JP2945829B2 - 建設機械のシリンダ制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バックホーショベルま
たは油圧ショベル（旋回型）等の建設機械のシリンダ制
御回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来例の油圧ショベル（旋回
型）に使用されている油圧回路を示し、下部走行体（履
帯）を駆動するための左右のブレーキ付トラベルモータ
11，12、下部走行体に対し上部旋回体を旋回作動するた
めのスイングモータ13、上部旋回体に取付けられたフロ
ント作業機（以下、フロントリンケージという）を作動
するための下記の各種油圧シリンダを制御対象とするも
のである。

【０００３】図５に示されるように、フロントリンケー
ジ14は、ブーム15、アーム16およびバケット17がピン2
1，22，23により順次連結され、そして、ブーム15はブ
ームシリンダ24により、アーム16はアームシリンダ25に
より、バケット17はバケットシリンダ26によりそれぞれ
回動される。各部材の重心位置を黒点で示す。

【０００４】図３に戻って、車載エンジン27により駆動
される油圧ポンプ28から吐出された圧油は、各油圧モー
タ11，12，13および各油圧シリンダ24，25，26に対応す
る各種コントロールバルブのスプール111 ，121 ，131
，241 ，242 ，251 ，252 ，261 を経て、これらの各
油圧アクチュエータに供給される。Psは圧油供給ライ
ン、Ｔはタンクに連通する油排出用のタンクラインを示
す。

【０００５】前記アームシリンダ25のヘッド側25a およ
びロッド側25b には、左右の油圧ポンプ28からそれぞれ
吐出されてアーム用一次スプール251 およびアーム用二
次スプール252 を経た圧油が合流供給される。

【０００６】アームシリンダ25のロッド側25b からタン
クへの戻りライン（アームシリンダ伸張操作時）は、ア
ーム用二次スプール252 側に設けられたチェック弁31の
ため、アーム用一次スプール251 を経由する。その戻り
油はアーム用一次スプール251 内の戻り側絞り32を経由
する。

【０００７】図４（Ｂ）に示すように、この戻り側絞り
32は、アーム用一次スプール251 がフルストロークして
も他の一般的開口面積をもつスプールの開口面積カーブ
に比して、かなり絞り込まれている。

【０００８】この理由は、アームシリンダ25の伸張操作
を空中で行う場合の重力によるヘッド側ボイディングを
防止するためである。

【０００９】上記のように、フルストローク時および中
間ストローク域での開口面積を小さく押え込んでいて
も、図５（Ａ）のようにショベルのフロントリンケージ
14をフルリーチの状態より軟弱地盤を手前へ水平に均そ
うとすると（軽負荷作業時）、アーム16およびバケット
17の重心位置（黒点位置）が、ブーム先端ピン22より水
平距離で離れたところにあり、ブーム先端ピン22回りの
重力による回転モーメントが大きいため、アームシリン
ダ25のロッド側25b の保持圧が高く、図４（Ａ）のＩ曲
線の如く高いゲインで通過流量が発生する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】故に、このような図５
（Ａ）ポジションでのアームシリンダ25の伸張スピード
の微少コントロールが難しく、ブーム上げインチング操
作とのマッチングがうまくいかず、バケット先端チップ
17a の軌跡が波打ってしまい、オペレータの苦情につな
がることが多い。

【００１１】また、図５（Ｂ）のようなポジションで
は、逆にアームシリンダ25のロッド側25b の保持圧が低
く、図４（Ａ）のII曲線のように低ゲインとなり、アー
ムシリンダ25の伸張スピードが低下し、図５（Ａ）ポジ
ションでの均し感覚と全くマッチングせず、滑らかなス
ピードの連絡性が得られないため、この水平均し行程全
般が非常にやりづらいものとなっている。

【００１２】一方、前記の如きアーム用一次スプール25
1 のフルストローク時でも開口面積を小さく設定された
戻り側絞り32のため、重掘削でアームシリンダ25のヘッ
ド側25a を高圧として高スピードで掘削したいとき（重
負荷作業時）は、この戻り側絞り32がアームシリンダ25
のロッド側25b に不要な高圧を発生させて、スピードを
損うとともにシリンダの有効仕事量を低下させるデメリ
ットがある。

【００１３】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、軽負荷作業時の操作性の向上と、重負荷作業時の
シリンダ仕事量等の向上とを共に達成できる建設機械の
シリンダ制御回路を提供することを目的とするものであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ショベルのフロントリンケージを作動する各種シリ
ンダのうちアームシリンダに圧油を給排制御するアーム
用スプールにあって、アームシリンダのロッド側からタ
ンクラインへ作動油を排出する戻り側に絞りを設けてな
る建設機械のシリンダ制御回路において、アーム用スプ
ールのフルストロークにおける戻り側絞りの絞り抵抗が
十分低く設定され、アームシリンダのロッド側に圧油を
供給するロッド側供給ラインに、順方向流れを許容する
チェック弁が設けられ、このチェック弁と並列的にロッ
ド側供給ラインに、前記スプールの戻り側絞りの前後の
差圧を受けてアームシリンダのロッド側からタンクライ
ンへの戻り側流量を規制する圧力補償可能のフローコン
トロール弁が設けられ、このフローコントロール弁に、
アームシリンダのヘッド側負荷圧により直接または間接
的に有効差圧調整可能とし、重掘削時はロッド側の戻り
油抵抗を低下させる有効差圧調整機構が設けられた構成
の建設機械のシリンダ制御回路である。

【００１５】

【作用】請求項１に記載の発明は、(1) シリンダロッド
側フローコントロール弁の圧力補償機能により、バック
ホーショベルや油圧ショベルのアームシリンダヘッド圧
が軽負荷時の手前側への水平均し性能を向上させ、特に
アームシリンダが最縮の状態より、ブームシリンダイン
チング持上げ動作とアームシリンダインチング伸張動作
とを同時に行う時のバケット先端の軌跡を、アームシリ
ンダのロッド側保持圧の影響を受けず、滑らかで水平に
保つ。(2) アームシリンダのヘッド側の負荷圧が軽負荷
の時は、フローコントロール弁による絞り抵抗によりロ
ッド側戻り流量を規制して、ヘッド側のシリンダボイデ
ィングを防止する。(3) 重掘削時のように、アームシリ
ンダのヘッド側負荷圧が高圧となり、アームシリンダの
ロッド側からタンクラインへの絞りが不要となるとき
は、有効差圧調整機構によりフローコントロール弁の許
容通過流量設定値を急激に上昇して、あたかもロッド側
からタンクラインへの絞りがないかの如き低抵抗とし
て、重掘削中のロッド側圧を下げ、シリンダの有効仕事
量を増大させ、かつシリンダの伸張スピードも大きくす
る。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図１および図２に示される実
施例を参照して説明する。なお、基本油圧回路は、図３
に示された従来の回路と同様であるから、同一符号を付
して、その基本構成および作用の説明は省略する。

【００１７】図１に示されるように、アーム用一次スプ
ール251 よりアームシリンダ25のロッド側25b に圧油を
供給するロッド側供給ライン41に、順方向流れを許容す
るチェック弁42を設ける。

【００１８】このチェック弁42と並列的にロッド側供給
ライン41に、逆方向（ロッド側戻り方向）の戻り流れを
規制して戻り流量をアーム用一次スプール251 の戻り側
絞り32の開度に比例して圧力補償するフローコントロー
ル弁43を設置する。

【００１９】当該フローコントロール弁43の可動弁体に
対し、アーム用一次スプール251 の戻り側絞り32の前後
の有効差圧（Ｐ1 −Ｐ2 ）を調整するための有効差圧調
整機構51が設けられている。

【００２０】この有効差圧調整機構51は、戻り側絞り32
の前後の有効差圧（Ｐ1 −Ｐ2 ）を調整するためのスプ
リング52が設けられ、このスプリング52には、その取付
長を変更するためのスプリング調整用シリンダ53のピス
トン54が当接されている。

【００２１】このスプリング調整用のピストン54は、シ
リンダ本体内に摺動自在に液密嵌合され、そのピストン
54の一端面には、アームシリンダ25のヘッド側25a の負
荷圧Ｐ3 を受ける所定の受圧面積が確保されている。

【００２２】前記スプリング調整用シリンダ53には、ピ
ストン54を作動する外部信号圧の導入ポート55と、この
導入ポート55側および反対側の両端に設けられてピスト
ン54を係止する位置決め用の第１ストッパ56および第２
ストッパ57が設けられている。

【００２３】前記フローコントロール弁43の可動弁体に
作用する力を整理すると、ａ・Ｐ1 ＝Ｋx ＋ａ・Ｐ2 ，
（ただし、ａは上記フローコントロール弁43の可動弁体
の受圧面積、Ｋx はスプリング52のセット荷重であり、
ヘッド側25a の負荷圧Ｐ3 が所定圧をこえると大荷重に
変化する）となり、前記戻り側絞り32の前後の有効差圧
（Ｐ1 −Ｐ2 ）は、Ｐ1 −Ｐ2 ＝Ｋx ／ａとなる。

【００２４】そして、このフローコントロール弁43は、
以下に述べるようにアームシリンダ25のヘッド側25a の
負荷圧Ｐ3 により有効差圧調整可能とし、アームシリン
ダ25のヘッド側25a の負荷圧Ｐ3 をピストン54の受圧面
に作用させ、重掘削時はロッド側25b の戻り油抵抗を低
下させて、アームシリンダ25の有効仕事量を確保可能と
するものである。

【００２５】アーム用一次スプール251 の戻り側絞り32
の開口面積は、図２（Ｂ）に実線で示されるように従来
（点線）のスプールよりかなり大きく形成されている。

【００２６】次に、この実施例の作用を説明する。

【００２７】アームシリンダ25のヘッド側25a の負荷圧
Ｐ3 が低圧の場合（軽負荷時）は、このヘッド側25a の
負荷圧Ｐ3 が低圧時のピストン54は、接触するスプリン
グ52の初期取付荷重により図中左へ押されて第１ストッ
パ56に当っている。このとき、絞り前後の有効差圧（Ｐ
1 −Ｐ2 ）は小さく、図２（Ａ）のII線上でロッド側25
b の保持圧の大小に関係なく一定の低ゲインのフローコ
ントロールが可能である。

【００２８】また、アームシリンダ25のヘッド側25a の
負荷圧Ｐ3 が所定圧をこえる高圧の場合（重負荷時）
は、同上スプリング調整用のピストン54は、その高負荷
圧Ｐ3により図中右方へ押されて第２ストッパ57へ当接
する。これによりスプリング52の荷重Ｋx がアップし
て、アーム用一次スプール251 の戻り側絞り32の前後の
有効差圧（Ｐ1 −Ｐ2 ）が大となり、図２（Ａ）の
（Ｉ）線上で、ロッド側圧の大小に関係なく高いフロー
ゲインで戻り側通路の通過流量をコントロールできる。

【００２９】このとき、許容される最大流量値Ｑ_αが、
ポンプ側よりアームシリンダ25のヘッド側25a へ供給可
能の油量Ｑ_P と、アームシリンダ25のヘッド側25a の有
効面積Ａ_H に対するロッド側25b の有効面積Ａ_R の比率
Ａ_R ／Ａ_H との積で計算される戻り流量Ｑ_β（＝Ｑ_P ×
Ａ_R ／Ａ_H ）より大きく設定されると（Ｑ_α＞Ｑ_β）、
フローコントロール弁43は単なる通路となって、このフ
ローコントロール弁43は最大開度となり、通過抵抗が急
激に下落し、図２（Ｂ）に実線で示されたアーム用一次
スプール251 の戻り側絞り32の開口面積が大きいことと
相俟って、ロッド側25b の圧力は充分低下する。すなわ
ち、あたかもロッド側25b からタンクラインＴへの絞り
がないかの如き低抵抗となり、重掘削中のロッド側25b
圧を下げ、アームシリンダ25の有効仕事量を増大させ、
かつシリンダの伸張スピードも大きくできる。

【００３０】このような構成により、下記の作用効果を
達成できる。

【００３１】(1) フロントリンケージ14の位置に関係な
く、軟弱地盤等の軽負荷水平均し作業では、フローコン
トロール弁43の圧力補償機能が働いて、アームシリンダ
25の戻りライン油量をアームシリンダロッド側保持圧に
関係なくアーム用一次スプール251 の戻り側絞り32の開
度に比例した低フローゲインで負荷圧補償コントロール
するので、バケットチップ17a の先端波打ち等の制御性
の悪さを解消できる。

【００３２】(2) 上記ロッド側戻り流量をフローコント
ロール弁43により低フローゲインで重力負荷に無関係に
制御できるので、アームシリンダ25の空中での軽負荷伸
張時に生じやすい重力負荷によるヘッド側25a のシリン
ダボイディングを防止できる。

【００３３】(3) 重掘削時にアームシリンダ25のヘッド
側25a の負荷圧Ｐ3 が高くなると、フローコントロール
弁43は高フローゲインとなり、ロッド側25b より戻る油
量レベルＱ_βがフローコントロール弁43の許容最大流量
値Ｑ_αを下回るとロッド側25b の戻り油の抵抗が減じ、
ロッド側25b の圧力が充分低下し、従来の如き不要な高
圧が発生しない。

【００３４】よって、スピードを損じることなく、ま
た、シリンダ25の有効仕事量を低下させることもない利
点がある。

【００３５】以上のように、水平均し作業のような軽負
荷の場合は、油圧ショベルの手前側水平均し性能を向上
させ、特にアームシリンダ25が最縮の状態より、ブーム
シリンダ24のインチング持上げ動作とアームシリンダ25
のインチング伸張動作とを共に行う時のバケット先端の
軌跡を、アームシリンダ25のロッド側25b の保持圧に影
響を受けず、滑らかで水平に保つことができる。

【００３６】また、重掘削時のように、アームシリンダ
25のヘッド側25a の負荷圧Ｐ3 が高圧となり、アームシ
リンダ25のロッド側25b からタンクラインＴへの絞りが
重力負荷の無視可能により不要となるときは、このライ
ン中に上記目的で設置したフローコントロール弁43の有
効差圧調整機構51を高差圧となし、フローコントロール
弁43の許容通過流量設定値を急激に上昇して、あたかも
ロッド側25b からタンクラインＴへの経路中に絞りがな
いかの如き低抵抗となしえて、重掘削中のロッド側25b
の圧を下げ、シリンダ25の有効仕事量を増大させ、かつ
シリンダ25の伸張スピードも大きくできる。

【００３７】なお、上記フローコントロール弁43は、外
部信号圧でゲイン調整可能とし、アームシリンダ25のヘ
ッド側25a の負荷圧Ｐ3 を直接的にこの外部信号圧に充
て、重掘削時はロッド側25b の戻り抵抗を低下させて、
アームシリンダ25の有効仕事量を確保可能としたが、こ
の外部信号圧は、上述のヘッド側負荷圧Ｐ3 だけでな
く、これに代替え可能な他の間接的なパイロットシグナ
ルでもよい。例えば、外部圧力センサ、コントローラお
よび電油変換弁等の組合せで発生するシグナルでもよ
い。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、(1) シ
ョベルのフロントリンケージの位置に関係なく、軟弱地
盤等の軽負荷水平均し作業でフローコントロール弁の圧
力補償機能が働いて、アームシリンダの戻りライン油量
をアーム用一次スプールの絞り開度のみ（従ってスプー
ルストロークのみ）でコントロールでき、バケットチッ
プの先端波打ち等の制御性の悪さを解消して水平均し作
業の操作性を向上できる。(2) さらに、アームシリンダ
のヘッド側負荷圧が軽負荷の時はフローコントロール弁
による絞り抵抗によりロッド側戻り流量を規制して、ア
ームシリンダの空中での軽負荷伸張時に生じやすい重力
負荷によるシリンダボイディングを防止できる。(3) ま
た、重掘削時にアームシリンダのヘッド側負荷圧が高く
なると、有効差圧調整機構によりフローコントロール弁
は高フローゲインとなり、ロッド側より戻る油量レベル
がフローコントロール弁の許容最大値を下回るとロッド
側の戻り油の抵抗が減じ、ロッド側の圧力が充分低下
し、従来の如き不要な高圧が発生しない。よって、アー
ムシリンダのスピードを損じることなく、また、アーム
シリンダの有効仕事量を低下させることもない利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリンダ制御回路の一実施例を示す油
圧回路図である。

【図２】（Ａ）は同上制御回路のアーム用一次スプール
のスプールストロークと戻り側通過流量との関係を示す
特性図、（Ｂ）はそのスプールストロークと開口面積と
の関係を示す特性図である。

【図３】従来のシリンダ制御回路を示す油圧回路図であ
る。

【図４】（Ａ）は従来のシリンダ制御回路におけるアー
ム用一次スプールのスプールストロークと戻り側通過流
量との関係を示す特性図、（Ｂ）はそのスプールストロ
ークと開口面積との関係を示す特性図である。

【図５】（Ａ）はショベルのフロントリンケージをフル
リーチ状態とした場合の説明図、（Ｂ）はそのリンケー
ジを水平均し動作した場合の説明図である。

【符号の説明】

25 アームシリンダ 25a ヘッド側 25b ロッド側 251 アーム用スプール 32 戻り側絞り 41 ロッド側供給ライン 42 チェック弁 43 フローコントロール弁 51 有効差圧調整機構 Ｔ タンクライン

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ショベルのフロントリンケージを作動す
   る各種シリンダのうちアームシリンダに圧油を給排制御
   するアーム用スプールにあって、アームシリンダのロッ
   ド側からタンクラインへ作動油を排出する戻り側に絞り
   を設けてなる建設機械のシリンダ制御回路において、アーム用スプールのフルストロークにて絞り抵抗が十分
   低く設定された戻り側絞りと、 アームシリンダ のロッド側に圧油を供給するロッド側供
   給ラインに設けられ、順方向流れを許容するチェック弁
   と、 このチェック弁と並列的にロッド側供給ラインに設けら
   れ、前記スプールの戻り側絞りの前後の差圧を受けてア
   ームシリンダのロッド側からタンクラインへの戻り側流
   量を規制する圧力補償可能のフローコントロール弁と、 このフローコントロール弁に対し設けられ、アームシリ
   ンダのヘッド側負荷圧により直接または間接的に有効差
   圧調整可能とし、重掘削時はロッド側の戻り油抵抗を低
   下させる有効差圧調整機構とを具備したことを特徴とす
   る建設機械のシリンダ制御回路。