JP3916559B2 - 圧力補償型流量制御装置を備えた油圧制御バルブシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧駆動型機械装置を制御するバルブアセンブリに関し、特に一定の圧力差が均一の流量を得るために維持される圧力補償バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の機械装置において、作動部材は往復スプール制御バルブにより制御される油圧シリンダにより駆動される。このような油圧システム等は、作動部材の上昇、下降、作動部材の軸周囲での傾斜または回転、作動部材の前後への摺動のような、複数の機能を制御するために使用される。
【０００３】
油圧で駆動される作動部材の速度は油圧システム内の主要狭状オリフィスの断面積とオリフィス間の圧力低下とに依存する。制御を容易にするため、圧力補償制御システムは圧力差を設定し維持するように設計されている。これらの従来の制御システムはバルブ作用ポートの圧力をシステム内の加圧された作動液を供給する可変容量形油圧ポンプの制御ポートに伝達する負荷検出（ＬＳ）ラインを持っている。マルチバルブシステムにおいて、複数のバルブ間の最大作用ポート圧力がポンプを制御するために加えられる。この型のポンプの出力圧力は、「マージン」として知られる様に、制御ポートの圧力と一定の圧力の和である。このように、ポンプの容量は作動部材に掛かる負荷に起因する作用ポート圧力の変化に応答して変化する。
【０００４】
各バルブ区画はポンプ出力圧力が負荷の変化で変化してもマージン圧力がバルブのメータリングオリフィス間に現れるのを確実にするためにポンプ圧力と制御ポート圧力とに応答する圧力補償器を有する。ほぼ一定の圧力低下が断面積が機械オペレータにより制御されるメータリングオリフィス間に得られる。これにより、圧力低下が一定に保たれるので、作動部材の動作速度がオリフィスの断面積のみによって決定されるので、制御が容易になる。この型のシステムは「分離圧力補償器付油圧制御バルブシステム」として米国特許第５，７９１，１４２号（この開示は参考のため示される）に開示されている。
【０００５】
圧力補償器はポンプのマージン圧力が各バルブ間に現れるのを通常補償するが、ある油圧システムでは流量を減らすため選択されたバルブ間により低い圧力を有することが可能である。例えば、油圧モータを制御する場合、オペレータは連続した流れを得るため対応するバルブ区画を完全に開放した制止位置にすることがある。しかしながら、連続する流れを充分な開放位置により得られるより小さい速度に制限することが望まれる場合がある。従って、ある油圧システムにおいて、ポンプマージン圧力より小さい選択されたバルブ内のメータリングオリフィス間に補償圧力差を与える必要がある。
【０００６】
圧力補償器は、計量領域で決定されるように、一定の流量を得るので、流量を制限する典型的な方法はメータリングスプールと直列にオリフィスを設けることである。この他のオリフィスは最大流量を規定するために固定可能であり、またはオペレータは所望の流量を選択できる様に調整可能である。スプリング動作型圧力補償器を有する他の技術は、計量領域を一定にしながら、スプリング負荷を機械的に調整することである。これらの従来の二つの方法ではバルブアセンブリ内に配置する場合厳しい制限を持つ丈夫な機械装置を要求する。またこれらの方法では自身に作用する比較的大きな負荷を取り扱うため相当大きなスプリングを必要とする。上述の特許で言及された型の補償器はスプリングにより制御を実施しておらず、その代わり、油圧信号により制御を引き出しており、制御の選択肢に制限を与えている。
【０００７】
本発明の目的はマルチバルブアセンブリの特定のバルブ内のメータリングオリフィス間の圧力差を減少させる流量補償器を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
油圧システムは作動液がポンプから作用ポートの制御バルブに接続されたアクチュエータに流れる可変メータリングオリフィスを有する制御バルブを内蔵している。ポンプは制御ポートでの入力圧力以上の所定量である出力圧力を発生し、この入力圧力は作用ポートの圧力に応答して決定される。
【０００９】
この油圧システムは圧力補償バルブの対向する第１及び第２側に作用する圧力差に応答して可変メータリングオリフィスと作用ポートからの流量を制御する圧力補償バルブを有する流量補償器により改善されている。ここで、第１側は可変メータリングオリフィスにより発生する圧力を受けている。
【００１０】
流量調整器がポンプの出力部に接続されており、圧力補償バルブの第２側に加えられる減圧力を発生させるためポンプからの出力圧力を減少させる。圧力補償バルブはポンプの制御ポートの圧力以下の圧力により制御される。これにより、減圧力に等しい制御バルブの可変メータリングオリフィス間の圧力差になる。
【００１１】
好ましい実施例において、流量調整器は流量調整器バルブを開放するために作用するポンプの出力部からの圧力、流量調整器バルブを閉止するために作用する圧力補償バルブの第２側の圧力、及び流量調整器バルブを閉止するように作用する偏倚素子とに応答して、ポンプの出力部と圧力補償バルブの第２側との間の流量を制御するバルブである。偏倚素子は好ましくはメータリングオリフィス間の得られた圧力差を所望の値に設定するように調整可能である。
【００１２】
流量補償器はメータリングオリフィス圧力差をポンプマージン圧力以下の圧力に設定できる。本技術では最大流量を制御するために可変圧力差を与えている。さらに、メータリングゲインは、最大流量のみを制限する多くの流量制御器と異なり、全計量範囲に渡って減少している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、バックホーのブームやバケットのような、機械の油圧駆動作動部材の全ての動きを制御するマルチバルブアセンブリ１２を有する油圧システム１０を概略的に示している。バルブアセンブリ１２は２つの端部区画１６及び１７間に並列に接続されたいくつかの個別の区画１３、１４及び１５により形成される。任意のバルブ区画１３、１４または１５は各々ポンプ１８から作動部材に接続されたいくつかのアクチュエータ２０、２１及び２２の一つに流れる作動液の流れを制御し、リザーバまたはタンクに戻る作動液を制御する。
【００１４】
アクチュエータ２０及び２１は容器内部を下室２６と上室２８に分割するピストン２４を有するシリンダ容器２２を持っている。上下または前後のような、方向関係と動きに対するここでの参照は、特有の応用での部品の方向でなく、図面等に例示された方向の部品の関係と動きに言及している。アクチュエータ２２は第３バルブ区画１５により制御されている回転方向を有する通常の双方向油圧モータである。
【００１５】
ポンプ１８は典型的にはバルブアセンブリ１２から遠く離れて配置されており、導管またはホース３０によりバルブアセンブリ１２を介して延在する供給通路３１に接続されている。ポンプの出力は圧力リリーフバルブ１１により保護されている。ポンプ１８は出力圧力が容量制御入力ポート３２と「マージン」として知られる一定圧力の和であるように設計される可変容量形である。制御ポート入力部はバルブアセンブリ１２の区画１３−１５を介して延びる移送通路３４に接続される。
【００１６】
リザーバ通路３６はバルブアセンブリ１２を介して延び、タンク１９に結合される。バルブアセンブリ１２の端部区画１６は供給通路３１をポンプ１８に且つリザーバ通路３６をタンク１９に接続する複数のポートを有する。この端部区画１６はタンク１９に対するポンプ制御移送通路３４内の過大圧力を逃がす圧力リリーフバルブ３５を有する。他の端部区画１７は移送通路３４がポンプ１８の制御入力ポートに接続されるポートを有する。
【００１７】
特許請求された発明の理解を容易にするため、例示された実施例のバルブ区画１４の一つに対する複数の基本流量通路を説明することは有益である。バルブアセンブリ１２のバルブ区画１３−１５の各々は同様に動作し、以下の説明はそれらのバルブ区画に対して適用される。
【００１８】
図２及び図３を参照すると、バルブ区画１４は本体４０と、機械オペレータが本体に取り付け可能な制御部材（図示せず）を動作させることにより本体の穿孔内で往復方向に移動させることができる制御スプール４２を有する。制御スプール４２が移動する方向に依存して、作動液がシリンダ容器２２の下室２６または上室２８に向けられ、ピストン２４を上方または下方に駆動する。機械オペレータが制御スプール４２を移動させる程度はピストン２４に接続された作動部材の速度を決定する。
【００１９】
ピストン２４を下降させるため、機械オペレータは制御スプール４２を図３に例示される位置に右方向に移動させる。この動作により、（後述される負荷検出網の制御下の）ポンプ１８が作動液をタンク１９から排出し、作動液をポンプ出力導管３０を介して本体４０内の供給通路３１に強制移送する通路を開放する。供給通路３１から、作動液は制御スプール４２の一組のノッチ４４により形成されたメータリングオリフィスを通過して、供給通路４３と、さらに圧力補償逆止めバルブ４８と本体４０の開口部との間の相対位置により形成された可変オリフィス４６（図２参照）を介してブリッジ通路５０に流れる。圧力補償逆止めバルブ４８の開放状態において、作動液は作用ポート５４から、ブリッジ通路５０と、制御スプール４２の通路５３と、作用ポート通路５２を介して、シリンダ容器２２の上室２８に流れる。ピストン２４の上部に伝達された圧力により、ピストンをシリンダ容器２２の下室２６から作動液を強制的に下方に移動させる。この圧力を受けた作動液は作用ポート通路５８、制御スプール４２を介して且つ通路５９及び作動液タンク１９に接続されたリザーバ通路３６を介して、他の作用ポート５６に流れる。
【００２０】
ピストン２４を上方に移動させるため、機械オペレータが制御スプール４２を図２に示される左方に移動させ、対応する組の通路群を開放し、ポンプ１８は作動液をシリンダ容器２２の下室２６に強制的に流し、それによりピストン２４を上方に移動させる。このピストンの移動により、上部シリンダ室２８からバルブアセンブリ１４を介して作動液をタンク１９に流し込む。
【００２１】
圧力補償機構が無い場合、機械オペレータはピストン２４の速度を制御するのが困難であった。この困難さは主に２つの変数、即ち、フロー通路内の大部分の制限オリフィスの断面積とこれらのオリフィスの圧力低下により、決定される作動液流量に直接関連するピストンの動きに起因する。大部分の制限オリフィスの一つは制御スプール４２のメータリングノッチ４４であり、機械オペレータは制御スプールを移動させることによりオリフィスの断面積を制御することができる。これにより流量を決定するのに役立つ１つの変数を制御するが、流量が制御スプール４２のメータリングノッチ４４間に主に生ずるシステム内の全圧力低下の平方根に比例するので最適制御にならない。例えば、バックホーのバケットに構成材料を追加することにより、負荷圧力とポンプ１８により与えられた圧力間の差を減少させるシリンダの下室２６内の圧力を増加させる。圧力補償が無い場合、この全圧力降下の減少により流量が減少し、それにより、たとえ機械オペレータがメータリングノッチ４４を一定の断面積に維持しても、ピストン２４の速度が低下する。
【００２２】
この問題に対処するため、各バルブ区画１３−１５の駆動された作用ポートの圧力を検出し、油圧ポンプ１８の容量制御入力ポート３２に加えられるべき作用ポート圧力の最大値を選択する圧力補償機構を内蔵している。最大作用ポート圧力は各バルブ区画１３−１５内の圧力補償逆止めバルブ４８に加えられる。この型の圧力補償機構は米国特許第５，７９１，１４２号（ここでは参考のため示される）に記載されている。
【００２３】
作用ポート圧力選択はバルブ区画１３及び１４内の一連のシャトルバルブ８４により形成される負荷検出回路８０により実施される。図１及び図２のバルブ区画１４を参照すると、シャトルバルブ８４は２つの入力部、即ち、（ａ）（シャトル通路８６を介する）ブリッジ５０からの入力部と、（ｂ）上流のバルブ区画１５から延びる貫通路８８に接続された入力部を有する。この貫通路はバルブ区画１４から上流であるバルブ区画内の駆動作用ポート圧力の最大値を伝達する。ブリッジ５０は、制御スプール４２が中立状態である中央部にある場合、作用ポート５４または５６がバルブ区画１４またはリザーバ通路３６内で駆動される圧力にある。シャトルバルブ８４はその区画の貫通路８８を介して入力部（ａ）及び（ｂ）のより大きい圧力を近傍の下流バルブ区画１３のシャトルバルブに伝達するように動作する。負荷圧力のみが通路８８を介して次のバルブ区画１４に送られるので、一連のバルブ内の最も遠方の上流バルブ区画１５はシャトルバルブ８４を必要としないことに注目すべきである。しかしながら、バルブ区画１３−１５は全て製造上の経済性のため同一である。
【００２４】
最も遠方の下流バルブ区画１３の貫通路８８は一連のシャトルバルブ８４のポンプ１８の制御入力ポート３２を有する端部区画１６内の通路９０に連通する。従って、バルブアセンブリ１２内の全ての駆動作用ポート圧力の最大値はポンプの容量を制御するために伝達され、ポンプの出力圧力を制御する。
【００２５】
移送通路３４は各圧力補償逆止めバルブ４８の片側にアイソレータ出力圧力を伝達する。作動液がポンプ１８から駆動作用ポート５４または５６に流れるために、関連する圧力補償逆止めバルブ４８を通る可変オリフィス４６は少なくとも部分的に開放状態で無ければならない。これは供給通路３１内のポンプ出力圧力が任意のバルブ区画１４内の作用ポート圧力以上であり、移送通路３４内の圧力以上である場合に生じる。これにより、圧力補償逆止めバルブ４８に作用する圧力間の圧力差がメータリングオリフィス間に加えられ、バルブ区画１３と１４を通る流体の流量を決定する。
【００２６】
第３バルブ区画１５が異なるのはフローレギュレータバルブ７０を有することである。フローレギュレータバルブ７０は、図面に示されるように、両側にほぼ等しい表面積を有するリリーフバルブであり、これらの両側に加えられる圧力は均等にバルブ素子の動きに影響を与える。本発明の実際の実施において、シーケンス型バルブがスプリング室を下流の圧力に対して接続することにより採用された。ポンプ１８の排出口に接続された供給通路３１もまたフローレギュレータバルブ７０の注入口に接続される。
【００２７】
フローレギュレータバルブ７０の排出口は後方のバルブを閉止位置に移動させるため圧力補償逆止めバルブ４８の片側に接続されている。オリフィス７６はフローレギュレータバルブ排出口を圧力を通路に発生した最大作用ポート圧力に対して参照する移送通路３４に結合される。この接続は、移送通路３４の圧力とポンプ出力圧力間に常に一定の圧力差があるので、スプール４２のメータリングオリフィス間の圧力差が一定であるのを確実にする。フローレギュレータバルブ７０の排出口はバルブの第１側に対向する第２側に接続される。この第２側は調整可能のスプリング７２により偏倚される。スプリングの調整により、フローレギュレータバルブ７０が開く圧力閾値と、後述されるような圧力補償逆止めバルブ４８に加えられる圧力が規定される。
【００２８】
フローレギュレータバルブ７０は供給通路３１内のポンプ圧力を調整可能なスプリング７２の設定により予め規定されるレベルに減少させる。得られる圧力は圧力補償逆止めバルブ４８の動作を制御し、バルブ区画のメータリングオリフィス間の圧力低下がフローレギュレータバルブ７０により設定される圧力レベルに等しくなる。この圧力低下は他のバルブ区画１３及び１４のメータリングオリフィス間に現れるポンプマージン圧力以下である。もしポンプマージンが流体の粘度または温度変化のような何らかの理由で減少したとしたら、マージン圧力がフローレギュレータバルブ７０の圧力設定値以下に低下しない限り、フローレギュレータバルブ７０により規定される圧力が圧力補償逆止めバルブ４８に継続的に加えられる。この圧力の継続が起こるまで、正常な流量が全範囲に渡って第３バルブ区画１５で得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は新規な圧力補償流量制御装置を内蔵したマルチバルブアセンブリを有する油圧システムの概略図である。
【図２】 図２はポンプとタンクに接続されたマルチバルブアセンブリの断面図である。
【図３】 図３は図２のマルチバルブアセンブリの一区画を示す交差断面図であり、油圧シリンダに接続された状態を示す。
【符号の説明】
１０ 油圧システム
１２ マルチバルブアセンブリ
１３、１４、１５ バルブ区画
１８ ポンプ
１９ リザーバ
２０、２１、２２ アクチュエータ
２４ ピストン
２６ 下室
２８ 上室
３０ 導管
３１ 供給通路
３２ 容量制御入力ポート
３４ 移送通路
４２ 制御スプール
４４ ノッチ
４６ 可変オリフィス
４８ 圧力補償逆止めバルブ
７０ フローレギュレータバルブ
７２ 調整スプリング
７６ オリフィス
８４ シャトルバルブ

Claims (8)

1. 作動液がポンプ（１８）から第１作用ポートで第１制御バルブ（４２）に接続された第１アクチュエータ（２２）に流れる第１可変メータリングオリフィスを有する第１制御バルブ（４２）有し、前記ポンプ（１８）は制御ポート（３２）の入力圧力より大きい所定量である排出部の出力圧力を発生する型であり、前記入力圧力は前記第１作用ポートの圧力に応答して決定される油圧システム（１０）おいて、前記油圧システム（１０）はさらに流量補償器を有し、前記流量補償器は、
   第１圧力補償バルブ（４８）の対向する第１及び第２側に作用する圧力に応答して、前記第１可変メータリングオリフィスと前記第１作用ポート間の流体の流れを制御し、前記第１側が前記第１可変メータリングオリフィスにより発生する圧力を受ける第１圧力補償バルブ（４８）と；
   前記第１圧力補償バルブ（４８）の第２側に接続された出口ポートを有し、前記ポンプ（１８）の出力部からの流体が前記出口ポートに流れる開放状態を有し、かつ第２側に接続された出口ポートが他のポートから閉止された閉止状態を有し、前記ポンプ（１８）の出力部からの圧力がフローレギュレータバルブ（７０）を開放するように作用し、前記第１圧力補償バルブ（４８）の第２側の圧力がフローレギュレータバルブ（７０）を閉止するように作用し、さらにフローレギュレータバルブ（７０）を閉止するように作用する偏倚素子（７２）を有するフローレギュレータバルブ（７０）とを備えることを特徴とする流量補償器。
2. 前記偏倚素子（７２）は前記フローレギュレータバルブ（７０）に加えられる力を変化させるように調整可能であることを特徴とする請求項１記載の流量補償器。
3. 前記偏倚素子（７２）は前記フローレギュレータバルブ（７０）に加えられる力を変化させる調整可能なスプリングであることを特徴とする請求項１記載の流量補償器。
4. 前記第１圧力補償バルブ（４８）の前記第２側を前記ポンプ（１８）の前記制御ポート（３２）に結合するオリフィス（７４）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の流量補償器。
5. 前記油圧システム（１０）は、作動液がポンプ（１８）から第２作用ポートで第２制御バルブ（４２）に接続された第２アクチュエータ（２１）に流れる第２可変メータリングオリフィスを有する第２制御バルブ（４２）をさらに有し；
   前記流量補償器はさらに第２圧力補償バルブの対向する第１及び第２側に作用する圧力に応答して、前記第２可変メータリングオリフィスと前記第２作用ポート間の流体の流れを制御する第２圧力補償バルブ（４８）を有し、前記第１側は前記第２可変メータリングオリフィスにより発生する圧力を受け、前記第２側は前記フローレギュレータバルブ（７０）の出口ポートに接続されることを特徴とする請求項１記載の流量補償器。
6. 前記ポンプ（１８）の前記制御ポート（３２）に加えられる負荷検出圧力を発生するために、前記第１及び第２作用ポートの最大圧力を検出する手段（８４、８８、９０）をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の流量補償器。
7. 前記第２圧力補償バルブ（４８）の前記第２側を前記負荷検出圧力に結合するオリフィス（７４）をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の流量補償器。
8. 前記第２圧力補償バルブ（４８）の前記第２側を前記フローレギュレータバルブ（７０）の出口ポートに結合するオリフィス（７６）をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の流量補償器。

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