JP6513435B2 - ショベル - Google Patents

Description

本発明は、旋回用電動機により旋回体を旋回駆動するショベルに関する。

従来から、旋回体を旋回駆動する電動モータ（旋回用電動機）と、旋回体の駆動力を減速して伝達する減速機と、旋回体と一体に回転する回転板と固定板との摩擦係合により旋回体を旋回制動するメカニカルブレーキを備えるショベルが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のショベルでは、３段の減速部を有する減速機のうち、第１段の減速部と第２段の減速の間にメカニカルブレーキが設けられる。即ち、メカニカルブレーキは、電動モータの駆動力を第１段の減速部で減速した後の回転軸（第１段の減速部の出力軸）に制動力を負荷する。

特許第４６０８３８４号公報

しかしながら、特許文献１のように、旋回用電動機の駆動力を第１段の減速部で減速した後の回転軸にメカニカルブレーキが制動力を負荷する構成を採用すると、メカニカルブレーキは、増大したトルクに対応して、比較的大きな制動力を発生させる必要がある。そのため、メカニカルブレーキのサイズ（回転板、固定板の径、固定板を回転板に向けて押圧するピストンの大きさ、ピストンを付勢する弾性ばねの長さ、径等）が大きくなってしまうという問題がある。

一方、かかる問題に対応して、メカニカルブレーキが旋回用電動機の出力軸に制動力を負荷する構成を採用すると、旋回用電動機の出力軸は高回転で回転するため、メカニカルブレーキの回転板による潤滑油の粘性抵抗が増加し、エネルギー効率低下を招く。

そこで、上記課題に鑑み、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、メカニカルブレーキを小型化することが可能なショベルを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態において、ショベルは、
旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、
前記旋回用電動機の出力軸に接続される旋回減速機と、
前記出力軸と一体に回転するブレーキ回転板と、ブレーキ固定板との摩擦係合により、前記旋回体を旋回制動するメカニカルブレーキと、
少なくとも前記ブレーキ回転板及び前記ブレーキ固定板を収容する潤滑油室と、
前記潤滑油室の下部から前記潤滑油室の外部に連通する第１の通路と、
前記潤滑油室の上部から前記潤滑油室の外部に連通する第２の通路と、
前記潤滑油室の外部に設けられ、前記第１の通路と前記第２の通路とが接続される閉空間と、を備える。

上述の実施形態によれば、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、メカニカルブレーキを小型化することが可能なショベルを提供することができる。

ショベルの側面図である。 ショベルの構成を示すブロック図である。 ショベルの旋回駆動装置の構成を示すブロック図である。 旋回駆動装置の上面図である。 本実施形態に係る旋回駆動装置のうち、メカニカルブレーキ、第１旋回減速機、第２旋回減速機、及び第３旋回減速機を構成する部分の断面図（図４のＶ−Ｖ線断面図）である。 比較例に係る旋回駆動装置の断面図である。 旋回用電動機の出力軸が静止する状態を示す、本実施形態に係る旋回駆動装置の断面図（図４のＶＩ−ＶＩ線断面図）である。 旋回用電動機の出力軸が回転する状態を示す、本実施形態に係る旋回駆動装置の断面図（図４のＶＩ−ＶＩ線断面図）である。

図１は、本実施形態に係る旋回駆動装置４０が組み込まれるショベルを示す側面図である。

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の先端には、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端には、バケット６が取り付けられている。アタッチメントとしてのブーム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、オペレータ（操作者）が搭乗するキャビン１０が設けられ、且つエンジン１１（図２参照）等の動力源が搭載される。

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、高圧油圧ラインは太い実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は細い実線でそれぞれ示される。

機械式駆動部（メイン駆動部）であるエンジン１１と、アシスト駆動部である電動発電機１２は、減速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続される。減速機１３の出力軸には、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続される。即ち、メイン駆動部であるエンジン１１と、アシスト駆動部である電動発電機１２は、減速機１３を介して、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５を駆動する。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が接続される。また、電動発電機１２には、インバータ１８を介して、キャパシタ等の蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。

エンジン１１は、本実施形態に係るショベルの主たる動力源としての内燃機関であり、例えば、ディーゼルエンジンである。エンジン１１は、本実施形態に係るショベルの起動中において、常時運転される。

電動発電機１２は、蓄電系１２０から供給される電力により電動アシスト運転が可能な電動機の機能と、エンジン１１の動力により発電運転が可能な発電機の機能の双方を有する。本実施形態における電動発電機１２は、インバータ２０により交流駆動される。

メインポンプ１４は、高圧油圧ライン１６を介して作動油をコントロールバルブ１７に供給する油圧ポンプであり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。

パイロットポンプ１５は、パイロットライン２５を介して各種油圧制御機器にパイロット圧を供給するための油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、本実施形態に係るショベルにおける油圧系の制御を行う油圧制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）、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。また、コントロールバルブ１７には、油圧ライン２７を介して操作装置２６が接続され、操作装置２６の操作量に応じて調整されたパイロット圧（２次側パイロット圧）が供給される。コントロールバルブ１７は、操作装置２６から供給されるパイロット圧に応じて、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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の一部又は全部に対して、メインポンプ１４から供給される作動油を選択的に供給する。以下、油圧モータ１Ａ、１Ｂ、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を集合的に「油圧アクチュエータ」と称する場合がある。

操作装置２６は、各種アクチュエータ（油圧アクチュエータ、及び後述する電動アクチュエータとしての旋回用電動機２１）を操作するための操作手段である。操作装置２６は、パイロットライン２５から供給されるパイロット圧（１次側のパイロット圧）をオペレータによる操作量、操作方向等の操作内容に応じたパイロット圧（２次側のパイロット圧）に変換して出力する。操作装置２６は、油圧ライン２７、２８を介して、コントロールバルブ１７、圧力センサ２９にそれぞれ接続される。

なお、コントロールバルブ１７は、操作装置２６から出力される２次側のパイロット圧に応じて、各油圧アクチュエータに対応するスプール弁を動かし、メインポンプ１４が吐出する作動油を各油圧アクチュエータに供給する。圧力センサ２９は、操作装置２６から入力される２次側のパイロット圧を電気信号に変換し、かかる電気信号を後述するコントローラ３０に出力する。

操作装置２６は、レバー２６Ａ、２６Ｂ、及びペダル２６Ｃを含む。例えば、レバー２６Ａ、２６Ｂにより旋回機構２（後述する旋回用電動機２１）、ブーム４（ブームシリンダ７）、アーム５（アームシリンダ８）、及びバケット６（バケットシリンダ９）の操作が行われてよい。また、ペダル２６Ｃにより下部走行体１（油圧モータ１Ａ、１Ｂ）の操作が行われてよい。

また、本実施形態に係るショベルは、旋回機構２が電動化され、旋回機構２（上部旋回体３）を旋回駆動する旋回用電動機２１を有する。電動アクチュエータである旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続される。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、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。旋回機構２（上部旋回体３）を旋回駆動する本実施形態に係る旋回駆動装置４０は、旋回用電動機２１、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、旋回減速機２４等を含んで構成される。

なお、本図では、簡単のため、旋回減速機２４とメカニカルブレーキ２３を別のブロック要素として記載するが、後述するように、本実施形態におけるメカニカルブレーキ２３は、旋回減速機２４の筐体（後述する第１ギヤケース５０等）内に収容される。

旋回用電動機２１は、旋回機構２を旋回駆動する力行運転と、旋回機構２を回生制動（回生電力を発生させて旋回制動）する回生運転の双方を実現可能に構成される。旋回用電動機２１は、例えば、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モータ等により構成することができる。

レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転位置（回転角）、回転速度を検出する既知の検出手段の一例である。レゾルバ２２は、旋回用電動機２１の回転位置、回転速度に対応する検出信号をコントローラ３０に出力する。

なお、旋回用電動機２１の回転位置、回転速度を検出する検出手段としては、既知の各種センサを任意に適用することができる。

メカニカルブレーキ２３は、後述するブレーキディスク６０（ブレーキ回転板）とブレーキプレート６２（ブレーキ固定板）との摩擦係合（面接触）により、旋回機構２（上部旋回体３）を旋回制動する機械的なブレーキ装置である。メカニカルブレーキ２３は、オペレータによる操作装置２６の操作が行われない場合に、旋回用電動機２１の回転軸２１Ａを機械的に停止させ、旋回機構２（上部旋回体３）の停止状態を保持する機能を実現する。また、メカニカルブレーキ２３は、所定の条件に応じて、旋回状態にある旋回機構２（上部旋回体３）を旋回制動し、減速・停止させる。メカニカルブレーキ２３の詳細については、後述する。

旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の出力（トルク）を減速させることにより、増力させる（トルクを増大させる）手段である。旋回減速機２４は、旋回用電動機２１の出力を減速させて、旋回機構２に出力する。即ち、旋回用電動機２１は、旋回減速機２４を介して、旋回機構２（上部旋回体３）を旋回駆動する。旋回減速機２４の詳細については、後述する。

コントローラ３０は、本実施形態に係るショベルの駆動制御を行う主たる制御装置である。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上で内部メモリに格納される各種プログラムを実行することにより各種駆動制御を実現する。

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、操作装置２６で旋回機構２を旋回させる操作が行われる場合における操作量を示す信号に相当する。

なお、コントローラ３０は、レゾルバ２２から旋回用電動機２１の回転位置、回転速度等に関する信号を受信すると共に、かかる各種信号に基づき、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。

また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（力行運転（アシスト運転）及び発電運転の切り替え制御）を行うと共に、蓄電系１２０に含まれる昇降圧コンバータを駆動制御することにより蓄電系１２０内の蓄電器（キャパシタ等）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器の充電状態、電動発電機１２の運転状態（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）等に関する情報の一部又は全部に基づき、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う。これにより、蓄電器の充電又は放電を切り替える充放電制御を行うことができる。

次に、本実施形態に係る旋回駆動装置４０の構成について、説明する。

図３は、本実施形態に係る旋回駆動装置４０の構成を示すブロック図である。上述の如く、旋回駆動装置４０は、駆動力源としての旋回用電動機２１と旋回用電動機２１の回転位置等を検出するレゾルバ２２を含む。旋回用電動機２１の出力軸側に旋回減速機２４が接続される。

旋回減速機２４は、第１旋回減速機２４−１、第２旋回減速機２４−２、及び第３旋回減速機２４−３の３段構成を有する。第１旋回減速機２４−１、第２旋回減速機２４−２、及び第３旋回減速機２４−３は、それぞれ、遊星歯車減速機で構成される。より具体的に説明すると、第１段の第１旋回減速機２４−１は、旋回用電動機２１の出力軸に設けられるメカニカルブレーキ２３を間に挟んで、旋回用電動機２１に組み付けられる。また、第２段の第２旋回減速機２４−２は、第１旋回減速機２４−１に組み付けられ、第３段の第３旋回減速機２４−３は、第２旋回減速機２４−２に組み付けられる。そして、第３旋回減速機２４−３の出力軸が旋回駆動装置４０の出力軸４０Ａとなる。後述するように、メカニカルブレーキ２３と第１旋回減速機２４−１は、同一の収容部材（第１ギヤケース５０、第２ギヤケース５２等）で密閉された収容空間に収容され、高速段減速機１５０を構成する。また、第２旋回減速機２４−２と第３旋回減速機２４−３は、同一の収容部材（第３ギヤケース５４等）により密閉された収容空間に収容され、低速段減速機２００を構成する。

なお、図示は省略するが、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、図５を更に参照しながら、旋回駆動装置４０の具体的な構成について説明する。

図４は、旋回駆動装置４０の上面図であり、図中の破線は、第１旋回減速機２４−１の主要構成部品のかくれ線を表す。

図４を参照するに、かくれ線で表される主要構成部品は、第１旋回減速機２４−１の遊星歯車機構と、かかる遊星歯車機構の外周部に設けられるメカニカルブレーキ２３のスプリング６６である。遊星歯車機構は、第１旋回減速機の軸心に設けられる太陽歯車４２と、太陽歯車４２に噛み合う３つの遊星歯車４４と、遊星歯車４４に噛み合う内歯歯車４８が表される。

また、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図であり、旋回駆動装置４０のうち、メカニカルブレーキ２３、第１旋回減速機２４−１、第２旋回減速機２４−２、及び第３旋回減速機２４−３を構成する部分の断面図である。高速段減速機１５０に含まれるメカニカルブレーキ２３及び第１旋回減速機２４−１は、第１ギヤケース５０、第２ギヤケース５２等により構成される収容空間に収容される。また、低速段減速機２００に含まれる第２旋回減速機２４−２及び第３旋回減速機２４−３は、第３ギヤケース５４等により構成される収容空間に収容される。そして、高速段減速機１５０（第２ギヤケース５２）と低速段減速機２００（第３ギヤケース５４）は、図示しない締結ボルト等により結合される。

まず、高速段減速機１５０（メカニカルブレーキ２３、第１旋回減速機２４−１）について説明をする。

図５を参照するに、高速段減速機１５０は、出力軸２１ｂ、エンドプレート２１ａ、第１ギヤケース５０、第２ギヤケース５２、及び遊星キャリア４６で密閉される空間ＳＰ１を内部に有する。具体的には、出力軸２１ｂには、図示しないオイルシールが装着され、遊星キャリア４６には、ベアリング５６の下（低速段減速機２００側）にオイルシール５７が装着されることにより、空間ＳＰ１は密閉される。空間ＳＰ１は、細かいドットパターンで表される潤滑油ＬＢ１で潤滑されるブレーキディスク６０、ブレーキプレート６２、ピストン６４、太陽歯車４２、遊星歯車４４、及び遊星キャリア４６等を収容する。

メカニカルブレーキ２３を構成するディスクブレーキは、固定部である第２ギヤケース５２と旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの間に形成される。出力軸２１ｂのうち、軸方向において部分的に外径を拡大した円盤部２１ｃの外周（側面）から回転半径方向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、出力軸２１ｂ（円盤部２１ｃ）に対して回転はできないが、出力軸２１ｂの軸方向には移動可能な態様で、例えば、スプライン結合のような結合構造を介して出力軸２１ｂ（円盤部２１ｃ）に結合される。

ブレーキディスク６０の上下両側には、ブレーキプレート６２が配置される。ブレーキプレート６２は、固定部である第２ギヤケース５２に対して回転できないが、遊星キャリア４６の軸方向には移動可能な状態で、例えば、スプライン結合のような結合構造を介して第２ギヤケース５２の内面側に結合される。本実施形態では、２枚のブレーキプレート６２の間に１枚のブレーキディスク６０が挟まれる構成を採用する。しかしながら、ディスクブレーキは、かかる構成に限定されるものではない。例えば、３枚以上のブレーキプレート６２のそれぞれの間に２枚以上のブレーキディスク６０が挟まれる構成であってもよい。

最も高い（最も上方）位置にあるブレーキプレート６２の上には、ピストン６４が、出力軸２１ｂの軸方向に移動可能な態様で配置される。図中、ピストン６４は、スプリング６６により押圧されて最も高い位置にあるブレーキプレート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るが、小さな変位で高出力を得ることが可能な多段重ねの皿バネ等を用いてもよい。

なお、図４に示すとおり、スプリング６６は、旋回駆動装置４０の周方向に等角度間隔（図４の例では、３０°間隔で１２個設けられる）で全周配置されており、ピストン６４も同様に配置される。

ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２は、上述の如く、出力軸２１ｂの軸方向に移動可能である。そのため、上側のブレーキプレート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、上下のブレーキプレート６２により挟まれて押圧される。ブレーキディスク６０とブレーキプレート６２の少なくとも一方の表面は摩擦係数の大きな被膜（摩擦材）に覆われている。そして、ブレーキディスク６０がブレーキプレート６２により挟まれて押圧されること、即ち、ブレーキディスク６０とブレーキプレート６２との摩擦係合により、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。また、ブレーキディスク６０は、出力軸２１ｂに対して回転できないように結合されている。そのため、ブレーキディスク６０に作用するブレーキ力が出力軸２１ｂに加わるブレーキ力となる。これにより、上部旋回体３の旋回停止状態の保持を安定させたり、旋回状態にある上部旋回体３を減速・停止させたりすることができる。

ピストン６４と第２ギヤケース５２との間には、作動油を給排可能な油圧空間６８が形成され、油圧空間６８にブレーキ解除ポート６９が接続される。また、ピストン６４と第２ギヤケース５２との間にはＯリング等のシール部材（不図示）が配置され、油圧空間６８内の作動油が漏れ出ないようにシールしている。パイロットポンプ１５からパイロットライン２５、油圧ライン２５ａ（図２参照）等を介して油圧空間６８に作動油（パイロット圧）が供給されると、ピストン６４が油圧により押し上げられてブレーキプレート６２を押圧する力が無くなる。これにより、メカニカルブレーキ２３は、解除される。

また、第１ギヤケース５０の上面には、リング状の凹部が形成され、かかるリング状の凹部の底面に複数の貫通孔が形成される。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、第１ギヤケース５０の貫通孔から突出し、ピストン６４に形成される穴の底面に当接する。そして、第１ギヤケース５０のリング状の凹部には、スプリング押さえ部材９０が嵌合する。スプリング押さえ部材９０は、複数のボルト（不図示）により第１ギヤケース５０に締め付けられて固定される。

スプリング押さえ部材９０が第１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６６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。従って、スプリング押さえ部材９０を第１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６６はスプリング押さえ部材９０により押圧されて圧縮される。スプリング押さえ部材９０を第１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６６は、スプリング押さえ部材９０とピストン６４との間に挟まれて圧縮された状態となる。このときの各スプリング６６の復元力が、ピストン６４（すなわち、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、出力軸２１ｂに加わるブレーキ力となる。即ち、パイロットポンプ１５からの作動油の供給が停止されると共に、油圧空間６８から作動油が排出されることにより、ピストン６４がスプリング６６の作用により押し下がり、ブレーキプレート６２を押圧する。これにより、ブレーキプレート６２がブレーキディスク６０に押し付けられてブレーキ力が発生し、メカニカルブレーキ２３は、作動される。

スプリング押さえ部材９０が第１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、スプリング押さえ部材９０全体がリング状の凹部内に収容される。そのため、スプリング押さえ部材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場合もある）に当接する第１ギヤケース５０の合わせ面から突出することはない。従って、第１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、スプリング押さえ部材９０の上面にはＯリング等のシール部材（不図示）が配置され、第１ギヤケース５０内の遊星歯車４４を潤滑・冷却する潤滑油ＬＢ１が漏れ出ないようにシールしている。また、スプリング押さえ部材９０の下面にもＯリング等のシール部材（不図示）が配置され、スプリング６６が収容される部分に充填される潤滑油ＬＢ１が漏れ出ないようにシールしている。同様に、第１ギヤケース５０と第２ギヤケース５２との間にもＯリング等のシール部材（不図示）が配置され、スプリング６６が収容される部分に充填される潤滑油ＬＢ１が漏れ出ないようにシールしている。

引き続き、図５を参照して、第１旋回減速機２４−１について説明する。

第１旋回減速機２４−１を構成する遊星歯車減速機の太陽歯車４２は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂのうち、ブレーキディスク６０が設けられる円盤部２１ｃよりも下方の部分に固定される。また、太陽歯車４２は、図示しないベアリングを介して遊星キャリア４６に回転可能な態様で支持される。また、太陽歯車４２は、３つの遊星歯車４４のそれぞれに係合する。遊星歯車４４は、それぞれ、保持ピン４４ａを介して第１旋回減速機２４−１の出力軸を構成する遊星キャリア４６に回転可能な態様で支持される。そして、各遊星歯車４４は、第２ギヤケース５２の内面に形成される内歯歯車４８に係合する。

内歯歯車４８が形成される第２ギヤケース５２は、第１ギヤケース５０を介して、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａに固定されるため、自ら回転することはできない。一方、出力軸を構成する遊星キャリア４６は、第２ギヤケース５２に対して、ベアリング５６を介して回転可能に支持される。

第１旋回減速機２４−１に含まれる太陽歯車４２、遊星歯車４４、及び内歯歯車４８は、例えば、はすば歯車として構成されてよい。第１旋回減速機２４−１は、旋回用電動機２１の回転駆動力が入力され、回転速度が比較的速い状態であるため、はすば歯車とすることにより歯当たりによる騒音を低減することができる。

なお、第１旋回減速機２４−１は、各歯車を潤滑するための潤滑油ＬＢ１が、旋回用電動機２１のエンドプレート２１ａ、出力軸２１ｂ、第１ギヤケース５０、第２ギヤケース５２、及び遊星キャリア４６等によって密閉される構造になっている。

以上のような構成の第１旋回減速機２４−１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は第２ギヤケース５２の内面に形成される内歯歯車４８に係合しており、遊星歯車４４の回転力で内歯歯車４８が形成される第２ギヤケース５２が回転しようとする。ところが、第２ギヤケース５２は、第１ギヤケース５０を介して、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、回転することができない。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る遊星キャリア４６が回転する。即ち、３つの遊星歯車４４は、それぞれ、自転しながら公転することによって遊星キャリア４６を回転させる。かかる歯車作用により、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転が減速されて遊星キャリア４６から出力される。

次に、低速段減速機２００（第２旋回減速機２４−２、第３旋回減速機２４−３）について説明をする。

低速段減速機２００は、遊星キャリア４６、第２ギヤケース５２、第３ギヤケース５４、及び遊星キャリア１０６で密閉される空間ＳＰ２を有する。具体的には、遊星キャリア４６には、太陽歯車８２の上（高速段減速機１５０側）にオイルシール５７が装着され、遊星キャリア１０６には、図示しないオイルシールが装着されることにより、空間ＳＰ２は密閉される。空間ＳＰ２は、粗いドットパターンで表される潤滑油ＬＢ２で潤滑される太陽歯車８２、１０２、遊星歯車８４、１０４、及び、遊星キャリア８６、１０６等を収容する。

なお、潤滑油ＬＢ２は、オイルシール５７によって潤滑油ＬＢ１から隔離される。また、潤滑油ＬＢ２は、潤滑油ＬＢ１と同じ種類の潤滑油であってもよいし、異なる種類の潤滑油であってもよい。例えば、旋回駆動装置４０は、高回転用の潤滑油ＬＢ１を、低回転用の潤滑油ＬＢ２とは異なる種類の潤滑油としてもよい。

第２旋回減速機２４−２を構成する遊星歯車減速機の太陽歯車８２は、第１旋回減速機２４−１の出力軸としての遊星キャリア４６に固定される。また、太陽歯車８２は、３つの遊星歯車８４のそれぞれに係合する。遊星歯車８４は、それぞれ、保持ピン８４ａを介して第２旋回減速機２４−２の出力軸を構成する遊星キャリア８６に回転可能な態様で支持される。そして、各遊星歯車８４は、第３ギヤケース５４の内面に形成される内歯歯車８８に係合する。

内歯歯車８８が形成される第３ギヤケース５４は、上述の如く、第２ギヤケース５２に固定されており、自ら回転することはできない。一方、出力軸を構成する遊星キャリア８６は、第３ギヤケース５４には支持固定されず、後述する第３旋回減速機２４−３の太陽歯車１０２を介して遊星歯車１０４と係合することにより回転可能となっている。

第２旋回減速機２４−２に含まれる太陽歯車８２、遊星歯車８４、及び内歯歯車８８は、平歯車として構成される。第２旋回減速機２４−２には、旋回用電動機２１の回転駆動力を第１旋回減速機２４−１により減速した動力が入力されるため、回転速度は減速され、歯当たりによる騒音は低減される。よって、平歯車を用いることによりコストを抑制することができる。

以上のような構成の第２旋回減速機２４−２において、第１旋回減速機２４−１の出力軸としての遊星キャリア４６が回転して太陽歯車８２が回転すると、遊星歯車８４が回転（自転）する。遊星歯車８４は、第３ギヤケース５４の内面に形成される内歯歯車８８に係合しており、遊星歯車８４の回転力で内歯歯車８８が形成される第３ギヤケース５４が回転しようとする。ところが、第３ギヤケース５４は、第２ギヤケース５２に固定されているので、回転することができない。その結果、遊星歯車８４を支持しながら自ら回転可能に支持される遊星キャリア８６のほうが回転する。即ち、３つの遊星歯車８４は、それぞれ、自転しながら公転することによって遊星キャリア８６を回転させる。かかる歯車作用により、第１旋回減速機２４−１の出力軸としての遊星キャリア４６の回転が減速されて遊星キャリア８６から出力される。

なお、遊星キャリア８６は、第２旋回減速機２４−２の出力軸を構成する。

第３旋回減速機２４−３を構成する遊星歯車減速機の太陽歯車１０２は、第２旋回減速機２４−２の出力軸としての遊星キャリア８６に固定される。また、太陽歯車１０２は、３つの遊星歯車１０４のそれぞれに係合する。遊星歯車１０４は、それぞれ、保持ピン１０４ａを介して第３旋回減速機２４−３の出力軸を構成する遊星キャリア１０６に回転可能な態様で支持される。そして、各遊星歯車１０４は、第３ギヤケース５４の内面に形成される内歯歯車１０８に係合する。

内歯歯車１０８が形成される第３ギヤケース５４は、上述の如く、第２ギヤケース５２に固定されており、自ら回転することはできない。一方、出力軸を構成する遊星キャリア１０６は、第３ギヤケース５４に対して、ベアリング１１０を介して回転可能に支えられる。

第３旋回減速機２４−３に含まれる太陽歯車１０２、遊星歯車１０４、及び内歯歯車１０８は、平歯車として構成される。第３旋回減速機２４−３には、旋回用電動機２１の回転駆動力を第１旋回減速機２４−１、第２旋回減速機２４−２により減速した動力が入力されるため、回転速度は更に減速され、歯当たりによる騒音は更に低減される。よって、平歯車を用いることによりコストを抑制することができる。

以上のような構成の第３旋回減速機２４−３において、第２旋回減速機２４−２の出力軸としての遊星キャリア８６が回転して太陽歯車１０２が回転すると、遊星歯車１０４が回転（自転）する。遊星歯車１０４は、第３ギヤケース５４の内面に形成される内歯歯車１０８に係合しており、遊星歯車１０４の回転力で内歯歯車１０８が形成される第３ギヤケース５４が回転しようとする。ところが、第３ギヤケース５４は、第２ギヤケース５２に固定されているので、回転することができない。その結果、遊星歯車１０４を支持しながら自ら回転可能に支持される遊星キャリア１０６のほうが回転する。即ち、３つの遊星歯車１０４は、それぞれ、自転しながら公転することによって遊星キャリア１０６を回転させる。かかる歯車作用により、第２旋回減速機２４−２の出力軸としての遊星キャリア８６の回転が減速されて遊星キャリア１０６から出力される。

なお、遊星キャリア１０６は、第３旋回減速機２４−３の出力軸、即ち、旋回減速機２４の出力軸４０Ａを構成する。

かかる構成により、旋回駆動装置４０は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転速度を減じて出力軸４０Ａのトルクを増大させることができる。

具体的には、出力軸２１ｂの時計回りの高速・低トルクの回転に応じて、遊星歯車４４を反時計回りに自転させながら時計回りに公転させ、遊星キャリア４６を時計回りに回転させる。そして、旋回駆動装置４０は、遊星キャリア４６の時計回りの回転に応じて、遊星歯車８４を反時計回りに自転させながら時計回りに公転させ、遊星キャリア８６を時計回りに回転させる。さらに、旋回駆動装置４０は、遊星キャリア８６の時計回りの回転に応じて、遊星歯車１０４を反時計回りに自転させながら時計回りに公転させ、遊星キャリア１０６、すなわち、出力軸４０Ａを時計回りに低速・高トルクで回転させる。出力軸２１ｂが反時計回りに回転する場合も、各歯車の回転方向が逆になることを除き、同様である。

ここで、図６に示す比較例に係る旋回駆動装置４０Ｃと比較しながら、本実施形態に係るメカニカルブレーキ２３の特徴について説明する。

図６は、比較例に係る旋回駆動装置４０Ｃの断面図である。

なお、比較例に係る旋回駆動装置４０Ｃは、本実施形態と同様の性能（制動性能等）を有し、上述した高速段減速機１５０の代わりに、高速段減速機１５０Ｃを備える点において、本実施形態に係る旋回駆動装置４０と異なる。

図６に示すように、比較例に係る旋回駆動装置４０Ｃは、旋回用電動機２１の駆動力を、第１旋回減速機２４−１及びメカニカルブレーキ２３Ｃを含む高速段減速機１５０Ｃと低速段減速機２００で減速して上部旋回体３を旋回駆動する構成を有する。

高速段減速機１５０Ｃは、本実施形態と異なり、メカニカルブレーキ２３Ｃが第１旋回減速機２４−１Ｃ（太陽歯車４２Ｃ、遊星歯車４４Ｃ、内場歯車４８Ｃ）の後段に設けられる。即ち、メカニカルブレーキ２３Ｃは、第１旋回減速機２４−１Ｃの出力軸である遊星キャリア４６Ｃと固定部である第２ギヤケース５２Ｃの間に設けられる。

メカニカルブレーキ２３Ｃは、遊星キャリア４６Ｃの外周面（円盤部の側面）から回転半径方向外側に延在するブレーキディスク６０Ｃと、第２ギヤケース５２Ｃから回転半径方向内側に延在するブレーキプレート６２Ｃを含む。ブレーキディスク６０Ｃの上下両面には、ブレーキプレート６２Ｃが配置され、本実施形態と同様、最も高い位置にあるブレーキプレート６２Ｃが、スプリング６６Ｃの付勢力に応じてピストン６４Ｃで押圧されることにより、遊星キャリア４６Ｃにブレーキ力を加える。これにより、上部旋回体３を旋回制動することができる。

なお、本実施形態と同様、ブレーキディスク６０Ｃ及びブレーキプレート６２Ｃの少なくとも一方の表面は、摩擦材に覆われている。

このように、比較例に係る旋回駆動装置４０Ｃにおけるメカニカルブレーキ２３Ｃは、本実施形態と異なり、第１旋回減速機２４−１Ｃの出力軸（遊星キャリア４６Ｃ）の減速された回転を制動する構成を有する。よって、遊星キャリア４６Ｃから出力されるトルクは、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂよりも増大するため、メカニカルブレーキ２３Ｃは、出力軸２１ｂの回転を制動する場合よりも大きな制動トルクを発生させる必要が生じる。そのため、メカニカルブレーキ２３Ｃは、本実施形態に係るメカニカルブレーキ２３よりも必然的に大型化する。

例えば、図６に示すように比較例では、より大きな制動トルクを発生させるため、比較的外径の大きいブレーキディスク６０Ｃ及びブレーキプレート６２Ｃを採用する必要がある。また、比較例では、摩擦係合面を増加させるため、３枚のブレーキプレート６２Ｃのそれぞれの間に２枚のブレーキディスク６０Ｃが挟まれる構成を採用する必要がある、即ち、より多くのブレーキディスク６０Ｃ、ブレーキプレート６２Ｃを配置する必要がある。また、比較例では、ブレーキプレート６２Ｃをブレーキディスク６０Ｃに向けて押圧する力を増加させるため、比較的大きなピストン６４Ｃやスプリング６６Ｃを採用する必要がある。

これに対して、本実施形態に係るメカニカルブレーキ２３では、第１旋回減速機２４−１により減速される前の出力軸２１ｂの回転を制動する構成を採用するため、比較的小さい制動トルクが発生できればよい。そのため、メカニカルブレーキ２３を小型化することができる。

例えば、図５に示すように、本実施形態では、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２の外径を比較的小さくすることができる。また、本実施形態では、１枚のブレーキディスク６０及びかかるブレーキディスク６０を挟む２枚のブレーキプレート６２のように、簡素な構成を採用することができる。また、本実施形態では、比較的小さいピストン６４、スプリング６６を採用することができる。

次に、図７、８を参照しながら、旋回駆動装置４０における潤滑油の動きについて説明する。

図７は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが静止する状態を示す、本実施形態に係る旋回駆動装置４０の断面図（図４のＶＩ−ＶＩ線断面図）である。図８は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが回転する状態を示す、本実施形態に係る旋回駆動装置４０の断面図（図４のＶＩ−ＶＩ線断面図）である。

旋回駆動装置４０は、上述の如く、出力軸２１ｂ、エンドプレート２１ａ、第１ギヤケース５０、第２ギヤケース５２、及び遊星キャリア４６で密閉される空間ＳＰ１を有する。かかる空間ＳＰ１は、第１連通路７２ａ及び第２連通路７２ｂを含む循環路７２を介してバッファタンク７０に接続される。

第１連通路７２ａは、空間ＳＰ１の下部から第２ギヤケース５２の外部に連通し、バッファタンク７０の下部に接続する潤滑油ＬＢ１の流路である。第１連通路７２ａは、遊星キャリア４６と同等の高さ位置で空間ＳＰ１と接続される。

第２連通路７２ｂは、空間ＳＰ１の上部から第１ギヤケース５０の外部に連通し、バッファタンク７０の上部に接続する潤滑油ＬＢ１の流路である。第２連通路７２ｂは、油面レベルＬ１よりも高い位置でバッファタンク７０に接続され、メカニカルブレーキ２３の配置される位置（ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２）よりも高い位置で空間ＳＰ１と接続される。

なお、バッファタンク７０における第２連通路７２ｂの接続位置は、調整可能に構成されてもよい。

図７に示すように、出力軸２１ｂが静止している場合におけるバッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１の油面に相当する油面レベルＬ１は、エンドプレート２１ａの底面よりも高い位置にある。即ち、出力軸２１ｂが静止している場合、空間ＳＰ１は、潤滑油ＬＢ１で満たされる状態にある。

一方、図８に示すように、出力軸２１ｂが回転している場合、空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１は、回転する遊星キャリア４６による遠心ポンプ作用により、空間ＳＰ１の下部に形成される流出孔を通じて循環路７２（第１連通路７２ａ）に送り込まれる。そして、第１連通路７２ａに送り込まれた潤滑油ＬＢ１は、バッファタンク７０に排出される。

なお、図８の破線矢印は、潤滑油ＬＢ１の流れを表す。

また、空間ＳＰ１は、潤滑油ＬＢ１の一部が第１連通路７２ａを通じてバッファタンク７０に排出されるため、第２連通路７２ｂを通じてバッファタンク７０内の空気を引き込む。その結果、空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転によって撹拌されて、すり鉢状の油面Ｌ２を形成する。

その後、空間ＳＰ１から排出される潤滑油ＬＢ１によって、バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１の油面は、第２連通路７２ｂより上の油面レベルＬ３に達する。この場合、バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１は、第２連通路７２ｂ及び空間ＳＰ１の上部に形成される流入孔を通じて空間ＳＰ１に流入する。

なお、バッファタンク７０から空間ＳＰ１に流入する潤滑油ＬＢ１は、ブレーキディスク６０、ブレーキプレート６２、内歯歯車４８、遊星歯車４４、太陽歯車４２、及び遊星キャリア４６を潤滑した後、すり鉢状の油面Ｌ２を形成する空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１に合流する。

その後、出力軸２１ｂの回転が停止すると、すり鉢状の油面Ｌ２を形成していた空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１は、空間ＳＰ１内で水平な油面を形成する。そして、遊星キャリア４６による遠心ポンプ作用が消失するため、バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１は、その油面が油面レベルＬ３より低くなるまで、第１連通路７２ａ及び第２連通路７２ｂを通って空間ＳＰ１に戻る。また、バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１は、その油面が油面レベルＬ３より低くなった後は、その油面が油面レベルＬ１（図６参照）に達するまで、第１連通路７２ａを通って空間ＳＰ１に戻る。バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１の油面が油面レベルＬ１に達すると、空間ＳＰ１は潤滑油ＬＢ１で満たされた状態となり、太陽歯車４２、遊星歯車４４、遊星キャリア４６、及び内歯歯車４８は潤滑油ＬＢ１に完全に浸された状態となる。

このように、本実施形態に係る旋回駆動装置４０は、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが回転する際に空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１をバッファタンク７０に排出して空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１の量を減少させる。これにより、上述の如く、空間ＳＰ１の上部に空気が引き込まるため、空間ＳＰ１の上部に位置するブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２は、大部分が空気内に含まれる態様で回転することができる。即ち、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２が旋回用電動機２１の出力軸２１ｂと一体に高速回転する態様であっても、潤滑油ＬＢ１による粘性抵抗を大きく抑制することができる。そのため、本実施形態のように、高速回転する旋回用電動機２１の出力軸２１ｂの回転を制動するメカニカルブレーキ２３の構成を採用する場合であっても、潤滑油ＬＢ１の粘性抵抗によるエネルギー効率の低下を抑制することができる。つまり、本実施形態に係る旋回駆動装置４０は、エネルギー効率の低下を抑制しつつ、メカニカルブレーキ２３を小型化することができる。

また、旋回駆動装置４０は、遊星キャリア４６等の回転による遠心ポンプ作用により、空間ＳＰ１の下部にある潤滑油ＬＢ１をバッファタンク７０に排出する。そして、旋回駆動装置４０は、バッファタンク７０内の潤滑油ＬＢ１を空間ＳＰ１の上部に戻す。その結果、旋回駆動装置４０は、空間ＳＰ１内の潤滑油ＬＢ１の量を過度に減少させることなく、太陽歯車４２、遊星歯車４４、遊星キャリア４６、及び内歯歯車４８を確実に潤滑できる。

また、第２連通路７２ｂと空間ＳＰ１の接続部分である潤滑油ＬＢ１の流入口は、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２より上方に位置するため、第２連通路７２ｂから空間ＳＰ１流入する潤滑油ＬＢ１がブレーキディスク６０、ブレーキプレート６２も潤滑する。そのため、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２の油膜切れにより、メカニカルブレーキ２３の旋回制動性能が低下するような事態も回避することができる。

なお、旋回用電動機２１の出力軸２１ｂが停止すると、上述の如く、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２は、潤滑油ＬＢ１に浸る状態に戻るため、かかる点においても油膜切れが防止される。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、本実施形態に係るショベルは、旋回駆動装置を駆動する電力を供給する蓄電装置を有するショベルであるが、かかる構成には限定されず、外部電源から旋回駆動装置を駆動する電力が供給される電気駆動式ショベルであってもよい。

また、上述した実施形態では、メカニカルブレーキ２３（ブレーキディスク６０、ブレーキプレート６２）が潤滑油に満たされる潤滑油室（空間ＳＰ１）には、第１旋回減速機２４−１も収容されるが、かかる構成には限定されない。即ち、潤滑油室内には、少なくともブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２が含まれ、旋回駆動装置４０の回転による遠心ポンプ作用により、かかる潤滑油室の上部に空気が引き込まれる作用が実現されればよい。例えば、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２が収容される潤滑油室と、第１旋回減速機２４−１（太陽歯車４２、遊星歯車４４、内場歯車４８）が収容される潤滑油室は、分離されてもよい。また、ブレーキディスク６０及びブレーキプレート６２が収容される潤滑油室には、第１旋回減速機２４−１のみならず、第２旋回減速機２４−２（太陽歯車８２、遊星歯車８４、内場歯車８８）、第３旋回減速機２４−３（態様歯車１０２、遊星歯車１０４、内場歯車１０８）が含まれてもよい。

１ 下部走行体
１Ａ、１Ｂ 油圧モータ
２ 旋回機構
３ 上部旋回体（旋回体）
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
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 減速機
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、２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２１ａ エンドプレート
２１ｂ 出力軸
２１ｃ 円盤部
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回減速機
２４−１ 第１旋回減速機
２４−２ 第２旋回減速機
２４−３ 第３旋回減速機
２５ パイロットライン
２５ａ 油圧ライン
２６ 操作装置
２６Ａ、２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７、２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
４０ 旋回駆動装置
４０Ａ 出力軸
４２ 太陽歯車
４４ 遊星歯車
４４ａ 保持ピン
４６ 遊星キャリア
４６ａ 切欠き部（低強度部）
４８ 内歯歯車
５０ 第１ギヤケース
５２ 第２ギヤケース
５４ 第３ギヤケース
５６ ベアリング
５７ オイルシール
６０ ブレーキディスク（ブレーキ回転板）
６２ ブレーキプレート（ブレーキ固定板）
６４ ピストン
６６ スプリング
６８ 油圧空間
６９ ブレーキ解除ポート
７０ バッファタンク
７２ 循環路
７２ａ 第１連通路（第１の通路）
７２ｂ 第２連通路（第２の通路）
８２ 太陽歯車
８４ 遊星歯車
８４ａ 保持ピン
８６ 遊星キャリア
８８ 内歯歯車
９０ スプリング押さえ部材
１０２ 太陽歯車
１０４ 遊星歯車
１０４ａ 保持ピン
１０６ 遊星キャリア
１０８ 内歯歯車
１１０ ベアリング
１２０ 蓄電系
１５０ 高速段減速機
２００ 低速段減速機
ＬＢ１、ＬＢ２ 潤滑油

Claims (4)

1. 旋回体を旋回駆動する旋回用電動機と、
   前記旋回用電動機の出力軸に接続される旋回減速機と、
   前記出力軸と一体に回転するブレーキ回転板と、ブレーキ固定板との摩擦係合により、前記旋回体を旋回制動するメカニカルブレーキと、
   少なくとも前記ブレーキ回転板及び前記ブレーキ固定板を収容する潤滑油室と、
   前記潤滑油室の下部から前記潤滑油室の外部に連通する第１の通路と、
   前記潤滑油室の上部から前記潤滑油室の外部に連通する第２の通路と、
   前記潤滑油室の外部に設けられ、前記第１の通路と前記第２の通路とが接続される閉空間と、を備える、
   ショベル。
2. 前記潤滑油室内の潤滑油は、
   前記旋回用電動機の回転に伴う遠心ポンプ作用により前記第１の通路を通じて前記閉空間内に送り込まれる、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記旋回用電動機の静止状態における前記閉空間内の油面は、
   前記潤滑油室内の最上位置より高くなるように設定され、
   前記第２の通路と前記閉空間の接続する部分は、
   前記旋回用電動機の静止状態における前記閉空間内の油面より上方に設けられる、
   請求項１又は２に記載のショベル。
4. 前記第２の通路と前記潤滑油室が接続する部分は、
   前記ブレーキ回転板及び前記ブレーキ固定板よりも上方に位置する、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。

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