JP6964052B2 - 建設機械の油圧回路 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械に搭載される油圧回路に関する。

建設機械においては、走行用のアクチュエータおよび作業装置用のアクチュエータのどちらにも油圧式を採用することが一般的である。小型の建設機械の場合、両アクチュエータの圧油源をポンプ１台とした油圧回路、いわゆる「１ポンプシステム」を搭載することがある。１ポンプシステムでは、走行操作と作業装置の操作とを同時並行した場合に、ポンプ吐出流量が要求流量に対して不足し、走行速度も作業装置の動作速度も双方不充分となる可能性がある。

この点、特許文献１では、作業装置の一例としてアーム、これを作動させる油圧アクチュエータの一例としてアームシリンダを示している。１ポンプシステムが、走行操作に応じて作動する走行用方向切換弁、アーム操作に応じて作動するアーム用方向切換弁、走行用方向切換弁の上／下流間の差圧を制御する走行用圧力補償弁、および、アーム用方向切換弁の上／下流間の差圧を制御するアーム用圧力補償弁を備えている。

更に、このシステムには、操作並行時の走行負荷圧およびアーム負荷圧に基づいて走行用圧力補償弁およびアーム用圧力補償弁に制御圧を出力する制御圧出力手段が設けられている。制御圧出力手段の作用により、比較的に小負荷側の圧力補償弁の絞り量が大きくなり、比較的に大負荷側の方向切換弁を通る流量が多くなる。この制御圧出力手段は、複数の圧力補償弁それぞれに対応した複数の電磁弁によって構成されている。

特開平７−７６８６１号公報

上記システムでは、操作並行時に、比較的に大負荷のアクチュエータの速度低下を抑止できるかもしれない。しかし、複数の圧力補償弁および複数の電磁弁を要し、また、各圧力補償弁に制御圧を供給するために複雑な油路群を要する。更に、様々な操作パターンに適応した電磁弁の制御ルーチンを構築する必要もある。システム構成がハードウェア、ソフトウェア両面で複雑化するので、システムが高コストになる。

そこで本発明は、いわゆる１ポンプシステムにおいて異なる複数のアクチュエータを作動させる操作が同時に行われてもそれぞれのアクチュエータの動作速度が低下するのを抑止するにあたり、そのシステム構成を簡素なものとすることを目的とする。

本発明に係る作業用車両の油圧回路は、第１アクチュエータと、第２アクチュエータと、ポンプと、ポンプポートおよび前記第１アクチュエータに接続される一対の給排ポートを有し、前記第１アクチュエータを作動させる操作が行われると当該ポンプポートを当該給排ポートの一方に接続する第１方向切換弁と、ポンプポートおよび前記第２アクチュエータに接続される一対の給排ポートを有し、前記第２アクチュエータを作動させる操作が行われると当該ポンプポートを当該給排ポートの一方に接続する第２方向切換弁と、前記ポンプの吐出口を前記第１方向切換弁の前記ポンプポートに接続する第１ポンプラインと、前記ポンプの吐出口を前記第２方向切換弁の前記ポンプポートに接続する第２ポンプラインと、前記第２ポンプライン上に設けられた優先弁と、を備え、前記優先弁は、前記ポンプの吐出圧と前記第１アクチュエータの負荷圧との差圧が設定値よりも大きいときには前記第２ポンプラインを全開とし、前記差圧が前記設定値よりも小さいときには、当該差圧が小さくなるほど前記第２ポンプラインの開度を小さくするように構成されている。

前記構成によれば、いわゆる１ポンプシステムにおいて第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを同時に作動させる操作が行われた場合に、第１アクチュエータの負荷圧が高いと、第２アクチュエータの開度が絞られる。これにより、第２アクチュエータの状態に依らず、第１アクチュエータに供給される流量を確保でき、第１アクチュエータの作動速度の低下を抑制できる。従前のように多数の弁は不要であり、簡易なシステム構成によって、第１アクチュエータの動作速度が低下することを抑止できる。

本発明によれば、いわゆる１ポンプシステムにおいて異種のアクチュエータを作動させる操作を同時に行っても、第２アクチュエータの状態に依らず、第１アクチュエータの動作速度が低下するのを抑止するにあたり、そのシステム構成が簡素になる。

実施形態に係る油圧回路を示す回路図である。 変形例に係る油圧回路を示す回路図である。

図１は、実施形態に係る油圧回路１０を示す回路図である。図１に示す油圧回路１０は、建設機械（特に、小型の建設機械）に搭載される。詳細図示を省略するが、建設機械は、車体に取り付けられた作業装置を備え、作業装置を動作させて所要の作業が行われる。また、建設機械は、左右一対のクローラを備えた装軌車両であり、自走可能である。このような建設機械として、ショベルカー、クレーン車を例示できる。

油圧回路１０は、１以上の第１アクチュエータ１１および１以上の第２アクチュエータ１２を備える。あるいは、油圧回路１０は、建設機械に設けられた１以上の第１アクチュエータ１１および１以上の第２アクチュエータ１２を駆動する。図１では、簡略化のため、第２アクチュエータ１２を１つのみ図示する。各アクチュエータ１１，１２は油圧式である。

建設機械の運転台には、作業員によって操作される１以上の第１操作器２および１以上の第２操作器３が設けられている。１以上の第１操作器２は、１以上の第１アクチュエータ１１とそれぞれ対応する。或る第１操作器２が操作されると、これと対応する第１アクチュエータ１１が、操作方向に適応した作動方向に作動する。１以上の第２操作器３と第２アクチュエータ１２との間の関係も、これと同様である。

単なる一例として、第１アクチュエータ１１は走行用のアクチュエータであり、第２アクチュエータ１２は作業装置用のアクチュエータである。

その場合、１以上の第１アクチュエータ１１には、左クローラに備わる左起動輪１Ｌを駆動する左走行モータ１１Ｌ、および、右クローラに備わる右起動輪１Ｒを駆動する右走行モータ１１Ｒが含まれる。各第１アクチュエータ１１は、両方向（前進方向および後進方向）に回転可能な油圧モータであり、一対の給排ポート１１ａ，１１ｂを備える。

建設機械がショベルカーの場合、１以上の第２アクチュエータ１２には、運転台と共に作業装置を旋回させる旋回モータ、作業装置に備わるアームを駆動させるアームシリンダ、作業装置に備わるバケットを駆動させるバケットシリンダなどが含まれる。図１では、第２アクチュエータ１２の一例として、２つの給排ポート１２ａ，１２ｂを備えた複動型油圧シリンダを示している。

１以上の第１操作器２には、左走行モータ１１Ｌひいては左起動輪１Ｌを前進方向または後進方向に回転させる左走行操作器２Ｌ、および、右走行モータ１１Ｌひいては右起動輪１Ｒを前進方向または後進方向に回転させる右走行操作器２Ｒが含まれる。例えば、走行用の第１操作器２はペダル式、作業装置用の第２操作器３はレバー式である。これにより、作業員は、手足を使って第１操作器２と第２操作器３とを同時に操作することを許容されている。

建設機械は、油圧回路１０に付設される制御装置を搭載していてもよい（換言すれば、建設機械は、油圧回路１０とこれに付設される制御装置とを備えた油圧システムを搭載していてもよい）。制御装置は、各操作器２，３の操作量および／または操作方向を検出するセンサの出力に応じて、油圧回路１０を構成する油圧部品の動作を電子制御してもよい。

油圧回路１０は、ポンプ１３、タンク１４、第１ポンプライン１５、第２ポンプライン１６、タンクライン１７、１以上の第１方向切換弁２１、１以上の圧力補償弁２２、一対または複数対の第１給排ライン２３，２４、１以上の第２方向切換弁３１、走行優先弁３２、および、一対または複数対の第２給排ライン３３，３４を備えている。

ポンプ１３は、タンク１４に溜められている作動油を吸い込み、その吐出口１３ａより圧油を吐出する。ポンプ１３は、アクチュエータ１１，１２の圧油源である。

１つの第１方向切換弁２１、１つの圧力補償弁２２、一対の第１給排ライン２３，２４および１つの第１アクチュエータ１１が、１モジュールを構成している。各モジュールにおいて、第１方向切換弁２１は、ポンプポート２１ｐおよび一対の給排ポート２１ａ，２１ｂを有する。ポンプポート２１ｐは、第１ポンプライン１５を介してポンプ１３の吐出口１３ａと接続されている。給排ポート２１ａは、給排ライン２３を介し、対応する第１アクチュエータ１１の給排ポート１１ａと接続され、給排ポート２１ｂは、給排ライン２４を介し、対応する第１アクチュエータ１１の給排ポート１１ｂと接続されている。第１方向切換弁２１はタンクポート２１ｔを更に有し、タンクポート２１ｔはタンクライン１７を介してタンク１４と接続されている（後述する他のタンクポートも同様）。

第１アクチュエータ１１を作動させる操作が行われると、ポンプポート２１ｐは給排ポート２１ａ，２１ｂのいずれかと接続される。この「接続」には、第１方向切換弁２１内で完結するポート間連通だけでなく、第１方向切換弁２１外の油路を介した接続も含まれる。

この点、本実施形態では、第１方向切換弁２１が、一次ポート２１ｑおよび二次ポート２１ｒを更に有している。各モジュールにおいて、第１方向切換弁２１の一次ポート２１ｑは、第１方向切換弁２１の外に配設される一次補償ライン２５を介し、対応する圧力補償弁２２の一次ポート２２ａと接続される。圧力補償弁２２の二次ポート２２ｂは、第１方向切換弁２１の外に配設される二次補償ライン２６を介し、対応する第１方向切換弁２１の二次ポート２１ｒと接続される。第１アクチュエータ１１を作動させる操作が行われると、ポンプポート２１ｐは、操作方向に関わらず第１方向切換弁２１内で一次ポート２１ｑと連通する。二次ポート２１ｒは、操作方向に応じて第１方向切換弁２１内で操作方向に応じて給排ポート２１ａ，２１ｂのいずれか一方と連通する。ポンプポート２１ｐは、一次ポート２１ｑ、対応する一次補償ライン２５、対応する圧力補償弁２２、対応する二次補償ライン２６、および二次ポート２１ｒを介して、給排ポート２１ａ，２１ｂのいずれか一方に接続される。

第２ポンプライン１６は第１ポンプライン１５から分岐している。優先弁３２が第２ポンプライン１６上に設けられている。第２ポンプライン１６は、第１ポンプライン１５を優先弁３２の入口ポート３２ａに接続する上流部１６ａ、および、優先弁３２の出口ポート３２ｂに接続された下流部１６ｂを含む。

１つの第２方向切換弁３１、一対の第２給排ライン３３，３４および１つの第２アクチュエータ１２が、１モジュールを構成している。各モジュールにおいて、第２方向切換弁３１は、ポンプポート３１ｐおよび一対の給排ポート３１ａ，３１ｂを有する。ポンプポート３１ｐは、第２ポンプライン１６の下流部１６ｂを介して優先弁３２の出口ポート３２ｂと接続されている。別の言い方では、第２ポンプライン１６は、第１ポンプライン１５から分岐し、第２方向切換弁３１のポンプポート３１ｐに接続されている。給排ポート３１ａは、第２給排ライン３３を介して第２アクチュエータ１２の給排ポート１２ａに接続され、給排ポート３１ｂは、第２給排ライン３４を介して第２アクチュエータ１２の給排ポート１２ｂに接続されている。第２アクチュエータ１２が複動型油圧シリンダの場合には、給排ライン３３，３４のうちロッド側油室と接続されるものに、ポペットが介在していたり、タンク１４から作動油を逆流させるラインが接続されていたりしてもよい。

優先弁３２は、ポンプ１３の吐出圧と第１アクチュエータ１１の負荷圧との差圧が設定値よりも大きいときに、第２ポンプライン１６を全開とするように構成されている。また、優先弁３２は、差圧が設定値よりも小さいときに、当該差圧が小さくなるほど第２ポンプライン１６の開度を小さくするように構成されている。ここで「差圧」は、ポンプ１３の吐出圧から第１アクチュエータ１１の負荷圧を引くことで得られる圧力値である。概略的にいえば、第１アクチュエータ１１の負荷圧が高くなれば、優先弁３２の作用で第２ポンプライン１６が絞られる。

本実施形態では、このような作用を発揮する優先弁３２を機械的および油圧的に構成しており、優先弁３２の動作に極力電子制御を介入させないようにしている。例えば、優先弁３２は、第２ポンプライン１６の開度を変更する弁体、弁体を閉じ方向に付勢するスプリング３２ｃを備える。「設定値」は、このスプリング３２ｃによって発揮されるバネ力によって調整される。弁体には、第２ポンプライン１６の上流部１６ａを流れる作動油の油圧（すなわち、ポンプ１３の吐出圧）が、開き方向に作用する。一方、弁体には、第１アクチュエータ１１の負荷圧が閉じ方向に作用する。負荷圧を優先弁３２に供給するため、優先弁３２は、信号圧供給ライン１８を介して二次補償ライン２６と接続されている。信号圧供給ライン１８は、二次補償ライン２６から分岐し、優先弁３２に接続されている。これにより、二次補償ライン２６を流れる作動油圧が、第１アクチュエータ１１の負荷圧として優先弁３２に供給される。第１アクチュエータ１１が複数の場合、信号圧供給ライン１８は、複数の二次補償ライン２６それぞれから延びる複数の分岐部１８ａ、および、複数の分岐部１８ａが集合されて１系統となって優先弁３２に接続される共通部１８ｂを含む。図では、優先弁３２の中立状態（ポンプ１３の停止状態）において第２ポンプライン１６が閉止される様子を示すが、これは単なる一例であり、第２ポンプライン１６が小さな開度で開放されていてもよい。

上記のように構成される油圧回路１０の動作について説明する。第１方向切換弁２１は、３位置方向切換弁である。第１操作器２の操作に応じて弁位置を変え、ポートの連通状態（ファンクション）を切り換える。この切換えには、制御圧が用いられてもよいし、電子制御が用いられてもよい（第２方向切換弁３１も同様）。

第１操作器２が非操作であれば、第１方向切換弁２１は中立位置に位置付けられる（図１の中央ファンクションを参照）。一対の給排ポート２１ａ，２１ｂはどちらもタンクポート２１ｔと接続され、残余の３ポート２１ｐ、２１ｑ，２１ｒがブロックされる。そのため、第１アクチュエータ１１への圧油供給が停止し、第１アクチュエータ１１が停止し、起動輪１は停止する。

第１操作器２が第１方向に操作されれば、第１方向切換弁２１が第１位置（図１の上ファンクション参照）に位置付けられ、ポンプポート２１ｐが一次ポート２１ｑと接続され、二次ポート２１ｒが給排ポート２１ｂと接続され、タンクポート２１ｔが給排ポート２１ａと接続される。ポンプ１３からの圧油は、圧力補償弁２２を介し、第１アクチュエータ１１の給排ポート１１ｂに供給される。一例として、起動輪１は車両を前進させる前進方向（左側面視で反時計回り）に回転する。

第１操作器２が第２方向に操作されれば、第１方向切換弁２１が第２位置（図の下ファンクション参照）に位置付けられ、ポンプポート２１ｐが一次ポート２１ｑと接続され、二次ポート２１ｒが給排ポート２１ａと接続され、タンクポート２１ｔが給排ポート２１ｂと接続される。ポンプ１３からの圧油が、圧力補償弁２２を介し、第１アクチュエータ１１の給排ポート１１ａに供給される。一例として、起動輪１は車両を後進させる後進方向（左側面視で時計回り）に回転する。

第１操作器２の操作方向に関わらず、第１操作器２が操作されれば、ポンプポート２１ｐは一次ポート２１ｑと連通する。ポンプ１３からの圧油は、（第１方向切換弁２１を一旦通り抜けて）一次補償ライン２５、圧力補償弁２２および二次補償ライン２６を介し、第１方向切換弁２１の二次ポート２１ｒに入力される。よって、第１アクチュエータ１１の負荷圧（二次補償ライン２６における油圧、圧力補償弁２２の二次圧）が、優先弁３２に供給される。これにより、優先弁３２の弁体はスプリングの付勢力も相まって閉じ方向に付勢される。

他方、第１操作器２が非操作であれば、負荷圧が優先弁３２に供給されない。ポンプ１３からの圧油は、第２ポンプライン１６の上流部１６ａに供給される。その上流部１６ａを流れる作動油圧（すなわち、ポンプ１３の吐出圧）が優先弁３２の弁体に作用する。ポンプ１３の吐出圧と負荷圧との差圧は、スプリングのバネ力によって調整される設定値を超え、そのため、優先弁３２は全開となる。ポンプ１３からの圧油は、上流部１６ａ、優先弁３２および下流部１６ｂを介して第２方向切換弁３１に供給される。

第２方向切換弁３１は、３位置方向切換弁である。第２操作器３の操作に応じて弁位置が変わり、ポートの連通状態（ファンクション）が切り換わる。

第２操作器３が非操作であれば、第２方向切換弁３１は中央位置に位置付けられ、４ポート３１ａ，３１ｂ，３１ｐ，３１ｔがブロックされる。第２アクチュエータ１２への圧油供給は停止し、第２アクチュエータ１２が停止する。第２操作器３が第１方向に操作されれば、第２方向切換弁３１は第１位置（図１の上ファンクション参照）に位置付けられる。ポンプポート３１ｐが給排ポート３１ａと接続され、タンクポート３１ｔが給排ポート３１ｂと接続される。ポンプ１３からの圧油が第２アクチュエータ１２の給排ポート１２ａに供給され、作業装置が一方向に作動する。第２操作器３が第２方向に操作されれば、第２方向切換弁３１は第２位置（図１の下ファンクション参照）に位置付けられ、ポンプポート３１ｐが給排ポート３１ｂと接続され、タンクポート３１ｔが給排ポート３１ａと接続される。ポンプ１３からの圧油が第２アクチュエータ１２の給排ポート１２ｂに供給され、作業装置は前記一方向とは反対方向に作動する。

第１操作器２と第２操作器３とが同時に操作されると、第１方向切換弁２１についても第２方向切換弁３１についても、その弁位置が中立位置から切り換わる。第１方向切換弁２１の弁位置が中立位置から切り換わることで、第１アクチュエータ１１の負荷圧が信号圧供給ライン１８を介して優先弁３２に供給される。本例では、優先弁３２の弁体に、ポンプ１３の吐出圧が開き方向に作用する一方、スプリング３２ｃのバネ力と第１アクチュエータ１１の負荷圧とが閉じ方向に作用する。ポンプ１３の吐出圧と第１アクチュエータ１１の負荷圧との差圧が（スプリングのバネ力によって調整される）設定値よりも小さいときには、弁体の位置によって定義される第２ポンプライン１６の開度が小さくなる。

これにより、第１アクチュエータ１１の負荷が大きいほど、優先弁３２において設定される第２ポンプライン１６の絞り量が大きくなる。これにより、第１方向切換弁２１ひいては第１アクチュエータ１１に流れる流量が優先的に確保される。そのため、負荷が高い比較的に大負荷側となる第１アクチュエータ１１の動作速度の低下を抑制できる。

本実施形態では、第１アクチュエータ１１が走行モータであり、第２アクチュエータ１２が作業装置用の油圧アクチュエータである。走行操作と作業装置の操作とが同時に行われた場合に、走行速度と作業装置の動作速度との双方が低下することを抑止でき、走行速度を高く維持することができる。

このように、いわゆる１ポンプシステムにおいて、異種のアクチュエータの動作速度が双方低下することを抑止できる。本実施形態では、その実現に、第１操作器２の操作量、第２操作器３の操作量、第１アクチュエータ１１の負荷圧および第２アクチュエータ１２の負荷圧の電気的な検出を要さず、そのため、これらパラメータの検出結果を参照した複雑な弁制御も要しない。代わりに、第１ポンプライン１５から分岐された第２ポンプライン１６上に第２ポンプライン１６の開度を変更する優先弁３２を１つ設け、その優先弁３２に制御圧として第１アクチュエータ１１の負荷圧を供給する信号圧供給ライン１８を設けている。この構成により、操作並行時に両アクチュエータの動作速度が低下することを抑止可能なシステムを、簡素に構成できる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。
図２に変形例に係る油圧回路１０Ａを示すとおり、圧力補償弁２２（図１も参照）は省略可能である。圧力補償弁２２を省略した場合、第１方向切換弁２１の構造は、図２に示す変形例のように上記実施形態と同じでもよく、また、変更されてもよい。第１方向切換弁２１が上記実施形態と同様構造の場合、一次補償ライン２５および二次補償ライン２６（図１も参照）に代えて、接続油路２５Ａが一次ポート２１ｑを二次ポート２１ｒに接続する。信号圧供給ライン１８は、この接続油路２５Ａから分岐して優先弁３２に接続される。接続油路２５Ａを流れる油圧が、第１アクチュエータ（走行モータ）の負荷圧として優先弁３２に供給される。この変形例においても、操作並行時に走行速度と作業装置の動作速度との双方が低下することを抑止でき、走行速度を高く維持できる。

第１アクチュエータは作業装置用のアクチュエータでもよく、第２アクチュエータは走行用のアクチュエータでもよい。その場合、操作並行時において、作業装置用のアクチュエータの負荷圧が高いときに、作業装置用のアクチュエータへの流量が優先的に確保され、作業装置の動作速度を高く維持できる。

１０ 油圧回路
１１ 第１アクチュエータ
１２ 第２アクチュエータ
１３ ポンプ
１５ 第１ポンプライン
１６ 第２ポンプライン
１８ 信号圧供給ライン
２１ 第１方向切換弁
２１ａ，２１ｂ 給排ポート
２１ｐ ポンプポート
２１ｑ 一次ポート
２１ｒ 二次ポート
２２ 圧力補償弁
２６ 二次補償ライン
３１ 第２方向切換弁
３１ａ，３１ｂ 給排ポート
３１ｐ ポンプポート
３２ 優先弁

Claims (3)

1. 第１アクチュエータと、
   第２アクチュエータと、
   ポンプと、
   ポンプポートおよび前記第１アクチュエータに接続される一対の給排ポートを有し、前記第１アクチュエータを作動させる操作が行われると当該ポンプポートを当該給排ポートの一方に接続する第１方向切換弁と、
   ポンプポートおよび前記第２アクチュエータに接続される一対の給排ポートを有し、前記第２アクチュエータを作動させる操作が行われると当該ポンプポートを当該給排ポートの一方に接続する第２方向切換弁と、
   前記ポンプの吐出口を前記第１方向切換弁の前記ポンプポートに接続する第１ポンプラインと、
   前記ポンプの吐出口を前記第２方向切換弁の前記ポンプポートに接続する第２ポンプラインと、
   前記第２ポンプライン上に設けられた優先弁と、を備え、
   前記優先弁は、前記ポンプの吐出圧と前記第１アクチュエータの負荷圧との差圧が設定値よりも大きいときには前記第２ポンプラインを全開とし、前記差圧が前記設定値よりも小さいときには、当該差圧が小さくなるほど前記第２ポンプラインの開度を小さくするように構成されている、建設機械の油圧回路。
2. 前記第１アクチュエータに対応して設けられる圧力補償弁を更に備え、
   前記第１方向切換弁が、前記圧力補償弁の一次側と接続される一次ポート、および、前記圧力補償弁の二次側と二次補償ラインを介して接続される二次ポートを更に有し、
   前記第１アクチュエータを作動させる操作が行われると、前記第１方向切換弁の前記ポンプポートが前記一次ポートと連通すると共に前記二次ポートが前記第１方向切換弁の前記給排ポートの一方と連通し、前記ポンプポートが前記一次ポート、前記圧力補償弁および前記二次ポートを介して前記給排ポートの一方に接続され、
   前記優先弁は、信号圧供給ラインを介して前記二次補償ラインと接続され、前記二次補償ラインを流れる作動油圧が前記第１アクチュエータの負荷圧として前記優先弁に供給される、請求項１に記載の建設機械の油圧回路。
3. 前記第１アクチュエータが走行用のアクチュエータであり、前記第２アクチュエータが作業装置を作動させるためのアクチュエータである、請求項１または２に記載の建設機械の油圧回路。

Images