JP2005067522A

JP2005067522A - バッテリ駆動式のホイールローダ、及びバッテリ駆動式の作業車両

Info

Publication number: JP2005067522A
Application number: JP2003302868A
Authority: JP
Inventors: Teiichiro Chiba; 貞一郎千葉
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】排気ガスを排出しないホイールローダ、及びコンパクトな電動機を備えた電気駆動式作業車両を提供する。
【解決手段】ホイールローダにおいて、電気エネルギを蓄える蓄電装置(51)と、蓄電装置(51)に蓄えられた電気エネルギによって駆動される単数又は複数の電動機(47)とを備え、電動機(47)の回転を動力として走行し、かつ、作業機(32)が電動機(47)の回転を動力として駆動されることを特徴とするホイールローダ、及び作業機(32)を駆動する電動機(47)の回転軸(48)に装着されたフライホイール(16)とを備えたことを特徴とする作業車両。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリ駆動式のホイールローダ、及びバッテリ駆動式の作業車両に関する。

以下の説明においては、ホイールローダ等の建設機械、フォークリフト等の産業車両、さらには農業機械などの車両を、作業車両と総称する。
従来のホイールローダにおいては、ディーゼル等のエンジンによって車輪を駆動し、走行を行なうものが一般的である。このような場合、エンジンの動力によって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される作動油によって作業機を動作させている。

また特許文献１によれば、車体に、エンジンと発電機とを搭載したホイールローダが知られている。そして、エンジンによって発電機を運転して発電し、その電力によって電動機を駆動し、車輪を駆動させて走行を行なっている。
またエンジンには、油圧ポンプが連結されている。エンジンの動力によって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプから吐出される作動油によって、ステアリングや、作業機を駆動している。

またフォークリフトにおいても、エンジンとバッテリとを用いて、作業を行なうものが知られている（例えば特許文献２参照）。図１５は、特許文献２に開示されたフォークリフトの側面断面図、図１６はその動力伝達機構の回路図を表している。
図１５において、フォークリフト１１は、車輪１２を有する走行可能な車体１３と、運転席１４とを備えている。車体１３の前部には、略垂直のマスト１７とマスト１７に沿って昇降自在のフォーク１８とを備えた作業機３２が、装着されている。

図１５、図１６に示すように、車体１３の内部には、エンジン１５が搭載されている。エンジン１５の出力軸２６には、フライホイール１６が装着されている。またエンジン１５の出力軸２６は、トルクコンバータ１９を介して油圧ポンプ２０に連結されている。
そして、油圧ポンプ２０から吐出された作動油によって昇降シリンダ２１を作動させることにより、作業機３２の昇降動作を行なっている。また、油圧ポンプ２０から吐出された作動油によって、油圧モータ２２を駆動し、車輪１２を回転させて走行を行なっている。

また、このフォークリフト１１は、例えば屋内での作業の際に、エンジン１５を止めてバッテリ５１による電気駆動が可能となっている。
即ち、電気駆動の際には、エンジン１５を空転させる。そして、フライホイール１６の周囲に配置された固定子２３に、リターダ制御装置２５を介してバッテリ５１から回転磁界をかけることにより、フライホイール１６の外周部に固定された回転子２４を回転させている。この動力により、油圧ポンプ２０を駆動している。

また、特許文献３に示すように、バッテリのみをエネルギ源として用いたフォークリフトも知られている。特許文献３において、フォークリフトはバッテリと電動機とを備えており、バッテリに蓄えられた電気エネルギによって、電動機を駆動する。そして、電動機によって走行及び作業機の昇降を行なっている。

特開平１１−１５８９３７号公報特開平６−８００４２号公報特開２００２−２６５１９１号公報

しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、屋内において、特許文献１に示したようなエンジンを有するホイールローダによって積込等の作業を行なうと、エンジンから出た排気ガスが屋内に充満し、不快な匂いがたち込めるという問題がある。

また、近年の環境意識の高まりに鑑み、走行時や、屋外で積込等の作業を行なう場合にも、排気ガスを出さず、空気を汚さないホイールローダが求められている。
ところが特許文献１に示すように、従来技術によるホイールローダにおいては、必ずエンジンを搭載している。そのため、エンジンから出る排気ガスが、ホイールローダの近くの空気を汚してしまうという問題がある。

また、作業車両においては、走行時や軽作業時に必要な出力に比べ、重作業時に必要な出力が、一時的に大きくなることがある。これは、フォークリフトやホイールローダに限られるものではなく、作業車両全般について、成り立つ。
ところが、特許文献３に示したような、エンジンを搭載せずにバッテリのみによって駆動される作業車両においては、重作業時の電力に合わせて電動機を選択すると、電動機が大型化するという問題がある。

本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、排気ガスを排出しないホイールローダ、及びコンパクトな電動機を備えた電気駆動式作業車両を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に関わるホイールローダは、
電気エネルギを蓄える蓄電装置と、
蓄電器に蓄えられた電気エネルギによって駆動される単数又は複数の電動モータとを備え、
電動モータの回転を動力として走行し、
かつ、作業機が電動モータの回転を動力として駆動されている。

また本発明に関わる作業車両は、
電気エネルギを蓄える蓄電装置と、
蓄電器に蓄えられた電気エネルギによって駆動される単数又は複数の電動モータと、
電動モータの回転を動力として走行する車両と、
電動モータの回転を駆動力として駆動される作業機と、
作業機を駆動する電動モータの回転軸に装着されたフライホイールとを備えている。

電気エネルギによって、ホイールローダの作業及び走行を行なっているので、作業時及び走行時に排気ガスが出ず、作業環境における雰囲気がクリーンになる。

また、フライホイールによって、走行時や軽作業時に回転エネルギを蓄積し、重作業時に蓄積した回転エネルギを放出することにより、小さな定格出力の電動機を用いても、重負荷の作業が可能となっている。

以下、図を参照しながら、本発明に関わる実施形態を詳細に説明する。
図１は、一般的なホイールローダ２７の側面図を示している。図１において、ホイールローダ２７の車体は、前輪３３を有する前部車体２８と、後輪３４を有する後部車体２９とに分かれている。前部車体２８と後部車体２９とは、連結軸３０によって連結されており、ステアリングシリンダ３１の伸縮によって、水平面内で互いに揺動自在となっている。
後部車体２９の上部には、オペレータが搭乗する運転席１４が搭載され、その前方にはステアリング操作を行なうハンドル５７が屹立している。

また、前部車体２８の前部には、作業機３２が付設されている。作業機３２は、前部車体２８の上部にブームピン３６を介して基端部を取着された一対のブーム３５，３５と、ブーム３５，３５の先端部にバケットピン３９を介して取着されたバケット３８とを備えている。
前部車体２８とブーム３５，３５の中ほどとの間に取着された、一対のブームシリンダ３７，３７を伸縮することにより、ブーム３５，３５がブームピン３６を中心として上下方向に揺動される。

また作業機３２は、ピン４４を介して中ほどをブーム３５，３５の間に取着された第１リンク４１と、第１リンク４１の先端部に、ピン４５を介して基端部を取着された第２リンク４２とを備えている。第２リンク４２の先端部は、ピン４６を介してバケット３８に取着されている。
前部車体２８と、第１リンク４１の基端部との間に取着されたバケットシリンダ４０を伸縮させることにより、バケットピン３９を中心としてバケット３８が揺動される。

このようなホイールローダ２７において、まず第１実施形態について説明する。
図２に、第１実施形態に関わるホイールローダ２７の動力伝達機構の概略図を示す。図２に示すように、ホイールローダ２７は、エネルギ源としてのバッテリ５１と、バッテリ５１によって駆動される電動機４７とを備えている。

電動機４７の回転軸４８には、作業機３２及びステアリング（図示せず）を駆動する作業用油圧ポンプ４９と、前後輪３３，３４を駆動する走行用油圧ポンプ５０とが接続されている。
第１実施形態においては、作業用油圧ポンプ４９から吐出される作動油によって、作業機３２及びステアリングを駆動して作業を行なっている。以下、作業機３２及びステアリングを操作する機構を、作業用動力伝達機構５２と呼ぶ。
また、走行用油圧ポンプ５０から吐出される作動油によって、前後輪３３，３４を駆動して走行を行なっている。以下、走行を行なう機構を、走行用動力伝達機構５３と呼ぶ。

まず、作業機３２及びステアリングを動作させる、作業用動力伝達機構５２について説明する。図３に、第１実施形態に関わるホイールローダ２７の、作業用動力伝達機構５２の回路図を示す。
図３において、電動機４７の回転軸４８には、作業機３２及びステアリングを駆動する作業用油圧ポンプ４９が接続されている。作動油は、オイルタンク６４から汲み出されて、作業用油圧ポンプ４９から吐出され、プライオリティバルブ５４によって、ステアリング回路５５と作業機回路５６とに分割される。

ステアリング回路５５は、ハンドル５７の回転角に応じた開度で開閉するステアリングバルブ５８を備えている。作動油は、ステアリングバルブ５８を介して、ステアリングシリンダ３１を作動させる。これにより、前部車体２８が後部車体２９に対して所望の向きに回動し、ステアリングが切られる。
尚、パワーステアリングのためのハンドポンプ等は、記載を省略している。

また作業機回路５６は、バケット操作レバー６０及びブーム操作レバー６１の操作量に応じた開度で開閉する、バケットバルブ６２及びブームバルブ６３を備えている。作動油は、バケットバルブ６２及びブームバルブ６３を介して、バケットシリンダ４０及びブームシリンダ３７，３７をそれぞれ作動させる。これにより、作業機３２が操作レバー６０，６１の操作量に基づいて操作される。
尚、作動油のフィルタや、シリンダの破損を防ぐためのリリーフバルブ等は、記載を省略している。

次に、ホイールローダの走行を行なう走行用動力伝達機構５３について説明する。
図４に、第１実施形態に関わるホイールローダ２７の走行用動力伝達機構５３の回路図を示す。第１実施形態においては、電動機４７によって走行用油圧ポンプ５０を回転させ、作動油を吐出させる。そして、作動油によって走行用油圧モータ６７を回転させ、前輪３３及び後輪３４を駆動して走行を行なっている。これを、ＨＳＴ(Hydro Static Transmission)方式と呼ぶ。これにより、トランスミッションやトルクコンバータを必要とせず、コンパクトな構成で無段階の変速が可能である。

図４に示すように、走行用動力伝達機構５３は、電動機４７に接続された走行用油圧ポンプ５０と、走行用制御回路６９とを備えている。
走行用制御回路６９は、前後進の選択を行なう前後進切換レバー６８の指示に基づき、ポンプ用制御信号７９を出力する。ポンプ用制御信号７９により、走行用油圧ポンプ５０の、図示しない斜板の角度が変更される。これにより、走行用油圧ポンプ５０から吐出される作動油の向きが決定され、走行用油圧モータ６７は、作動油の流れる向きに応じた向きに回転する。

また走行用制御回路６９は、アクセルペダル７５の踏角度に基づき、モータ用制御信号８０を出力する。モータ用制御信号８０により、走行用油圧モータ６７の図示しない斜板の角度が変更される。これにより、走行用油圧モータ６７の、回転速度が制御される。

尚、走行用制御回路６９から電気信号が出力されるように説明したが、走行用制御回路６９から例えば油圧を出力し、これによって走行用油圧ポンプ５０及び走行用油圧モータ６７の斜板の角度を変更するようにしてもよい。
走行用動力伝達機構５３は、閉回路となっており、図示しないチャージポンプから、不足した作動油が補充されるようになっている。

走行用油圧モータ６７の回転は、走行用油圧モータ回転軸７８からトランスファ７０を介して、前後のプロペラシャフト７３，７４にそれぞれ伝達される。前後のプロペラシャフト７３，７４の回転は、それぞれ前後のデファレンシャル７１，７２を介して、左右の前後輪３３，３４に分配され、ホイールローダ２７を走行させる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、ホイールローダ２７において、バッテリ５１及び電動機４７により、作業用油圧ポンプ４９と走行用油圧ポンプ５０とを駆動し、これらによって作業機３２及びステアリングと、前後輪３３，３４とを駆動している。
これにより、ホイールローダ２７にエンジン１５が搭載されなくなるため、従来技術においてエンジン１５から排出されていた排気ガスが出なくなり、作業環境における雰囲気がクリーンになる。

さらに、従来からある建設機械における、作業用動力伝達機構５２及び走行用動力伝達機構５３と、部品の大部分を共通化することが可能である。これにより、部品の共通化による生産コストの低減や、車体の改造価格の低減を図ることができる。

また、ＨＳＴ方式を用いて走行用動力伝達機構５３を駆動しているので、トルクコンバータやトランスミッションが不要であり、コンパクトな構成となっている。
尚、上記説明においては、１個の電動機４７によって、作業用及び走行用の油圧ポンプ４９，５０を駆動するように説明したが、これに限るものではない。例えば、作業用油圧ポンプ４９と走行用油圧ポンプ５０とを、それぞれ別の電動機によって駆動してもよい。

次に、第２実施形態について、説明する。
図５に、第２実施形態に関わるホイールローダ２７の、動力伝達機構の概略図を示す。図５に示すように、第２実施形態に関わるホイールローダ２７は、バッテリ５１と、２個の電動機７６，７７とを備えている。尚、電動機７６，７７ごとにそれぞれ専用のバッテリ５１を備えていてもよい。

第１の電動機７６は、作業機３２と図示しないステアリングを駆動する作業用電動機７６である。作業用動力伝達機構５２の構成は、第１実施形態と全く同様であり、作業用油圧ポンプ４９を駆動することにより、作業機３２及び図示しないステアリングを駆動する。

第２の電動機７７は、前後輪３３，３４を、直接駆動する走行用電動機７７である。
図５に示すように、走行用電動機７７の回転は、トランスファ７０を介して、前後のプロペラシャフト７３，７４にそれぞれ伝達される。前後のフロントプロペラシャフト７３の回転は、それぞれ前後のデファレンシャル７１，７２を介して、左右の前後輪３３，３４に分配され、ホイールローダ２７を走行させる。

以上説明したように第２実施形態に関わるホイールローダ２７によれば、作業用電動機７６によって作業用油圧ポンプ４９を駆動し、走行用電動機７７によって前後輪３３，３４を直接駆動している。

これにより、第１実施形態と同様に、バッテリ５１のみを動力源としているので、排気ガスが出ず、作業雰囲気がクリーンになる。また、トルクコンバータ及びトランスミッションが不要であるので、コンパクトな構成となっている。
尚、上記の第１、第２実施形態の説明に示した動力伝達機構５２，５３は、あくまでも一例であって、これらに限られるものではない。

また、上記の説明においては、走行用電動機７７を１個だけ設け、その回転を前後輪３３，３４に分配するように説明したが、これに限られるものではない。例えば、前部車体２８と後部車体２９とに、走行用電動機７７をそれぞれ１個ずつ配置し、前部車体２８の走行用電動機７７によって前輪３３を、後部車体２９の走行用電動機７７によって後輪３４を、それぞれ駆動するようにしてもよい。これにより、プロペラシャフト７３，７４が不要となり、走行用動力伝達機構５３の構成が簡単になる。
また、各前後輪３３，３４に、４つの走行用電動機７７を１個ずつ付設するようにしてもよい。

次に、第３実施形態について説明する。
ホイールローダ２７等の建設機械を含む作業車両においては、走行や軽作業時に必要なエネルギに比べて、掘削や積込などの重作業時に必要なエネルギが、大きくなっている。

図６に、ホイールローダ２７の作業時の動作を、上方から見た平面図を示す。ここでは、積込対象を、土砂８１として説明する。
図６に示すようにホイールローダ２７は、まず、バケット３８に荷を積載しない状態で、バケット３８の角度を合わせ、出発地点８２から土砂８１の山に向かって前進する。これを、空荷前進工程（Ｓ１１）と呼ぶ。

そしてホイールローダ２７は、土砂８１にぶつかったところでさらに前進し、前後輪３３，３４の駆動力によって、バケット３８を土砂８１に食い込ませる。そして、なおも前進し、バケット３８を適当な角度に合わせながら、土砂８１を掘削してバケット３８に積み込むことを繰り返す。これを、掘削工程（Ｓ１２）と呼ぶ。

バケット３８に、所望量の土砂８１が積み込まれると、ホイールローダ２７はバケット３８を少しずつ上昇させて土砂８１をバケット３８内に安定に積み込みながら、徐々に後進する。これを、積荷後進工程（Ｓ１３）と呼ぶ。

ホイールローダ２７は、出発地点８２の近傍で停止して向きを変え、土砂８１をバケット３８に積んだ状態で、ダンプトラック８３等の運搬機械に向かって前進する。これを、積荷前進工程（Ｓ１４）と呼ぶ。

そして、バケット３８の土砂８１をダンプトラック８３の荷台に降ろすと、ホイールローダ２７は後進して出発地点８２に戻る。これを、空荷後進工程（Ｓ１５）と呼ぶ。

このようにホイールローダ２７は、Ｓ１１〜Ｓ１５に示すように、Ｖ字型の軌道を描いて作業を行なうので、この一連の工程をＶシェイプ運転と呼ぶ。Ｖシェイプ運転は、通常２０〜３０秒程度を要し、ダンプトラック８３の荷台が満杯になるまで、繰り返し行なわれる。

図７に、Ｖシェイプ運転のパターンに要する、ホイールローダ２７のエネルギ消費の推移を示す。
図７において、横軸が時間ｔであり、縦軸がエネルギ消費Ｗである。図７に示すように、エネルギ消費は、掘削工程（Ｓ１２）と、積荷前進工程（Ｓ１４）の一部において、非常に大きくなっている。

従って、電動機４７のみを動力として、掘削工程（Ｓ１２）及び積荷前進工程（Ｓ１４）を行なおうとするならば、定格出力Ｗ２を有する大型の電動機４７及びバッテリ５１を搭載する必要があり、ホイールローダ２７が大型化する。
第３実施形態においては、このような問題に鑑み、定格出力がＷ１程度の比較的小型の電動機４７を用いて、Ｖシェイプ運転を行なうための手段を提供している。

図８に、第３実施形態に関わるホイールローダ２７の動力伝達機構の概略図を示す。尚、第３、第４実施形態については、ホイールローダ２７を例にとって説明するが、すべてのバッテリ駆動式の作業車両に対して応用が可能である。

図８に示すように、ホイールローダ２７は、エネルギ源としてのバッテリ５１と、バッテリ５１によって駆動される電動機４７とを備えている。電動機４７の回転軸４８には、第１実施形態と同様に、作業機３２及びステアリングを駆動する作業用油圧ポンプ４９と、前後輪３３，３４を駆動する走行用油圧ポンプ５０とが接続されている。

走行用動力伝達機構５３及び作業用動力伝達機構５２の構成は、第１実施形態と同様である。そして、電動機４７の回転軸４８には、電動機４７と油圧ポンプ４９，５０との間に、フライホイール１６が装着されている。

従来技術（例えば特許文献２）においては、フライホイール１６は、エンジン１５の出力軸に装着されている。これは、エンジン１５の回転のばらつきを補って、出力軸を常に一定の回転数で回転させるためのものである。

しかしながら、第３実施形態においては、電動機４７の回転軸４８にフライホイール１６を装着することにより、軽作業時や高速走行時又は巡行走行時に、フライホイール１６に回転エネルギを蓄積することが可能となっている。そして、作業機３２の負荷が大きくなった場合に、電動機４７の出力に蓄積した回転エネルギを補給し、重作業を行なうようにしている。

以下、その作用について説明する。動力伝達機構の構成は、第１実施形態と同様であるので、図３、図４を参照する。
まず空荷前進工程（Ｓ１１）において、アクセルペダル７５を踏み込むと、電動機４７は、所定の回転数へと増速する。これにより、走行用油圧ポンプ５０の回転数が上昇し、作動油を走行用油圧モータ６７へと送り込む。それとともに、フライホイール１６の回転数が上昇し、回転エネルギが蓄えられる。
尚、フライホイール１６の回転数をω、回転慣性をＪとすると、蓄積される回転エネルギは、（Ｊ・ω^２）／２で表される。

走行用油圧モータ６７の回転は、走行用動力伝達機構５３を介して、前後輪３３，３４に伝わり、前後輪３３，３４が回転する。これにより、ホイールローダが走行する。
このとき、前後輪３３，３４が回転を始めたことにより、駆動反力に比例したトルクが、走行用動力伝達機構５３を通じて走行用油圧モータ６７へと戻る。これにより、走行用油圧ポンプ５０と走行用油圧モータ６７との間の、油圧配管内の作動油の圧力が高まる。

尚、油圧配管は、途中に図示しないリリーフバルブを備えており、作動油の圧力が所定値を越えると、作動油はドレンを通じてオイルタンク６４に戻る。これにより、油圧配管の損傷が避けられる。

前記駆動反力に起因する作動油圧力の増加は、走行用油圧ポンプ５０の軸トルクとして現れる。走行用油圧ポンプ５０は、電動機４７によって一定回転数で回転させられているので、走行用油圧ポンプ５０が一定回転数を保ったままの状態で、電動機４７のトルクが上昇する。その結果、走行用油圧ポンプ５０の吐出圧力がさらに高まり、前記駆動反力による、要求トルクと平衡する。
この状態においては、ホイールローダ２７は一定の前進力で加速している状態となる。

次に掘削工程（Ｓ１２）においては、作業者は操作レバー６０，６１を操作して、バケット３８を土砂８１をすくう角度に調整する。そして、ホイールローダ２７は、一定の前進力を保ったまま、土砂８１に対して突っ込む。
バケット３８が土砂８１に衝突すると、バケット３８には大きな衝撃力が加わる。この衝撃力により、リンク４１，４２、シリンダ３７，４０及びバルブ６２，６３を介して、駆動時と逆方向に作動油の圧力が伝搬する。この圧力は、作業用油圧ポンプ４９に、反力トルクとして帰還する。

これと同時に、バケット３８が土砂８１に衝突したとき、ホイールローダ２７は前後輪３３，３４の接地圧を通じて、前進方向と逆方向に大きな衝撃力を受ける。この衝撃力により、反力トルクが、前記走行用動力伝達機構５３を通じて、走行用油圧モータ６７へと戻る。

従って、掘削工程（Ｓ１２）における、作業用油圧ポンプ４９及び走行用油圧ポンプ５０の吐出側の圧力は非常に大きなものとなり、これに抗して電動機４７の定格出力を越えるエネルギが要求される。即ち、電動機４７が過負荷状態となり、油圧ポンプ４９，５０の回転数が低下しようとする。

ところが、第３実施形態においては、空荷前進工程（Ｓ１１）において、予め電動機４７によってフライホイール１６を回転させ、回転エネルギを蓄積している。従って、フライホイール１６の慣性によって、油圧ポンプ４９，５０は回転数を維持（又は回転数の低下を緩和）する。
即ち、フライホイール１６に蓄えられた回転エネルギが放出され、エネルギの不足を補うことができる。

これは、積荷前進工程（Ｓ１４）において、負荷が大きくなり、電動機４７の定格出力Ｗ１を越えた場合でも同様である。即ち、予め積荷後進工程（Ｓ１３）において、フライホイール１６を回転させて回転エネルギを蓄積しておくことにより、電動機４７の定格出力Ｗ１を越えた場合に、これを補うことができる。

図９に、Ｖシェイプ運転時の電動機４７の回転数Ｎと、電動機４７のトルクとの関係をグラフで示す。図９において、横軸が回転数、縦軸がトルクである。また、二点鎖線で示したラインが、電動機４７の定格出力であり、一点鎖線で示したラインが、油圧ポンプ４９，５０の瞬時出力である。
図９にプロットで示したように、電動機４７の定格出力を越えても、フライホイール１６からエネルギが補給されることで、油圧ポンプ２０はより高い瞬時出力を得ることが可能となっている。

従って、フライホイール１６の回転慣性をどのように決定するかは、掘削工程（Ｓ１２）における消費エネルギを、どの程度と見積もるかによって決定される。即ち、掘削工程（Ｓ１２）における消費エネルギが、電動機４７の定格エネルギよりもかなり大きいようであれば、フライホイール１６の回転慣性Ｊを、大きくする必要がある。

即ち、ホイールローダ２７の掘削時間をＴとし、その間に掘削工程によって電動機４７の定格エネルギＷ１のｍ倍の動力を消費すると仮定すると、次に示すような数式が成り立つ。
ｍ・Ｗ１・Ｔ＝（１／２）・Ｊ・｛ω^２−（ω−Δω）^２｝
ここで、ωは掘削時のフライホイール１６の設定回転数であり、Δωは、フライホイール１６がエネルギを放出した後の、回転数の低下分である。

一般的には、ホイールローダ２７の１回の掘削時間は数秒程度であり、長くても十数秒であるので、一例としてＴをほぼ１０秒として計算する。また、ｍの値としては、１．５〜２．５が好ましく、例えば２として計算すると、次の数式が成り立つ。
２・Ｗ１・１０＝（１／２）・Ｊ・｛ω^２−（ω−Δω）^２｝
この数式に基づいて、フライホイール１６の回転慣性Ｊを定めるとよい。

尚、回転慣性Ｊを大きくし過ぎると、フライホイール１６の回転数を上げるために必要な時間が長くなるために、作業時間が長くなってしまう。従って、掘削工程（Ｓ１２）における消費エネルギ、電動機４７の定格エネルギＷ１、及び作業時間を考慮して、フライホイール１６の回転慣性Ｊを定める必要がある。

このとき、電動機４７を偏平型にすると、低回転数領域での大きなトルクを得るのに適した形状となる。このようにすれば、回転慣性Ｊの大きなフライホイール１６に対しても、回転数の低い状態から高回転数に至るまでの時間を、短縮することが可能である。

また、土砂８１をバケット３８に積み込む掘削工程（Ｓ１２）の途中において、蓄積された回転エネルギを消費し尽くして、フライホイール１６の回転数が下がってしまうことがある。
このような場合には、作業を一時中断して電動機４７の回転数を上げ、フライホイール１６に回転エネルギを再蓄積させる。そして、改めて作業機３２を動作させることにより、再蓄積した回転エネルギを用いて、大きな出力を得ることができる。

そして、掘削作業時にフライホイール１６の回転数が下がってしまったような場合においては、次以降の掘削作業時には、フライホイール１６の回転数をより大きく設定することで、より大きな出力または長時間にわたる充分な出力を得ることができる。即ち、電動機４７の負荷をモニタリングすることで、作業負荷の状態をモニタリングでき、フライホイール１６の設定回転数を適宜調節することなども考えられる。

この技術は、ホイールローダ２７に限らず、各種の電動建設機械に応用が可能である。即ち、電動建設機械においては、出力変化が激しいために、電動機４７に必要とされる出力が大きく変動する。そのため、従来においては、定格出力の大きな電動機４７を用いる必要があった。

第３実施形態においては、フライホイール１６によって予め回転エネルギを蓄積しておくことで、定格出力の比較的小さな電動機４７を用いたとしても、出力変動を補うことが可能となっている。
また、建設機械のみならず、フォークリフト等の電動作業車両全般に対しても応用が可能である。

次に、第４実施形態について説明する。
図１０に第４実施形態に関わるホイールローダ２７の動力伝達機構の概略図を示す。
図１０に示すように、第４実施形態においては、電動機４７の回転数を上げるための出力増強信号を送る、出力増強スイッチ８４が設けられている。

例えば、空荷前進工程（Ｓ１１）や積荷後進工程（Ｓ１３）において、オペレータが出力増強スイッチ８４をオンにすると、電動機４７に出力増強信号が送られ、回転数が上昇する。その結果、フライホイール１６の回転数が上昇し、フライホイール１６に、より大きな回転エネルギを蓄積することができる。

図１１に、第４実施形態における、電動機４７の回転数Ｎとトルクとの関係の推移を示す。図１１において、横軸が回転数Ｎ、縦軸がトルクである。また、二点鎖線で示したラインが、電動機４７の定格出力であり、一点鎖線で示したラインが、油圧ポンプ４９，５０の瞬時出力である。

図１１に示したように、空荷前進工程（Ｓ１１）において電動機４７に出力増強信号が入力されると、電動機４７の回転数ＮがＮ１からＮ２まで上昇し、フライホイール１６に回転数Ｎの２乗に比例したエネルギが蓄えられる（矢印Ａ１）。

そして、掘削工程（Ｓ１２）において、バケット３８を土砂８１に突っ込ませると、前述したように掘削反力が生じるために、電動機４７の回転数ＮはＮ２のままで、トルクが急激に増加する（矢印Ａ２）。

このトルクにより、電動機４７は定格以上の出力を要求される。この不足分を、フライホイール１６が、蓄積されたエネルギを放出することで、補っている（矢印Ａ３）。これにより、フライホイール１６はその回転数Ｎを次第に減じていく。

そして、回転数が所定値Ｎ１になると、フライホイール１６からのエネルギ補給は停止し、電動機４７のみによって駆動される。
これは、積荷後進工程（Ｓ１３）及び積荷前進工程（Ｓ１４）においても、同様である。

尚、出力増強信号によって電動機４７の回転数Ｎを上昇させるとともに、走行用油圧モータ６７の図示しない斜板の角度を調整し、回転数Ｎが上昇しても、ホイールローダ２７の速度が変わらないようにしてもよい。

或いは、オペレータが出力増強スイッチ８４をオンにするのではなく、図示しないコントローラから電動機４７に、自動的に出力増強信号を送るようにしてもよい。

次に、第５実施形態について説明する。
図１２に、第５実施形態に関わるホイールローダ２７の動力伝達機構の概略図を示す。
走行用動力伝達機構５３及び作業用動力伝達機構５２の構成は、第２実施形態と同様であり、走行用電動機７７及び作業用電動機７６を備えている。そして、作業用電動機７６の回転軸８５には、作業用電動機７６と作業用油圧ポンプ４９との間に、フライホイール１６が装着されている。

このような構成によれば、空荷前進工程（Ｓ１１）や、積荷後進工程（Ｓ１３）等の、作業機３２の無作業時又は軽作業時に、作業用電動機７６を、高回転数で回転させておく。これにより、フライホイール１６に、回転エネルギが蓄積される。

そして、掘削工程（Ｓ１２）や積荷前進工程（Ｓ１４）等の重作業時には、第３実施形態と同様に、作業機３２に大きな負荷がかかるため、作業用油圧ポンプ４９の回転数が低下しようとする。これを、フライホイール１６の回転による慣性力で補うことにより、作業用油圧ポンプ４９は回転数を維持（又は回転数の低下を緩和）することができる。

以上説明したように、第３〜第５実施形態において、電動機４７と油圧ポンプ４９，５０との間にフライホイール１６を付設したことにより、電動機４７の定格出力を小さくすることができる。従って、従来技術のエンジン１５に比較して高価な、バッテリ５１と電動機４７の価格を低減し、原価低減に寄与することが可能である。

尚、上記各実施形態の電動機４７の説明において、特にホイールローダ２７に用いる場合には、偏平型の電動機４７を用いるのが望ましい。これは、第３実施形態において説明した理由に限られるものではない。
即ち、ホイールローダ２７の車体は、前部車体２８と後部車体２９とに分割されているため、大型のバッテリ５１及び電動機４７を搭載することが困難である。電動機４７を偏平型とすることにより、バッテリ５１と電動機４７との設置容積を小さくすることが可能であり、ホイールローダ２７への搭載が容易となる。

また、上記の説明において、バッテリ５１の代わりにキャパシタを用いてもよく、バッテリ５１とキャパシタとを組み合わせてもよい。即ち、電気を蓄えられる蓄電装置であればよい。
さらには、バッテリ５１は１台と限られるものではない。例えば複数の電動機４７に対して、１台ごとに個別のバッテリ５１を接続するようにしてもよく、何台かの電動機４７を、１個のバッテリ５１に接続した組み合わせを、複数組備えてもよい。

次に、本発明をホイールローダに応用した場合の、バッテリ５１の搭載について、詳細に説明する。
図１３にバッテリ５１を搭載したホイールローダの側面図、図１４にバッテリ５１の平面図（Ｂ矢視図）を示す。図１３、図１４に示すように、ホイールローダ２７においては、その後部車体２９に、複数個のバッテリ５１が搭載されている。

例えばフォークリフトにおいては、車体中央部付近の座席の下方等に、大型又は多数のバッテリ５１を、搭載することが可能である。これにより、バッテリ５１が大容量となるので、バッテリ５１の充電（又は交換）間隔が長くなる。例えば夜のうちに充電を行なうと、翌日は終日充電（又は交換）をすることなく、作業を行なうことも可能である。

しかしながら、ホイールローダ２７においては、図１に示すように、車体が前部車体２８と後部車体２９とに分割されている。そして、前部車体２８には作業機３２が装着されており、作業時に土砂が降りかかったり激しい振動が加わったりする過酷な環境にあるため、バッテリ５１を搭載することは困難である。
従って、ホイールローダ２７においては、バッテリ５１は、図１３、図１４に示すように、後部車体２９に搭載するのが望ましい。

また、ホイールローダ２７においては、前部車体２８に作業機３２が装着されているため、掘削や積込時に車体が前方に傾くことがある。これを避けるために、後部車体２９には、カウンタウェイト（図示せず）が搭載されていることが多い。
バッテリ５１は、重量が大きいために、これを後部車体２９に搭載することにより、カウンタウェイトが不要になるか、或いは数を減らすことが可能となる。

また図１３に示すように、ホイールローダ２７の後部車体２９が車体の前後方向に細長い形状になっているため、バッテリ５１は、複数個を立体的に積み重ねるのが望ましい。即ち、大型のバッテリ５１を少数搭載するよりも、小型のバッテリ５１をこのように多数搭載したほうが、より多くの容量のバッテリ５１を搭載することができ、充電（又は交換）間隔を長くすることが可能となる。
尚、バッテリ５１を立体的に積み重ねることから、バッテリはどのような姿勢にも搭載可能で、かつ保水等の保守作業の不要な、密閉型のシール式バッテリが好適である。

また、フォークリフトが工場や倉庫で用いられるのに対し、ホイールローダ２７においては、屋外や畜舎等での作業が想定されている。これらの場所では、バッテリ５１を交換する場合に、クレーン等の吊り上げ装置を用いることが難しい。

従って、バッテリ５１を、容易に交換できるような構造にすることが望ましい。
例えば、バッテリ５１を１つ（又は幾つかずつ）にまとめてユニット化し、車両の前後に伸びる、レールのようなガイド８６上に搭載するのが好適である。そして、バッテリ５１を、ガイド８６を滑らせて後部車体２９の後方へ引き出して台車等で運搬するようにすれば、吊り上げ装置がなくても、交換が可能である。

一般的なホイールローダの側面図。第１実施形態に関わるホイールローダの動力伝達機構の概略図。第１実施形態に関わるホイールローダの作業用動力伝達機構の回路図。第１実施形態に関わるホイールローダの走行用動力伝達機構の回路図。第２実施形態に関わるホイールローダの動力伝達機構の概略図。ホイールローダの作業時の動作を示す平面図。ホイールローダのエネルギ消費の推移を示す説明図。第３実施形態に関わるホイールローダの動力伝達機構の概略図。電動機の回転数とトルクとの関係を示すグラフ。第４実施形態に関わるホイールローダの動力伝達機構の概略図。電動機の回転数とトルクとの関係を示すグラフ。第５実施形態に関わるホイールローダの動力伝達機構の概略図。バッテリを搭載したホイールローダの側面図。バッテリの平面図。従来技術に関わるフォークリフトの側面断面図。従来技術に関わるフォークリフトの動力伝達機構の回路図。

符号の説明

１１：フォークリフト、１２：車輪、１３：車体、１４：運転席、１５：エンジン、１６：フライホイール、１７：マスト、１８：フォーク、１９：トルクコンバータ、２０：油圧ポンプ、２１：昇降シリンダ、２２：油圧モータ、２３：固定子、２４：回転子、２５：リターダ制御装置、２７：ホイールローダ、２８：前部車体、２９：後部車体、３０：連結軸、３１：ステアリングシリンダ、３２：作業機、３３：前輪、３４：後輪、３５：ブーム、３６：ブームピン、３７：ブームシリンダ、３８：バケット、３９：バケットピン、４０：バケットシリンダ、４１：第１リンク、４２：第２リンク、４４：ピン、４５：ピン、４６：ピン、４７：電動機、４８：回転軸、４９：作業用油圧ポンプ、５０：走行用油圧ポンプ、５１：バッテリ、５２：作業用動力伝達機構、５３：走行用動力伝達機構、５４：プライオリティバルブ、５５：ステアリング回路、５６：作業機回路、５７：ハンドル、５８：ステアリングバルブ、６０：バケット操作レバー、６１：ブーム操作レバー、６２：バケットバルブ、６３：ブームバルブ、６４：オイルタンク、６５：ポンプ用サーボシリンダ、６６：モータ用サーボシリンダ、６７：走行用油圧モータ、６８：前後進切換レバー、６９：走行用油圧制御回路、７０：トランスファ、７１：前デファレンシャル、７２：後デファレンシャル、７３：前プロペラシャフト、７４：後プロペラシャフト、７５：アクセルペダル、７６：作業用電動機、７７：走行用電動機、７８：走行用油圧モータ回転軸、７９：ポンプ用制御信号、８０：モータ用制御信号、８１：土砂、８２：出発地点、８３：ダンプトラック、８４：出力増強スイッチ８５：回転軸、８６：ガイド。

Claims

ホイールローダにおいて、
電気エネルギを蓄える蓄電装置(51)と、
蓄電装置(51)に蓄えられた電気エネルギによって駆動される単数又は複数の電動機(47)とを備え、
電動機(47)の回転を動力として走行し、
かつ、作業機(32)が電動機(47)の回転を動力として駆動される
ことを特徴とするホイールローダ。
走行する車体(28,29)と作業機(32)とを備えた作業車両において、
電気エネルギを蓄える蓄電装置(51)と、
蓄電装置(51)に蓄えられた電気エネルギによって駆動される単数又は複数の電動機(47)と、
電動機(47)の回転を動力として走行する車体(28,29)と、
電動機(47)の回転を駆動力として駆動される作業機(32)と、
作業機(32)を駆動する電動機(47)の回転軸(48)に装着されたフライホイール(16)とを備えた
ことを特徴とする作業車両。