JP5476555B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド式建設機械に係わり、特に上部旋回体を油圧モータと電動機で駆動するハイブリッド式建設機械に関する。
従来、建設機械の分野では、出力に対して機器が小型軽量に出来ることから、油圧アクチュエータが広く用いられていた。しかし、近年、エネルギー効率を高めるため、電動アクチュエータを搭載した建設機械が提案され、一部実用化されている。特に、建設機械の上部旋回体を下部走行体に対して旋回駆動するアクチュエータは慣性負荷の大きい回転式のアクチュエータでありかつ使用頻度が高く、起動停止が頻繁なことから上部旋回体を停止させるときのエネルギ回収が見込めるため、旋回用アクチュエータとして電動アクチュエータを用いると、エネルギー効率の改善効果が大きい。
そこで、高効率にエネルギー回収を行える油圧建設機械として、特許文献1〜3に記載のように、上部旋回体を油圧モータと電動機とにより駆動するようにしたものが知られている。
特許第4024120号公報 特開2005−290882号公報 特開2008−63888号公報
特許文献1〜3に記載の技術のように、上部旋回体を油圧モータと電動機とにより駆動することで、上部旋回体の減速或いは停止時に電動機を発電機として機能させてエネルギーを電力として回生し、エネルギー効率を改善することができる。
しかしながら、特許文献1〜3に記載の技術では、電動機の駆動(加速及び減速(制動))に際して電動機のトルクをどのように決定するかの検討のみに終始しており、油圧モータの駆動トルクと電動機の駆動トルクのバランスをどのように決めるかについての検討がなされていない。その結果、上部旋回体を油圧アクチュエータのみで駆動する従来の建設機械に慣れたオペレータには、従来の建設機械と同等の操作感が得られず、違和感を感じてしまう。
本発明の目的は、油圧モータと電動機を併用して上部旋回体を駆動する建設機械において、上部旋回体の減速時或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができるハイブリッド式建設機械を提供することにある。
(1)上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータ、前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプ、前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンク、及び前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁を含む油圧回路装置と、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとの間に位置するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとの間に位置するメータアウト絞りとを有し、かつ前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記ハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、前記旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの減速時に、前記旋回用油圧モータに発生した制動トルクと前記旋回用電動機の制動トルクとの和が、前記メータアウト絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する制動トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御するものとする。
このように構成した本発明においては、旋回用油圧モータと旋回用電動機を併用して上部旋回体を駆動するため、上部旋回体の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができる。また、メータアウト絞りの開口面積特性が、メータアウト絞りの開口面積が、本発明のハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、かつ旋回用油圧モータの減速時に、旋回用油圧モータに発生したた制動トルクと旋回用電動機の制動トルクとの和が、メータアウト絞りの開口面積を当該所定の開口面積としたときに発生する制動トルクと等しくなるように、旋回用電動機のトルクを制御するため、上部旋回体の旋回減速時の制動トルクは上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械の場合の制動トルクと同等となり、上部旋回体の旋回減速時に上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
(2)上記(1)において、好ましくは、前記方向制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されている。
これにより従来の操作装置の操作信号をそのまま方向制御弁に与えることで、方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の操作装置を含む操作系をそのまま適用することができ、操作系を安価に構成することができる。
(3)上記(1)において、前記方向制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正してもよい。
これにより方向制御弁が上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械における方向制御弁と同じであっても、操作信号に対する開口面積特性でみた場合のメータアウト絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の方向制御弁をそのまま適用することができ、方向制御弁を安価に構成することができる。
(4)また、上記(1)において、好ましくは、前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記タンクとの間に位置するブリードオフ絞りを更に有し、かつ前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの加速時に、前記旋回用油圧モータに発生した加速トルクと前記旋回用電動機の加速トルクとの和が、前記ブリードオフ絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する加速トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御する。
これにより上部旋回体の旋回加速時の加速トルクは上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械で得られる加速トルクと同等となり、上部旋回体の旋回加速時に上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
(5)上記(4)において、好ましくは、前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されている。
これにより従来の操作装置の操作信号をそのまま方向制御弁に与えることで、方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の操作装置を含む操作系をそのまま適用することができ、操作系を安価に構成することができる。
(6)上記(4)において、前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正してもよい。
これにより方向制御弁が上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械における方向制御弁と同じであっても、操作信号に対する開口面積特性でみた場合のブリードオフ絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の方向制御弁をそのまま適用することができ、方向制御弁を安価に構成することができる。
(7)また、上記目的を達成するために、本発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータと、前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプと、前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンクと、前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁と、前記油圧ポンプを駆動する原動機と、前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記タンクとの間に位置するブリードオフ絞りと、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとの間に位置するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとの間に位置するメータアウト絞りとを有し、かつ前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記ハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、前記旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定され、前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの加速時に、前記旋回用油圧モータに発生した加速トルクと前記旋回用電動機の加速トルクとの和が、前記ブリードオフ絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する駆動トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御するものとする。
このように構成した本発明においては、旋回用油圧モータと旋回用電動機を併用して上部旋回体を駆動するため、上部旋回体の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができる。また、ブリードオフ絞りの開口面積特性を、ブリードオフ絞りの開口面積が、本発明のハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定され、かつ旋回用油圧モータの加速時に、旋回用油圧モータに発生した加速トルクと旋回用電動機の加速トルクとの和が、ブリードオフ絞りの開口面積を当該所定の開口面積としたときに発生する駆動トルクと等しくなるように、旋回用電動機のトルクを制御するため、上部旋回体の旋回加速時の加速トルクは上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械の場合の加速トルクと同等となり、上部旋回体の旋回加速時に上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
(8)上記(7)において、好ましくは、前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されている。
これにより従来の操作装置の操作信号をそのまま方向制御弁に与えることで、方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の操作装置を含む操作系をそのまま適用することができ、操作系を安価に構成することができる。
(9)上記(7)において、前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正してもよい。
これにより方向制御弁が上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械における方向制御弁と同じであっても、操作信号に対する開口面積特性でみた場合のブリードオフ絞りの開口面積は所定の開口面積より大きな開口面積となるため、従来の方向制御弁をそのまま適用することができ、方向制御弁を安価に構成することができる。
本発明によれば、油圧モータと電動機を併用して上部旋回体を駆動する建設機械において、上部旋回体の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、上部旋回体を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
本発明の第1の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図である。 油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を示す図である。 油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる部分(旋回油圧システム)の詳細を示す図である。 旋回用方向制御弁のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 旋回用方向制御弁のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 図3に示した旋回油圧システムを模式的に表した図である。 コントローラが行う制御機能を示すフローチャートである。 操作装置の操作指令圧(油圧パイロット信号)が最大で、最高旋回速度から操作指令圧0までランプ状に操作指令圧を低減させた場合の旋回制動時における電動機制御の時系列波形である。 操作装置の旋回操作指令圧(油圧パイロット信号)が0で、旋回停止状態から操作指令圧最大までランプ状に操作指令圧を増加させた場合の旋回制動時における電動機制御の時系列波形である。 旋回用方向制御弁のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性の他の例を示す図である。 旋回用方向制御弁のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性の他の例を示す図である。 本発明の第2の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルに搭載される油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる旋回油圧システムの詳細を示す、図3と同様な図である。 旋回用方向制御弁のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 旋回用方向制御弁のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を示す図である。 コントローラの旋回用方向制御弁に対する制御処理内容を示すフローチャートである。 図15のステップS210で行う信号増加補正処理の詳細を示す機能ブロック図である。 図15のステップS220で行う信号減少補正処理の詳細を示す機能ブロック図である。 操作装置の操作信号を増加処理した場合のレバー操作量と旋回用方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積との関係を示す図である。 操作装置の操作信号を減少処理した場合のレバー操作量と旋回用方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積との関係を示す図である。
以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた建設機械全般(作業機械を含む)に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。例えば、本発明は旋回体を備えたクレーン車等、その他の建設機械にも適用可能である。
<第1の実施の形態>
〜油圧ショベルの構成〜
本発明の第1の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルの側面図を図1に示す。
図1において、ハイブリッド式油圧ショベルは下部走行体10と、この下部走行体10上に旋回可能に設けられた上部旋回体20と、ショベル機構30とを備えている。
下部走行体10は、一対のクローラ11a,11b及びクローラフレーム12a,12b(図1では片側のみを示す)、各クローラ11a,11bを独立して駆動制御する一対の右及び左走行用油圧モータ13,14及びその減速機構等で構成されている。
上部旋回体20は、旋回フレーム21と、旋回フレーム21上に設けられた、原動機としてのエンジン22と、エンジン22により駆動される発電機23と、発電機23により発生された電力を蓄えるためのバッテリ24と、発電機23又はバッテリ24からの電力により駆動される旋回用電動機25と、旋回用油圧モータ27を含み、旋回用電動機25と旋回用油圧モータ27の駆動力により下部走行体10に対して上部旋回体20(旋回フレーム21)を旋回駆動させるための旋回機構26等で構成されている。ここで、上部旋回体20は主として旋回用油圧モータ27により駆動され、旋回用電動機25が旋回用油圧モータ27と協調駆動することで、補助的に旋回用電動機25により駆動される。
ショベル機構30は、ブーム31と、ブーム31を駆動するためのブームシリンダ32と、ブーム31の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム33と、アーム33を駆動するためのアームシリンダ34と、アーム33の先端に回転可能に軸支されたバケット35と、バケット35を駆動するためのバケットシリンダ36等で構成されている。
さらに、上部旋回体20の旋回フレーム21上には、上述した走行用油圧モータ13,14、旋回用油圧モータ27、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36等の油圧アクチュエータを駆動するための油圧回路装置40が搭載されている。油圧回路装置40は、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ41(図2)及び各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブユニット42(図2)を含み、油圧ポンプ41はエンジン22によって駆動される。
〜システム構成〜
油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成を図2に示す。図2中、図1と同じ構成要素には図1と同じ符号を付してある。また、図2中、二本線は機械的駆動系統を、太線は電気的駆動系統を、通常太さの実線は油圧駆動系統を示す。図2に示すように、エンジン22の駆動力は油圧ポンプ41に伝達される。コントロールバルブユニット42は、アクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品によって構成される方向制御弁を備え、レバー操作式の旋回用の操作装置52及びその他のそれぞれのレバー操作式の操作装置(図示せず)からの操作信号(操作指令圧力)に応じてそれらの方向制御弁を駆動することで、旋回用油圧モータ27、ブームシリンダ32、アームシリンダ34、バケットシリンダ36及び走行用油圧モータ13,14に供給される圧油の方向と流量を制御する。
バッテリ24からの直流電力はインバータ・コンバータ28により所定の電圧及び周波数のパルス信号に変換され、旋回用電動機25に入力される。また、旋回用電動機25は減速時には発電機特性で使用し、インバータ・コンバータ28は旋回用電動機25により回生された電力を直流に変換してバッテリ24に蓄える。
また、インバータ・コンバータ28は、コントローラ51からの信号により旋回用電動機25の回転速度とトルクを制御する。コントローラ51は、操作装置52の操作信号(操作指令圧力)を検出する圧力センサ53a,53b及び旋回用油圧モータ27のメータイン及びメータアウトの圧力を検出する圧力センサ63a,63bからの検出信号に基づいてインバータ・コンバータ28及びコントロールバルブユニット42へ送る信号を演算し、出力する。
〜旋回油圧システム〜
油圧回路装置40のうち旋回セクションに係わる部分(以下旋回油圧システムという)の詳細を図3に示す。図中、図1及び図2と同じ構成要素には図1及び図2と同じ符号を付してある。
図3において、旋回油圧システムは、前述した油圧ポンプ41及び旋回用油圧モータ27と、旋回用方向制御弁37及びタンクTとを備えている。旋回用方向制御弁37は、旋回用油圧モータ27と油圧ポンプ41とを接続する管路上に配置され、油圧ポンプ41から吐出され旋回用油圧モータ27へ送られる圧油の方向及び流量を制御する。また、旋回用方向制御弁37はオープンセンタタイプであり、上流側が油圧ポンプ41に接続され、下流側がタンクTに接続されたオープンセンタ油路61上に配置されている。旋回用方向制御弁37は、操作装置52からの操作信号に応じてスプール37aが変位することで、絞り(後述)の開口面積が一義的に定まる。他の方向制御弁についても同様である。タンクTは旋回用油圧モータ27及びその他のアクチュエータからの戻り油を受けるとともに、油圧ポンプ41への油の供給源となる。
油圧ポンプ41は可変容量ポンプであり、トルク制御を行うレギュレータ64を備え、レギュレータ64を動作させることで油圧ポンプ41の傾転角が変わって油圧ポンプ41の容量が変わり、油圧ポンプ41の吐出流量が変わる。
操作装置52はパイロット油圧源29からの圧力をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁を内蔵し、レバー操作量に応じた操作指令圧力を操作信号として旋回用方向制御弁37の左右いずれかの圧力室37b,37cに与える。
旋回用方向制御弁37はA,B,Cの3位置を持ち、操作装置52からの操作信号(操作指令圧力)を受けて中立位置BからA位置又はC位置に連続的に切り替わる。また、旋回用方向制御弁37は、オープンセンタ油路61上に位置する(従って油圧ポンプ41とタンクTとの間に位置する)ブリードオフ絞り37BOと、油圧ポンプ41と旋回用油圧モータ27との間に位置するメータイン絞り37MIa,37MIcと、旋回用油圧モータ27とタンクTとの間に位置するメータアウト絞り37MOa,37MOcを有し、ブリードオフ絞り37BOの下流側はオープンセンタ油路61を介してタンクTに接続され、メータイン絞り37MIa,37MIcの下流側及びメータアウト絞り37MOa,37MOcの上流側はアクチュエータライン62a,62bを介して旋回用油圧モータ27の入出力ポートに接続されている。アクチュエータライン62a,62bには圧力センサ63a,63bが設けられ、その検出信号はコントローラ51に送られる(図2)。
旋回用方向制御弁37が中立位置Bにあるときは、油圧ポンプ41から吐出される圧油はブリードオフ絞り37BOを通り、更にオープンセンタ油路61を通ってタンクTへ戻る。旋回用方向制御弁37が操作装置52のレバー操作量に応じた操作指令圧力を受けてA位置に切り替わると、油圧ポンプ41からの圧油はA位置のメータイン絞り37MIaを通って旋回用油圧モータ27の一方のポートに送られ、旋回用油圧モータ27からの戻り油はA位置のメータアウト絞り37MOaを通ってタンクTに戻り、旋回用油圧モータ27は一方向に回転する。逆に、旋回用方向制御弁37が操作装置52のレバー操作量に応じた操作指令圧力を受けてC位置に切り替わると、油圧ポンプ41からの圧油はC位置のメータイン絞り37MIcを通って旋回用油圧モータ27の他方のポートに送られ、旋回用油圧モータ27からの戻り油はC位置のメータアウト絞り37MOcを通ってタンクTに戻り、旋回用油圧モータ27はA位置の場合とは逆方向に回転する。
旋回用方向制御弁37がB位置とA位置の中間に位置しているときは、油圧ポンプ41からの圧油はブリードオフ絞り37BOとメータイン絞り37MIaに分配される。このとき、メータイン絞り37MIaの入側にはブリードオフ絞り37BOの開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回用油圧モータ27に圧油が供給され、その圧力(ブリードオフ絞り37BOの開口面積)に応じた駆動トルク(加速トルク)が与えられる。また、旋回用油圧モータ27からの排出油はそのときのメータアウト絞り37MOaの開口面積に応じた抵抗を受けて背圧が立ち、メータアウト絞り37MOaの開口面積に応じた制動トルクが発生する。B位置とC位置の中間においても同様である。
〜開口面積特性〜
旋回用方向制御弁37のメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図4に示す。図中、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性を実線で示し、電動機を用いない、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積特性を破線で示す。図4に示すように、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積は制御域開始点及び終点は従来のものと同一で、中間域で従来のものに比べて開き勝手(大きな開口面積となるよう)に設計されている。すなわち、旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械(油圧ショベル)に設定される所定の開口面積(図4の破線)より大きな開口面積になるように設定されている。
旋回用方向制御弁37のメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図5に示す。図中、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積特性を実線で示し、電動機を用いない、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積特性を破線で示す。また、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のメータイン絞り37MIa,37MIc及び従来の旋回用方向制御弁のメータイン絞りの開口面積特性を一点鎖線で示す。図5に示すように、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積特性は、制御域開始点及び終点は従来のものと同一で、中間域で従来のものに比べ開き勝手(大きな開口面積となるよう)に設計されている。すなわち、旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積特性は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積(図5の破線)より大きな開口面積になるように設定されている。メータイン絞りの開口面積特性は、本実施の形態のものも従来のものも同じである。
〜制御原理〜
次に、コントローラ51が行う処理機能について説明する。
まず、コントローラ51の制御原理を説明する。
上述したように、本実施の形態においては、旋回用方向制御弁37のメータアウト絞りの開口面積特性を、旋回用方向制御弁37のメータアウト絞りの開口面積が、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁37の所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定しているため、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動した場合は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する従来の油圧ショベルに比べて、制動トルクが減少する。
また、旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞りの開口面積特性を、旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞りの開口面積が、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁37の所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定しているため、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動した場合は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する従来の油圧ショベルに比べて、加速トルクが減少する。
そこで、旋回用油圧モータ27の減速時に、旋回用電動機25の出力トルクで、メータアウト絞りの開口面積の増加に対応する旋回用油圧モータ27の制動トルクの減少分を補うように制御すれば、旋回用油圧モータ27に発生した制動トルクと旋回用電動機25の制動トルクとの和が、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する従来の油圧ショベルの制動トルク(メータアウト絞りの開口面積を上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁37の所定の開口面積としたときに発生する制動トルク)と等しくなる。
同様に、旋回用油圧モータ27の加速時に、旋回用電動機25の出力トルクで、ブリードオフ絞りの開口面積の増加に対応する旋回用油圧モータ27の加速トルクの減少分を補うように制御すれば、旋回用油圧モータ27に発生した加速トルクと旋回用電動機25の加速トルクとの和が、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する従来の油圧ショベルの加速トルク(ブリードオフ絞りの開口面積を上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁37の所定の開口面積としたときに発生する加速トルク)と等しくなる。
コントローラ51は、このような考えに基づき、旋回用電動機25の出力トルクを制御するものである。
以下に制御方法の一例を説明する。
図6は図3に示した旋回油圧システムを模式的に表した図である。図中、Optはブリードオフ絞り37BOであり、Opaはメータイン絞り37MIa,37MIcであり、
Oatはメータアウト絞り37MOa,37MOcである。
従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるメータアウト絞りの開口面積(図4の破線)をAat0とし、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるブリードオフ開口面積(図5の破線)をApt0とし、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるメータイン絞りの開口面積(図5の一点鎖線)をApcとする。本実施の形態における旋回用方向制御弁37のメータアウト絞りOatの開口面積をAatとし、ブリードオフ絞りOptの開口面積をAptとすると、上述したように、Aat>Aat0、Apt>Apt0である。また、本実施の形態における旋回用方向制御弁37のメータイン絞りOpaの開口面積は、従来と同じApcである。
(a)従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるメータアウト絞りの開口面積Aat0を適用して旋回用油圧モータ27を制御した場合のメータアウト圧(旋回用油圧モータ27の出側の排出圧力)Pmo0を次のようにして求める。
メータアウト絞りを通過する流量を旋回用油圧モータ27の押し退け容積と回転数から求めた流量Q3とする。また、一般に、オリフィスの式は次のように表される。
Q=CA√(ΔP)・・・・(1)
Q:オリフィスの通過流量
C:流量係数
A:オリフィスの開口面積
ΔP:オリフィスの前後差圧
このオリフィスの式に開口面積Aat0と流量Q3を代入することで、開口面積Aat0のメータアウト絞りの前後差圧ΔPatが求められる。このとき、メータアウト絞りの下流圧はタンク圧で一定とすると、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるメータアウト開口面積Aat0を適用した場合のメータアウト圧Pmo0を導くことができる。
(b)また、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるブリードオフ絞りの開口面積Apt0、メータイン絞りの開口面積Apcを適用して旋回用油圧モータ27を制御した場合のメータイン圧(旋回用油圧モータ27の入側の供給圧力)Pmi0を次のようにして求める。
まず、油圧ポンプ41の吐出圧P1を求める。これは次のようにして求める。旋回用油圧モータ27を通過する流量Q3は既に求められている。油圧ポンプ41の吐出流量Q1は操作装置52のレバー操作量(操作信号)と油圧ポンプ41のレギュレータ64の特性とから求めることができる。旋回用油圧モータ27を通過する流量Q3とポンプ吐出流量Q1を下記の式(2)に代入し、ブリードオフ絞りOptの通過流量Q2が求められる。
Q2=Q1−Q3・・・・(2)
オリフィスの式(1)に流量Q2と従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるブリードオフ絞りの開口面積Apt0を代入することで、開口面積Apt0のブリードオフ絞りの前後差圧ΔPptが求められる。このとき、ブリードオフ絞りの下流圧はタンク圧で一定とすると、ポンプ吐出圧P1を導くことができる。
次に、メータイン絞りの通過流量は旋回用油圧モータ27を通過する流量Q3であるので、オリフィスの式(1)にメータイン絞りの通過流量Q3とポンプ吐出圧P1およびメータイン開口面積Apcを代入することで、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるブリードオフ絞りの開口面積Apt0を適用した場合のメータイン圧Pmi0を導くことができる。
(c)以上のようにして求めたメータアウト圧Pmo0とメータイン圧Pmi0を用い、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を有する場合の旋回油圧トルクTid1を次の式から求める。
Tid1=ηq(Pmi0−Pmo0)・・・・(3)
(d)一方、図6に示した本実施の形態における旋回油圧システムの旋回油圧トルクTre1は、実測したメータイン圧Pmi及びメータアウト圧Pmoを用いて次の式から求まる。
Tre1=ηq(Pmi−Pmo)・・・・(4)
(e)従来型の油圧ショベルにおいて旋回用方向制御弁が油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を有する場合の旋回油圧トルクと同じ旋回トルクを確保するためには、式(3)で求めた旋回油圧トルクTid1と式(4)で求めた旋回油圧トルクTre1の差分である、
Tmot=Tid1−Tre1・・・・(5)
を旋回用電動機25の出力トルクとして与えればよい。
〜コントローラの処理機能〜
次に、以上のような制御を行うコントローラ51の処理機能を図7を用いて説明する。図7は、コントローラ51が行う処理機能を示すフローチャートである。
コントローラ51においては、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できるメータアウト絞りの開口面積Aat0の特性(図4の破線)、ブリードオフ開口面積Apt0の特性(図5の破線)及びメータイン絞りの開口面積Apcの特性(図5の一点鎖線)と、レギュレータ64の特性が予めメモリに記憶してある。
まず、コントローラ51は、上記(a)〜(c)で説明したような手順で、旋回用方向制御弁が油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を有する場合の旋回油圧トルクTid1を算出する(ステップS100)。
ここで、コントローラ51は、上記(a)において、操作装置52からの操作信号(操作指令圧力)を検出する圧力センサ53a又は53bの検出信号(以下、便宜上操作信号という)を旋回用方向制御弁37のスプールストロークに変換し、このスプールストロークをメモリに記憶したメータアウト絞りの開口面積Aat0の特性(図4の破線)に参照してそのときのメータアウト絞りの開口面積Aat0を算出する。また、コントローラ51は、旋回用電動機25から旋回用油圧モータ27の回転数の情報を入力し、旋回用油圧モータ27の押し退け容積(既知の値)とその旋回用油圧モータ27の回転数を用いて流量Q3を算出する。そして、オリフィスの式(1)から開口面積Aat0のメータアウト絞りの前後差圧ΔPatを算出し、メータアウト圧Pmo0を求める。
また、上記(b)において、コントローラ51は、操作装置52からの操作信号とメモリに記憶した油圧ポンプ41のレギュレータ64の特性とから油圧ポンプ41の吐出流量Q1を求め、上記の式(2)からブリードオフ絞りOptの通過流量Q2を求める。更に、コントローラ51は、操作装置52からの操作信号から求めた旋回用方向制御弁37のスプールストロークをメモリに記憶したブリードオフ開口面積Apt0の特性(図5の破線)に参照してそのときのブリードオフ開口面積Apt0を算出し、オリフィスの式(1)から開口面積Apt0のブリードオフ絞りの前後差圧ΔPptを算出し、ポンプ吐出圧P1を求める。更に、コントローラ51は、操作装置52からの操作信号から求めた旋回用方向制御弁37のスプールストロークをメモリに記憶したメータイン絞りの開口面積Apcの特性(図5の一点鎖線)に参照してそのときのメータイン絞りの開口面積Apcを算出し、オリフィスの式(1)からメータイン圧Pmi0を算出する。
次に、コントローラ51は、上記(c)において、式(3)から旋回油圧トルクTid1を算出する。
次に、コントローラ51は、上記(d)で説明したように、実測したメータイン圧Pmi及びメータアウト圧Pmoを用いて本実施の形態における旋回油圧システムの旋回油圧トルクTre1を算出する(ステップS110)。ここで、コントローラ51は、圧力センサ63a,63bからメータイン圧Pmi及びメータアウト圧Pmoの実測値の情報を入力し、この情報を用いて旋回油圧トルクTre1を算出する。
次に、コントローラ51は、上記(e)で説明したように、旋回油圧トルクTid1と旋回油圧トルクTre1の差分ΔT=Tid1−Tre1を求め(ステップS120)、この差分のトルク偏差ΔTが得られるよう旋回用電動機25の出力トルクを制御する(ステップS130)。
なお、上記の例では、コントローラ51のメモリに図4及び図5に示すようなスプールストロークに対する開口面積特性を記憶し、この開口面積特性を用いてメータアウト絞りの開口面積Aat0、ブリードオフ開口面積Apt0及びメータイン絞りの開口面積Apcを算出したが、図4及び図5の横軸にかっこ書きで示すように、レバー操作量(操作信号)に対する開口面積特性を記憶し、操作装置52の操作信号から直接、メータアウト絞りの開口面積Aat0、ブリードオフ開口面積Apt0及びメータイン絞りの開口面積Apcを算出してもよい。なお、操作信号とレバー操作量は概ね直線比例関係にあり、両者は同等と見なすことができる。
また、旋回用電動機25の出力トルクの制御は、簡易的に行ってもよい。例えば、旋回用電動機25の出力トルク(制動トルク及び加速トルク)を操作装置52が出力する操作指令圧力(操作信号)の関数として予め決めてコントローラ51に設定しておき、この関数にそのときの操作指令圧力を参照して目標トルクを求め、この目標トルクが得られるよう旋回用電動機25を制御する。このとき、油圧ショベルの代表的な旋回作業において、旋回用油圧モータ27に発生した出力トルクと旋回用電動機25の出力トルクとの和が、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する従来の建設機械(油圧ショベル)における旋回用油圧モータの出力トルクと等しくなるように、操作指令圧力(操作信号)と旋回用電動機25の出力トルクの関数を設定しておけばよい。
〜制御の時系列波形〜
旋回用の操作装置52を操作して旋回用電動機25を制御した場合の時系列波形を図8及び図9に示す。図8は、操作装置52の操作指令圧力が最大で、最高旋回速度から時間T=T5〜T8で操作指令圧力0までランプ状に操作指令圧力を低減させた場合の旋回制動時における電動機制御の時系列波形である。図9は、操作装置52の操作指令圧力が0で、旋回停止状態から時間T=T1〜T3で操作指令圧力最大までランプ状に操作指令圧力を増加させた場合の旋回制動時における電動機制御の時系列波形である。
図8において、操作装置52の操作指令圧力最大、最高旋回速度から時間T=T5〜T8で操作指令圧力0までランプ状に操作指令圧力を低減させたとき、旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積が従来のものに比べて開き勝手に設計されている分、旋回用油圧モータ27のメータアウト圧(M/0圧)は本実施の形態の方が低くなる(破線)。メータアウト圧の違いはすなわち制動トルクの違いに相当するので、旋回用油圧モータ27のトルクは従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を適用した場合より本実施の形態の方が、絶対値が小さくなる。この油圧モータトルクの差分だけ、制動トルクを電動機25により付与する必要がある。図8では回生側のアシストトルクを負としている。上述したように本実施の形態では、電動機25のアシストトルクと旋回用方向制御弁37によって発生するメータアウト圧に由来する制動トルクの合計値は従来型の油圧ショベルで発生する制動トルクと概等しくなるように制御されるので、上部旋回体20の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の減速フィーリングを有することが可能となる。
図9において、操作装置52の旋回操作指令圧力0、旋回停止状態から時間T=T1〜T3で操作指令圧力最大までランプ状に操作指令圧力を増加させたとき、旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積が従来のものに比べて開き勝手に設計されている分、旋回用油圧モータ27のメータイン圧(M/I圧)は本実施の形態の方が低くなる。メータイン圧の違いはすなわち加速トルクの違いに相当するので、旋回用油圧モータ27のトルクは、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を適用した場合より本実施の形態の方が、絶対値が小さくなる。この油圧モータトルクの差分だけ、加速トルクを電動機25により付与する必要がある。図9では力行側のアシストトルクを正としている。上述したように本実施の形態では、電動機25のアシストトルクと旋回用方向制御弁37によって発生するメータイン圧に由来する加速トルクの合計値は、従来型の油圧ショベルで発生する加速トルクと概等しくなるように制御されるので、上部旋回体20の旋回速度は従来型の油圧ショベル同等の加速フィーリングを有することが可能となる。
〜効果〜
以上のように構成した本実施の形態によれば、旋回用油圧モータ27と旋回用電動機25を併用して上部旋回体20を駆動するため、旋回用電動機25により上部旋回体20の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができる。
また、旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積特性が、メータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積が上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、かつ旋回用油圧モータ27の減速時に、旋回用油圧モータ27に発生した制動トルクと旋回用電動機25の制動トルクとの和が、上記所定の開口面積としたときに発生する制動トルクと等しくなり、かつ回用油圧モータ27の加速時に、旋回用油圧モータ27に発生した加速トルクと旋回用電動機25の加速トルクとの和が、上記所定の開口面積としたときに発生する加速トルクと等しくなるように、旋回用電動機25のトルクを制御するため、上部旋回体20の旋回減速時の制動トルク及び旋回加速時の加速トルクは、それぞれ、上部旋回体20を油圧モータのみで駆動する建設機械の場合の制動トルク及び加速トルクと同等となり、上部旋回体20の旋回減速時及び加速時に上部旋回体20を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
また、方向制御弁37のメータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積特性を、方向制御弁37のストロークに対する開口面積特性において、メータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積が上記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定したため、図3に示すように、操作装置52の操作信号をそのまま方向制御弁37に与えることで、方向制御弁37のメータアウト絞りの開口面積は上記所定の開口面積より大きな開口面積となるため、操作装置52を含む操作系として、従来の操作装置を含む操作系をそのまま適用することができ、操作系を安価に構成することができる。
<変形例>
本発明におけるメータアウト絞りの開口面積特性、ブリードオフ絞りの開口面積特性は、図4及び図5のような特性に限らず、図10及び図11に示すように中間域のみを開くような特性としてもよく、このように変形しても発明の効果は変わらない。言い換えれば、メータアウト絞りの開口面積及びブリードオフ絞りの開口面積は本発明の意図を外れない範囲で自由に設定することが可能である。
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態によるハイブリッド式油圧ショベルを図12〜図19を用いて説明する。
〜システム構成〜
図12は、本実施の形態におけるハイブリッド式油圧ショベルに搭載される油圧回路装置のうち旋回セクションに係わる旋回油圧システムの詳細を示す、図3と同様な図である。図中、図1〜図3と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
図12において、本実施の形態の旋回油圧システムは、旋回用方向制御弁37Aの圧力室37b,37cに与える旋回操作指令圧力を発生させるための電磁比例減圧弁71,72を備え、操作装置52Aは操作信号として電気信号を出力するレバー操作式の操作装置である。コントローラ51Aは、レバー操作式の操作装置52Aからの操作信号(電気信号)を受けて、対応する制御信号(電気信号)を電磁比例減圧弁71,72に出力する。
〜開口面積特性〜
旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図13に示し、旋回用方向制御弁37Aのメータイン絞り及びブリードオフ絞りのスプールストロークに対する開口面積特性を図14に示す。
本実施の形態においては、旋回用方向制御弁37Aとして、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる開口面積を有する旋回用方向制御弁を用いるものであり、その結果、旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性は、図4に破線で示した、従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積特性と同じであり、旋回用方向制御弁37Aのブリードオフ絞り37BOの開口面積特性も、図5に破線で示した,従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積特性と同じである。すなわち、旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積(図4の破線)と同じ開口面積になるように設定され、旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積特性は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積(図5の破線)と同じ開口面積になるように設定されている。メータイン絞りの開口面積特性は、第1の実施の形態の場合と同様、本実施の形態のものも従来のものも同じである。
〜制御の概要〜
次に、コントローラ51Aが行う制御について説明する。
コントローラ51Aは、第1の実施の形態と同様の電動機25のトルク制御を行う。また、コントローラ51Aは、操作装置52Aのレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37Aの開口面積特性が、第1の実施の形態における操作装置52のレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37メータアウト絞り37MOa,37MOc及びブリードオフ絞り37BOの開口面積特性とほぼ同じになるように制御する。言い換えれば、コントローラ51Aは、旋回用方向制御弁37Aの開口面積特性を操作装置52Aのレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合に、メータアウト絞り37MOa,37MOc及びブリードオフ絞り37BOの開口面積が従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のメータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積(上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積)より大きくなるように、操作装置52Aの操作信号を補正する。
〜コントローラの処理機能〜
図15は、コントローラ51Aの旋回用方向制御弁37Aに対する処理機能の詳細を示すフローチャートである。
コントローラ51Aは、圧力センサ63a,63bからメータイン圧Pmi及びメータアウト圧Pmoの実測値の情報を入力し、メータイン圧Pmiがメータアウト圧Pmoより高いがどうかを判定する(ステップS200)。メータイン圧Pmiがメータアウト圧Pmoより高くない場合は、旋回用油圧モータ27の制動時(減速時)であり、メータイン圧Pmiがメータアウト圧Pmoより高い場合は、旋回用油圧モータ27の加速時(駆動時)である。そして、メータイン圧Pmiがメータアウト圧Pmoより高くない場合(旋回用油圧モータ27の制動時)は、操作装置52Aから入力した操作信号の増加補正制御を行い(ステップS210)、メータイン圧Pmiがメータアウト圧Pmoより高い場合(旋回用油圧モータ27の加速時)は、操作装置52Aから入力した操作信号の減少補正制御を行う(ステップS220)。
図16は、ステップS210で行う信号増加補正制御の詳細を示す機能ブロック図である。コントローラ51Aは、その信号増加補正制御機能として、増加率演算部400、補正操作信号演算部410、スプールストローク演算部420、目標パイロット圧演算部430、目標電流演算部440、出力部450を有している。
増加率演算部400は、操作装置52Aの操作信号Xを入力し、予め定めた操作信号Xと増加率α(1以上の数値)との関数関係を設定したテーブルを参照して、操作信号Xを増加補正制御するための増加率αを演算する。操作信号Xと増加率αとの関数関係は、操作装置52Aのレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性が、第1の実施の形態における操作装置52のレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積特性とほぼ同じになるように(旋回用方向制御弁37Aの開口面積特性を操作装置52Aのレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合に、メータアウト絞り37MOa,37MOcの開口面積が従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積より大きくなるように)設定されている。
補正操作信号演算部410は、操作装置52Aの操作信号Xに増加率αを乗じて補正操作信号Xaを演算する。
スプールストローク演算部420は、補正操作信号演算部410で演算した補正操作信号XaをスプールストロークSに変換し、目標パイロット圧演算部430はそのスプールストロークSを目標パイロット圧に変換し、目標電流演算部440はその目標パイロット圧を電磁比例減圧弁71又は72を駆動するための目標電流に変換し、出力部450は,その目標電流を増幅して電磁比例減圧弁71又は72に出力する。これらのスプールストローク演算部420以後の処理は、従来の電気信号を出力する操作装置を備えたシステムにおけるコントローラの処理内容と同じである。
図17は、ステップS220で行う信号減少補正制御の詳細を示す機能ブロック図である。コントローラ51Aは、その信号減少補正制御機能として、減少率演算部500、補正操作信号演算部510、スプールストローク演算部520、目標パイロット圧演算部530、目標電流演算部540、出力部550を有している。
減少率演算部500は、操作装置52Aの操作信号Xを入力し、この操作信号Xを、予め定めた操作信号Xと減少率β(1以下の数値)との関数関係を設定したテーブルに参照して、操作信号Xを減少補正制御するための減少率βを演算する。操作信号Xと減少率βとの関数関係は、操作装置52Aのレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37Aのブリードオフ絞り37BOの開口面積特性が、第1の実施の形態における操作装置52のレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37のブリードオフ絞り37BOの開口面積特性とほぼ同じになるように(旋回用方向制御弁37Aの開口面積特性を操作装置52Aのレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合に、ブリードオフ絞り37BOの開口面積が従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のブリードオフ絞りの開口面積より大きくなるように)設定されている。
補正操作信号演算部510は、操作装置52Aの操作信号Xに減少率βを乗じて補正操作信号Xbを演算する。
スプールストローク演算部520は、補正操作信号演算部510で演算した補正操作信号XbをスプールストロークSに変換し、目標パイロット圧演算部530はそのスプールストロークSを目標パイロット圧に変換し、目標電流演算部540はその目標パイロット圧を電磁比例減圧弁71又は72を駆動するための目標電流に変換し、出力部550は,その目標電流を増幅して電磁比例減圧弁71又は72に出力する。これらのスプールストローク演算部520以後の処理は、従来の電気信号を出力する操作装置を備えたシステムにおけるコントローラの処理内容と同じである。
図18及び図19は、上記のように操作装置52Aの操作信号を増加補正制御及び減少補正制御した場合のレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞り37MOa,37MOc及びブリードオフ絞り37BOの開口面積の関係を示す図である。図中、実線は操作信号を増加補正制御及び減少補正制御した場合のものであり、破線は操作信号を増加補正制御及び減少補正制御しなかった場合のものである。この図から分かるように、操作装置52Aのレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37Aのメータアウト絞り37MOa,37MOc(図18)及びブリードオフ絞り37BO(図19)の開口面積特性が、第1の実施の形態における操作装置52のレバー操作量に対する旋回用方向制御弁37のメータアウト絞り37MOa,37MOc及びブリードオフ絞り37BOの開口面積特性とほぼ同じになるように(旋回用方向制御弁37Aの開口面積特性を操作装置52Aのレバー操作量に対する開口面積特性でみた場合、メータアウト絞り37MOa,37MOc及びブリードオフ絞り37BOの開口面積が従来型の油圧ショベルにおいて油圧単独駆動で良好な操作性を確保できる旋回用方向制御弁のメータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積より大きくなるように)操作信号が補正される。
したがって、本実施の形態によっても、第1の実施の形態と同様、旋回用電動機25で上部旋回体の減速或いは停止時のエネルギを電力として回生し、駆動時にアシストすることができるとともに、上部旋回体20を油圧モータのみで駆動する建設機械と同等の良好な操作感を確保することができる。
また、本実施の形態によれば、方向制御弁37Aが上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁と同じであっても、操作信号に対する開口面積特性において、方向制御弁のメータアウト絞り及びブリードオフ絞りの開口面積は、上部旋回体20を旋回用油圧モータ27のみで駆動する建設機械における方向制御弁37の所定の開口面積より大きな開口面積となるように操作信号が補正されるため、方向制御弁37Aとしては、従来の方向制御弁をそのまま適用することができ、方向制御弁を安価に構成することができる。
10 下部走行体
11a,11b クローラ
12a,12b クローラフレーム
13 右走行用油圧モータ
14 左走行用油圧モータ
20 上部旋回体
21 旋回フレーム
22 エンジン
23 発電機
24 バッテリ
25 旋回用電動機
26 旋回機構
27 旋回用油圧モータ
28 旋回用インバータ
29 油圧パイロット油圧源
30 ショベル機構
31 ブーム
32 ブームシリンダ
33 アーム
34 アームシリンダ
35 バケット
36 バケットシリンダ
37 旋回用方向制御弁
40 油圧回路装置
41 油圧ポンプ
42 コントロールバルブユニット
51 コントローラ
52 操作装置
53a,53b 圧力センサ
61 オープンセンタ油路
62a,62b アクチュエータライン
63a,63b 圧力センサ
64 レギュレータ
37A 旋回用方向制御弁
51A コントローラ
52A 操作装置
71 電磁比例減圧弁
72 電磁比例減圧弁
400 増加率演算部
410 補正操作信号演算部
420 スプールストローク演算部
430 目標パイロット圧演算部
440 目標電流演算部
450 出力部
500 減少率演算部
510 減圧制御信号演算部
520 スプールストローク演算部
530 目標パイロット圧演算部
540 目標電流演算部
550 出力部
37BO ブリードオフ絞り
37MIa,37MIc メータイン絞り
37MOa,37MOc メータアウト絞り

Claims (9)

  1. 下部走行体と、
    この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、
    この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータ、前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプ、前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンク、及び前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁を含む油圧回路装置と、
    前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
    前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、
    前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、
    前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、
    前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとの間に位置するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとの間に位置するメータアウト絞りとを有し、かつ前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記ハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、前記旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、
    前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの減速時に、前記旋回用油圧モータに発生した制動トルクと前記旋回用電動機の制動トルクとの和が、前記メータアウト絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する制動トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  2. 前記方向制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されていることを特徴とする請求項1記載のハイブリッド式建設機械。
  3. 前記方向制御弁の前記メータアウト絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、
    前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正することを特徴とする請求項1記載のハイブリッド式建設機械。
  4. 前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記タンクとの間に位置するブリードオフ絞りを更に有し、かつ前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記上部旋回体を前記旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積となるように設定され、
    前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの加速時に、前記旋回用油圧モータに発生した加速トルクと前記旋回用電動機の加速トルクとの和が、前記ブリードオフ絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する加速トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御することを特徴とする請求項1記載のハイブリッド式建設機械。
  5. 前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されていることを特徴とする請求項4記載のハイブリッド式建設機械。
  6. 前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、
    前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正することを特徴とする請求項4記載のハイブリッド式建設機械。
  7. 下部走行体と、
    この下部走行体上に旋回可能に設けた上部旋回体と、
    この上部旋回体を旋回駆動する旋回用油圧モータと、
    前記旋回用油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプと、
    前記旋回用油圧モータからの戻り油を受け、かつ前記油圧ポンプへの油の供給源となるタンクと、
    前記旋回用油圧モータと前記油圧ポンプとを接続する管路上に配置され、前記油圧ポンプから吐出され前記旋回用油圧モータへ送られる圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁と、
    前記油圧ポンプを駆動する原動機と、
    前記旋回用油圧モータと併用して前記上部旋回体を駆動しかつ減速時に発電機として機能する旋回用電動機と、
    前記旋回用電動機と電気エネルギの授受を行う蓄電装置と、
    前記旋回用電動機の動作を制御する制御装置とを備えるハイブリッド式建設機械において、
    前記方向制御弁は、前記油圧ポンプと前記タンクとの間に位置するブリードオフ絞りと、前記油圧ポンプと前記旋回用油圧モータとの間に位置するメータイン絞りと、前記旋回用油圧モータと前記タンクとの間に位置するメータアウト絞りとを有し、かつ前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記ハイブリッド式建設機械とは別の建設機械であって、前記旋回用電動機を有しておらず、上部旋回体を旋回用油圧モータのみで駆動する建設機械に設定される所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定され、
    前記制御装置は、前記旋回用油圧モータの加速時に、前記旋回用油圧モータに発生した加速トルクと前記旋回用電動機の加速トルクとの和が、前記ブリードオフ絞りを前記所定の開口面積としたときに発生する駆動トルクと等しくなるように、前記旋回用電動機のトルクを制御することを特徴とするハイブリッド式建設機械。
  8. 前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積になるように設定されていることを特徴とする請求項7記載のハイブリッド式建設機械。
  9. 前記方向制御弁の前記ブリードオフ絞りの開口面積特性は、前記方向制御弁のストロークに対する開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積と同じ開口面積になるように設定され、
    前記油圧建設機械は、前記方向制御弁を駆動するための操作信号を出力する操作装置を更に備え、
    前記制御装置は、前記操作信号に対する前記方向制御弁の開口面積特性でみた場合の開口面積が前記所定の開口面積より大きな開口面積となるように前記操作信号を補正することを特徴とする請求項7記載のハイブリッド式建設機械。
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