(57)【要約】【課題】発電電動機による発電を過度に制限することなく、動力伝達の際の動力損失の発生を抑制しながら油圧ポンプを駆動できるハイブリッド型建設機械の駆動システムを提供すること。【解決手段】エンジン２１によって油圧ポンプ２７及び発電電動機２３を駆動する第一駆動モードと、エンジン２１及び発電電動機２３によって油圧ポンプ２７を駆動する第二駆動モードとを有するハイブリッド型建設機械の駆動システム１００は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２とを直結し、油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを変速機構２２を介して接続することを特徴とする。【選択図】図２
2010013879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンによって油圧ポンプ及び発電電動機を駆動する第一駆動モードと、エンジン及び発電電動機によって油圧ポンプを駆動する第二駆動モードとを有するハイブリッド型建設機械の駆動システムであって、
前記エンジンの回転軸と前記油圧ポンプ又は前記発電電動機の何れか一方の回転軸とを直結し、
前記エンジンの回転軸、又は、前記エンジンの回転軸に直結された前記一方の回転軸と他方の回転軸とを変速機構を介して接続する、
ことを特徴とするハイブリッド型建設機械の駆動システム。
【請求項２】
前記エンジンの回転軸と前記変速機構を介して接続される前記他方の回転軸とをオフセット配置とする、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型建設機械の駆動システム。
【請求項３】
前記変速機構は、遊星歯車機構であり、
前記エンジンの回転軸と前記変速機構を介して接続される前記他方の回転軸とが同軸上に配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型建設機械の駆動システム。
【請求項４】
前記エンジンの回転軸と前記油圧ポンプの回転軸とを直結し、
前記油圧ポンプの回転軸と前記発電電動機の回転軸とを増速機構を介して接続する、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のハイブリッド型建設機械の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンによって油圧ポンプ及び発電電動機を駆動する第一駆動モードと、エンジン及び発電電動機によって油圧ポンプを駆動する第二駆動モードとを有するハイブリッド型建設機械の駆動システムに関し、特に、発電電動機による発電を過度に制限することなく、動力伝達の際の動力損失の発生を抑制できるハイブリッド型建設機械の駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンと油圧ポンプ及び発電電動機との間にギアボックスを介在させずにエンジン、発電電動機及び油圧ポンプのそれぞれの回転軸を全て直結するパラレル式ハイブリッド型建設機械の駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
一般的なパラレル式ハイブリッド型建設機械の駆動装置は、ギアボックスを介してエンジンの回転力を油圧ポンプ及び発電電動機のそれぞれに分配しながら伝達するが、特許文献１に記載の駆動装置は、エンジンと発電電動機と油圧ポンプとをその順で直結することで、ギアボックスで生じていた動力伝達の際の動力損失を排除し、その動力損失の際に生じる熱を冷却するための冷却装置の設置を不要としている。
【特許文献１】特開２００７−２１８００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置は、エンジン、油圧ポンプ及び発電電動機のそれぞれの回転軸を等速で回転させるため、発電電動機の回転軸の回転数をエンジンの回転軸と同じ回転数に制限することとなり、発電電動機による発電量を低いレベルに制限してしまう。
【０００５】
上述の点に鑑み、本発明は、発電電動機による発電を過度に制限することなく、動力伝達の際の動力損失の発生を抑制しながら油圧ポンプを駆動できるハイブリッド型建設機械の駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、第一の発明に係るハイブリッド型建設機械の駆動システムは、エンジンによって油圧ポンプ及び発電電動機を駆動する第一駆動モードと、エンジン及び発電電動機によって油圧ポンプを駆動する第二駆動モードとを有するハイブリッド型建設機械の駆動システムであって、前記エンジンの回転軸と前記油圧ポンプ又は前記発電電動機の何れか一方の回転軸とを直結し、前記エンジンの回転軸、又は、前記エンジンの回転軸に直結された前記一方の回転軸と他方の回転軸とを変速機構を介して接続することを特徴とする。
【０００７】
また、第二の発明は、第一の発明に係るハイブリッド型建設機械の駆動システムであって、前記エンジンの回転軸と前記変速機構を介して接続される前記他方の回転軸とをオフセット配置とすることを特徴とする。
【０００８】
また、第三の発明は、第一の発明に係るハイブリッド型建設機械の駆動システムであって、前記変速機構は、遊星歯車機構であり、前記エンジンの回転軸と前記変速機構を介して接続される前記他方の回転軸とが同軸上に配置されることを特徴とする。
【０００９】
また、第四の発明は、第一乃至第三の何れかの発明に係るハイブリッド型建設機械の駆動システムであって、前記エンジンの回転軸と前記油圧ポンプの回転軸とを直結し、前記油圧ポンプの回転軸と前記発電電動機の回転軸とを増速機構を介して接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述の手段により、本発明は、発電電動機による発電を過度に制限することなく、動力伝達の際の動力損失の発生を抑制しながら油圧ポンプを駆動できるハイブリッド型建設機械の駆動システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明に係る駆動システムが搭載されるハイブリッド型建設機械の構成例を示す図であり、ハイブリッド型建設機械１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載する油圧ショベルである。
【００１３】
また、上部旋回体３は、前方中央部に、ブーム４、アーム５及びバケット６、並びに、これらをそれぞれ駆動する油圧シリンダとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８及びバケットシリンダ９から構成される掘削アタッチメントを備える。
【００１４】
図２は、本発明に係る駆動システム１００の概略図であり、駆動システム１００は、エンジン２１、変速機構２２、発電電動機２３、インバータ２４、バッテリ２５、メインコントローラ２６、油圧ポンプ２７、旋回用電動機２８、コントロールバルブ２９、ブーム操作レバー３０、旋回操作レバー３１及び圧力センサ３２を含む。
【００１５】
エンジン２１は、所定のエンジン回転数で回転しながら油圧ポンプ２７を駆動し、同時に、変速機構２２を介して発電電動機２３を駆動可能な内燃機関であり、例えば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等であって、回転数をメインコントローラ２６に対して出力する。
【００１６】
変速機構２２は、所定の変速比でエンジン２１の回転力を発電電動機２３に伝達するための装置であり、例えば、２０００ｒｐｍで回転するエンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２を入力軸とし、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３を出力軸としながら、その出力軸を４０００〜８０００ｒｐｍまで増速させる。
【００１７】
また、図２は、等速で回転するエンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２とを黒色の太線で示し、それら二つの回転軸より高速で回転する発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３を灰色の太線で示す。
【００１８】
発電電動機２３は、機械エネルギーを電磁作用により電気エネルギーに変換して電力を産出し、一方で、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して回転力を産出するための装置であり、油圧ポンプ２７や関連する他の構成部品の形状に応じて、縦長形状、扁平形状等の種々の形状が選択され得る。
【００１９】
油圧ポンプ２７や関連する他の構成部品と組み合わせたときに駆動システム１００内に無駄な空間を生じさせないようにして、駆動システム１００の小型化、省スペース化を図るためである。
【００２０】
また、発電電動機２３は、例えば、エンジン２１によって駆動されることで発電した電気エネルギーを電力供給先（旋回用電動機２８を含む。）にインバータ２４を介して供給し、或いは、発電した電気エネルギーをバッテリ２５にインバータ２４を介して充電する発電機として機能し、一方で、インバータ２４を介してバッテリ２５に蓄えられた電気エネルギーを利用しながらエンジン２１によって駆動される油圧ポンプ２７にアシストトルクを与える電動機として機能する。
【００２１】
インバータ２４は、交流電力と直流電力とを変換するための装置であり、例えば、発電電動機２３が産出した交流電力を直流電力に変換してバッテリ２５に充電したり、若しくは、旋回用電動機２８に供給したりし、或いは、メインコントローラ２６が出力する制御信号に基づいてバッテリ２５の直流電力を交流電力に変換して発電電動機２３又は旋回用電動機２８に供給したりする。なお、インバータ２４は、メインコントローラ２６に一体化されていてもよい。
【００２２】
バッテリ２５は、放電だけでなく、充電を行うことにより元の放電前の状態を回復できる装置であり、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ等であって、バッテリ残存容量をメインコントローラ２６に対して出力する。
【００２３】
メインコントローラ２６は、駆動システム１００を制御するための装置であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータを含み、電動機制御手段２６０、アシストトルク制御手段２６１及び発電制御手段２６２のそれぞれに対応するプログラムをＲＯＭに記憶しながら、各手段に対応する演算処理をＣＰＵに実行させる。
【００２４】
メインコントローラ２６の電動機制御手段２６０は、例えば、旋回操作レバー３１の信号出力に基づいて旋回用電動機２８が要求する電気エネルギーに関する情報を取得し、圧力センサ３２の信号出力に基づいて発電電動機２３が供給（発電）可能な電気エネルギーに関する情報を取得し、かつ、バッテリ２５の信号出力に基づいてバッテリ２５が供給（放電）可能な電気エネルギーに関する情報を取得して、発電電動機２３及びバッテリ２５のそれぞれから旋回用電動機２８に供給すべき電気エネルギーを演算する。
【００２５】
そして、メインコントローラ２６の電動機制御手段２６０は、その演算結果に基づきインバータ２４に対して制御信号を出力し、かつ、発電電動機２３に対して制御電流（例えば、回転子に供給する界磁電流である。）を供給しながら、発電電動機２３及びバッテリ２５の電気エネルギーを旋回用電動機２８に供給できるようにする。
【００２６】
なお、発電電動機２３が発電可能な電気エネルギーは、エンジン２１の出力トルクから油圧ポンプ２７の吸収トルクを差し引いた残余トルクに基づいて算出され、エンジン２１の出力トルクはエンジン２１が出力する回転数に基づいて算出され、油圧ポンプ２７の吸収トルクは、圧力センサ３２が検出する油圧ポンプ２７の吐出圧に基づいて算出される（吐出圧が大きいほど油圧ポンプ２７の吸収トルクは大きくなる。）。
【００２７】
メインコントローラ２６のアシストトルク制御手段２６１は、圧力センサ３２の信号出力に基づいて油圧ポンプ２７の吸収トルクを算出し、エンジン２１の出力トルクと油圧ポンプ２７の吸収トルクとの間の差である残余トルクが所定値未満となった場合に、インバータ２４に対して制御信号を出力しバッテリ２５から発電電動機２３に電気エネルギーを供給させ発電電動機２３を電動機として機能させることで、油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２を回転させるためのアシストトルクを供給する。
【００２８】
これにより、油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２は、エンジン２１の出力トルクと発電電動機２３のアシストトルクとによって回転させられることとなる。
【００２９】
メインコントローラ２６の発電制御手段２６２は、発電電動機２３に対して出力する制御電流（界磁電流）の大きさを変化させながら、残余トルクの範囲内で、発電電動機２３の発電量を制御する。
【００３０】
油圧ポンプ２７の吸収トルクがエンジン２１の出力トルクを超過してエンジンを停止させてしまうことがないようにするためである。
【００３１】
油圧ポンプ２７は、圧油を吐出するためのポンプであり、エンジン２１の出力トルクのみによって駆動される第一駆動モード、或いは、エンジン２１の出力トルクと発電電動機２３が発生させるアシストトルクとの合計トルクによって駆動される第二駆動モードとを有し、必要に応じて吐出量Ｑを変化させながらブームシリンダ７、アームシリンダ８又はバケットシリンダ９等の油圧アクチュエータに圧油を供給する。
【００３２】
なお、メインコントローラ２６は、油圧ポンプ２７が第一駆動モードで駆動される場合に、発電電動機２３に対して制御電流を供給し残余トルクを利用した発電を実行させるが、発電の必要が無い場合には（バッテリ残存容量が十分である場合には）、発電電動機２３に対する制御電流の供給を中止し発電電動機２３を無負荷で回転させるようにする。
【００３３】
旋回用電動機２８は、上部旋回体３を旋回させるための電動機であり、例えば、メインコントローラ２６による制御の下、発電機として機能する発電電動機２３から供給される電気エネルギー、又は、バッテリ２５から供給される電気エネルギーを利用しながら、旋回操作レバー３１の操作量に応じて上部旋回体３を旋回させる。
【００３４】
なお、図２において、旋回用電動機２８は、油圧ショベル１における電動機の単なる代表例であり、旋回用電動機２８の代わりに、或いは、旋回用電動機２８に加えて、他の電動機が利用され得る。
【００３５】
コントロールバルブ２９は、油圧ポンプ２７が吐出する圧油を油圧アクチュエータに供給し、かつ、油圧アクチュエータ内の圧油を圧油タンクＴに排出するためのバルブであり、例えば、ブーム操作レバー３０からの制御圧をパイロットポートで受け、その制御圧に応じてスプールを移動させながら油圧ポンプ２７とブームシリンダ７との間の圧油管路を切り換えてブームシリンダ７を伸縮させる。
【００３６】
なお、図２において、ブームシリンダ７は、油圧ショベル１における油圧アクチュエータの単なる代表例であり、ブームシリンダ７の代わりに、或いは、ブームシリンダ７に加えて、アームシリンダ８、バケットシリンダ９又は走行モータ等の他の油圧アクチュエータが利用され得る。
【００３７】
ブーム操作レバー３０は、ブーム４を操作するための操作装置であり、例えば、レバーの傾倒操作に応じて、補助ポンプ（図示せず。）が吐出する圧油を制御圧管路Ｌ１、Ｌ２の何れかに流入させ、その結果として生ずる制御圧をレバー操作量としてコントロールバルブ２９のパイロットポートに伝達する。
【００３８】
なお、ブーム操作レバー３０は、図２において、圧油を利用した構成を採るが、レバーの傾倒操作を電気的に検出し、かつ、そのレバー操作量をコントロールバルブ２９に電気的に伝達する構成を採用するようにしてもよい。
【００３９】
旋回操作レバー３１は、上部旋回体３の旋回を操作するための操作装置であり、例えば、レバーの傾倒操作に連動するポテンショメータが検出した値をレバー操作量としてメインコントローラ２６に出力する。
【００４０】
次に、図３〜図７を参照しながら、駆動システム１００における三つの構成部品（エンジン２１、発電電動機２３及び油圧ポンプ２７）の種々の配置について説明する。
【００４１】
図３は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを距離Ｄを隔てて平行配置した状態を示す。なお、変速機構２２は、油圧ポンプ２７から見てエンジン２１とは反対側（図において油圧ポンプ２７の右側）に延びる回転軸ＳＦＴ２上に取り付けられ、スパーギア（平歯車）、ヘリカルギア（はすば歯車）、インターナルギア（内歯歯車）等で構成される。また、図の明瞭化のため、一段による増速が示されるが、増速の段数に制限はない。以下の図においても同様である。
【００４２】
この平行配置により、駆動システム１００は、その全長（図の左右方向の長さ）を短縮させることができる。
【００４３】
図４は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを軸角θで交差させるよう傾斜配置した状態を示す。なお、変速機構２２は、油圧ポンプ２７から見てエンジン２１とは反対側（図において油圧ポンプ２７の右側）に延びる回転軸ＳＦＴ２上に取り付けられ、ベベルギア（かさ歯車）等で構成される。
【００４４】
この傾斜配置により、駆動システム１００は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを平行配置しようとした場合に（図３参照。）、油圧ポンプ２７と発電電動機２３とが干渉してしまい平行配置できないような場合であっても、油圧ポンプ２７と発電電動機２３とを干渉させることなく近接させて配置することができる。
【００４５】
図５は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを平行配置及び傾斜配置することなく食い違うように配置（以下、「食い違い配置」とする。）した状態を示す。なお、図５において、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３は、紙面に垂直であり、変速機構２２は、油圧ポンプ２７から見てエンジン２１とは反対側（図において油圧ポンプ２７の右側）に延びる回転軸ＳＦＴ２上に取り付けられ、スパイラルギア（ねじ歯車）やウォームギア等で構成される。
【００４６】
図６は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを同軸上に配置した状態を示す。なお、変速機構２２は、油圧ポンプ２７から見てエンジン２１とは反対側（図において油圧ポンプ２７の右側）に延びる回転軸ＳＦＴ２上に取り付けられ、遊星歯車機構等で構成される。
【００４７】
図７は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１に直結された油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを平行配置し、エンジン２１と油圧ポンプ２７との間に取り付けられた変速機構２２を介してそれら回転軸を接続した状態を示す。なお、変速機構２２は、油圧ポンプ２７から見てエンジン２１と同じ側（図において油圧ポンプ２７の左側）にある回転軸ＳＦＴ１又はＳＦＴ２上に取り付けられ、スパーギア等で構成される。
【００４８】
以上の構成により、駆動システム１００は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２とを直結することにより動力伝達の際の動力損失の発生を抑制し、また、油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２の回転数を増速させた上でその力を発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３に伝えることにより発電電動機による発電を過度に制限することもなく、油圧ポンプ２７を駆動することができる。
【００４９】
また、駆動システム１００は、上述のような種々の変速機構２２を用いて油圧ポンプ２７と発電電動機２３とを組み合わせた集合体の寸法（容積）を自由に設定できるので、小型化、省スペース化を図ることができ、また、関連する他の構成部品との組み合わせにも柔軟に対応することができる。
【００５０】
なお、特許請求の範囲における「オフセット配置」は、上述の実施例における「平行配置」、「傾斜配置」及び「食い違い配置」を含むものとする。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５２】
例えば、上述の実施例において、駆動システム１００は、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２とを直結し、油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２と発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを増速機構を介して接続するが、エンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを直結し、発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３と油圧ポンプ２７の回転軸ＳＦＴ２とを減速機構を介して接続するようにしてもよい。
【００５３】
これにより、駆動システム１００は、高回転型のエンジン２１の回転軸ＳＦＴ１と発電電動機２３の回転軸ＳＦＴ３とを直結し動力伝達の際の動力損失の発生を抑制しながら発電電動機２３を高速回転させ、一方で、減速機構２２によって回転速度を減速させ大きなトルクを発生させた上で油圧ポンプ２７を駆動するので、発電電動機による発電を過度に制限することなく、動力伝達の際の動力損失の発生を抑制しながら油圧ポンプ２７を駆動することができる。
【００５４】
また、上述の実施例において、駆動システム１００は、エンジン２１の一方の側に発電電動機２３及び油圧ポンプ２７の双方を配置するが、エンジン２１の一方の側に発電電動機２３を配置し、エンジン２１の他方の側に油圧ポンプ２７を配置するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る駆動システムが搭載されるハイブリッド型建設機械の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る駆動システムの概略図である。
【図３】駆動システムにおけるエンジン、油圧ポンプ及び発電電動機の配置例を示す図（その１）である。
【図４】駆動システムにおけるエンジン、油圧ポンプ及び発電電動機の配置例を示す図（その２）である。
【図５】駆動システムにおけるエンジン、油圧ポンプ及び発電電動機の配置例を示す図（その３）である。
【図６】駆動システムにおけるエンジン、油圧ポンプ及び発電電動機の配置例を示す図（その４）である。
【図７】駆動システムにおけるエンジン、油圧ポンプ及び発電電動機の配置例を示す図（その５）である。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・油圧ショベル  ２・・・下部走行体  ３・・・上部旋回体  ４・・・ブーム  ５・・・アーム  ６・・・バケット  ７・・・ブームシリンダ  ８・・・アームシリンダ  ９・・・バケットシリンダ  ２１・・・エンジン  ２２・・・変速機構  ２３・・・発電電動機  ２４・・・インバータ  ２５・・・バッテリ  ２６・・・メインコントローラ  ２７・・・油圧ポンプ  ２８・・・旋回用電動機  ２９・・・コントロールバルブ  ３０・・・ブーム操作レバー  ３１・・・旋回操作レバー  ３２・・・圧力センサ  １００・・・駆動システム  Ｌ１、Ｌ２・・・制御圧管路  ＳＦＴ１〜ＳＦＴ３・・・回転軸  Ｔ・・・圧油タンク
【図１】
2010013879.tif 000003
【図２】
2010013879.tif 000004
【図３】
2010013879.tif 000005
【図４】
2010013879.tif 000006
【図５】
2010013879.tif 000007
【図６】
2010013879.tif 000008
【図７】
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