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公開番号2024165748
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-28
出願番号2023082225
出願日2023-05-18
発明の名称油圧シリンダ用制御弁
出願人キャタピラーエスエーアールエル
代理人個人,個人,個人
主分類F15B 11/08 20060101AFI20241121BHJP(流体圧アクチュエータ;水力学または空気力学一般)
要約【課題】スプールを備えた油圧シリンダ用制御弁において、スプールの中立位置におけるリークにより油圧シリンダが伸長あるいは縮小してしまうことを回避する。
【解決手段】スプール13の中立位置におけるポンプ流路14、ロッド側流路17間のラップ長Lprとロッド側流路17、タンク流路15間のラップ長Lrtとの比率、およびヘッド側流路16、タンク流路15間のラップ長Lhtとポンプ流路14、ヘッド側流路16間のラップ長Lphとの比率を、油圧シリンダ3のロッド側、ヘッド側のピストン受圧面積Ar、Ahの比率や想定外力Feに基づいて設定した。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
ピストンの両側にヘッド側油室、ロッド側油室を備えた油圧シリンダに対する油給排制御を行う油圧シリンダ用制御弁において、
該油圧シリンダ用制御弁は、バルブボディに形成されるスプール孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール孔に連通し、油圧ポンプ、油タンク、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室にそれぞれ接続されるポンプ流路、タンク流路、ヘッド側流路、ロッド側流路とを備え、
前記スプールは、中立位置では前記各流路間を遮断し、中立位置から軸方向一方側に移動した第一作動位置ではポンプ流路とヘッド側流路、およびロッド側流路とタンク流路とを連通し、中立位置から軸方向他方側に移動した第二作動位置ではポンプ流路とロッド側流路、およびヘッド側流路とタンク流路とを連通する構成であるとともに、
スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を、油圧シリンダのロッド側、ヘッド側のピストン受圧面積の比率に基づいて設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁。
続きを表示（約 770 文字）【請求項２】
ピストンの両側にヘッド側油室、ロッド側油室を備えた油圧シリンダに対する油給排制御を行う油圧シリンダ用制御弁において、
該油圧シリンダ用制御弁は、バルブボディに形成されるスプール孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール孔に連通し、油圧ポンプ、油タンク、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室にそれぞれ接続されるポンプ流路、タンク流路、ヘッド側流路、ロッド側流路とを備え、
前記スプールは、中立位置では前記各流路間を遮断し、中立位置から軸方向一方側に移動した第一作動位置ではポンプ流路とヘッド側流路、およびロッド側流路とタンク流路とを連通し、中立位置から軸方向他方側に移動した第二作動位置ではポンプ流路とロッド側流路、およびヘッド側流路とタンク流路とを連通する構成であるとともに、
スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を、油圧シリンダのロッド側、ヘッド側のピストン受圧面積の比率、および油圧シリンダに作用する想定外力に基づいて設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁。
【請求項３】
請求項１または２において、中立位置から各流路間が連通するまでのスプールの移動範囲において、スプール外周面とスプール孔内周面との間のクリアランスを均一に設定するとともに、
スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を同等に設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の油圧式作業機械に設けられる油圧シリンダに対する油給排制御を行う油圧シリンダ用制御弁の技術分野に関するものである。
続きを表示（約 6,400 文字）【背景技術】
【０００２】
一般に、例えば油圧ショベル等の油圧式作業機械には、油圧シリンダや油圧モータ等の各種油圧アクチュエータや、これら油圧アクチュエータの油圧供給源となる油圧ポンプ、操作具操作に基づいて油圧アクチュエータに対する油給排制御を行う制御弁等が設けられるが、この場合に、前記油圧シリンダとして、ピストンの両側にヘッド側油室、ロッド側油室を備えた複動式の油圧シリンダを用いるとともに、該油圧シリンダ用の制御弁として、スプール孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール孔に連通し、油圧ポンプ、油タンク、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室にそれぞれ接続されるポンプ流路、タンク流路、ヘッド側流路、ロッド側流路とを備え、スプールの中立位置では前記各流路間を遮断することで油圧シリンダに対する油給排を行わず、スプールが中立位置から軸方向一方側に移動した第一作動位置ではポンプ流路とヘッド側流路、ロッド側流路とタンク流路とをそれぞれ連通することでヘッド側油室への油供給およびロッド側油室からの油排出を行って油圧シリンダを伸長させ、スプールが中立位置から軸方向他方側に移動した第二作動位置ではポンプ流路とロッド側流路、ヘッド側流路とタンク流路とをそれぞれ連通することでロッド側油室への油供給およびヘッド側油室からの油排出を行って油圧シリンダを縮小させるように構成した制御弁が汎用的に用いられている。
このような油圧シリンダ用の制御弁において、スプールが中立位置に位置している状態であっても、スプール外周面とスプール孔内周面との間にはスプールの軸方向移動に必要なクリアランスがあるため、該クリアランスを経由して圧油が高圧側から低圧側にリークする。例えば、油圧ポンプを共用する他の油圧アクチュエータの駆動圧が高圧であると、その駆動圧が制御弁のポンプ流路に入力され、ポンプ流路からスプール外周面とスプール孔内周面との間のクリアランスを経由してヘッド側流路およびロッド側流路にリークし、該リークした圧油が油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室に漏れ込むことがある。この場合に、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室に漏れ込む圧油の圧力が同圧であると、ヘッド側、ロッド側のピストン受圧面積の関係（ヘッド側ピストン受圧面積＞ロッド側ピストン受圧面積）から、油圧シリンダの伸長方向に推力が発生して、意図せずに油圧シリンダが伸長方向に作動してしまう惧れがある。また、油圧シリンダに部材重量等の外力が作用していてヘッド側油室或いはロッド側油室に保持圧が発生している状態であると、該保持圧保持側のヘッド側油室或いはロッド側油室の圧油が前記クリアランスから油タンクにリークし、これにより保持圧が低下して油圧シリンダが意図せずに縮小方向或いは伸長方向に作動してしまう惧れもある。そして、このようなスプール中立位置でのリークを起因とする油圧シリンダの作動によって、例えば、作業機械が油圧ショベルの場合、走行中にバケットシリンダが意図せずに（バケット用操作具を操作していないのに）作動したり、ワークツールの操作中にスティックシリンダやバケットシリンダが意図せずに作動してしまうという不具合が発生することがある。
このため、スプール中立位置でのリークによる油圧シリンダ作動の対策として、スプール中立位置時に制御弁と油圧シリンダとの間の圧油の流れを阻止するべくポペット弁等からなるロック弁を設けることが従来から行われている。しかしながら、このようなロック弁を設けることは、部品点数の増加やコストアップの要因となる。
そこで、スプールの中立位置において、ポンプポートとヘッド側ポート（第１の出口ポート）間のリーク量よりもヘッド側ポートとタンクポート間のリーク量が多くなるように寸法設定した制御弁が提唱されている（例えば、特記文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許第２６３５８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１の制御弁は、スプールの中立位置において、他の油圧アクチュエータの駆動圧がポンプポートに入力しても、該ポンプポートからヘッド側ポートへのリーク量よりもヘッド側ポートからタンクポートへのリーク量が多くなるように設定されているから、他の油圧アクチュエータの駆動圧が油圧シリンダのヘッド側油室に流れず、これにより油圧シリンダが意図せずに伸長してしまうことを防止できるようになっている。
しかしながら、特許文献１のものは、ヘッド側のリーク量のみが検討されていて、スプールの中立位置においてポンプポートとロッド側ポート間のリークにより油圧シリンダのロッド側油室に作用する力については何ら検討されておらず、このため、油圧シリンダに縮小方向の推力が発生してしまうことも想定され、この場合には他の油圧アクチュエータの駆動中に油圧シリンダが意図せずに縮小してしまう惧れがあるという問題がある。さらに、特許文献１のものは、油圧シリンダに作用する外力を起因とするリークにより油圧シリンダが伸縮作動してしまうことについては何ら検討されておらず、これらに本発明の解決すべき課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、ピストンの両側にヘッド側油室、ロッド側油室を備えた油圧シリンダに対する油給排制御を行う油圧シリンダ用制御弁において、該油圧シリンダ用制御弁は、バルブボディに形成されるスプール孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール孔に連通し、油圧ポンプ、油タンク、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室にそれぞれ接続されるポンプ流路、タンク流路、ヘッド側流路、ロッド側流路とを備え、前記スプールは、中立位置では前記各流路間を遮断し、中立位置から軸方向一方側に移動した第一作動位置ではポンプ流路とヘッド側流路、およびロッド側流路とタンク流路とを連通し、中立位置から軸方向他方側に移動した第二作動位置ではポンプ流路とロッド側流路、およびヘッド側流路とタンク流路とを連通する構成であるとともに、スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を、油圧シリンダのロッド側、ヘッド側のピストン受圧面積の比率に基づいて設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁である。
請求項２の発明は、ピストンの両側にヘッド側油室、ロッド側油室を備えた油圧シリンダに対する油給排制御を行う油圧シリンダ用制御弁において、該油圧シリンダ用制御弁は、バルブボディに形成されるスプール孔に軸方向移動自在に挿通されるスプールと、スプール孔に連通し、油圧ポンプ、油タンク、油圧シリンダのヘッド側油室、ロッド側油室にそれぞれ接続されるポンプ流路、タンク流路、ヘッド側流路、ロッド側流路とを備え、前記スプールは、中立位置では前記各流路間を遮断し、中立位置から軸方向一方側に移動した第一作動位置ではポンプ流路とヘッド側流路、およびロッド側流路とタンク流路とを連通し、中立位置から軸方向他方側に移動した第二作動位置ではポンプ流路とロッド側流路、およびヘッド側流路とタンク流路とを連通する構成であるとともに、スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を、油圧シリンダのロッド側、ヘッド側のピストン受圧面積の比率、および油圧シリンダに作用する想定外力に基づいて設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁である。
請求項３の発明は、請求項１または２において、中立位置から各流路間が連通するまでのスプールの移動範囲において、スプール外周面とスプール孔内周面との間のクリアランスを均一に設定するとともに、スプール中立位置におけるポンプ流路、ロッド側流路間のラップ長とロッド側流路、タンク流路間のラップ長との比率、およびヘッド側流路、タンク流路間のラップ長とポンプ流路、ヘッド側流路間のラップ長との比率を同等に設定したことを特徴とする油圧シリンダ用制御弁である。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明とすることにより、スプール中立位置において制御弁のポンプ流路に高圧油が入力しても、制御弁のリークにより油圧シリンダが伸長或いは縮小してしまうことを抑制できる。
請求項２の発明とすることにより、スプール中立位置において制御弁のポンプ流路に高圧油が入力したり、油圧シリンダに部材重量等の外力が作用していても、制御弁のリークにより油圧シリンダが伸長或いは縮小してしまうことを抑制できる。
請求項３の発明とすることにより、ポンプ流路とロッド側流路或いはヘッド側流路間の連通と、タンク流路とヘッド側流路或いはロッド側流路間の連通とを同時的に行う構成にできるとともに、リークによる油圧シリンダの伸縮作動を抑制するためのスプール中立位置におけるラップ長の比率を簡単に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
作業機械の油圧回路の一部概略図である。
制御弁の構造を示す図である。
ロッド側油室圧力とヘッド側油室圧力との関係を示すグラフ図である。
油圧ショベルの側面図である。
第三の実施の形態におけるヘッド側油室の圧力、ロッド側油室の圧力、ラップ長の比率の組み合わせを示す表図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
まず、本発明の第一の実施の形態について説明すると、図１は、油圧式の作業機械（例えば油圧ショベル）に設けられる油圧回路の一部概略図であって、該図１において、１は油圧ポンプ、２は油タンク、３は油圧シリンダ（作業機械が油圧ショベルの場合、例えばバケットシリンダ、スティックシリンダ等）、４は油圧シリンダ３に対する油給排制御を行う制御弁であって、本実施の形態では該制御弁４に本発明が実施されている。前記油圧シリンダ３は、ピストン３ａの両側にヘッド側油室３ｂ、ロッド側油室３ｃを備えた複動式のものであって、前記制御弁４と油圧シリンダ３のヘッド側油室３ｂ、ロッド側油室３ｃとは、それぞれヘッド側アクチュエータライン５、ロッド側アクチュエータライン６を介して接続されている。
尚、油圧ポンプ１は、前記油圧シリンダ３を含め、作業機械に設けられる各種油圧アクチュエータ（作業機械が油圧ショベルの場合、例えば、走行モータ、旋回モータ、ブームシリンダ、作業アタッチメント用油圧アクチュエータ等）の油圧供給源となるものであって、該油圧ポンプ１の吐出ライン８には、図示しないが、各油圧アクチュエータ用の制御弁がそれぞれ前記制御弁４とパラレルとなる状態で接続されている。
【０００９】
前記制御弁４の詳細について、図１、図２に基づいて説明すると、該制御弁４は、バルブボディ１１、該バルブボディ１１に形成されるスプール孔１２に軸方向移動自在に挿通されるスプール１３、該スプール１３を軸方向に移動させる操作手段４ａ（図２には図示せず。また、図１には操作手段として一対のソレノイドを図示したが、これに限定されず、例えばパイロット操作手段等であっても良い）、スプール１３を中立位置Ｎ側に付勢する復帰弾機４ｂ（図２には図示せず）等を備えるとともに、油圧ポンプ１に接続されるポンプポート４ｐ、油タンク２に接続されるタンクポート４ｔ、ヘッド側アクチュエータライン５を介して油圧シリンダ３のヘッド側油室３ｂに接続されるヘッド側ポート４ｈ、ロッド側アクチュエータライン６を介して油圧シリンダ３のロッド側油室３ｃに接続されるロッド側ポート４ｒ（何れのポートも図２には図示せず）を備えて構成されている。さらに、図２に示す如く、制御弁４のバルブボディ１１には、スプール孔１２とポンプポート４ｐとを連通するポンプ流路１４、スプール孔１２とタンクポート４ｔとを連通するタンク流路１５、スプール孔１２とヘッド側ポート４ｈとを連通するヘッド側流路１６、スプール孔１２とロッド側ポート４ｒとを連通するロッド側流路１７が形成されている。そして、制御弁４は、スプール１３の中立位置Ｎ（図２に示すスプール位置）では、前記ポンプ流路１４、タンク流路１５、ヘッド側流路１６、ロッド側流路１７の各流路１４～１７間を遮断して、油圧シリンダ３に対する油給排制御を行わないが、スプール１３が中立位置Ｎから軸方向一方側（図２において左方向）に移動した第一作動位置Ｘでは、ポンプ流路１４とヘッド側流路１６、およびロッド側流路１７とタンク流路１５とを連通してヘッド側油室３ｂへの油供給制御およびロッド側油室３ｃからの油排出制御を行って油圧シリンダ３を伸長させ、また、スプール１３が中立位置Ｎから軸方向他方側（図２において右方向）に移動した第二作動位置Ｙでは、ポンプ流路１４とロッド側流路１７、およびヘッド側流路１６とタンク流路１５とを連通してロッド側油室３ｃへの油供給制御およびヘッド側油室３ｂからの油排出制御を行って油圧シリンダ３を縮小させるように構成されている。尚、本実施の形態において、各流路１４～１７のスプール孔１２に対する連通（開口）箇所は、ポンプ流路１４は、スプール孔１２の軸方向中央部に設けられ、ヘッド側流路１６はポンプ流路１４連通箇所の軸方向一方側に設けられ、ロッド側流路１７はポンプ流路１４連通箇所の軸方向他方側に設けられ、タンク流路１５は、ヘッド側流路１６連通箇所の軸方向一方側およびロッド側流路１７連通箇所の軸方向他方側に設けられている。
【００１０】
前記スプール１３の外周面部は、スプール孔１２の内周面に摺接する複数のランド部１３ａ（後述する第一ランド部１３ａ１、第二ランド部１３ａ２を含む）を有しているとともに、これらランド部１３ａ間には、ランド部１３ａよりも小径となる環状溝１３ｂが形成されている。そして、前述したスプール１３の中立位置Ｎでは、第一ランド部１３ａ１によってヘッド側流路１６とポンプ流路１４およびタンク流路１５との間が遮断された状態となっており、第二ランド部１３ａ２によってロッド側流路１７とポンプ流路１４およびタンク流路１５との間が遮断された状態になっているとともに、前記第一、第二ランド部１３ａ１、１３ａ２の軸方向両側部にはノッチ１３ｃが形成されている。そして、前記中立位置Ｎの状態からスプール１３の移動に伴い第一、第二ランド部１３ａ１、１３ａ２が軸方向一方側或いは軸方向他方側に移動することで、ノッチ１３ｃおよび環状溝１３ｂを経由してポンプ流路１４とヘッド側流路１６或いはロッド側流路１７、タンク流路１５とロッド側流路１７或いはヘッド側流路１６とが連通するように構成されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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