JP3851433B2

JP3851433B2 - アクチュエータ作動回路

Info

Publication number: JP3851433B2
Application number: JP34531497A
Authority: JP
Inventors: 央夫廣瀬
Original assignee: 株式会社加藤製作所
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2017-12-15
Also published as: JPH11173302A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーショベルやクレーンなどの建設作業機械のアクチュエータを作動させるアクチュエータ作動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーショベルやクレーンなどの建設作業機械等に設けられた油圧作動のアクチュエータは、例えば、アクチュエータへの圧油の流れを制御するスプールバルブ（以下、単に制御弁という。）が操作レバーの操作に伴うパイロット圧によって切換えられることにより、その動作が制御される。
【０００３】
このように、操作レバーによって制御弁の切換え制御を行なう場合、操作レバーを速く操作すると、パイロット圧が急激に変化して、制御弁のスプールが速く移動し、アクチュエータが急速に動作される。また、操作レバーをゆっくりと操作すると、パイロット圧もなだらかに変化して、制御弁のスプールがゆっくりと移動し、アクチュエータもゆっくりと動作される。無論、操作レバーがニュートラル位置に保持され、制御弁のスプールがアクチュエータへの圧油の流れを遮断するニュートラル位置に保持された状態では、アクチュエータは動作しない。
【０００４】
ところで、オペレータは、一般に、アクチュエータが動作されると否とにかかわらず操作レバーを絶えず握った状態でいることが多く、その状態で、作業時に発生する機体の振動によってオペレータの体が揺れると、その影響でオペレータが握っている操作レバーがオペレータの意に反して急動作することがあり、こうした場合には、操作レバーを介したパイロット圧により制御弁のスプールが急動作してアクチュエータが不用意にガタガタ揺れる（ハンチングを起こす）といった事態が生じる。その結果、機体の揺れがさらに大きくなり、それに伴ってオペレータの体の揺れも大きくなるといった振動の悪循環をきたすこととなる。
【０００５】
このようなハンチングを抑制する対策としては、従来から様々な手段が講じられている。図４および図５はその一例を示すものである。
図４に示す油圧回路では、リザーバタンク１０２から油圧ポンプ１０４を介して圧送される圧油によってアクチュエータ（油圧モータ）１００が動作される。アクチュエータ１００への圧油の流れは制御弁１０６の切換え動作によって制御され、制御弁１０６の切換え動作はパイロット圧によって行なわれる。制御弁１０６にパイロット圧を導入するパイロット圧回路１１２は、油圧ポンプ１１４によってパイロット圧を供給するパイロット圧供給管路１１２ａと、パイロット圧供給管路１１２ａからのパイロット圧を制御弁１０６のスプールに作用させる２つのパイロット圧導入管路１１２ｂ，１１２ｃとからなる。
【０００６】
パイロット圧供給管路１１２ａと各パイロット圧導入管路１１２ｂ，１１２ｃとの連通状態は、操作弁１０８によって制御される。具体的には、操作弁１０８の操作レバー１０８ａを操作すると、その操作量および操作方向に応じて、パイロット圧供給管路１１２ａからの圧油がパイロット圧導入管路１１２ｂ（１１２ｃ）に流れ、制御弁１０６が切換えられる。なお、操作弁１０８は、パイロット圧供給管路１１２ａを一方のパイロット圧導入管路１１２ｂ（または１１２ｃ）に接続した際、他方のパイロット圧導入管路１１２ｃ（または１１２ｂ）をリザーバタンク１０２に接続するようになっている。
【０００７】
各パイロット圧導入管路１１２ｂ，１１２ｃの途中には、１方向にのみ自由に圧油を流し且つ他方向への流れを絞って調節するショック低減用の絞り付きチェック弁、いわゆるリストリクタ１１６が設けられている。このように、各パイロット圧導入管路１１２ｂ，１１２ｃの途中にリストリクタ１１６を設ければ、操作弁１０８の操作レバー１０８ａを急操作しても、制御弁１０６のスプールの急激な動作が規制されるため、アクチュエータ１０１に流れる圧油の急激な変化が規制される。すなわち、操作レバー１０８ａの急な動きに対する制御弁１０６のスプールの応答が鈍くなり、アクチュエータ１００のハンチングが抑制される。
【０００８】
一方、図５に示す油圧回路は、その基本的な構成が図５の油圧回路と同じであるが、アクチュエータ１００のハンチングを抑えるために、各パイロット圧導入管路１１２ｂ，１１２ｃの途中がシャトルバルブ１２０の２つの入口側にそれぞれ接続され、シャトルバルブ１２０の出口側にアキュムレータ１２２が接続された構成となっている。この構成では、アキュムレータ１２２の緩衝作用によってパイロット圧が吸収緩和され、操作レバー１０８ａの急な動きに対する制御弁１０６のスプールの応答が鈍くなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した２つの従来例のように、リストリクタ１１６やアキュムレータ１２２によってハンチングを防止しようとすると、アクチュエータ１００の動き始めや停止時にタイムラグが生じることとなる。したがって、機械操作に必要な急レバー操作時にアクチュエータ１００がシャープに動かなかったり、危険回避のための急停止が行なえないといった不具合が生じる。
【００１０】
また、一般に、ハンチングが発生する動作帯域は、制御弁１０６の開口特性によってほぼ決定される。図６は、開口特性の異なる２つの制御弁１０６のスプールストロークＳと流量Ｑとの関係を示したものであるが、流量Ｑの変化が大きいストローク帯域Ｘでハンチングが発生し易い。すなわち、図６の（ａ）のように、ストロークの終期で流量が急激に変化する開口特性を有する制御弁１０６では、ストロークの終期でスプールが急動作される（操作レバー１０８ａが急操作される）と、ハンチングが発生し易い。また、図６の（ｂ）のように、ストロークの初期で流量が急激に変化する開口特性を有する制御弁１０６では、ストロークの初期でスプールが急動作される（操作レバー１０８ａが急操作される）と、ハンチングが発生し易い。したがって、前述した従来例のように、スプールストロークの全体にわたって絞りを利かせる（操作レバー１０８ａの動きに対する制御弁１０６のスプールの応答を鈍くする）必要はないことが分かる。
【００１１】
本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、起動時および停止時の応答性を良好に確保しつつハンチングを有効に抑制し得るアクチュエータ作動回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のアクチュエータ作動回路は、アクチュエータとリザーバタンクとの間で圧油を流す圧油回路と、前記圧油回路に設けられ、前記アクチュエータと前記リザーバタンクとの間で油流方向を制御するパイロット圧作動の方向制御弁と、前記方向制御弁にパイロット圧を作用させて前記方向制御弁の切換え動作を制御するパイロット圧回路と、前記パイロット圧回路を構成し、前記方向制御弁にパイロット圧を導入するパイロット圧導入管路と、前記パイロット圧導入管路の途中に設けられ、前記パイロット圧導入管路を全開する第１の位置と前記パイロット圧導入管路に絞りを付与する第２の位置との間で切り換わり、所定のパイロット圧が加わることにより前記第２の位置に切り換えられるパイロット圧作動の切換弁と、前記パイロット圧導入管路と前記切換弁のパイロットポートとを接続するパイロットラインと、前記パイロットラインの途中に設けられ、前記圧油の温度に伴う粘性の影響を受けてその応答遅れに対応して前記切換弁に作用する前記所定のパイロット圧に達するタイミングを遅らす切換えタイミング調整用絞りと、を具備し、前記パイロットラインを介して前記切換弁に作用するパイロット圧が前記絞りの作用を受けて所定の圧力に達すると、前記第１の位置から前記第２の位置へと切り換わることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１および図２は本発明の第１の実施形態を示している。図１に示すように、本実施形態のアクチュエータ作動回路１は、油圧モータ（以下、アクチュエータという。）２０とリザーバタンクＴとの間で圧油を流す主回路Ａと、主回路Ａに介挿され且つアクチュエータ２０とリザーバタンクＴとの間で圧油の流れを制御する方向制御弁２と、方向制御弁２にパイロット圧を導入して方向制御弁２を切換え制御するパイロット圧回路Ｂとを有している。なお、方向制御弁２は、パイロット圧に伴うスプールの摺動によってその弁方向が切換えられるスプール弁である。また、アクチュエータ２０は、例えばパワーショベルやクレーンなどの建設作業機械に設けられた旋回体を旋回させる。無論、アクチュエータ２０によってブーム等の他のユニットが動作されても良い。
【００１４】
主回路Ａは、リザーバタンクＴからの油を油圧ポンプＰ１によって圧送する油圧管路２３と、油圧管路２３を通じて圧送された油をリザーバタンクＴに戻す戻し管路２６とを有している。なお、これらの管路２３，２６は方向制御弁２の別個のポートにそれぞれ接続されている。
【００１５】
また、方向制御弁２の他のポートには、アクチュエータ側回路２１の両端と、油圧管路２３によって圧送された圧油をアクチュエータ側回路２１に供給する管路２５と、アクチュエータ側回路３からの戻り油を戻し管路２６に流す管路２４とがそれぞれ接続されている。
【００１６】
一方、方向制御弁２にパイロット圧を導入するパイロット圧回路Ｂは、リザーバタンクＴから油圧ポンプＰ２を介して圧送される圧油を流すパイロット圧供給管路３と、パイロット圧供給管路３を通じて圧送される圧油を方向制御弁２の２つのパイロットポート２ａ，２ｂに個別に導入する２つのパイロット圧導入管路４，５と、パイロット圧導入管路４，５からの戻り油をタンクＴに戻す戻し管路９と、各管路３，４，５，９の連通状態を切り換える操作弁６とを有している。この場合、操作弁６は、操作レバー６ａが一方向に操作されると、パイロット圧供給管路３をパイロット圧導入管路４に連通させるとともに、パイロット圧導入管路５を戻し管路９を介してタンクＴに連通させる。また、操作弁６は、操作レバー６ａが他方向に操作されると、パイロット圧供給管路３をパイロット圧導入管路５に連通させるとともに、パイロット圧導入管路４を戻し管路９を介してタンクＴに連通させる。さらに、操作弁６は、操作レバー６ａがニュートラル位置にある時には、パイロット圧導入管路４，５の両者を戻し管路９を介してタンクＴに連通させる。また、管路３，４（５），９同志の連通度合いは、操作レバー６ａの操作量によって制御される。
【００１７】
なお、パイロット圧導入管路４，５を通じて方向制御弁２にパイロット圧が作用していない場合には、方向制御弁２がニュートラル位置ハに保持される。また、パイロット圧導入管路４，５を通じて方向制御弁２にパイロット圧が作用すると、方向制御弁２が２つの切換位置イ，ロのいずれかに切換わる。
【００１８】
各パイロット圧導入管路４，５の途中にはそれぞれ切換弁１０が設けられている。この切換弁１０は、対応するパイロット圧導入管路４，５に接続されたパイロットライン１１を介してパイロット圧（自己圧）を受け、２つの切換え位置ニ，ホ間で切換えられる。そして、切換弁１０は、その第１の位置ホで各パイロット圧導入管路４，５を全開するとともに、その第２の位置ニで各パイロット圧導入管路４，５に絞りを付与する。なお、パイロットライン１１は、切換弁１０よりも上流側に位置するパイロット圧導入管路４，５の部位に接続されている。
【００１９】
図２の（ａ）は制御弁２の開口特性を示した特性図である。図示のように、制御弁２は、パイロット圧導入管路４，５を介して作用するパイロット圧が高まるにつれて（スプールのストロークが大きくなるにつれて）、油圧管路２３と戻し管路２６とを接続する弁通路の開度が次第に小さくなる（ＰーＴ線図参照）とともに、管路２４とアクチュエータ側回路２１とを接続する弁通路（ＡーＴ線図参照）および管路２５とアクチュエータ側回路２１とを接続する弁通路（ＡーＰ線図参照）の開度が次第に大きくなる。特に、管路２４，２５とアクチュエータ側回路２１とを接続する弁通路（ＡーＴ線図およびＡーＰ線図参照）は、パイロット圧が１０kgf/cm² を越える辺りから開度の変化が大きくなり、ハンチングが発生し易い帯域Ｘにさしかかる。したがって、本実施形態では、切換弁１０の切換え圧を１０kgf/cm² に設定し、パイロット圧導入管路４，５の圧力（制御弁２に作用するパイロット圧）が１０kgf/cm² を越えると、切換弁１０が第１の位置ホから第２の位置ニに切換えられて、パイロット圧導入管路４，５に絞りが付与されるようになっている。すなわち、切換弁１０は、図２の（ｂ）に示すように、パイロット圧が１０kgf/cm² 以下の場合には、第１の位置ホを保持してパイロット圧導入管路４，５を全開させるが、パイロット圧が１０kgf/cm² 以上になると、第２の位置ニへと切換わり始め、パイロット圧導入管路４，５に絞りを付与するようになる。
【００２０】
次に、上記構成のアクチュエータ作動回路１の動作について説明する。
まず、操作弁６の操作レバー６ａを一方向に操作すると、ポンプＰ２からパイロット圧供給管路３を通じて圧送される圧油がパイロット圧導入管路４を介して方向制御弁２のパイロットポート２ａに導入される。これにより、方向制御弁２のスプールが一方向に移動され、方向制御弁２の弁位置がハからイへと切換えられて、アクチュエータが動作し始める。
【００２１】
この場合、パイロット圧導入管路４を通じて圧送される圧油（パイロット圧）が１０kgf/cm² 以下の時には、切換弁１０が第１の位置ホに保持されてパイロット圧導入管路４，５が全開されているため、起動時および停止時の応答性が良好であり、操作レバー６ａの動きに対して制御弁２のスプールが速やかに応答する。また、パイロット圧が１０kgf/cm² 以下では、制御弁２の弁通路の開度の変化が緩やか（図２の（ａ）参照）であるため、操作弁６の操作レバー６ａを急操作しても、ハンチングが発生しにくい。
【００２２】
一方、パイロット圧導入管路４を通じて圧送される圧油（パイロット圧）が１０kgf/cm² を越えてハンチングが発生し易いストローク帯域Ｘになると、切換弁１０が第１の位置ホから第２の位置ニへと切換わり、パイロット圧導入管路４，５に絞りが付与される。したがって、操作レバー６ａの動きに対する制御弁２のスプールの応答が鈍くなる。そのため、操作レバー６ａを急操作しても、制御弁２のスプールの急激な動作が規制され、アクチュエータ２０に流れる圧油の急激な変化が規制される。すなわち、ハンチングが抑制される。
【００２３】
また、このような回路構成では、高速で動作しているアクチュエータを危険回避のために急停止させることもできる。すなわち、１０kgf/cm² を越えるパイロット圧によって制御弁２が切換えられた状態から操作レバー６ａを急にニュートラル位置に戻すと、パイロット圧導入管路４がタンクＴに連通されるため、切換弁１０が第２の位置ニから第１の位置ホに切換わり、圧導入管路４，５が全開される。したがって、パイロットポート２ａからの戻り油が絞りを介すことなくタンクＴに戻されるため、方向制御弁２のスプールはリターンスプリングによって速やかに中立位置へと移動され、高速で動作しているアクチュエータが速やかに停止される。
【００２４】
なお、前述した動作は、操作レバー６ａを他方向に操作した場合でも同様である。
以上説明したように、本実施形態のアクチュエータ作動回路１は、従来のように、制御弁２のスプールストロークの全体にわたって絞りを利かせるのではなく、ハンチングの発生しにくい帯域（本実施形態では１０kgf/cm² 以下）ではパイロット圧導入管路４，５を全開とし、操作レバー６ａの動きに対する制御弁２のスプールの応答性を良好に確保するとともに、ハンチングの発生し易い帯域（本実施形態では１０kgf/cm² 以上）ではパイロット圧導入管路４，５に絞りを付与して操作レバー６ａの動きに対する制御弁２のスプールの応答を鈍くするようにしている。したがって、起動時および停止時の応答性を良好に確保しつつハンチングを有効に抑制し得る。
【００２５】
また、本実施形態では、従来のように絞りをパイロット圧導入管路４，５に設けていないため、絞りにゴミ詰まりが生じる等の不具合がない。
なお、切換弁１０の切換設定圧は１０kgf/cm² に限らない。使用する制御弁２の開口特性に応じて切換弁１０の切換設定圧を任意に変更することにより、起動時および停止時の応答性を良好に確保しつつハンチングを有効に抑制し得る。
【００２６】
ところで、油圧機器の操作性は油温（作動油の粘性）の影響を受け易く、特に寒冷地や気温の低い冬場などは、応答遅れが目立ち、操作性が悪化してしまう。とりわけ、パイロット圧回路Ｂは、油に殆ど流れがなく暖まりにくい部分であるため、冬季においては操作性が非常に悪くなる。したがって、前述した第１の実施形態のように切換弁１０の切換によってパイロット圧導入管路４，５に絞りを付与する構成では、絞りを付与する時期が早すぎて、かえって操作性（起動時および停止時の応答性）が悪化してしまうことも懸念される。すなわち、低温時では絞りがなくても応答性が鈍いにもかかわらず、パイロット圧が所定の設定圧を越えたからといって切換弁１０によってパイロット圧導入管路４，５に絞りを付与すると、絞りの影響が大きくなりすぎて、ハンチングを抑えるどころか、かえって操作性を悪化させることとなる。そこで、以下では、低温時でも応答性を良好に確保しつつ有効にハンチングを抑制し得るアクチュエータ作動回路について図３を参照しつつ説明することとする。
【００２７】
図３は本発明の第２の実施形態を示している。図示のように、本実施形態のアクチュエータ作動回路１ａは、切換弁の構成のみが第１の実施形態と異なる。したがって、第１の実施形態と共通する構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
図示のように、各パイロット圧導入管路４，５の途中にはそれぞれ切換弁３０が設けられている。この切換弁３０は、対応するパイロット圧導入管路４，５に接続されたパイロットライン１１を介してパイロット圧（自己圧）を受け、２つの切換え位置ニ，ホ間で切換えられる。そして、切換弁３０は、その第１の位置ホで各パイロット圧導入管路４，５を全開するとともに、その第２の位置ニで各パイロット圧導入管路４，５から分岐する絞り３３付きの分岐管路３２を介して圧油を流す。また、切換弁３０は、第１の実施形態と同様、パイロットライン１１を介して作用するパイロット圧が１０kgf/cm² になると、第１の位置ホから第２の位置ニへと切換わるようになっている。
【００２９】
また、パイロットライン１１には絞り３４が設けられている。この絞り３４は、切換弁３０の切換えタイミングを遅らせて、低温時の応答性を確保する。すなわち、パイロット圧導入管路４，５の圧力が１０kgf/cm² に達した時点では、切換弁３０には絞り３４によって１０kgf/cm² の圧力が作用せず、切換弁３０は第１の位置ホを保持し続け、起動時および停止時の応答性が確保される。つまり、低温時の応答の鈍さを絞り３３によって悪化させることなく、パイロット圧導入管路４，５の全開状態を保持することによって応答性を極力良好に維持するようにしている。無論、パイロット圧が１０kgf/cm² に達すると、制御弁２のスプールがハンチングの発生し易いストローク帯域Ｘにさしかかるが、その際のハンチング抑制は、油温の低さに伴う応答遅れによって達成される。すなわち、絞り３４を介して切換弁３０に作用するパイロット圧が１０kgf/cm² に達するまで（これは絞り３４の絞り径によって決定される）は、絞り３３によらず油温の低さに伴う応答遅れによってハンチングが抑制される。そして、絞り３４を介して切換弁３０に１０kgf/cm² のパイロット圧が作用した段階で、切換弁３０が第２の位置ニに切換わって絞り３３によるハンチング抑制が開始される。
【００３０】
切換弁３０の切換え時期をこのように遅らせれば、油温の低さに伴う応答遅れと絞り３３による応答遅れとをうまくバランスさせて有効に利用することができ、その結果、低温時でも応答性を良好に確保しつつ有効にハンチングを抑制することが可能となる。
【００３１】
なお、パイロットライン１１に設けられる絞り３４は固定絞りであっても良いが、固定絞りでは、低温時に操作レバー６ａをニュートラル位置に向かって戻した際に切換弁３０の戻りが遅くなり減速のフィーリングが悪化することも考えられるため、絞り３４をリストリクタによって構成することが望ましい。また、切換弁３０をスプール弁として構成する場合、スプールはなるべく切換え途中のオーバラップ（どちらのポートにも繋がらない部分）が少ない方が良い。これは、操作レバー６ａをニュートラル位置に向かって戻した際にレバー操作通りに減速させるためである。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアクチュエータ作動回路によれば、起動時および停止時の応答性を良好に確保しつつハンチングを有効に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ作動回路の構成図である。
【図２】（ａ）は制御弁の開口特性を示す特性図、（ｂ）は切換弁の弁開度とパイロット圧との関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ作動回路の構成図である。
【図４】従来のアクチュエータ作動回路の第１の例を示す構成図である。
【図５】従来のアクチュエータ作動回路の第２の例を示す構成図である。
【図６】開口特性の異なる２つの制御弁のスプールストロークＳと流量Ｑとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１，１ａ…アクチュエータ作動回路
２…方向制御弁
４，５…パイロット圧導入管路
１０…切換弁
１１…パイロットライン
２０…アクチュエータ
Ａ…油圧回路
Ｂ…パイロット圧回路
Ｔ…リザーバタンク

Claims

アクチュエータとリザーバタンクとの間で圧油を流す圧油回路と、
前記圧油回路に設けられ、前記アクチュエータと前記リザーバタンクとの間で油流方向を制御するパイロット圧作動の方向制御弁と、
前記方向制御弁にパイロット圧を作用させて前記方向制御弁の切換え動作を制御するパイロット圧回路と、
前記パイロット圧回路を構成し、前記方向制御弁にパイロット圧を導入するパイロット圧導入管路と、
前記パイロット圧導入管路の途中に設けられ、前記パイロット圧導入管路を全開する第１の位置と前記パイロット圧導入管路に絞りを付与する第２の位置との間で切り換わり、所定のパイロット圧が加わることにより前記第２の位置に切り換えられるパイロット圧作動の切換弁と、
前記パイロット圧導入管路と前記切換弁のパイロットポートとを接続するパイロットラインと、
前記パイロットラインの途中に設けられ、前記圧油の温度に伴う粘性の影響を受けてその応答遅れに対応して前記切換弁に作用する前記所定のパイロット圧に達するタイミングを遅らす切換えタイミング調整用絞りと、
を具備し、
前記パイロットラインを介して前記切換弁に作用するパイロット圧が前記絞りの作用を受けて所定の圧力に達すると、前記第１の位置から前記第２の位置へと切り換わることを特徴とするアクチュエータ作動回路。