JP3075193B2

JP3075193B2 - 油圧シリンダ

Info

Publication number: JP3075193B2
Application number: JP08275286A
Authority: JP
Inventors: 明徳盧; 光宏吉本; 友彦安岡
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2000-08-07
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JPH10103312A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は油圧ショベルのフロ
ント作業機構の駆動手段等として用いられる油圧シリン
ダに関するものであり、特に油圧シリンダのストローク
エンドでの衝撃を吸収するクッション機構の構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベル等の建設機械においては、
フロント作業機構を駆動するために、ブームシリンダ、
アームシリンダ及びバケットシリンダ等の油圧シリンダ
が装着される。フロント作業機構には極めて大きな荷重
が作用することから、油圧シリンダのストロークエンド
で剛体的に停止させると、極めて大きな衝撃が作用する
ことになる。従って、この衝撃を吸収するために油圧を
利用したクッション機構を備えている。そこで、従来技
術による油圧シリンダの構成を図４乃至図７に示す。

【０００３】まず、図４及び図５において、１は油圧シ
リンダを示し、この油圧シリンダ１はシリンダチューブ
２を有し、このシリンダチューブ２の一端側は閉塞し、
他端側は開口しており、この開口側端部にはヘッドカバ
ー３が装着され、これらシリンダチューブ２とヘッドカ
バー３とでシリンダ４が構成される。そして、シリンダ
４内には、ボトム側チャンバ４ａとロッド側チャンバ４
ｂとに区画形成するピストン５が摺動可能に装着されて
いる。ピストン５にはピストンロッド５ａが連結され、
さらにピストンロッド５ａはヘッドカバー３から外部に
導出されている。また、シリンダ４におけるボトム側チ
ャンバ４ａ及びロッド側チャンバ４ｂには、それぞれ圧
油の給排を行うための油道６，７が穿設されている。ボ
トム側の油道６はシリンダチューブ２の閉塞側端部に形
成され、またロッド側の油道７はヘッドカバー３に形成
されている。

【０００４】以上の構成を有する油圧シリンダ１は、ピ
ストンロッド５ａの先端に設けた取付部８を上部旋回体
のフレームに連結し、またシリンダチューブ２の端部に
連設した取付部をブームに連結して、この油圧シリンダ
１を作動させることによって、ブームの俯仰動作を行わ
せることができる。そして、ピストンロッド５ａが、シ
リンダ４内に進入する縮小時と、シリンダ４から突出す
る伸長時と双方のストロークエンド近傍で衝撃を油圧の
作用により吸収するクッション機構を備えている。

【０００５】縮小時のクッション機構は、シリンダチュ
ーブ２の閉塞側端部に嵌入部としてのボス孔１０を設け
て、油道６をこのボス孔１０に開口させると共に、ピス
トン５の端面からボス孔１０に僅かな隙間で挿嵌される
外径を有するクッション部材として機能する突出部１１
を設ける構成としている。これによって、ピストンロッ
ド５ａがシリンダ４内に進入して、縮小する方向にピス
トン５が変位して、そのストロークエンド近傍に至る
と、突出部１１がボス孔１０に嵌入するようになり、こ
の時にボトム側チャンバ４ａから油道６への流路が制限
されるために、ボトム側チャンバ４ａ内に圧力が生じる
ことになり、しかもこの圧力は突出部１１のボス孔１０
への嵌入長さに応じて増大する。この圧力がクッション
圧となって、ピストン５を減速させて、衝撃を吸収す
る。

【０００６】一方、伸長側のクッション機構におけるク
ッション部材としては、クッションリング１２が用いら
れる。このクッションリング１２はピストンロッド５ａ
のピストン５への連結部に嵌合して設けられている。そ
して、ヘッドカバー３の先端部はシリンダチューブ２の
開口側端部の内部に挿嵌され、これによりロッド側チャ
ンバ４ｂが段差形状となり、このヘッドカバー３のシリ
ンダチューブ２への挿嵌部分が嵌入部となる。そして、
クッションリング１２の外径はヘッドカバー３の内径よ
り僅かに小さくなっている。また、油道７は、ヘッドカ
バー３において、クッションリング１２の嵌合部よりピ
ストンロッド５ａの伸長方向の前方側の部位に開口して
いる。従って、ピストンロッド５ａが伸長する方向にピ
ストン５が変位した時に、そのストロークエンド近傍
で、クッションリング１２がヘッドカバー３に嵌入され
てその間の環状の隙間からなる流路が絞られることにな
り、ロッド側チャンバ４ｂの圧力が上昇して、クッショ
ン圧が発生する。これにより、クッションストロークが
開始し、クッションリング１２は所定の嵌合長でヘッド
カバー３に嵌合されると、油圧シリンダ１のストローク
エンドになる。

【０００７】而して、図５に示したように、油圧シリン
ダ１における油道６を油圧ポンプＰに接続し、油道７を
作動油タンクＴと接続する状態にすると、ボトム側チャ
ンバ４ａには油圧ポンプＰからの圧油が供給される。こ
の結果、ボトム側チャンバ４ａ内の圧力が上昇して、こ
の圧力の作用によりピストン５はシリンダ４内をヘッド
カバー３側に向けて摺動変位し、このピストン５に連結
したピストンロッド５ａを伸長させる。この時には、ロ
ッド側チャンバ４ｂは作動油タンクＴに接続されている
から、このロッド側チャンバ４ｂ内の作動油はピストン
ロッド５ａとヘッドカバー３との間を通って油道７から
作動油タンクＴに還流する。

【０００８】図６に示したように、油圧シリンダ１の伸
長ストロークエンド近傍になると、クッションリング１
２がヘッドカバー３内に嵌入する。この結果、ロッド側
チャンバ４ｂから油道７への流路がクッションリング１
２とヘッドカバー３との径差分の流路断面積となってロ
ッド側チャンバ４ｂからの戻り油の流路が絞られる。こ
の結果、作動油タンクＴへの戻り油の流量が減少するか
ら、ロッド側チャンバ４ｂ内にはクッション圧が生じる
クッション室となる。そして、図７に示した状態がピス
トンロッド５ａの伸長方向のストロークエンドである
が、ピストン５が図６の状態から図７の状態にまで変位
する間がクッションストローク区間となり、このクッシ
ョンストローク区間において、クッションリング１２と
ヘッドカバー３との嵌合長が長くなると、その分だけ、
戻り油の絞り流路が長くなるから、クッション室におけ
るクッション圧が上昇することになって、ストロークエ
ンドに至るまでに油圧シリンダ１に作用する荷重が吸収
される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るクッション圧は、図８に示したように変化する。即
ち、戻り油の流路はクッションリングの外径とヘッドカ
バーの内径との径差による円環状の流路で、クッション
ストロークに応じて流路の長さが変化することから、ク
ッション圧は直線的に増大することになり、この圧力線
図に囲まれた三角形の面積が吸収エネルギに相当する。
ここで、油圧シリンダに最大荷重が作用した時に、クッ
ションストローク区間内でクッション圧により全荷重を
確実に吸収できるクッション特性を持たせなければなら
ない。クッションストローク区間で有効に荷重を吸収し
きれないと、ストロークエンドでピストンがヘッドカバ
ーやシリンダチューブに衝突してしまい、衝撃が発生
し、また油圧シリンダを構成する各部材を損傷させたり
することになる。クッション特性は、絞り流路とストロ
ークとに依存することから、クッションストロークを長
く取れば、荷重の吸収を確実に行える。ただし、油圧シ
リンダの全長が必要以上長くなってしまうから、クッシ
ョンストロークを長くするのには限界がある。

【００１０】以上のことから、短いクッションストロー
クで大きな荷重を吸収しようとする場合には、クッショ
ンリングとヘッドカバーとの径差をより小さくしなけれ
ばならない。そうすると、クッションストロークの開始
時に戻り油の流路が急激に減少することになり、クッシ
ョン室内の圧力が極端に変化することになる。この結
果、油圧シリンダに衝撃が加わり、騒音の発生、油圧シ
リンダを構成する各部の損傷等の原因となる。また、ク
ッションストロークエンドには、クッション室内のクッ
ション圧が極めて高くなるから、やはり油圧シリンダを
構成する各部にダメージを与えることになって、その寿
命が短縮される。

【００１１】而して、油圧シリンダにおけるピストンの
動きは、図９に示したように、クッションストロークに
入る際には、徐々に減速を開始し、然る後に、減速の度
合いを大きくして荷重を有効に吸収し、さらにストロー
クエンドの直近で緩やかに停止するようにするのが理想
的である。これをクッション圧に置き換えると、図１０
に示したようになる。即ち、クッションストロークの初
期においては、クッション圧を漸増させる移行域とな
し、この移行域の後に急速に圧力を高めることにより実
質的にほぼ全荷重を吸収する荷重吸収域となし、さらに
最終段階ではクッション圧がほぼ一定乃至微増する制動
域とするのが好ましい。

【００１２】本発明は以上の点に鑑みてなされたもので
あって、その目的とするところは、クッション機構とし
て最良のクッション特性を持たせることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ために、本発明は、シリンダ内に、ピストンロッドを連
結したピストンを摺動可能に装着することによって、こ
のシリンダ内を２室に区画形成し、ピストンの少なくと
も一側端部にクッション部材を連結すると共に、シリン
ダ側には、ピストンがストロークエンド近傍に変位した
時にクッション部材が嵌入する嵌入部を形成して、クッ
ション部材の嵌入部への嵌入時に、シリンダ内の戻り油
の流出流路が絞られるクッション室を構成するようにな
し、このクッション室に所定のクッション圧を発生させ
る構成としたものであって、前記クッション室にバイパ
ス流路を接続して設け、このバイパス流路の途中に、ク
ッション室内が所定の圧力になると、一定流量分だけク
ッション室からの戻り油を流出させる低圧リリーフ弁
と、クッション室内が所定の高圧状態になるとリリーフ
する高圧リリーフ弁とからなる２段リリーフ弁を設ける
構成としたことをその特徴とするものである。

【００１４】この２段リリーフ弁は、低圧リリーフ弁と
高圧リリーフ弁とで構成される。低圧リリーフ弁はクッ
ション室にクッション圧が発生すると、直ちに開放され
るものである。ただし、この低圧リリーフ弁が開放され
ても、所定の流量分だけしか流出させないようにする。
このために、低圧リリーフ弁としては、例えばクッショ
ン室内の戻り油を所定の容積を有するチャンバと、この
チャンバに設けた可動隔壁と、この可動隔壁にチャンバ
内の容積が最小となる方向に付勢力を作用させる付勢手
段とを設ける構成とすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて、本発明の
実施の一形態について説明する。ここで、以下の説明に
おいては、油圧シリンダのロッド側におけるクッション
機構として構成したものを示すが、ボトム側のクッショ
ン機構も同様に構成することができるのは言うまでもな
い。なお、以下の説明においては、前述した従来技術の
ものと同一または均等な部材については同一の符号を付
して、その詳細な説明は省略する。

【００１６】而して、図１において、２０は油圧シリン
ダであって、この油圧シリンダ２０は、シリンダ４とピ
ストンロッド５ａを連結したピストン５とから構成さ
れ、この油圧シリンダ２０は縮小方向及び伸長方向のス
トロークエンドにおいて、クッション作用を発揮するク
ッション機構が設けられている。ロッド側のクッション
機構は、ピストンロッド５ａにおけるピストン５の連結
部に嵌合・固定したクッション部材としてのクッション
リング１２と、シリンダ４において、シリンダチューブ
２の開口側端部に連結した嵌入部として機能するヘッド
カバー３とから構成される。そして、クッションリング
１２がヘッドカバー３内に嵌入すると、ロッド側チャン
バ４ｂは、シリンダチューブ２、ピストン５及びヘッド
カバー３の端面と、クッションリング４の外周面との間
に環状のクッション室が形成される。ここで、クッショ
ン室から作動油タンクＴへの流路を絞ることによりクッ
ション圧を発生させ、このクッション圧により油圧シリ
ンダ２０の伸長時のクッション機能を発揮させている。
さらに、クッション作用は、基本的には、クッションリ
ング１２とヘッドカバー３との間に形成される環状の絞
り流路から構成されるものであり、このためにクッショ
ンリング１２の外径寸法と、ヘッドカバー３の内径寸法
とに所定の径差を持たせるようにしている。以上の点に
ついては、前述した従来技術のものとは格別の差異はな
い。

【００１７】然るに、ロッド側チャンバ４ｂには、その
ヘッドカバー３の端部が臨む部位に流路２１が開口して
いる。この流路２１はシリンダチューブ２に穿設されて
おり、その他端には、バイパス流路２２が接続される。
そして、このバイパス流路２２の途中には、２段リリー
フ弁２３が設けられている。この２段リリーフ弁２３
は、低圧リリーフ弁２４と高圧リリーフ弁２５とからな
り、ロッド側チャンバ４ｂがクッション室として機能す
る状態になった時、即ちクッションリング４がヘッドカ
バー３に嵌入した時に生じるクッション圧が低圧状態
と、高圧状態との２段階でリリーフするものである。

【００１８】この２段リリーフ弁２３の具体的構成の一
例を図２に示す。なお、２段リリーフ２３は一体型のも
のとしたが、低圧リリーフ弁２４と高圧リリーフ弁２５
とを別体に構成することもできる。

【００１９】而して、同図において、バイパス流路２２
の途中には弁座２６が設けられており、この弁座２６に
はポペット弁２７が離着座するようになっている。そし
て、常時には、ポペット弁２７はばね２８により弁座２
６に着座するようになっており、クッション室が所定の
高圧状態になると、ばね２８に抗して弁座２６から離座
する。従って、ポペット弁２７は高圧リリーフ弁２５の
弁体を構成する。

【００２０】また、ポペット弁２７には、その軸線方向
に貫通する連通孔２９が穿設されており、この連通孔２
９の途中には絞り部３０が設けられている。ポペット弁
２７の軸部２７ａはリリーフチャンバ３１内に摺動可能
に装着されている。リリーフチャンバ３１は所定の容積
を有し、その内部には可動隔壁３２が摺動可能に設けら
れており、この可動隔壁３２には、それをポペット弁２
７の軸部２７ａの端面に当接する方向に付勢する復帰ば
ね３３が作用しており、この時にはリリーフチャンバ３
１の容積が最小となる。一方、クッション室に所定の圧
力が発生すると、この圧力が絞り部３０を有する連通孔
２９を介して可動隔壁３２に作用して、復帰ばね３３に
抗する方向に変位し、これによってクッション室からリ
リーフチャンバ３１の容積に相当する流量分だけリリー
フするようになる。従って、可動隔壁３２は低圧リリー
フ弁２４の弁体を構成する。

【００２１】ここで、ポペット弁２７の軸部２７ａの外
径寸法は、弁座２６の内径寸法より小さくなっており、
これによってポペット弁２７の前後面には受圧面積に差
が生じている。この受圧面積の差の分に作用するばね２
８の付勢力により高圧リリーフ弁２５のリリーフ圧が所
望の値となるように設定される。また、復帰ばね３３の
可動隔壁３２に対する付勢力は、低圧リリーフ弁２４の
リリーフ圧により定まるが、この低圧リリーフ弁２４の
リリーフ圧は、油圧シリンダ２０が伸長する際に、クッ
ション室を形成する前の段階でもロッド側チャンバ４ｂ
内の圧力より高い圧力状態に設定されている。また、絞
り部３０はリリーフチャンバ３１内への戻り油の流入量
を制御して、後述する低圧リリーフ域に所定のストロー
クを持たせるためのものである。なお、復帰ばね３３の
付勢力等によっても低圧リリーフ域のストロークを制御
することができる。

【００２２】そこで、この油圧シリンダ２０において、
ボトム側チャンバ４ａを油圧ポンプに、またロッド側チ
ャンバ４ｂを作動油タンクに接続すると、油道６を介し
て圧油がボトム側チャンバ４ａに供給され、ロッド側チ
ャンバ４ｂはタンク圧となる。この結果、ピストン５が
ヘッドカバー３側に摺動変位し、ピストンロッド５ａが
伸長する。そして、このピストンロッド５ａの伸長スト
ロークエンド近傍にまで変位すると、クッションリング
１２がヘッドカバー３に嵌合され、この時にロッド側チ
ャンバ４ｂにおけるピストン５とヘッドカバー３の端部
との間にクッション室が形成され、ピストン５のそれ以
降のストロークはクッションストローク区間となる。

【００２３】クッション室が形成される前の段階では、
ピストンロッド５ａとヘッドカバー３との間の環状の流
路を通って戻り油が作動油タンクＴに還流し、この流路
の流路断面積は広くなっているから、ロッド側チャンバ
４ｂにはほぼタンク圧と同じ圧力状態になる。然るに、
クッション室が形成されると、流路はクッションリング
１２とヘッドカバー３との間に形成される環状の隙間だ
けの絞り流路となるので、クッションストローク区間に
入る前の段階と比較して遥かに小さくなるから、クッシ
ョン室内に背圧となるクッション圧が発生して、ピスト
ン５の動きが減速されることになる。

【００２４】ところで、クッション室が形成されると、
そのクッション圧は流路２１及びバイパス流路２２を介
して２段リリーフ弁２３に作用する。ここで、クッショ
ンストローク区間が開始した直後においては、クッショ
ン圧はあまり高くないので、高圧リリーフ弁２５を構成
するポペット弁２７は弁座２６から離座することはな
い。ただし、この圧力はポペット弁２７に穿設した連通
孔２９を介して低圧リリーフ弁２４を構成する可動隔壁
３２に作用して、可動隔壁３２を復帰ばね３３の付勢力
に抗する方向に変位して、クッション室からリリーフチ
ャンバ３１に戻り油が流れる。従って、クッションスト
ローク区間の初期には、クッション室からの流出流路
は、クッションリング１２とヘッドカバー３との間の絞
り流路だけでなく、リリーフチャンバ３１への流路、具
体的には絞り部３０を通り、リリーフチャンバ３１にリ
リーフされる流路も加わるから、流路断面積は比較的大
きくなる。この結果、クッション室内のクッション圧の
上昇度合いが抑制され、従って緩やかに減速が開始する
ことになり、クッションストロークへの移行時に衝撃が
発生することはない。

【００２５】ここで、リリーフチャンバ３１は所定の容
積を有するものであり、従ってこの容積分の戻り油が流
入すると、低圧リリーフ弁２４ではそれ以上のリリーフ
機能を発揮しなくなるから、クッション室からの流路は
クッションリング１２とヘッドカバー３との間の絞り流
路に限定されることになる。この結果、クッション室内
のクッション圧は急カーブを描くように増大して、ピス
トンロッド５ａに作用する荷重を有効に吸収する。

【００２６】さらに、クッションストロークエンド近傍
になると、クッション室内の圧力が極めて高くなり、こ
の圧力がポペット弁２７に作用して、このポペット弁２
７がばね２８に抗して、弁座２６から離座する結果、こ
のポペット弁２７のリリーフにより戻り油の流路が増大
するから、クッション室内の圧力の上昇は殆どないか、
または上昇しても僅かなものとなって、緩やかな速度で
ストロークエンドに至ることになる。

【００２７】以上のクッション作用の特性は、図３に示
したようになる。即ち、クッションストロークの開始直
後では、低圧リリーフ弁２４のリリーフにより、クッシ
ョン圧の上昇度合いが抑制され、可動隔壁３２が停止し
て、低圧リリーフ弁２４のリリーフ機能が発揮されなく
なった後には、クッション圧が著しく上昇して、この間
に有効に荷重が吸収され、さらに高圧リリーフ弁２５に
よるリリーフで、ほぼクッション圧が一定になる。従っ
て、このクッション圧線図は、図１０に示した理想状態
の線図に近似したものとなる。即ち、低圧リリーフ弁２
４の開放時には、クッション圧が漸増する低圧リリーフ
域となり、この移行域の後に圧力が急速に高まるリリー
フ非作動域とり、さらに最終段階では高圧リリーフ弁２
５が開いて、クッション圧がほぼ一定となる高圧リリー
フ域となる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は以上のように、クッション圧が
低圧状態の時に、低圧リリーフ弁を介して所定の流量だ
けリリーフすることによって、クッションストローク区
間の開始直後にクッション圧が急激に上昇するのを防止
できて、またクッション圧が高くなると、高圧リリーフ
弁を介してリリーフすることにより、クッションストロ
ークの初期段階では、減速は緩やかに開始した後、有効
に荷重を吸収すべく、クッション圧を増大させ、クッシ
ョンストロークエンド近傍では、再び減速するという理
想に近いクッション特性を持たせることができる等の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す油圧シリンダの断
面図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】クッション特性線図である。

【図４】従来技術の油圧シリンダの外観図である。

【図５】図４の断面図である。

【図６】図５の油圧シリンダにおけるクッションストロ
ークの開始時を示す作用説明図である。

【図７】図５の油圧シリンダにおけるクッションストロ
ークエンドの状態を示す作用説明図である。

【図８】従来技術の油圧シリンダにおけるクッション特
性線図である。

【図９】理想状態におけるクッションストローク区間の
ピストンの速度を示す線図である。

【図１０】理想状態におけるクッション特性線図であ
る。

【符号の説明】

２シリンダチューブ３ヘッドカバー４シリンダ４ａボトム側チャンバ４ｂロッド側チャンバ５ピストン５ａピストンロッド６，７油道２０油圧シリンダ２１流路２２バイパス流路２３２段リリーフ弁２４低圧リリーフ弁２５高圧リリーフ弁２６弁座２７ポペット弁２８ばね２９連通孔３０絞り部３１リリーフチャンバ３２可動隔壁３３復帰ばね

フロントページの続き (56)参考文献特開昭54−105664（ＪＰ，Ａ) 実開昭55−6591（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−115406（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−169204（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−153804（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F15B 15/00 - 15/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内に、ピストンロッドを連結し
たピストンを摺動可能に装着することによって、このシ
リンダ内を２室に区画形成し、ピストンの少なくとも一
側端部にクッション部材を連結すると共に、シリンダ側
には、ピストンがストロークエンド近傍に変位した時に
クッション部材が嵌入する嵌入部を形成して、クッショ
ン部材の嵌入部への嵌入時に、シリンダ内の戻り油の流
出流路が絞られるクッション室を構成するようになし、
このクッション室に所定のクッション圧を発生させる構
成としたものにおいて、前記クッション室にバイパス流
路を接続して設け、このバイパス流路の途中に、クッシ
ョン室内が所定の圧力になると、一定流量分だけクッシ
ョン室からの戻り油を流出させる低圧リリーフ弁と、ク
ッション室内が所定の高圧状態になるとリリーフする高
圧リリーフ弁とからなる２段リリーフ弁を設ける構成と
したことを特徴とする油圧シリンダ。
【請求項２】前記低圧リリーフ弁は、クッション室内
の戻り油を所定の容積を有するチャンバと、このチャン
バに設けた可動隔壁と、この可動隔壁にチャンバ内の容
積が最小となる方向に付勢力を作用させる付勢手段とを
設ける構成としたことを特徴とする請求項１記載の油圧
シリンダ。
【請求項３】前記低圧リリーフ弁のチャンバは、前記
高圧リリーフ弁に設けた連通孔を介して前記クッション
室と常時連通させる構成としたことを特徴とする請求項
２記載の油圧シリンダ。
【請求項４】前記連通孔には絞り部を設ける構成とし
たことを特徴とする請求項３記載の油圧シリンダ。