JP2020122537A

JP2020122537A - 建設機械

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Publication number: JP2020122537A
Application number: JP2019015528A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中嶌; Hideki Nakajima; 浩一喜安; Koichi Kiyasu
Original assignee: Caterpillar SARL
Current assignee: Caterpillar SARL
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: JP7201463B2

Abstract

【課題】パイロット油室から戻り通路にパイロット油が流れることに起因するエネルギー損失を低減することができる建設機械を提供する。【解決手段】油圧パイロット式制御弁１２の制御弁スプール３２の軸方向端部外周面には切り欠き３４が形成されており、コントローラは、操作具に所定量以上の操作が加えられた場合において圧力センサによって検出された油圧ポンプの吐出圧力が所定値未満であるときはパイロット油室４２と戻り通路２６とが前記制御弁スプールの前記切り欠きを介して連通する位置に前記制御弁スプールを位置づけると共に、前記操作具に前記所定量以上の操作が加えられた場合において前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力が前記所定値を超えたときは前記パイロット油室と前記戻り通路との連通が遮断される位置に前記制御弁スプールを位置づけるように電磁比例減圧弁の作動を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、油圧パイロット式制御弁のパイロット油室からのエア抜きが可能な建設機械に関する。

一般に、油圧ショベルやホイールローダ等の建設機械は、油圧シリンダや油圧モータ等の油圧アクチュエータの作動を制御するための油圧パイロット式制御弁を備えている。この油圧パイロット式制御弁のパイロット油室には、オペレータが操作する操作具から出力された作動信号に応じてパイロット圧が作用するようになっており、パイロット油室に作用するパイロット圧の大きさに応じて、油圧パイロット式制御弁の制御弁スプールが制御弁スプリングにより保持された中立位置から制御弁スプリングの力に抗して移動する。また、パイロット油室へのパイロット圧が解除されると、制御弁スプールは制御弁スプリングの力によって元の中立位置に戻される。このように、油圧パイロット式制御弁は、パイロット油室に作用するパイロット圧によって制御弁スプールが任意の位置に移動することにより、油圧アクチュエータへの作動油の供給方向および供給量を制御して、油圧アクチュエータの作動を制御するようになっている。

このような油圧パイロット式制御弁を含む油圧機器に作動油を充填する際等には、油圧パイロット式制御弁のパイロット油室にエアが混入してしまうことがある。そうすると、パイロット油室が行き止まりであるためパイロット油室にエアが閉じ込められてしまい、油圧パイロット式制御弁の応答性が低下する等の不具合が発生することとなる。

この点に関して、下記特許文献１の従来技術には、パイロット油室からのエア抜きが可能な油圧パイロット式制御弁が記載されており、この油圧パイロット式制御弁について図４を参照して説明する。

図４に示すとおり、油圧パイロット式制御弁１００の制御弁スプール１０２の軸方向端部外周面にはエア抜き用の切り欠き１０４が形成されている。切り欠き１０４は、パイロット油室１０６に矢印Ｙで示す方向にパイロット油が供給されて制御弁スプール１０２が移動しストローク端に近づくと、作動油タンク（図示していない。）に接続された戻り通路１０８とパイロット油室１０６とが連通する。戻り通路１０８とパイロット油室１０６とが連通した状態を図４に二点鎖線で示す。戻り通路１０８とパイロット油室１０６とが連通すると、パイロット油室１０６内に滞留したエアが矢印Ｄで示すように制御弁スプール１０２の切り欠き１０４および戻り通路１０８を介してパイロット油と共に作動油タンクに排出される。

特開２００２−３１７８０２号公報

しかしながら、上記特許文献１の従来技術においては、制御弁スプールの切り欠きを介してパイロット油室から戻り通路に流れたパイロット油がアクチュエータを作動させるために使用されないので、パイロット油室から戻り通路に流れたパイロット油の分だけエネルギーが損失（ブリードロス）するという問題がある。

ところで、建設機械の油圧回路には、油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出するメインポンプと、油圧パイロット式制御弁の制御弁スプールを作動させるためのパイロット油を吐出するパイロットポンプとの両方が設けられているものが存在するが、メインポンプから減圧弁を介して油圧パイロット式制御弁にパイロット油を供給するものも存在し、このような油圧回路では、必要な時だけメインポンプから油圧パイロット式制御弁にパイロット油が供給されるため、メインポンプとパイロットポンプとの両方が設けられている油圧回路よりも効率が高くなる。

しかしながら、メインポンプから減圧弁を介して油圧パイロット式制御弁にパイロット油を供給する場合において、上記特許文献１の従来技術のように制御弁スプールの切り欠きおよび戻り通路を介してパイロット油室内のエアが作動油タンクに排出されるようになっていると、制御弁スプールの切り欠きを通過する流量（ブリード流量）にメインポンプの吐出圧力を乗じた分がエネルギー損失（ブリードロス）となるため、メインポンプが高圧になったときには建設機械の性能に影響を及ぼす程度のエネルギー損失が発生するおそれがある。

上記事実に鑑みてなされた本発明の課題は、パイロット油室から戻り通路にパイロット油が流れることに起因するエネルギー損失を低減することができる建設機械を提供することである。

上記課題を解決するために本発明が提供するのは以下の建設機械である。すなわち、油圧ポンプと、前記油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサと、スプール孔および前記スプール孔から延び作動油タンクに接続された戻り通路が形成されたハウジングと前記ハウジングの前記スプール孔に軸方向に移動自在に収容された円柱状の制御弁スプールとを含み且つ前記制御弁スプールの軸方向外方にパイロット油室が設けられた油圧パイロット式制御弁と、前記油圧ポンプと前記パイロット油室とを接続するパイロットラインに設けられ前記パイロット油室に作用するパイロット圧を制御する電磁比例減圧弁と、オペレータから加えられる操作に応じて作動信号を出力する操作具と、前記操作具から出力された作動信号および前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力に応じて前記電磁比例減圧弁の作動を制御するコントローラとを備え、前記油圧パイロット式制御弁の前記制御弁スプールの軸方向端部外周面には切り欠きが形成されており、前記コントローラは、前記操作具に所定量以上の操作が加えられた場合において前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力が所定値未満であるときは前記パイロット油室と前記戻り通路とが前記制御弁スプールの前記切り欠きを介して連通する位置に前記制御弁スプールを位置づけると共に、前記操作具に前記所定量以上の操作が加えられた場合において前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力が前記所定値を超えたときは前記パイロット油室と前記戻り通路との連通が遮断される位置に前記制御弁スプールを位置づけるように前記電磁比例減圧弁の作動を制御する建設機械である。

好ましくは、前記切り欠きは前記制御弁スプールの軸方向に延びる線状溝である。

本発明が提供する建設機械においては、操作具に所定量以上の操作が加えられた場合において圧力センサによって検出された油圧ポンプの吐出圧力が所定値未満であるときはパイロット油室と戻り通路とが制御弁スプールの切り欠きを介して連通する位置に制御弁スプールを位置づけるように電磁比例減圧弁の作動をコントローラが制御するので、油圧ポンプの吐出圧力が所定値未満で比較的低圧のときには、パイロット油室内に滞留したエアが制御弁スプールの切り欠きおよび戻り通路を通ってパイロット油と共に作動油タンクに排出される。

また、本発明の建設機械においては、操作具に所定量以上の操作が加えられた場合において圧力センサによって検出された油圧ポンプの吐出圧力が所定値を超えたときはパイロット油室と戻り通路との連通が遮断される位置に制御弁スプールを位置づけるように電磁比例減圧弁の作動をコントローラが制御するため、油圧ポンプの吐出圧力が所定値を超えて比較的高圧となったときには、パイロット油室から戻り通路にパイロット油が流れることがない。したがって、本発明の建設機械では、油圧ポンプの吐出圧力が比較的低圧のときにパイロット油室内のエアがパイロット油と共に排出される一方、油圧ポンプの吐出圧力が比較的高圧のときにはパイロット油室から戻り通路にパイロット油が流れないので、効果的にブリードロスを低減することができる。

本発明に従って構成された建設機械の油圧回路の一部を示す回路図。図１に示す油圧パイロット式制御弁の断面図。（ａ）図２に示す制御弁スプールが中立位置に位置している状態を示す油圧パイロット式制御弁の部分断面図、（ｂ）図２に示す制御弁スプールのパイロット油室と戻り通路とが切り欠きを介して連通した状態を示す油圧パイロット式制御弁の部分断面図、（ｃ）（ｂ）に示す状態から若干中立位置側に制御弁スプールが位置づけられ、パイロット油室と戻り通路との連通が遮断された状態を示す油圧パイロット式制御弁の部分断面図。従来の油圧パイロット式制御弁の断面図。

以下、本発明に従って構成された建設機械の好適実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１を参照して説明すると、全体を符号２で示す建設機械は、エンジン４によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ６と、油圧ポンプ６の吐出圧力を検出する圧力センサ８と、油圧ポンプ６から吐出された作動油によって作動する油圧アクチュエータ１０と、油圧ポンプ６から油圧アクチュエータ１０への作動油の供給量および供給方向を制御する油圧パイロット式制御弁１２とを備える。なお、図１には、便宜上、油圧アクチュエータ１０および油圧パイロット式制御弁１２を１個ずつ記載しているが、油圧アクチュエータ１０（油圧シリンダまたは油圧モータ）および油圧パイロット式制御弁１２はそれぞれ複数設けられていてもよい。

図２を参照して説明すると、油圧パイロット式制御弁１２は制御弁ハウジング１４を含み、この制御弁ハウジング１４には、図２の左右方向に延びるスプール孔１６と、ポンプライン１８によって油圧ポンプ６に接続された供給通路２０と、タンクライン２２によって作動油タンク２４に接続されたタンク通路２６（戻り通路）と、一対のアクチュエータライン２８によって油圧アクチュエータ１０に接続された一対のアクチュエータ通路３０とが形成されている。図２を参照することによって理解されるとおり、供給通路２０、タンク通路２６および一対のアクチュエータ通路３０はスプール孔１６から延びている。なお、図示していないが、ハウジング１４には、油圧パイロット式制御弁１２の内部で漏れた油を作動油タンク２４へ戻すためのドレン通路が形成されていてもよく、ドレン通路はタンク通路２６よりもスプール孔１６の端部側に配置され得る。また、ポンプライン１８、タンクライン２２および一対のアクチュエータライン２８は、適宜の油圧ホースまたはパイプ部材等から構成され得る。

図２に示すとおり、ハウジング１４のスプール孔１６には、円柱状の制御弁スプール３２が軸方向（図２の左右方向）に移動自在に収容されており、この制御弁スプール３２の軸方向片側端部外周面には切り欠き３４が形成されている。図示の実施形態の切り欠き３４は制御弁スプール３２の軸方向に延びる線状溝である。また、制御弁スプール３２の外周面には、軸方向に間隔をおいて複数の環状溝３６が形成されている。

図２および図３を参照して説明を続けると、油圧パイロット式制御弁１２は、ハウジング１４の軸方向片側に装着された片側キャップ３７と、ハウジング１４の軸方向他側に装着された他側キャップ３８と、一対の円筒状のスプリング受け３９を介して制御弁スプール３２を初期位置（図２および図３（ａ）に示す中立位置）に付勢する制御弁スプリング４０とを含む。片側キャップ３７および他側キャップ３８のそれぞれは制御弁スプール３２の軸方向外方に配置され、片側キャップ３７および他側キャップ３８の内面によって一対のパイロット油室４２が規定されている。すなわち、制御弁スプール３２の軸方向外方には一対のパイロット油室４２が設けられている。制御弁スプリング４０は、片側キャップ３７によって規定されたパイロット油室４２内において一対のスプリング受け３９の間に配置されており、一対のスプリング受け３９と共にボルト４１によって制御弁スプール２６の軸方向片側端部に固定されている。また、図示の実施形態の油圧パイロット式制御弁１２は、制御弁スプリング４０によって制御弁スプール３２が中立位置に位置づけられている際に供給通路２０、タンク通路２６および一対のアクチュエータ通路３０の相互の連通が遮断されるクローズドセンタ形である。なお、図示の実施形態では、油圧パイロット式制御弁１２よりも上流側部分のポンプライン１８には、油圧アクチュエータ１０の負荷圧を保持するためのチェック弁４４が配置されている。

図１に示すとおり、建設機械２は、ポンプライン１８から分岐して油圧パイロット式制御弁１２のパイロット油室４２まで延びるパイロットライン４６を有する。すなわち、建設機械２においては、ポンプライン１８とパイロットライン４６とに共通の油圧ポンプ６から作動油およびパイロット油が供給される。

油圧ポンプ６とパイロット油室４２とを接続するパイロットライン４６には、油圧ポンプ６から吐出された作動油の圧力を降下させパイロット１次圧を生成する減圧弁４８と、パイロット１次圧を保持するためのチェック弁５０と、パイロット１次圧平滑用のアキュムレータ５２と、油圧パイロット式制御弁１２のパイロット油室４２に作用するパイロット圧（パイロット２次圧）を制御する複数の電磁比例減圧弁５４とが上流側から順に配置されている。

電磁比例減圧弁５４に電流が印加されていない状態においては電磁比例減圧弁５４の開口面積は０（全閉）であるため油圧パイロット室４２にはパイロット圧が作用せず、したがって油圧パイロット式制御弁１２の制御弁スプール３２は制御弁スプリング４０によって中立位置に位置づけられる。電磁比例減圧弁５４に電流が印加されると電磁比例減圧弁５４が開放され、電磁比例減圧弁５４に印加される電流の増大に従って電磁比例減圧弁５４の開口面積が増大する。そして、電磁比例減圧弁５４の開口面積が増大するに従って、一対のパイロット油室４２のいずれか一方に作用するパイロット２次圧が増大し、パイロット２次圧によって制御弁スプール３２が中立位置から移動するようになっている。

また、図１に示すとおり、建設機械２は、オペレータから加えられる操作に応じて作動信号を出力する操作具５６と、電磁比例減圧弁５４の作動を制御するコントローラ５８とを備えている。

操作具５６は、オペレータから手動操作が加えられる操作レバー又はオペレータから踏み込み操作が加えられる操作ペダルから構成され得る。この操作具５６は、コントローラ５８に電気的に接続されており、オペレータから加えられる操作の量および方向に応じて電気信号からなる作動信号をコントローラ５８に出力するようになっている。

コントローラ５８は圧力センサ８に電気的に接続されており、圧力センサ８によって検出された油圧ポンプ６の吐出圧力が圧力センサ８からコントローラ５８に入力される。また、コントローラ５８は、各電磁比例減圧弁５４にも電気的に接続されており、操作具５６から出力された作動信号および圧力センサ８によって検出された油圧ポンプ６の吐出圧力に応じて、各電磁比例減圧弁５４に印加する電流を制御するようになっている。

図１を参照して説明を続けると、建設機械２は、ポンプライン１８から分岐して作動油タンク２４まで延びるバイパスライン６０と、バイパスライン６０に配置されバイパスライン６０を通って作動油タンク２４に戻る作動油の量を制御するバイパス弁６２とを備える。バイパス弁６２は、バイパス弁ハウジング（図示していない。）と、バイパス弁ハウジングに移動自在に収容されたバイパス弁スプール６４と、バイパス弁スプール６４の一端側に配置されバイパス弁スプール６４を初期位置に付勢するバイパス弁スプリング６６と、バイパス弁スプール６４の他端側に配置されバイパス弁スプリング６６の付勢力に抗してバイパス弁スプール６４を移動させる比例ソレノイド６８とを含む。この比例ソレノイド６８はコントローラ５８に電気的に接続されており、コントローラ５８によって比例ソレノイド６８の作動が制御される。

次に、上述したとおりの建設機械２の作動について説明する。建設機械２においては、操作具５６に操作が加えられていない操作具中立時には、コントローラ５８から比例ソレノイド６８に電流が印加されず、バイパス弁スプール６４は開口面積が最大となる初期位置にバイパス弁スプリング６６によって位置づけられる。このため、油圧ポンプ６から吐出された作動油はバイパスライン６０を通って作動油タンク２４に戻され、操作具中立時にはポンプライン１８の圧力が小さくなるので省エネルギー化が図られる。

操作具５６に操作が加えられると、コントローラ５８から比例ソレノイド６８に電流が印加され、操作具５６に加えられる操作の量が増加するに従ってバイパス弁スプール６４の移動量が次第に増加し、バイパス弁６２の開口面積が次第に小さくなる。このため、バイパスライン６０を通って作動油タンク２４に戻る作動油の量が減少する。

また、操作具５６に操作が加えられると、操作具５６に加えられた操作の量および方向に応じて操作具５６からコントローラ５８に作動信号が出力され、コントローラ５８は、操作具５６から出力された作動信号に応じて各電磁比例減圧弁５４に印加する電流を制御する。すなわち、コントローラ５８は、操作具５６から作動信号が出力されていない状態においては各電磁比例減圧弁５４に電流を印加せず、操作具５６に加えられる操作の量の増大に基づく操作具５６の作動信号の変化に応じて、電磁比例減圧弁５４に印加する電流を変化させ電磁比例減圧弁５４の開口面積を増大させる。

電磁比例減圧弁５４の開口面積が増大し、一対のパイロット油室４２の一方に作用する２次パイロット圧が制御弁スプリング４０の付勢力よりも大きくなると、制御弁スプール３２が中立位置から移動し、供給通路２０と一対のアクチュエータ通路３０の一方とが制御弁スプール３２の環状溝３６を介して連通すると共に、一対のアクチュエータ通路３０の他方とタンク通路２６とが制御弁スプール３２の環状溝３６を介して連通する。そうすると、ポンプライン１８、油圧パイロット式制御弁１２および一対のアクチュエータライン２８の一方を介して油圧ポンプ６から油圧アクチュエータ１０に作動油が供給されると共に、一対のアクチュエータライン２８の他方、油圧パイロット式制御弁１２およびタンクライン２２を介して油圧アクチュエータ１０から作動油タンク２４に作動油が戻され、これによって油圧アクチュエータ１０が作動する。

そして、操作具５６に所定量以上の操作（たとえばフルストローク）が加えられた場合において、圧力センサ８によって検出された油圧ポンプ６の吐出圧力が所定値未満であるときは、図３（ｂ）に示すとおり、パイロット油室４２とタンク通路２６（戻り通路）とが制御弁スプール３２の切り欠き３４を介して連通する位置に制御弁スプール３２を位置づけるように、電磁比例減圧弁５４に印加する電流をコントローラ５８が制御する。このようにして、パイロット油室４２とタンク通路２６（戻り通路）とが切り欠き３４を介して連通すると、パイロット油室４２内に滞留したエアが切り欠き３４およびタンク通路２６（戻り通路）を通ってパイロット油と共に作動油タンク２４に排出される。なお、油圧ポンプ６の吐出圧力に関する上記所定値は任意に設定され得る。

一方、操作具５６に所定量以上の操作が加えられた場合において、圧力センサ８によって検出された油圧ポンプ６の吐出圧力が所定値を超えたときは、図３（ｃ）に示すとおり、パイロット油室４２とタンク通路２６（戻り通路）との連通が遮断される位置に制御弁スプール３２を位置づけるように、電磁比例減圧弁５４に印加する電流をコントローラ５８が制御する。

たとえば、操作具５６にフルストロークの操作が加えられると制御弁スプール３２がストローク端まで移動するようになっている場合に、操作具５６にフルストロークの操作が加えられ、かつ油圧ポンプ６の吐出圧力が所定値を超えたときは、制御弁スプール３２の位置はストローク端よりも若干中立位置側に位置づけられ、パイロット油室４２とタンク通路２６（戻り通路）との連通が遮断されることとなる。これによって、油圧ポンプ６の吐出圧力が所定値を超えて比較的高圧となったときには、パイロット油室４２からタンク通路２６（戻り通路）にパイロット油が流れることがない。

以上のとおりであり、図示の実施形態の建設機械２では、油圧ポンプ６の吐出圧力が比較的低圧のときにパイロット油室４２内のエアがパイロット油と共に排出される一方、油圧ポンプ６の吐出圧力が比較的高圧のときにはパイロット油室４２からタンク通路２６（戻り通路）にパイロット油が流れないので、効果的にブリードロスを低減することができる。

なお、戻り通路については、図示の実施形態ではアクチュエータ１０から作動油タンク２４へ戻る作動油が通るタンク通路２６によって戻り通路が構成されている例を説明したが、油圧パイロット式制御弁１２の内部で漏れた油を作動油タンク２４へ排出するためのドレン通路によって戻り通路が構成されていてもよい。

また、制御弁スプール３２の切り欠き３４については、図示の実施形態では制御弁スプール３２の軸方向片側にのみ形成されている例を説明したが、制御弁スプール３２の軸方向両側に形成されていてもよい。また、制御弁スプール３２が上下方向に沿って配置されている場合には、エア抜きが容易に行われるようにする観点から、エアが溜まりやすい制御弁スプール３２の上側端部に切り欠き３４が形成されているのが好ましい。

２：建設機械
６：油圧ポンプ
８：圧力センサ
１２：油圧パイロット式制御弁
１４：ハウジング
１６：スプール孔
２４：作動油タンク
２６：タンク通路（戻り通路）
３２：制御弁スプール
３４：切り欠き
４２：パイロット油室
４６：パイロットライン
５４：電磁比例減圧弁
５６：操作具
５８：コントローラ

Claims

油圧ポンプと、
前記油圧ポンプの吐出圧力を検出する圧力センサと、
スプール孔および前記スプール孔から延び作動油タンクに接続された戻り通路が形成されたハウジングと前記ハウジングの前記スプール孔に軸方向に移動自在に収容された円柱状の制御弁スプールとを含み且つ前記制御弁スプールの軸方向外方にパイロット油室が設けられた油圧パイロット式制御弁と、
前記油圧ポンプと前記パイロット油室とを接続するパイロットラインに設けられ前記パイロット油室に作用するパイロット圧を制御する電磁比例減圧弁と、
オペレータから加えられる操作に応じて作動信号を出力する操作具と、
前記操作具から出力された作動信号および前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力に応じて前記電磁比例減圧弁の作動を制御するコントローラとを備え、
前記油圧パイロット式制御弁の前記制御弁スプールの軸方向端部外周面には切り欠きが形成されており、
前記コントローラは、前記操作具に所定量以上の操作が加えられた場合において前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力が所定値未満であるときは前記パイロット油室と前記戻り通路とが前記制御弁スプールの前記切り欠きを介して連通する位置に前記制御弁スプールを位置づけると共に、前記操作具に前記所定量以上の操作が加えられた場合において前記圧力センサによって検出された前記油圧ポンプの吐出圧力が前記所定値を超えたときは前記パイロット油室と前記戻り通路との連通が遮断される位置に前記制御弁スプールを位置づけるように前記電磁比例減圧弁の作動を制御する建設機械。
前記切り欠きは前記制御弁スプールの軸方向に延びる線状溝である、請求項１に記載の建設機械。