JP2016166449A - ショベル - Google Patents

Abstract

【課題】相対的に小さなアキュムレータで、大きな回生エネルギーを再利用可能なショベルを提供する。
【解決手段】コントロールバルブ１７は、油圧ポンプであるメインポンプ１４から吐出される圧油を制御する。エンジン１１は、メインポンプ１４を駆動する。回生油圧モータ５００は、その回転軸がエンジン１１の回転軸と機械的に連結されている。クラッチ５０４は、回生油圧モータ５００の回転軸と回転体５０２の間に設けられる。アキュムレータ５０６アキュムレータ５０６は、上部旋回体４の旋回運動のブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じの少なくともひとつを含む回生動作により生ずる圧力を蓄える。切換弁５０８は、アキュムレータ５０６からの圧油を回生油圧モータ５００に供給するか否かを切りかえる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラーと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。油圧ショベルでは、上部旋回体の動力、アームやブーム、バケットの動力として、油圧が利用される。

こうした油圧ショベルでは、上部旋回体のブレーキ、アームの閉じ、ブームの下げ時に、回生エネルギーとして大きな圧力が発生する。ハイブリッドショベルでは、このような回生エネルギーを電気エネルギーとしてバッテリあるいはキャパシタなどの蓄電手段に回収している。

国際公開第０６／０３３４０１号パンフレット

本発明者らは、電気エネルギーとは異なる形態で回生エネルギーを回収することを検討した。最も簡易には、ショベルにアキュムレータを搭載し、アキュムレータに蓄えられたエネルギーを油圧ポンプの駆動のアシストに用いることで目的は達せられる。

ところが大容量のアキュムレータは高価であり、コストを考慮すると、それほど大きなエネルギーを蓄えておくことはできない。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、相対的に小さなアキュムレータで、大きな回生エネルギーを再利用可能なショベルの提供にある。

本発明のある態様はショベルに関する。ショベルは、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油を制御するコントロールバルブと、油圧ポンプを駆動するエンジンと、その回転軸がエンジンの回転軸と機械的に連結され、その油路に上部旋回体の旋回運動のブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じの少なくともひとつを含む回生動作により生ずる圧油を受ける回生油圧モータと、回転体と、回生油圧モータの回転軸と回転体の間に設けられたクラッチと、を備える。

回転体の慣性モーメントをＩとしたとき、回転数ωで回転する回転体には、Ｅ＝１／２×ω^２Ｉの運動エネルギーが蓄えられる。負荷が軽く、エンジンの出力トルクに余裕があるときにクラッチを接続することで、エンジンのトルクで回転体に運動エネルギーを蓄えることができる。あるいは、回生動作を行ったときにクラッチを接続することで、回生エネルギーを回転体に蓄えることができる。またクラッチを接続することで、回転体に蓄えられたエネルギーを、エンジンによる油圧ポンプの駆動のアシストとして利用することができる。
この態様によれば、回転体にエネルギーを蓄えることで、アキュムレータの容量を小さくでき、あるいはなくすことができ、大きなエネルギーを再利用できる。

ショベルは、回生動作により生ずる圧油の圧力を蓄えるアキュムレータと、アキュムレータからの圧油を回生油圧モータに供給するか否かを切りかえる切換弁と、をさらに備えてもよい。
アキュムレータの圧力がある程度高まったときに、切換弁によりアキュムレータからの圧油を回生油圧モータに供給してクラッチを接続することで、回生エネルギーを回転体の運動エネルギーとして蓄えることができる。

クラッチは、エンジンによる油圧ポンプの駆動トルクが不足するときに接続されてもよい。

クラッチは、アキュムレータの圧力が所定値に達したときに接続されてもよい。

回転体は、カウンターウェイトとして使用されてもよい。
回転体はある程度の質量を有するところ、旋回体内のカウンタウェイトの代わりに、あるいはカウンタウェイトの一部として使用することで、ショベル全体の質量増加を抑えることができる。

回転体は、制振用のジャイロスタビライザに使用されてもよい。
これにより回生エネルギーを蓄えつつ、上部旋回体の振動を抑制できる。

クラッチは、暖気運転中に接続されてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、相対的に小さなアキュムレータで、大きな回生エネルギーを回収可能なショベルを提供できる。

実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。 実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。 回転体の第１の搭載箇所を示す図である。 回転体の第２の搭載箇所を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主としてクローラー（走行機構）２と、クローラー２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。

旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０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によって油圧駆動される。また、旋回体４には、運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図２は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図２では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

機械式駆動部としてのエンジン１１は、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続されている。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。なお、油圧アクチュエータに油圧を供給する油圧回路は２系統設けられることがあり、その場合にはメインポンプ１４は２つの油圧ポンプを含む。本明細書では理解の容易化のため、メインポンプが１系統の場合を説明する。

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。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示したクローラー２を駆動するための走行油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、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が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示したクローラー２を駆動するための油圧モータ（走行油圧モータ）２Ａ及び２Ｂの他、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が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

また、旋回機構３を駆動するための旋回油圧モータ２１がコントロールバルブ１７に接続される。旋回油圧モータ２１は、旋回制御装置の油圧回路を介してコントロールバルブ１７に接続されるが、図２には旋回制御装置の油圧回路は示されず、簡略化されている。また、各アクチュエータおよびポンプをリリーフするためのリリーフバルブが、各アクチュエータおよびポンプに接続される。

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（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、クローラー２、旋回機構３、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、運転者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。圧力センサ２９は、油圧ライン２７の圧力をセンスするとともに、パイロットライン２５の圧力、高圧油圧ライン１６の圧力をセンスしてもよい。コントローラ３０は、圧力センサ２９によりセンスされた圧力の少なくともひとつを制御入力とする。

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。なお図２において油圧ライン２７は１本で描かれているが、実際にはバケット、アーム、ブーム、左走行油圧モータ、右走行油圧モータ、旋回それぞれの制御指令値の油圧ラインが存在する。

操作装置２６は、３つの入力装置２６Ａ〜２６Ｃを含む。入力装置２６Ａ〜２６Ｃはペダルもしくはレバーであり、入力装置２６Ａ〜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。本実施形態では、入力装置２６Ａが旋回操作レバーとして機能し、入力装置２６Ｂがブーム操作レバーとして機能する。入力装置２６Ｃは、走行用のレバーもしくはペダルである。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。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、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される。

以上がショベル１全体の基本構成である。

ショベル１はさらに、回生油圧モータ５００、回転体５０２、クラッチ５０４、アキュムレータ５０６、切換弁５０８、減速機５１０を備える。

回生油圧モータ５００の回転軸は、エンジン１１の回転軸と機械的に連結されている。具体的にはエンジン１１及び回生油圧モータ５００の回転軸は、共に減速機１３の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン１１の負荷が大きいときには、回生油圧モータ５００が自身の駆動力によりエンジン１１の駆動力を補助（アシスト）し、回生油圧モータ５００の駆動力が減速機１３の出力軸を経てメインポンプ１４に伝達される。一方、エンジン１１の負荷が小さいときには、エンジン１１の駆動力が減速機１３を経て回生油圧モータ５００に伝達されることにより、回生油圧モータ５００が回転する。

より省エネを実現するために、回生油圧モータ５００と減速機５１０の間に、クラッチ５０５を挿入することが望ましい。コントローラ３０は、エンジン１１をアシストするタイミング、エンジン１１からのエネルギーを蓄えるタイミングにおいて、クラッチ５０５をオン（接続）する。

また回生油圧モータ５００は、その油路に、旋回体４の旋回運動のブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じの少なくともひとつを含む回生動作により生ずる圧油を受ける。切換弁５２２は、回生油圧モータ５００の油路と接続され、余剰な作動油をタンクに戻す。

回転体５０２は、ある軸を中心に低摩擦で回転自在に支持される。

クラッチ５０４は、回生油圧モータ５００の回転軸と回転体５０２の間に設けられる。たとえばクラッチ５０４は、コントローラ３０からの制御信号に応じて接続、切断が切換可能な電磁クラッチである。

アキュムレータ５０６は、旋回体４の旋回運動のブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じの少なくともひとつを含む回生動作により生ずる圧力、すなわち回生エネルギーを蓄える。切換弁５２０は、回生動作時に開状態となる。アキュムレータ５０６は、リリーフバルブによりリリーフされるエネルギーを蓄える。切換弁５２１は、リリーフライン５２３と接続され、回生動作時に開放状態となり、

切換弁５０８は、アキュムレータ５０６と回生油圧モータ５００の間に設けられ、開状態においてアキュムレータ５０６からの圧油を回生油圧モータ５００に供給し、回生油圧モータ５００を回転させ、閉状態において回生油圧モータ５００への油路を遮断する。

以上がショベル１のブロック図である。続いてその動作を説明する。

回転体の慣性モーメントをＩとしたとき、回転数ωで回転する回転体には、Ｅ＝１／２×ω^２Ｉの運動エネルギーが蓄えられる。ショベル１は、余剰なエネルギーがあるときに回転体５０２に回転エネルギーを蓄え、エネルギーが不足するときに、回転体５０２の回転エネルギーを再利用する。

負荷が軽く、エンジン１１の出力トルクに余裕があるときにクラッチ５０４およびクラッチ５０５を接続し、することで、エンジン１１のトルクで回転体５０２に運動エネルギーを蓄えることができる。

また、アキュムレータ５０６の圧力がある程度高まり、あるしきい値を超えたときに、切換弁５０８によりアキュムレータ５０６からの圧油を回生油圧モータ５００に供給して、その状態でクラッチ５０４を接続し、クラッチ５０５を切断することで、回生エネルギーを回転体５０２の運動エネルギーとして蓄えることができる。

また回転体５０２に回転エネルギーが蓄えられた状態で、つまり回転体５０２が回転している状態で、クラッチ５０４およびクラッチ５０５を接続することで、回転体５０２に蓄えられたエネルギーを、エンジン１１によるメインポンプ１４の駆動のアシストとして利用することができる。

このように、実施の形態に係るショベル１によれば、回転体５０２にエネルギーを蓄えることで、アキュムレータ５０６の容量を小さくでき、大きなエネルギーを再利用できる。

続いて回転体５０２のショベル１への搭載について説明する。

図３は、回転体５０２の第１の搭載箇所を示す図である。
回転体５０２に蓄えられる運動エネルギーは、慣性モーメントＩに比例するため、大きなエネルギーを蓄えるには、回転体５０２の質量を大きくする必要がある。幸いにもショベル１の旋回体４には、アタッチメントが重い物を保持する際に車両のバランスを取る目的で、カウンターウェイトと呼ばれる金属製あるいはコンクリート製のおもりが搭載されている。

そこで、回転体５０２は、カウンターウェイトの代わり、もしくはその一部分として、旋回体４の後部に搭載してもよい。これにより、ショベル１全体の質量増加を抑えることができる。

図４は、回転体５０２の第２の搭載箇所を示す図である。回転体５０２は、制振用のジャイロスタビライザに使用してもよい。回転体５０２を制振に利用する技術は、特許文献１（国際公開第０６／０３３４０１号パンフレット）に開示されているためここでの説明は省略する。支持部材５３０は回転体５０２を、ロール軸ｘ、ピッチ軸ｙに対して傾動自在であり、ヨー軸に対して回転自在となるように支持する。回転体５０２には、クラッチ５０４を介して回生油圧モータ５００もしくは図示しないエンジンからの動力が伝達可能となっている。回転体５０２は、ジャイロスタビライザであり、かつカウンターウェイトであってもよい。

回転体５０２をジャイロスタビライザとして用いる場合にはクラッチ５０４を接続するタイミングが重要となる。すなわち、暖機運転中や作業開始直前においては、クラッチ５０４を繋いで、エンジン１１の動力により回転体５０２にエネルギーを蓄えることが望ましい。その後、アタッチメントを用いた作業が始まると、ジャイロ効果により振動が抑制される。

作業中に、旋回ブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じなどの回生動作が生じると、クラッチ５０４および５０５を接続することで回転体５０２に回転エネルギーを補充できる。

また作業中に、エンジン１１の出力が負荷に対して不足するような状況に陥ると、クラッチ５０４を接続して、回転体５０２のトルクにより、エンジン１１をアシストすることができる。クラッチ５０４および５０５の制御は、作業者の手元の操作レバーでマニュアルで行えるようにしてもよいし、コントローラ３０がプログラムにしたがって自動で行ってもよい。あるいは、マニュアルと自動制御を組み合わせてもよい。

このように図４の構成によれば、ショベル１の振動を抑えつつ、回転体５０２にエネルギーを蓄え、また回転体５０２に蓄えられたエネルギーを利用し、必要に応じてメインポンプ１４の駆動をアシストすることができる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、アキュムレータ５０６と回転体５０２を併用したショベル１を説明したが、アキュムレータ５０６は省略してもよい。また減速機５１０に代えて、カムシャフトなどのその他の伝達機構を用いてもよい。

効率の悪化と引きかえに、クラッチ５０５を省略してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…クローラー、２Ａ…走行油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、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…バケット、１１…エンジン、１３…伝達機構、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、２１…旋回油圧モータ、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、５００…回生油圧モータ、５０２…回転体、５０４…クラッチ、５０６…アキュムレータ、５０８…切換弁、５１０…減速機、５３０…支持部材。

Claims (7)

1. 油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから吐出される圧油を制御するコントロールバルブと、
   前記油圧ポンプを駆動するエンジンと、
   その回転軸がエンジンの回転軸と機械的に連結され、その油路に上部旋回体の旋回運動のブレーキ、ブームの下げ、アームの閉じの少なくともひとつを含む回生動作により生ずる圧油を受ける回生油圧モータと、
   回転体と、
   前記回生油圧モータの回転軸と前記回転体の間に設けられたクラッチと、
   を備えることを特徴とするショベル。
2. 前記回生動作により生ずる圧油の圧力を蓄えるアキュムレータと、
   前記アキュムレータからの圧油を前記回生油圧モータに供給するか否かを切りかえる切換弁と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記クラッチは、前記エンジンの前記油圧ポンプの駆動トルクが不足するときに接続されることを特徴とする請求項１または２に記載のショベル。
4. 前記クラッチは、前記アキュムレータの圧力が所定値に達したときに接続されることを特徴とする請求項２に記載のショベル。
5. 前記クラッチは、暖気運転中に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のショベル。
6. 前記回転体は、カウンターウェイトに使用されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のショベル。
7. 前記回転体が、制振用のジャイロスタビライザに使用されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のショベル。

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