JP4509874B2 - 作業機械のハイブリッドシステム - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギ回生機能を有する作業機械のハイブリッドシステムに関する。
ハイブリッド式作業機械の従来技術として、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路は、電動・発電機と油圧ポンプ2台を用いて閉回路を構成し、また、エンジンで駆動されるアーム・左走行用油圧ポンプおよびバケット・右走行用ポンプをそれぞれ設け、一方のポンプからアームシリンダおよび左走行用モータに作動油を供給するとともに、他方のポンプからバケットシリンダおよび右走行用モータに作動油を供給するものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、電動ショベルの左走行装置、右走行装置、旋回装置、ブーム、アームおよびバケットの各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ設け、これらをエンジンで駆動される発電機または蓄電部より供給された電力により作動させる電動建設機械がある(例えば、特許文献2参照)。
特開2002−322682号公報(第3−4頁、図1) 特開2003−82707号公報(第4頁、図1)
一般的な油圧ショベルのシステムでは、ブームシリンダ伸び側は最大でメインポンプ2台、下げ側はメインポンプ1台で駆動し、また、アームシリンダは最大でメインポンプ2台、走行モータおよび旋回モータはメインポンプ1台で駆動する。したがって、特許文献1記載のショベルでは、ブームシリンダを駆動するため、メインポンプ2台分に相当する大容量の油圧ポンプと、それを高速で駆動する大型の電動・発電機が必要になる。
また、特許文献1記載のショベルのように、アーム・左走行用油圧ポンプとバケット・右走行用ポンプとに分けると、アームシリンダが1ポンプで駆動されることになり、従来の油圧ショベルのシステムと同等のアーム作動速度が確保できない場合がある。
一方、特許文献2記載のショベルのように、アクチュエータごとに電動機と駆動力伝達装置を設置すると、システムが複雑でかつ電動機や駆動力伝達装置の個数が多いので、実機に搭載することが難しく、かつシステムが高価になる。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、従来のハイブリッドシステムと比較して電動・発電機およびポンプの個数や容量を増やすことなく必要な作動速度を確保でき、かつ実機に搭載が容易で実用的な作業機械のハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、エンジンに接続され発電機および電動機として機能する発電・電動機と、発電・電動機に接続され充電および放電をする蓄電装置と、発電・電動機および蓄電装置からの電力で機体を旋回駆動するとともに機体の旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機と、エンジンおよび発電・電動機により駆動されタンク内の流体を少なくとも第1アクチュエータを制御する第1アクチュエータ回路および第2アクチュエータを制御する第2アクチュエータ回路にそれぞれ供給する第1ポンプおよび第2ポンプと、蓄電装置に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機と、ポンプ用電動・発電機で駆動されタンク内の流体を少なくとも第3アクチュエータを制御する第3アクチュエータ回路に供給する流体圧モータ機能を有する第3ポンプと、第1アクチュエータ回路からの戻り流体を第3ポンプの吸込ポートに供給する戻り流体供給回路と、第3ポンプの吐出ポートから第1アクチュエータ回路および第2アクチュエータ回路に圧力流体を補給する圧力流体補給回路と、第1ポンプの吐出通路と第2ポンプの吐出通路との間に設けられ第1ポンプの吐出流量と第2ポンプの吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブとを具備した作業機械のハイブリッドシステムである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の作業機械のハイブリッドシステムにおいて、第1アクチュエータはブームシリンダであり、第1アクチュエータ回路はブームシリンダを制御するブームシリンダ回路であり、第2アクチュエータはアームシリンダであり、第2アクチュエータ回路はアームシリンダを制御するアームシリンダ回路であり、第3アクチュエータはバケットシリンダであり、第3アクチュエータ回路はバケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路であり、左走行モータおよび右走行モータにより走行可能で旋回用電動・発電機により旋回可能な機体に、ブームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダにより駆動される作業装置を備え、第1ポンプの吐出ポートは、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路および左走行モータを制御する左走行モータ回路に接続され、第2ポンプの吐出ポートは、アームシリンダを制御するアームシリンダ回路および右走行モータを制御する右走行モータ回路に接続され、第3ポンプの吐出ポートは、バケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路に接続されたものである。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の作業機械のハイブリッドシステムにおける戻り流体供給回路が、ブーム下げ時にブームシリンダ回路からの戻り流体を第3ポンプの吸込ポートに再生する再生通路と、再生通路から分岐されてタンクに連通されたタンク通路中に設けられブームシリンダ回路からタンクに戻される流量を制御するタンク流量制御バルブとを具備したものである。
請求項4記載の発明は、請求項2または3記載の作業機械のハイブリッドシステムにおける圧力流体補給回路が、第3ポンプの吐出ポートからブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブを具備したものである。
請求項1記載の発明によれば、戻り流体供給回路と、圧力流体補給回路と、合流用流量制御バルブとによって、第1ポンプ、第2ポンプおよび第3ポンプの各ポンプ間、または第1アクチュエータ、第2アクチュエータおよび第3アクチュエータの各アクチュエータ間で発生する余剰流体エネルギを相互に有効利用するので、従来の作業機械に搭載されたハイブリッドシステムに比較して、大容量の電動機やポンプが必要なく、かつ各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ個別に設置するシステムと比較して電動機やポンプの個数が少なくなるので、実機に容易に搭載でき、低コストなシステムを構築できる。さらに、第1アクチュエータ、第2アクチュエータおよび第3アクチュエータの各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第1ポンプ、第2ポンプおよび第3ポンプの各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。また、旋回用電動・発電機の制動エネルギを回生して第3ポンプの駆動に利用できるとともに、圧力流体補給回路を介して第1アクチュエータおよび第2アクチュエータの駆動にも利用できる。
請求項2記載の発明によれば、戻り流体供給回路によりブーム下げ時の戻り流体エネルギを第3ポンプを介してポンプ用電動・発電機で蓄電装置に回生できるとともに、旋回用電動・発電機の制動エネルギを蓄電装置に回生でき、これらの回生エネルギをバケットシリンダの駆動に効率良く利用できるとともに、圧力流体補給回路を介してブームシリンダおよびアームシリンダの駆動に効率良く利用でき、また、ブームシリンダ回路が十分な流量を必要とする場合は、合流用流量制御バルブを開くことで、第1ポンプだけでなく第2ポンプからもブームシリンダ回路に十分な圧力流体を供給して、ブームシリンダの要求速度を満たすことができるので、従来の油圧ショベルに搭載されている発電・電動機やメインポンプと同程度の出力の発電・電動機やポンプでシステムを構成できる。また、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダの各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第1ポンプ、第2ポンプおよび第3ポンプの各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。さらに、従来の油圧ショベルと同様に、左走行モータと、右走行モータと、ブームシリンダと、アームシリンダと、バケットシリンダの連動操作を容易にできる。
請求項3記載の発明によれば、戻り流体供給回路のタンク流量制御バルブにより再生通路での再生流量を制御することで、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第3ポンプを介してポンプ用電動・発電機で適切に回生でき、その回生エネルギをバケットシリンダなどの駆動に利用できる。
請求項4記載の発明によれば、補給流量制御バルブの流量制御によって、第3ポンプからバケットシリンダ回路に供給される圧力流体流量とのバランスを保ちつつ、第3ポンプから吐出された圧力流体をブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路にも補給できる。
以下、本発明を図1および図2に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、作動流体は油を用い、流体圧は油圧とする。
図2は、本発明に係る作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベルAを示し、この油圧ショベルAは、機体B上に、キャブCおよび動力装置Dとともに作業装置Eが搭載されている。機体Bには、下部走行体に対し上部旋回体を旋回駆動する旋回用電動・発電機7が設けられ、作業装置Eには、機体Bに軸連結されたブームbmを上下方向に回動する第1アクチュエータとしてのブームシリンダ8、ブームbmの先端に軸連結されたアームamを回動する第2アクチュエータとしてのアームシリンダ9、アームamの先端に軸連結されたバケットbkを回動する第3アクチュエータとしてのバケットシリンダ10が設けられ、また機体Bの下部走行体には履帯駆動用の左走行モータ11および右走行モータ12が設けられている。
図1において、1は動力装置Dに内蔵されたエンジンであり、このエンジン1に発電機および電動機として機能する発電・電動機2が直結され、この発電・電動機2の回転軸に可変容量型の第1ポンプ3および第2ポンプ4の回転軸が直列に連結されている。これらの第1ポンプ3および第2ポンプ4に対し、ポンプ用電動・発電機5によって駆動される可変容量型の第3ポンプ6が別に設置されている。これらの可変容量型の各ポンプ3,4,6は、外部から入力された電気信号により斜板の傾転角を制御する斜板制御器3c,4c,6cを備えている。
第3ポンプ6は、流体圧ポンプおよび流体圧モータとして機能とするもので、流体の流れ方向はポンプ作用時もモータ作用時も同一の一方向である。この第3ポンプ6を介して前後の通路には差圧を検出するための圧力検出器6a,6bが設置されている。
そして、これらの第1ポンプ3、第2ポンプ4および第3ポンプ6から、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、左走行モータ11および右走行モータ12に供給される作動流体を制御する流体圧回路が設置されている。
第1ポンプ3および第2ポンプ4をエンジン1と共に駆動する発電・電動機2には、この発電・電動機2を制御する制御器2cが接続され、この制御器2cには、充電および放電をするバッテリまたはキャパシタなどの蓄電装置14が、この蓄電装置14を制御する制御器14cを介して接続されている。
同様に、第3ポンプ6を駆動するポンプ用電動・発電機5には、このポンプ用電動・発電機5を制御する制御器5cが接続され、また、旋回用電動・発電機7には、この旋回用電動・発電機7を制御する制御器7cが接続され、これらの制御器5c,7cは、制御器14cを介して蓄電装置14に接続されている。
第1ポンプ3、第2ポンプ4および第3ポンプ6の吸込口は、それぞれタンク16に接続されている。このタンク16は、油などの作動流体を収容し、そのタンク内部は、大気圧に、または大気圧以上に予圧されている。
ブームシリンダ8を方向制御および流量制御する制御バルブブロック17は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ17a,17b,17c,17dにより形成されている。
アームシリンダ9を方向制御および流量制御する制御バルブブロック18は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ18a,18b,18c,18dにより形成されている。なお、この制御バルブブロック18には、アームシリンダ9のロッド室からヘッド室へ再生される再生流量を制御する流量制御バルブ18eが設けられている。
バケットシリンダ10を方向制御および流量制御する制御バルブブロック19は、ブリッジ回路を構成する複数の流量制御バルブ19a,19b,19c,19dにより形成されている。なお、この制御バルブブロック19には、第3ポンプ6から吐出された後、タンク16に戻されるバイパス流量を制御するバイパス流量制御バルブ19eが設けられている。
左走行モータ11の回転方向および回転速度は左走行制御用の制御バルブ20により制御し、右走行モータ12の回転方向および回転速度は右走行制御用の制御バルブ21により制御する。これらの左右走行モータ11,12と制御バルブ20,21との間には、それぞれ制動用のブレーキバルブ22,23が設けられている。
第1ポンプ3の吐出通路には、タンク16に戻されるバイパス流量を制御するバイパス流量制御バルブ24が設けられ、第2ポンプ4の吐出通路にも、同様のバイパス流量制御バルブ25が設けられ、また、第1ポンプ3の吐出通路と第2ポンプ4の吐出通路との間には、これらの通路を繋ぐことで第1ポンプ3の吐出流量と第2ポンプ4の吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブ26が設置されている。
第3ポンプ6の吐出通路には、この第3ポンプ6からブームシリンダ8およびアームシリンダ9に供給される圧力流体の流量を制御するための補給流量制御バルブ27が設けられている。また、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17から第3ポンプ6の吸込側への戻り通路には、ブームシリンダ回路からの戻り流体をタンク16に逃がすためのタンク流量制御バルブ28が設けられている。
第1ポンプ3の吐出通路にはチェックバルブ29が設けられ、第2ポンプ4の吐出通路にはチェックバルブ30が設けられ、また、第3ポンプ6の吸込通路には、タンク16から第3ポンプ6に作動流体を補給するためのチェックバルブ31が設けられ、また、第3ポンプ6から補給流量制御バルブ27を経た通路は2つに分岐され、それらの各通路には、チェックバルブ32,33を介して、ブームシリンダ8およびアームシリンダ9に圧力流体を供給する回路が接続されている。
すなわち、第1ポンプ3からの吐出通路のチェックバルブ29と、第3ポンプ6からの吐出通路のチェックバルブ32との間から、第1ポンプ3からの吐出流量と第3ポンプ6からの吐出流量とを合流させてブームシリンダ8へ供給するための合流回路が引出され、また、第2ポンプ4からの吐出通路のチェックバルブ30と第3ポンプ6からの吐出通路のチェックバルブ33との間から、第2ポンプ4からの吐出流量と第3ポンプ6からの吐出流量とを合流させてアームシリンダ9へ供給するための合流回路が引出されている。
以上のように、この作業機械のハイブリッドシステムは、エンジン1に接続されエンジン1をパワーアシストする発電機および電動機として機能する発電・電動機2と、この発電・電動機2に接続され充電および放電をする蓄電装置14と、発電・電動機2および蓄電装置14からの電力で機体Bを旋回駆動するとともに機体Bの旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機7と、エンジン1および発電・電動機2により駆動されタンク16内の流体を少なくともブームシリンダ8を制御する第1アクチュエータ回路としてのブームシリンダ回路51およびアームシリンダ9を制御する第2アクチュエータ回路としてのアームシリンダ回路52にそれぞれ供給する第1ポンプ3および第2ポンプ4と、蓄電装置14に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機5と、このポンプ用電動・発電機5で駆動されタンク16内の流体を少なくともバケットシリンダ10を制御する第3アクチュエータ回路としてのバケットシリンダ回路59に供給する流体圧モータ機能を有する第3ポンプ6とを備えている。
ブームシリンダ回路51は、制御バルブブロック17を中心に構成され、アームシリンダ回路52は、制御バルブブロック18を中心に構成され、バケットシリンダ回路59は、制御バルブブロック19を中心に構成されている。
ブームシリンダ回路51からの戻り流体を第3ポンプ6の吸込ポートに供給する戻り流体供給回路55と、第3ポンプ6の吐出ポートからブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52に圧力流体を補給する圧力流体補給回路56とが設けられ、また、第1ポンプ3の吐出通路と第2ポンプ4の吐出通路との間には、第1ポンプ3の吐出流量と第2ポンプ4の吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブ26が設けられている。
また、左走行モータ11および右走行モータ12により走行可能で旋回用電動・発電機7により旋回可能な機体Bに、ブームシリンダ8、アームシリンダ9およびバケットシリンダ10により駆動される作業装置Eを備え、第1ポンプ3の吐出ポートは、ブームシリンダ8を制御するブームシリンダ回路51および左走行モータ11を制御する左走行モータ回路57に接続され、第2ポンプ4の吐出ポートは、アームシリンダ9を制御するアームシリンダ回路52および右走行モータ12を制御する右走行モータ回路58に接続され、第3ポンプ6の吐出ポートは、バケットシリンダ10を制御するバケットシリンダ回路59に接続されている。
戻り流体供給回路55は、ブームシリンダ回路51からの戻り流体を第3ポンプ6の吸込ポートに供給する回路であり、ブーム下げ時にブームシリンダ回路51からの戻り流体を第3ポンプ6の吸込ポートに再生する再生通路55aと、この再生通路55aから分岐されてタンク16に連通されたタンク通路55b中に設けられブームシリンダ回路51からタンク16に戻される流量を制御するタンク流量制御バルブ28とを具備している。
圧力流体補給回路56は、第3ポンプ6の吐出ポートからブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブ27と、逆流防止用のチェックバルブ32,33とを備えている。
左走行モータ回路57は、制御バルブ20およびブレーキバルブ22により構成され、右走行モータ回路58は、制御バルブ21およびブレーキバルブ23により構成され、バケットシリンダ回路59は、第3ポンプ6から圧力流体の供給を受ける制御バルブブロック19を中心に構成されている。
また、キャブC内に運転席とともに設置された走行用操作ペダルおよび作業用操作レバーなどの操作用電気信号入力器(図示せず)、回路中の圧力検出器6a,6bなどは、これらから入力された信号を演算処理するコントローラ(図示せず)の入力部に接続され、このコントローラの出力部には、各ポンプ3,4,6の斜板制御器3c,4c,6c、および各種バルブ17a,17b,17c,17d,18a,18b,18c,18d,18e,19a,19b,19c,19d,19e,20,21,24,25,26,27,28のソレノイドなどが接続され、これらの駆動および停止が制御される。
ここで、各ポンプ3,4,6の駆動とは、斜板を吐出流量出力位置に制御することであり、各ポンプ3,4,6の停止とは、斜板を吐出流量を出力しない中立位置に制御することである。また、各種バルブの駆動とは、ソレノイドへの通電状態であり、各種バルブの停止とは、ソレノイドへの非通電状態(スプリングリターン状態)である。
次に、図1に示された実施の形態の作用を、アクチュエータの作動とポンプおよびバルブの作動の関係を示す下記の表1を参照しながら説明する。なお、この表1において、○印は駆動、×印は停止、△印は○印の駆動後に駆動されることを示している。
Figure 0004509874
(1) ブーム上げ
操作レバーによりブームbmを上方に回動するブーム上げ操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a,17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。
ブーム用のレバー操作量が大きくなると、第2ポンプ4(表1の△印)の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ25(表1の△印)が閉まり、合流用流量制御バルブ26(表1の△印)が開き、第2ポンプ4からもブームシリンダ回路に圧力流体が供給される。
第1ポンプ3および第2ポンプ4から吐出された圧力流体は、流量制御バルブ17aからブームシリンダ8のヘッド室に供給される。一方、ブームシリンダ8のロッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17dからタンク流量制御バルブ28を経てタンク16に戻される。
上記のように、ブームシリンダ8のレバー操作では、第1ポンプ3と第2ポンプ4を同時に立上げず、レバー操作量に応じて第1ポンプ3から第2ポンプ4の順に立ち上げる。一方、後述するアームシリンダ9のレバー操作では、レバー操作量に応じて第2ポンプ4から第1ポンプ3の順に立ち上げる。このように制御することにより、ブーム、アームを連動操作したときの、ポンプの流量配分を滑らかにする。
(2) ブーム下げ
操作レバーによりブームbmを下方に回動するブーム下げ操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b,17cが開口する。第1ポンプ3から吐出された圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ8のロッド室に供給される。
一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ8のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第3ポンプ6の吸込ポートに導かれ、第3ポンプ6は、ブームシリンダ8の可変負荷として機能するので、第3ポンプ6の斜板を制御して、ブームシリンダ8の下げ速度を調整する。
このとき、第3ポンプ6はモータ作用によりポンプ用電動・発電機5を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。
(3) アーム上げ/下げ
操作レバーによりアームamを上方または下方に回動するアーム上げ/下げ操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第2ポンプ4の斜板が制御され、この第2ポンプ4から圧力流体が吐出され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ9の制御バルブブロック18に圧力流体が供給される。
アーム上げ操作の場合は、アームシリンダ9を収縮動作させるので、流量制御バルブ18b,18cが開口する。アーム下げ操作の場合は、アームシリンダ9を伸長動作させるので、流量制御バルブ18a,18d,18eが開口する。流量制御バルブ18eは再生用のバルブで、アームシリンダ9に負荷が加わると閉じる。
アーム用のレバー操作量が大きくなると、第1ポンプ3(表1の△印)の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ24(表1の△印)が閉まり、合流用流量制御バルブ26(表1の△印)が開き、第1ポンプ3からもアームシリンダ回路に圧力流体が供給される。
(4) バケット掘削/排土
操作レバーによりバケットbkを掘削方向および排土方向に回動するバケット掘削または排土操作をすると、コントローラ(図示せず)により、ポンプ用電動・発電機5によって駆動される第3ポンプ6の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ19eが閉まり、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御された圧力流体がバケットシリンダ10に供給される。バケット掘削操作の場合は、流量制御バルブ19a,19dが開口し、バケット排土操作の場合は、流量制御バルブ19b,19cが開口する。
(5) 右走行
操作ペダルまたはレバーにより下部走行体の右側履帯を駆動させる右走行操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第2ポンプ4の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まるとともに、走行右の制御バルブ21が制御されて右走行モータ12に圧力流体が供給される。
(6) 左走行
操作ペダルまたはレバーにより下部走行体の左側履帯を駆動させる左走行操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まるとともに、走行左の制御バルブ20が制御されて、左走行モータ11に圧力流体が供給される。
(7) ブーム上げとアームの連動操作
操作レバーによりブーム上げとアームの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a,17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。
また、第2ポンプ4の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ9の制御バルブブロック18に圧力流体が供給される。
なお、ブームシリンダ速度を速くしたい場合は、ポンプ用電動・発電機5により駆動される第3ポンプ6の斜板を制御し、かつバイパス流量制御バルブ19eを閉じるとともに補給流量制御バルブ27を開くように制御して、第3ポンプ6から補給流量制御バルブ27、チェックバルブ32を介してブームシリンダ8の制御バルブブロック17に圧力流体を供給することもできる。
(8) ブーム下げとアームの連動操作
操作レバーによりブーム下げとアームの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b,17cが開口する。第1ポンプ3から供給された圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ8のロッド室に供給される。
一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ8のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第3ポンプ6の吸込ポートに導かれ、この第3ポンプ6を流体圧モータとして駆動する。このとき、ブームシリンダ8の可変負荷として機能する第3ポンプ6の斜板を制御してブームシリンダ8の速度を調整する。
第3ポンプ6は、モータ作用によりポンプ用電動・発電機5を駆動する。ポンプ用電動・発電機5は発電作用し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを経て蓄電装置14に充電される。
また、第2ポンプ4の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ25が閉まり、アームシリンダ9の制御バルブブロック18に圧力流体が供給され、制御バルブブロック18によりアームシリンダ9の作動方向および作動速度が制御される。
さらに、バイパス流量制御バルブ19eを閉じるとともに補給流量制御バルブ27を開いて、モータ作用の第3ポンプ6を経た圧力流体を、補給流量制御バルブ27からアームシリンダ9の制御バルブブロック18に供給することで、ブームシリンダ回路からの戻り流体をアームシリンダ9の駆動に利用して、作業速度を上げることもできる。
(9) ブーム上げとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム上げとバケットの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、同時に、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17a,17dおよびタンク流量制御バルブ28が開口する。
また、ポンプ用電動・発電機5によって駆動される第3ポンプ6の斜板が制御され、同時に、制御バルブブロック19のバイパス流量制御バルブ19eが閉まり、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御された圧力流体がバケットシリンダ10に供給される。
ブーム用のレバー操作量が大きくなると、第2ポンプ4(表1の△印)の斜板が立上がり、同時に、バイパス流量制御バルブ25(表1の△印)が閉まり、合流用流量制御バルブ26(表1の△印)が開き、第2ポンプ4からもブームシリンダ回路に圧力流体が供給される。
(10) ブーム下げとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム下げとバケットの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、第1ポンプ3の斜板が制御され、バイパス流量制御バルブ24が閉まり、同時に、ブームシリンダ8の制御バルブブロック17の流量制御バルブ17b,17cが開口する。そして、第1ポンプ3から供給される圧力流体は、流量制御バルブ17bからブームシリンダ8のロッド室に供給される。一方、タンク流量制御バルブ28は閉じたままに保たれるから、ブームシリンダ8のヘッド室から押出された戻り流体は、流量制御バルブ17cから第3ポンプ6の吸込ポートに導かれる。
同時に、第3ポンプ6のバイパス流量制御バルブ19eが閉まり、第3ポンプ6から吐出された圧力流体が、制御バルブブロック19の流量制御バルブ19a〜19dにより方向制御および流量制御されて、バケットシリンダ10に供給される。
このとき、第3ポンプ6の斜板は、ブームシリンダ8から第3ポンプ6の吸込ポートへの戻り流量と、バケットシリンダ10の必要流量とを比較して、大きい方の流量で制御される。
すなわち、バケットシリンダ10の必要流量が大きい場合は、第3ポンプ6はポンプ作用により、バケット用の制御バルブブロック19に圧力流体を供給する。このとき、ブームシリンダ8の下げ速度は、流量制御バルブ17cで制御する。
一方、ブームシリンダ8からの戻り流量が大きい場合は、第3ポンプ6はモータ作用し、ポンプ用電動・発電機5を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。このとき、ブームシリンダ8の可変負荷として機能する第3ポンプ6の斜板を制御してブームシリンダ8の下げ速度を調整し、かつモータ作用の第3ポンプ6を経た圧力流体は、バケット用の制御バルブブロック19に供給される。
なお、第3ポンプ6をポンプ作用させるかモータ作用させるかは、第3ポンプ6の入出力の差圧を検出する圧力検出器6a,6b、または第3ポンプ6の軸トルクを検出する手段からの検出信号により、コントローラが判断し、制御器5cを制御して、ポンプ用電動・発電機5を駆動状態か発電状態に切換える。
(ll) ブーム上げとアームとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム上げとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、各ポンプ3,4,6の斜板が制御され、第1ポンプ3はブームシリンダ8の制御バルブブロック17に、第2ポンプ4はアームシリンダ9の制御バルブブロック18に、第3ポンプ6はバケットシリンダ10の制御バルブブロック19に圧力流体を供給し、各アクチュエータを駆動する。
(12) ブーム下げとアームとバケットの連動操作
操作レバーによりブーム下げとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、各ポンプ3,4,6の斜板が制御され、第1ポンプ3はブームシリンダ8の制御バルブブロック17に圧力流体を供給し、第2ポンプ4はアームシリンダ9の制御バルブブロック18に圧力流体を供給し、第3ポンプ6はバケットシリンダ10の制御バルブブロック19に圧力流体を供給し、各アクチュエータを駆動する。
第3ポンプ6の斜板は、ブームシリンダ8からの戻り流量と、バケットシリンダ10の必要流量とを比較して、大きい方の流量で制御される。
すなわち、バケットシリンダ10の必要流量が大きい場合は、第3ポンプ6はポンプ作用になり、バケット用の制御バルブブロック19に圧力流体を供給する。このとき、ブームシリンダ8の下げ速度は、流量制御バルブ17cで制御する。
一方、ブームシリンダ8から第3ポンプ6への戻り流量が大きい場合は、第3ポンプ6はモータ作用し、ポンプ用電動・発電機5を駆動して発電し、発電された電力は、制御器5cから制御器14cを介して蓄電装置14に充電される。このとき、ブームシリンダ8の可変負荷として機能する第3ポンプ6の斜板制御によりブームシリンダ8の下げ速度が調整され、かつモータ作用の第3ポンプ6を経た圧力流体は、バケットシリンダ10の制御バルブブロック19に供給される。
なお、第3ポンプ6をポンプ作用させるかモータ作用させるかは、第3ポンプ6の入出力の差圧を検出する圧力検出器6a,6b、または第3ポンプ6の軸トルクを検出する手段からの検出信号により、コントローラが判断し、制御器5cを制御して、ポンプ用電動・発電機5を駆動状態か発電状態に切換える。
(13) 走行とブームとアームとバケットの連動操作
操作ペダルまたはレバーにより走行とブームとアームとバケットの連動操作をすると、コントローラ(図示せず)により、各ポンプ3,4,6の斜板が制御され、第1ポンプ3は、制御バルブブロック17を経てブームシリンダ8に圧力流体を供給するとともに、左走行用の制御バルブ20を経て左走行モータ11に圧力流体を供給し、第2ポンプ4は、制御バルブブロック18を経てアームシリンダ9に圧力流体を供給するとともに、右走行用の制御バルブ21を経て右走行モータ12に圧力流体を供給する。
第3ポンプ6は、制御バルブブロック19を経てバケットシリンダ10に圧力流体を供給するとともに、補給流量制御バルブ27からチェックバルブ32および制御バルブブロック17を経てブームシリンダ8に圧力流体を供給し、補給流量制御バルブ27からチェックバルブ33および制御バルブブロック18を経てアームシリンダ9に圧力流体を供給することで、左右走行モータ11,12と、ブームシリンダ8と、アームシリンダ9と、バケットシリンダ10の連動作動を実現する。
次に、図1に示された実施の形態の効果を説明する。
戻り流体供給回路55と、圧力流体補給回路56と、合流用流量制御バルブ26とによって、第1ポンプ3、第2ポンプ4および第3ポンプ6の各ポンプ間またはブームシリンダ8、アームシリンダ9およびバケットシリンダ10の各アクチュエータ間で発生する余剰流体エネルギを相互に有効利用するので、従来の作業機械に搭載されたハイブリッドシステムに比較して、大容量の電動機やポンプが必要なく、かつ各アクチュエータに電動機および駆動力伝達装置をそれぞれ個別に設置する従来システムと比較して電動機やポンプの個数が少なくなるので、実機に容易に搭載でき、低コストなシステムを構築できる。
さらに、ブームシリンダ8、アームシリンダ9およびバケットシリンダ10の各アクチュエータを連動操作すると、これらの各アクチュエータに第1ポンプ3、第2ポンプ4および第3ポンプ6の各ポンプが割り当てられるので、これらの各アクチュエータ間の流体圧の負荷干渉がなく、エネルギロスを軽減でき、かつ操作性を向上できる。また、旋回用電動・発電機7の制動エネルギを回生して第3ポンプ6の駆動に利用できるとともに、圧力流体補給回路56を介してブームシリンダ8およびアームシリンダ9の駆動にも利用できる。
従来の油圧ショベルと同様に、左走行モータ11と、右走行モータ12と、ブームシリンダ8と、アームシリンダ9と、バケットシリンダ10の連動操作を容易にできる。
戻り流体供給回路55により、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第3ポンプ6を介してポンプ用電動・発電機5で蓄電装置14に回生できるとともに、旋回用電動・発電機7の制動エネルギを蓄電装置14に回生でき、これらの回生エネルギをバケットシリンダ10の駆動に効率良く利用できるとともに、圧力流体補給回路56を介してブームシリンダ8およびアームシリンダ9の駆動に効率良く利用でき、また、ブームシリンダ回路51が十分な流量を必要とする場合は、合流用流量制御バルブ26を開くことで、第1ポンプ3だけでなく第2ポンプ4からもブームシリンダ回路51に十分な圧力流体を供給して、ブームシリンダ8の要求速度を満たすことができるので、従来の油圧ショベルに搭載されている発電・電動機やメインポンプと同程度の出力の発電・電動機2およびポンプ3,4,6でシステムを構成できる。
戻り流体供給回路55のタンク流量制御バルブ28により再生通路55aでの再生流量を制御することで、ブーム下げ時の戻り流体エネルギを第3ポンプ6を介してポンプ用電動・発電機5で適切に回生でき、その回生エネルギをバケットシリンダ10などの駆動に利用できる。
補給流量制御バルブ27の流量制御によって、第3ポンプ6からバケットシリンダ10に供給される圧力流体流量とのバランスを保ちつつ、第3ポンプ6から吐出された圧力流体をブームシリンダ回路51およびアームシリンダ回路52にも補給でき、ブームシリンダ8およびアームシリンダ9を要求される速度で作動できる。
なお、本発明は、油圧ショベル以外の作業機械、例えば破砕仕様機、解体仕様機などにも利用可能である。
本発明に関する作業機械のハイブリッドシステムの一実施の形態を示す回路図である。 同上ハイブリッドシステムを備えた作業機械の側面図である。
符号の説明
B 機体
E 作業装置
1 エンジン
2 発電・電動機
3 第1ポンプ
4 第2ポンプ
5 ポンプ用電動・発電機
6 第3ポンプ
7 旋回用電動・発電機
8 第1アクチュエータとしてのブームシリンダ
9 第2アクチュエータとしてのアームシリンダ
10 第3アクチュエータとしてのバケットシリンダ
11 左走行モータ
12 右走行モータ
14 蓄電装置
16 タンク
26 合流用流量制御バルブ
27 補給流量制御バルブ
28 タンク流量制御バルブ
51 第1アクチュエータ回路としてのブームシリンダ回路
52 第2アクチュエータ回路としてのアームシリンダ回路
55 戻り流体供給回路
55a 再生通路
55b タンク通路
56 圧力流体補給回路
57 左走行モータ回路
58 右走行モータ回路
59 第3アクチュエータ回路としてのバケットシリンダ回路

Claims (4)

  1. エンジンに接続され発電機および電動機として機能する発電・電動機と、
    発電・電動機に接続され充電および放電をする蓄電装置と、
    発電・電動機および蓄電装置からの電力で機体を旋回駆動するとともに機体の旋回エネルギを電力に変換して回生する旋回用電動・発電機と、
    エンジンおよび発電・電動機により駆動されタンク内の流体を少なくとも第1アクチュエータを制御する第1アクチュエータ回路および第2アクチュエータを制御する第2アクチュエータ回路にそれぞれ供給する第1ポンプおよび第2ポンプと、
    蓄電装置に接続され電動機および発電機として機能するポンプ用電動・発電機と、
    ポンプ用電動・発電機で駆動されタンク内の流体を少なくとも第3アクチュエータを制御する第3アクチュエータ回路に供給する流体圧モータ機能を有する第3ポンプと、
    第1アクチュエータ回路からの戻り流体を第3ポンプの吸込ポートに供給する戻り流体供給回路と、
    第3ポンプの吐出ポートから第1アクチュエータ回路および第2アクチュエータ回路に圧力流体を補給する圧力流体補給回路と、
    第1ポンプの吐出通路と第2ポンプの吐出通路との間に設けられ第1ポンプの吐出流量と第2ポンプの吐出流量とを合流可能な合流用流量制御バルブと
    を具備したことを特徴とする作業機械のハイブリッドシステム。
  2. 第1アクチュエータはブームシリンダであり、第1アクチュエータ回路はブームシリンダを制御するブームシリンダ回路であり、
    第2アクチュエータはアームシリンダであり、第2アクチュエータ回路はアームシリンダを制御するアームシリンダ回路であり、
    第3アクチュエータはバケットシリンダであり、第3アクチュエータ回路はバケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路であり、
    左走行モータおよび右走行モータにより走行可能で旋回用電動・発電機により旋回可能な機体に、ブームシリンダ、アームシリンダおよびバケットシリンダにより駆動される作業装置を備え、
    第1ポンプの吐出ポートは、ブームシリンダを制御するブームシリンダ回路および左走行モータを制御する左走行モータ回路に接続され、
    第2ポンプの吐出ポートは、アームシリンダを制御するアームシリンダ回路および右走行モータを制御する右走行モータ回路に接続され、
    第3ポンプの吐出ポートは、バケットシリンダを制御するバケットシリンダ回路に接続された
    ことを特徴とする請求項1記載の作業機械のハイブリッドシステム。
  3. 戻り流体供給回路は、
    ブーム下げ時にブームシリンダ回路からの戻り流体を第3ポンプの吸込ポートに再生する再生通路と、
    再生通路から分岐されてタンクに連通されたタンク通路中に設けられブームシリンダ回路からタンクに戻される流量を制御するタンク流量制御バルブと
    を具備したことを特徴とする請求項2記載の作業機械のハイブリッドシステム。
  4. 圧力流体補給回路は、
    第3ポンプの吐出ポートからブームシリンダ回路およびアームシリンダ回路に補給される圧力流体を流量制御する補給流量制御バルブ
    を具備したことを特徴とする請求項2または3記載の作業機械のハイブリッドシステム。
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