JP2005290882A

JP2005290882A - 旋回式作業機械

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Publication number: JP2005290882A
Application number: JP2004108663A
Authority: JP
Inventors: Hisanobu Mori; 尚暢森; Yoichiro Yamazaki; 洋一郎山▲崎▼; Hidekazu Oka; 秀和岡; Ryohei Kawabuchi; 量平河渕; Hiroshi Taji; 浩田路
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: JP4517703B2

Abstract

【課題】旋回式作業機械に求められる旋回性能、操作性、省エネルギー、コストの各要件を充足する。
【解決手段】上部旋回体を旋回駆動する旋回駆動ユニットとして、油圧モータ１１を駆動源とする油圧ユニットと、電動機１４を駆動源とする電動ユニットとを設け、旋回時に、コントローラ２６とインバータ２８により電動機１４を制御し、そのトルクで油圧ユニットをアシストするようにした。また、定常旋回時及び減速時に電動機１４に回生作用を行なわせ、回生電力を蓄電器２７に蓄えるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は油圧ショベル等の旋回式作業機械に関するものである。

油圧ショベルを例にとって説明する。

油圧ショベルは、図８に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸Ｏまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント(ここでは掘削アタッチメントを示す)３が装着されて構成される。

図９,１０はこの油圧ショベルの旋回装置を示す。４は下部走行体１のフレーム(下部フレーム)で、この下部フレーム４上に上部旋回体２のフレーム(旋回フレーム)５が旋回軸受６を介して搭載され、旋回駆動ユニット４によってこの旋回フレーム２が縦軸Ｏまわりに旋回駆動される。

旋回駆動ユニット４は、油圧モータ７と、この油圧モータ７の回転力を減速する減速機８と、この減速機８の出力軸に取付けられたピニオン９から成り、このピニオン９と、旋回軸受６の内輪６ａに設けられた内歯車(旋回歯車)１０とが歯合してモータ回転力が旋回フレーム５に旋回力として伝えられる。

これにより、旋回フレーム５(図８の上部旋回体２)が縦軸Ｏまわりに旋回する。

この場合、油圧ショベルにおいては、油圧モータ７の制御方式として一般に流量制御方式をとっており、この流量制御方式では旋回加速、停止時に速度に対する余剰油をモータ回路のリリーフ弁から排出して速度制御を行なう。

油圧ショベルにおいては、掘削積み込み作業、解体積み込み作業のように上部旋回体を急激に加速、減速する作業が多いため、上記流量制御方式による旋回制御では、加速時の長い時間でリリーフ作用が行なわれる。このため、エネルギーロスが大きいという問題があった。

この問題に対して、一部ではトルクコントロールの旋回システムを用い、リリーフさせない構成がとられているが、流量制御方式の利点である、慣性にまかせた自然な操作フィーリングが失われ、操作性が悪くなる。

一方、上記のような掘削積み込み等の作業では大きな加・減速トルクが要求されるため、これに応えるために旋回駆動装置４(油圧モータ７)に大トルクのものを用いて旋回性能を上げることが考えられる。ところが、こうすると次の弊害が生じる。

１) 旋回加速力が強過ぎる結果、レバーハーフ(中速)域で速度を安定させようとして少量のレバー操作を繰り返すことになるため、車体が振動し、これがさらにレバーの振動に反映されて所謂ハンチングが発生し易くなる。

また、旋回停止操作においては、加速重視でトルクを上げた結果、ブレーキトルクも大きくなり過ぎるため、操作し辛くなったり、ショックでオペレータの操作疲労が激しくなったりする。

２) 油圧モータ７の大トルク化に合わせて大容量のポンプが必要となるため、コスト面及びエネルギー面でロスが増える。

このように、従来の旋回式作業機械では、求められる旋回性能、操作性、省エネルギー、コストの各要件を充足することはできなかった。

そこで本発明は、上記旋回システムに求められる各要件を満足する旋回式作業機械を提供するものである。

請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載された旋回式作業機械において、旋回駆動ユニットとして、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと、電動機を駆動源とする電動ユニットとを備え、この両ユニットの合計トルクによって上記上部旋回体を駆動するように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、油圧ユニット及び電動ユニットは、それぞれの出力軸に設けられたピニオンが下部走行体の旋回歯車に対して異なる位置で歯合するように互いに位置ずれして設けられたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、油圧ユニット及び電動ユニットは、少なくとも互いの減速機のケーシングが一体化された一体物として構成されたものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、電動ユニットの電源としての蓄電器と、旋回時に電動機の出力トルクを制御するとともに電動機の回生電力を上記蓄電器に充電電力として供給する制御手段とを具備するものである。

請求項５の発明は、請求項４の構成において、制御手段は、旋回時に、旋回速度または旋回加速度が設定値以上であること、及び蓄電器の蓄電量が設定値以下となったことを条件として電動機に回生電力を発生させて蓄電器に供給するように構成されたものである。

請求項６の発明は、請求項４または５の構成において、制御手段は、旋回時に、要求されるトルクを求め、この要求トルクが設定値を超えたときに電動機から必要なトルクを出力させるように構成されたものである。

請求項７の発明は、請求項４乃至６のいずれかの構成において、制御手段は、油圧モータ回路に設けられたリリーフ弁によるリリーフ時間を短縮する方向で電動機の出力トルクを制御するように構成されたものである。

請求項８の発明は、請求項４乃至７のいずれかの構成において、制御手段は、旋回停止時に、電動機に微小な加速トルク及び減速トルクを交互にかつ減衰方向に発生させて反転防止制御を行なうように構成されたものである。

本発明によると、次の作用効果を得ることができる。

ｉ) 電動ユニットで油圧ユニットをアシストするため、全体として必要な最大トルクは確保しながら、電動ユニットのアシスト分を調整することにより、必要かつ十分なトルクを発生させることができる。このため、省エネルギーとなるとともに、過剰トルクによるハンチングの発生を防止することが可能となる。

ｉｉ) 油圧モータ回路のリリーフ作用を抑制することができる。

ｉｉｉ) 減速時に電動ユニットの回生制動によって滑らかなブレーキ力を与えることができる。

ｉｖ) 油圧ユニットを大型化することによるコストアップがない。

以上により、旋回式作業機械に求められる旋回性能、操作性、省エネルギー、コストの各要件を充足することができる。

さらに、油圧ユニットと電動ユニットを併用するため、電動ユニットのみとした場合のようにフェール時にシステム全体がダウンするおそれがない。

この場合、請求項２の発明によると、両ユニットのピニオンが旋回歯車に互いに異なる位置で歯合するため、大トルクの一つのユニットで駆動する場合と比較して、旋回歯車に作用するトルクを分散できる。このため、歯面強度を高くとる必要がなく、旋回装置の大型化を回避できる。

また、請求項３の発明によると、油圧ユニットと電動ユニットを一体物として製作、運搬、取付けできるため、機械への搭載性が良くなるとともにコストが安くてすむ。

請求項４〜８の発明によると、旋回時の慣性トルク、減速トルクによって電動機に回生作用を行なわせ、回生電力を蓄電器に回収するため、発電機が不要となる。このため、システムがシンプルとなり、よりコストダウンできる。

また、請求項５の発明によると、旋回時に必要なトルクを確保しながら、電動ユニットのアシストが不要な条件下でのみ電力回生することができる。

請求項６の発明によると、要求されるトルクに基づいて電動ユニットによるアシストを加えるか否かを判断するため、駆動ユニット全体として必要かつ十分なトルクを得ることができる。

請求項７の発明によると、制御手段により、リリーフ弁のリリーフ時間を短縮する方向で電動機の出力トルクを制御するため、リリーフによるエネルギー損失を抑えることができる。また、リリーフ時間を０にすること、すなわちリリーフ弁そのものを廃止することも可能となり、これによってさらなるコストダウンを実現することができる。

本発明の実施形態を図１〜図７によって説明する。

図１,２は旋回装置を示し、図９,１０と対比して説明すると、下部フレーム４上に旋回フレーム５が旋回軸受６を介して搭載され、旋回駆動ユニットＵによってこの旋回フレーム５が縦軸Ｏまわりに旋回駆動される。

この実施形態において、旋回駆動ユニットＵは油圧ユニットＵ１と電動ユニットＵ２とによって構成されている。

油圧ユニットＵ１は、駆動源としての油圧モータ１１と、この油圧モータ１１の回転力を減速する減速機１２と、この減速機１２の出力軸に取付けられたピニオン１３とによって構成されている。

一方、電動ユニットＵ２は駆動源としての電動機１４と、この電動機１４の回転力を減速する減速機１５と、この減速機１５の出力軸に取付けられたピニオン１６とによって構成されている。

両ユニットＵ１,Ｕ２は、それぞれのピニオン１３,１６が、旋回軸受６の内輪６ａに設けられた旋回歯車１０に対し異なる位置で歯合するように互いに位置ずれして設けられ、この両ユニットＵ１,Ｕ２の合計トルクによって旋回フレーム５(図８の上部旋回体２)を駆動するように構成されている。

なお、図３に示すように、両ユニットＵ１,Ｕ２を、それぞれの減速機(ケーシング)１７が一体となった一体物として構成してもよい。

こうすれば、両ユニットＵ１,Ｕ２を一体物として製作、運搬、取付けできるため、機械への搭載性が良くなるとともにコストが安くてすむ。

また、図示しないが両ユニットＵ１,Ｕ２を互いの出力軸が共通となる同軸配置で設け、両ユニットＵ１,Ｕ２の出力が共通のピニオンに伝達されるように構成してもよい。

こうすれば、旋回駆動ユニットＵ全体を小型化、省スペース化できるため、機械への搭載性が一層に良いものとなる。

両ユニットＵ１,Ｕ２の駆動部の回路構成を図４によって説明する。

１８はエンジン１９によって駆動される油圧ポンプで、この油圧ポンプ１８の吐出油が、リモコン弁２０によって操作される油圧パイロット式のコントロールバルブ２１を介して油圧モータ１１に供給されることによって油圧モータ１１が回転する。

なお、油圧ポンプ１８の吐出側にリリーフ弁(図示しない)が設けられ、加・減速時に速度に対する余剰油がこのリリーフ弁からタンクに排出される。

この油圧モータ回路のセンサとして、リモコン弁２０の両側パイロット圧(＝レバー操作量)Ｐａを検出するパイロット圧センサ２２,２３と、油圧モータ１１の両側圧力Ａ,Ｂを検出するモータ圧センサ２４,２５とが設けら、これら各センサ２２〜２５からの信号が、制御手段を構成するコントローラ２６に入力される。

電動機１４は、バッテリ(二次電池)やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の蓄電器２７を電源として駆動され、コントローラ２６と、制御手段の一部であるインバータ２８とによって加・減速トルク等が制御される。

この電動機１４の制御の内容を図５のフローチャートを用いて説明する。

制御開始とともに、ステップＳ１でモータ両側圧力Ａ,Ｂの差(旋回作動圧)Ｐsrが求められるとともに、パイロット圧Ｐａに基づいてレバー操作(リモコン弁２０の操作)の有無が判断される(ステップＳ２)。

ここでＹＥＳ(レバー操作有り)となると、ステップＳ３,Ｓ４において、各センサ信号に基づいて旋回方向及び旋回速度、加速(または減速)の要求トルクの割り出し、旋回加速／定常／減速の区別等が行なわれ、その結果に応じてコントローラ２６からインバータ２８に電動機１４に対する指令が出される。

具体的には次の作用が行なわれる。

レバー操作量、旋回作動圧Ｐsr、旋回速度から加速要求トルクを求め、これが設定値を上回る場合に電動機１４による旋回アシストを行なうべきとして、電動機１４に加速トルクを発生させる。

いいかえれば、定常旋回中や中・低速での旋回時といったアシスト不要な状況では電動機トルクは発生させない。

この場合、電動機１４に発生させる加速トルクは、油圧回路でリリーフしなくても(またはリリーフ時間ができるだけ短くなる)加速トルクが得られる大きさとする。

また、定常速度または設定速度になると(あるいは加速要求トルクが設定値以下に下がると)電動機１４の加速トルク出力を停止させ、電動機１４を連れ回り回転させるか、慣性トルクで回生発電作用を行なわせ、発生した電力を蓄電器２７に充電電力として供給する。

一方、減速時には、減速要求トルクに基づいて電動機１４よる減速アシストを行なうか否かを判断し、アシストする場合には電動機１４にブレーキトルクを発生させ、滑らかなブレーキ力を与えるようにブレーキトルクを制御しながら蓄電器２７への電力供給を続ける。

この場合にも、リリーフ作用が働かない(またはリリーフ時間が短くなる)範囲でブレーキ力を発生させる。

なお、上記電動機１４の回生作用、及び回生電力の蓄電器２７への供給作用は、旋回時に必要なトルクが確保されるように、旋回速度または加速度が設定値を超えたこと、及び蓄電量が設定値以下となったことを条件として行なわれるように構成するのが望ましい。

ところで、旋回停止時に、歯車のバックラッシュ等によって反転を繰り返す場合がある。

そこで、ステップＳ２でＮＯの場合、すなわち、レバー操作が無い(旋回停止)と判断されると、ステップＳ５において旋回作動圧Ｐsrの反転があるか否かが判断され、ここでＹＥＳの場合に反転が起こっているとして電動機１４からこれを打ち消す方向の微小なトルクを発生させる(ステップＳ６)。

このトルクは、時間とともに減少する減衰トルクとして発生させ、反転の収束を待つ。

以上の制御の結果例を図６,７に示す。

図６は油圧トルク(油圧モータ１１のトルク)及び電動トルク(電動機１４のトルク)の変移を示し、電動機１４は、加速時に油圧トルクをアシストする加速トルクを発生し、定常トルクになると油圧モータ駆動によって連れ回り回転し、減速時にブレーキトルクを発生した後、旋回停止時に反転抑制のためのトルクを発生する。

図７(ａ)は従来の油圧ユニットのみによる旋回作動圧の推移を示し、加速時に、リリーフ弁の昇圧緩衝(ショックレス)機能を発揮させながらピークに達した後、リリーフ作動を行なう。なお、昇圧緩衝機能は、リリーフ弁のバネ側に緩衝用のポペットを設けることによって行なわれる。図中、破線はこの昇圧緩衝機能がない場合の圧力の推移を示す。

図７(ｂ)は電動機１４のアシストを加えたときの旋回作動圧の推移を示し、電動機１４の加速トルク制御により昇圧緩衝機能を確保しながら、リリーフ作用が短時間に抑えられる。

このように、電動ユニットＵ２によって油圧ユニットＵ１をアシストするため、全体として必要な最大トルクは確保しながら、電動ユニットＵ２のアシスト分を調整することにより、必要かつ十分なトルクを発生させることができる。このため、省エネルギーとなるとともに、過剰トルクによるハンチングの発生を防止することができる。

また、減速時に電動ユニットの回生制動によって滑らかなブレーキ力を与えることができる。

さらに、加・減速時に要求トルクに基づいて電動ユニットＵ２によるアシストを加えるか否かを判断するため、駆動ユニットＵ全体として必要かつ十分なトルクを得ることができる。

一方、油圧モータ回路のリリーフ時間を短縮できるため、リリーフによるエネルギー損失を抑えることができる。また、リリーフ時間を０にすること、すなわちリリーフ弁そのものを廃止することも可能となる。

以上の点で、旋回式作業機械に求められる旋回性能、操作性、省エネルギー、コストの各要件を充足することができる。

一方、旋回駆動ユニットＵ全体として次の効果を奏する。

イ) 油圧ユニットＵ１を大型化する必要がないため、コストダウンとなる。

ロ) 油圧ユニットＵ１と電動ユニットＵ２を併用するため、電動ユニットＵ２のみとした場合のようにフェール時にシステム全体がダウンするおそれがない。

ハ) 両ユニットＵ１,Ｕ２のピニオン１３,１６が旋回歯車１０に互いに異なる位置で歯合するため、大トルクの一つのユニットで駆動する場合と比較して、旋回歯車１０に作用するトルクを分散できる。このため、歯面強度を高くとる必要がなく、旋回装置の大型化を回避できる。

ニ) 旋回時の慣性トルク、減速トルクによって電動機に回生作用を行なわせ、回生電力を蓄電器２７に回収するため、発電機が不要となる。このため、システムがシンプルとなり、よりコストダウンできる。

ところで、上記実施形態では、油圧ユニットＵ１と電動ユニットＵ２で構成される旋回駆動ユニットＵを一組だけ設けたが、この旋回駆動ユニットＵを複数組設けてもよい。

本発明の実施形態による旋回装置の側面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。本発明の他の実施形態による旋回装置の側面図である。本発明の実施形態による油圧モータ及び電動機の回路構成図である。作用を説明するためのフローチャートである。制御結果としての油圧トルク及び電動トルクの変移を示す図である。 (ａ)は油圧ユニットのみの場合の旋回作動圧の変化状況、(ｂ)は本発明の実施形態による旋回作動圧の変化状況をそれぞれ示す図である。油圧ショベルの概略側面図である。従来の油圧ショベルにおける旋回装置の側面図である。図９のＸ−Ｘ線断面図である。

符号の説明

１下部走行体
２上部旋回体
Ｕ旋回駆動ユニット
Ｕ１油圧ユニット
１１油圧ユニットの油圧モータ
１２同、減速機
１３同、ピニオン
Ｕ２電動ユニット
１４電動ユニットの電動機
１５同、減速機
１６同、ピニオン
１７両ユニット共通の減速機ケーシング
２０操作手段であるリモコン弁
２２〜２５圧力センサ
２６制御手段を構成するコントローラ
２７蓄電器
２８制御手段を構成するインバータ

Claims

下部走行体上に上部旋回体が搭載された旋回式作業機械において、旋回駆動ユニットとして、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと、電動機を駆動源とする電動ユニットとを備え、この両ユニットの合計トルクによって上記上部旋回体を駆動するように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。
請求項１記載の旋回式作業機械において、油圧ユニット及び電動ユニットは、それぞれの出力軸に設けられたピニオンが下部走行体の旋回歯車に対して異なる位置で歯合するように互いに位置ずれして設けられたことを特徴とする旋回式作業機械。
油圧ユニット及び電動ユニットは、少なくとも互いの減速機のケーシングが一体化された一体物として構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の旋回式作業機械。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の旋回式作業機械において、電動ユニットの電源としての蓄電器と、旋回時に電動機の出力トルクを制御するとともに電動機の回生電力を上記蓄電器に充電電力として供給する制御手段とを具備することを特徴とする旋回式作業機械。
請求項４記載の旋回式作業機械において、制御手段は、旋回時に、旋回速度または旋回加速度が設定値以上であること、及び蓄電器の蓄電量が設定値以下となったことを条件として電動機に回生電力を発生させて蓄電器に供給するように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。
請求項４または５記載の旋回式作業機械において、制御手段は、旋回時に、要求されるトルクを求め、この要求トルクが設定値を超えたときに電動機から必要なトルクを出力させるように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の旋回式作業機械において、制御手段は、油圧モータ回路に設けられたリリーフ弁によるリリーフ時間を短縮する方向で電動機の出力トルクを制御するように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。
請求項４乃至７のいずれか１項に記載の旋回式作業機械において、制御手段は、旋回停止時に、電動機に微小な加速トルク及び減速トルクを交互にかつ減衰方向に発生させて反転防止制御を行なうように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。