JP6285806B2 - ハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置に関する。

従来から、建設機械、例えば、油圧ショベルの上部旋回体を旋回させるための駆動源として、油圧モータと電動モータとを備えたいわゆるハイブリッド型の駆動装置を用いることが知られている。また、エンジン等による発電機を備えず、旋回エネルギーを回生して蓄電器に蓄えた電力で電動モータを駆動するハイブリッド型の駆動装置が知られている。

ここで、旋回エネルギーを回生して蓄電器に蓄えた電力で電動モータを駆動するハイブリッド型の駆動装置において、上部旋回体を操作する操作部の速度指令に達した速度（以下、定常速度という）を維持する場合、電動モータの駆動トルクにより定常速度を維持しようとすると蓄電器の電力消費が著しく、好ましくない。このため、定常速度では、油圧モータの駆動トルクのみで定常速度を維持するように動作させることが好ましい。

油圧モータにより上部旋回体を旋回させる場合、油圧モータが固定容量型であれば、油圧モータに圧油を供給する油圧ポンプの吐出流量に基づいて、回転速度が決定するので、操作部からの速度指令と油圧ポンプの吐出流量により到達した回転速度がマッチしている必要がある。すなわち、例えば、油圧ポンプとして斜板式の可変容量型油圧ポンプを用いる場合、操作部からの速度指令が入力されると斜板の傾斜角度を調整する斜板制御信号が制御部から出力され、この出力信号に基づいて斜板の傾斜角度が決定する。そして、この傾斜角度に基づいた所望の流量の圧油が油圧ポンプから吐出され、油圧モータへと供給される。油圧モータは、油圧ポンプの吐出流量に応じて所定の速度で回転する。

しかしながら、例えば経年劣化等により、油圧ポンプの内部リークが増大し、斜板制御信号に対する油圧ポンプの吐出流量が減少する場合がある。また、油圧ポンプから油圧モータに至る間の油圧システム内のリークが増大し、油圧ポンプが所定の流量で圧油を吐出しているにも関わらず、その吐出流量で油圧モータに圧油が供給されない場合がある。
これらのような場合、斜板制御信号と圧油の吐出流量とが一義的に決まらないことになり、操作部の操作指令に応じた斜板制御信号を出力したとしても定常速度に到達しなくなる。このため、無駄に電動モータを駆動し続けて蓄電器の電力が消費されてしまう。

特開２０１１−１４４５３１号公報

本発明が解決しようとする課題は、油圧モータと電動モータとを備えたいわゆるハイブリッド型の駆動装置において、蓄電器の電力の無駄な消費を抑えることができるハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置を提供することである。

実施形態のハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置は、操作部と、可変容量型油圧ポンプと、電動モータと、演算部とを持つ。操作部は、入力された操作量に応じた信号を演算部へ出力する。可変容量型油圧ポンプは、上部旋回体を動作させるための旋回用油圧モータに所望の圧油を供給する。電動モータは、上部旋回体を動作させる。演算部は、操作部から出力される操作圧信号に基づいて、可変容量型油圧ポンプの容量を制御するポンプ容量制御信号を出力すると共に、電動モータの駆動制御を行うための電動モータ駆動制御信号を出力する。また、演算部は、可変容量型油圧ポンプと電動モータとの両者によって旋回モータを駆動する際、旋回用油圧モータの回転速度が定常速度に近づいた所定値に達すると電動モータ駆動制御信号の出力を減じ、定常速度に達したとき電動モータ制御信号の出力をゼロにする。

実施形態の駆動装置を示す概略構成図。

以下、実施形態の駆動装置を、図面を参照して説明する。

図１は、駆動装置の概略構成図である。
同図に示すように、駆動装置１は、例えば油圧ショベルに搭載された被駆動体である上部旋回体（不図示）を回転駆動するためのものであって、軽油等の化石燃料を消費して回転駆動力を発生するエンジン２を有している。

エンジン２の出力軸２ａには、斜板式可変容量型の主油圧ポンプ３および旋回油圧ポンプ４と、定吐出量のギヤポンプ６１とが同軸状に設けられている。
主油圧ポンプ３は、油圧ショベルに搭載されている油圧アクチュエータ、例えばブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、走行用油圧モータ等（何れも不図示）へ圧油を供給するためのものである。旋回油圧ポンプ４は、上部旋回体を旋回駆動するための旋回用油圧モータ５０へ圧油を供給するためのものである。
なお、斜板式可変容量型の油圧ポンプは、内部に、斜板とポンプ軸の回転に連動して往復運動するピストン（何れも不図示）とを有している。そして、斜板の傾斜角度によってピストンのストローク量を変化させ、圧油の吐出流量が調整できるようになっている。

主油圧ポンプ３には、押しのけ容積を制御する主ポンプ制御部５が接続されている。主ポンプ制御部５は、圧油信号ラインＬ１を介して主油圧ポンプ３の押しのけ容積制御用の電磁比例弁６に接続されている。電磁比例弁６には、演算部１８が接続されている。
演算部１８には、操作部（パイロット弁）３０からの操作圧信号（パイロット圧）Ｌ４およびＬ５が入力される。演算部１８は、操作圧信号Ｌ４およびＬ５を電気信号に変換して主ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ２を生成し、この主ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ２を電磁比例弁６に出力する。なお、操作部３０には、操作圧信号Ｌ４およびＬ５の圧油源として、ギヤポンプ６１からの圧油が供給されている。

電磁比例弁６は、主ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ２に基づく斜板制御圧信号を、圧油信号ラインＬ１を介して主ポンプ制御部５に出力する。そして、この主ポンプ制御部５が主油圧ポンプ３の斜板の傾斜角度を制御することにより、押しのけ容積を制御している。電磁比例弁６には、斜板制御圧信号の圧油源として、ギヤポンプ６１からの圧油が供給されている。

また、主油圧ポンプ３には、切換弁制御ユニット９が接続されている。切換弁制御ユニット９は、主油圧ポンプ３から圧油が供給される油圧アクチュエータ（例えばブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、走行用油圧モータ等）への圧油の吸排を制御するものである。

一方、旋回油圧ポンプ４には、押しのけ容積を制御する旋回ポンプ制御部７が接続されている。旋回ポンプ制御部７は、圧油信号ラインＬ２を介して旋回油圧ポンプ４の押しのけ容積制御用の電磁比例弁８に接続されている。電磁比例弁８には、演算部１８が接続されている。演算部１８は、操作部３０からの操作圧信号Ｌ４およびＬ５を、電気信号、つまり、電流値に変換して旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３を生成し、この旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３を電磁比例弁８に出力する。

電磁比例弁８は、旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づく斜板制御圧信号を、圧油信号ラインＬ２を介して旋回ポンプ制御部７に出力する。そして、この旋回ポンプ制御部７が旋回油圧ポンプ４の斜板の傾斜角度を制御することにより、押しのけ容積を制御している。電磁比例弁８には、斜板制御圧信号の圧油源として、ギヤポンプ６１からの圧油が供給されている。

また、演算部１８には、旋回油圧ポンプ４の吐出側ラインＬ３の圧力を検出する油／電変換器２０の出力信号Ｓ４が入力されるようになっている。
さらに、旋回油圧ポンプ４には、吐出側ラインＬ３を介して上部旋回体の旋回用の切換制御弁１０が接続されている。この切換制御弁１０には、操作部３０からの操作圧信号Ｌ４およびＬ５が付与されている。

また、旋回油圧ポンプ４には、吐出側ラインＬ３、切換制御弁１０を介して旋回モータユニット１１が接続されている。この旋回モータユニット１１に、旋回用油圧モータ５０が設けられている。旋回モータユニット１１は、旋回用油圧モータ５０の他に、一対のリリーフ弁１２とチェック弁１３とを備えている。これら一対のリリーフ弁１２とチェック弁１３は、旋回用油圧モータ５０と切換制御弁１０との間に配置されている。

旋回用油圧モータ５０の出力軸５０ａには、電動モータ１４と減速機構１５とピニオン１６とが同軸状に設けられている。
電動モータ１４は、旋回用油圧モータ５０の駆動を補助するためのものであって、出力軸５０ａに回転力を付与する。電動モータ１４には、この電動モータ１４の駆動制御を行う制御部（インバータ）１７が接続されている。

制御部１７には、蓄電器（バッテリ）１９が接続されている。そして、制御部１７は、蓄電器１９の電力を所定のタイミングで電動モータ１４に供給することにより、電動モータ１４の駆動を制御するようになっている。
また、制御部１７には、演算部１８から電動モータ駆動制御信号Ｓ７が入力される。演算部１８は、操作部３０からの操作圧信号Ｌ４またはＬ５に基づき、電動モータ駆動制御信号Ｓ７を生成し、この電動モータ駆動制御信号Ｓ７を制御部１７に出力する。制御部１７は、電動モータ駆動制御信号Ｓ７に基づいて、電動モータ１４の駆動制御を行う。

一方、ピニオン１６には、不図示の旋回輪が連結されている。すなわち、旋回用油圧モータ５０および電動モータ１４の回転力は、減速機構１５およびピニオン１６を介して旋回輪に伝達されるようになっており、これにより、上部旋回体が旋回運動する。

次に、不図示の上部旋回体の駆動方法について、より具体的に説明する。
まず、操作部３０からの操作圧信号Ｌ４またはＬ５に基づいて演算部１８で旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３が生成され、この旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づいて旋回油圧ポンプ４の押しのけ容積が決定される。旋回油圧ポンプ４から吐出された圧油は、吐出側ラインＬ３および切換制御弁１０を介して旋回モータユニット１１に供給される。旋回モータユニット１１の旋回用油圧モータ５０は、旋回油圧ポンプ４から吐出流量に応じて回転し、減速機構１５を介してピニオン１６を回転させる。そして、旋回用油圧モータ５０は、操作部３０の操作量に応じて演算部１８で規定された定常速度まで、徐々に回転速度をあげていく。

また、この動作と同時に、操作部３０からの操作圧信号Ｌ４またはＬ５に基づいて演算部１８で電動モータ駆動制御信号Ｓ７が生成され、この電動モータ駆動制御信号Ｓ７に基づいて電動モータ１４が回転駆動力を出力する。すなわち、電動モータ１４の回転駆動力が旋回用油圧モータ５０の駆動をサポートする形になり、旋回用油圧モータ５０を単独で駆動させる場合と比較して、上部旋回体の回転速度を、少ないエンジン出力で定常速度まで到達させることができる。

このとき、演算部１８は、電動モータ駆動制御信号Ｓ７を演算するために旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３を監視しており、旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３は油圧モータの回転速度が上昇するにしたがって増加していき、目標となる定常速度に対応した電流値に近づくと、例えば定常速度に対応した電流値の８０％から電動モータ駆動制御信号Ｓ７を減じていき、１００％に到達すると電動モータ駆動制御信号Ｓ７がゼロになるように演算する。

すなわち、電動モータ１４は、仮に旋回油圧ポンプ４に内部リークが生じたり、旋回油圧ポンプ４から旋回用油圧モータ５０に至る間の油圧システム内にリークが生じたりして旋回用油圧モータ５０の出力軸５０ａの回転速度が定常速度に達していない場合であっても、旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３が定常速度に対応した電流値に達すると定常速度に達したものとみなし、回転駆動力の出力を停止することになる。

このように、旋回油圧ポンプ４の吐出流量は、演算部１８で生成された旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づいて制御されている。また、電動モータ１４の電動モータ駆動制御信号Ｓ７は、演算部１８で生成された旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づいて制御されている。換言すれば、旋回油圧ポンプ４および電動モータ１４は、それぞれ演算部１８から出力される旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づいて駆動制御されている。

したがって、上述の実施形態によれば、操作部３０による操作圧信号Ｌ４またはＬ５と定常速度とが一義的に決まるようになるので、仮にリーク等に起因して旋回用油圧モータ５０が定常速度に達しない場合であっても、無駄に電動モータ１４を駆動させることを防止できる。このため、蓄電器１９の電力の無駄な消費を抑えることができる。

なお、上述の実施形態では、主油圧ポンプ３や旋回油圧ポンプ４の吐出流量の制御を、それぞれ不図示の斜板の傾斜角度を制御することにより行う場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、エンジン２の出力軸２ａの回転速度を制御することにより、主油圧ポンプ３や旋回油圧ポンプ４の吐出流量の制御を行うように構成してもよい。この場合、主油圧ポンプ３や旋回油圧ポンプ４を、エンジン２に代わって不図示の電動モータに連結する。そして、演算部１８から出力された主ポンプ駆動制御信号Ｓ２および旋回ポンプ駆動制御信号Ｓ３に基づいて、電動モータの駆動制御を行うように構成する。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、旋回油圧ポンプ４および電動モータ１４は、それぞれ演算部１８から出力される旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流Ｓ３に基づいて駆動制御されているので、無駄に電動モータ１４を駆動させることを防止でき、蓄電器１９の電力の無駄な消費を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…駆動装置（ハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置）、４…旋回油圧ポンプ（可変容量型油圧ポンプ）、１４…電動モータ、１８…演算部、３０…操作部、５０…旋回用油圧モータ、Ｓ３…旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流、Ｓ７…電動モータ駆動制御信号

Claims (2)

1. 操作入力に応じた操作圧信号を出力する操作部と、
   上部旋回体を動作させるための旋回用油圧モータに所望の圧油を供給する可変容量型油圧ポンプと、
   前記上部旋回体を動作させる電動モータと、
   前記操作部から出力される操作圧信号に基づいて、前記可変容量型油圧ポンプの容量を制御するポンプ容量制御信号を出力すると共に、前記電動モータの駆動制御を行うための電動モータ駆動制御信号を出力する演算部と、
   を備えたハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置において、
   前記演算部は、前記可変容量型油圧ポンプと前記電動モータとの両者によって前記旋回用油圧モータを駆動する際、前記旋回用油圧モータの回転速度が定常速度に近づいた所定値に達すると前記電動モータ駆動制御信号の出力を減じ、前記定常速度に達したとき前記電動モータ駆動制御信号の出力をゼロにする
   ハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置。
2. 前記ポンプ容量制御信号は、前記可変容量型油圧ポンプの押しのけ容積に基づく旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流であり、
   前記旋回ポンプ電磁比例弁駆動電流の電流値が前記旋回用油圧モータの回転速度が定常速度に対応した電流値に達したとき、前記電動モータは、回転駆動力の出力を停止する
   請求項１に記載のハイブリッド型駆動方式による上部旋回体の駆動装置。

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