JP2014524549A - 慣性エネルギーを回生するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

慣性エネルギーの回生に適した流体圧システム(10)が開示される。この流体圧システムは、ポンプ(22)と、入出力軸(82)を有する可変容量形ポンプ／モータ(28)と、アキュムレータ(30)と、弁装置(32,34,36,38,39,40,42)とを含む。弁装置は、ａ)可変容量形ポンプ／モータがポンプによって駆動されて入出力軸及び負荷を回転させる第１モード、ｂ）可変容量形ポンプ／モータが負荷の減速からの慣性エネルギーを使用してアキュムレータに蓄圧する第２モード、及び、ｃ）可変容量形ポンプ／モータがアキュムレータによって駆動されて入出力軸及び負荷を回転させる第３モードで作動可能である。流体圧システムは、ポンプ、可変容量形ポンプ／モータ、及び弁装置の動作を制御するコントローラ(50)も含んでいる。

Description

本出願は、米国を除く全ての指定国における出願人である米国企業のイートン コーポレーション、並びに、米国のみの出願人である米国民のアーロン ヘルツェル ジャゴダの名義において、２０１２年８月８日に出願されたＰＣＴ国際特許出願である。本出願は、２０１１年８月１２日に出願された米国特許出願第６１／５２３１１０号、及び、２０１１年８月１５日に出願された米国特許出願第６１／５２３５２４号に対する優先権を主張するものであり、その開示内容の全体は、参考として本説明に含まれる。

掘削機では、多くの場合、その様々な連結部及び回転接合部の相対運動を駆動するために油圧式のリニアアクチュエータ及びロータリアクチュエータが使用される。典型的には、リニアアクチュエータは油圧シリンダであり、ロータリアクチュエータは油圧モータである。油圧シリンダ及び油圧モータは制御システムによって制御され、制御システムは操作者によって操作される。これによって、操作者は、掘削機の油圧シリンダ及び油圧モータを含めて、掘削機を操作及び制御することができる。

従来の多くの掘削機は、油圧シリンダ及び／または油圧モータを、油圧シリンダ及び／または油圧モータへの油圧油の流れ、及び／または、油圧シリンダ及び／または油圧モータからの油圧油の流れをスロットルで調整することによって制御している。このようなスロットルによる調整では、通常、加圧された油圧油の流れのエネルギーが熱エネルギーに変換されることによって、エネルギーが廃棄される。この熱エネルギーは、多くの場合、掘削機の冷却システムによって除去される。このような熱エネルギーの廃棄によって、掘削機のエネルギー消費（例えば、燃料消費）は増大する。

従来の多くの掘削機では、連結部の相対運動及び回転接合部にわたる相対運動の慣性エネルギーは、油圧シリンダ及び／または油圧モータへの油圧油の流れ、及び／または、油圧シリンダ及び／または油圧モータからの油圧油の流れをスロットルで調整することにより散逸する。また、このようなスロットルによる調整では、典型的には、相対運動の慣性エネルギーが熱エネルギーに変換されることによって、エネルギーが廃棄される。また、多くの場合、この熱エネルギーは、掘削機の冷却システムによって除去する必要もある。また、この熱エネルギーは、掘削機のエネルギー消費（例えば、燃料消費）の要因ともなる。

エネルギーの回生を補助するために、電気的ハイブリッドシステムが開発されている。しかし、このようなシステムは、比較的高価であり、また、高電圧の蓄電装置を有する電気／電子回路に基づく複雑なシステムに依存していることから、保守性及び信頼性の問題が生じるおそれがある。

米国特許第７９０８８５２号に開示されるようなシステムは、油圧アキュムレータを使用して、油圧のポテンシャルエネルギーを貯蔵及び再使用する。しかし、このようなシステムは、主としてスロットルバルブにより減速を実現するものであるため、システムの全体的な効率が低下する。

本発明は、その一態様では、慣性エネルギーを回生するための方法及び装置に関する。

本発明は、別の態様では、慣性エネルギーの回生に適した流体圧システムに関する。この流体圧システムは、ポンプと、入出力軸を有する可変容量形ポンプ／モータと、アキュムレータと、弁装置とを含む。この弁装置は、ａ)可変容量形ポンプ／モータがポンプによって駆動されて入出力軸及び負荷を回転させる第１モード、ｂ）可変容量形ポンプ／モータが負荷の減速からの慣性エネルギーを使用してアキュムレータに蓄圧する第２モード、及び、ｃ）可変容量形ポンプ／モータがアキュムレータによって駆動されて入出力軸及び負荷を回転させる第３モードで作動可能である。この流体圧システムは、ポンプ、可変容量形ポンプ／モータ、及び弁装置の動作を制御するコントローラも含んでいる。

その他の様々な態様は、以下の詳細な説明に記載される。これらの態様は、個別の特徴及びそれらの特徴の組み合わせに関連させることができる。前述した一般的な説明及び後述する詳細な説明の両方は、例示または説明のみを目的とするものであり、本明細書に開示される実施形態が基づく広範な概念を制限するものではない。

図１は、本発明の原理に従う態様の例示的な特徴を有する流体システムを模式的に示す図である。 図２は、図１に示す流体システムを、第１モードの動作状態で模式的に示す図である。 図３は、図１に示す流体システムを、第２モードの動作状態で模式的に示す図である。 図４は、図１に示す流体システムを、第３モードの動作状態で模式的に示す図である。 図５は、図１に示す流体システムを、第１の圧力逃がし弁の動作状態で示す図である。 図６は、図１に示す流体システムを、第２の圧力逃がし弁の動作状態で示す図である。 図７は、図１に示す流体システムの動作を制御するための制御ロジックを示すフローチャートである。 図８は、面として表現された制御マップであり、この制御マップは、図１に示す流体システムのコントローラが、システムの動作を制御するためにアクセスできる制御マップである。 図９は、図１に示す流体システムを組み込むことができる油圧ショベルを模式的に示す右立面図である。 図１０は、図９に示す油圧ショベルを模式的に示す透視図である。

以下、添付図面に記載された本発明の開示の例示的な態様について詳細に説明する。可能な場合、同一または類似の構造には、全図面を通じて同一の参照符号を使用する。

図１−６には、本発明の原理に従う流体システム１０（その全体を符号１０で示す）が示されている。流体システム１０は、様々な掘削機または他の装置で使用するために適している。図１−６には、流体圧回路構成２０が示されている。流体圧回路構成２０は、原動機２４（例えば、ディーゼルエンジン、火花点火エンジン、または電動機などの動力源）から動力が供給される流体圧ポンプ２２を含む。このポンプ２２は、タンク４４（即ち、リザーバ）から作動流体を引き出して、加圧作動流体を複数の負荷回路に供給する。例えば、図１に示す流体圧回路構成２０は、ポンプ２２が、第１の負荷回路２６ａ、第２の負荷回路２６ｂ、及び第３の負荷回路２６ｃに、加圧作動流体を供給するように構成されている。

図１に示すように、第１の負荷回路２６ａは、可変容量形ポンプ／モータ２８及びアキュムレータ３０を有するエネルギー効率の良い負荷回路であり、可変容量形ポンプ／モータ２８に結合された作業負荷（例えば、掘削機の上部構造体）の減速に関連するエネルギーの回生に適している。この負荷回路２６ａを通じた作動流体の流れを制御するために、弁装置が使用される。この弁装置は、方向流量制御弁３２を含んでおり、この方向流量制御弁は、図示された実施形態では、三位置弁である。また、弁装置は、戻り流量制御弁３４、第１の逆止弁３６、第２の逆止弁３８、第３の逆止弁３９、第１の圧力逃し弁４０、及び第２の圧力逃し弁４２を含んでいる。圧力逃し弁４０、４２は、設定圧力を超えたときに両側を接続することによって、ポンプ／モータ２８にわたる圧力差を制限するクロスポート逃し弁として機能する（図５及び図６参照）。

電子コントローラ５０は、所望のレベルのトルクがポンプ／モータ２８の入出力軸８２を介して伝達されるように、ポンプ／モータ２８の動作を制御する。特定の実施形態において、軸８２を介して伝達されるトルクのレベルは、ポンプ／モータ２８の押しのけ容積（例えば、軸８２が一回転する間にポンプ／モータによって押しのけられる流体の量）を変化させることによって、変化させることができる。軸８２を介して伝達されるトルクを制御することによって、軸８２及び軸８２に結合された対応する作業負荷を加速及び減速することができ、減速の間のスロットル調整の必要性を最小限とするか、または解消することができる。

特定の実施形態において、第２の逆止弁３８、第３の逆止弁３９、第１の圧力逃がし弁４０、及び第２の圧力逃し弁４２の全部を、ポンプ／モータ２８とともに１つのユニットに統合し、ポンプ／モータユニット２８ａを形成するものであってもよい。また、方向流量制御弁３２、戻り流量制御弁３４、及び第１の逆止弁３６を１つの弁本体３７に組み込み、弁ユニットを形成するものであってもよい。

図２には、第１モードで動作する第１の負荷回路２６ａが示されている。このモードでは、ポンプ２２からの加圧作動流体は、可変容量形ポンプ／モータ２８を駆動し（または、ポンプ／モータ２８に動力を供給し）、入出力軸８２及びこの軸８２に結合された負荷を回転させるために使用される。第１モードは、「ポンプ駆動」モードともいえる。このモードにおいて、ポンプ／モータ２８はモータとして機能し、軸８２及び対応する作業負荷の回転を駆動する（例えば、加速する）。ポンプ駆動モードにおいて、方向流量制御弁３２は、ポンプ２２の出口側（即ち、高圧側）を可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７（即ち、高圧側または入口側）に流体連通させ、戻り流量制御弁３４は、可変容量形ポンプ／モータ２８の第２側２９（即ち、低圧側または出口側）をタンク４４に流体連通させる。

図３には、第２モードで動作する第１の負荷回路２６ａが示されている。このモードでは、可変容量形ポンプ／モータ２８の入出力軸８２に結合された負荷の減速に対応するエネルギーが、アキュムレータ３０に蓄圧するために使用される。第２モードは、「蓄圧」モードともいえる。このモードにおいて、ポンプ／モータ２８は、ポンプとして動作するとともに、軸８２及び軸８２に結合された作業負荷の回転の制御された減速を実現する制動動作を実行する。第１の負荷回路２６ａが蓄圧モードにあるとき、方向流量制御弁３２は、ポンプ２２と可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７との間の流体連通を遮断し、戻り流量制御弁３４は、可変容量形ポンプ／モータ２８の第２側２９とタンク４４との間の流体連通を遮断する。

減速の間の可変容量形ポンプ／モータ２８による作動流体の吐出によって、作動流体の流れは、可変容量形ポンプ／モータ２８の第２側２９から、第１の逆止弁３６を通過してアキュムレータ３０へ向かうように方向付けられ、アキュムレータ３０が蓄圧される。同時に、作動流体は、タンク４４から引き出され、第３の逆止弁３９を通過して可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７に向かうように流れる。

図４には、第３モードで動作する第１の負荷回路２６ａが示されている。このモードでは、アキュムレータ３０からの流体圧が、可変容量形ポンプ／モータ２８を駆動し（または、ポンプ／モータ２８に動力を供給し）、入出力軸８２及び入出力軸８２に結合された負荷を回転させるために使用される。第３モードは、「アキュムレータ開放」モードといえる。このモードにおいて、ポンプ／モータ２８はモータとして機能する。このモードにおいて、方向流量制御弁３２は、アキュムレータ３０を可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７に流体連通させる。また、方向流量制御弁３２は、ポンプ２２の高圧側を可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７から遮断する。さらに、戻り流量制御弁３４は、可変容量形ポンプ／モータ２８の第２側２９をタンク４４に流体連通させる。アキュムレータ開放モードにおいて、アキュムレータ３０に蓄積された流体圧は、可変容量形ポンプ／モータ２８を加速するか、または他の態様で駆動するために使用される。

図１に示すように、流体圧回路構成２０の動作は、流体圧回路構成の様々な要素と通信する電子コントローラ５０によって制御される。例えば、電子コントローラ５０は、インタフェースライン５３を介して、操作者インタフェース５２（例えば、操作桿、レバーアーム、操作輪、制御盤等）からの制御入力を受信する。また、電子コントローラ５０は、流体圧回路構成の全体にわたって設けられた様々なセンサ要素からの入力データ／信号も受信する。例えば、インタフェースライン５４は、電子コントローラ５０を、可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７の流体圧を監視する圧力センサ５５に接続する。また、インタフェースライン５６は、電子コントローラ５０を、可変容量形ポンプ／モータ２８の第２側２９で第１の負荷回路２６ａの圧力を監視する圧力センサ５７に接続する。さらに、インタフェースライン５８は、電子コントローラ５０を、アキュムレータ３０に蓄積された圧力を監視する圧力センサ５９に接続する。

電子コントローラ５０は、ポンプ２２、方向流量制御弁３２、可変容量形ポンプ／モータ２８、及び戻り流量制御弁３４の動作を制御する。図１に示すように、制御ライン６０は、電子コントローラ５０を、ポンプ２２のポンプ制御回路９９に接続する。ポンプ制御回路９９は、負流量制御（negative flow control：ＮＦＣ）オリフィス９７を含むものであってもよい。また、制御ライン６１は、電子コントローラ５０を、方向流量制御弁３２に接続する。さらに、制御ライン６２は、電子コントローラ５０を、可変容量形ポンプ／モータ２８に接続する。また、インタフェースライン９６は、電子コントローラ５０を、ポンプ／モータ２８の入出力軸８２の回転速度を検出する軸速度センサ９５に接続する。

ここで、ポンプ２２は、可変容量形ポンプであってもよく、それによって、様々な速度で動作可能であり、かつ、与えられた回転速度で様々な流量を汲み上げるように調整可能なものであってもよい。例えば、ポンプ２２は、原動機２４によって駆動（または、回転）される入力軸２３を含むものであってもよい。ポンプ２２は、斜板７０を含むものであってもよく、この斜板は、様々な角度をとるように配置を変えることにより、入力軸２３の与えられた回転速度におけるポンプ２２からの流出量を調整する（即ち、ポンプの押しのけ容積を変える）ことができるものであってもよい。電子コントローラ５０は、流体圧回路構成２０の全体の動作上の必要に応じて、斜板７０の配置を調整するように構成されているものであってもよい。

特定の実施形態において、可変容量形ポンプ／モータ２８は、オーバーセンター形の斜板８０と回転形の入出力軸８２を含むものであってもよい。回転形の入出力軸８２は、機械的負荷に結合されるものであってもよい。オーバーセンター形の斜板８０によって、可変容量形ポンプ／モータ２８は、入出力軸８２を時計回りと反時計回りの両方向に駆動することが可能となる。例えば、斜板８０が中心に対して一方の側に配置される場合、入出力軸８２は、可変容量形ポンプ／モータ２８によって時計回り方向に駆動される。一方、斜板８０が中心に対して他方の側に配置される場合、入出力軸８２は、反時計回り方向に駆動される。

斜板８０の配置を変更することによって、ポンプ／モータの軸８２を介して伝達されるトルクを調整し、同時に、ポンプ／モータ２８の押しのけ容積を調整することが可能となる。ポンプ／モータ２８の押しのけ容積は、軸８２が一回転する間に押しのけられる作動流体の量である。同様に、（例えば、アキュムレータ３０の蓄圧または開放にともなって）可変容量形ポンプ／モータ２８の第１側２７の流体圧が変化した場合、斜板８０の配置を調整して、入出力軸８２における所望の入出力トルクを維持することができる。斜板８０の配置は、ライン６２を介して電子コントローラ５０によって制御されるものである。

電子コントローラ５０は、入出力軸８２の入出力トルクを制御することによって、加速率または減速率を制御する。所望の入出力トルクは、蓄圧モードでは、入力トルクであってもよい。また、所望の入出力トルクは、ポンプ駆動モード及びアキュムレータ開放モードでは、出力トルクであってもよい。好ましい実施形態において、可変容量形ポンプ／モータ２８は、斜板及び回転群を含み、軸が一回転する間に押しのけられる作動流体の量は、斜板の角度に依存する。回転群は、シリンダブロック内のピストンを含むものであってもよく、斜板を使用してピストンのストローク長を変更することにより、ポンプ／モータ２８の押しのけ容積が変更されるものであってもよい。他の実施形態では、他のタイプの可変容量形ポンプ／モータを使用することができる。

入出力軸８２の加速率（即ち、入出力軸の回転速度が時間とともに増大する率）は、操作者インタフェース５２から受信された操作指令、及び、ポンプ／モータ２８の現在の動作状態に基づいて、コントローラ５０によって制御される。加速率を増大させるためには、ポンプ／モータ２８から軸８２に伝達されるトルクが増大するように、斜板８０が調整される。加速率を低下させるためには、ポンプ／モータ２８から軸８２に伝達されるトルクが低下するように、斜板８０が調整される。この加速を駆動するための動力は、ポンプ２２及びアキュムレータ３０のいずれか一方または両方からの作動流体の流れまたは圧力によって供給される。

入出力軸８２の減速率（即ち、入出力軸の回転速度が時間とともに減少する率）は、操作者インタフェース５２から受信された操作指令、及び、ポンプ／モータ２８の現在の動作状態に基づいて、コントローラ５０によって制御される。減速率を増大させる（即ち、制動機能を増大させる）ためには、運動する外部の負荷から軸８２に伝達されるトルクが増大するように、斜板８０が調整される。減速率を低下させるためには、運動する外部の負荷から軸８２に伝達されるトルクが低下するように、斜板８０が調整される。減速の間の制動からの動力は、アキュムレータ３０及び圧力逃し弁４０、４２のいずれか一方または両方への作動流体の流れまたは圧力によって吸収される。

図７には、流体圧回路構成２０の動作を制御するために電子コントローラ５０によって使用される制御ロジック８５が示されている。図７に示すように、制御ロジック８５は、ボックス８６から開始し、ここで、電子コントローラ５０は、操作者インタフェース５２からインタフェースライン５３を介して受信されるトルク制御信号を監視する。一実施形態において、トルク制御信号は、操作者インタフェース５２に設けられた操作桿の位置に依存する。トルク制御信号の値は、操作者インタフェース５２に設けられた操作桿の位置によって設定されるものであってもよい。ボックス８７において、コントローラ５０は、トルク制御信号の値がモータ動作指令（即ち、ポンプ／モータをモータとして動作させて軸８２の回転を駆動し、軸の回転を加速するか、または軸の現行の回転速度を維持するための指令）に対応するか、または、減速指令（即ち、ポンプ／モータをポンプとして動作させて軸８２の回転に制動をかけ、軸の回転を減速させるための指令）に対応するかの照会及び計算（例えば、判別）のいずれか一方または両方を実行する。

操作者ステーション５２からのトルク制御信号の値が、モータ動作指令を表す信号であった場合、制御ロジック８５はボックス８８に進み、ここで、電子コントローラ５０は、アキュムレータ３０の圧力Ｐが、圧力Ｐ_MINよりも大きいかどうかの照会及び計算（例えば、判別）のいずれか一方または両方を実行する。この圧力Ｐ_MINは、モータ動作指令を成立させるために、アキュムレータ３０が可変容量形ポンプ／モータ２８を駆動する圧力源として使用できる程度に十分な、アキュムレータ３０の最小圧力及びしきい値圧力のいずれか一方または両方に等しい。圧力ＰがＰ_MINよりも大きい場合、制御ロジック８５はボックス８９に進み、ここで、流体圧回路構成２０は、アキュムレータ開放モード（図４参照）に設定される。このモードにおいて、可変容量形ポンプ／モータ２８を駆動して軸８２及び軸８２に結合された負荷を回転させるために、アキュムレータ３０からの圧力が使用される。

ボックス８８において、アキュムレータの圧力ＰがＰ_MINよりも小さい場合、制御ロジック８５はボックス９０に進み、ここで、流体圧回路構成２０は、図２に示すポンプ駆動モードに設定される。ポンプ駆動モードでは、ポンプ２２からの加圧作動流体の吐出が、可変容量形ポンプ／モータ２８を駆動し、軸８２及び軸８２に結合された負荷の回転を駆動する（例えば、軸の回転速度を加速するか、または、軸の回転速度を維持する）ための作動流体の流れを供給するために使用される。

軸８２の駆動時、電子コントローラ５０は、入出力軸８２の出力トルクが、操作者インタフェース５２からのトルク制御信号によって指示された軸の駆動レベルとなるように、斜板８０の配置を制御する。斜板８０の配置、及び、それによる駆動／モータ動作のレベルは、コントローラ５０によって制御され、操作者インタフェース５２から受信したトルク制御信号の値、並びに、ポンプ／モータ２８の現行の実時間の動作条件（例えば、センサ９５によって検知された入出力軸８２の回転の速度及び方向、ポンプ／モータ２８にわたる圧力差、現行の斜板の配置、現行の流量等）に依存する。

ボックス８７において、トルク制御信号の値が減速指令に相当するものであった場合、制御ロジックはボックス９２に進み、ここで、電子コントローラ５０は、流体圧回路構成を、図３に示す蓄圧モードに設定する。蓄圧モードでは、ポンプ／モータ２８を使用して、軸８２に制動をかけることができ、それによって、軸８２及び軸８２に結合された負荷の回転が減速される。負荷の減速に相当するエネルギーは、アキュムレータ３０に蓄圧する（例えば、ポンプ／モータ２８を使用してアキュムレータ３０内に流体を汲み上げる）ためのエネルギー（例えば、慣性エネルギー）を使用することによって回生される。

軸８２の制動時、電子コントローラ５０は、入出力軸８２の入力トルクが、操作者インタフェース５２からのトルク制御信号によって指示された軸の制動レベルとなるように、斜板８０の配置を制御する。斜板８０の配置、及び、それによる制動レベルは、コントローラ５０によって制御され、操作者インタフェース５２から受信したトルク制御信号の値、並びに、ポンプ／モータ２８の現行の実時間の動作条件（例えば、センサ９５によって検知された入出力軸８２の回転の速度及び方向、ポンプ／モータ２８にわたる圧力差、現行の斜板の配置、現行の流量等）に依存する。

斜板８０の配置を使用して減速を制御することにより、スロットル調整の必要性が最小限となるか、または解消され、これによって、流体システム１０の全体的な効率が向上する。制御ロジック８５の全体を通じて、電子コントローラ５０は、操作者インタフェース５２から受信されるトルク制御信号及び各センサ（例えば、圧力センサ５５、５７、５９）を連続的に監視しており、これによって、流体システム１０は、操作者インタフェースの指令の変更に迅速に応答することができる。

特定の実施形態において、電子コントローラ５０は、記憶装置８１（例えば、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、または他のデータストレージ手段）と通信し、この記憶装置には、アルゴリズム、参照テーブル、参照グラフ、参照チャート、制御モデル、実験データ、制御マップ、または流体圧回路構成２０の動作の制御に使用するためにアクセス可能な他の情報が保存されている。例えば、コントローラ５０は、記憶装置に保存された制御モデルを使用し、操作者インタフェース５２から受信されたトルク制御信号の値、並びに軸８２の現行の回転速度及び回転方向を考慮して、入出力軸８２に必要とされるトルクレベルを決定することができる。斜板８０の配置は、操作者インタフェース５２から受信されたトルク制御信号の値、可変容量形ポンプ／モータ２８の入出力軸８２の回転速度、可変容量形ポンプ／モータ２８にわたる圧力差、及び可変容量形ポンプ／モータ２８の現行の押しのけ容積に依存するものであってもよい。ここで、圧力差は、ポンプ２２またはアキュムレータ３０により可変容量形ポンプ／モータ２８に対して、またはポンプ／モータ２８にわたって、供給される流量の関数である。

図８に、流体圧回路構成２０を制御するためのモデルの例を示す。図８には、制御マップ面が示されており、ｚ軸はトルク指令を示し、ｘ軸及びｙ軸は、それぞれ、操作桿信号（例えば、操作者インタフェースからのトルク制御信号）及び可変容量形ポンプ／モータ２８の入出力軸８２の検知された回転速度を示す。操作桿信号の値は、操作者インタフェース５２に設けられた操作桿の位置によって決定される。操作者は、流体圧システムの動作を制御するために操作桿を動かす。ポンプ／モータ２８を時計回り方向に回転させるためには、操作桿を正位置に移動させ、ポンプ／モータ２８を反時計回り方向に回転させるためには、負位置に移動させる。

モータ速度は、コントローラ５０が回転速度センサ９５から受信したデータによって決定される。したがって、このモータ速度は、与えられた操作桿指令が受信された時点における軸８２の実際の実時間の回転速度及び回転方向を示している。図示されるように、時計回りの回転は正、反時計回りの回転は負である。コントローラ５０は、ポンプ／モータ２８にわたる圧力差も監視するものであってもよい。

トルク値またはトルク指令は、軸８２の実際の実時間の回転速度及び回転方向を考慮して、操作桿の位置に対応する動作条件に到達するために必要とされるトルクの大きさを示している。図８に示す制御マップ面は、トルク値及び／またはトルク指令値のマップを示す。マップ面の頂部の水平面は、時計回り方向の最大トルク（例えば、時計回り方向のトルクの飽和限界）を示し、底部の水平面は、反時計回り方向の最大トルク（例えば、反時計回り方向のトルクの飽和限界）を示す。頂部の水平面と底部の水平面の間の１つまたは複数の傾斜面は、両方の最大トルク値の間で遷移するトルク値を示す。

制御システムの使用時には、操作者は、ポンプ／モータ２８の所望の動作条件に対応する位置に操作桿を動かす。軸８２に印加されるトルクの大きさ及び方向は、操作桿の位置及び軸８２の検知された回転速度に基づいて、制御モデル（即ち、トルクのマップ）から決定される。トルクが決定されたならば、コントローラは、その決定に応じて、制御モデルによって決定されたトルクレベルを供給するように斜板８０の配置を調整する。操作桿からのトルク制御信号の値及び軸８２の現行の回転速度及び回転方向に基づいて決定されたトルク指令が、軸８２に印加されている現行の実時間のトルクと同じ方向（例えば、両方のトルクが時計回り方向、または、両方のトルクが反時計回り方向）を有している場合には、トルク指令は監視指令である。このような場合、操作桿の位置に応じて、監視指令に対応するトルク制御信号が生成される。

操作桿からのトルク制御信号の値及び軸８２の現行の回転速度及び回転方向に基づいて決定されたトルク指令が、軸８２に印加されている現行の実時間のトルクと反対の方向を有している（例えば、一方のトルクが時計回り方向を有し、かつ、他方のトルクが反時計回り方向を有する）場合には、トルク指令は減速指令である。このような場合、操作桿の位置に応じて生成されるトルク制御信号は、減速指令に対応する。

好適な実施形態において、制御マップは、流体システム１０が、従来の流体システム（即ち、標準のシステム）をシミュレートまたはエミュレートするように構成される。流体システム１０の動作特性は、流体システム１０の制御マップを再構成することによって変更できる。これによって、流体システム１０に対して、最小限のハードウェアの変更で、または、ハードウェアの変更をすることなく、その特性の変更、調整等を実施することができる。

特定の実施形態において、電子コントローラ５０は、負流量制御（ＮＦＣ）ポンプの制御方法を使用してポンプ２２を制御するものであってもよい。好適な実施形態において、制御マップは、流体システム１０が、ＮＦＣポンプの制御方法を使用する従来の流体システムをシミュレートまたはエミュレートするように構成される。ポンプ／モータ２８にわたる作動流体の流量は、負流量制御ポンプの制御方法、負荷圧力、及び方向流量制御弁３２が備える制御弁オリフィス領域によって制御することができる。電子コントローラ５０は、方向流量制御弁３２が所望のオリフィス領域を備えるように弁３２を制御することができる。

本明細書に開示されるシステムの態様によれば、ハードウェア開発の必要性が低減され、また、ハードウェアの大きなを進歩を要することなく任意の操作者の好みに応じてシステムの「感触」をカスタマイズできることにより、システムの市場への投入が促進される。

一実施形態において、流体圧回路構成２０は、油圧ショベルのような可動式掘削機の一部として組み込まれるものである。例えば、図９及び図１０に例示される油圧ショベル１００は、車台１１０上に支持された上部構造体１１２を含んでいる。車台１１０は、油圧ショベル１００を地上走行させるための推進構造を含むものであってもよい。例えば、車台１１０は、左右の無限軌道を含むものであってもよい。上部構造体１１２は、車台１１０に対して、旋回軸１０８（即ち、スイング軸）回りに旋回可能なものである。特定の実施形態において、流体圧回路構成２０の可変容量形ポンプ／モータ２８は、上部構造体１１２を車台１１０に対してスイング軸１０８回りに旋回させるためのスイング用モータとして使用されるものであってもよい。

上部構造体１１２は、原動機２４を支持するものであってもよく、操作者インタフェース５２が設けられた運転台１２５を含むものであってもよい。ブーム１０２は、上部構造体１１２によって支持され、ブームシリンダ１０２ｃにより上昇位置と下降位置との間で旋回する。特定の実施形態において、ブームシリンダ１０２ｃは、第２の負荷回路２６ｂの一部であってもよい。アーム１０４は、ブーム１２０の先端部に旋回可能に結合されている。アームシリンダ１０４ｃは、ブーム１０２に対してアーム１０４を旋回させるために使用される。特定の実施形態において、アームシリンダ１０４ｃは、流体圧回路構成２０のさらなる負荷回路（即ち、回路２６ｂと同様の回路）の一部であってもよい。油圧ショベル１００は、アーム１０４の先端部に旋回可能に結合されたバケット１０６も含んでいる。バケットシリンダ１０６ｃは、アーム１０４に対してバケット１０６を旋回させるために使用される。特定の実施形態において、このシリンダ１０６ｃは、流体圧回路構成２０のさらなる負荷回路（即ち、回路２６ｂと同様の回路）の一部であってもよい。特定の実施形態において、第３の負荷回路２６ｃは、推進装置の左無限軌道及び右無限軌道のいずれか一方または両方を推進させるために使用される流体圧モータ１１４を駆動するために使用されるものであってもよい。

従来の多くの油圧ショベルにおいて、油圧ショベルのリニアアクチュエータ（例えば、流体圧シリンダ）及びロータリアクチュエータ（例えば、流体圧モータ）に動力を供給するために、加圧作動流体が使用される。従来の油圧ショベルは、例示した油圧ショベル１００の多くの特徴を有している。リニアアクチュエータは、油圧ショベルの様々な連結部を駆動するものであってもよい。例えば、ブーム連結部、アーム連結部、及びバケット連結部は、流体圧シリンダ１０２ｃ、１０４ｃ、１０６ｃのように、それぞれ専用の１つまたは複数の流体圧シリンダによって駆動されるものであってもよい。ロータリアクチュエータは、油圧ショベルの様々な回転接合部にわたる相対運動を駆動するものであってもよい。例えば、スイング用モータは、車台と上部構造体との間のスイング接合部１０８と同様のスイング接合部を、油圧ショベルのスイング軸回りに駆動するものであってもよい。また、無限軌道用モータ１１４は、油圧ショベルの無限軌道駆動部１１６を駆動するものであってもよい。

流体システム１０は、（例えば、制御マップを構成することによって）、例示した油圧ショベル１００が従来の油圧ショベルをエミュレートするように構成することができる。従来の油圧ショベルをエミュレートすることによって、従来の油圧ショベルの操作に慣れている操作者が、以前の操作経験に基づいて、高い生産性をもって油圧ショベル１００を操作することが可能となる。

上述したように、本発明は、加圧作動流体とアクチュエータとの間で効率的に動力を伝達する方法を提供するものである。特に、本発明に係る流体システム１０は、加圧作動流体からロータリアクチュエータ（例えば、可変容量形ポンプ／モータ２８）に効率的に動力を伝達し、かつ、ロータリアクチュエータ（例えば、可変容量形ポンプ／モータ２８）から加圧作動流体に効率的に動力を伝達する。加えて、本発明に係る方法及び流体システム１０は、ロータリアクチュエータから流体圧アキュムレータ３０に加圧作動流体を介して効率的に動力を貯蔵し、その動力を流体圧アキュムレータ３０から効率的に取り出して、加圧作動流体を介してロータリアクチュエータに効率的に供給するものである。図示された実施形態では、ロータリアクチュエータは、油圧ショベルのスイング用モータとして機能する。

従来の油圧ショベルでは、加圧作動流体は、典型的には、流体圧リザーバ（即ち、流体圧タンク）から低圧の作動流体を引き出す流体圧ポンプによって加圧される。流体圧ポンプには、典型的には、原動機（例えば、ディーゼルエンジン）により動力が供給される。加圧作動流体によりアクチュエータに動力が供給されると、そのアクチュエータを通じて流れる加圧作動流体の圧力は低下する。アクチュエータを通じて作動流体が流れると、その作動流体は、低圧で流体圧リザーバに還流される。作動流体は、流体から熱を散逸させるために、熱交換装置を通過する場合もある。作動流体が、ポンプ、１つまたは複数のアクチュエータ、及び流体圧リザーバを閉ループで循環することにより、流体圧回路が形成される。

図示された実施形態では、加圧作動流体は、流体圧リザーバ４４（即ち、流体圧タンク）から低圧の作動流体を引き出すポンプ２２により加圧される。これによって、ポンプ２２は、流体圧の動力を、加圧作動流体に与える。ポンプ２２自体には、原動機２４（例えば、ディーゼルエンジン）により動力が供給される。ポンプ２２からの流体圧の動力は、上述したように、加圧作動流体によって複数のアクチュエータに選択的に供給される。

図示されるように、ロータリアクチュエータ及びリニアアクチュエータは、制御弁を介してポンプ２２に流体連通する。さらに、他のアクチュエータが、ポンプ２２に流体連通するものであってもよい。ロータリアクチュエータは、例えば、無限軌道用モータ１１４（即ち、右無限軌道用モータ、または、左無限軌道用モータ）を含むものであってもよい。リニアアクチュエータは、例えば、ブーム連結部用流体圧シリンダ１０２ｃ、アーム連結部用流体圧シリンダ１０４ｃ、及び、バケット連結部用流体圧シリンダ１０６ｃのいずれか１つまたはこれらの任意の組み合わせを含むものであってもよい。作動流体の動力が供給されると、１つまたは複数のアクチュエータを通じて流れる加圧作動流体の圧力は低下する。アクチュエータを通じて作動流体が流れると、その作動流体は、低圧で流体圧リザーバ４４に還流される。作動流体は、流体から熱を散逸させるために、熱交換装置を通過するものであってもよい。作動流体が、ポンプ２２、１つまたは複数のアクチュエータ、及び流体圧リザーバ４４を閉ループで循環することにより、流体圧回路が形成される。

上述したように、ロータリアクチュエータ（例えば、可変容量形ポンプ／モータ２８）は、ポンプ２２から遮断されるものであってもよく、代わりに、流体圧の動力を流体圧アキュムレータ３０から受け取るものであってもよい。また、ロータリアクチュエータは、流体圧の動力を流体圧アキュムレータ３０に供給もするものであってもよい。ロータリアクチュエータは、（例えば、流体圧アキュムレータ３０がそのエネルギー貯蔵の容量まで達したときに）、流体圧の動力を、１つまたは複数の圧力逃がし弁にわたって放出するものであってもよい。圧力逃し弁の圧力逃し設定は、流体システム１０の制御マップの頂部の限界及び底部の限界を実際に定めるものであってもよい。

流体圧回路中の回転式流体圧要素（例えば、流体圧ポンプ、流体圧モータ、または、流体圧ポンプ／モータ）は、典型的には、２つの主ポート（即ち、第１のポート及び第２のポート）を有している。流体圧ポンプ及び流体圧モータでは、第１のポートは入口ポートであってもよく、第２のポートは出口ポートであってもよい。この場合、作動流体は、典型的には、入口ポートから出口ポートに流れるものである。特定の可変容量形ポンプ／モータ（例えば、可変容量形ポンプ／モータ２８）は、可変容量形ポンプ／モータ内の斜板を調整することによって押しのけ容積を変更できるものであってもよく、さらに、流体の流れる方向と入出力軸の回転方向との間の関係を逆転可能なものであってもよい。このような２ポート形回転式流体圧要素は、典型的には、第１のポートと第２のポートで略同一の流量を有するものである。２つのポートの間での流量の小さな差異は、例えば、回転式流体圧要素の内部漏洩によって生じる場合がある。

流体圧回路の任意の箇所における２つの主要な変数は、流体圧と流量である。流体回路の任意の箇所において、流体圧と流量との積は、得られる動力に実質的に関連する。与えられた回転式流体圧要素の２つのポートにおいて流量は略同一であるから、加圧作動流体によってその回転式流体圧要素に与えられる動力、または、その回転式流体圧要素から加圧作動流体が受け取る動力は、実質的に、その回転式流体圧要素を通じて流れる流量と、その回転式流体圧要素の２つのポート間の流体圧の差（即ち、圧力降下または圧力上昇）との積に等しい。与えられた回転式流体圧要素の２つのポート間の流体圧の差が、作動流体の流れの方向に沿って減少していれば、圧力降下が生じており、その回転式流体圧要素は、加圧作動流体から動力を受け取っている。また、与えられた回転式流体圧要素の２つのポート間の流体圧の差が、作動流体の流れの方向に沿って増大していれば、圧力上昇が生じており、その回転式流体圧要素は、加圧作動流体に動力を与えている。加圧作動流体と与えられた回転式流体圧要素との間で伝達される動力のある程度の（典型的には僅かな）部分は、回転式流体圧要素の非効率性のため、熱損失となる。

専用の流体圧回路において、特定の回転式流体圧要素は、１つまたは複数の別の回転式流体圧要素と整合がとられている。例えば、静流体圧式変速機は、典型的には、専用のモータまたはモータ群に流体連通する専用のポンプを含んでいる。このような整合がとられた回転式流体圧要素群では、流体圧及び流量は、１つまたは複数のモータ上の外部の負荷と連続的に整合している。この整合は、典型的には、可変容量型ポンプを使用することによって実施される。このような整合がとられた回転式流体圧要素群では、流体動力の熱損失部分を、回転式流体圧要素の非効率性、及び、回転式流体圧要素に接続された様々な配管内での流体摩擦にほぼ限定することができる。

特定の流体圧システム（例えば、流体システム１０及び従来の油圧ショベルの流体圧システム）において、特定の回転式流体圧要素は、直接には関連のない２つ以上の回転式流体圧要素で共有されている。例えば、従来の油圧ショベルにおいて、スイング用モータと無限軌道用モータにより共通のポンプが共有されている場合がある。共通のポンプは、さらに、他の流体圧要素（例えば、流体圧シリンダ）によって共有されている場合もある。このような流体圧要素群では、共通のポンプの流体圧及び流量のいずれか一方または両方と、２つのモータ（例えば、スイング用モータ及び無限軌道用モータ）のいずれか一方または両方の外部負荷との整合、または、他の流体圧要素上の外部負荷との整合は、必ずしもとられていない。

従来のシステムにおいて、ポンプの流体圧の動力と、複数のモータ及び他の流体圧要素で全体として必要とされる動力とを整合させるためには、例えばスロットル弁によって、各モータ及び／または各他の流体圧要素への作動流体の流量、及び／または、各モータ及び／または各他の流体圧要素からの作動流体の流量を、絞り調整することができる。一方、可変容量形ポンプ／モータ２８では、典型的には、アキュムレータ３０が満杯になったときを除いて、スロットル調整を実施する必要はない。アキュムレータ３０が満杯になるような状況を低減または解消するためには、油圧ショベル１００の負荷サイクルを勘案の上、適切なサイズのアキュムレータ３０を設ければよい。アキュムレータ３０の適切なサイズは、エネルギー節約の経済性とアキュムレータ３０を大型化する費用との対比に基づいて、選択することができる。

回転式流体圧要素と同様に、与えられたスロットル弁の２つのポート間の流量は略同一である。加圧作動流体によってスロットル弁に供給される動力は、実質的に、スロットル弁を通じて流れる流体の流量と、スロットル弁の２つのポート間の流体圧の差との積に等しい。スロットル弁の場合、２つのポート間の流体圧の差は、圧力降下である（即ち、圧力は、作動流動の流れの方向に沿って減少する）。加圧作動流体によってスロットル弁に供給される動力は、熱に変換され、そして、典型的には、廃棄される。この排熱は、典型的には、油圧ショベルの冷却システムによって除去しなければならない。

従来の油圧ショベルでは、油圧ショベルの動作特性がスロットル調整によって影響を受ける。一方、本発明では、流体システム１０及び油圧ショベル１００は、スイング駆動部を駆動している間、及び、スイング駆動部から慣性エネルギーを回生している間に、スロットル調整を実施することなく、従来の油圧ショベルをエミュレートするものである。

流体システム１０は、流体圧負荷に対して、並列された動力源（即ち、ポンプ２２及びアキュムレータ３０）を備えている。これによって、流体システム１０は、流体圧負荷の全体により完全な動力を供給することが可能となる。この結果、与えられた原動機２４のサイズに対する油圧ショベル１００の性能が向上する。あるいは、原動機２４を小型化することができ、その油圧ショベル１００で、従来の油圧ショベルと同一のまたは類似の性能を達成することができる。

以上、当業者であれば、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく、本明細書で開示された事項に対する様々な修正及び変更が可能であることは明らかであり、本発明の範囲は、上述した実施形態によって過度に限定されるものではない。

Claims (20)

1. 慣性エネルギーの回生に適した流体圧システムであって、
   ポンプと、
   負荷の結合に適した入出力軸を有する可変容量形ポンプ／モータと、
   アキュムレータと、
   ａ)前記可変容量形ポンプ／モータが前記ポンプによって駆動されて前記入出力軸及び前記負荷を回転させる第１モード、ｂ）前記可変容量形ポンプ／モータが前記負荷の減速からの慣性エネルギーを使用して前記アキュムレータに蓄圧する第２モード、及び、ｃ）前記可変容量形ポンプ／モータが前記アキュムレータによって駆動されて前記入出力軸及び前記負荷を回転させる第３モードで作動可能な弁装置と、
   前記ポンプ、前記可変容量形ポンプ／モータ、及び前記弁装置の動作を制御するコントローラと、を含むことを特徴とする流体圧システム。
2. 前記コントローラは、前記可変容量形ポンプ／モータの動作を制御して、前記可変容量形ポンプ／モータの前記入出力軸を介して伝達されるトルクを制御することを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
3. 前記入出力軸の回転方向及び回転速度を制御するためのトルク制御信号を、前記コントローラに入力する操作者インタフェースをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
4. 前記トルク制御信号が減速指令に対応するとき、前記コントローラは、前記弁装置を前記第２モードに変更し、前記弁装置が前記第２モードにあるとき、前記可変容量形ポンプ／モータは、ポンプ動作及び制動動作を実行することを特徴とする請求項３に記載の流体圧システム。
5. 前記可変容量形ポンプ／モータは、斜板を含んでおり、前記コントローラは、前記斜板の配置を制御して、制動の間に前記可変容量形ポンプ／モータの前記入出力軸を介して伝達されるトルクを制御することを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
6. 前記斜板は、オーバーセンター形の斜板であることを特徴とする請求項５に記載の流体圧システム。
7. 前記トルク制御信号の値と、前記可変容量形ポンプ／モータの検知された回転速度と、前記可変容量形ポンプ／モータを介して伝達されるトルクとの関係を定義する制御モデルが保存された記憶装置をさらに含んでおり、前記コントローラは、前記制御モデルを使用して、前記入出力軸を介して伝達されるトルクの大きさを決定することを特徴とする請求項３に記載の流体圧システム。
8. 前記コントローラは、前記入出力軸の回転速度を検知する速度センサと通信することを特徴とする請求項７に記載の流体圧システム。
9. 前記コントローラは、前記可変容量形ポンプ／モータにわたる圧力差を検知する圧力センサ装置と通信することを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
10. 前記アキュムレータの蓄積圧力を検知する圧力センサをさらに含んでおり、前記コントローラは、前記蓄積圧力が所定のしきい値圧力よりも大きい場合にのみ、前記弁装置を前記第３モードに変更することを特徴とする請求項３に記載の流体圧システム。
11. 前記可変容量形ポンプ／モータは、掘削機の上部構造体を、前記掘削機の車台に対してスイング軸回りに旋回させ、前記上部構造体は、掘削用ブームを含むことを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
12. 前記ポンプは、前記掘削用ブームを上下に旋回させるために使用される流体圧シリンダも駆動することを特徴とする請求項１１に記載の流体圧システム。
13. 前記ポンプは、前記車台の無限軌道に動力を供給する流体圧モータも駆動することを特徴とする請求項１２に記載の流体圧システム。
14. 前記可変容量形ポンプ／モータは、斜板を含んでおり、前記コントローラは、前記斜板の配置を制御して、前記入出力軸を介して印加されるトルクを前記トルク制御信号の値に応じて変更することを特徴とする請求項１に記載の流体圧システム。
15. 掘削機で使用される流体圧スイング駆動部であって、該流体圧スイング駆動部は、前記掘削機の掘削構造体の加速及び減速を駆動し、前記流体圧スイング駆動部は、
    ポンプ供給ライン内の作動流体にポンプ圧力を生成する流体圧ポンプと、
    アキュムレータ圧力下の作動流体を備えてアキュムレータラインと流体連通するアキュムレータと、
    作動流体を備えて、タンクラインと流体連通するタンクと、
    前記掘削構造体の加速及び減速を選択的に駆動する可変容量形ポンプ／モータと、を含み、該可変容量形ポンプ／モータは、該可変容量形ポンプ／モータの第１のライン及び第２のラインに流体連通し、
    前記アキュムレータ圧力がしきい値圧力よりも大きく、かつ、前記掘削構造体の加速が要求されたときに、前記アキュムレータを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第１のラインに選択的に連通させ、前記タンクラインを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第２のラインに選択的に連通させ、また、前記アキュムレータ圧力が前記しきい値圧力以下であり、かつ、前記掘削構造体の加速が要求されたときに、前記ポンプ供給ラインを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第１のラインに選択的に連通させ、前記タンクラインを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第２のラインに選択的に連通させ、そして、前記掘削構造体の減速が要求され、かつ、アキュムレータの蓄圧が望ましいときに、前記アキュムレータラインを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第２のラインに選択的に連通させ、前記タンクラインを前記可変容量形ポンプ／モータの前記第１のラインに選択的に連通させる、バルブ装置をさらに含む、ことを特徴とする流体圧スイング駆動部。
16. 前記バルブ装置は、前記掘削構造体の減速が要求され、かつ、前記アキュムレータの蓄圧が望ましくないときに、スロットルを前記可変容量形ポンプ／モータの第２のラインに選択的に連通させ、前記タンクラインを前記可変容量形ポンプ／モータの第１のラインに選択的に連通させることを特徴とする請求項１５に記載の流体圧スイング駆動部。
17. 前記可変容量形ポンプ／モータは、オーバーセンター形の可変容量形ポンプ／モータであることを特徴とする請求項１５に記載の流体圧スイング駆動部。
18. コントローラと操作者インタフェースとをさらに含んでおり、前記操作者インタフェースは、前記掘削構造体の加速が要求されたときに加速要求信号を生成し、前記操作者インタフェースは、前記掘削構造体の減速が要求されたときに減速要求信号を生成し、前記コントローラは、前記加速要求信号及び前記減速要求信号を受信し、そして、前記コントローラは、前記加速要求信号または前記減速要求信号を受信したときに、少なくとも１つの弁信号を前記弁装置に送信することを特徴とする請求項１７に記載の流体圧スイング駆動部。
19. 前記加速要求信号及び前記減速要求信号は、比例要求信号であることを特徴とする請求項１８に記載の流体圧スイング駆動部。
20. 前記コントローラは、前記オーバーセンター形の可変容量形ポンプ／モータに、前記比例要求信号から少なくとも部分的に計算された押しのけ信号を送信することを特徴とする請求項１９に記載の流体圧スイング駆動部。