JP5388560B2 - 油圧電動ハイブリッド型モータおよび同モータを組み込んだ旋回駆動機構を有する油圧ショベル - Google Patents

Description

本発明は、油圧モータと電動機を一体にしてコンパクト化すると共にこれらを容易に分解結合可能な構造とする油圧電動ハイブリッド型モータに係り、特に、油圧ショベル等建設機械の旋回駆動機構への組付けに適した油圧電動ハイブリッド型モータに関する。

油圧ショベル等建設機械においては、下部走行体以外の作業手段、例えばブーム、アーム、バケット、油圧ユニットなどは上部旋回台に搭載されており、旋回作業中、これら大きな慣性体を有する部材の回転駆動、停止が頻繁に行われるためそれに伴う運動エネルギーの消費割合は、建設機械の原動機により発生される全エネルギー消費量のかなりの部分を占めている。そして、近年、原動機による発生エネルギーを効率よく消費するため電動機と油圧モータを組み合わせた所謂ハイブリッド形式の建設機械が提案されている。

例えば、特許文献１の段落０００４には、
「油圧ショベル等の作業機械の上部旋回体が作業時に旋回と停止を繰り返すことに着目し、前記上部旋回体の油圧旋回モータ、旋回減速機、及び旋回ベアリング等から構成される旋回機構に、入り切り白在なクラッチを介して発電機を装着し、該上部旋回体の旋回駆動後旋回停止迄の動力を利用して発電出来る機構を油圧ショベルに備えさせたものである。更に、該油圧ショベルの上部旋回体にエンジンで駆動する油圧ポンプに加えて、クラッチを介して電動モータにより駆動できる油圧ポンプを備えることにより、油圧ショベルの油圧動力を最大或いは最小にして作業する場合に、前記電動モーター駆動の油圧ポンプを、エンジンにより駆動する油圧ポンブと共に、或いは単独に駆動できる油圧動力源を備える。その結果、エンジンを停止した状態で操作室の電気機器及び、電動モータ等を、前記発電機構で蓄電池に蓄えた電力により駆動できる構成とすることができ、エンジン駆動の動力源のみの従来の油圧ショベルに比較し、石油燃料を節減できることに加えて、必要に応じて上部旋回体の旋回速度の向上が可能となる。」
と記載され、同文献１の図１に示されるように、旋回動作に関係する発電機６と油圧旋回モータ２が設けられている。

また、特許文献２の段落０００５には、
「慣性力により設定値以上の回転速度となる場合の余分の回転エネルギーを回生電力に変換し蓄電器に充電電力として供給する旋回装置において、
油圧ユニットの電源としての蓄電器と、
前記旋回装置の最上部に位置する油圧モータに装着され該油圧モータの回転速度を検出
する回転速度センサを有する電動機と、
前記油圧モータの回転速度が設定値よりも大きく又は小さくなった際、該油圧モータか
らの電気信号によりＯＮ又はＯＦＦする開閉器と、
油庄ジョイスティックの作動によりパイロット圧力に比例してスプールが移動し、該ス
プールの移動量に比例して前記油圧ユニットからの圧油の供給量を変化させるコントロー
ルバルブと、前記油圧モータの回転速度が設定値よりも大きくなったときに前記開閉器へＯＮする電気信号を発信し、油圧モータの回転速度が設定値よりも小さくなったときに前記開閉器へＯＦＦする電気信号を発信するコントローラーと、
前記パイロット圧力を電気信号に変換し、前記油圧モータの回転方向、回転速度の設定値の電気信号として前記コントローラーに入カする圧力センサと、
を有することを特徴とする。」と記載され、さらに、同文献２の段落０００６には、
「旋回装置で最上部に位置する油圧モータの上部に電動機を直接装着し、油圧ユニットと別に電動ユニットを装備する必要がないため、取付けスペースが小さくなり、実機への取付けが容易になる。油圧モータの回転は高速回転であり従来の技術にある電動ユニットのピニオンおよび減速機を装備する必要がなく、部品点数が少なく、安価になる。」
と記載されている。

さらに、同文献２の段落０００８には、
「図２に示すように、油圧モータ２２には電動機２３がボルト部材２４により直結してい
る。油圧モータ２２と電動機２３は、油圧モータシャフト２５と電動機シャフト２６とが
ジョイント２７により連結している。なお、電動機２３は、回転速度センサ２８を内蔵し
油圧モータ２２の回転速度を検出している。前記回転速度センサ２８及びコントロールバ
ルブ１８の左右のポート１９、２０のパイロット圧を検出する圧力センサ３１、３２によ
り検出された信号が電気信号としてコントローラー３３に入力される。」
と記載されている。

また、特許文献３の段落００１６〜００１９には、
「請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が搭載された旋回式作業機械において、
旋回駆動ユニットとして、油圧モータを駆動源とする油圧ユニットと、電動機を駆動源と
する電動ユニットとを備え、この両ユニットの合計トルクによって上記上部旋回体を駆動
するように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、油圧ユニット及び電動ユニットは、それ
ぞれの出力軸に設けられたピニオンが下部走行体の旋回歯車に対して異なる位置で歯合す
るように互いに位置ずれして設けられたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、油圧ユニット及び電動ユニット
は、少なくとも互いの減速機のケーシングが一体化された一体物として構成されたもので
ある。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかの構成において、電動ユニットの電源と
しての蓄電器と、旋回時に電動機の出力トルクを制御するとともに電動機の回生電力を上
記蓄電器に充電電力として供給する制御手段とを具備するものである。」
と記載されている。

さらにまた、特許文献４の段落０００５には、
「本発明の電気油圧ハイブリッドモータの第１発明では、電動モータの回転子の内方に油圧ポンプおよび油圧モータを配置した電気油圧ハイブリッドモータにおいて、回転子と一体で回転する油圧ポンプおよび油圧モータ用のシリンダブロックと、回転子と一体で回転する油圧ポンプ用のプランジャと、油圧モータ用のプランジャと、油圧ポンプ用の吐出容積を設定する可変斜板制御手段と、油圧モータ用の吐出容積を設定する斜板設定手段を電気油圧ハイブリッドモータのケース内に配設したことを特徴とする。」
と記載されている。

また、本願の図４、５には、本願出願人がこれまで製造していた旋回駆動機構用の油圧電動ハイブリッド型モータ１００の概略構成が示される。

同図４、５において説明すると、油圧電動ハイブリッド型モータ１００は、上側取付けプレート１０６上面において基台１０２ａ上に取付け固定された油圧モータ１０２と基台１０４ａ上に取付け固定された電動機１０４が所定間隔隔てて配置されている。上側取付けプレート１０６と軸受けプレート１１０および下側取付けプレート１１２との間には回転力の伝達および合成用の歯車箱１０８が設けられている。

なお、参照符号ＬＧは歯車箱１０８内の潤滑油液面を検知するレベルゲージである。参照符号１１４は出力軸であって同出力軸１１４は、２段式遊星歯車機構からなる減速装置を介して旋回台に設けられた内歯車を回転駆動するようになっている。（図示せず）参照符号１０２ｆは油圧モータ１０２の上部ケーシング、同１０２ｇは下部ケーシングであり、上部ケーシング１０２ｆ内にはリリーフ弁、メイクアップ弁が収納配置されている。

図５（ａ）は、図４の歯車箱１０８の詳細を示しており、同歯車箱１０８内には左方側に油圧モータ１０２の回転軸１０２ｂに設けられた歯車１０２ｄがその上下に配置された軸受１０２ｃおよび１０２ｅにより支持されている。また右方側には、電動機１０４の回転軸１０４ｂに設けられた歯車１０４ｄがその上下に配置された軸受１０４ｃおよび１０４ｅにより支持されている。両歯車１０２ｄおよび１０４ｄの間には、出力軸１１４に設けられた歯車１１４ａがその上下に配置された軸受１１４ｂおよび１１４ｃにより支持され、前記各歯車１０２ｄおよび１０４ｄと噛合うように配置されている。図５（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ方向断面矢視を示す。

前述した特許文献１においては、その図１に示されるように、旋回動作に関係する発電機６と油圧旋回モータ２が別々に配置して設けられており、旋回台近傍における取付け空間が大きくなるという難点がある。

また、前述した特許文献２においては、旋回装置で最上部に位置する油圧モータの上部に電動機を直接装着し、油圧ユニットと別に電動ユニットを装備する必要がないため、取付けスペースが小さくなり、実機への取付けが容易になり、そして油圧モータの回転は高速回転であり従来の技術にある電動ユニットのピニオンおよび減速機を装備する必要がなく、部品点数が少なく、安価になり、その図２に示すように、油圧モータ２２には電動機２３がボルト部材２４により直結しており、油圧モータ２２と電動機２３は、油圧モータシャフト２５と電動機シャフト２６とがジョイント２７により連結している、構成であるため、油圧モータと電動機のコンパクト化の点では、それぞれの駆動軸がジョイントにより連結されているのでその軸方向の長さが大きくなり、ケーシングを一体化しているものの、旋回台近傍における上下方向の空間を制約するという難点がある。

また、前述した特許文献３においては、その図１、３に示されるように、油圧ユニット及び電動ユニットは、それぞれの出力軸に設けられたピニオンが下部走行体の旋回歯車に対して異なる位置で歯合するように互いに位置ずれして設けられたものであり、油圧ユニットの油圧モータと電動ユニットの電動機は別々に配置されており、これらをコンパクト化するものではなく、旋回台近傍における水平方向の空間を制約するという難点がある。

また、前述した特許文献４においては、その図２に示されるように、油圧ポンプと油圧モータと電動機を一体化して構成され、油圧モータと油圧ポンプのシリンダブロック２１を共通とし、そのシリンダブロック２１の外周に回転子１４を圧入または溶着して一体化する（段落００１４参照）ことが示されている。この構成では、油圧電動ハイブリッド型モータに加えて油圧ポンプも一体化されているため、油圧モータと油圧ポンプの軸方向長さが長くなるので、旋回駆動機構の中に組み込むことには旋回台近傍における空間的制約の点で難点がある。

さらに、油圧モータと電動機とは同心状に配置形成されているので油圧ポンプを除外すれば軸方向長さは短くできるものの、シリンダブロック２１の外周に回転子１４を圧入または溶着して一体化されているため、これらを現場において、別々に組付けること、あるいは、修理のため分解、再結合することがほとんど不可能であるという難点がある。

また、前述した図４、５に例示した油圧電動ハイブリッド型モータにおいては、油圧モータと電動機は水平方向に別々に配置され、且つ回転力の伝達・合成用の歯車機構を備えているのでコンパクト化の点で難点があった。

特開２００７−２４７３７４号公報 特開２００７−１９２１５１号公報 特開２００５−２９０８８２号公報 特開平８−２５１８６７号公報

本発明は、上述した難点に鑑み、鋭意検討した結果、ショベルなどの建設機械における油圧電動ハイブリッド型モータにおいて、電動機と油圧モータを同心状に配置構成すると共にスプラインを利用することにより、コンパクト化およびその分解、結合の容易化が実現できることを見出した。
従って、本発明の目的は、建設機械、好適には旋回駆動機構への組み付けに適したコンパクトで且つ分解、結合の容易な油圧電動ハイブリッド型モータを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による油圧電動ハイブリッド型モータは、ケーシング内に複数のピストンシリンダを内蔵し外周面に第１スプラインを形成したシリンダブロックを有する油圧モータと、前記シリンダブロックの第１スプラインと係合する第２のスプライを内周面に有し前記油圧モータの出力軸と同心状に形成したロータおよび前記油圧モータのケーシング内にて前記ロータの外周を囲むよう固定配置されたステータを備えた電動機と、からなり前記油圧モータと電動機を同心状に配置したことを特徴とする。

その場合、前記油圧モータのケーシングは、当該油圧モータ用のリリーフ弁を収納する上部ケーシングと、前記油圧モータおよび電動機を収納する下部ケーシングとからなるよう構成することができる。
またその場合、前記油圧電動ハイブリッド型モータは、好適には、油圧ショベルの旋回駆動機構に組み込まれるよう構成することができる。

本発明による油圧電動ハイブリッド型モータは、複数のピストンシリンダを内蔵し外周面に第１スプラインを形成したシリンダブロックを有する油圧モータと、前記シリンダブロックの第１スプラインと係合する第２のスプライを内周面に有し前記油圧モータの出力軸と同心状に形成したロータおよび前記油圧モータのケーシング内に設けられ前記ロータの外周を囲むよう固定配置されたステータを備えた電動機とからなり前記油圧モータと電動機を同心状に配置したので、油圧電動ハイブリッド型モータとしてコンパクトな構造となり、且つ回転力の伝達合成用の歯車機構を必要としなくなり、さらに、一対の第１および第２スプラインを設けたことにより、電動機と油圧モータとが容易に分解、結合することが可能となる等の効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態に基づく実施例について添付図面の図１乃至図３を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による油圧電動ハイブリッド型モータの正面図であって、参照符号１２はリリーフ弁およびメイクアップ弁を内部に収納した上部ケーシングであって、上面カバーの役目をしている。左端部には圧油の給排口１２ｂが設けられている。参照符号１２ａは上部ケーシングの底部であって、下部ケーシング１４の上面と液密且つ着脱可能に結合されている。参照符号１４ａは下部ケーシング１４の底部であって、その底面は、出力軸１６の回転伝達機構（図示しない）に取り付けるための取付け面として形成されている。油圧電動ハイブリッド型モータ１０が油圧ショベルの旋回駆動機構に組み付けられる場合、前記底部１４ａは、例えば２段式遊星歯車機構からなる減速装置のケーシングと結合される。

図２は、図１の出力軸１６の軸方向断面図である。同図２において、上部ケーシング１２内にはリリーフ弁ＲＦおよびキャビテーション防止用のメイクアップ弁（図示せず）が配置されている。下部ケーシング１４の中央下部には、軸受け１６ａで一端側を支持され下方に突き出た出力軸１６が設けられている。この出力軸１６の上部側はシリンダブロック２０として一体的に形成されている。

このシリンダブロック２０の内部には複数のシリンダ用孔２６が円周上で等配に設けられ、その各孔にピストン２２が摺接可能に収納されている。シリンダブロック２０の上端の凹部にはニードル軸受け２４ａを介して上部ケーシング１２の中心部の凸部２４が挿入されている。バランスプレート３２はシリンダブロック２０上端面と液密且つ摺接可能にされており、その円周方向に形成された２つの開口部を介して、シリンダブロック２０の回転に伴って各ピストン用孔２６への圧油の給排が行われるようになっている。

参照符号１８は斜板であって、その傾斜角度に応じカムプレート３４を介して前記ピストン２２のストロークすなわち、給排量を定めるようになっている。

参照符号２８、３０は、電動機のロータおよびステータである。シリンダブロック２０の外周に設けられたオスのスプラインＳＰ１はロータ２８の内周面に形成されたメスのスプラインＳＰ２と係合されており、したがって、ロータ２８はシリンダブロック２０と一体的に回転するようになっている。ステータ３０はその内周面がロータ２８と所定間隔をもって対向しており、その外周面は下部ケーシング１４に固定されている。ロータ２８はステータ３０との軸方向位置が変動しないようにスナップリング等で軸方向位置が規制されている。

図３は図２のＡ−Ａ線断面のロータ２８とシリンダブロック２０との係合の様子を示す拡大図である。同図３に示されるように、シリンダブロック２０の外周に形成されたオスのスプラインＳＰ１はロータ２８の内周に形成されたメスのスプラインＳＰ２と係合している。

なお、図示しないが電動機として同期電動機の例では、ロータ２８のドーナツ状内部において、複数の強磁性体の永久磁石が円周上に等配に形成された軸方向の溝に沿ってそれぞれ配置固定されている。

本発明による油圧電動ハイブリッド型モータは上述したように構成されているので、ロータ２８をシリンダブロック２０に取り付ける場合は、上部ケーシング１２を取り外した後、単にロータ２８のメススプラインＳＰ２を上下方向に移動させてオススプラインＳＰ１から離脱、係合させるだけで簡単に分解、再結合を遂行することが可能である。また、図１の油圧電動ハイブリッド型モータ１０と図４の油圧電動ハイブリッド型モータ１００とは、油圧モータおよび電動機自体は同一出力のものであり、本発明のコンパクト化達成は両者を対比すれば一目瞭然である。特に、上下方向の大きさは大幅に減少することが可能となり、旋回機構における駆動機構として占める空間も大幅に少なくなる。

以上、本発明の好適な実施例について図面を参照して説明したが、当業者であれば、これらの開示例に基づき種々の変形をすることができる。

例えば、メイクアップ弁ＭＫやリリーフ弁ＲＦを上部ケーシング１２の外部に設置し、上部ケーシング１２の内側には圧油の給排路のみを設けて、上部ケーシング１２の高さをさらに小さくすること、また、シリンダブロック２０の上端面と液密且つ円周方向に摺接するバランスプレート３２からの圧油の漏れやカムプレート３４からの圧油の漏れがロータ２８の回転を妨げないように、適宜回転部にシール部材を設けること、あるいは、斜板１８下側で軸受け１６ａ上側の空間部やロータ２８の収納空間部を低圧またはドレン圧にすること等は当業者であれば必要に応じて処置することが可能である。

本発明による油圧電動ハイブリッド型モータの正面図である。 図１の出力軸の軸方向断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面におけるロータとシリンダブロックとの係合の様子を示す拡大図である。 従来の旋回駆動機構用の油圧電動ハイブリッド型モータの概略構成を示す図である。 図４の歯車箱の詳細を示し、（ａ）は歯車箱の出力軸方向の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＺ−Ｚ方向断面矢視図である。

符号の説明

１０ 油圧電動ハイブリッド型モータ
１２ 上部ケーシング
１２ａ 底部
１２ｂ 圧油給排ポート
１４ 下部ケーシング
１４ａ 底部
１６ 出力軸
１６ａ 軸受
１８ 斜板
２０ シリンダブロック
２２ ピストン
２４ 凸部
２４ａ ニードル軸受
２６ 孔
２８ ロータ
３０ ステータ
３２ バランスプレート
３４ カムプレート
ＳＰ１ オススプライン
ＳＰ２ メススプライン

Claims (3)

1. 油圧モータと電動機からなる油圧電動ハイブリッド型モータであって、
   ケーシング内に複数のピストンシリンダを内蔵し外周面に第１スプラインを形成したシリンダブロックを有する前記油圧モータと、
   前記シリンダブロックの第１スプラインと係合する第２のスプラインを内周面に有し前記油圧モータの出力軸と同心状に形成したロータおよび前記油圧モータのケーシング内にて前記ロータの外周を囲むよう固定配置されたステータを備えた前記電動機と、からなり前記油圧モータと電動機を同心状に配置したことを特徴とする油圧電動ハイブリッド型モータ。
2. 前記油圧モータのケーシングは、当該油圧モータ用のリリーフ弁を収納する上部ケーシングと、前記油圧モータおよび電動機を収納する下部ケーシングとからなることを特徴とする請求項１に記載された油圧電動ハイブリッド型モータ。
3. 請求項１または２記載の油圧電動ハイブリッド型モータを組み込んだ旋回駆動機構を有する油圧ショベル。
   

Images