JP4703419B2 - 油圧アクチュエータ用制御回路 - Google Patents

Description

この発明は、パワーショベルのブームや、アーム、走行モーターなどの油圧アクチュエータを制御する制御回路に関する。

油圧ショベルなどの建設機械の油圧アクチュエータを制御する回路として、特許文献１に示すような回路がある。このような回路では、メインの油圧ポンプとアクチュエータとの間に制御弁を設け、この制御弁の切り換え位置によって、メインポンプからアクチュエータへ供給する圧油の供給量や方向を制御するようにしている。
また、上記メインポンプからアクチュエータヘ作動油を供給する供給通路とは別に、パイロット通路を設け、パイロット通路中に設けた操作レバーの操作量に応じて、パイロット通路に発生するパイロット圧をパイロット室へ導いて、上記制御弁を切り換えるようにしている。
そして、上記パイロット通路には、制御弁のパイロット室へ導くパイロット圧力源として、アクチュエータへ作動流体を供給するメインのポンプとは別のパイロット用ポンプを接続している
特開２００３−４９８１０号公報

上記回路では、制御弁を切り換えるためのパイロット圧力源として、アクチュエータへ作動流体を供給するための作動流体用のメインポンプとは別の、パイロット用ポンプを用いている。
このように２台のポンプを用いるため、２台のポンプを駆動する駆動源が必要であり、その分のエネルギーが必要である。

この発明の目的は、省エネルギー化を実現するために、パイロット圧力源用として専用のポンプを不要にした油圧アクチュエータ用制御回路を提供することである。

第１の発明は、ポンプと、このポンプに接続した供給通路と、この供給通路に接続し、アクチュエータに供給する作動流体の方向および量を制御する制御弁とを備え、全ての制御弁が中立位置を保っているとき、ポンプからの吐出流体が、供給通路から分岐したブリードオフ通路に設けたブリードオフ弁を経由してタンクへ導かれ、いずれかの制御弁を中立位置以外の位置に切り換えたとき、切り換えた制御弁に接続されたアクチュエータへ作動流体が供給される構成にした油圧アクチュエータ用制御回路において、各制御弁を直列に接続し、各制御弁へパイロット一次圧を導くためのパイロット一次圧通路と、各制御弁に接続したアクチュエータの負荷圧のうち最高負荷圧を選択する高圧選択回路と、上記ブリードオフ通路におけるブリードオフ弁の下流側と上記高圧選択回路とを接続する接続路とを備え、上記接続路の中間には上記パイロット一次圧通路を接続するとともに、上記各制御弁が中立状態のときには、上記ブリードオフ通路に圧力を発生させ、その圧力を上記接続路を介して上記パイロット一次圧通路へ導くパイロット圧力源とする一方、上記制御弁を切り換えてアクチュエータを制御するとともに上記ブリードオフ弁によってブリードオフ通路を遮断したときには、上記高圧選択回路の圧力を上記接続路を介してパイロット一次圧通路へ導くパイロット圧力源とする構成にした点に特徴を有する。

第２の発明は、第１の発明を前提とし、上記ブリードオフ弁の下流側にリリーフ弁を設けるとともに、このリリーフ弁を迂回してタンクへ連通する迂回路と、この迂回路に設けた第１開閉弁と、上記接続路と上記高圧選択回路との間に設けた第２開閉弁とを備え、上記各制御弁が中立状態のときには、上記第１開閉弁を閉位置に保つことよって迂回路を閉じ、上記ブリードオフ通路に上記リリーフ弁の設定圧に基づく圧力を発生させ、その圧力をパイロット圧力源とする一方、上記制御弁の切り換えに応じてブリードオフ通路を遮断するまでの所定のタイミングで、上記第２開閉弁を開位置にして上記接続路を介して上記高圧選択回路とパイロット一次圧通路とを連通させ、高圧選択回路の圧力を、減圧弁を介して減圧してパイロット圧力源とする構成にした点に特徴を有する。

第１および第２の発明では、アクチュエータ用の制御弁を制御するためのパイロット圧力源として、中立時には、ブリードオフ通路を流れる流量を利用して発生させた圧力を利用し、制御弁を切り換えてアクチュエータを制御している時には、アクチュエータの負荷圧を利用するようにしている。そのため、パイロット圧力源として専用のポンプを設ける必要がない。
従って、パイロット用ポンプの駆動源を必要とせず、従来のように２台のポンプを用いる場合と比べて、省エネルギー化ができる。
特に、アクチュエータの負荷圧をパイロット圧力源として有効利用することができるため、さらに省エネルギー化ができる。

図１は、この発明の一実施形態である油圧ショベル用の制御回路である。
この制御回路Ｃは、図１に示すようにモーターＭで駆動するポンプＰに、ポンプ通路１を接続するとともに、このポンプ通路１の下流には、走行用モーター２、バケットシリンダ３、ブームシリンダ４を設けている。なお、上記走行用モーター２、バケットシリンダ３およびブームシリンダ４が、この発明の油圧アクチュエータに相当する
また、ポンプ通路１を、戻り通路５に接続する連通路５ａと供給通路６とに分岐させている。そして、上記供給通路６からさらに分岐する通路６ａ，６ｂと、供給通路６には、それぞれ上記走行用モーター２を制御するモーター用の制御弁７、バケットシリンダ３を制御するバケット用の制御弁８、ブームシリンダ４を制御するブーム用の制御弁９を接続している。

なお、上記制御弁７は、通路１２ａ，１２ｂによってモーター２のポート２ａ，２ｂに接続し、制御弁８は、通路１３ａ，１３ｂによってバケットシリンダ３のポート３ａ，３ｂに接続し、制御弁９は、通路１４ａ、１４ｂによってブームシリンダ４のポート４ａ，４ｂに接続している。
そして、上記各制御弁７，８，９のそれぞれを、図示の中立位置から左右の切り換え位置に切り換えたとき、切り換わる制御弁に接続されたアクチュエータが、駆動制御されるようにしている。

また、上記供給通路６からは、ブリードオフ通路１１を分岐させ、そこには、ブリードオフ弁１０を設けている。そして、このブリードオフ弁１０の下流側には、リリーフ弁１５を接続するとともに、分岐点Ａから、上記リリーフ弁１５を迂回してタンクＴへ連通する迂回路１１ａを設け、この迂回路１１ａにはこの発明の第１開閉弁１６を設けている。なお、上記リリーフ弁１５の設定圧をＰｒとする。

従って、上記ブリードオフ弁１０が、図示の開位置にあって、第１開閉弁１６も開位置にあるとき、ポンプＰの吐出流体は、ブリードオフ弁１０および第１開閉弁１６を介してタンクＴへ戻される。一方、ブリードオフ弁１０が開位置であって、第１開閉弁１６が閉位置の時には、リリーフ弁１５の上流側圧力は、このリリーフ弁１５の設定圧Ｐｒに制御され、その設定圧Ｐｒに応じた流量がブリードオフ通路１１を通過することになる。
ただし、上記各アクチュエータへ供給する必要流量を確保するため、この実施形態では、いずれかの制御弁７，８，９を切り換えるときには、ブリードオフ弁１０を閉じ位置に切り換えるようにしている。

なお、上記各制御弁７，８，９およびブリードオフ弁１０は、それぞれ電磁油圧パイロット切り換え式のスプール弁であり、パイロット一次圧通路１７また１８に発生する一次圧を、電磁弁７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃで制御し、制御したパイロット圧をそれぞれのパイロット室７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂ、９ａ，９ｂ、１０ａへ導いてスプール位置を切り換えるようにしている。ただし、上記ブリードオフ弁１０は、ドレン室１０ｂ側にスプリング１０ｄを設け、中立状態で図示の開位置を保つようにしている。
また、上記パイロット一次圧通路１７、１８にパイロット圧力源となる一次圧を発生させる作用については、後で詳しく説明する。

そして、上記制御弁７，８，９およびブリードオフ弁１０を制御するためには、図示しない操作レバーなどの操作手段を介して電磁弁７ｃ，８ｃ，９ｃ，１０ｃを制御するようにしている。
例えば、制御弁７の一方のパイロット室７ａにパイロット圧を導いて、この制御弁７を図示の状態から左側の切り換え位置に切り換える場合には、パイロット一次圧通路１７に発生した一次圧を、電磁弁７ｃで制御し、そのパイロット圧をパイロット室７ａに導くようにする。このパイロット圧が、他方のパイロット室７ｂ側からの押圧力に打ち勝てば、左側の切り換え位置に切り換わる。反対に、パイロット一次圧通路１８の一次圧を電磁弁７ｃで制御してパイロット室７ｂへ導けば、制御弁７を図示の右側の切り換え位置に切り換えることができる。要するに、各制御弁は、スプールの両側に作用するスプリング力およびパイロット圧による両方向の押圧力がバランスする位置に切り換わることになる。

そして、この制御弁７が、図示の中立位置から、左右の切り換え位置に切り換わると、ポンプＰの吐出流体が、供給通路６から分岐した通路６ａから制御弁７を介して、アクチュエータである走行用モーター２へ供給される。そして、モーター２からの戻り流体が制御弁７を介して戻り通路５へ戻され、モーター２を駆動することができる。

同様にして他の制御弁８，９を、切り換えることができる。
そして、制御弁８を切り換えた場合には、通路６ｂから、制御弁８を介した作動流体が、バケットシリンダ３へ供給され、バケットシリンダ３からの戻り流体が、制御弁８を介して戻り通路５を経由し、タンクＴへ戻される。
また、制御弁９を制御すれば、それに接続されたブームシリンダ４を制御することができる。
同様に、ブリードオフ弁１０を制御すれば、供給通路６の総流量を制御することができる。

一方、上記モーター２、バケットシリンダ３、ブームシリンダ４に接続された全ての通路１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ、１４ａ，１４ｂには、これら全通路中の最高圧を選択する高圧選択回路１９を接続している。この高圧選択回路１９では、各アクチュエータに接続された一対の通路から負荷圧が選択され、結果として、全アクチュエータの最高負荷圧を選択することになる。

また、上記高圧選択回路１９と、上記ブリードオフ通路１１とを接続する接続路２０を設け、この接続路２０中の接続点Ｂに、上記パイロット一次圧通路１７，１８を接続している。また、接続路２０と上記高圧選択回路１９との間に、この発明の第２開閉弁２１と、減圧弁２２、チェック弁２３を図示の順に接続し、上記減圧弁２２の設定圧をＰｄとする。
そして、上記第１開閉弁１６および第２開閉弁２１は、それぞれ、外部信号によって切り換わるようにしている。

具体的には、走行用モーター２を駆動させる前に、作業者がブレーキを解除したときに出力されるブレーキ解除信号や、他の制御弁８，９を切り換えるために操作レバーの操作を開始したときの操作信号に連動して、第１開閉弁１６を閉位置に切り換えるための制御信号が、図示しないコントローラから出力されるようにする。
また、上記コントローラは、ブリードオフ弁１０が完全に閉位置に切り換わったことを検出したら、その検出に連動して上記第２開閉弁２１を開位置に切り換えるための制御信号を出力するようにする。

反対に、ブリードオフ弁１０が開位置に切り換わっていて、全ての制御弁７，８，９が中立位置になり、しかも、ブレーキが掛かったときには、上記第１開閉弁１６には、図示の開位置に切り換えるための制御信号を入力し、第２開閉弁２１には、閉位置に切り換える制御信号を入力するようにしている。
また、この実施形態では、上記リリーフ弁１５の設定値Ｐｒと減圧弁２２の設定圧Ｐｄとの関係を、Ｐｒ＞Ｐｄとする。

さらに、上記通路１４ａには、ロック弁２４を設けている。このロック弁２４は、ブーム位置を保持したいときに、ポート４ａから流体が漏れることを防止するためのものであり、制御弁９からポート４ａへの流れのみを許容し、逆流を制限する弁である。ただし、ブームを収縮させる際など、必要な場合には、外部信号によって開き、逆流を許容できる。
なお、図中、符号２５は、フィルターである。また、符号２６はメインリリーフ弁であり、ポンプ通路１がその設定圧を超えるような高圧にならないようにしている。

以下に、この実施形態の作用を説明する。
いずれのアクチュエータも、動作させる必要がないときには、図１に示すように、上記各制御弁７，８，９のそれぞれを中立位置に保ち、ブリードオフ弁１０および第１開閉弁１６を開位置、第２開閉弁２１を閉位置に保つようにする。このように、全ての制御弁７，８，９が中立位置にあるとき、ポンプＰが吐出したスタンバイ流量を、ブリードオフ弁１０から第１開閉弁１６を介してタンクＴに還流させる。この状態では、ブリードオフ通路１１の分岐点Ａ、つまり、リリーフ弁１５の上流側の圧力はほぼタンク圧である。

この状態から、上記制御弁７，８，９のいずれかを切り換える必要があるとき、すなわち、モーター２、バケットシリンダ３およびブームシリンダ４のいずれか１または複数を制御したいときには、上記制御弁７，８，９を切り換えるためのパイロット圧が必要である。
例えば、制御弁７を切り換えて走行モーター２を駆動させようとした場合、作業者は、ブレーキを解除するので、このブレーキ解除信号に連動して、上記第１開閉弁１６が図示の状態から閉位置に切り換わる。その結果、ブリードオフ通路１１とタンクＴとの接続が、一端遮断される。

ブリードオフ通路１１が、タンクＴへの接続を遮断された状態で、ポンプＰから流体が吐出されると、ブリードオフ通路１１内の圧力が高くなる。その圧力がリリーフ弁１５の設定圧Ｐｒを超えた場合には、このリリーフ弁１５が開いて、ブリードオフ通路１１を上記設定圧Ｐｒに保つ。
一方、このブリードオフ通路１１の圧力は、上記接続路２０、接続点Ｂを介してパイロット一次圧通路１７，１８に作用する。従って、上記リリーフ弁１５によって制御された圧力をパイロット一次圧、すなわち、パイロット圧力源として、制御弁７，８，９およびブリードオフ弁１０を切り換えることができる。

上記のようにして、ブリードオフ通路１１の圧力をパイロット圧力源として利用し、制御弁７，８，９およびブリードオフ弁１０を制御することにより、アクチュエータの速度を制御することができる。
そして、ブリードオフ弁１０を閉位置に切り換えると、ブリードオフ通路１１には、流体の流れがなくなるので、分岐点Ａ、つまり、ブリードオフ通路１１の圧力を上記リリーフ設定圧Ｐｒに保つことができなくなる。そこで、上記ブリードオフ弁１０を完全に閉じ位置に切り換える前あるいは同時に、上記高圧選択回路１９と接続路２０との間に設けた第２開閉弁２１を開位置に切り換える。

このように、第２開閉弁２１を開位置に切り換えたときには、その前に、制御弁７，８，９が中立位置以外に切り換わっている。つまり、走行モーター２、バケットシリンダ３、ブームシリンダ４のいずれかを制御していることになり、負荷圧が発生しているはずである。
従って、上記高圧選択回路１９は、各アクチュエータであるモーター２、バケットシリンダ３、ブームシリンダ４に接続した通路１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ、１４ａ，１４ｂから最高負荷圧を選択し、その最高負荷圧は、第２開閉弁２１を介して接続路２０に作用する。

接続路２０では、上記減圧弁２２により、上記最高負荷圧がリリーフ設定圧Ｐｄまで下げられ、この設定圧Ｐｄが、接続点Ｂに接続したパイロット一次圧通路１７，１８のパイロット圧力源として機能する。
なお、この実施形態では、リリーフ弁１５と減圧弁２２の設定圧力Ｐｒ、Ｐｄの関係をＰｒ＞Ｐｄとしているため、第２開閉弁２１を開位置に切り換えているときに、接続路２０の圧力Ｐｄが、リリーフ弁１５の上流側の分岐点Ａに作用してリリーフ弁１５が開いてしまうことはない。つまり、アクチュエータ側の流体が、高圧選択回路１９、接続路２０およびリリーフ弁１５を介してタンクＴへ流れてしまう心配はない。

ただし、上記接続路２０において、接続点Ｂと分岐点Ａとの間に、分岐点Ａから接続点Ｂ方向の流れのみを許容するチェック弁を設ければ、上記リリーフ弁１５と、減圧弁２１の設定圧との関係を上記のようにしなくても、アクチュエータから上記リリーフ弁１５を介してタンクＴへ流体が流れることはない。

以上のように、この実施形態の回路では、スタンバイ状態では、ブリードオフ通路１１を通過する流体を利用して発生させた圧力をパイロット圧力源とし、ブリードオフ通路１１の流れが遮断されたときには、アクチュエータの負荷圧をパイロット圧力源とするようにしている。
そのため、従来例の回路のように、制御弁を制御するためのパイロット圧力源としてのポンプを、流体供給用ポンプと別に設ける必要がなく省エネルギー化できる。しかも、アクチュエータ負荷圧をパイロット圧力源として有効利用できるので、さらに省エネルギー化を実現できる。

なお、上記実施形態では、パイロット圧力源を、ブリードオフ通路１１の圧力から負荷圧に切り換えるタイミングを制御弁によってアクチュエータの制御が開始したときとしているが、上記切り換えタイミングはこれに限らない。いずれかの制御弁７，８，９が制御されていても、高圧選択回路１９が選択する最高負荷圧が、パイロット圧力源として十分な圧力に達していない場合には、ブリードオフ弁１０を開位置に保って、ブリードオフ通路１１の圧力をパイロット圧力源とすることができる。また、アクチュエータの制御中であって、負荷圧がパイロット圧として必要な圧力以上になれば、どのタイミングで、パイロット圧力源を負荷圧側に切り換えてもかまわない。

また、図１において、ブリードオフ通路１１に設けたリリーフ弁１５と迂回路１１ａに設けた第１開閉弁１６とに替えて、図２に示す電磁式リリーフ弁２７を用いるようにすれば、迂回路１１ａを設ける必要はない。
この電磁式リリーフ弁２７は、リリーフ設定圧を電磁ソレノイドによって、調整できる弁である。中立時には、その設定圧をほぼゼロに設定すれば、この電磁式リリーフ弁２７はゼロに近い低い圧力で開き、図１の第１開閉弁１６が開位置にあるときと同様に作用する。
また、パイロット圧力源が必要な状況では、上記電磁ソレノイドによって設定圧をＰｒに設定すれば、ブリードオフ通路１１にパイロット圧力源として圧力Ｐｒを発生させることができる。従って、図１に示す回路と同様に機能させることができる。

この発明の実施形態を示す回路図である。 図１の変更例である。

符号の説明

Ｐ ポンプ
Ｔ タンク
１ ポンプ通路
２ モーター
３ バケットシリンダ
４ ブームシリンダ
５ 戻り通路
６ 供給通路
７ 制御弁
７ａ，７ｂ パイロット室
８ 制御弁
８ａ，８ｂ パイロット室
９ 制御弁
９ａ，９ｂ パイロット室
１０ ブリードオフ弁
１１ ブリードオフ通路
１１ａ 迂回路
１５ リリーフ弁
１６ 第１開閉弁
１７，１８ パイロット一次圧通路
１９ 高圧選択回路
２０ 接続路
２１ 第２開閉弁
２２ 減圧弁
２７ 電磁式リリーフ弁
Ｂ 接続点

Claims (2)

1. ポンプと、このポンプに接続した供給通路と、この供給通路に接続し、アクチュエータに供給する作動流体の方向および量を制御する制御弁とを備え、全ての制御弁が中立位置を保っているとき、ポンプからの吐出流体が、供給通路から分岐したブリードオフ通路に設けたブリードオフ弁を経由してタンクへ導かれ、いずれかの制御弁を中立位置以外の位置に切り換えたとき、切り換えた制御弁に接続されたアクチュエータへ作動流体が供給される構成にした油圧アクチュエータ用制御回路において、各制御弁を直列に接続し、各制御弁へパイロット一次圧を導くためのパイロット一次圧通路と、各制御弁に接続したアクチュエータの負荷圧のうち最高負荷圧を選択する高圧選択回路と、上記ブリードオフ通路におけるブリードオフ弁の下流側と上記高圧選択回路とを接続する接続路とを備え、上記接続路の中間には上記パイロット一次圧通路を接続するとともに、上記各制御弁が中立状態のときには、上記ブリードオフ通路に圧力を発生させ、その圧力を上記接続路を介して上記パイロット一次圧通路へ導くパイロット圧力源とする一方、上記制御弁を切り換えてアクチュエータを制御するとともに上記ブリードオフ弁によってブリードオフ通路を遮断したときには、上記高圧選択回路の圧力を上記接続路を介してパイロット一次圧通路へ導くパイロット圧力源とする構成にした油圧アクチュエータ用制御回路。
2. 上記ブリードオフ弁の下流側にリリーフ弁を設けるとともに、このリリーフ弁を迂回してタンクへ連通する迂回路と、この迂回路に設けた第１開閉弁と、上記接続路と上記高圧選択回路との間に設けた第２開閉弁とを備え、上記各制御弁が中立状態のときには、上記第１開閉弁を閉位置に保つことよって迂回路を閉じ、上記ブリードオフ通路に上記リリーフ弁の設定圧に基づく圧力を発生させ、その圧力をパイロット圧力源とする一方、上記制御弁の切り換えに応じてブリードオフ通路を遮断するまでの所定のタイミングで、上記第２開閉弁を開位置にして上記接続路を介して上記高圧選択回路とパイロット一次圧通路とを連通させ、高圧選択回路の圧力を、減圧弁を介して減圧してパイロット圧力源とする構成にした請求項１に記載の油圧アクチュエータ用制御回路。

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