JP5111323B2 - ハイブリッド型建設機械の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に係り、特に旋回体ユニットや走行体ユニット等用の油圧アクチュエータ、好適には油圧モータと電動・発電機とで駆動・回生するタイプのハイブリッド型建設機械に関する。

油圧ショベル等の建設機械において、所謂、ハイブリッド型と称される電動・発電機を油圧モータ等の油圧アクチュエータと組み合わせて制動時に回生制御を行う建設機械はすでに知られている。

例えば特許文献１の図３には、建設機械の旋回体を油圧モータ２０４と電動・発電機を結合して駆動させる方式が提案されている。同図に示されるように、制動時すなわち、回生制御時に油圧モータ２０４は回転慣性体２１０の慣性力により駆動されポンプ作用を行う。この油圧モータ２０４のポンプ作用により生じた圧油は、回生制御時に開閉弁２０４ａを開の状態とすることにより図示のように油圧モータ２０４と開閉弁２０４ａとの間を循環する。その場合、油圧モータ２０４内部で消費されるエネルギ（吸収エネルギ）と前記循環の流路で消費されるエネルギは最終的には熱に変換される。これらの消費エネルギが少なければ、電動・発電機側で電気エネルギとして回生される回生エネルギがそれだけ多くなる。

図５は、本願の図２において従来の開閉弁(連通弁)を用いた場合における、駆動時および制動時における油圧モータの吸入・排出側の各ポートＡ、Ｂ近傍における圧力変化を測定した圧力波形図を油圧モータの回転数変化および連通弁のＯＮ、ＯＦＦと関連させて示した図である。

図５に示されるように、時刻ｔ０においてＢポート側へ、対応する切換弁からの圧油が供給されると油圧モータの回転数Ｒは０から徐々に一定の増速度で上昇して約１６００ｒｐｍに達し、その後、時刻ｔ１で（作業者が旋回運動を停止すべく）油圧モータへの圧油の供給を停止するとシステムは連通弁を全開とし、電動機に回生発電を行う指令を発し、慣性エネルギを電気エネルギ変換蓄電する。またこの時回生ブレーキ効果により油圧モータは時刻ｔ１から徐々に減速される。なお、同図５で、回転数Ｒが上昇中、波形Ｐ（Ｂ）が６秒〜１２秒の間で低下しているのは負荷である旋回体の一定増速度に要する圧力が相対的に低下することによるものである。

参照符号Ｚの丸で囲まれた部分に示されるように、波形Ｐ（Ａ）は時刻ｔ０でほぼ０ＭＰａから５ＭＰａまで瞬時に上昇した後時刻ｔ２まで徐々に低下し、一方、波形Ｐ（Ｂ）は一旦０ＭＰａへ瞬時に降下後、時刻ｔ２までほぼ３ＭＰａに保持されている。ここで、時刻ｔ１以降に圧力Ｐ（Ｂ）とＰ（Ａ）との上下が逆転するのは、油圧モータがポンプ作用をすることによるものであり、圧力差（Ｐ（Ａ）−Ｐ（Ｂ））は連通弁および油圧モータからなる循環路において消費されるエネルギに対応する圧力差である。

本発明者等の分析によれば、こうしたポートＡ、Ｂの循環路における圧力上昇（Ｐ（Ａ）＝５ＭＰａ、Ｐ（Ｂ）＝３ＭＰａ）となる現象には再現性があり、その理由は制動により油圧モータの回転数が減少することで、連通弁を含む循環路に圧油の閉じ込みが生じることによると考えられる。

前記５ＭＰａの圧力は連通弁と並行に設けられたリリーフの設定圧力よりは低いものの、時刻ｔ１〜ｔ２の間、Ａ、Ｂポートおよびその循環路をかなり高い圧力状態とするので、結局油圧エネルギが熱として消費されることとなる。

しかも旋回体の増速、減速動作は建設機械では頻繁に行われるので、トータルの消費油圧エネルギは無視し得ないかなりの量となり、その分だけ回生エネルギとして変換される量が少なくなる。また、この５ＭＰａにより油圧モータ内部の軸受部等の機械構成部分も高圧状態に曝され悪影響を受ける。

特開２００８−６３８８８号公報

本発明者等は、上述した点に鑑み、鋭意検討した結果、連通弁内にドレンに通じる流路を形成することで上記の問題点を大幅に改善できることを見出した。

従って、本発明の目的は、ハイブリッド型建設機械において、回生・制動時における油圧アクチュエータ側での圧油の循環路における圧力上昇を可及的に少なくしたハイブリッド型建設機械の駆動装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、電動・発電機および油圧モータにより駆動される被駆動体、前記油圧モータへ圧油を給排する切換弁を有する制御弁ユニット、前記油圧モータの吸入・排出ポート間に設けられた１対のリリーフ弁ユニットおよび、前記吸入、排出ポート間に設けられ前記電動・発電機が回生動作時に前記吸入・排出ポート間を連通するよう作動する連通弁とからなり、さらに前記連通弁内には前記回生動作時にドレンと連通する流路を形成したことを特徴とする。

その場合、前記被駆動体は、旋回体ユニットで構成されることができる。

またその場合、前記被駆動体は、走行体ユニットで構成されることができる。

さらにまた、前記連通弁のドレンと連通する流路は、前記回生動作時にその一端側が当該連通弁のドレンと接続され、その他端側は前記連通弁のスプール径大部の内部を通り当該スプール径小部に開口する流路で構成することができる。

またその場合、前記連通弁は、全開、全閉の２つの状態をとるＯＮ、ＯＦＦ弁で構成することができる。

請求項１記載の本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、電動・発電機および油圧モータにより駆動される被駆動体、前記油圧モータへ圧油を給排する切換弁を有する制御弁ユニット、前記油圧モータの吸入・排出ポート間に設けられた１対のリリーフ弁ユニットおよび、前記吸入、排出ポート間に設けられ前記電動・発電機が回生動作時に前記吸入・排出ポート間を連通するよう作動する連通弁とからなり、さらに前記連通弁内には前記回生動作時にドレンと連通する流路を形成したので、回生・制動時における連通弁を通る圧油の上昇を抑制することが可能となり、油圧モータの機械損失の増大を抑えエネルギ回生の効率向上を達成することができる。

また、請求項２記載の本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、被駆動体として慣性力が大きく、且つ建設機械作業の中でも頻繁に作動する建設機械の旋回体ユニットとしたので、回生エネルギの回生効率を従来よりも向上させることができる。

さらに、請求項３記載の本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、被駆動体として慣性力が大きく、且つ建設機械作業中および移動する建設機械の走行体ユニットとしたので、回生エネルギの回生効率を従来よりも向上させることができる。

さらにまた、請求項４記載の本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、連通弁のスプール内部に流路を形成するだけでよく、流路形成に際し複雑な構成、加工を必要としない。また、前記連通弁の遮断に伴い前記流路も遮断されるので、回生・制動時以外には前記遮断された流路の存在が油圧モータの駆動状態に影響することもない。

また、請求項５記載の本発明によるハイブリッド型建設機械の駆動装置は、連通弁として全開、全閉の２位置状態をとるＯＮ、ＯＦＦ弁で構成したので弁構造が簡単であり、コストアップを抑制可能である。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について添付図面の図１乃至図４を参照して詳細に説明する。

図１は、建設機械としての油圧ショベルの概略構成を示す。同図１において、油圧ショベル１０は、油圧モータにより駆動される走行体ユニット１１の上に旋回機構１２を含む旋回体ユニット１３が旋回自在に載置されている。旋回体ユニット１３には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１５が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１５の先端にアーム１６が上下回動自在に取り付けられ、更にアーム１６の先端にバケット１７が取り付けられている。本実施例では、前記旋回体ユニット１３が図示しない電動・発電機と油圧モータを備えているものとする。

図２は、ハイブリッド型建設機械における旋回体ユニットの旋回油圧モータの試験用油圧回路図である。同図２において、参照符号２０は図１の旋回体ユニット１３を構成する慣性体部分に等価なフライホイールである。フライホイール２０の上部には歯車機構２１が設けられている。

歯車機構２１は油圧モータ２６ａと電動・発電機２２の駆動軸の回転を合成する合成歯車機構２１ａと、同合成歯車機構２１ａの出力軸に設けられたサンギア２１ｃと、同サンギア２１ｃと噛合し且つ内歯車２１ｅと噛合うプラネット歯車２１ｄ、およびそのホルダ２１ｂとからなり、同ホルダ２１ｂの軸２１ｆが前記フライホイール２０に結合されている。前記合成歯車機構２１ａは油圧モータ２６ａの駆動軸と電動・発電機２２の駆動軸が図示のように結合されている。参照符号２４は油圧モータ２６ａの駆動軸の回転数を検出する回転計である。参照符号２４ｂは油圧モータ２６ａに内蔵された一対のリリーフ弁である。なお、参照符号２６ａおよび２６ｂは油圧モータユニット２６を構成している。

参照符号２８は連通弁であって、油圧モータ２６ａのポートＡ、Ｂを含む循環路ＣＬに接続されている。連通弁２８は、圧油信号ｓｇ１の有無に応じて図示のａ位置(全開)、ｂ位置(全閉)なる２つの状態をとりうるよう構成されている。参照符号２８ａはａ位置の全開状態で弁内の流路をドレンｄｒに導くドレン流路であり、参照符号２８ｂは圧油信号ｓｇ１が無のとき、ｂ位置の全閉状態にするバネである。

参照符号４０、４２は循環路ＣＬのポートＢ側、ポートＡ側にそれぞれ設けられた圧力計である。また、参照符号４０は前記信号圧ｓｇ１を検出する圧力計である。

参照符号３０は、切換弁３０ａおよびリリーフ弁３０ｂからなる切換弁ユニットであってその圧油の給排ラインが前記循環路ＣＬのポートＢ、ポートＡ側にそれぞれ接続されている。

参照符号３２はパイロット弁で各信号圧ｓａ、ｓｂが切換弁３０ａの受圧部へ与えられる。

参照符号３４はタンクＴから作動油を吸い上げるポンプユニットであって、電動機３４ｃにより駆動される可変容量ポンプ３６ｂと固定容量型のパイロットポンプ３４ｂからなっている。可変容量ポンプ３６ｂからの圧油は切換弁ユニット３０に与えられ、パイロットポンプ３４ｂからの圧油はパイロット弁３２および電磁比例油圧弁３６に与えられる。同電磁比例油圧弁３６には図示しない制御装置から電気制御信号ｓｇが与えられる。

図３は、図２の連通弁２８のスプールｓｐｒ構成を説明する要部断面図である。同図３において、図（ａ）は連通弁２８への信号圧ｓｇ１が与えられていない状態すなわち、信号圧Ｌの状態であり、図（ｂ）は連通弁２８への信号圧ｓｇ１が与えられている状態すなわち、信号圧Ｈの状態である。図（ａ）において、弁本体２８Ｖ左右方向に設けられた孔にはスプールｓｐｒが摺動自在に収納され同スプールｓｐｒはバネ２８ｂにより右端側に位置している。

スプールｓｐｒ中間の径小部２８ｃは、ポートＢ側の開口２８（Ｂ）と流路ｆＢを介して連通した室２８ｇに臨んでいる。径小部２８ｃの右側径大部は前記信号圧ｓｇ１を受けるようになっており、また径小部２８ｃの左側径大部は前記バネ２８ｆの弾発力により常時右方へ付勢されている。スプールｓｐｒの左側径大部から径小部２８ｃにわたり小孔のドレン流路２８ａが設けられている。参照符号２８ｄは流路２８ａを室２８ｇに連通する横穴、参照符号２８ｅは流路２８ａを中間室２８ｈに導く横穴である。参照符号２８ｆは栓である。同図に示されるように、ポートＡ側の開口２８（Ａ）および流路ｆＡは左側径大部外周面により室２８ｇと遮断されている。

図３（ｂ）では、前述のように信号圧ｓｇ１が与えられＨ(高)状態となった場合である。同図（ｂ）ではスプールｓｐｒは信号圧ｓｇ１によりバネ２８ｂに抗して左方へ移動しており、その結果、流路ｆＢ、室２８ｇおよび流路ｆＡが連通し開口２８（Ｂ）と２８（Ａ）は連通する。このとき室２８ｇに臨む横穴２８ｄと中間室２８ｈに臨む横穴２８ｅすなわち、タンク側は図示のように連通している。したがって、流路ｆＢ、室２８ｇおよび流路ｆＡを含む循環路ＣＬにおいて図５に示される、閉じ込み現象に基づくＡ、Ｂポート側の圧力上昇は抑制されることとなる。なお、参照符号２８ｉは可変絞りを構成する切欠き部である。

図４は、図２の回転計２４、圧力計４０、４２、４４を用いて、油圧モータ２６ａを回転駆動させた後回生・制動を行い停止するまでの油圧モータ回転数、ポートＡ、Ｂの圧力および連通弁２８への制御信号圧ｓｇ１のそれぞれ波形を示す図である。

同図４に示されるように、パイロット弁３２を操作して切換弁３０への圧油信号ｓａ（ｓｂ）がなくなり、時刻ｔ１で、信号圧ｓｇ１がＬからＨとなるとポートＢ側の圧力Ｐ（Ｂ）は０ＭＰａまで瞬時に降下し、そのままの状態が維持されている。一方、このとき油圧モータがポンプ作用を開始するので、ポートＡ側の圧力Ｐ（Ａ）はほぼ２ＭＰａまで上昇し回転数の減少とともに徐々に低下し時刻ｔ２でほぼ０ＭＰａとなる。

図５と対比すると明らかなように、参照符号Ｚの実線の丸で囲まれた部分には、圧力Ｐ（Ｂ）が再上昇する閉じ込み現象はなく、また、圧力Ｐ（Ａ）が５ＭＰａまで上昇する現象も起きない。

以上、本発明の好適な実施例について図面を参照して説明したが、当業者であれば、これらの開示例に基づき種々の変形をすることができる。

例えば、上述した連通弁２８の説明では回生エネルギ効率を向上するため、信号圧ｓｇ１は低Ｌ、高Ｈの２種類を与えるものとして説明したが、回生エネルギ効率を犠牲にしても制動時間を短くしたい場合がある。そのような場合には、特許文献１の図４（ａ）に示されるように可変絞り（本願の図３（ｂ）中の２８ｉ参照）を設け、信号圧ｓｇ１に代わって制御信号Ｓｄ（特許文献１の図４（ａ）参照）を与えるようにすることができる。

建設機械としての油圧ショベルの概略構成を示す図である。 本発明が適用されたハイブリッド型建設機械における旋回体ユニットの旋回油圧モータの試験用油圧回路図である。 図２の連通弁のスプール構成を説明する要部断面図であって、（ａ）は連通弁への信号圧が与えられていない状態のスプール位置であり、（ｂ）は連通弁への信号圧が与えられている状態のスプール位置を示す。 図２の回転計、圧力計を用いて、油圧モータを回転駆動させた後、回生・制動を行い停止するまでの油圧モータ回転数、ポートＡ、Ｂの圧力および連通弁への制御信号圧のそれぞれ波形を示す図である。 本願の図２において従来の開閉弁(連通弁)を用いた場合における、駆動時および制動時における油圧モータの吸入・排出側の各ポートＡ、Ｂ近傍における圧力変化を測定した圧力波形図を油圧モータの回転数変化および連通弁のＯＮ、ＯＦＦと関連させて示した図である。

符号の説明

１０ 油圧ショベル
１１ 走行体ユニット
１２ 旋回機構
１３ 旋回体ユニット
１４ キャブ
１５ ブーム
１６ アーム
１７ バケット
２０ フライホイール
２１ 歯車機構
２１ａ 合成歯車機構
２１ｂ ホルダー
２１ｃ サンギア
２１ｄ プラネットギア
２１ｅ 内歯車
２１ｆ 軸
２２ 電動・発電機
２４ 回転計
２６ 油圧モータユニット
２６ａ 油圧モータ
２６ｂ 一対のリリーフ弁
２８ 連通弁
２８ａ ドレン流路
２８ｂ バネ
２８ｃ 径小部
２８ｄ、２８ｅ 横穴
２８ｆ 栓
２８ｇ 室
２８ｈ 中間室
２８ｉ 切り欠き
２８Ｖ 弁本体
２８（Ａ）、２８（Ｂ） 開口
３０ 切換弁ユニット
３０ａ 切換弁
３０ｂ リリーフ弁
３２ パイロット弁
３４ ポンプユニット
３４ａ 可変容量ポンプ
３４ｂ 固定容量ポンプ
３６ 電磁比例油圧弁
ＣＬ 循環路
ｄｒ ドレン
ｆＡ、ｆＢ 流路
Ｐ（Ａ） ポートＡ側圧力
Ｐ（Ｂ） ポートＢ側圧力
Ｒ 油圧モータ回転数
ｓａ、ｓｂ パイロット信号圧
ｓｐｒ スプール
ｓｇ 制御信号
ｓｇ１ 信号圧
ｔ１、ｔ２ 時刻

Claims (5)

1. 電動・発電機および油圧モータにより駆動される被駆動体、前記油圧モータへ圧油を給排する切換弁を有する制御弁ユニット、前記油圧モータの吸入・排出ポート間に設けられた１対のリリーフ弁ユニットおよび、前記吸入、排出ポート間に設けられ前記電動・発電機が回生動作時に前記吸入・排出ポート間を連通するよう作動する連通弁とからなり、さらに前記連通弁内には前記回生動作時にドレンと連通する流路を形成したことを特徴とするハイブリッド型建設機械の駆動装置。
2. 前記被駆動体は、旋回体ユニットである請求項１に記載されたハイブリッド型建設機械の駆動装置。
3. 前記被駆動体は、走行体ユニットである請求項１に記載されたハイブリッド型建設機械の駆動装置。
4. 前記連通弁のドレンと連通する流路は、前記回生動作時にその一端側が当該連通弁のドレンと接続され、その他端側は前記連通弁のスプール径大部の内部を通り当該スプール径小部に開口する流路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたハイブリッド型建設機械の駆動装置。
5. 前記連通弁は、全開、全閉の２つの状態をとるＯＮ、ＯＦＦ弁である請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたハイブリッド型建設機械の駆動装置。