の応答性を向上させることで、微小なハンチングの発生を抑制することができる。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１ 油圧ポンプ、２ 油圧モータ、１０ カウンタバランス弁、１１ シリンダ、１２ スプール、１５ 絞り、１６ コイルばね（バネ）、１７ 逆止弁、２４ 油室（第１油室）、２５ バネ室（第２油室）、３０ 油圧源（加圧装置）、３１ 電磁切換弁（加圧装置）、１２０ コントローラ（制御装置）、Ｌ４ 連通路（第２連通路）、Ｌ５ 連通路（第１連通路）

Claims (4)

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される油圧モータと、前記油圧モータと前記油圧ポンプとの間に介装されたカウンタバランス弁とを備えた油圧回路であって、
   前記カウンタバランス弁は、シリンダおよびスプールを有し、
   前記シリンダの内部の一端側には、前記油圧モータの巻下駆動時の送り側油路と連通される第１油室が形成され、
   前記シリンダの内部の他端側には、前記油圧モータの巻下駆動時の戻り側油路と連通される第２油室が形成され、
   前記第２油室には、前記スプールを付勢するバネが配置され、
   前記スプールは、前記第１油室に作用する力と前記第２油室に作用する力との差により移動し、移動量に応じて前記戻り側油路の通路面積を増減し、
   前記油圧回路は、
   前記第２油室の圧力を上昇させる加圧装置を備えている油圧回路。
2. 請求項１に記載の油圧回路において、
   前記加圧装置は、加圧条件が成立すると、加圧条件が成立していない場合に比べて前記第２油室の圧力を上昇させる制御装置を備えている油圧回路。
3. 請求項１または２に記載の油圧回路において、
   前記第１油室と前記送り側油路とを連通する第１連通路に設けられ、流れを制限する絞りと、
   前記第１連通路と並列に、前記第１油室と前記送り側油路とを連通する第２連通路に、前記送り側油路から前記第１油室への圧油の流れを許容し、前記第１油室から前記送り側油路への圧油の流れを阻止する逆止弁が設けられている油圧回路。
4. 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される油圧モータと、前記油圧モータと前記油圧ポンプとの間に介装されたカウンタバランス弁とを備えた油圧回路であって、
   前記カウンタバランス弁は、シリンダおよびスプールを有し、
   前記シリンダの内部の一端側には、前記油圧モータの巻下駆動時の送り側油路と連通される第１油室が形成され、
   前記シリンダの内部の他端側には、前記油圧モータの巻下駆動時の戻り側油路と連通される第２油室が形成され、
   前記第２油室には、前記スプールを付勢するバネが配置され、
   前記スプールは、前記第１油室に作用する力と前記第２油室に作用する力との差により移動し、移動量に応じて前記戻り側油路の通路面積を増減し、
   前記油圧回路は、
   前記第１油室と前記送り側油路とを連通する第１連通路に設けられ、流れを制限する絞りと、
   前記第１連通路と並列に、前記第１油室と前記送り側油路とを連通する第２連通路に、前記送り側油路から前記第１油室への圧油の流れを許容し、前記第１油室から前記送り側油路への圧油の流れを阻止する逆止弁とを備えている油圧回路。
   

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