JP4276646B2 - 再生機能を備えた油圧制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、掘削機などのような建設機械に用いられる再生機能を備えた油圧制御弁に関するものであって、さらに詳細には、油圧ポンプの吐出流量、作業装置の位置、再生流量及び帰還流量が変わっても再生通路の圧力を一定に保持し得る油圧制御弁に関する。

一般に、掘削機などのような建設機械に用いられる油圧制御弁は、油圧ポンプから吐出される圧油の流れを制御し、油圧シリンダのようなアクチュエータに供給する機能と、油圧シリンダが駆動される際に帰還する圧油をタンクに送る機能を奏する。最近、油圧制御弁は、タンク側に帰還する圧油の一部を再び油圧シリンダ側に供給する再生機能を奏するように設計されている。

再生機能の備わった油圧制御弁によれば、タンクに帰還する圧油を再び油圧シリンダ側に供給することによって、より速やかに作業を行うことができるため、エネルギーの効率を高めることができる。それだけでなく、作業装置の自重により油圧シリンダの移動速度が早くなり、油圧シリンダのチャンバーに供給される流量が不足となる、いわゆる、キャビテーション現象(空洞現象)の発生を防ぐことができるため、各部品の寿命を延長し得るという長所がある。

図１は、従来技術による再生機能を備えた油圧制御弁の断面図であり、図２は、図１に含まれた再生弁の部分拡大図であり、図３は作業装置の作動例の概略を示した図面であって、油圧制御弁の作動を説明すると以下の通りである。

油圧ポンプ１から吐出される圧油は、供給ライン２を介して油圧制御弁本体３に供給され、油圧制御弁本体３内のスプール７が左側又は右側に切り換わることによって、油圧ポンプ１の圧油は、供給通路６を経て第１ポット４又は第２ポット５に供給される。

第１ポット４は、油圧シリンダ８のラージチャンバー８ａにつながり、第２ポット５は、スーモルチャンバー８ｂにつながるため、スプール７が右側に切り換わった状態では第１ポット４を介してラージチャンバー８ａに圧油が供給され、油圧シリンダ８は右側に伸張され、スーモルチャンバー８ｂから排出される圧油は第２ポット５を経てタンク通路１０ｂを介して貯蔵タンクＴへ帰還する。

また、スプール７が左側に切り換わった状態では、第２ポット５を介してスーモルチャンバー８ｂに圧油が供給され、油圧シリンダ８は左側に収縮され、且つ、ラージチャンバー８ａから排出される圧油は第１ポット４を経てタンク通路１０ａを通じて貯蔵タンクＴへ帰還する。

図示されたように、スプール７が右側に切り換わった状態では、図３に示されたように油圧シリンダ８が伸張されるにつれ、アームイン(Ａｒｍ ｉｎ)作業が行われるが、この際、油圧シリンダ８のスーモルチャンバー８ｂから排出される圧油は再生弁１２により供給通路６側に供給できるため、タンクへ帰還される圧油の一部を再び供給側で用いることによって省エネ効果を高めることができる。

スーモルチャンバー８ｂから排出される圧油は、第２ポット５を通過して第１再生通路１３と、連結通路１４と、帰還通路１６とを順次に経由して、タンク通路１０ｂへ流れる。帰還通路１６の最初面積は小さく設けられているため、第１再生通路１３には圧力が生じることになるが、該圧力が第２再生通路１５の圧力より高い場合、スプール７内部に設けられたポペット９が右側に移動されて、第１再生通路１３の圧油が第２再生通路１５を介して供給通路６の方向に流れる。

逆に、油圧シリンダ８の作動に力を大きく要求する場合には、第２ポット５の圧力が第１ポット４の圧力より小さいべきである。即ち、第１再生通路１３の圧力が小さいほど油圧シンリダ８がより大きい力により駆動され得る。

再生スプール２２はばね２３により弾性支持でき、且つ、前方には供給通路６の圧力により移動するピストン２１と接触するため、供給通路６の圧力が一定圧力以上になると再生弁１２のピストン２１が供給通路６の圧力により加圧できることによって、再生スプール２２が右側に移動できるため帰還通路１６の面積が漸次大きくなり、これによって、第１再生通路１３の圧力が低くなるため、油圧シリンダ８は、より大きい力により駆動できる。

第１再生通路１３の圧力変化と、第１再生通路１３とタンク通路１０ｂとを通過する流量と、帰還通路１６の面積との関係式は、以下の通りである。

ΔＰ；第１再生通路１３の圧力変化、
Ｃ；流量係数、
Ｑ；第１再生通路１３からタンク通路１０ｂ側への流量
Ａ；帰還通路１６の可変面積
ここで、流量Ｑは、油圧ポンプ１の供給流量及び図３のような作業装置の位置と、第２再生通路１５を介して再生される流量など、複数の変数に係る。

第１再生通路１３の圧力変化は、流量Ｑと面積Ａとが変化することによって、共に変動し、且つ、供給通路６側の圧力も敏感に反応して変動する。このことにより、第１ポット４と第２ポット５との圧力が変動するに従って、油圧シリンダ８の動きが不自然となる現象、即ち、ハンチングが生じて油圧シリンダ８の動きを制御し難くなるという問題点が発生する。

本発明は、前記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、油圧ポンプの吐出流量、作業装置の位置、再生流量及び帰還流量が変わっても再生通路の圧力が一定に保持できるようにした再生機能を備えた油圧制御弁を提供することにある。

前記目的等を達成するために、本発明は、油圧シリンダから帰還する圧油を供給通路側に再生させ、且つ、負荷が大きくかかる作業が行われる際には、供給通路の圧力変化に応じて再生通路の圧力を一定に変化させる再生弁を含む油圧制御弁を提供する。

本発明による再生機能を備えた油圧制御弁は、外部より圧油が供給できる供給通路と、供給通路の圧油をアクチュエータに供給し、アクチュエータから帰還する圧油の供給を受ける少なくとも一つ以上のポットと、アクチュエータから帰還する圧油を外部の貯蔵タンクへ排出するタンク通路とアクチュエータから帰還する圧油の一部を供給通路へ供給する第１再生通路が設けられる本体と、
本体内部に移動可能に設けられ、供給通路とポットとタンク通路及び第１再生通路とを連結、遮断して圧油の流れを制御し、且つ、内部には第１再生通路の圧油を供給通路へ供給する第２再生通路が設けられるスプールと、
本体の第１再生通路とタンク通路との間に設けられ、第１再生通路の圧油の一部のみをタンク通路へ帰還せしめることによって、第１再生通路に一定の圧力を保持して第２再生通路側へ圧油を供給し、供給通路側の圧力が設定圧力以上の場合には、供給通路の圧力変化によって第１再生通路の圧力を一定に変化させる再生弁とを含む。

ここで、再生弁は、第１再生通路に連通する第１通路と、タンク通路に連通する第２通路とが設けられ、第１再生通路とタンク通路との間に設けられるスリーブと、第１ばねにより弾性支持され、スリーブ内に移動可能に設けられ、スリーブ内で移動されることによって第２通路の開口面積を可変させ、内側に背圧室が設けられるメインポペットと、第２ばねにより弾性支持されて、スリーブ内に移動可能に設けられ、背圧室の圧力が所定の設定圧力を超えると、背圧室の圧油をタンク通路へ排出するパイロットポペットと、後端部がパイロットポペットの前端部に接触できるようにメインポペット前方に設けられたピストン通路に移動可能に設けられるパイロットピストンと、後端部がパイロットピストンの前端部に接触できるようにスリーブ前方に移動可能に設けられ、前端部に作用する供給通路の圧力がパイロットポペットの設定圧力を超えるとパイロットピストンとパイロットポペットとを後方に向けて移動させるピストンとを含む。

好ましくは、再生弁の後端にはパイロットポペットの後端を加圧し、第２ばねを補助して、設定圧力を可変させる圧力調節手段が設けられる。

また、圧力調節手段は、外部より入力される信号圧により作動されることがより好ましい。

前述した如く、本発明の再生機能を備えた油圧制御弁によれば、油圧ポンプの吐出流量、作業装置の位置、再生流量及び帰還流量が変わっても再生通路の圧力が一定に保持されることから、アクチュエータのハンチングなどが生じにくいといった効果を奏する。

以下では、添付図面の望ましい実施形態などを介して、本発明による再生機能を備えた油圧制御弁の構成と作用とをより詳しく説明する。

図４は、本発明の一実施形態による油圧制御弁の断面図、図５は、図４の油圧制御弁に含まれた再生弁の部分拡大図である。

本発明の一実施形態による再生機能を備えた油圧制御弁は、アクチュエータの一つである油圧シリンダ８に圧油を供給し、油圧シリンダ８の作動を制御する機能を奏する。油圧制御弁は、圧油が通過する各種通路が内部に設けられる本体１０３と、この本体１０３内に摺動可能に設けられ、油圧シリンダ８に圧油が供給できるようにするスプール１０７と、油圧シリンダ８から帰還される圧油の一部を再生させる機能を奏する再生弁１１２を含む。

本体１０３には、油圧ポンプ１から吐出される圧油が供給できる供給通路１０６と、供給通路１０６の圧油を油圧シリンダ８側に供給したり、油圧シリンダ８から帰還する圧油の供給を受ける第１ポット１０４及び第２ポット１０５と、油圧シリンダ８から帰還する圧油を外部の貯蔵タンクＴへ排出するタンク通路１１０ａ、１１０ｂとが設けられる。また、本体１０３内には、第１再生通路１１３が設けられるが、油圧シリンダ８から帰還する圧油の一部を供給通路１０６へ供給して、再生させる機能を果す。

スプール１０７は、本体１０３内部に、図面上、左右方向に摺動可能に設けられ、供給通路１０６と、第１ポット１０４と、第２ポット１０５と、タンク通路１１０ａ、１１０ｂと、そして第１再生通路１１３のそれぞれの連結を開閉することによって圧油の流れを制御する。

また、スプール１０７の内部には、第１再生通路１１３の圧油を供給通路１０６へ供給する第２再生通路１１５が設けられ、第２再生通路１１５の長手方向に摺動可能にポペット１０９が設けられる。ポペット１０９は、第１再生通路１１３の圧力が第２再生通路１１５の圧力より大きい場合、右側に移動されて、第１再生通路１１３の圧油が第２再生通路１１５を介して供給通路１０６方向に流れるようにする。

再生弁１１２は、第１再生通路１１３とタンク通路１１０ｂとの間に設けられ、第１再生通路１１３の圧油の一部のみをタンク通路１１０ｂに帰還させ、第１再生通路１１３に一定の圧力を保持して、第２再生通路１１５側に圧油が供給できるようにする再生機能を奏する。

再生弁１１２は、本体１０３内部の第１再生通路１１３とタンク通路１１０ｂとの間に設けられるスリーブ１２０と、スリーブ１２０内に摺動可能に設けられるメインポペット１３４と、メインポペット１３４の後面に設けられるパイロットポペット１３３と、メインポペット１３４を貫通し、且つ、摺動可能に設けられるパイロットピストン１３６と、スリーブ１２０の前方に摺動可能に設けられるピストン１３５を含めて成される。

再生弁１１２のスリーブ１２０は、第１ボディー１２１と、第２ボディー１２２と、第３ボディー１２３とが順次に続けて設けられる。第２ボディー１２２には第１再生通路１１３と連通される第１通路１２４と、タンク通路１１０ｂと連通される第２通路１２５とが設けられる。

メインポペット１３４は、第１ばね１３７により弾性支持されて、スリーブ１２０内に移動可能に設けられ、且つ、スリーブ１２０内でメインポペット１３４が左右方向に移動されると、第２通路１２５の開口面積が変わる。また、メインポペット１３４には、該内側から後面に向けて開口する背圧室１３２が形成される。

パイロットポペット１３３は、第２ばね１３８により弾性支持され、且つ、スリーブ１２０内に移動可能に設けられている。供給通路１０６の圧力は、ピストン１３５を右側に移動させ、且つ、これによりピストン１３５に接したパイロットピストン１３６、パイロットポペット１３３も共に右側に動く。

したがって、背圧室１３２の圧油は、パイロットポペット１３３が後方に移動されることによって、図示されたように排出通路１５０を経て別途の外部ドレーン１５１により排出されたり、図示されてはいないが、排出通路１５０をタンク通路１１０ｂに連通させ、背圧室１３２の圧油が貯蔵タンクＴへ排出できるように成し得る。この際に、メインポペット１３４も右側に移動して、第１再生通路１１３の圧油は、連結通路１１４を経て第２通路１２５側に流され、タンク通路１１０ｂへ排出される。

パイロットピストン１３６は、その後端部がパイロットポペット１３３の前端部に接触し、且つ、前端部はメインポペット１３４の前方に形成されるピストン通路１３４ｂを貫通し、且つ、メインポペット１３４に対して摺動可能に設けられる。

ピストン１３５は、その後端部がパイロットピストン１３６の前端部に接触し、前端部はスリーブ１２０の第１ボディー１２１の前方通路１３５ｂに挿入されて移動可能に設けられる。したがって、ピストン１３５の前端部には供給通路１０６の圧力が働くため、供給通路１０６の圧力がパイロットポペット１３３に設定された設定圧力を超えると、ピストン１３５がパイロットピストン１３６とパイロットポペット１３３とを後方に向けて加圧する。

前述した構成からなる再生機能を備えた油圧制御弁の作動を説明すると以下のようである。
油圧ポンプ１から吐出される圧油は、供給ライン２を介して油圧制御弁１０３に供給され、且つ、スプール１０７が左右に切り換わることによって、油圧ポンプ１の圧油は供給通路６を介して第１ポット１０４又は第２ポット１０５側に供給できる。

スプール１０７が右側に切り換わると、第１ポット１０４を介してラージチャンバー８ａに圧油が供給でき、油圧シリンダ８は右側に伸張されて、スーモルチャンバー８ｂから排出される圧油は第２ポット１０５を経由して、タンク通路１０ｂを介して貯蔵タンクＴへ帰還され、且つ、該帰還される圧油の一部は再生弁１１２により供給通路１０６側に再生できる。

もし、供給通路１０６に形成される圧力が第２ばね１３８によりパイロットポット１３３に設定された設定圧力を超える場合、パイロットポペット１３３が右側に切り換わり、背圧室１３２がタンクＴと連通されることによって、第１再生通路１１３の圧力が減少する。したがって、供給通路１０６の圧力は最大限度大きい力により作業装置を動かすことに用いられる。

供給通路１０６の圧力が設定圧力より小さいため、再生機能が行われる場合を説明すると、油圧シリンダ８のスーモルチャンバー８ｂから排出される圧油は第２ポット１０５を通過して、第１再生通路１１３に供給され、再生弁１１２の第１通路１２４と第２通路１２５とを次々と経由してタンク通路１１０ｂを介して貯蔵タンクＴへ帰還する。

この際、第２通路１２５は、メインポペット１３４が初期には閉ざされた状態であるため、第１再生通路１１３には圧力が形成され、この圧力が第２再生通路１１５の圧力より高い場合、スプール１０７内部に設けられたポペット１０９が右側に移動されて、第１再生通路１１３の圧油が第２再生通路１１５を介して供給通路１０６の方向に流れる。

前述した再生機能が行われる間、背圧室１３２に作用する圧力が第２ばね１３８によりパイロットポペット１３３に設定された設定圧力より大きくなるとパイロットポペット１３３が右側に移動する。これによって、背圧室１３２の圧力が低くなると共に、パイロットピストン１３６が左側に移動され、メインポペット１３４が右側に移動しながら、第１再生通路１１３の圧油がタンク通路１１０ｂへ排出できる。

かかる再生機能の作用により流量変動が生じても、影響を大きく受けずに、第１再生通路１１３の圧力が一定に維持できるため、ハンチング現象などが生じないことから、油圧シリンダ８の動作を滑らかに制御し得る。

油圧シリンダ８が、大きい負荷を要求する作業を行う際には、再生弁１１２が第１再生通路１１３の圧力を低くして、供給通路１０６の圧力は、最大限の力により作業装置を動かせるに用いられる。

パイロットポペット１３３は第２ばね１３８により弾性支持され、且つ、これにより予め設定圧力が定められる。ピストン１３５の前端部には供給通路１０６の圧力が働くため、供給通路１０６の圧力がパイロットポペット１３３に設定された設定圧力を超えるとピストン１３５がパイロットピストン１３６とパイロットポペット１３３とを後方に向けて加圧する。

したがって、パイロットポペット１３３が後退し、背圧室１３２の圧油がタンク流路１１０ｂへ排出できるため、第１再生通路１１３に形成の圧力は供給通路１０６の圧力増加に比例して一定に減少することによって、第１再生通路１１３と連係された供給通路１０６側の圧力変動も少なくなり、油圧シリンダ８の動きが不自然となるといったハンチング現象がよく生じない。

図６は、本発明の一実施形態による油圧制御弁の圧力変化線図であり、且つ、表示された符号を説明すると以下のようである。
ＰＲ；第１再生通路の作用圧力
Ｐｘ；外部から入力される信号圧
Ｐ；供給通路における作用圧力
Ａ、Ｂ、Ｃ；任意の外部入力値(Ａ<Ｂ<Ｃ)
図６ａによれば、ピストン１３５とパイロットポペット１３３との寸法相関関係によって、供給通路１０６の圧力と、第１再生通路１１３の背圧との比率を調整し得ることが分かる。

油圧シリンダ８を駆動して作業装置を用いることにおいて、他の作業装置との複合操作が必要となる場合、強制に油圧ポンプの供給側圧力を上昇せしめることによって、負荷が大きくかかる作業を希望する場合があるが、これは図７及び図８に示された本発明による他の実施形態及びさらに他の実施形態による具現化が可能となる。

図７は、本発明の他の実施形態による油圧制御弁の再生弁の部分断面図である。本発明の他の実施形態による油圧制御弁の再生弁２１２は外部から入力される信号圧Ｐｘにより作動することになる。外部から信号圧Ｐｘが信号入口２４２を介して入力されると、第３ばね２４１により後方に向けて支持されている加圧ピストン２４３がパイロットポペット１３３の後端を加圧することによって、第２ばね１３８を補助してパイロットポペット１３３に設定される設定圧力を可変させる。

かかる本発明の他の実施形態によれば、信号圧Ｐｘを印加して、第１再生通路１１３の圧力を上昇させると供給通路１０６の圧力も上昇できるため、負荷が大きく作用する他の作業装置との複合操作が可能となる。図６ｂに供給通路１０６の圧力と第１再生通路１１３との圧力関係が簡略に表れている。

図８は、本発明のさらに他の実施形態による油圧制御弁の再生弁の部分断面図を示している。
本発明のさらに他の実施形態による油圧制御弁の再生弁３１２の後端には前述した他の実施形態のような構成として、信号入口３４２につながり、外部の信号圧Ｐｘを供給する信号通路３４４上に遮断弁３４５が設けられる。

遮断弁３４５に信号圧Ｐｙが入力されると遮断弁３４５は、図面上、上側に切り換わり、信号圧Ｐｘが信号入口３４２に入力されることを遮断し、且つ、遮断弁３４５に信号圧Ｐｙが入力されなければ、図面上、下側に切り換わり信号圧Ｐｘが信号入口３４２に入力されて、加圧ピストン３４３の前端部がパイロットポペット１３３の後端部を加圧し、第２ばね１３８を補助して設定圧力を可変せしめる。

かかる本発明のさらに他の実施形態によれば、作業時、常に大きい負荷が働く場合には信号圧Ｐｘを常時信号入口３４２に印加して、供給通路１０６の圧力を上昇させて使用し、大きい負荷を必要としない他の作業装置を用いる際には信号圧Ｐｘが信号入口３４２に印加できないようにすることから、供給通路１０６の圧力を高くない状態に切り換えて用いることができる。

従来技術による再生機能を備える油圧制御弁の断面図である。 図１に含まれた再生弁の部分拡大図である。 作業装置の作動例を表す概略図である。 本発明の一実施形態による油圧制御弁の断面図である。 図４の油圧制御弁に含まれた再生弁の部分拡大図である。 本発明の一実施形態による油圧制御弁の圧力変化線図である。 本発明の他の実施形態による油圧制御弁の再生弁の部分断面図である。 本発明のさらに他の実施形態による油圧制御弁の再生弁の部分断面図である。

符号の説明

１ 油圧ポンプ
２ 供給ライン
３ 油圧制御弁本体
８ 油圧シリンダ
８ａ ラージチャンバー
８ｂ スモールチャンバー
１０３ 本体
１０４ 第１ポート
１０５ 第２ポット
１０６ 供給通路
１０７ スプール
１０９ ポペット
１１０ａ、１１０ｂ タンク通路
１１３ 第１再生通路
１１４ 連結通路
１１５ 第２再生通路
１２０ スリーブ
１２１ 第１ボディー
１２２ 第２ボディー
１２３ 第３ボディー
１２４ 第１通路
１２５ 第２通路
１３２ 背圧室
１３３ パイロットポペット
１３４ メインポペット
１３４ｂ ピストン通路
１３５ ピストン
１３５ｂ 前方通路
１３６ パイロットピストン
１３７ 第１ばね
１３８ 第２ばね
１４０、２４０、３４０ 圧力調節手段
１５０ 排出通路
１５１ 外部ドレーン
２４１ 第３ばね
３４４ 信号通路
３４５ 遮断弁
２４２、３４２ 信号入口
２４３、３４３ 加圧ピストン
１１２、２１２、３１２ 再生弁

Claims (3)

1. 外部より圧油が供給できる供給通路と、前記供給通路の圧油をアクチュエータに供給し、前記アクチュエータから帰還する圧油の供給を受ける少なくとも一つ以上のポットと、前記アクチュエータから帰還する圧油を外部の貯蔵タンクへ排出するタンク通路と、前記アクチュエータから帰還する圧油の一部を前記供給通路へ供給する第１再生通路が設けられる本体と、
   前記本体内部に移動可能に設けられ、前記供給通路と前記ポットと前記タンク通路及び前記第１再生通路とを連結、遮断して圧油の流れを制御し、且つ、内部には前記第１再生通路の圧油を前記供給通路に供給する第２再生通路が設けられるスプールと、
   前記本体の前記第１再生通路と前記タンク通路との間に設けられ、前記第１再生通路の圧油の一部のみを前記タンク通路へ帰還せしめることによって、前記第１再生通路に一定の圧力を保持して前記第２再生通路側に圧油を供給し、前記供給通路側の圧力が設定圧力以上の場合には、前記供給通路の圧力変化によって前記第１再生通路の圧力を一定に変化させる再生弁と、を備え、
   前記再生弁は、前記第１再生通路に連通する第１通路と、前記タンク通路に連通する第２通路とが設けられ、前記第１再生通路と前記タンク通路との間に設けられるスリーブと、
   第１ばねにより弾性支持され、前記スリーブ内に移動可能に設けられ、前記スリーブ内で移動されることによって前記第２通路の開口面積を可変させ、内側に背圧室が設けられるメインポペットと、
   第２ばねにより弾性支持され、前記スリーブ内に移動可能に設けられ、前記背圧室の圧力が所定の設定圧力を超えると、前記背圧室の圧油を前記タンク通路へ排出するパイロットポペットと、
   後端部が前記パイロットポペットの前端部に接触するように前記メインポペット前方に設けられたピストン通路に移動可能に設けられるパイロットピストンと、
   後端部が前記パイロットピストンの前端部に接触するように前記スリーブ前方に移動可能に設けられ、前端部に作用する前記供給通路の圧力が前記パイロットポペットの設定圧力を超えると前記パイロットピストンと前記パイロットポペットとを後方に向けて移動させるピストンとを含めて成されることを特徴とする再生機能を備えた油圧制御弁。
2. 前記再生弁の後端には、前記パイロットポペットの後端を加圧し、前記第２ばねを補助して、設定圧力を可変させる圧力調節手段がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の再生機能を備えた油圧制御弁。
3. 前記圧力調節手段は、外部より入力される信号圧により作動されることを特徴とする請求項２に記載の再生機能を備えた油圧制御弁。

Images