JPH0646041B2 - 油圧アクチュエータ可変作動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は可変容量形油圧ポンプの圧油により作動する
油圧アクチュエータの出力と速度とを、外部からの指令
により同時に変化させる油圧アクチュエータ作動装置に
関する。

従来の技術 従来から可変容量形油圧ポンプの吐出圧油を油圧切換弁
により切換えて、油圧シリンダ、油圧モータなどのアク
チュエータを作動させるシステムにおいては、油圧ポン
プを駆動する原動機の負荷を、アクチュエータに加わる
負荷圧力の如何にかかわらず、ほぼ、一定に保つことに
より原動機出力を効率よく利用し、かつ合理的なシステ
ムとする方法がとられてきた。

例えば、第７図に示す油圧作動システムの回路図におい
て、原動機１により駆動される第１油圧ポンプ２の吐出
圧油は油圧切換弁群Ａに流入し、油圧切換弁８，９，１
０，１１が切換わると、それらに連なるアクチュエータ
を作動させ、第２油圧ポンプ３の吐出圧油は油圧切換弁
群Ｂに流入し、油圧切換弁１２，１３，１４，１５が切
換わると、それらに連なるアクチュエータを作動され、
またパイロットポンプ４の吐出圧油は油路７を通って各
種操作系の油圧源として使用される。これらの油圧ポン
プのうち、パイロットポンプ４は、常時、定圧、定量の
圧油を発生しているので原動機１に対する負荷は一定で
あり、一方、第１，第２油圧ポンプ２，３は可変容量形
油圧ポンプであって、それぞれに属するアクチュエータ
の負荷圧力が低いときには大量の圧油を吐出して該アク
チュエータの作動速度を早めるが、アクチュエータの負
荷圧力が増大すると吐出油量を減少させるといった方法
により、吐出圧力と油量の相乗積を常時おおむね一定値
に保持し、油圧ポンプ駆動のための吸収動力が一定とな
るよう流量制御弁２６，２７を設け制御している。

一般に、このような作動回路では、油圧ポンプの吐出圧
力をＰ kg/cm²、吐出油量をＱｌ/minとし、そのときの
油圧ポンプの吸収動力をＷとすると、 で表わされ、Ｗの値を一定にするためには、上式のうち
の変数Ｐ×Ｑの値を一定にする必要がある。このことか
ら流量制御弁２６，２７は、第１，第２油圧ポンプ２，
３の吐出圧力が上昇すれば、その値に反比例して吐出油
量を変化させているが、このときの吐出圧力Ｐと吐出油
量Ｑの関係を示す線図が第８図であり、アクチュエータ
の負荷圧力が比較的低いＰ_１またはそれ以下のときは、
最大の吐出油量Ｑ_１で運転され、負荷圧力Ｐが次第に増
大するにつれ吐出油量Ｑは減少していき、最大吐出圧力
Ｐ_２に達すると吐出油量Ｑ_２となり、前記吸収動力Ｗの
値が常に、ほぼ一定となるようにすることにより、原動
機１が過負荷とならないよう、また油圧作動システムを
含めて効率的な運転状態が保持されるような、いわゆる
馬力一定運転となるようにしている。更に、第１，第２
油圧ポンプ２，３の吐出側の油路５，６の分岐油路に
は、それぞれリリーフ弁１６，１７が設けてあり、吐出
回路圧が、アクチュエータの過負荷または何等かの不慮
の原因でＰ_２以上の異常高圧にならないようにしてあ
る。従って、上述の如きアクチュエータ作動回路におけ
る油圧ポンプ２または３の吐出油量はＱ_１以上およびＱ
_２以下とはならないと同時に、吐出圧力はＰ_２を越える
ことはできない。

発明が解決しようとする課題 油圧アクチュエータを備えた作業用機械、装置において
は、設計上所要の出力に余裕をもたせた断面積のアクチ
ュエータを使用すると、限度のある吐出油量では、その
作動速度が遅く不経済となるので、一般的には想定し得
る平均的な負荷に見合ったアクチュエータを備え、平準
的な作業において最も効果的に作業を遂行できることを
目標としているが、作業対象物、内容によっては予想外
の負荷が生ずることもあり、このようなときは、その頻
度、大きさなどを勘案して作業条件を変更したり、或は
より大容量の機械、装置に置き換えるなど不経済な対策
をしていた。

例えば、第５図に示す油圧バックホウ４０で掘削作業を
行うには、ブーム４１、アーム４２、バケット４３を、
ブームシリンダ４４、アームシリンダ４５、バケットシ
リンダ４６により作動させバケット４３の刃先で土砂を
掘削し、掘削場所を変更するときは走行用油圧モータ
（図示なし）により車体を移動させるのであるが、各ア
クチュエータの出力は一般的な土砂の掘削抵抗、走行抵
抗に対しては十分な能力を有しているが、図に例示した
ように土中に想定以上の掘削抵抗を有する玉石４７の混
在があったときなど、しかもこの玉石４７のみ取除けば
再び当該バックホウ４０の能力で十分間に合うようなと
き、運転者の技量と長時間をかけて玉石４７の周囲を掘
り起こしたり、或いは衝撃を加えるなどして取除いた
り、さもなくば、更に大形の機械を投入するといった手
段を講じていた。

また、第６図に示す深掘りクラムシェルを装備した機械
４８で地中に深穴を設営するとき、メインブーム４９、
中間ブーム５０、アーム５１をメインブームシリンダ５
４、中間ブームシリンダ５５、アームシリンダ５６によ
り作動させ、アーム５１の先端にエクステンションビー
ム５２を介して取付けたクラムシェルバケット５３を所
定の深穴の位置に垂直に降下させ、穴底の土砂をクラム
シェルバケット５３で掴み、地上に搬出するのである
が、深穴の掘削深度が進行すればする程エクステンショ
ンビーム５２は長く、自重も増大し、規定最大長さとな
るとクラムシェルバケット５３で掴んだ土砂を持上げる
だけのアクチュエータ能力はあっても、それほど余裕が
あるものではない。従って穴底に湧水と土砂が泥状化し
た状態では、穴底からバケット５３を地切りする瞬間だ
け余分の引上げ力が必要となり、メインブームシリンダ
５４、中間ブームシリンダ５５、アームシリンダ５６な
ど僅かな、しかも短時間だけの能力不足現象が発生する
傾向となるので、より大形の深掘りクラムシェル用本体
を投入せざるを得ない事態も往々にしてある。

このような問題点に鑑み、本発明は平準的な作業におい
ては標準機械または設備の能力を最大限に生かし、作業
サイクル中において、たまたま発生する通常以上のアク
チュエータ出力の要求に対し短時間、運転者の意志によ
り任意に、これに対応させ、しかも機械・装置に及ぼす
衝撃的過負荷を軽減するような油圧アクチュエータ可変
作動装置を実現することを課題とする。

課題を解決するための手段 この発明は上記の課題を解決するため、次のような手段
を講じた。すなわち、 イ） 吐出圧力に反比例して吐出油量を増減する機能を
有する流量制御弁を備えた可変容量形油圧ポンプの吐出
圧油を油圧切換弁に供給し、油圧アクチュエータを作動
させる油圧回路において、 ロ） 上記流量制御弁には該自己吐出圧力を信号とし
て、その信号の大きさに逆比例して吐出油量の制限をす
る機能の受信部の他に、外部信号が作用すると該可変容
量形油圧ポンプの最大吐出油量を所定量に制限する機能
を付与する外部信号受信部を設ける。

ハ） 可変容量形油圧ポンプの吐出側油路に設け、該油
路の圧力が、その回路特有の設定値を超えることのない
ようにするリリーフ弁には、外部信号が作用すると該油
路の設定値を、上記特有の設置値よりも所定値だけ昇圧
させる機能を付与する昇圧指令受信部を設ける。

ニ） 運転席近くには、自動復帰式のスイッチまたはペ
ダルなど、人為的に操作した間だけパイロット圧などの
外部信号を出力することのできる信号手段を設ける。

ホ） 上記信号手段から外部信号が出力されると、該外
部信号が前記可変容量形油圧ポンプの流量制御弁の外部
信号受信部と、リリーフ弁の昇圧指令受信部へ同時に通
ずるごとき手段を講ずる。

作 用 運転席近くの自動復帰式のスイッチまたはペダルなどの
信号手段を操作して得られる外部信号が、可変容量形油
圧ポンプの流量制御弁の外部信号受信部と、リリーフ弁
の昇圧指令受信部とへ同時に通じると、可変容量形油圧
ポンプの最大吐出油量は所定量だけ制限され、更にその
ときの吐出圧力に応じて減量されると同時に、該油圧ポ
ンプの吐出側油路のリリーフ弁のリリーフ設定圧力は特
有の設定値よりも所定値だけ昇圧する。

従って、この吐出圧油で作動するアクチュエータは、信
号手段が操作されている間だけ、その作動速度は遅くな
り、このときアクチュエータに加わる負荷が増大する
と、その負荷圧力に応じた馬力一定運転の下で作動し、
更に負荷が増大すると所定値だけ高い圧油が供給される
ので通常のアクチュエータ出力よりも大きい出力が得ら
れる。従って、この油圧アクチュエータ可変作動装置で
は、瞬時的な過負荷に対し、油圧アクチュエータの能力
を操作手段操作中のみ増大させるとともに、油圧アクチ
ュエータの負荷圧力が小さいときも、その作動速度、す
なわち、油圧ポンプの吐出油量を減少させるので、原動
機が過負荷状態になることを防止するとともに、機体、
作業装置の作動中の衝撃的負荷は軽減される。

実施例 以下、本発明を最も現実的に利用することの多い油圧シ
ョベルのアクチュエータ作動油圧回路に応用したときを
例にとり説明する。

第１図は標準的なクローラ式油圧ショベルに本発明を具
備した電気・油圧回路を示す図で、１は第１油圧ポンプ
２、第２油圧ポンプ３、パイロットポンプ４を駆動する
原動機であり、これらのポンプは何れも、タンク２９か
ら油を吸入し、それぞれ、油路５を経て油圧切換弁群Ａ
へ、油路６を経て油圧切換弁群Ｂへ、および油路７へと
圧油を供給する。油圧切換弁群Ａに流入した圧油は左走
行用、アーム第１速用、旋回用、ブーム第２速用の油圧
切換弁８，９，１０，１１に供給され、該油圧切換弁
８，９，１０，１１が切換えられているときはそれぞれ
のアクチュエータを作動させ、中立時にはセンタバイパ
ス通路を通り、戻り油は油路３６，３８を通りタンク２
９に戻り、油圧切換弁群Ｂに流入した圧油は、右走行
用、ブーム第１速用、バケット用、アーム第２速用の油
圧切換弁１２，１３，１４，１５に供給され、該油圧切
換弁１３，１４，１５が切換えられているときは、それ
ぞれのアクチュエータを作動させ、中立時にはセンタバ
イパス通路を通り、戻り油は油路３７，３８を通ってタ
ンク２９に戻る。一方パイロットポンプ４の吐出圧油
は、主として操作系の油圧源となるもので、リリーフ弁
１８により所定の圧力に調圧され油路７或は、その分岐
した油路２８などにより各操作系用制御機器に導かれ
る。

また、第１，第２油圧ポンプ２，３は可変容量形油圧ポ
ンプとなっており、吐出圧力を信号とし、その信号の大
きさに逆比例して吐出油量の制限をして動力吸収を一定
に保つ、いわゆる馬力一定性能を付与する機能を有する
第１のパイロット油室Ｃなる受信部と、外部から外部信
号が作用すると最大吐出油量を所定値だけ減少せしめる
方向に作用力を発揮する第２のパイロット油室Ｄなる外
部信号受信部とを備えた既知技術を変形した流量制御弁
２４，２５を有している。この流量制御弁２４，２５の
２つのパイロット油室Ｃ，Ｄに圧力信号が作用したとき
の第１および第２油圧ポンプの吐出油量の変化を示す図
が第２図であり、パイロット油室Ｃに油圧ポンプの吐出
圧力がパイロット圧として作用し、その吐出圧力がＰ_１
またはそれ以下のときの吐出油量はＱ_１であり、吐出圧
力がＰ_１を越えＰ_２になるに従い吐出油量Ｑ_１からＱ_２
へと減少し、更にＰ_２を越え、リリーフ弁２２，２３の
特有の常用設定圧力以上となると圧油は該リリーフ弁２
２，２３でリリーフし油路３６，３７，３８などを通っ
てタンク２９へ直接流入していくことは前述の第８図と
同様であるが、第２のパイロット油室Ｄにのみ外部信号
が作用すると吐出油量Ｑは、最大吐出油量Ｑ_１であった
ものを、それよりも少ないＱ_３まで制限し、この状態か
ら更に後述のリリーフ弁２２，２３の設定圧力が一定の
設定地よりも所定値だけ昇圧し得る状態でアクチュエー
タに負荷が増大して、その負荷圧力が上昇していくと第
１のパイロット油室Ｃの圧力もＰ_２を越えＰ′となり、
最小吐出油量はＱ_２よりも少ないＱ′へと減少していく
ようになっている。

また、油路５，６から分岐して設けた前出のリリーフ弁
２２，２３は通常は、特有の回路圧となるように設定さ
れているが、外部信号が付加して作用すると上記特有の
回路圧の設定値を、所定値だけより高圧に設定がえする
機能のあるパイロット油室Ｅなる昇圧指令受信部を有す
る既知のリリーフ弁を変形したものである。また、操作
系油圧源の油路７の分岐油路２８は、励磁されてＧ位置
に切換わると該油路２８を出口ポートに接続する油路３
９に連通させ、励磁されないでＦ位置にあるときは油路
２８を閉塞し、油路３９を油路３８を介してタンク２９
に通ずる通路を形成する電磁切換弁３０に接続されてお
り、該電磁切換弁３０は、自動復帰式のスイッチ３２が
強制的に閉じられたときのみ電源装置３３から通電さ
れ、Ｆ位置からＧ位置へ切換えられるようになってお
り、 さらに、出口ポートに接続された油路３９は延長、分岐
して、それぞれ、リリーフ弁２２，２３の昇圧指令受信
部であるところのパイロット油室Ｅ、流量制御弁２４，
２５の外部信号受信部であるところの第２のパイロット
油室Ｄに通じている。従って、上記のパイロットポンプ
４、油路２８，３９，電磁切換弁３０、スイッチ３２電
源３３などでもって、外部信号受信部Ｄ、昇圧指令受信
部Ｅに対する信号発生手段を構成している。

なお、１９，１９′２０，２０′、２１，２１′はポー
トリリーフ弁であり、それぞれ、アーム第１速用油圧切
換弁９、ブーム第１速用油圧切換弁１３、バケット用油
圧切換弁１４が中立位置にあるにもかかわらず、外力に
よりアクチュエータ回路に異常高圧のとじ込み圧力が発
生した場合、各部を保護するためのもので、その設定圧
力は、リリーフ弁２２，２３のパイロット油室Ｅに昇圧
指令信号が加えられたときのリリーフ圧力よりも若干高
く設定しておく。

次に以上の構成からなる電気・油圧回路の作動について
説明する。

第５図または第６図の如き土砂掘削作業において、通常
はスイッチ３２を操作せず開路状態、すなわち、パイロ
ット油室Ｄ、Ｅがタンク２９に連通状態とし、通常の標
準的な油圧ショベルと同様の力、速度でもって作業を行
うこととなるが、第５図の掘削途中での障害物による突
発的な過大抵抗や第６図における地切りのときなどにお
いて、掘削力、引上げ力が僅かに、しかも短時間だけ必
要になると、スイッチ３２を閉じ、電磁切換弁３０に通
電すると、該電磁切換弁３０はＦ位置からＧ位置に切換
わるので、油路７の圧油は油路２８、Ｇ位置通路、油路
３９を通り、リリーフ弁２２，２３の昇圧指令受信部Ｅ
および流量制御弁２４，２５の外部信号受信部Ｄに作用
するので、第１、第２油圧ポンプ２，３の吐出油量Ｑは
第２図のＱ_１からＱ_３へと制限される一方、リリーフ弁
２２，２３の設定圧力は予め設計上、計画した所定値だ
け昇圧可能となるので、その値、すなわち、第２図にお
ける吐出圧力ＰがＰ′となるまではリリーフすることな
く、また、油圧アクチュエータの負荷圧力がＰ_２を越え
てＰ′に近付くにつれ、流量制御弁の作用により吐出油
量もそれに比例して制限され、３馬力一定運転状態で推
移し、遂にはＱ′となる。

このことはポンプ駆動用原動機１が、如何なる状況下で
も過負荷とならないことは勿論であるが、特に、アクチ
ュエータに高負荷が加わったとき、その作動速度を負荷
圧力に比例して遅くすることにより、被作動体、本体な
どに加わる動的荷重を軽減し構成部材を強度上保護しつ
つ、かつ、作業装置の能力を効率的に短時間必要に応じ
向上させることができる。

また、第５図に示す玉石４７を掘出したり、掘削中の浮
石処理などのとき、バケット４３を用い打撃力を加えて
処理することがあるが、負荷圧力が低いので作業装置用
油圧アクチュエータに大量の圧油が供給され、その作動
速度が早くなり、作業装置ならびに本体に対し、耐久性
上の悪影響が生じるが、このとき、油圧ポンプの吐出油
量を、上述のＱ_１からＱ_３に制限する処置をしておくこ
とにより、これを回避することができる。

本発明の目的は、一時的にアクチュエータの最大作動速
度を制限し、あわせて作動力を向上させるものであり、
常時使用されるべきものではないから、上記実施例にお
けるスイッチ３２は必要の都度、短時間操作し、常時は
開放する形式が望ましい。従って第３図に示す如く、油
圧切換弁操作用の操作レバ３４のグリップ３５頂部に設
けた押しボタン用自動復帰式のスイッチ３２′を採用す
るとよい。また、電磁切換弁３０にかえ、上記要件から
逸脱しないものとして第４図に示す足踏みペダル、自動
復帰式の常時閉位置切換弁３１を使用してもよい。

なお、上記実施例では、油圧ショベルのフロントアタッ
チメントの作動システムについて説明したが、本発明は
油圧ショベルに限定されるものではなく、移動式、定置
式の機械装置も含め、油圧アクチュエータにより各種作
業を行うトラクタショベル、破砕機などの建設機械、揚
貸機、運搬機などの産業機械等の油圧アクチュエータ作
動回路にも応用可能なものである。

また、この発明の実施例における可変容量形油圧ポンプ
付属の流量制御弁の最大吐出油量制限をする外部信号受
信部ならびにリリーフ弁の設定圧力を所定値だけ上昇さ
せる昇圧指令受信部としてパイロット油室を設け、この
パイロット油室へ供給するパイロット圧油は、電磁切換
弁を含む操作手段により、主回路外の油圧源からの油路
を任意に開閉するようにしたが、このときの信号媒体は
勿論油圧であるが、この発明における信号媒体は単にこ
れに限定するものではなく、同一の作用を発揮できる操
作手段であれば、従来技術の空気式、電気式、機械式、
或はそれらの組合わせによる媒体であっても、何ら差支
えがないことは当然である。

発明の効果 この発明は、運転者の意志により任意に、かつ、容易に
短時間、油圧アクチュエータの低負荷時最大作動速度を
低減し、かつ、その間に油圧アクチュエータの負荷圧力
が、通常の最大値よりも瞬時的に高く要求されるような
作業状態において、その作動速度は負荷圧力の大きさに
応じた速度で運転され、油圧アクチュエータは、その瞬
発作動力を向上させることが効率よくできるので各種作
業用機械並びに設備などで、極くまれにあり得る短時間
で僅かの能力不足のため大形のものを準備したり、運転
・操作者に焦燥感を起こさせることもなく、また作動力
を増大させる操作をしたときはアクチュエータの軽負荷
時最大速度、重負荷時最小速度共に低下するので、正確
な作動を要求される作業にも適するほか、特に、打撃力
を利用する作業、高負荷作業特に構成部材に過酷な動的
応力が発生することを低減しながらもその作業能力を低
下させることなく、機械の耐久性に悪影響はない。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例を示す電気・油圧回路図、第２
図は本発明に使用する可変容量形油圧ポンプの吐出圧力
−吐出油量の関係を示す特性線図、第３図はスイッチの
配置例を示す斜視図、第４図は本発明の油圧回路に使用
する切換弁の他の実施例を示す図、第５図及び第６図は
油圧ショベル本体にフロントアタッチメントとしてバッ
クホウ及び深掘りクラムシェルをそれぞれ装備したとき
の作業状況を示す側面図、第７図は従来の油圧ショベル
の油圧回路図、第８図は従来の油圧ショベル用可変容量
形油圧ポンプの吐出圧力吐出油量特性線図である。 ２２……リリーフ弁 ２３……リリーフ弁 ２４……流量制御弁 ２５……流量制御弁 ３０……電磁切換弁 ３１……常時閉切換弁 ３２……スイッチ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】油圧切換弁により圧油を切換えて油圧アク
   チュエータを作動させる油圧作動回路の油圧源用可変容
   量形油圧ポンプの吐出油量を制御する該ポンプに付属の
   流量制御弁において、該ポンプの吐出圧力信号に応じて
   吐出油量を増減される機能を付与する受信部の他に外部
   信号が作用すると該ポンプの最大吐出油量を所定量に制
   限する機能を付与する外部信号受信部と、該ポンプの吐
   出側油路がタンクに通じる油路の途中には外部信号が作
   用すると本来のリリーフ設定圧力を所定値だけ昇圧させ
   る機能を有する昇圧指令受信部を備えたリリーフ弁と、
   任意に操作したときにのみ前記外部信号を出力する信号
   手段とからなり、該信号手段からの信号を前記流量制御
   弁の外部信号受信部およびリリーフ弁の昇圧指令受信部
   へ同時に供給することを特徴とする油圧アクチュエータ
   可変作動装置。