JP6214327B2 - ハイブリッド式建設機械 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド式建設機械に係り、さらに詳しくは、旋回体を駆動させる手段として旋回油圧モータと旋回電動モータとを備えたハイブリッド式建設機械に関する。

旋回体の駆動用として油圧モータと電動モータの両方を備えたハイブリッド式建設機械において、何らかの理由で電動モータのトルクが発生できない事態が発生した場合でも、満足な作業が実行できるように、油圧モータと電動モータの両方のトルクで旋回駆動するモード（油圧電動複合旋回モード）と、油圧モータ単独で旋回駆動するモード（油圧単独旋回モード）との切替可能な構成を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２４１６５３号公報

ところで、建設機械の一般的な作業（例えば、掘削・旋回積み込み等）において、旋回体の駆動制御は、高い旋回力による大作業量の実現が要求されることはあるが、旋回体の旋回速度の制御や旋回停止位置の制御に対して高い精度が要求されることは少ない。

一方、建設機械の特別な作業、例えばクレーン作業においては、オペレータの意図しない旋回速度の変化が吊り荷の揺れを生み、荷の落下など重大な災害につながるため、旋回速度の高精度の制御が要求される。また、荷を吊るときや荷を降ろすときには、クレーンのフックを正確な位置に停止させるため、停止位置の高精度の制御が要求される。

また、他の作業として、例えば、自動車解体など、アタッチメントを用いて細かい対象物を扱う作業では、正確な位置制御性が求められる。このような作業を行う場合、電動モータと油圧モータ両方を駆動する油圧電動複合旋回方式や、油圧モータを単独で駆動する油圧単独旋回方式では、油圧モータが正確な旋回加減速を行えないので、不適である。

これは、旋回加速度を決める油圧モータの旋回トルクが油圧モータの流入／流出ポートの差圧で決まるのに対して、旋回ポートにかかる圧力を一定に保つ制御が難しいためである。旋回ポートにかかる圧力には、方向制御弁の開口、リリーフ弁の特性、配管圧損など意図せぬ圧力効果など、様々な要因が複雑に影響を及ぼす。

一方、電動モータのトルク／速度の制御は、電流値や印加電圧の周波数を制御することで比較的容易に実現できる。しかし、油圧電動複合旋回方式では、旋回トルクの一部を油圧モータが担うため、油圧単独旋回方式と同様の制御上の困難が生じてしまう。

本発明は上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、油圧電動複合旋回方式の旋回装置を備えたハイブリッド式建設機械において、例えば、クレーン作業のような正確な旋回操作性が要求される作業のときに、旋回体を電動モータ単独で駆動するハイブリッド式建設機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、前記旋回体を前記電動モータと前記油圧モータとの複合駆動で旋回させるハイブリッド式建設機械において、作業の態様によってオペレータが切り替える作業モード切替手段と、前記電動モータ単独で前記旋回体を旋回させる電動単独旋回制御手段とを有し、前記作業モード切替手段により、高い旋回速度が要求されず、かつ位置決め精度が要求される作業モードが選択された場合に、自動的に前記電動単独旋回制御手段により前記旋回体を旋回させる制御装置を備えたものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記作業モード切替手段により、クレーン作業を実行するためのクレーンモードが選択されると、前記電動単独旋回制御手段により前記旋回体を旋回させることを特徴とする。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、作業モード毎に前記電動単独旋回制御手段の使用の有無を設定することができることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記旋回体の駆動を指令する旋回用操作レバー装置と、前記旋回用操作レバー装置の操作量を検出する操作量検出手段とを備え、前記制御装置の前記電動単独旋回制御手段は、前記操作量検出手段が検出した前記旋回用操作レバー装置の操作量を取込み、前記旋回操作量が微小領域においては、前記電動モータと前記油圧モータとの複合駆動のときと同等の出力を目標値とし、前記操作量が最大値のときにおいては、前記電動モータの限界出力を超えない出力を目標値として、前記電動モータの出力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、正確な旋回操作性が要求される作業モードが選択されたときに、電動モータ単独で旋回体を駆動する電動単独旋回が行われる。この結果、高い旋回作業性を実現することができ、ハイブリッド式建設機械の汎用性が向上する。

本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を示す側面図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態の油圧システムを示すシステム構成図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態を示す側面図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態を構成する表示装置の作業モード設定の一例を示す概念図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態において、油圧電動複合旋回モード時の電動モータと油圧モータの出力特性を示す特性図である。 本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態において、電動単独旋回モード時の電動モータと油圧モータの出力特性を示す特性図である。

以下、油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、旋回体を備えた作業・建設機械全般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

図１は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を示す側面図、図２は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図、図３は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。

図１において、油圧ショベルは走行体１０と、走行体１０上に旋回可能に設けた旋回体２０及び旋回体２０に装設したフロント作業装置３０を備えている。

走行体１０は、一対のクローラ１１及びクローラフレーム１２（図１では片側のみを示す）、各クローラ１１を独立して駆動制御する一対の走行用油圧モータ１３、１４及びその減速機構等で構成されている。

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、エンジンにより駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回電動モータ２５及び旋回油圧モータ２７と、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５に接続される電気二重相キャパシタ２４と、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転を減速する減速機構２６等から構成され、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の駆動力が減速機構２６を介して伝達され、その駆動力により走行体１０に対して旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させる。

また、旋回体２０にはフロント作業装置３０が搭載されている。フロント作業装置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。

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システム４０が搭載されている。油圧システム４０は、油圧源となり、エンジン２２によって回転駆動される油圧ポンプ４１（図２参照）と、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４２（図２参照）とを含む。

次に、油圧ショベルの電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達されている。コントロールバルブ４２は、図示しない操作レバーからの操作指令に応じて、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への動作油の吐出流量及び吐出方向を制御する。また、コントロールバルブ４２は、旋回用の操作レバー７２（図３参照）からの旋回操作指令に応じて、旋回油圧モータ２７への動作油の吐出流量及び吐出方向を制御する。

電動システムは、上述したアシスト発電モータ２３、キャパシタ２４及び旋回電動モータ２５と、パワーコントロールユニット５５等から構成されている。パワーコントロールユニット５５はチョッパ５１、インバータ５２，５３、平滑コンデンサ５４等を有している。

キャパシタ２４からの直流電力はチョッパ５１によって所定の母線電圧に昇圧され、旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５２、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５３に入力される。平滑コンデンサ５４は、母線電圧を安定化させるために設けられている。旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転軸は結合されており、減速機構２６を介して旋回体２０を駆動する。アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、キャパシタ２４は充放電されることになる。

コントローラ８０は、操作レバー信号、圧力信号、回転速度信号等の図２には示されない信号と運転室内に備え付けられた作業モード切替スイッチ７７からの作業モード信号とを入力して、コントロールバルブ４２、パワーコントロールユニット５５に対して指令を行い、旋回制御を行う。７５は、コントローラ８０からの電気信号を油圧パイロット信号へ変換するデバイスであり、例えば電磁比例バルブに相当する。

油圧ショベルのシステム構成及び制御ブロック図を図３に示す。図３に示す電動・油圧機器のシステム構成は基本的に図２と同じであるが、本発明による旋回制御を行うのに必要なデバイスや制御手段、制御信号等を詳細に示している。

油圧ショベルは、上述したコントローラ８０と、コントローラ８０の入出力に係わる油圧／電気変換装置７４ａ，７４ｂ、７４ｃ，７４ｄ、電気／油圧変換装置７５ａ，７５ｂ、電磁弁９５ａ，９５ｂ，９６ａ，９６ｂ及び作業モード切替スイッチ７７を備え、これらは旋回制御システムを構成する。

コントローラ８０は、油圧電動複合旋回制御ブロック８３、電動単独旋回制御ブロック８４、制御切替ブロック８５等を備えている。

作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業以外の作業が選択された場合、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択しており、油圧電動複合旋回制御ブロック８３によって旋回アクチュエータ動作が制御される。旋回操作レバー７２の入力によって発生される油圧パイロット信号は油圧／電気変換装置７４ｃ，７４ｄによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３と電動単独旋回制御ブロック８４とに入力される。旋回油圧モータ２５の作動圧は油圧／電気変換装置７４ａ，７４ｂによって電気信号に変換され、油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。パワーコントロールユニット５５内の電動モータ駆動用のインバータから出力される旋回モータ速度信号も油圧電動複合旋回制御ブロック８３に入力される。

油圧電動複合旋回制御ブロック８３は、旋回操作レバー７２からの油圧パイロット信号と、旋回油圧モータ２５の作動圧信号及び旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５に旋回電動モータトルク指令を出力する。同時に、油圧ポンプ４１へポンプ吸収トルク補正指令を電気／油圧変換装置７５ａに出力し、旋回油圧モータ２７の出力トルクを減少させる減トルク指令を電気／油圧変換装置７５ｂに出力する。

一方、旋回操作レバー７２の入力によって発生される油圧パイロット信号は、後述する旋回パイロット圧カット用電磁弁９６を介してコントロールバルブ４２にも入力され、旋回モータ用のスプール９２（図４参照）を中立位置から切り換えて油圧ポンプ４１の吐出油を旋回油圧モータ２７に供給し、旋回油圧モータ２７も同時に駆動する。

次に、作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業が選択された場合、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が電動単独旋回制御ブロック８４を選択しており、電動単独旋回制御ブロック８４によって旋回アクチュエータ動作が制御される。

電動単独旋回制御ブロック８４は、旋回操作レバー７２からの油圧パイロット信号と、旋回モータ速度信号に基づいて所定の演算を行って旋回電動モータ２５の指令トルクを計算し、パワーコントロールユニット５５に旋回電動モータトルク指令を出力する。同時に、旋回油圧モータ２７が旋回動作に与える影響をなくすために、後述するオーバーロードリリーフ弁９３ａ，９３ｂのリリーフ圧を最少にする旋回リリーフ圧減少指令をリリーフ用電磁弁９５ａ，９５ｂに出力する。また、旋回操作レバー７２よって発生された油圧パイロット信号の、後述するコントロールバルブ４２の旋回モータ用のスプール９２の操作部への到達を防ぐために、旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂへ遮断指令を出力する。この結果、正確な旋回操作性が実現する電動単独旋回制御が行われる。

制御切替ブロック８５には、入力される作業モード切替信号と、電動単独旋回制御、又は、油圧電動複合旋回制御との関連が予め設定されている。このことにより、作業モード信号が入力されれば、自動的に電動単独旋回制御、又は、油圧電動複合旋回制御が切り替えられる。

次に、本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態における旋回油圧システムについて図４を用いて説明する。図４は本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態の油圧システムを示すシステム構成図である。図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図３のコントロールバルブ４２はアクチュエータごとにスプールと呼ばれる弁部品を備え、旋回操作レバー７２や他の図示しない操作装置からの指令（油圧パイロット信号）に応じて対応するスプールが変位することで開口面積が変化し、各油路を通過する圧油の流量が変化する。図４に示す旋回油圧システムは、旋回用スプールのみを含むものである。

図４において、旋回油圧システムは、上述した油圧ポンプ４１及び旋回油圧モータ２７と、旋回操作レバー７２と、旋回用スプール９２と、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ，９３ｂと、旋回用の逆止弁９４ａ，９４ｂと、可変オーバーロードリリーフ弁のリリーフ圧を変更可能とするリリーフ用電磁弁９５ａ，９５ｂと、旋回用スプール９２の操作部へのパイロット圧を必要に応じて減少させる旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂと、タンク１３０とを備えている。

油圧ポンプ４１は可変容量ポンプであり、図示しないレギュレータを備え、レギュレータ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の吐出流量と出力トルクが変わる。図３の油圧電動複合旋回制御ブロック８３から電気／油圧変換装置７５ａにポンプ吸収トルク補正指令が出力されると、電気／油圧変換装置７５ａは対応する制御圧力をレギュレータに出力し、油圧ポンプ４１の最大出力トルクが減少するようレギュレータの設定を変更する。

旋回用スプール９２はＡ，Ｂ，Ｃの３位置を持ち、旋回操作レバー７２からの旋回操作指令（油圧パイロット信号）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。

旋回操作レバー７２は、レバー操作量に応じて接続されているパイロット油圧減からの圧力を減圧する減圧弁を内蔵している。レバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）を管路１３１Ａ又１３１Ｂと旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂとを介して旋回用スプール９２の左右いずれかの操作部に与える。

管路１３１Ａ，１３１Ｂには、管路内圧力を検出する圧力センサ７４ｃ，７４ｄがそれぞれ設けられている。また、管路１３１Ａ，１３１Ｂには、各管路内のパイロット油の連通／遮断を制御する旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂが設けられている。

旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは、電磁操作型の３ポート２位置型の切換弁であって、旋回用スプール９２の操作部と旋回操作レバー７２の減圧弁との連通／閉止を選択的に制御するものである。この旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは、非励磁の時ばね部材によって、旋回用スプール９２の操作部と旋回操作レバー７２の減圧弁とを連通状態にするように位置している。この旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは、一方側に電磁駆動部が配設され、コントローラからの出力ケーブルが接続されている。

旋回用スプール９２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を通ってタンク１３０へ戻る。旋回用スプール９２がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）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を通って旋回油圧モータ２７の左側に送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンク１３０に戻り、旋回油圧モータ２７は一方向に回転する。逆に、旋回用スプール９２がレバー操作量に応じた圧力（油圧パイロット信号）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を通って旋回油圧モータ２７の右側に送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＣ位置のメータアウト絞りを通ってタンク１３０に戻り、旋回油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向に回転する。

旋回用スプール９２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とメータイン絞りに分配される。このとき、メータイン絞りの入側にはブリードオフ絞りの開口面積に応じた圧力が立ち、その圧力で旋回油圧モータ２７に圧油が供給され、その圧力（ブリードオフ絞りの開口面積）に応じた作動トルクが与えられる。また、旋回油圧モータ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。

旋回操作レバー７２を中立位置に戻し、旋回用スプール９２を中立位置Ｂに戻したとき、旋回体２０は慣性体であるため、旋回油圧モータ２７はその慣性で回転を続けようとする。このとき、旋回油圧モータ２７からの排出油の圧力（背圧）が旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ又は９３ｂの設定圧力を超えようとするときは、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ又は９３ｂが作動して圧油の一部をタンク１３０に逃がすことで背圧の上昇を制限し、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ又は９３ｂの設定圧力に応じた制動トルクを発生する。

なお、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ又は９３ｂ作動時に、旋回油圧モータ２７からの排出油が他系統へ逆流することを防止するための逆止弁９４ａ，９４ｂとが、タンク１３０側から旋回油圧モータ２７側へのみ開口するように旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ，９３ｂと併設されている。

旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ及び９３ｂは、それぞれパイロット受圧部を有している。パイロット受圧部は、パイロット油圧源からのパイロット油をリリーフ電磁弁９５ａ，９５ｂを介して供給されている。旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ及び９３ｂの設定圧力は、各受圧部に供給されるパイロット油の圧力によって可変できる。

リリーフ用電磁弁９５ａ，９５ｂは、電磁操作型の３ポート２位置型の切換弁であって、パイロット油圧源と旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ及び９３ｂの各受圧部との連通／閉止を選択的に制御するものである。このリリーフ用電磁弁９５ａ，９５ｂは、非励磁の時ばね部材によって、パイロット油圧源と旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁の各受圧部とを連通状態にするように位置している。このリリーフ用電磁弁９５ａ，９５ｂは、一方側に電磁駆動部が配設され、コントローラからの出力ケーブルが接続されている。

次に、本発明の実施の形態の動作を図３及び図４を用いて説明する。
作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業以外の作業が選択された場合、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択する。図３に示す電動単独旋回制御ブロック８４から、旋回リリーフ圧減少指令と旋回パイロット圧カット指令は出力されない。このことにより、図４において、リリーフ用電磁弁９３ａ，９３ｂ，及び旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは非励磁となる。

これらの電磁弁が非励磁のため、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ及び９３ｂの各受圧部には、パイロット油圧源からパイロット油が供給され、これらのリリーフ弁の設定圧力が予め設定された値になる。また、旋回用スプール９２の操作部と旋回操作レバー７２の減圧弁とは、連通状態になり、旋回操作レバー７２の操作量に応じたパイロット油が旋回用スプール９２の操作部に供給可能になる。

旋回操作レバー７２を操作すると、圧油は、パイロット油圧回路１３１Ａ，１３１Ｂを介して旋回用スプール７２の左右いずれかの操作部に供給され、スプールを駆動し、油圧ポンプ４１と旋回油圧モータ２７の間のメイン油圧回路を連通させる。これによって、旋回油圧モータ２７が回転し、旋回体２０を駆動する。

次に、作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業が選択された場合、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が電動単独旋回制御ブロック８４を選択する。電動単独旋回制御ブロック８４により旋回アクチュエータ動作が制御される。このとき、図３に示す電動単独旋回制御ブロック８４から、旋回リリーフ圧減少指令と旋回パイロット圧カット指令が出力される。このことにより、図４において、リリーフ用電磁弁９３ａ，９３ｂ，及び旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは励磁となる。

これらの電磁弁が励磁のため、旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁９３ａ及び９３ｂの各受圧部に供給されていたパイロット油が、タンク１３０に排出される。このことにより、これらのリリーフ弁の設定圧力が最小値になる。この結果、旋回油圧モータ２７のブレーキ圧が低減し、旋回油圧モータ２７が旋回動作に与える影響を小さくできる。また、旋回用スプール９２の操作部と旋回操作レバー７２の減圧弁とが遮断状態になり、旋回操作レバー７２の操作量に応じたパイロット油は旋回用スプール９２の操作部に供給されなくなる。この結果、旋回油圧モータ２７が旋回動作に与える影響を小さくできる。この結果、正確な旋回操作性が実現する電動単独旋回制御が行われる。

このように、本実施の形態においては、作業モードを選択するだけで、旋回駆動方式を油圧電動複合方式から電動単独旋回方式に切替えることができる。オペレータは作業モードを選択すれば、旋回駆動方式について意識することなく、その作業に最適な旋回操作性で作業することができる。ただし、どの作業モードで電動単独旋回に切替えるかは、コントローラの設計段階であらかじめ決めておく必要がある。このような特殊な作業モードの例を以下に説明する。

建設機械を用いて建設資材を組み付ける作業の場合に、例えば「ハンドリングモード」という作業モードを設ける。建設機械にグラップル等対象とする建設資材を把持できるアタッチメントを装着し、建設資材を適切な位置に保持しながら組み付けを行う。このような作業を行う場合、ボルト孔を合わせるなど、正確な位置決め精度が要求されるため、制御精度に優れる電動単独旋回方式が望ましい。このような作業において、オペレータが「ハンドリングモード」を選択することで、電動単独旋回方式に切替わるので、作業モードを変えるだけで正確な操作が実現できる。

建設機械を用いて整地作業の仕上げ作業を行う場合に、例えば「ファインモード」という作業モードを設ける。整地仕上げ作業ではバケット爪先を水平に引き、地面を均す動作がある。このとき、旋回動作をしながら斜めにバケット爪先を引く、水平斜め引き動作が頻繁に行われる。このような作業を行う場合、電動単独旋回方式に切替えると、旋回速度が他のアクチュエータの動きに因らないため、微操作域での作業フィーリングが大幅に向上する。これは法面仕上げなど他の仕上げ作業においても適用できる。このような作業において、オペレータが「ファインモード」を選択することで、電動単独旋回方式に切替わるので、作業モードを変えるだけで旋回旋回微操作のフィーリングを改善できる。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第１の実施の形態によれば、正確な旋回操作性が要求される作業モードが選択されたときに、旋回電動モータ単独で旋回体２０を駆動する電動単独旋回が行われる。この結果、高い旋回作業性を実現することができるので、ハイブリッド式建設機械の汎用性が向上する。

以下、本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態を示す側面図、図６は本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態は、クレーンモードを備えたハイブリッド式建設機械について説明する。

図５に示すクレーンモードを備えたハイブリッド式建設機械は、第１の実施の形態の油圧ショベルの構成に加えて、荷を吊るためのフック１００と、旋回体２０の外部カバー後部の上面に設けたクレーンモード外部表示灯１０１と、運転室に設けた水準器１０２と、ブーム３１の先端部に設けたアーム角度センサ１０３と、ブームの基端部に設けたブーム角度センサ１０４とを備えている。また、油圧システムには、図示していないブームシリンダボトム圧センサを備えている。また、フック１００は、アーム３２の先端とバケット３５の基部との間に設けられている。

クレーンモードに設定すると、クレーンモード外部表示灯１０１が点灯し、周囲に警告する。また、ブームシリンダボトム圧センサで吊り荷の重さを推定し、水準器１０２とブーム角度センサ１０４、アーム角度センサ１０３で車体の姿勢を検出することで、車体転倒の危険を検知する。吊り荷はフック１００を用いて行う。バケットが動くと吊り荷や吊り具に当たる可能性があるため、図示しないバケットロック電磁弁でバケット位置を固定する。

次に、本実施の形態における制御システムの構成を図６に示す。図６においては、第１の実施の形態における作業モード切替スイッチ７７に代えて、クレーン切替スイッチ１１０を設け、コントローラ８０には、クレーンモード制御部１１１を備えている。

次に、本発明の実施の形態の動作を説明する。
クレーン切替スイッチ１１０において、クレーン作業が選択されない場合、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が油圧電動複合旋回制御ブロック８３を選択する。図３に示す電動単独旋回制御ブロック８４から、旋回リリーフ圧減少指令と旋回パイロット圧カット指令は出力されない。このことにより、図４において、リリーフ用電磁弁９３ａ，９３ｂ，及び旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは非励磁となり、第１の実施の形態の作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業以外の作業が選択された場合と同様の動作となる。

クレーン切替スイッチ１１０において、クレーン作業が選択された場合、まず、コントローラ８０内のクレーンモード制御部１１１が、クレーンモードに切り替える。具体的には、クレーンモード外部表示灯１０１への点灯指令を出力し、その他転倒防止警告など、クレーン作業に必要な制御を行う。

一方、コントローラ８０は、制御切替ブロック８５が電動単独旋回制御ブロック８４を選択する。電動単独旋回制御ブロック８４により旋回アクチュエータ動作が制御される。このとき、図３に示す電動単独旋回制御ブロック８４から、旋回リリーフ圧減少指令と旋回パイロット圧カット指令が出力される。このことにより、図４において、リリーフ用電磁弁９３ａ，９３ｂ，及び旋回パイロット圧カット用電磁弁９６ａ，９６ｂは励磁となり、第１の実施の形態の作業モード切替スイッチ７７において、正確な旋回操作性が要求される作業が選択された場合と同様の動作となる。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第２の実施の形態によれば、クレーンモードを備えたハイブリッド式建設機械において、クレーンモード時に、自動的に旋回電動モータ単独で旋回体２０を駆動する電動単独旋回が行われる。クレーン作業は正確な旋回操作が要求されるため、旋回位置や旋回速度の制御性が良い電動単独旋回制御が適している。オペレータが作業モードをクレーン作業に設定すれば、クレーン作業を行うのに必要な制御が実行されると共に、自動的にクレーンモードに最適な旋回駆動方式に切り替わる。この結果、高い旋回作業性が実現するので生産性が向上する。

以下、本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態のシステム構成及び制御ブロック図、図８は本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態を構成する表示装置の作業モード設定の一例を示す概念図である。図７及び図８において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７に示す本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、以下の構成が異なる。
第１の実施の形態において、運転室に作業モード切替スイッチ７７を設けていたが、本実施の形態においては、作業モード切替スイッチ７７に代えて、情報入出力が可能な表示装置１２０を設けた点が異なる。オペレータは表示装置１２０上で、作業モードを選択することで、選択された作業モードに適した旋回駆動方式が自動的に実現できる。

また、本実施の形態においては、運転室内の表示装置１２０上で、各作業モードで電動単独旋回に切り替えるか否かを設定可能としている。図８は、表示装置１２０のメニュー構成を示している。
図８のメインメニューの内、「作業モード」の項で、例えば、「掘削」作業等の作業モードを選択できる。また、このとき、同時に「作業モード設定」を選択すると、各作業モードにおいて、予め設定された電動単独旋回の有無を設定変更することができる。例えば、「作業モード設定」→「掘削」→「電動単独旋回Ｎ」を選択した場合には、掘削の作業モードが選択された場合、電動単独旋回は、実行されない。

ここで、表示装置１２０の設定変更がなされた場合、コントローラ８０の制御切替ブロック８５の各種定数が書き換えられ、このことにより、電動単独旋回と油圧電動複合旋回とを切替える。対象とする作業モードで電動単独旋回するか否かの設定を、オペレータ自身か、製造メーカなどのサービス員が変更することができる。

上述した第１及び第２の実施の形態においては、例えば、電動系の故障など何らかの事情で旋回電動モータ２５の駆動が不能となった場合には、旋回動作が実行できない危険性がある。また、作業モードを切替えると自動的に旋回駆動方式を切替えるため、オペレータが電動単独旋回の操作性を好まない場合にも、作業モードによっては電動単独旋回を行わざるをえない虞がある。本実施の形態によれば、このような場合であっても、電動単独旋回を行うかどうかの設定を変更できるので、これらの問題を解決できる。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第３の実施の形態によれば、電動単独旋回を行うかどうかの設定を変更できるので、予め設定された作業モードに対応するものが電動単独旋回の場合であって、旋回電動モータ２５の駆動が不能な場合や、オペレータが電動単独旋回の操作性を好まない場合であっても、電動単独旋回の設定を変更して、作業を行うことができる。このことにより、作業性が向上する。

以下、本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態を図面を用いて説明する。図９は本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態において、油圧電動複合旋回モード時の電動モータと油圧モータの出力特性を示す特性図、図１０は本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態において、電動単独旋回モード時の電動モータと油圧モータの出力特性を示す特性図である。

本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の機器で構成されるが、電動単独旋回モードのときの旋回電動モータの出力特性に特徴を持たせた点が異なる。
本実施の形態においては、電動単独旋回に切替える作業モードにおいて、旋回出力を一定値以内に収めることで、小出力の旋回電動モータの採用を可能とする。図９は、油圧電動複合旋回モードにおける旋回出力の特性であって、縦軸に旋回出力を、横軸に旋回レバー７２の操作量を示している。図９に示すように、旋回出力は、旋回油圧モータ２７の出力と旋回電動モータ２５の出力の合計となる。なお、この出力特性は、コントローラ８０の油圧電動複合旋回制御ブロック８３に予め設定されている。

図１０は、電動単独旋回モードにおける旋回出力の特性であって、コントローラ８０の電動単独旋回制御ブロック８４に予め設定されている。図９と図１０とが示すように、電動単独旋回モードでは旋回レバー７２の微操作時に油圧電動複合旋回と同等の旋回出力を旋回電動モータ２５のみで担っている。また、旋回レバー７２の最大操作量近傍においては、旋回電動モータ２５の限界出力を超えない範囲となるように、旋回電動モータ２５の出力を制限している。

本発明において、電動単独旋回に切替える作業は、旋回速度や旋回力よりも旋回制御性が重要となる作業を想定している。このような作業では、旋回レバー７２の最大操作量近傍においても、大きな旋回力を必要としない。特にクレーン作業モードでは旋回急加速が起こると危険なため、旋回レバー７２の最大操作量近傍時において旋回出力を制限することが望ましい。

上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

また、上述した本発明のハイブリッド式建設機械の第４の実施の形態によれば、電動単独旋回において、微操作時には油圧電動複合旋回と同様の操作性を実現し、旋回レバー７２の最大操作量近傍時には旋回速度を制限することができる。このことにより、旋回モータ出力は小さくてよいため、電動単独旋回方式を採用しても、電動旋回モータ２５を高出力化する必要はない。この結果、電動モータの高出力化による、ハーネス・制御装置・バッテリなどの容量の増加の必要がなくなり、コストの大幅な上昇を防止できる。

１０ 走行体
１１ クローラ
１２ クローラフレーム
１３ 走行用油圧モータ
１４ 走行用油圧モータ
２０ 旋回体
２１ 旋回フレーム
２２ エンジン
２３ アシスト発電モータ
２４ キャパシタ
２５ 旋回電動モータ
２６ 減速機構
２７ 旋回油圧モータ
３０ フロント作業装置
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
４０ 油圧システム
４１ 油圧ポンプ
４２ コントロールバルブ
５１ チョッパ
５２ 旋回電動モータ用インバータ
５３ アシスト発電モータ用インバータ
５４ 平滑コンデンサ
５５ パワーコントロールユニット
７２ 旋回操作レバー（パイロットバルブ）
７４ａ，ｂ 油圧／電気信号変換デバイス
７４ｃ，ｄ 油圧／電気信号変換デバイス（圧力センサ）
７５ 電気／油圧信号変換デバイス
７７ 作業モード切替スイッチ（作業モード切替手段）
８０ コントローラ（制御装置）
８３ 油圧電動複合旋回制御ブロック
８４ 電動単独旋回制御ブロック（電動単独旋回制御手段）
８５ 制御切替ブロック
９２ 旋回用スプール
９３ａ，ｂ 旋回用の可変オーバーロードリリーフ弁
９４ａ，ｂ 逆止弁
９５ａ，ｂ リリーフ用電磁弁
９６ａ，ｂ 旋回パイロット圧カット用電磁弁
１００ フック
１０１ クレーンモード外部表示灯
１０２ 水準器
１０３ アーム角度センサ
１０４ ブーム角度センサ
１１０ クレーン切替スイッチ
１１１ クレーンモード制御部

Claims (4)

1. エンジンと、前記エンジンにより駆動される油圧ポンプと、旋回体と、前記旋回体駆動用の電動モータと、前記油圧ポンプにより駆動される前記旋回体駆動用の油圧モータと、前記旋回体を前記電動モータと前記油圧モータとの複合駆動で旋回させるハイブリッド式建設機械において、
   作業の態様によってオペレータが切り替える作業モード切替手段と、前記電動モータ単独で前記旋回体を旋回させる電動単独旋回制御手段とを有し、
   前記作業モード切替手段により、高い旋回速度が要求されず、かつ位置決め精度が要求される作業モードが選択された場合に、前記旋回体の旋回駆動方式を自動的に前記電動単独旋回制御手段による旋回駆動方式に切り替える制御装置を備えた
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
2. 請求項１に記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記制御装置は、前記作業モード切替手段により、クレーン作業を実行するためのクレーンモードが選択されると、前記旋回体の旋回駆動方式を自動的に前記電動単独旋回制御手段による旋回駆動方式に切り替える
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
3. 請求項１に記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記制御装置は、作業モード毎に前記電動単独旋回制御手段の使用の有無を設定することができる
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハイブリッド式建設機械において、
   前記旋回体の駆動を指令する旋回用操作レバー装置と、
   前記旋回用操作レバー装置の操作量を検出する操作量検出手段とを備え、
   前記制御装置の前記電動単独旋回制御手段は、前記操作量検出手段が検出した前記旋回用操作レバー装置の操作量を取込み、前記旋回操作量が微小領域においては、前記電動モータと前記油圧モータとの複合駆動のときと同等の出力を目標値とし、前記操作量が最大値のときにおいては、前記電動モータの限界出力を超えない出力を目標値として、前記電動モータの出力を制御する
   ことを特徴とするハイブリッド式建設機械。

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