JP4875687B2 - 油圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械を操作するための油圧制御装置に係わり、特に方向切換弁の操作速度を調整し、建設機械のショック低減並びに操作性を向上させた油圧制御装置に関するものである。

油圧ショベル等の油圧機械のアクチュエータを駆動制御する方向切換弁をパイロット圧で駆動するための方向切換弁油圧駆動油圧回路の技術は実公平３−２７２２号公報（特許文献１）に開示されており、この油圧回路の概要を図９に示している。図９において、油圧ショベルに搭載された油圧ポンプ１０７から走行モータ（アクチュエータ）１０８への圧油の供給を制御する方向切換弁１００を備え、これを操作するためのパイロット弁１０１と前記方向切換弁１００とを結ぶパイロット管路１０２、１０３上に圧力補償付流量制御弁１０４、１０５が設けられている。この油圧回路においては、方向切換弁１００が操作された後、中立位置へ復帰する際、例えば、パイロット室１００ａの油はパイロット管路１０２を経て管路１０６へ排出される際に、圧力補償流量制御弁１０４により圧力補償されつつ排出される。したがって、パイロット弁１０１を急操作した場合でも方向切換弁１００の中立復帰速度は減速され、この結果走行モータ１０８の停止時のショックが軽減される。これは、図１０のタイムチャートに示されているように、方向切換弁１００は時間軸上、パイロット弁１０１のレバー変位（中立へ復帰する時間：タイムチャート（ａ）のｔ５〜ｔ７の時間）に対し、方向切換弁復帰時間が、タイムチャート（ｂ）のｔ６〜ｔ８に示すように所定の時間を要することから、走行モータ１０８からタンク回路１２０への戻り油が排出される際の方向切換弁１００における流路面積（対時間）変化が緩やかとなることにより得られる効果である。

実公平３−２７２２号公報

しかしながら、上記従来技術の場合、方向切換弁１００の中立復帰速度は、全ストローク範囲に渡って圧力補償流量制御弁１０４、１０５が作用するので、全ストローク範囲にわたって一定速度となるため、ショックは軽減されるが、一方では応答性が遅いという問題がある。そこで、本発明の目的は、建設機械等に使用される油圧制御装置であって、方向切換弁を操作するパイロット弁を急操作した場合でもショックがなく、かつ、応答性、操作性に優れた油圧制御装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明に係る油圧制御装置は、主油圧ポンプを油圧パイロットラインからの油圧パイロット圧力により操作される方向切換弁を介してアクチュエータに接続し、前記方向切換弁のスプールはばね力により中立位置に維持されると共に該スプールの端部に作用する油圧パイロット圧力により前記ばね力に抗して移動して油路開度を漸次変化するよう構成され、前記油圧パイロットラインに油圧シリンダを接続し、該油圧シリンダの油室は、これに作用するパイロット圧力の上昇に従いばね力に対抗してピストンを移動させることにより油室容量が増大するように構成され、該ピストンの移動圧力範囲を前記方向切換弁の移動圧力範囲より小さく設定し、前記方向切換弁のストローク開始圧力の近傍の圧力で前記ピストンが移動を開始し、前記方向切換弁のストロークエンドとなる圧力よりも低圧にて移動を終えるよう構成された油圧制御装置において、前記油圧パイロットラインには、前記油圧シリンダの接続点に対しパイロットバルブ側に絞りが設けられ、前記油圧シリンダの前記接続点と油圧シリンダの油室とのパイロットライン上に開閉弁を設け、該開閉弁は外部信号により開閉操作され、前記油圧シリンダは、シリンダ本体内に保持されたピストンと、該ピストンの一端に設けられて油室内で移動するロッドに摺動自在に嵌合された一対のガイド部材と、両ガイド部材を引き離す方向に付勢し、前記ピストンを初期位置に保持するばねと、パイロットラインから前記油室に供給される信号圧力に応じて前記ピストンが移動するように構成してなることを特徴とする。

本発明に係わる油圧制御装置は、パイロットバルブにより油圧操作される方向切換弁の油圧パイロットラインに油圧シリンダを接続し、切換弁のスプール移動に並行して、当該油圧シリンダのピストンを方向切換弁の開度の小さい所定ストローク範囲内にて移動させることにより、このストロ一ク範囲内にて方向切換弁のスプールの移動速度を低減することにより、本発明の油圧制御装置が適用される建設機械を操作する際のショックを大幅に低減すると共に、応答性を維持しつつ操作性を大幅に改善することができる。

次に、本発明に係る油圧制御装置における実施の形態を添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は、本発明に係わる油圧制御装置の実施の形態を示す油圧回路図である。バルブ本体１０内には、第１方向切換弁１１、第２方向切換弁１２、及び第３方向切換弁１３が内蔵され、各々が主油圧ポンプ３に接続されている。第１方向切換弁１１には油圧モータからなる第１アクチュエータ１が接続され、第２方向切換弁１２には油圧シリンダからなる第２アクチュエータ２が接続されている。なお、第３方向切換弁１３にもアクチュエータが接続されるが図では省略している。また、これらのアクチュエータ１、２ともに、油圧シリンダ、油圧モータのいずれでもよい。

これら方向切換弁１１、１２は各々パイロットバルブ６、７によって操作されるようになっている。また、第３方向切換弁１３も図示していないが同様のパイロットバルブによって操作されるようになっている。パイロットバルブ６には油圧ポンプ１４から圧油が供給され、パイロットバルブ６からの操作信号圧力は油圧パイロットライン８、９を経て第１方向切換弁１１のそれぞれ油室１５、１６へ送られる。この油圧パイロットライン９には油圧シリンダ５が接続されている。油圧パイロットライン９には、油圧シリンダ５の接続点４に対しパイロットバルブ６側に絞り１７が設けられている。

図２は、図１の油圧回路図を構造化した実施例である。なお、図２においては、バルブ本体１０に含まれる方向切換弁１１〜１３のうち、第１方向切換弁１１のみを図示しているが、他の方向切換弁１２、１３についても同一構造である。第１方向切換弁１１は、バルブ本体１０と、このバルブ本体１０の内部に摺動自在で液密的に保持されたスプール３０を備えている。スプール３０の端部にはロッド３１が固着されている。このスプール３０には、大径部５０、５１、５２、５３及び５４と、小径部５５、５６、５７及び５８とが形成されている。大径部５３の図中の右肩部５３ａには大小の切欠部２５、２６が２箇所（個数は限定されない）に形成されている（図４参照）。

バルブ本体１０には、油室４０乃至４８が形成されている。そして、油室４４には主油圧ポンプ３からの接続通路６３が接続され、油室４４と油室４２及び４６は逆止弁６４が入れられた接続通路６５で接続され、また、油室４３、４５から接続通路６６を介してタンク６７に接続されている。さらに、油室４７と油室４０との接続通路６９中に前記アクチュエータ１が接続されている。バルブ本体１０の端部にはキャップ３２が固定されている。このキャップ３２の内部にスプール３０の端部に形成されたロッド３１が突出している。このロッド３１の外周に一対のガイド部材３３及び３４が摺動自在に嵌合され、両ガイド部材３３、３４の間に圧縮コイルばね３５が取付けられ、両ガイド部材３３、３４を引き離す方向に付勢している。そして、一方のガイド部材３３はスプール３０の先端とバルブ本体１０に当接し、他方のガイド部材３４はロッド３１のフランジ３６とキャップ３２の段部３７に当接している。このばね３５は、スプール３０を中立に維持し、かつ、前記パイロットバルブ６からキャップ３２の油室１６への圧油の供給に応じてスプール３０を変位させるためのものである。

次に、上記方向切換弁の作用を説明する。主油圧ポンプ３からの圧油は油室４４に供給されると共に、パイロットバルブ６からのパイロット圧力が油圧パイロットライン９、９ａを通じてキャップ３２の油室１６ヘ供給される。これにより、スプール３０はばね３５のばね力に対抗しつつ、ガイド部材３４が図２の距離Ｓ4 を図中左方へ移動し、図３に示すようにガイド部材３３がガイド部材３５に当接して停止する。このスプール３０の移動過程で、主油圧ポンプ３からの圧油は、油室４４から通路２０、２１を通って両側の油室４３及び４５へ流れる。このとき、油室４３への通路２０はスプール３０の大径部５２により次第に縮小され、また、油室４５への通路２１は大径部５３により次第に縮小される。

そして、油室４６から油室４７への通路２３は、大径部５３の肩部５３ａに設けた大小の切欠部２５、２６が油室４６内に移動してくることにより次第に拡大していき、スプール３０が距離Ｓ４だけ左方へ移動して停止した状態では、図３に示すように、肩部５３ａが完全に油室４６へ入る。これにより、油室４４から接続通路６５を経て油室４６に通じ、油室４６から通路２３を介して油室４７に通じ、さらに接続通路６９を経てアクチュエータ１へ送られる。さらにこの状態においては、図３に示すように、油室４４と油室４５の間の通路２１、及び油室４４と油室４３の間の通路２０が完全に閉じられるので、油室４４から全量の圧油がアクチュエータ１へ送られることになる。

上記切欠部２５、２６の開度は、方向切換弁によるアクチュエータの操作性を維持するため、図５に示すような、ストローク（Ｓｔ）−開度（Ａ）の特性を持たせている。すなわち、油室４６へ開口した後所定ストローク（例えば、図２、図５のＳ２）間では、微操作性向上を図るためストロークに対する開度の変化をＡ２と小さくし、中間ストロークＳ３ではやや大きくＡ３とし、後半ストロークＳ４ではアクチュエータの所定速度を維持するため、Ａ４と大きく開口するようにしている。このような特性が得られるように、小の切欠部２６と大の切欠部２５で開口部を構成し、小の切欠部２６が先に開口し、次に大の切欠部２５が開口し、最後に肩部５３ａが油室４６に入り込む構成としている。

図６に、パイロットバルブ６の出力特性を実線Ｑ１で示している。パイロットバルブ６のレバー６ａを操作すると、その操作角θ（図２参照）に比例した２次圧力が出力される。このレバー６ａの操作量、つまり切換弁１１のスプール３０のストロークＳ4 に対し、二次圧力はＰ1 からＰ2 まで緩やかに上昇し、Ｐ２からＰｉまで急激に上昇する特性Ｑ１を持つ。ここで、圧力Ｐｉは図１のパイロットリリーフ弁１４ａで定まるパイロット信号のリリーフ圧（一次圧）である。なお、図２においてスプール３０の断面積をＤとするとき、これをＳのストロークだけ移動させるに必要な油量はＤ×Ｓである。

図２に示すように、パイロットバルブ６の油圧パイロットライン９には油圧シリンダ５が接続されている。この油圧シリンダ５は、この例では、上記方向切換弁１１のキャップ３２の部分と類似の構造を用いている。すなわち、シリンダ本体７０の両側にキャップ７７とカバー７８が固着され、シリンダ本体７０内にはピストン７１が摺動自在で液密的に保持されている。また、このピストン７１の一端にはロッド７２が一体的に取り付けられ、このロッド７２にガイド部材７３、７４が摺動自在に嵌合されている。両ガイド部材７３、７４の間に圧縮コイルばね７５が取付けられ、両ガイド部材７３、７４を引き離す方向に付勢している。そして、一方のガイド部材７４はピストン７１の肩部とシリンダ本体７０に当接し、他方のガイド部材７３はロッド７２のフランジ７２ａとキャップ７７の段部７７ａに当接している。

このコイルばね７５はピストン７１を図示の初期位置に保持すると共に、パイロットバルブ６から油室７９に供給される信号圧力に応じてピストン７１が移動するように構成してある。このピストン７１の移動開始圧力及びストロークエンドでの圧力はコイルばね７５の荷重、ばね常数、ピストン７１の断面積、ピストン７１のストロークＳ５を適切に設定することにより調整できる。カバー７８にはピストン７１が図中右方へ移動したときのストロークを調整するためのねじからなるストローク調整手段８０を設けてある。なお、油圧シリンダ５と前記接続点４との間に外部信号８１により開閉される開閉弁８２が設けられる。

次に、油圧シリンダ５の作動を説明する。最初に、開閉弁８２が連通したままの場合について説明する。パイロットバルブ６を急操作して方向切換弁１１のスプール３０を図２の左方へ切り換えると、パイロットバルブ６からの信号圧力は油圧パイロットライン９、絞り１７を経た後、一部は油圧パイロットライン９ａを経て切換弁１１の油室１６へ、また、一部は油圧パイロットライン９ｂ、開閉弁８２を経て油圧シリンダ５の油室７９へ供給される。ここで、このパイロット信号圧力に対する方向切換弁１１及び油圧シリンダ５の特性を、方向切換弁１１のコイルばね３５及び油圧シリンダ５のコイルばね７５の設定により、それぞれ図６の実線Ｑ１、破線Ｑ２のように設定する。すなわち、油圧シリンダ５のピストン７１のストロ一クをＳ５とし、このＳ５だけストロークさせるのに必要な圧力を方向切換弁１１のストロークエンドとなる操作圧力に比較して低圧のＰ４とした例を示している。これは、図５に示す方向切換弁１１の切欠部２５、２６の開口面積がＡ３以下の位置で油圧シリンダ５がストロークエンドに達するよう設定した例である。

油圧シリンダ５のピストン７１が移動する過程ではパイロットバルブ６から供給される油量の一部はピストン７１の移動にも供されるので、この分スプール３０の移動に使用される油室１６への単位時間当たりの供給油量が減少する。その結果、スプール３０とバルブ本体１０との開口面積の小さな部分でのスプール３０の移動速度が遅くなり、したがって、パイロットバルブ６そのものを急操作しても方向切換弁１１のスプール３０は開口面積の比較的小さな部分でゆっくり動くのでショックが大幅に低減される。尚、回路中の絞り１７は、この面積を調整することにより図７におけるスプールの移動時間全体を調整できるので、上記油圧シリンダによる減速効果と相乗して、更にショックが軽減される。

図７に、本実施例の油圧シリンダ５を適用した場合と適用しない場合のスプール３０の移動時間と移動速度の関係を示している。油圧シリンダ５を適用した場合には、図７の破線Ｑ３の特性となる。方向切換弁１１のスプール３０の移動開始後、油圧シリンダ５のピストン７１がストロークを終えるまでの間、パイロットバルブ６から油圧パイロットライン９へ供給される油量の一部がこのピストン７１の移動にも消費されるので、短時間でスプール移動速度はいったん減速し、ピストン７１がストロークエンドに到達後、全ての油量がスプール３０の移動に利用されるので、スプールの移動速度は再度速くなる。これに対して、油圧シリンダ５の適用がない実線Ｑ４の特性では、スプール３０の移動開始後、直線的に移動速度が上昇している。油圧シリンダ５の寸法諸元は、油圧ショベル用の方向切換弁のように、１つのアクチュエータ用の２本の方向切換弁を同時合流操作する場合とは異なり、これを自由に設定できるので、方向切換弁１１の必要油量圧力特性に対し、油圧シリンダ５の圧力特性、必要油量を最適に調整できる。

図８に示すように、本発明の油圧制御装置を油圧ショベルのアームシリンダ９０の方向切換弁のアーム引き側に適用すれば、次のような効果が得られる。一般に、アームシリンダ９０での矢印９１方向へのアーム引きと、ブームシリンダ９２での矢印９３方向へのブーム上げ操作を同時に行う場合、アーム９４がその自重で一旦落下し、バケット９５の爪が地面に食い込み、ならし作業の開始点で作業が困難であった。本発明では、ブーム上げ操作に対し、アーム引き操作の始動時の速度がゆっくりとなるので、アームが一旦落下すすることがなく、油圧ショベルのならし作業の操作性が大幅に向上する。なお、油圧シリンダ５への信号通路上に図２に示す開閉弁８２を設け、外部信号８１にブーム用切換弁の上げ操作信号を用いて連通位置に切り換えれば、アーム引き操作の急操作が必要な用途と併用することができる。

本発明に係わる油圧制御装置の一実施の形態を示す油圧回路図である。 本発明に係わる油圧制御装置の方向切換弁の構造例を示す縦断側面図である。 図２の方向切換弁のスプール作動時の縦断側面図である。 図２のＸ−Ｘ線断面図である。 方向切換弁のスプールストロークと通路面積との関係を示す特性線図である。 方向切換弁のスプール及び油圧シリンダのピストンの各々のストロークと作用油圧との関係を示す特性線図である。 方向切換弁のスプール移動時間とスプール移動速度との関係を示す特性線図である。 油圧ショベルにおけるならし作業を説明する構成図である。 従来の方向切換弁駆動油圧回路の油圧回路図である。 図９の油圧回路の特性を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１、２ アクチュエータ
３ 主油圧ポンプ
５ 油圧シリンダ
６ パイロットバルブ
９、９ａ 油圧パイロットライン
１１、１２、１３ 方向切換弁
１７ 絞り
３０ スプール
３５ 方向切換弁のばね
７５ 油圧シリンダのばね
７９ 油室
８０ ストローク調整手段
８２ 開閉弁
９０ アーム操作用アクチュエータ

Claims (1)

1. 主油圧ポンプを油圧パイロットラインからの油圧パイロット圧力により操作される方向切換弁を介してアクチュエータに接続し、前記方向切換弁のスプールはばね力により中立位置に維持されると共に該スプールの端部に作用する油圧パイロット圧力により前記ばね力に抗して移動して油路開度を漸次変化するよう構成され、前記油圧パイロットラインに油圧シリンダを接続し、該油圧シリンダの油室は、これに作用するパイロット圧力の上昇に従いばね力に対抗してピストンを移動させることにより油室容量が増大するように構成され、該ピストンの移動圧力範囲を前記方向切換弁の移動圧力範囲より小さく設定し、前記方向切換弁のストローク開始圧力の近傍の圧力で前記ピストンが移動を開始し、前記方向切換弁のストロークエンドとなる圧力よりも低圧にて移動を終えるよう構成された油圧制御装置において、
   前記油圧パイロットラインには、前記油圧シリンダの接続点に対しパイロットバルブ側に絞りが設けられ、
   前記油圧シリンダの前記接続点と油圧シリンダの油室とのパイロットライン上に開閉弁を設け、該開閉弁は外部信号により開閉操作され、
   前記油圧シリンダは、シリンダ本体内に保持されたピストンと、該ピストンの一端に設けられて油室内で移動するロッドに摺動自在に嵌合された一対のガイド部材と、両ガイド部材を引き離す方向に付勢し、前記ピストンを初期位置に保持するばねと、パイロットラインから前記油室に供給される信号圧力に応じて前記ピストンが移動するように構成してなることを特徴とする油圧制御装置。

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