JP7512232B2 - 作業機 - Google Patents
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Description
作業機は、エンジンと、モータ・ジェネレータと、前記エンジン及び/又は前記モータ・ジェネレータの動力により作動する油圧ポンプと、前記エンジンの動力が入力される第1軸と、前記油圧ポンプに動力を出力する第2軸と、前記モータ・ジェネレータの動力が入力される又は前記モータ・ジェネレータに動力を出力する第3軸と、を有する動力伝達機構と、前記油圧ポンプから供給される作動油によって駆動される作業装置と、前記モータ・ジェネレータの回転を制御する制御部と、を備え、前記油圧ポンプは、固定容量型の油圧ポンプであり、前記動力伝達機構は、前記制御部が前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させたとき、前記油圧ポンプの回転数が前記エンジンの回転数と独立して変化するように前記モータ・ジェネレータの動力を前記油圧ポンプに伝達し、前記動力伝達機構は、遊星歯車機構と、第1歯車機構及び第2歯車機構を有し、前記遊星歯車機構は、前記第1軸に入力された動力が伝達される内歯車と、前記第3軸と接続された太陽歯車と、前記内歯車及び太陽歯車と噛み合うとともに前記第2軸に動力を出力する遊星歯車と、を有し、前記第1歯車機構は、前記第1軸と接続された第1歯車と、前記第1歯車と噛み合う第2歯車を有し、前記第2歯車機構は、前記第2軸と接続された第3歯車と、前記第3歯車と噛み合う第4歯車を有し、前記内歯車は前記第2歯車と接続され、前記遊星歯車は前記第4歯車と接続されており、前記太陽歯車の回転数を0としたとき、前記エンジンの回転数と前記油圧ポンプの回転数が一致する。
また、作業機は、エンジンと、モータ・ジェネレータと、前記エンジン及び/又は前記モータ・ジェネレータの動力により作動する油圧ポンプと、前記エンジンの動力が入力される第1軸と、前記油圧ポンプに動力を出力する第2軸と、前記モータ・ジェネレータの動力が入力される又は前記モータ・ジェネレータに動力を出力する第3軸と、を有する動力伝達機構と、前記油圧ポンプから供給される作動油によって駆動される作業装置と、前記モータ・ジェネレータの回転を制御する制御部と、を備え、前記油圧ポンプは、固定容量型の油圧ポンプであり、前記動力伝達機構は、前記制御部が前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させたとき、前記油圧ポンプの回転数が前記エンジンの回転数と独立して変化するように前記モータ・ジェネレータの動力を前記油圧ポンプに伝達し、前記動力伝達機構は、遊星歯車機構と、第1歯車機構及び第2歯車機構を有し、前記遊星歯車機構は、前記第1軸に入力された動力が伝達される内歯車と、前記第3軸と接続された太陽歯車と、前記内歯車及び太陽歯車と噛み合うとともに前記第2軸に動力を出力する遊星歯車と、を有し、前記第1歯車機構は、前記第1軸と接続された第1歯車と、前記第1歯車と噛み合う第2歯車を有し、前記第2歯車機構は、前記第2軸と接続された第3歯車と、前記第3歯車と噛み合う第4歯車を有し、前記内歯車は前記第2歯車と接続され、前記遊星歯車は前記第4歯車と接続されており、前記動力伝達機構は、さらに、前記第2歯車に接続された第1接続軸と、前記太陽歯車に接続された第2接続軸と、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容又は遮断する一方向クラッチと、を有し、前記一方向クラッチは、前記第2歯車の回転数が前記太陽歯車の回転数よりも大きいときは、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を遮断し、前記第2歯車の回転数が前記太陽歯車の回転数以下であるときは、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容する。
好ましくは、前記制御部は、前記圧力検出部により検出された作動油の圧力が一定となるように前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させる。
好ましくは、前記モータ・ジェネレータをショートブレーキ運転したとき、前記エンジンの回転数と前記油圧ポンプの回転数が一致する。
好ましくは、前記クラッチが前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容したとき、前記モータ・ジェネレータの動力は、前記第3軸から前記第2接続軸及び前記第1接続軸を介して前記第1軸へと伝達される。
図1は、本発明に係る作業機1を示す側面図である。図1では、作業機1の一例として、コンパクトトラックローダを示している。但し、本発明に係る作業機1は、コンパクトトラックローダに限定されず、例えば、スキッドステアローダ等の他の種類のローダ作業機であってもよい。また、ローダ作業機以外の作業機(農業機械、建設機械、ユーティリティビークル等)であってもよい。
機体2の上部には、キャビン5が搭載されている。キャビン5の後部は、機体2のブラケットに支持軸回りに揺動自在に支持されている。キャビン5の前部は、機体2の前部に載置されている。キャビン5内には、運転席6が設けられている。
走行装置4は、クローラ式走行装置により構成されている。走行装置4は、機体2の左側と右側にそれぞれ設けられている。
作業具11は、装着ブラケット16に対して着脱自在とされている。図1では、作業具11としてバケットを示している。但し、作業具11は、バケットとは異なる作業具、例えば、油圧圧砕機、油圧ブレーカ、アングルブルーム、アースオーガ、パレットフォーク、スイーパー、モア、スノウブロア等のアタッチメント(予備アタッチメント)等であってもよい。
図2は、作業機1が備える駆動システム20の構成を示す図である。
エンジン21は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関である。エンジン21の出力軸には、HST26が接続されている。HST26は、油圧ポンプと油圧モータとを含む静油圧式無段変速装置(Hydro-Static Transmission)である。HST26は、エンジン21の出力軸と接続された入力軸と、動力伝達機構24と接続された出力軸とを有している。
作業装置3は、油圧ポンプ23から供給される作動油によって駆動される。作業装置3を駆動する油圧アクチュエータ(ブームシリンダ14、作業具シリンダ15)と油圧ポンプ23とを接続する油路には制御バルブ28が設けられている。油圧ポンプ23から供給される作動油は、制御バルブ28を介して油圧アクチュエータ(ブームシリンダ14、作業具シリンダ15)へと供給される。
動力伝達機構24は、エンジン21の動力及び/又はモータ・ジェネレータ22の動力を油圧ポンプ23に伝達する機構である。動力伝達機構24の構成については、後ほど詳しく説明する。
制御部25は、モータ・ジェネレータ22の回転を制御する。制御部25は、インバータ27と接続されており、インバータ27を介してモータ・ジェネレータ22の回転を制御する。
制御部25は、エンジン21の出力(エンジン回転数等)を検出する検出装置(図示略)と接続されており、当該検出装置からエンジン21の出力に関する情報を受信することができる。
図3は、図2に示した駆動システム20の一部である動力伝達系の機構を示す図である。駆動システム20の動力伝達系の機構は、エンジン21、HST26、動力伝達機構24、油圧ポンプ23、モータ・ジェネレータ22を備えている。
第1軸31は、HST26の出力軸と接続されている。これにより、エンジン21の動力はHST26を介して第1軸31に入力される。但し、エンジン21の動力を直接的に(HST26介さずに)第1軸31に入力してもよい。第2軸32は、油圧ポンプ23と接続されている。第3軸33は、モータ・ジェネレータ22と接続されている。
遊星歯車機構34は、2K-H型の遊星歯車機構である。遊星歯車機構34は、内歯車37、太陽歯車38、遊星歯車39を有している。内歯車37には、第1軸31に入力された動力が第1歯車機構35を介して伝達される。太陽歯車38は、第3軸33と接続されている。遊星歯車39は、内歯車37及び太陽歯車38と噛み合うとともに、第2歯車機構36を介して第2軸32に動力を出力する。
図4に示すように、モータ・ジェネレータ22の回転数を正方向に増加させた場合、油圧ポンプ23の回転数が増加する。これにより、油圧ポンプ23により供給される作動油の量(油圧ポンプ23の吐出量)が増加する。このとき、図5に示すように、モータ・ジェネレータ22の動力は正値であり、モータ・ジェネレータ22はモータとして作動する。また、エンジン21から出力される動力よりも油圧ポンプ23に入力される動力が大きくなる。この動力の差(油圧ポンプ23に入力される動力-エンジン21から出力される動力)は、モータ・ジェネレータ22がモータとして作動することにより発生する動力により補助(アシスト)される。つまり、油圧ポンプ23は、エンジン21からの動力とモータ・ジェネレータ22からの動力により駆動する。
モータ・ジェネレータ22の回転数の変更は、制御部25がモータ・ジェネレータ22の回転を制御することにより行われる。動力伝達機構24は、制御部25がモータ・ジェネレータ22の回転数を変化させたとき、油圧ポンプ23の回転数がエンジン21の回転数と独立して変化するようにモータ・ジェネレータ22の動力を油圧ポンプ23に伝達する。
また、制御部25は、エンジン21の出力及び圧力検出部30により検出された作動油の圧力に基づいてモータ・ジェネレータ22の回転数を変化させることにより、バッテリ29からモータ・ジェネレータ22に電力を供給する給電状態と、モータ・ジェネレータ22により発生した電力をバッテリ29に充電する充電状態とを切り替えることができる。バッテリ29の給電状態と充電状態との切り替えは、インバータ27の入出力を制御することにより行うことができる。
制御部25は、エンジン21の出力に対して圧力検出部30により検出された作動油の圧力が大きいとき、即ち、エンジン21の出力に対して作業装置3の負荷が大きいときは、モータ・ジェネレータ22の回転数を変化させることにより、バッテリ29からモータ・ジェネレータ22に電力を供給する給電状態とする。このとき、モータ・ジェネレータ22はモータとして作動し、エンジン21の出力を補助する動力を油圧ポンプ23に供給する。
動力伝達機構24は、第1例の機構と同様の遊星歯車機構34、第1歯車機構35、第2歯車機構36、第1軸31、第2軸32、第3軸33を有している。
一方向クラッチ53は、第2歯車42の回転数と太陽歯車38の回転数との大小関係に応じて自動的に接続状態と遮断状態とが切り換わる。太陽歯車38と第3軸33は一体的に回転するため、一方向クラッチ53は、第2歯車42の回転数と第3軸33の回転数との大小関係に応じて自動的に接続状態と遮断状態とが切り換わるということもできる。
モータ・ジェネレータ22が正回転した場合、動力は図7に矢印で示す流れとなる。この場合、モータ・ジェネレータ22はモータとして作動する力行状態となり、エンジン21の動力を補助する動力を油圧ポンプ23に供給する。
一方向クラッチ53は、第2歯車42の回転数が太陽歯車38の回転数以下であるとき(第2歯車42の回転数と第3軸33の回転数以下であるとき)は、第1接続軸51と第2接続軸52との接続を許容する。このとき、第2歯車42、第2軸32、第3軸33の回転数は等しくなる。そして、エンジン21の動力の流れは、図9に黒矢印で示す流れとなる。この場合、モータ・ジェネレータ22はモータとして作動する力行状態となり、エンジン21の動力を補助する動力を油圧ポンプ23に供給する。
また、モータ・ジェネレータ22の動力を全てエンジン21へと戻す第1モードと、モータ・ジェネレータ22の動力を全て油圧ポンプ23に供給する第2モードとを、制御部25が切り替え可能に構成することもできる。この場合、第1モードに切り替えるとエンジン21の燃費を削減することができ、第2モードに切り替えると油圧ポンプ23の回転数を増加して作業装置3の作業能力を増加することができる。
動力伝達機構24は、第1例の機構と同様の遊星歯車機構34、第1歯車機構35、第2歯車機構36、第1軸31、第2軸32、第3軸33を有している。
電磁クラッチ54は、第1接続軸51と第2接続軸52との接続を許容する状態(接続状態)と、第1接続軸51と第2接続軸52との接続を遮断する状態(遮断状態)とを切り替え可能である。この切り替えは、制御部25により電磁クラッチ54の動作を制御することによって実行されるが、作業者が操作ボタン等の操作部を操作することにより実行されるように構成してもよい。
作業機1は、エンジン21と、モータ・ジェネレータ22と、エンジン21及び/又はモータ・ジェネレータ22の動力により作動する油圧ポンプ23と、エンジン21の動力が入力される第1軸31と、油圧ポンプ23に動力を出力する第2軸32と、モータ・ジェネレータ22の動力が入力される又はモータ・ジェネレータ22に動力を出力する第3軸33と、を有する動力伝達機構24と、油圧ポンプ23から供給される作動油によって駆動される作業装置3と、モータ・ジェネレータ22の回転を制御する制御部25と、を備え、油圧ポンプ23は固定容量型の油圧ポンプであり、動力伝達機構24は、制御部25がモータ・ジェネレータ22の回転数を変化させたとき、油圧ポンプ23の回転数がエンジン21の回転数と独立して変化するようにモータ・ジェネレータ22の動力を油圧ポンプ23に伝達する。
また、作業機1は、作業装置3に供給される作動油の圧力を検出する圧力検出部30を備え、制御部25は、圧力検出部30により検出された作動油の圧力に基づいてモータ・ジェネレータ22の回転数を変化させる。
また、制御部25は、圧力検出部30により検出された作動油の圧力が一定となるようにモータ・ジェネレータ22の回転数を変化させる。
この構成によれば、圧力検出部30により検出された作動油の圧力が一定となるように、モータ・ジェネレータ22の回転数を変化させることによって、作業装置3の負荷が一定となるように油圧ポンプ23からの吐出量を制御することが可能となり、ロードセンシングシステムのような作用を発揮することができる。
この構成によれば、モータ・ジェネレータ22の正回転と逆回転を切り替えることによって、モータ・ジェネレータ22をモータとして作動させてエンジン21の動力をアシストすること、及び、モータ・ジェネレータ22をジェネレータとして作動させて回生電力をバッテリ29に充電することが可能となる。
この構成によれば、モータ・ジェネレータ22をショートブレーキ運転する(ゼロ回転とする)ことによって、エンジン21と油圧ポンプ23とを直結運転させたときと同様の運転をすることができる。
この構成によれば、固定容量型の油圧ポンプ23の回転数を変化させて吐出容量を可変とできる作業機1をコンパクトな構成の動力伝達機構24により実現することができる。
この構成によれば、太陽歯車38の回転数を0とすることによって、エンジン21と油圧ポンプ23とを直結運転させたときと同様の運転をすることができる。
また、動力伝達機構24は、第1軸31から動力を伝達可能な第1接続軸51と、第3軸33から動力を伝達可能な第2接続軸52と、第1接続軸51と第2接続軸52との接続を許容又は遮断するクラッチ(一方向クラッチ53又は電磁クラッチ54)と、を有している。
この構成によれば、電磁クラッチ54によって、第2歯車42の回転数と太陽歯車38の回転数との大小関係に関係なく、適当なタイミングで第1接続軸51と第2接続軸52とを接続したり遮断したりすることができる。電磁クラッチ54が第1接続軸51と第2接続軸52との接続を遮断した場合、動力伝達機構24が上述のパラレルハイブリッド機能を発揮することができる。一方、電磁クラッチ54が第1接続軸51と第2接続軸52との接続を許容した場合、モータ・ジェネレータ22の動力をエンジン21側へと戻すことができ、エンジン21の動力低減に寄与することができる。
この構成によれば、電磁クラッチ54が第1接続軸51と第2接続軸52との接続を許容したとき、モータ・ジェネレータ22の動力をエンジン21側へと戻すことができ、エンジン21の動力低減に寄与することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 機体
3 作業装置
4 走行装置
10 ブーム
11 作業具
21 エンジン
22 モータ・ジェネレータ
23 油圧ポンプ
24 動力伝達機構
25 制御部
26 静油圧式無段変速装置(HST)
29 バッテリ
30 圧力検出部
31 第1軸
32 第2軸
33 第3軸
34 遊星歯車機構
37 内歯車
38 太陽歯車
39 遊星歯車
41 第1歯車
42 第2歯車
43 第3歯車
44 第4歯車
51 第1接続軸
52 第2接続軸
53 クラッチ(一方向クラッチ)
54 クラッチ(電磁クラッチ)
Claims (11)
- エンジンと、
モータ・ジェネレータと、
前記エンジン及び/又は前記モータ・ジェネレータの動力により作動する油圧ポンプと、
前記エンジンの動力が入力される第1軸と、前記油圧ポンプに動力を出力する第2軸と、前記モータ・ジェネレータの動力が入力される又は前記モータ・ジェネレータに動力を出力する第3軸と、を有する動力伝達機構と、
前記油圧ポンプから供給される作動油によって駆動される作業装置と、
前記モータ・ジェネレータの回転を制御する制御部と、
を備え、
前記油圧ポンプは、固定容量型の油圧ポンプであり、
前記動力伝達機構は、前記制御部が前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させたとき、前記油圧ポンプの回転数が前記エンジンの回転数と独立して変化するように前記モータ・ジェネレータの動力を前記油圧ポンプに伝達し、
前記動力伝達機構は、遊星歯車機構と、第1歯車機構及び第2歯車機構を有し、
前記遊星歯車機構は、前記第1軸に入力された動力が伝達される内歯車と、前記第3軸と接続された太陽歯車と、前記内歯車及び太陽歯車と噛み合うとともに前記第2軸に動力を出力する遊星歯車と、を有し、
前記第1歯車機構は、前記第1軸と接続された第1歯車と、前記第1歯車と噛み合う第2歯車を有し、
前記第2歯車機構は、前記第2軸と接続された第3歯車と、前記第3歯車と噛み合う第4歯車を有し、
前記内歯車は前記第2歯車と接続され、前記遊星歯車は前記第4歯車と接続されており、
前記太陽歯車の回転数を0としたとき、前記エンジンの回転数と前記油圧ポンプの回転数が一致する作業機。 - エンジンと、
モータ・ジェネレータと、
前記エンジン及び/又は前記モータ・ジェネレータの動力により作動する油圧ポンプと、
前記エンジンの動力が入力される第1軸と、前記油圧ポンプに動力を出力する第2軸と、前記モータ・ジェネレータの動力が入力される又は前記モータ・ジェネレータに動力を出力する第3軸と、を有する動力伝達機構と、
前記油圧ポンプから供給される作動油によって駆動される作業装置と、
前記モータ・ジェネレータの回転を制御する制御部と、
を備え、
前記油圧ポンプは、固定容量型の油圧ポンプであり、
前記動力伝達機構は、前記制御部が前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させたとき、前記油圧ポンプの回転数が前記エンジンの回転数と独立して変化するように前記モータ・ジェネレータの動力を前記油圧ポンプに伝達し、
前記動力伝達機構は、遊星歯車機構と、第1歯車機構及び第2歯車機構を有し、
前記遊星歯車機構は、前記第1軸に入力された動力が伝達される内歯車と、前記第3軸と接続された太陽歯車と、前記内歯車及び太陽歯車と噛み合うとともに前記第2軸に動力を出力する遊星歯車と、を有し、
前記第1歯車機構は、前記第1軸と接続された第1歯車と、前記第1歯車と噛み合う第2歯車を有し、
前記第2歯車機構は、前記第2軸と接続された第3歯車と、前記第3歯車と噛み合う第4歯車を有し、
前記内歯車は前記第2歯車と接続され、前記遊星歯車は前記第4歯車と接続されており、
前記動力伝達機構は、さらに、前記第2歯車に接続された第1接続軸と、前記太陽歯車に接続された第2接続軸と、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容又は遮断する一方向クラッチと、を有し、
前記一方向クラッチは、前記第2歯車の回転数が前記太陽歯車の回転数よりも大きいときは、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を遮断し、前記第2歯車の回転数が前記太陽歯車の回転数以下であるときは、前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容する作業機。 - 前記作業装置に供給される作動油の圧力を検出する圧力検出部を備え、
前記制御部は、前記圧力検出部により検出された作動油の圧力に基づいて前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させる請求項1又は2に記載の作業機。 - 前記制御部は、前記圧力検出部により検出された作動油の圧力が一定となるように前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させる請求項3に記載の作業機。
- 前記モータ・ジェネレータと接続されたバッテリを備え、
前記制御部は、前記エンジンの出力及び前記作動油の圧力に基づいて前記モータ・ジェネレータの回転数を変化させることにより、前記バッテリから前記モータ・ジェネレータに電力を供給する給電状態と、前記モータ・ジェネレータにより発生した電力を前記バッテリに充電する充電状態とを切り替える請求項3に記載の作業機。 - 前記制御部は、前記モータ・ジェネレータの正回転と逆回転を切り替え可能であり、
前記モータ・ジェネレータが正回転したとき、当該正回転により発生した動力が前記エンジンによる前記油圧ポンプの駆動を補助し、
前記モータ・ジェネレータが逆回転したとき、当該逆回転により発生した回生電力が前記バッテリに充電される請求項5に記載の作業機。 - 前記モータ・ジェネレータをショートブレーキ運転したとき、前記エンジンの回転数と前記油圧ポンプの回転数が一致する請求項1~6のいずれか1項に記載の作業機。
- 前記動力伝達機構は、
前記第1軸から動力を伝達可能な第1接続軸と、
前記第3軸から動力を伝達可能な第2接続軸と、
前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容又は遮断するクラッチと、
を有している請求項1~7のいずれか1項に記載の作業機。 - 前記動力伝達機構は、
前記第2歯車に接続された第1接続軸と、
前記太陽歯車に接続された第2接続軸と、
前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容又は遮断する電磁クラッチと、
を有している請求項1~7のいずれか1項に記載の作業機。 - 前記クラッチが前記第1接続軸と前記第2接続軸との接続を許容したとき、
前記モータ・ジェネレータの動力は、前記第3軸から前記第2接続軸及び前記第1接続軸を介して前記第1軸へと伝達される請求項8に記載の作業機。 - 前記エンジンの出力軸と接続された入力軸と、前記動力伝達機構の第1軸と接続された出力軸とを有する静油圧式無段変速装置と、
前記静油圧式無段変速装置からの動力によって駆動する走行装置と、
前記走行装置によって走行可能に支持された機体と、
を備え、
前記作業装置は、前記機体に昇降可能に設けられたブームと、前記ブームに装着された作業具と、を有している請求項1~10のいずれか1項に記載の作業機。
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