JP2005307587A

JP2005307587A - 作業機械の旋回駆動装置

Info

Publication number: JP2005307587A
Application number: JP2004126649A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshimatsu; 英昭吉松
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP4228980B2

Abstract

【課題】経済的なエネルギ回生制動を行うことができる作業機械の旋回駆動装置を提供すること。
【解決手段】この作業機械の旋回駆動装置は、作業用アタッチメント３を備えた上部旋回体２が下部走行体１上に旋回自在に搭載され、上部旋回体２に搭載されたエンジン１３で駆動される発電機１４の発電電力がバッテリ１６に充電され、上部旋回体２を旋回させるときには、この発電電力とバッテリ１６からの放電電力との少なくとも一方が上部旋回体２を旋回させる旋回用電動機１７に供給され、上部旋回体２の旋回を制動するときには、旋回用電動機１７で回生発電された電力がバッテリ１６に充電されるように構成され、作業機械の水平面に対する傾斜角度αを検出する＃１，＃２傾斜角センサ３１，３２と、この検出された傾斜角度αに応じて旋回用電動機１７の回転速度を制限するコントローラ２９とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エネルギ回生制動を行う作業機械の旋回駆動装置に関する。

例えば特許文献１では、エンジンで油圧ポンプと発電機とを駆動して、油圧ポンプで作業機械の油圧シリンダ等を駆動するとともに、発電機での発電電力をバッテリに蓄電しておき、その発電電力及びバッテリからの放電電力の少なくとも一方で旋回用電動機を駆動している。この旋回用電動機を小型化するために、加速時（力行時）には速度に応じてトルクを制限するが、制動時には制動距離（制動旋回角度）を短くするために速度にかかわらず最大トルクで制動している。

このとき、バッテリに回生される旋回エネルギは慣性モーメントと旋回速度の２乗とに比例する。したがって、バケットの中に土砂が満載され、作業用アタッチメントが伸びてバケットの旋回半径が大きくなっている状態で、旋回最高速度から減速する際に最大の旋回エネルギが回生されることになる。
特開２００１−１１８７９号公報

ところで、ショベル等の作業機械では平坦地のみならず、傾斜地で作業することがある。その場合、旋回を制動する向きが傾斜を下る方向に一致すると、位置エネルギが加わる分だけ、回生される旋回エネルギ（回生電力）が増加することとなり、バッテリが必要以上に充電されてバッテリ寿命を縮めるおそれがある。その対策として、傾斜地ではバッテリに回生電力を充電できなくなるようにすることも考えられる。

しかし、傾斜地においてバッテリに回生電力を充電できなくすると、旋回用電動機が空回りして制動ができなくなる不具合がある。一方、作業機械の旋回駆動系にはメカニカルブレーキが備わっているのが通常である。しかしながら、このブレーキは、パーキング用としてのブレーキ性能しかもたず、同ブレーキを高速回転からの制動に使うことはできない。

したがって、従来の作業機械では、不経済ではあるが、殆ど行わないような大きな傾斜地での作業条件を想定して大容量のバッテリを搭載せざるを得なかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、経済的なエネルギ回生制動を行うことができる作業機械の旋回駆動装置を提供することである。

本発明は、作業用アタッチメントを装備した上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載され、上部旋回体に搭載されたエンジンで駆動される発電機の発電電力が蓄電手段に充電され、上部旋回体を旋回させるときには、前記発電電力と蓄電手段からの放電電力との少なくとも一方が該上部旋回体を旋回させる旋回用電動機に供給され、上部旋回体の旋回を制動するときには、旋回用電動機で回生発電された電力が蓄電手段に充電されるように構成された作業機械の旋回駆動装置において、作業機械の水平面に対する傾斜角度を検出する角度検出手段と、この検出された傾斜角度に応じて上記旋回用電動機の回転速度を制限する速度制限手段とを備えたことを特徴とするものである。なお、蓄電手段には、バッテリ、ウルトラキャパシタ（商品名）、フライホール等が含まれる。

請求項２記載の発明のように、旋回操作を行うための旋回操作手段を備え、上記速度制限手段は、この旋回操作手段の操作量に応じて変化する旋回用電動機の回転速度の最高値を、上記検出された傾斜角度に応じて制限することとしてもよい。

請求項３記載の発明のように、速度制限手段は、作業機械の傾斜角度が大きくなるほど旋回用電動機の回転速度が小さくなる方向に該旋回用電動機の回転速度を制限することとしてもよい。

請求項４記載の発明のように、角度検出手段は、作業機械の２方向の傾斜角度を検出して両傾斜角度の検出値から作業機械の最大傾斜角度を算出し、速度制限手段は上記最大傾斜角度に基づいて旋回用電動機の回転速度を制限することとしてもよい。

請求項５記載の発明のように、速度制限手段は、蓄電手段の容量を越えない範囲内で充電するように旋回用電動機の回転速度を制限することとしてもよい。

本発明によれば、作業機械の水平面に対する傾斜角度が検出され、この検出された傾斜角度に応じて旋回用電動機の回転速度が制限されるので、回生される旋回エネルギ（回生電力）も制限され、蓄電手段が必要以上に充電されるおそれがなくなる。したがって、殆ど行われないような大きな傾斜地での作業を想定して回生電力を充電する蓄電手段の容量を大きくしておく必要がなくなる。その結果、通常の作業条件の範囲内で蓄電手段の容量を決めることができ、蓄電手段の小容量化を図ることにより、コストダウンや取り付けスペースを小さくすることができるといったメリットがある。

請求項２記載の発明によれば、旋回操作手段の操作量に応じて変化する旋回用電動機の回転速度の最高値が、上記検出された傾斜角度に応じて制限されるので、旋回操作の如何にかかわらず、蓄電手段が必要以上に充電されるおそれがなくなる。

請求項３によれば、作業機械の傾斜角度が大きくなるほど旋回用電動機の回転速度が小さくなる方向に該旋回用電動機の回転速度が制限されるので、その傾斜角度に応じた、できるだけ短い制動距離（制動旋回角度）を確保することができる。

ところで、傾斜地における作業機械の作業では作業機械の向きで傾斜角度の検出値が変化するし、制動する旋回角度によっても回生される旋回エネルギが変化する。その場合、旋回角度を検出したり、どの時点で最大傾斜になるかなどを考慮するのでは、装置構成が複雑化し、或いはオペレータの負担が増大する。そこで請求項４記載の発明によれば、作業機械の２方向（例えば、前後方向と左右方向）の傾斜角度がそれぞれ検出され、両傾斜角度の検出値から算出した作業機械の最大傾斜角度に基づいて、旋回用電動機の回転速度が制限されるので、傾斜地における作業機械の作業姿勢や旋回角度の如何にかかわらず、上記速度制限が行われるようになる。したがって、旋回角度を検出したり、どの時点で最大傾斜になるかなどを考慮する必要がなくなるため、装置構成が簡単化され、或いはオペレータの負担が減少するといったメリットがある。

請求項５記載の発明のように、速度制限手段は、蓄電手段の容量を越えない範囲内で充電するように旋回用電動機の回転速度が制限されるので、蓄電手段の小容量化を図ることができる。

本発明の作業機械の旋回駆動装置について、その一実施形態であるショベルを例にとって説明する。図１はショベル全体の概略構成図であって、（ａ）は傾斜地における側面図、（ｂ）はその簡略化した平面図である。また、図２は駆動・制御系のブロック構成図である。なお、図２において、二重線は機械的動力系、実線矢印は油圧駆動系、破線矢印は電気駆動・制御系をそれぞれ示している。

図１において、１はクローラ式の下部走行体、２は上部旋回体、３は上部旋回体２の前部に装着された作業（掘削）用アタッチメントで、このアタッチメント３は、ブーム４、アーム５、バケット６、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を具備している。

下部走行体１は左右のクローラ１０Ｌ，１０Ｒを備え、この両側クローラ１０Ｌ，１０Ｒが左右の走行油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒ及び減速機１２Ｌ，１２Ｒにより個別に回転駆動されて走行する。

上部旋回体２には、エンジン１３と、このエンジン１３によって駆動される油圧ポンプ１４及び発電機１５と、蓄電手段としてのバッテリ１６と、旋回用電動機１７及び減速機１８が搭載されている。

図２に示すように、油圧ポンプ１４の吐出油はブーム、アーム、バケットの各シリンダ７，８，９及び左右の走行油圧モータ１１Ｌ，１１Ｒにそれぞれ制御弁１９，２０，２１，２２，２３を介して供給され、この制御弁１９〜２３によって作動が制御される。

発電機１５は増速機構２４を介してエンジン１３からの駆動力が与えられ、この発電機１５で作られた電力が制御器２５で電圧・電流が制御されてバッテリ１６に蓄えられるとともに、インバータ２６経由で旋回用電動機１７に供給される。

旋回用電動機１７には、パーキングブレーキとしてのメカニカルブレーキ２７が設けられ、このメカニカルブレーキ２７が解除された状態で、旋回用電動機１７の回転力が旋回用減速機構１８経由で上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が左または右に旋回する。

２８は旋回操作手段としての電気ジョイスティックで、この電気ジョイスティック２８がレバー２８ａによって操作され、その操作量に応じた旋回電動機１７の回転速度の指令信号がコントローラ２９に入力される。

また、角度検出手段として、作業機械の前後方向の傾斜角度を検出する＃１傾斜角センサ３１と、左右方向の傾斜角度を検出する＃２傾斜角センサ３２とが設けられ、この両センサ３１，３２からの検出信号がコントローラ２９に入力される。

コントローラ２９は、図３に示すように、＃１判断部２９ａ、α_max演算部２９ｂ、Ｖ_max演算部２９ｃ、＃２判断部２９ｄ、制御部２９ｅ及びメモリ２９ｆを備えてなっている。このうち２９ａ〜２９ｅの各部は、例えばメモリ２９ｅに記憶しておいた各種プログラム等を図示しないＣＰＵに読み込んで実行することにより具現化される。

＃１判断部２９ａは、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEに基づき算出される目標旋回速度Ｖ_OPEが０でないか否かを判断するものであり、α_max演算部２９ｂは、＃１，＃２傾斜角センサ３１，３２からの検出信号に基づき車体傾斜角度の最大値（作業機械の最大傾斜角度）α_maxを演算するものである。具体的には以下のように演算する。

すなわち、図１（ｂ）に示す車体前後方向（Ｘ方向）の傾斜角度をα_X、左右方向（Ｙ方向）の傾斜角度をα_Y、縦軸（Ｚ方向）回りの旋回角度をθとすると、この旋回角度θの方向の車体傾斜角度αは幾何学的に求めることができる。

ｔａｎ（α）＝Ａ・ｃｏｓ（θ）＋Ｂ・ｓｉｎ（θ）
ただし、Ａ＝ｔａｎ（α_X）、Ｂ＝ｔａｎ（α_Y）である。

車体傾斜角度αの最大値をα_maxとすると、
ｔａｎ（α_max）＝√（Ａ²＋Ｂ²）
α_max＝ｔａｎ^-1｛√（Ａ²＋Ｂ²）｝
したがって、車体傾斜角度の最大値α_maxは車体前後方向の傾斜角度α_Xと、左右方向の傾斜角度α_Y、とを検出するだけで演算でき、旋回角度θを検出しなくてもよいことがわかる。

Ｖ_max演算部２９ｃは、この車体傾斜角度の最大値α_maxに対応する最高旋回速度Ｖ_maxを、バッテリ１６の充電量の最大値から求めるものである。ここでは最も厳しい条件として、バケット６の中に土砂が満載され、作業用アタッチメント３が伸びてバケット３の旋回半径が最大となっている状態で、かつ、車体傾斜角度の最大値α_maxにおいて最高旋回速度Ｖ_maxから減速する際の最大の旋回エネルギが回生される状態を想定する。この条件下で回生される旋回エネルギ（回生電力）がバッテリ１６への充電量の最大値となるように、前記最高旋回速度Ｖ_maxを演算すると、図５の関係が得られる。バッテリ１６の蓄電量のレベルによってバッテリ寿命、あるいは充電可能電流や放電可能電流に影響するので、例えば５０〜８０％の範囲になるように、バッテリ蓄電量（ＳＯＣ）の管理あるいは制御が行われる。したがって、バッテリ蓄電量が最大の値のときにも回生電力が充電されるように最高旋回速度Ｖ_maxを決めておく。

図５において、車体傾斜角度の最大値α_maxが０となる平坦地では、バッテリ１６の充電量の最大値に対応する最高旋回速度Ｖ_maxとなる。そして、車体傾斜角度の最大値α_maxが、例えばバッテリ１６の充電量の最大許容値に対応する設定値α_SETを超えると、その後は車体傾斜角度の最大値α_maxが増大するにつれて、最高旋回速度Ｖ_maxが減少する。すなわち、図５のカーブは、傾斜地において回生される旋回エネルギの増分だけ最高旋回速度Ｖ_maxが小さくなるように設定されている。この設定されたカーブがメモリ２９ｆに記憶されている。

＃２判断部２９ｄは、目標旋回速度Ｖ_OPEが最高旋回速度Ｖ_max以下であるか否かを判断するものである。この目標旋回速度Ｖ_OPEとレバー２８ａの操作量Ｌ_OPEとの関係を図６に示した。図６において、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEが０から若干増大しても、目標旋回速度Ｖ_OPEは０のままとなる。この領域を越えると、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEの増大につれて、最高旋回速度Ｖ_maxまで目標旋回速度Ｖ_OPEは増大するが、その最高旋回速度Ｖ_maxも、車体傾斜角度の最大値α_maxが大きくなるにつれて、図６中のＡ方向に減少するようになっている。

制御部２９ｅは、＃２判断部２９ｄの判断結果に基づき、旋回用電動機１７の回転速度制御を行うものである。

ここで、本実施形態の旋回駆動装置における旋回用電動機１７の回転速度ＮとトルクＴとの関係を図７に示す。図７中、回転速度Ｎが正の領域は左旋回、回転速度Ｎが負の領域は右旋回とする。また、第１象限は左旋回加速時に旋回用電動機１７を電動機特性で使用する場合を示し、第４象限は左旋回減速時に旋回用電動機１７を発電機特性で使用する場合を示す。第３象限は右旋回加速時に旋回用電動機１７を電動機特性で使用する場合を示し、第２象限は右旋回減速時に旋回用電動機１７を発電機特性で使用する場合を示す。

図７からわかるように、第１象限及び第３象限に示す旋回加速時には、所定回転速度未満の領域では旋回用電動機１７の出力トルクＴが一定となり、所定回転速度以上の領域では回転速度Ｎの増加に応じて出力トルクＴが減少するように制御される。また、第２象限及び第４象限に示す旋回減速時には、旋回用電動機１７を発電機特性で使用し、旋回用電動機１７の吸収トルクＴを回転速度Ｎに関係なく一定値に制御している。

旋回用電動機１７は、通常、図７の制御特性に従って制御されるが、この制御特性から外れてＢ，Ｃ方向に向かうような回転速度制御をも行うことができる。

以下、本実施形態の旋回駆動装置の動作について、図４に示すフローチャートを参照して説明する。図４において、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEに基づいて目標旋回速度Ｖ_OPEが算出される（ステップＳ１）。＃１判断部２９ａは、この目標旋回速度Ｖ_OPEが０を超えているか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、目標旋回速度Ｖ_OPEが０以下であると判断されると、レバー２８ａが操作されていないから、本装置を働かせる必要がない。したがって、ステップＳ１に戻る。

一方、目標旋回速度Ｖ_OPEが０を超えていると判断されると、レバー２８ａが操作されているから、本装置を働かせる必要がある。そこで、＃１，＃２傾斜角センサ３１，３２は車体傾斜角度α_X，α_Yを検出する（ステップＳ３，４）。

すると、α_max，Ｖ_max演算部２９ｂ，２９ｃは、＃１，＃２傾斜角センサ３１，３２からの検出信号に基づいて車体傾斜角度の最大値α_maxを演算し（ステップＳ５）、この演算された車体傾斜角度の最大値α_maxをメモリ２９ｆに記憶されたカーブに代入することにより最大旋回速度Ｖ_maxを演算する（ステップＳ６）。演算方法は上述した通りである。

ついで、＃２判断部２９ｄは、目標旋回速度Ｖ_OPEが最大旋回速度Ｖ_max以下であるか否かを判断する（ステップＳ７）。ここで、目標旋回速度Ｖ_OPEが最大旋回速度Ｖ_max以下であると判断されると、目標旋回速度Ｖ_OPEが旋回速度Ｖとしてセットされる（ステップＳ８）。一方、目標旋回速度Ｖ_OPEが最大旋回速度Ｖ_maxを超えていると判断されると、最大旋回速度Ｖ_maxが旋回速度Ｖとしてセットされる（ステップＳ９）。

ついで、制御部２９ｅは、上記セットされた旋回速度Ｖとなるように、旋回用電動機１７の回転速度制御を行う。すなわち、目標旋回速度Ｖ_OPEが旋回速度Ｖとしてセットされた場合には、旋回用電動機１７は図７中の制御特性により回転速度制御される。したがって、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEが増加するにつれて、目標旋回速度Ｖ_OPEが増加し、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEが減少するにつれて、目標旋回速度Ｖ_OPEが減少する。一方、最大旋回速度Ｖ_maxが旋回速度Ｖとしてセットされた場合には、旋回用電動機１７は図７中の制御特性から外れ、Ｂ，Ｃ方向に回転速度制御される。したがって、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEが増加しても、目標旋回速度Ｖ_OPEは最大旋回速度Ｖ_maxで制限される。

そして、前記車体傾斜角度の最大値α_maxの増大につれて、図６中のＡ方向に旋回速度Ｖ_OPEが減少する。ただし、レバー２８ａの操作量Ｌ_OPEが減少して、目標旋回速度Ｖ_OPEが最大旋回速度Ｖ_maxを超えないようになれば、目標旋回速度Ｖ_OPEは最大旋回速度Ｖ_maxで制限されなくなり、旋回用電動機１７は上記と同様の回転速度制御がなされる。

以上説明したように、本実施形態によれば、作業機械の水平面に対する傾斜角度αが検出され、この検出された傾斜角度αに基づく車体傾斜角度の最大値α_maxが大きくなる（設定値を超える）と、図５に示すように最高旋回速度Ｖ_maxが小さくなる。そして、この小さくなった最高旋回速度Ｖ_maxをレバー２８ａの操作量Ｌ_OPEに対応する目標旋回速度Ｖ_OPEが超えないように、旋回用電動機１７の回転速度が制限され、回生される旋回エネルギ（回生電力）も制限されるので、レバー２８操作の如何にかかわらず、バッテリ１６が必要以上に充電されるおそれがなくなる。

したがって、殆ど行われないような大きな傾斜地での作業を想定して回生電力を充電するバッテリ１６の容量を大きくしておく必要がなくなる。その結果、通常の作業条件の範囲内でバッテリ１６の容量を決めることができ、バッテリ１６の小容量化を図ることにより、コストダウンや取り付けスペースを小さくすることができるといったメリットがある。

また、ここでは、車体傾斜角度αそのものではなく、車体傾斜角度の最大値α_maxや最高旋回速度Ｖ_maxを用いているので、傾斜地における作業機械の作業姿勢や旋回角度の如何にかかわらず、上記速度制限が行われるようになる。したがって、旋回角度を検出したり、どの時点で最大傾斜になるかなどを考慮する必要がなくなるため、装置構成が簡単化され、或いはオペレータの負担が減少するといったメリットがある。

なお、上記実施形態では、蓄電手段として、バッテリ１６を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ウルトラキャパシタ（商品名）、フライホール等を採用してもよい。また、上記実施形態では、作業機械としてショベルを例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動式クレーンや定置式クレーン等電動機をアクチュエータとする旋回駆動装置の使用が可能な全ての建設機械に適用できることはもちろんである。

ショベル全体の概略構成図であって、（ａ）は傾斜地における側面図、（ｂ）はその簡略化した平面図である。駆動・制御系のブロック構成図である。コントローラの構成図である。動作を示すフローチャートである。車体傾斜角度の最大値α_maxと最高旋回速度Ｖ_maxとの関係を示す説明図である。目標旋回速度Ｖ_OPEとレバーの操作量Ｌ_OPEとの関係を示す説明図である。旋回用電動機の回転速度ＮとトルクＴの関係を示す説明図である。

符号の説明

１下部走行体
２上部旋回体
３作業用アタッチメント
１３エンジン
１５発電機
１６バッテリ（蓄電手段）
１７旋回用電動機
２８電気ジョイスティック（旋回操作手段）
２８ａレバー
２９コントローラ（速度制限手段）
２９ａ＃１判断部
２９ｂ α_max演算部
２９ｃＶ_max演算部
２９ｄ＃２判断部
２９ｅ制御部
２９ｆメモリ
３１＃１傾斜角センサ（角度検出手段）
３２＃２傾斜角センサ（角度検出手段）

Claims

作業用アタッチメントを装備した上部旋回体が下部走行体上に旋回自在に搭載され、上部旋回体に搭載されたエンジンで駆動される発電機の発電電力が蓄電手段に充電され、上部旋回体を旋回させるときには、前記発電電力と蓄電手段からの放電電力との少なくとも一方が該上部旋回体を旋回させる旋回用電動機に供給され、上部旋回体の旋回を制動するときには、旋回用電動機で回生発電された電力が蓄電手段に充電されるように構成された作業機械の旋回駆動装置であって、
作業機械の水平面に対する傾斜角度を検出する角度検出手段と、この検出された傾斜角度に応じて上記旋回用電動機の回転速度を制限する速度制限手段とを備えたことを特徴とする作業機械の旋回駆動装置。
旋回操作を行うための旋回操作手段を備え、上記速度制限手段は、この旋回操作手段の操作量に応じて変化する旋回用電動機の回転速度の最高値を、上記検出された傾斜角度に応じて制限することを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回駆動装置。
速度制限手段は、作業機械の傾斜角度が大きくなるほど旋回用電動機の回転速度が小さくなる方向に該旋回用電動機の回転速度を制限することを特徴とする請求項１又は２記載の作業機械の旋回駆動装置。
角度検出手段は、作業機械の２方向の傾斜角度を検出して両傾斜角度の検出値から作業機械の最大傾斜角度を算出し、速度制限手段は上記最大傾斜角度に基づいて旋回用電動機の回転速度を制限することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機械の旋回駆動装置。
速度制限手段は、蓄電手段の容量を越えない範囲内で充電するように旋回用電動機の回転速度を制限することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の作業機械の旋回駆動装置。