JP3463177B2 - 油圧制御システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は動力伝達装置に関し、よ
り詳しくは掘削機などを含む土工機械において見受けら
れるアクチュエータ用の油圧回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明は、例えば掘削機やクレーンのよ
うな土工機械において見受けられる、油圧シリンダの如
き複数のアクチュエータを制御するための油圧システム
に関する。このようなシステムにおいては、パイロット
油圧回路を介してコントローラにより制御されるアクチ
ュエータの各々について、パイロット動作の制御弁を設
けることが一般的である。制御弁はアクチュエータに対
して作動油を供給するように機能し、アクチュエータの
動作の速度及び方向を制御する。加えて、各々のアクチ
ュエータ用の制御弁は、アクチュエータから出る作動油
の流れを制御する。さらに、オーバーラン負荷を制御す
るために、カウンタバランス弁又は固定の絞りを設ける
ことも一般的である。

【０００３】本出願人に譲渡されている米国特許第4,20
1,052号及び米国特許第4,480,527号においては、アクチ
ュエータの動作位置及び速度を正確に制御するための油
圧システムが開示され、特許請求されている。このシス
テムは複雑でなく、製造及び保守が容易であり、システ
ム又は同じ源から供給を受けている他のアクチュエータ
の種々の部分の負荷圧力の変化によっては影響されず、
アクチュエータのオーバーラン負荷の場合にも圧力源か
らの流れを使用しなくてよい。アクチュエータへの油圧
ラインにおける誤作動の場合に負荷に対する制御が失わ
れるのを防止するため、制御弁はアクチュエータに隣接
して設けることができ、アクチュエータから出る流れを
制御する弁は、エネルギー発生性負荷の場合に速度を制
御するように機能する。またアクチュエータへの流れを
制御する弁は、エネルギー吸収性負荷の場合に速度を制
御する。各々のアクチュエータについての弁システムは
それぞれのアクチュエータ上に設けることができ、アク
チュエータが設けられている弁システムに対するライン
の破断に基づく圧力喪失の場合に、負荷が制御不能に低
下するのを防止する手段を含んでいる。さらに、アクチ
ュエータへの流れ及びアクチュエータから出る流れを制
御する弁の動作タイミングは、特定の負荷の特性に対応
するように設計することができる。ここで、ロータリア
クチュエータを用いる掘削機のスイングドライブ（揺動
駆動装置）の如き、ある種の高慣性負荷においては、負
荷の円滑な停止及び始動、並びに負荷の正確な位置決め
が、非常に重要なものである。

【０００４】米国特許第4,407,122号においては、上述
した米国特許第4,201,052号及び米国特許第4,480,527に
示された如き型式の油圧システムであって、慣性負荷の
下で、負荷の円滑な停止及び始動、並びに正確な位置決
めをもたらすように修正されたものが開示されている。
この場合、メータイン弁手段から出る供給圧力が検知さ
れ、メータイン弁手段に対して圧力が印加されて、メー
タイン弁手段を開こうとするパイロット圧力に対抗する
ようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような油圧モー
ドシステムは、旋回又は掘削のような機械の種々の機能
についての圧力制御の下では十分に機能する。しかしな
がら、特定の状況の下では、同じ機械が本来の速度又は
流れ制御モードで機能するようにすることが望ましい。
例えば、土工機械又は装置が土を掘削するためのバケッ
トを有するフロントエンドローダである場合、システム
が圧力制御を有しているならば、負荷が突然減少した場
合には全て、システムは即座に応答し、油圧アクチュエ
ータ（単数又は複数）に対する流量を増大し、土砂掘削
動作不安定なものとしてしまう。

【０００６】そこで本発明の課題としては、次のものが
ある。即ち流量又は速度制御モードと圧力制御モードと
の間で選択的に動作することができる油圧システムを提
供すること、速度制御を有する油圧システムに容易に応
用できる油圧システムを提供すること、一態様におい
て、メータイン弁手段に対するパイロット圧力に対抗し
ているメータイン弁手段への印加圧力を調節する油圧シ
ステムを提供すること、また別の態様では、油圧システ
ムが流量若しくは速度制御モード、又は圧力制御モード
の何れかにおいて機能することができるようにする油圧
システムを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、油圧制
御システムは、アクチュエータの要素を反対方向に移動
させるために入口又は出口として交互に機能するよう構
成された対向開口を有する油圧アクチュエータと、この
アクチュエータに流体を供給するポンプと、アクチュエ
ータの移動方向を制御すべく第１のラインを介してポン
プからの流体が供給されるパイロット制御メータイン弁
からなる方向制御弁と、アクチュエータから出る流れを
制御すべくアクチュエータの開口の各々に組み合わせら
れたパイロット制御メータアウト弁とからなる。メータ
イン弁によりアクチュエータへと供給されている流体の
圧力は検知され、メータイン弁の出力から延びるライン
へと供給される。このラインには弁が設けられ、パイロ
ット圧力によるメータイン弁の移動に対向する圧力を、
メータイン弁に対して選択的に供給する。この弁は、変
調（modulating）弁又は遮断弁の何れかからなることが
できる。

【０００８】

【実施例】図１を参照すると、本発明を具体化した油圧
システムは、ここではロータリ油圧シリンダとして示す
アクチュエータ20を含み、これは在来の構造による負荷
検知制御を有する可変容量形ポンプ装置22から供給され
る作動油により反対方向に移動されるシャフト21を有し
ている。この油圧システムはさらに手動制御のコントロ
ーラ23を含み、これはパイロット圧力を弁装置24へと方
向付けて、ここで説明するようにしてアクチュエータの
移動方向を制御する。ポンプ装置22からの流れはライン
25及び26からメータイン弁27へと方向付けられ、この弁
は作動油の流れをアクチュエータ20の一方又は他方の端
部へと方向付け、制御するよう機能する。メータイン弁
27はここで記述するところでは、その両端に対するライ
ン28,29及びライン30, 31を介して、コントローラ23に
よってパイロット圧力制御されている。メータイン弁27
の移動方向に応じて、作動油はライン32, 33を介してア
クチュエータ20の一方又は他方の端部へと通過する。

【０００９】弁装置24はさらに、ライン32, 33において
アクチュエータの各々の端部に組み合わせられているメ
ータアウト弁34, 35を含み、ここで記述しているところ
では、ポンプからの作動油が流れていない方のアクチュ
エータの端部からタンク管路36への流体の流れを制御し
ている。

【００１０】弁装置24はさらに、ライン32, 33にあるバ
ネ負荷されたポペット弁37, 38と、ライン32, 33をタン
ク管路36へと開くように構成された、バネ負荷されたア
ンチキャビテーション弁39, 40を含んでいる。加えて、
バネ負荷されたポペット弁41, 42がメータアウト弁34,
35の各々に組み合わせられており、パイロット制御リリ
ーフ弁として動作するようになっている。オリフィス49
を有するブリードライン47がタンク管路36からメータア
ウト弁34, 35へと延び、分岐ライン78にある逆止弁77を
介してパイロット制御用のライン28, 29へと延びてい
る。メータアウト弁34, 35のバネ側の端部は、タンク管
路36へと接続されている。

【００１１】この油圧システムはまた、戻りライン即ち
タンク管路36に組み合わせられた背圧弁44を含んでい
る。背圧弁44は、負荷のオーバーラン又は低下がアクチ
ュエータをダウン状態に駆動しようとする場合に、キャ
ビテーションを最小限とするように機能する。ポンプ注
入リリーフ弁45が、ポンプ装置22の吸い込み要求を上回
る過剰の流れを受け、それを背圧弁44に供給してアクチ
ュエータに利用可能な流体の量を補完するように設けら
れている。

【００１２】メータイン弁27は、スプール51が配置され
るボア50を含み、このスプールはパイロット圧力が存在
しない場合にはバネによって中立位置に保たれる。この
スプールは通常は、圧力ライン26からライン32, 33への
流れを阻止している。ライン30又は31の何れかにパイロ
ット圧力が印加された場合、メータイン弁27のスプール
は、パイロット圧力とバネ負荷、及び流体圧力との間に
力の均衡が存在するようになるまで、圧力の方向に移動
される。この移動方向は、ライン26からの圧力下の流体
がライン32, 33の何れに対して供給されるかを決定す
る。

【００１３】メータアウト弁34又は35へと延びるライン
28又は29の何れかにパイロット圧力が印加されると、メ
ータアウト弁は起動されて、アクチュエータ20の関連す
る端部からの流体をタンク管路36へと絞る。

【００１４】かくして、メータイン弁の開放方向を決定
するように機能するのと同じパイロット圧力が、適当な
メータアウト弁の開放を決定し制御するように機能し、
アクチュエータ内の流体がタンク管路へと戻ることがで
きることが看取されよう。

【００１５】エネルギー吸収性負荷の場合には、アクチ
ュエータ20を所定方向へと作動するようにコントローラ
26が動かされると、ライン28及びライン30を介して印加
されるパイロット圧力がメータイン弁27のスプール51を
右方向へと移動し、与圧された作動油をライン33を介し
て流動させ、ポペット弁38を開き、またアクチュエータ
20の入口Ｂまで流す。これと同じパイロット圧力がメー
タアウト弁34に印加され、アクチュエータ20の端部から
出る流体の戻りライン即ちタンク管路36への流れを可能
にする。

【００１６】例えば負荷のオーバーラン又は低下の場合
にアクチュエータを動作するようにコントローラ26を動
かす場合には、コントローラ26はパイロット圧力がライ
ン28に印加されるように動かされる。パイロット圧力の
影響の下に、メータアウト弁34はメータイン弁27よりも
前に開く。アクチュエータ上の負荷は、作動油をアクチ
ュエータの開口Ａからメータアウト弁34を介し、戻りラ
イン即ちタンク管路36へと押しやる。同時に、アンチキ
ャビテーション弁40が開放し、幾らかの流体を開口Ｂを
介してアクチュエータの他端へと戻すことを可能にし、
それによってキャビテーションを回避する。従って、流
体はアクチュエータの他端へと、メータイン弁27を開く
ことなく、またポンプからの流体を用いることなく供給
される。

【００１７】フロート位置を達成するためには、コント
ローラはバイパスされ、パイロット圧力が両方のパイロ
ット圧力用のライン28, 29へと印加される。これは例え
ば、パイロットポンプからの流体をライン28, 29へと直
接に印加してメータアウト弁34及び35の両者を開き、そ
れによってアクチュエータの両端がタンク管路36に接続
されることを可能にする、図示しない回路によって達成
される。この場合、メータアウト弁は、流体がアクチュ
エータのシリンダの両端の間で行きつ戻りつして流れる
ことを可能にする態様で機能する。

【００１８】メータイン弁27及びメータアウト弁34, 35
のバネ力及び面積を変化させることにより、これらの弁
の間のタイミングを制御することができる。従って例え
ば、メータアウト弁がメータイン弁に先行するようにタ
イミングが調節された場合、アクチュエータが駆動され
つつある場合に、メータイン弁が流量及び速度を制御す
る。オーバーホール負荷を有する構成の場合には、負荷
が発生した圧力の結果として、メータアウト弁が流量及
び速度を制御することになる。このような場合、逆止弁
であるアンチキャビテーション弁39, 40は流体がアクチ
ュエータの供給側へと流れることを許容し、オーバーホ
ール負荷モード又は条件においてアクチュエータを満た
すためにポンプ流が必要ないようにする。

【００１９】各々のパイロットライン28, 29の分岐に
は、メータアウト弁34, 35の各々に隣接して逆止弁77が
設けられている。この逆止弁77は、タンク管路36におけ
る高いタンク圧力から流体がブリードすることを許容
し、パイロット圧力がパイロットライン28, 29に印加さ
れていない場合に、この比較的温かい流体がパイロット
ライン28, 29を通って循環し、コントローラ及び流体リ
ザーバへと戻ることができるようにする。パイロット圧
力がパイロットラインに印加されている場合には、それ
ぞれの逆止弁77は閉じ、パイロット圧力をタンク圧力か
ら分離する。

【００２０】複数のアクチュエータを制御するために多
数設けられる弁装置24の中の１つにおける最大負荷圧力
を検知し、そのより高い圧力を負荷検知型可変容量形ポ
ンプであるポンプ装置22に印加するための機構が設けら
れる。各々の弁装置24はシャトル弁80へと延びるライン
81を含み、この弁は隣接するアクチュエータからの負荷
圧力をライン79を介して受け取る。シャトル弁80はどち
らの圧力が大きいかを検知し、より高い圧力をポンプ装
置22に印加するようにシフトする。ライン32からシャト
ル弁82へはライン84が延びている。シャトル弁82は何れ
の圧力が高いかを検知し、より高い圧力をポンプ装置22
に印加するようにシフトする。このようにして、順次設
けられている弁装置の各々はシャトル弁80, 82を含んで
おり、これらの弁は内部の負荷圧力を隣接する弁装置の
負荷圧力と比較し、より高い圧力を隣接の弁装置へと順
次伝達して、最終的には最も高い圧力をポンプ装置22に
印加する。

【００２１】以上に説明した回路は、前述した米国特許
第4,201,052号及び米国特許第4,480,527号に図示され、
説明されている。単一のメータイン弁27は、前述した米
国特許第4,480,527号に記載の２つのメータイン弁によ
って置き換えることができる。

【００２２】この油圧回路の好ましい構造及び構成要素
の詳細については、前述した米国特許第4,201,052号及
び米国特許第4,480,527号においてより詳細に記述され
ている。その内容については、ここで特許番号を参照す
ることにより、本明細書中に取り入れるものとする。

【００２３】ここで番号を参照することによってその内
容を本明細書に取り入れる米国特許第4,407,122号と同
様の仕方でもって、本発明のシステムは圧力ロッド即ち
負荷ピストン101を含んでいる。負荷圧力又は吐出圧力
がまた、別のライン100を介して負荷ピストン101の端部
に印加され、スプールを開こうとする圧力に対面してい
る負荷ピストン101の面積に等しい面積に対して吐出圧
力が作用できるようになっている。

【００２４】例えば、ロータリアクチュエータ20のポー
トへと圧力を供給するために、パイロット圧力が印加さ
れてメータイン弁のスプール51を左へとシフトする場合
には、メータイン弁の反対側の端部において、圧力ロッ
ド即ち負荷ピストン101の面積上に吐出圧力が印加さ
れ、スプールを開こうとする圧力に対抗するようになっ
ている。

【００２５】負荷ピストン101がない場合には、アクチ
ュエータ20に対する流れは負荷圧力とは無関係に、流量
制御モードになる。そのため、静止している負荷に対す
る流れのステップ入力により高い圧力ピークが生じ、そ
の結果大きな加速が生ずることになる。負荷が始動を開
始すると、圧力は低下する可能性があり、その結果加速
は小さくなる。従って、負荷は始動及び停止を行い、断
続的な動作となる。帰還ピストンを設けると、加速が大
きな期間は負荷圧力はメータイン弁のスプールの開放を
減少し、かくして負荷に対する流量を減少するようにな
る。また負荷圧力が減少した条件の下では帰還圧力はよ
り小さくなり、メータイン弁のスプールの開放はより大
きくなる。それによって、加速が小さい期間の間はより
多くの流量が導入され、より円滑な加速が維持される。

【００２６】本発明によれば油圧回路は、好ましくは弁
装置24のハウジングの外側で、方向制御弁であるメータ
イン弁27から油圧アクチュエータの開口へと作動油を供
給しているライン32との間に、圧力ロッド即ち負荷ピス
トン101への負荷圧力帰還用ライン100を有する制御シス
テムを含む。このライン100には、制御弁105が設けられ
ている。このライン100は負荷ピストン101へと延び、こ
のピストンは弁装置24のハウジング内に往復動可能に設
けられていて、メータイン弁27のスプールの端部103と
係合している。同様の構造は、メータイン弁27の他端に
も設けることができる。制御弁105は、ここで記述する
ところでは、変調弁又はオンオフ弁からなることができ
る。

【００２７】制御弁105が開放している場合には、油圧
システムは圧力制御モードで機能し、メータイン弁27の
移動に対抗する圧力を生じ、その結果として可動の慣性
負荷の場合にアクチュエータを円滑且つ正確に制御す
る。

【００２８】ライン100中の制御弁105は、内部的にベン
トされたリリーフ弁の形態を有する、図２に示された如
き変調弁105aからなることができる。このような変調弁
105aの場合には、油圧システムは圧力制御と流量制御の
組み合わせを生ずるように作動することができる。これ
は図３の圧力対流量のグラフにより表されている。すな
わち、最初は変調弁105aは油圧システムを速度制御モー
ドで機能させる。つまり流量は、バネによって確立され
る如き、変調弁105aの所定の設定に至るまで一定であ
る。圧力が増大すると、変調弁105aは開いて、その後は
油圧システムを圧力制御モードで機能させる。

【００２９】制御弁105はまた、図４に示す如きソレノ
イド作動のオンオフ弁105bであることができ、図５に示
された圧力対流量のグラフにより示されているように、
圧力制御と流量制御の組み合わせを生ずる。しかして、
オンオフ弁105bが閉じている場合には油圧システムは破
線により示された如き速度制御モードで機能し、またオ
ンオフ弁105bが開いている場合には、油圧システムは圧
力制御モードで機能する。

【００３０】オンオフ弁105bが開位置にあり、メータイ
ン弁27のスプール51がパイロット圧力によって、例えば
ロータリアクチュエータ20のポートＡへと圧力を供給す
るために左へと動かされる場合には、オンオフ弁からの
吐出圧力はライン100を介して作用し、メータイン弁27
と反対側の端部において負荷ピストン101に対して圧力
を印加し、スプールを開こうとする圧力に対抗する。か
くしてこのシステムはこのモードにおいては、前述した
米国特許第4,407,122号に類似した仕方で機能し、アク
チュエータの円滑な始動及び停止、並びに正確な制御を
もたらす。オンオフ弁105bが閉じている場合には、この
システムは流量又は速度制御モードで機能する。

【００３１】

【発明の効果】かくして本発明により、流量又は速度制
御モードと圧力制御モードとの間で選択的に動作するこ
とができ、速度制御を有する油圧システムに容易に応用
でき、一態様においてはメータイン弁手段に対するパイ
ロット圧力に対抗しているメータイン弁手段への印加圧
力を調節し、また別の態様では油圧システムが流量若し
くは速度制御モード、又は圧力制御モードの何れかにお
いて機能することができるようにする油圧システムが提
供されたことが看取されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した油圧システムの概略図であ
る。

【図２】本発明の油圧システムの１つの態様の概略図で
ある。

【図３】図２のシステムについての圧力対流れのグラフ
である。

【図４】本発明の油圧システムの別の態様の概略図であ
る。

【図５】図４のシステムの圧力対流れのグラフである。

【符号の説明】

20 アクチュエータ 22 ポンプ装置 23 コントローラ 24 弁装置 25, 26, 28-33 ライン 27 メータイン弁 34, 35 メータアウト弁 36 タンク管路 100 ライン 101 負荷ピストン 103 端部 105 制御弁 105a 変調弁 105b オンオフ弁

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アクチュエータの要素を反対方向に移動す
   べく入口及び出口として交互に機能するよう構成された
   対向開口を有する油圧アクチュエータと、 流体を前記アクチュエータに供給するためのポンプと、 前記ポンプからの流体が供給されるパイロット制御メー
   タイン弁手段からなる方向制御弁と、 前記メータイン弁手段から前記アクチュエータのそれぞ
   れの開口へと延びる一対のラインと、 前記メータイン弁手段とは別個に独立して作動可能であ
   り、前記アクチュエータからの流体を制御するために前
   記アクチュエータの前記開口の各々に組み合わせられた
   パイロット制御メータアウト弁手段と、 前記メータイン弁手段が動作する場合に前記アクチュエ
   ータへの前記ラインの一方における吐出圧力を検知し、
   前記メータイン弁手段を起動しようとするパイロット圧
   力の力に抗して前記メータイン弁手段の吐出圧力に比例
   した力を提供する手段と、 吐出圧力を検知し該吐出圧力に比例した力を提供する前
   記手段が、前記メータイン弁手段に組み合わせられた一
   端を有する圧力ロッドを含み、該圧力ロッドの他端が前
   記吐出圧力に組み合わせられていることと、 前記圧力ロッドの他端及び前記メータアウト弁手段から
   の前記一対のラインの一方から、前記アクチュエータの
   前記開口の一方へと延びる圧力帰還ラインと、及び前記
   圧力帰還ラインに設けられ、前記圧力帰還ラインにおけ
   る圧力を選択的に制御する制御弁手段であって、（ａ）
   開位置にある場合に油圧制御システムが圧力制御モード
   で機能し、パイロット圧力が前記メータイン弁手段に印
   加された場合に前記圧力帰還ラインにおける吐出圧力が
   前記メータイン弁手段を開放しようとする力に対向する
   圧力を前記圧力ロッドに対して印加して前記アクチュエ
   ータの円滑な始動及び停止並びに正確な制御をもたら
   し、閉位置にある場合に油圧制御システムが速度制御モ
   ードで機能するオンオフ弁と、（ｂ）最初は油圧制御シ
   ステムが速度制御モードで機能してシステム流量が所定
   の設定値に至るまで一定であるようにし、システム圧力
   が所定の設定値を超えた場合には開放して油圧制御シス
   テムが圧力制御モードで機能するようにする、圧力制御
   及び流量制御の組み合わせをもたらす内部的にベントさ
   れたリリーフ弁からなる変調弁、とからなる群より選択
   される制御弁手段とからなる油圧制御システム。
2. 【請求項２】 前記メータイン弁手段、前記圧力ロッ
   ド、及び前記パイロット制御メータアウト弁手段が単一
   のハウジング内に設けられ、前記圧力帰還ライン及び前
   記制御弁手段が前記ハウジングの外部にある、請求項１
   の油圧制御システム。
3. 【請求項３】 前記メータイン弁手段、前記圧力ロッ
   ド、及び前記パイロット制御メータアウト弁手段が単一
   のハウジング内に設けられ、前記圧力帰還ライン及び前
   記制御弁手段が前記ハウジングの内部にある、請求項１
   の油圧制御システム。