JP2009144342A

JP2009144342A - 建設機械

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Publication number: JP2009144342A
Application number: JP2007319843A
Authority: JP
Inventors: Haruo Go; 春男呉
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP5090148B2

Abstract

【課題】重量バランスや慣性モーメントのバランスを良好に保持しつつ、低コストで作業要素の駆動に伴いエネルギ回収を行うことができる建設機械を提供することを課題とする。
【解決手段】アタッチメント１０の上部には、ワイヤロープ１１が渡される。ワイヤロープ１１は、ブーム４及びアーム５の上部にそれぞれ配設される滑車１２ａ及び１２ｂに掛けられ、一端がバケットシリンダ９のジョイント１３に接続され、他端が上部車体３の後部に配設された電動機１４のドラムに接続される。電動機１４は、回生運転と力行運転の双方が可能な電動機である。ブーム４を下げる操作、アーム５を閉じる操作、又は、バケット６を閉じる操作を行うための操作指令が入力された場合に、ブーム４、アーム５、又はバケット６の動作に伴って巻き出されるワイヤロープ１１によって回転される電動機１４に回生運転を行わせ、発電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業要素の駆動に伴いエネルギ回収を行うことができる建設機械に関する。

油圧ショベルなどの建設機械において、エンジンによって発電機と油圧ポンプを駆動し、電力と油圧の双方で油圧アクチュエータを駆動するハイブリッド方式の油圧ショベル（例えば、特許文献１参照）、バッテリを動力源とするバッテリ駆動式方式の油圧ショベル（例えば、特許文献２参照）、ラック&ピニオンによるブーム駆動方式の作業機械（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特許文献１記載の油圧ショベルの回生装置は、旋回用電動機兼発電機と、ブーム、アーム、及びバケットの各々に取り付けられた回生用発電機で回生運転を行う構成である。旋回用電動機兼発電機は、旋回動作の制動時に無駄になる制動エネルギを回生電力として回収する。また、各回生用発電機は、油圧シリンダの油排出回路中で発電を行うことにより、油圧を有効利用している。

また、特許文献２記載の油圧ショベルの回生装置は、ブームの駆動装置に電動モータを用い、ブームの駆動と回生運転によるエネルギ回収を行っている。

また、特許文献３に記載されているラック&ピニオンによるブーム駆動方式の作業機械では、ブームを下げる際にラックギアに沿って転動するピニオンギアの回転力でブーム駆動モータに回生運転を行わせることによって発電を行っている。
特開２００１−２０７４８２号公報特開平１１−３４３６４２号公報特開２００６−１５２７４０号公報

しかしながら、上述の各特許文献に記載された発明には、以下のような課題がある。

特許文献１記載の発明では、ブーム、アーム、及びバケットの各々に取り付けられた回生用発電機が必要なため、コストが高くなり、また、油圧回路や装置の配置は煩雑となる。これにより、ブーム、アーム、及びバケットを含むアタッチメントの重量が特に増大し、また、慣性モーメントが増大し、油圧ショベル全体の重量バランスが悪化していた。

また、特許文献２記載の発明では、アームとバケットの駆動に伴うエネルギ回収を行うことができず、また、ブームを電動化するために、高トルクが得られる大型の電動機を用いる必要があるので、機器全体での重量増加及び燃費低下を招き、さらにブーム駆動用の電動機の設置スペース確保が困難であるという課題があった。また、電動機には出力トルク制限があるため、大型機への適用は極めて困難であった。

また、特許文献３記載の発明では、特許文献１のように電動モータと減速機等がブーム上に設置されるため、重量及び慣性モーメントの増大を招き、作業機械全体の重量バランスが悪化していた。

また、特許文献３では、特許文献１のように電動モータと減速機などをブーム上に設置されたため、ブーム、アーム、及びバケットを含むアタッチメントの重量、慣性モーメントが大きくなるとともに、作業機械全体の重量バランスが不安定化する不都合が生じる。

そこで、本発明は、重量バランスや慣性モーメントのバランスを良好に保持しつつ、低コストで作業要素の駆動に伴いエネルギ回収を行うことができる建設機械を提供することを目的とする。

本発明の一局面の建設機械は、建設作業用の作業要素を有する建設機械であって、前記作業要素が駆動されると、当該駆動に伴って引張される引張手段と、前記引張手段が前記作業要素に引張されると、当該引張力を回転力に変換して発電する発電手段とを備える。

また、前記作業要素は、油圧によって駆動されるように構成されており、前記油圧を検出する油圧検出手段と、前記油圧検出手段の検出結果に基づいて前記発電手段の発電動作を制御する発電制御手段とをさらに備え、前記発電制御手段は、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定の油圧より低いときは発電を行わせ、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定の油圧より高いときは発電を行わせないように、前記発電手段の発電動作を制御してもよい。

また、前記発電手段は力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であり、当該電動機の回生運転によって発電動作が実現されるように構成されており、前記作業要素を駆動するための駆動指令を検出する駆動指令検出手段と、前記駆動指令検出手段の検出結果に基づいて、前記作業要素の駆動をアシストするために、前記電動機に力行運転を行わせる運転制御手段とをさらに備えてもよい。

また、前記引張手段は、前記作業要素に取り付けられるワイヤ又はベルトであってもよい。

また、前記作業要素は、ブーム及びアームと、バケット、リフティングマグネット、フォーク付きマグネット、グラップル、又はクランプアームのいずれかとを含んでもよい。

本発明によれば、重量バランスや慣性モーメントのバランスを良好に保持しつつ、低コストで作業要素の駆動に伴いエネルギ回収を行うことができる建設機械を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の建設機械を適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の建設機械の構成を示す側面図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ異なる作業状態を示す。

この建設機械１は、油圧ショベルであり、下部走行体２、下部走行体２に搭載された上部車体３、上部車体３の前部に回動可能に支持されたブーム４、ブーム４の先端部に回動可能に設けられたアーム５、及び、アーム５の先端部に設けられたバケット６を含む。

ブーム４、アーム５、及びバケット６には、それぞれ、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が取り付けられており、油圧により駆動される。

ここで、ブーム４、アーム５、及びバケット６を総じてアタッチメント１０と称する。このアタッチメント１０の上部には、ワイヤロープ１１が渡される。このワイヤロープ１１は、ブーム４及びアーム５の上部にそれぞれ配設される滑車１２ａ及び１２ｂに掛けられ、一端がバケットシリンダ９のジョイント１３に接続され、他端が上部車体３の後部に配設された電動機１４のドラム（図示せず）に接続される。なお、電動機１４は、回生運転と力行運転の双方が可能な電動機である。

このような実施の形態１の建設機械において、図１（ａ）に示す作業状態から図１（ｂ）に示す作業状態に移行すると、ワイヤロープ１１は所定の長さだけ電動機１４のドラムから巻き出される。

図１（ａ）に示す作業状態におけるワイヤロープ１１は、電動機１４と滑車１２ａとの間に長さＬ１、滑車１２ａと滑車１２ｂとの間に長さＬ２、滑車１２ｂとジョイント１３との間に長さＬ３だけあり、さらに電動機１４のドラムに巻回されている。

また、図１（ｂ）に示す作業状態におけるワイヤロープ１１は、電動機１４と滑車１２ａとの間に長さＬ１＋ΔＬ１、滑車１２ａと滑車１２ｂとの間に長さＬ２＋ΔＬ２、滑車１２ｂとジョイント１３との間に長さＬ３＋ΔＬ３だけあり、図１（ａ）に示す状態よりも全体でΔＬ１＋ΔＬ２＋ΔＬ３だけ電動機１４のドラムから巻き出されている。

なお、ΔＬ１は、ブーム４だけを下げることによるワイヤロープ１１の伸び量、ΔＬ２は、アーム５だけを閉じることによるワイヤロープ１１の伸び量、ΔＬ３は、バケット６だけを閉じることによるワイヤロープ１１の伸び量である。

図２は、実施の形態１の建設機械の電動機及び巻き取り機構を拡大して示す図であり、（ａ）はワイヤロープを巻き取った状態、（ｂ）はワイヤロープが巻き出された状態をそれぞれ示す図である。ここで、ワイヤロープ１１が巻き出される／巻き取られる長さは、上述のΔＬ１＋ΔＬ２＋ΔＬ３である。また、図２（ａ）の状態は、アタッチメント１０が図１（ａ）に示す状態にある場合に相当し、図２（ｂ）の状態は、アタッチメント１０が図１（ｂ）に示す状態にある場合に相当する。なお、図２では、電動機１４のドラムを符号１４ａで示す。

電動機１４のドラム１４ａは、電動機１４の回転軸１４ｂに軸支されており、ワイヤロープ１１は、一端がドラム１４ａに巻回されている。

また、ドラム１４ａには、ワイヤロープ１１をドラム１４ａに巻き取るための巻き取り機構１５が接続されている。この巻き取り機構１５は、ワイヤロープ１５ａ、滑車１５ｂ、ばね１５ｃ、及び固定フレーム１５ｄを含む。ワイヤロープ１５ａは滑車１５ｂにより案内され、その一端は、ばね１５ｃに接続される。ばね１５ｃの他端は固定フレーム１５ｄに接続される。

ここで、ばね１５ｃは、図２（ａ）に示すようにワイヤロープ１１が巻き取られた状態において自然長Ｘとなり、図２（ｂ）に示すようにワイヤロープ１１が巻き出された状態で自然長よりも伸びた状態になるように設定される。

このような巻き取り機構１５により、ばね１５ｃが自然長に戻る復元力が働くと、ドラム１４ａを図中反時計方向に回転させ、これにより、ワイヤロープ１１を巻き取ることができる。

次に、本実施の形態の建設機械において発電が行われる原理と、ワイヤロープが巻き取られる原理について説明する。

ブーム４、アーム５、及びバケット６が駆動される場合にワイヤロープ１１が引張され、アタッチメント１０が図１（ａ）に示す位置から図１（ｂ）に示す位置まで駆動されると、ワイヤロープ１１が長さΔＬ１＋ΔＬ２＋ΔＬ３だけ巻き出されるとともに、ばね１５ｃは、図２（ａ）に示す自然長（Ｘ）から図２（ｂ）に示す長さ（Ｘ＋ΔＬ１＋ΔＬ２＋ΔＬ３）まで引き延ばされる。

ここで、上述のように、ブーム４だけを下げることによるワイヤロープ１１の伸び量はΔＬ１、アーム５だけを閉じることによるワイヤロープ１１の伸び量はΔＬ２、バケット６だけを閉じることによるワイヤロープ１１の伸び量はΔＬ３である。

すなわち、アタッチメント１０が図１（ａ）に示す位置から図１（ｂ）に示す位置まで駆動されることにより、ドラム１４ａからジョイント１５までのワイヤロープ１１の全長は、Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３（図１（ａ））から、Ｌ１＋ΔＬ１＋Ｌ２＋ΔＬ２＋Ｌ３＋ΔＬ３（図１（ｂ））に伸びるので、その伸び量ΔＬ１＋ΔＬ２＋ΔＬ３だけドラム１４ａが回転され、電動機１４によって発電が行われる。

一方、アタッチメント１０が図１（ｂ）に示す位置から図１（ａ）に示す位置まで駆動されると、ばね１５ｃの復元力により、ドラム１４ａに固定されたワイヤロープ１５ａが引張される。これにより、図２（ｂ）に示す状態からドラム１４ａが反時計方向に回転され、図２（ａ）に示す状態までワイヤロープ１１が巻き取られる。なお、このときワイヤロープ１１には常に一定の張力が付与される。

なお、詳しくは後述するが、ブーム４を上げるとき、又は、アーム５を開くときにおいてワイヤロープ１１を巻き取る際には、電動機１４の軸トルクは零に設定される。このため、ワイヤロープ１１の巻き取りに大きな力は必要なく、ばね１５ｃを小さくすることができる。

このように、アタッチメント１０の運動エネルギ及び位置エネルギは、ワイヤロープ１１によって電動機１４に伝達され、発電が行われる。このようなアタッチメント１０の運動エネルギ及び位置エネルギを電力に変換するための発電は、ブーム４を下げる動作、アーム５を閉じる動作、又は、バケット６を閉じる動作に伴って行われ、ブーム４を上げる動作、アーム５を開く動作、又は、バケット６を開く動作の場合には発電は行われない。

図３は、実施の形態２の建設機械の構成を示すブロック図である。この建設機械は、ハイブリッド式のショベルであり、動力システムとして、エンジン２０とアシスト用電動機２１を備える。エンジン２０とアシスト用電動機２１の間には、スプリッタ２２が配設されており、このスプリッタ２２には油圧ポンプ２３が接続されている。油圧ポンプ２３には、油圧制御器２４を介してブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が接続されている。ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、油圧ポンプ２３から供給される油圧によって駆動される。

また、アシスト用電動機２１は、力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であり、ドライバ制御器２５を介してバッテリ２６が接続される。

また、このショベルは、下部走行体２及び上部車体３を駆動するための電動機２７及び２８を備える。電動機１４、２７及び２８は、ドライバ制御器２５を介して後述するコントローラ２９によって駆動制御される。

コントローラ２９は、建設機械を統合的に管理・制御する制御装置である。このコントローラ２９には、運転者のレバー操作によるパイロット圧、ブームシリンダ７の油圧、アームシリンダ８の油圧、バケットシリンダ９の油圧、エンジン２０の運転状態（回転数等）、アシスト用電動機２１の運転状態（回転数、トルク等）、油圧ポンプ２３の油圧、バッテリ２６の充電状態、電動機１４の運転状態、電動機２７の運転状態、及び、電動機２８の運転状態を表す情報が送られる。また、コントローラ２９は、前述の各情報に基づいて建設機器の運転状態を判断し、油圧制御器２４とドライバ制御器２５を介して、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、アシスト用電動機２１、電動機１４、電動機２７、電動機２８の運転制御を行うとともに、バッテリ２６の充放電制御を行う。

コントローラ２９は、ドライバ制御器２５を介して、ショベルの運転時の負荷の度合に応じてアシスト用電動機２１の力行運転と回生運転の切り替え制御を行い、力行運転時にはバッテリ２６からアシスト用電動機２１に電力を供給し、回生運転時にはアシスト用電動機２１で発電される電力をバッテリ２６に充電する。

また、コントローラ２９は、ドライバ制御器２５を介して電動機１４の運転制御を行い、これにより電動機１４は、発電を行うための回生運転、バケット６を開くためにバケットシリンダ９の駆動をアシストするための力行運転、及び、電動機１４の軸トルクを零にする運転を行う。

コントローラ２９が電動機１４の軸トルクを零にするための運転制御を行うのは、ブーム４を下げる動作、アーム５を閉じる動作、又は、バケット６を閉じる動作が入力されたときに油圧シリンダ（７，８，９）の圧力が所定値よりも高い場合、ブーム４を上げる場合、及び、アーム５を開く場合である。

ここで、ブーム４を下げる動作、アーム５を閉じる動作、又は、バケット６を閉じる動作が入力された場合に油圧シリンダ（７，８，９）の圧力が所定値よりも高いときは、電動機１４に発電を行わせずに軸トルクを零にすることにより、エンジン２０の負荷を低減するためである。また、ブーム４を上げる場合、及び、アーム５を開く場合に軸トルクを零にするのは、ばね１５ｃによるワイヤロープの巻き取りを容易にするためである。

図４は、実施の形態１の建設機械におけるコントローラ２９による電動機１４の運転制御の処理手順を示す図である。また、表１は、電動機１４の発電条件を示す表である。

コントローラ２９は、操作者によるレバー操作を表す信号が入力されると処理を開始する（ステップＳ１）。

次いで、コントローラ２９は、ブーム４を上げるための操作、又は、アーム５を開くための操作のいずれかが入力されたか否かを判定する（ステップＳ２）。

いずれの操作入力もない場合は、コントローラ２９は、バケット４を開く操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ３）。

コントローラ２９は、バケット４を開く操作信号を受けていない場合は、ブーム４を下げるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ４）。

コントローラ２９は、ブーム４を下げるための操作信号を受けた場合は、ブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ５）。

ブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、アーム５を閉じるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ６）。

アーム５を閉じるための操作信号を受けた場合は、コントローラ２９は、アームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ７）。

アームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、バケット６を閉じるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ８）。

バケット６を閉じるための操作信号を受けた場合は、コントローラ２９は、バケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ９）。

バケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、電動機１４に回生運転を行わせ、発電させる（ステップＳ１０）。

なお、ステップＳ４において、ブーム４を下げるための操作信号を受けていない場合は、処理手順はステップＳ６に進行する。また、ステップＳ６において、アーム５を閉じるための操作信号を受けていない場合は、処理手順は、ステップＳ８に進行する。また、ステップＳ８において、バケット６を閉じるための操作信号を受けていない場合は、処理手順は、ステップＳ１０に進行する。

以上のように、ブーム４を下げる操作、アーム５を閉じる操作、又は、バケット６を閉じる操作を行うための操作指令が入力された場合に、操作対象の油圧シリンダ（７、８、９のいずれか）の油圧が所定値以下の場合は、ブーム４、アーム５、又はバケット６の動作に伴って巻き出されるワイヤロープ１１によって回転される電動機１４に回生運転を行わせ、発電させる。

これにより、従来は特に利用されていなかったブーム４、アーム５、又はバケット６の運動エネルギ及び位置エネルギを有効利用して電力を得ることができる。この電力をバッテリ２６の充電、又は、他の電動機（２１、２７、２８）の駆動に用いることにより、建設機械全体としてエネルギ変換効率を向上させることができ、エンジン２０の負荷を低減して低燃費化を図ることができる。

また、ステップＳ２において、ブーム４を上げるための操作、又は、アーム５を開くための操作のいずれかがあった場合は、電動機１４の軸トルクを零にさせる（ステップＳ１１）。これは、ばね１５ｃの復元力により電動機１４のドラム１４ａにワイヤロープ１１を巻き取る際のばね１５ｃの負担を軽減するためである。

なお、軸トルクを零にすることは、例えば、トルク電流指令を用いて電動機１４を運転制御している場合は、トルク電流値を零にするためのトルク電流指令で電動機１４を運転制御することによって実現される。

また、このようにステップＳ１１の処理によって電動機１４の軸トルクを零にさせるのは、ステップＳ５においてブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値よりも高い場合、ステップＳ７においてアームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高い場合、及び、ステップＳ９においてバケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高い場合においても同様である。

なお、これら（ステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９）の場合に、電動機１４の軸トルクを零にさせるのは、ブーム４を下げる操作、アーム５を閉じる操作、又は、バケット６を閉じる操作を行う際に、油圧シリンダ（７、８、９のいずれか）の油圧が所定値よりも高い場合は、発電するよりも、エンジン２０の負担を減らすことを優先させるためである。

また、ステップＳ３において、バケット４を開く操作信号を受けた場合は、コントローラ２９は、そのときの運転状態に基づき、電動機１４に供給する電力量を算出する（ステップＳ１２）。この電力量の算出は、例えば、バケット６の負荷に応じて必要な駆動トルクを予め算出したマップをコントローラ２９の内部メモリに記憶させておき、そのときのバケット６の負荷に応じた電力を算出することによって実現される。

次いで、コントローラ２９は、ワイヤロープ１１を巻き取るように電動機１４を力行運転させる（ステップＳ１３）。これにより、バケット６を開く際に、バケットシリンダ９の駆動が電動機１４によってアシストされ、エンジン２０の負担を軽減することができる。

バケット６の積載量が多いときは、バケットシリンダ９の負担が特に大きくなるため、電動機１４を発電だけに用いるのではなく、アシストのために用いることにより、よりエネルギ変換効率の高い建設機械を提供することができる。

以上の処理手順がコントローラ２９によって繰り返し実行される。

実施の形態１の建設機械によれば、ワイヤロープ１１及び電動機１４を含むエネルギ回生装置を用いることにより、ブーム４、アーム５、バケット６の運動エネルギ及び位置エネルギを効率よく電力エネルギに変換することができる。また、アタッチメント１０には、ワイヤロープ１１と滑車１２ａ及び１２ｂを取付けるだけなので、アタッチメント１０の重量増加や慣性モーメントの増加といった影響が極めて少なく、作業中における建設機械のバランスを良好に保つことができる。また、１台の電動機１４とワイヤロープ１１及びその周辺部品（１２ａ、１２ｂ、１５等）を用いることで、低コスト化も可能であり、あらゆる種類のショベル機種をはじめとする建設機械に適用することができる。

なお、実施の形態１の建設機械における電動機１４の発電条件をまとめると表１のようになる。

ここで、「条件Ａ：ブームシリンダロッド圧が所定値以下」、「条件Ｂ：アームシリンダボトム圧が所定値以下」、「条件Ｃ：バケットシリンダボトム圧が所定値以下」である。

以上では、バケット６を有する建設機械について説明したが、作業要素としてバケット６の代わりにリフティングマグネット、フォーク付きマグネット、グラップル、又はクランプアームを備えていてもよい。リフティングマグネット、フォーク付きマグネット、グラップル、又はクランプアームは、重量が２ｔ以上あるものもあり、電動機１４によるアシストは建設機械の負荷軽減に有効である。

「巻き取り機構１５の変形例」
図５は、実施の形態１の建設機械に含まれる巻き取り機構１５の変形例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。

この巻き取り機構１５Ａは、ばね１５ｃの代わりに、ドラム１４ａの回転軸１４ｂに取付けられた渦巻き状のぜんまいばね１６を備え、このぜんまいばね１６でワイヤロープ１１の巻き取りを行う。ここで、ぜんまいばね１６の中心部は回転軸１４ｂに接続され、ぜんまいばね１６の外側にある端部は、ぜんまいばね固定枠１７に固定される。

このような巻き取り機構１５Ａによっても、上述の場合と同様にワイヤロープ１１を巻き取ることができる。

［実施の形態２］
図６は、実施の形態２の建設機械の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。この建設機械は、実施の形態１の建設機械におけるワイヤロープ１１、電動機１４、及び巻き取り機構１５の代わりに、ベルト３０、発電機３１、及びベルト駆動機構３２を備えたものである。その他の構成は、すべて実施の形態１の建設機械と同一であるため、同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

なお、実施の形態２の建設機械は、アタッチメント１０の運動エネルギ及び位置エネルギを電力に変換するための発電動作のみを行い、実施の形態１における電動機１４のようなアシスト動作は行わない。

図６に示すように、ベルト３０は、並列に配設される３つのベルト３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃを含み、アタッチメント１０の各関節部に、ベルト３０ａ、３０ｂ、及び３０ｃを駆動するためのベルト駆動機構３２が設けられている。また、発電機３１は、実施の形態１における電動機１４と同様に、上部車体３の後部に取り付けられている。

ベルト駆動機構３２は、駆動軸３２ａ、３２ｂ、３２ｃを含み、駆動軸３２ａはブーム４の回転軸と同軸状に配設され、駆動軸３２ｂはアーム５の回転軸と同軸状に配設され、駆動軸３２ｃはバケットの回転軸と同軸状に配設される。

また、各駆動軸３２ａ〜３２ｃのそばには、各ベルト３０ａ〜３０ｃを案内するための滑車３３ａ、３３ｂ、及び３３ｃが配設されている。なお、説明の便宜上、図６（ｂ）では滑車３３ｂを省略する。

図６（ｂ）に示すように、各ベルト３０ａ〜３０ｃは並列に配設されており、ベルト３０ａは、発電機３１の回転軸３１ａと駆動軸３２ａとの間に掛けられる。また、ベルト３０ｂは、発電機３１の回転軸３１ａと駆動軸３２ｂとの間に掛けられる。また、ベルト３０ｃは、発電機３１の回転軸３１ａと駆動軸３２ｃとの間に掛けられる。このように、各ベルト３０ａ〜３０ｃは、すべて回転軸３１ａに巻回されている。

また、各ベルト３０ａ〜３０ｃは、滑車３３ａ〜３３ｃによって案内されることにより、図６（ａ）に示すようにアタッチメント１０に沿って張り渡される。

図７は、実施の形態２の建設機械に含まれるベルト駆動機構の構成及び動作原理を示す図であり、（ａ）はベルト３０ａの両端を部分的に示す側面図、（ｂ）はベルト３０ｂの両端を部分的に示す側面図、（ｃ）はベルト３０ｃの両端を部分的に示す側面図である。

図７（ａ）に示すように、ベルト３０ａは、回転軸３１ａと駆動軸３２ａとの間に巻回されており、ブーム４が回動する場合に駆動される。ベルト３０ａの内周部には、図７（ａ）に示すような形状の歯３０ｄが形成されており、また、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ａの外周部にも、ベルト３０ａの歯３０ｄと係合する形状の歯３１ｂ及び３２ｄがそれぞれ形成されている。

ベルト３０ａの歯３０ｄは、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ａの歯３１ｂ及び３２ｄと一方向の回転方向のみで係合するように構成されており、図７（ａ）では、ベルト３０ａが時計回りに回転する場合には、ベルト３０ａと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ａの歯３１ｂ及び３２ｄとが係合し、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ａも時計回りに回転されるが、ベルト３０ａが反時計回りに回転する場合には、ベルト３０ａの歯３０ｄと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ａの歯３１ｂ及び３２ｄとは係合せず、回転軸３１ａは回転しないように構成されている。

すなわち、ブーム４の駆動軸３２ａによるベルト伝動機構は、ブーム４が下げられる場合のみベルト３０ａを駆動可能な構造になっており、このときに発電機３１の回転軸３１ａが駆動され、発電が行われる。これにより、ブーム４の運動エネルギ及び位置エネルギを電力として回収することができる。

一方、ブーム４が上げられる場合は、ブーム４の回転軸に同軸状に配設される駆動軸３２ａは反時計方向に回転するため、ベルト３０ａは駆動されず、この結果、回転軸３１ａは駆動されないので発電は行われない。

図７（ｂ）に示すように、ベルト３０ｂは、回転軸３１ａと駆動軸３２ｂとの間に巻回されており、アーム５が回動する場合に駆動される。ベルト３０ｂの内周部には、図７（ｂ）に示すような形状の歯３０ｄが形成されており、また、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｂの外周部にも、ベルト３０ｂの歯３０ｄと係合する形状の歯３１ｂ及び３２ｄがそれぞれ形成されている。

ベルト３０ｂの歯３０ｄは、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｂの歯３１ｂ及び３２ｄと一方向の回転方向のみで係合するように構成されており、図７（ｂ）では、ベルト３０ａが時計回りに回転する場合には、ベルト３０ｂと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｂの歯３１ｂ及び３２ｄとが係合し、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｂも時計回りに回転されるが、ベルト３０ｂが反時計回りに回転する場合には、ベルト３０ｂの歯３０ｄと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｂの歯３１ｂ及び３２ｄとは係合せず、回転軸３１ａは回転しないように構成されている。

すなわち、アーム５の駆動軸３２ｂによるベルト伝動機構は、アーム５が閉じられる場合のみベルト３０ｂを駆動可能な構造になっており、このときに発電機３１の回転軸３１ａが駆動され、発電が行われる。これにより、アーム５の運動エネルギ及び位置エネルギを電力として回収することができる。

一方、アーム５が開かれる場合は、アーム５の回転軸に同軸状に配設される駆動軸３２ｂは反時計方向に回転するため、ベルト３０ｂは駆動されず、この結果、回転軸３１ａは駆動されないので発電は行われない。

図７（ｃ）に示すように、ベルト３０ｃは、回転軸３１ａと駆動軸３２ｃとの間に巻回されており、バケット６が回動する場合に駆動される。ベルト３０ｃの内周部には、図７（ｃ）に示すような形状の歯３０ｄが形成されており、また、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｃの外周部にも、ベルト３０ｂの歯３０ｄと係合する形状の歯３１ｂ及び３２ｄがそれぞれ形成されている。

ベルト３０ｃの歯３０ｄは、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｃの歯３１ｂ及び３２ｄと一方向の回転方向のみで係合するように構成されており、図７（ｃ）では、ベルト３０ｃが時計回りに回転する場合には、ベルト３０ｃと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｃの歯３１ｂ及び３２ｄとが係合し、回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｃも時計回りに回転されるが、ベルト３０ｃが反時計回りに回転する場合には、ベルト３０ｃの歯３０ｄと回転軸３１ａ及び駆動軸３２ｃの歯３１ｂ及び３２ｄとは係合せず、回転軸３１ａは回転しないように構成されている。

すなわち、バケット６の駆動軸３２ｃによるベルト伝動機構は、バケット６が閉じられる場合のみベルト３０ｃを駆動可能な構造になっており、このときに発電機３１の回転軸３１ａが駆動され、発電が行われる。これにより、バケット６の運動エネルギ及び位置エネルギを電力として回収することができる。

一方、バケット６が開かれる場合は、バケット６の回転軸に同軸状に配設される駆動軸３２ｃは反時計方向に回転するため、ベルト３０ｃは駆動されず、この結果、回転軸３１ａは駆動されないので発電は行われない。

以上のように、ブーム４、アーム５、バケット６がそれぞれ独立なベルト伝動機構を用いて、一つの回転軸３１ａを回転させるように構成されている。

図８は、実施の形態２の建設機械に含まれるベルト駆動機構を示す図であり、（ａ）は図６（ｂ）の要部（枠Ａで囲む範囲）を拡大して示す図、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大して示す斜視図である。なお、説明の便宜上、図８（ａ）においても滑車３３ｂを省略する。

ブーム４、アーム５、バケット６が同時に回動する場合、ブーム４の回動によるベルト３０ａの回転速度をωａ、アーム５回動によるベルト３０ｂの回転速度をωｂ、バケット６回動によるベルト３０ｃの回転速度をωｃとし、その回転速度関係がωａ>ωｂ>ωｃの場合について説明する。

ここでは、ベルト３０ａの回転速度ωａが一番速いので、回転軸３１ａはベルト３０ａによって先に駆動され、回転軸３１ａ回転速度ωｓは、ωｓ＝ωａとなる。この結果、各ベルト３０ａ〜３０ｃの回転速度の関係は、ωｓ＝ωａ>ωｂ>ωｃとなる。

すなわち、この場合、回転軸３１ａの回転速度ωｓは、ベルト３０ｂの回転速度ωｂ及びベルト３０ｃの回転速度ωｃよりも速い。

ここで、回転軸３１ａの回転速度ωｓの方がベルト３０ｂ及び３０ｃの回転速度ωｂ及びωｃよりも早い場合は、ベルト３０ｂ及び３０ｃは、回転軸３１ａに対して空転し、ベルト３０ｂとベルト３０ｃの動力が回転軸３１ａに伝達しない。このため、回転軸３１ａは、一番回転速度の速いベルト３０ａによって駆動されることになる。すなわち、回転軸３１ａは、常に回転速度が一番速いベルト３０ａ〜３０のうちのいずれかによって駆動される。

なお、各ベルト３０ａ〜３０ｃの回転速度がすべて同一の場合には、回転軸３１ａは、すべてのベルト３０ａ〜３０ｃによって駆動される。これは、各ベルト３０ａ〜３０ｃのうちのいずれか２つの回転速度が同一の場合においても同様である。

このように、各ベルト３０ａ〜３０ｃの回転は、互いに干渉又は制約することなく、回転軸３１ａに伝達される。

図９は、実施の形態２の建設機械の構成を示すブロック図である。実施の形態２の建設機械は、実施の形態１の建設機械の電動機１４の代わりに、発電機３１を備える点が異なる。その他の構成は実施の形態１の建設機械と同一であるため、同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

コントローラ２９は、ドライバ制御器２５を介して、ショベルの運転時の負荷の度合に応じて発電機３１の運転制御を行い、電力をバッテリ２６に充電する。

図１０は、実施の形態２の建設機械におけるコントローラ２９による発電機３１の運転制御の処理手順を示す図である。また、表２は、電動機１４の発電条件を示す表である。

コントローラ２９は、操作者によるレバー操作を表す信号が入力されると処理を開始する（ステップＳ２１）。

次いで、コントローラ２９は、バケット４を開く操作信号を受けていない場合は、ブーム４を下げるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ２２）。

コントローラ２９は、ブーム４を下げるための操作信号を受けた場合は、ブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２３）。

ブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、アーム５を閉じるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ２４）。

アーム５を閉じるための操作信号を受けた場合は、コントローラ２９は、アームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２５）。

アームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、バケット６を閉じるための操作信号を受けたか否かを判定する（ステップＳ２６）。

バケット６を閉じるための操作信号を受けた場合は、コントローラ２９は、バケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２７）。

バケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値以下の場合は、コントローラ２９は、発電機３１に発電させる（ステップＳ２８）。

なお、ステップＳ２２において、ブーム４を下げるための操作信号を受けていない場合は、処理手順はステップＳ２４に進行する。また、ステップＳ２４において、アーム５を閉じるための操作信号を受けていない場合は、処理手順は、ステップＳ２６に進行する。また、ステップＳ２６において、バケット６を閉じるための操作信号を受けていない場合は、処理手順は、ステップＳ２８に進行する。

以上のように、ブーム４を下げる操作、アーム５を閉じる操作、又は、バケット６を閉じる操作を行うための操作指令が入力された場合に、操作対象の油圧シリンダ（７、８、９のいずれか）の油圧が所定値以下の場合は、ブーム４、アーム５、又はバケット６の動作に伴って巻き出されるワイヤロープ１１によって回転される発電機３１に発電を行わせる。

なお、ステップＳ２３においてブームシリンダ７の油圧（ロッド圧）が所定値よりも高い場合、ステップＳ２５においてアームシリンダ８の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高い場合、及び、ステップＳ２７においてバケットシリンダ９の油圧（ボトム圧）が所定値よりも高い場合は、発電機１４に発電を行わせない（ステップＳ２９）。これは、ブーム４を下げる操作、アーム５を閉じる操作、又は、バケット６を閉じる操作を行う際に、油圧シリンダ（７、８、９のいずれか）の油圧が所定値よりも高い場合は、発電機３１に発電を行わせないことにより、エンジン２０の負担を減らすことを優先させるためである。

実施の形態２の建設機械によれば、ベルト３０及び発電機３１を含むエネルギ回生装置を用いることにより、ブーム４、アーム５、バケット６の運動エネルギ及び位置エネルギを効率よく電力エネルギに変換することができる。また、アタッチメント１０には、ベルト３０と滑車３３ａ、３３ｂ、及び３３ｃを取付けるだけなので、アタッチメント１０の重量増加や慣性モーメントの増加といった影響が極めて少なく、作業中における建設機械のバランスを良好に保つことができる。また、１台の発電機３１とベルト３０及びその周辺部品（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ等）を用いることで、低コスト化も可能であり、あらゆる種類のショベル機種をはじめとする建設機械に適用することができる。

なお、実施の形態２の建設機械における発電機３１の発電条件をまとめると表２のようになる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の建設機械について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の建設機械の構成を示す側面図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ異なる作業状態を示す。実施の形態１の建設機械の電動機及び巻き取り機構を拡大して示す図であり、（ａ）はワイヤロープを巻き取った状態、（ｂ）はワイヤロープが巻き出された状態をそれぞれ示す図である。実施の形態２の建設機械の構成を示すブロック図である。実施の形態１の建設機械におけるコントローラによる電動機の運転制御の処理手順を示す図である。実施の形態１の建設機械に含まれる巻き取り機構の変形例を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面を示す図である。実施の形態２の建設機械の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。実施の形態２の建設機械に含まれるベルト駆動機構の構成及び動作原理を示す図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はベルトの両端を部分的に示す側面図である。実施の形態２の建設機械に含まれるベルト駆動機構を示す図であり、（ａ）は図６（ｂ）の要部（枠Ａで囲む範囲）を拡大して示す図、（ｂ）は（ａ）の要部を拡大して示す斜視図である。実施の形態２の建設機械の構成を示すブロック図である。実施の形態２の建設機械におけるコントローラによる発電機の運転制御の処理手順を示す図である。

符号の説明

１
１建設機械
２下部走行体
３上部車体
４ブーム
５アーム
６バケット
７ブームシリンダ
８アームシリンダ
９バケットシリンダ
１０アタッチメント
１１ワイヤロープ
１２ａ、１２ｂ滑車
１３ジョイント
１４電動機
２０エンジン
２１アシスト用電動機
２２スプリッタ
２３油圧ポンプ
２４油圧制御器
２５ドライバ制御器
２６バッテリ
２７、２８電動機
２９コントローラ
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃベルト
３０ｄ歯
３１発電機
３１ａ回転軸
３１ｂ歯
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ駆動軸
３２ｄ歯
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ滑車

Claims

建設作業用の作業要素を有する建設機械であって、
前記作業要素が駆動されると、当該駆動に伴って引張される引張手段と、
前記引張手段が前記作業要素に引張されると、当該引張力を回転力に変換して発電する発電手段と
を備える、建設機械。
前記作業要素は、油圧によって駆動されるように構成されており、
前記油圧を検出する油圧検出手段と、
前記油圧検出手段の検出結果に基づいて前記発電手段の発電動作を制御する発電制御手段と
をさらに備え、前記発電制御手段は、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定の油圧より低いときは発電を行わせ、前記油圧検出手段によって検出される油圧が所定の油圧より高いときは発電を行わせないように、前記発電手段の発電動作を制御する、請求項１に記載の建設機械。
前記発電手段は力行運転及び回生運転の双方が可能な電動機であり、当該電動機の回生運転によって発電動作が実現されるように構成されており、
前記作業要素を駆動するための駆動指令を検出する駆動指令検出手段と、
前記駆動指令検出手段の検出結果に基づいて、前記作業要素の駆動をアシストするために、前記電動機に力行運転を行わせる運転制御手段と
をさらに備える、請求項１又は２に記載の建設機械。
前記引張手段は、前記作業要素に取り付けられるワイヤ又はベルトである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の建設機械。
前記作業要素は、ブーム及びアームと、バケット、リフティングマグネット、フォーク付きマグネット、グラップル、又はクランプアームのいずれかとを含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の建設機械。