JP3647319B2 - 油圧駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧駆動装置に関し、特に省エネルギーを図ることができるとともに優れた操作性の実現を可能とした建設機械などの油圧駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、油圧ショベル、ホイールローダなどの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む油圧駆動装置として、エンジンの負担や燃料消費率低減などのために動力源としてエンジンのほかに発電機をも備えるようにした、所謂ハイブリッド型のものの開発が進められている。
【０００３】
ハイブリッド型の油圧駆動装置として、実開平５−４８５０１号公報には、低負荷運転時に発電機で発生した電気エネルギーをバッテリに蓄積し、高負荷運転時にその電気エネルギーを取り出してエンジンの負担を軽減するようにした装置が記載されている。また、特開平８−６０７０５号公報には、エンジンによって直接駆動される油圧ポンプと、発電機および蓄電池に接続されたモータによって駆動される油圧ポンプとによって油圧シリンダを駆動するようにした建設機械の出力支援装置が記載されている。また、特開平１０−１０３１１２号公報には、エンジンに接続された油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータのほかに、蓄圧手段に接続された旋回ポンプモータによって駆動される旋回系を具備した油圧駆動装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報の技術によると、油圧駆動装置の駆動部分であるアクチュエータがエンジンや蓄圧手段に直結された油圧ポンプによって駆動されることになる。そのため、油圧ショベルのアームやブームを動かす場合には、操作レバーの動きに追従した滑らかな動作を実現することができる。しかしながら、その一方で、アクチュエータを駆動するのにエンジンなどに直結された油圧ポンプを用いることによりエネルギー効率が低くなってしまうという問題があり、上記公報の技術によると、油圧駆動装置の動作部の操作性と比較的高いエネルギー効率との両方を満足させることができなかった。
【０００５】
そこで、本発明の主な目的は、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的エネルギー効率の高い油圧駆動装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の油圧駆動装置は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される第１の油圧ポンプと、コントロールバルブを介して前記第１の油圧ポンプに接続された第１の油圧アクチュエータと、電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記エンジンから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記蓄電手段に供給する動作と、前記蓄電手段から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記第１の油圧ポンプに供給する動作とを選択的に行なうことが可能であるエネルギー変換手段と、前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の両者から電気エネルギーの供給を受け得るように構成され、且つ前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受けて動作部の駆動源となる第１の電動機とを備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の油圧駆動装置によると、エンジンによって駆動される第１の油圧ポンプがコントロールバルブを介して第１の油圧アクチュエータに接続されているので、操作レバーの動きに追従して滑らかに動作させる必要のある例えば油圧ショベルのアームやブームなどの動作部に対して良好な操作性を実現することが可能である。
【０００８】
また、エネルギー変換手段および蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受ける第１の電動機が動作部の駆動源となるようにしているので、例えば油圧ショベルのバケットや旋回系、走行系などの高い操作性を要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、従来よりもエネルギー効率を高めることができるようになる。
【０００９】
すなわち、請求項１の油圧駆動装置では、良好な操作性が要求される動作部を第１の油圧ポンプで駆動し、良好な操作性があまり要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能になっている。
【００１０】
また、動作部が第１の油圧ポンプで駆動されるものと第１の電動機で駆動されるものとに分けられるので、これらをそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。例えば、第１の油圧ポンプを油圧駆動装置の主筐体内に配置するとともに第１の電動機を対応した動作部近傍などに設置することで、一個所に大きなスペースが必要となることがなく、小型の油圧駆動装置を提供することができるようになる。
【００１１】
さらに、エネルギー変換手段がエンジンから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電手段に供給する動作と、蓄電手段から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して第１の油圧ポンプに供給する動作とを選択的に行なうことが可能であるので、第１の油圧ポンプ側の低負荷時にはエンジンの余剰トルクを用いてエネルギー変換手段で発電を行って蓄電手段に電気エネルギーを蓄え、第１の油圧ポンプ側の高負荷時には蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを動力源にしてエネルギー変換手段がモータとして第１の油圧ポンプのトルクアシストを行なうようにすることで、エンジンの負担を平滑化して軽減することが可能である。そのため、エンジンは平均的な出力を分担できる程度の大きさのものでよく、最大出力に対応した大型のものである必要がなくなって、エンジンサイズを小さくすることができて排ガスおよび騒音の削減とともに省エネルギーが図れる。
【００１２】
また、請求項２の油圧駆動装置は、前記第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが前記蓄電手段に蓄えられるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２によると、第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが蓄電手段に蓄えられることにより、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。
【００１４】
また、請求項３の油圧駆動装置は、前記第１の電動機によって駆動される第２の油圧ポンプと、前記第２の油圧ポンプによって駆動される第２の油圧アクチュエータとをさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３によると、第１の電動機によって駆動される第２の油圧ポンプによって第２の油圧アクチュエータを駆動するようにしたので、動作部を直線運動させる必要がある場合に大きな推力を与えることができ、しかもラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも構造が簡単である。
【００１６】
また、請求項４の油圧駆動装置は、前記第１の電動機と前記第２の油圧ポンプと前記第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４によると、第１の電動機と第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることにより、これらの小型軽量化を図ることができるとともに、第２の油圧アクチュエータを動作させる必要がない場合には対応する第１の電動機および第２の油圧ポンプを停止することによりて余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００１８】
また、請求項５の油圧駆動装置は、前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受ける第２の電動機と、前記第２の電動機によって駆動される第３の油圧ポンプとをさらに備えており、前記第３の油圧ポンプからの圧油が、前記第１の油圧ポンプと前記コントロールバルブとの間に供給されるように構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５によると、第３の油圧ポンプからの圧油が第１の油圧ポンプとコントロールバルブとの間に供給されることにより、この部分の圧油の圧力を一定に保つことができるので、第１の油圧アクチュエータに対する負荷によって操作レバーの動作開始位置が異なるということがなくなり、常に一定の操作レバー位置から第１のアクチュエータが動き始めるようになって操作性が向上する。また、第１の油圧アクチュエータに対する負荷の変動を単にエネルギー変換手段によるトルクアシストで補償するよりも、確実に少ない損失で操作レバーの動作開始位置を一定に保つことが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。図１において、ショベル１は、下部走行体２と、上部旋回体３と、掘削アタッチメント４とから構成されている。
【００２２】
下部走行体２は、左右のクローラフレーム５およびクローラ６（いずれも片側のみ図示）と、クローラ６を回転駆動する左右の走行用電動機３８および走行減速機３９（いずれも片側のみ図示）とを有している。走行減速機３９は、走行用電動機３８の回転を減速して走行機構に伝える。
【００２３】
上部旋回体３は、旋回フレーム８、キャビン９などから成っている。旋回フレーム８には、動力源としてのエンジン１０と、エンジン１０によって駆動される発電機１１および油圧ポンプ２０と、バッテリ３２と、作動油タンク１４と、コントロールバルブ２１と、上部旋回体３を回転させるための旋回用電動機３６と、旋回用電動機３６の回転を減速して旋回機構（旋回歯車）に伝える旋回減速機３７とが設置されている。このほか、上部旋回体３内には、インバータ３１（図２参照）などを含む制御部（図示せず）が設けられている。
【００２４】
掘削アタッチメント４は、ブーム１７と、伸縮作動してブーム１７を起伏させるブームシリンダ２３と、アーム１９と、アーム１９を回動させるアームシリンダ２２と、バケット２４と、バケット２４を回動させるバケットシリンダ３５とを具備している。また、バケットシリンダ３５には、バケット用電動機３３およびこれによって駆動されるバケット用油圧ポンプ（以下、「バケットポンプ」という）３４が取り付けられている。バケット用電動機３３とバケットポンプ３４とバケットシリンダ３５は、後述するように一体化されたものが用いられている。
【００２５】
次に、ショベル１の駆動系について、図２に基づいて説明する。図２は、ショベル１の駆動系を概略的に示すブロック図である。図２に示すように、発電機１１および油圧ポンプ２０はともにエンジン１０の出力軸に取り付けられている。そして、油圧ポンプ２０からの圧油がコントロールバルブ２１を介してアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３にそれぞれ供給される。これにより、操作レバーを操作してコントロールバルブ２１を制御することにより、アーム１９およびブーム１７を任意の速度で所定の位置に移動させることができる。
【００２６】
このように、本実施の形態のショベル１では、オペレータのレバー操作に滑らかに追従する優れた操作性が要求されるアーム１９およびブーム１７を、電動機などを介すことなく油圧ポンプ２０からの圧油によって駆動するようにしている。そのため、オペレータはアーム１９およびブーム１７の微妙な動きを正確に操作することが可能である。
【００２７】
また、発電機１１は、油圧ポンプ２０側が低負荷時には、発電手段としてエンジン１０の出力トルクから交流電力を発生してインバータ３１に供給し、一方で油圧ポンプ２０側が高負荷時には、電動機としてバッテリ３２からの電気エネルギーをトルクに変換して油圧ポンプ２０を駆動する。低負荷運転と高負荷運転の切り換えは、油圧ポンプ２０の後段で測定した圧油の圧力と流量との積に基づいて或いは手動により図示しない制御部の制御によって行ってよい。
【００２８】
発電機１１にはインバータ３１が接続されている。インバータ３１は、発電機１１で発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ３２に蓄える通常充電作用、インバータ３１に接続された電動機３３、３６、３８の回生作用によって発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ３２に蓄える回生充電作用の各作用を行なう。
【００２９】
また、インバータ３１は、バッテリ３２に蓄えられた電気エネルギーを交流に変換して電動機３３、３６、３８および／または発電機１１に供給する放電作用、発電機１１からの交流電力を電動機３３、３６、３８に供給する供給作用の各作用を行なう。これら２つの作用を行う際、インバータ３１は交流電流の周波数を制御部からの命令にしたがって任意の値に変更することが可能であり、これによって電動機３３、３６、３８の回転数を制御することができるようになっている。
【００３０】
インバータ３１には３つの電動機３３、３６、３８が接続されている。バケット用電動機３３は、上述したようにバケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５とともに一体型アクチュエータとして構成されている。旋回用電動機３６および走行用電動機３８はそれぞれ旋回減速機３７および走行減速機３９に連結されている。これら３つの電動機３３、３６、３８は、オペレータの操作によって、それぞれのオンオフ、回転速度および回転方向が制御される。
【００３１】
このように、本実施の形態のショベル１では、オペレータのレバー操作に滑らかに追従する優れた操作性があまり要求されないバケット２４、旋回機構および走行機構を、電動機３３、３６、３８を介して駆動するようにしている。そのため、エンジン１０の余剰トルクを利用して蓄電されたバッテリ３２の電気エネルギーを有効に用いることができて高いエネルギー効率でショベル１を動作させることができる。
【００３２】
次に、ショベル１の動作について説明する。油圧ポンプ２０側が低負荷時には、エンジン１０が運転されると発電機１１が発電作用を行い、発生した交流電力がインバータ３１を介して電動機３３、３６、３８に供給されることによりこれらの駆動が可能になる。これとともに、エンジン１０によって油圧ポンプ２０が駆動されるので、コントロールバルブ２１を操作することによりアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３を適宜動かすことが可能になる。
【００３３】
電動機３３、３６、３８は、これらへの合計負荷が小さいときには発電機１１からインバータ３７経由で供給される交流電力によって駆動される。このとき、発電機１１で発電された交流電力は、インバータ３１において直流電力に変換されてバッテリ３２に蓄えられる。なお、例えばショベル１の走行時のようにアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３を使用しておらず、バッテリ３２の蓄電力が十分であり且つ電動機３３、３６、３８への合計負荷が小さいときには、エンジン１０の出力を低下させ或いはエンジン１０を停止してバッテリ３２だけから電動機３３、３６、３８に電力を供給するようにしてもよい。これによって、エンジン１０を無駄に動作させるのを防止して騒音および排ガスを削減し、さらに燃料消費率を低減することができる。
【００３４】
一方、電動機３３、３６、３８の合計負荷が所定値よりも大きくなると、発電機１１で発電された交流電力のバッテリ３２への蓄電は停止され、そして、電動機３３、３６、３８の駆動エネルギーとして、発電機１１から供給された電力だけではなく必要であればバッテリ３２に蓄電された電力が併せて用いられる。
【００３５】
このように、インバータ３１は電動機３３、３６、３８の合計負荷が所定値よりも大きいかどうかでその動作が切り換えられ、この切り換えは電動機３３、３６、３８を流れる電流とその電圧の積に基づいて或いは手動により制御部の制御により行われる。
【００３６】
また、運転中、電動機３３、３６、３８をその位置エネルギーおよび運動エネルギーを利用して発電機として作用（回生作用）させ、これによって発生する回生電力をバッテリ３２に蓄えることができる。特に、旋回用電動機３６は旋回加速時に大きな運動エネルギーを蓄えることができるので減速時におけるエネルギーの回生効果が高い。
【００３７】
次に、油圧ポンプ２０側が高負荷時には、発電機１１は電動機として機能して、バッテリ３２を介してインバータ３１から受け取った電気エネルギーをトルクに変換して油圧ポンプ２０を駆動する。つまり、油圧ポンプ２０はエンジンの出力トルクによって駆動されるのに加えて発電機１１からのトルクによっても駆動されることになる。これによって、エンジン１０の出力が比較的小さい場合であっても比較的大きな負荷にまで油圧ポンプ２０が対応することができるようになる。
【００３８】
このとき、発電機１１からインバータ３１への電力供給はないので、電動機３３、３６、３８はバッテリ３２から供給された電力によって駆動されることになる。
【００３９】
すなわち、本実施の形態のショベル１では、図３に示すように、エンジン１０の出力エネルギーを一定にしておいて、油圧ポンプ２０および電動機３３、３６、３８の合計負荷（作業エネルギー）がこの一定値よりも小さいときにバッテリ３２が充電され、作業エネルギーが一定値よりも大きいときにバッテリ３２が放電されて油圧ポンプ２０および／または電動機３３、３６、３８の駆動エネルギーとして用いられることになる。
【００４０】
このように、本実施の形態のショベル１によると、エンジン１０によって駆動される油圧ポンプ２０がコントロールバルブ２１を介して油圧アクチュエータであるアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３に接続されているので、操作レバーの動きに追従して滑らかに動作させる必要のあるアーム１９およびブーム１７に対して良好な操作性を実現することが可能である。また、発電機１１および／またはバッテリ３２から電気エネルギーの供給を受ける電動機３３、３６、３８がバケット２４、旋回機構および走行機構の駆動源となるようにしているので、従来よりもエネルギー効率を高めることができるようになる。つまり、本実施の形態のショベル１では、良好な操作性が要求されるアーム１９およびブーム１７を油圧ポンプ２０で駆動し、良好な操作性があまり要求されないバケット２４、旋回機構および走行機構の駆動源を電動機３３、３６、３８とすることにより、アーム１９およびブーム１７の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能である。
【００４１】
また、従来のようにすべての動作部が油圧ポンプ２０で駆動されるのではなく、バケット２４、旋回機構および走行機構を電動機３３、３６、３８で駆動するようにしたことにより、油圧ポンプ２０および電動機３３、３６、３８をそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。本実施の形態では、油圧ポンプ２０をショベル１の主筐体である上部旋回体３内に配置するとともにバケット用電動機３３をアーム近傍に、走行用電動機３８を下部走行体２に設置することで、上部旋回体３内に大きなスペースが必要となることがなく、ショベル１を比較的小型にすることが可能となる。
【００４２】
また、本実施の形態では、バケットシリンダ３５を電動機３３によって直接駆動するのではなくバケットポンプ３４を介して駆動している。そのため、直線運動を行なうバケット２４を、ラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも比較的大きな推力で動かすことができる。また、バケット２４を直線運動させる機構として、ラック・ピニオンなどを用いるよりも構造が簡単である。
【００４３】
次に、上述した電動機３３とバケットポンプ３４とバケットシリンダ３５との一体型アクチュエータについて、図４および図５に基づいて説明する。図４は一体型アクチュエータの側面図であり、図５はその回路図である。
【００４４】
これらの図面に示すように、バケットポンプ３４は、電動機３３の回転方向に応じて油の吐出方向が転換する双方向性ポンプとして構成され、ポンプ３４の両側吐出口が管路４１、４２を介してバケットシリンダ３５のヘッド側およびロッド側油室に接続されている。
【００４５】
図５において、４３はリリーフ弁、４４はオイルタンク、４５はポンプ３４とオイルタンク４４との間に設けられた自動切換弁、４６はオペレートチェック弁、４７は両側管路４１、４２間に設けられた手動開閉弁、４８はスローリターン弁である。
【００４６】
このような一体型アクチュエータを用いれば、電動機３３と油圧ポンプ３４を別々に設ける場合と比較してユニット全体を小型化、軽量化することができる。このため、掘削アタッチメント４に搭載するのに有利となる。また、バケットシリンダ３５を停止させておく場合には電動機３３および油圧ポンプ３４を停止して余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、油圧ポンプ３４とバケットシリンダ３５とを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るショベルについて、図６に基づいて説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。図６において図２と同じ構成部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。本実施の形態のショベル５０は、インバータ３１とコントロールバルブ２１との間が合流用油圧回路５３で接続されている点を除いて、第１の実施の形態のものと基本的に同様に構成されている。なお、図面を簡略化するために図６ではバケット用電動機３３、バケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５の図示を省略している。
【００４８】
本実施の形態では、合流用油圧回路５３に電動機５１、油圧ポンプ５２および逆止弁５４を設け、油圧ポンプ２０の負荷に応じて油圧ポンプ５２からの圧油を油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給するようにしている。このとき、第１の実施の形態で説明したように、油圧ポンプ２０の後段で測定した圧油の圧力と流量との積に基づいて、図示しない制御部の制御によって油圧ポンプ２０側の負荷を計測し、これに応じた圧油が油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されるように電動機５１に信号を与えればよい。
【００４９】
このようにして、油圧ポンプ２０の負荷に応じた量の圧油が油圧ポンプ５２から油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されることにより、オペレータがアームシリンダ２２またはブームシリンダ２３を動作させるための操作レバーの動作開始位置を常に一定に保つことができる。
【００５０】
この点について、図７に基づいて説明する。図７は、操作レバー位置とシリンダ速度との関係を示すグラフである。図７において、曲線７１は第１の実施の形態でブームシリンダ２３の負荷が比較的大きいときの、曲線７２は第１の実施の形態でブームシリンダ２３の負荷が比較的小さいときの、曲線７３は本実施の形態における操作レバー位置とシリンダ速度との関係をそれぞれ示している。
【００５１】
図７からも明らかなように、第１の実施の形態では、ブームシリンダ２３への負荷の大小によってブームシリンダ２３の動作開始に対応した操作レバー位置が異なっており、負荷が大きいほど操作レバーを大きく動かさないとブームシリンダ２３が動作し始めない。
【００５２】
これに対して、本実施の形態では、油圧ポンプ２０の負荷に応じた量の圧油が油圧ポンプ５２から油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されることにより、この部分での圧油の圧力を一定に保つことができるので、オペレータがブームシリンダ２３を動作させるための操作レバーの動作開始位置を常に一定に保つことができる。従って、オペレータは、ブームシリンダ２３への負荷の大小にかかわらず常に同じ感覚で操作レバーを操作することができる。なお、操作レバーの動作開始位置を一定に保つには、油圧ポンプ２０側の負荷の変動を発電機１１を電動機として用いることによる油圧ポンプ２０へのトルクアシストで補償することも考えられるが、本実施の形態では圧油をシリンダ２２、２３側に直接供給することによりこの手段よりも少ない損失で確実に操作レバーの動作開始位置を一定に保つことが可能である。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく様々な設計変更を行うことが可能である。例えば、上述の実施の形態では発電機として交流発電機を用いたが直流発電機を用いてもよい。その場合、発電機とバッテリとをインバータを介することなく直接接続してもよい。また、バケット用電動機３３、バケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５は必ずしも一体型とする必要はなく、それぞれ別体として構成されていてもよい。また、バッテリ３２としては、通常リチウムイオンバッテリなどの２次電池が用いられるが、キャパシタを用いてもよく、これらを併用してもよい。
【００５４】
また、本発明は、バケットに代えて他の作業工具（例えば排土板や破砕機）を取り付けたショベル、掘削アタッチメントとして図１に示すような手前側に掘削するバックホー型のものに代えて手前側から向こう側に掘削するローディング型のものを備えたショベル、下部走行体としてクローラに代えてホイールを用いたショベルにも適用することができるほか、ホイールローダなどの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む油圧駆動装置に広く適用することが可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の油圧駆動装置によると、良好な操作性が要求される動作部を第１の油圧ポンプで駆動し、良好な操作性があまり要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能である。
【００５６】
また、動作部が第１の油圧ポンプで駆動されるものと第１の電動機で駆動されるものとに分けられるので、これらをそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。
【００５７】
さらに、エンジンの負担を平滑化して軽減することが可能であるので、エンジンは平均的な出力を分担できる程度の大きさのものでよく、最大出力に対応した大型のものである必要がなくなって、エンジンサイズを小さくすることができて排ガスおよび騒音の削減とともに省エネルギーが図れる。
【００５８】
請求項２の油圧駆動装置によると、第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが蓄電手段に蓄えられることにより、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。
【００５９】
請求項３の油圧駆動装置によると、動作部を直線運動させる必要がある場合に大きな推力を与えることができ、しかもラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも構造が簡単である。
【００６０】
請求項４の油圧駆動装置によると、第１の電動機と第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることにより、これらの小型軽量化を図ることができるとともに、第２の油圧アクチュエータを動作させる必要がない場合には対応する第１の電動機および第２の油圧ポンプを停止して余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００６１】
請求項５の油圧駆動装置によると、第３の油圧ポンプからの圧油が第１の油圧ポンプとコントロールバルブとの間に供給されることにより、この部分の圧油の圧力を一定に保つことができるので、第１の油圧アクチュエータに対する負荷によって操作レバーの動作開始位置が異なるということがなくなり、常に一定の操作レバー位置から第１のアクチュエータが動き始めるようになって操作性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示したショベルの駆動系を概略的に示すブロック図である。
【図３】図１に示したショベルにおいてエンジン出力と作業エネルギーとの関係を示したグラフである。
【図４】図１に示したショベルに用いられた、電動機とバケットポンプとバケットシリンダとの一体型アクチュエータの側面図である。
【図５】図４に示した電動機とバケットポンプとバケットシリンダとの一体型アクチュエータの回路図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第１および第２の実施の形態のショベルにおいて操作レバー位置とシリンダ速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ 掘削アタッチメント
８ 旋回フレーム
９ キャビン
１０ エンジン
１１ 発電機
１７ ブーム
１９ アーム
２０ 油圧ポンプ
２１ コントロールバルブ
２２ アームシリンダ
２３ ブームシリンダ
２４ バケット
３１ インバータ
３２ バッテリ
３３ バケット用電動機
３４ バケットポンプ
３５ バケットシリンダ
３６ 旋回用電動機
３７ 旋回減速機
３８ 走行用電動機
３９ 走行減速機
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧駆動装置に関し、特に省エネルギーを図ることができるとともに優れた操作性の実現を可能とした建設機械などの油圧駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、油圧ショベル、ホイールローダなどの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む油圧駆動装置として、エンジンの負担や燃料消費率低減などのために動力源としてエンジンのほかに発電機をも備えるようにした、所謂ハイブリッド型のものの開発が進められている。
【０００３】
ハイブリッド型の油圧駆動装置として、実開平５−４８５０１号公報には、低負荷運転時に発電機で発生した電気エネルギーをバッテリに蓄積し、高負荷運転時にその電気エネルギーを取り出してエンジンの負担を軽減するようにした装置が記載されている。また、特開平８−６０７０５号公報には、エンジンによって直接駆動される油圧ポンプと、発電機および蓄電池に接続されたモータによって駆動される油圧ポンプとによって油圧シリンダを駆動するようにした建設機械の出力支援装置が記載されている。また、特開平１０−１０３１１２号公報には、エンジンに接続された油圧ポンプによって駆動される油圧アクチュエータのほかに、蓄圧手段に接続された旋回ポンプモータによって駆動される旋回系を具備した油圧駆動装置が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した公報の技術によると、油圧駆動装置の駆動部分であるアクチュエータがエンジンや蓄圧手段に直結された油圧ポンプによって駆動されることになる。そのため、油圧ショベルのアームやブームを動かす場合には、操作レバーの動きに追従した滑らかな動作を実現することができる。しかしながら、その一方で、アクチュエータを駆動するのにエンジンなどに直結された油圧ポンプを用いることによりエネルギー効率が低くなってしまうという問題があり、上記公報の技術によると、油圧駆動装置の動作部の操作性と比較的高いエネルギー効率との両方を満足させることができなかった。
【０００５】
そこで、本発明の主な目的は、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的エネルギー効率の高い油圧駆動装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の油圧駆動装置は、エンジンと、前記エンジンによって駆動される第１の油圧ポンプと、コントロールバルブを介して前記第１の油圧ポンプに接続された第１の油圧アクチュエータと、電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、前記エンジンから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記蓄電手段に供給する動作と、前記蓄電手段から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記第１の油圧ポンプに供給する動作とを選択的に行なうことが可能であるエネルギー変換手段と、前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の両者から電気エネルギーの供給を受け得るように構成され、且つ前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受けて動作部の駆動源となる第１の電動機とを備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項１の油圧駆動装置によると、エンジンによって駆動される第１の油圧ポンプがコントロールバルブを介して第１の油圧アクチュエータに接続されているので、操作レバーの動きに追従して滑らかに動作させる必要のある例えば油圧ショベルのアームやブームなどの動作部に対して良好な操作性を実現することが可能である。
【０００８】
また、エネルギー変換手段および蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受ける第１の電動機が動作部の駆動源となるようにしているので、例えば油圧ショベルのバケットや旋回系、走行系などの高い操作性を要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、従来よりもエネルギー効率を高めることができるようになる。
【０００９】
すなわち、請求項１の油圧駆動装置では、良好な操作性が要求される動作部を第１の油圧ポンプで駆動し、良好な操作性があまり要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能になっている。
【００１０】
また、動作部が第１の油圧ポンプで駆動されるものと第１の電動機で駆動されるものとに分けられるので、これらをそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。例えば、第１の油圧ポンプを油圧駆動装置の主筐体内に配置するとともに第１の電動機を対応した動作部近傍などに設置することで、一個所に大きなスペースが必要となることがなく、小型の油圧駆動装置を提供することができるようになる。
【００１１】
さらに、エネルギー変換手段がエンジンから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電手段に供給する動作と、蓄電手段から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して第１の油圧ポンプに供給する動作とを選択的に行なうことが可能であるので、第１の油圧ポンプ側の低負荷時にはエンジンの余剰トルクを用いてエネルギー変換手段で発電を行って蓄電手段に電気エネルギーを蓄え、第１の油圧ポンプ側の高負荷時には蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを動力源にしてエネルギー変換手段がモータとして第１の油圧ポンプのトルクアシストを行なうようにすることで、エンジンの負担を平滑化して軽減することが可能である。そのため、エンジンは平均的な出力を分担できる程度の大きさのものでよく、最大出力に対応した大型のものである必要がなくなって、エンジンサイズを小さくすることができて排ガスおよび騒音の削減とともに省エネルギーが図れる。
【００１２】
また、請求項２の油圧駆動装置は、前記第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが前記蓄電手段に蓄えられるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２によると、第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが蓄電手段に蓄えられることにより、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。
【００１４】
また、請求項３の油圧駆動装置は、前記第１の電動機によって駆動される第２の油圧ポンプと、前記第２の油圧ポンプによって駆動される第２の油圧アクチュエータとをさらに備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３によると、第１の電動機によって駆動される第２の油圧ポンプによって第２の油圧アクチュエータを駆動するようにしたので、動作部を直線運動させる必要がある場合に大きな推力を与えることができ、しかもラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも構造が簡単である。
【００１６】
また、請求項４の油圧駆動装置は、前記第１の電動機と前記第２の油圧ポンプと前記第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４によると、第１の電動機と第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることにより、これらの小型軽量化を図ることができるとともに、第２の油圧アクチュエータを動作させる必要がない場合には対応する第１の電動機および第２の油圧ポンプを停止することによりて余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００１８】
また、請求項５の油圧駆動装置は、前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受ける第２の電動機と、前記第２の電動機によって駆動される第３の油圧ポンプとをさらに備えており、前記第３の油圧ポンプからの圧油が、前記第１の油圧ポンプと前記コントロールバルブとの間に供給されるように構成したことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５によると、第３の油圧ポンプからの圧油が第１の油圧ポンプとコントロールバルブとの間に供給されることにより、この部分の圧油の圧力を一定に保つことができるので、第１の油圧アクチュエータに対する負荷によって操作レバーの動作開始位置が異なるということがなくなり、常に一定の操作レバー位置から第１のアクチュエータが動き始めるようになって操作性が向上する。また、第１の油圧アクチュエータに対する負荷の変動を単にエネルギー変換手段によるトルクアシストで補償するよりも、確実に少ない損失で操作レバーの動作開始位置を一定に保つことが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。図１において、ショベル１は、下部走行体２と、上部旋回体３と、掘削アタッチメント４とから構成されている。
【００２２】
下部走行体２は、左右のクローラフレーム５およびクローラ６（いずれも片側のみ図示）と、クローラ６を回転駆動する左右の走行用電動機３８および走行減速機３９（いずれも片側のみ図示）とを有している。走行減速機３９は、走行用電動機３８の回転を減速して走行機構に伝える。
【００２３】
上部旋回体３は、旋回フレーム８、キャビン９などから成っている。旋回フレーム８には、動力源としてのエンジン１０と、エンジン１０によって駆動される発電機１１および油圧ポンプ２０と、バッテリ３２と、作動油タンク１４と、コントロールバルブ２１と、上部旋回体３を回転させるための旋回用電動機３６と、旋回用電動機３６の回転を減速して旋回機構（旋回歯車）に伝える旋回減速機３７とが設置されている。このほか、上部旋回体３内には、インバータ３１（図２参照）などを含む制御部（図示せず）が設けられている。
【００２４】
掘削アタッチメント４は、ブーム１７と、伸縮作動してブーム１７を起伏させるブームシリンダ２３と、アーム１９と、アーム１９を回動させるアームシリンダ２２と、バケット２４と、バケット２４を回動させるバケットシリンダ３５とを具備している。また、バケットシリンダ３５には、バケット用電動機３３およびこれによって駆動されるバケット用油圧ポンプ（以下、「バケットポンプ」という）３４が取り付けられている。バケット用電動機３３とバケットポンプ３４とバケットシリンダ３５は、後述するように一体化されたものが用いられている。
【００２５】
次に、ショベル１の駆動系について、図２に基づいて説明する。図２は、ショベル１の駆動系を概略的に示すブロック図である。図２に示すように、発電機１１および油圧ポンプ２０はともにエンジン１０の出力軸に取り付けられている。そして、油圧ポンプ２０からの圧油がコントロールバルブ２１を介してアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３にそれぞれ供給される。これにより、操作レバーを操作してコントロールバルブ２１を制御することにより、アーム１９およびブーム１７を任意の速度で所定の位置に移動させることができる。
【００２６】
このように、本実施の形態のショベル１では、オペレータのレバー操作に滑らかに追従する優れた操作性が要求されるアーム１９およびブーム１７を、電動機などを介すことなく油圧ポンプ２０からの圧油によって駆動するようにしている。そのため、オペレータはアーム１９およびブーム１７の微妙な動きを正確に操作することが可能である。
【００２７】
また、発電機１１は、油圧ポンプ２０側が低負荷時には、発電手段としてエンジン１０の出力トルクから交流電力を発生してインバータ３１に供給し、一方で油圧ポンプ２０側が高負荷時には、電動機としてバッテリ３２からの電気エネルギーをトルクに変換して油圧ポンプ２０を駆動する。低負荷運転と高負荷運転の切り換えは、油圧ポンプ２０の後段で測定した圧油の圧力と流量との積に基づいて或いは手動により図示しない制御部の制御によって行ってよい。
【００２８】
発電機１１にはインバータ３１が接続されている。インバータ３１は、発電機１１で発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ３２に蓄える通常充電作用、インバータ３１に接続された電動機３３、３６、３８の回生作用によって発生した交流電力を直流電力に変換してバッテリ３２に蓄える回生充電作用の各作用を行なう。
【００２９】
また、インバータ３１は、バッテリ３２に蓄えられた電気エネルギーを交流に変換して電動機３３、３６、３８および／または発電機１１に供給する放電作用、発電機１１からの交流電力を電動機３３、３６、３８に供給する供給作用の各作用を行なう。これら２つの作用を行う際、インバータ３１は交流電流の周波数を制御部からの命令にしたがって任意の値に変更することが可能であり、これによって電動機３３、３６、３８の回転数を制御することができるようになっている。
【００３０】
インバータ３１には３つの電動機３３、３６、３８が接続されている。バケット用電動機３３は、上述したようにバケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５とともに一体型アクチュエータとして構成されている。旋回用電動機３６および走行用電動機３８はそれぞれ旋回減速機３７および走行減速機３９に連結されている。これら３つの電動機３３、３６、３８は、オペレータの操作によって、それぞれのオンオフ、回転速度および回転方向が制御される。
【００３１】
このように、本実施の形態のショベル１では、オペレータのレバー操作に滑らかに追従する優れた操作性があまり要求されないバケット２４、旋回機構および走行機構を、電動機３３、３６、３８を介して駆動するようにしている。そのため、エンジン１０の余剰トルクを利用して蓄電されたバッテリ３２の電気エネルギーを有効に用いることができて高いエネルギー効率でショベル１を動作させることができる。
【００３２】
次に、ショベル１の動作について説明する。油圧ポンプ２０側が低負荷時には、エンジン１０が運転されると発電機１１が発電作用を行い、発生した交流電力がインバータ３１を介して電動機３３、３６、３８に供給されることによりこれらの駆動が可能になる。これとともに、エンジン１０によって油圧ポンプ２０が駆動されるので、コントロールバルブ２１を操作することによりアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３を適宜動かすことが可能になる。
【００３３】
電動機３３、３６、３８は、これらへの合計負荷が小さいときには発電機１１からインバータ３７経由で供給される交流電力によって駆動される。このとき、発電機１１で発電された交流電力は、インバータ３１において直流電力に変換されてバッテリ３２に蓄えられる。なお、例えばショベル１の走行時のようにアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３を使用しておらず、バッテリ３２の蓄電力が十分であり且つ電動機３３、３６、３８への合計負荷が小さいときには、エンジン１０の出力を低下させ或いはエンジン１０を停止してバッテリ３２だけから電動機３３、３６、３８に電力を供給するようにしてもよい。これによって、エンジン１０を無駄に動作させるのを防止して騒音および排ガスを削減し、さらに燃料消費率を低減することができる。
【００３４】
一方、電動機３３、３６、３８の合計負荷が所定値よりも大きくなると、発電機１１で発電された交流電力のバッテリ３２への蓄電は停止され、そして、電動機３３、３６、３８の駆動エネルギーとして、発電機１１から供給された電力だけではなく必要であればバッテリ３２に蓄電された電力が併せて用いられる。
【００３５】
このように、インバータ３１は電動機３３、３６、３８の合計負荷が所定値よりも大きいかどうかでその動作が切り換えられ、この切り換えは電動機３３、３６、３８を流れる電流とその電圧の積に基づいて或いは手動により制御部の制御により行われる。
【００３６】
また、運転中、電動機３３、３６、３８をその位置エネルギーおよび運動エネルギーを利用して発電機として作用（回生作用）させ、これによって発生する回生電力をバッテリ３２に蓄えることができる。特に、旋回用電動機３６は旋回加速時に大きな運動エネルギーを蓄えることができるので減速時におけるエネルギーの回生効果が高い。
【００３７】
次に、油圧ポンプ２０側が高負荷時には、発電機１１は電動機として機能して、バッテリ３２を介してインバータ３１から受け取った電気エネルギーをトルクに変換して油圧ポンプ２０を駆動する。つまり、油圧ポンプ２０はエンジンの出力トルクによって駆動されるのに加えて発電機１１からのトルクによっても駆動されることになる。これによって、エンジン１０の出力が比較的小さい場合であっても比較的大きな負荷にまで油圧ポンプ２０が対応することができるようになる。
【００３８】
このとき、発電機１１からインバータ３１への電力供給はないので、電動機３３、３６、３８はバッテリ３２から供給された電力によって駆動されることになる。
【００３９】
すなわち、本実施の形態のショベル１では、図３に示すように、エンジン１０の出力エネルギーを一定にしておいて、油圧ポンプ２０および電動機３３、３６、３８の合計負荷（作業エネルギー）がこの一定値よりも小さいときにバッテリ３２が充電され、作業エネルギーが一定値よりも大きいときにバッテリ３２が放電されて油圧ポンプ２０および／または電動機３３、３６、３８の駆動エネルギーとして用いられることになる。
【００４０】
このように、本実施の形態のショベル１によると、エンジン１０によって駆動される油圧ポンプ２０がコントロールバルブ２１を介して油圧アクチュエータであるアームシリンダ２２およびブームシリンダ２３に接続されているので、操作レバーの動きに追従して滑らかに動作させる必要のあるアーム１９およびブーム１７に対して良好な操作性を実現することが可能である。また、発電機１１および／またはバッテリ３２から電気エネルギーの供給を受ける電動機３３、３６、３８がバケット２４、旋回機構および走行機構の駆動源となるようにしているので、従来よりもエネルギー効率を高めることができるようになる。つまり、本実施の形態のショベル１では、良好な操作性が要求されるアーム１９およびブーム１７を油圧ポンプ２０で駆動し、良好な操作性があまり要求されないバケット２４、旋回機構および走行機構の駆動源を電動機３３、３６、３８とすることにより、アーム１９およびブーム１７の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能である。
【００４１】
また、従来のようにすべての動作部が油圧ポンプ２０で駆動されるのではなく、バケット２４、旋回機構および走行機構を電動機３３、３６、３８で駆動するようにしたことにより、油圧ポンプ２０および電動機３３、３６、３８をそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。本実施の形態では、油圧ポンプ２０をショベル１の主筐体である上部旋回体３内に配置するとともにバケット用電動機３３をアーム近傍に、走行用電動機３８を下部走行体２に設置することで、上部旋回体３内に大きなスペースが必要となることがなく、ショベル１を比較的小型にすることが可能となる。
【００４２】
また、本実施の形態では、バケットシリンダ３５を電動機３３によって直接駆動するのではなくバケットポンプ３４を介して駆動している。そのため、直線運動を行なうバケット２４を、ラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも比較的大きな推力で動かすことができる。また、バケット２４を直線運動させる機構として、ラック・ピニオンなどを用いるよりも構造が簡単である。
【００４３】
次に、上述した電動機３３とバケットポンプ３４とバケットシリンダ３５との一体型アクチュエータについて、図４および図５に基づいて説明する。図４は一体型アクチュエータの側面図であり、図５はその回路図である。
【００４４】
これらの図面に示すように、バケットポンプ３４は、電動機３３の回転方向に応じて油の吐出方向が転換する双方向性ポンプとして構成され、ポンプ３４の両側吐出口が管路４１、４２を介してバケットシリンダ３５のヘッド側およびロッド側油室に接続されている。
【００４５】
図５において、４３はリリーフ弁、４４はオイルタンク、４５はポンプ３４とオイルタンク４４との間に設けられた自動切換弁、４６はオペレートチェック弁、４７は両側管路４１、４２間に設けられた手動開閉弁、４８はスローリターン弁である。
【００４６】
このような一体型アクチュエータを用いれば、電動機３３と油圧ポンプ３４を別々に設ける場合と比較してユニット全体を小型化、軽量化することができる。このため、掘削アタッチメント４に搭載するのに有利となる。また、バケットシリンダ３５を停止させておく場合には電動機３３および油圧ポンプ３４を停止して余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、油圧ポンプ３４とバケットシリンダ３５とを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るショベルについて、図６に基づいて説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。図６において図２と同じ構成部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。本実施の形態のショベル５０は、インバータ３１とコントロールバルブ２１との間が合流用油圧回路５３で接続されている点を除いて、第１の実施の形態のものと基本的に同様に構成されている。なお、図面を簡略化するために図６ではバケット用電動機３３、バケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５の図示を省略している。
【００４８】
本実施の形態では、合流用油圧回路５３に電動機５１、油圧ポンプ５２および逆止弁５４を設け、油圧ポンプ２０の負荷に応じて油圧ポンプ５２からの圧油を油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給するようにしている。このとき、第１の実施の形態で説明したように、油圧ポンプ２０の後段で測定した圧油の圧力と流量との積に基づいて、図示しない制御部の制御によって油圧ポンプ２０側の負荷を計測し、これに応じた圧油が油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されるように電動機５１に信号を与えればよい。
【００４９】
このようにして、油圧ポンプ２０の負荷に応じた量の圧油が油圧ポンプ５２から油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されることにより、オペレータがアームシリンダ２２またはブームシリンダ２３を動作させるための操作レバーの動作開始位置を常に一定に保つことができる。
【００５０】
この点について、図７に基づいて説明する。図７は、操作レバー位置とシリンダ速度との関係を示すグラフである。図７において、曲線７１は第１の実施の形態でブームシリンダ２３の負荷が比較的大きいときの、曲線７２は第１の実施の形態でブームシリンダ２３の負荷が比較的小さいときの、曲線７３は本実施の形態における操作レバー位置とシリンダ速度との関係をそれぞれ示している。
【００５１】
図７からも明らかなように、第１の実施の形態では、ブームシリンダ２３への負荷の大小によってブームシリンダ２３の動作開始に対応した操作レバー位置が異なっており、負荷が大きいほど操作レバーを大きく動かさないとブームシリンダ２３が動作し始めない。
【００５２】
これに対して、本実施の形態では、油圧ポンプ２０の負荷に応じた量の圧油が油圧ポンプ５２から油圧ポンプ２０とコントロールバルブ２１との間に供給されることにより、この部分での圧油の圧力を一定に保つことができるので、オペレータがブームシリンダ２３を動作させるための操作レバーの動作開始位置を常に一定に保つことができる。従って、オペレータは、ブームシリンダ２３への負荷の大小にかかわらず常に同じ感覚で操作レバーを操作することができる。なお、操作レバーの動作開始位置を一定に保つには、油圧ポンプ２０側の負荷の変動を発電機１１を電動機として用いることによる油圧ポンプ２０へのトルクアシストで補償することも考えられるが、本実施の形態では圧油をシリンダ２２、２３側に直接供給することによりこの手段よりも少ない損失で確実に操作レバーの動作開始位置を一定に保つことが可能である。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく様々な設計変更を行うことが可能である。例えば、上述の実施の形態では発電機として交流発電機を用いたが直流発電機を用いてもよい。その場合、発電機とバッテリとをインバータを介することなく直接接続してもよい。また、バケット用電動機３３、バケットポンプ３４およびバケットシリンダ３５は必ずしも一体型とする必要はなく、それぞれ別体として構成されていてもよい。また、バッテリ３２としては、通常リチウムイオンバッテリなどの２次電池が用いられるが、キャパシタを用いてもよく、これらを併用してもよい。
【００５４】
また、本発明は、バケットに代えて他の作業工具（例えば排土板や破砕機）を取り付けたショベル、掘削アタッチメントとして図１に示すような手前側に掘削するバックホー型のものに代えて手前側から向こう側に掘削するローディング型のものを備えたショベル、下部走行体としてクローラに代えてホイールを用いたショベルにも適用することができるほか、ホイールローダなどの建設機器やフォークリフトなどの油圧作業機を含む油圧駆動装置に広く適用することが可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の油圧駆動装置によると、良好な操作性が要求される動作部を第１の油圧ポンプで駆動し、良好な操作性があまり要求されない動作部の駆動源を第１の電動機とすることにより、動作部の良好な操作性を確保しつつ比較的高いエネルギー効率を実現することが可能である。
【００５６】
また、動作部が第１の油圧ポンプで駆動されるものと第１の電動機で駆動されるものとに分けられるので、これらをそれぞれ比較的小型にして別々の場所に分けて設置することができる。
【００５７】
さらに、エンジンの負担を平滑化して軽減することが可能であるので、エンジンは平均的な出力を分担できる程度の大きさのものでよく、最大出力に対応した大型のものである必要がなくなって、エンジンサイズを小さくすることができて排ガスおよび騒音の削減とともに省エネルギーが図れる。
【００５８】
請求項２の油圧駆動装置によると、第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが蓄電手段に蓄えられることにより、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。
【００５９】
請求項３の油圧駆動装置によると、動作部を直線運動させる必要がある場合に大きな推力を与えることができ、しかもラック・ピニオンなどで回転運動を直線運動に変換するよりも構造が簡単である。
【００６０】
請求項４の油圧駆動装置によると、第１の電動機と第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることにより、これらの小型軽量化を図ることができるとともに、第２の油圧アクチュエータを動作させる必要がない場合には対応する第１の電動機および第２の油圧ポンプを停止して余剰な圧油が廃棄されないようにすることができる。従って、エネルギー効率をより一層高めることができるようになる。また、第２の油圧ポンプと第２の油圧アクチュエータとを結ぶ配管を施すことが不要になって、構造が簡単になるとともに油漏れなどが起こる確率を低下させることができる。
【００６１】
請求項５の油圧駆動装置によると、第３の油圧ポンプからの圧油が第１の油圧ポンプとコントロールバルブとの間に供給されることにより、この部分の圧油の圧力を一定に保つことができるので、第１の油圧アクチュエータに対する負荷によって操作レバーの動作開始位置が異なるということがなくなり、常に一定の操作レバー位置から第１のアクチュエータが動き始めるようになって操作性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示したショベルの駆動系を概略的に示すブロック図である。
【図３】図１に示したショベルにおいてエンジン出力と作業エネルギーとの関係を示したグラフである。
【図４】図１に示したショベルに用いられた、電動機とバケットポンプとバケットシリンダとの一体型アクチュエータの側面図である。
【図５】図４に示した電動機とバケットポンプとバケットシリンダとの一体型アクチュエータの回路図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る油圧駆動装置であるショベルの概略構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第１および第２の実施の形態のショベルにおいて操作レバー位置とシリンダ速度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
４ 掘削アタッチメント
８ 旋回フレーム
９ キャビン
１０ エンジン
１１ 発電機
１７ ブーム
１９ アーム
２０ 油圧ポンプ
２１ コントロールバルブ
２２ アームシリンダ
２３ ブームシリンダ
２４ バケット
３１ インバータ
３２ バッテリ
３３ バケット用電動機
３４ バケットポンプ
３５ バケットシリンダ
３６ 旋回用電動機
３７ 旋回減速機
３８ 走行用電動機
３９ 走行減速機
Claims (5)
- エンジンと、
前記エンジンによって駆動される第１の油圧ポンプと、
コントロールバルブを介して前記第１の油圧ポンプに接続された第１の油圧アクチュエータと、
電気エネルギーを蓄えるための蓄電手段と、
前記エンジンから受け取った機械エネルギーを電気エネルギーに変換して前記蓄電手段に供給する動作と、前記蓄電手段から受け取った電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記第１の油圧ポンプに供給する動作とを選択的に行なうことが可能であるエネルギー変換手段と、
前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の両者から電気エネルギーの供給を受け得るように構成され、且つ前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受けて動作部の駆動源となる第１の電動機とを備えていることを特徴とする油圧駆動装置。 - 前記第１の電動機の回生制御によって発生する電気エネルギーが前記蓄電手段に蓄えられるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の油圧駆動装置。
- 前記第１の電動機によって駆動される第２の油圧ポンプと、前記第２の油圧ポンプによって駆動される第２の油圧アクチュエータとをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の油圧駆動装置。
- 前記第１の電動機と前記第２の油圧ポンプと前記第２の油圧アクチュエータとが一体に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の油圧駆動装置。
- 前記エネルギー変換手段および前記蓄電手段の少なくともいずれか一方から電気エネルギーの供給を受ける第２の電動機と、
前記第２の電動機によって駆動される第３の油圧ポンプとをさらに備えており、
前記第３の油圧ポンプからの圧油が、前記第１の油圧ポンプと前記コントロールバルブとの間に供給されるように構成したことを特徴とする請求項３または４に記載の油圧駆動装置。
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