JP6038617B2 - 建設機械の旋回駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は建設機械の旋回機構を駆動する旋回駆動装置に関する。

一般的に、掘削作業等を行なうショベルには旋回体が設けられ、掘削作業を行なうためのブーム、アーム及びバケットが旋回体に設けられる。旋回体を旋回させることで、バケットをショベルの周囲の任意の位置に移動する。旋回体を旋回させるための旋回駆動装置の駆動源として電動モータを用いることがある。旋回用電動モータで旋回体を旋回駆動することを電動旋回と称する。

旋回用電動モータの出力軸は、旋回減速機を介して旋回機構の入力軸に接続される。旋回用電動モータとしては、小型で高出力とするために高回転数の電動モータが用いられるので、旋回減速機としては大きな減速比を有する遊星歯車機構が用いられることが多い。

また、旋回用電動モータを駆動しないときには旋回用電動モータは自由に回転できる状態にあるので、旋回体に機械的にブレーキをかけて固定しておく必要がある。このため、旋回減速機の出力軸に機械的にブレーキをかけるブレーキ装置（メカニカルブレーキと称する）が旋回減速機の近傍に設けられる場合が多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１４０５号公報

例えば、特許文献１に開示された旋回減速機とメカニカルブレーキとが組み込まれた旋回駆動装置では、ブレーキディスクにブレーキピストンを押し付けることでブレーキ力を発生させる。ブレーキピストンを押し付ける力は、ブレーキピストンの上方に配置されたコイルバネにより発生させる。コイルバネは、旋回駆動用モータのフランジ部に旋回減速機ユニットを組み付けて一体とする際に、圧縮された状態で旋回減速機ユニットの中に組み込まれる。具体的には、複数のコイルバネを押えるためのバネ押えが旋回駆動用モータ側に設けられる。旋回減速機ユニットから一部が突出したコイルバネをバネ押えで押して圧縮しながら、旋回減速機ユニットを旋回駆動用モータのフランジに組み付けることで、旋回減速機ユニットと旋回駆動用モータが一体化されて旋回駆動装置として単一のユニットとなる。

上述のように、旋回減速機ユニットのコイルバネを旋回駆動用モータのフランジの内部に設けられたバネ押えで押圧する構成では、旋回減速機ユニットを旋回駆動用モータから外すと、複数のコイルバネが旋回減速機ユニットから飛び出し外れてしまうおそれがある。 また、旋回減速機ユニットを単品で扱っているときには、コイルバネを組み込んだ状態でコイルバネが外れて落ちないようコイルバネが突出した側を常に上に向けておかなければならず、旋回減速機ユニットの取り扱いが面倒である。

さらに、複数のコイルバネの突出した部分を旋回駆動用モータのフランジの内部に設けられたバネ押えに対して位置決めし、旋回減速機ユニットの上側に旋回駆動用モータを配置した状態を保持しなければならない。この際、重量のある旋回駆動用モータを所定の位置に保持しながらコイルバネのバネ力に逆らって旋回減速機ユニットをボルト止めする作業は、煩雑であり面倒な作業である。

また、旋回駆動用モータのフランジ内にバネ押えを設けるために、フランジの形状が複雑となり、旋回駆動用モータの製造コストが上昇してしまう。

本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、ブレーキ用のコイルバネが組み込まれた旋回減速機ユニットを、簡単に旋回駆動用モータに取り付けることのできる旋回駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、旋回用電動機の回転駆動力を、減速機を介して旋回体に伝達する建設機械の旋回駆動装置であって、前記旋回用電動機を含む電動機ユニットと、前記減速機及びブレーキ部材を含む減速機ユニットと、一端が前記ブレーキ部材に当接して、前記ブレーキ部材に対して押圧力を印加する複数のバネ部材と、前記バネ部材における前記一端の反対端に当接して、前記ブレーキ部材との間で前記バネ部材を押圧する押え部材と、を有し、前記押え部材は、前記減速機ユニットのギヤケースとは別に設けられると共に、その全体が前記電動機ユニットと前記減速機ユニットとの合わせ面よりも前記減速機ユニット側に含まれる態様で前記減速機ユニットに収容されて、前記減速機ユニットの構成部品に対して固定される建設機械の旋回駆動装置が提供される。
また、本発明の他の実施形態によれば、旋回用電動機の回転駆動力を、減速機を介して旋回体に伝達する建設機械の旋回駆動装置であって、前記旋回用電動機を含む電動機ユニットと、固定されたギヤケースの内面に形成された内歯歯車と、該内歯歯車に噛合う遊星歯車と、該遊星歯車に噛合う太陽歯車を含んで構成される前記減速機及びブレーキ部材を含む減速機ユニットと、前記ギヤケースに形成された凹部内に配置され、一端が前記ブレーキ部材に当接して、前記ブレーキ部材に対して押圧力を印加する複数のバネ部材と、前記バネ部材における前記一端の反対端に当接して、前記ブレーキ部材との間で前記バネ部材を押圧する押え部材と、を有し、前記押え部材は、前記ギヤケースとは別に設けられると共に、前記凹部内に配置されて、前記減速機ユニットの構成部品に対して固定される建設機械の旋回駆動装置が提供される。

上述の発明によれば、ブレーキ用のコイルバネが組み込まれた旋回減速機ユニットを、簡単に旋回駆動用モータに取り付けることができる。

本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれるショベルの側面図である。 図１に示すショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による旋回駆動装置の構成を示すブロック図である。 旋回減速機及びメカニカルブレーキを構成する部分の断面図である。 ２段目の旋回減速機が設けられた旋回駆動装置の構成を示すブロック図である。

まず、本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれたショベルの全体構成及び駆動系の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態による旋回駆動装置が組み込まれたショベルを示す側面図である。なお、ショベルは建設機械の一例であり、本発明の一実施形態による旋回駆動装置は、旋回体を旋回する機構を有する建設機械に組み込むことができる。

図１に示すショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４，アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。

なお、図１に示すショベルは、旋回駆動装置に供給する電力を蓄積する蓄電装置を有するショベルであるが、電動旋回を採用したショベルであれば、例えば外部電源から充電電力が供給される電気駆動式ショベルにも本発明を適用することができる。

図２は図１に示すショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。

図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。

機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続されている。

コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。

電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系（蓄電装置）１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の出力軸２１ｂには、レゾルバ２２、及び旋回減速機２４が接続される。旋回減速機２４の出力軸２４Ａにはメカニカルブレーキ２３が接続される。旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回減速機２４とにより、負荷駆動系として旋回駆動装置４０が構成される。ここで、旋回用電動機２１が上部旋回体３を旋回駆動するための旋回用電動モータに相当し、メカニカルブレーキ２３が上部旋回体３に機械的にブレーキをかけておくブレーキ装置に相当する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。

コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。

コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。

コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、蓄電系１２０の昇降圧コンバータを駆動制御することによりキャパシタの充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタの充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、蓄電系１２０の昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタの充放電制御を行う。また、コントローラ３０は、後述のようにキャパシタに充電する量（充電電流又は充電電力）の制御も行なう。

上述のような構成のショベルによる作業では、上部旋回体３を旋回駆動するために、インバータ２０を介して供給される電力により旋回用電動機２１が駆動される。旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転力は、旋回減速機２４とメカニカルブレーキ２３を介して旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａに伝達される。

図３は本発明の一実施形態による旋回駆動装置４０の構成を示すブロック図である。上述のように、旋回駆動装置４０は、駆動源としての電動モータである旋回用電動機２１を含む。旋回用電動機２１の出力軸側に旋回減速機２４として遊星減速機が接続される。旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸には、メカニカルブレーキ２３としてのディスクブレーキが設けられる。旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸は、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａとなる。なお、図示はしないが、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａは旋回機構２に接続され、出力軸４０Ａの回転力により旋回機構２が駆動される。

図４は旋回駆動装置４０のうち、旋回減速機２４及びメカニカルブレーキ２３を構成する部分の断面図である。本実施形態では、旋回減速機２４を構成する遊星減速機の太陽歯車４２が、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂに固定されている。太陽歯車４２は複数の遊星歯車４４に係合している。遊星歯車４４の各々は、旋回減速機（遊星減速機）の出力軸を構成するキャリア４６に回転可能に支持されている。そして、各遊星歯車４４は、ギヤケース５０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合している。

内歯歯車４８が形成されたギヤケース５０は、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに固定されており、自ら回転することはできない。一方、出力軸を構成するキャリア４６は、ブレーキケース５２を挟んでギヤケース５０に固定されたエンドケース５４に対して、ベアリング５６を介して回転可能に支えられている。

なお、上述の遊星減速機は、各歯車を潤滑するための潤滑油が、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａ、ギヤケース５０、ブレーキケース５２，エンドケース５４、及び、キャリア４６によって密閉される構造となっている。

以上のような構成の遊星減速機において、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが回転して太陽歯車４２が回転すると、遊星歯車４４が回転（自転）する。遊星歯車４４はギヤケース５０の内面に形成された内歯歯車４８に噛合しており、遊星歯車４４の回転力で内歯歯車４８が形成されたギヤケース５０が回転しようとする。ところが、ギヤケース５０は旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに固定されているので、回転することはできない。その結果、遊星歯車４４を支持しながら自ら回転可能に支持されているキャリア４６のほうが回転することとなる。以上のような歯車作用により、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転が減速されてキャリア４６から出力される。

次に、メカニカルブレーキ２３を構成するディスクブレーキの構造について説明する。ディスクブレーキは固定部であるブレーキケース５２と出力軸であるキャリア４６との間に形成される。キャリア４６の外周にから外側に向けてブレーキディスク６０が延在する。ブレーキディスク６０は、キャリア４６に対して回転はできないが、キャリア４６の回転軸方向には移動可能な状態で、例えばスプライン接続のような接続構造を介してキャリア４６に接続されている。

ブレーキディスク６０の上下両側には、固定ブレーキプレート６２が配置されている。固定ブレーキプレート６２は、固定部であるブレーキケース５２に対して回転はできないが、キャリア４６の回転軸方向には移動可能な状態で、例えばスプライン接続のような接続構造を介してブレーキケース５０の内面側に接続されている。上側の固定ブレーキプレート６２の上には、ピストン６４が、キャリア４６の回転軸方向に移動可能な状態で配置されている。ピストン６４はスプリング６６により押圧されて常に上側の固定ブレーキプレート６２に押し付けられている。本実施形態では、スプリング６６としてコイルスプリングを用いているが、小さな変位で高出力を得ることのできる多段重ねの皿バネを用いることもできる。

固定ブレーキプレート６２とブレーキディスク６０とは、キャリア４６の回転軸方向に移動可能であるので、上側の固定ブレーキプレート６２がピストン６４により押圧されると、ブレーキディスク６０は上下のブレーキパッド６０により挟まれて押圧される。固定ブレーキプレート６２とブレーキディスク６０の表面は摩擦係数の大きな被膜に覆われており、ブレーキディスク６０が固定ブレーキプレート６２により挟まれて押圧されることで、ブレーキディスク６０の回転を阻止しようとするブレーキ力がブレーキディスク６０に作用する。ブレーキディスク６０はキャリア４６対して回転できないように接続されているので、ブレーキディスク６０に作用するブレーキ力がキャリア４６に加わるブレーキ力となる。

ピストン６４とブレーキケース５２との間には、作動油が供給可能な油圧空間６８が形成され、油圧空間６８にブレーキ解除ポート７０が接続されている。コントロールバルブ１７からブレーキ解除ポート７０を介して油圧空間６８に油圧を供給すると、ピストン６４が油圧により押し上げられて、固定ブレーキプレート６２を押圧する力が無くなり、ブレーキは解除される。

以上のような構成の旋回減速機２４において、本実施形態では、ギヤケース５０にリング状の凹部が形成され、リング状の凹部の底面に複数の貫通孔が形成されている。この貫通孔のそれぞれに上述のスプリング６６が挿入されている。各スプリング６６の下端は、ギヤケース５０の貫通孔から突出し、ピストン６４に形成された穴の底面に当接している。そして、ギヤケース５０のリング状の凹部には、スプリング押え部材９０が嵌合している。スプリング押え部材９０は、複数のボルト９２によりギヤケース５０に締め付けられて固定されている。

スプリング押え部材９０がギヤケース５０のリング状の凹部内に固定される前は、各スプリング６０の上端はリング状の凹部の底面から上方に突出している。したがって、スプリング押え部材９０をギヤケース５０のリング状の凹部内に固定する際に、各スプリング６０はスプリング押え部材９０により押圧されて圧縮される。スプリング押え部材９０をギヤケース５０のリング状の凹部内に固定すると、各スプリング６０は、スプリング押え部材９０とピストン６４との間に挟まれて圧縮された状態となっている。このときの各スプリング６０の復元力（スプリング力）が、ピストン６４（すなわち、固定ブレーキプレート６２）をブレーキディスク６０に押し付ける力となり、キャリア４６に加わるブレーキ力となる。

スプリング押え部材９０がギヤケース５０のリング状の凹部内に固定された状態では、スプリング押え部材９０全体がリング状の凹部内に収容される。したがって、スプリング押え部材９０は、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａ（フランジとも称することもある）に当接するギヤケースの合わせ面から突出することはなく、ギヤケース５０の合わせ面のみが旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに当接する。ただし、スプリング押え部材９０の上面にはＯリング等のシール部材９４が配置され、ギヤケース５０内の遊星歯車４４を潤滑・冷却する作動油が漏れ出ないようにシールしている。また、スプリング押え部材９０の下面にもＯリング等のシール部材９５が配置され、スプリング６６が収容された部分に充填された作動油が漏れ出ないようにシールしている。

なお、上記シール部材９４及び９５により作動油をシールする代わりに、スプリング押え部材９０が収容されるリング状の凹部より内側においてギヤケース５０とエンドプレート２１ａが当接部分と、スプリング押え部材９０の内側面及び外側面とギヤケース５０のリング状の凹部の側面との当接部分とに、シール部材を設けることとしてもよい。

本実施形態による旋回減速機２４は、上述のようにスプリング６６を押えるスプリング押え部材９０がギヤケース５０に取り付けられているので、旋回減速機２４をユニットとして組み立てた状態では、各スプリング６６の上端は露出していない。したがって、旋回減速機２４をユニット単体で扱う際に、スプリング６６が抜け出るようなことは無く、旋回減速機２４単体での取り扱いが容易となる。

また、旋回減速機２４を旋回用電動機２１に取り付けるときには、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂに取り付けられた太陽歯車４２が旋回減速機２４の遊星歯車４４に噛合うように旋回用電動機２１を旋回減速機２４の上に載置し、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａを複数のボルト９６で旋回減速機２４のギヤケース５０に対して締め付けて固定すればよい。すなわち、スプリング６６は旋回減速機２４内に圧縮された状態で収容されているので、旋回用電動機２１を固定する際にスプリング６６を旋回用電動機２１に対して位置決めする必要は無い。また、旋回用電動機２１を固定する際にスプリング６６を圧縮する必要も無い。このため、旋回用電動機２１と旋回減速機２４とを組み付けるときの作業が簡素化され、容易に組み付けることができる。

また、メンテナンス時等に旋回減速機２４から旋回用電動機２１を取り外した際にも、スプリング６６が旋回減速機２４から抜け出るようなことが無く、メンテナンス作業も容易となる。

さらに、旋回減速機２４から旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに向けて突出する部品は無く、エンドプレート２１ａの取り付け面は平面であればよいので、エンドプレート２１ａを特別に加工する必要は無い。このため標準仕様のエンドプレートを用いることができ、旋回用電動機２１のコストアップが抑制される。

なお、図３示す旋回駆動装置４０の構成では、旋回減速機２４（遊星減速機）の出力軸となるキャリア４６が、旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａに相当するが、旋回減速機２４（この例では、旋回減速機２４−１と称する）の後段にさらに２段目の旋回減速機２４−２を設けることとしてもよい。

図７は２段目の旋回減速機が設けられた旋回駆動装置４０−１の構成を示すブロック図である。２段目の遊星減速機２４−２はメカニカルブレーキ２３（ディスクブレーキ）を間に挟んで１段目の旋回減速機２４−１に組み付けられる。２段目の遊星減速機２４−２出力軸が旋回駆動装置４０−１の出力軸４０Ａとなる。

具体的には、例えば、図４に一部が示されるように、キャリア４６の軸の先端に太陽歯車８０を取り付け、太陽歯車８０と内歯歯車８２との間で遊星歯車８４を駆動するというように、２段目の旋回減速機（遊星減速機）２４−２を構成し、大きな減速比を得るようにしてもよい。

なお、メカニカルブレーキ２３（ディスクブレーキ）のＯＮ・ＯＦＦ用の作動油は、パイロットポンプ１５から供給される。

１ 下部走行体
１Ａ，１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
７Ａ 油圧配管
７Ｂ ブーム角度センサ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８，１８Ａ，１８Ｂ，２０ インバータ
１９ キャパシタ
２１ 旋回用電動機
２１ｂ 出力軸
２１ａ エンドプレート
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４，２４−１，２４−２ 旋回減速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ，２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２６Ｄ ボタンスイッチ
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
４０，４０−１ 旋回駆動装置
４２，８０ 太陽歯車
４４，８４ 遊星歯車
４６ キャリア
４８，８２ 内歯歯車
５０ ギヤケース
５２ ブレーキケース
５４ エンドケース
５６ ベアリング
６０ ブレーキディスク
６２ ブレーキパッド
６４ ピストン
６６ スプリング
６８ 油圧空間
７０ ブレーキ解除ポート
１２０ 蓄電系

Claims (4)

1. 旋回用電動機の回転駆動力を、減速機を介して旋回体に伝達する建設機械の旋回駆動装置であって、
   前記旋回用電動機を含む電動機ユニットと、
   前記減速機及びブレーキ部材を含む減速機ユニットと、
   一端が前記ブレーキ部材に当接して、前記ブレーキ部材に対して押圧力を印加する複数のバネ部材と、
   前記バネ部材における前記一端の反対端に当接して、前記ブレーキ部材との間で前記バネ部材を押圧する押え部材と、を有し、
   前記押え部材は、前記減速機ユニットのギヤケースとは別に設けられると共に、その全体が前記電動機ユニットと前記減速機ユニットとの合わせ面よりも前記減速機ユニット側に含まれる態様で前記減速機ユニットに収容されて、前記減速機ユニットの構成部品に対して固定される、
   建設機械の旋回駆動装置。
2. 旋回用電動機の回転駆動力を、減速機を介して旋回体に伝達する建設機械の旋回駆動装置であって、
   前記旋回用電動機を含む電動機ユニットと、
   固定されたギヤケースの内面に形成された内歯歯車と、該内歯歯車に噛合う遊星歯車と、該遊星歯車に噛合う太陽歯車を含んで構成される前記減速機及びブレーキ部材を含む減速機ユニットと、
   前記ギヤケースに形成された凹部内に配置され、一端が前記ブレーキ部材に当接して、前記ブレーキ部材に対して押圧力を印加する複数のバネ部材と、
   前記バネ部材における前記一端の反対端に当接して、前記ブレーキ部材との間で前記バネ部材を押圧する押え部材と、を有し、
   前記押え部材は、前記ギヤケースとは別に設けられると共に、前記凹部内に配置されて、前記減速機ユニットの構成部品に対して固定される、
   建設機械の旋回駆動装置。
3. 請求項２記載の建設機械の旋回駆動装置であって、
   前記押え部材と前記電動機ユニットとの間に配置される第１のシール部材と、
   前記バネ部材よりも外側で前記押え部材と前記凹部との間に配置される第２のシール部材と、を有し、
   前記押え部材は、前記遊星歯車が収容された収容部より外側に配置されている、
   建設機械の旋回駆動装置。
4. 請求項３記載の建設機械の旋回駆動装置であって、
   前記第１のシール部材及び前記第２のシール部材は、前記押え部材に取り付けられる、
   建設機械の旋回駆動装置。

Images