JP2014001793A - 油圧ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】戻油の流量をより適切に調整可能な油圧ショベルを提供すること。
【解決手段】本発明の実施例に係る油圧ショベルは、メインポンプ１４と、メインポンプ１４にコントロールバルブ１７を介して接続されるアームシリンダ８と、アームシリンダ８とタンクとの間に配置される流量調整弁３５と、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒの圧力とボトム側圧力室８Ｂの圧力とに基づいて決まるアームシリンダ８の力行制動状態に応じて流量調整弁３５を制御する流量バランス部４０と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は油圧ショベルに関する。

従来、バケットを自重方向に動作させる際に、バケットシリンダにおける体積が増大する側の圧力室の圧力が所定値以上であれば、メータアウト制御弁の開口面積を最大にする建設機械が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この建設機械は、バケットを自重方向に動作させる際に、バケットシリンダにおける体積が増大する側の圧力室の圧力が所定値未満であれば、メータアウト制御弁の開口面積を絞るようにする。

この構成により、特許文献１の建設機械は、バケットを自由落下させる際にバケットの動作速度が大きくなり過ぎるのを防止しながらも、バケットを自重方向に積極駆動させる際に余分な圧力損失が発生するのを抑制する。

特開２０１０−１４２４４号公報

バケットシリンダは、バケットを自重方向に動かす場合であっても、力行制動状態（力行状態にあるか制動状態にあるか）が変化する。

しかしながら、特許文献１に記載の建設機械は、バケットシリンダにおける体積が増大する側の圧力室の圧力のみに基づいてメータアウト制御弁の開口面積を制御する。すなわち、バケットシリンダが力行状態にあるか制動状態にあるかにかかわらずメータアウト制御弁の開口面積を制御する。そのため、特許文献１に記載の建設機械は、バケットシリンダが力行状態にあるにもかかわらずメータアウト制御弁の開口面積を小さくし、メータアウト制御弁を流れる作動油（戻油）の流量を過度に制限してしまう。その結果、余分な圧力損失の発生を十分に抑制できない。

本発明は上述の課題に鑑みなされたものであり、戻油の流量をより適切に調整可能な油圧ショベルを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る油圧ショベルは、油圧ポンプと、前記油圧ポンプにコントロールバルブを介して接続される油圧シリンダと、前記油圧シリンダとタンクとの間に配置される流量調整弁と、前記油圧シリンダのロッド側圧力室の圧力とボトム側圧力室の圧力とに基づいて決まる前記油圧シリンダの力行制動状態に応じて前記流量調整弁を制御する流量バランス部と、を備える。

上述の手段により、本発明は、戻油の流量をより適切に調整可能な油圧ショベルを提供することができる。

本発明の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。 図１の油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 アーム閉じ動作の際のアームシリンダの状態を示す模式図（その１）である。 アーム閉じ動作の際のアームシリンダの状態を示す模式図（その２）である。 流量バランス部を含む油圧回路の要部構成例を示す概略図（その１）である。 バランス用油圧シリンダのストローク量と流量調整弁の開口面積との関係の一例を示す図である。 流量バランス部を含む油圧回路の要部構成例を示す概略図（その２）である。 本発明の実施例に係るハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。 図８のハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成を示すブロック図である。

図１は、本発明の実施例に係る油圧ショベルを示す側面図である。

油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、油圧シリンダであるブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

図２は、図１の油圧ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続されている。

コントロールバルブ１７は、油圧ショベルにおける油圧系の制御を行う装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、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、旋回油圧モータ２１Ｂ等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続されている。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、油圧ショベルの駆動制御を行う主制御部としてのコントローラである。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される装置である。

流量調整弁３５は、油圧シリンダからタンクに排出される作動油の流量を調整する弁である。本実施例では、流量調整弁３５は、コントロールバルブ１７とタンクとの間に配置される。また、流量調整弁３５は、流量バランス部４０に接続され、流量バランス部４０の動きに応じて可変絞りの開口面積を変化させ、その可変絞りを通る流量を調整する。

流量バランス部４０は、油圧シリンダからタンクに排出される作動油の流量を油圧シリンダの力行制動状態に見合う流量にバランスさせる機能要素である。本実施例では、流量バランス部４０は、アームシリンダ８の力行制動状態に応じて流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を制御する。具体的には、流量バランス部４０は、アーム５の操作の際に操作装置２６が油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に出力するパイロット圧を取得する。また、アームシリンダ８のボトム側圧力室の圧力と、アームシリンダ８のロッド側圧力室の圧力とを取得する。そして、流量バランス部４０は、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向と、アームシリンダ８内のピストンの進行方向とが同じである場合、すなわちアームシリンダ８が力行状態にある場合に、流量調整弁３５における可変絞りの開口面積を大きくする。一方、流量バランス部４０は、推力Ｆｃの方向とピストンの進行方向とが正反対である場合、すなわちアームシリンダ８が制動状態にある場合に、流量調整弁３５における可変絞りの開口面積を小さくする。

なお、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向は、ボトム側圧力室の圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１と、ロッド側圧力室の圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ２との大小関係に基づいて決まる。具体的には、推力Ｆｃ１は、ボトム側圧力室の圧力と、ボトム側圧力室に接するピストンの受圧面積との積として算出される。また、推力Ｆｃ２は、ロッド側圧力室の圧力と、ロッド側圧力室に接するピストンの受圧面積との積として算出される。そして、推力Ｆｃ１が推力Ｆｃ２より大きい場合、推力Ｆｃの方向は、ピストンの進行方向と同じ方向となり、推力Ｆｃ１が推力Ｆｃ２より小さい場合、推力Ｆｃの方向は、ピストンの進行方向とは逆の方向となる。なお、流量バランス部４０の詳細については後述する。

次に、図３を参照しながら、アーム５の閉じ動作の際のアームシリンダ８の状態について説明する。なお、図３は、アーム５の閉じ動作の際のアームシリンダ８の状態を示す模式図である。

具体的には、図３（Ａ）は、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向とアームシリンダ８におけるピストンの進行方向ＴＤとが同じ場合、すなわち、アームシリンダ８が力行状態にある場合を示す。また、図３（Ｂ）は、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向とアームシリンダ８におけるピストンの進行方向ＴＤとが逆の場合、すなわち、アームシリンダ８が制動状態にある場合を示す。なお、本実施例では、図３（Ａ）は、アーム５の自重持ち上げの状態を示し、図３（Ｂ）は、アーム５の自重落下の状態を示す。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、アーム５は、連結ピンＣＰ１のところでブーム４に対して枢動可能に取り付けられ、且つ、連結ピンＣＰ２のところでアームシリンダ８のロッドの先端に枢動可能に取り付けられる。

また、アーム５は、重心ＧＣを有し、重心ＧＣには鉛直下向きの重力Ｆｇが作用する。重力Ｆｇは、重心ＧＣを通って連結ピンＣＰ１と直交する線分に垂直な成分Ｆｇ１を有する。そのため、アーム５は、成分Ｆｇ１が小さくなる方向に連結ピンＣＰ１の回りを枢動しようとする。

したがって、図３（Ａ）に示すようにアームシリンダ８が力行状態にある場合、アーム５は、矢印ＡＲ１で示すアーム操作方向とは反対の矢印ＡＲ２で示す方向に枢動しよう（開こう）とする。一方、図３（Ｂ）に示すようにアームシリンダ８が制動状態にある場合には、アーム５は、矢印ＡＲ３で示すアーム操作方向と同じ、矢印ＡＲ４で示す方向に枢動しよう（閉じよう）とする。

また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、アームシリンダ８は、ボトム側圧力室８Ｂ及びロッド側圧力室８Ｒを有する。そして、アームシリンダ８は、メインポンプ１４が吐出する作動油をボトム側圧力室８Ｂに受け入れ、ロッド側圧力室８Ｒの作動油をタンクに排出する。

また、アームシリンダ８は、アーム５の閉じ動作の場合には、図３（Ａ）の力行状態及び図３（Ｂ）の制動状態の何れにおいても、矢印ＴＤで示す方向にピストンを進行（摺動）させる必要がある。

図３（Ａ）に示す力行状態の場合、アームシリンダ８は、連結ピンＣＰ１の回りに矢印ＡＲ２で示す方向にアーム５を枢動させよう（開こう）とする力Ｆｇ１に由来する力Ｆｄを、連結ピンＣＰ２のところで受ける。図３（Ａ）では、力Ｆｄは、矢印ＴＤで示すピストンの進行方向とは逆向きの力、すなわち、アームシリンダ８のロッドを押し込んでアームシリンダ８を収縮させる力である。

そのため、アームシリンダ８は、矢印ＴＤで示す方向にピストンを進行させるために、力Ｆｄよりも大きな逆向きの推力Ｆｃを発生させる必要がある。具体的には、アームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１を、ロッド側圧力室８Ｒの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ２よりも大きくする必要がある。なお、図３（Ａ）の斜線ハッチングは、推力Ｆｃ１が推力Ｆｃ２より大きい状態を表す。この場合、ロッド側圧力室８Ｒの作動油をタンクに排出する際に生じる圧力損失（抵抗）が低いほど、ボトム側圧力室８Ｂの圧力を低くすることができ、ひいてはボトム側圧力室８Ｂの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１を小さくすることができる。

一方、図３（Ｂ）に示す制動状態の場合、アームシリンダ８は、連結ピンＣＰ１の回りに矢印ＡＲ４で示す方向にアーム５を枢動させよう（閉じよう）とする力Ｆｇ１に由来する力Ｆｄを、連結ピンＣＰ２のところで受ける。図３（Ｂ）では、力Ｆｄは、矢印ＴＤで示すピストンの進行方向と同じ向きの力、すなわち、アームシリンダ８のロッドを引っ張ってアームシリンダ８を伸長させる力である。

そのため、アームシリンダ８は、矢印ＴＤで示す方向に適切な速度でピストンを進行させるために、力Ｆｄよりも小さな逆向きの推力Ｆｃを発生させる必要がある。アーム５の枢動（閉じ）速度が過度に大きくなるのを防止するため、すなわち、制動トルク（減速力）を発生させるためである。具体的には、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ２を、ボトム側圧力室８Ｂの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１よりも大きくする必要がある。なお、図３（Ｂ）の斜線ハッチングは、推力Ｆｃ２が推力Ｆｃ１より大きい状態を示す。

次に、図４を参照しながら、アーム５の閉じ動作が等速で行われる場合の力の釣り合いについて説明する。なお、図４は、アーム５の閉じ動作の際のアームシリンダ８の状態を示す模式図である。図４において、メインポンプ１４は、コントロールバルブ１７を通じてアームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂに作動油を供給する。また、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒにある作動油は、コントロールバルブ１７のメータアウト絞りＴＶを通ってタンクに排出される。なお、図４において、質量Ｍは、アームシリンダ８の負荷を模式的に表す。

具体的には、図４（Ａ）は、アームシリンダ８が力行状態にある場合を示し、図４（Ｂ）は、アームシリンダ８が制動状態にある場合を示す。なお、図４（Ａ）は、アーム５の自重持ち上げの状態を示し、図３（Ａ）の状態に対応する。また、図４（Ａ）のバネＳＰは、アームシリンダ８を収縮させる力Ｆｄの発生源を模式的に表す。なお、図４（Ａ）では、アームシリンダ８を収縮させる力Ｆｄの発生源はアーム５の自重であるが、掘削反力、押し付け反力等の接触抵抗の場合もある。また、図４（Ｂ）は、アーム５の自重落下の状態を示し、図３（Ｂ）の状態に対応する。

図４（Ａ）に示すように、アームシリンダ８が力行状態にある場合、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向は、矢印ＴＤで示すピストンの進行方向に等しく、アームシリンダ８を収縮させる力Ｆｄの方向とは逆の方向になる。また、アーム５を等速で動かす際、力Ｆｄの大きさを−１０［Ｎ］とすると、アームシリンダ８は、＋１０［Ｎ］の大きさの推力Ｆｃを発生させる必要がある。なお、力の向きを表す符号は、矢印ＴＤで示すピストンの進行方向に等しい向きを「＋」とする。

また、推力Ｆｃは、ボトム側圧力室８Ｂの作動油がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１と、ロッド側圧力室８Ｒの作動油がピストンに及ぼす推力Ｆｃ２との合力として表される。具体的には、推力Ｆｃ１は、ボトム側圧力室８Ｂの作動油の圧力Ｐｒｃ１に受圧面積Ａ１を乗じた値として算出される。同様に、推力Ｆｃ２は、ロッド側圧力室８Ｒの作動油の圧力Ｐｒｃ２に受圧面積Ａ２を乗じた値として算出される。

例えば、図４（Ａ）に示すように、＋１０［Ｎ］の推力Ｆｃを得ようとする場合、推力Ｆｃ２が−２［Ｎ］であれば、推力Ｆｃ１は＋１２［Ｎ］である必要がある。また、推力Ｆｃ２が−５［Ｎ］であれば、推力Ｆｃ１は＋１５［Ｎ］である必要がある。なお、推力Ｆｃ２は、ロッド側圧力室８Ｒの作動油の圧力Ｐｒｃ２が小さい程、すなわち、コントロールバルブ１７におけるメータアウト絞りＴＶの開口面積が大きい程小さくなる。

したがって、力行状態のときに推力Ｆｃ１の大きさを小さくして省エネを図るためには、メータアウト絞りＴＶの開口面積を大きくすればよい。

一方、図４（Ｂ）に示すように、アームシリンダ８が制動状態にある場合、アームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向は、矢印ＴＤで示すピストンの進行方向とは逆の方向になる。また、アームシリンダ８を伸長させる力Ｆｄの方向とも逆の方向になる。また、アーム５を等速で動かす際、力Ｆｄの大きさを＋１０［Ｎ］とすると、アームシリンダ８は、−１０［Ｎ］の大きさの推力Ｆｃを発生させる必要がある。

例えば、図４（Ｂ）に示すように、−１０［Ｎ］の推力Ｆｃを得ようとする場合、推力Ｆｃ１を＋２［Ｎ］に維持しようとすれば、推力Ｆｃ２は−１２［Ｎ］である必要がある。なお、ボトム側圧力室８Ｂの圧力は負圧とならないように制御される必要がある。キャビテーションの発生を防止するためである。すなわち、推力Ｆｃ１は、０［Ｎ］より大きい正値に維持される必要があり、推力Ｆｃ２の大きさ（絶対値）はアームシリンダ８を伸長させる逆向きの力Ｆｄの大きさ（絶対値）より大きい必要がある。

したがって、制動状態のときにキャビテーションの発生を防止するためには、メータアウト絞りＴＶの開口面積を小さくすればよい。

流量バランス部４０は、上述のような、メータアウト絞りＴＶの開口面積に関する相反する要求を満たすための機能要素である。具体的には、流量バランス部４０は、アームシリンダ８が力行状態にある場合にメータアウト絞りＴＶの開口面積を大きくし、制動状態にある場合にその開口面積を小さくする。

ここで、図５を参照しながら、流量バランス部４０の詳細について説明する。なお、図５は、流量バランス部４０を含む油圧回路の要部構成例を示す概略図である。

図５の流量バランス部４０は、アーム５の閉じ動作の際に機能する構成であり、主に、切換弁４１、切換弁４２、バランス用油圧シリンダ４３を含む。

切換弁４１は、３ポート２位置の切換弁であり、管路Ｃ１０に接続される第１ポートと、管路Ｃ１１に接続される第２ポートと、タンクに接続される第３ポートとを有する。管路Ｃ１０は、コントロールバルブ１７とアームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂとの間の管路Ｃ１に接続される。管路Ｃ１１は、バランス用油圧シリンダ４３のボトム側圧力室４３Ｂに接続される。

また、切換弁４１は、管路Ｃ１０と管路Ｃ１１とを連通させる第１位置と、管路Ｃ１０と管路Ｃ１１との間を遮断して管路Ｃ１１とタンクとを連通させる第２位置とを有する。切換弁４１は、油圧ライン２７を通じて、アーム５の閉じ動作に対応するパイロット圧を受けると、その弁位置を第２位置から第１位置に切り換える。パイロット圧を受けるまではその弁位置を第２位置のまま維持する。なお、図５は、切換弁４１が第２位置にある状態を示す。

切換弁４２は、３ポート２位置の切換弁であり、管路Ｃ２０に接続される第１ポートと、管路Ｃ２１に接続される第２ポートと、タンクに接続される第３ポートとを有する。管路Ｃ２０は、コントロールバルブ１７とアームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒとの間の管路Ｃ２に接続される。管路Ｃ２１は、バランス用油圧シリンダ４３のロッド側圧力室４３Ｒに接続される。

また、切換弁４２は、管路Ｃ２０と管路Ｃ２１とを連通させる第１位置と、管路Ｃ２０と管路Ｃ２１との間を遮断して管路Ｃ２１とタンクとを連通させる第２位置とを有する。切換弁４２は、油圧ライン２７を通じて、アーム５の閉じ動作に対応するパイロット圧を受けると、その弁位置を第２位置から第１位置に切り換える。パイロット圧を受けるまではその弁位置を第２位置のまま維持する。なお、図５は、切換弁４２が第２位置にある状態を示す。

バランス用油圧シリンダ４３は、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を調整するためのアクチュエータである。本実施例では、バランス用油圧シリンダ４３のボトム側圧力室４３Ｂの受圧面積に対するロッド側圧力室４３Ｒの受圧面積の比は、アームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂの受圧面積に対するロッド側圧力室８Ｒの受圧面積の比に等しい。

また、本実施例では、流量調整弁３５がコントロールバルブ１７とタンクとの間に配置されるため、管路Ｃ２を通ってタンクに流れる作動油の流量を制限するコントロールバルブ１７内のメータアウト絞りＴＶが省略されている。

バランス用油圧シリンダ４３は、ボトム側圧力室４３Ｂの圧力がロッド側圧力室４３Ｒの圧力よりも高い場合、バランス用油圧シリンダ４３内のピストンを図の左方向に摺動させ、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を大きくする。

一方、バランス用油圧シリンダ４３は、ロッド側圧力室４３Ｒの圧力がボトム側圧力室４３Ｂの圧力よりも高い場合、ピストンを図の右方向に摺動させ、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を小さくする。

流量バランス部４０は、アーム５の閉じ動作に対応するパイロット圧を受けると、切換弁４１により管路Ｃ１０と管路Ｃ１１とを連通させ、且つ、切換弁４２により管路Ｃ２０と管路Ｃ２１とを連通させる。すなわち、アームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂとバランス用油圧シリンダ４３のボトム側圧力室４３Ｂとを連通させ、且つ、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒとバランス用油圧シリンダ４３のロッド側圧力室４３Ｒとを連通させる。

このとき、アームシリンダ８が力行状態であれば、バランス用油圧シリンダ４３のボトム側圧力室４３Ｂの圧力がロッド側圧力室４３Ｒの圧力よりも大きくなる。その結果、流量バランス部４０は、ピストンを図の左方向に摺動させて流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を大きくし、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒの作動油をタンクに排出する際の圧力損失を小さくする。

一方、アームシリンダ８が制動状態であれば、バランス用油圧シリンダ４３のロッド側圧力室４３Ｒの圧力がボトム側圧力室４３Ｂの圧力よりも大きくなる。その結果、流量バランス部４０は、ピストンを図の右方向に摺動させて流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を小さくし、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒの作動油が所定値以上の流量でタンクに排出されるのを防止する。

図６は、バランス用油圧シリンダ４３のストローク量と流量調整弁３５の可変絞りの開口面積との関係の一例を示す図である。

図６に示すように、ロッド側圧力室４３Ｒの圧力がボトム側圧力室４３Ｂの圧力よりも大きくなると、ストローク量は小さくなり、開口面積は所定の制動時開口面積となるように制御される。すなわち、アームシリンダ８が制動状態になると、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積は、流量バランス部４０によって受動的に所定の制動時開口面積まで低下させられる。

一方、ボトム側圧力室４３Ｂの圧力がロッド側圧力室４３Ｒの圧力よりも大きくなると、ストローク量は大きくなり、開口面積は所定の力行時開口面積となるように制御される。すなわち、アームシリンダ８が力行状態になると、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積は、流量バランス部４０によって受動的に所定の力行時開口面積まで増大させられる。

また、アームシリンダ８の制動状態と力行状態との切り換わりの際には、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積は、ストローク量の変化に応じて制動時開口面積と力行時開口面積との間を滑らかに推移するように制御される。流量調整弁３５の可変絞りの開口面積が急激に変化してアーム５の動きが不安定になるのを防止するためである。

以上の構成により、流量バランス部４０は、圧力センサ等によりアームシリンダ８内の圧力を検出せずとも、アームシリンダ８の力行制動状態（力行状態にあるか制動状態にあるか）に応じて流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を適切に制御できる。

また、流量バランス部４０は、アームシリンダ８の力行制動状態に応じて機械的に且つ受動的に流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を制御する。そのため、アーム５の閉じ動作においてアーム５を自重落下させた後そのまま自重持ち上げを実行する場合であっても、アーム５の動きを不安定にすることなく、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を適切に制御することができる。すなわち、アームシリンダ８の状態が制動状態と力行状態との間で切り換わる場合であっても、流量調整弁３５の可変絞りの開口面積を迅速且つ確実に適切な開口面積に設定することができる。

なお、図５の流量バランス部４０は、アーム５の閉じ動作の際に機能する構成である。しかし、図５の流量バランス部４０は、例えば、バランス用油圧シリンダ４３のストローク量と流量調整弁３５の可変絞りの開口面積との関係を図６とは逆の関係とすることで、アーム５の開き動作の際に機能する構成となり得る。具体的には、ストローク量が小さくなるにつれて開口面積が大きくなる関係とすることで、アーム５の開き動作の際に機能する構成となる。また、ストローク量と開口面積との関係を切換可能とすることで、流量バランス部４０をアーム５の閉じ動作及び開き動作の双方に対応可能な構成としてもよい。

次に、図７を参照しながら、流量バランス部の別の構成例４０Ａについて説明する。なお、図７は、流量バランス部４０Ａを含む油圧回路の要部構成例を示す概略図である。

流量バランス部４０Ａは、アーム５の閉じ動作及び開き動作の何れでも機能する構成であり、主に、圧力センサ４５、圧力センサ４６、制御装置４７を含む。

圧力センサ４５は、アームシリンダ８のボトム側圧力室８Ｂの圧力を検出するための圧力センサである。本実施例では、圧力センサ４５は、管路Ｃ１に取り付けられるが、ボトム側圧力室８Ｂに直接取り付けられてもよい。

同様に、圧力センサ４６は、アームシリンダ８のロッド側圧力室８Ｒの圧力を検出するための圧力センサである。本実施例では、圧力センサ４６は、管路Ｃ２に取り付けられるが、ロッド側圧力室８Ｒに直接取り付けられてもよい。

圧力センサ４５、４６は、所定のサンプリング周期で圧力を検出し、検出値を制御装置４７に対して出力する。

制御装置４７は、圧力センサ２９、４５、４６の出力に基づいて、流量調整弁３５Ａに対する制御信号を生成する装置である。制御装置４７は、例えば、ＣＰＵ及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される装置である。なお、制御装置４７は、コントローラ３０に統合されていてもよく、コントローラ３０とは独立して存在するものであってもよい。

流量調整弁３５Ａは、アームシリンダ８からコントロールバルブ１７を通ってタンクに排出される作動油の流量を調整する弁である。本実施例では、流量調整弁３５Ａは、コントロールバルブ１７とタンクとの間に配置される。また、流量調整弁３５Ａは、所定の力行時開口面積を持つ絞りを有する第１位置と、所定の制動時開口面積を持つ絞りを有する第２位置とを備える切換弁である。なお、図７は、流量調整弁３５Ａが第２位置にある状態を示す。

流量調整弁３５Ａは、流量バランス部４０Ａの制御装置４７に接続され、制御装置４７が出力する制御信号に応じて弁位置を切り換える。

具体的には、制御装置４７は、圧力センサ４５及び圧力センサ４６の出力に基づいてアームシリンダ８が発生させる推力Ｆｃの方向を特定する。より具体的には、制御装置４７は、ボトム側圧力室８Ｂの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ１と、ロッド側圧力室８Ｒの圧力がピストンに及ぼす推力Ｆｃ２との大小関係に基づいて推力Ｆｃの方向を特定する。なお、推力Ｆｃ１は、圧力センサ４５が検出するボトム側圧力室８Ｂの圧力と、ボトム側圧力室８Ｂに接するピストンの所定の受圧面積との積として算出される。また、推力Ｆｃ２は、圧力センサ４６が検出するロッド側圧力室８Ｒの圧力と、ロッド側圧力室８Ｒに接するピストンの所定の受圧面積との積として算出される。そして、制御装置４７は、推力Ｆｃ１が推力Ｆｃ２より大きい場合、推力Ｆｃの方向が推力Ｆｃ１の方向、すなわち、アームシリンダ８を伸長させる方向であると特定する。また、制御装置４７は、推力Ｆｃ２が推力Ｆｃ１より大きい場合、推力Ｆｃの方向が推力Ｆｃ２の方向、すなわち、アームシリンダ８を収縮させる方向であると特定する。

また、制御装置４７は、圧力センサ２９の出力に基づいてアームシリンダ８のピストンの進行方向を特定する。具体的には、アーム５の動作に対応するパイロット圧に基づいてピストンの進行方向を特定する。

そして、制御装置４７は、推力Ｆｃの方向とピストンの進行方向とが同じであると判定した場合、開口面積を力行時開口面積に切り換えるための制御信号を流量調整弁３５Ａに対して出力する。すなわち、制御装置４７は、アームシリンダ８が力行状態にあると判定した場合、流量調整弁３５Ａの弁位置を第１位置に切り換えるための制御信号を流量調整弁３５Ａに対して出力する。

一方、制御装置４７は、推力Ｆｃの方向とピストンの進行方向とが正反対であると判定した場合、開口面積を制動時開口面積に切り換えるための制御信号を流量調整弁３５Ａに対して出力する。すなわち、制御装置４７は、アームシリンダ８が制動状態にあると判定した場合、流量調整弁３５Ａの弁位置を第２位置に切り換えるための制御信号を流量調整弁３５Ａに対して出力する。

以上の構成により、流量バランス部４０Ａは、アームシリンダ８の力行制動状態（力行状態にあるか制動状態にあるか）に応じて流量調整弁３５Ａの開口面積を適切に制御することができる。また、流量バランス部４０Ａは、アーム５の開き動作及び閉じ動作の何れにも対応することができる。

また、流量バランス部４０Ａは、アームシリンダ８が力行状態にあるか制動状態にあるかの判定結果に応じて流量調整弁３５Ａの開口面積を制御する。そのため、アーム５の閉じ動作においてアーム５を自重落下させた後そのまま自重持ち上げを実行する場合であっても、アーム５の動きを不安定にすることなく、流量調整弁３５Ａの開口面積を適切に制御することができる。すなわち、アームシリンダ８の状態が制動状態と力行状態との間で切り換わる場合であっても、流量調整弁３５Ａの開口面積を迅速且つ確実に適切な開口面積に設定することができる。

次に、図８を参照しながら、本発明の実施例に係るハイブリッド式ショベルについて説明する。なお、図８は、ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図８において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細実線でそれぞれ示されている。また、図８の駆動系は、電動発電機１２、変速機１３、インバータ１８、及び蓄電系１２０を備える点、旋回油圧モータ２１Ｂの代わりに、インバータ２０、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回減速機２４で構成される負荷駆動系を備える点で図２の駆動系と相違する。但し、その他の点において図２の駆動系と共通する。そのため、共通点の説明を省略しながら相違点を詳細に説明する。

図８において、機械式駆動部としてのエンジン１１と、発電も行うアシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。

電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続されている。

蓄電系１２０は、インバータ１８とインバータ２０との間に配置されている。これにより、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の少なくとも一方が力行運転を行っている際には、蓄電系１２０は力行運転に必要な電力を供給するとともに、少なくとも一方が発電運転を行っている際には、蓄電系１２０は発電運転によって発生した電力を電気エネルギとして蓄積する。

図９は蓄電系１２０の構成例を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。第２の蓄電器としてのＤＣバス１１０は、第１の蓄電器としてのキャパシタ１９と電動発電機１２と旋回用電動機２１との間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値及びキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。また、上述では、蓄電器の例としてキャパシタ１９を示したが、キャパシタ１９の代わりにリチウムイオン電池等の充電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。

昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り換える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。

図８に戻り、インバータ２０は、旋回用電動機２１と蓄電系１２０との間に設けられ、コントローラ３０からの指令に基づき、旋回用電動機２１に対して運転制御を行う。これにより、インバータ２０は、旋回用電動機２１が力行運転をしている際には、必要な電力を蓄電系１２０から旋回用電動機２１に供給する。また、旋回用電動機２１が発電運転をしている際には、旋回用電動機２１により発電された電力を蓄電系１２０のキャパシタ１９に蓄電する。

旋回用電動機２１は、力行運転及び発電運転の双方が可能な電動機であればよく、上部旋回体３の旋回機構２を駆動するために設けられている。力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転駆動力が減速機２４にて増幅され、上部旋回体３が加減速制御され回転運動を行う。また、発電運転の際には、上部旋回体３の慣性回転は、減速機２４にて回転数が増加されて旋回用電動機２１に伝達され、回生電力を発生させることができる。ここでは、旋回用電動機２１は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号によりインバータ２０によって交流駆動される電動機である。旋回用電動機２１は、例えば、磁石埋込型のＩＰＭモータで構成することができる。これにより、より大きな誘導起電力を発生させることができるので、回生時に旋回用電動機２１にて発電される電力を増大させることができる。

なお、蓄電系１２０のキャパシタ１９の充放電制御は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（力行運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づき、コントローラ３０によって行われる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転位置及び回転角度を検出するセンサである。具体的には、レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転前の回転軸２１Ａの回転位置と、左回転又は右回転した後の回転位置との差を検出することにより、回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出する。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転角度及び回転方向を検出することにより、旋回機構２の回転角度及び回転方向が導出される。

メカニカルブレーキ２３は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させる。このメカニカルブレーキ２３は、電磁式スイッチにより制動／解除が切り替えられる。この切り替えは、コントローラ３０によって行われる。

旋回変速機２４は、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａの回転を減速して旋回機構２に機械的に伝達する変速機である。これにより、力行運転の際には、旋回用電動機２１の回転力を増力させ、より大きな回転力を上部旋回体３へ伝達することができる。これとは逆に、回生運転の際には、上部旋回体３で発生した回転を増速して旋回用電動機２１に機械的に伝達することができる。

旋回機構２は、旋回用電動機２１のメカニカルブレーキ２３が解除された状態で旋回可能となり、これにより、上部旋回体３が左方向又は右方向に旋回される。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動アシスト運転又は発電運転の切り換え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動アシスト運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り換え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、キャパシタに充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行う。

この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り換え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。

アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。

本発明は、以上のような構成を有するハイブリッド式ショベルにも適用可能である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例において、流量調整弁３５、３５Ａは、コントロールバルブ１７とタンクとの間に配置される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。流量調整弁３５、３５Ａは、例えば、アームシリンダ８とコントロールバルブ１７との間に配置されてもよく、コントロールバルブ１７の内部に組み込まれてもよい。

また、上述の実施例では、流量バランス部４０、４０Ａは、アームシリンダ８から流出する作動油の流量を調整するために、流量調整弁３５、３５Ａの開口面積を制御する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、流量バランス部４０、４０Ａ、及び、流量調整弁３５、３５Ａは、力行状態と制動状態とが切り換わるブームシリンダ７、バケットシリンダ９等の他の油圧シリンダから流出する作動油の流量を調整するためのものであってもよい。

１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ３・・・上部旋回体 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 ８Ｂ・・・ボトム側圧力室 ８Ｒ・・・ロッド側圧力室 ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２０・・・インバータ ２１・・・旋回用電動機 ２１Ａ・・・回転軸 ２１Ｂ・・・旋回油圧モータ ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７、２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ ３５、３５Ａ・・・流量調整弁 ４０、４０Ａ・・・流量バランス部 ４１、４２・・・切換弁 ４３・・・バランス用油圧シリンダ ４３Ｂ・・・ボトム側圧力室 ４３Ｒ・・・ロッド側圧力室４５、４６・・・圧力センサ ４７・・・制御装置 １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系

Claims (5)

1. 油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプにコントロールバルブを介して接続される油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダとタンクとの間に配置される流量調整弁と、
   前記油圧シリンダのロッド側圧力室の圧力とボトム側圧力室の圧力とに基づいて決まる前記油圧シリンダの力行制動状態に応じて前記流量調整弁を制御する流量バランス部と、
   を備える油圧ショベル。
2. 前記流量調整弁は、前記油圧シリンダの力行状態及び制動状態のそれぞれに対して設定される開口面積を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の油圧ショベル。
3. 前記流量バランス部は、バランス用油圧シリンダを含み、
   前記バランス用油圧シリンダのボトム側圧力室の受圧面積に対するロッド側圧力室の受圧面積の比は、前記油圧シリンダのボトム側圧力室の受圧面積に対するロッド側圧力室の受圧面積の比に等しい、
   請求項１又は２に記載の油圧ショベル。
4. 前記油圧シリンダに対応する操作装置の出力に応じて前記バランス用油圧シリンダと前記油圧シリンダとの間の連通及び遮断を切り換える切換弁を備える、
   請求項３に記載の油圧ショベル。
5. 前記流量調整弁は、前記コントロールバルブと前記タンクとの間に配置される、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の油圧ショベル。

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