JP2011017431A

JP2011017431A - 電動油圧旋回駆動装置

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Publication number: JP2011017431A
Application number: JP2009177012A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshimatsu; 英昭吉松
Original assignee: HY KK
Current assignee: HY KK
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】慣性の大きな建設機械の旋回駆動装置において、操作レバーを急に中立に戻して減速する通常の運転操作を行った場合にも、制動時に動力回生可能な電動油圧旋回駆動装置を提供する。
【解決手段】油圧ポンプと油圧モータとで油圧閉回路を構成し、油圧ポンプを駆動する電動機の回転速度を可変制御し、油圧ポンプの回転方向を１方向とし、油圧ポンプの吐出量をコントロールバルブによって方向切換して油圧ポンプと油圧モータの接続を切換え、操作手段を中立に戻して旋回作動を制動する際に、操作手段の操作量と油圧モータの回転検出手段の検出値に応じて油圧モータから流出する作動油をコントロールバルブによって油圧ポンプの吸入部に接続するように制御し、電動機によって動力回生制動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動油圧で駆動する建設機械の旋回駆動装置に関する。

油圧ショベルの旋回作動のように大きな慣性質量を有する慣性体を作動させる駆動装置には、油圧ポンプや油圧モータを用いた油圧駆動装置が多く採用されている。近年、油圧エネルギーを制御弁で絞り捨てるためにエネルギー損失が大きい油圧駆動装置を用いた油圧駆動方式に替えて、エネルギー損失の少ない電動機で慣性体の作動を制御する電動駆動方式が採用されつつある。電動駆動方式は、慣性体を減速するときに、電動機を発電機として動力回生できる利点もある。

しかしながら、電動機の体積は油圧モータの体積よりも遙かに大きいので、電動駆動方式の採用には、油圧ショベルの定められた空間へ搭載するのが難しくなるという問題がある。特にミニショベルと呼ばれる小型のショベルにおいては、運転席のフロアプレートの下に旋回用油圧モータと減速機が搭載されており、上下方向に全く余裕がない。上記のような電動駆動方式を採用する場合には、フロアプレートを突き破って電動機を設置するか、フロアプレートの高さを高くして運転席を上に持ち上げるかなどの対策が必要となる。前者の場合には運転席のそばに突出物ができて運転操作の邪魔になり、後者の場合には運転席が高くなって安定が悪くなり、いずれの場合もミニショベルとしての使い勝手が大きく低下する。

このような問題を解決するために、図７に示すように旋回用油圧ポンプの駆動を電動機で可変速制御して損失低減し、油圧モータやコントロールバルブは従来の油圧駆動装置と同様に行う電動油圧駆動装置がある。

また、油圧シリンダをアクチュエータとして電動油圧閉回路を構成し、油圧シリンダの負荷を制動する際に電動機で動力回生する手段がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１５７４０７号公報

図７に示すような、旋回用油圧ポンプの駆動を電動機で可変速制御して、油圧モータやコントロールバルブを従来の油圧駆動装置と同様にした開回路の電動油圧駆動装置の場合には、油圧モータをフロアプレートの下に収納できるというメリットがあるが、旋回作動を制動する際に動力回生ができないという問題がある。すなわち、電動機で油圧ポンプを駆動して、旋回駆動に必要な流量を油圧モータに供給することにより、旋回加速時に無駄な流量をブレーキ弁からリリーフするという損失を低減することができる。しかし、旋回減速時には、コントロールバルブを中立に戻して油圧モータからの作動油の流出を遮断し、ブレーキ弁によってリリーフさせることにより制動トルクを発生させるので、動力回生することができない。

特許文献１に記載された手段の場合には、（図示していない）操作レバーの操作で切換制御弁をゆっくりと戻し、流量制御（＝シリンダの速度制御）を行いながら油圧シリンダの作動を制御するので、外力によってシリンダが駆動されている場合に動力回生制動を行うことが可能である。しかし、操作レバーを急操作して中立に戻した場合には、切換制御弁も急激に中立に戻って動力回生制動することができない。ただ、そのような急停止を行うと非常に大きな衝撃が発生して、建設機械の後端が浮き上がってしまうことになるので、通常はそのような運転操作をすることはない。

上記の手段を、アクチュエータを油圧シリンダから油圧モータに変えて建設機械の旋回に適用すると、旋回負荷は慣性の大きな負荷であるために、旋回作動を停止するために操作レバーを中立に戻して制動すると、切換制御弁が中立位置に戻ってしまってブレーキ弁が作動し、油圧ポンプに作動油が戻らなくなり、電動機による回生制動ができなくなるという問題が同様に生じる。ブームシリンダの操作方法と異なって、旋回の運転操作の場合には、操作レバーを中立に戻してブレーキ弁を作動させ、その設定圧力で定まる油圧モータトルクで旋回制動を行うのは通常の運転方法である。

そこで、本発明の課題は、慣性の大きな建設機械の旋回駆動装置において、操作レバーを急に中立に戻して減速する通常の運転操作を行った場合にも、制動時に動力回生可能な電動油圧旋回駆動装置を提供することである。

（１）上記の課題を解決するために、本発明の電動油圧旋回駆動装置は、油圧ポンプと油圧モータとで油圧閉回路を構成し、前記油圧ポンプを駆動する電動機の回転速度を可変制御することによって前記油圧ポンプの吐出量を可変制御し、前記油圧ポンプの回転方向を１方向とし、前記油圧ポンプの吐出量をコントロールバルブによって方向切換することによって前記油圧ポンプと前記油圧モータの接続を切換え、前記油圧モータの回転状態を検出する回転検出手段を設けた建設機械の旋回駆動装置において、操作手段を中立に戻して旋回作動を制動する際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって前記油圧ポンプの吸入部に接続するように制御し、前記電動機によって動力回生制動することを特徴とする構成を採用した。

（２）また、本発明の電動油圧旋回駆動装置は、前記旋回作動を停止保持している際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって遮断することを特徴とする構成を採用した。

（１）本発明の電動油圧旋回駆動装置は、油圧ポンプと油圧モータとで油圧閉回路を構成し、前記油圧ポンプを駆動する電動機の回転速度を可変制御することによって前記油圧ポンプの吐出量を可変制御し、前記油圧ポンプの回転方向を１方向とし、前記油圧ポンプの吐出量をコントロールバルブによって方向切換することによって前記油圧ポンプと前記油圧モータの接続を切換え、前記油圧モータの回転状態を検出する回転検出手段を設けた建設機械の旋回駆動装置において、操作手段を中立に戻して旋回作動を制動する際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって前記油圧ポンプの吸入部に接続するように制御し、前記電動機によって動力回生制動することにより、旋回加速時にも、従来装置のように電動機で油圧ポンプを駆動して、旋回駆動に必要な流量を油圧モータに供給し、無駄な流量を旋回ブレーキ弁からリリーフするという損失を低減することができるだけではなく、旋回制動時に油圧モータから流出する作動油を油圧ポンプで吸入し、電動機で回生制動して発電することが可能となって、省エネルギー効果が大きくなるという効果がある。

（２）また、本発明の電動油圧旋回駆動装置は、前記旋回作動を停止保持している際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって遮断することにより、旋回作動の停止保持をコントロールバルブで行うことが可能となり、油圧ポンプおよび電動機の動力回生制動によらなくて済むという効果がある。

たとえば、油圧ショベルの掘削時には、掘削力の旋回方向分力によって旋回トルクが発生する。旋回駆動系には機械式のパーキングブレーキが備えられ、旋回の停止保持を行う。しかし、掘削力の旋回方向分力によってパーキングブレーキがスリップして摩耗するのを防止するために、掘削時にはパーキングブレーキを解除するようになっている。従来の開回路油圧駆動装置の場合には、コントロールバルブによって油圧モータへの流入・流出ポートは遮断されているため、油圧モータからの作動油の流出を遮断して油圧モータに制動トルクが生じる。しかし、油圧ポンプと油圧モータとからなる通常の閉回路駆動装置をそのまま旋回に適用すると、油圧ポンプのポートと油圧モータのポートは管路で直接接続されるので、上記のような旋回トルクで発生する圧力を油圧ポンプで受けることになる。制動トルクなので動力回生が可能であるが、速度はごく低速で少量だけ動くのであって、回生できる動力の大きさはごく僅かである。動力回生によって旋回トルクの大きさに応じた回生電流が油圧ポンプを駆動する電動機やインバータに流れることになり、内部抵抗で発熱して電動機やインバータの温度が上がる。電動機やインバータの使用デューティは温度で決まるので、回生動力が無いに等しいにも拘わらず機器の温度が上昇するのは好ましくない。油圧モータが停止している際に、油圧モータから流出する作動油をコントロールバルブによって遮断することにより、旋回作動の停止保持をコントロールバルブで行い、油圧ポンプへ圧力がかからないようにできる。その結果、電動機やインバータが効果無く不要に動力回生作動するのを減らすことができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る電動油圧旋回駆動装置を組み込んだ油圧ショベルを示す。この油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体２０と、下部走行体２０の上で左右に旋回作動する慣性体としての上部旋回体３０と、この旋回体３０の前部に装着された慣性体としての掘削アタッチメント４０とから成る。下部走行体２０は、走行用油圧モータ２１と減速機２２で左右のクローラ２３が個別に駆動されて走行する。また、掘削アタッチメント４０は、ブーム４１、アーム４２およびバケット４３と、これらを作動させるブームシリンダ４１ａ、アームシリンダ４２ａおよびバケットシリンダ４３ａを具備している。

前記旋回体３０には、旋回電動機３１、油圧ポンプ３２、メイン電動ポンプ３３、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置３４、および、旋回体３０を旋回動作させる油圧モータ１と減速機２が搭載されている。減速機構の最終段では、減速機２の出力軸ピニオンが旋回ベアリング３６のインターナルギアと噛み合って旋回体３０を旋回させる。メイン電動ポンプ３３の吐出油は、走行用油圧モータ２１とブーム４１、アーム４２およびバケット４３の各シリンダ４１ａ、４２ａ、４３ａに、それぞれ制御弁を介して供給される。

図２は、本発明の電動油圧旋回駆動装置の実施例を油圧回路図によって示したものである。旋回電動機３１と油圧ポンプ３２は駆動軸で連結されて、一方向に回転する。旋回電動機３１は図３に示すインバータ１３によって可変速制御される。油圧ポンプは作動油タンク９から作動油を吸入して、コントロールバルブ５を介して油圧モータ１を駆動する。コントロールバルブ５が中立位置５ｃでは、油圧モータ１への作動油の流入・流出は遮断されている。パイロットラインａが加圧されるとコントロールバルブ５は左位置５ａに切換わり、油圧ポンプ３２の吐出油は油圧モータ１のＡポートに導かれて、油圧モータ１は回転（右回転とする）する。油圧モータ１のＢポートから流出した作動油は、コントロールバルブ５を通って油圧ポンプ３２の吸入ポート３２Ｓに導かれる。パイロットラインｂが加圧されるとコントロールバルブ５は右位置５ｂに切換わり、油圧ポンプ３２の吐出油は油圧モータ１のＢポートに導かれて、油圧モータ１は左回転する。油圧モータ１のＡポートから流出した作動油は、コントロールバルブ５を通って油圧ポンプ３２の吸入ポート３２Ｓに導かれる。パイロットラインａ、ｂは、電磁弁６ａ、６ｂによって制御される。電磁弁が中立（非励磁）では加圧なし、電磁弁が励磁されると切換わって、それぞれ接続しているパイロットポートを加圧する。ブレーキ弁４とメインリリーフ弁７は開回路旋回駆動装置と同一の構造のものであるが、通常の加速・減速の際にリリーフ弁機能は作動せず、非常時用として使われる。チェック弁８はロードチェック弁である。チェック弁１０、１１は、油圧ポンプ３２の吸入ポート３２Ｓあるいは吐出ポート３２Ｄが負圧になった際に、作動油タンク９から作動油を吸入するためのものである。回転検出手段３は油圧モータの回転を検出するもので、ロータリエンコーダやパルスカウンタ、あるいはタコジェネレータなどの通常の回転センサである。演算により回転方向と回転速度が検出される。

図３は、本発明の電動油圧旋回駆動装置の制御ブロック図である。駆動時には蓄電装置３４から順に、インバータ１３→旋回電動機３１→油圧ポンプ３２→コントロールバルブ５→油圧モータ１→旋回減速機２→旋回体３０へと動力が流れる。制動時には逆方向に動力が流れて動力回生し、蓄電装置３４に電力が充電される。操作手段５１の操作量Ｘと回転検出手段３の検出値Ｎがコントローラ１２に入力される。コントローラ１２はそれらの信号を演算して、旋回電動機３１を制御するインバータ１３に制御信号Ｍを、電磁弁６ａ、６ｂに制御信号Ｖａ、Ｖｂを、図示しない旋回パーキングブレーキに解除信号をそれぞれ出力する。制御信号Ｍは電動機３１の速度指令値の場合もあるし（例えば、特開２００１−１０７８３）、あるいは電動機３１のトルク指令値の場合もある（例えば、ＷＯ２００８／０４１３９５Ａ１）。いずれの場合も、制御信号Ｍと制御信号Ｖａ、Ｖｂは、操作手段５１の操作量Ｘと回転検出手段３の検出値Ｎとに応じて演算される。電磁弁６ａ、６ｂは制御信号Ｖａ、Ｖｂによって開閉制御される。

図４は操作手段５１の操作量Ｘと、インバータ１３への制御信号Ｍおよび電磁弁６ａ、６ｂへの制御信号Ｖａ、Ｖｂとの関係を表す。操作量Ｘは０点を挟んで−Ｘ２からＸ２の間が中立範囲であり、この範囲では制御信号Ｍはゼロである。Ｘの絶対値がＸ２より大きくなると制御信号Ｍが大きくなり、さらに（図４には表していないが）回転検出手段３の検出値Ｎに応じて制御信号Ｍが変化する。電磁弁６ａへの制御信号Ｖａは、操作量Ｘが中立範囲内のＸ１以上になると出力されて電磁弁６ａが切換わる。電磁弁６ｂへの制御信号Ｖｂは、操作量Ｘの絶対値が中立範囲内のＸ１以上になると出力されて電磁弁６ｂが切換わる。電磁弁６ａ、６ｂが中立位置に戻るのは、図５に示すように、操作量Ｘが−Ｘ１からＸ１内の値になり、さらに回転検出手段３の検出値Ｎがゼロあるいはゼロ近傍の所定の値になった場合である。

図５は、本発明の電動油圧旋回駆動装置の作動を示す時刻歴波形の一例で、操作手段５１を急操作した場合である。横軸を時間ｔとして、上段は操作手段５１の操作量Ｘ、中段は電磁弁６ａへの制御信号Ｖａ、下段は回転検出手段３の検出値Ｎをそれぞれ縦軸に示している。回転方向は一方向のみ図示してあり、他方向についても同様である。

図２、図３、図４、図５を使用して、本発明の電動油圧旋回駆動装置の作動を述べる。操作手段５１は中立から両方向に操作可能で、左に倒すと左旋回（油圧モータも左回転とする）、右に倒すと右旋回（油圧モータも右回転）となる。

旋回停止。操作手段５１の操作量Ｘが中立範囲（−Ｘ２＜Ｘ＜Ｘ２）で制御信号Ｍ＝０であり、旋回電動機３１が停止している。さらに、−Ｘ１＜Ｘ＜Ｘ１の範囲で制御信号Ｖａ、Ｖｂもゼロであり、電磁弁６ａ、６ｂは中立で、コントロールバルブ５は中立位置５ｃである。旋回パーキングブレーキも作動状態であるが、掘削作業を行って旋回パーキングブレーキを解除しても、油圧モータ１はコントロールバルブ５で従来と同様に停止保持されている。掘削反力の旋回方向分力で油圧モータのＡポートあるいはＢポートに圧力が発生しても、油圧ポンプ３２の吐出ポート３２Ｄあるいは吸入ポート３２Ｓに圧力は伝わらず、旋回電動機３２に制動トルクは発生しない。従って、旋回電動機３２が動力回生発電しないので、旋回電動機３２やインバータ１３が効果無く不要に動力回生作動するのを防止できる。油圧モータ１に過大な圧力が発生するのは、ブレーキ弁４で防止される。

旋回加速。操作手段５１を急操作して右旋回（図４の第一象限）する場合、操作手段５１の操作量ＸがＸ１以上になると、コントローラ２から制御信号Ｖａが出力されて電磁弁６ａが切換わり、コントロールバルブ５のパイロットポートａにパイロット圧が立って、コントロールバルブ５が左位置５ａに切換わる。同時に、旋回パーキングブレーキが解除される。操作量ＸがＸ２以上になると、コントローラ１２からインバータ１３に制御信号Ｍが出力されて電動機３１が加速を始める。油圧ポンプ３２は電動機３１に駆動されて、作動油タンク９からチェック弁１０を介して吸入ポート３２Ｓに作動油を吸入し、吐出ポート３２Ｄから吐出する。油圧ポンプ３２の吐出油は、コントロールバルブ５を通って油圧モータ１のＡポートに流入して油圧モータ１を駆動し、油圧モータ１のＢポートから流出して、コントロールバルブ５を通って油圧ポンプ３２の吸入ポート３２Ｓに流入する。油圧ポンプ３２のドレーンがドレーンライン３２Ｄｒから、油圧モータのドレーンがドレーンライン１Ｄｒからタンクに戻るので、油圧モータ１から油圧ポンプ３２への流量は吐出流量よりも少なくなり、不足分がチェック弁１０を介してタンクから吸入される。

図５に示すように、操作手段を急操作すると操作量Ｘは短時間で最大値になる。電動機３１、油圧ポンプ３２、油圧モータ１の回転速度と回転検出手段３の検出値Ｎが時間とともに上昇し最高速度となる。

旋回減速。図５に示すように、操作手段５１を急操作して中立に戻した場合、操作量Ｘが時刻ｔ３から小さくなって時刻ｔ４でゼロになる。図４に示すように、制御信号Ｍは操作量Ｘの減少に応じて減少し、旋回電動機３１の回転速度が低下して、油圧ポンプ３２の吐出量が次第に減少する。油圧モータ１への流量が減少すると、旋回体３０によって油圧モータ１が駆動されてポンプ機能となり、油圧ポンプ３１がモータ機能となる制動状態となる。モータ機能となった油圧ポンプ３２が発電機機能となった旋回電動機３１を駆動して発電し、電力を蓄電装置３４に充電する。回転検出手段３の検出値Ｎがゼロあるいはゼロ近傍の所定の値になった時刻ｔ５で、電磁弁６ａが励磁から非励磁に切換わり、コントロールバルブ５が左切換位置５ａから中立位置５ｃに戻って旋回作動を停止保持する。

図６は本発明の第２の実施形態を示す油圧回路図である。メイン電動ポンプ３３の吐出油がメイン油圧駆動系５４から作動油タンク９に戻る管路中の背圧弁１４によって背圧を立てて、油圧ポンプ３２の吐出ポート３２Ｄあるいは吸入ポート３２Ｓが負圧にならないように、チェック弁１５、１６を介して流量を供給する。あるいは、特許文献１に示すように、油圧ポンプ３２の回転が一方向であるので、上記油圧ポンプ３２と同軸にキャビテーション防止用のブーストポンプを配設しても良い。

上述した実施形態では、操作手段５１を急操作した場合について述べたが、緩操作の場合にも本発明は全く同様の結果となる。

さらに、上述した実施形態では、電磁弁によってオンーオフ的にコントロールバルブ切換えるようにしたが、電磁比例減圧弁を使用してコントロールバルブの切換を過渡的に制御することも可能であり、その場合に、コントロールバルブのスプールに加工したノッチによって、油圧ポンプと油圧モータの回路の接続・遮断を過渡的に制御することも可能である。

さらに、本発明は、ミニショベルだけに限定して適用できるのではなく、大型のショベルにも適用することができる。

本発明に係る電動油圧旋回駆動装置を組み込んだ油圧ショベルを示す側面図本発明の電動油圧旋回駆動装置の構成を示す油圧回路図本発明の電動油圧旋回駆動装置の制御システムを示すブロック図本発明の電動油圧旋回駆動装置の制御信号の静的関係図本発明の電動油圧旋回駆動装置の作動を示す時刻歴データの例本発明の第２の実施形態を示す油圧回路図従来技術による開回路の電動油圧旋回駆動装置

１油圧モータ
２旋回減速機
３回転検出手段
４ブレーキバルブ
５コントロールバルブ
６ａ、６ｂ電磁弁
７リリーフバルブ
８チェック弁
９作動油タンク
１０チェック弁
１１チェック弁
１２コントローラ
１３インバータ
１４背圧弁
１５チェック弁
１６チェック弁
２１走行油圧モータ
２２減速機
３０旋回体
３１旋回電動機
３２油圧ポンプ
３３メイン電動ポンプ
３４蓄電装置
３６旋回ベアリング
４０掘削アタッチメント
４１ブーム
４１ａブームシリンダ
４２アーム
４２ａアームシリンダ
４３バケット
４３ａバケットシリンダ
５１操作レバー
５２フロアプレート
５３運転席
５４メイン油圧駆動系

Claims

油圧ポンプと油圧モータとで油圧閉回路を構成し、前記油圧ポンプを駆動する電動機の回転速度を可変制御することによって前記油圧ポンプの吐出量を可変制御し、前記油圧ポンプの回転方向を１方向とし、前記油圧ポンプの吐出量をコントロールバルブによって方向切換することによって前記油圧ポンプと前記油圧モータの接続を切換え、前記油圧モータの回転状態を検出する回転検出手段を設けた建設機械の旋回駆動装置において、操作手段を中立に戻して旋回作動を制動する際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって前記油圧ポンプの吸入部に接続するように制御し、前記電動機によって動力回生制動することを特徴とする電動油圧旋回駆動装置。
前記旋回作動を停止保持している際に、前記操作手段の操作量と前記回転検出手段の検出値に応じて前記油圧モータから流出する作動油を前記コントロールバルブによって遮断することを特徴とする請求項１に記載の電動油圧旋回駆動装置。