JP4905424B2

JP4905424B2 - 油圧装置および建設機械

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Publication number: JP4905424B2
Application number: JP2008214133A
Authority: JP
Inventors: 利幸酒井
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2010048366A

Description

本発明は、油圧装置に関し、また、例えば、油圧ショベル、クレーン、ブルドーザ、杭打ち機などの建設機械に関する。

従来、電気-油圧ハイブリッドショベルとしては、パラレル方式ものとシリーズ方式ものが知られている。

パラレル方式の油圧装置は、エンジンと油圧ポンプとの間に設置された発電機兼電動機を備える。この発電機兼電動機は、エンジンおよび油圧ポンプに同軸に直結されて、エンジンの負荷が低いときには発電機とし使われ、発電された電気が蓄電される。そして、上記エンジンの負荷が高くなると、発電機兼電動機は、エンジンの低負荷時に蓄電された電気を使って油圧ポンプを電動機駆動し、エンジンをアシストする。

シリーズ方式の油圧装置では、発電機がエンジンに直結されており、エンジンの動力は全て発電機の発電に使用される。そして、上記発電機が発電した電気を用いて、油圧ポンプに直結された電動機を駆動する。

このようなシリーズ方式の油圧装置の一つが、特開２００３−１５５７６０号公報（特許文献１）に記載されている。この油圧装置は、油圧ポンプと、この油圧ポンプを駆動する電動機との組を複数備え、発電機が発電した電気で全電動機を駆動する。

ところで、上記特許文献１の油圧装置においては、複数の電動機のうち、使われていない電動機を止めておけば、無駄に消費されるエネルギを低減できるが、アクチュエータの動力を回生する機能がない。

したがって、上記特許文献１の油圧装置は、エネルギを無駄に捨てており、省エネルギ効果が低いという問題がある。
特開２００３−１５５７６０号公報

そこで、本発明の課題は、油圧アクチュエータの動力を回生して、省エネルギ効果を高めることができる油圧装置を提供することにある。

また、本発明の他の課題は、そのような油圧装置を備えた建設機械を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の油圧装置は、
油圧ポンプと、
上記油圧ポンプを駆動する電動機と、
上記油圧ポンプが吐出した作動油によって駆動されるアクチュエータと、
上記アクチュエータの動力を回生する回生装置と、
上記回生装置が回生した電力を蓄える蓄電装置と、
上記油圧ポンプの作動状態に基づいて、上記回生装置を制御する制御装置と
を備え、
上記制御装置は、
上記油圧ポンプが作動しているか否かを判定する作動判定手段と、
上記作動判定手段が、上記油圧ポンプが作動していないと判定したときに、上記回生装置に上記アクチュエータの動力を回生させる第１回生制御手段と
を有し、
上記第１回生制御手段は、上記アクチュエータから出た作動油を上記油圧ポンプに送って、上記電動機を発電機として機能させることを特徴としている。

上記構成の油圧装置によれば、上記油圧ポンプは電動機で駆動されて作動油を吐出する。この作動油によってアクチュエータが駆動される。このとき、上記制御装置は、油圧ポンプの作動状態に基づいて、回生装置を制御する。例えば、上記制御装置は、油圧ポンプが待機状態だと判断すると、アクチュエータの動力を回生装置で回生する。

したがって、上記回生装置が回生した電力を蓄電装置に蓄えることにより、アクチュエータの動力が無駄にならず、省エネルギ効果を高めることができる。

また、上記作動判定手段によって油圧ポンプが作動していないと判定されたときに、第１回生制御手段が回生装置にアクチュエータの動力を回生させるので、アクチュエータの動力の回生に油圧ポンプを利用できる。

一実施形態の油圧装置では、
上記制御装置は、
上記蓄電装置に電力を蓄えることが可能か否かを判定する蓄電判定手段と、
上記蓄電判定手段が、上記蓄電装置に電力を蓄えることが可能であると判定したときに、上記回生装置に上記アクチュエータの動力を回生させる第２回生制御手段と
を有する。

上記実施形態の油圧装置によれば、上記蓄電判定手段によって蓄電装置に電力を蓄えることが可能であると判定されたときに、第２回生制御手段が回生装置にアクチュエータの動力を回生させるので、その回生した電力を蓄電装置に確実に蓄えることができる。

一実施形態の油圧装置では、
上記回生装置は、上記アクチュエータから上記電動機に作動油が流れるようにするための切替弁を含んでいる。

上記実施形態の油圧装置によれば、上記回生装置が、アクチュエータから電動機に作動油が流れるようにするための切替弁を含んでいるので、アクチュエータから電動機に作動油を送って、電動機で電気を発電することができる。

したがって、上記アクチュエータの動力を電気エネルギにして蓄電装置に蓄えることにより、必要時に、その電気エネルギを使って省エネルギ効果を得ることができる。

本発明の建設機械は、
旋回体と、
上記旋回体に鉛直方向に回動可能に取り付けられた作業アームと、
本発明の油圧装置と
を備え、
上記油圧装置の上記回生装置は、上記作業アームが自重で鉛直方向の下側に回動した際に、上記アクチュエータから出た作動油で上記電動機を駆動することを特徴としている。

上記構成の建設機械によれば、上記油圧装置の回生装置が、作業アームが自重で鉛直方向の下側に回動した際に、アクチュエータから出た作動油で電動機を駆動するので、発電することができる。

本発明の油圧装置によれば、油圧ポンプの作動状態に基づいて、回生装置を制御する制御装置を備えることによって、油圧ポンプが作動していないときに、アクチュエータの動力を回生装置に回生させて、省エネルギ効果を高めることができる。

本発明の建設機械によれば、油圧装置の回生装置が、作業アームが自重で鉛直方向の下側に回動した際に、アクチュエータから出た作動油で電動機を駆動することによって、アクチュエータの動力を電動機で電気エネルギにし、その電気エネルギを蓄電装置に蓄えることができるので、必要時に、その電気エネルギを使って省エネルギ効果を得ることができる。

以下、本発明の油圧装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態のハイブリッドショベル１の概略斜視図である。

上記ハイブリッドショベル１は、下部走行体２と、この下部走行体２上に旋回可能に搭載された上部旋回体３と、この上部旋回体３に取り付けられ、掘削作業等を行う掘削作業機４とを備えている。また、上記下部走行体２および上部旋回体３は、ハイブリッドショベル１の車両本体を構成している。なお、上記上部旋回体３は旋回体の一例であり、掘削作業機４は作業アームの一例である。また、以下の説明では、特に断らない限り「前側」、「後側」、「左側」および「右側」はそれぞれ下部走行体２を基準として前側、後側、左側および右側を意味する。

上記下部走行体２には、走行用のクローラ５と、整地作業等を行うためのブレード６とが設けられている。そして、上記下部走行体２には、クローラ５を駆動するための走行用油圧モータ１５と、ブレード６を駆動するためのブレードシリンダ１６とが設けられている。なお、上記油圧モータ１５およびブレードシリンダ１６はアクチュエータの一例である。

上記上部旋回体３は、下部走行体２に対して旋回するための旋回電動機１３を有している。また、上記上部旋回体３にはオペレータキャビン７が設けられている。このオペレータキャビン７の後側には、作動油が入ったタンク８を設置している。また、上記オペレータキャビン７の右側にはマシンキャブ９を設置している。なお、図示しないが、旋回電動機１３の駆動軸の先端部にはピニオンギアが取り付けられており、このピニオンギアと、下部走行体に固定された内歯式単列形のリングギアとが互いに歯合している。

上記掘削作業機４は、基端部が上部旋回体３に鉛直方向に回動可能に連結されるブーム１０と、このブーム１０の先端部に回動可能に連結されるアーム１１と、このアーム１１の先端部に回動可能に連結されるバケット１２とを有している。そして、上記掘削作業機４には、ブーム１０を駆動するためのブームシリンダ１７と、アーム１１を駆動するためのアームシリンダ１８と、バケット１２を駆動するためのバケットシリンダ１９とが設けられている。なお、上記ブームシリンダ１７、アームシリンダ１８およびバケットシリンダ１９はアクチュエータの一例である。

上記ブームシリンダ１７は、一端が上部旋回体３に回動可能に支持され、他端であるロッド１７ａの先端がブーム１０の基端部寄りに回動可能に連結されており、伸縮によりブーム１０を基端部を中心に回動（起伏）させる。

上記アームシリンダ１８は、一端がブーム１０の上面に回動可能に支持され、他端であるロッド１８ａの先端がアーム１１に回動可能に連結されており、伸縮によりアーム１１をブーム１０との連結軸を中心に回動させる。

上記バケットシリンダ１９は、一端がアーム１１の前面に回動可能に支持され、他端であるロッド１９ａの先端がバケット１２に回動可能に連結されており、伸縮によりバケット１２をアーム１１との連結軸を中心に回動させる。

図２は、上記ハイブリッドショベル１の要部の構成を示す模式図である。

上記ハイブリッドショベル１は、エンジン２０と、このエンジン２０で駆動される発電機２１と、この発電機２１が発電した電気を蓄えるバッテリ２２と、油圧装置２３とを備えている。なお、上記バッテリ２２は蓄電装置の一例である。

上記油圧装置２３は、車両コントローラ２４、第１ユニット２５、第２ユニット２６、第３ユニット２７、回生装置２８およびマルチ弁２９を有している。なお、上記車両コントローラ２４が制御装置の一例である。

上記第１ユニット２５は、第１操作レバー３０からの操作信号を受ける第１インバータ３１と、この第１インバータ３１によって調整された電流が供給される可変速の第１電動機３２と、この第１電動機３２によって駆動される可変容量の第１油圧ポンプ３３とを含んでいる。

上記第１操作レバー３０は、オペレータキャビン７内に設けられている。オペレータは、ブーム１０およびバケット１２を駆動させたりする際に、第１操作レバー３０を操作する。

上記第２ユニット２６は、第２操作レバー３４からの操作信号を受ける第２インバータ３５と、この第２インバータ３５によって調整された電流が供給される可変速の第２電動機３６と、この第２電動機３６によって駆動される可変容量の第２油圧ポンプ３７とを含んでいる。

上記第２操作レバー３４は、オペレータキャビン７内に設けられている。オペレータは、アーム１１を駆動させる際に、第２操作レバー３４を操作する。

上記第３ユニット２７は、第３操作レバー３８からの操作信号を受ける第３インバータ３９と、この第３インバータ３９によって調整された電流が供給される可変速の電動機兼発電機４０と、この電動機兼発電機４０によって駆動される固定容量の第３油圧ポンプ４１とを含んでいる。また、上記電動機兼発電機４０が発電した電気はバッテリ２２に蓄えられる。

上記第３操作レバー３８は、オペレータキャビン７内に設けられている。オペレータはブレード６を駆動させる際に、その第３操作レバー３８を操作する。

上記車両コントローラ２４は、第１インバータ３１、第２インバータ３５および第３インバータ３９に接続されており、第１インバータ３１、第２インバータ３５および第３インバータ３９の作動状態を検出することができる。そして、上記車両コントローラ２４は、第１インバータ３１、第２インバータ３５および第３インバータ３９の作動状態に基づいて、第１油圧ポンプ３３、第２油圧ポンプ３７および第３油圧ポンプ４１が作動しているか否かを判定できる。

上記マルチ弁２９は、走行操作用バルブ４２、ブレード操作用バルブ４３、ブームシリンダ操作用バルブ４４、アーム操作用バルブ４５、バケット操作用バルブ４６を含んでいる。これらのバルブは、それぞれ、車両コントローラ２４によって開閉制御される。例えば、上記ブームシリンダ操作用バルブ４４が開くと、第１油圧ポンプ３３が吐出した作動油が、ブームシリンダ操作用バルブ４４を通ってブームシリンダ１７へ向かう。また、上記アーム操作用バルブ４５が開くと、第２油圧ポンプ３７が吐出した作動油が、アーム操作用バルブ４５を通ってアームシリンダ１８へ向かう。

また、上記マルチ弁２９と第３油圧ポンプ４１との間には第１切替弁４７が設置されている。この第１切替弁４７の切り替えにより、第３油圧ポンプ４１からマルチ弁２９へ作動油を流したり、マルチ弁２９から第３油圧ポンプ４１へ作動油を流したりすることができる。つまり、上記第１切替弁４７は、第３油圧ポンプ４１とマルチ弁２９との間の作動油の流れを切り替えることができる。なお、上記第１切替弁４７は切替弁の一例である。

図３は上記油圧装置２３の要部の油圧回路図である。なお、図３において一部の構成部の図示を省略している。

上記油圧装置２３は、上述した第１切替弁４７と、ブームシリンダ１７とブームシリンダ操作用バルブ４４との間に設置された第２切替弁４８と、車両コントローラ２４から制御信号を受ける回生発電用電磁弁４９とを備えている。なお、上記第２切替弁４８は切替弁の一例である。

上記ブームシリンダ操作用バルブ４４は、第１操作レバー３０の操作によるパイロット圧を受けて、ポジションが切り替わる。より詳しくは、上記ブームシリンダ操作用バルブ４４のポジションが待機位置Ｓ０であると、第１油圧ポンプ３３から吐出された作動油は、ブームシリンダ１７に向かわず、タンク８内に戻る。そして、上記ブームシリンダ操作用バルブ４４のポジションがブーム上げ位置Ｓ１になると、第１油圧ポンプ３３からブームシリンダ１７に作動油が供給され、ブーム１０が鉛直方向の上側に向かって回動する。一方、上記ブームシリンダ操作用バルブ４４のポジションがブーム下げ位置Ｓ２になると、第１油圧ポンプ３３からブームシリンダ１７に作動油が供給され、ブーム１０が鉛直方向の下側に向かって回動する。このとき、上記作動油の流れは、ブームシリンダ操作用バルブ４４のポジションがブーム上げ位置Ｓ１にあるときの作動油の流れと逆になる。

上記回生発電用電磁弁４９は、ブーム１０の作動中、ポジションが通常運転位置Ｓ１１となるように車両コントローラ２４に制御される。そして、上記回生発電用電磁弁４９は、ブーム１０の動力を回生する際、ポジションが回生運転位置Ｓ１２となるように制御される。上記回生発電用電磁弁４９のポジションが回生運転位置Ｓ１２になると、パイロット圧が第１切替弁４７および第２切替弁４８にかかり、第１切替弁４７のポジションが通常運転位置Ｓ２１から回生運転位置Ｓ２２に切り替わると共に、第２切替弁４８のポジションが通常運転位置Ｓ３１から回生運転位置Ｓ３２に切り替わる。その結果、上記ブームシリンダ１７を出た作動油は、第２切替弁４８、回生ライン５０、第１切替弁４７、第３油圧ポンプ４１を順次流れてタンク８に戻る。このとき、上記電動機兼発電機４０が発電機として機能し、電動機兼発電機４０で発生した電気がバッテリ２２に蓄えられる。

以下、図４のフローチャートを用いて、車両コントローラ２４が行う回生発電制御について説明する。

まず、ステップＳ１で、オペレータがブーム１０の下げ操作を行っているか否かを判定する。このステップＳ１で、オペレータがブーム１０の下げ操作を行っていると判定された場合は、次のステップＳ２に進む。一方、上記ステップＳ１で、オペレータがブーム１０の下げ操作を行っていると判定されなかった場合は、ステップＳ５に進む。

上記ステップＳ５に進んだ場合は、回生発電用電磁弁４９をＯＦＦにし、油圧装置２３の油圧回路を通常回路にする。つまり、上記回生発電用電磁弁４９のポジションを通常運転位置Ｓ１１にし、ブームシリンダ１７から出た作動油がブームシリンダ操作用バルブ４４へ向かって流れるようにする。

ここで、上記ブーム１０の下げ操作とは、ブーム１０を鉛直方向の下側へ回動させる操作のことである。また、上記ブーム１０の下げ操作が行われているか否かは、第１操作レバー３０から出る操作信号に基づいて判定される。

次に、ステップＳ２で、第３ユニット２７の第３油圧ポンプ４１が作動しているか否かを判定する。このステップＳ２で、第３ユニット２７の第３油圧ポンプ４１が作動していないと判定された場合は、次のステップＳ３に進む。一方、上記ステップＳ２で、第３ユニット２７の第３油圧ポンプ４１が作動していると判定された場合は、上述したステップＳ５に進む。

次に、ステップＳ３で、バッテリ２２に空きはあるか否かを判定する。このステップＳ３で、バッテリ２２に空きはあると判定された場合は、次のステップＳ４に進む。一方、ステップＳ３で、バッテリ２２に空きはないと判定された場合は、上述したステップＳ５に進む。

最後に、ステップＳ４で、回生発電用電磁弁４９をＯＮにし、第３ユニット２７で回生発電する。つまり、上記回生発電用電磁弁４９のポジションを回生運転位置Ｓ１２にして、ブームシリンダ１７を出た作動油を第３油圧ポンプ４１へ流して、電動機兼発電機４０を発電機として機能させる。

このような回生発電制御を行うことによって、ブーム１０が自重で鉛直方向の下側に駆動している際、回生装置２８はブームシリンダ１７の動力を回生し、その回生された電力がバッテリ２２に蓄えられる。

したがって、上記ブームシリンダ１７の動力が無駄にならず、必要時に、バッテリ２２の電力を用いて、省エネルギ効果を高めることができる。

また、上記ステップＳ２で、第３油圧ポンプ４１が作動していないと判定されたときに、ブームシリンダ１７の動力の回生が行われるので、その回生に第３油圧ポンプ４１を利用できる。

また、上記ステップＳ３で、バッテリ２２に空きがあると判定されたときに、ブームシリンダ１７の動力の回生が行われる、つまり、バッテリ２２に空きがなければ、ブームシリンダ１７の動力の回生が行われない。

したがって、上記ブームシリンダ１７の動力の回生で得た電力をバッテリ２２に確実に蓄えることができる。

上記実施の形態においては、ステップＳ２によって作動判定手段の一例を構成し、ステップＳ３によって蓄電判定手段の一例を構成し、ステップＳ４によって第１，第２回生制御手段の一例を構成するものである。

上記実施の形態では、ブームシリンダ１７の動力を回生するようにしていたが、例えば、アームシリンダ１８またはバケット１２などの動力を回生するようにしてもよい。

上記実施の形態では、ステップＳ２で、第３油圧ポンプ４１が作動していないと判定され、そして、ステップＳ３で、バッテリ２２に空きがあると判定されたときに、ブームシリンダ１７の動力の回生を行っていたが、ステップＳ２で、第３油圧ポンプ４１が作動していないと判定されれば、その判定の次に、ブームシリンダ１７の動力の回生を行ってもよい。すなわち、ステップＳ３のバッテリ２２の空き判定を省略してもよい。

上記実施の形態では、本発明の一実施の形態の油圧装置２３をハイブリッドショベルに適用した一例について説明したが、本発明の油圧装置を、例えば、ハイブリッドクレーン、ハイブリッドブルドーザ、ハイブリッド杭打ち機などに適用してもよい。

図１は本発明の一実施の形態のハイブリッドショベルの概略斜視図である。図２は上記ハイブリッドショベルの要部の構成を示す模式図である。図３は本発明の一実施の形態の油圧装置の要部の油圧回路図である。図４は上記油圧装置の回生発電制御のフローチャートである。

１ハイブリッドショベル
３上部旋回体
４掘削作業機
１５油圧モータ
１６ブレードシリンダ
１７ブームシリンダ
１８アームシリンダ
１９バケットシリンダ
２２バッテリ
２３油圧装置
２４車両コントローラ
２８回生装置
４０電動機兼発電機
４１第３油圧ポンプ
４７第１切替弁
４８第２切替弁

Claims

油圧ポンプ(３３，３７，４１)と、
上記油圧ポンプ(３３，３７，４１)を駆動する電動機(３２，３６，４０)と、
上記油圧ポンプ(３３，３７，４１)が吐出した作動油によって駆動されるアクチュエータ(１５，１６，１７，１８，１９)と、
上記アクチュエータ(１７)の動力を回生する回生装置(２８)と、
上記回生装置(２８)が回生した電力を蓄える蓄電装置(２２)と、
上記油圧ポンプ(４１)の作動状態に基づいて、上記回生装置(２８)を制御する制御装置(２４)と
を備え、
上記制御装置(２４)は、
上記油圧ポンプ(４１)が作動しているか否かを判定する作動判定手段(Ｓ２)と、
上記作動判定手段(Ｓ２)が、上記油圧ポンプ(４１)が作動していないと判定したときに、上記回生装置(２８)に上記アクチュエータ(１７)の動力を回生させる第１回生制御手段(Ｓ４)と
を有し、
上記第１回生制御手段(Ｓ４)は、上記アクチュエータ(１７)から出た作動油を上記油圧ポンプ(４１)に送って、上記電動機を発電機として機能させることを特徴とする油圧装置。
請求項１に記載の油圧装置において、
上記制御装置(２４)は、
上記蓄電装置(２２)に電力を蓄えることが可能か否かを判定する蓄電判定手段(Ｓ３)と、
上記蓄電判定手段(Ｓ３)が、上記蓄電装置(２２)に電力を蓄えることが可能であると判定したときに、上記回生装置(２８)に上記アクチュエータ(１７)の動力を回生させる第２回生制御手段(Ｓ４)と
を有することを特徴とする油圧装置。
請求項１または２に記載の油圧装置において、
上記回生装置(２８)は、上記アクチュエータ(１７)から上記油圧ポンプ(４１)に作動油が流れるようにするための切替弁(４７，４８)を含んでいることを特徴とする油圧装置。
旋回体(３)と、
上記旋回体(３)に鉛直方向に回動可能に取り付けられた作業アーム(４)と、
請求項１から３までのいずれか一項に記載の油圧装置(２３)と
を備え、
上記油圧装置(２３)の上記回生装置(２８)は、上記作業アーム(４)が自重で鉛直方向の下側に回動した際に、上記アクチュエータ(１７)から出た作動油で駆動した上記油圧ポンプ(４１)で上記電動機(４０)を駆動することを特徴とする建設機械。