DE60031545T2

DE60031545T2 - Schaufel

Info

Publication number: DE60031545T2
Application number: DE60031545T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kobe-Shi YONEZAWA
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: EP1199411A4; ATE343686T1; DE60031545D1; EP1199411A1; WO2001000936A8; WO2001000936A1; JP2001011888A; EP1199411B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bagger als eine Aushubmaschine mit einem als eine Antriebsquelle verwendeten Elektromotor.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der Vergangenheit war ein gewöhnlicher Bagger, der als Hydraulikbagger bezeichnet wird, so aufgebaut, dass ein unterer Fortbewegungskörper (normalerweise eine Raupe) mit einem oberen Drehkörper ausgerüstet war und ein Aushubgerät, das mit einem Ausleger, einem Arm und einer Schaufel versehen war, war an dem oberen Drehkörper montiert und war so ausgebildet, dass eine Hydraulikpumpe durch einen Verbrennungsmotor als eine Energiequelle angetrieben wurde, die an dem oberen Drehkörper angebaut war, und ein aus der Pumpe kommendes Ausstoßöl wurde einem Hydraulikaktuator (einem Hydraulikmotor oder einem Hydraulikzylinder) so zugeführt, dass er das Fortbewegen, das Drehen, das Anheben und Absenken des Auslegers, das Betätigen des Arms und das Betätigen der Schaufeln ausgeführt hat.
Allerdings entsteht bei dem vorstehend genannten gewöhnlichen Hydraulikbagger das Problem, dass die Belastung des Verbrennungsmotors so stark ist, dass die Kraftstoffkosten schlecht sind, und das Problem der Abgase und des Lärms.
In Anbetracht des Vorangehenden wurde in jüngster Zeit der Vorschlag gemacht, wie dies in dem japanischen Patentdokument Nr. Hei 5-48501 gezeigt ist, bei dem ein Elektromotor mit einem Leistungsstrang des Verbrennungsmotors verbunden ist, und wenn die Last der Pumpe gering ist, der Motor durch das überschüssige Drehmoment des Verbrennungsmotors so als Generator betrieben wird (Regenerationsbetrieb), dass die erzeugte elektrische Energie in der Batterie gespeichert wird, und der Motor zu dem Zeitpunkt der großen Last so durch die gespeicherte Energie der Batterie angetrieben wird, dass der Verbrennungsmotor unterstützt wird, wobei die Verbrennungsmotorlast so ausgeglichen wird, dass die Abgase vermindert und die Kraftstoffkosten verringert werden.
Allerdings ist es gemäß dem vorangehenden bekannten Motorantriebssystem, da ein Aufbau verwendet wird, bei dem die Drehkraft in dem Kanal Verbrennungsmotor – Motor – Hydraulikpumpe übertragen wird, erforderlich, diese drei Vorrichtungen mechanisch zu verbinden, so dass sie als eine einzige Antriebseinheit an einem gemeinsamen Platz eingebaut werden müssen.
Dies führt zu den folgenden Nachteilen:

(1) Die Antriebseinheit wird groß und es wird viel Raum in dem Einbauabschnitt (dem oberen Drehkörper) benötigt, was eine Anordnung von Ausrüstungen behindert und insbesondere für den Bagger der Art ungeeignet, die einen kleinen Drehkörper besitzt und in jüngster Zeit vorwiegend verwendet wird.
(2) Die Lastabweichung des Baggers ist in Bezug auf die Zeit sowie in Bezug auf die Höhe im Vergleich mit Autos oder des gleichen abhängig von der Arbeit sehr heftig und das Umschalten der mechanisch verbundenen Teile der Antriebseinheit wird häufig ausgeführt, wodurch sich ein großes Problem bezüglich des Ansprechverhaltens oder der Dauerhaftigkeit der Antriebseinheit ergibt.

Andererseits führt der Bagger zahlreiche Arbeiten wie beispielsweise das Ausheben, das horizontale Ziehen, das Verdichten von Böschungen (das Nivellieren und das Verdichten des Grundes durch die Schaufel), das Anheben usw. aus, und die Lastcharakteristika sind abhängig von den entsprechenden Arbeiten unterschiedlich.
In dem Fall des Verdichtens von Böschungen ist die Veränderung der Last über die Zeit zum Beispiel sehr heftig und der Arbeitszyklus ist kurz. Andererseits ist die Anhebearbeit hinsichtlich der Laständerung über die Zeit schonend und der Arbeitszyklus ist relativ lang.
Daher ist es schwierig, Batterien auszuwählen, die in dem Motorantriebssystem verwendet werden.
Das Dokument DE 36 11 455 A1 beschreibt einen herkömmlichen Hydraulikbagger, der an das Arbeiten im Freien und in geschlossenen Räumen angepasst ist. Im erstgenannten Fall treibt ein Verbrennungsmotor drei Hydraulikpumpen an. Zudem sind drei zusätzliche Hydraulikpumpen vorgesehen, die durch einen Elektromotor betätigt werden.
Das Dokument DE 35 01 608 A1 beschreibt ein Arbeitsfahrzeug mit einem Dieselhydraulikantrieb. Bei diesem Fahrzeug ist ein Hauptantrieb mit einem Dieselverbrennungsmotor und geeigneten Hydraulikelementen zum Antreiben des Fahrzeugs versehen. Zudem ist ein Hilfsantrieb mit einem batteriebetriebenen Elektromotor vorgesehen, der mit geeigneten Hydraulikelementen verbunden ist. Jeder der zwei Antriebe kann allein verwendet werden, und in dem Fall, dass eine hohe Leistung des Antriebs benötigt wird, können die Antriebe auch gemeinsam verwendet werden.
Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung einen Bagger vor, wobei in dem Motorantriebssystem, bei dem eine Antriebseinheit aufgeteilt und eingebaut werden kann, häufiges Umschalten der mechanisch verbundenen Teile der Antriebseinheit nicht erforderlich ist und die Energieeffizienz verbessert werden kann.
Zudem sieht die vorliegende Erfindung einen Bagger vor, wobei in dem Antriebssystem eine Batterie verwendet werden kann, die an die Lastcharakteristik angepasst ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Zur Lösung des vorgenannten Problems verwendet die vorliegende Erfindung den folgenden Aufbau.
Das heißt, ein Bagger, bei dem ein unterer Fortbewegungskörper mit einem auf ihm befindlichen oberen Drehkörper ausgestattet ist und ein Aushubgerät an dem oberen Drehkörper vorgesehen ist, besitzt einen Verbrennungsmotor als eine Energiequelle, einen durch den Verbrennungsmotor angetriebenen Generator und einen einzigen Elektromotor, der durch die Kraft angetrieben wird, die von dem Generator zugeführt wird, wobei eine Hydraulikpumpe durch den Elektromotor angetrieben wird und Hydraulikaktuatoren der Betätigungsabschnitte des unteren Fortbewegungskörpers, des oberen Drehkörpers und des Aushubgeräts durch von der Hydraulikpumpe kommendes Öl betätigt werden.
Zudem besitzt die vorliegende Erfindung den vorstehend beschriebenen Aufbau mit einer Vielzahl von Batterien zum Speichern von überschüssiger Energie von dem Generator und zum Antreiben des Elektromotors, wenn dies erforderlich ist, und eine Batterieumschalteinrichtung zum Umschalten von einer Batterie zu einer anderen aus der Vielzahl von Batterien, wobei die Batterien eine erste Batterie, die ein relativ großes Fassungsvermögen und ein relativ geringes Ansprechverhalten besitzt, und eine zweite Batterie besitzt, die ein geringes Fassungsvermögen und ein hohes Ansprechverhalten besitzt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Seitenansicht des ganzen Baggers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm eines Antriebs- und Steuersystems des Baggers;
3 ist eine Ansicht entsprechend der 2 des Baggers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 ist eine charakteristische Ansicht der ersten und der zweiten Batterie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Erstes Ausführungsbeispiel (siehe 1 und 2)
Die 1 zeigt den ganzen Bagger gemäß dem Ausführungsbeispiel.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen unteren Fortbewegungskörper; das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen oberen Drehkörper; und das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Aushubgerät, das an den vorderen Abschnitt des oberen Drehkörpers 2 montiert ist.
Der untere Fortbewegungskörper 1 besitzt einen linken und rechten Raupenrahmen 4 und Raupen 5 (wobei jeweils nur ein Element gezeigt ist). Die beiden Raupen 5 werden einzeln durch einen linken und einen rechten Fortbewegungshydraulikmotor 6, 7 zum Fortbewegen angetrieben (siehe 3).
Der obere Drehkörper 2 besitzt einen Drehrahmen 8 und eine Kabine 9 usw. An dem Drehrahmen 8 sind ein Verbrennungsmotor 10 als eine Energiequelle, ein durch den Verbrennungsmotor 10 angetriebener Generator 11, eine Batterie 12, ein Elektromotor 13, eine durch den Elektromotor 13 angetriebene Hydraulikpumpe 14 und ein Drehhydraulikmotor 15 eingebaut.
Das Aushubgerät 3 besitzt einen Ausleger 16, einen Auslegerzylinder 17 zum Anheben und Absenken des Auslegers 16, einen Arm 18, einen Armzylinder 19 zum Drehen des Arms 18, eine Schaufel 20 und einen Schaufelzylinder 21 zum Betätigen der Schaufel 20.
Die 2 zeigt ein Blockdiagramm eines Antriebssystems und eines Steuersystems des Baggers.
In der Figur zeigt der Pfeil mit einer durchgezogenen Linie ein elektrisches Antriebssystem, und der Pfeil mit einer gepunkteten Linie zeigt ein hydraulisches Antriebssystem.
Ein Umwandler 22 ist zwischen dem Generator 11 und dem Elektromotor 13 bzw. der Batterie 12 vorgesehen. Durch den Umwandler 22 wird

(1) durch den Generator 11 erzeugter Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und in der Batterie 12 gespeichert (Ladevorgang), und
(2) die gespeicherte Energie der Batterie 12 in Wechselstrom umgewandelt und dem Elektromotor 13 zugeführt (Abgabevorgang).

Der Umwandler 22 ist mit einer Schalteinrichtung versehen, obwohl diese nicht gezeigt ist, und das Umschalten des Ladevorgangs und des Abgabevorgangs wird durch die Betätigung eines Bedieners oder automatisch gemäß dem Zustand der Last durchgeführt.
Das Drucköl der durch den Elektromotor 13 angetriebenen Hydraulikpumpe 14 wird durch ein Steuerventil 23 (das hier in einem Knoten gezeigt ist), das bei jedem Hydraulikaktuator vorgesehen ist, zu jedem der Hydraulikaktuatoren (dem Dreh- und dem Fortbewegungshydraulikmotoren 15, 6, 7, dem Auslegerzylinder, dem Armzylinder und dem Schaufelzylinder 17, 19, 21) zugeführt und die Betätigungsgeschwindigkeit, das Drehmoment und die Betätigungsrichtung der Hydraulikaktuatoren kann sogar durch das Steuerventil 23 gesteuert werden.
Die Antriebs- und Steuervorgänge des Baggers inklusive des Lade- und Entladevorgangs, die in den vorstehenden Absätzen (1) und (2) beschrieben sind, sind im Folgenden erklärt.
Wenn der Verbrennungsmotor 10 angetrieben wird, wird der Generator 11 so angetrieben, dass er den Stromerzeugungsvorgang durchführt, der Elektromotor 13 wird durch den erzeugten Wechselstrom so angetrieben, dass er die Pumpe 14 dreht und die Hydraulikaktuatoren werden wie vorstehend beschrieben betätigt, wobei die Aushubvorgänge (Ausheben, Fortbewegen und Drehen) durchgeführt werden.
Grundsätzlich wird der Elektromotor 13 durch die von dem Generator 11 über den Umwandler 22 zugeführte Energie angetrieben, aber zum Zeitpunkt der schweren Last wird der Mangel an Kraft durch die gespeicherte Energie der Batterie 12 durch die Betätigung der Umschalteinrichtung kompensiert, und umgekehrt dazu wird zu dem Zeitpunkt der niedrigen Last die überschüssige Energie des Generators 11 in der Batterie 12 gespeichert.
Andererseits wird in dem Fall der niedrigen Last und der ausreichenden Batteriekapazität die Abgabe des Verbrennungsmotors 10 vermindert oder der Verbrennungsmotor wird angehalten und der Elektromotor 13 kann lediglich durch die Energie der Batterie angetrieben werden.
Durch den vorstehend beschriebenen Betrieb ist es möglich, die Verbrennungsmotorlast gleichmäßiger zu machen, den Lärm und die Abgase zu vermindern und die Kraftstoffkosten zu verringern.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Bagger wird die Drehkraft in dem Kanal Verbrennungsmotor 10 – Generator 11 – Motor 13 – Hydraulikpumpe 14 -übertragen, wie dies vorstehend beschrieben ist, wobei die Antriebseinheit durch ein Aufteilen in eine Gruppe aus dem Verbrennungsmotor 10 und dem Generator 11 und eine Gruppe aus dem Elektromotor 13 und der Hydraulikpumpe 14 eingebaut werden kann. Dementsprechend ist dies, da kein großer Einbauraum für diese an einer Stelle erforderlich ist, für den Bagger derart mit dem kleinen Drehradius geeignet.
Zudem ist es, da der Generator 11 und der Verbrennungsmotor 13 durch elektrische Verdrahtung verbunden werden können, den Energieübertragungsverlust erheblich zu vermindern.
Zweites Ausführungsbeispiel (siehe 3 und 4)
Es werden nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel erklärt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel werden zwei Batterien mit unterschiedlichen Charakteristika durch geeignetes Auswählen gemäß der Lastcharakteristik verwendet.
Das heißt, eine erste und eine zweite Batterie 12a, 12b ist durch eine Batterieumschaltvorrichtung 24 mit einem Umwandler 22 verbunden.
Als die erste Batterie 12a wird zum Beispiel eine Batterie der Kondensatorart verwendet, die ein höheres Ansprechverhalten (Anstieg der Abgabe relativ zur Zeit ist sehr schnell), aber geringes Fassungsvermögen im Vergleich mit der zweiten Batterie 12b hat, die durch die durchgezogene Linie in der 4 gezeigt ist.
Andererseits besitzt die zweite Batterie 12b die Charakteristik, die ein geringeres Ansprechverhalten zeigt und ein größeres Fassungsvermögen besitzt, wie dies durch die gestrichelte Linie der 4 gezeigt ist, und beide Batterien 12a, 12b werden durch die Betätigung der Batterieumschaltvorrichtung 24 der Umschaltart durch einen Bediener ausgewählt.
Dementsprechend ist es zum Beispiel in dem Fall einer Arbeit, die starken Schwankungen der Last über der Zeit unterliegt und die kurze Arbeitszyklen besitzt, wie dies bei der Arbeit des Verdichtens von Geböschen der Fall ist, ist eine Energiezufuhr erforderlich, die eine geringe Höhe besitzt aber schnell erfolgen muss, und daher wird die erste Batterie 12a ausgewählt, die ein hervorragendes Ansprechverhalten besitzt; unter dem Fall, in dem die Veränderung der Last über der Zeit gering ist und der Arbeitszyklus relativ lang ist, wie dies bei der Anhebearbeit der Fall ist, wird die zweite Batterie 12b ausgewählt, bei der, obwohl das Ansprechverhalten niedrig ist, eine hohe Abgabe sichergestellt ist, wodurch die Arbeit mit hoher Effizienz passend zu der Lastcharakteristik ausgeführt werden kann.
Des Weiteren kann, da die Verbrennungsmotorlast in Folge des geeigneten Auswählens der Batterie 12a, 12b gleichmäßiger gemacht wird oder gemittelt wird, eine Kompaktheit und eine effiziente Verwendung des Verbrennungsmotors erzielt werden, der Verbrennungsmotorlärm und die Abgase können vermindert werden und die Kraftstoffkosten können verringert werden.
Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei Arten der Batterien 12a, 12b ordnungsgemäß verwendet wurden, ist es im Übrigen möglich, dass drei oder mehr Arten von Batterien ordnungsgemäß verwendet werden können.
Zudem kann das Aushubgerät 3 auch für einen Bagger, an dem ein anderes Arbeitswerkzeug montiert ist (zum Beispiel ein Erdentfernungsschild oder ein Brecher) anstelle der Schaufel 20, für einen Bagger, der mit einem Aushubgerät 3 der Ladeart versehen ist, das von der einen Seite zu der entgegen gesetzten Seite aushebt, anstelle der nach hinten zeigenden Löffelschaufel, die an der in der 1 gezeigten Seite aushebt, oder einen Bagger verwendet werden, der als den unteren Fortbewegungskörper Räder anstelle einer Raupe verwendet.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird die Antriebskraft in dem Kanal Verbrennungsmotor – Generator – Elektromotor – Hydraulikpumpe – übertragen. Das heißt, die Antriebseinheit ist in eine Gruppe aus dem Verbrennungsmotor und dem Generator und eine Gruppe aus dem Elektromotor und der Hydraulikpumpe aufgeteilt und diese Gruppen können separat an dem Bagger angebaut werden.
Aus diesem Grund wird kein großer Einbauraum für die Verbrennungsmotorantriebseinheit an einer Stelle benötigt und dies ist insbesondere für einen Bagger von der Art geeignet, die einen kleinen Drehradius besitzt.
Da der Generator und der Elektromotor durch eine elektrische Verdrahtung verbunden werden können, ist ein mühsames Umschalten der mechanisch verbundenen Teile nicht erforderlich und die Energieübertragungsverluste können erheblich vermindert werden.
Andererseits wird die zum Zeitpunkt der niedrigen Last durch den Generator erzeugte Energie in der Batterie gespeichert und der Mangel an Energie des Generators wird durch die gespeicherte Energie der Batterie zu dem Zeitpunkt der hohen Last oder Belastung anstelle des Generators kompensiert, wodurch die Verbrennungsmotorlast des Baggers, die starken Lastschwankungen unterliegt, so gleichmäßiger gemacht wird, dass eine Realisierung der Verminderung der Abgase und eine Verringerung der Kraftstoffkosten ermöglicht werden kann.
Zudem wird bei dem Bagger, bei dem die Lastcharakteristika gemäß der Arbeit unterschiedlich sind, eine Vielzahl von Batterien mit verschiedenen Charakteristika vorgesehen und eine geeignete Batterie aus der Vielzahl von Batterien wird durch die Schalteinrichtung geschaltet, wodurch die Batterie ausgewählt und verwendet werden kann, die zu der Lastcharakteristik passt.
In dem Fall einer Arbeit, die über die Zeit eine geringe Lastveränderung zeigt und einen relativ langen Arbeitszyklus besitzt, wie dies bei der Anhebearbeit der Fall ist, kann jeweils die Batterie, die ein niedriges Ansprechverhalten und ein großes Fassungsvermögen besitzt, und im Fall der Arbeit, die über die Zeit eine hohe Lastveränderung aufzeigt und einen kurzen Arbeitszyklus aufzeigt, wie dies bei der Verdichtung von Geböschen der Fall ist, gewählt werden, die ein geringes Fassungsvermögen aber ein hohes Ansprechverhalten hat.
Mit diesem Aufbau kann die gespeicherte Energie der Batterie effizient verwendet werden, die Verbrennungsmotorlast kann im Vergleich mit dem Fall einer einzigen Batterie gleichmäßiger gemacht werden, der Verbrennungsmotorlärm und die Abgase können vermindert werden und die Kraftstoffkosten können verringert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie dies vorstehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Einbauraum für die Antriebseinheit verringert werden und es können nützliche Effekte erzielt werden, die für den Bagger von der Art vorteilhaft sind, der einen kleinen Drehkörper besitzt.

Claims

Bagger, bei dem ein unterer Fortbewegungskörper (1) mit einem auf ihm befindlichen oberen Drehkörper (2) ausgerüstet ist und ein Aushubgerät (3) an dem oberen Drehkörper (2) vorgesehen ist, mit: einem Verbrennungsmotor (10) als einer Energiequelle, einem Generator (11), der durch den Verbrennungsmotor (10) angetrieben wird, und einem einzigen Elektromotor (13), der durch die von dem Generator (11) zugeführte elektrische Energie angetrieben wird, wobei eine Hydraulikpumpe (14) durch den Elektromotor (13) angetrieben wird, und wobei hydraulische Aktuatoren (17, 19, 21, 6, 7, 15) von Betriebsabschnitten des unteren Fortbewegungskörpers (1), des oberen Drehkörpers (2) und des Aushubgeräts (3) durch das Öl aus der Hydraulikpumpe (14) betrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssige elektrische Energie von dem Generator in einer Batterie (12) gespeichert wird und der Elektromotor (13) erforderlichenfalls durch die gespeicherte Energie der Batterie (12) angetrieben wird, und die Batterie (12) eine Vielzahl von Batterien (12a, 12b) umfasst, die eine unterschiedliche Charakteristik besitzen, und zudem eine Batterieumschalteinrichtung (24) zum Umschalten von einer Batterie zu einer anderen der Vielzahl von Batterien besitzt.
Bagger gemäß Anspruch 1, wobei die Batterien eine erste Batterie (12a), die ein relativ geringes Fassungsvermögen und ein hohes Ansprechvermögen aufweist, und eine zweite Batterie (12b) umfassen, die ein relativ großes Fassungsvermögen und ein niedriges Ansprechvermögen besitzt.