JP3862256B2 - 油圧駆動装置付きハイブリッド機械 - Google Patents
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Description
技 術 分 野
本発明は、油圧駆動装置付きハイブリッド機械に関する。
【0002】
背 景 技 術
ハイブリッド機械は、大略してエンジンと、エンジンを駆動源とした発電機と、電動機と、電動機が外負荷により逆駆動されて生ずる電動機の起電力を蓄電する二次電池とを備え、電動機が発電機及び二次電池から電力を受けて駆動自在とされたものである。ハイブリッド化の狙いは省エネ化及び低公害化であり、近年、普通自動車に実用化されて好成績を納めている。ここに、省エネ化は、自動車の制動時及び降坂時に生じる電動機の逆駆動に基く起電力を電動機への駆動電力として回生させたこと、そしてこれによるエンジンの燃料消費量の減少から生ずる。一方、低公害化は、エンジンの燃料消費量の減少、つまり、排気ガスの減少から生ずる。
【0003】
ところで、普通自動車での電動機の逆駆動に基く起電力を二次電池に蓄電するとのエネルギ回収は、制動機会が多い市街地走行において期待できるが、制動機会が少ない高速道路走行において期待しにくい。つまり、このハイブリッド普通自動車によれば、エネルギ回収を定常的に行えない。
【0004】
ところが、定常的に繰り返し作動する油圧駆動装置を備えた、例えば油圧ショベル及びホイールローダ等の建設機械及び鉱山機械並びにフォークリフト等の荷役機械等では、その油圧駆動装置が外負荷に抗して繰り返し伸縮自在であるばかりか、外負荷により繰り返し伸縮される油圧シリンダを有する。さらに、旋回機構を有する油圧ショベル等の機械は、正逆旋回を繰り返し、その制動時に外負荷なる旋回慣性力を受ける旋回モータも有する。つまり、これら機械によれば、油圧シリンダ及び/又は旋回モータからエネルギ回収を定常的に行える。
【0005】
従って、かかる油圧駆動装置付き機械をハイブリッド化すれば、少なくともハイブリッド普通自動車よりも定常的に省エネ化及び低公害化を達成でき、従ってかかる油圧駆動装置付き機械のハイブリッド化が望まれている。
【0006】
発 明 の 開 示
本発明は、外負荷に抗して作動自在、かつ外負荷により作動可能の油圧アクチュエータを有する油圧駆動装置付き機械の好適なハイブリッド化を目的とする。更に、ハイブリッド化に最適な油圧駆動装置を併せ提供することを目的とする。
【0007】
そこで本発明に係わる油圧駆動装置付きハイブリッド機械は、第1に、動力源と、動力源の動力で駆動される発電機と、電動機と、電動機が外負荷により逆駆動されて生ずる電動機の起電力を蓄電する二次電池とを備え、電動機が発電機及び二次電池から電力を受けて駆動自在とされたハイブリッド機械において、
外負荷に抗して伸縮自在、かつ外負荷により伸縮可能の油圧シリンダと、
油圧シリンダのヘッド側受圧室及びボトム側受圧室に対し閉回路として接続した第1油圧ポンプと、
ボトム側受圧室及び外部の蓄圧器に対し開回路として接続した第2油圧ポンプとを備え、
第1、第2油圧ポンプを電動機に接続して駆動自在とし、
作業機操作レバーの操作量に応じて前記蓄圧器の最高作動圧を制御するようにしたことを特徴とする。
【0008】
かかる第1構成によれば、第1油圧ポンプがヘッド側受圧室の油を吸入してボトム側受圧室に吐出するとき第2油圧ポンプが蓄圧器の油を吸入してボトム側受圧室に吐出する。従って、油圧シリンダが伸長する。逆に、第1油圧ポンプがボトム側受圧室の油を吸入してヘッド側受圧室に吐出するとき第2油圧ポンプがボトム側受圧室の油を吸入して蓄圧器に吐出する。従って、油圧シリンダは短縮する。また、蓄圧器は直接的には第2油圧ポンプの蓄圧器側に、さらに間接的には第1油圧ポンプの第2油圧ポンプ側に与圧を与える。このため、第1、第2油圧ポンプでのエアレーション、キャビテーション及びピッチング 等の液圧回路での基本的不都合の発生が低減する。
【0009】
そして、第1、第2油圧ポンプが外負荷により逆駆動されると、電動機が回転して起電(発電)する。この起電力は二次電池に蓄電されてエネルギ回収となり、発電機からの電力と合わせ、又は切り換って電動機の駆動電力となる。つまり、エネルギ回生が生ずる。
尚、第1、第2油圧ポンプは、開回路における方向切換弁の機能を司る。方向切換弁は、油の流れ方向の切り換えのほか、絞り作用を伴って流量制御するものであるから絞り損失(熱損失)を伴う。ところが、第1構成での第1、第2油圧ポンプによる流量制御は、第1、第2油圧ポンプの単なる駆動だけであるから、絞り損失が生じず、省エネ効果が生ずる。勿論、方向切換弁が無いからその分、経済的効果も生ずる。
【0010】
また、油圧シリンダの伸縮時の油量が第1、第2油圧ポンプでの油の吐出及び吸入に依存する。従って、油圧シリンダが外負荷を受けても第1、第2油圧ポンプを停止しておけば、油圧シリンダが勝手に伸縮しにくい。尚、仮に外負荷を常時受ける油圧シリンダでは、従来技術ならばカウンタバランス弁を備えて外負荷による油圧シリンダの伸縮(暴走)を防止するが、第1構成では、上記の通り、油圧シリンダの伸縮時の油量が第1、第2油圧ポンプでの油の吐出及び吸入に依存するから油圧シリンダが勝手に伸縮することがなく、油圧シリンダの伸縮をオペレータの制御下における。従って第1構成は、カウンタバランス弁を有さない。動力源として、エンジン及び燃料電池などを例示できる。
【0011】
また、蓄圧器の蓄圧終了上限圧を指す最高作動圧を作業機操作レバーの操作量に応じて制御することにより、油圧シリンダの回生駆動時の作動速度を容易に制御できるので、本発明なる油圧駆動装置付きハイブリッド機械自体での制御の自由度が高まる。つまり、省エネ化、その他の有用性を高めることができる(尚、作用効果の詳細例は、後述する実施例で述べる)。
【0012】
第2に、上記第1構成において、第1、第2油圧ポンプは、ヘッド側受圧室のピストン受圧面積をA1、ボトム側受圧室のピストン受圧面積をA2、第1油圧ポンプの単位時間当たりの吐出量をQ1、かつ第2油圧ポンプの単位時間当たりの吐出量をQ2としたときの関係をほぼ「A1:A2=Q1:(Q1+Q2)」とするのが望ましい。
【0013】
かかる第2構成によれば、ほぼ「A1:A2=Q1:(Q1+Q2)」の関係としてあるから、油圧シリンダの伸縮を油量の過不足なく行える。
【0014】
第3に、上記第1構成において、第1、第2油圧ポンプを斜軸形ピストンポンプとし、かつ電動機を両端出力軸形とすると共に、両端出力軸の一方に第1油圧ポンプを接続し、かつ他方に第2油圧ポンプを接続するのが望ましい。
【0015】
かかる第3構成によれば、油圧ポンプはギヤ形、ベーン形及びピストン形等と、多種多様であるが、吐出圧の高圧化から見れば、ピストン形が望ましい。さらに、ピストン形でも耐高速回転性と堅牢性とから見れば、斜板形よりも斜軸形が望ましい。つまり、第3構成は、耐高速回転性と堅牢性とに優れている斜軸形を用いているために、仮に必要流量が大流量でも減速機を介することなく、小形ポンプを電動機に直結できる。ところで、第1構成が第1、第2油圧ポンプを用いるとの第1理由と、斜軸形では斜板形や他の形式のポンプとは異なり電動機に対し両ポンプを直列接続できないとの第2理由とから、第3構成では、電動機の両端出力軸にポンプをそれぞれ接続する。つまり、減速機を無くしてコンパクト化を達成した電動機・ポンプ組立体を提供できる。勿論、直列接続できない余裕空間のない機械に対し、好適に配置できる。
【0016】
第4に、上記第1構成において、
第1油圧ポンプとヘッド側受圧室とを接続する第1流路に対しては、
第1流路に対し予め定めた第1リリーフ圧と、
第1、第2油圧ポンプの各1回転当たりの押し退け容積の和との積値に等しい電動機の駆動トルクを電動機の最大駆動トルクとし、かつ
第1、第2油圧ポンプとボトム側受圧室とを接続する第2流路に対しては、
第2流路に対し予め定めた第2リリーフ圧と、
第1、第2油圧ポンプの各1回転当たりの押し退け容積の和との積値に等しい電動機の駆動トルクを電動機の最大駆動トルクとしてもよい。
【0017】
かかる第4構成によれば、ポンプトルクは、「1回転当たりの押し退け容積×吐出圧」であり、電動機の駆動トルクに等しい。ここに、「ポンプの1回転当たりの押し退け容積」は、固定容積形ポンプでは既知であり、可変容積形ポンプでは容積制御されるからこれも既知となる。一方、「リリーフ圧」は、第4構成では「第1、第2リリーフ圧」として予め定めるから、これも既知である。従って、「両ポンプの1回転当たりの押し退け容積の和×リリーフ圧」なる電動機の駆動トルクは管理自在の値となる。そして、この駆動トルクを超えたトルクで電動機を回転させると、第1、第2流路に第1、第2リリーフ圧以上の油圧が生じてしまう。そこで、第4構成では、「両ポンプの1回転当たりの押し退け容積の和×リリーフ圧」なる電動機の駆動トルクを電動機の最大駆動トルクとしたものである。つまり、電動機回転時には、第1、第2リリーフ圧以上の油圧は第1、第2流路に生じない。具体的には、第4構成によれば、電動機の駆動トルクを監視すれば、油圧回路に通常設けるリリーフ弁を設けること無く、電動機回転時でのリリーフ機能を達成できる。また、電動機の駆動トルクの最大値は設定自在、つまり、変更自在である。従って、マイコン等のコントローラを用いれば、単なる制御プログラムの設定及びその最大駆動トルク変更だけで可変リリーフ制御を簡単、自在かつ経済的に行える。
【0018】
尚、第4構成に基き「リリーフ制御」及び「可変リリーフ制御」を行うと、これらはリリーフ発生阻止のための制御であるから、上記の通り、リリーフは生じない(但し、このリリーフ機能は電動機回転時のみしか生じない)。
【0019】
ところで、第4構成では、第1流路に対する第1リリーフ圧と、第2流路に対する第2リリーフ圧とを備えているが、通常は第1、第2リリーフ圧は同じ値である。従って、第4構成では、これらを同値としてもよい。また、互いに相違させてもよい。即ち、第1流路に対する「両ポンプの1回転当たりの押し退け容積の和×第1リリーフ圧」なる電動機の第1最大駆動トルクと、第2流路に対する「両ポンプの1回転当たりの押し退け容積の和×第2リリーフ圧」なる電動機の第2最大駆動トルクとで個別制御する。かかる個別制御が有効な機械の形態及び使われ方に好適である。
【0020】
第5に、上記第1構成において、第1、第2油圧ポンプのいずれか一方又は両方がピストンポンプであるとき、ピストンポンプの油の外部洩れを受ける油溜と、油溜の油を吸入する第3油圧ポンプと、第3油圧ポンプの吐出油を蓄圧器及び油溜のいずれか一方に切換え自在に導く第1切換弁とを設けることが望ましい。
【0021】
かかる第5構成によれば、ピストンポンプでは油の外部洩れ生じるので、この洩れ相当油量を2流路又は蓄圧器に補給す必要がある。ここに、洩れ油を第1、第2流路のいずれか低圧側にドレンさせてもよいが、第1構成によれば、機械によっては低圧側も高圧となり、ピストンポンプのピストンの背圧となってポンプのトルク効率を低下させる。また、第1構成は第1油圧ポンプ系の閉回路と第2油圧ポンプ系の開回路との折衷構成ではあるが、第2油圧ポンプ系を蓄圧器を含めて見れば、第2油圧ポンプ系もまた閉回路である。尚、蓄圧器の容量は、基本的には、ヘッド側受圧室とボトム側受圧室の容積差よりも大きければよいが、実際は駆動中のポンプ及びアクチュエータ等での発熱を冷却することを考慮すると、蓄圧器を相当大きくしなければならぬ。そこで、第5構成では、油溜と第3油圧ポンプとを設け、洩れ油相当量を第1、第2流路又は蓄圧器に戻す。尚、油溜の加設によって蓄圧器の圧力が油溜に無条件で逃げないように、逆に第3油圧ポンプの加設によって蓄圧器内に無制限に油が供給されないように、第5構成では、第1切換弁を設けてある。
【0022】
第6に、上記第5構成において、第1、第2流路に可変リリーフ弁を設け、かつ可変リリーフ弁のドレン側にドレン油を蓄圧器及び油溜のいずれか一方に選択的にドレンする第2切換弁を設けてもよい。
【0023】
かかる第6構成によれば、この可変リリーフ弁は、上記第4構成で述べた「リリーフは生じない、電動機の最大駆動トルクの可変による可変リリーフ制御」とは異なり、飽くまでリリーフが実際に生ずる「もの」としての可変リリーフ弁である。「もの」としての可変リリーフ弁それ自体は、公知であるが、第6構成では、可変リリーフ弁のドレン側に第2切換弁を設けた。第2切換弁は、ドレン油を蓄圧器又は油溜に切換え自在にドレンする。従って、例えば次のような効用(使われ方)がある。
【0024】
可変リリーフ弁の設定リリーフ圧を低圧化させ、かつ第2切換弁を切換えて蓄圧器にリリーフさせれば、油圧シリンダ、第1、第2油圧ポンプに対して高負荷をかけることもなく、リリーフ損失(発熱である)によって作動油が自動的に昇温する。従って、設定リリーフ圧を選べば、寒冷時及び極寒地での機械の稼動開始時の高粘度油の昇温(いわゆる暖気運転)を効率よく行える。
また、油圧回路では、キャビテーションやエアレーションによって一旦発生した気泡は、閉回路では自然消滅しにくいが、第6構成では、可変リリーフ弁の設定リリーフ圧を低圧化させ、かつ第2切換弁を切換えて油溜にリリーフさせれば、回路が高圧化せず、従って例えば第1、第2油圧ポンプが外接形ギヤポンプならばギヤの噛み合い部での閉じ込み圧の高圧化と低圧化との差を低めることができ、従ってギヤ面のピッチング等を防止できる。尚、気泡を含むドレン油を蓄圧器にドレンさせても、気泡が大気解放されないため、気泡は消滅しにくい(又はしない)。一方、気泡を含むドレン油を油溜にドレンさせれば、気泡は油溜から大気へと解放され、油内から消滅する。
【0025】
第7に、上記第1〜第6構成のいずれか1つにおいて、第1油圧ポンプとヘッド側受圧室とを接続する第1流路の所定部を第1接続点とし、かつ
第1、第2油圧ポンプとボトム側受圧室とを接続する第2流路の所定部を第2接続点としたとき、
蓄圧器と第1接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第1接続点への油流れのみを許容する第1チェック弁を設け、かつ
蓄圧器と第2接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第2接続点への油流れのみを許容する第2チェック弁を設けることが望ましい。
【0026】
かかる第7構成によれば、第1、第2油圧ポンプの容積効率の相互バラツキ状態での第1、第2油圧ポンプ回転時、及び、第1、第2油圧ポンプ停止時における外負荷による油圧シリンダの伸縮時には第1、第2流路に負圧が発生する。ところが、第1、第2チェック弁が、第1、第2流路の各油圧が蓄圧器での蓄圧以下になろうとすると、開弁して蓄圧器と連通させて第1、第2流路の各油圧を蓄圧器での蓄圧と同圧にする。従って、第1、第2流路でのキャビテーション及びエアレーションの発生を防止できる。
【0027】
第8に、上記第1〜第6構成のいずれか1つにおいて、第2油圧ポンプから蓄圧器に至る流路に、第2油圧ポンプと蓄圧器との連通を遮断自在とする開閉弁を設けてもよい。
【0028】
かかる第8構成によれば、仮に第1、第2油圧ポンプが洩れ量の多い例えば歯車ポンプでも、開閉弁(又は第1、第2開閉弁)を閉めれば、開閉弁が油の流れを止める。このため、油圧シリンダが外負荷によって勝手に伸縮することがない。尚、開閉弁を開くと共に、第1、第2油圧ポンプを回転させれば、油圧シリンダはこの回転に応じて伸縮する。
【0029】
第9に、上記第1〜第6構成のいずれか1つにおいて、第1流路に第1開閉弁を設け、かつ第2流路に第2開閉弁を設けてもよい。
かかる第9構成は、第8構成に対する別の態様例である。
【0030】
第10に、上記第1〜第6構成において、第1流路のうち第1油圧ポンプと第1接続点との間に第1開閉弁を設け、かつ第2流路のうち第1、第2油圧ポンプと第2接続点との間に第2開閉弁を設けると共に、
蓄圧器に至る流路に開口した第1ポートと、第1流路のうち第1油圧ポンプと第1開閉弁との間に至る流路に開口した第2ポートと、第2流路のうち第1、第2油圧ポンプと第2開閉弁との間に至る流路に開口した第3ポートとを備え、かつ第1流路の油圧Paをパイロット圧として一端側の受圧部に受け、一方、第2流路の圧Pbをパイロット圧として他端側の受圧部に受けて、
「Pa<Pb」時に、第1、第2ポート間のみを内部で連通させる第1位置と、「Pb<Pa」時に、第1、第3ポート間のみを内部で連通させる第2位置と、「Pa=Pb」時に、第1〜第3ポート間の総べてを内部で互いに遮断させる第3位置とを備えた第3切換弁を設けたものである。
【0031】
第10構成では、第1流路のうち第1油圧ポンプと第1開閉弁との間に至る流路と、第2流路のうち第1、第2油圧ポンプと第2開閉弁との間に至る流路とに、第1、第2チェック弁のようなチェック弁を設けてない。従って、第1、第2油圧ポンプの回転開始及び停止時と、第1又は第2開閉弁の開閉時とが同期作動しないと、第1、第2油圧ポンプの吸入側が負圧となってキャビテーションやエアレーションを発生し易くなる。同期制御は例えば電気信号的には容易に管理できても、制御によって作動するのが電動機及び第1又は第2開閉弁という機械要素であるから、機械的な同期ずれが微妙に生じ易い。ところが、第10構成の第3切換弁は、第1、第2油圧ポンプの吸入側の油圧を同圧にするので負圧が生じず、従ってキャビテーションやエアレーションが発生しなくなる。
【0032】
第11に、上記第10構成において、電動機の回転開始時、指定回転方向に対し所定時間だけ逆方向に電動機を回転させ、所定時間経過時に指定回転方向に電動機を回転させるコントローラを設けるのが望ましい。
第10構成の作用効果の説明において、同期制御を電気信号的に行うと述べたが、第11構成はこれを具現化したものである。
【0033】
発明を実施するための最良の形態
本発明に係わる油圧シリンダ駆動用油圧回路の好適な実施例に関し、図1〜図29を参照して説明する。
【0034】
上記第1実施例を搭載する例機は、図1のローディングショベルである。これは、下部走行体1上に上部旋回体2を旋回自在に備え、上部旋回体2上にエンジン3、運転室4及び作業機5を備える。下部走行体1は左右それぞれに設けた油圧モータ6、6(以下「走行モータ6」とする)によって前後進、停止及び操行自在である。上部旋回体2は、従来一般に油圧モータによって正逆旋回及び停止自在とされるが、例機では電動機MSにより正逆旋回及び停止自在とされている。作業機5は、上部旋回体2からブーム5A、アーム5B及びバケット5Cを順次関節連結し、油圧式のブームシリンダ7A、アームシリンダ7B及びバケットシリンダ7Cの伸縮によって作動(起伏及び屈折)自在である。尚、本実施例においてはエンジン3を動力源3として使用したが、これに限定されるものではない。動力源3としては、燃料電池、外部電源及びバッテリなどを例示できる。
【0035】
第1実施例は、図2の通りである。図2には、前記上部旋回体2、エンジン3、走行モータ6の一つ、電動機MS、ブームシリンダ7A、アームシリンダ7B及びバケットシリンダ7Cを含めてある。特に区別せぬときは、各シリンダ7A〜7Cは以下単に「油圧シリンダ7」とする。
油圧シリンダ7は、外部へロッド71の一端を突出した片ロッド形複動シリンダであり、互いに大小異なるものの第1実施例では、図2の通り、同様の駆動用油圧回路を有して駆動される。そこで、特に区別せぬときは、ブームシリンダ7Aの駆動用油圧回路を例示的に説明し、他の各シリンダ7B、7Cの駆動用油圧回路については異なる事項のみ述べる。
【0036】
図2の通り、ブームシリンダ7Aのチューブに内臓され、かつピストンロッド71の他端に固設したピストン72の小さい受圧面積A1なるヘッド側受圧室7Sは、油路81と、第1油圧ポンプP1の吐出口及び吸入口と、油路82とを経て大きい受圧面積A2なるボトム側受圧室7Lに接続する。また、油路82は、油路83と、第2油圧ポンプP2の吐出口及び吸入口と、油路84と、開閉弁9Aと、油路85とを経て蓄圧器10に接続する。つまり、第1油圧ポンプP1はプームシリンダ7Aのヘッド側受圧室7S及びボトム側受圧室7Lに対し閉回路として接続され、一方、第2油圧ポンプP2は、ボトム側受圧室7Lに対し開回路として接続されている。尚、本実施例では油室10として、蓄圧器10を使用している。しかし、油室10はこれに限定されるものではなく、“油の流入流出を可能とする空間を有する室”を形成するものであればよい。
【0037】
開閉弁9Aはソレノイド式である。ソレノイド9aはコントローラ20に電気的に接続し、コントローラ20から励磁電流を受けると、ばね9bの付勢力に抗して開閉弁9Aを開いて油路84、85間を連通させる。一方、励磁電流を受けないとき(例機の休車時を含む)、開閉弁9Aはばね9bの付勢力によって閉じており、油路84、85間を遮断する。尚、他の各シリンダ7B、7Cの駆動用油圧回路も同様に開閉弁9B、9Cを備える。特に区別せぬときは開閉弁9A〜9Cは以下単に「開閉弁9」とする。
【0038】
蓄圧器10は、コントローラ20に電気信号的に接続し、コントローラ20から励磁電流を受け、その励磁電流が増加するほど最高作動圧(「蓄圧終了上限圧」である)を高圧3MPa(≒30kg/cm2)から低圧2MPa(≒20kg/cm2)へと低めるソレノイド式アクチュエータ10aを備える。尚、蓄圧器10の最低作動圧(「蓄圧開始下限圧」である)は、最高作動圧の変化に係わりなく、1.7MPa(≒17kg/cm2)程度である。
【0039】
尚、油路81は、並列配置の第1安全弁11Sと第1チェック弁12Sとを経て油路85に接続する。油路82も同様に、並列配置の第2安全弁11Lと第2チェック弁12Lとを経て油路85に接続する。
【0040】
第1安全弁11Sは、油路81内の油圧が第1安全弁11Sの設定圧34MPa(≒350kg/cm2)まで昇圧すると開き、油路81を油路85に連通させて油路81内の異常圧(34MPa(≒350kg/cm2)以上の高圧)の発生を防止する。
【0041】
第2安全弁11Lも同様に、油路82内の油圧が第2安全弁11Lの設定圧34MPa(≒350kg/cm2)まで昇圧すると開き、油路82を油路85に連通させて油路82内の異常圧(34MPa(≒350kg/cm2)以上の高圧)の発生を防止する。
【0042】
第1チェック弁12Sは油路85から油路81への油流れのみを許容し、第2チェック弁12Lは油路85から油路82への油流れのみを許容する。即ち、両チェック弁12S、12Lは両油路81、82内の負圧及び真空の発生を防止する。
【0043】
また、油路81は第1油圧検出器13aを備え、油路82は第2油圧検出器13bを備える。両油圧検出器13a、13bは、コントローラ20に電気信号的に接続し、両油路81、82の油圧情報を検出してコントローラ20に入力する。尚、他の各シリンダ7B、7Cの駆動用油圧回路も同様に、第1、第2油圧検出器13a、13bをそれぞれ備える(詳細は不図示)。
【0044】
第1、第2油圧ポンプP1、P2は固定容積形であり、電動機MAの出力軸に共に直結され(又は、不図示の減速機を経て共に直結され)、電動機MAの正逆回転によって正逆回転する。尚、図2に示す通り、他の油圧シリンダ7B、7Cの駆動用油圧回路も同様に電動機MB、MCを備える。特に区別せぬときは、電動機MS、MA〜MCは、以下単に「電動機M」とする。
【0045】
電動機Mは、エンジン3で駆動される発電機Gを主発電とする。発電機G及び電動機Mは三相交流式である。発電機Gはエンジン回転速度と、当該発電機Gのロータコイル(不図示)への励磁電流の大きさとのそれぞれに比例した電圧を発生する。第1実施例では、発電機Gが常備する第1電圧調整機(不図示)が励磁電流を調整し、これにより発電機Gに所定電圧を発生させる。発生した三相交流は、第1整流器30によって直流定電圧V1に変換され、この電圧V1が動力線31を経て電動機Mに設けた各インバータ32S、32A〜32Cに印加される。尚、特に区別せぬときは、インバータ32S、32A〜32Cは、以下単に「インバータ32」とする。
【0046】
インバータは単純には「直流から交流への変換機器」であるが、近年、諸機能を司る。そこで、第1実施例でのインバータ32もコントローラ20と同期して次の諸機能を司る。
第1機能として、インバータ32は直流を三相交流に戻す。
第2機能として、インバータ32は、コントローラ20に対し電気信号的に接続し、コントローラ20からの指令信号に基づき電動機Mのステータコイル(不図示)への電流に対し周波数制御、大小制御及び方向制御等を施し、これにより電動機Mをコントローラ20からの指令信号に基づく正逆回転、回転速度、停止を自在とする。
【0047】
尚、コントローラ20は、いわゆるマイコンと、このマイコンから指令を受けて詳細を後述する各ソレノイドに送るソレノイド駆動電流を発生するための電流発生器とを含む。尚、インバータ32はコントローラの一種であるから、インバータ32をコントローラ20内に一体化して構築してもよい。実施例では、例機に既設のコントローラ20と既存のインバータ32とを転用して交信可能とすべく、これらをバージョンアップしてある。尚、コントローラ20及びインバータ32が記憶し、かつソレノイド等の各種アクチュエータを動作させるための、詳細を後述する動作プログラムは、本実施例固有のものである。
【0048】
第3、第4機能は、次の通り。即ち、電動機Mは、発電機Gの第1電圧調整機と同じくそのロータコイル(不図示)への励磁電流を調整する第2電圧調整機(不図示)を備える。そして、詳細は後述するが、仮に第1、第2油圧ポンプP1、P2が外負荷によって逆駆動されると、また、上部旋回体2の制動時に上部旋回体2が慣性力によって停止まで旋回すると、電動機Mは発電する。すると、第3機能として、そのインバータ32はその発電を検知する。第4機能として、電動機Mが所定の三相交流電圧を発電するように、電動機Mの第2電圧調整機が発生する励磁電流を調整する。
【0049】
詳しくは次の通り。
インバータ32は、第1機能を達成するための直流を三相交流に戻す回路(不図示)を有するが、この回路に対し並列に、第2整流器(不図示)を備える。そして、動力線31は、第1整流器30及び第2整流器に対し並列に二次電池なる蓄電池33を備える。尚、両整流器は共に公知の6個のダイオードの組合わせ式であり、動力線31への電流流れのみを許容する。
即ちインバータ32は、第5機能として、電動機Mが発電したとき発生した三相交流を第2整流器によって直流定電圧V2に整流させ、この電圧V2を動力線31を介して蓄電池33に印加させる。ここに、蓄電池33の充電条件は、第1に「V2>V1」であり、第2に「蓄電池33が充電不足であること」である。そして、これら充電条件が満たされていると、電動機Mが発電した電気は蓄電池33に充電される。
【0050】
即ち、インバータ32の第4機能は、あるインバータ32がその電動機Mの発電を第3機能によって検知したとき、その第2整流器の第5機能を達成させるために第2整流器が「V2>V1」なる直流定電圧V2を出力するように(例えば、「V1=100V」ならば、「V2=200V」とするように)、その電動機Mの第2電圧調整機に対し電動機Mのロータコイルへの励磁電流を調整させる。
【0051】
即ちコントローラ20は、前記の通り、各開閉弁9のソレノイド9aと、蓄圧器10のソレノイド式アクチュエータ10aとにそれぞれの励磁電流を入力自在としてあると共に、第1、第2油圧検出器13a(3個)、13b(3個)から各油圧情報を入力し、かつインバータ32に指令信号を入力自在としてある。さらに、コントローラ20は、運転室4に配置した左作業機操作レバー21WL及び右作業機操作レバー21WRの各傾倒方向F、B、L、R(Fは前傾、Bは後傾、Lは左傾、Rは右傾)毎に設けた傾角検出器(不図示)と、左走行操作レバー21SL及び右走行操作レバー21SRの各傾倒方向F、B毎に設けた傾角検出器(不図示)とに対し電気信号的に接続し、各操作レバーの操作信号(傾倒方向及び傾角θの信号)を入力する。尚、特に区別せぬときは、各操作レバーは、以下単に「操作レバー21」とする。
【0052】
左作業機操作レバー21WLは、前傾Fで右旋回(電動機MSの正回転であり、オペレータから見て上部旋回体2の右方向への旋回)、後傾Bで左旋回(電動機MSの逆回転であり、オペレータから見て上部旋回体2の左方向への旋回)、右傾Rでアーム掘削(アームシリンダ7Bの伸長によるアーム上げ)、左傾Lでアームダンプ(アームシリンダ7Bの短縮によるアーム下げ)、かつ中立位置で電動機MS及びアームシリンダ7Bの停止を司る。
【0053】
右作業機操作レバー21WRは、前傾Fでブーム伏せ(ブームシリンダ7Aの短縮によるブーム下げ)、後傾Bでブーム起立(ブームシリンダ7Aの伸長によるブーム上げ)、右傾Rでバケットダンプ(バケットシリンダ7Cの短縮によるバケット下向き回転)、左傾Lでバケット掘削(バケットシリンダ7Cの伸長によるバケット上向き回転)、かつ中立位置でブームシリンダ7A及びバケットシリンダ7Cの停止を司る。
【0054】
左走行操作レバー21SLは、前傾Fで左前進(左走行モータ6の正回転)、後傾Bで左後進(左走行モータ6の逆回転)、かつ中立位置で左走行モータ6の停止を司る。右走行操作レバー21SRは、前傾Fで右前進(右走行モータ6の正回転)、後傾Bで右後進(右走行モータ6の逆回転)、かつ中立位置で右走行モータ6の停止を司る。
【0055】
そして、コントローラ20は、
詳細を後述する「動作プログラム」と、
「各傾角検出器毎に対応する開閉弁9(9A〜9C)のソレノイド9a及びインバータ32S」と、
「各傾角検出器の傾倒方向F、B、L、R毎に対応するインバータ32及びその正逆回転指令信号」と、
「各傾角検出器の傾角θの大きさ毎に対応する正逆回転指令信号の大きさのマトリクス(及び/又は各関数)」と、
「左作業機操作レバー21WLの左傾L(アーム下げ)並びに右作業機操作レバー21WRの前傾F(ブーム下げ)及び右傾R(バケット下向き回転)の各傾角θの大きさの増加に応じて増加する蓄圧器10のソレノイド式アクチュエータ10aへの励磁電流の大きさの各マトリクス(及び/又は各関数)」と、
詳細を後述するリリーフ相当圧32MPa(≒325kg/cm2)と
を予めメモリ(不図示)に記憶する。
【0056】
上記「動作プログラム」を説明する。尚、例機は、エンジン3の稼動状態において、岩壁等に正対する位置まで自走したのち停止し、作業機5を用いて岩壁等を掻揚げ掘削し、作業機5の姿勢を適正化させつつ、例機の例えば側方に停車するダンプトラック等に掘削物をダンプ(「落下積載」のこと)することを繰り返す(いわゆる「ローディング作業」を行う)。以下、ブームシリンダ7Aのみの動作プログラム(ブーム5Aの起立(上げ)、保持(停止)及び伏せ(下げ))で例示する。
先ずオペレータはエンジン3を始動させる。これにより、蓄電池33が充電不足状態であれば、蓄電池33は直流定電圧V1に基づく充電を開始する。
【0057】
(a)ブーム起立(ブーム上げ)は次の通り。
オペレータが右作業機操作レバー21WRを後傾Bさせると、右作業機操作レバー21WRの傾角検出器は後傾角θをコントローラ20に入力する。コントローラ20は、「右作業機操作レバー21WRの傾角検出器に対応する開閉弁9Aのソレノイド9a」をメモリから読み出し、ソレノイド9aに励磁電流を与えて開閉弁9Aを開き、油路84、85間を連通させる。同時に、コントローラ20は、「後傾Bに対応するインバータ32A及び正回転指令信号」をメモリから読み出すと共に、「後傾角θの大きさに対応する正回転指令信号の大きさ」をメモリのマトリクス(及び/又は各関数)から読み出し、インバータ32Aに後傾角θに対応する大きさの正回転指令信号を入力する。インバータ32Aは正回転指令信号を受けると、直流から戻した三相交流(第1機能)を、正回転指令信号及びその大きさに応じた周波数制御、大小電流制御及び/又は電流方向制御を行って電動機MAを正回転指令信号の大きさに対応した速度で正回転させる(第2機能)。電動機MAの正回転によって、電動機MAに直結した(又は不図示の減速機を経て直結した)第1、第2油圧ポンプP1、P2は共に正回転する。これにより、第1油圧ポンプP1はブームシリンダ7Aのヘッド側受圧室7S内の油を油路81から吸引して油路82に吐出する。同時に、第2油圧ポンプP2は蓄圧器10内の圧油を油路85、開閉弁9A、油路84を経て吸引して油路83に吐出する。油路83に吐出された油は、油路82において第1油圧ポンプP1の吐出油と合流してボトム側受圧室7Lに流入する。これにより、ブームシリンダ7Aは伸長し、ブーム5Aは起立してゆく。
【0058】
(b)ブーム保持(ブーム停止)は次の通り。
オペレータが右作業機操作レバー21WRを中立位置にすると、傾角検出器はコントローラ20への入力信号を止める。インバータ32Aはコントローラ20からの信号を受けないので電動機MAのロータコイルへの励磁電流を遮断して電動機MAを回転自由とする(尚、電動機MAのステータコイル(不図示)への駆動電流を遮断してもよい)。同時に、ソレノイド9aへの励磁電流を遮断して開閉弁9Aを閉じ、油路84、85間を遮断させる。この油路84、85間の遮断(第1理由)と、さらにはブームシリンダ7Aが「(ヘッド側受圧室7Sの容積)<(ボトム側受圧室7Lの容積)」のために、両室7S、7L間で油の出入りが生じないこと(第2理由)とによって、油路81、82での油の流れが止まる。従って、ブームシリンダ7Aが停止し、かつ作業機5の自重WAによる油の内部洩れに基づくブーム5Aの自然降下も生じなくなる。即ち、ブーム5Aは停止する。
【0059】
(c)ブーム伏せ(ブーム下げ)は次の通り。
オペレータが右作業機操作レバー21WRを前傾Fさせると、右作業機操作レバー21WRの傾角検出器は前傾角θをコントローラ20に入力する。コントローラ20は、「右作業機操作レバー21WRの傾角検出器に対応する開閉弁9Aのソレノイド9a」をメモリから読み出し、ソレノイド9aに励磁電流を与えて開閉弁9Aを開き、油路84、85間を連通させる。同時に、コントローラ20は、「前傾Fに対応するインバータ32A及び逆回転指令信号」をメモリから読み出すと共に、「前傾角θの大きさに対応する逆回転指令信号の大きさ」をメモリのマトリクス(及び/又は各関数)から読み出し、インバータ32Aに前傾角θに対応する大きさの逆回転指令信号を入力する。インバータ32Aは逆回転指令信号を受けると、直流から戻した三相交流(第1機能)を、逆回転指令信号及びその大きさに応じた周波数制御、大小電流制御及び/又は電流方向制御を行って電動機MAを逆回転指令信号の大きさに対応した速度で逆回転させる(第2機能)。電動機MAの逆回転によって、電動機MAに直結した(又は不図示の減速機を経て直結した)第1、第2油圧ポンプP1、P2は共に逆回転する。これにより、第1油圧ポンプP1はブームシリンダ7Aのボトム側受圧室7L内の油を油路82から吸引して油路81に吐出しヘッド側受圧室7Sに導く。同時に、第2油圧ポンプP2がボトム側受圧室7L内からの油を油路82から油路83を経て吸引して油路84に吐出し、開閉弁9Aと、油路85とを経て蓄圧器10に導き、これに蓄圧させる。これによってブームシリンダ7Aは短縮し、ブーム5Aは伏せてゆく。尚、以下の説明を容易にするため、この(c)を「電動機MAを電気駆動させて行うブーム下げ」とする。
【0060】
ところで例機はローディングショベルである。従って、掘削作業時のブーム伏せ(下げ)は、先ず作業機5の自重WAとバケット5C内の掘削物の重量wとによるブームシリンダ7Aの短縮によって生ずる。従って、上記(c)の「電動機MAを電気駆動させて行うブーム下げ」は、作業機5の自重WAとバケット5C内の掘削物の重量wとによるプームシリンダ7Aの短縮速度よりもさらに速く短縮させるときか(但し、このような場合は実際上、殆どない)、又は、例えばバケット5Cを接地させてブームシリンダ7Aを短縮させることにより例機の作業機側を地上から浮かせて例機の下部に対する例えば整備作業を容易に行おうとするような場合に限られる。このことは、アーム5B、バケット5C及びバケットシリンダ7Cの自重WBとバケット5C内の掘削物の重量wとによるアームシリンダ7Bの短縮(アーム下げ)の場合、及び、バケット5Cの自重WCとバケット5C内の掘削物の重量wとによるバケットシリンダ7Cの短縮(バケット下げ)の場合も同様である。尚、上記「WA+w」、「WB+w」及び「WC+w」はそれぞれ以下単に「作業機自重W」とする。
【0061】
(d)即ち例機での掘削作業時のブーム下げは、実際は、上記の通り、ブーム下げは、先ず作業機自重Wによるブームシリンダ7Aの短縮によって生ずる。従って、ブームシリンダ7Aの短縮によって第1、第2油圧ポンプP1、P2が逆駆動され、電動機MAも逆駆動される。つまり、上記(c)で説明したように、オペレータが右作業機操作レバー21WRを前傾Fさせ、これにより電動機MAがコントローラ20からの逆回転指令信号の大きさに応じた速度で逆回転しようにも、電動機MAが第1、第2油圧ポンプP1、P2によって逆駆動させられるので、たとえ発電機G側から直流電圧V1が印加されていても電動機MAには直流電圧V1に基づく駆動電流は流れず、電動機MAは逆に発電する。
ここに、蓄電池33の充電が不十分であるとすれば(尚、蓄電池33の充電量は充電時間に関係し、充電電圧とは直接的には関係しない)、電動機MAの発電に基づく直流定電圧V2が第1整流器30を経た直流定電圧V1よりも高いので(V2>V1)、蓄電池33は直流定電圧V2による充電を開始する。即ち、蓄電池33は発電機Gに基づく電圧V1によって充電される外、さらに電動機Mに基づく電圧V2によって充電される。
【0062】
ところでブーム下げを、上記(d)のように、作業機自重Wによるブームシリンダ7Aの短縮だけに依存させると、蓄電池33への充電は十分に行われるとしても、短縮速度をオペレータが制御できないことになる(いわゆる「暴走」が生ずる)。そこで、第1実施例でのブーム下げ速度は、次の通り、制御自在としてあり、暴走発生を防止している。なお、暴走とは、周知の通り、アクチュエータがオペレータの制御下によらず作業機自重Wや慣性力によって作動することである(以下同じ)。
【0063】
即ち蓄圧器10は、コントローラ20に電気信号的に接続し、コントローラ20から励磁電流を受け、その励磁電流が増加するほど、最高作動圧を高圧3MPa(≒30kg/cm2)から低圧2MPa(≒20kg/cm2)に低めるソレノイド式アクチュエータ10aを備える。即ち、ブーム下げ速度は、オペレータの右作業機操作レバー21WRの操作量(前傾角θ)に基づき、次の通り制御自在である。
オペレータが右作業機操作レバー21WRを前傾Fさせ、その前傾角θを大きくするほど、コントローラ20は、「傾角θの大きさの増加に応じて増加するソレノイド式アクチュエータ10aへの励磁電流の大きさ」をメモリのマトリクス及び/又は関数から読み出し、ソレノイド式アクチュエータ10aへの励磁電流を増大させる。これにより最高作動圧は、高圧3MPa(≒30kg/cm2)から低圧2MPa(≒20kg/cm2)へと変化する。つまり、前傾角θを大きくするほど、作業機自重Wによるブームシリンダ7Aの短縮力に抗する蓄圧器10の最高作動圧が小さくなる。従って、ブームシリンダ7Aのボトム側受圧室7L内の油は、第2油圧ポンプP2と、開閉弁9Aとを経て蓄圧器10内に流入し易くなる(また、ボトム側受圧室7L内の油は第1油圧ポンプP1を経てヘッド側受圧室7S内へも流入し易くなる)。つまり、ブーム下げ速度が、オペレータの右作業機操作レバー21WRの操作量(前傾角θ)に基づき制御される。
【0064】
尚、このようなブーム下げ速度の制御は、第1実施例では、アーム5B及びバケット5Cそれぞれの下げ速度制御に対しても同様としてある。このことは、図2及び前記したコントローラ20のメモリの他の記憶内容なる「左作業機操作レバー21WLの左傾L(アーム下げ)及び右作業機操作レバー21WRの右傾R(バケット下向き回転)の各傾角θの大きさの増加に応じて増加する蓄圧器10のソレノイド式アクチュエータ10aへの励磁電流の大きさの各マトリクス(及び/又は各関数)」によって明らかである。
【0065】
ところで掘削作業時、油圧シリンダ7のヘッド側及びボトム側受圧室7S、7Lには異常圧、負圧及び真空の発生が頻発する。例えば、油圧シリンダ7のヘッド側受圧室7S(又はボトム側受圧室7L)に異常圧が発生すれば、反対側のボトム側受圧室7L(又はヘッド側受圧室7S)に負圧(又は真空)が発生する。このとき、第1、第2チェック弁12S、12Lは負圧(又は真空)を防止し、一方、安全弁11S、11Lは異常圧(34MPa以上(≒350kg/cm2以上))の発生を防止する。
【0066】
尚、例機のコントローラ20は、操作レバー21の傾倒中に第1油圧検出器13a又は第2油圧検出器13bから予めメモリに記憶したリリーフ相当圧32MPa(≒325kg/cm2)以上の油圧情報を受けると、操作レバー21の操作(系統)及びその操作量(傾角θ)に係わらず、上記(b)で既説の「保持」への移行信号(「割り込み信号」である)をそのインバータ32に入力する。尚、第1実施例では、リリーフ相当圧32MPa(≒325kg/cm2)とは別に、上記安全弁11S、11Lの設定圧34MPa(≒350kg/cm2)も規定しているが、安全弁11S、11Lは、操作レバー21の未操作時にも作動する。また、安全弁11S、11Lはコントローラによる電動機MAの回転から保持への移行に係る不慮の応答遅れも吸収する。
【0067】
走行モータ6、6は、図2に示す通り、正逆反転式の可変容積形油圧ポンプ61、61とで閉回路を構成している。即ち、左走行操作レバー21SL及び/又は右走行操作レバー21SRを前傾F又は後傾Bさせると、その傾角検出器からの傾角θがコントローラ20を経てその油圧ポンプ61の容積変更用サーボバルブを制御し、これにより、その油圧ポンプ61が傾倒方向F(又はB)に応じた吐出方向に傾角θの大きさに応じた押し退け容積の油を吐出し、走行モータ6、6を自在速度に正回転又は逆回転させている。
【0068】
上記第1実施例の作用効果を項目列記する。尚、既説の作用効果は重複説明を避けるため、必要以外は省略する。
上記第1実施例によれば、ブーム5A、アーム5B及びバケット5Cの下げ時に、作業機自重Wに基づく油圧エネルギを、蓄圧器10に対しては油圧エネルギとして蓄え、蓄電池33に対しては電気エネルギとして蓄える。即ち上記第1実施例によれば、従来放棄されていたエネルギが回収される。そして、回収したエネルギは、ブーム5A、アーム5B及びバケット5Cのいずれか又は複数の上げ時に再利用されることとなる(いわゆる「エネルギ回生」が生ずる)。ところで例機はローディングショベルであるから、その掘削作業形態は、ブーム5A、アーム5B及びバケット5Cの上げから下げ、そして下げから上げへの繰り返し動作である。即ち、掘削作業時において、エネルギの回収と再使用とが交互に生じ、従って無駄無くエネルギの回生を行える。詳しくは、次の通り。
【0069】
(A)蓄圧器10に蓄圧した油圧エネルギの回生
ポンプトルクは吐出圧と吸入圧との差圧(=吐出圧−吸入圧)に比例する。ここで「吸入圧」は蓄圧器10の蓄圧に相当するから、上げ時には蓄圧器10の内圧分だけポンプトルクを小さくできる。即ちその分、第1、第2油圧ポンプP1、P2及び電動機Mの耐トルク性(機械的に言えば「剛性」である)に余裕が生じ、また、エンジン3等を小出力化(即ち、小形化)できる。
【0070】
(B)蓄電池33に蓄電した電気エネルギの回生(即ち「放電」)
下げ時に蓄電した蓄電池33の電圧V2は、発電機Gからの電圧V1よりも高圧となる(V2>V1)。従って、上げ時での上げ始めは、先ず蓄圧器33が放電して電動機Mを駆動する。そして放電によって電圧V2が電圧V1まで低下する間、発電機Gは電圧V1をただ単に発生しているだけでありその電流は流れない。つまり、この間のエンジン3は、ブーム5A、アーム5B及びバケット5Cの上げに対して無負荷運転となる。また、上げ始めは、電動機Mに高トルク(高電流)が要求される起動時である。即ち、起動終了後又は略終了時の電動機Mの中・低トルク(中・小電流)域を発電機G(即ち、エンジン3が)が負担することになる。従ってその分、発電機Gは元より、エンジン3等も小出力化(即ち、小形化)できる。
【0071】
(C)作業機自重Wや慣性力を受けるアクチュエータ(油圧シリンダ、油圧モータ)に対して、従来は、カウンタバランス弁を別途備えて作業機自重Wや慣性力による暴走を防止している。カウンタバランス弁は、周知の通り、アクチュエータの背圧が作業機自重Wや慣性力に基づく油圧よりも大きくなったときからアクチュエータの作動を許容させる弁である。ところが上記第1実施例では、第1、第2油圧ポンプP1、P2自体が暴走に伴う油の流れを遮断自在とするため、カウンタバランス弁を別途備えることなく第1、第2油圧ポンプP1、P2の回転制御だけで下げ速度を自在制御でき、従って暴走が生じない(但し、この第1実施例では、上記の通り、蓄圧器10の最高作動圧を変更自在とし、これによって下げ速度を制御している)。また、カウンタバランス弁において必要な「アクチュエータの背圧を作業機自重Wや慣性力に基づく油圧よりも大きくさせる」との圧力制御が不要であり、従ってその分、油圧エネルギの損失を低減できる。勿論、カウンタバランス弁が不要となるからその分の経済的効果も顕著に生ずる。
【0072】
(D)操作レバー21の傾倒中に、コントローラ20が第1油圧検出器13a又は第2油圧検出器13bから、予め記憶したリリーフ相当圧32MPa以上(約325kg/cm2以上)の油圧情報を受けると、操作レバー21の操作量(傾角θ)に係わらず、コントローラ20は上記(b)で説明の「保持」状態への移行信号をそのインバータ32に入力する。従って、操作レバー21の操作時にリリーフ損失が生じない又は無視できる。即ちエンジン3の燃費が向上し、また、油が昇温し難くなるので少ない油量によって例機を稼動させることができる。
【0073】
(D1)操作レバー21の操作時にリリーフ損失が生じない。即ち、滅多にリリーフ圧が生じない例えばクレーン車等を例機とするときは、両油圧検出器13a、13bと、これら両油圧検出器13a、13bに係わるコントローラ20での制御プログラム関係とは無くてもよい。
尚、制御プログラム関係とは、「リリーフ相当圧32MPa(≒325kg/cm2)」のメモリからの削除、リリーフ相当圧32MPa(≒325kg/cm2)と第1、第2油圧検出器13a、13bからの油圧情報との比較及び比較結果に基づくインバータ32への「保持」への移行信号の入力の削除等である。
【0074】
(D2)また、例機においても、両油圧検出器13a、13bと、コントローラ20におけるこの制御プログラム関係とを削除してもよい。この場合、安全弁11S、11Lがリリーフ弁として機能することとなる。勿論、この場合、安全弁11S、11Lに対し並列に、安全弁11S、11Lの設定圧よりも低い設定圧のリリーフ弁をそれぞれ設けてもよい。
【0075】
(D3)また、第1、第2油圧検出器13a、13bを省いて、リリーフ圧機能をコントローラ20又はインバータ32での制御プログラムだけでも達成できる。即ち、流路81、82に対する所定のリリーフ圧と、第1、第2油圧ポンプP1、P2の各1回転当たりの押し退け容積の和との積値に等しい電動機Mの駆動トルクを電動機Mの最大駆動トルクとすればよい。つまり、コントローラ20又はインバータ32は電動機Mの駆動トルクが最大駆動トルクになったとき、コントローラ20又はインバータ32が電動機Mを停止させるようにする。このようにすると、流路81、82にリリーフ圧が生じようとしても、電動機Mが停止してしまうので、リリーフ圧は生じない。尚、このときは、警報又は電光表示する報知器を別途設けてリリーフ圧の発生直前状態であることを外部のオペレータ等に報知するのがよい。尚、このリリーフ圧発生防止プログラムは、電動機Mの回転時でしか機能を発揮しない。そこで、電動機Mの停止時のリリーフ制御は、安全弁11S、11Lにより行うことになる。尚、電動機Mの駆動トルクの最大値は設定自在、つまり、変更自在であるから、可変リリーフ制御も簡単、自在かつ経済的に行える。また、制御プログラムだけでリリーフ圧を設定できるから、流路81にはこれに好適な第1リリーフ圧を設定し、かつ流路82にもこれに好適な、第1リリーフ圧とは異なる値の第2リリーフ圧を設定してもよい。勿論、第1、第2リリーフ圧のいずれか一方又は両方を可変化しても構わない。かかる第1、第2リリーフ圧への個別制御も自在であるから、機械の未知の将来形態及び使われ方に対して好適に対応できるとの自由度が生ずる。
【0076】
第2実施例を図3、図4を参照し説明する。尚、説明は、上記第1実施例との相違点を中心に述べる。
図4の第2実施例を搭載する例機は、上記第1実施例を搭載したローディングショベルとは異なり、図3のバックホーショベルである。そして、第2実施例では、上記第1実施例なる図2における油路84、85間に設けた開閉弁9B、9Cを取り除き、代わって図4の一点図鎖線の枠内に示すように、各油圧シリンダ7B、7Cの駆動用油圧回路毎の油路81及び油路82に開閉弁9を1個ずつ(9B、9B、9C、9C)設けてある。詳しくは、各油路81には、第1チェック弁12Sよりも第1油圧ポンプP1側に1個(9B、9C)備えると共に、油路82には、第2チェック弁12Lよりも第2油圧ポンプP2側に1個(9B、9C)備える。このように備えた理由(即ち作用効果)は次の通りである。
【0077】
図3の通り、例機なるバックホーショベルのアーム5Bは、その基端部を、プーム5Aの先端に水平ピン(図面の垂直方向のピン)で連結してあり、そのピンの中心を通る鉛直線Zに対して前後方向(図示左右方向)へ両振り作動する。即ち、アーム5Bが鉛直線Zよりも前側(図示左側)に位置するとき、作業機自重W(この場合は、W=WB+w)はアームシリンダ7Bの伸長方向(実線の矢印A方向)に作用する。一方、図示しないが、アーム5Bが鉛直線Zよりも後側(図示右側)に位置するとき、作業機自重W(=WB+w)はアームシリンダ7Bの短縮方向(点線の矢印B方向)に作用する。尚、この両振り作動は、その基端部を、アーム5Bの先端に水平ピン(図面の垂直方向のピン)で連結されてそのピンの中心を通る鉛直線Zに対して前後方向(図示左右方向)へ両振り作動するバケット5Cでも同様である。従って、バケット5Cについてはアーム5Bに対する説明によって既設と見做し、その重複説明を省略する。
【0078】
即ちバックホーショベルのアームシリンダ7Bにおいて、開閉弁9Bを上記第1実施例のように油路84、85間に設けてしまうと、アーム5Bが鉛直線Zよりも前側に位置したとき、作業機自重Wがアームシリンダ7Bを図4に示す実線の矢印A方向に伸長させるように作用する。つまり、ヘッド側受圧室7Sの油を油路81と、第1油圧ポンプP1と、油路82とをこの順に経て第2油圧室7Lに導きアームシリンダ7Bを伸長させるように作用する。ここに、「(ヘッド側受圧室7Sの容積)<(ボトム側受圧室7Lの容積)」であるのでボトム側受圧室7Lの油は不足して負圧側へ移行しようとするが、このとき第2チェック弁12Lが開弁して蓄圧器10内の圧油をボトム側受圧室7Lの導いて不足油を補うので負圧側への移行を阻止する。即ちバックホーショベルのアームシリンダ7B及びバケットシリンダ7Cでは、各開閉弁9B、9Cを上記第1実施例のように油路84、85間に設けると、そして、アーム5B及びバケット5Cが鉛直線Zよりも前側に位置すると、アーム5B及びバケット5Cの重心が鉛直線Z上に至るまでアームシリンダ7B及びバケットシリンダ7Cは勝手に伸長し、鉛直線Zよりも前側の定位置に保持できないことになる(いわゆる「アーム5B及びバケット5Cの自然降下」が生ずる)。
【0079】
尚、アーム5B及び/又はバケット5Cが鉛直線Zよりも後側に位置するときでは、作業機自重Wがアームシリンダ7B及び/又はバケットシリンダ7Cの短縮方向(点線の矢印B方向)に作用するが、この場合、開閉弁9B、9Cを上記第1実施例のように油路84、85間に設けても、ボトム側受圧室7Lの油の流入先がないのでアームシリンダ7B及び/又はバケットシリンダ7Cは短縮せずアーム5B及び/又はバケット5Cは鉛直線Zよりも後側の定位置に保持できる。即ちアーム5B及び/又はバケット5Cが鉛直線Zよりも後側に位置するときは、いわゆる「アーム5B及びバケット5Cの自然降下」が生ずることはない。
補足説明すれば、第2実施例でのブームシリンダ7Aと、第1実施例のローディングショベルの総ての油圧シリンダ7(7A、7B、7C)とは、作業機自重Wがこれら油圧シリンダ7の短縮方向にしか作用しない。そして、この場合、短縮しようにも、短縮するためのボトム側受圧室7Lの油の流入先がないので短縮しない。従って、第2実施例の開閉弁9Aと、上記第1実施例の全開閉弁9(9A、9B、9C)とは、両油路84、85間に設けたものである。
【0080】
勿論、第2実施例でのブームシリンダ7A及びローディングショベルの全油圧シリンダ7の開閉弁9を、第2実施例でのアームシリンダ7B及びバケットシリンダ7Cの開閉弁9のように設けてもよい。このように開閉弁9(9A−9A、9B−9B、9C−9C)で設けると、開閉弁9に対する制御自由度が増加し、そのために種々作業形態を高精度で施工できる。
【0081】
上記第2実施例の作用効果を説明する。第1実施例を搭載したローディングショベルでは、作業機自重Wに基づく第1、第2油圧ポンプP1、P2の逆駆動による蓄電池33への充電は、上記の通り、全油圧シリンダ7の「下げ」時にしか生じない。ところが上記第2実施例のバックホーショベルでは、作業機自重Wに基づく各第1、第2油圧ポンプP1、P2の逆駆動は、ブーム5Cでは「下げ」時だけに生じて第1実施例(d)での説明と同じく蓄電池33への充電によるエネルギ回生が生ずるが、アーム5B及びバケット5Cでは、単に「下げ」時だけでなく「上げ」時もまた蓄電池33への充電による蓄電池33への充電によるエネルギ回生が生ずる。詳しくは次の通り。
【0082】
尚、バックホーショベルの操作レバー21の各前後傾F、Bに基く下部走行体1、上部旋回体2及び作業機5のそれぞれの作動は、ローディングショベルと同じだが、左右作業機操作レバー21WL、21WRの左右傾L、Rは、ローディングショベルと次の通り異なる。即ち、左作業機操作レバー21WLは右傾Rでアーム掘削(アームシリンダ7Bの伸長によるアーム下げ)、左傾Lでアームダンプ(アームシリンダ7Bの短縮によるアーム上げ)であり、一方、右作業機操作レバー21WRは右傾Rでバケットダンプ(バケットシリンダ7Cの短縮によるバケット上向き回転)、左傾Lでバケット掘削(バケットシリンダ7Cの伸長によるバケット下向き回転)となる。
【0083】
即ちアーム5Bが鉛直線Zよりも前側に位置するときに、オペレータが左作業機操作レバー21WLを右傾Rさせれば、アームシリンダ7Bの伸長が(即ちアーム5Bの「下げ」が)作業機自重Wによって生じ、アームシリンダ駆動用油圧回路の第1、第2油圧ポンプP1、P2が逆駆動されて電動機MBが逆駆動され、これにより電動機MBが発電してその起電力が蓄電池33に充電される。
一方、アーム5Bが鉛直線Zよりも後側に位置するときに、オペレータが左作業機操作レバー21WLを左傾Lさせれば、アームシリンダ7Bの短縮が(即ちアーム5Bの「上げ」が)作業機自重Wによって生じ、アームシリンダ駆動用油圧回路の第1、第2油圧ポンプP1、P2が逆駆動されて電動機MBが逆駆動され、これにより電動機MBが発電してその起電力が蓄電池33に充電される。
【0084】
同様に、バケット5Cが鉛直線Zよりも前側に位置するときに、オペレータが右作業機操作レバー21WRを左傾Lさせれば、バケットシリンダ7Cの伸長が(即ちバケット5Cの「下向き回転」が)作業機自重Wによって生じ、バケットシリンダ駆動用油圧回路の第1、第2油圧ポンプP1、P2が逆駆動されて電動機MCが逆駆動され、これにより電動機MCが発電してその起電力が蓄電池33に充電される。
一方、バケット5Cが鉛直線Zよりも後側に位置するときに、オペレータが右作業機操作レバー21WRを右傾Lさせれば、バケットシリンダ7Cの短縮が(即ちバケット5Cの「上向き回転」が)作業機自重Wによって生じ、バケットシリンダ駆動用油圧回路の第1、第2油圧ポンプP1、P2が逆駆動されて電動機MCが逆駆動され、これにより電動機MCが発電してその起電力が蓄電池33に充電される。
【0085】
尚、これらブーム5Aの作業機自重Wに基づく下げ時と、アーム5B、バケット5Cの作業機自重Wに基づく上げ時及び下げ時とにおいて、例えば作業機自重Wを超える大きさの力相当の岩石等の負荷物がバケット5Cに加わると、上記第1実施例で説明した(c)と同じく「電動機MA、MB、MCを電気駆動させて行うブームの下げ、アーム、バケットの上げ下げ」となり、電動機MA、MB、MCは蓄電池33及び発電機Gのいずれかを電源とする掘削作業へと自動的に切り換わる。
【0086】
以下、他の実施例を例示列挙する。
(1)上記実施例では、油圧シリンダ7の作業機自重Wによる作動速度の制御を蓄圧器10の最高作動圧の変更によって行ったが、これに代えて、例えば次のようにしても同様の速度制御を行える。
(1−1)作業機自重Wによる油圧シリンダ7の作動時、コントローラ20からの指令電流によってインバータ32が、電動機Mのステータコイルの端子間を可変抵抗器を経て自動的に接続させ、かつ指令電流が大きくなるほど可変抵抗器の抵抗を小さくし、これらにより電動機Mの逆回転速度を遅くさせる制御を行って作動速度を制御してもよい。
(1−2)電動機Mの出力回転軸又は第1、第2油圧ポンプP1、P2の入力回転軸にブレーキを設け、オペレータがブレーキを制御してもよい。但しブレーキによる制動では発熱損失が生ずるから、この熱損失の点でエネルギー回生に対し若干の効率低下は免れない。
【0087】
(2)上記実施例では、第1、第2油圧ポンプP1、P2を固定容積形としたが、可変容積形油圧ポンプとしてもよい。この場合、インバータ32は電動機Mを正逆回転させるだけでよい。この場合、コントローラ20は第1、第2油圧ポンプP1、P2の押し退け容積を制御することとなる。
さらに、上記両可変容積形油圧ポンプP1、P2は、突出口と吸入口とを反転自在とする正逆反転式が好ましい。この場合、インバータ32は電動機Mを正回転及び逆回転のいずれか一方だけとすればよく、コントローラ20は可変容積形油圧ポンプP1、P2の突出口と吸入口との反転と、ポンプ押し退け容積の変更とを司ることになる。
【0088】
さらに、図5に示す通り、第1、第2油圧ポンプP1、P2を斜軸形ピストンポンプとし、かつ電動機Mを両端出力軸形とすると共に、両端出力軸の一方に第1ポンプP1を接続し、他方に第2油圧ポンプP2の接続するのが望ましい。
油圧ポンプには、ギヤ形、ベーン形及びピストン形等、多種多様あるが、吐出圧の高圧化から見れば、ピストン形が望ましい。さらに、ピストン形でも耐高速回転性と堅牢性とから見れば、斜板形よりも斜軸形が望ましい。つまり、かかる斜軸形を用いれば、仮に必要流量が大流量でも減速機を介することなく、小形ポンプを電動機に直結できる。ところで、上記実施例は第1、第2油圧ポンプP1、P2との2個を用いるために、また斜軸形ポンプでは斜板形や他の形式のポンプとは異なり電動機Mに対し2個の斜軸形ポンプを直列接続できないために、電動機Mの両端出力軸にそれぞれ1個ずつの斜軸形ポンプを接続したものである。このようにすると、減速機を無くしてコンパクト化を達成した電動機・ポンプ組立体を提供できる。勿論、直列接続できない余裕空間のない機械に対し、好適に配置できる。
【0089】
(3)上記実施例の油圧シリンダ7は、片ロッド形複動シリンダとしたが、これに限定する必要はなく、「外部へ突出するピストンロッドに固設され、かつ両端の受圧面積が大小異なるピストンを摺動自在に内臓する油圧シリンダ」であればよい。具体的には、公知の両ロッド形複動シリンダ(但し、両ロッドの外径が互いに異なるもの)や複動テレスコピック形油圧シリンダでもよく、そして、これら油圧シリンダによれば、詳説するまでもなく、片ロッド形複動シリンダの場合と同じ作用効果が生ずる。
【0090】
(4)上記実施例の第1、第2油圧ポンプP1、P2は電動機Mの出力軸(両端出力軸を含む)に共に直結したが(又は減速機(不図示)を経て共に結合したが)、第1、第2油圧ポンプP1、P2を独立配置して個別駆動してもよい。但しこの場合において、上記実施例と同じ作用効果を得るには、「第1油圧ポンプP1がヘッド側受圧室7Sの油を吸入してボトム側受圧室7Lに吐出するとき第2油圧ポンプP2が蓄圧器10の油を吸入してボトム側受圧室7Lに吐出するように、逆に、第1油圧ポンプP1がボトム側受圧室7Lの油を吸入してヘッド側受圧室7Sに吐出するとき第2油圧ポンプP2がボトム側受圧室7Lの油を吸入して蓄圧器10に吐出するように、駆動させる」必要がある。
【0091】
(5)上記実施例では蓄圧器10を用いたが、単なる「油溜」でもよい。この場合、上記実施例であれば、蓄圧によりエネルギを回収できない分は、蓄電池33によって回収させることとなる。
【0092】
(6)図6は図2のバケットシリンダ7Cの駆動用油圧回路の部分図であるが、これに例示するように、第1、第2油圧ポンプP1、P2の少なくとも一方をピストンポンプとしたとき、ピストンポンプの油の外部洩れを受ける油溜T1と、油溜T1の油を吸入する第3油圧ポンプP3と、第3油圧ポンプP3の吐出油を蓄圧器10及び油溜T1のいずれか一方(位置A1又は位置A2)に切換え自在に導く第1切換弁T2とを設けるのがよい。
【0093】
例えば、ギヤ形及びベーン形ポンプでは油の内部洩れが生ずるが、ピストンポンプでは外部洩れ生じる。従って、外部に洩れた分の油を流路81、82又は蓄圧器10に戻す必要がある。洩れ油を流路81、82のいずれか低圧側にドレンさせてもよいが、上記実施例では、低圧側も蓄圧器10の圧力となる。従ってこの圧がピストンポンプのピストンの背圧となってポンプのトルク効率を低下させる。また、第1油圧ポンプ系が閉回路であり、第2油圧ポンプ系が開回路であっても、第2油圧ポンプ系を蓄圧器10を含めて見れば、第2油圧ポンプ系もまた閉回路である。尚、蓄圧器10の容量は、基本的には、ヘッド側受圧室7Sとボトム側受圧室7Lの容積差よりも大きければよいが、実際は駆動中のポンプ及びアクチュエータ等での発熱を冷却することを考慮すると、蓄圧器10を相当大きくしなければならぬ。そこで、油溜T1と第3油圧ポンプP3とを設け、洩れ油相当量を流路81、82又は蓄圧器10に戻せるようにしたものである。尚、油溜T1の加設によって蓄圧器10の圧力が油溜T1に無条件で逃げないように、逆に第3油圧ポンプP3の加設によって蓄圧器10内に無制限に油が供給されないように、第1切換弁T2を設けたものである。即ち、第3油圧ポンプP3はエンジンGに接続して自由駆動させる。このとき、第1切換弁T2は位置A2とする。一方、流路81、82又は蓄圧器10に油を補給するときは(この実施例では、蓄圧器10に油を補給する)、第1切換弁T2は位置A1に切換える。すると、第3油圧ポンプP3の突出油は蓄圧器10へと導入される。尚、第1切換弁T2の切り換えは、オペレータが適時マニュアル操作してもよいが、この実施例ではコントローラ20が予め記憶した動作プログラムに基いて定期的に例えば3秒間、第1切換弁T2を位置A1に切換える電流を第1切換弁T2のソレノイドに与えている。尚、符号T3は、第3油圧ポンプP3の吐出圧用のリリーフ弁であるが、これは、補給量制御が一定している場合は無くてもよい。
【0094】
尚、コントローラ20の動作プログラムが、第1切換弁T2の油溜T1への油導入タイミング時に第3油圧ポンプP3の駆動を停止させるものならば、第1切換弁T2及びリリーフ弁T3は無くても構わない。いずれを採用するかは、機械全体の仕様から定めればよい。
【0095】
(7)同じく図6には、安全弁11S、11Lをソレノイド式可変式としてある(可変リリーフ弁である)。さらに、可変リリーフ弁11Xのドレン側にドレン油を蓄圧器10及び油溜T1のいずれか一方(位置B1及び位置B2)に選択的にドレンする第2切換弁T4を設けてある。
尚、両安全弁11S、11Lをチェック弁12S、12Lの蓄圧器10側に配置すれば、上記実施例、この実施例及び他の実施例でも両安全弁11S、11Lを1個の安全弁11で構成できる。従って以下、可変安全弁11S、11Lを可変リリーフ弁11Xとする。
【0096】
例えば、寒冷時及び極寒地での機械の稼動開始時、回路内の油は、これがたとえ高粘度指数のものでも(例えばSAE10W−CD)、外気温が−20°Cともなれば、高粘度となって作業者にとっては長時間かつ気の抜けない暖気作業を強いられる。ところが、可変リリーフ弁11Xの設定リリーフ圧を低圧化させ、かつ第2切換弁T4を位置B1に切換えて蓄圧器10にリリーフさせれば、油圧シリンダ、第1、第2油圧ポンプに対して高負荷をかけることなく、リリーフ損失(発熱である)によって作動油が自動的に昇温する。従って、設定リリーフ圧を選べば、暖気時間を短縮でき、また上記気の抜けない辛苦作業もなくなる。
【0097】
また、油圧回路では、前述の通り、キャビテーションやエアレーションが発生することがある。一旦発生した気泡は、ピッチング等の不都合をもたらす。ところが、可変リリーフ弁11Xの設定リリーフ圧を低圧化させ、かつ第2切換弁T4を位置B2に切換えて油溜T1にリリーフさせれば、回路が高圧化せず、従って例えば第1、第2油圧ポンプP1、P2が外接形ギヤポンプならばギヤの噛み合い部での閉じ込み圧の高圧化と低圧化との差を低めることができ、従ってギヤ面のピッチング等を防止できる。尚、気泡を含むドレン油を蓄圧器10にドレンさせても、気泡が大気解放されないため、気泡は消滅しにくい(又はしない)。一方、気泡を含むドレン油を油溜T1にドレンさせれば、気泡は油溜T1から大気解放され、油内から消滅する。
【0098】
尚、第2切換弁T4の切り換え制御は、オペレータが適時マニュアル操作するのがもっとも容易であるが、この実施例では、コントローラ20が予め記憶した動作プログラムに基いて別途備えた油温を入力して油温が所定温以下であるときに、又は定期的に所定時間だけ第2切換弁T4を位置B1、B2間で切換える電流を第2切換弁T4のソレノイドに与えている。
【0099】
(8)図7〜図9と図10〜図12とに示すように、蓄圧器10に至る流路に開口した第1ポートと、流路81のうち第1油圧ポンプP1と第1開閉弁9S(図4での9B又は9C相当)との間に至る流路に開口した第2ポートと、第2流路82のうち第1、第2油圧ポンプP1、P2と第2開閉弁9L(図4での同じく9B又は9C相当)との間に至る流路に開口した第3ポートとを備え、かつ流路81の油圧Paをパイロット圧として一端側の受圧部に受け、一方、流路82の圧Pbをパイロット圧として他端側の受圧部に受けて、
図7に示す「Pa<Pb」時に、第1、第2ポート間のみを内部で連通させる第1位置(図示下側位置)と、
図8に示す「Pb<Pa」時に、第1、第3ポート間のみを内部で連通させる第2位置(図示上側位置)と、
図9に示す「Pa=Pb」時に、第1〜第3ポート間の総べてを内部で互いに遮断させる第3位置(図示中央位置)とを備えた第3切換弁T5を設けてもよい。
【0100】
尚、図7〜図9と図10〜図12との相違点は、パイロット圧Pa、Pbの取り出し口が図7〜図9では第1、第2開閉弁9S、9Lのシリンダ側に対し、図10〜図12では第1、第2開閉弁9S、9Lの第1、第2油圧ポンプP1、P2側である点だけであり、いずれでも以降に述べる機能及び作用効果を奏する。
【0101】
即ち、図7〜図12に示す通り、第1開閉弁9Sの第1油圧ポンプP1側流路と、第2開閉弁9Lの第1、第2油圧ポンプP1、P2側流路とには第1、第2チェック弁12S、12Lのようなチェック弁が無い。そして、このようなチェック弁が無くても、さらに、図7及び図8と図10及び図11とに示す通り、第1、第2油圧ポンプP1、P2の回転停止時であり、かつ第1、第2開閉弁9S、9Lの閉時でも、第3切換弁T5が図9と図12とに示す「Pa=Pb」の状態に収束するまで蓄圧器10の油圧を低圧側流路に流す。従って、第1、第2油圧ポンプP1、P2の回転開始時にキャビテーションやエアレーションが発生し難くなる。
【0102】
尚、第1、第2開閉弁9S、9Lは、図7〜図12に示す通り、その内部に、シリンダ7へのみ油流れを許容するチェック弁を内臓している。そのため、この実施例では、その閉時に、第1、第2開閉弁9S、9L内のチェック弁と、第1、第2チェック弁12S、12Lと、第3切換弁T5とが協動して流路81、82の油圧を蓄圧器10の蓄圧に収束させている。
【0103】
(9)上記図7〜図9と図10〜図12の両実施例構成によれば、次のような好適制御を行うことができる。図10〜図12の実施例構成を用い、図17〜図29を参照し、好適制御例を説明する。尚、説明に先立ち、次に実施例構成での第3切換弁T5の機能を図13〜図16を参照し予め説明しておく。
【0104】
図13は外負荷tに抗してシリンダ7を伸長させる場合、図14は外負荷tによってシリンダ7を伸長させる場合、図15は外負荷tに抗してシリンダ7を短縮させる場合、及び図16は外負荷tによってシリンダ7を短縮させる場合を示す。
図13の場合、コントローラ20は第1開閉弁9Sを開き、第1、第2油圧ポンプP1、P2を回転させて第2開閉弁9L内のチェック弁を介してボトム側受圧室7Lに圧油を供給する。この場合、「PS<PL」となるから、第3切換弁T5は下側位置となってヘッド側受圧室7Sと蓄圧器10とを連通させ「PS=Pa=蓄圧」としている。従って、シリンダ7は油量に過不足なく伸長する。
【0105】
図14の場合、コントローラ20も第1開閉弁9Sを開き、第1、第2油圧ポンプP1、P2を回転させて第2開閉弁9L内のチェック弁を介してボトム側受圧室7Lに圧油を供給するが、この場合、「PS>PL」となるから、第3切換弁T5は上側位置となってボトム側受圧室7Lと蓄圧器10とを連通させ「PL=Pb=蓄圧」としている。従って、シリンダ7は油量に過不足なく伸長する。
【0106】
図15の場合、コントローラ20は第2開閉弁9Lを開き、第1、第2油圧ポンプP1、P2を回転させて第1開閉弁9S内のチェック弁を介してヘッド側受圧室7Sに圧油を供給するが、この場合、「PS>PL」となるから、第3切換弁T5は上側位置となってボトム側受圧室7Lと蓄圧器10とを連通させ「PL=Pb=蓄圧」としている。従って、シリンダ7は油量に過不足なく短縮する。
【0107】
図16の場合、コントローラ20も第2開閉弁9Lを開き、第1、第2油圧ポンプP1、P2を回転させて第1開閉弁9S内のチェック弁を介してヘッド側受圧室7Sに圧油を供給するが、この場合、「PL>PS」となるから、第3切換弁T5は下側位置となってボトム側受圧室7Lと蓄圧器10とを連通させ「PS=Pa=蓄圧」としている。従って、シリンダ7は油量に過不足なく短縮する。
【0108】
即ち、第3切換弁T5はキャビテーション及びエアレーションを起こし易い低圧側流路を蓄圧器10に連通させ、低圧側流路を蓄圧に維持し、これによりキャビテーション及びエアレーションを防止する機能を司る。尚、この機能は、上記図7〜図9の実施例構成の第3切換弁T5でも同様である。
【0109】
説明を好適制御例に戻す。この制御例は図17〜図20に示す通りである。図17〜図20は外負荷tを短縮方向に受けるシリンダ7に対し、操作レバー21を中立状態(図17)から前傾させ(図18〜図20)、シリンダ7を短縮させるときのコントローラ20の好適制御例である。詳しくは次の通り。
図17は、操作レバー21の中立状態である。このとき、第1、第2開閉弁9S、9Lはコントローラ20によって閉じられている。尚、閉じられるとは言っても、前述の通り、かつ図2及び図4でも示した通り、各閉位置はシリンダ方向への油流れのみを許容するチェック弁を内臓しているから、シリンダ方向への油流れに対しては常時開いている。ここに、「PL>PS」であるが、第3切換弁T5は前記図10又は図11の状態から前記図12の状態(Pa=Pb)へと収束しているので「PS=Pb=Pa=蓄圧」となっている。
【0110】
そこで、操作レバー21を前傾させると、コントローラ20は、図18及び図19に示す通り、第1、第2開閉弁9S、9Lを閉じたまま、電動機Mのみをシリンダ7の伸長方向へ回転させる。この結果、流路82が総べて油圧PSになると、又は、コントローラ20がその頃を見計らって、コントローラ20は、図20に示す通り、第2開閉弁9Lを開くと共に、電動機Mをシリンダ7の短縮方向へ逆回転させる。従って、シリンダ7は短縮する。
【0111】
上記好適制御例の好適性の理由を図21〜図24を参照し説明する。上記制御例では、外負荷tを短縮方向に受けるシリンダ7に対し、操作レバー21を中立状態(図17)から前傾させ(図18〜図20)、シリンダ7を短縮させるとき、コントローラ20は操作レバー21が前傾させたにも係らず、図18及び図19に示す間、シリンダ7の伸長方向に一旦圧油を供給している。
【0112】
そこで、かかるシリンダ7の伸長方向への一時的な給油を無くした通常の制御例が次に掲げる第1、第2例である。
図21及び図22は、第1例を示し、先ず第2開閉弁9Lを開き(図21)、次いで電動機Mをシリンダ短縮側に回転させた(図22)場合である。一方、図23及び図24は、第2例を示し、先ず電動機Mをシリンダ短縮側に回転させ(図23)、次いで第2開閉弁9Lを開けた(図24)場合である。
【0113】
第1例では、第2開閉弁9Lを開くと、ボトム側受圧室71の圧油が第1、第2油圧ポンプP1、P2を逆駆動してシリンダ7がどんどん勝手に短縮する(図21)。そこで、これを制御下に置くには、慌てて電動機Mをシリンダ短縮側に回転させる必要がある(図22)。つまり、第1例は、シリンダ7がどんどん勝手に短縮することはエネルギ回収の面からは完全に満足すべき制御ではある。ところが、このときに電動機Mに幾らかの逆回転力を発生させてシリンダの短縮速度を制御し、又は短縮量を制御したくても、第2開閉弁9Lが開いてから逆回転力が発生する間のその短縮速度及び短縮距離を制御できない問題、及び2段階短縮が生じる問題がある。これに対し、上記好適制御例はかかる問題は生じない。
【0114】
第2例では、電動機Mをシリンダ短縮側に回転させると、第3切換弁T5が中央位置から上側位置に切換わり、「PL>Pb、Pb=Pa=蓄圧」となる(図23)。次いで、第2開閉弁9Lを開くと(図24)、これにより第3切換弁T5が上側位置から中央位置を経て下側位置に切換わり、「PL=Pb、PS=Pb=蓄圧」となり、シリンダ7は回転に応じて短縮する。
従って、第3切換弁T5が上側位置から中央位置を経て下側位置に切換わるとき、第3切換弁T5が上側位置から下側位置に切換わるに必要な油量だけシリンダが僅かに短縮してシリンダ7の不如意な2段階短縮が生ずる。これに対し、上記好適制御例は不如意な2段階の短縮がシリンダ7に生じない。
【0115】
また、第3切換弁T5が中央位置から上側位置と中央位置とを経て下側位置に至る。これに対し、上記好適制御例の第3切換弁T5は中央位置から下側位置に至るだけである。つまり、第2例は、上記制御例と比較して第3切換弁T5のスプール等の摺動部材の移動回数と移動距離とが長く、その分、第3切換弁T5のスプール摩耗及び応答遅れが懸念される。
【0116】
上記好適制御例は、コントローラ20が電動機Mの回転開始時、指定回転方向に対し所定時間(例えば0.05〜0.2秒間)だけ逆方向に電動機Mを回転させ、所定時間経過時に指定回転方向に電動機Mを回転させるというものであるが、この所定時間を次のように変更してもよい。即ち、コントローラ20は図25〜図27に例示する動作パターンを予め記憶する。尚、各図の横軸が操作レバー21の傾角θ、縦軸がポンプ回転速度である。
【0117】
図25は基本パターンである。操作レバー21を中立位置から漸次傾倒させていくと、コントローラ20はその傾角θの増大に応じて、先ず不感帯検知域θ0ではインバータ32に何も出力しない。次いで、傾角θが逆回転検知域θ1に至ると、その通過時間(望ましくは、前記所定時間を最小として)だけ電動機Mを逆回転させる。以降、コントローラ20は次に傾角θが不感帯検知域θ0に戻るまでの間に生ずる最大傾角θMAXを記憶する。操作レバー21を戻して傾角θが不感帯検知域θ0に至ると、コントローラ20は先の操作での最大傾角θMAXが「θ2≦θMAX≦θ3」であったか、「θMAX>θ3」であったか又は「θMAX<θ2」であったかを検証する。
【0118】
「θ2≦θMAX≦θ3」ならば、コントローラ20は次回操作も図25のパターンのままとする。「θMAX>θ3」ならば、コントローラ20は次回操作を図26に従う。つまり、図26のパターンに示す通り、この場合はシリンダ伸縮動作が急ぎ操作であることを示すから、不感帯検知域θ0を長く、かつ逆回転検知域θ1を短くする。急ぎ操作であっても不感帯は制御の応答性向上に不可欠であるが、急ぎ操作であるが故に不感帯検知域θ0を長くしてその確保を担保した。一方、逆回転検知域θ1は急ぎ操作では短時間でよく、また無くても構わない。
【0119】
「θMAX<θ2」ならば、コントローラ20は次回操作を図27に従う。つまり、この場合はシリンダ伸縮動作が微操作パターンである。つまり、高精度でシリンダ7の伸縮量を確保する制御が望まれる。この場合、図27の微操作パターンは、コントローラ20内において、図27での点線から実線への変更で示すように、傾角θとポンプ回転速度との関係を変更する。尚、この微操作では、傾角θが逆回転検知域θ1に突入する機会が多く、かつ微操作であるために図19の状態(即ち「PL=Pb」)を確実に得てシリンダ7の図20での不慮の短縮(及び図示しないが、シリンダ7における不慮の伸長)を防止することが望ましい。そして、この防止には、十分長い逆回転検知域θ1を確保すること、即ち十分長い逆回転時間を確保して前記図19の状態(即ち「PL=Pb」)を達成する必要があるからである。尚、図27から図25への復帰信号は、例えば図27での最大傾角θMAXを検知して行えばよい。
【0120】
尚、上記「図19の状態(即ち「PL=Pb」)」の検証は貴重であるが、この検証は図28に示するように、油圧Pbを検出する第2油圧検出器13bのほか、ボトム側受圧室7Lからの油圧PLを検出する第3油圧検出器13cを加設し、これら検出圧をコントローラ20に導き検証するのが確実である。尚、図示しないが、第1油圧検出器13aのほか、ヘッド側受圧室7Sからの油圧PSを検出する第3油圧検出器13cも加設し、これら検出圧をコントローラ20に導き検証するのが確実である。
【0121】
補足すれば、第1、第2開閉弁9S、9Lを開くときは、上記不感帯検知域θ0及び逆回転検知域θ1を正しく設けて高精度伸縮を得る必要がある。ところが、閉じる場合はさして気にする必要はなく、敢えて言えば不感帯検知域θ0を設けておけばよい。つまり、図29に示す通り、第1、第2開閉弁9S、9Lの開き始めは傾度θ上で大きく、閉じるときは傾度θ上で小さくしてもよい。このように開閉時期をヒステリシス化すると、開閉時間の全体的応答性を向上できる。
【0122】
以下、上記実施例の要部の作用効果を、重複部分もあるが、述べる。
(1)第1油圧ポンプP1がヘッド側受圧室7Sの油を吸入してボトム側受圧室7Lに吐出するとき第2油圧ポンプP2が蓄圧器10の油を吸入してボトム側受圧室7Lに吐出する。従って、油圧シリンダ7が伸長する。逆に、第1油圧ポンプP1がボトム側受圧室7Lの油を吸入してヘッド側受圧室7Sに吐出するとき第2油圧ポンプP2がボトム側受圧室7Lの油を吸入して蓄圧器10に吐出する。従って、油圧シリンダ7は短縮する。ここに、ほぼ「A1:A2=Q1:(Q1+Q2)」の関係としてあるから、油圧シリンダ7の伸縮を油量の過不足なく行える。そして、第1、第2油圧ポンプP1、P2が外負荷により逆駆動されると、電動機Mが回転して起電(発電)する。この起電力は二次電池33に蓄電されてエネルギ回収となり、発電機Gからの電力と合わせ、又は切り換って電動機Mの駆動電力となる。つまり、エネルギ回生が生ずる。
【0123】
尚、第1、第2油圧ポンプP1、P2は、開回路における方向切換弁の機能を司る。方向切換弁は、油の流れ方向の切り換えのほか、絞り作用を伴って流量制御するものであるから絞り損失(熱損失)を伴う。ところが、上記実施例での第1、第2油圧ポンプP1、P2による流量制御は、両ポンプP1、P2の単なる駆動だけであるから、絞り損失が生じず、ここでも省エネ効果が生ずる。勿論、方向切換弁が無いからその分、経済的効果も生ずる。
【0124】
また、油圧シリンダ7の伸縮時の油量が両ポンプP1、P2での油の吐出及び吸入に依存する。従って、油圧シリンダが外負荷を受けても両ポンプP1、P2を停止しておけば、油圧シリンダ7が勝手に伸縮しにくい。
尚、仮に外負荷を常時受ける油圧シリンダでは、従来技術ならばカウンタバランス弁を備えて外負荷による油圧シリンダの伸縮(暴走)を防止するが、上記実施例では、油圧シリンダ7の伸縮時の油量が両油圧ポンプP1、P2での油の吐出及び吸入に依存するから油圧シリンダ7が勝手に伸縮することがなく、油圧シリンダ7の伸縮をオペレータの制御下における。従って、カウンタバランス弁を有さない。
【0125】
一方、上記の通り、外負荷により油圧シリンダ7が短縮すると、蓄圧器10が外負荷の一部を油圧エネルギとして蓄圧する。そして、蓄圧器10に蓄圧した油圧エネルギは油圧シリンダ7の伸長時に回生される。
【0126】
また、蓄圧器10は直接的には第2油圧ポンプP2の蓄圧器側に、さらに間接的には第1油圧ポンプP1の第2油圧ポンプP2側に与圧を与える。このため、両ポンプP1、P2でのエアレーション、キャビテーション及びピッチング等の液圧回路での基本的不都合の発生が低減する。
尚、エアレーションは流体の急激な低圧化に伴う流体中に溶け込んだ空気の気泡化、キャビテーションは流体の急激な低圧化に伴う流体自体の気化による気泡化、ピッチングは流体の急激な超高圧化や振動に伴う流体内の気泡の破裂によって生ずる、例えばギヤポンプのギヤ面等の損傷である。
【0127】
(2)また、シリンダ7の短縮に基づく蓄圧器10による省エネ効果は、直接的には蓄圧器10に接続された各油圧シリンダ駆動用油圧回路にしか及ばないが、油圧シリンダ7の短縮に基づく蓄電池33による省エネ効果は、各油圧シリンダ駆動用油圧回路と旋回用の電動機MSとに及ぶ。
【0128】
産業上の利用可能性
本発明は、外負荷に抗して作動自在、かつ外負荷により作動可能の油圧アクチュエータを有する油圧駆動装置付きハイブリッド機械として有用である。
【0129】
【図面の簡単な説明】
図1は第1実施例を搭載するローディングショベルの側面図である。
図2は第1実施例のブロック図である。
図3は第2実施例を搭載するバックホーショベルの側面図である。
図4は第2実施例のブロック図である。
図5は両端出力軸形電動機に設けた斜軸式ピストンポンプの図である。
図6は第1、第3切換弁、可変リリーフ弁及び油溜を加設した油圧駆動回路図である。
図7は第3切換弁が下側位置にある図である。
図8は第3切換弁が上側位置にある図である。
図9は第3切換弁が中央位置にある図である。
図10は他の第3切換弁が下側位置にある図である。
図11は他の第3切換弁が上側位置にある図である。
図12は他の第3切換弁が中央位置にある図である。
図13は外負荷に抗してシリンダを伸長させる図である。
図14は外負荷によってシリンダを伸長させる図である。
図15は外負荷に抗してシリンダを短縮させる図である。
図16は外負荷によってシリンダを短縮させる図である。
図17は操作レバー中立状態図である。
図18は図17から電動機を逆転させた図である。
図19は図18と同じ制御状態図である。
図20は図19から電動機を正転させた図である。
図21は第2開閉弁を開けた図である。
図22は第2開閉弁を開けた後に電動機を回転させた図である。
図23は電動機を回転させた図である。
図24は電動機を回転させた後に第2開閉弁を開けた図である。
図25は操作レバーの傾度とポンプ回転速度との通常操作パターンである。
図26は操作レバーの傾度とポンプ回転速度との急操作係パターンである。
図27は操作レバーの傾度とポンプ回転速度との微操作パターンである。
図28は第2、第3油圧検出器の装着例を示す図である。
図29は開閉弁の開閉ヒステリシス図である。
Claims (11)
- 動力源(3)と、動力源(3)の動力で駆動される発電機(G)と、電動機(M)と、電動機(M)が外負荷により逆駆動されて生ずる電動機(M)の起電力を蓄電する二次電池(33)とを備え、電動機(M)が発電機(G)及び二次電池(33)から電力を受けて駆動自在とされたハイブリッド機械において、
外負荷に抗して伸縮自在、かつ外負荷により伸縮可能の油圧シリンダ(7)と、
油圧シリンダ(7)のヘッド側受圧室(7S)及びボトム側受圧室(7L)に対し閉回路として接続した第1油圧ポンプ(P1)と、
ボトム側受圧室(7L)及び外部の蓄圧器(10)に対し開回路として接続した第2油圧ポンプ(P2)とを備え、
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)を電動機(M)に接続して駆動自在とし、
作業機操作レバーの操作量に応じて前記蓄圧器(10)の最高作動圧を制御するようにしたことを特徴とする油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)は、ヘッド側受圧室(7S)のピストン受圧面積をA1、ボトム側受圧室(7L)のピストン受圧面積をA2、第1油圧ポンプ(P1)の単位時間当たりの吐出量をQ1、かつ第2油圧ポンプ(P2)の単位時間当たりの吐出量をQ2としたときの関係をほぼ「A1:A2=Q1:(Q1+Q2)」としてあることを特徴とする請求の範囲1記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。
- 第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)を斜軸形ピストンポンプとし、かつ電動機(M)を両端出力軸形とすると共に、
両端出力軸の一方に第1油圧ポンプ(P1)を接続し、かつ他方に第2油圧ポンプ(P2)を接続したことを特徴とする請求の範囲1記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1油圧ポンプ(P1)とヘッド側受圧室(7S)とを接続する第1流路(81)に対しては、
第1流路(81)に対し予め定めた第1リリーフ圧と、
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)の各1回転当たりの押し退け容積の和との積値に等しい電動機(M)の駆動トルクを電動機(M)の最大駆動トルクとし、かつ
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)とボトム側受圧室(7L)とを接続する第2流路(82)に対しては、
第2流路(82)に対し予め定めた第2リリーフ圧と、
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)の各1回転当たりの押し退け容積の和との積値に等しい電動機(M)の駆動トルクを電動機(M)の最大駆動トルクとしたことを特徴とする請求の範囲1記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)の少なくとも一方がピストンポンプであるとき、
ピストンポンプの油の外部洩れを受ける油溜(T1)と、
油溜(T1)の油を吸入する第3油圧ポンプ(P3)と、
第3油圧ポンプ(P3)の吐出油を蓄圧器(10)及び油溜(T1)のいずれか一方(A1、A2)に切換え自在に導く第1切換弁(T2)とを設けたことを特徴とする請求の範囲1記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1、第2流路(81,82)に、可変リリーフ弁(11X)を設け、かつ
可変リリーフ弁(11X)のドレン側に、ドレン油を蓄圧器(10)及び油溜(T1)のいずれか一方に選択的にドレンする第2切換弁(T4)を設けたことを特徴とする請求の範囲5記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1油圧ポンプ(P1)とヘッド側受圧室(7S)とを接続する第1流路(81)の所定部を第1接続点とし、かつ
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)とボトム側受圧室(7L)とを接続する第2流路(82)の所定部を第2接続点としたとき、
蓄圧器(10)と第1接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第1接続点への油流れのみを許容する第1チェック弁(12S)を設け、かつ
蓄圧器(10)と第2接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第2接続点への油流れのみを許容する第2チェック弁(12L)を設けたことを特徴とする請求の範囲1〜6のいずれか1つに記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第2油圧ポンプ(P2)から蓄圧器(10)に至る流路に、第2油圧ポンプ(P2)と蓄圧器(10)との連通を遮断自在とする開閉弁(9)を設けたことを特徴とする請求の範囲1〜6のいずれか1つに記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。
- 第1油圧ポンプ(P1)とヘッド側受圧室(7S)とを接続する第1流路(81)に第1開閉弁(9S)を設け、かつ
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)とボトム側受圧室(7L)とを接続する第2流路(82)に第2開閉弁(9L)を設けたことを特徴とする請求の範囲1〜6のいずれか1つに記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 第1油圧ポンプ(P1)とヘッド側受圧室(7S)とを接続する第1流路(81)の所定部を第1接続点とし、かつ
第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)とボトム側受圧室(7L)とを接続する第2流路(82)の所定部を第2接続点としたとき、
蓄圧器(10)と第1接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第1接続点への油流れのみを許容する第1チェック弁(12S)を設け、かつ
蓄圧器(10)と第2接続点とを接続する流路を設けてこの流路に第2接続点への油流れのみを許容する第2チェック弁(12L)を設け、さらに
第1流路(81)のうち第1油圧ポンプ(P1)と第1接続点との間に第1開閉弁(9S)を設け、かつ
第2流路(82)のうち第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)と第2接続点との間に第2開閉弁(9L)を設けると共に、
蓄圧器(10)に至る流路に開口した第1ポートと、
第1流路(81)のうち第1油圧ポンプ(P1)と第1開閉弁(9S)との間に至る流路に開口した第2ポートと、
第2流路(82)のうち第1、第2油圧ポンプ(P1,P2)と第2開閉弁(9L)との間に至る流路に開口した第3ポートとを備え、かつ
第1流路(81)の油圧Paをパイロット圧として一端側の受圧部に受け、一方、第2流路(82)の圧Pbをパイロット圧として他端側の受圧部に受けて、
「Pa<Pb」時に、第1、第2ポート間のみを内部で連通させる第1位置と、
「Pb<Pa」時に、第1、第3ポート間のみを内部で連通させる第2位置と、
「Pa=Pb」時に、第1〜第3ポート間の総べてを内部で互いに遮断させる第3位置とを備えた第3切換弁(T5)を設けたことを特徴とする請求の範囲1〜6のいずれか1つに記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。 - 電動機(M)の回転開始時、指定回転方向に対し所定時間だけ逆方向に電動機(M)を回転させ、所定時間経過時に指定回転方向に電動機(M)を回転させるコントローラ(20)を設けたことを特徴とする請求の範囲10記載の油圧駆動装置付きハイブリッド機械。
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