JP2015501913A - エネルギを回生する油圧システム - Google Patents

Abstract

機械（１０）用の油圧システム（５０）が開示されている。油圧システムは、流体を加圧するように構成されたポンプ（５８）と、加圧流体によって駆動されて、機械の本体（３８）を車台（１６）に対して旋回させる旋回モータ（４４）と、ポンプを旋回モータに流体的に接続する第１の回路（５６）とを有することができる。油圧システムはまた、旋回モータに機械的に連結されたエネルギ回生モータ（１３０）と、少なくとも１つのアキュムレータ（１３２）と、少なくとも１つのアキュムレータをエネルギ回生モータに流体的に接続する第２の回路（６０）とを有することができる。

Description

本開示は、概略的には、油圧システムに関し、より詳細には、エネルギを回生する油圧システムに関する。

掘削機、ドラグライン、クレーン、ローダ、および他のタイプの重機などの機械は、１つまたは複数の油圧アクチュエータを使用して作業具を動かす。これらのアクチュエータは、アクチュエータ内のチャンバに加圧流体を供給する機械のポンプに流体的に接続されている。加圧流体が、チャンバの中に移動するか、またはチャンバを通り抜けるときに、流体の圧力がチャンバの油圧面に作用して、アクチュエータおよび連結された作業具の動作に影響を及ぼす。加圧流体がチャンバから排出されると、加圧流体は、機械の低圧油だめに戻される。

このタイプの油圧装置に関連する問題の１つに効率がある。特に、アクチュエータチャンバから油だめに流れ出る流体は、すでに油だめ内にある流体の圧力よりも高い圧力を有する。結果として、油だめに流れ込む高圧の方の流体は、まだある程度のエネルギを含み、このエネルギは、低圧の油だめに流入するときに浪費される。このエネルギの浪費により、油圧システムの効率が低下する。

そのような油圧システムの効率を改善する１つの方法が、２０１１年３月２２日にＺｈａｎｇらに対して発行された（特許文献１）に記載されている。（特許文献１）は、旋回モータの動作によって発生した運動エネルギを油圧ポテンシャルエネルギに変換し、そのポテンシャルエネルギを次の旋回モータの加速に再利用する油圧システムを開示している。油圧システムは、動作している旋回モータに加えられた慣性トルクによって加圧された、旋回モータからの排出油を貯蔵するアキュムレータを含む。次いで、アキュムレータ内の加圧油は、選択的に旋回モータに送り返されてモータを加速する。

（特許文献１）のシステムは、従来の油圧システムと比較して効率を改善できるが、まだ最適ではないこともある。具体的には、（特許文献１）のシステムは、旋回モータからの排出油を蓄積し、蓄積した油を旋回モータに直接戻すので、油が取り込みおよび再利用を可能にする圧力を有するのを確実にする助けとなるように、手当てを講じなければならない。この手当てにより、機能性が限定された、より複雑で、かつ／またはより高価なシステムになることがある。

米国特許第７，９０８，８５２号明細書

開示される油圧システムは、上記の問題の１つまたは複数、および／または当技術分野で公知の他の問題を解決することを目的とする。

本開示の一態様は、機械用の油圧システムに関する。油圧システムは、流体を加圧するように構成されたポンプと、加圧流体によって駆動されて、機械の本体を車台に対して旋回させる旋回モータと、ポンプを旋回モータに流体的に接続する第１の回路とを含むことができる。油圧システムはまた、旋回モータに機械的に連結されたエネルギ回生モータと、少なくとも１つのアキュムレータと、少なくとも１つのアキュムレータをエネルギ回生モータに流体的に接続する第２の回路とを含むことができる。

本開示の別の態様は、機械のエネルギを回生する方法に関する。方法は、第１の回路内の流体を加圧することと、加圧流体を利用して、機械の本体を車台に対して旋回させることとを含むことができる。方法はまた、機械の本体の旋回を利用して、第２の回路内の流体を加圧することと、加圧された流体を第２の回路内に貯蔵することとを含むことができる。方法は、貯蔵された流体を第２の回路から選択的に送って、機械の本体を旋回させることをさらに含むことができる。

開示する例示的な機械の概略図である。 図１の機械とともに使用できる、開示する例示的な油圧システムの概略図である。 図１の機械とともに使用できる、開示する別の例示的な油圧システムの一部分の概略図である。 図１の機械とともに使用できる、開示するさらに別の例示的な油圧システムの一部分の概略図である。

図１は、協働して作業を行う複数のシステムおよび構成要素を有する例示的な機械１０を示している。機械１０は、鉱業、建設業、農業、運送業、または当技術分野で公知の他の産業などの産業に関連した、ある種の作業を行う固定または可動機械として具現化することができる。例えば、機械１０は、掘削機（図１に示す）、ドラグライン、フロントショベル、バックホー、または他の土木機械などの土木機械とすることができる。機械１０は、作業具１４を動かすように構成された用具システム１２と、機械１０を推進する駆動システム１６と、用具システム１２および駆動システム１６に動力を供給する動力源１８とを含むことができる。

用具システム１２は、作業具１４を移動させるために、流体アクチュエータによって駆動されるリンク機構構造体を含むことができる。具体的には、用具システム１２は、１対の隣接する複動式油圧シリンダ２６（図１に１つだけを示す）によって、作業面２４に対して水平軸（図示せず）のまわりを垂直方向に回転するブーム２２を含むことができる。用具システム１２はまた、単一の複動式油圧シリンダ３２によって、水平軸３０のまわりを垂直方向に回転するスティック２８を含むことができる。用具システム１２は、作業具１４を水平回転軸３６のまわりに垂直方向に回転させる、スティック２８と作業具１４との間に動作可能に連結された単一の複動式油圧シリンダ３４をさらに含むことができる。ブーム２２は、機械１０の本体３８に回転可能に連結することができる。本体３８は、油圧旋回モータ４４によって、車台４０に対して垂直軸４２のまわりに回転することができる。スティック２８は、軸３０、３６を用いて、ブーム２２を作業具１４に回転可能に連結することができる。なお、用具システム１２の他の構成も可能である。

各油圧シリンダ２６、３２、３４は、２つの別々の圧力チャンバ（例えば、ヘッドチャンバおよびロッドチャンバ）を形成するように構成されたチューブおよびピストンアセンブリ（図示せず）を含むことができる。圧力チャンバは、ピストンアセンブリがチューブ内を移動し、それにより、油圧シリンダ２６、３２、３４の有効長さが変わるように、加圧流体を選択的に供給および排出することができる。圧力チャンバに出入りする流体の流量は、油圧シリンダ２６、３２、３４の速度に関係し、一方、２つの圧力チャンバ間の圧力差は、油圧シリンダ２６、３２、３４によって、対応するリンク部材に加えられる力に関係する。油圧シリンダ２６、３２、３４の伸縮は、作業具１４を移動させるのを手助けするように機能することができる。

オペレータが操作可能なように、様々な異なる作業具１４を単一の機械１０に取り付けることができる。作業具１４には、例えば、バケット、フォーク装置、ブレード、ショベル、リッパ、ダンプベッド、ブルーム、除雪機、推進装置、切断装置、把持装置、または当技術分野で公知の他の任意の作業実行装置などの、特定の作業を行うために使用される任意の装置があり得る。作業具１４は、図１の実施形態では、機械１０の本体３８に対して垂直方向に回転するように連結されているが、それに代えて、またはそれに加えて、当技術分野で公知の他の任意の態様で、回転、スライド、旋回、持ち上げ、または移動が可能である。

油圧シリンダ２６、３２、３４と同様に、旋回モータ４４は、流体の圧力差によって駆動することができる。具体的には、旋回モータ４４は、インペラ（図示せず）の両側に配置された第１および第２のチャンバ（図示せず）を含むことができる。第１のチャンバが加圧流体で満たされ、第２のチャンバが流体を排出すると、インペラは押圧されて、第１の方向に回転することができる。反対に、第１のチャンバが流体を排出し、第２のチャンバが加圧流体で満たされると、インペラは押圧されて、反対方向に回転することができる。第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量により、旋回モータ４４の出力回転速度が決まり、一方、インペラの前後の圧力差により、出力トルクが決まり得る。

駆動システム１６は、機械１０を推進するために動力を供給される１つまたは複数のトラクション装置を含むことができる。開示した例では、駆動システム１６は、機械１０の片側に配置された左無限軌道４６Ｌと、機械１０の反対側に配置された右無限軌道４６Ｒとを含む。左無限軌道４６Ｌは、左走行モータ４８Ｌによって駆動することができ、一方、右無限軌道４６Ｒは、右走行モータ４８Ｒによって駆動することができる。駆動システム１６は、代替方法として、ホイール、ベルト、または他のトラクション装置などの無限軌道以外のトラクション装置を含むことができると考えられる。機械１０は、左走行モータ４８Ｌと右走行モータ４８Ｒとの間の速度差または回転方向の違いを生じさせることで操向することができ、一方、左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒを実質的に等しい出力速度および回転方向にすることで、直線走行を容易にすることができる。

旋回モータ４４と同様に、各左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒは、流体の圧力差を生じさせることで駆動することができる。具体的には、各左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒは、インペラ（図示せず）の両側に配置された第１および第２のチャンバ（図示せず）を含むことができる。第１のチャンバが加圧流体で満たされ、第２のチャンバが流体を排出すると、インペラは押圧されて、対応するトラクション装置を第１の方向に回転させることができる。反対に、第１のチャンバが流体を排出し、第２のチャンバが加圧流体で満たされると、それぞれのインペラは押圧されて、トラクション装置を反対方向に回転させることができる。第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量により、左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒの回転速度が決まり、一方、チャンバ間の圧力差により、トルクが決まり得る。

動力源１８は、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガス燃料駆動エンジン、または当技術分野で公知の他の任意のタイプの燃焼エンジンなどのエンジンとして具現化することができる。動力源１８は、代替方法として、燃料電池、動力貯蔵装置、または当技術分野で公知の他の動力源などの非燃焼型動力源として具現化することができると考えられる。動力源１８は、機械または電気出力を発生させることができ、この機械または電気出力は、次いで、油圧シリンダ２６、３２、３４、左走行モータ４８Ｌ、右走行モータ４８Ｒ、および旋回モータ４４を動かすための油圧力に変換することができる。

図２に示すように、機械１０は、複数の流体要素を有する油圧システム５０を含むことができ、複数の流体要素は協働して、作業具１４（図１を参照のこと）および機械１０を動かす。特に、油圧システム５０は、第１の供給源５４から加圧流体の第１の流れを受け入れるように構成された第１の回路５２と、第２の供給源５８から加圧流体の第２の流れを受け入れるように構成された第２の回路５６と、第２の回路５６とともにエネルギを選択的に伝達するように構成された第３の回路６０とを含むことができる。第１の回路５２は、加圧流体の第１の流れを受け入れるために並列に接続された、ブーム制御弁６２と、バケット制御弁６４と、左走行制御弁６６とを含むことができる。第２の回路５６は、加圧流体の第２の流れを受け入れるために並列に接続された、右走行制御弁６８と、スティック制御弁７０と、旋回制御弁７２とを含むことができる。第３の回路６０は、アキュムレータ制御弁７４を含むことができる。例えば、１つまたは複数の取付制御弁および他の適切な制御弁機構などのさらなる制御弁機構を第１の回路５２、第２の回路５６、および／または第３の回路６０内に含むことができると考えられる。

第１の供給源５４および第２の供給源５８は、１つまたは複数のタンク７６から流体を引き入れ、その流体を所望のレベルに加圧するように構成することができる。具体的には、各第１の供給源５４および第２の供給源５８は、例えば、可変容量型ポンプ（図２に示す）、固定容量型ポンプ、または当技術分野で公知の他の任意の供給源などのポンプ機構として具現化することができる。第１の供給源５４および第２の供給源５８はそれぞれ、例えば、中間軸（図示せず）、ベルト（図示せず）、電気回路（図示せず）、または他の任意で適切な態様によって、機械１０の動力源１８に、独立して、かつ駆動可能につなげることができる。あるいは、各第１の供給源５４および第２の供給源５８は、トルクコンバータ、減速ギヤボックス、電気回路、または他の任意で適切な態様を介して動力源１８に間接的につなげることができる。第１の供給源５４は、第２の供給源５８によって生じる加圧流体の第２の流れとは独立した、加圧流体の第１の流れを発生させることができる。第１の供給源５４および第２の供給源５８の出力は、様々な圧力レベルおよび流量とすることができ、第１の回路５２および第２の回路５６内の流体の圧力によって、少なくとも部分的に決まり得る。

タンク７６は、供給流体を保持するように構成された貯蔵器を構成することができる。流体には、例えば、専用の油圧油、エンジン潤滑油、トランスミッション潤滑油、または当技術分野で公知の他の任意の流体があり得る。機械１０内の１つまたは複数の油圧システムは、タンク７６から流体を引き出し、タンク７６に流体を戻すことができる。油圧システム５０は、要望通りに、複数の別々の流体タンクか、または単一のタンクに接続することができると考えられる。

ブーム、バケット、右走行、左走行、スティック、および旋回の各制御弁６２〜７４は、それらの関連する流体アクチュエータの動作を調整することができる。具体的には、ブーム制御弁６２は、ブーム２２に連結された油圧シリンダ２６の動作を制御するように移動可能な要素を有することができ、バケット制御弁６４は、作業具１４に連結された油圧シリンダ３４の動作を制御するように移動可能な要素を有することができ、スティック制御弁７０は、スティック２８に連結された油圧シリンダ３２の動作を制御するように移動可能な要素を有することができ、旋回制御弁７２は、本体３８の垂直軸４２のまわりの旋回動作を制御するように移動可能な要素を有することができる。同様に、左走行制御弁６６は、左走行モータ４８Ｌの動作を制御するように移動可能な弁要素を有することができ、一方、右走行制御弁６８は、右走行モータ４８Ｒの動作を制御するように移動可能な要素を有することができる。

第１の回路５２および第２の回路５６の制御弁は、加圧流体が、共通流路を経由してそれらのそれぞれのアクチュエータに流入し、それらのアクチュエータから流れ出るのを可能にする。具体的には、第１の回路５２の制御弁は、第１の供給流路７８を介して、第１の供給源５４に接続することができ、第１の排出流路８０を介してタンク７６に接続することができる。同様に、第２の回路５６の制御弁は、第２の供給流路８２を介して、第２の供給源５８に接続することができ、第２の排出流路８４を介して、タンク７６に接続することができる。第１の排出流路８０および第２の排出流路８４は、タンク７６で終端する共通排出流路８６に接続することができる。ブーム制御弁６２、バケット制御弁６４、および左走行制御弁６６は、それぞれ個々の流体流路８８、９０、９２によって、第１の供給流路７８に並列に接続することができ、それぞれ個々の流体流路９４、９６、９８によって、第１の排出流路８０および／または共通排出流路８６に並列に接続することができる。同様に、右走行制御弁６８、スティック制御弁７０、および旋回制御弁７２は、それぞれ個々の流体流路１００、１０２、１０４によって、第２の供給流路８２に並列に接続することができ、それぞれ個々の流体流路１０６、１０８、１１０によって第２の排出流路８４および／または共通排出流路８６に並列に接続することができる。所望する場合、加圧流体をそれぞれの制御弁に単一方向に供給するために、流体流路８８〜９２および流体流路１００〜１０４のいずれか、またはすべて内に逆止弁（図示せず）を配置することができると考えられる。

ブーム制御弁６２、バケット制御弁６４、左走行制御弁６６、右走行制御弁６８、スティック制御弁７０、および旋回制御弁７２の要素は同様であり、関連する態様で機能することができるので、旋回制御弁７２の動作だけを本開示で説明する。一例では、旋回制御弁７２は、第１のチャンバ供給要素（図示せず）、第１のチャンバ排出要素（図示せず）、第２のチャンバ供給要素（図示せず）、および第２のチャンバ排出要素（図示せず）を含むことができる。第１および第２のチャンバ供給要素は、第２の供給源５８からの流体でそれぞれのチャンバを満たすために、流体流路１０４と並列に接続することができ、一方、第１および第２のチャンバ排出要素は、それぞれのチャンバから流体を排出するために、流体流路１１０と並列に接続することができる。旋回モータ４４を第１の方向に回転させるために、第１のチャンバ供給要素は、第２の供給源５８からの加圧流体が、流体流路１０４を通って旋回モータ４４の第１のチャンバを満たすのを可能にするようにシフトすることができ、一方、第２のチャンバ排出要素は、流体を旋回モータ４４の第２のチャンバから流体流路１１０を経由してタンク７６に排出するようにシフトすることができる。旋回モータ４４を反対の方向に回転させるために、第２のチャンバ供給要素は、旋回モータ４４の第２のチャンバを加圧流体で満たすようにシフトすることができ、一方、第１のチャンバ排出要素は、旋回モータ４４の第１のチャンバから流体を排出するようにシフトすることができる。特定の制御弁の供給および排出機能はともに、代替方法として、所望する場合に、第１のチャンバに対応する単一の要素、および第２のチャンバに対応する単一の要素によってか、または第１および第２のチャンバの両方に対応する単一の要素によって行うことができると考えられる。

各制御弁６２〜７２の供給および排出要素は、設定流量に応じて、スプリングの付勢力に抗して移動可能なソレノイドとすることができる。すなわち、オペレータが所望する用具および／または機械速度を達成するために、想定した、または測定した圧力に基づくコマンドを供給および排出要素のソレノイド（図示せず）に送ることができ、このコマンドにより、供給および排出要素は、必要な流量に対応する量だけ開く。コマンドは、流量コマンドまたは弁要素位置コマンドの形態とすることができる。油圧シリンダ２６、３２、３４、左走行モータ４８Ｌ、右走行モータ４８Ｒ、および旋回モータ４４は、第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量に対応する速度で動くことができる。

第１の回路５２および第２の回路５６の供給および排出流路は、補給および逃がし機能を行うために相互接続することができる。特に、第１の供給流路７８および第２の供給流路８２は、それぞれ第１のバイパス要素１１２および第２のバイパス要素１１４を介して、タンク７６から補給流体を受け入れることができる。第１および第２の流れの圧力が所定のレベルよりも落ちたときに、タンク７６からの流体は、第１のバイパス要素１１２および第２のバイパス要素１１４を通って、第１の回路５２および第２の回路５６に流入することができる。所望する場合、補給流体の流れを濾過するために、フィルタ（図示せず）を第１のバイパス要素１１２および第２のバイパス要素１１４に接続することができると考えられる。第１の供給流路７８および第２の供給流路８２は、シャトル弁１１６および共通主逃がし要素１１８によって、第１の回路５２および第２の回路５６からタンク７６に流体を逃がすことができる。第１の回路５２および第２の回路５６内の流体が所望のレベルを超えたときに、圧力が超過した回路からの流体は、シャトル弁１１６および共通主逃がし要素１１８を通って、タンク７６に流れ込むことができる。同様の態様で、流体は、共通排出流路８６内に配置された逆止弁１２０を通って、第１の回路５２および第２の回路５６から流れ出ることができる。この構成において、逆止弁１２０の圧力設定は、共通主逃がし要素１１８の圧力設定未満にすることができる。

直線走行弁１２２は、左走行制御弁６６および右走行制御弁６８を互いに連続した関係に選択的に再配列することができる。特に、直線走行弁１２２は、中立位置（図１に示す）から直線走行位置に向かって移動可能な、スプリングで付勢された、ソレノイド駆動式弁要素１２４を含むことができる。弁要素１２４が中立位置にあるときに、左走行制御弁６６および右走行制御弁６８は、それぞれ第１の供給源５４および第２の供給源５８から加圧流体を独立して供給されて、左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒを独立して制御することができる。一方、弁要素１２４が直線走行位置にある場合、左走行制御弁６６および右走行制御弁６８は、従属動作（ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）のために、第２の供給源５８のみから加圧流体を受け入れるように連続して接続することができる。走行コマンドのみが有効である（例えば、用具コマンドがすべて有効でない）場合、弁要素１２４は、中立位置に維持することができる。左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒの負荷が異なる（例えば、左無限軌道４６Ｌが柔らかい地面上にあり、一方、右無限軌道４６Ｒがコンクリート上にある）場合、直線走行弁１２２により第１の供給源５４および第２の供給源５８が独立していることで、第１の供給源５４および第２の供給源５８からの出力圧が異なっていても直線走行が可能になる。

直線走行弁１２２はまた、機械１０の走行中に、用具制御を支援するように動作することができる。例えば、機械１０の走行中に、オペレータがブーム制御弁６２を作動させた場合、直線走行弁１２２の弁要素１２４は、左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒに第２の供給源５８からの加圧流体を供給するように移動することができ、一方、ブーム制御弁６２は、第１の供給源５４から加圧流体を受け入れることができる。弁要素１２４は、直線走行位置に向かってスプリングで付勢することができ、ソレノイドで駆動して中立位置に向かって移動させることができる。

直線走行弁１２２の弁要素１２４が直線走行位置に移動すると、第１の供給源５４からの流体は、弁要素１２４によって第１の回路５２および第２の回路５６の両方にほぼ同時に送られて、油圧シリンダ２６、３２、３４を駆動する。第１の供給源５４からの加圧流体の第１の流れのすべては、機械１０の直線走行中に、左走行モータ４８Ｌおよび右走行モータ４８Ｒによって、ほとんど完全に消費され得るので、第１の供給源５４からの加圧流体の第２の流れを第１の回路５２および第２の回路５６の両方の油圧シリンダ２６、３２、３４に送ることができる。

コンバイナ弁１２６は、１つまたは複数の流体アクチュエータを高速で動作させるために、第１の供給流路７８および第２の供給流路８２からの加圧流体の第１および第２の流れを合流させることができる。特に、コンバイナ弁１２６は、中立位置（図１に示す）と、流れ遮断位置と、両方向流れ通過位置との間を移動可能な、スプリングで付勢されたソレノイド駆動式弁要素１２８を含むことができる。中立位置にある場合、第１の回路５２からの流体は、第１の回路５２の圧力が、第２の回路５６内の圧力よりも所定の量だけ大きいのを受けて、第２の回路５６に流入することができる。所定の量は、スプリング付勢力と関係付けることができ、製造プロセス時に固定することができる。このようにして、右走行機能またはスティック機能が、第２の供給源５８の出力能力を超える流体の流量を必要とし、第２の回路５６内の圧力が落ち始めたときに、弁要素１２８を用いて、第１の供給源５４からの流体を第２の回路５６に回すことができる。両方向流れ通過位置にある場合、加圧流体の第２の流れは、第１の回路５２に流入して、制御弁６２〜６６に送られた加圧流体の第１の流れと合流することができる。弁要素１２８は、中立位置に向かってスプリングで付勢することができ、両方向流れ通過位置に向かって移動するようにソレノイドで駆動することができる。

第３の回路６０は、第１の回路５２および第２の回路５６とは油圧的に独立し（すなわち、流体的にほぼ切り離され）、第２の回路５６との間でエネルギを選択的に蓄積および放出するように構成されたエネルギ回生回路として機能することができる。第３の回路６０は、とりわけ、旋回モータ４４に機械的に連結されたエネルギ回生モータ（ＥＲＭ）１３０と、ＥＲＭ１３０に流体的に接続された少なくとも１つのアキュムレータとを含むことができる。図２の実施形態では、第３の回路６０は、第１のモータ流路１３４、第２のモータ流路１３６、およびアキュムレータ流路１３８によって、ＥＲＭ１３０に流体的に接続された単一のアキュムレータ１３２を含む。アキュムレータ制御弁７４は、アキュムレータ流路１３８と、第１のモータ流路１３４および第２のモータ流路１３６との間に配置されて、それらの間の流体連通を制御することができる。

ＥＲＭ１３０は、油圧システム５０の他のモータと同様に、ポンプ機構の前後に流体圧力差を生じさせることで駆動することができる。具体的には、ＥＲＭ１３０は、ポンプ機構（例えば、インペラまたは一連のピストン）の両側に配置された第１および第２のチャンバ（図示せず）を含むことができる。第１のチャンバが加圧流体で満たされ、第２のチャンバが流体を排出すると、ポンプ機構は押圧されて、対応するシャフト１４０を第１の方向に回転させることができる。反対に、第１のチャンバが流体を排出し、第２のチャンバが加圧流体で満たされると、ポンプ機構は押圧されて、シャフト１４０を反対方向に回転させることができる。ＥＲＭ１３０は、旋回モータ４４に（例えば、シャフト１４０を介して）機械的に連結することができるので、上記のポンプ機構の任意の回転により、相応して旋回モータ４４を回転させることができる（例えば、車台４０に対して本体３８を旋回運動させる回転、図１を参照のこと）。ＥＲＭ１３０の第１および第２のチャンバに出入りする流体の流量により、シャフト１４０の回転速度が決まり、一方、チャンバ間の圧力差により、回転に伴うトルクが決まり得る。

図２の例示的な実施形態では、ＥＲＭ１３０は、非オーバセンタ、固定容量型のモータとして示されている。すなわち、ＥＲＭ１３０は、（例えば、第１のモータ流路１３４からの）加圧流体の第１の流れを受け入れ、流体の圧力および流量に直接関係する固定速度および／または固定トルクで、対応する第１の方向に回転するように構成することができる。第２の方向に回転するためには、エネルギ回生モータ１３０は、（例えば、第２のモータ流路１３６から）加圧流体の第２の反対流れを供給されなければならない。図２の実施形態では、ＥＲＭ１３０は、加圧流体の所与の流れに対して、シャフト１４０の方向、速度、またはトルクを変えるように調整することができない。

ＥＲＭ１３０は、ポンプとして選択的に機能することもできる。特に、ＥＲＭ１３０のシャフト１４０は、旋回モータ４４の回転によって機械的に駆動し、それにより、ＥＲＭ１３０のポンプ機構と第３の回路６０内の加圧流体とを駆動することができる。第３の回路６０内の流体は、例えば、旋回動作の終わりに、流体を加圧するプロセスにより、旋回運動に対する抵抗が生じるように、ＥＲＭ１３０によって選択的に加圧することができる。旋回動作の終わりにＥＲＭ１３０によって生じた抵抗は、機械１０の旋回運動を遅くするように機能することができる。下記にさらに詳細に説明するように、ＥＲＭ１３０によって加圧された流体は、アキュムレータ１３２内に貯蔵することができ、旋回モータ４４を加速し、車台４０に対する本体３８の旋回を開始するために、後で選択的に再利用することができる。このように、ＥＲＭ１３０を使用して、機械１０の旋回動作を選択的に開始および制動し、それにより、機械１０の応答性および／または効率を改善することができる。

アキュムレータ１３２は、圧縮性ガスを充填された圧力容器とすることができ、この圧力容器は、動力源として後で使用するために、加圧流体を貯蔵するように構成されている。圧縮性ガスには、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム、または他の適切な圧縮性ガスがあり得る。アキュムレータ１３２に接続する流体がアキュムレータ１３２内の圧力を超えたときに、流体は、アキュムレータ１３２に流入することができる。アキュムレータ内のガスは圧縮性であるので、流体がアキュムレータ１３２に流入すると、そのガスは、スプリングと同様に機能して収縮することができる。アキュムレータ流路１３８内の流体の圧力が、アキュムレータ１３２内の圧力よりも落ちると、圧縮性ガスは膨張して、流体をアキュムレータ１３２内から押し出すことができる。アキュムレータ１３２は、所望する場合、代替方法として、スプリングで付勢されたタイプのアキュムレータとして具現化できると考えられる。例示的な実施形態では、アキュムレータ１３２は、約１５０〜２００ｂａｒの範囲内で動作するように設計することができる。

図１の例示的な実施形態では、アキュムレータ制御弁７４は、４方向、３位置のソレノイド作動式弁とすることができる。特に、アキュムレータ制御弁７４は、アキュムレータ１３２からの流体が、第１の方向に第１のモータ流路１３４を通ってＥＲＭ１３０に流入し、ＥＲＭ１３０を出た流体が、第２のモータ流路１３６および排出流路１４４を通ってタンク７６に送られる第１の位置と、アキュムレータ１３２からの流体が、第２の方向に第２のモータ流路１３６を通ってＥＲＭ１３０に流入し、ＥＲＭ１３０を出た流体が、第１のモータ流路１３４および排出流路１４４を通ってタンク７６に送られる第２の位置と、アキュムレータ１３２が、ＥＲＭ１３０から実質的に切り離され、タンク７６が、単に流体を供給するために、排出流路１４４と、（例えば、第３の回路６０内の流体の圧力に基づき）第１のモータ流路１３４および第２のモータ流路１３６のいずれかとを介して、ＥＲＭ１３０に選択的に接続される第３の位置（図２に示す）との間を移動可能な弁要素１４２を含むことができる。アキュムレータ制御弁７４の第３の位置は、ＥＲＭ１３０が、旋回モータ４４を有意に加速も減速もしない「フリーホイール」位置に相当することができる。弁要素１４２が第３の位置にあるときに、タンク７６からの補給流体は、（流路の圧力に応じて）第１のモータ流路１３４または第２のモータ流路１３６に流入する前に、アキュムレータ制御弁７４に付属する逆止要素１４６を通って流れることができる。さらなる逆止要素１４７が、排出流路１４４とアキュムレータ流路１３８との間に延びる流路１４９内に配置されて、補給流体が、逆止要素１４７の前後の圧力差に基づいて、アキュムレータ流路１３８に進むのを選択的に可能にする。アキュムレータ制御弁７４は、第１または第２の位置に移動するのにソレノイドで作動することができ、第３の位置に向かってスプリングで付勢することができる。

コントローラ１６２は、機械１０の動作を調整するために、油圧システム５０の様々な構成要素と通信することができる。例えば、コントローラ１６２は、制御弁６２〜７２、直線走行弁１２２、コンバイナ弁１２６、アキュムレータ制御弁７４、バイパス要素１１２、１１４、オペレータ入力装置（図示せず）、ならびに油圧システム５０および／または機械１０の他の構成要素と通信することができる。下記にさらに詳細に説明するように、様々なオペレータ入力および観測したパラメータに基づき、コントローラ１６２は、オペレータコマンドを効率的に実行するために、様々な弁および／またはポンプを、連係した態様で選択的に作動させるように構成することができる。コントローラ１６２によって観測される動作パラメータには、例えば、流体圧力、温度、粘度、濃度などがあり得る。

コントローラ１６２は、本開示と一貫性のある作業を協働して行うメモリ、補助記憶装置、クロック、および１つまたは複数のプロセッサを含むことができる。様々な市販のマイクロプロセッサをコントローラ１６２の機能を実行するように構成することができる。当然のことながら、コントローラ１６２は、機械１０の様々な他の機能を制御できる汎用機械コントローラとして容易に具現化することができる。信号調整回路、通信回路、および他の適切な回路を含む様々な公知の回路をコントローラ１６２に接続することができる。同様に当然のことながら、コントローラ１６２は、コントローラ１６２が本開示に従って機能するのを可能にするように構成された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンピュータシステム、および論理回路のうちの１つまたは複数を含むことができる。

図３は、第３の回路６０の代替の実施形態を示している。図２の実施形態と同様に、図３の第３の回路６０も、ＥＲＭ１３０、第１のモータ流路１３４および第２のモータ流路１３６、ならびにアキュムレータ制御弁７４を含む。しかし、図２の実施形態とは異なり、図３の第３の回路６０は、第１のアキュムレータ流路１５０および第２のアキュムレータ流路１５２を介して、アキュムレータ制御弁７４に同時に接続可能な、例えば、高圧アキュムレータ１４６および低圧アキュムレータ１４８などの２つの異なるアキュムレータを含む。さらに、補給回路１５４および補給逆止弁１５６を介して、装入ポンプ１５３を第１のモータ流路１３４および第２のモータ流路１３６に接続することができ、フラッシング制御弁１５７を有するフラッシング回路１５５は、第１のモータ流路１３４および第２のモータ流路１３６をタンク７６に接続することができる。この構成では、アキュムレータ制御弁７４の弁要素１４２が、第１または第２の位置にあるときに、高圧アキュムレータ１４６は、ＥＲＭ１３０の入口または出口のいずれかに接続されて、ＥＲＭ１３０（および旋回モータ４４）を加速するか、または減速するように機能することができる。これと同時に、低圧アキュムレータ１４８は、高圧アキュムレータ１４６に抗して作用するように、高圧アキュムレータ１４６とは反対側に接続することができる。互いに抗して作用する２つのアキュムレータの正味の効果とは、ＥＲＭ１３０を加速するか、または減速する、高圧アキュムレータ１４６と低圧アキュムレータ１４８との間の流体圧力差によって決まるトルクであり得る。図３の実施形態における２つのアキュムレータの使用により、エネルギ回生動作中に、機械１０の旋回運動の制御性および／または安定性を高めることができる。

図４は、第３の回路６０の別の代替実施形態を示している。図２の実施形態と同様に、図４の第３の回路６０も、アキュムレータ制御弁７４を介して第１のポンプ流路１３４および第２のポンプ流路１３６に接続された単一のアキュムレータ１３２を含むことができる。しかし、図２の実施形態と異なり、図４の実施形態では、ＥＲＭ１３０が、異なるＥＲＭ（エネルギ回生モータ）１５８に置き換えられている。さらに、図４の実施形態では、アキュムレータ制御弁７４は、図２の３位置弁要素１４２ではなく、２位置弁要素１６０を含む。

ＥＲＭ１５８は、可変容量、オーバセンタタイプのモータとすることができる。特に、第３の回路６０からの加圧流体は、単一方向のみで（例えば、第２のモータ流路１３６だけを介して）ＥＲＭ１５８に送ることができ、流体流れのこの所与の方向で、ＥＲＭ１５８は、シャフト１４０の回転方向、速度、および／またはトルクを調整するように制御可能である。ＥＲＭ１５８は、所与の流れ方向でシャフト１４０の回転方向を調整する能力を有するので、アキュムレータ制御弁７４の弁要素１６０は、ＥＲＭ１５８の動作を適切に制御するために、第１の位置と第２の位置との間を移動しさえすればよい。弁要素１６０の第１の位置は、弁要素１４２（図２を参照のこと）の第１の位置に相当することができ、一方、弁要素１６０の第２の位置は、弁要素１４２の第３の位置に相当することができる。弁要素１４２の第２の位置は、弁要素１６０から削除することができる。

開示した油圧システムは、高い効率および性能が所望される旋回モータを有する任意の機械に適用することができる。開示した油圧システムは、旋回動作の終わりの部分中に、本来なら浪費されるエネルギを選択的に回生することで効率を向上させることができる。開示した油圧システムはまた、その後の動作中に、貯蔵したエネルギを使用して機械の旋回を加速することで、性能を向上させることができる。油圧システム５０の動作を以下に説明する。

機械１０（図１を参照のこと）の動作中に、機械オペレータは、オペレータインターフェイス装置（図示せず）を操作して、機械１０の対応する動作を引き起こすことができる。例えば、オペレータは、オペレータ入力装置を操作して、本体３８の車台４０に対する旋回を開始することができる。オペレータインターフェイス装置の動作位置は、オペレータの期待する、または所望する旋回方向、速度、および／またはトルクに対応することができる。オペレータインターフェイス装置は、その操作中に、オペレータの期待する、または所望する動作を示す位置信号を生成し、この位置信号をコントローラ１６２に送ることができる。

コントローラ１６２は、オペレータインターフェイス装置の位置信号を受け取り、オペレータの所望する機械１０の動作に対応する、制御弁７２および第２の供給源５８（図２を参照のこと）に向けたコマンドを特定することができる。次いで、コントローラ１６２は、加圧流体を第２の供給源５８から旋回モータ４４に送るように、制御弁７２の作動を命令することができ、その結果、オペレータが所望する態様の動作が得られる。

機械１０の旋回動作中に、機械１０の運動量はまだ大きいが、旋回動作がもはや所望されない旋回の終わり近くで、エネルギの浪費が起こり得る。すなわち、本体３８（および取り付けられた用具システム１２）の旋回の終わりにおいて、コントローラ１６２が、第２の供給源５８からの加圧流体が旋回モータ４４を駆動するのを中止させた後、機械１０の遠心運動量により、本体３８および旋回モータ４４は回転を続けることができる。通常、従来の油圧システムでは、まだ旋回している機械本体に付随するエネルギは、最後には、旋回モータ４４を、流体を加圧するポンプとして駆動することになり、その後、タンク７６内で浪費される。一方、油圧システム５０の開示した実施形態では、機械１０の旋回運動量は、ＥＲＭ１３０およびアキュムレータ１３２の使用を通じて、旋回動作の終わりに回生することができる。

本体３８の旋回中に、通常は浪費される、運動量に関係するエネルギを抽出するために、ＥＲＭ１３０は、旋回モータ４４の回転によって駆動されてポンプのように動作し、第３の回路６０内の流体を加圧することができる。ＥＲＭ１３０で流体を加圧することにより、旋回モータ４４の回転に対する抵抗を発生させ、それにより、別の方法で可能なよりもすばやく本体３８を遅くするのに寄与することができる。ＥＲＭ１３０がもたらすこのすばやい減速により、旋回動作の早期の部分中に、旋回モータ４４をより高い平均速度まで駆動することが可能になり、それにより、機械１０の性能が向上する。同時に、ＥＲＭ１３０によって加圧された流体は、アキュムレータ制御弁７４（アキュムレータ制御弁７４は、旋回モータ４４の回転方向に従って、コントローラ１６２により、適切な位置に移動することができる）を通って、アキュムレータ１３２に進むことができ、この加圧流体は、機械１０の次の旋回を加速するのに将来使用するために、アキュムレータ１３２に貯蔵することができる。アキュムレータ１３２は、加圧流体で一杯になるので、第３の回路６０内の背圧は上昇することができ、それにより、本体３８の回転に対する抵抗がさらに高くなる。

機械１０の動作中のいずれかの時点で、コントローラ１６２が、その時点を最も有益であると判断した場合に、アキュムレータ制御弁７４は、旋回アキュムレータ１３２内に貯蔵した加圧流体が、アキュムレータ制御弁７４ならびに第１のポンプ流路１３４および第２のポンプ流路１３６の１つを通って逆流して、ＥＲＭ１３０を駆動する放出位置（すなわち、ＥＲＭ１３０の回転方向に応じた第１および第２の位置の一方）に移動することができる。この流体は、圧力が高いために、ＥＲＭ１３０に、シャフト１４０を介して旋回モータ４４を回転させることができ、それにより、第２の供給源５８および動力源１８にかかる負荷を低減し、旋回モータ４４の速度を速くし、かつ／または機械１０の効率を上げる。図３および図４に開示した第３の回路６０の動作は、図２に関連して上記に説明した動作と同様であり得る。

開示した油圧システムは、単純かつ安価であり得る。特に、開示した油圧システムは、旋回エネルギを回生するのに、独立した油圧回路（すなわち、第３の回路６０）を利用するので、回生および再利用中の流体圧力の制御は重要でないことがある。すなわち、第３の回路６０は、第２の回路５６から流体的にほぼ切り離すことができるので、回生または再利用動作の間、またはその前後に、第２の回路５６と第３の回路６０との間で流体圧力を整合させる必要はあり得ない。これは、圧力観測装置または制御のないシステム動作を可能にし、それにより、単純化された、より費用のかからないシステムが得られる。さらに、エネルギ回生または再利用動作の間、またはその前後に、圧力整合を必要としないことで、運動量に関連するエネルギを回生および再利用する機会を増やすことができ、それにより、機械１０の性能および／または効率がさらに向上する。最後に、第３の回路６０の独立性は、既存のシステムに後から簡単に取り付けるのを可能にする。

開示した油圧システムに対して、様々な修正および変更を行うことができるのと当業者には分かるであろう。開示した油圧システムの仕様および実施を検討することで、他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。仕様および実施例が、単なる例示であるとみなされることが意図され、真の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって示される。

Claims (10)

1. 機械（１０）用の油圧システム（５０）であって、
   流体を加圧するように構成されたポンプ（５８）と、
   加圧流体によって駆動されて、機械の本体（３８）を車台（１６）に対して旋回させる旋回モータ（４４）と、
   ポンプを旋回モータに流体的に接続する第１の回路（５６）と、
   旋回モータに機械的に連結されたエネルギ回生モータ（１３０）と、
   少なくとも１つのアキュムレータ（１３２）と、
   少なくとも１つのアキュムレータをエネルギ回生モータに流体的に接続する第２の回路（６０）と、
   を含む油圧システム。
2. エネルギ回生モータと少なくとも１つのアキュムレータとの間に配置された弁（７４）をさらに含み、弁は、少なくとも１つのアキュムレータに出入りする流体流れを調整するように移動可能である、請求項１に記載の油圧システム。
3. ポンプ用の供給流体を保持するように構成されたタンク（７６）をさらに含み、弁は、
   少なくとも１つのアキュムレータからの流体が、第１の方向でエネルギ回生モータに流入し、エネルギ回生モータからの流体がタンクに送られる第１の位置と、
   少なくとも１つのアキュムレータからの流体が、第２の方向でエネルギ回生モータに流入し、エネルギ回生モータからの流体がタンクに送られる第２の位置と、
   少なくとも１つのアキュムレータが、エネルギ回生モータから実質的に切り離され、タンクが、第２の回路内の流体の圧力に基づき、流体をエネルギ回生モータに供給するために選択的に接続される第３の位置と、
   の間で移動可能である、請求項２に記載の油圧システム。
4. 少なくとも１つのアキュムレータは、
   高圧の第１のアキュムレータ（１４６）と、
   低圧の第２のアキュムレータ（１４８）と、
   を含む、請求項１に記載の油圧システム。
5. 第１および第２のアキュムレータは、エネルギ回生モータに同時に接続可能であり、
   第１のアキュムレータが、エネルギ回生モータの入口に接続された場合に、第２のアキュムレータは、エネルギ回生モータの出口に接続され、
   第１のアキュムレータが、エネルギ回生モータの出口に接続された場合に、第２のアキュムレータは、エネルギ回生モータの入口に接続される、請求項４に記載の油圧システム。
6. 第１のアキュムレータは、
   ブレーキ動作中にエネルギ回生モータの入口に接続され、
   加速動作中にエネルギ回生モータの出口に接続される、請求項５に記載の油圧システム。
7. エネルギ回生モータはオーバセンタモータ（１５８）であり、
   流体は、単一方向にだけエネルギ回生モータを流れる、請求項１に記載の油圧システム。
8. タンク（７６）と、
   少なくとも１つのアキュムレータとエネルギ回生モータとの間に配置された弁（７４）と、
   をさらに含み、
   弁は、少なくとも１つのアキュムレータからの流体が、エネルギ回生モータに流入し、エネルギ回生モータからの流体がタンクに流入する第１の位置から、少なくとも１つのアキュムレータが、エネルギ回生モータから実質的に切り離され、タンクが、第２の回路の圧力に基づき、エネルギ回生モータの入口および出口に選択的に流体接続される第２の位置まで移動可能である、請求項７に記載の油圧システム。
9. 機械（１０）のエネルギを回生する方法であって、
   第１の回路（５６）内の流体を加圧することと、
   加圧流体を利用して、機械の本体（３８）を車台（１６）に対して旋回させることと、
   機械の本体の旋回を利用して、第２の回路（６０）内の流体を加圧することと、
   加圧された流体を第２の回路内に貯蔵することと、
   貯蔵された流体を第２の回路から選択的に送って、機械の本体を旋回させることと、
   を含む方法。
10. 貯蔵された流体を第２の回路から選択的に送って、機械の本体を旋回させることには、貯蔵された流体をモータ（１３０）を通る２つの異なる方向に選択的に送って、機械の本体を２つの異なる方向に旋回させることが含まれる、請求項９に記載の方法。

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