JP5092550B2 - 油圧駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量形油圧ポンプ（以下、可変ポンプとする）の吐出圧と複数のアクチュエータの最高負荷圧との差圧に応じて作動し、可変ポンプの吐出圧油をタンクに連通・遮断するアンロード弁を有する油圧駆動装置に関する。

従来技術、この種のアンロード弁にはポンプ圧と、複数のアクチュエータの最高負荷圧力を導くとともに、電磁比例減圧弁で制御する制御圧力を導いている。実機において、操作レバー（操作用バルブ）の操作に対しアクチュエータの応答性をよくするため、この電磁比例減圧弁の制御圧力によって予めアンロード開始圧を設定することができるようにしている。アンロード開始圧を希望の値に設定することで、予め可変ポンプの吐出流量を多くして、アクチュエータの応答性を高めている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−３１５８０５号公報

しかしながら、特許文献１では可変ポンプの吐出圧を設定するために、電磁比例減圧弁を余分に使用しており、該電磁比例減圧弁を制御するコントローラも必要であるのでコスト高になってしまう。
本発明は、電磁比例減圧弁等のバルブを追加することなく、実機操作レバーの操作に対してアクチュエータ毎に要求される特性（応答性、スピード、微操作性など）を向上させるため、予め可変ポンプの吐出圧を設定するアンロード弁を有する油圧駆動装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、可変ポンプの吐出圧と少なくとも１つのアクチュエータの最高負荷圧との差圧に応じて可変ポンプの吐出圧油をタンクに導くアンロード弁を有する油圧駆動装置において、
前記アンロード弁は、栓により両端を閉塞した弁本体に摺動自在に嵌挿された段付スプールと、前記段付スプールの小径部側と前記栓の一方との間に設けられた接触子及びばね部材と、前記栓の他方と前記段付スプールの大径部側に摺動自在に嵌挿されかつ前記栓の他方に当接するように設けられたピストンと、を備えると共に、前記弁本体に摺動自在には嵌挿された前記段付スプールの第一受圧部に作用する可変ポンプの吐出圧によって連通方向に作動し、第二受圧部に受ける最高負荷圧によって遮断方向に作動するように構成され、さらにパイロットポンプの下流に第一の固定絞りを設け、該第一の固定絞りの下流のタンクに連通する操作切換弁のストロークとの変化とともに回路の面積が連続して変化することで制御される制御圧が第三受圧部に作用して、前記操作切換弁の切換方向毎の回路の面積及び面積変化のゲインの設定により、操作切換弁の切換方向位置によって制御圧が連続して変化して可変ポンプの吐出圧の高さの度合が連続して変化することを特徴とする。
本発明によれば、操作切換弁の変位により回路の面積が連続して徐々に変化するので、制御圧とポンプ圧も徐々に高くすることができる。よって、アクチュエータ毎にあるいは、アクチュエータの作動方向毎に適した可変ポンプの吐出圧に設定でき、アクチュエータに要求される特性（応答性、スピード、微操作性など）を向上させることができる。

本発明は、作動させるアクチュエータに合わせて可変ポンプの吐出圧が設定できる。このためアクチュエータの負荷に合わせ適切な可変ポンプの吐出圧を設定できるので、該アクチュエータに要求される特性（応答性、スピード、微操作性など）を向上することができる。

以下、本発明に係る油圧駆動装置につき好適の実施の形態を挙げ、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態に係る油圧駆動装置１０の油圧回路図である。図１に示す油圧駆動装置１０は、可変ポンプ１１の吐出圧Ｐと１つのアクチュエータ１７の最高負荷圧との差圧を検出する差圧減圧弁２５に応じ可変ポンプ１１の吐出圧油をタンク１８に導くアンロード弁１４を有する。
前記アンロード弁１４は、第一受圧部２１に作用する可変ポンプ１１の吐出圧Ｐが吐出ライン１３を経て連通方向（図１で左位置）に作動し、第二受圧部２２に受ける最高負荷圧ＰＬｍａｘによって遮断方向（図１で右位置）に作動するように構成されている。図１中、参照符号２４はリリーフ弁を示す。さらに、参照符号２６は圧力補償弁を示し、操作切換弁１９の前後の差圧を補償する機能を有する。

さらに、アクチュエータ（シリンダ）１７を作動する操作切換弁１９の上流に第一の固定絞り１６を設け、該第一の固定絞り１６の下流が操作切換弁１９によってタンク１８へ連通・遮断して、制御される制御圧Ｐｕがアンロード弁１４の第三受圧部２３に作用することで遮断方向に作動することを特徴としている。
図２は、操作切換弁１９の拡大回路図を示す。図２において、図２は、操作切換弁１９の拡大回路図を示す。図２において、操作切換弁１９はスプール（図示しない）の切換位置、例えば左位置１９ａ及び右位置１９ｂには、油路面積が調整される回路２７ａ乃至２７ｃ及び２７ｄ乃至２７ｅが構成されている。前記左位置１９ａ、右位置１９ｂでは、第一の固定絞り１６の下流とタンク１８を遮断する回路２７ｄ，２７ｅを有し、中立位置では第一の固定絞り１６の下流とタンク１８を連通する回路２７ａとなっている。また、中立位置から前記左位置１９ａ、右位置１９ｂになる過渡期（ストローク中間領域）は第一の固定絞り１６の下流とタンク１８の流路面積を絞る回路２７ｂ、２７ｄとなっている。これによって、操作切換弁１９が中立のとき第一の固定絞り１６の上流側の圧力２０が一定ならアンロード弁１４の第三受圧部２３に作用する制御圧Ｐｕが操作切換弁１９の中立位置の回路２７ａから切換位置１９ａの回路２７ｂ乃至２７ｃ及び切換位置１９ｂの回路２７ｄ乃至２７ｅの流路断面積（図示せず）が連続して変化することになる。
よって、シリンダ１７を作動させる操作切換弁１９の中立位置から切換位置１９ａ，１９ｂまでストロークするとき、第三受圧部２３に作用する制御圧Ｐｕが連続して徐々に高くなり、可変ポンプ１１の吐出圧も徐々に高く設定でき、シリンダ１７に要求される特性（応答性、スピード、微操作性など）を向上することができる。

図３は、アンロード弁１４を模写的に示した構造図である。図３おいてアンロード弁１４は弁本体３２にスプール３３が摺動自在に嵌挿され、弁本体３２の両端は栓３４，３５によって液密的に封止されている。スプール３３の一側（図３で左側）には、接触子３６がばね部材３７を介して当接している。前記ばね部材３７は栓３４と接触子３６との間に設けられている。スプール３３の他側（図３で右側）にはピストン３８が摺動自在に嵌挿されている。

図３において、ピストン３８の断面積、すなわちアンロード弁１４の第一受圧部２１の断面積をＡ１、スプール３３の第二受圧部２２の断面積をＡ２，第三受圧部２３の断面積をＡ３、ばね部材３７の弾発力Ｗｓｐとすると、
アンロード弁１４の圧力ポート１３とタンクポート２８とを連通させる方向に作用する力は、 Ｐ×Ａ１・・・式１ で表わせる。
また、アンロード弁１４の圧力ポート１３とタンクポート２８とを遮断させる方向に作用する力は、（Ｐｕ×Ａ３）＋（ＰＬ×Ａ２）＋Ｗｓｐ・・・式２ で表わせる。
従って、アンロード弁１４のスプール３３における圧力バランスは、
Ｗｓｐ＋（Ｐｕ×Ａ３）＋（ＰＬ×Ａ２）＝Ｐ×Ａ１・・・式３ となるように、アンロード弁１４が制御される。なお、ＰＬは負荷圧力、Ｐｕは制御圧を表わす。
ここで、Ａ１＝Ａ２＝Ａ３とすると、
操作切換弁１９が中立時（シリンダ１７に圧油の供給がない）は、ＰＬ＝０であることより、 式３は、Ｐ＝Ｐｕ＋Ｗｓｐ／Ａ１・・・式４ となる。
よって、アンロード状態の可変ポンプ１１のポンプ圧Ｐは、制御圧Ｐｕによって、変化することがわかる。

次に制御圧Ｐｕの設定方法を図２により説明する。第一の固定絞り１６の上流側の圧力２０をＰｐとし、第一の固定絞り１６の面積をａ１、操作切換弁１９における該第一の固定絞り１６側の下流とタンク１８間の回路２７ａ乃至２７ｅの面積をａ２、タンク１８の圧力をＰｔとすると、面積ａ１，ａ２の流量はオリフィスの式より、
Ｑ＝ｃ×ａ１×√（Ｐｐ−Ｐｕ）・・・式５
Ｑ＝ｃ×ａ２×√（Ｐｕ−Ｐｔ）・・・式６で表わせる。
Ｐｔ＝０とすると、 ａ１×√（Ｐｐ−Ｐｕ）＝ａ２×√（Ｐｕ）
整理すると、Ｐｕ＝（ａ１^２）／（ａ１^２＋ａ２^２）Ｐｐ・・・式７で表わせる。
よって、第一の固定絞り１６の上流側の圧力２０をＰｐの値と第一の固定絞り１６の面積ａ１と、操作切換弁１９における該第一の固定絞り１６の下流とタンク１８間の回路２７ａ乃至２７ｅの面積との関係で、制御圧Ｐｕは決まる。

図４は操作切換弁１９（図１参照）の構造を示す要部拡大縦断面図で、該操作切換弁１９は弁本体３９のスプール穴４３（図５参照）にスプール４０が摺動自在に嵌挿されている。前記スプール４０には、第一の固定絞り１６側の下流とタンク１８（図１参照）の間の回路２７ａ乃至２７ｅの形状が例えば、図６及び図７のように形成されている。
図５では、第一の固定絞り１６側、タンク１８側の連通孔４１、４２が間隔をおいて弁本体３９に設けられ、これらの連通孔４１、４２に連通する内部環状溝４４、４５がスプール４０の外周面に臨んでスプール穴４３に設けられている。スプール４０の軸心方向には間隔をおいて対向する円錐部４６、４７が形成されている。前記円錐部４６、４７は、その最小径部が共に同径で軸部により接続しており、最大径部はスプール４０に形成された段付面４９、５０に接続している。
さらに、スプール４０の軸心方向には内部環状溝４４、４５の幅の一側端面（図５で内部環状溝４４の右側及び内部環状溝４５の左側を指す）に対して距離Ｘ１なる位置に円錐部４６、４７の最小径部が配設するようにされている。
前記円錐部４６、４７はそれぞれスプール４０の軸径よりも若干小さい軸部４９、５０を形成している。

前記円錐部４６の最大径部は円錐部４７よりも小さく、円錐部４６に形成されるスプール４０に対する傾斜角は円錐部４７より小さく形成されている。このため、例えばスプール４０が図５の右方向にストロークした場合は、スプール穴４８と円錐部４６で流路面積が形成され、ストロークの変化とともに流路面積は小さくなりかつ図６で示す中立位置のスプール穴４８とスプール軸心最小径部との隙間より面積が小さいため連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量は徐々に絞られている。逆にスプール４０が図５の左方向にストロークした場合は、スプール穴４８と円錐部４７で流路面積が形成され、ストロークの変化とともに流路面積は小さくなりかつ図５で示す中立位置のスプール穴４８とスプール軸心最小径部との隙間より面積が小さいため連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量は徐々に絞られている。また、スプール穴４８と円錐部４６で形成される流路面積よりスプール穴４８と円錐部４７で形成される流路面積の方が小さく、スプール４０が左方向にストロークした方が、連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量はより絞られていることになる。

図６では、連通孔４１、４２のそれぞれに連通し、スプール４０の軸心方向に指向するノッチ５３及び５４が間隔おいて外周部に複数個設けられ、該ノッチ５３及び５４の一端面と環状溝４４及び４５の一側端面（図６で内部環状溝４４の右側及び内部環状溝４５の左側を指す）に対して距離Ｘ１を有する。
ノッチ５３、５４は底部が傾斜面５５、５６に形成され、該傾斜面５５、５６の下方端が互いに対向して配設され、これらの下方端が環状溝５２によって接続され、該傾斜面５５、５６の上方端がスプール４０の外周面に形成されている。なお、連通孔４１、４２は間隔を設けてスプール穴４３、ノッチ５３、５４により連通している。
ノッチ５４の傾斜面５６はノッチ５３の傾斜面５５よりも傾斜角が小さく形成されている。このため、例えばスプール４０が図６の右方向にストロークした場合は、スプール穴４８とノッチ５３の傾斜面５５で流路面積が形成され、ストロークの変化とともに流路面積は小さくなりかつ図６で示す中立位置のスプール穴４８とスプール軸心最小径部との隙間より面積が小さいため連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量は徐々に絞られている。

逆にスプール４０が図６の左方向にストロークした場合は、スプール穴４８とノッチ５４の傾斜面５６で流路面積が形成され、ストロークの変化とともに流路面積は小さくなりかつ図６で示す中立位置のスプール穴４８とスプール軸心最小径部との隙間より面積が小さいため連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量は徐々に絞られている。また、スプール穴４８とノッチ５３の傾斜面５５で形成される流路面積よりスプール穴４８とノッチ５４の傾斜面５６で形成される流路面積の方が小さく、スプールが左方向にストロークした方が、連通孔４１より連通孔４２に流れる圧油の流量はより絞られていることになる

図５に示す操作切換弁１９のスプール４０に設けた回路２７ａ乃至２７ｅにおいて、第一の固定絞り１６の下流とタンク１８への流路が絞られ始めるまでの距離をＸ１とする。さらに、圧力ポートＰからシリンダ１７（図１参照）のポート（図示しない）への開口面積が開き始めるまでのストロークをＸ２とする。
ここで、Ｘ１＜Ｘ２の関係に設定すると、図７に示すように負荷圧力ＰＬは操作切換弁１９の開口面積が開き始めるＸ２から上昇し始めるのに対して、制御圧Ｐｕは操作切換弁１９のスプール４０（図５及び図６参照）の距離Ｘ１から連続して徐々に高くなり、それに伴い可変ポンプ１１のポンプ圧Ｐも距離Ｘ１から徐徐に高くなる。
よって、操作切換弁１９の開口面積の開き始めるストロークＸ２で負荷圧力ＰＬより可変ポンプ１１のポンプ圧Ｐが高くない範囲（ストロークの小さいＸ４の範囲）では、シリンダ１７はゆっくり動き、可変ポンプ１１のポンプ圧Ｐが高くなるとシリンダ１７が早く作動する。
なお、図７においてストロークが小さいＸ４の領域では、アンロード弁１４（図１参照）からの流量を逃がしてからシリンダ１７への少量供給することができる。
ストロークＸ５の領域では、負荷圧ＰＬに対し可変ポンプ１１のポンプＰが高くなりシリンダ１７が早く作動するようになる。

図８は、従前の操作切換弁の開口面積と可変ポンプの吐出圧との関係を示す説明図である。図８は、操作切換弁１９のスプール４０（図４参照）の開口面積が開き始めるまでのストロークＸ２してから負荷圧力ＰＬが上昇し、それに伴い、可変ポンプのポンプ圧Ｐが遅れて上昇するので、Ｐ＜ＰＬのストローク範囲Ｘ３の間は、シリンダ１７（図１参照）は作動しない。
図９は本発明の第二の実施の形態に係る油圧駆動装置６０の油圧回路図を示す。図９中、図１の構成要素と同一の構成要素は同一符号を付して詳細な説明を省略する。以下、同様とする。
図９の油圧駆動装置６０は、パイロットポンプ１２の下流に第一の固定絞り１６とは別に第二の固定絞り６１を設け、第二の固定絞り６１の前後の差圧Ｐｒを検出する差圧減圧弁６２を設け、前後の差圧Ｐｒを第一の固定絞り１６へ供給し、該第一の固定絞り１６の下流が操作切換弁１９によって連通・遮断することで、制御される制御圧Ｐｕがアンロード弁１４の第三受圧部２３に作用することで遮断方向に作動することを特徴する。但し、原動機Ｅの回転で可変ポンプ１１のポンプ圧Ｐが変わる。なお、参照符号６３は第二の固定絞り６１の上流側の圧力ラインを示す。

図１０は本発明の第三の実施の形態に係る油圧駆動装置７０の油圧回路図を示す。図１０の油圧駆動装置７０の特徴は、図１の油圧駆動装置１０に油圧モータ７１を付加して、該油圧モータ７１の操作を行う操作切換弁７２、圧力補償弁７３を設けている。
この油圧駆動装置７０では、操作切換弁１９及び７２の切換ストロークに応じて、予め可変ポンプの吐出圧を高め、シリンダ１７及び油圧モータ７１の要求される特性（応答性、微操作性、スピードなど）が向上する。

図１１は本発明の第四の実施の形態に係る油圧駆動装置８０の油圧回路図を示す。図１２の油圧駆動装置８０の特徴は、図９の油圧駆動装置６０に油圧モータ８１を付加して、該油圧モータ８１の操作を行う操作切換弁８２、圧力補償弁８３を設けている。

図１、図９乃至図１１の油圧駆動装置１０、６０、７０及び８０によれば、前記第一の固定絞りの断面積と前記操作切換弁によって制御されるタンクへの油路制御部の流路面積の設定条件によって、制御圧が選定可能であるので、操作切換弁が作動した際のタンクへの油路制御部の流路面積を任意に設定することで、制御圧が異なり、その結果、作動させるアクチュエータに合わせ可変ポンプの吐出圧を設定できる。また、前述の第一固定絞りの下流とタンクへの流路面積は、操作切換弁の変位により油路制御部の面積が連続して徐々に変化するので、制御圧とポンプ圧も徐々に高くすることができる。よって、アクチュエータ毎にあるいは、アクチュエータの作動方向毎に適した可変ポンプの吐出圧に設定でき、アクチュエータに要求される特性（応答性、スピード、微操作性など）を向上させることができる。

本発明の第一の実施の形態に係る油圧駆動装置の油圧回路図である。 図１に示す操作切換弁の拡大油圧回路図である。 図１のアンロード弁の概略構造図である。 図１の操作切換弁の要部拡大縦断面図である。 図４のスプールの拡大詳細図である。 図４のスプールの変形例を示す拡大詳細図である。 図１に示す操作切換弁の開口面積とアンロード弁の可変ポンプの吐出圧との関係を示す 従前の操作切換弁の開口面積と可変ポンプの吐出圧との関係を示す説明図である。 本発明の第二の実施の形態に係る油圧駆動装置の油圧回路図である。 本発明の第三の実施の形態に係る油圧駆動装置の油圧回路図である。 本発明の第四の実施の形態に係る油圧駆動装置の油圧回路図である。

符号の説明

１０、６０、７０，８０ 油圧駆動装置 １１ 可変ポンプ
１４ アンロード弁 １６、６１ 固定絞り
１９、７２、８２ 操作切換弁 ２１、２２、２３ 受圧部
２４ リリーフ弁 ２５、６２ 差圧減圧弁
２６、７３、８３ 圧力補償弁 ７１、８１ 油圧モータ

Claims (1)

1. 可変ポンプの吐出圧と少なくとも１つのアクチュエータの最高負荷圧との差圧に応じて可変ポンプの吐出圧油をタンクに導くアンロード弁を有する油圧駆動装置において、
   前記アンロード弁は、栓により両端を閉塞した弁本体に摺動自在に嵌挿された段付スプールと、前記段付スプールの小径部側と前記栓の一方との間に設けられた接触子及びばね部材と、前記栓の他方と前記段付スプールの大径部側に摺動自在に嵌挿されかつ前記栓の他方に当接するように設けられたピストンと、を備えると共に、前記弁本体に摺動自在には嵌挿された前記段付スプールの第一受圧部に作用する可変ポンプの吐出圧によって連通方向に作動し、第二受圧部に受ける最高負荷圧によって遮断方向に作動するように構成され、さらにパイロットポンプの下流に第一の固定絞りを設け、該第一の固定絞りの下流のタンクに連通する操作切換弁のストロークとの変化とともに回路の面積が連続して変化することで制御される制御圧が第三受圧部に作用して、前記操作切換弁の切換方向毎の回路の面積及び面積変化のゲインの設定により、操作切換弁の切換方向位置によって制御圧が連続して変化して可変ポンプの吐出圧の高さの度合が連続して変化することを特徴とする油圧駆動装置。

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