JP3813164B2 - バックホウの油圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロードセンシングシステムを備えたバックホウの油圧装置に関する。

ロードセンシングシステムは、可変容量型の油圧ポンプの吐出圧と最高負荷圧との差を設定値に維持するように、前記吐出圧と最高負荷圧とに基づいて前記油圧ポンプの吐出量を流量制御部によって自動変更するものであり、省エネ運転および操作性の向上を図る上で有効な手段として研究されている。

しかし、一般的な油圧回路にロードセンシングシステムを導入すると、その特性がバックホウの機能とうまく合わないことがある。例えば、
［１］片方のクローラ型走行装置のみを作動させて機体を方向転換する場合、速く回り過ぎることがある。
［２］走行しながら排土板を用いてドーザ作業を行う時、左右の走行装置の速度差が発生して斜行することがある。
［３］走行しながらフロント作業装置を作動させた場合に、左右の走行装置の速度差が発生して斜行することがあるとともに、フロント作業負荷と走行負荷が互いに影響し合ってフロント作業速度が変化したり走行速度が変化したりする。
［４］旋回台の旋回作動と他の作動とを同時に行った場合、他の作動の状況によって旋回速度が変化する。

本発明は、主作業であるフロント作業装置による掘削や均らし作業、等の機体を停止しての作業は、ロードセンシングシステムを利用して、力強く滑らかに行うことができるとともに、走行をからめた複合作業では、３ポンプを用いたオープン回路による複合作業を速度変化少なく行えるようにすることを主たる目的とする。

〔請求項１に係る発明の構成、作用および効果〕

（構成） 請求項１に係る発明のバックホウの油圧装置は、フロント作業装置における負荷圧を制御信号として作動するロードセンシングシステムによって吐出流量が制御される第１および第２のポンプポートと、流量制御されない圧油を供給する第３のポンプポートを備え、
第１および第２のポンプポートからの圧油を合流し、前記フロント作業装置の制御バルブ群に合流油を供給して、走行用の制御バルブ側へは前記合流油の供給を断つとともに、第３のポンプポートからの圧油を旋回用の制御バルブに供給する第１圧油供給モードと、
第１および第２のポンプポートからの圧油を、それぞれ独立に左右の走行用の制御バルブに供給して、前記フロント作業装置の制御バルブ群への供給を断つとともに、第３のポンプポートからの圧油を旋回用の制御バルブに供給する第２圧油供給モードとを装備し、
前記第１圧油供給モードでは、第１および第２のポンプポートからの吐出流量をロードセンシングシステムで制御するように構成してあり、前記第２圧油供給モードでは、前記第１および第２のポンプポートから左右の走行用の制御バルブへオープン回路で供給するように構成してあることを特徴とする。

（作用） 上記構成によると、第１圧油供給モードでは、ロードセンシング系のフロント作業装置の制御バルブ群には、負荷に応じて流量制御される第１および第２のポンプポートからの圧油が合流されて供給されるとともに、旋回用の制御バルブには、第３のポンプポートからの圧油が独立して供給されることになり、機体を停止しての掘削作業などに好適に利用できる。
また、流路切換えバルブを切換えて、第２圧油供給モードにすると、第１および第２のポンプポートからの圧油はそれぞれ独立に左右の走行用の制御バルブに供給されるとともに、第３のポンプポートからの圧油は独立して旋回用の制御バルブに供給されることになり、直進性に優れた走行が可能になるとともに、旋回負荷と走行負荷が互いに影響し合うことなく、走行しながらの旋回が可能となる。

（効果） 従って、請求項１に係る発明によると、フロント作業装置による掘削や均らし作業、等の機体を停止しての主作業は、ロードセンシングシステムを利用して、力強く滑らかに行うことができるとともに、走行をからめた作業では、３ポンプを用いたオープン回路による複合作業を速度変化少なく良好に行えるようになった。

〔請求項２に係る発明の構成〕

（構成） 請求項２に係る発明のバックホウの油圧装置は、請求項１記載の発明において、第１および第２のポンプポートからの圧油をそれぞれ独立に左右の走行用の制御バルブに供給するとともに、第３のポンプポートからの圧油をフロント作業装置用の制御バルブに供給する第３圧油供給モードに切換え可能な流路切換え手段を装備してある。

図１に、バックホウの全体側面図が示されている。このバックホウは、左右一対のクローラ型走行装置１Ｌ，１Ｒを装備した走行機台２の上部に、エンジン３および搭乗運転部４が装備された旋回台５が縦軸心Ｘ１周りに全旋回可能に搭載され、この旋回台５の前部に、ブーム６、アーム７、および、バケット８を順次連結してなるフロント作業装置９が装備されるとともに、走行機台２の前部にドーザ作業用の排土板１０が装備されている。

左右の走行装置１Ｌ，１Ｒは、それぞれ走行用油圧モータＭＬ，ＭＲによって正逆転駆動されるとともに、旋回台３は旋回用油圧モータＭＴによって左右に旋回駆動されるようになっている。フロント作業装置６のブーム６、アーム７、および、バケット８は、それぞれブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２、および、バケットシリンダＣ３によって駆動されるとともに、フロント作業装置９全体がスイングシリンダＣ４によって、旋回台３に対して縦軸心Ｘ２周りに左右に揺動駆動されるようになっている。また、排土板１０は、ドーザシリンダＣ５によって上下駆動されるようになっている。

図２に、上記した各種の油圧アクチュエータを駆動する油圧回路の全体が、また、図３にその概略がそれぞれ示されている。図において、Ｖ１は左走行用の制御バルブ、Ｖ２は右走行用の制御バルブ、Ｖ３は旋回用の制御バルブ、Ｖ４はドーザ用の制御バルブ、Ｖ５はアーム用の制御バルブ、Ｖ６はブーム用の制御バルブ、Ｖ７はバケット用の制御バルブ、Ｖ８はスイング用の制御バルブ、Ｖ９は補助作業用の制御バルブであり、左右の走行用の制御バルブＶ１，Ｖ２は運転座席１１前方の操縦塔１２に配備された左右の走行レバー１３によってそれぞれ直接にスプールを切換え操作する人為操作式のものが採用されるとともに、ドーザ用、スイング用、および、補助作業用の各制御バルブＶ４，Ｖ８，Ｖ９はレバー操作やペダル操作によって直接にスプールを操作する人為操作式のものが採用され、また、旋回用、アーム用、ブーム用、および、バケット用の各制御バルブＶ３，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７は、油圧パイロット操作式のものが採用され、操縦塔１２に十字操作可能に配備された左右一対の作業用レバー１４によって操作される図示しないパイロットバルブから供給されるパイロット圧によって、レバー操作量に応じた開度に操作されるようになっている。

前記制御バルブＶ１〜Ｖ９のバルブブロック群は、インレット用ブロックＢ１、アウトレット用ブロックＢ２、および、中間のスペーサブロックＢ３とともに並列されて互いに連結されて内部油路によって接続されている。ここで、インレット用ブロックＢ１は左走行用の制御バルブＶ１のバルブブロックと右走行用の制御バルブＶ２のバルブブロックとの間に介在されるとともに、アウトレット用ブロックＢ２は補助作業用の制御バルブＶ９のバルブブロックの外側に終端ブロックとして連結されている。

前記圧油供給ユニット１５にはエンジン３によって駆動される３つの油圧ポンプＰａ，Ｐｂ，Ｐｃが備えられており、圧油供給ユニット１５に設けられた４個の吐出ポートｐ１〜ｐ４と前記インレット用ブロックＢ１とが配管接続されている。ポンプＰａは、単一のロータに２組のプランジャ群を組付けて、独立した一対の吐出ポートｐ１，ｐ２からそれぞれ同量づつ圧油を吐出するアキシャルプランジャ型のものが利用されており、斜板の角度変更によって両吐出ポートｐ１，ｐ２からの吐出量を変更可能な可変容量型に構成されている。そして、このポンプＰａは、後述するロードセンシングシステムによって流量制御されるようになっており、その流量制御部１６がインレット用ブロックＢ１に配管接続されている。ポンプＰｂは主として旋回およびドーザ作業用に使用されるものであり、定容量のギヤポンプが使用されている。また、ポンプＰｃは定容量のギヤポンプからなるパイロット圧供給用ポンプであり、走行セクションのバルブスプールに連通接続されたパイロット油路ａ１、旋回およびドーザセクションのバルブスプールに連通接続されたパイロット油路ａ２、および、ロードセンシング系のセクションのバルブスプールに連通接続されたパイロット油路ａ３にパイロット圧を供給している。

ロードセンシングシステムは、作業負荷圧に応じてポンプ吐出量を制御して、負荷に必要とされる油圧動力をポンプから吐出させることで、動力の節約と操作性を向上することができるシステムであり、この例では、フロント作業装置９のアームセクション、ブームセクション、バケットセクション、スイングセクション、および、補助作業セクションに対して機能するよう構成されている。そして、ここでは、図７に示すように、各セクションにおける各制御バルブＶ５〜Ｖ９のスプールの後に圧力補償弁ＣＶ５〜ＣＶ９が接続されたアフターオリフィス型のロードセンシングシステムが利用されている。また、この例では、ロードセンシングシステムのアンロードバルブＶ１０とシステムリリーフバルブＶ１１が、最下流のアウトレット用ブロックＢ２に組込まれている。

図２中に示すように、前記流量制御部１６には流量補償用バルブＶ１２が装備されるとともに、圧油供給ユニット１５には、ポンプＰａを流量調節するための流量補償用ピストンＡｃと馬力制御用ピストンＡｐが備えられており、各セクションにおける負荷検出ラインのうちの最高負荷圧が制御信号圧ＰＬＳとして流量制御部１６の流量補償用バルブＶ１２に信号ラインを介して伝達されるようになっている。

ロードセンシングシステムの作動を説明するために、アームセクションとブームセクションとの２つのセクションに関する部分を抜粋した基本的な回路が図７に示されている。ここで、例えば、ポンプＰａの最大吐出量を１３０リットル、最小吐出量を２８リットル、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６の圧損をそれぞれ２ｋｇ、流量制御部１６における流量補償用バルブＶ１２に与える制御差圧を１４ｋｇ、アンロードバルブＶ１０の差圧を２５ｋｇ、システムリリーフバルブＶ１１の作動圧を２１０ｋｇにシステム設定した場合の、各種の作業条件のもとでの作動例を具体的に数値をあげて以下に説明する。

[ 作動例１]
図８に示すように、両セクションの制御バルブＶ５，Ｖ６が共に中立にあると、圧油供給油路の終端はブロックされているのでポンプＰａの吐出圧ＰＰＳは上昇し、吐出圧ＰＰＳと信号圧ＰＬＳ（＝０）との差が制御差圧１４ｋｇよりも大きくなる。ここで、流量制御部１６では、吐出量が過大であるとして、ポンプＰａの吐出量を減少させる方向に流量補償用ピストンＡｃを作動させる。ここで、アンロードバルブＶ１０は２５ｋｇで開く設定であるので、吐出圧ＰＰＳは２５ｋｇとなり、吐出圧ＰＰＳ（２５ｋｇ）と信号圧ＰＬＳ（＝０）との差（ＰＰＳーＰＬＳ＝２５）が制御差圧１４ｋｇよりも大きくなる。従って、更に流量を下げる方向への制御が行われるが、ポンプＰａは機械的に２８リットル以下にまで吐出量を下げることができないので、最終的には、吐出量は２８リットル、アンロードバルブＶ１０は開放、吐出圧ＰＰＳは２５ｋｇ、信号圧ＰＬＳは０ｋｇの状態に収束する。つまり、この時の吐出量２８リットルがこのシステムにおけるスタンバイ流量となるのである。

[ 作動例２]
図９に示すように、制御バルブＶ５，Ｖ６が共に操作されて、アームセクションの負荷圧が１００ｋｇ、ブームセクションの負荷圧が５０ｋｇ、アームセクションにおける制御バルブＶ５の要求流量Ｑ１が３０リットル、ブームセクションにおける制御バルブＶ６の要求流量Ｑ２が３０リットルである場合は次のように作動する。

上記設定では、負荷検出ラインの信号圧ＰＬＳは１００ｋｇであるので、流量制御部１６はポンプＰａの吐出圧ＰＰＳを１１４ｋｇにしようとする。また、この時、圧力補償弁ＣＶ１，ＣＶ２に働く裏圧も１００ｋｇとなっている。ここで、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６は、裏圧（ＰＬＳ＝１００ｋｇ）に対して上流側が＋２ｋｇになるように開口面積を変えてバランスすることになり、各圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６の上流側は共に１０２ｋｇになる。その結果、各制御バルブＶ５，Ｖ６におけるスプール前後の圧損はそれぞれ１２ｋｇとなるように吐出流量は分流されることになる。

この場合、制御バルブＶ５，Ｖ６は、どちらも３０リットル流れた時にスプールの圧損が１２ｋｇ生じる設定であるので、両制御バルブＶ５，Ｖ６にそれぞれ３０リットル流れる。つまり、制御バルブＶ５，Ｖ６のスプール下流圧、つまり、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６の上流圧を信号圧ＰＬＳ＋２ｋｇになるように圧力補償弁圧損を作るために、アームセクションおよびブームセクションの負荷圧にかかわらずスプールの圧損が各セクションで同じになり、スプールの開口面積に比例して流量を分流することができるのである。

[ 作動例３]
アームセクションの負荷圧が１００ｋｇ、ブームセクションの負荷圧が５０ｋｇ、アームセクションにおける制御バルブＶ５の要求流量Ｑ１が８０リットル、ブームセクションにおける制御バルブＶ６の要求流量Ｑ２が８０リットルである場合は次のように作動する。

この場合も、負荷検出ラインの信号圧ＰＬＳは１００ｋｇであるので、流量制御部１６はポンプＰａの吐出圧ＰＰＳを１１４ｋｇにしようとし、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６には１００ｋｇの裏圧が働く。ここで、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６は、裏圧（ＰＬＳ＝１００ｋｇ）に対して上流側が＋２ｋｇになるように開口面積を変えてバランスすることになり、各圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ２６上流側は共に１０２ｋｇになる。

両制御バルブＶ５，Ｖ６のスプール前後の圧損が同じ（流量不足で１２ｋｇにはならない）になるように分流されるので、
Ｑ１：Ｑ２＝８０：８０＝１: １となる。ここで、ポンプＰａの最大吐出量は１３０リットルであるので、各セクションには６５リットルづつ流れることになる。

[ 作動例４]
アームセクションの負荷圧が１００ｋｇ、ブームセクションの負荷圧が５０ｋｇ、アームセクションにおける制御バルブＶ５の要求流量Ｑ１が８０リットル、ブームセクションにおける制御バルブＶ６の要求流量Ｑ２が６０リットルである場合は次のように作動する。

この場合も、負荷検出ラインの信号圧ＰＬＳは１００ｋｇであるので、流量制御部１６はポンプＰａの吐出圧ＰＰＳを１１４ｋｇにしようとし、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６に働く裏圧も１００ｋｇとなる。ここで、圧力補償弁ＣＶ５，ＣＶ６は、裏圧（ＰＬＳ＝１００ｋｇ）に対して上流側が＋２ｋｇになるように開口面積を変えてバランスすることになり、各圧力補償弁ＣＶ１，ＣＶ２の上流側は共に１０２ｋｇになる。

制御バルブＶ５，Ｖ６のスプールで同じ圧損１２ｋｇを作るのに必要な流量が大きいということは、開口面積が大きいということであり、流量と開口面積は比例するので、それぞれへの分流比は、
Ｑ１：Ｑ２＝８０：６０＝４: ３となる。ここで、ポンプＰａの最大吐出量は１３０リットルであるので、これが上記比率で分流されるので、各セクションへの流量は、Ｑ１＝７４リットル，Ｑ２＝５６リットルとなる。

以上から明らかなように、このアフターオリフィス型のロードセンシングシステムでは、制御バルブにおけるスプールの下流圧（圧力補償弁の上流圧）を信号圧に対して一定になるように圧力補償弁がバランスするため、分流される比率が各セクションにおける制御バルブのスプールの開口面積に比例することになるのである。

なお、この例において、前記流量制御部１６における流量補償用バルブＶ１２にかけられる制御差圧は、図２中に示すように、バネ１７と差圧ピストン１８とによって与えられるようになっており、エンジン３の回転速度が高くなってポンプＰｃの吐出量が多くなると、差圧ピストン１８によって与えられる制御差圧成分が大きくなって、ポンプＰａの流量が多くなるように制御され、逆に、エンジン３の回転速度が低くなってポンプＰｃの吐出量が少なくなると、差圧ピストン１８によって与えられる制御差圧成分が小さくなって、ポンプＰａの流量が少なくなるように制御されるようになっている。

また、上記のように、フロント作業装置９の各セクションがロードセンシング系に属しているのに対して、走行セクション、旋回セクション、および、ドーザセクションは、オープン回路で構成されている。

つまり、図４に示すように、前記インレトブロックＢ１には、パイロット式の流路切換えバルブＶ１３，Ｖ１４が組込まれている。ここで、流路切換えバルブＶ１３は、走行用の制御バルブＶ１，Ｖ２の切換え作動を検知するパイロット油路ａ１の圧が立った時に切換えられ、また、流路切換えバルブＶ１４は、フロント作業用の制御バルブ群Ｖ５〜Ｖ９の切換え作動を検知するパイロット油路ａ３の圧と前記パイロット油路ａ１の圧が共に立った時に切換えられるようになっている。

そして、走行用の制御バルブＶ１，Ｖ２が操作されない機体停止状態では、図４に示すように、ポンプＰａにおける第１および第２のポンプポートｐ１，ｐ２からの圧油を、流路切換えバルブＶ１３で合流してフロント作業用の制御バルブ群に供給するとともに、ポンプＰｂにおける第３のポンプポートｐ３からの圧油を旋回用およびドーザ用の制御バルブＶ３，Ｖ４に供給する第１圧油供給モードが現出され、また、図５に示すように、フロント作業用の制御バルブ群Ｖ５〜Ｖ９を操作することなく走行用の制御バルブＶ１，Ｖ２を操作する走行状態では、パイロット油路ａ１に圧が立つために流路切換えバルブＶ１３が自動的に切換えられ、第１および第２のポンプポートｐ１，ｐ２からの圧油をそれぞれ独立に左右の走行用の制御バルブＶ１，Ｖ２に供給するとともに、第３のポンプポートｐ３からの圧油を旋回用およびドーザ用の制御バルブＶ３，Ｖ４に供給する第２圧油供給モードに自動的に切換えられるようになっている。つまり、この第２圧油供給モードでは、従来の３ポンプ型式と同様の圧油供給状態を現出して、走行と旋回あるいはドーザ作業を同時に行うことができる。

また、上記第２圧油供給モードにおいて、ロードセンシング系であるフロント作業用の制御バルブ群Ｖ５〜Ｖ９のいずれかを操作すると、パイロット油路ａ３に圧が立って流路切換えバルブＶ１４が自動的に図６中に示すように切換えられ、ポンプＰｂのポンプポートｐ３からの圧油が旋回用およびドーザ用の制御バルブＶ３，Ｖ４を通った後、流路切換えバルブＶ１４を経てスペーサブロックＢ３に流入し、フロント作業用の制御バルブ群Ｖ５〜Ｖ９群に供給されることになる。

また、この例では、エンジン３のアクセル装置を自動的に操作するオートアイドリング制御システムが備えられている。すなわち、図３に示すように、エンジン３のガバナ２１は、電気アクチュエータ２２によって操作されるようになっており、この電気アクチュエータ２２を作動制御する制御装置２３に、搭乗運転部４に備えたポテンショメータ利用のアクセル設定器２４と、前記パイロット油路ａ１，ａ２，ａ３に接続した圧力スイッチ２５とが接続されており、運転者がアクセル設定器２４を任意に設定することで作業時のアクセル設定がなされる。
そして、図２の回路において、制御バルブＶ１〜Ｖ９の全てが中立にある状態では、前記パイロット油路ａ１，ａ２，ａ３の全てがドレンされているために圧力スイッチ２５は感圧作動することがなく、この状態では、ガバナ２１は予め設定されているアイドリング位置にまで電気アクチュエータ２２によって自動的にアクセルダウン制御される。そして、制御バルブＶ１〜Ｖ９のうちのいずれか一つでも操作されると、パイロット油路ａ１，ａ２，ａ３のいずれかに圧が立ち、これが圧力スイッチ２５で検知される。圧力スイッチ２５が感圧作動すると、ガバナ２１はアクセル設定器２４で設定されたアクセル位置まで電気アクチュエータ２２によって自動的にアクセルアップ制御される。つまり、フロント作業あるいは走行が行われていない非作業時には、エンジン３の回転数を自動的に所定のアイドリング回転にまで落として騒音の低減および燃費の向上を図り、作業あるいは走行が行われるとエンジン３の回転速度を設定した回転数にまで自動的に上げて、必要な油圧動力を供給して所望の作業あるいは走行を効率よく行うことができるようになっているのである。

なお、本発明は、以下のように変形して実施することもできる。
［１］オートアイドリングシステムにおいて、制御バルブ群Ｖ１〜Ｖ９が切換え操作されたことを検出する手段として、バルブスプール自体が中立位置から外れたことをスイッチやセンサで電気的に検出したり、手元の操作レバーの操作を電気的に検出するようにすることもでき、この場合には、前記流路切換えバルブＶ１３，Ｖ１４を電磁切換えバルブにして実施することもできる。
［２］オートアイドリングシステムを備えない機種では、前記流路切換えバルブＶ１３，Ｖ１４を切換える専用のパイロット油路ａ１，ａ３を備えてもよい。

バックホウの全体側面図 全体の油圧回路図 全体の油圧回路図の概略図 オープン回路部分の油圧回路図 走行セクションを作動させた状態におけるオープン回路部分の油圧回路図 走行セクションとロードセンシング系を作動させた状態におけるオープン回路部分の油圧回路図 ロードセンシング系の油圧回路図 ロードセンシングシステムを説明するために一部を抽出した油圧回路図 ロードセンシングシステムの作動状態の一例を示す油圧回路図

符号の説明

３ エンジン
９ フロント作業装置
２１ ガバナ
ａ１〜ａ３ パイロット油路
ｐ１〜ｐ３ ポンプポート
Ｖ１〜Ｖ９ 制御バルブ
Ｖ１３，Ｖ１４ 流路切換えバルブ

Claims (2)

1. フロント作業装置における負荷圧を制御信号として作動するロードセンシングシステムによって吐出流量が制御される第１および第２のポンプポートと、流量制御されない圧油を供給する第３のポンプポートを備え、
   第１および第２のポンプポートからの圧油を合流し、前記フロント作業装置の制御バルブ群に合流油を供給して、走行用の制御バルブ側へは前記合流油の供給を断つとともに、第３のポンプポートからの圧油を旋回用の制御バルブに供給する第１圧油供給モードと、
   第１および第２のポンプポートからの圧油を、それぞれ独立に左右の走行用の制御バルブに供給して、前記フロント作業装置の制御バルブ群への供給を断つとともに、第３のポンプポートからの圧油を旋回用の制御バルブに供給する第２圧油供給モードとを装備し、
   前記第１圧油供給モードでは、第１および第２のポンプポートからの吐出流量をロードセンシングシステムで制御するように構成してあり、前記第２圧油供給モードでは、前記第１および第２のポンプポートから左右の走行用の制御バルブへオープン回路で供給するように構成してあるバックホウの油圧装置。
2. 第１および第２のポンプポートからの圧油をそれぞれ独立に左右の走行用の制御バルブに供給するとともに、第３のポンプポートからの圧油をフロント作業装置用の制御バルブに供給する第３圧油供給モードに切換え可能な流路切換え手段を装備してある請求項１記載のバックホウの油圧装置。
   
   

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