JP2006348978A - 作業機械の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各機器の出力系を相互に連携させることにより、各機器で必要とする最大容量を低下させ、より小型（同じ大きさならばより強力）で、低コスト、低騒音を実現し、エネルギ効率を高く維持する。
【解決手段】ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）２４によって駆動されるブーム（被駆動体）１８を備えた作業機械の駆動装置において、エンジン１と、該エンジン１の出力軸１ａにそれぞれ接続された発電電動機２１及びメインポンプ２と、を備える。前記発電電動機２１は、発生した電力を蓄電可能な蓄電装置２０に接続されると共に、該蓄電装置２０からの電力供給によりエンジン１を駆動可能とされる。前記メインポンプ２は、前記ブームを駆動するためのブームシリンダ２４に圧油を供給可能に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば建設機械のように、油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の駆動装置に関する。

特許文献１において、ブーム、アーム、及びバケット等のアタッチメントを有する作業部を備えた建設機械（作業機械）が開示されている。

作業部は、油圧アクチュエータ（ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ等）の作動によって駆動されるように構成されている。油圧アクチュエータのメータアウト側には回生回路が形成されている。

回生回路には、戻り油によって駆動されるポンプモータが備えられ、発電機を駆動することにより、油圧アクチュエータから得られる回生電気エネルギを蓄電装置に蓄電できるように構成されている。なお、この蓄電装置には、エンジンで駆動された別の発電機によって発電された発電エネルギも蓄電できるように構成されている。

この回生回路は、切り換え手段によって開閉されるようになっており、掘削作業等を行う際には、該回生回路が開かれ、戻り油のエネルギが回収される。一方、微操作作業等を行う際には該回生回路は閉じられ、操作性が重視される。

特開２００３−３２９０１２号公報

しかしながら、上述した従来技術に係る作業機械の駆動装置は、確かに、油圧アクチュエータの回生エネルギを回収できるように構成されてはいるものの、エンジンや油圧ポンプ、あるいは畜電装置等が、（相互の関連性等を特に考慮することなく）それぞれその本来の機能を果たすためだけに接続・配置されていた。そのため、当然にそれぞれの機能を果たすために要求される容量をそれぞれが有する必要があり、装置全体の大きさが大きくなると共に、コストも増大するという問題があった。また、最大負荷に備えてエンジンの回転速度を増大させた場合には騒音が増大し易く、エネルギ効率も低下し易いという問題もあった。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたものであって、機器相互の活用態様を吟味し、それぞれの機器の能力を相互に連携・活用させることにより、従来と比べてより小型化、低コスト化、低騒音化、及び高効率化を図ることのできる作業機械の駆動装置を提供することをその課題としている。

本発明は、油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の駆動装置において、エンジンと、該エンジンの出力軸にそれぞれ接続された発電電動機及び油圧ポンプと、蓄電装置と、を備え、前記発電電動機は、発生した電力を前記蓄電装置に蓄電可能に接続されると共に、該蓄電装置からの電力供給により前記エンジンを駆動可能とされ、且つ、前記油圧ポンプは、前記被駆動体を駆動するための油圧アクチュエータに圧油を供給可能に接続されていることにより、上記課題を解決したものである。

本発明では、エンジンの出力軸には、油圧アクチュエータに供給する圧油を発生させるための油圧ポンプのほか、（単なる発電機ではなく）電動機の機能をも有する発電電動機が接続される。発電電動機は、発電した電気エネルギを蓄電装置に供給すると共に、必要時に該蓄電装置から電気エネルギの供給を受けてエンジンを駆動し、該エンジンの回転に対しトルクアシストを行う。

換言すると、油圧ポンプに強い負荷が掛かった状態になると、エンジンと発電電動機は油圧ポンプを共同で駆動する。そのため、エンジンは、単独で油圧ポンプを常時駆動し得る容量を持つ必要がなく、従来よりも若干小容量のエンジンであっても、高負荷時を含め支障なく当該油圧ポンプを駆動することができるようになる。

また、従来と同等の容量のエンジンを搭載した場合には、従来よりも余裕を持って油圧ポンプを駆動できるため、運転時の回転速度を低下させることができ、より低騒音、高効率の運転ができるようになる。

また、本発明は、油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の駆動装置において、エンジンと、該エンジンの出力軸にそれぞれ接続された発電電動機及び油圧ポンプと、蓄電装置と、を備え、前記発電電動機は、発生した電力を前記蓄電装置に蓄電可能に接続されると共に、該蓄電装置からの電力供給により前記エンジンを駆動可能とされ、前記油圧ポンプは、前記被駆動体を駆動するための油圧アクチュエータに圧油を供給可能に接続され、前記油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータのうち、少なくとも１つの油圧アクチュエータのメータアウト側に、油圧モータ及び発電機が接続され、且つ該発電機によって発電される電力が前記蓄電装置によって蓄電可能とされていることにより、同じく上記課題を解決したものである。

この構成によれば、油圧アクチュエータから回収される回生電気エネルギを効率的に蓄電装置に蓄電することが可能となり、蓄電装置の蓄電にそれだけ余裕が生まれる。この結果、前記エンジンによって蓄電装置に蓄電する時間をより短くでき、その分、蓄電装置によってエンジンを駆動できる（エンジンのトルクアシストをする）時間を長く設定することができるようになる。したがって、油圧ポンプを駆動するために本来必要なエンジンの容量に対し、実際に必要なエンジンの容量を一層小さくすることができるようになる。

本発明の好ましい実施形態としては、前記発電電動機及び油圧ポンプがそれぞれ互いに異なる変速比の変速機を介して前記エンジンの出力軸に接続されている実施形態が考えられる。

これにより、エンジン、油圧ポンプ及び発電電動機のそれぞれが発生し得るトルク、あるいは供給されるべき実際のトルクを考慮して最適なトルクアシストが行われるように設計することが可能となる。

本発明の他の好ましい実施形態としては、作業機械が油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体としてブームを備える場合には、前記油圧モータ及び発電機が接続される油圧アクチュエータが、該ブームを駆動する油圧シリンダとされていることである。

この種の作業機械は、その作業部が一般に、ブーム、アーム、及びバケット等のアタッチメントによって構成されていることが多いが、その中でブームは、その下降時において最も大きな回生電気エネルギを回収することができる。そのため、油圧モータ及び発電機をブームを駆動する油圧シリンダに接続することにより、作業部において発生する余剰エネルギを効率的に蓄電装置に回生することができる。

本発明の他の好ましい実施形態としては、前記油圧アクチュエータのメータアウト側に配置された前記発電機が、電動機の機能をも有する発電電動機であると共に、前記油圧モータが両方向ポンプモータであり、前記蓄電装置からの電力供給により該発電電動機が駆動可能とされ、前記両方向ポンプモータを介して、前記油圧アクチュエータに圧油を供給可能とした構成が考えられる。

この構成により、油圧ポンプを駆動するエンジンのトルクアシストという面からだけでなく、油圧アクチュエータに圧油を供給する油圧ポンプの吐出量アシストという面からも油圧アクチュエータの高負荷時におけるアシストが行えるようになる。この結果、エンジンのみならず、該エンジンに接続される油圧ポンプの容量も従来よりも小さめに設計する（同じ大きさの場合にはより強力で応答性の高い設計とする）ことができるようになる。

なお、本発明における作業機械の「被駆動体」は、モータや油圧ポンプ等によって駆動される一切の部材を含み、下部走行体、上部旋回体、及び作業部等の大きなもののほか、例えば、作業部におけるブーム、アーム、バケットなどの個々の部材をも含む概念として使用されている。

本発明により、従来より小さな容量の機器により従来と同等の機能を果たし得る作業機械を得ることができ、従来と比べてより小型化、低コスト化、低騒音化、及び高効率化を図ることができるようになる。

以下図面に基づいて、本発明に係る作業機械の駆動装置の好適な実施形態の一例について詳細に説明する。

図２に本発明が適用された油圧ショベル（作業機械）１０の全体構成を示す。

油圧ショベル１０は、下部走行体１２、上部旋回体１４、及び作業部１６を備える。

作業部１６は、ブーム１８、アーム２０、バケット２２を備え、上部旋回体１４の運転室２３の横から片持ち状態でせり出している。作業部１６のブーム１８、アーム２０、バケット２２には、これら１８、２０、２２を駆動する油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）として、それぞれブームシリンダ２４、アームシリンダ２６、バケットシリンダ２８が組み込まれている。本実施形態では、このうち特に、ブーム１８に組み込まれたブームシリンダ２４が収縮するときの戻り油ライン（メータアウト側のライン）に対してエネルギ回生が行われている。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る作業機械の構成を説明する。なお、図１においては、各機器間の接続関係が模式的に描かれており、現実の配線態様等とは必ずしも一致していない。

エンジン１の駆動軸１ａには、発電機としてだけでなく、電動機としても機能する発電電動機２１と、油圧アクチュエータ用のメインポンプ（油圧ポンプ）２とが第１、第２変速機３０、３２を介してパラレルに取付けられている。なお、メインポンプ２として、この実施形態では２台のポンプ２Ａ、２Ｂが並列駆動されている。

第１変速機３０は、発電電動機２１の駆動軸２１ａに組み込まれたピニオン３４、エンジン１の駆動軸１ａに組み込まれたギヤ３６によって構成され、発電電動機２１側からエンジン１を見たときに減速機、エンジン１側から発電電動機２１を見たときに増速機としての機能を有している。また、第２変速機３２は、前記ギヤ３６及びメインポンプ２の駆動軸２ａに組み込まれたピニオン３８によって構成され、エンジン１側からポンプ２を見たときに増速機としての機能を有している。

なお、エンジン１の側からメインポンプ２及び発電電動機２１を見たときの増速比は、発電電動機２１の側の方がより大きく設定されている。すなわち、エンジン１の出力軸１ａの回転速度に対し、メインポンプ２の駆動軸２ａはこれより若干速く回転し、発電電動機２１の駆動軸２１ａは、該駆動軸２ａよりも更に速く回転する構成とされている。

発電電動機２１には、交流を直流に変換するコンバータ機能、及び直流を交流に変換するインバータ機能の双方を有する変換装置２２を介して直流ライン１０が接続されている。直流ライン１０には、蓄電装置２０が接続されている。

蓄電装置２０としては、リチウムイオン電池等の２次電池又は入出力密度の高い電気二重層コンデンサ（キャパシタ）があり、電気二重層コンデンサでは、電気エネルギの吸収を行うときにおいて良好な応答性が得られ、２次電池では、大容量の電気エネルギの蓄電が可能である。本実施形態では、蓄電装置２０は、２次電池及びキャパシタ（いずれも図示略）の双方を有しており、且つ、回収された回生電気エネルギを、２次電池又はキャパシタの何れに蓄電するかを制御装置９により選択可能である。尚、２次電池にはリチウムイオン電池の他にニッケル水素電池、鉛電池等がある。

更に、直流ライン１０には、直流−交流、交流−直流間を相互に変換可能な変換装置１７が設けられ、該変換装置１７に、作業機械における上部旋回体１４の旋回機構の駆動源としての機能を備えた発電電動機１８が接続されている。

このように、本実施形態では、上部旋回体１４が発電電動機１８によって駆動されるので、油圧駆動系のコントロールバルブ１２Ａの出力ポートには、上部旋回体１４を駆動するための油圧モータは備えられておらず、下部走行体１２を駆動するための右走行用又は左走行用の油圧モータ１９と、作業部１６を駆動する油圧シリンダ２４、２６、２８のみが接続されている。

蓄電装置２０は、変換装置１７を介して前記旋回用の発電電動機１８との間で電気エネルギの授受機能を有しており、発電電動機１８のブレーキ時に発電される回生電気エネルギを、変換装置１７を介して蓄電可能である。一方、発電電動機１８の作動時には、蓄電装置２０から、発電電動機１８に対し、変換装置１７を介して電気エネルギを供給し、該発電電動機１８を電動機として駆動可能である。

この実施形態では、更に、ブーム（被駆動体の一つ）１８を駆動するためのブームシリンダ２４のボトム側にコントロールバルブ１２Ｂを介して両方向ポンプモータ５２を接続し、さらに発電電動機（第２の発電電動機）５４を連結している。電動発電機５４は、変換装置５６を介して直流ライン１０に接続されている。

なお、作業機械のいずれかの部分においてそのときに必要とする電気エネルギに対して、発電又は回生された電気エネルギが量的に上回るときには、蓄電装置２２にその余剰分が蓄電されるようになっている。

また、前記エンジン１、メインポンプ２、蓄電装置２０、発電電動機１８、２１、５４、及び変換装置１７、２２、５６等の各機器は、いずれも制御装置９内の制御回路によって、図示せぬリレー、スイッチ素子等を介して制御される。

次に、上述のように構成された作業機械の作用を説明する。

エンジン１が回転すると、発電電動機２１とメインポンプ２とが変速機３０、３２を介して共通に駆動される。発電電動機２１の駆動軸２１ａは、変速機３０によりエンジン１の出力軸１ａの回転速度に対して大きく増速された状態で回転し、所定の発電を行う。発電電動機２１によって発電された交流電力は、変換装置２２で直流電力に変換された後、直流ライン１０に至る。一方、これと同時にエンジン１の出力軸１ａに連結されているメインポンプ２も、変速機３２により該出力軸１ａよりも若干速い回転速度で増速駆動され、該メインポンプ２からコントロールバルブ１２Ａを介して各油圧アクチュエータに圧油が供給される。

メインポンプ２による所定の油圧アクチュエータの駆動時において、該メインポンプ２に高負荷が掛かるときは、蓄電装置２０から変換装置２２を介して発電電動機２１に電力が供給され、該発電電動機２１が電動機として駆動される。この結果、発電電動機２１は、メインポンプ２の駆動に関して、エンジン１のトルクアシストを行うことができ、エンジン１が小型でもメインポンプ２を十分に駆動できるようになる。また、メインポンプ２の最大負荷にいつでも対応するべく、エンジン１を、常に高回転速度で予備的に運転している必要がなくなり、エンジン１の最大回転速度を従来より低く設定することができて、省エネと同時に低騒音作業が可能になる。

更に、ブームシリンダ２４が収縮されるとき（ブーム１８が降下されるとき）にボトム側に存在していた圧油のエネルギを、コントロールバルブ１２Ｂ、両方向ポンプモータ５２、発電電動機５４、及び変換装置５６を介して回生することができ、蓄電装置２０の蓄電用電気エネルギとして活用することができる。

ブームシリンダ２４が収縮するときに回収することのできる回生電気エネルギは、量的に大きく、これを蓄電装置２０に蓄電できる効果は大きい。この結果、特に、エンジン１の蓄電負荷（発電電動機２１を回転させる負荷）を軽減することができ、エンジン１はその分自身の発生トルクをより長時間メインポンプ２側に振り向けることが可能となる。

その結果、その分、容量の小さなエンジンや蓄電装置を使用したり、エンジン１を一層低速で運転させたりすることができるようになり、低騒音化、高効率化が実現できる。

更に、この実施形態では、ブームシリンダ２４を伸長させるとき（ブーム１８を上昇させるとき）には、メインポンプ２の経路による圧油供給のほか、必要に応じ、蓄電装置２０、変換装置５６、及び発電電動機５４を介して駆動される両方向ポンプモータ５２からも圧油を供給することができ、ブーム１８の上げ動作をより円滑に行うことができるようになっている。

これにより、メインポンプ２を駆動するエンジン１としてより小型のものが使用できるようになるだけでなく、メインポンプ２自体についても、その圧油の供給が両方向ポンプモータ５２によってアシストされるため、従来よりも小さな容量とすることができるようになる。

本実施形態においては、被駆動体の基本的な駆動源としては、（旋回機構以外は）従来通り油圧駆動系が採用されているため、例えば、ブーム１８やアーム２６等をも駆動し得るような大容量且つ大型のエンジンや電動機、あるいは蓄電装置等を必要としない。従って、従来最も一般的に使用されている作業機械を僅かに設計変更するのみで実現でき、低コストで、且つ基本的な操作性も従来と殆ど変わらない性能を維持することができる。また、それにも拘わらず、電気系、特に回生系との融合によって、発電電動機２１によるエンジンのトルクアシスト、両方向ポンプモータ５２によるメインポンプ２の吐出量アシストを行うことで、エンジン１、メインポンプ２とも従来よりも小型（同じ大きさの場合はより強力で応答性の良い）のものを使用することができる。

例えば建設機械等において多く採用されている油圧アクチュエータ付きの作業機械であって、特に回生エネルギを回収するようにした作業機械に適用可能である。

本発明の実施形態の一例に係る作業機械の駆動装置を示すブロック構成図 油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の全体斜視図

符号の説明

１…エンジン
２…メインポンプ
９…制御装置
１２Ａ，１２Ｂ…コントロールバルブ
１７、２２、５６…変換装置
１８、２１、５４…発電電動機
１９…旋回用油圧モータ
３０、３２…変速機
１０…直流ライン
２４…ブームシリンダ

Claims (5)

1. 油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の駆動装置において、
   エンジンと、
   該エンジンの出力軸にそれぞれ接続された発電電動機及び油圧ポンプと、
   蓄電装置と、を備え、
   前記発電電動機は、発生した電力を前記蓄電装置に蓄電可能に接続されると共に、該蓄電装置からの電力供給により前記エンジンを駆動可能とされ、且つ、
   前記油圧ポンプは、前記被駆動体を駆動するための油圧アクチュエータに圧油を供給可能に接続されている
   ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
2. 油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体を備えた作業機械の駆動装置において、
   エンジンと、
   該エンジンの出力軸にそれぞれ接続された発電電動機及び油圧ポンプと、
   蓄電装置と、を備え、
   前記発電電動機は、発生した電力を前記蓄電装置に蓄電可能に接続されると共に、該蓄電装置からの電力供給により前記エンジンを駆動可能とされ、
   前記油圧ポンプは、前記被駆動体を駆動するための油圧アクチュエータに圧油を供給可能に接続され、更に、
   前記油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータのうち、少なくとも１つの油圧アクチュエータのメータアウト側に、油圧モータ及び発電機が接続され、且つ、
   該発電機によって発電される電力が前記蓄電装置によって蓄電可能とされている
   ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
3. 請求項１または２において、
   前記発電電動機及び油圧ポンプがそれぞれ互いに異なる変速比の変速機を介して前記エンジンの出力軸に接続されている
   ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
4. 請求項２または３において、
   前記作業機械は、前記油圧アクチュエータによって駆動される被駆動体としてブームを備え、
   前記油圧モータ及び発電機が接続される油圧アクチュエータが、該ブームを駆動する油圧シリンダである
   ことを特徴とする作業機械の駆動装置。
5. 請求項２〜４のいずれかにおいて、
   前記発電機が、電動機の機能をも有する第２の発電電動機であると共に、前記油圧モータが両方向ポンプモータであり、
   前記蓄電装置からの電力供給により該第２の発電電動機が駆動可能とされ、前記両方向ポンプモータを介して、前記油圧アクチュエータに圧油を供給可能に構成した
   ことを特徴とする作業機械の駆動装置。

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