JP5318329B2 - 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おける駆動装置に関し、特にエンジンにより駆動される油圧ポンプを駆動源とした駆動と、電動機を駆動源とした駆動の、２つの駆動系統により駆動可能なハイブリッド型建設機械の駆動装置に関するものである。

図２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２において、油圧ショベル１０は、下部走行体１１の上に旋回機構１２を介して上部旋回体１３が旋回自在に載置されている。上部旋回体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。

基本的に上記の構成を有する油圧ショベル等の建設機械において、近年、排気ガスや騒音等の作業環境を改善する方策がハイブリッド型として種々提案されている。前記ハイブリッド型の建設機械の駆動制御方式は大別すると、シリーズとパラレルの２方式がある。シリーズ方式は、図３に示されるように、エンジンで一旦発電機を駆動し、この発電機で発生した電力によって電動機を駆動し、そしてこの電動機で油圧ポンプを駆動するハイブリッド型の建設機械であり、更に、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、蓄電されたバッテリの電力で必要に応じて電動機を駆動するものである。図３はこの油圧ショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示している。（特許文献１）

同図３において、実線矢印は電気駆動系、点線矢印は油圧駆動系をそれぞれ示す。

発電機２１と、電動機２４及びバッテリ２２との間にインバータ２３が設けられ、このインバータ２３により、発電機２１で作られた交流電力が直流に変換されてバッテリ２２に蓄えられ（充電作用）、バッテリ２２の蓄電力が交流に変換されて電動機２４に供給される（放電作用）。

なお、インバータ２３には、図示しないが切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるいは負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行われる。

電動機２４によって駆動される油圧ポンプ２５の圧油は、各油圧アクチュエータに設けられたコントロールバルブ３２を介して各油圧アクチュエータ（旋回及び走行用油圧モータ２６、２７、２８および、ブーム、アーム、バケット用の各シリンダ３１、３０、２９）に供給され、コントロールバルブ３２によって各油圧アクチュエータの作動速度、トルク、作動方向が制御される。

上記の充放電作用を含めたこのハイブリッド型油圧ショベルの駆動制御作用を次に説明する。

エンジン２０が運転されると発電機２１が駆動されて発電作用を行い、発生した交流電力により電動機２４が駆動されて油圧ポンプ２５が回転し、上記のように各油圧アクチュエータが作動することにより、各ショベル動作（掘削、走行、旋回）が行われる。

ここで、基本的に、電動機２４は、発電機２１からインバータ２３経由で供給される電力によって駆動されるが、重負荷時には、前記した切換手段の作用により、バッテリ２２の蓄電力によって電力不足を補い、逆に軽負荷時には発電機２１の余剰電力がバッテリ２２に蓄えられる。

一方、軽負荷時でかつバッテリ容量が十分な場合は、エンジン２０の出力を低下させ、あるいはエンジン停止させてバッテリ電力のみによって電動機２４を駆動することもできる。

このような作用により、エンジン負荷を平滑化し、騒音及び排ガスを削減し、燃費を低減することができる。

このショベルによると、上記のようにエンジン２０−発電機２１−電動機２４−油圧ポンプ２５の経路で回転力が伝達され、パワーユニットをエンジン２０＋発電機２１の組と、電動機２４＋油圧ポンプ２５の組に分けて設置することが可能となる。従って、一個所にまとまった大きな設置スペースを必要としないため、とくに小旋回型のショベルに適したものとなる。また、発電機２１と電動機２４は電気配線によって接続できるため、エネルギーの伝達ロスを大幅に削減することができる。

なお、図３では単一の、電動機２４と油圧ポンプ２５を組み合わせて各油圧アクチュエータ（旋回及び走行用油圧モータ２６、２７、２８および、ブーム、アーム、バケット用の各シリンダ３１、３０、２９）に所要の圧油を供給するようにしているが、各アクチュエータに対応させて専用の電動機と油圧ポンプとをそれぞれ設けることにより各アクチュエータを独立して駆動すること、すなわち、ある１つのアクチュエータのために供給される圧油が他のアクチュエータを駆動するための圧油によって影響を受けないようにすることも可能である。

一方、前記パラレル方式のハイブリッド型建設機械の場合の駆動装置の基本ブロック図を図４に示す。同図４において、エンジン５０の回転駆動はギアボックス５２を介して一方はポンプ５４に、他方は発電機／電動機５６に伝達される。前記ポンプ５４からの吐出油は複数の方向切換弁からなる制御弁ユニット５８を介してブーム、アーム、バケット、左走行モータおよび右走行モータからなる第１アクチュエータ群ＡＣＴ１の各アクチュエータへ供給される。参照符号６０は電力変換部であって、電力の供給・回生および蓄積の機能を有する。第２アクチュエータＡＣＴ２を構成している旋回台を駆動制御する発電機／電動機６２が前記電力変換部６０に接続されている。

上記の代表的なパラレル方式においては、シリーズ方式に比べ、バッテリの蓄電能力は比較的小さくて済み、また、旋回台専用の発電機／電動機６２が設けられており、アクチュエータの１つであるこの旋回台の駆動制御に伴い電力の回生を行う点がその構成上の特徴である。そして、この旋回台の駆動が停止されているときには発電機／電動機５６は発電機として機能し電力変換部６０へ電力を供給する。また、アクチュエータ群ＡＣＴ１での圧油の必要量に対してエンジン５０のパワーが不足する場合、発電機／電動機５６は電力変換部６０に蓄積されている電力により電動機として機能し、ギアボックス５２を介してエンジン５０の不足分パワーを補うようになっている。しかしながら、このパラレル方式の場合ギアボックス５２が設けられており、そのため動力損失が大きいこと、ギアボックス５２を冷却する手段が必要であること、ギアボックス５２の機構が複雑であり且つ一定のスペースを確保しなければならないことなどの問題点がある。

特開２００１−１１８８８ 発明の名称「ショベル」

本発明者は、前記パラレル方式におけるギアボックスの存在に着眼し、エンジンと発電機／電動機とポンプとをその順に直接カップリングを介して結合することにより前記問題点は基本的に解決できることを突き止めた。

従って、本発明の目的は、エンジンと油圧ポンプおよび発電機／電動機との間にギアボックスを介在させないパラレル式の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、油圧ショベルの旋回台を回転駆動させる第１の発電機／電動機と少なくともブーム用シリンダ、アーム用シリンダおよびバケット用シリンダ駆動用の各方向切換弁を有する制御弁ユニットと前記第１の発電機／電動機と電力変換部を介して電気的に接続された第２の発電機／電動機とを備え、エンジンからの回転動力を、前記制御弁ユニットへの供給圧油に変換するメインポンプおよび前記第２の発電機／電動機に与えるようにしたパラレル式のハイブリッド型建設機械の駆動装置であって、
前記エンジンの一側に設けたクランク軸と、
同クランク軸の延長上にあって前記メインポンプに設けられ同メインポンプの一側から他側に回転力を伝達する駆動軸と、
前記クランク軸と前記メインポンプの駆動軸の一側とを軸線上において結合する軸継手によるカップリングと、
前記駆動軸の他側と前記第２の発電機／電動機の一側とを一体に回転するように同軸的に結合する第２のカップリングと、
を備え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であって、
前記メインポンプには隣接してパイロットポンプが配置され、同パイロットポンプ用の回転駆動力は前記メインポンプの回転部材から伝達され、
前記電力変換部は、前記第１の発電機／電動機と電気的に接続された第１インバータ回路および第１コンバータ回路と、前記第２の発電機／電動機と電気的に接続された第２インバータ回路および第２コンバータ回路と、前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路ならびに、前記第２インバータ回路および第２コンバータ回路との間で電力の供給および回生を遂行するように電気的に接続されたキャパシタおよびバッテリを備え、
前記電力変換部は、前記第１の発電機／電動機および前記第２の発電機／電動機の相電流に応答して前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路ならびに、前記第２インバータ回路および第２コンバータ回路に流れる電流を制御するコントロールユニットを備え、
前記コントロールユニットは、前記パイロットポンプと油圧的に結合する操作圧油発生部から与えられる旋回台駆動指令圧力を油電変換して得られた電気信号を受け入れ前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路を介して前記第１の発電機／電動機の駆動を制御するハイブリッド型建設機械の駆動装置であって、
エンジンとポンプと発電機／電動機とをその順に直接前記軸継手によるカップリング及び第２のカップリングを介して結合することを特徴とする。

また、前記制御弁ユニットには、前記油圧ショベルの左右走行用の油圧モータに圧油を供給する方向切換弁を備えることができる。

本発明のハイブリッド型建設機械の駆動装置によれば、油圧ショベルの旋回台を回転駆動させる第１の発電機／電動機と、少なくともブーム用シリンダ、アーム用シリンダおよびバケット用シリンダ駆動用の各方向切換弁を有する制御弁ユニットと、前記第１の発電機／電動機と電力変換部を介して電気的に接続された第２の発電機／電動機を備え、エンジンからの回転動力を前記制御弁ユニットへの供給圧油に変換するメインポンプおよび前記第２の発電機／電動機に与えるようにしたパラレル式のハイブリッド型建設機械の駆動装置であって、前記エンジンの一側に設けたクランク軸と、同クランク軸の延長上にあって前記メインポンプに設けられ同メインポンプの一側から他側に回転力を伝達する駆動軸と、前記クランク軸と前記メインポンプの駆動軸の一側とを結合する第１のカップリングと、前記駆動軸の他側と前記第２の発電機／電動機の一側とを結合する第２のカップリングと、を備えたので、ギアボックスをなくすことが可能となり、ギアボックスのゆえに生じていた動力損失がなくなり、冷却装置も不要となり、それだけ構造を簡素化することができる。

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

図１は、本発明を適用したパラレル方式のハイブリッド型建設機械である油圧ショベルの駆動装置のブロック図である。同図１において、参照符号１００は市販用エンジンであって、石油燃料を燃焼させ回転動力を発生させる。そのクランク軸１０２は同エンジン１００の一側に設けられており、他側には冷却用のファン１００Ａが設けられている。

クランク軸１０２の軸線上において、カップリング１０４を介してメインポンプ１０８の一側に設けた駆動軸１０６が結合されている。メインポンプ１０８の他側には前記駆動軸１０６と一体に回転する軸１１２が設けられ同軸１１２はさらにカップリング１１４を介して発電機／電動機１２０の駆動軸１１６と同軸的に結合されている。前記メインポンプ１０８から吐出される圧油はラインＬ１を介して制御弁ユニット１５０に供給される。同制御弁ユニット１５０内には、油圧ショベルの各油圧アクチュエータであるブーム（ＢＭ）シリンダ１５２、アーム（ＡＭ）シリンダ１５４、バケット（ＢＫＴ）シリンダ１５６および、走行右モータ１５８、走行左モータ１６０にそれぞれ接続された方向切換弁が設けられている。なお、参照符号Ｔは戻り油用のタンクを示す。

前記メインポンプ１０８に隣接して、パイロットポンプ１１０が設けられている。図示しないが、このパイロットポンプ１１０を駆動する回転駆動力はメインポンプ１０８（例えば公知の斜板式ピストンポンプ）内の回転部材外周に形成された歯車を介して回転動力を伝達されるようになっている。また、図示のように、駆動軸１０６に設けた歯車列ＧＴを介してパイロットポンプ１１０を回転駆動してもよい。パイロットポンプ１１０からはラインＬ２を介して操作圧油発生部１１８に供給されている。この操作圧油発生部１１８は、油圧ショベルの運転者が操縦桿を操作することにより各アクチュエータ(旋回台１４０を含む)への駆動指令を油圧信号として生成する。ラインＬ３は制御弁ユニット１５０の各方向切換弁への圧油信号ラインを一括して示す。一方、旋回台１４０を回転駆動する発電機／電動機１３４に対する圧油信号は油電変換部１１８Ａにより電気信号に変換されてラインＬ１２を介して電力変換部２００のコントロールユニット２０２に供給されている。

なお、前記メインポンプ１０８は、一般的に、斜板式ピストンポンプの可変容量型ポンプとして構成される。図ではパイロットポンプ１１０とメインポンプ１０８はポンプユニットＰＭＵとして表示されている。

前記電力変換部２００は、基本的に、発電機／電動機１２０とラインＬ４、Ｌ５を介して電気的に接続されているインバータ回路１２２およびコンバータ回路１２４と、発電機／電動機１３４と電気的に接続されているインバータ回路１３２およびコンバータ回路１３０と、それらの間に設けられた電力蓄積部のバッテリ１２６、キャパシタ１２８で構成されている。ラインＬ６、Ｌ７は、この電力蓄積部とインバータ回路１２２およびコンバータ回路１２４との電力の授受を行うラインを示す。また、ラインＬ８、Ｌ９は、この電力蓄積部とインバータ回路１３２およびコンバータ回路１３０との電力の授受を行うラインをそれぞれ示す。各ラインＬ４〜Ｌ９で矢視されるように、インバータ回路は直流電圧(流)を交流電圧(流)に変換し、コンバータ回路は交流電圧(流)を直流電圧(流)に変換するようになっている。前記コントロールユニット２０２は、油圧ショベルの運転操作における負荷の状態に応じて前記発電機／電動機１２０および発電機／電動機１３４の各励磁相巻線に流れる電流の検出部２０４からの信号ラインＬ１０および前記ラインＬ１２と接続され各インバータ回路およびコンバータ回路に対するスイッチングの制御信号を生成するようになっている。なお、これらスイッチングに関する技術は公知である。

参照符号Ｌ１１は、エンジン１００用の燃料供給量を指令するコントロールユニット２０２からの信号ラインを示す。

以上本発明の好適な実施例について図１で説明したが、本発明の精神は、これらに限定されるものではなく、当業者であれば種々の変形が可能である。

本発明を適用したパラレル方式のハイブリッド型建設機械である油圧ショベルの駆動装置のブロック図である。 建設機械としての一般的な油圧ショベルの概略構成を示す図である。 シリーズ方式のハイブリッド型油圧ショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。 従来のパラレル方式ハイブリッド型建設機械の駆動装置を示す図である。

符号の説明

１００ エンジン
１００Ａ 冷却用ファン
１０２ 駆動軸
１０４ カップリング
１０６ 駆動軸
１０８ メインポンプ
１１０ パイロットポンプ
１１２ 軸
１１４ カップリング
１１６ 駆動軸
１１８ 操作圧油発生部
１１８Ａ 油電変換部
１２０、１３４ 発電機／電動機
１２２、１３２ インバータ回路
１２４、１３０ コンバータ回路
１２６ バッテリ
１２８ キャパシタ
１３６ 減速機
１４０ 旋回台
１５０ 制御弁ユニット
１５２ ブームシリンダ
１５４ アームシリンダ
１５６ バケットシリンダ
１５８ 走行右モータ
１６０ 走行左モータ
２００ 電力変換部
２０２ コントロールユニット
２０４ 相電流検出部

Claims (2)

1. 油圧ショベルの旋回台を回転駆動させる第１の発電機／電動機と少なくともブーム用シリンダ、アーム用シリンダおよびバケット用シリンダ駆動用の各方向切換弁を有する制御弁ユニットと前記第１の発電機／電動機と電力変換部を介して電気的に接続された第２の発電機／電動機とを備え、エンジンからの回転動力を、前記制御弁ユニットへの供給圧油に変換するメインポンプおよび前記第２の発電機／電動機に与えるようにしたパラレル式のハイブリッド型建設機械の駆動装置であって、
   前記エンジンの一側に設けたクランク軸と、
   同クランク軸の延長上にあって前記メインポンプに設けられ同メインポンプの一側から他側に回転力を伝達する駆動軸と、
   前記クランク軸と前記メインポンプの駆動軸の一側とを軸線上において結合する軸継手によるカップリングと、
   前記駆動軸の他側と前記第２の発電機／電動機の一側とを一体に回転するように同軸的に結合する第２のカップリングと、
   を備え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であって、
   前記メインポンプには隣接してパイロットポンプが配置され、同パイロットポンプ用の回転駆動力は前記メインポンプの回転部材から伝達され、
   前記電力変換部は、前記第１の発電機／電動機と電気的に接続された第１インバータ回路および第１コンバータ回路と、前記第２の発電機／電動機と電気的に接続された第２インバータ回路および第２コンバータ回路と、前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路ならびに、前記第２インバータ回路および第２コンバータ回路との間で電力の供給および回生を遂行するように電気的に接続されたキャパシタおよびバッテリを備え、
   前記電力変換部は、前記第１の発電機／電動機および前記第２の発電機／電動機の相電流に応答して前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路ならびに、前記第２インバータ回路および第２コンバータ回路に流れる電流を制御するコントロールユニットを備え、
   前記コントロールユニットは、前記パイロットポンプと油圧的に結合する操作圧油発生部から与えられる旋回台駆動指令圧力を油電変換して得られた電気信号を受け入れ前記第１インバータ回路および第１コンバータ回路を介して前記第１の発電機／電動機の駆動を制御するハイブリッド型建設機械の駆動装置であって、
   エンジンとポンプと発電機／電動機とをその順に直接前記軸継手によるカップリング及び前記第２のカップリングを介して結合するハイブリッド型建設機械の駆動装置。
2. 前記制御弁ユニットには、前記油圧ショベルの左右走行用の油圧モータに圧油を供給する方向切換弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型建設機械の駆動装置。

Images