JP4608384B2 - 旋回駆動装置、旋回制御装置、旋回制御方法、および建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、旋回駆動装置、旋回制御装置、旋回制御方法、および建設機械に係り、特にメカニカルブレーキが設けられた旋回駆動装置、この旋回駆動装置を制御する旋回制御装置、メカニカルブレーキの制動制御を含む旋回制御方法、およびこれらによって旋回駆動させる旋回体を備えた建設機械に関する。

従来、油圧モータ装置により旋回体を駆動する建設機械が知られている。（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の油圧モータ装置は、油圧モータ部と減速機部とを備え、上部旋回体側の旋回フレームに設置される。この油圧モータ装置の油圧モータ部は、ハウジング内部に斜板式油圧モータを備え、この斜板式油圧モータは、シリンダ、駆動軸、斜板、およびバルブプレートを備えて構成されている。そして、油圧モータ部のシリンダの外周部とハウジング内周部との間には、メカニカルブレーキが組み込まれている。

また、近年、旋回体を旋回用電動モータで駆動する建設機械が注目されている（例えば、特許文献２参照）。

この特許文献２に記載の旋回用電動モータは、ショベルの上部旋回体に設置され、旋回用減速機構を介して当該旋回体を駆動する。そして、旋回用電動モータと減速機構との間には、機械的にブレーキ力を発生するメカニカルブレーキが設けられている。

特開２００２−３５７２６０号公報(第３頁右欄ないし第７頁左欄、図１ないし図４) 特開２００４−３６３０４号公報(第４頁ないし第７頁、図２参照)

ところで、特許文献１に記載のような油圧モータ装置を建設機械に用いた場合には、制御バルブで分流される油圧にて旋回体とブームやアームといった作業機とを駆動することになるため、制御バルブなどでのロスが生じ、燃費改善に大きな制限があるという問題がある。

そこで、特許文献２のように、旋回動作を電動モータにて行うことにより作業機などの油圧駆動側でのロスを少なくすることが考えられる。しかしながら、旋回用の油圧モータを単に電動モータに置き換えたのでは、油圧モータと同程度のトルクを得るために大容量の電動モータが必要になる。したがって、電動モータ自身が格段に大きくなるため、旋回体に設置される電動モータとしては実用的ではないという問題がある。そこで電動モータを小型化するためには、減速機構の減速比を大きくとることが望ましい。しかし、その場合、電動モータを用いるにあたって、特許文献２に記載のような構成を採用したのでは、旋回用の電動モータと減速機構との間にメカニカルブレーキが設けられるため、メカニカルブレーキは、電動モータの高速回転軸を制動する必要があり、この点でメカニカルブレーキで大きな損失が生じてしまううえ、構成が複雑化するという問題がある。

本発明は、前記のような問題に鑑み、簡単な構成で小型化できる旋回駆動装置、この旋回駆動装置を制御する旋回制御装置、旋回制御方法、および建設機械を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る旋回駆動装置は、電動モータの駆動力をスイングサークルに伝達することで旋回体を旋回駆動する旋回駆動装置であって、前記電動モータおよび前記スイングサークルの間に設けられた複数段の減速部と、前記複数段の減速部を構成するいずれかの出力軸を制動する制動部と、を備え、前記電動モータおよび前記制動部の間に配置される回転駆動軸には、当該制動部で制動される部位よりも前段位置に、周方向に連続して形成される凹状部が設けられ、当該回転駆動軸の凹状部が設けられる部位は、他部よりも径寸法が小さく縮径されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る旋回駆動装置では、請求項１に記載の旋回駆動装置において、前記凹状部は、前記電動モータの回転駆動軸に設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る旋回制御装置は、請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置を制御する旋回制御装置であって、前記電動モータの実際の回転速度を認識するモータ回転速度認識手段と、前記旋回体を旋回させる旋回要求速度を認識する旋回要求速度認識手段と、前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータの回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算する偏差演算手段と、前記偏差量に応じて前記電動モータの回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置の前記制動部を制御する速度制御手段とを備え、前記速度制御手段は、前記偏差量が所定の規定量以内であり、かつ前記電動モータの回転速度の変化量が所定の変化量以上である場合に、前記制動部にて前記回転駆動軸を制動させることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る旋回制御装置は、請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置を制御する旋回制御装置であって、前記電動モータの実際の回転速度を認識するモータ回転速度認識手段と、前記旋回体を旋回させる旋回要求速度を認識する旋回要求速度認識手段と、前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータの回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算する偏差演算手段と、前記偏差量に応じて前記電動モータの回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置の前記制動部を制御する速度制御手段とを備え、前記速度制御手段は、前記偏差量が所定の規定量を越える値であり、かつ前記電動モータが前記偏差量に応じた回転トルクを出力していない場合、前記制動部にて前記回転駆動軸を制動させることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る旋回制御装置では、請求項３または請求項４に記載の旋回制御装置において、前記速度制御手段にて前記制動部が制御されると、制動部が動作した旨の信号を警報手段に出力する警報信号出力手段を備えていることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る旋回制御方法は、請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置を制御する旋回制御方法であって、前記電動モータの実際の回転速度を認識し、前記旋回体を旋回させる旋回要求速度を認識し、前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータの回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算し、前記偏差量に応じて前記電動モータの回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置の前記制動部を制御するとともに、前記偏差量が所定の規定量以内であり、かつ前記電動モータの回転速度の変化量が所定の変化量以上である場合に、前記制動部にて前記回転駆動軸を制動させることを特徴とする。

本発明の請求項７に係る旋回制御方法は、請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置を制御する旋回制御方法であって、前記電動モータの実際の回転速度を認識し、前記旋回体を旋回させる旋回要求速度を認識し、前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータの回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算し、前記偏差量に応じて前記電動モータの回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置の前記制動部を制御するとともに、前記偏差量が所定の規定量を越える値であり、かつ前記電動モータが前記偏差量に応じた回転トルクを出力していない場合、前記制動部にて前記回転駆動軸を制動させることを特徴とする。

本発明の請求項８に係る建設機械は、請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置を備えていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、旋回駆動装置は、電力により回転駆動する電動モータに接続される複数段の減速部と、これらの複数段の減速部のうちいずれかの減速部の出力軸に設けられて、その駆動力を制動する制動部とを備えている。これにより、制動部は、電動モータから出力された駆動力を減退させて回転駆動される出力軸を制動するので、電動モータによる高速回転を直接制動する必要がなく、制動部の制動力として大きな力が不要になる。したがって、制動部のサイズの小型化が可能となり、旋回駆動装置の生産コストも最小限に抑えられる。さらに、回転駆動力による回転速度が減速されて駆動する回転駆動軸を制動するため、連れ回りトルクが小さくなり、旋回駆動の効率低下を防止できる。さらには、高速回転軸を制動する専用のブレーキなどを用いる必要がなく、従来の例えば油圧式のブレーキなどが利用できる。

また、請求項１の発明では、電動モータおよび制動部の間の回転駆動軸の一部に凹状部が当該回転駆動軸の周方向に連続して形成されている。これにより、例えば旋回駆動装置に強い衝撃が加わった際、この凹状部に付加が集中して、回転駆動軸は凹状部で破損する。したがって、例えば回転駆動軸が破損した状態でも、制動部で回転駆動軸の下方側を制動させることができ、旋回体スイングサークルを制動できる。よって、旋回駆動装置が破損した際の旋回体の旋回を防止できる。

請求項２の発明によれば、前記の発明と同様に、モータ駆動軸の一部には、軸の周方向に連続して形成される凹状部が設けられている。これにより、例えば旋回駆動装置に強い衝撃が加わった際、この凹状部に応力がかかると、モータ駆動軸は凹状部で破損する。したがって、例えばモータ駆動軸が破損した状態でも、制動部で回転駆動軸の下方側を制動させることができ、旋回体スイングサークルを制動できる。さらに、故障箇所が交換が容易にできるモータ駆動軸に特定でき、モータ駆動軸を交換するだけで容易に故障を直すことができ、メンテナンス性も良好にできる。

また、上記のような凹状部は、モータ駆動軸もしくは回転駆動軸の一部を例えば切削して径寸法を小さく縮径することで、容易に形成することができる。また、このような凹状部は、モータ駆動軸もしくは回転駆動軸を同軸上に配置され、かつモータ駆動軸もしくは回転駆動軸と一体形成されるため、これらの軸の通常回転時にかかる衝撃などでは破損することがない。

請求項３の発明によれば、速度制御手段は、前記偏差量が規定量以内であり、電動モータのモータ回転速度の変化量、すなわち角加速度が所定量以上である場合に、作動させて旋回体の旋回を止める。例えば、旋回駆動装置を操作する操作者にて指定された旋回要求
速度およびモータ回転速度の偏差量が規定量以内であったとしても、例えば衝撃により回転駆動軸が折損している場合、回転駆動力がスイングサークルに伝達されない。このような場合、電動モータが空回りするためにモータ回転速度の変化量が著しく大きな値となる。このような場合でも、本発明では、速度制御手段は、モータ回転速度の変化量が所定量以上となることを認識すると、制動部を作動させて回転駆動軸を制動する。これにより、回転駆動軸からスイングサークルは制動部により制動され、旋回体の旋回が制動される。したがって、旋回体の旋回動作が制御不能に陥ることがない。

請求項４の発明によれば、速度制御手段は、前記偏差量が所定の規定量を越える値であるにも関わらず、電動モータのモータ回転トルクが出力されていない場合、整合部を作動させて旋回動作を制動する。これにより、電動モータや電動モータをモニタするセンサなどの部材の故障を察知可能となる。そして、故障を察知すると、制動部を作動させるので、旋回体の故障を早期に発見することができる。

請求項５の発明によれば、前記のように、異常が発生すると、警報信号出力手段は、旋回駆動装置の制動部が動作した旨の信号を警報手段に出力し、操作者に警報する。これにより、旋回駆動装置の故障などを早期に操作者に知らせることができる。

請求項６の発明によれば、モータ回転数および旋回要求速度により演算される偏差量が規定量以内であり、電動モータのモータ回転速度の変化量が所定量以上である場合に、制動部を作動させる。これにより、回転駆動軸からスイングサークルまでが制動部により制動され、旋回体の旋回が制動され、旋回体の旋回動作が制御不能に陥ることがない。

請求項７の発明によれば、前記偏差量が所定の規定量を越える値であるにも関わらず、電動モータのモータ回転トルクが出力されていない場合、制動部を作動させて旋回動作を制動する。これにより、電動モータや電動モータをモニタするセンサなどの部材の故障を察知でき、旋回体の故障を早期に発見することができる。

請求項８の発明によれば、制動部の制動力に大きな力を必要としないため、制動部のサイズの小型化が可能となり、旋回駆動装置の生産コストも最小限に抑えられる。したがって、建設機械の小型化や生産コストを低減できる。

以下、本発明における一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る電動旋回ショベル（建設機械）１を示す平面図である。図２は、電動旋回ショベル１の要部を説明するためのブロック図である。図３は、旋回制御装置１２の制御器１３の概略構成を模式的に示すブロック図である。図４は、電動旋回ショベル１に搭載された旋回駆動装置５の断面図である。

〔電動旋回ショベルの構成〕
電動旋回ショベル１は、図１および図２に示すように、下部走行体２を構成するトラックフレーム上にスイングサークル３を介して設置された旋回体４を備え、この旋回体４がスイングサークル３と噛合する電動駆動式の旋回駆動装置５によって旋回駆動される。旋回駆動装置５の電力源は、旋回体４に搭載された発電機１８であり、この発電機１８がエンジン１５によって駆動される。

旋回体４には、それぞれ図示しない油圧シリンダによって動作されるブーム６、アーム７、およびバケット８が設けられており、これらによって作業機９が構成されている。各油圧シリンダの油圧源は、エンジン１５で駆動される油圧ポンプ１６である。したがって、電動旋回ショベル１は、油圧駆動の作業機９と電気駆動の旋回体４とを備えたハイブリッド建設機械である。また、旋回体４には、キャブ１０が設けられている。このキャブ１０には、例えば、下部走行体２および作業機９の動作や旋回体４を操作するための複数の操作レバー１１などが設けられている。図２において、特に旋回体４の操作用の操作レバー１１は、旋回体４の内部に搭載される旋回制御装置１２に接続され、操作レバー１１の操作量に応じた操作信号を旋回制御装置１２に出力する。また、キャブ１０には、旋回制御装置１２や旋回駆動装置５などの異常を報知する図示しない警報ランプ（警報手段）が設けられている。

旋回制御装置１２は、操作レバー１１から入力される操作信号に応じて、旋回駆動装置５に所定の動作信号を出力し、その動作を制御する。そして、この旋回制御装置１２は制御器１３とインバータ１４とを備えている。

制御器１３は、図３に示すように、モータ回転速度認識手段１３１と、旋回要求速度認識手段１３２と、偏差演算手段１３３と、偏差量比較手段１３４と、速度変化演算手段１３５と、出力判断手段１３６と、速度制御手段１３７と、警報信号出力手段１３８とを備えている。

モータ回転速度認識手段１３１は、電動モータ５０に取り付けられた回転検出器からの回転検出信号をインバータ１４を介して入力し、電動モータ５０の実際のモータ回転速度を認識する。
旋回要求速度認識手段１３２は、操作レバー１１から入力される操作信号を認識する。

偏差演算手段１３３は、旋回要求速度認識手段１３２にて認識される操作信号に基づいた旋回要求速度と、モータ回転速度認識手段１３１にて認識される実際のモータ回転速度とを比較し、その偏差量を演算する。

偏差量比較手段１３４は、偏差演算手段１３３にて演算された偏差量と予め規定された規定量とを比較し、偏差量がこの規定量以内であるか否かを判断する。ここで、規定量としては、例えば作業機９を旋回方向に押し付けて作業する場合には、旋回要求速度と実際のモータの回転速度との偏差量が大きくなることを想定し、比較的大きな値を設定することが好ましく、例えば速度制御範囲、すなわち旋回要求速度の１／２から１／３に設定されている。

速度変化演算手段１３５は、モータ回転速度認識手段１３１にて認識されたモータ回転数、および後述する旋回駆動装置５の減速部５１の減速比に基づき、所定時間内での旋回体４の旋回速度変化量を演算する。また、速度変化演算手段１３５は、電動モータ５０に供給される電流およびモータ回転速度に基づいて演算される電動モータ５０の出力トルクを旋回速度変化量で除算し、この除算により得られる値に基づいて、旋回時の回転慣性に相当する次元数の値を演算する。さらに、速度変化演算手段１３５は、演算した次元数の値が予め設定される規定範囲以内であるか否かを判断する。ここで、規定値としてはやはり、旋回の回転慣性に相当する次元数の値が設定される。この値は、作業機９の姿勢やバケット８内にある堀削土砂量により大きく変化するが、例えば作業機９の姿勢を旋回内側に巻き込んだ状態とし、かつ堀削土砂が無い状態における回転慣性に相当する値とすることが好ましい。

出力判断手段１３６は、電動モータ５０の出力トルクおよび偏差演算手段１３３にて演算される偏差量に基づいて、電動モータ５０が偏差量に応じた出力トルクを出力しているか否かを判断する。

速度制御手段１３７は、偏差演算手段１３３にて演算された偏差量に応じた速度指令をインバータ１４に出力する。また、速度制御手段１３７は、後述するメカニカルブレーキ５２０を作動させて旋回を制動させる旨の旋回制動信号を油圧バルブ１７に出力する。具体的には、速度制御手段１３７は、速度変化演算手段１３５にて旋回速度変化量が所定の規定範囲外であると判断された場合、および出力判断手段１３６にて電動モータ５０が偏差量に応じた出力トルクを出力していないと判断された場合に、メカニカルブレーキ５２０を作動させる。

警報信号出力手段１３８は、速度制御手段１３７にてメカニカルブレーキ５２０が作動されたことを認識すると、メカニカルブレーキ５２０が作動された旨の警報信号を警報ランプに出力する。なお、警報信号出力手段１３８は、速度制御手段１３７にて旋回駆動装置５に異常がある場合、すなわち、速度変化演算手段１３５にて旋回速度変化量が所定の規定範囲外であると判断された場合、および出力判断手段１３６にて電動モータ５０が偏差量に応じた出力トルクを出力していないと判断された場合にのみ警報信号を出力するものであり、作業者が入力した制動命令によりメカニカルブレーキ５２０が作動された場合には警報信号を出力しない。

インバータ１４は、旋回駆動装置５の電動モータ５０に設けられた回転検出器により検出されるモータ回転数を常時監視し、モータ回転数に応じた回転検出信号を制御器１３に出力する。また、インバータ１４は、制御器１３の速度制御手段１３７から入力される速度指令に比例したトルクを電動モータ５０にて出力させるように、電動モータ５０への電流通電量を制御する。

次に、旋回駆動装置５を図４に基づいて説明する。
図４において、旋回駆動装置５は、電動モータ５０と減速部５１とを備えて構成されている。

電動モータ５０は、前述したように、旋回制御装置１２の制御により所定の電力が供給されて回転する。この電動モータ５０は、従来の油圧モータとほぼ同じ大きさのものが用いられている。また、電動モータ５０は、従来の油圧モータに相当する出力トルクを生じさせるために、油圧モータに比べて高速回転型とされている。この電動モータ５０には、前述したように、図示しない回転検出器が設けられている。この回転検出器は、旋回制御装置１２のインバータ１４に電気的に接続され、検出したモータの回転数に応じた信号を常時出力する。

電動モータ５０の下部側には、モータ駆動軸５０１が突出している。このモータ駆動軸５０１の先端には、モータ歯車５０２が設けられている。モータ歯車５０２は、モータ駆動軸５０１の先端を歯車形状に加工したものであり、モータ駆動軸５０１と一体に形成されている。

減速部５１は、電動モータ５０の回転を減速しつつ、駆動トルクを増大させながら、下部走行体２に設けられたスイングサークル３に駆動力を伝達する３段式の遊星減速機構である。したがって、この減速部５１は、電動モータ５０に接続される第１減速部５１１と、第１減速部５１１に接続される第２減速部５１２と、第２減速部５１２に接続される第３減速部５１３とを備えている。また、第１減速部５１１および第２減速部５１２の間には、メカニカルブレーキ（制動部）５２０が設けられており、これらの第１減速部５１１、第２減速部５１２、第３減速部５１３、およびメカニカルブレーキ５２０が円筒状のケーシング５１０内に収納されている。

ケーシング５１０は、上方から順に、内部に第１減速部５１１が配設される第１ケーシング５１０Ａと、内部にメカニカルブレーキ５２０が配設されるブレーキケーシング５１０Ｂと、内部に第２減速部５１２および第３減速部５１３の一部が配設される第２ケーシング５１０Ｃと、内部に第３減速部５１３の他の部分が配設される第３ケーシング５１０Ｄとを備えている。そして、このケーシング５１０では、例えばボルト止めなどにより、旋回体４の下部に第３ケーシング５１０Ｄが取り付けられ、この第３ケーシング５１０Ｄ上に第２ケーシング５１０Ｃが取り付けられ、第２ケーシング５１０Ｃにブレーキケーシング５１０Ｂが取り付けられ、ブレーキケーシング５１０Ｂに第１ケーシング５１０Ａが取り付けられる。

このうち、第１ケーシング５１０Ａの筒内部の軸心上には、電動モータ５０のモータ駆動軸５０１が挿通される。モータ歯車５０２の歯に対向する第１ケーシング５１０Ａの内周面には、内歯５１０Ａ１が形成されている。第１ケーシング５１０Ａの下面側には、上方に向かって複数のばね挿通孔５１０Ａ２が設けられている。

ブレーキケーシング５１０Ｂには、外周面から内周面までを連通する油圧ポート挿通孔５１０Ｂ１が設けられ、この油圧ポート挿通孔５１０Ｂ１には油圧バルブ１７（図２参照）が接続される油圧ポート５３０が挿通されている。ブレーキケーシング５１０Ｂの内周には、下側が縮径した段差部分が形成され、この段差部分の上面に油圧ポート挿通孔５１０Ｂ１に連通する図示略の連通孔が設けられている。ブレーキケーシング５１０Ｂの下端部には、内方側に向かってパッド固定部５１０Ｂ２が突出している。このパッド固定部５１０Ｂ２には、後述するブレーキパッド５２３が取り付けられている。

第２ケーシング５１０Ｃの内周面にも、内歯５１０Ｃ１が形成されている。

第１減速部５１１は、電動モータ５０から駆動力が伝達されて回転駆動する第１遊星歯車５１１Ａと、モータ駆動軸５０１と同軸上で回転可能に配設される第１キャリア５１１Ｂと、第１キャリア５１１Ｂに一体形成されるとともにモータ駆動軸５０１と同軸上で回転可能に配設される第１駆動軸（回転駆動軸、出力軸）５１１Ｃとを備えている。

第１遊星歯車５１１Ａは、モータ歯車５０２および第１ケーシング５１０Ａの内周面の間に配設され、モータ歯車５０２と内周面に形成される内歯５１０Ａ１との双方に噛合されている。また第１遊星歯車５１１Ａの軸である第１遊星軸５１１Ａ１は、第１キャリア５１１Ｂに固定されている。そして、この第１遊星歯車５１１Ａは、第1ケーシング５１０Ａの内歯５１０Ａ１に噛合しているので、モータ歯車５０２の回転により回転すると、内歯５１０Ａ１に沿って、モータ歯車５０２の外周を公転する。

第１キャリア１１Ｂは、略円盤状に形成され、この円盤中心に第１駆動軸５１１Ｃが固定されている。これにより、第１キャリア５１１Ｂが回転することで、第１駆動軸５１１Ｃが第１キャリア５１１Ｂと同軸上で回転駆動する。この第１キャリア５１１Ｂの回転速度は、モータ駆動軸５０１の外周を回転移動する第１遊星歯車５１１Ａの公転速度となり、モータ歯車５０２の回転速度よりも減速される。

また、第１駆動軸５１１Ｃの下端部には、第２減速部５１２に接続される第１駆動歯車５１１Ｄが形成されている。さらに、第１駆動歯車５１１Ｄの上方の一部には、他部より径寸法が小さく縮径された凹状部５１１Ｅが周方向に連続して形成されている。この凹状部５１１Ｅは、他部よりも耐衝撃性が弱くなるため、例えば旋回駆動装置５に強い衝撃などが加わった際に衝撃により最初に破損する。これにより、衝撃による破損が生じた場合でも、破損箇所が容易に特定可能となる。また、凹状部５１１Ｅが破損した状態で電動モータが駆動したとしても、凹状部５１１Ｅがメカニカルブレーキ５２０での制動部位よりも電動モータに近接する位置に設けられているので、メカニカルブレーキ５２０の制御により旋回体４の旋回を制動させることが可能となる。

第２減速部５１２は、第１駆動軸５１１Ｃから駆動力が伝達されて回転駆動する第２遊星歯車５１２Ａと、第２遊星歯車５１２Ａの第２遊星軸５１２Ａが固定される第２キャリア５１２Ｂと、第２キャリア５１２Ｂに固定された第２駆動軸５１２Ｃとを備えている。

第２遊星歯車５１２Ａは、第１駆動歯車５１１Ｄと第２ケーシング５１０Ｃの内歯５１０Ｃ１との双方に噛合され、第１駆動歯車５１１Ｄの回転によりこの第１駆動歯車５１１Ｄの外周を公転する。第２遊星歯車５１２Ａの公転により、第２キャリア５１２Ｂおよび第２駆動軸５１２Ｃが回転する。第２駆動軸５１２Ｃの回転は、第１駆動軸５１１Ｃの外周を回転移動する第２遊星歯車５１２Ａの公転により、この第２遊星歯車５１２Ａの公転速度に減速される。

第３減速部５１３は、第２駆動軸５１２Ｃの第２駆動歯車５１２Ｄと噛合する第３遊星歯車５１３Ａと、第３遊星歯車５１３Ａの第３遊星軸５１３Ａ１が固定される第３キャリア５１３Ｂと、第３キャリア５１３Ｂに固定された第３駆動軸５１３Ｃとを備えている。

第３遊星歯車５１３Ａは、第１駆動歯車５１２Ｄと第２ケーシング５１０Ｃの内歯５１０Ｃ１との双方に噛合され、第２駆動歯車５１２Ｄの回転によりこの第２駆動歯車５１２Ｄの外周を公転する。第３遊星歯車５１３Ａの公転により、第３キャリア５１３Ｂおよび第３駆動軸５１３Ｃが回転する。そして、この第３駆動軸５１３Ｃの回転速度は、第２駆動歯車５１２Ｄの外周を回転移動する第３遊星歯車５１３Ａの回転速度となり、第２駆動軸５１２Ｃの回転速度よりも減速される。また、第３駆動軸５１３Ｃの下端部には、第３駆動歯車５１３Ｄが形成されている。この第３駆動歯車５１３Ｄは、第３ケーシング５１０Ｄの下端面より下方に突出し、下部走行体２に取り付けられるスイングサークル３に噛合している。

メカニカルブレーキ５２０は、第１減速部５１１および第２減速部５１２の間に配設され、第一減速部５１１の出力軸である第１駆動軸５１１Ｃを制動する。このメカニカルブレーキ５２０は、第１駆動軸５１１Ｃの凹状部５１１Ｅと第１駆動歯車５１１Ｄとの間にスプライン接合やセレーション接合などにより接合されたブレーキ連結部５２１と、ブレーキ連結部５２１の外周部に設けられたブレーキディスク５２２と、ブレーキディスク５２２の上下に対向して設けられるブレーキパッド５２３と、最上部のブレーキパッド５２３の上さらに上部に設けられるブレーキピストン５２４とを備えている。なお、本実施形態において、１枚のブレーキディスク５２２を用いる例を示すが、これに限られず、複数枚のブレーキディスク５２２を用いてもよい。

ブレーキパッド５２３は、ブレーキディスク５２２の両面に対向する位置に１対設けられている。このうちブレーキディスク５２２の下方側に設けられる下部ブレーキパッド５２３Ａは、ブレーキケーシング５１０Ｂのパッド固定部５１０Ｂ２に固定される。一方、ブレーキディスク５２２の上方側に設けられる上部ブレーキパッド５２３Ｂは、上下方向に進退自在に設けられるブレーキピストン５２４の下端部に取り付けられている。そして、ブレーキピストン５２４が下側に移動し、ブレーキディスク５２２を下部ブレーキパッド５２３Ａとで挟むことで、ブレーキディスク５２２の回転を制動する。

ブレーキピストン５２４は、略環状に形成された部材であり、ブレーキケーシング５１０Ｂの段差部分に対向した別の段差部分を備えている。そして、これらの段差部分により油圧室５２４Ａが形成されることになり、この油圧室５２４Ａを介してブレーキピストン５２４が上下方向に進退自在に設けられている。つまり、ブレーキケーシング５１０Ｂの油圧ポート挿通孔５１０Ｂ１からは、油圧室５２４Ａに圧油が注入されることになり、ブレーキピストン５２４は上方側に押し上げられる。これにより、ブレーキケーシング５１０Ｂの下端部に取り付けられる上部ブレーキパッド５２３Ｂがブレーキディスク５２２から離反し、第１駆動軸５１１Ｃの回転駆動が制動されない状態となる。

また、ブレーキピストン５２４の上方には、ばね５２５が設けられている。このばね５２５は、ブレーキピストン５２４の上端部を下方に付勢している。したがって、ブレーキピストン５２４は、油圧ポート５３０から油圧が付加されない状態では、ばね５２５の付勢力により下方側に押し下げられ、ブレーキパッド５２３にてブレーキディスク５２２を挟みこみ、第１駆動軸５１１Ｃの回転を制動する。

［電動旋回ショベルの動作］
次に電動旋回ショベル１の動作について図面に基づいて説明する。

〔電動旋回所別の旋回制御処理〕
図５は、電動旋回ショベル１を操作した際の旋回制御装置１２の処理を示すフローチャートである。
図５において、旋回制御装置１２は、まず、操作レバー１１が操作され、所定の操作信号が入力されたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。そして、このステップＳ１０１において、操作レバー１１が操作されていない状態では、制御器１３は、油圧バルブ１７を制御してメカニカルブレーキ５２０の油圧室５２４Ａに圧油が供給されない状態を維持し、ばね５２５の付勢力によりブレーキピストン５２４を下方側に付勢させて第１駆動軸５１１Ｃの回転を停止させておく。

一方、ステップＳ１０１において、操作レバー１１が操作されたことにより、所定の操作信号が入力されたことを認識すると、旋回制御装置１２の制御器１３は、メカニカルブレーキ５２０の油圧室５２４Ａに油圧を付加し、ブレーキピストン５２４を押し上げて第１駆動軸５１１Ｃを回転駆動可能な状態にする（ステップＳ１０２）。

次に、制御器１３の旋回要求速度認識手段１３２は、操作信号に基づいた旋回要求速度を認識する。さらに、モータ回転速度認識手段１３１は、インバータ１４にて検知した旋回体４の現在の旋回速度、すなわち電動モータ５０のモータ回転速度を認識する。そして、偏差演算手段１３３は、これらの旋回要求速度およびモータの回転速度を比較して偏差量を演算する。この後、偏差量比較手段１３４は、演算した偏差量が予め設定された規定量以内であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

そして、速度変化演算手段１３５は、このステップＳ１０３において、偏差量比較手段１３４にて偏差量が規定量以内であると判断された場合、旋回体４の旋回速度変化量を演算し、この旋回速度変化量が所定の規定範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ１０４）。

このステップＳ１０４において、速度変化演算手段１３５にて速度変化量が規定範囲以内であると判断された場合、速度制御手段１３７は、偏差量に基づいた速度指令をインバータ１４に出力する。そして、インバータ１４は、速度指令に応じた電流を電動モータ５０に供給し、電動モータ５０を所定の出力トルクにて回転駆動させる。

一方、ステップＳ１０４において、速度変化演算手段１３５にて速度変化量が規定範囲外であると判断された場合、例えば速度変化量が規定範囲よりも小さいと判断された場合、速度制御手段１３７は、油圧バルブ１７を制御し、メカニカルブレーキ５２０を緊急に作動させる、すなわち油圧バルブ１７を制御してメカニカルブレーキ５２０の油圧室５２４Ａ内から圧油を戻し、第１駆動軸５１１Ｃの回転駆動を制動する（ステップＳ１０５）。例えば第１駆動軸５１１Ｃの凹状部５１１Ｅが何らかの理由により折損した場合、電動モータ５０には負荷が全くかからないために出力トルクが０に近い値となるが、電動モータ５０の回転速度が著しく大きくなって旋回速度変化量が大きくなるため、ステップＳ１０４における値（出力トルクを旋回速度変化量で除した値）は規定範囲よりも小さくなる。速度制御手段１３７は、このような場合を検知すると、メカニカルブレーキ５２０にて第１駆動軸５１１Ｃを制動させて旋回を確実に停止させることが可能となる。

他方、ステップＳ１０３において、偏差量比較手段１３４にて旋回要求速度とモータの回転速度との偏差量が規定量を越えると判断された場合、出力判断手段１３６は、電動モータ５０の出力トルクが偏差量に比例して出力されているか否かを判断する（ステップＳ１０６）。ここで、電動モータ５０が偏差量に応じた出力トルクを出していない場合、電動モータ５０やインバータ１４の故障あるいは異常などが考えられるため、速度制御手段１３７は、ステップＳ１０５の処理を実施し、やはりメカニカルブレーキ５２０を緊急に作動させる。

以上に対して、ステップＳ１０６において、出力判断手段１３６にて電動モータ５０が偏差量に応じたトルクを出力していると判断した場合には、通常の制御が実施される。つまり、速度制御手段１３７は、インバータ１４に偏差量に応じた速度指令を出力する。また、インバータ１４は、この速度指令に基づいて、電動モータ５０の供給する電流を制御する。

さらに、制御器１３の警報信号出力手段１３８は、ステップＳ１０５においてメカニカルブレーキ５２０を作動させる際、すなわちステップＳ１０４にてモータの速度変化量が規定値より小さいと判断した場合、およびステップＳ１０６において、モータの出力トルクが偏差量に比例して出力されていない場合、例えばキャブ１０内の緊急ランプを点灯させて操作者に対してメカニカルブレーキ５２０が緊急に作動された旨を報知する。なお、警報を鳴らすなどして、メカニカルブレーキ５２０の緊急作動を報知してもよい。

〔実施形態の作用効果〕
前記したように、本実施形態の電動旋回ショベル１では、スイングサークル３に駆動力を伝達する旋回駆動装置５は、電力により回転駆動する電動モータ５０と、この電動モータ５０に接続され、電動モータ５０の回転数を減少させて第１ないし第３減速部５１１，５１２，５１３と、第１減速部５１１および第２減速部５１２の間に設けられて、第１駆動軸５１１Ｃの回転を制動するメカニカルブレーキ５２０とを備えている。このため、メカニカルブレーキ５２０は、電動モータ５０から出力された駆動力を1段階減速させて回転駆動される第１駆動軸５１１Ｃを制動することができる。したがって、電動モータによる高速回転を直接制動する必要がないため、メカニカルブレーキ５２０の制動力に大きな力を必要としない。よって、メカニカルブレーキ５２０のサイズを小型化することができ、例えば従来の油圧モータと同サイズのブレーキを利用することができ、旋回駆動装置５の生産コストも最小限に抑えることができる。さらに、回転速度がモータ歯車５０２より減少する第1駆動軸５１１Ｃを制動するため、連れ回りトルクを小さくでき、旋回駆動の効率低下を防止できる。さらには、高速回転軸を制動する専用のブレーキを用いる必要がなく、ブレーキパッド５２３およびブレーキディスク５２２により構成されるメカニカルブレーキ５２０を用いることができる。したがって、メカニカルブレーキ５２０のコスト削減に貢献できる。

また、第１減速部５１１は、第１遊星歯車５１１Ａがモータ駆動軸５０１の外周を公転し、この公転により第１キャリア５１１Ｂおよび第１駆動軸５１１Ｃが自転する。このため、第１駆動軸５１１Ｃは、第１遊星歯車５１１Ａの公転速度で回転することになり、モータ歯車５０２に比べて減速される。同様に、第２減速部５１２および第３減速部５１３も、第１駆動軸５１１Ｃの回転速度、第２駆動軸５１２Ｃの回転速度を減速させて第２駆動軸５１２Ｃ、第３駆動軸５１２Ｃに回転駆動力を伝達する。このため、電動モータ５０を高速回転させた場合でも、簡単な構成で回転速度を減速させて旋回体４を旋回させるための適当な回転速度を得ることができる。

さらに、第１駆動軸５１１Ｃのメカニカルブレーキ５２０の上方に凹状部５１１Ｅが形成されている。この構成では、例えば電動旋回ショベル１に強い衝撃が加わった際、この凹状部５１１Ｅに応力が集中して、第１駆動軸５１１Ｃは凹状部５１１Ｅで破損する。このため、例えば第１駆動軸５１１Ｃが破損した状態でも、メカニカルブレーキ５２０で第１駆動軸５１１Ｃの下方側を制動させることができ、旋回体４の旋回を止めることができる。したがって、旋回駆動装置５が破損した際に旋回体４が旋回してしまったりすることがなく、メカニカルブレーキ５２０で第１駆動軸５１１Ｃを制動することで安全を確保できる。

そして、この電動旋回ショベル１では、旋回制御装置１２の制御器１３にて、操作レバー１１から送信される操作信号およびインバータ１４から送信される回転検出信号に基づいて、旋回要求速度およびモータ回転速度を認識し、これらの旋回要求速度およびモータ回転速度の偏差量を演算する。この際、旋回制御装置１２の制御器１３は、前記偏差量が規定量以内であり、電動モータ５０のモータ回転速度の変化量、すなわち角加速度が所定量以上である場合に、メカニカルブレーキ５２０を緊急作動させて旋回体４の旋回を止める。例えば、操作レバー１１にて指定された旋回要求速度およびモータ回転速度の差が規定量以内であったとしても、例えば衝撃により第１駆動部５１１Ｃの凹状部５１１Ｅが折損している場合、回転駆動力が第１駆動歯車５１１Ｄに伝達されない。したがって電動モータ５０のモータ回転速度の変化量が著しく大きな値となる。このような場合でも、前記のように、旋回制御装置１２の制御器１３は、モータ回転速度の変化量が所定量以上となることを認識すると、メカニカルブレーキ５２０を作動させて第1駆動軸５１１Ｃを制動させることができる

さらに、旋回制御装置１２の制御器１３は、前記偏差量が規定量を越える値であるにもかかわらず、電動モータ５０のモータ回転トルクが出力されていない場合、メカニカルブレーキ５２０を緊急作動させて旋回動作を制動する。このため、インバータ１４や電動モータ５０に故障が生じた場合でも、制御器１３にて察知し、メカニカルブレーキ５２０を緊急作動させることで、旋回体４の故障を早期に発見することができる。

さらには、前記のような異常が発生すると、制御器１３は、キャブ１０に設けられる警報ランプを点灯させたり、警報を鳴らしたりする。このため、旋回駆動装置５の故障やインバータ１４の故障などを早期に操作者に知らせることができる。

また、減速部５１を収納するケーシング５１０は、第１ケーシング５１０Ａ、ブレーキケーシング５１０Ｂ、第２ケーシング５１０Ｃ、第３ケーシング５１０Ｄから構成され、これらをねじ止めなどして固定している。このため、例えば減速部５１の故障時などにおいて、故障箇所に対応したケーシング５１０Ａ〜５１０Ｄを取り外して修理することができる。したがって、故障時の部品交換が容易に実施でき、メンテナンス性も良好にできる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は、前述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。

すなわち、前記本実施形態において、本発明の旋回駆動装置を搭載する電動旋回ショベル１について説明したが、これに限定されない。例えば、下部に設けられる下部部材に対して上部に設けられる旋回体を旋回させる建設機械や、作業機械、製造用ロボットなどに適用することができる。

また、前記実施形態では、第１駆動軸５１１Ｃのメカニカルブレーキ５２０および電動モータ５０の間に凹状部５１１Ｅを設ける構成を示したが、これに限らない。例えば図６に示すような構成としてもよい。図６において、電動モータ６０は、モータにより回転駆動する取付部６０１と、この取付部６０１に取り付けられるモータ駆動軸（回転駆動軸）６０２とを備えている。モータ駆動軸６０２の一端部に取付孔部６０２Ａが形成され、この取付孔部６０２Ａに取付部６０１を嵌合させることでモータ駆動軸６０２が取付部６０１に取り付けられる。また、モータ駆動軸６０２の他端部には、モータ歯車５０２が一体形成され、第１遊星歯車５１１Ａに噛合される。さらに、モータ駆動軸６０２のモータ歯車５０２および取付孔部６０２Ａの間には、モータ駆動軸６０２の他部よりも径寸法が小さく縮径された凹状部６０４が設けられている。この凹状部６０４は、前記実施形態の凹状部５１１Ｅと同様に、旋回駆動装置５に強い衝撃が加わった際に、径寸法が他部より小さい凹状部６０４に最も応力集中して折損する。また、モータ駆動軸６０２に凹状部６０４を設けたので、この凹状部６０４が折損した際には、電動モータ６０を取り外して、モータ駆動軸６０２を取付部からはずして取り換えるだけで容易に故障の修理ができる。したがって、メンテナンス性を良好にできる。

さらに、凹状部６０４は、メカニカルブレーキ５２０および電動モータ５０の間にあり、電動モータ５０のモータ駆動軸５０１の軸心にあればよい。例えば、メカニカルブレーキ５２０が第２減速部５１２および第３減速部５１３の第２駆動軸５１２Ｃを制動する位置に設けられている場合、第２駆動軸５１２Ｃに設けられていてもよい。さらには、メカニカルブレーキ５２０が減速部５１の下端部、すなわち減速部５１とスイングサークルとの間に設けられている構成としてもよい。例えば、第１ないし第３減速部５１１，５１２，５１３により最も減速された第３駆動軸５１３Ｃにメカニカルブレーキ５２０を取り付けてもよい。このような場合、メカニカルブレーキ５２０のブレーキ力を弱めたとしても十分に旋回体４を制動することができるので、メカニカルブレーキ５２０のサイズをより小型化することができる。

さらには、第１駆動軸５１１Ｃに低衝撃性部として凹状部５１１Ｅを設ける構成を示したが、これに限らない。低衝撃性部としては、例えば第１駆動軸５１１Ｃの一部に耐久度が低い素材にて形成された低耐久部を設ける構成としてもよい。

また、前記において、ケーシング５１０は、第１ケーシング５１０Ａ、ブレーキケーシング５１０Ｂ、第２ケーシング５１０Ｃ、第２ケーシング５１０Ｄにより構成されていることを例示したが、これに限定されない。すなわち、各フレームが一体成形されて構成されたものであってもよい。また、凹状部５１１Ｅが設けられる位置に対応して、第１ケーシング５１０Ａおよびブレーキケーシング５１０Ｂが別体とされ、第２および第３フレームが一体形成されたものであってもよい。

さらに、前記実施形態において、電動モータ５０は、モータ駆動軸５０１が一体に形成されている例を示したが、これに限定されない。例えば、図６に示したように、取付孔部６０２Ａを有し、電動モータに形成されて回転駆動する取付部を嵌合するものであってもよい。

また、油圧式のメカニカルブレーキ５２０を前記にて例示したが、本発明にかかる制動部としてはこれに限定されず、例えば電動式のブレーキが用いられてもよい。例えば、電力によりブレーキピストン５２４が進退し、この進退によりブレーキディスク５２２がブレーキパッド５２３に挟持されて制動される構成としてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造および手順は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。

本発明は、電動モータにより旋回する旋回体の旋回制御装置および建設機械に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る電動旋回ショベルを示す平面図。 本実施形態に係る電動旋回ショベルの旋回制御処理を説明するためのブロック図。 本実施形態に係る電動旋回ショベルの制御器の概略構成を模式的に示すブロック図。 本実施形態に係る電動旋回ショベルに搭載された旋回駆動装置の断面図。 本実施形態に係る電動旋回ショベルを操作した際のコントローラの処理を示すフローチャート。 他の実施形態に係る旋回駆動装置の断面図。

符号の説明

１…建設機械としての電動旋回ショベル、３…スイングサークル、４…旋回体、５…旋回駆動装置、１３１…モータ回転速度認識手段、１３２…旋回要求速度認識手段、１３３…偏差演算手段、１３７…速度制御手段、５０，６０…電動モータ、５１…減速部、６０２…回転駆動軸としてのモータ駆動軸、５１１Ｃ…回転駆動軸としての第１駆動軸、５１１Ｅ，６０４…低衝撃性部としての凹状部、５２０…制動部としてのメカニカルブレーキ。

Claims (8)

1. 電動モータ（５０）の駆動力をスイングサークル（３）に伝達することで旋回体（４）を旋回駆動する旋回駆動装置（５）であって、
   前記電動モータ（５０）および前記スイングサークル（３)の間に設けられた複数段の
   減速部（５１）と、
   前記複数段の減速部（５１）を構成するいずれかの出力軸（５１１Ｃ）を制動する制動部（５２０）と、を備え、
   前記電動モータ（５０）および前記制動部（５２０）の間に配置される回転駆動軸（５１１Ｃ，６０２）には、当該制動部（５２０）で制動される部位よりも前段位置に、周方向に連続して形成される凹状部（５１１Ｅ，６０４）が設けられ、当該回転駆動軸（５１１Ｃ，６０２）の凹状部（５１１Ｅ，６０４）が設けられる部位は、他部よりも径寸法が小さく縮径されている
   ことを特徴とする旋回駆動装置（５）。
2. 請求項１に記載の旋回駆動装置（５）において、
   前記凹状部（６０４）は、前記電動モータ（５０）の回転駆動軸（６０２）に設けられている
   ことを特徴とする旋回駆動装置（５）。
3. 請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置（５）を制御する旋回制御装置（１２）であって、
   前記電動モータ（５０）の実際の回転速度を認識するモータ回転速度認識手段（１３１）と、
   前記旋回体（４）を旋回させる旋回要求速度を認識する旋回要求速度認識手段（１３２）と、
   前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータ（５０）の回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算する偏差演算手段（１３３）と、
   前記偏差量に応じて前記電動モータ（５０）の回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置（５）の前記制動部（５２０）を制御する速度制御手段（１３７）とを備え、
   前記速度制御手段（１３７）は、前記偏差量が所定の規定量以内であり、かつ前記電動モータ（５０）の回転速度の変化量が所定の変化量以上である場合に、前記制動部（５２０）にて前記回転駆動軸（５１１Ｃ）を制動させる
   ことを特徴とする旋回制御装置（１２）。
4. 請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置（５）を制御する旋回制御装置（１２）であって、
   前記電動モータ（５０）の実際の回転速度を認識するモータ回転速度認識手段（１３１）と、
   前記旋回体（４）を旋回させる旋回要求速度を認識する旋回要求速度認識手段（１３２）と、
   前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータ（５０）の回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算する偏差演算手段（１３３）と、
   前記偏差量に応じて前記電動モータ（５０）の回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置（５）の前記制動部（５２０）を制御する速度制御手段（１３７）とを備え、
   前記速度制御手段（１３７）は、前記偏差量が所定の規定量を越える値であり、かつ前記電動モータ（５０）が前記偏差量に応じた回転トルクを出力していない場合、前記制動部（５２０）にて前記回転駆動軸（５１１Ｃ）を制動させる
   ことを特徴とする旋回制御装置（１２）。
5. 請求項３または請求項４に記載の旋回制御装置（１２）において、
   前記速度制御手段（１３７）にて前記制動部（５２０）が制御されると、制動部（５２０）が動作した旨の信号を警報手段に出力する警報信号出力手段（１３８）を備えている
   ことを特徴とする旋回制御装置（１２）。
6. 請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置（５）を制御する旋回制御方法であって、
   前記電動モータ（５０）の実際の回転速度を認識し、
   前記旋回体（４）を旋回させる旋回要求速度を認識し、
   前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータ（５０）の回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算し、
   前記偏差量に応じて前記電動モータ（５０）の回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置（５）の前記制動部（５２０）を制御するとともに、前記偏差量が所定の規定量以内であり、かつ前記電動モータ（５０）の回転速度の変化量が所定の変化量以上である場合に、前記制動部（５２０）にて前記回転駆動軸（５１１Ｃ）を制動させる
   ことを特徴とする旋回制御方法。
7. 請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置（５）を制御する旋回制御方法であって、
   前記電動モータ（５０）の実際の回転速度を認識し、
   前記旋回体（４）を旋回させる旋回要求速度を認識し、
   前記モータ回転速度および前記旋回要求速度に基づいて、前記電動モータ（５０）の回転速度および前記旋回要求速度との偏差量を演算し、
   前記偏差量に応じて前記電動モータ（５０）の回転速度を制御するとともに、前記旋回駆動装置（５）の前記制動部（５２０）を制御するとともに、前記偏差量が所定の規定量を越える値であり、かつ前記電動モータ（５０）が前記偏差量に応じた回転トルクを出力していない場合、前記制動部（５２０）にて前記回転駆動軸（５１１Ｃ）を制動させる
   ことを特徴とする旋回制御方法。
8. 請求項１または請求項２に記載の旋回駆動装置（５）を備えていることを特徴とする建設機械（１）。

Images