JP2016056864A - 作業機械の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧モータと電動発電機とを用いた作業機械の駆動システムにおいて、システムの小型化及びコスト削減を図る。【解決手段】駆動システム１は、エンジン１１、エンジン１１により駆動されて少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路２５へ作動油を圧送するメインポンプ１７、回生モータ１８、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路２５から回生モータ１８へ作動油を送る回生用通路１９、回生用通路１９と接続されたアキュムレータ（蓄圧器）５１、回生モータ１８により駆動されて発電する発電機及び供給された電力によりメインポンプ１７を駆動する電動機としての機能を有する電動発電機２２、電動発電機２２と接続されたキャパシタ（蓄電器）２６を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、油圧モータと電動機とを用いた作業機械の駆動システムに関する。

従来、油圧ショベル、クレーン、ホイールローダ、ブルドーザなどの動力機械類（この明細書及び特許請求の範囲では、これらの動力機械類（重機）を総称して「作業機械」という）が知られている。その一例である油圧ショベルは、下部走行体と上部旋回体を備え、この上部旋回体にはエンジン、運転席、バケットが先端に設けられたアーム、及び、アームに連結されたブームなどが設けられている。そして、運転席に設けられたリモートコントロール弁の操作により、下部走行体に対して上部旋回体が旋回し、アーム、ブーム及びバケットが動作することにより、作業機械で各種作業が行われる。

上記のような作業機械において、エンジンと電動発電機との２つの動力源を有するハイブリッド駆動システムを備えたものがある。ここで「電動発電機」とは、発電機の機能と電動機（電気モータ）の機能を併せ備えた機械である。例えば、特許文献１には、エンジンにクラッチ及び動力伝達装置を介してメインポンプと電動発電機とが並列的に接続されたハイブリッド駆動装置と、このハイブリッド駆動装置に接続された油圧アクチュエータ制御回路とを備えた駆動システムが示されている。この油圧アクチュエータ制御回路中には、ブーム用電動発電機、ブーム用回生モータ、旋回用電動発電機、及び旋回用回生モータが設けられている。そして、ブームの降下時に戻り流体によってブーム用回生モータが回転駆動され、ブーム用回転モータの回転出力によりブーム用電動発電機で発電が行われ、発電された電力が蓄電器に蓄えられる。また、上部旋回体の旋回制動時に旋回用回生モータが回転駆動され、旋回用回生モータの回転出力により旋回用電動発電機で発電が行われ、発電された電力が蓄電器に蓄えられる。

特開２００６−３３６８４８号公報

上記特許文献１の駆動システムでは、旋回用とブーム用とエンジンに直結されたものとで合わせて３つの電動発電機を備えているため、電動発電機及びその周辺機器のためにコストが嵩み、更に、システムの大型化が免れない。また、３つの電動発電機に対し１つの蓄電器を備えていることから、容量の大きな蓄電器が必要となり、ここでもシステムの大型化とコスト増大が懸念される。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、油圧モータと電動発電機とを用いた作業機械の駆動システムにおいて、システムの小型化及びコスト削減を実現することを目的とする。

本発明に係る作業機械の駆動システムは、
エンジンと、
前記エンジンにより駆動され、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路へ作動油を圧送する油圧ポンプと、
前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出される作動油により回転駆動される回生モータと、
前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から前記回生モータへ作動油を送る回生用通路と、
前記回生用通路と接続され、作動油を一時的に蓄える蓄圧器と、
前記回生モータにより駆動されて発電する発電機としての機能と供給された電力により前記油圧ポンプを駆動する電動機としての機能とを有する電動発電機と、
前記電動発電機と接続され、電力を蓄える蓄電器と
を備えることを特徴としている。

上記駆動システムによれば、油圧アクチュエータ制御回路から回生モータへ送られる作動油の一部又は全部を一旦蓄圧器に蓄えることができる。そして、蓄圧器に蓄えられた作動油が回生モータへ供給されることにより回生モータが駆動するので、油圧アクチュエータ制御回路から直接的に回生モータへ作動油が供給される場合と比較して、回生モータの出力を低下させることができる。これにより、油圧アクチュエータ制御回路から直接的に回生モータへ作動油が供給される場合と比較して、発電容量の低い電動発電機や容量の小さい蓄電器をシステムに採用することが可能となる。更に、油圧アクチュエータ制御回路の数よりも少ない電動発電機と蓄電器をシステムに備えることができ、従来のように各油圧アクチュエータ制御回路につき電動発電機が設けられた場合と比較して、電動発電機と蓄電器の数を減らすことができる。以上の通り、電動発電機と蓄電器の数の低減及び小型化により、駆動システムの小型化及びコスト削減を実現することができる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記電動発電機の出力軸から前記油圧ポンプの入力軸への一方向の回転動力の伝達の断続を切り替える第１クラッチを更に備えることが望ましい。ここで、前記回生モータが可変容量形の傾転機構を備えていてよい。この構成によれば、１つの電動発電機にエネルギー回生機能とエンジンによる油圧ポンプの駆動をアシストするアシスト機能とを併せ備えることができる。よって、電動発電機と蓄電器の数の低減により、駆動システムの小型化及びコスト削減を図ることができる。更に、電動発電機を発電機として機能させるときに、第１クラッチを切断して電動発電機に掛かる負荷を減らすことができ、電動発電機で効率的な発電を行うことができる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記回生モータの出力軸から前記電動発電機の入力軸への一方向の回転動力の伝達の断続を切り替える第２クラッチを更に備えることが望ましい。この構成によれば、電動発電機を電動機として機能させるときに、第２クラッチを切断して電動発電機に掛かる負荷を減らすことができ、電動発電機を駆動するための電力を減らすことができる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記回生用通路と前記蓄圧器との間に設けられた開閉弁を更に備えることが望ましい。この構成によれば、開閉弁を閉じて蓄圧器に作動油が流れ込まないようにすることにより、油圧アクチュエータ制御回路から回生モータへ作動油を直接的に送ることもできる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記回生用通路に設けられた流量制御弁を更に備えることが望ましい。この構成によれば、回生モータへ送られる作動油の量を流量制御弁で増減させて、回生モータの出力を調整することができる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記第１クラッチが、前記電動発電機の前記出力軸の回転数が前記エンジンの出力回転数以上のときに接続されるように構成された機械式クラッチであることが望ましい。また、上記作業機械の駆動システムにおいて、前記第２クラッチが、前記回生モータの前記出力軸の回転数が前記電動発電機の前記入力軸の回転数以上のときに接続されるように構成された機械式クラッチであることが望ましい。この構成によれば、第１クラッチ及び第２クラッチの制御が不要となり、システム構成及び制御がより簡易となる。

上記作業機械の駆動システムにおいて、前記作業機械が油圧ショベルであってよい。この場合、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路には、前記油圧ショベルのブームを昇降駆動するための油圧シリンダの動作を制御するための油圧シリンダ制御回路が含まれていてよい。また、前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路には、前記油圧ショベルの上部旋回体を旋回駆動するための旋回用油圧モータの動作を制御するための油圧モータ制御回路が含まれていてよい。この場合、前記油圧モータ制御回路は、前記上部旋回体の旋回制動時に、前記油圧モータ制御回路から前記回生用通路へ作動油が排出される状態と、前記油圧モータ制御回路内で作動油が循環する状態とを切り替える弁を備えていることが望ましい。

本発明によれば、油圧アクチュエータ制御回路から回生モータへ送られる作動油の一部又は全部を一旦蓄圧器に蓄え、蓄えられた作動油で回生モータを駆動するので、油圧アクチュエータ制御回路から直接的に回生モータへ作動油が供給される場合と比較して、回生モータの出力を低下させることができる。これにより、油圧アクチュエータ制御回路から直接的に回生モータへ作動油が供給される場合と比較して、発電容量の低い電動発電機や容量の小さい蓄電器をシステムに採用することが可能となり、駆動システムの小型化及びコスト削減に寄与することができる。

本発明の一実施形態に係る作業機械の駆動システムの油圧回路図である。 無回生モードの作業機械の駆動システムの油圧回路図である。 旋回回生モードの作業機械の駆動システムの油圧回路図である。 ブーム回生モードの作業機械の駆動システムの油圧回路図である。 充電モードの作業機械の駆動システムの油圧回路図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明が適用される作業機械として油圧ショベルを例に挙げて説明する。油圧ショベルは、下部走行体、下部走行体に対して旋回する上部旋回体、上部旋回体に対して昇降（俯仰）するブーム、ブームの先端に揺動可能に連結されたアーム、アームの先端に揺動可能に連結されたバケットなどを備えている（いずれも図示せず）。

図１は本発明の一実施形態に係る作業機械の駆動システム１の油圧回路図である。図１に示すように、駆動システム１は、ハイブリッド駆動装置１０と、このハイブリッド駆動装置１０から作動油が供給される少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路２５と、駆動システム１の動作を制御する制御装置７とを備えている。油圧アクチュエータ制御回路２５は、油圧アクチュエータの動作を制御するための油圧回路である。本実施形態に係る駆動システム１には、２つの油圧アクチュエータ回路２５Ａ，２５Ｂが含まれている。以下、駆動システム１の各構成要素について詳細に説明する。

まず、ハイブリッド駆動装置１０について説明する。ハイブリッド駆動装置１０は、エンジン１１と、エンジン１１の出力軸１２に直列的に接続されたメインポンプ１７、電動発電機２２、及び回生モータ１８と、電動発電機２２の出力軸からメインポンプ１７の入力軸へ動力を伝達する第１動力伝達機構１３と、回生モータ１８の出力軸から電動発電機２２の入力軸へ動力を伝達する第２動力伝達機構１４と、電動発電機２２に接続されたインバータ２７及びキャパシタ（蓄電器の一例）２６とを備えている。ハイブリッド駆動装置１０は、更に、油圧アクチュエータ制御回路２５から回生モータ１８へ作動油を送る回生用通路１９と、回生用通路１９と接続されたアキュムレータ（蓄圧器の一例）５１と、回生用通路１９に設けられた回生量制御弁２９とを備えている。

メインポンプ１７は、例えば斜板式油圧ポンプや斜軸式油圧ポンプなどの可変容量形油圧ポンプである。メインポンプ１７には、エンジン１１の出力軸１２から動力が入力され、エンジン１１により駆動される。駆動されたメインポンプ１７は、タンク２１内に収容された作動油を油圧アクチュエータ制御回路２５へ圧送する。

電動発電機２２は、回生モータ１８の回転出力を受けて電力を得る発電機としての機能と、キャパシタ２６から電力の供給を受けて回転運動を出力する電動機としての機能とを有する。電動発電機２２と電気的に接続されたインバータ２７は、回生コンバータを内蔵したインバータであって、発電機として機能する電動発電機２２から電気エネルギー（回生エネルギー）を取り出してキャパシタ２６へ蓄える。また、インバータ２７は、電動機として機能する電動発電機２２へキャパシタ２６に蓄えられていた電気エネルギーを供給する。

回生モータ１８は、電動発電機２２でエネルギーを回生させるために、油圧アクチュエータ制御回路２５から送られてきた作動油で回転駆動される油圧モータである。回生モータ１８では、油圧アクチュエータ制御回路２５から供給された作動油を排出することで、作動油の流体エネルギーから軸の回転運動（即ち、機械エネルギー）を取り出すことができる。回生モータ１８の出力軸の回転は、第２動力伝達機構１４を介して電動発電機２２の入力軸へ伝達されて、電動発電機２２を回転駆動させる。

回生モータ１８は、例えば斜板式油圧モータや斜軸式油圧モータなどの可変容量形の油圧モータであって、斜板の傾転角に応じた回転数であって且つ供給される作動油の量に応じた動力を出力する。本実施形態に係る回生モータ１８は斜板式油圧モータであって、傾転角操作装置１８１（傾転機構）によって斜板の傾転角が操作される。傾転角操作装置１８１は、例えば、制御装置７が出力した制御信号により制御されるレギュレータなどである。

回生モータ１８へ供給される作動油の量は、回生用通路１９に設けられた回生量制御弁２９により制御される。回生量制御弁２９は、制御装置７が出力した制御信号により制御される電磁式比例流量制御弁であって、回生用通路１９から回生モータ１８へ供給される作動油の流量を無段階に調整することができる。回生モータ１８へ供給される作動油の流量を調整することにより、回生モータ１８の出力を調整することができる。但し、回生量制御弁２９は開閉弁であってもよい。

回生用通路１９の回生量制御弁２９よりも上流側に、アキュムレータ５１が接続されている。アキュムレータ５１は、作動油を加圧状態で蓄えておく容器であって、作動油の液体エネルギー(流体の圧力）を蓄えておくことと、蓄えた流体エネルギーを放出することとが可能である。回生用通路１９とアキュムレータ５１との間の油路には、制御装置７の出力信号により制御される開閉弁５２が設けられている。開閉弁５２は、通常時閉の電磁式切替弁であって、通常時は回生用通路１９とアキュムレータ５１との間の作動油の流通を制限している。開閉弁５２を閉じてアキュムレータ５１に作動油が流れ込まないようにすることにより、油圧アクチュエータ制御回路２５から回生モータ１８へ作動油を直接的に送ることもできる。また、開閉弁５２を開放することにより、回生用通路１９とアキュムレータ５１との間の作動油の流通が許容され、アキュムレータ５１に流体エネルギーを蓄えるか、アキュムレータ５１から流体エネルギーを放出することができる状態となる。なお、回生用通路１９においてアキュムレータ５１との接続部の更に上流側には、作動油の逆流を防止するためのチェック弁が設けられている。

第１動力伝達機構１３には、動力の伝達を断続する第１クラッチ１３１が設けられている。また、第２動力伝達機構１４には、動力の伝達を断続する第２クラッチ１４１が設けられている。第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１は、機械式ワンウェイクラッチ又は制御式クラッチである。

本実施形態に係る第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１は、いずれも機械式ワンウェイクラッチである。第１クラッチ１３１は、電動発電機２２の出力軸の回転数がエンジン１１の出力軸１２の回転数以上のときに接続され、他では切断されるように構成されている。第１クラッチ１３１は、電動発電機２２からメインポンプ１７の回転をアシストする一方向（正方向）の回転動力のみ伝達する。また、第２クラッチ１４１は、回生モータ１８の出力軸の回転数が電動発電機２２の入力軸の回転数以上のときに接続され、他では切断されるように構成されている。なお、電動発電機２２の出力回転数がエンジン１１の出力回転数より小さいときは、第１クラッチ１３１の接続は解除されて、電動発電機２２は発電機として機能する。第２クラッチ１４１は、回生モータ１８から電動発電機２２の発電をアシストする一方向（正方向）の回転動力のみ伝達する。

上記のように、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が機械式ワンウェイクラッチであれば、クラッチの制御が不要となり、駆動システム１のシステム構成及び制御がより簡易となる。但し、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１の少なくとも一方が制御式クラッチであってもよい。

次に、油圧アクチュエータ制御回路２５について説明する。本実施形態に係る油圧アクチュエータ制御回路２５は、上部旋回体を旋回駆動する油圧モータ３１のための油圧モータ制御回路２５Ａと、ブームを昇降（俯仰）駆動する油圧シリンダ４１のための油圧シリンダ制御回路２５Ｂである。メインポンプ１７から吐出された作動油は、供給通路１６を介してこれら双方の制御回路へ圧送される。

油圧モータ制御回路２５Ａは、メインポンプ１７から吐出された作動油によって駆動される上部構造体旋回用の油圧モータ３１と、油圧モータ３１の吸入ポートと排出ポートとに接続された油路３３，３４と、旋回コントロール弁３２とを備えている。旋回コントロール弁３２は、油路３３，３４と供給通路１６（１６Ａ）との間に設けられ、これらの間の作動油の流通を制御している。なお、油圧モータ３１の吸入ポートと排出ポートとは回転方向によって逆になる。

旋回コントロール弁３２は、スプール式の３位置切替弁である。この旋回コントロール弁３２のスプールの位置を切り替えることで、油圧モータ３１の出力軸を正回転、停止、又は逆回転させることができる。旋回コントロール弁３２は、スプールが中立位置にあるときに供給通路１６（１６Ａ）と油路（３３又は３４）との間の作動油の流通を制限する。また、旋回コントロール弁３２は、スプールが中立位置から紙面右又は左に移動しているときに、供給通路１６（１６Ａ）と油路（３３又は３４）との間の作動油の流通を許容する。なお、スプールが紙面右側にあるときは供給通路１６（１６Ａ）と油路３４とが接続され、スプールが紙面左側にあるときは供給通路１６（１６Ａ）と油路３３とが接続される。

油圧モータ制御回路２５Ａの油路３３，３４の間には、通常使用時の圧力を超えた場合にタンク２１へ作動油を逃すように作動するリリーフ弁３６，３６と、油路３３，３４内での油循環時に油量が減るとタンク２１から油を吸引するチェック弁３７，３７とが設けられている。リリーフ弁３６とチェック弁３７とは、油圧モータ３１の正回転及び逆回転時に作動油が流れる方向が異なるので、油路３３，３４の各々において適切な向きに設けられている。

油圧モータ制御回路２５Ａの油路３３，３４の間には、更に、油圧モータ制御回路２５Ａから回生モータ１８へ送られる作動油の量を制御する旋回回生制御弁３８と、油圧モータ３１の正回転及び逆回転時に応じて戻し側の油路（３３又は３４）を選択的に旋回回生制御弁３８と接続する切替弁３９とが設けられている。旋回回生制御弁３８は、通常時閉の電磁弁式比例流量制御弁であって、油圧モータ制御回路２５Ａから回生用通路１９（１９Ａ）へ流れる作動油の流量を無段階に調整することができる。なお、旋回回生制御弁３８と切替弁３９は１つのスプール式３位置切替弁として構成されていてもよい。切替弁３９及び旋回回生制御弁３８は、制御装置７の出力信号により制御されている。

油圧シリンダ制御回路２５Ｂは、メインポンプ１７から吐出される作動油によって駆動されるブーム昇降用の油圧シリンダ４１と、油圧シリンダ４１のヘッド側ポートに接続された油路４３と、油圧シリンダ４１のボトム側ポートに接続された油路４４と、油路４４に設けられたブーム回生制御弁４５と、ブームコントロール弁４２とを備えている。油路４３，４４とメインポンプ１７の供給通路１６（１６Ｂ）とは、ブームコントロール弁４２を介して接続されている。

ブームコントロール弁４２は、スプール式の３位置切替弁である。このブームコントロール弁４２のスプールの位置を切り替えることで、油圧シリンダ４１に内挿されたピストンを当該ピストンの進行方向から見て前進、停止、又は後退させることができる。ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置にあるときに、供給通路１６（１６Ｂ）と油路４３，４４との間の作動油の流通を制限する。また、ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置から紙面右側に移動した位置にあるとき（ブーム降下操作時）に、油圧シリンダ４１へ作動油が供給されるように供給通路１６（１６Ｂ）と油路４３とを接続し、油圧シリンダ４１から作動油が排出されるようにタンク２１と油路４４とを接続する。また、ブームコントロール弁４２は、スプールが中立位置から紙面左側に移動した位置にあるとき（ブーム上昇操作時）に、油圧シリンダ４１へ作動油が供給されるように供給通路１６（１６Ｂ）と油路４４とを接続し、油圧シリンダ４１から作動油が排出されるようにタンク２１と油路４３とを接続する。

ブーム回生制御弁４５は、油圧シリンダ４１から排出される作動油がタンク２１へ流れる非回生側と、回生モータ１８へ流れる回生側とに切り替える切替弁である。ブーム回生制御弁４５は、通常時油路４４をブームコントロール弁４２へ接続している。ブーム回生制御弁４５が回生側に切り替えられているときには、油路４４と回生用通路１９（１９Ｂ）とが接続され、油圧シリンダ４１から排出された作動油は回生用通路１９（１９Ｂ）へ流入する。なお、ブーム回生制御弁４５は、制御装置７の出力信号により制御されている。

続いて、上記構成の駆動システム１の動作について説明する。駆動システム１は予め設定された複数の駆動モードを有し、複数の駆動モードの中から選択された１つ以上のモードを実現するように駆動システム１が制御される。以下では、各駆動モードと、その駆動モードにおける駆動システム１の動作とについて説明する。なお、特に明示しないが、以下で説明する駆動システム１の動作は制御装置７によって制御されている。

（１．無回生モード）
無回生モードは、エネルギーを回生しない駆動モードである。無回生モードは、例えば、アキュムレータ５１とキャパシタ２６の使用容量が共に満量である場合などに選択される。図２に示すように、無回生モードの駆動システム１では、旋回回生制御弁３８が閉止され、ブーム回生制御弁４５は非回生側に切り替えられている。なお、図２〜５では斜線矢印で油の流れが示されている。この無回生モードでは、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ流出した作動油は、油路３４側のリリーフ弁３６と、油路３３側のチェック弁３７とを通過して油路３３へ流入し、油圧モータ３１へ戻る。又は、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３３へ流出した作動油は、油路３３側のリリーフ弁３６と、油路３４側のチェック弁３７とを通過して油路３４へ流入し、油圧モータ３１へ戻る。また、無回生モードでは、ブームの降下時に油圧シリンダ４１から油路４４へ流出した作動油は、ブーム回生制御弁４５及びブームコントロール弁４２を通過してタンク２１へ戻される。

（２．旋回回生モード）
旋回回生モードは、上部旋回体の旋回制動時に上部旋回体の運動エネルギー（慣性エネルギー）を流体エネルギー（流体圧力）としてアキュムレータ５１に蓄える駆動モードである。図３に示すように、旋回回生モードの駆動システム１では、旋回回生制御弁３８が開放され、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が閉止されている。この旋回回生モードでは、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ流出した作動油（又は、油圧モータ３１から油路３３へ出した作動油）は、切替弁３９及び旋回回生制御弁３８を通過して回生用通路１９へ流入し、回生用通路１９から開閉弁５２を通じてアキュムレータ５１へ流入する。このように、油圧モータ制御回路２５Ａでは、上部旋回体の旋回制動時に、油圧モータ制御回路２５Ａから回生用通路１９へ作動油が排出される状態（旋回回生モード）と、油圧モータ制御回路２５Ａ内で作動油が循環する状態（無回生モード）とを、旋回回生制御弁３８によって切り替えている。

（３．ブーム回生モード）
ブーム回生モードは、ブームの降下時にブームの運動エネルギー（位置エネルギー）を流体エネルギー（流体圧力）としてアキュムレータ５１に蓄える駆動モードである。図４に示すように、ブーム回生モードの駆動システム１では、ブーム回生制御弁４５が回生側に切り替えられ、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が閉止されている。このブーム回生モードでは、ブームの降下時に油圧シリンダ４１から油路４４へ流出した作動油が、ブーム回生制御弁４５を通じて回生用通路１９へ流入し、更に、回生用通路１９から開閉弁５２を通じてアキュムレータ５１へ流入する。

（４．充電モード）
充電モードは、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーを電気エネルギーに変換してキャパシタ２６に蓄える駆動モードである。図５に示すように、充電モードの駆動システム１では、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が開放され、インバータ２７が電動発電機２２から電気エネルギーを回収する回生モードに切り替えられる。第２クラッチ１４１が制御式クラッチの場合は、第２クラッチ１４１が接続され、第１クラッチ１３１が切断される。この充電モードでは、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油が、回生用通路１９へ流れ出し、更に、回生用通路１９から回生量制御弁２９を通じて回生モータ１８に流入する。回生モータ１８は流入した作動油により回転駆動され、回生モータ１８の回転出力が第２動力伝達機構１４を介して電動発電機２２へ伝達される。電動発電機２２へ伝達された機械エネルギーは、インバータ２７によって電気エネルギー（電力）として回収されてキャパシタ２６に蓄えられる。

（５．エンジン電動アシストモード）
エンジン電動アシストモードは、キャパシタ２６に蓄えられた電気エネルギーを機械エネルギーに変換して、この機械エネルギーでエンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動をアシストする駆動モードである。エンジン電動アシストモードの駆動システム１では、インバータ２７が電動発電機２２へ電気エネルギーを供給する供給モードに切り替えられる。また、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１が接続され、第２クラッチ１４１が切断される。このエンジン電動アシストモードでは、電動機として機能する電動発電機２２がキャパシタ２６に蓄えられた電気エネルギーを用いてエンジン１１の出力回転数と同じ出力回転数となるように駆動される。電動発電機２２の回転出力は、第１動力伝達機構１３を介してメインポンプ１７に入力される。

（６．旋回回生・エンジン電動アシストモード）
旋回回生・エンジン電動アシストモードは、旋回回生モードとエンジン電動アシストモードとを同時に組み合わせた駆動モードである。旋回回生・エンジン電動アシストモードの駆動システム１の動作は、既に説明した旋回回生モードとエンジン電動アシストモードとを組み合わせた動作であるため、詳細な説明は省略する。

（７．ブーム回生・エンジン電動アシストモード）
ブーム回生・エンジン電動アシストモードは、ブーム回生モードとエンジン電動アシストモードとを同時に組み合わせた駆動モードである。ブーム回生・エンジン電動アシストモードの駆動システム１の動作は、既に説明したブーム回生モードとエンジン電動アシストモードとを組み合わせた動作であるため、詳細な説明は省略する。

（８．旋回回生・ブーム回生・エンジン電動アシストモード）
旋回回生・ブーム回生・エンジン電動アシストモードは、旋回回生モードと、ブーム回生モードと、エンジン電動アシストモードとを同時に組み合わせた駆動モードである。駆動システム１では、回生用通路１９にアキュムレータ５１を備えているため、油圧アクチュエータの運動エネルギーを流体エネルギーとして蓄えることと、回生された電気エネルギーを用いてエンジン１１をアシストすることとを同時に行うことができる。旋回回生・ブーム回生・エンジン電動アシストモードの駆動システム１の動作は、既に説明した旋回回生モードとブーム回生モードとエンジン電動アシストモードとを組み合わせた動作であるため、詳細な説明は省略する。

（９．エンジン油圧アシストモード）
エンジン油圧アシストモードは、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーを機械エネルギーに変換して、この機械エネルギーでエンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動をアシストする駆動モードである。このように駆動システム１では、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーでエンジン１１をアシストすることもできる。

エンジン油圧アシストモードの駆動システム１では、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が開放され、回生モータ１８の出力回転数とエンジン１１の出力回転数とが等しくなるように回生モータ１８の傾転角が操作されている。なお、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が接続される。このエンジン油圧アシストモードでは、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油が、回生用通路１９へ流れ出し、更に、回生用通路１９から回生量制御弁２９を通じて回生モータ１８に流入する。回生モータ１８は流入した作動油により回転駆動される。回生モータ１８の回転出力は、第２動力伝達機構１４、電動発電機２２、及び第１動力伝達機構１３を介してメインポンプ１７へ伝達される。エンジン油圧アシストモードでは、電動発電機２２は動力伝達手段として機能する。

（１０．充電・エンジン油圧アシストモード）
充電・エンジン油圧アシストモードは、上記充電モードと、上記エンジン油圧アシストモードとを同時に行う駆動モードである。即ち、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーを機械エネルギーに変換して、この機械エネルギーでエンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動をアシストするとともに、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーを電気エネルギーに変換してキャパシタ２６に蓄える。この充電・エンジン油圧アシストモードの駆動システム１では、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が開放され、インバータ２７が回生モードに切り替えられ、回生モータ１８の出力回転数とエンジン１１の出力回転数とが等しくなるように回生モータ１８の傾転角が操作されている。なお、クラッチ１３１，１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が接続される。

この充電・エンジン油圧アシストモードでは、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油が、回生用通路１９へ流れ出し、更に、回生用通路１９から回生量制御弁２９を通じて回生モータ１８に流入して、回生モータ１８を回転させる。回生モータ１８の回転出力は、第２動力伝達機構１４、電動発電機２２、及び第１動力伝達機構１３を介してメインポンプ１７へ伝達されるともに、電動発電機２２で発生した電気エネルギーがインバータ２７により回収されてキャパシタ２６に蓄えられる。

（１１．旋回回生・直接エンジンアシストモード）
旋回回生・直接エンジンアシストモードは、上部旋回体の旋回制動時に上部旋回体の運動エネルギーを機械エネルギーに変換するとともに、この機械エネルギーでエンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動をアシストする駆動モードである。旋回回生・直接エンジンアシストモードの駆動システム１では、旋回回生制御弁３８が開放され、開閉弁５２が閉止され、回生量制御弁２９が開放され、回生モータ１８の出力回転数とエンジン１１の出力回転数とが等しくなるように回生モータ１８の傾転角が操作されている。なお、クラッチ１３１，１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が接続される。

上記旋回回生・直接エンジンアシストモードでは、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ排出された作動油（又は、油圧モータ３１から油路３３へ排出された作動油）は、切替弁３９と旋回回生制御弁３８とを通過して回生用通路１９へ流入し、回生用通路１９から回生量制御弁２９を介して回生モータ１８へ供給される。回生モータ１８は流入した作動油により回転駆動され、流体エネルギーが機械エネルギーに変換される。更に、回生モータ１８からの回転出力は第２動力伝達機構１４、電動発電機２２、及び、第１動力伝達機構１３を介してメインポンプ１７へ伝達される。このようにして、油圧モータ３１の運動エネルギーによって直接的に（つまり、エネルギーがアキュムレータ５１やキャパシタ２６に一時的に蓄えられることなく）エンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動がアシストされる。

（１２．ブーム回生・直接エンジンアシストモード）
ブーム回生・直接エンジンアシストモードは、ブームの降下時にブームの運動エネルギーを機械エネルギーに変換するとともに、この機械エネルギーでエンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動をアシストする駆動モードである。ブーム回生・直接エンジンアシストモードの駆動システム１では、ブーム回生制御弁４５が回生側に切り替えられ、開閉弁５２が閉に切り替えられ、開閉弁５２が閉止され、回生量制御弁２９が開放され、回生モータ１８の出力回転数とエンジン１１の出力回転数とが等しくなるように回生モータ１８の傾転角が操作されている。なお、クラッチ１３１，１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が接続される。

上記ブーム回生・直接エンジンアシストモードでは、ブームの降下時に油圧シリンダ４１から油路４４へ排出された作動油は、ブーム回生制御弁４５を通過して回生用通路１９へ流入し、回生用通路１９から回生量制御弁２９を介して回生モータ１８へ供給される。回生モータ１８は流入した作動油により回転駆動され、流体エネルギーが機械エネルギーに変換される。更に、回生モータ１８からの回転出力は第２動力伝達機構１４によって電動発電機２２へ伝達され、電動発電機２２から第１動力伝達機構１３によってメインポンプ１７へ伝達される。このようにして、油圧シリンダ４１の運動エネルギーによって直接的に（つまり、エネルギーがアキュムレータ５１やキャパシタ２６に一時的に蓄えられることなく）エンジン１１によるメインポンプ１７の回転駆動がアシストされる。

（１３．旋回回生・ブーム回生・充電モード）
旋回回生・ブーム回生・充電モードは、旋回回生モードと、ブーム回生モードと、充電モードとを同時に行う駆動モードである。具体的には、上部旋回体の旋回制動時の上部旋回体の運動エネルギーと、ブームの降下時のブームの運動エネルギーとを、流体エネルギーに変換してアキュムレータ５１に蓄えるとともに、電気エネルギーに変換してキャパシタ２６に蓄える駆動モードである。この旋回回生・ブーム回生・充電モードの駆動システム１では、旋回回生制御弁３８が開放され、開閉弁５２が開放され、ブーム回生制御弁４５が回生側に切り替えられ、回生量制御弁２９が開放されている。第２クラッチ１４１が制御式クラッチの場合は、第２クラッチ１４１が接続される。

上記旋回回生・ブーム回生・充電モードでは、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ排出された作動油（又は、油圧モータ３１から油路３３へ排出された作動油）が切替弁３９と旋回回生制御弁３８とを通過して回生用通路１９へ流入し、ブームの降下時に油圧シリンダ４１から油路４４へ排出された作動油がブーム回生制御弁４５を通じて回生用通路１９へ流入する。そして、回生用通路１９に流入した作動油の一部は開閉弁５２を通じてアキュムレータ５１へ流入して蓄えられる。回生用通路１９に流入した残りの作動油は回生量制御弁２９を通じて回生モータ１８へ流入する。回生モータ１８は流入した作動油により回転駆動され、回生モータ１８からの回転出力が第２動力伝達機構１４によって電動発電機２２へ伝達され、電動発電機２２へ伝達された機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、電気エネルギーはインバータ２７で交流に変換されてからキャパシタ２６に蓄えられる。

（１４．旋回回生・ブーム回生・充電・直接エンジンアシストモード）
旋回回生・ブーム回生・充電・直接エンジンアシストモードは、上部旋回体の旋回制動時の上部旋回体の運動エネルギーとブームの降下時のブームの運動エネルギーとを、流体エネルギーに変換してアキュムレータ５１に蓄えることと、電気エネルギーに変換してキャパシタ２６に蓄えることと、機械エネルギーに変換してエンジン１１によるメインポンプ１７の駆動をアシストすることとを行う駆動モードである。

旋回回生・ブーム回生・充電・直接エンジンアシストモードの駆動システム１では、旋回回生制御弁３８が開放され、ブーム回生制御弁４５が回生側に切り替えられ、開閉弁５２が開放され、回生量制御弁２９が開放され、インバータ２７が回生側に切り替えられ、回生モータ１８の出力回転数とエンジン１１の出力回転数とが等しくなるように回生モータ１８の傾転角が操作されている。クラッチ１３１，１４１が制御式クラッチの場合は、第１クラッチ１３１及び第２クラッチ１４１が接続される。このような駆動システム１において、上部旋回体の旋回制動時に油圧モータ３１から油路３４へ排出された作動油（又は、油圧モータ３１から油路３３へ排出された作動油）が切替弁３９と旋回回生制御弁３８とを通過して回生用通路１９へ流入し、ブームの降下時に油圧シリンダ４１から油路４４へ排出された作動油がブーム回生制御弁４５を通じて回生用通路１９へ流入する。回生用通路１９に流入した作動油の一部は開閉弁５２を通じてアキュムレータ５１へ流入して蓄えられる。回生用通路１９に流入した残りの作動油は、回生量制御弁２９を通じて回生モータ１８へ流入して回生モータ１８を回転させる。回生モータ１８からの回転出力は、第２動力伝達機構１４、電動発電機２２、及び第１動力伝達機構１３を通じてメインポンプ１７へ伝達される。更に、回転する電動発電機２２で発電された電気エネルギーがインバータ２７によって回収されてキャパシタ２６に蓄えられる。

以上説明した通り、本実施形態に係る駆動システム１は、上部旋回体の制動時の上部旋回体の運動エネルギーとブーム降下時のブームの運動エネルギーとを、アキュムレータ５１に流体エネルギーとして蓄えることができる。そして、アキュムレータ５１に蓄えられた流体エネルギーを機械エネルギーに変換してこの機械エネルギーでエンジン１１をアシストしたり、機械エネルギーを更に電気エネルギーに変換してキャパシタ２６に蓄えたり、キャパシタ２６に蓄えられた電気エネルギーを再び機械エネルギーに変換してこの機械エネルギーでエンジン１１をアシストしたりすることができる。

上記駆動システム１がアキュムレータ５１を備えることによって、油圧アクチュエータ制御回路２５から回生モータ１８へ送られる作動油の一部又は全部を一旦アキュムレータ５１に蓄えることができる。そして、アキュムレータ５１に蓄えられた作動油が回生モータ１８へ供給されることにより回生モータ１８が駆動するので、油圧アクチュエータ制御回路２５から直接的に回生モータ１８へ作動油が供給される場合と比較して、回生モータ１８の出力を低下させることができる。これにより、油圧アクチュエータ制御回路２５から直接的に回生モータ１８へ作動油が供給される場合と比較して、発電容量の低い電動発電機２２や容量の小さいキャパシタ２６をシステムに採用することが可能となる。

更に、油圧アクチュエータ制御回路２５の数よりも少ない電動発電機２２とキャパシタ２６をシステムに備えることができ、従来のように各油圧アクチュエータ制御回路２５につき電動発電機２２が設けられた場合と比較して、電動発電機２２とキャパシタ２６の数を減らすことができる。このように、電動発電機２２とキャパシタ２６の数の低減及び小型化により、駆動システム１の小型化及びコスト削減を実現することができる。

また、上記駆動システム１が、アキュムレータ５１とキャパシタ２６とを備えることによって、油圧アクチュエータの運動エネルギーを流体エネルギーとしてアキュムレータ５１に蓄えることと、キャパシタ２６に蓄えられた回生エネルギーである電気エネルギーを用いてエンジン１１をアシストすることとを同時に行うことができる。

また、上記駆動システム１は、第１動力伝達機構１３が第１クラッチ１３１を備えているので、電動発電機２２からメインポンプ１７への回転動力伝達の接続と切断とを切り替えることができる。更に、上記駆動システム１は、第２動力伝達機構１４が第２クラッチ１４１を備えているので、回生モータ１８から電動発電機２２への回転動力伝達の接続と切断とを切り替えることができる。このような動力伝達構成により、エンジンアシスト機能と、上部構造体の旋回制動時の上部旋回体の運動エネルギーの回生機能と、ブームの降下時のブームの運動エネルギーの回生機能とを、１つの電動発電機２２に併せ備えることができる。したがって、エンジンアシスト用と、上部旋回体の運動エネルギーの回生用と、ブームの運動エネルギーの回生用との各用途のために複数の発電電動機を備えずとも、１つの電動発電機２２を駆動システム１に備えれば足りる。このような電動発電機２２の数の低減により、駆動システム１の小型化とイニシャルコスト削減を図ることができる。

また、上記駆動システム１では、第１クラッチ１３１と第２クラッチ１４１を備えることにより、回生モータ１８から電動発電機２２への回転動力、及び、電動発電機２２からメインポンプ１７への回転動力の断続を個々に切り替えることができる。これにより、１つの電動発電機２２にエネルギー回生機能とエンジン１１による油圧ポンプの駆動をアシストするアシスト機能とを併せ備えることができる。よって、電動発電機２２とアキュムレータ５１の数の低減により、駆動システム１の小型化及びコスト削減を図ることができる。

また、上記駆動システム１では、上部構造体の旋回制動時の上部旋回体の運動エネルギーと、ブームの降下時のブームの運動エネルギーとが、共に流体エネルギーに変換される。これにより、１組のデバイス（回生モータ１８と電動発電機２２）でエネルギーを回生することができる。よって、駆動システム１が備えるエネルギー回生のためのデバイスの数を削減することができ、駆動システム１の小型化とイニシャルコスト削減を実現することができる。

また、上記駆動システム１では、キャパシタ２６やアキュムレータ５１にエネルギーを蓄える以外に、回生モータ１８の回転出力をエンジン１１のアシストのために直接的に利用することが可能である。このように回生エネルギーをエンジンアシストに直接的に利用することによれば、回生エネルギーを蓄える場合と比較してエネルギー効率が向上するので、燃費低減に寄与することができる。

また、上記駆動システム１では、回生エネルギーに基づく機械エネルギーでエンジン１１をアシストしているため、油圧でエンジン１１をアシストする場合と比較して、油圧で操作性に与える影響が小さい。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

例えば、上記実施形態に係る駆動システム１では、直接エンジンアシストモードにおいて回生モータ１８の出力回転数がエンジン１１の出力回転数と等しくなるように、回生モータ１８の斜板の傾転角を調整する。但し、第１動力伝達機構１３と第２動力伝達機構１４の各々に軸回転数を変化させる変速機を設け、これらの変速機によって、回生モータ１８の出力回転数と電動発電機２２の出力回転数とがエンジン１１の出力回転数と等しくなるようにしてもよい。

また、例えば、上記本実施形態に係る駆動システム１が備える少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路２５には、説明を簡単にするために、油圧モータ制御回路２５Ａと油圧シリンダ制御回路２５Ｂの２つの油圧アクチュエータの制御回路が含まれている。但し、駆動システム１が備える少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路２５は上記に限定されず、油圧アクチュエータの種類や制御回路の数及び構成を変更することができる。

１ 駆動システム
７ 制御装置
１０ ハイブリッド駆動装置
１１ エンジン
１３ 第１動力伝達機構
１４ 第２動力伝達機構
１６ 供給通路
１７ メインポンプ
１８ 回生モータ
１９ 回生用通路
２２ 電動発電機
２５ 油圧アクチュエータ制御回路
２５Ａ 油圧モータ制御回路
３１ 油圧モータ
２５Ｂ 油圧シリンダ制御回路
４１ 油圧シリンダ
２６ キャパシタ
２７ インバータ
２９ 回生量制御弁（流量制御弁）
３８ 旋回回生制御弁
３９ 切替弁
４５ ブーム回生制御弁
５１ アキュムレータ
５２ 開閉弁
１３１ 第１クラッチ
１４１ 第２クラッチ
１８１ 傾転角操作装置（傾転機構）

Claims (12)

1. エンジンと、
   前記エンジンにより駆動され、少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路へ作動油を圧送する油圧ポンプと、
   前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から排出される作動油により回転駆動される回生モータと、
   前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路から前記回生モータへ作動油を送る回生用通路と、
   前記回生用通路と接続され、作動油を一時的に蓄える蓄圧器と、
   前記回生モータにより駆動されて発電する発電機としての機能と供給された電力により前記油圧ポンプを駆動する電動機としての機能とを有する電動発電機と、
   前記電動発電機と接続され、電力を蓄える蓄電器と
   を備える、作業機械の駆動システム。
2. 前記電動発電機の出力軸から前記油圧ポンプの入力軸への一方向の回転動力の伝達の断続を切り替える第１クラッチを更に備える、請求項１に記載の作業機械の駆動システム。
3. 前記回生モータは可変容量形の傾転機構を備える、請求項２に記載の作業機械の駆動システム。
4. 前記回生モータの出力軸から前記電動発電機の入力軸への一方向の回転動力の伝達の断続を切り替える第２クラッチを更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業機械の駆動システム。
5. 前記回生用通路と前記蓄圧器との間に設けられた開閉弁を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業機械の駆動システム。
6. 前記回生用通路に設けられた流量制御弁を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の作業機械の駆動システム。
7. 前記第１クラッチが、前記電動発電機の前記出力軸の回転数が前記エンジンの出力回転数以上のときに接続されるように構成された機械式クラッチである、請求項２に記載の作業機械の駆動システム。
8. 前記第２クラッチが、前記回生モータの前記出力軸の回転数が前記電動発電機の前記入力軸の回転数以上のときに接続されるように構成された機械式クラッチである、請求項４に記載の作業機械の駆動システム。
9. 前記作業機械が油圧ショベルである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の作業機械の駆動システム。
10. 前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路には、前記油圧ショベルのブームを昇降駆動するための油圧シリンダの動作を制御するための油圧シリンダ制御回路が含まれている、請求項９に記載の作業機械の駆動システム。
11. 前記少なくとも１つの油圧アクチュエータ制御回路には、前記油圧ショベルの上部旋回体を旋回駆動するための旋回用油圧モータの動作を制御するための油圧モータ制御回路が含まれている、請求項９又は１０に記載の作業機械の駆動システム。
12. 前記油圧モータ制御回路は、前記上部旋回体の旋回制動時に、前記油圧モータ制御回路から前記回生用通路へ作動油が排出される状態と、前記油圧モータ制御回路内で作動油が循環する状態とを切り替える弁を備えている、請求項１１に記載の作業機械の駆動システム。

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