JP5814662B2 - 油電ハイブリッド駆動装置および建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械における上部旋回体を旋回させる旋回駆動装置及び建設機械に係り、特に油圧モータと電動機を有する油電ハイブリッド型の油電ハイブリッド駆動装置において、制動時に発電する際に発生する油圧モータによる機械的損失を低減することのできる油電ハイブリッド駆動装置及び建設機械に関する。

従来の油圧モータのみを動力源とする建設機械では、旋回部の旋回を停止するブレーキ時、すなわち制動時に油圧モータによる油圧ブレーキを使用する。より詳細には、油圧モータに対する圧油をリリーフ弁によりより制動する。これに対して、油圧モータと電動モータの両者を動力源とする油電ハイブリッド建設機械では、油圧モータと電動モータとが一体となった、油電ハイブリッド駆動装置が用いられる。この油電ハイブリッド駆動装置は、上部旋回体を駆動して旋回させた後に上部旋回体を制動し、この制動時に上部旋回体の慣性エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する。この油電ハイブリッド駆動装置は、回収した電気エネルギーを再利用するために、油圧ブレーキではなく電動機の発電作用によって発生するブレーキ作用を利用して減速させる。更にこの制動工程では、油電ハイブリッド駆動装置内の油圧モータでリリーフ弁による油圧ブレーキが発生しないように、前記油圧モータの出入力ポートを連通させる連通弁を備え、この連通弁を使用することにより油圧モータの出力軸を自由回転できる状態にしている。

従来の油電ハイブリッド駆動装置を図１，２に示す。図１は、並列型の従来の油電ハイブリッド旋回駆動装置１の構成図である。油電ハイブリッド旋回駆動装置１は、油圧モータ２と電動機６を互いに連結する歯車装置４を備える。電動機６は、連結部８を介して歯車装置４と連結される。歯車装置４は、連結部１２を介して減速機１４と連結される。減速機１４の出力が出力軸１８である。油圧モータ２には連通弁１０が連結される。

以上の構成で油電ハイブリッド旋回駆動装置１は、油圧モータ２と電動機６の出力が歯車装置４を介して合成されて減速機１４で減速並びに回転力が増幅され、出力軸１８に出力される。

一方、図２では、油電ハイブリッド旋回駆動装置１９は、連通弁２２と連結される油圧モータ２０は、電動機２４と直列に同軸上に配置して連結される。この電動機２４は、連結部２６，２８を介して減速機３０と連結される。減速機３０の出力は出力軸凹部３２と一体に形成された出力軸３４と連結される。以上の構成で油電ハイブリッド旋回駆動装置１９は、油圧モータ２０と電動機２４との出力を合成し、この出力を減速機３０が減速し、出力軸３４に出力する。

また、特許文献１では、油圧ショベルのブームや旋回台等比較的大きな慣性体の慣性体エネルギーを効果的に回生すると共に、電動・発電機用の蓄電装置に対する補充充電の必要がないハイブリッド型駆動装置を備えた建設機械が提案されている。

特開２００８−２９１５２２号公報

ところで、図１、図２に示される油電ハイブリッド旋回駆動装置１、１９における制動工程では、油圧モータ２、２０や歯車装置４等による機械的損失が発生してエネルギー損失するため、制動時に回収する慣性エネルギーが減少する。特に制動時に連通弁１０、２２を使用することにより油圧モータ２、２０を自由回転できる状態にしているが、油圧モータ２、２０内でシリンダーと、ピストン、弁板等によって摩擦抵抗等が発生することとなる。

本発明は、前記の油電ハイブリッド駆動装置において、制動時に油圧モータによって消費される慣性エネルギーを低減するためになされたもので、油圧モータと電動機を接続・切離する装置を備える油電ハイブリッド駆動装置及び建設機械を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明による油電ハイブリッド駆動装置は、電動モータと油圧モータがその両者の出力を連結して形成する油電ハイブリッド駆動装置において、油圧モータの出力にクラッチを備えることを特徴とする。

この場合、前記電動モータと前記油圧モータとを直列に連結してもよい。また、前記電動モータと前記油圧モータとを並列に連結してもよい。さらに、前記油電ハイブリッド駆動装置の出力を減速機と連結してもよい。加えて、前記油電ハイブリッド駆動装置を建設機械に搭載し、前記建設機械の上部旋回体の回転駆動部として用いることもできる。次いで、前記クラッチを前記上部旋回体の制動時に切離することもできる。

前記目的を達成するための本発明による建設機械は、電動モータと油圧モータがその両者の出力を連結して形成して油圧モータの出力にクラッチを備える油電ハイブリッド駆動装置を搭載する。

また、前記油電ハイブリッド駆動装置を前記建設機械の上部旋回体の回転駆動部として用いてもよい。さらに、前記クラッチを前記上部旋回体の制動時に切離することもできる。

本発明によれば、油圧モータと電動機を接続・切離する装置を備えることで、制動時に油圧モータによって消費される慣性エネルギーを低減することができる。

従来の並列型の油電ハイブリッド駆動装置の構成図である。 従来の直列型の油電ハイブリッド駆動装置の構成図である。 本発明に係る並列型の油電ハイブリッド駆動装置の構成図である。 本発明に係る直列型の油電ハイブリッド駆動装置の構成図である。 本発明に係る直列型の油電ハイブリッド駆動装置を搭載した建設機械の構成図である。 本発明に係る直列型の油電ハイブリッド駆動装置のクラッチ部分の拡大図である。

図３を用いて、本発明に係る可変容量型の油圧ポンプの構成について説明する。

本発明は、可変容量型の油圧ポンプに適用される発明であり、図１と同様の構成については特に言及せず、図１と異なる構成について、図３、４および５を用いて以下に説明する。

図３は、本発明に係る並列型の油電ハイブリッド駆動装置３５の構成図である。

先ず、指示番号３６は油圧パイロットバルブ３６であり、そのパイロット信号通路は、切換弁を含む油圧回路４０と図示せぬＡＤコンバータを含む油電変換回路３８とそれぞれ接続される。油圧回路４０は、油圧モータ２に圧油通路が連通する。一方、油電変換回路３８は、電動機６とクラッチ４２とに連結される。油圧パイロットバルブ３６は、そのジョイスティックの傾きからパイロットバルブ３６のパイロット圧力またはエンコーダ等により検出される。

油圧回路４０は、油圧パイロットバルブ３６によるパイロット信号通路に基づいて切換弁が作動し、図示されない吐出ポンプからの圧油によって、油圧モータ２が作動する。

一方、油電変換回路３８は、パイロット信号を前記ＡＤコンバータによって電気信号に変換する。この電気信号が電動機６を駆動し、一方、他方の電気信号は、クラッチ４２へ連結される。

クラッチ４２は、油圧モータと電動機の出力を歯車機構等の物理的な結合を接続または切離可能である。噛み合いクラッチ、湿式クラッチ、乾式クラッチ、粉体クラッチ、遠心クラッチ、電磁クラッチ、流体クラッチおよび円錐クラッチが使用される。

また、油電変換回路３８は、電動機６と連結する。油電変換回路３８は、その内部に、ＡＤコンバータと、中央演算処理装置と、記憶装置と、ＤＡコンバータを有し、互いに電気的に連結される。この電動機６はレゾルバ等の回転センサが設けられ、回転数と回転方向を検出できるように配置され、その検出結果は中央演算処理装置に送られるように構成される。

このように、構成した上で、記憶装置には、上部旋回体が旋回加速運動する信号データと、定常旋回信号データと、停止信号データと、旋回の制動信号データに対応する信号データが格納される。

次に、油電ハイブリッド駆動装置の動作について説明する。

油圧パイロットバルブ３６により制御されたパイロット油圧は、油電変換回路３８に入力される。その入力された信号と記憶装置に入力されたある特定の制動信号とを比較し、同一である場合は、クラッチ４２を切断する信号が生成される。

ここで、クラッチ４２は減速時のみに切り離し動作をする。従って、減速時以外は、クラッチ４２は切り離し動作をしない。

中央演算処理装置は、予め記憶装置に記憶された条件を元にクラッチ切り離しの判断を行う。第一に、回転しているがジョイスティックが中立状態である場合、第二に回転しているが実回転方向とジョイスティックの指令回転方向が逆である場合、第三に回転している状態であって、ジョイスティックの指令回転方向が回転方向と同一方向であるが、回転数に対してジョイスティックの傾きが浅く、ハーフレバーでゆっくり減速している場合の３点が減速と判断する条件である。

また、従来は制動時に連通弁を使用することにより油圧モータの出力軸を自由回転できる状態にしているが、油圧モータ内で発生するシリンダーとピストン、弁板等による摩擦抵抗等の機械的損失を低減するため、油圧モータ内で、発生するシリンダー、ピストン、弁板等による摩擦抵抗等の機械的損失を低減することとなり、制動時に回収する慣性エネルギーがその分多くなり、油電ハイブリッド旋回駆動装置のエネルギー回生効率を向上する。

続いて図４は、本発明に係る直列型の油電ハイブリッド駆動装置４４の構成図である。図２と異なる点を中心として説明する。

指示番号５０は油圧パイロットバルブ５０であり、そのパイロット信号通路は、切換弁を含む油圧回路５２と図示せぬＡＤコンバータを含む油電変換回路５４とそれぞれ接続される。油圧回路５２は、油圧モータ２０に圧油通路が連通する。一方、油電変換回路５４は、電動機２４とクラッチ４６とに連結される。

油圧回路５２は、油圧パイロットバルブ５０によるパイロット信号通路に基づいて切換弁が作動し、図示されない吐出ポンプからの圧油によって、油圧モータ２０が作動する。

一方、油電変換回路５４は、パイロット信号を前記ＡＤコンバータによって電気信号に変換する。この電気信号が電動機２４を駆動し、一方、他方の電気信号は、クラッチ４６へ連結される。

クラッチ４６は、油圧モータと電動機の出力を歯車機構等の物理的な結合を接続または切離可能である。

また、油電変換回路５４は、電動機２４と連結する。油電変換回路５４は、その内部に、ＡＤコンバータと、中央演算処理装置と、記憶装置と、ＤＡコンバータを有し、互いに電気的に連結される。

次に、油電ハイブリッド駆動装置の動作について説明する。

油圧パイロットバルブ５０が選択されて、パイロット圧油が作動し、油電変換回路５４に入力される。その入力された信号と記憶装置に入力された信号とを比較し、同一である場合は、クラッチ４６を切断する信号が生成される。図６に、図４の拡大図を示す。クラッチカバー４８はクラッチ４６を被覆する。

ここで、クラッチ４６は減速時のみに切り離し動作をする。従って、減速時以外は、クラッチ４６は切り離し動作をしない。

中央演算処理装置は、予め記憶装置に記憶された条件を元にクラッチ切り離しの判断を行う。第一に、回転しているがジョイスティックが中立状態である場合、第二に回転しているが実回転方向とジョイスティックの指令回転方向が逆である場合、第三に回転している状態であって、ジョイスティックの指令回転方向が回転方向と同一方向であるが、回転数に対してジョイスティックの傾きが浅く、ハーフレバーでゆっくり減速している場合の３点が減速と判断する条件である。

また、従来は制動時に連通弁を使用することにより油圧モータの出力軸を自由回転できる状態にしているが、油圧モータ内で発生するシリンダーとピストン、弁板等による摩擦抵抗等の機械的損失を低減するため、油圧モータ内で、発生するシリンダー、ピストン、弁板等による摩擦抵抗等の機械的損失を低減することとなり、制動時に回収する慣性エネルギーがその分多くなり、油電ハイブリッド旋回駆動装置のエネルギー回生効率を向上する。

本発明に係る本発明に係る直列型の油電ハイブリッド駆動装置４４を搭載した建設機械である油電ハイブリッドパワーショベル５６の構成図を図５に示す。油電ハイブリッド駆動装置４４は、上部旋回体５８を駆動するために用いられる。

以上本発明の好適な実施例について図面により説明したが、当業者であれば、上記の図面および説明に基づいて種々の変形をすることが可能であることはもちろんである。

１ 油電ハイブリッド旋回駆動装置
２ 油圧モータ
４ 歯車装置
６ 電動機
８ 連結部
１０ 連通弁
１２ 連結部
１４ 減速機
１８ 出力軸
１９ 油電ハイブリッド旋回駆動装置
２０ 油圧モータ
２２ 連通弁
２４ 電動機
２６、２８ 連結部
３０ 減速機
３２ 出力軸凹部
３４ 出力軸
３５ 油電ハイブリッド駆動装置
３６ 油圧パイロットバルブ
３８ 油電変換回路
４０ 油圧回路
４２ クラッチ
４４ 油電ハイブリッド駆動装置
４６ クラッチ
４８ クラッチカバー
５０ 油圧パイロットバルブ
５２ 油圧回路
５４ 油電変換回路
５６ 油電ハイブリッドパワーショベル
５８ 上部旋回体

Claims (9)

1. 電動モータと油圧モータがその両者の出力を連結して形成する油電ハイブリッド駆動装置であって、
   前記電動モータに設けた回転センサの検出結果は中央演算処理装置に送信され、前記中央演算装置は、記憶装置に格納された定常旋回信号データと、停止信号データと、旋回の制動信号データに対応するデータと、油圧パイロットバルブにより制御されたパイロット油圧が油電変換回路に入力され、その入力された信号と記憶装置に入力されたデータを比較し、旋回減速時のみに切り離し動作を行う信号を生成し、
   前記油圧パイロットバルブのパイロット信号通路は、切換弁を含む油圧回路とＡＤコンバータを含む油電変換回路とそれぞれ接続され、この油圧回路は、油圧モータに圧油通路が連通し、前記油電変換回路は、電動モータとクラッチとに連結され、前記油圧パイロットバルブは、そのジョイスティックの傾きから前記油圧パイロットバルブのパイロット圧力またはエンコーダ等により検出され、
   前記中央演算処理装置は、予め記憶装置に記憶された条件を元に前記クラッチ切り離しの判断を行い、その条件は第一に、回転しているが前記ジョイスティックが中立状態である場合、第二に回転しているが実回転方向と前記ジョイスティックの指令回転方向が逆である場合、第三に回転している状態であって、前記ジョイスティックの指令回転方向が回転方向と同一方向であるが、回転数に対して前記ジョイスティックの傾きが浅く、ハーフレバーでゆっくり減速している場合の３点が減速と判断する条件であることを特徴とする油電ハイブリッド駆動装置。
2. 前記電動モータと前記油圧モータとが直列に連結されることを特徴とする請求項１記載の油電ハイブリッド駆動装置。
3. 前記電動モータと前記油圧モータとが並列に連結されることを特徴とする請求項１記載の油電ハイブリッド駆動装置。
4. 前記油電ハイブリッド駆動装置の出力を減速機と連結することを特徴とする請求項１乃至３に記載の油電ハイブリッド駆動装置。
5. 前記油電ハイブリッド駆動装置を建設機械に搭載し、前記建設機械の上部旋回体の回転駆動部として用いることを特徴とする請求項４記載の油電ハイブリッド駆動装置。
6. 前記クラッチを前記上部旋回体の制動時に切離することを特徴とする請求項５記載の油電ハイブリッド駆動装置。
7. 電動モータと油圧モータがその両者の出力を連結して形成する油電ハイブリッド駆動装置を搭載する建設機械であって、
   前記電動モータに設けた回転センサの検出結果は中央演算処理装置に送信され、前記中央演算装置は、記憶装置に格納された定常旋回信号データと、停止信号データと、旋回の制動信号データに対応するデータと、油圧パイロットバルブにより制御されたパイロット油圧が油電変換回路に入力され、その入力された信号と記憶装置に入力されたデータを比較し、旋回減速時のみに切り離し動作を行う信号を生成し、
   前記油圧パイロットバルブのパイロット信号通路は、切換弁を含む油圧回路とＡＤコンバータを含む油電変換回路とそれぞれ接続され、この油圧回路は、油圧モータに圧油通路が連通し、前記油電変換回路は、電動モータとクラッチとに連結され、前記油圧パイロットバルブは、そのジョイスティックの傾きから前記油圧パイロットバルブのパイロット圧力またはエンコーダ等により検出され、
   前記中央演算処理装置は、予め記憶装置に記憶された条件を元に前記クラッチ切り離しの判断を行い、その条件は第一に、回転しているが前記ジョイスティックが中立状態である場合、第二に回転しているが実回転方向と前記ジョイスティックの指令回転方向が逆である場合、第三に回転している状態であって、前記ジョイスティックの指令回転方向が回転方向と同一方向であるが、回転数に対して前記ジョイスティックの傾きが浅く、ハーフレバーでゆっくり減速している場合の３点が減速と判断する条件であることを特徴とする油電ハイブリッド駆動装置を搭載する建設機械
8. 前記油電ハイブリッド駆動装置を前記建設機械の上部旋回体の回転駆動部として用いることを特徴とする請求項７記載の建設機械。
9. 前記クラッチを前記上部旋回体の制動時に切離することを特徴とする請求項８記載の建設機械。
   

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