JP4642269B2

JP4642269B2 - 建設機械の油圧回路

Info

Publication number: JP4642269B2
Application number: JP2001151081A
Authority: JP
Inventors: 誠一渕田; 祐一江頭; 公一川村; 治黒柳
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002339904A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の建設機械の油圧回路に関し、特に作業機を駆動する油圧シリンダの戻り回路における圧力損失を抑制する油圧回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建設機械等における油圧システムの圧力損失を抑制する技術として、本出願人が特開平９−１５１４８８号公報にて開示した技術がある。
【０００３】
前記従来技術における油圧回路１００は、図５に示されるように、油圧ポンプ１０１が方向切換弁１０２を介して油圧シリンダ１０３と接続され、操作手段１０４からのパイロット圧でその方向切換弁１０２を切換え操作することにより、油圧シリンダ１０３が伸縮されるように構成されている。また、この従来技術の油圧回路１００においては、前記油圧シリンダ１０３におけるボトム側の戻り油が所定圧力となったときに制御弁１０９が開位置ａとされ、その戻り油を前記方向切換弁１０２および制御弁１０９の２つのバルブを経由させてタンク１０５にドレンさせるように構成されており、その方向切換弁１０２における圧力損失を抑制するようにされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術の油圧回路１００では、例えば油圧ショベルのアームダンプ時のように、油圧シリンダ（アームシリンダ）１０３のボトム側から大量の油が押し出されて戻り回路を流通すると、油圧シリンダ（アームシリンダ）１０３やバルブ（方向切換弁１０２、制御弁１０９）、オイルクーラ１０６、タンク１０５など各油圧機器で生じる圧力損失およびこれら各油圧機器を接続する各管路で生じる圧力損失が非常に大きなものとなり、これらの圧力損失を十分に抑制することができないという問題点がある。このため、作動油の発熱を招き、ヒートバランスが悪くなるという問題点がある。また、油圧シリンダ（アームシリンダ）１０３のヘッド側に押し込む油の圧力を高くする必要があり、駆動装置（エンジン１０７）の動力損失が大きいという問題点がある。さらに、この従来技術では、操作レバー１０８の操作ストローク量に関わらず、戻り油の圧力によって制御弁１０９が開位置ａか閉位置ｂかが制御される構成とされており、例えばアームを微妙に操作するような、所謂ファインコントロールがしにくいという問題点がある。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、圧力損失を抑制することができるとともに、ヒートバランスをとることができる建設機械の油圧回路を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による建設機械の油圧回路は、
作業機（６）を駆動する油圧シリンダ（１１）と、この油圧シリンダ（１１）の作動方向を制御する第１方向制御弁（２０）および第２方向制御弁（３０）と、これら第１方向制御弁（２０）および第２方向制御弁（３０）をパイロット信号によって切換え操作する操作レバー（６６）を有する操作手段（６５）とを備える建設機械の油圧回路において、
前記油圧シリンダ（１１）のボトム側の戻り回路を第１戻り回路（４０）と第２戻り回路（４１）とに二分し、かつ通常前記第１戻り回路（４０）の作動油が前記第１方向制御弁（２０）を経由し、前記第２戻り回路（４１）の作動油が前記第２方向制御弁（３０）を経由し、いずれもオイルクーラ（３８）を通ってタンク（３９）に回収されるように構成するとともに、パイロット信号を受けて、前記第２戻り回路（４１）の作動油を直接タンク（３９）に戻す回路（４２）に切り換える制御弁（４３）を設け、前記操作レバー（６６）をその操作ストローク（Ｓ）の所定量以上操作すると、前記制御弁（４３）が開作動するように切り換えられる構成であることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明によれば、前記制御弁（４３）がパイロット信号を受けると、前記油圧シリンダ（１１）のボトム側の戻り油の一部はその制御弁（４３）を介して直接タンク（３９）に回収されるとともに、残りの戻り油はオイルクーラ（３８）を通じてタンク（３９）に回収されるので、その油圧シリンダ（１１）のボトム側の第１戻り回路（４０）と第２戻り回路（４１）における圧力損失の抑制を図ることができるとともに、作動油の発熱が抑えられてヒートバランスをとることができる。また、こうして、各戻り回路（４０）（４１）における圧力損失が抑制されることから、例えばエンジン（１６）などの駆動装置の負荷が軽減され、低燃費化を図ったり、あるいは作業機速度の向上を図ったりすることができる。
【０００８】
また、前記作業機（６）をフル動作させる場合にのみ、油圧シリンダ（１１）のボトム側の戻り油の一部を直接タンク（３９）に戻すことができるので、ファインコントロール性を確保しつつ、各戻り回路（４０）（４１）における圧力損失を抑制することができるという効果を奏する。
【０００９】
前記第１発明において、前記油圧シリンダ（１１）のボトム側配管を２つの管路（７１）（７２）に分岐して、一方の管路（７１）を前記第１方向制御弁（２０）に、他方の管路（７２）を前記第２方向制御弁（３０）に接続するのが好ましい（第２発明）。このようにすれば、前記油圧シリンダ（１１）のボトム側油室（１１ａ）の作動油をそのボトム側油室（１１ａ）から各戻り回路（４０）（４１）に押し出す際の抵抗が軽減されるので、ボトム側油室（１１ａ）の作動油をスムーズに排出することができ、戻り回路（４０）（４１）における圧力損失を更に低減することができるという効果を奏する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による建設機械の油圧回路の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明による建設機械の油圧回路が油圧ショベルのアームシリンダの作動を制御する油圧回路に適用された例である。
【００１１】
図１には、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの側面図が示されている。また、図２には、油圧ショベルにおけるアームシリンダの作動を制御する油圧回路図が示されている。
【００１２】
本実施形態に係る油圧ショベル１は、下部走行体２と、この下部走行体２の上部にスイングサークル３を介して旋回自在に設けられ、運転室５および作業機６を具備する上部旋回体４とを備えて構成されている。前記作業機６は、ブーム７、アーム８およびバケット９を備え、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２によりそれぞれ駆動されるように構成されている。また、前記運転室５内には、作業機６を操作するための操作手段（図示省略）が設けられている。
【００１３】
図２に示されるアームシリンダ１１の作動を制御する油圧回路１５において、エンジン１６により駆動される油圧ポンプ１７は、第１分岐油路１８から分岐した各分岐油路１８ａ，１８ｂを介して、３位置方向切換弁で構成される第１方向制御弁２０のポンプポート２１および一次側リターンポート２２と接続されている。また、この油圧ポンプ１７は、第２分岐油路２７を介して、３位置方向切換弁で構成される第２方向制御弁３０のポンプポート３１と接続されている。
【００１４】
前記第１方向制御弁２０の各シリンダポート２５，２６は、アームシリンダ１１のボトム側Ａポート３５およびヘッド側ポート３７にそれぞれ接続されている。一方、前記第２方向制御弁３０の各シリンダポート３３，３４は、アームシリンダ１１のボトム側Ｂポート３６と接続されている。これら第１方向制御弁２０および第２方向制御弁３０において、第１方向制御弁２０の２次側リターンポート２４、タンクポート２３および第２方向制御弁３０のタンクポート３２は、それぞれオイルクーラ３８を介してタンク３９に接続されている。
【００１５】
また、この油圧回路１５において、アームシリンダ１１のボトム側の戻り回路は、ボトム側油室１１ａの作動油がボトム側Ａポート３５から第１方向制御弁２０のシリンダポート２５、タンクポート２３およびオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収される第１戻り回路４０と、ボトム側油室１１ａの作動油がボトム側Ｂポート３６から第２方向制御弁３０のシリンダポート３３、タンクポート３２およびオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収される第２戻り回路４１とに二分されている。前記第１戻り回路４０と前記第２戻り回路４１とのうち、第２戻り回路４１には、この回路を流通する作動油を直接タンク３９に戻すクイックリターン回路４２に切り換えるクイックリターン弁４３（本発明における制御弁に対応する。）が設けられている。
【００１６】
前記クイックリターン弁４３は、図３に示されるように、シリンダポート４４、バルブポート４５およびタンクポート４６を有する弁本体４７と、前記シリンダポート４４と前記バルブポート４５とを繋ぐ流通路４８を横切って摺動可能に設けられ、その流通路４８に対して前記タンクポート４６を開閉するピストン主弁４９とを備えて構成されている。前記弁本体４７内部には、前記ピストン主弁４９の背面に位置する油溜まり部としての２次圧室５０が形成されている。また、前記ピストン主弁４９の内部には、前記２次圧室５０と連通し途中に絞り５２が設けられてなる流通穴５１が形成されるとともに、ピストン主弁４９の適宜位置には、その流通穴５１に前記流通路４８から作動油を導くための貫通穴５３が形成されている。
【００１７】
このクイックリターン弁４３においては、ピストン主弁４９の先端部が主スプリング５４で弁座５５に押し付けられることで、前記流通路４８に対してタンクポート４６が閉じた状態とされ、これに対してその主スプリング５４の押し付け方向とは逆方向にピストン主弁４９が摺動されるとその先端部がその弁座５５から離れて、前記流通路４８に対してタンクポート４６が開いた状態とされる。また、このクイックリターン弁４３には、前記２次圧室５０の作動油流れを制御する制御機構５６が設けられている。この制御機構５６は、２次圧室５０の圧力にてバランスするバランスピストン５７がスプリング５８でシール５９に押し付けられることで、２次圧室５０の作動油が弁本体４７に設けられたドレンポート６０へ流れないように構成されるとともに、弁本体４７に設けられたパイロット圧ポート６１を介してそのバランスピストン５７にパイロット圧が作用すると、そのスプリング５８に抗してそのバランスピストン５７が摺動され、そのシール５９との係合が解除されて２次圧室５０の作動油がドレンポート６０へ流れるように構成されている。
【００１８】
そして、このクイックリターン弁４３におけるシリンダポート４４がアームシリンダ１１のボトム側Ｂポート３６に、バルブポート４５が第２方向制御弁３０のシリンダポート３３，３４に、タンクポート４６がタンク３９にそれぞれ接続されている。
【００１９】
本実施形態において、アームシリンダ１１を操作する操作手段６５は、運転室５内の運転席近くに配される操作レバー６６と、この操作レバー６６の操作によって切換え操作されるパイロット弁６７，６８と、パイロット圧信号回路６９とを備えてなり、前記第１方向制御弁２０、第２方向制御弁３０およびクイックリターン弁４３がパイロットポンプ７０によりそのパイロット弁６７，６８およびパイロット圧信号回路６９を通じて供給される圧油によって所望の切換え操作が行われるように構成されている。
【００２０】
ここで、クイックリターン弁４３は、前記操作レバー６６を中立位置から縮み方向（図２中Ｄ方向）に全傾倒させる際のその操作ストローク（図２中矢印Ｓで示されるストローク。以下、単に「操作ストロークＳ」という。）の所定量以上操作すると切り換えられ、タンクポート４６が開くようにされている。すなわち、クイックリターン弁４３は、バランスピストン５７にパイロット圧が作用して作動され、２次圧室５０が通路６２およびバランス室６３を介してドレンポート６０と連通されるに伴い、ピストン主弁４９が圧力差によって摺動されてタンクポート４６が開くようにされているが、そのバランスピストン５７を作動させるパイロット圧には閾値が設けられており、操作レバー６６をその操作ストロークＳの所定量（本実施形態では、４０％程度とされており、好ましくは７０％程度である。）以上操作したときに、そのバランスピストン５７に作用するパイロット圧がその閾値を越える圧力となるようにされている。こうして、微動作領域（操作レバー６６の操作ストロークＳの４０％を越えない領域）では、クイックリターン弁４３が閉じた状態とされることでファインコントロール性を確保するとともに、アームダンプ時のようにアームシリンダのボトム側から大量の戻り油が発生するようなフル動作領域（操作レバー６６の操作ストロークＳの４０％〜１００％、好ましくは７０％〜１００％の領域）でのみクイックリターン弁４３を開き、その戻り油の一部を直接タンク３９に戻すことで、戻り回路における圧力損失の抑制が図られている。
【００２１】
次に、アームシリンダ１１の作動について図２〜図４を参照しつつ説明する。
【００２２】
まず、掘削時には、操作レバー６６を伸び方向（図２中矢印Ｃ方向）に操作することで、パイロット弁６８が切り換えられ、パイロットポンプ７０からのパイロット圧油は、第１方向制御弁２０の操作部２０ａおよび第２方向制御弁３０の操作部３０ａに作用して、第１方向制御弁２０がＡ位置に、第２方向制御弁３０もＡ位置に切り換えられる。これにより、油圧ポンプ１７から吐出される圧油は、第１油路１８から第１方向制御弁２０のポンプポート２１、シリンダポート２５を通ってアームシリンダ１１のボトム側Ａポート３５に導かれてボトム側油室１１ａに供給されるとともに、第２油路２７から第２方向制御弁３０のポンプポート３１、シリンダポート３４を通ってアームシリンダ１１のボトム側Ｂポート３６に導かれてボトム側油室１１ａに供給される。これと同時に、このアームシリンダ１１のヘッド側油室１１ｂの作動油は、ヘッド側ポート３７から第１方向制御弁２０のシリンダポート２６、タンクポート２３およびオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収される。したがって、アームシリンダは伸長する。
【００２３】
一方、アームダンプ時には、操作レバー６６を縮み方向（図２中矢印Ｄ方向）に操作することで、パイロット弁６７が切り換えられ、パイロットポンプ７０からのパイロット圧油が第１方向制御弁２０の操作部２０ｂおよび第２方向制御弁３０の操作部３０ｂに作用して、第１方向制御弁２０がＢ位置に、第２方向制御弁３０もＢ位置に切り換えられる。これにより、油圧ポンプ１７から吐出される圧油は、第１油路１８から第１方向制御弁２０のポンプポート２１、シリンダポート２６を通ってアームシリンダ１１のヘッド側ポート３７に導かれてヘッド側油室１１ｂに供給される。これと同時に、このアームシリンダ１１のボトム側油室１１ａの作動油は、ボトム側Ａポート３５から第１方向制御弁２０のシリンダポート２５、タンクポート２３およびオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収されるとともに、ボトム側Ｂポート３６から第２方向制御弁３０のシリンダポート３３、タンクポート３２およびオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収される。したがって、アームシリンダは収縮する。このアームダンプ時において、操作レバー６６の操作領域が微動作領域である場合には、クイックリターン弁４３のバランスピストン５７に作用するパイロット圧が閾値に満たない圧力であるために、クイックリターン弁４３は閉じた状態のままであり、アームシリンダ１１のボトム側油室１１ａの作動油は、今述べたような戻り回路でタンク３９に回収される。
【００２４】
前記アームダンプ時において、操作レバー６６の操作領域がフル動作領域である場合には、図３に示されるクイックリターン弁４３のバランスピストン５７に作用するパイロット圧が閾値を越える圧力となるために、そのバランスピストン５７が作動されて２次圧室５０とドレンポート６０とが連通状態となり、２次圧室５０の作動油がドレンポート６０からタンク３９にドレンされる。このため、ピストン主弁４９の流通穴５１に流通路４８から２次圧室５０への油の流れが生じ、この油の流れが絞り５２を通過することによる圧力損失によって、その絞り５２を挟んで流通路４８側の方が２次圧室５０よりも圧力が高い状態となり、ピストン主弁４９が主スプリング５４に抗して２次圧室５０側に摺動され、タンクポート４６が流通路４８と連通して開状態となる（図４参照）。これにより、図４中矢印Ａで示されるように、シリンダポート４４からバルブポート４５に向って戻り油が流通するとともに、同図中矢印Ｂで示されるように、シリンダポート４４からタンクポート４６に向って戻り油が流通することとなる。したがって、フル動作領域でのアームダンプ操作時においては、アームシリンダ１１のボトム側油室１１ａの作動油は、前述した微動作領域でのアームダンプ操作時における戻り回路でタンク３９に回収されるとともに、ボトム側Ｂポート３６から押し出された作動油の一部は、クイックリターン弁４３を経てクイックリターン回路４２により直接タンク３９に回収されることとなる。
【００２５】
本実施形態によれば、フル動作領域におけるアームダンプ時においては、アームシリンダ１１のボトム側Ｂポート３６から押し出された作動油の一部がクイックリターン弁４３を経てクイックリターン回路４２により直接タンク３９に回収されるので、アームシリンダ１１の戻り回路４０，４１における圧力損失を抑制することができる。また、フル動作領域におけるアームダンプ時においても、アームシリンダ１１のボトム側Ａポート３５およびボトム側Ｂポート３６から押し出された作動油は常にオイルクーラ３８を通ってタンク３９に回収されるので、作動油の発熱が抑えられ、ヒートバランスをとることができる。なお、こうして、戻り回路４０，４１における圧力損失が抑制されることから、エンジン１６の負荷が軽減され、低燃費化を図ったり、あるいはアームシリンダ１１の作動速度を向上させたりすることができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本実施形態によれば、アームシリンダ１１のボトム側Ａポート３５と第１方向制御弁２０のシリンダポート２５とを接続する管路７１およびボトム側Ｂポート３６と第２方向制御弁３０のシリンダポート３３，３４とを接続する管路７２は、アームシリンダ１１のボトム側油室１１ａに対してパラレル配管されているので、アームシリンダ１１のボトム側油室１１ａから各方向制御弁２０，３０に至るまでの管路抵抗を著しく低減することができ、戻り回路４０，４１における圧力損失の抑制に寄与するという効果を奏する。
【００２７】
本実施形態においては、本発明を油圧ショベルに適用した例について述べたが、これに限られず、ホイールローダやその他の建設機械に本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る油圧ショベルの側面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態におけるアームシリンダの作動油圧回路図である。
【図３】図３は、クイックリターン弁の要部断面概略構成図である。
【図４】図４は、クイックリターン弁のピストン主弁が開いた状態図である。
【図５】図５は、従来の技術における油圧回路図である。
【符号の説明】
１油圧ショベル
６作業機
１１アームシリンダ
２０第１方向制御弁
３０第２方向制御弁
３８オイルクーラ
３９タンク
４０第１戻り回路
４１第２戻り回路
４２クイックリターン回路
４３クイックリターン弁
６５操作手段
６６操作レバー
６９パイロット圧信号回路
７１，７２管路

Claims

作業機（６）を駆動する油圧シリンダ（１１）と、この油圧シリンダ（１１）の作動方向を制御する第１方向制御弁（２０）および第２方向制御弁（３０）と、これら第１方向制御弁（２０）および第２方向制御弁（３０）をパイロット信号によって切換え操作する操作レバー（６６）を有する操作手段（６５）とを備える建設機械の油圧回路において、
前記油圧シリンダ（１１）のボトム側の戻り回路を第１戻り回路（４０）と第２戻り回路（４１）とに二分し、かつ通常前記第１戻り回路（４０）の作動油が前記第１方向制御弁（２０）を経由し、前記第２戻り回路（４１）の作動油が前記第２方向制御弁（３０）を経由し、いずれもオイルクーラ（３８）を通ってタンク（３９）に回収されるように構成するとともに、パイロット信号を受けて、前記第２戻り回路（４１）の作動油を直接タンク（３９）に戻す回路（４２）に切り換える制御弁（４３）を設け、前記操作レバー（６６）をその操作ストローク（Ｓ）の所定量以上操作すると、前記制御弁（４３）が開作動するように切り換えられる構成であることを特徴とする建設機械の油圧回路。
前記油圧シリンダ（１１）のボトム側配管を２つの管路（７１）（７２）に分岐して、一方の管路（７１）を前記第１方向制御弁（２０）に、他方の管路（７２）を前記第２方向制御弁（３０）に接続する請求項１に記載の建設機械の油圧回路。