JP2012219488A - ハイブリッド建設機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】フライホイール、ロータシャフト、ポンプシャフトの三者の結合部分の軸長を短くしてパワーユニット全体の軸長を短縮する。
【解決手段】エンジン１のクランクシャフト４に取付けられたフライホイール８と、発電電動機２のロータシャフト５を直結するとともに、ロータシャフト５とポンプシャフト６をカップリング２０を介して接続する。この場合、フライホイール８とロータシャフト５の結合面、及びロータシャフト５とカップリング２０の結合面を、ステータのコイル１９の軸方向の幅内に配置することによって結合部分の軸長を短くし、フライホイール８、ロータシャフト５、ポンプシャフト６三者の片持ち支持を可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジンに発電電動機と油圧ポンプを接続するハイブリッド建設機械に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
ハイブリッドショベルにおいては、エンジンに発電電動機と油圧ポンプを接続し、油圧ポンプの吐出油により油圧アクチュエータを駆動する一方、発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電し、適時、この蓄電器電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成される。
このハイブリッドショベルにおいて、パワーユニットを構成するエンジン、発電電動機、油圧ポンプ三者の接続(動力伝達)構造として、特許文献１に示されたものが公知である。
この公知構造では、エンジンのクランクシャフトに取付けられたフライホイールに発電電動機のロータシャフトをボルトで直結し、このロータシャフトを、電動機ハウジングにベアリング支持することにより、フライホイールとロータシャフトを、クランクシャフトのベアリング支持部分とロータシャフトのベアリング支持部分で両持ち支持し、この状態でロータシャフトとポンプシャフトをスプライン結合している。
特開２００８−７０２３号公報
しかし、上記のようにロータシャフトを単独でベアリング支持する公知構造によると、ロータシャフトをベアリング支持部分だけ長くする必要があるため、フライホイール、ロータシャフト(ロータ)、ポンプシャフト三者の結合部分の長さ、ひいてはパワーユニット全体の軸長が長くなる。
このため、とくにパワーユニットの設置スペース(エンジンルーム)が制限されるショベルにおいて不利となる。
なお、上記公知構造において、軸長を短縮するために、ロータシャフト単独のベアリング支持を省略し、フライホイールとロータシャフトを、クランクシャフトのベアリング支持部分のみで片持ち支持する構造に転換することが考えられる。
但し、公知構造のままロータシャフトのベアリング支持を省略するだけでは、軸長の短縮はわずかなものとなるため、片持ち構造とすると、クランクシャフトにかかる曲げモーメントが過大となってクランクシャフト等の強度不足を招き、あるいはこれらを大幅に強度アップしなければならないという弊害が生じる。
そこで本発明は、フライホイール、ロータシャフト、ポンプシャフトの三者の結合部分の軸長を短くしてクランクシャフトにかかる曲げモーメントを減少させ、これにより片持ち支持構造を可能としてパワーユニット全体の軸長を短縮することができるハイブリッド建設機械を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、エンジンに発電電動機と油圧ポンプとが接続され、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電し、この蓄電器電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成され、上記発電電動機は、ロータシャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されたステータとを具備し、かつ、上記エンジンのクランクシャフトにフライホイールが取付けられたハイブリッド建設機械において、
(ｉ) 上記クランクシャフトとフライホイール、このフライホイールと上記発電電動機のロータシャフトをそれぞれ直結し、
(ｉｉ) 上記ロータシャフトのフライホイールと反対側の端面にカップリングを直結するとともに、このカップリングに上記油圧ポンプのポンプシャフトを接続し、
(ｉｉｉ) 上記フライホイールとロータシャフトの結合面、及びロータシャフトと上記カップリングの結合面を、上記ステータのコイルの軸方向の幅内に配置した
ものである。
このように、フライホイールとロータシャフトを直結する構成(ｉ)を前提に、ロータシャフトとポンプシャフトをカップリングを介して接続する構成(ｉｉ)をとる。
但し、これだけでは、フライホイール、ロータシャフト、ポンプシャフトの三者の結合部分の合計長が長く、クランクシャフトにかかる曲げモーメントが大きくなるため、クランクシャフトのベアリング支持部分のみによる片持ち支持ではクランクシャフトが強度不足となる。
そこで、(ｉｉｉ)の構成により、上記結合部分の合計長を最小限に短縮することで片持ち支持を可能とし、パワーユニットの軸長を短縮化することが可能となる。
本発明において、上記フライホイールの対ロータシャフト結合面に、ロータシャフトの回転中心を中心とする円形の凹部を設け、フライホイールとロータシャフトを結合するボルトを、この凹部の底壁を貫通してクランクシャフトの端面にねじ込む一方、上記ロータシャフトの対フライホイール結合面に、ロータシャフトの回転中心を中心とするリング状の突起を設け、この突起を上記凹部にインロー嵌合させた状態でフライホイールとロータシャフトとを結合するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、インロー嵌合によってフライホイールとロータシャフトの同心度の確保と組立性の改善を両立させながら、このインロー嵌合のための凹部でフライホイールとロータシャフトをボルト結合することで結合部分の軸長をさらに短くすることができる。
ところで、フライホイールとロータシャフト、ロータシャフトとカップリングをそれぞれボルト結合する場合に、第１、第２両ボルトの干渉を避ける方法としてロータシャフトの軸方向寸法を両ボルトの合計長さよりも大きくすることが考えられるが、こうすると結合部分の軸長が長くなる。
また、両ボルトの位置を直径方向に大きくずらすと、ロータシャフトまたはカップリングの直径寸法を大きくしなければならない。
そこで、上記フライホイールとロータシャフト、及びロータシャフトとカップリングを、それぞれロータシャフトの回転中心を中心とする円周上の複数個所でボルト結合し、フライホイールとロータシャフトを結合する第１のボルトと、ロータシャフトとカップリングを結合する第２のボルトを互いに周方向に位置ずれして配置するのが望ましい(請求項３)。
こうすれば、ロータシャフト及びカップリングの軸長及び直径を最小限に小さくしながら両ボルトの干渉を防止することができる。
本発明によると、フライホイール、ロータシャフト、ポンプシャフトの三者の結合部分の軸長を短くしてクランクシャフトにかかる曲げモーメントを減少させ、これにより片持ち支持構造を可能としてパワーユニット全体の軸長を短縮し、パワーユニットを限られたスペースに容易に設置することができる。
本発明の実施形態に係るフライホイール、ロータシャフト、ポンプシャフトの結合構造を示す断面図である。 同実施形態におけるフライホイール、ロータ、カップリングの分解斜視図である。 同実施形態におけるロータシャフトの裏面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
図１はエンジン(エンジンハウジングのみを示す)１と、発電電動機２と、油圧ポンプ(ポンプハウジングのみを示す)の接続構造を示し、エンジン１の出力軸であるクランクシャフト４に発電電動機２のロータシャフト５、このロータシャフト５に油圧ポンプ３のポンプシャフト６がそれぞれ接続される。
以下、各結合部の構造を図１〜図３によって説明する。
(Ａ) クランクシャフト４とロータシャフト５の結合部
クランクシャフト４の端部は電動機ハウジング７内に導入され、同ハウジング７内で、クランクシャフト４の端面にフライホイール８が周方向複数個所でフライホイール取付ボルト９によって直結されるとともに、このフライホイール８にロータシャフト５が周方向複数個所で第１ボルト１０によって直結されている。
なお、図１〜図３において、フライホイール８及びロータシャフト５の形状を簡略化して示している。
−１ クランクシャフト４とフライホイール８の結合構造
フライホイール８の対ロータシャフト結合面に、ロータシャフト５の回転中心(＝フライホイール８及びポンプシャフト６の回転中心。以下、シャフト回転中心という)Ｏを中心とする円形の凹部１１が設けられ、フライホイール取付ボルト９が、この凹部１１の底壁を貫通してクランクシャフト４の端面(ねじ穴)にねじ込まれている。
なお、フライホイール８の対ロータシャフト結合面に短筒部１２が一体に設けられ、この短筒部１２の内周側が凹部１１となっている。図２中、１３はフライホイール取付ボルト９が通されるボルト通し穴である。
−２ フライホイール８とロータシャフト５の結合構造
ロータシャフト５の対フライホイール結合面に、シャフト回転中心Ｏを中心とするリング状の突起１４がフライホイール側に突出して一体に設けられ、この突起１４がフライホイール８の凹部１１にインロー嵌合した状態で、ロータシャフト５がフライホイール８の対ロータシャフト結合面(短筒部１２の端面)に第１ボルト１０によって直結されている。
ここで、ロータシャフト５には、周方向複数個所に非貫通の第１ボルト収容穴１５(図１，３，４参照)が設けられ、第１ボルト１０は、頭部がこの第１ボルト収容穴１５に収容された状態で、ねじ部が同穴１５の底壁を貫通してフライホイール８にねじ込まれている。
図２〜図４中、１６はこの第１ボルト１０が通されるロータシャフト５のボルト通し穴である。
ロータシャフト５の外周にはロータコア１７が設けられてロータが構成され、図１に示すようにこのロータの外周に、ステータコア１８と、このステータコア１７に巻回されたコイル１９から成るステータが配置されて発電電動機２が構成される。
なお、図の複雑化を避けるため、ロータ及びステータについての符号を省略している。
(Ｂ) ロータシャフト５とポンプシャフト６の結合部
ロータシャフト５の、フライホイール８と反対側の面(対カップリング結合面)にカップリング２０が周方向複数個所で第２ボルト２１によって直結され、このカップリング２０にポンプシャフト６がスプライン結合されている。
第２ボルト２１は、頭部がカップリング外に突出しないように、カップリング２０に設けられたボルト収容穴２２に収容された状態でロータシャフト５にねじ込まれている。
図２中、２３はこの第２ボルト２１が通されるカップリング２０のボルト通し穴、図３，４中、２４は第２ボルト２１…がねじ込まれるロータシャフト５のねじ穴である。
ここで、フライホイールと８とロータシャフト５の結合面、及びロータシャフト５とカップリング２０の結合面は、発電電動機２におけるステータのコイル１９の軸方向の幅内に配置されている。
いいかえれば、フライホイール８とロータシャフト５、及びロータシャフト５とカップリング２０は、互いの結合面がコイル１９の幅内に位置する状態でボルト結合されている。
また、図３，４に示すように、ロータシャフト５のボルト通し穴１６とねじ穴２４は、それぞれシャフト回転中心Ｏを中心とする円周上の複数個所に、互いに周方向に位置ずれして設けられている。
すなわち、フライホイール８とロータシャフト５を結合する第１ボルト１０と、ロータシャフト５とカップリング２０を結合する第２ボルト２１は、互いに周方向に位置ずれして配置されている。
なお、両ボルト１０，２１は、同一円周上に配置してもよいし、直径が僅かに異なる別々の円周上に設けてもよい。
上記のように、実施形態では、フライホイール８とロータシャフト５(ロータ)を直結し、このロータシャフト５にポンプシャフト６をスプライン結合した構造、すなわち、フライホイール８とロータシャフト５とポンプシャフト６を、エンジンハウジング内でのクランクシャフト４のベアリング支持部分のみによって支持する「片持ち支持構造」をとっている。
但し、これだけでは、フライホイール８、ロータシャフト５、ポンプシャフト６の三者の結合部分の合計長が長く、クランクシャフト４にかかる曲げモーメントが大きくなるため、片持ち支持ではクランクシャフト４の強度不足を招く。
そこで、上記のように三者の結合面をコイル１９の幅内に位置させる(コイル幅内で三者を結合する)構成をとることにより、結合部分の合計長を短縮してクランクシャフト４にかかる曲げ荷重を軽減することができる。
いいかえれば、クランクシャフト４の強度アップなしで三者を片持ち支持することが可能となる。
これにより、エンジン１、発電電動機２、油圧ポンプ３から成るパワーユニットの軸長を短縮し、パワーユニットを限られたスペース(エンジンルーム)に容易に設置することができる。
また、実施形態によると、次の効果を得ることができる。
(Ｉ) フライホイール８とロータシャフト５を、互いの凹部１１とリング状の突起１４とによってインロー嵌合させた状態でボルト９…で結合するため、両者の同心度を確保しながら組立性を改善することができる。
この場合、ボルト９…の頭部をインロー嵌合のための凹部１１内に位置させ、フライホイール８外に突出させない構成をとっているため、パワーユニットの軸長をさらに短くすることができる。
(ＩＩ) フライホイール８とロータシャフト５、及びロータシャフト５とカップリング２０をそれぞれボルト結合する場合、前者用の第１ボルト１０と、後者用の第２ボルト２１が干渉する可能性がある。
これを回避する方法として、ロータシャフト５の軸方向寸法を両ボルト１０，２１の合計長さよりも大きくすることが考えられるが、こうすると結合部分の軸長が長くなる。
また、両ボルト１０，２１の位置を直径方向に大きくずらすと、ロータシャフト５またはカップリング２０の直径寸法を大きくしなければならない。
この点、実施形態では、第１、第２両ボルト１０，２１を周方向に位置ずれして配置したから、ロータシャフト５及びカップリング２０の軸長及び直径を最小限に小さくしながら両ボルト１０，２１の干渉を防止することができる。
ところで、本発明はハイブリッドショベルに限らず、エンジンと発電電動機と油圧ポンプが同軸上で接続されるハイブリッド建設機械に広く適用することができる。
１ エンジン
２ 発電電動機
３ 油圧ポンプ
４ クランクシャフト
５ ロータシャフト
Ｏ ロータシャフトの回転中心
６ ポンプシャフト
７ 電動機ハウジング
８ フライホイール
９ フライホイール取付ボルト
１０ フライホイールとロータシャフトを結合する第１ボルト
１１ フライホイールの凹部
１４ ロータシャフトの突起
１９ ステータのコイル
２０ カップリング
２１ ロータシャフトとカップリングを結合する第２ボルト

Claims (3)

  1. エンジンに発電電動機と油圧ポンプとが接続され、油圧ポンプによって油圧アクチュエータを駆動するとともに、上記発電電動機の発電機作用によって蓄電器に充電し、この蓄電器電力により発電電動機に電動機作用を行わせてエンジンをアシストするように構成され、上記発電電動機は、ロータシャフトを中心として回転するロータと、このロータの外周に配置されたステータとを具備し、かつ、上記エンジンのクランクシャフトにフライホイールが取付けられたハイブリッド建設機械において、
    (ｉ) 上記クランクシャフトとフライホイール、このフライホイールと上記発電電動機のロータシャフトをそれぞれ直結し、
    (ｉｉ) 上記ロータシャフトのフライホイールと反対側の端面にカップリングを直結するとともに、このカップリングに上記油圧ポンプのポンプシャフトを接続し、
    (ｉｉｉ) 上記フライホイールとロータシャフトの結合面、及びロータシャフトと上記カップリングの結合面を、上記ステータのコイルの軸方向の幅内に配置した
    ことを特徴とするハイブリッド建設機械。
  2. 上記フライホイールの対ロータシャフト結合面に、ロータシャフトの回転中心を中心とする円形の凹部を設け、フライホイールとロータシャフトを結合するボルトを、この凹部の底壁を貫通してクランクシャフトの端面にねじ込む一方、上記ロータシャフトの対フライホイール結合面に、ロータシャフトの回転中心を中心とするリング状の突起を設け、この突起を上記凹部にインロー嵌合させた状態でフライホイールとロータシャフトとを結合したことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド建設機械。
  3. 上記フライホイールとロータシャフト、及びロータシャフトとカップリングを、それぞれロータシャフトの回転中心を中心とする円周上の複数個所でボルト結合し、フライホイールとロータシャフトを結合する第１のボルトと、ロータシャフトとカップリングを結合する第２のボルトを互いに周方向に位置ずれして配置したことを特徴とする請求項１または２記載のハイブリッド建設機械。
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