JP6228430B2 - 液圧駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液圧ポンプから吐出される圧液をアクチュエータに供給してアクチュエータを駆動する液圧駆動装置に関する。
油圧ショベル等の建設機械は、複数の油圧アクチュエータを備えており、油圧アクチュエータを駆動させることでブーム、アーム、バケット、旋回装置、及び走行装置等の様々な構成要素を動かして様々な作業を行うことができるようになっている。建設機械は、これらの油圧アクチュエータを駆動させるべく、例えば特許文献1のような油圧駆動装置を備えている。
特許文献1に記載の油圧駆動装置は、油圧ポンプを有しており、油圧ポンプから吐出される圧油をアクチュエータに供給することでアクチュエータを駆動するようになっている。油圧駆動装置では、方向切換弁がアクチュエータ毎に対応付けて設けられており、方向切換弁は、対応するアクチュエータに流れる圧油の流れを切換え、またその流量を調整するようになっている。また、油圧駆動装置は、ブリードオフ弁を備えており、ブリードオフ弁は、油圧ポンプから吐出される圧油をタンクに排出して各アクチュエータに流れる流量を調整するようになっている。更に、油圧駆動装置では、アクチュエータ毎に対応付けて操作装置が設けられており、操作装置は、制御装置に操作信号を出力するようになっている。制御装置は、操作装置から送信される操作信号に応じて方向切換弁及びブリードオフ弁の開口面積を制御し、操作信号に応じた方向及び流量の圧油をアクチュエータに供給するようになっている。
特開平7−63203号公報
特許文献1に記載の油圧駆動装置のブリードオフ弁は、いわゆる電磁制御弁によって構成されており、信号線を介して制御装置と電気的に接続されている。制御装置からブリードオフ弁には、この信号線を介して駆動信号が送信され、ブリードオフ弁は、この駆動信号に応じてその開口面積を調整する。それ故、信号線で電気的故障(ショート及び断線等)が発生すると、油圧ポンプからタンクへと排出される圧油の排出量を制御できなくなり、ブリードオフ弁が機能しなくなる。これにより、吐出圧が異常に上昇したり、アクチュエータを動作させる際にショックが生じたりする。
そこで本発明は、ブリードオフ弁が機能しなくなることを抑制することができる液圧駆動装置を提供することを目的としている。
本発明の液圧駆動装置は、液圧ポンプから吐出される圧液をアクチュエータに供給して前記アクチュエータを駆動するための液圧駆動装置であって、操作レバーが設けられ、前記操作レバーを操作するとその操作量に応じた圧力の出力圧を出力する操作弁と、前記出力圧に応じて開度を調整し、その開度と前記アクチュエータの負荷に応じた流量の圧液を前記液圧ポンプから前記アクチュエータに供給する流量制御機構と、入力される駆動信号に応じた圧力に制御された制御圧を出力する電磁制御弁と、前記出力圧と前記制御圧との差圧が予め定められた設定制御範囲内であると前記制御圧を前記パイロット圧として出力し、前記差圧が前記設定制御範囲を外れると前記出力圧をパイロット圧として出力するフェールセーフ機構と、前記フェールセーフ機構から出力されるパイロット圧に応じて開口面積を調整し、前記開口面積に応じた流量の圧液を前記液圧ポンプからタンクに排出するブリードオフ弁とを備えるものである。
本発明に従えば、出力圧と制御圧との差圧が予め定められた設定制御範囲内にあるか否かによってブリードオフ弁の開口面積を調整するためのパイロット圧を切換えることができる。これにより、設定制御範囲を適切に設定することによって、電磁制御弁が故障等して制御圧を制御できなくなった場合には、操作弁の出力圧に応じてブリードオフ弁を動作させることができる。それ故、電磁制御弁の故障等によってブリードオフ弁が正常に機能しなくなることを抑制することができる。
上記発明において、前記フェールセーフ機構は、前記出力圧と前記制御圧とが互いに抗するように作用し、作用する力に応じて位置を変える低圧側スプールと、前記低圧側スプールに前記出力圧に抗する付勢力を与える低圧側付勢部材とを有し、前記低圧側スプールは、その位置に応じて前記出力圧及び前記制御圧を選択して前記パイロット圧として出力するようになっており、前記出力圧は、前記出力圧が選択されるように前記低圧側スプールの位置を変えるべく前記低圧側スプールに作用し、前記制御圧は、前記制御圧が選択されるように前記低圧側スプールの位置を変えるべく前記低圧側スプールに作用するようになっていてもよい。
上記構成に従えば、低圧側スプールが出力圧と制御圧との差圧(具体的には、出力圧から制御圧を減算した値)に応じてその位置を変え、制御圧が十分に高く差圧が付勢力に応じた値より小さい場合には、低圧側スプールが制御圧をパイロット圧として出力する。他方、制御圧が低すぎて差圧が付勢力に応じた値より大きい場合には、低圧側スプールが出力圧をパイロット圧として出力する。このように差圧が付勢力に応じた値を超えるか否かによってパイロット圧として出力される油圧を選択することができるようになり、付勢力を変えることによって設定制御範囲を変更することができる。
上記発明において、前記電磁制御弁は、パイロットポンプから吐出される圧液を減圧して前記制御圧として出力し、前記フェールセーフ機構は、前記出力圧と前記制御圧とが互いに抗するように作用し、作用する力に応じて位置を変える高圧側スプールと、前記高圧側スプールに前記制御圧に抗する付勢力を与える高圧側付勢部材とを有し、前記高圧側スプールは、その位置に応じて前記出力圧及び前記制御圧を選択して前記パイロット圧として出力するようになっており、前記制御圧が前記出力圧より大きくなって前記制御圧と前記出力圧との差圧が前記設定制御範囲を外れると、前記出力圧を前記パイロット圧として優先的に出力するようになっていてもよい。
上記構成に従えば、制御圧が高すぎて制御圧と出力圧の差圧が設定制御範囲を外れるようになると、出力圧がパイロット圧として優先的に出力される。それ故、電磁制御弁が故障等して制御圧が過大になった際、操作弁の出力圧に応じてブリードオフ弁を動作させることができる。それ故、電磁制御弁の故障等によってブリードオフ弁が機能しなくなることを抑制することができる。
上記発明において、前記電磁制御弁は、前記操作弁と接続され、前記操作弁から出力される出力圧を減圧して前記制御圧として出力するようになっていてもよい。
上記構成に従えば、電磁制御弁から制御圧を出力させるためのポンプが不要となり、部品点数を低減することができる。
上記発明において、前記駆動信号を作動状態に応じて前記電磁制御弁に出力する制御装置を備え、前記作動状態には、前記操作レバーの操作状態、前記液圧ポンプを駆動するエンジンの回転数、前記圧液の温度、及び前記アクチュエータに作用する負荷のうち少なくとも1つの状態が含まれてもよい。
上記構成に従えば、作動状態に応じた効率的な運転を実現することができる。
上記発明において、複数の前記アクチュエータに夫々対応させて設けられた複数の前記操作弁と、前記複数の操作弁から出力される出力圧のうち最も高い出力圧を選択する出力圧選択機構を備え、前記流量制御機構は、前記操作弁が操作されて出力圧が出力されると、操作された前記操作弁に対応するアクチュエータに前記出力圧に応じた流量の圧液を供給するようになっており、前記フェールセーフ機構は、前記差圧が前記設定制御範囲を外れると前記出力圧選択機構で選択された出力圧をパイロット圧として出力するようになっていてもよい。
上記構成に従えば、液圧ポンプからタンクに排出される圧液の排出量を最も大きい出力圧に応じて調整し、前記出力圧が大きくなればなるほど排出量を小さくすることができる。これにより、複数の操作レバーが操作されると、それらの操作レバーの操作量のうち最も大きい操作量に応じた流量をアクチュエータ側に供給することができる。
本発明によれば、ブリードオフ弁が正常に機能しなくなることを防ぐことができる。
本件発明の実施形態の液圧駆動装置を備える油圧ショベルを示す側面図である。 第1実施形態の液圧駆動装置の液圧回路を示す回路図である。 液圧駆動装置の操作弁のレバーストローク量と電磁制御弁の制御圧との関係を示すグラフである。 第2実施形態の液圧駆動装置の液圧回路を示す回路図である。
以下、本発明に係る第1及び第2実施形態の液圧駆動装置1,1A及びそれを備える油圧ショベル2について前述の図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明する油圧駆動装置1,1Aは、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。
<第1実施形態>
[油圧ショベル]
図1に示すように、建設機械の一例である油圧ショベル2は、先端部に取り付けられたアタッチメント、例えばバケット3によって掘削や運搬等の様々な作業を行うことができるようになっている。油圧ショベル2は、クローラー等の走行装置4を有しており、走行装置4の上に旋回体5が旋回可能に載せられている。旋回体5は、旋回用モータ(図示せず)によって旋回駆動可能に構成されており、旋回体5には、運転者が搭乗するための運転席5aが形成されている。
また、旋回体5には、上下方向に揺動可能にブーム6が設けられている。ブーム6は、旋回体5から上斜め前方に延在しており、ブーム6と旋回体5とには、ブーム用シリンダ7が架設されている。ブーム6は、ブーム用シリンダ7を伸縮させることで旋回体5に対して上方又は下方に揺動するようになっている。また、ブーム6の先端部には、前後方向に揺動可能にアーム8が設けられている。アーム8は、ブーム6の先端部から下斜め前方に延在しており、ブーム6とアーム8とには、アーム用シリンダ9が架設されている。アーム8は、アーム用シリンダ9を伸縮させることでブーム6に対して後方又は前方に揺動するようになっている。更に、アーム8の先端部には、前後方向に揺動可能にバケット3が設けられている。バケット3とアーム8とには、バケット用シリンダ10が設けられており、バケット用シリンダ10を伸縮させることでバケット3が前後方向に揺動するようになっている。
ブーム用シリンダ7、アーム用シリンダ9、バケット用シリンダ10及び旋回用モータは、液圧式のアクチュエータであり、それらに圧液(本実施形態では、作動油)を供給することで駆動するようになっている。油圧ショベル2は、旋回用モータを含む各アクチュエータ7,9,10に作動油を供給する液圧駆動装置1を備えており、この液圧駆動装置1によって各アクチュエータ7,9,10に作動油を供給するようになっている。以下では、液圧駆動装置1の構成について、図2を参照しながら説明する。
[液圧駆動装置]
液圧駆動装置1は、液圧ポンプ11と、流量制御機構12と、複数の操作弁13,14と、ブリードオフ弁15とを備えている。液圧ポンプ11は、エンジンEに連結されており、このエンジンEが回転すると圧液(作動油又は水であり、本実施形態では作動油)を吐出するようになっている。液圧ポンプ11は、いわゆる可変容量形の液圧ポンプであり、斜板11aを有している。斜板11aは、アクチュエータの駆動に必要な流量に応じて傾斜角を変え、液圧ポンプ11は、斜板11aの角度に応じた流量の作動油を吐出ポートから吐出するようになっている。なお、斜板11aの傾斜角は、例えばネガティブコントロール又はポジディブコントロール方式で制御される。吐出ポートには、主通路16が繋がっており、この主通路16は、流量制御機構12に繋がっている。液圧ポンプ11から吐出された作動油は、主通路16を介して流量制御機構12に導かれるようになっている。
流量制御機構12は、ブーム用シリンダ7、アーム用シリンダ9、バケット用シリンダ10及び旋回用モータ等のアクチュエータに繋がっており、液圧ポンプ11からの作動油を旋回用モータを含む各アクチュエータ7,9,10に供給可能に構成されている。なお、図2では、説明の便宜上、ブーム用シリンダ7及びアーム用シリンダ9だけを図示し、バケット用シリンダ10及び旋回用モータを図示していない。流量制御機構12の構成についてさらに詳細に説明すると、流量制御機構12は、アクチュエータ7,9,10毎に対応させて設けられた方向切換弁(図示せず)を有している。方向切換弁は、対応するアクチュエータ7,9,10の2つのポート(ブーム用シリンダ7及びアーム用シリンダ9の場合、シリンダのヘッド側のポート7a,9a及びロッド側のポート7b,9b)に夫々接続され、作動油の流れる方向を切換えて作動油の供給先のポートを切換えることができるようになっている。また、方向切換弁は、その開口の開度を調整して、その開度と対応するアクチュエータ7,9,10の負荷とに応じた流量の作動油を対応するアクチュエータ7,9,10に流すようになっている。このように構成されている流量制御機構12には、複数の操作弁13,14が接続されている。
操作弁13,14は、方向切換弁毎(即ち、アクチュエータ7,9,10毎)に対応付けられており、運転席5aに設けられている。なお、以下では、説明の便宜上、ブーム用シリンダ7及びアーム用シリンダ9に対応付けられた操作弁13,14についてだけ図2で図示して説明し、バケット用シリンダ10及び旋回用モータの操作弁についての図示及び説明は省略する。操作弁13,14は、操作レバー13a,14aを夫々有しており、操作レバー13a、14aは中立位置を基準に第1及び第2方向に傾倒操作できるようになっている。また、操作弁13,14には、第1パイロットポンプ20が夫々接続されている。第1パイロットポンプ20は、いわゆる固定容量型の液圧ポンプであり、定量のパイロット油が吐出されている。第1パイロットポンプ20から吐出されたパイロット油は操作弁13,14に夫々導かれており、操作弁13,14は、導かれたパイロット油を操作レバー13a,14aの傾倒方向に応じた方向に、操作量(即ち、傾倒角)に応じた圧力に減圧して出力するようになっている。
さらに詳細に説明すると、ブーム用の操作弁13には、2つのパイロット通路17a,17bが繋がっており、アーム用の操作弁14には、2つのパイロット通路18a,18bが夫々繋がっている。ブーム用の操作弁13は、その操作レバー13aが第1方向(例えば、前方)に操作されると、操作レバー13aの傾倒角に応じた出力圧P1のパイロット油を一方のパイロット通路17aに出力するようになっている。他方、操作レバー13aが第2方向(例えば、後方)に操作されると、ブーム用の操作弁13は、操作レバー13aの傾倒角に応じた出力圧P2のパイロット油を他方のパイロット通路17bに出力するようになっている。パイロット通路17a,17bに夫々出力されたパイロット油は、流量制御機構12に入力され、流量制御機構12においてブーム用シリンダ7に対応付けられた方向切換弁が操作レバー13aの傾倒方向及び傾倒角に応じて動く。即ち、ブーム用シリンダ7に流れる作動油の方向が前記傾倒方向に応じた方向に切換わり、且つ方向切換弁の開口の開度が傾倒角に応じた開度に調整される。これにより、流量制御機構12を介して液圧ポンプ11からブーム用シリンダ7に作動油が供給される。
アーム用の操作弁14もまた、操作レバー14aが第1方向に操作されると、その傾倒量に応じた出力圧P3のパイロット油を一方のパイロット通路18aに出力し、操作レバー14aが第2方向に操作されると、その傾倒量に応じた出力圧P4のパイロット油を他方のパイロット通路18bに出力するようになっている。パイロット通路18a,18bに夫々出力されたパイロット油は、流量制御機構12に入力され、流量制御機構12においてアーム用シリンダ9に対応付けられた方向切換弁が操作レバー14aの傾倒方向及び傾倒角に応じて動く。即ち、アーム用シリンダ9に流れる作動油の方向が前傾倒方向に応じた方向に切換わり、且つ前記方向切換弁の開口の開度が傾倒角に応じた開度に調整される。これにより、流量制御機構12を介して液圧ポンプ11からアーム用シリンダ9に作動油が供給される。
このように構成されている操作弁13,14のパイロット通路17a,17b,18a,18bには、高圧選択機構19が接続されている。高圧選択機構19は、操作弁13,14から出力される出力圧P1〜P4のうち最も高い出力圧を選択して出力するようになっている。具体的に説明すると、高圧選択機構19は、3つのシャトル弁21,22,23を有しており、第1シャトル弁21は、操作弁13の2つのパイロット通路17a,17bに接続されており、パイロット通路17a,17bの油圧のうち高い方の油圧を選択して下流側に出力するようになっている。また、第2シャトル弁22は、操作弁14の2つのパイロット通路18a,18bに接続されており、パイロット通路18a,18bの油圧のうち高い方の油圧を選択して下流側に出力するようになっている。更に、第3シャトル弁23は、第1及び第2シャトル弁21,22から夫々出力された2つの油圧のうち高い方の油圧を選択するようになっている。また、第3シャトル弁23は、後述するフェールセーフ機構25に接続されており、選択した油圧を出力圧Prcvとしてフェールセーフ機構25に出力するようになっている。このフェールセーフ機構25には、高圧選択機構19に並列するように電磁比例制御弁27を介して第2パイロットポンプ26が接続されている。
第2パイロットポンプ26は、いわゆる固定容量型の液圧ポンプであり、定量のパイロット油が吐出されている。第2パイロットポンプ26は、電磁比例制御弁27に接続されており、この電磁比例制御弁27を介してフェールセーフ機構25に接続されている。電磁比例制御弁27は、ノーマルクローズ形の電磁比例制御弁であり、入力される信号(電流値)に比例して開口の開度を増加するようになっている。なお、電磁比例制御弁27は、ノーマルクローズ形のものとは逆の特性であるノーマルオープン形の電磁逆比例制御弁であってもよい。電磁比例制御弁27は、駆動信号(電流)を入力できるようになっており、第2パイロットポンプ26の吐出圧を駆動信号に応じた圧力に減圧して制御圧Psolとしてフェールセーフ機構25に出力するようになっている。このように構成されている電磁比例制御弁27には、制御装置30が電気的に接続されている。
制御装置30は、回転数センサ31、油温センサ32,パイロット圧力センサPS1〜PS4,シリンダ圧力センサLS1〜LS4と電気的に接続されている。回転数センサ31は、エンジンEの回転数を検出するようになっており、油温センサ32は、主通路16を流れる作動油の温度を検出するようになっている。また、パイロット圧力センサPS1〜PS4は、各操作弁13,14のパイロット通路17a,17b,18a,18bに夫々設けられており、各操作弁13,14から出力される出力圧P1〜P4を夫々検出するようになっている。また、油圧センサLS1〜LS4は、流量制御機構12と各アクチュエータ7,9,10とを夫々繋ぐ通路33〜36に夫々設けられており、流量制御機構12から各アクチュエータ7,9,10に流れる作動油の油圧を夫々検出するようになっている。各種センサ31,32,PS1〜PS4,LS1〜LS4は、検出結果を制御装置30に出力するようになっている。
制御装置30は、各種センサ31,32,PS1〜PS4,LS1〜LS4から出力される検出結果に基づいて液圧駆動装置1が予め定められた作動条件を充足しているか否かを判断するようになっている。更に、制御装置30は、充足する作動条件に応じた駆動信号(即ち、充足する作動条件に応じた電流)を電磁比例制御弁27に入力して前記充足する作動条件に応じた圧力に制御圧Psolを制御するようになっている。このようにして制御される制御圧Psolは、高圧選択機構19から出力される出力圧Prcvと共にフェールセーフ機構25に入力されるようになっている。
フェールセーフ機構25は、2つのフェールセーフ弁41,42を有している。低圧側フェールセーフ弁41は、低圧側スプール41a及び低圧側付勢部材41bを有している。低圧側スプール41aは、高圧選択機構19及び電磁比例制御弁27と共に2つの出力通路43,44に繋がっており、低圧側スプール41aの両端には、出力圧Prcv及び制御圧Psolが互いに抗する方向に夫々作用している。また、低圧側スプール41aは、低圧側付勢部材41bによって出力圧Prcvに抗する方向に付勢されている。このような力が作用する低圧側スプール41aは、出力圧Prcv、制御圧Psol、及び低圧側付勢部材41bの付勢力が釣り合うように位置を変えるようになっており、低圧側スプール41aの位置に応じて高圧選択機構19及び電磁比例制御弁27の各々の接続先を出力通路43,44のいずれかに切換えるようになっている。
更に詳細に説明すると、出力圧Prcvは、高圧選択機構19が第1出力通路43に接続されて第1出力通路43に出力圧Prcvが出力されるように低圧側スプール41aに作用し、制御圧Psolは、電磁比例制御弁27が第1出力通路43に接続されて第1出力通路43に制御圧Psolが出力されるように低圧側スプール41aに作用している。これにより、制御圧Psol及びスレッショルド圧Pth1との合力が出力圧Prcvより大きくなると、低圧側スプール41aは、電磁比例制御弁27を第1出力通路43に接続し、高圧選択機構19を第2出力通路44に接続するようになっている。他方、制御圧Psol及びスレッショルド圧Pth1との合力が出力圧Prcvより小さくなると、低圧側スプール41aは、高圧選択機構19を第1出力通路43に接続し、電磁比例制御弁27と第2出力通路44との間を遮断するようになっている。ここで、スレッショルド圧Pth1は、低圧側付勢部材41bの付勢力に応じて決まる値である。このように、低圧側スプール41aは、出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧に応じてその位置を変え、各出力通路43,44を介して出力圧Prcv及び制御圧Psolを高圧側フェールセーフ弁42に導くようになっている。
高圧側フェールセーフ弁42は、高圧側スプール42a及び高圧側付勢部材42bを有している。高圧側スプール42aは、2つの出力通路43,44と共にパイロット通路45に繋がっており、高圧側スプール42aの両端には、出力圧Prcv及び制御圧Psolが互いに抗する方向に夫々作用している。また、高圧側スプール42aには、高圧側付勢部材42bが設けられており、高圧側付勢部材42bによって制御圧Psolに抗する方向に付勢されている。高圧側スプール42aは、出力圧Prcv、制御圧Psol、及び高圧側付勢部材42bの付勢力が釣り合うように位置を変えるようになっており、高圧側スプール42aの位置に応じてパイロット通路45の接続先を2つの通路43,44のうちのいずれか一方に切換えるようになっている。
更に詳細に説明すると、出力圧Prcvは、第1出力通路43がパイロット通路45に接続されるように高圧側スプール42aに作用し、制御圧Psolは、第2出力通路44がパイロット通路45に接続されるように高圧側スプール42aを作用している。これにより、出力圧Prcv及びスレッショルド圧Pth2との合力が制御圧Psolより大きくなると、高圧側スプール42aは、第1出力通路43をパイロット通路45に接続し、出力圧Prcv及びスレッショルド圧Pth2との合力が制御圧Psolより小さくなると、高圧側スプール42aは、第2出力通路44をパイロット通路45に接続するようになっている。ここで、スレッショルド圧Pth2は、高圧側付勢部材42bの付勢力に応じて決まる値である。本実施形態では、低圧側付勢部材41bと高圧側付勢部材42bとが略同じばね係数を有しており、スレッショルド圧Pth2は、スレッショルド圧Pth1と略一致している。このように、高圧側スプール42aは、制御圧Psolと出力圧Prcvとの差圧に応じてその位置を変え、その位置に応じてパイロット通路45の接続先を出力通路43,44のいずれか一方に切換えるようになっている。
このようにして構成されているフェールセーフ機構25は、高圧選択機構19及び電磁比例制御弁27から夫々出力圧Prcv及び制御圧Psolが出力されると、出力圧Prcv及び制御圧Psolのうち出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧に応じた油圧をブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてパイロット通路45に出力する。
即ち、図3に示すように、出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧Psol−Prcvが
Psol−Prcv<−Pth1 …(1)
の第1フェール範囲51内である場合は、低圧側付勢部材41bによって高圧選択機構19が第1出力通路43と繋がれ、高圧側スプール42aによって第1出力通路43とパイロット通路45とが繋がれる。これにより、出力圧Prcvが低圧側フェールセーフ弁41、及び高圧側フェールセーフ弁42を介してパイロット通路45に導かれ、出力圧Prcvがブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてフェールセーフ機構25から出力される。
出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧Psol−Prcvが
−Pth1<Psol−Prcv<Pth2 …(2)
の設定制御範囲52内である場合は、低圧側付勢部材41bによって電磁比例制御弁27が第1出力通路43と繋がれ、高圧側スプール42aによって第1出力通路43とパイロット通路45とが繋がれる。これにより、制御圧Psolが低圧側フェールセーフ弁41及び高圧側フェールセーフ弁42を介してパイロット通路45に導かれ、制御圧Psolがブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてフェールセーフ機構25から出力される。
更に、制御圧Psolと出力圧Prcvとの差圧Psol−Prcvが
Pth2<Psol−Prcv …(3)
の第2フェール範囲53内である場合は、低圧側付勢部材41bによって高圧選択機構19が第2出力通路44と繋がれ、高圧側スプール42aによって第2出力通路44とパイロット通路45とが繋がれる。これにより、出力圧Prcvが低圧側フェールセーフ弁41及び高圧側フェールセーフ弁42を介してパイロット通路45に導かれる。このような機能を有するフェールセーフ機構25は、ブリードオフ弁15に接続されており、出力されたブリードオフ用パイロット圧Ppilはブリードオフ弁15に入力されるようになっている。
ブリードオフ弁15は、主通路16に接続されており、主通路16とタンク24とを繋いでいる。ブリードオフ弁15は、主通路16に流れる作動油をタンク24に排出して液圧ポンプ11から流量制御機構12に流れる作動油の流量を調整するようになっている。ブリードオフ弁15は、いわゆるノーマルオープン型のスプール弁であり、フェールセーフ機構25からのブリードオフ用パイロット圧Ppilがスプール15aに作用するようになっている。また、ブリードオフ弁15には、ばね部材28が設けられており、スプール15aは、ばね部材28によってブリードオフ用パイロット圧Ppilに抗する方向に付勢されている。このように構成されているブリードオフ弁15は、ブリードオフ用パイロット圧Ppilによる作用力とばね部材28による付勢力とが釣り合うようにスプール15aの開口面積が与えられ、ブリードオフ用パイロット圧Ppilとポンプ吐出圧に応じた排出量の作動油が液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出される。
[液圧駆動装置の動作]
以下では、液圧駆動装置1の動作について説明する。液圧駆動装置1では、操作レバー13a,14aのいずれかが傾倒されると、傾倒された操作レバー13a,14aの傾倒方向に応じた方向の出力圧P1〜P4が出力される。例えば、操作レバー13aが前方(第1方向)に傾倒されると、パイロット通路17aに第1出力圧P1が出力される。第1出力圧P1が出力されると、第1及び第3シャトル弁21,23でこの第1出力圧P1が選択され、この第1出力圧P1が出力圧Prcvとして高圧選択機構19から出力される。
また、第1出力圧P1が出力されてパイロット圧センサPS1で圧力が検出されると、制御装置30は、その検出結果に基づいて操作弁13が操作されていると判断し、作動状態に応じた制御圧Psolを出力すべく所定の作動条件を充足しているか否かを判断する。例えば、制御装置30は、油温センサ32の検出結果に基づいて、油温が予め定められた作動条件(具体的には、所定温度以上)を充足するか否かを判断する。なお、回転数センサ31の検出結果に基づいて、エンジンEの回転数が予め定められた作動条件(具体的には、所定回転数以下)を充足するか否かを判断したり、油圧センサLS1〜LS4の検出結果に基づいて、アクチュエータ7,9の負荷が予め定められた作動条件(具体的には、所定負荷以下)を充足するか否かを判断したりしてもよい。制御装置30は、作動条件の充足の有無に応じて(即ち、作動状態に応じて)電磁比例制御弁27に流す電流の大きさを調整する。例えば、制御装置30は、作動条件を充足する場合、作動条件を充足しない場合より大きい電流を流すようになっており、作動条件を充足する場合の制御圧Psolが作動条件を充足しない場合の制御圧Psolに比べて大きくなるようになっている。また、アクチュエータ7,9毎にそれぞれの電流マップを設定しておき、アクチュエータ7,9毎の作動条件の充足の有無に応じて、制御装置30から電磁比例制御弁27に流す電流の大きさを調整してもよい。このように制御装置30から電磁比例制御弁27に電流が流されることで電磁比例制御弁27から制御圧Psolが出力される。
フェールセーフ機構25は、高圧選択機構19及び電磁比例制御弁27から夫々出力される出力圧Prcv及び制御圧Psolの差圧Psol−Prcvの絶対値|Psol−Prcv|に基づいて、フェールセーフ機構25からブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力する油圧を出力圧Prcv及び制御圧Psolのうちから選択する。例えば、電磁比例制御弁27が正常に動作し、制御装置30が作動条件に応じて制御圧PsolをPrcv−Pth1<Psol<Prcv+Pth2の範囲内で制御している場合、差圧Psol−Prcvの絶対値|Psol−Prcv|が設定制御範囲52にある。そうすると、制御圧Psolがブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてフェールセーフ機構25から出力され、ブリードオフ弁15は、制御圧Psolに応じた開口面積に調整される。この開口面積及びポンプ吐出圧に応じた排出量の作動油が液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出される。
このように、制御圧PsolがPrcv−Pth1<Psol<Prcv+Pth2の範囲内にある場合は、制御装置30が作動状態に応じて制御した制御圧Psolをブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力させることができる。これにより、制御圧Psol応じた排出量の作動油を液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出させることができ、操作レバー13aの傾倒角及び作動条件に応じた流量の作動油を液圧ポンプ11から流量制御機構12に導くことができる。流量制御機構12では、方向切換弁が操作弁13の第1出力圧P1に応じて作動する、即ち操作レバー13aの傾倒方向及び傾倒角に応じて方向切換弁が作動する。これにより、操作レバー13aの傾倒角に応じた流量の作動油が液圧ポンプ11からブーム用シリンダ7のロッド側7bに供給され、前記傾倒角に応じた速度で且つ操作レバー13aの傾倒方向に応じた方向(即ち、下方)にブーム6が傾倒する。
このように動作する液圧駆動装置1では、制御圧PsolをPrcv−Pth1<Psol<Prcv+Pth2の範囲内で調整することができる。これにより、作動状態に応じて制御装置30が電磁比例制御弁27に流す電流を変えて制御圧Psolを調整することによって、操作レバー13aが同じ傾倒角であっても液圧駆動装置1の作動状態に応じてブリードオフ弁15の開口面積を変えることができる。即ち、作動状態に応じて電磁比例制御弁27に流す電流を変えるように設定することによってきめ細かいブリードオフ制御を行うことができる。例えば、油温が所定温度以上となった高温環境下では、作動油の粘度が低くなってブーム6の起動動作時にブーム用シリンダ7に多くの圧液が供給されて衝撃が生じる場合がある。液圧駆動装置1では、油温が所定温度以上となって作動条件を充足するとブリードオフ弁15の開口面積を大きくしてタンク24への排出量を多くする。これにより、ブーム用シリンダ7に流れる作動油の流量を抑えて前記衝撃を緩和することができる。同様に、エンジンEの回転数が大きくなって液圧ポンプ11からの吐出量が多くなったときに、ブリードオフ弁15の開口の開度を大きくしてタンク24への排出量を多くすることで、ブーム用シリンダ7に流れる作動油の流量を抑えて前記衝撃を緩和することができる。
このように、液圧駆動装置1では、その作動状態に応じた制御圧Psolをブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力し、ブリードオフ弁15の開口面積を制御圧Psolに応じた面積に調整することができる。それ故、作動条件の設定により前述のような衝撃を緩和して操作性を向上させたり、また逆にブリードオフ弁15の開口の開度を小さくして省エネルギー化を図ったりすることができる。また、電磁比例制御弁27に電磁比例制御弁を採用しているので、出力する背圧pを精度よく制御することができる。これにより、きめ細かく操作性をチューニングすることができる。更に、ブリードオフ弁15に関する操作性のチューニング作業を制御装置30の設定のみで行うことができるため、液圧駆動装置1のチューニング作業が容易になり、液圧駆動装置1の開発時間を短縮することができる。
他方、電磁比例制御弁27と制御装置30とを繋ぐ信号線46で電気的故障(ショート及び断線等)が発生して制御圧Psolが出力できなくなったり、電磁比例制御弁27の弁体がスティックして電磁比例制御弁27が開いたまま又は閉まったままになったりすることが考えられる。このように電磁比例制御弁27等が故障して制御装置30が制御圧Psolを制御できなくなると、制御圧PsolがPsol<Prcv−Pth1、又はPrcv+Pth2<Psolの範囲となることがある。この場合、差圧Psol−Prcvが第1フェール範囲51又は第2フェール範囲53にあり、高圧選択機構19からの出力圧Prcvがブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてフェールセーフ機構25から出力される。これにより、ブリードオフ弁15は、制御圧Psolに応じた開口面積に調整され、この開口面積に応じた排出量の作動油が液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出される。
このように電磁比例制御弁27等が故障等して作動状態に応じた制御圧Psolが異常に小さくなったり又は大きくなったりすると、高圧選択機構19から出力される出力圧Prcvがブリードオフ用パイロット圧Ppilとしてフェールセーフ機構25から出力される。それ故、電磁比例制御弁27等が故障等しても、操作レバー13aの傾倒角に応じてブリードオフ弁15を相応に動かすことができ、ブリードオフ弁15が機能しなくなることを防ぐことができる。
液圧駆動装置1では、差圧Psol−Prcvの絶対値|Psol−Prcv|に基づいてブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力する油圧を選択しており、何れの油圧を選択するか判断する境界値は、低圧側付勢部材41b及び高圧側付勢部材42bの付勢力に夫々対応するスレッショルド圧Pth1,Pth2である。従って、低圧側付勢部材41b及び高圧側付勢部材42bを変えることによって前記境界値であるスレッショルド圧Pth1,Pth2を変更することができ、それによって設定制御範囲52の範囲を変更することができる。そして、スレッショルド圧Pth1,Pth2を調整して設定制御範囲52を適切に設定することによって、上述するように電磁制御弁が故障等して制御圧を制御できなくなっても操作弁の出力圧に応じてブリードオフ弁を動作させることを可能にし、故障等によってブリードオフ弁が機能しなくなることを抑制している。
次に、複数の操作レバー13a,14a、具体的には2つの操作レバー13a,14aが同時に傾倒された場合について説明する。2つの操作レバー13a,14aが同時に傾倒されると、各操作弁13,14から夫々出力圧P1〜P4が出力される。例えば、操作レバー13aが第2方向(即ち、後方)に傾倒され、操作レバー14aが第1方向(即ち、前方)に傾倒されると、パイロット通路17bに第2出力圧P2が出力され、パイロット通路18aに第3出力圧P3が出力される。第2及び第3出力圧P2,P3が出力されると、第1及び第2シャトル弁21,22は、第2及び第3出力圧P2,P3を夫々選択し、第2及び第3出力圧P2,P3を第3シャトル弁23に出力する。第3シャトル弁23は、第2及び第3出力圧P2,P3のうちいずれか高い方を選択して、それを出力圧Prcvとしてフェールセーフ機構25に出力する。フェールセーフ機構25は、このようにして出力された出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧の絶対値に応じて、前述の場合と同様に出力圧Prcv及び制御圧Psolのいずれかをブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力する。それ故、前記差圧の絶対値が設定制御範囲52内になく出力圧Prcvがブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力される場合、液圧ポンプ11からタンク24に排出される圧液の排出量が第1〜第4出力圧P1〜P4のうち最も大きい出力圧に応じて調整される。それ故、最も大きい出力圧が大きくなればなるほど排出量が小さくなり、操作された2つの操作レバー13a,14aの傾倒角のうち最も大きい傾倒角に応じた流量をアクチュエータ7,9側に供給することができる。これにより、流量不足によってアクチュエータの動きがもたつくことを抑制することができる。
なお、2つの操作レバー13a,14aが同時に傾倒された場合、制御装置30は、最も大きい出力圧に応じて制御圧Psolを制御するようになっている。それ故、出力圧Prcvと制御圧Psolの差圧が設定制御範囲52内にある場合、出力圧Prcvが選択された場合と同様に、制御圧Psolは操作された2つの操作レバー13a,14aの傾倒角のうち最も大きい傾倒角に応じた流量をアクチュエータ7,9側に供給することができ、流量不足によってアクチュエータの動きがもたつくことを抑制することができる。
<第2実施形態>
第2実施形態の液圧駆動装置1Aは、第1実施形態の液圧駆動装置1と構成が類似しており、主に電磁比例制御弁27Aの圧力源が高圧選択機構19からの出力圧Prcvである点と、フェールセーフ機構25Aを備えている点とで第1実施形態の液圧駆動装置1と異なっている。以下では、第2実施形態の液圧駆動装置1Aについて更に詳細に説明するが、第1実施形態の液圧駆動装置1と異なる点についてだけ説明し、それ以外の同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。
液圧駆動装置1Aでは、図4に示すように、電磁比例制御弁27Aの一次圧側が第3シャトル弁23とブリードオフ弁15とを繋ぐ通路47に繋がっており、電磁比例制御弁27Aは、高圧選択機構19からの出力圧Prcvを減圧して制御圧Psolを出力するようになっている。高圧選択機構19及び電磁比例制御弁27Aから夫々出力される出力圧Prcv及び制御圧Psolは、フェールセーフ機構25Aに入力される。フェールセーフ機構25Aは、低圧側フェールセーフ弁41Aを有しており、低圧側フェールセーフ弁41Aは、低圧側スプール41a及び低圧側付勢部材41bを有している。低圧側フェールセーフ弁41Aは、出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧Psol−Prcvが「Psol−Prcv<−Pth1」の場合、高圧選択機構19をパイロット通路45に接続し、出力圧Prcvをブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力する。また、出力圧Prcvと制御圧Psolとの差圧Psol−Prcvが「−Pth1<Psol−Prcv」の場合、低圧側フェールセーフ弁41Aは、電磁比例制御弁27をパイロット通路45に接続し、制御圧Psolをブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力する。
このようにして構成されている液圧駆動装置1Aでは、電磁比例制御弁27Aが正常に動作し、制御装置30が作動状態に応じて制御されて制御圧Psolが「Prcv−Pth1<Psol」となった場合は、制御圧Psolがブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力される。これにより、制御圧Psolに応じた排出量の作動油を液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出させることができ、操作レバー13aの傾倒角及び作動条件に応じた流量の作動油を液圧ポンプ11から流量制御機構12に導くことができる。他方、電磁比例制御弁27A等が故障して制御装置30によって制御圧Psolが制御できなくなって「Psol<Prcv−Pth1」となった場合、出力圧Prcvがブリードオフ用パイロット圧Ppilとして出力される。これにより、出力圧Prcvに応じた排出量の作動油を液圧ポンプ11からブリードオフ弁15を介してタンク24に排出させることができる。従って、電磁比例制御弁27A等が故障等しても、操作レバー13aの傾倒角に応じてブリードオフ弁15を相応に動かすことができ、ブリードオフ弁15が機能しなくなることを防ぐことができる。
液圧駆動装置1Aでは、電磁比例制御弁27Aが出力圧Prcvを圧力源としているので、操作弁13,14の操作レバー13a,14aが操作されていない中立状態において、電磁比例制御弁27Aが誤作動してもブリードオフ弁15が閉じることがない。それ故、液圧駆動装置1Aにおいてフェールセーフが達成されている。また、電磁比例制御弁27Aのためのパイロットポンプ(例えば、第1実施形態の液圧駆動装置1の第2パイロットポンプ26)が不要であり、部品点数を低減することができる。
第2実施形態の液圧駆動装置1Aは、その他、第1実施形態の液圧駆動装置1と同様の作用効果を奏する。
[その他の実施形態]
第1及び第2実施形態の液圧駆動装置1,1Aでは、電磁比例制御弁27にノーマルクローズ形の電磁比例制御弁が採用されているが、ノーマルオープン形の電磁逆比例制御弁が採用されてもよい。また、第1実施形態の液圧駆動装置1では、フェールセーフ機構25が2つのフェールセーフ弁41,42を備えているが、必ずしも2つとも備えている必要はない。また、アクチュエータ7,9,10は、上述するものに限定されず、ステアリング用シリンダ又は走行駆動用モータであってもよい。また、液圧ポンプ11は、必ずしも可変容量型のポンプである必要はなく、固定容量型のポンプであってもよい。更に、使用される圧液は、作動油に限定されず、水やその他の液体であってもよい。
1,1A 液圧駆動装置
7 ブーム用シリンダ
9 アーム用シリンダ
10 バケット用シリンダ
11 液圧ポンプ
12 流量制御機構
13,14 操作弁
13a,14a 操作レバー
15 ブリードオフ弁
19 高圧選択機構
25 フェールセーフ機構
26 第2パイロットポンプ
27,27A 電磁比例制御弁
30 制御装置
41a 低圧側スプール
41b 低圧側付勢部材
42a 高圧側スプール
42b 高圧側付勢部材

Claims (6)

  1. 液圧ポンプから吐出される圧液をアクチュエータに供給して前記アクチュエータを駆動するための液圧駆動装置であって、
    操作レバーが設けられ、前記操作レバーを操作するとその操作量に応じた圧力の出力圧を出力する操作弁と、
    前記出力圧に応じて開度を調整し、その開度と前記アクチュエータの負荷に応じた流量の圧液を前記液圧ポンプから前記アクチュエータに供給する流量制御機構と、
    入力される駆動信号に応じた圧力に制御された制御圧を出力する電磁制御弁と、
    前記出力圧と前記制御圧との差圧が予め定められた設定制御範囲内であると前記制御圧をパイロット圧として出力し、前記差圧が前記設定制御範囲を外れると前記出力圧をパイロット圧として出力するフェールセーフ機構と、
    前記フェールセーフ機構から出力されるパイロット圧に応じて開口面積を調整し、前記開口面積に応じた流量の圧液を前記液圧ポンプからタンクに排出するブリードオフ弁とを備える、液圧駆動装置。
  2. 前記フェールセーフ機構は、
    前記出力圧と前記制御圧とが互いに抗するように作用し、作用する力に応じて位置を変える低圧側スプールと、
    前記低圧側スプールに前記出力圧に抗する付勢力を与える低圧側付勢部材とを有し、
    前記低圧側スプールは、その位置に応じて前記出力圧及び前記制御圧を選択して前記パイロット圧として出力するようになっており、
    前記出力圧は、前記出力圧が選択されるように前記低圧側スプールの位置を変えるべく前記低圧側スプールに作用し、
    前記制御圧は、前記制御圧が選択されるように前記低圧側スプールの位置を変えるべく前記低圧側スプールに作用するようになっている、請求項1に記載の液圧駆動装置。
  3. 前記電磁制御弁は、パイロットポンプから吐出される圧液を減圧して前記制御圧として出力し、
    前記フェールセーフ機構は、
    前記出力圧と前記制御圧とが互いに抗するように作用し、作用する力に応じて位置を変える高圧側スプールと、
    前記高圧側スプールに前記制御圧に抗する付勢力を与える高圧側付勢部材とを有し、
    前記高圧側スプールは、その位置に応じて前記出力圧及び前記制御圧を選択して前記パイロット圧として出力するようになっており、前記制御圧が前記出力圧より大きくなって前記制御圧と前記出力圧との差圧が前記設定制御範囲を外れるようになると、前記出力圧を前記パイロット圧として優先的に出力するようになっている、請求項1又は2に記載の液圧駆動装置。
  4. 前記電磁制御弁は、前記操作弁と接続され、前記操作弁から出力される出力圧を減圧して前記制御圧として出力するようになっている、請求項1又は2に記載の液圧駆動装置。
  5. 前記駆動信号を作動状態に応じて前記電磁制御弁に出力する制御装置を備え、
    前記作動状態には、前記操作レバーの操作状態、前記液圧ポンプを駆動するエンジンの回転数、前記圧液の温度、及び前記アクチュエータに作用する負荷のうち少なくとも1つの状態が含まれる、請求項1乃至4のいずれか1つに記載の液圧駆動装置。
  6. 複数の前記アクチュエータに夫々対応させて設けられた複数の前記操作弁と、
    前記複数の操作弁から出力される出力圧のうち最も高い出力圧を選択する出力圧選択機構を備え、
    前記流量制御機構は、前記操作弁が操作されて出力圧が出力されると、操作された前記操作弁に対応するアクチュエータに前記出力圧に応じた流量の圧液を供給するようになっており、
    前記フェールセーフ機構は、前記差圧が前記設定制御範囲を外れると前記出力圧選択機構で選択された出力圧をパイロット圧として出力するようになっている、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の液圧駆動装置。
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