JP2008291522A - ハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧ショベルのブームや旋回台等比較的大きな慣性体の慣性体エネルギを効果的に回生すると共に、電動・発電機用の蓄電装置に対する補充充電の必要がないハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械を提供する。
【解決手段】操作圧信号Ｐａ、Ｐｂは油／電変換器５０ａ、５０ｂを介して制御装置４６に与えられる。制御装置は対応した制御信号Ｓ１をサーボドライバー５４に与える。サーボドライバーは制御信号Ｓ１に対応した電気量を電動モータ２２に供給し、発生したトルクは歯車箱２４で油圧モータ２０のトルクと合成され上部旋回体を駆動する。上部旋回体を停止させようとレバー４８ａを中立に戻した場合は、それを制御装置が検出し、制御信号Ｓ１がサーボドライバーに与えられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械におけるハイブリッド型駆動装置に係り、特に電動・発電機を介して回収するエネルギが当該電動・発電機の消費したエネルギ以上となるようにすることで蓄電装置に対する補充充電を必要としないハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械に関する。

油圧ショベル等の建設機械において、近年、排気ガスや騒音等の作業環境を改善する方策としてハイブリッド型の駆動装置が種々提案され、その中でもハイブリッドの特長を活かすものとして、高効率のエネルギ回収を行える建設機械のエネルギ回生装置が提案されている（特許文献１）。

上記特許文献１の段落０００２〜０００４には、従来の非ハイブリッドすなわち、電動・発電機を有しない建設機械について、次のように記載されている。すなわち、
「例えば、建設機械の１つである油圧ショベルは、下部走行体と、この下部走行体に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体に伏仰可能に接続され、ブーム、アーム、及びバケットを含む多関節型のフロント作業機とを備えている。
これら下部走行体、上部旋回体、及びフロント装置は、この油圧ショベルに備えられた油圧駆動装置の被駆動部材を構成している。この油圧駆動装置は、一般に、エンジン等の原動機と、この原動機によって駆動する少なくとも１つの油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記ブーム、アーム、バケットをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ、アーム用油圧シリンダ、バケット用油圧シリンダ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記下部走行体を走行させる走行用油圧モータ、及び前記油圧ポンプから吐出された圧油により前記上部旋回体を下部走行体に対し旋回させる旋回用油圧モータを含む複数の油圧アクチュエータと、これら複数の油圧アクチュエータをそれぞれ操作する操作手段とを有している。
ここで、上記油圧アクチュエータの被駆動部材の中でも、例えば、旋回用油圧モータにより旋回駆動される上部旋回体や、ブーム用油圧シリンダにより伏仰駆動されるブームは大型物であり、その自重が比較的重い。したがって、旋回運動している上部旋回体は大きな慣性運動エネルギを持っており、また自重で落下するブームは大きな位置エネルギを放出していることとなるが、元来、これら旋回の慣性運動エネルギやブームの位置エネルギは、油圧駆動装置の油圧回路中において作動油が流動するときの絞り損失としてそのまま捨てられていた。」
と記載され、続いて段落０００５〜００１０において、ハイブリッド方式の従来の建設機械について、
「そこで、これを回収し有効活用するために、例えば、特開２０００−１３６８０６号公報や特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術が提唱されている(特許文献２、特許文献３)。
特開２０００−１３６８０６号公報に記載のエネルギ回収装置は、ブーム用油圧シリンダや旋回用油圧モータの排出油でポンプモータを駆動し、この動力で発電機を駆動して発生した電力をバッテリに蓄え、そのバッテリの電力を再生に利用するものであり、これによって旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを回収し有効活用できるように図っている。
特開平１１−３４３６４２号公報に記載の車載バッテリ駆動式作業機械では、旋回用アクチュエータ及びブーム用アクチュエータとして電動モータ（兼発電機）を使用することにより、旋回時の慣性運動エネルギやブーム下げ時の位置エネルギを電力として車載バッテリに蓄えるようになっている。
しかしながら、上記従来技術には以下の課題が存在する。
特開２０００−１３６８０６号公報に記載の従来技術では、圧油のエネルギを回収するために、油圧ポンプモータによって電動モータを駆動するので回収効率が低い。また、エネルギ回収用の油圧装置を別途設ける必要があるため、装置が複雑となる。また特に、排出油についてのメータリングを制御するのは困難である。以上の結果、現実には実用化は困難である。
特開平１１−３４３６４２号公報に記載の従来技術では、すべてのアクチュエータを電動モータとしているが、現状では電動モータで現行の油圧アクチュエータと同等の性能を得るのは困難であるため、アクチュエータをすべて電動モータ化するのは実際上無理がある。特に、ブームの駆動アクチュエータとして電動モータを使用しようとすると大駆動力を得るためには減速機が必要となり、駆動系の大型化を招く。以上の結果、現実には実用化は困難である。」
と記載され、特許文献２、特許文献３の問題点を指摘している。

そしてこうした問題点を解決するものとして、特許文献１では、本願の図４、図５に示される実施例が提案されている。

すなわち、図４は、一般的な油圧ショベルの概観図である。同図において、この油圧ショベルは、走行手段としての左・右無限軌道履帯１Ａを備えた下部走行体１と、この下部走行体１上に旋回可能に設けた上部旋回体２と、この上部旋回体２に俯仰動可能に接続され、ブーム３、アーム４、バケット５からなる多関節型の油圧作業機（フロント装置）６と、ブーム３、アーム４、バケット５、上部旋回体２、左・右無限軌道履帯１Ａをそれぞれ駆動するブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒとを備えている。

図５は、特許文献１による提案のエネルギ回生装置の制御ブロック図である。同図において、この油圧ショベルの油圧駆動装置は、上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０と、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒと、原動機としてのエンジン１２と、このエンジン１２により直接駆動される油圧ポンプ１３と、この油圧ポンプ１３より吐出され上記ブーム用油圧シリンダ７、アーム用油圧シリンダ８、バケット用油圧シリンダ９、旋回用油圧モータ１０、左・右走行用油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒへそれぞれ供給される圧油の流れを制御するブーム用コントロールバルブ、アーム用コントロールバルブ、バケット用コントロールバルブ、旋回用コントロールバルブ、左・右走行用コントロールバルブ等を備えたコントロールバルブ装置１４と、操作レバー装置１５と、この操作レバー装置１５の操作信号を入力し、対応するコントロールバルブの駆動信号を生成して出力するコントローラ１６とを備えている。そして、本実施形態のエネルギ回生装置は、旋回用油圧モータ１０に機械的に直結され、旋回用油圧モータ１０の駆動補助あるいは被駆動（発電）を行う電動・発電機１７と、交流・直流変換機能や電圧・周波数等を所要に変換する機能を備え、上記電動・発電機１７の制御を行う電動・発電機制御装置（インバータ／コンバータ）１８と、電動・発電機制御装置と電気エネルギの授受を行う蓄電装置（バッテリ）１９とを備えている。

上記の構成においては、例えば操作者が掘削積み込み作業を行おうとして油圧ショベルの上部旋回体２を右旋回動作させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を右旋回方向（又は左旋回方向、かっこ内対応関係同じ）に操作すると、その操作信号を入力したコントローラ１６からその操作量に対応する駆動信号が生成されてコントロールバルブ装置１４に出力され、旋回用コントロールバルブがその駆動信号に対応して切り換えられ、油圧ポンプ１３からの圧油が旋回用コントロールバルブから旋回用油圧モータ１０へ供給されて右方向（又は左方向）へ回転駆動され、旋回を開始する。その後、例えば上部旋回体２がある程度旋回したら（例えばバケット５が土砂運搬用ダンプトラックの荷台に近づいたら）、操作者は右（又は左）旋回動作を停止させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻す。すると、これに応じてコントローラ１６から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断される。

このとき、旋回用油圧モータ１０により旋回駆動される上部旋回体２は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体２は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。これを利用して本実施形態においては、操作量ｘが０（中立位置）近傍の所定範囲内となるとコントローラ１６からの信号に基づく電動・発電機制御装置１８の制御によって、旋回用油圧モータ１０に併設した電動・発電機１７で発電を行う。すなわちこの場合、電動・発電機１７は発電機として作用して逆方向の左旋回方向へのトルク−Ｔｏ（又は右旋回方向へのトルクＴｏ）を発生しつつ発電を行い上記慣性エネルギを電気エネルギに変換し、この電気エネルギを蓄電装置１９に効率よく蓄える（回生する）。この蓄電装置１９に蓄えた電気エネルギは、次回の上部旋回体２の旋回駆動時に再び電動・発電機１７に供給され旋回用油圧モータ１０を補助的に駆動することに用いられる。

この実施例によれば、上部旋回体２の旋回減速時・停止時に高い効率でエネルギ回収を行うことができる。またこのとき、既存の油圧建設機械をベースとして、その油圧アクチュエータ７，８，９，１０，１ｌ，１１Ｒのうちの旋回用油圧モータ１０に電動・発電機１７を併設するとともに電動・発電機制御装置１８、蓄電装置１９を後づけで追加するだけの簡単な構成で実現できるので、実用化が非常に容易である。さらに、エンジン１２の作業あたりの燃費を向上するとともにエンジン排気ガス量を低減できる効果もある。
特開２００４−１２４３８１号公報 特開２０００−１３６８０８号公報 特開平１１−３４３６４２号公報

しかしながら、上述した図５では、「操作者は右（又は左）旋回動作を停止させるべく操作レバー装置１５の旋回用操作レバー（図示せず）を中立位置に戻すと、これに応じてコントローラ１６から旋回用コントロールバルブへの駆動信号がゼロとなり、旋回用コントロールバルブが中立位置に復帰して油圧ポンプ１３から旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断される。このとき、旋回用油圧モータ１０により旋回駆動される上部旋回体２は大型物であって自重が比較的重いことから、旋回運動している上部旋回体２は大きな慣性運動エネルギを持っており、旋回用油圧モータ１０への圧油供給が遮断されてもそのまま旋回運動を継続しようとする。」と記載されているように、旋回用油圧モータ１０には旋回用コントロールバルブからの圧油供給が遮断されており、したがって、制動時に旋回用油圧モータ１０でのブレーキトルクが発生し、その分のエネルギは熱となり、油圧作動油を昇温させ作動油の劣化を促進するという問題がある。

また、電気エネルギ回収の面から考察すると、電動機として使用するときの出力トルクと回生時に発電機として使用するときの入力トルクが同一程度の場合では、変換時の効率および前記旋回用油圧モータ１０の制動時の熱発生を考慮すると、起動時に供給した電気エネルギと同一以上の電気エネルギを回収することは不可能である。従ってこの場合には常時蓄電装置に他の発電装置により補助充電を実施する必要がある。このことは上部旋回体２が起動後に発生した慣性エネルギの内約半分のみを電気エネルギに変換することを意味し残りの半分は熱となり、この熱の除去に更にエネルギを使用するため、トータル的な省エネの効率が高く望めないという問題がある。こうした問題は、上部旋回体の駆動装置だけでなく、油圧シリンダによりブームを駆動しその位置エネルギを電気エネルギとして回収する場合に設けられる電動・発電機とワイヤロープの組み合わせ方式の場合でも基本的には同様に生じる。

本発明者は、上述した点に鑑み、油圧ショベルなどの建設機械におけるエネルギの回収およびコンパクトな油圧駆動装置の構成の有り様を種々検討した結果、上部旋回体やブーム等の慣性体が起動されることにより獲得した運動エネルギまたは位置エネルギ（以下慣性体エネルギと称する）のうち当該慣性体の制動時や降下時に油圧アクチュエータ側で消費されるエネルギを可及的に少なくすることにより全体としてエネルギの効果的な回収が可能であることを見出した。

従って、本発明の目的は、油圧ショベルのブームや上部旋回体などの比較的大きな慣性体の慣性体エネルギを効果的に回生すると共に、電動・発電機用の蓄電装置に補充充電の必要がないハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によるハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械は、
所定の作業に対応する慣性体を複数備えた建設機械であって、
前記複数の慣性体のそれぞれを駆動する複数の油圧アクチュエータと、
前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、
前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
前記油圧ポンプから供給される圧油を操作弁からの圧油信号に応答して前記各油圧アクチュエータへ供給する切換制御弁ユニットと、
前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの油圧アクチュエータと協働して対応する前記慣性体を駆動する電動・発電機と、
前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構と、
前記電動・発電機を駆動するサーボドライバーと、
前記サーボドライバーを介して電力の授受を行うキャパシタと、
前記操作弁からの圧油信号に応答して前記サーボドライバーへの発生トルクを指令すると共に前記サーボドライバーの制御モードを電力供給モードまたは発電モードに切換指令する制御装置と、
前記油圧アクチュエータおよび電動・発電機により協働して駆動される前記慣性体が起動により獲得した慣性体エネルギのうち当該慣性体の制動時に前記油圧アクチュエータ側で消費されるエネルギを少なくするための消費エネルギ削減手段と、
からなることを特徴とする。

その場合、前記消費エネルギ削減手段には、前記切換制御弁ユニットと当該慣性体を駆動する油圧アクチュエータとの間に設けられ当該油圧アクチュエータへの圧油の給排ポートを連通する連通弁を有することができる。

またその場合、前記消費エネルギ削減手段には、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力とを合成する駆動力合成機構に設けられ前記慣性体と油圧アクチュエータとの間の駆動力の伝達を遮断するクラッチ手段を設けて構成することができる。

またその場合、前記制御装置は、前記消費エネルギ削減手段を有効化する制御信号を生成するよう構成することができる。

さらにまた、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータは油圧モータであり、これと電動・発電機とが協働して駆動する前記慣性体は建設機械の上部旋回体として構成することができる。

さらに、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構は減速歯車機構を備えて構成されることができる。

さらに、前記建設機械には、前記慣性体を駆動する少なくとも１つの油圧アクチュエータの駆動力と、協働して駆動する電動・発電機の駆動力との比率を設定する設定手段を設けて構成することができる。

その場合、前記設定手段は、前記油圧モータに内蔵されたリリーフ弁として構成することができる。

さらにまた、前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタから当該車載バッテリに電力を供給する充電手段を備えることができる。

また、前記建設機械の複数の油圧アクチュエータと協働して対応する複数の慣性体をそれぞれ駆動する電動・発電機を備え、前記キャパシタは前記それぞれの電動・発電機に対応して設けられたサーボドライバーと接続される単一のキャパシタで構成することができる。

さらにまた、前記複数の油圧アクチュエータには少なくとも上部旋回体を駆動する油圧モータならびにブームを駆動するブームシリンダを含むよう構成することができる。

さらに、前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタは建設機械に搭載後に当該車載バッテリからの電力をコンバータ／インバータにより昇圧して充電されるよう構成することができる。

請求項１に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、所定の作業に対応する慣性体を複数備えた建設機械であって、前記複数の慣性体のそれぞれを駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記油圧ポンプから供給される圧油を操作弁からの圧油信号に応答して前記各油圧アクチュエータへ供給する切換制御弁ユニットと、前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの油圧アクチュエータと協働して対応する前記慣性体を駆動する電動・発電機と、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構と、前記電動・発電機を駆動するサーボドライバーと、前記サーボドライバーを介して電力の授受を行うキャパシタと、前記操作弁からの圧油信号に応答して前記サーボドライバーへの発生トルクを指令すると共に前記サーボドライバーの制御モードを電力供給モードまたは発電モードに切換指令する制御装置と、前記油圧アクチュエータおよび電動・発電機により協働して駆動される前記慣性体が起動により獲得した慣性体エネルギのうち当該慣性体の制動時に前記油圧アクチュエータ側で消費されるエネルギを少なくするための消費エネルギ削減手段とを備えて構成したので、キャパシタには電動・発電機に供給される電気エネルギよりも多くの電気エネルギが戻り、したがって、キャパシタに対し電力補充用の充電作業を行う必要がなく、建設機械としての稼動率を向上することができる。また、前記消費エネルギ削減手段を備えているので全体として、原動機の燃料効率を向上させることができる。

請求項２に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記消費エネルギ削減手段には、前記切換制御弁ユニットと当該慣性体を駆動する油圧アクチュエータとの間に設けられ当該油圧アクチュエータへの圧油の給排ポートを連通する連通弁を有するよう構成したので、制動時には、当該慣性体の獲得した慣性体エネルギは当該油圧アクチュエータ側ではほとんど熱として消費されることがなくほぼ全量が電動・発電機側へ供給され電気エネルギとしてキャパシタへ蓄電されることができ、比較的簡単な連通弁を設けることにより上述した請求項１の効果と同一の効果を得ることができる。

請求項３に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記消費エネルギ削減手段には、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力とを合成する駆動力合成機構に設けられ前記慣性体と油圧アクチュエータとの間の駆動力の伝達を遮断するクラッチ手段を設けたので、慣性体と当該油圧アクチュエータ側とは遮断され、制動時の慣性体エネルギは当該油圧アクチュエータ側にて消費されることがまったくなくなり、請求項２の効果よりもさらにエネルギ回収の効率を向上することが可能となる。

請求項４に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記制御装置は、前記操作弁からの圧油信号に基づいて前記消費エネルギ削減手段を有効化する制御信号を生成するよう構成したので、有効化のための信号を別途に用意する必要がない。

請求項５に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータは油圧モータであり、これと電動・発電機とが協働して駆動する前記慣性体は建設機械の上部旋回体であり、当該建設機械の慣性体として最も慣性が大きく、また頻繁に回転駆動および回転制動を行うので、当該油圧モータの制動時の消費エネルギを削減することによる原動機の燃料節約の効果は非常に大きくなる。

請求項６に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構は減速歯車機構で構成されているので、クラッチ手段として、減速歯車機構の駆動側に設けられている油圧モータの駆動歯車をその軸方向にシフトさせるよう構成することができる。

請求項７に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記建設機械には、前記慣性体を駆動する少なくとも１つの油圧アクチュエータの駆動力と、協働して駆動する電動・発電機の駆動力との比率を設定する設定手段を設けたので、建設機械として最適な状態に対応する比率を調整して設定することができる。

請求項８に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記設定手段は、前記油圧油圧モータに内蔵されたリリーフ弁としたので、リリーフ圧力を設定するだけで比率を調整することができる。

請求項９に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタから当該車載バッテリに電力を供給する充電手段を備えるようにしたので、建設機械全体として、原動機燃料を無駄にすることがなく、環境にやさしい建設機械とすることができる。

請求項１０に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、前記建設機械の複数の油圧アクチュエータと協働して対応する複数の慣性体をそれぞれ駆動する電動・発電機を備え、前記キャパシタは前記それぞれの電動・発電機に対応して設けられたサーボドライバーと接続される単一のキャパシタで構成したので、複数のキャパシタを設置する必要がなく、建設機械としての設備コストを低減できる。さらに、回収される電気エネルギが少ないかマイナスとなる油圧アクチュエータと電動・発電機との組み合わせがある場合でも、回収エネルギの多い他の組み合わせとの間で平準化することが可能となり、油圧アクチュエータと電動・発電機との駆動力の比率を状況に応じて種々の値に設定することが可能である。例えば、下部走行体における油圧モータに電動・発電機を併設し組み合わせた場合、起動時と制動時以外の走行途中に消費されたエネルギ（油圧モータおよび電動・発電機で消費される）は回収できないので下部走行体に対応する回収電気エネルギは途中走行量が多くなるにつれて蓄電量はマイナスとなるが、単一のキャパシタには他の回収電気エネルギの大きい組み合わせからそのマイナスを補う電気エネルギが回収されるので建設機械全体としては回収電気エネルギが不足する事態を回避可能となる。

請求項１１に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、さらにまた、前記複数の油圧アクチュエータには少なくとも上部旋回体を駆動する油圧モータならびにブームを駆動するブームシリンダを含むよう構成したので、建設機械の中で最も慣性体重量が大きい２つの慣性体に対するエネルギ回収効果を非常に大きくすることができる。

請求項１２に記載された本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械によれば、さらに、前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタは建設機械に搭載後当該車載バッテリからの電力をコンバータ／インバータにより昇圧して充電されるよう構成したので、当該キャパシタを当初の充電量ゼロの空状態から充電するための他の充電装置を必要としない。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について添付図面の図１乃至図３を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明では建設機械の各構成部分を参照するため、図４に示される参照符号を対応する構成部分とする。

図１は、本発明が適用される、上部旋回体２を回転駆動するハイブリッド型旋回駆動ユニットＨＢの正面概観図である。同図において、参照符号２０は油圧モータ、同２２は電動モータであって、歯車箱２４の上面に搭載固定されている。同歯車箱２４内には、破線で示されるように、油圧モータ２０の出力駆動軸に取り付けられた歯車２４ａ、電動モータ２２の出力軸に取り付けられた歯車２４ｂおよび歯車２４ａ、２４ｂと噛合う中間の歯車２４ｃが設けられている。駆動状態では歯車２４ａ、２４ｂは同方向に回転駆動され、したがって、歯車２４ｃの軸２４ｄには歯車２４ａ、２４ｂによって与えられる回転駆動力を合成した駆動力が与えられる。軸２４ｄの下端部に取付けられた歯車２４ｅは減速機構２６内の図略の遊星歯車と噛合いその出力側軸には駆動歯車２８が設けられ、同駆動歯車２８は上部旋回体２を形成する図示しない内歯車と噛合うようになっている。

図２は、本発明によるハイブリッド型上部旋回体駆動装置の制御ブロック図である。同図において、参照符号３０は油圧ショベルに搭載されている原動機であって、ガソリン等の化石燃料を動力源としている。原動機３０の回転出力軸３０ａには図示のように、可変容量型のポンプ３２および固定容量型のギヤポンプ３４、３６の回転軸が結合されている。

参照符号３８は、吐出ラインＬ１により油圧ショベルの各油圧アクチュエータへの圧油の給排を行う切換制御弁ユニットであって、同図では上部旋回体２を旋回駆動するための油圧モータ２０に対応するセンタバイパス型の切換制御弁３８ａのみを示す。参照符号３８ｂは切換制御弁３８ａの上流側に設けられたリリーフ弁、参照符号３８ｃは切換制御弁３８ａのセンタバイパスの下流側に設けられた圧力発生手段であって、その上流側の圧力は破線で示すロードセンシングラインＬＳとして前記可変容量型のポンプ３２の斜板３２ｂの角度を制御する吐出容量調整機構３２ａに接続されている。

参照符号４８は、建設機械の操縦者によるレバー４８ａの操作により操作圧信号Ｐａ、Ｐｂを発生させるための操作弁である。操作弁４８にはポンプ３４から所定圧の圧油がラインＬ２を介して供給されている。前記操作圧信号Ｐａ、Ｐｂは油電変換器５０ａ、５０ｂにより電気信号に変換され制御装置４６に与えられる。

参照符号４０は油圧モータユニットであって、一対のリリーフ弁２０ａを内蔵した油圧モータ２０と連通弁４２で構成されている。この連通弁４２は図示のように、切換制御弁３８ａの各シリンダポートと圧油給排用ラインＬ７、Ｌ８により接続されている。連通弁４２の受圧部４２ａには電気／油圧変換弁４４からの圧油信号Ｓ４が与えられている。また、この電気／油圧変換弁４４には、ラインＬ５によりポンプ３６から所定圧力の圧油が供給されており、さらにラインＬ４を介して制御装置４６からの制御信号Ｓ２が与えられている。前記制御装置４６にはラインＬ７、Ｌ８の圧力を検出する分岐ラインが接続され、当該分岐ラインの圧力が図示しない油電変換器で電気信号として形成される。

参照符号５２はキャパシタであって、３相の電動モータ２２への電力を供給するサーボドライバー５４の電源ラインと接続されている。模式的に示されるように、サーボドライバー５４は、各相巻線ＰＷを介して電動モータ２２が所定のトルクを出力軸２２ａに発生するように各相巻線ＰＷを介して電力を供給する機能と、外部すなわち、上部旋回体２の慣性体側から出力軸２２ａに与えられるトルクによって電動モータ２２が発電機として作用し各相巻線ＰＷを介して電力を回生する機能とを有する。

この回生された電力は前記キャパシタ５２に蓄電される。電動モータ２２の回転軸にはエンコーダ２２ｂが結合されており、当該回転軸の回転角位置すなわち、位相が常時検出され、ラインＬ３を介してサーボドライバー５４へ与えられて、前記各相巻線ＰＷに流れる電流値を演算するのに用いられる。検出された回転軸の回転角位置は信号Ｓ３として前記制御装置４６に与えられている。また、制御装置４６からサーボドライバー５４へは制御信号Ｓ１が与えられている。この制御信号Ｓ１は、サーボドライバー５４への発生トルクを指令すると共にサーボドライバー５４における前述した２つの機能に対応する制御モードすなわち、電力供給モードまたは発電モードへの切換を指定するものである。

前記キャパシタ５２は、１００キロジュール以上の容量を有しており、通常、建設機械への搭載時には充電されておらず完全放電状態にあり、搭載後にラインＬ６を介して既設の車載バッテリ６６から充電される。この充電作業は、キャパシタ５２の使用電圧がＤＣ（直流）３００ボルト以上であり、一方車載バッテリ６６は通常、ＤＣ２４ボルトであるため、スイッチ６２を閉じて車載バッテリ６６のＤＣ２４ボルトを使用して一旦交流へ変換した後昇圧し、再度直流に変換後キャパシタ５２に充電する。この交流変換、昇圧、直流変換のためコンバータ／インバータ６０が使用される。なお、この充電用回路は、キャパシタ５２の搭載時当初に利用するものであり、本発明では常時必要としないものである。参照符号６４は発電機／レギュレータであって、車載バッテリ６６を常時充電するように接続されている。

次に、図２に示される建設機械の上部旋回体駆動装置の作用について説明する。原動機３０は動力源として使用され、油圧ポンプ３２、油圧ポンプ３４、３６を駆動する。油圧ポンプ３２から吐出された圧油はラインＬ１により切換制御弁ユニット３８に導かれているが、操縦者が操作弁（油圧パイロットバルブ）４８を操作していない時はリザーバＴに戻される。

今、操縦者が操作弁４８を操作すると操作レバー４８ａの角度に応じた操作圧信号ＰａまたはＰｂが切換制御弁３８に作用し図示していないスプールを変位させ油圧ポンプ３２からの圧油を油圧モータ２０に導く。このとき連通弁４２は、電気／油圧変換弁４４殻の圧油信号Ｓ４がないため図示の位置にある。従って、油圧モータ２０は所要のトルクを発生し歯車箱２４、減速機構２６を介して上部旋回体２を駆動する。

一方、前記操作弁４８からの操作圧信号ＰａまたはＰｂは油／電変換器５０ａまたは５０ｂにより電気信号に変換され制御装置４６に与えられる。制御装置４６からは前記操作圧信号Ｐａ、Ｐｂに対応した制御信号Ｓ１がサーボドライバー５４に与えられる。

サーボドライバー５４は内部に組み込まれた処理プログラムに従い、制御信号Ｓ１に対応した最適な電気量を電動モータ２２に供給しこれを駆動する。電動モータ２２が発生したトルクは歯車箱２４で油圧モータ２０のトルクと合算、合成され減速機構２６を介して、上部旋回体２を油圧モータ２０と協調して回転駆動する。

次に、操縦者が上部旋回体２を停止させようと操作弁４８のレバー４８ａを中立に戻した場合は、油／電変換器５０ａ、５０ｂからの信号が変化したことを制御装置４６が検出し、その内部に組み込まれた演算処理プログラムに従い生成される制御信号Ｓ１がサーボドライバー５４に与えられる。サーボドライバー５４はそれに応答して、電動モータ２２ヘの供給電気量を制御して回生作動させると共に、電／油変換弁４４へ制御信号Ｓ２を与える。この制御信号Ｓ２により電／油変換弁４４は圧油信号Ｓ４を発生しそれにより連通弁４２を作動させて油圧モータ２０の入り口２ヶ所のポートを連通させるので、油圧モータ２０に発生するブレーキトルクは最小限となり、上部旋回体２の持つ慣性体エネルギの大部分は発電機として機能する電動モータ２２ヘ集中して供給されることとなる。

したがって、電動モータ２２は、起動時に消費した電気量以上の電気量を発電機として発電させサーボドライバー５４を介してキャパシタ５２を急速充電させるよう作用する。このときの充電量は次回起動時に必要とする電気量以上であるため、外部からキャパシタ５２への補充電設備を必要としない。

前記連通弁４２の果たす機能は、油圧モータ２０の入り口２ヶ所のポートを連通させることによって、上部旋回体２の制動時すなわち、電動モータ２２を発電機として機能させるとき、油圧モータ２０側で制動時に消費されるエネルギ量を可及的に少なくすることにより、上部旋回体２が起動により獲得した慣性体エネルギを、結果として発電機側へほぼその全量供給することである。

本発明では、こうした機能を遂行する手段を、制動時における油圧モータ（油圧アクチュエータ）側での消費エネルギを削減する手段と定義している。したがって、連通弁４２、電／油変換弁４４、制御信号Ｓ２を与える制御装置４６は、前記消費エネルギ削減手段を構成している。他の消費エネルギ削減手段としては、連通弁４２に代え、例えば図１の歯車２４ａをその軸方向にシフトすることにより中間の歯車２４ｃとの噛合い状態を解除することで対応すること、あるいは、油圧モータ２０の軸にクラッチ手段（電磁クラッチや流体摩擦板クラッチ等）を設けるようにして、制動時に油圧モータ２０と上部旋回体２とを機械的に遮断するようにしてもよい。

なお、図２ではキャパシタ５２は上部旋回体２を駆動する電動モータ２２を制御する１つのサーボドライバー５４と結合されている例を示しているが、図３（ａ）に示すように複数の油圧アクチュエータにそれぞれ対応して設けられたサーボドライバーと結合されるようにすることができる。この複数の油圧アクチュエータとしては、慣性体重量の大きい上部旋回体用の油圧モータ、ブーム用のシリンダや下部走行体用の油圧モータなどを挙げることができる。

このように、キャパシタ５２を、それぞれの電動モータに対応して設けられたサーボドライバーと接続される単一のキャパシタで構成すると、複数のキャパシタを設置する必要がなく、建設機械としてのスペースや設備コストを低減できる。さらに、回収される電気エネルギが少ないかマイナスとなる特定の油圧アクチュエータと電動モータとの組み合わせがある場合でも、回収エネルギの多い他の組み合わせとの間で平準化することが可能となり、油圧アクチュエータと電動モータとの駆動力の比率を状況に応じて種々の値に設定することが可能である。

例えば、下部走行体における油圧モータに電動モータを併設し組み合わせた場合、起動時と制動時以外の走行途中に消費されたエネルギ（油圧モータおよび電動モータで消費される）は回収できないので下部走行体に対応する回収電気エネルギは途中走行量が多くなるにつれて蓄電量はマイナスとなるが、前記単一のキャパシタには他の回収電気エネルギの大きい組み合わせからそのマイナスを補う電気エネルギが回収されるので建設機械全体として回収電気エネルギが不足する事態を回避することは可能である。

また、キャパシタ５２の蓄電量が増大して各油圧アクチュエータと協働する電動モータの通常運転時に影響しない範囲で、キャパシタ５２の蓄電量を車載バッテリ６６へ供給することが好ましい。図３（ｂ）には、分圧器／レギュレータ７０をキャパシタ５２と車載バッテリ６６との間にスイッチ８０を介して設けた場合として例示される。

なお、図２の例では、油圧モータ２０と電動モータ２２が協働して上部旋回体２を起動する際のそれぞれの駆動力の比率は半々として説明したが、この比率を、どの油圧アクチュエータと当該アクチュエータに対応する電動モータとの組み合わせに対しても同一とする必要はなく、状況に応じて比率を変えることができる。例えば、下部走行体用の油圧モータとそれに併設した電動モータとの駆動力の比率を、電動モータ側を大きくし、走行時の原動機による化石燃料の消費ならびに炭酸ガスの発生を相対的に低くすることができる。

この比率の変更を設定する手段として、油圧モータ２０の発生トルクは、内蔵されたリリーフ弁２０ａの設定圧を調整することで対応することができる。また、電動モータ２２の発生トルクは、相巻線ＰＷに流れる電流値の最大値を調整することで対応することが可能である。

以上、本発明の実施形態に基づく好適な実施例について図面を参照して説明したが、当業者であれば、これら開示例に基づき種々変形することができるが、それらの変形は本願特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的範囲を含む限り本発明の範囲にあることは言うまでもない。

本発明が適用される、上部旋回体を回転駆動するハイブリッド型旋回駆動ユニットの正面概観図である。 本発明によるハイブリッド型上部旋回体駆動装置の制御ブロック図である。 本発明におけるキャパシタの拡張機能を例示するブロック図であって、（ａ）は、単一のキャパシタに複数のサーボドライバーが接続されていることを示し、（ｂ）は、サーボドライバーと接続されたキャパシタを電源として車載バッテリに充電することを示す。 一般的な油圧ショベルの概観図である。 従来のエネルギ回生装置の制御ブロック図である。

符号の説明

２０ 油圧モータ
２２ 電動モータ
２０ａ 内蔵されたリリーフ弁
２２ａ 出力軸
２４ 歯車箱
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｅ 歯車
２４ｄ 軸
２６ 減速機構
２８ 駆動歯車
３０ 原動機
３２ 可変容量型ポンプ
３２ａ 吐出容量調整機構
３４、３６ 固定容量型ポンプ(ギヤポンプ)
３８ 切換制御弁ユニット
３８ａ 切換制御弁
３８ｂ リリーフ弁
３８ｃ 圧力発生手段
４０ 油圧モータユニット
４２ 連通弁
４２ａ 受圧部
４４ 電／油変換弁
４６ 制御装置
４８ 操作弁
５０ａ、５０ｂ 油／電変換器
５２ キャパシタ
５４ サーボドライバー
６０ コンバータ／インバータ
６２ スイッチ
６４ 発電機／レギュレータ
６６ 車載バッテリ
７０ 分圧器／レギュレータ
ＨＢ ハイブリッド型旋回駆動ユニット
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８ ライン
ＬＳ ロードセンシングライン
Ｐａ、Ｐｂ 操作圧信号
ＰＷ 相巻線
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 制御信号

Claims (12)

1. 所定の作業に対応する慣性体を複数備えた建設機械であって、
   前記複数の慣性体のそれぞれを駆動する複数の油圧アクチュエータと、
   前記複数の油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
   前記油圧ポンプから供給される圧油を操作弁からの圧油信号に応答して前記各油圧アクチュエータへ供給する切換制御弁ユニットと、
   前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つの油圧アクチュエータと協働して対応する前記慣性体を駆動する電動・発電機と、
   前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構と、
   前記電動・発電機を駆動するサーボドライバーと、
   前記サーボドライバーを介して電力の授受を行うキャパシタと、
   前記操作弁からの圧油信号に応答して前記サーボドライバーへの発生トルクを指令すると共に前記サーボドライバーの制御モードを電力供給モードまたは発電モードに切換指令する制御装置と、
   前記油圧アクチュエータおよび電動・発電機により協働して駆動される前記慣性体が起動により獲得した慣性体エネルギのうち当該慣性体の制動時に前記油圧アクチュエータ側で消費されるエネルギを少なくするための消費エネルギ削減手段と、
   からなるハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
2. 前記消費エネルギ削減手段には、前記切換制御弁ユニットと当該慣性体を駆動する油圧アクチュエータとの間に設けられ当該油圧アクチュエータへの圧油の給排ポートを連通する連通弁を有することを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
3. 前記消費エネルギ削減手段には、前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力とを合成する駆動力合成機構に設けられ前記慣性体と油圧アクチュエータとの間の駆動力の伝達を遮断するクラッチ手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
4. 前記制御装置は、前記消費エネルギ削減手段を有効化する制御信号を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
5. 前記少なくとも１つの油圧アクチュエータは油圧モータであり、これと電動・発電機とが協働して駆動する前記慣性体は建設機械の上部旋回体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
6. 前記油圧アクチュエータの駆動力と前記電動・発電機の駆動力を合成する駆動力合成機構は減速歯車機構を備えている請求項５に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
7. 前記建設機械には、前記慣性体を駆動する少なくとも１つの油圧アクチュエータの駆動力と、協働して駆動する電動・発電機の駆動力との比率を設定する設定手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
8. 前記設定手段は、前記油圧モータに内蔵されたリリーフ弁であることを特徴とする請求項７に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
9. 前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタから当該車載バッテリに電力を供給する充電手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
10. 前記建設機械の複数の油圧アクチュエータと協働して対応する複数の慣性体をそれぞれ駆動する電動・発電機を備え、前記キャパシタは前記それぞれの電動・発電機に対応して設けられたサーボドライバーと接続される単一のキャパシタであることを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
11. 前記複数の油圧アクチュエータには少なくとも上部旋回体を駆動する油圧モータならびにブームを駆動するブームシリンダを含むことを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。
12. 前記建設機械には、予め、運転操作時の各種電気的装置に必要な電力を供給する車載バッテリが搭載されており、前記キャパシタは建設機械に搭載後に当該車載バッテリからの電力をコンバータ／インバータにより昇圧して充電されることを特徴とする請求項１に記載されたハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械。

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