JPH09210011A - 建機の油圧回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸方向の不平衡力（流体力）によってスプー
ルが押し戻されて制御弁の最大開度ができないとか、パ
イロット圧と流体力とが拮抗してスプールがハンチング
するといった、パイロット操作式故の問題を解消させ
る。 【解決手段】 旋回用油圧モータ４５の制御弁３５を、
パイロット操作式のスプール型流量制御弁に構成し、こ
れら両者を接続する給排油路５６に、油圧モータ４５か
らの戻り油路に対して作用する外部絞り５４を設ける。
スプール３５Ｓに絞り路部分と連通路部分とで成る第２
ランド形成して、旋回用制御弁３５の内部絞り３５ｑを
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バックホウやクレ
ーンといった建機の油圧回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スプール型の流量制御弁は、弁
を通る流れがある場合、スプールとポートとの位置関係
によっては軸方向に不平衡力を生ずるが、静的には完全
な油圧平衡が得られるので、比較的小さい操作力で作動
することができる。従って、高圧大容量の流体を容易に
扱い得るとともに、弁の軸方向に数個のポートが配置で
きることから方向切換弁には特に好適なものであり、バ
ックホウ等において多用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年では軽い操作力で
軽快に操縦できるようにするべく、建機ではパイロット
圧で制御弁を切換操作するパイロット操作式のものが多
い。ところが、パイロット操作式では、前述した軸方向
の不平衡力、すなわち流体力（フローフォース）によっ
てスプールが押し戻されて、最大開度付近でスプールに
作用する流体力にパイロット圧が負けてしまい、操作レ
バーを最大操作しているにも拘らずに制御弁は最大開度
にならないことがあった。又、弁開度によってはパイロ
ット圧と流体力とが拮抗し、スプールがハンチングを起
こすこともあった。本発明の目的は、上記不都合を改善
し、長所の多いパイロット操作式のスプール弁を良好に
使用できるようにする点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

〔構成〕上記目的達成のために本発明は、パイロット操
作式のスプール型流量制御弁と油圧アクチュエータとの
接続油路における流量制御弁外の部分に絞りを設けてあ
ることを特徴とするものである。

【０００５】又、油圧アクチュエータが、掘削作業装置
を備えた旋回台の旋回駆動用油圧モータであるというも
のである。

【０００６】〔作用〕請求項１の構成によれば、詳しく
は実施形態の項で説明するが、制御弁外に存在する外部
絞りによって制御弁内での油圧を降下させることができ
るから、制御弁を最大操作したときのスプールに作用す
る流体力よりもパイロット圧が勝るようにすることが可
能になり、従って、操作レバーを最大操作しているのに
制御弁が全開とならないことが解消され、必ず全開にで
きるようになる。又、それによってパイロット圧と流体
力との拮抗によるハンチングも解消され、良好に油圧ア
クチュエータを駆動できるようになる。

【０００７】請求項２の構成では、次のような作用があ
る。すなわち、旋回用の流量制御弁は、旋回台のふらつ
きや傾斜地における振り降ろし旋回での自重移動を抑制
する等のために、通常、作動油の戻り油路に作用する絞
りを制御弁内に設けてあるので、その内部絞りによって
前述したスプールへの流体力が顕著に発生する。対策と
しては、パイロット圧を旋回用制御弁でのみ高くするこ
と（実際には中立復帰バネを弱くすることになる）が考
えられるが、そうなると、他の制御弁との部品間違いの
おそれが高く、組付上から実現が難しいものである。従
って、旋回用油圧回路に請求項１の構成を採るこで、そ
れによる前述した作用も顕著に発生して良好な旋回挙動
が得られるようになる。

【０００８】〔効果〕請求項１及び２に記載のいずれの
油圧回路でも、弁がハンチングするとか最大開度になら
ないという、スプール流体力によって生じるパイロット
操作式故の不都合を、その現象を的確に熟知しての弁外
部に絞りを設ける簡単な改造で対処でき、経済的に改善
することがた。

【０００９】請求項２の構成では、特に前述した不都合
おそれの顕著な旋回用制御弁を良好に機能する状態へ効
果的に改善することができた。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１に建機の一例である小旋回
型のバックホウが示され、１は掘削作業装置、２は旋回
台、３は走行機台、４はクローラ走行装置、２８はドー
ザであり、掘削作業装置１は、ブーム５、アーム６、バ
ケット７等を備えるとともに、ブーム５は、基端側ブー
ム５ｘと先端側ブーム５ｚとを、中間ブーム５ｙで連結
した平行オフセット構造に構成されている。

【００１１】図２に油圧回路の概略が示され、ドーザシ
リンダ用制御弁２９、バケットシリンダ７ｃ用制御弁３
０、左走行モータ３１用制御弁３２、ブームシリンダ５
ｃ用制御弁９、アームシリンダ６ｃ用制御弁１０、右走
行モータ３３用制御弁３４、旋回モータ４５用制御弁３
５、オフセットシリンダ３６用制御弁３７、サービス用
制御弁３８が備えられている。運転部４４における座席
４６の前側に、十字操作型の操作レバー４７，４８が配
置されており、一方がブーム−バケット用であり、他方
はアーム−旋回用である。

【００１２】図４に示すように、操作レバー４７，４８
の操作量検出用の各ポテンショメータ４９，５０，５
１，５２が制御装置２６に接続され、電気的に各パイロ
ット弁９Ａ，１０Ａ，３０Ａ，３５Ａを操作する構造で
ある。そして、各制御弁に対して、負荷圧よりも僅かに
高い圧力でもって吐出される可変容量型の油圧ポンプ８
を備えたロードセンシングシステム（以下、ＬＳ／Ｓと
略称する）と、騒音や省エネルギーの点で好ましいオー
トアイドルシステム（以下、ＡＩ／Ｓと略称する）とを
備えてあり、以下に説明する。

【００１３】図２における仮想線で囲まれたブームシリ
ンダ５ｃとアームシリンダ６ｃとに関する部分を抜粋し
た主要部の原理回路図が図３に示され、８はエンジン１
９で駆動される前述した可変容量型の油圧ポンプ、１３
は油圧ポンプ８の単位時間当たりの吐出油量を可変設定
する流量調節機構である。流量調節機構１３は、メイン
ポンプ８の吐出圧で作動する馬力制御シリンダ１３Ａ
と、調節ポンプ１８で駆動される流量制御シリンダ１３
Ｂとで構成されている。

【００１４】又、調節シリンダ１３に対する圧力補償型
の流量調節弁１４が設けてある。１１はブーム用で１２
はアーム用の各コンペンセータ（圧力補償弁）であり、
ブーム用制御弁９とアーム用制御弁１０における供給側
油路に絞り弁９ｓ，１０ｓが装備されている。尚、ブー
ム用及びアーム用の制御弁９，１０以外の各制御弁２
９，３０，３２，３４，３５，３７，３８の弁構造（操
作構造は除く）は全てブーム用及びアーム用の制御弁
９，１０と基本的には同じものである。

【００１５】各コンペンセータ１１，１２は、各供給側
絞り弁９ｓ，１０ｓに対する圧油供給下手側に位置し、
かつ、各アクチュエータ５ｃ，６ｃに対する圧油供給上
手側に配置されている。そして、各コンペンセータ１
１，１２に対する圧油供給下手側であり、かつ、各アク
チュエータ５ｃ，６ｃに対する圧油供給上手側部分と各
コンペンセータ１１，１２のバネ側油室とを連通する低
圧側油路１１ｔ，１２ｔを設けてある。

【００１６】各コンペンセータ１１，１２に対する圧油
供給上手側であり、かつ、各供給側油路の絞り弁９ｓ，
１０ｓに対する圧油供給下手側部分と、各コンペンセー
タ１１，１２の反バネ側油室とを連通する高圧側油路１
１ｋ，１２ｋを設けてある。各コンペンセータ１１，１
２に、流路断絶側に付勢する圧縮バネ１７が備えられた
定差減圧弁に構成され、これによってアフターオリフィ
ス型のロードセンシング回路を構成してある。

【００１７】流量制御弁１４のバネ側油室１４ｘと各供
給側絞り弁９ｓ，１０ｓに対する圧油供給下手側部分と
を連通する第１低圧側油路１４ｔを設けてあり、各低圧
側油路１１ｔ，１２ｔに第１低圧側油路１４ｔが連通し
ている。各制御弁９，１０の供給ポート９ｐ，１０ｐに
連通される第２油路１５と、流量制御弁１４におけるバ
ネ側油室１４ｘと反対側の油室とを専用の接続油路１６
で連通してある。又、流量制御弁１４の切換わり時にお
ける調節シリンダ１３に対する圧は、油圧ポンプ８とと
もにエンジン駆動される専用の調節ポンプ１８で賄うよ
うに構成してある。つまり、第１油路１４ｔと、制御弁
９，１０の各供給ポート９ｐ，１０ｐに連通する第２油
路１５との差圧を所定値に維持するように調節シリンダ
１３を操作する流量制御弁１４を設けて負荷制御手段Ａ
が構成されている。

【００１８】そして、エンジン回転数を人為操作によっ
て調節設定するアクセルレバー２４の操作量を電気的に
検出する第１ポテンショメータ２５と、ガバナー２０の
ガバナレバー２１を駆動操作するギヤードモータ２２
と、ブームシリンダ５ｃ等の油圧アクチュエータが作動
しているか否かを検出する作動検出手段Ｄとを備え、油
圧アクチュエータの停止時にはエンジン回転数をアイド
リング側に変更操作するとともに、油圧アクチュエータ
の作動時にはエンジン回転数をアクセルレバー２４によ
る設定値に操作するように、第１ポテンショメータ２５
とギヤードモータ２２とを連係するアクセル制御手段Ｃ
を備えてある。

【００１９】すなわち、ガバナレバー２１の操作位置を
検出するフィードバック用の第２ポテンショメータ２
７、ギヤードモータ２２、前述した第１低圧側油路１４
ｔの圧を検出する第１圧力スイッチ２３、及び、第１ポ
テンショメータ２５を連係するアクセル制御手段Ｃを制
御装置２６に備えてある。

【００２０】つまり、アイドリング位置ｉにあるハンド
アクセルレバー２４を操作して、作業状態におけるエン
ジン回転数（通常はフルアクセル位置ｍにセットするこ
とが多い）を設定し、作業状態であればその設定回転数
が維持され、非作業時（無負荷時）にはアクセルレバー
２４が位置ｍにセットされたままとしながらエンジン回
転数をアイドリング状態に落とすのである。この場合で
は、第１圧力スイッチ２３によって作動検出手段Ｄが構
成されている。

【００２１】又、絞り弁９ｓ，１０ｓの絞り量を変更調
節可能な調節手段Ｂを設け、エンジン回転数が高められ
るとブームシリンダ５ｃ等の油圧アクチュエータの駆動
速度が速くなり、エンジン回転数が低められると油圧ア
クチュエータの駆動速度が遅くなるように、第２ポテン
ショメータ２７と調節手段Ｂとを連係する速度制御手段
Ｅを制御装置２６に備えてある。

【００２２】調節手段Ｂは、各コンペンセータ１１，１
２がわの各低圧油路１１ｔ，１２ｔと第１低圧油路１４
ｔとを電磁高速応答弁２８を介して接続させることから
構成されている。そして、電磁高速応答弁２８は、通常
位置ｂでは各低圧側油路１４ｔ，１１ｔ，１２ｔを連通
し、高圧位置ａではコンペンセータがわの両低圧側油路
１１ｔ，１２ｔと高圧がわの第２油路１５とが連通油路
２１ａによって連通される２位置切換弁構造に構成され
ている。

【００２３】電磁高速応答弁２８の作動によってコンペ
ンセータ１１，１２の低圧側油路１１ｔ，１２ｔに作用
する油圧をアクチュエータ５ｃ，６ｃの負荷圧とポンプ
の吐出圧との中間値に設定できて、コンペンセータ１
１，１２による差圧維持作用によってコンペンセータ１
１，１２への供給圧を、電磁高速応答弁２８が通常位置
ｂにある場合よりも高めるようになる。すると、第１低
圧側油路１４ｔと油圧ポンプ１８の吐出圧との差圧を一
定に維持する機能上、コンペンセータ１１，１２の上手
側にある絞り弁９ｓ，１０ｓでの差圧低めるように、す
なわち絞り弁９ｓ，１０ｓの絞り量を小さく、つまりは
制御弁９，１０の開度を小さくするように制御され、そ
の結果、アクチュエータ５ｃ，６ｃへの供給油量が減じ
られて駆動速度が遅くなるのである。この作用は、負荷
圧とポンプ差圧との差圧に基づく制御構造上、負荷が変
動しても維持される。

【００２４】逆に、コンペンセータ１１，１２への供給
圧を低くすると、絞り弁９ｓ，１０ｓでの差圧高めるよ
うに、すなわち絞り弁９ｓ，１０ｓの絞り量を大きく、
すなわち制御弁９，１０の開度を大きくするように制御
され、アクチュエータ５ｃ，６ｃへの供給油量が増大し
て駆動速度が速くなる。

【００２５】そして、エンジン１９の回転数を検出する
第２ポテンショメータ２７と、電磁高速応答弁２８と、
間欠作動時間のデューティー比を可変調節する設定器３
９と、自動制御モードと手動制御モードとの切換スイッ
チ４０とを制御装置２６に接続して、コンペンセータ１
１，１２での分圧を変更設定するように構成されてい
る。つまり、前記分圧の変更によって、絞り弁９ｓ，１
０ｓの開度を変更調節可能な調節手段Ｂが構成されてい
るのである。調節手段Ｂは、高圧位置ａに復帰付勢され
る電磁高速応答弁２８を、油圧ポンプ８の吐出油路であ
る高圧油路に接続させる通常位置ｂに操作するための通
電を間欠的に行う間欠作動と、その間欠時間を可変設す
るな間欠制御を行う機能を有している。

【００２６】速度制御手段Ｅの作用を説明すれば、先
ず、切換スイッチ４０を自動制御モードに操作して電磁
高速応答弁２８への通電を間欠的に行わせるとともに、
その間欠時間の１サイクル中における通電時間割合、す
なわちデューティー比をエンジン１９の回転数が低いと
小にするように連係される。これにより、掘削作業中に
旋回速度を遅くしたいといった場合にはアクセルレバー
２４を操作してエンジン回転数を低くすれば良く、逆に
駆動速度を速くしたい場合にはエンジン回転数を高くす
れば良い。

【００２７】又、アクチュエータの駆動速度を意図的に
変更したい場合には、切換スイッチ４０を手動操作モー
ドに操作して、第２ポテンショメータ２７と制御装置２
６との連係を絶つ。すると、デューティー比が設定器３
９によって決定される状態になり、その設定器３９の人
為操作によってコンペンセータ１１，１２への供給圧
を、アクチュエータ５ｃ，６ｃの負荷圧とポンプ吐出圧
との間の任意の値に設定でき、アクチュエータ５ｃ，８
ｃの駆動速度をエンジン回転数とは無関係に調節するこ
とができる。

【００２８】次に、旋回用の油圧回路部分について説明
する。旋回用油圧モータ４５、及び旋回用の流量制御弁
３５部分の油圧回路が図５に、かつ、その制御弁３５の
説明用モデル断面図が図６に夫々示されている。中立状
態の図６において、３５ｐは第２油路１５に連通するポ
ンプポート、３５ｔはタンクポート、３５ｃ，３５ｃは
油圧モータ４５に連通する給排油路であるとともに、入
力ポート５３ｐと排出ポート５３ｈ，５３ｈとを備えた
コンペンセータ（前述したコンペンセータ１１，１２と
同じもの）５３を備えている。そして。スプール３５Ｓ
両端の油圧室３５ｕ，３５ｕは、パイロット弁３５Ａの
給排ポート３５ｂ，３５ｂに連通している。尚、３５ｍ
はパイロット圧の供給ポート、３５ｎはタンクポートで
ある。

【００２９】しかして、旋回用パイロット弁３５Ａを操
作（電磁式又は機械式）して、例えば図６中左側の油圧
室３５ｕにパイロット圧を作用させると、スプール３５
Ｓが図中右方に移動して図７に示す状態に移行する。つ
まり、ポンプポート３５ｐからの圧油が第１ランドＲ1
とコンペンセータ５と一方の給排油路３５ｃとを通って
旋回モータ４５に供給され、その戻り油は他方の給排油
路３５ｃからスプール３５Ｓに形成された第２ランドＲ
2 を経てタンクポート３５ｔに流れるようになる。尚、
排出ポート５３ｈに対向する位置に描かれたポートは、
第１油路１４ｔに連通する差圧取り出し用の検出ポート
３５ｋである。

【００３０】ここで、第１ランドＲ1 は、そこを通る圧
油流量から理論上必要とされる流路面積よりも少し狭く
なる状態に形成されており、これがＬＳ／Ｓにおける差
圧を生じさせる制御弁内の絞り弁（前述した絞り弁９
ｓ，１０ｓと同じ）３５ｓに相当するものである。又、
第２ランドＲ2 は、半径方向幅の広い連通路部分ｒａ
と、半径方向幅の狭い絞り路部分ｒｂとから成り（図
８，９参照）、旋回モータ４５からの戻り油路に対する
内部絞り（ふらつきや自重移動の抑制用）３５ｑを構成
している。

【００３１】図７に示す状態では、図中左側の第１ラン
ドＲ1 と左右の第２ランドＲ2,Ｒ2に油の流れが存在し
ており、左側の第２ランドＲ2 ではコンペンセータ５３
から旋回モータ４５への流れは連通路部分ｒａを通るの
で圧力降下が殆ど無いのに対し、図８に示すように、右
側の第２ランドＲ2 では旋回モータ４５からタンクポー
ト３５ｐへの戻り流れは絞り路部分ｒｂを通ることにな
り、給排油路３５ｃとタンクポート３５ｐには大きな圧
力差（例えば１００kg/cm²）が生じるようになる。する
と、右側の第２ランドＲ2 におけるスプール軸方向での
面積差、すなわち絞り路部分ｒｂでの受圧面積の差によ
ってスプール３５Ｓには矢印イ方向のフローフォース
（流体力）が作用することになる。

【００３２】このとき、第１ランドでもその絞り作用に
よるフローフォースが考えられるが、その絞り弁３５ｓ
での圧力降下はごく僅か（数kg/cm²）であって、事実上
無視できるものである。しかして、パイロット圧によっ
て矢印ロ方向に操作されているスプール３５Ｓに、その
矢印ロ方向とは反対の矢印イ方向に強力なフローフォー
スが作用するので、このまま（絞り５４の無い従来の油
圧回路のこと）ではパイロット圧がフローフォースに負
けてしまい、ポンプ圧の強さ如何によっては図８に示す
ように、パイロット弁３５Ａをフル操作しても旋回用制
御弁３５のスプール３５Ｓが最大ストローク（図８に仮
想線で示す位置）しないことが生じるのである。

【００３３】そこで、図５に示すように、旋回モータ４
５と制御弁３５とを接続する一対の給排油路（外部配
管）５６，５６夫々に、旋回モータ４５への圧供給のみ
許容するチェック弁５５と絞り５４とを並列にして介装
してある。つまり、旋回モータ４５からの戻り油の圧を
大きく降下させてから制御弁３５に戻すことにより、前
述した第２ランドＲ2 でのフローフォースの絶対値を大
きく減じて最大パイロット圧よりも小さくし、スプール
３５Ｓの最大ストローク状態（図７の状態）を現出でき
るようにしてあるのである。この外部絞り５４の存在に
より、旋回台２の旋回起動及び停止時のショックを軽減
するスローリターン回路も構成されることになる。

【００３４】制御弁３５の内部絞り３５ｑは、比較的流
量が少ないときでも絞り作用するものであるが、外部絞
り５４は最大操作領域において有効な絞り作用が出れば
良いものである。従って、一般的な旋回速度で旋回させ
ているときには実質上内部絞りだけが作用しており、両
絞り３５ｑ，５４による絞りが効き過ぎて意図する速度
が出ない、といった不都合が生じないようになってい
る。尚、図６、図７では意図的に省略してあるが、実際
にはいずれかの油圧室３５ｕに、スプール３５Ｓを中立
位置に戻すためのバネ機構が存在している。

【００３５】〔別実施形態〕図９に示すように、絞り路
部分ｒｂの無い第２ランドＲ2 を備えた構造の制御弁で
も、図示のように、操作量が少しのときではタンクポー
ト３５ｔと第２ランドとの開通部分で絞り作用が発生す
ることになるので、その付近でパイロット圧とフローフ
ォースとが拮抗してスプール３５Ｓがハンチングを起こ
すことが考えられるのである。従って、この場合でも外
部絞り５４を設けることで、その不都合を解消できるよ
うになる。

【００３６】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】バックホウの側面図

【図２】油圧回路の概略全体図

【図３】ＡＩ／Ｓ付きＬＳ／Ｓの原理を示す部分油圧回
路図

【図４】制御ブロック図

【図５】油圧回路における旋回モータ関係の部分図

【図６】旋回用制御弁のモデル構造を示す中立状態での
断面図

【図７】パイロット圧が作用したときの旋回用制御弁の
状態を示すモデル断面図

【図８】図６に示す制御弁の第２ランド部分の拡大断面
図

【図９】第２ランドの別構造を示す断面図

【符号の説明】

１ 掘削作業装置 ２ 旋回台 ３５ スプール型流量制御弁 ４５ 油圧アクチュエータ ５４ 絞り ５６ 接続油路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パイロット操作式のスプール型流量制御
   弁（３５）と油圧アクチュエータ（４５）との接続油路
   （５６）における前記流量制御弁（３５）外の部分に絞
   り（５４）を設けてある建機の油圧回路。
2. 【請求項２】 前記油圧アクチュエータ（４５）が、掘
   削作業装置（１）を備えた旋回台（２）の旋回駆動用油
   圧モータである請求項１に記載の建機の油圧回路。