(57)【要約】【課題】旋回油圧モータと旋回電動モータを併用して省エネルギ化を図った建設機械において、旋回体の良好な操作性を確保し、かつエネルギ効率の高いハイブリッド型建設機械を提供することにある。【解決手段】旋回操作レバーの操作量に基づいて、旋回油圧モータに対する旋回電動モータのトルクの割合を変更する。また、旋回操作レバーの操作量，旋回油圧モータの圧力，旋回電動モータの回転速度に基づいて、リリーフ圧と電動モータのトルクを制御する。【選択図】  図２
2014001630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにより駆動する油圧ポンプで発生する油圧によって駆動される旋回油圧モータと、
前記旋回油圧モータに接続され、蓄電デバイスからの電力により駆動される旋回電動モータと、
前記旋回電動モータに接続される旋回体とを有し、
前記旋回体を操作する旋回操作レバーの操作量に応じて前記旋回電動モータおよび前記旋回油圧モータを制駆動し、前記旋回電動モータおよび前記旋回油圧モータの合計トルクによって前記旋回体を制駆動する建設機械において、
前記旋回電動モータを制駆動するために前記旋回電動モータに入力される電動モータトルク指令値は、前記旋回油圧モータのトルクに前記旋回操作レバーの操作量に応じて設定されるゲインを乗じて算出されることを特徴とする建設機械。
【請求項２】
請求項１に記載の建設機械において、
前記旋回操作レバーの操作量に応じて前記旋回油圧モータへの作動油の吐出量および吐出方向を制御する旋回スプールを有し、前記ゲインは、前記旋回操作レバーの操作量に応じて設定される前記旋回スプールの開口面積によって決定されることを特徴とする建設機械。
【請求項３】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータトルク指令値と、前記旋回油圧モータのリリーフ圧に基づいて算出される電動モータトルク指令値とを比較し、大きいほうの電動モータトルク指令値を前記旋回電動モータに入力することを特徴とする建設機械。
【請求項４】
エンジンにより駆動する油圧ポンプによって駆動される旋回油圧モータと、
前記旋回油圧モータに接続され、蓄電デバイスからの電力により駆動される旋回電動モータと、
前記旋回電動モータに接続される旋回体とを備え、
前記旋回油圧モータおよび前記旋回電動モータの合計トルクによって前記旋回体を制駆動する複合旋回モードと、
前記旋回油圧モータのトルクによって前記旋回体を制駆動する油圧モータ単独旋回モードとを有し、
前記旋回操作レバーの操作量が中立状態および最大状態の場合には、前記単独旋回モードとし、前記旋回操作レバーの操作量が中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい場合には前記複合旋回モードとし、
前記複合旋回モードにおいて前記旋回操作レバーの操作量が中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい場合には、前記旋回油圧モータのトルクに対する前記旋回電動モータのトルクの割合が最大となることを特徴とする建設機械。
【請求項５】
請求項４に記載の建設機械において、
前記ゲインは、前記旋回操作レバーの操作量が中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい場合において最大となることを特徴とする建設機械。
【請求項６】
請求項５に記載の建設機械において、
前記ゲインに基づいて決定される前記旋回電動モータの制駆動トルクは、前記旋回操作レバーの操作量が中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい場合において、最大となることを特徴とする建設機械。
【請求項７】
請求項１に記載の建設機械において、
前記油圧ポンプと前記油圧モータの間に、リリーフ圧を変更するリリーフ弁を備え、
前記電動モータの回転数の絶対値が第一回転速度を上回る、又は、前記旋回操作レバーの操作量が第一操作量を上回った場合に、前記油圧モータのリリーフ圧を下げ、その後、前記電動モータの回転数の絶対値が前記第一回転速度以下に設定した第二回転速度を下回る又は、前記旋回操作レバーの操作量が前記第一操作量以下に設定した第二操作量を下回った場合に、下げた前記油圧モータのリリーフ圧を上昇させることを特徴とする建設機械。
【請求項８】
請求項７に記載の建設機械において、
前記油圧モータのリリーフ圧を下げており、前記油圧モータの圧力が第二圧力を上回っている場合は、前記油圧モータのリリーフ圧を下げたことによる前記旋回油圧モータのトルク減少分を旋回電動モータで発生させるような前記電動モータトルク指令値を算出することを特徴とする建設機械。
【請求項９】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータで駆動トルクを発生している場合に、前記油圧ポンプの仕事率を小さくすることを特徴とする建設機械。
【請求項１０】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータと前記油圧モータの合計トルクとして得られる制駆動トルクが、所定の範囲内となるように、トルク指令値の制限を行うことを特徴とする建設機械。
【請求項１１】
請求項１に記載の建設機械において、
前記電動モータの制駆動トルクの変化率が、所定の範囲内となるように、トルク指令値の変化率に制限を行うことを特徴とする建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の旋回体を有する建設機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルのような建設機械は、動力源として、ガソリン，軽油等の燃料を用い、エンジンによって油圧ポンプを駆動して油圧を発生させることにより、油圧モータ，油圧シリンダといった油圧アクチュエータを駆動する。油圧アクチュエータは、小型軽量で大出力が可能であり、建設機械のアクチュエータとして広く用いられている。
【０００３】
一方で、近年、特許文献１に記載されているように、電動モータにより駆動される電動アクチュエータを用いることにより、油圧ポンプの油圧エネルギにより駆動される油圧アクチュエータのみを用いた建設機械より、エネルギ効率を高め、省エネルギ化を図った建設機械が提案されている。
【０００４】
油圧アクチュエータは、回生時は、運動エネルギを油圧回路上に設けたアキュムレータに蓄圧することにより行うか、油圧を電気に変換して行うのに対し、電動アクチュエータの場合は、制動時の運動エネルギを電気エネルギとして直接回生できることから、油圧アクチュエータに比べてエネルギ的に優れた特徴がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に示される従来技術では、旋回体を駆動するアクチュエータとして電動モータを搭載した油圧ショベルが示されている。油圧ショベルの上部旋回体を下部走行体に対して旋回させるアクチュエータは、使用頻度が高く、作業において加速と減速を頻繁に繰り返す。
【０００６】
例えば、土砂を掘削してダンプトラックに積み込む作業においては、バケットが掘削した土砂で満たされたら、ダンプトラックへ向かって旋回加速し、ダンプトラックの手前で旋回減速し、ダンプトラックの真上で放土する。その後、掘削場所へ向かって旋回加速し、掘削場所の手前で旋回減速し、掘削場所で停止して掘削する。この繰り返し作業となる。
【０００７】
その際、油圧的な回生を行わない場合は、減速時、つまり制動時において、大きな慣性負荷を備えた旋回体の運動エネルギは、油圧モータの場合はリリーフ弁の設定圧力に基づいて作動油がタンクへ戻ることにより、油圧回路上で熱として捨てられる。
【０００８】
一方、電動モータの場合は、大きな慣性負荷を備えた旋回体によって電動モータが発電機として機能するため、電動モータからの出力を電気エネルギとして回生できる。このことから、省エネルギの観点からは、油圧モータの代わりに電動モータを使用することが効果的であると考えられる。
【０００９】
しかし、建設機械の旋回に電動モータを用いると、電動モータの特性に起因される以下のような問題を生じる。
【００１０】
まず、電動モータで旋回体の停止状態を保つためには、実際の速度と速度制御における目標速度とを比較し、求められた制御量に基づいて速度制御を行う速度フィードバック制御を行う必要がある。しかしながら速度フィードバック制御は、時間遅れの影響によりハンチングが生じやすい。また、電動モータを用いた場合は、制御によって操作感が決まるので、その制御性能によっては操作上の違和感が生じる。さらに、電動モータが回転しない状態でトルクを連続出力する作業、例えば、溝掘削で、旋回体を微速操作して溝の内側面にバケットの側面を押し当てながら、ブーム，アーム及びバケットを揺動させて行う掘削作業では、電動モータやインバータが過熱する問題がある。そして、油圧モータ相当の出力を保証する電動モータを使用すると外形が大きくなりすぎる、あるいはコストが著しく高くなるという問題も挙げられる。
【００１１】
以上のような問題を解決するために、省エネルギ化を実現した上で上記の油圧モータと電動モータを両方搭載し、合計トルクにより旋回体を駆動又は制動する建設機械が、特許文献２及び特許文献３に開示されている。
【００１２】
特許文献２に示される従来技術では、旋回油圧モータに旋回電動モータが直結され、コントローラが、旋回操作レバーの操作量に基づいて電動モータに出力トルクを指令する油圧建設機械のエネルギ回生装置が開示されている。この従来技術は、減速時、つまり制動時においては、電動モータが旋回体の運動エネルギを回生し、電気エネルギとしてバッテリに蓄電するものである。
【００１３】
特許文献３に示される従来技術では、油圧モータのメータインとメータアウトの差圧を用いて、電動モータへのトルク指令値を算出し、油圧モータと電動モータとの出力トルク配分を行うハイブリッド型建設機械が開示されている。
【００１４】
上述した特許文献２及び特許文献３の従来技術は、いずれも、旋回用のアクチュエータとして、油圧モータと電動モータを併用する。よって、旋回体を駆動できる充分な駆動トルクを確保し、かつ電動モータにより電気エネルギの回収を図っている。また、建設機械における旋回体の駆動システムを、簡単かつ実用化が容易な構成にして、省エネルギ化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第３６４７３１９号公報
【特許文献２】特許第４０２４１２０号公報
【特許文献３】特開２００８−６３８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
【００１７】
例えば、特許文献２に記載の従来技術では、旋回操作レバーの操作量に基づいて旋回電動モータへのトルク指令値を算出することが開示されている。しかし、バケット，ブーム，アームからなる建設機械のフロント部分の姿勢や、積荷量，建設機械が作業している路面の傾斜等の影響による旋回油圧モータのトルク変化を考慮していない。
【００１８】
そのため、旋回電動モータへのトルク指令値に基づいて出力される旋回電動モータのトルクと旋回油圧モータのトルクの合計トルクが、旋回レバー操作量に応じた所望のトルクとならないことが生じる。
【００１９】
また、特許文献３に記載の従来技術では、油圧モータに設置されている油の吸い込み口および吐き出し口となる２つのポートに生じる差圧に基づいて、電動モータへのトルク指令値を算出している。しかしながら、旋回操作レバーの操作量によって油圧モータのトルクが変化することは考慮されておらず、旋回操作レバーの操作量に関わらず油圧モータと電動モータのトルクの割合は一定となるように制御されている。よって、旋回操作レバーの操作量に基づいて変化する油圧モータのトルクを考慮して、旋回操作レバーの操作量に応じた所望のトルクを得られることができない可能性がある。
【００２０】
よって、本発明の目的は、旋回体の良好な操作性を確保し、かつエネルギ効率の高いハイブリッド型建設機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を解決するために、例えば、エンジンにより駆動する油圧ポンプで発生する油圧によって駆動される旋回油圧モータと、旋回油圧モータに接続され、蓄電デバイスからの電力により駆動される旋回電動モータと、旋回電動モータに接続される旋回体とを有し、旋回体を操作するための旋回操作レバーの操作量に応じて制駆動される旋回電動モータおよび旋回油圧モータの合計トルクによって旋回体が制駆動する建設機械において、旋回電動モータを制駆動するために旋回電動モータに入力される電動モータトルク指令値は、旋回油圧モータのトルクに旋回操作レバーの操作量に応じて設定されるゲインを乗じて算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、旋回体を有するハイブリッド型建設機械において、良好な操作性を提供し、高いエネルギ効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による油圧ショベルの側面図。
【図２】本発明による油圧ショベルのシステム構成図。
【図３】本発明による油圧ショベルの油圧システムの詳細図。
【図４】旋回スプールのブリードオフ開口面積線図。
【図５】旋回スプールのメータアウト開口面積線図。
【図６】図３における油圧モータのリリーフ圧を切換弁によって切り換える油圧システムとした場合のシステム構成図。
【図７】Ａポート側リリーフ弁の制御フロー図。
【図８】Ｂポート側リリーフ弁の制御フロー図。
【図９】旋回電動モータの制御フロー図。
【図１０】旋回電動モータの制御で用いる駆動ゲインテーブルの例を示す図。
【図１１】旋回電動モータの制御で用いる制動ゲインテーブルの例示す図。
【図１２】実施例２に係る油圧ショベルのシステム構成図。
【図１３】実施例２における旋回スプールのブリードオフ開口面積線図。
【図１４】実施例２における旋回スプールのメータアウト開口面積線図。
【図１５】本実施例におけるパイロット圧に対する旋回油圧モータトルクおよび旋回電動モータトルクの配分図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
上述のように、旋回電動モータに対してトルク指令値を算出するにあたり、フロント部の姿勢や、建設機械の作業環境，旋回レバーの操作量等による旋回油圧モータのトルク変化を考慮しないことで、旋回レバー操作量に応じた所望のトルクが旋回体に対して得られないことがある。このことにより、旋回レバー操作量に応じた旋回体の制駆動を得られることができず、オペレータは操作性に違和感を感じる。
【００２５】
そこで本発明では、旋回油圧モータと旋回電動モータによって旋回体に与えられるトルクが、レバー操作量に応じたトルクとなるように、旋回電動モータにトルク指令値を算出する技術を開示するものである。
【００２６】
さらに本発明では、何らかの理由で旋回電動モータのトルクが発生できなくなっても、油圧システムでショベルの基本的な性能を保障するハイブリッド型建設機械を実現するものとする。従来技術においては、旋回電動モータが全体の旋回トルクのうち一定のトルクを受け持っているために、例えば、蓄電デバイスのエネルギ不足や過放電状態，インバータ，モータ等の電気系の故障，異常等が生じ、旋回電動モータからのトルクが得られなくなると、所望の旋回トルクが得られなくなる状態が生じうる。本発明では、このような課題に対して、旋回電動モータが故障しても油圧システムでショベルの基本的な性能を保障するハイブリッド型建設機械を実現するものとする。
【００２７】
そのために、本発明では旋回油圧モータおよび旋回電動モータの複合旋回モードと、旋回油圧モータ単独旋回モードとを有し、各モードを切り換えて駆動する構成とする。レバー位置が、旋回操作レバーが操作されていない状態の時と、旋回操作レバーが最大操作量まで操作された状態の時とにおいては、油圧モータ単独旋回モードにて旋回体を駆動させる。以下、旋回操作レバーが操作されていない状態を中立状態、旋回レバーが最大操作量まで操作される状態を最大状態と称する。
【００２８】
一方、旋回操作レバーが中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい位置にある時には、複合旋回モードとすることとする。以下、中立状態よりも大きく最大状態よりも小さい領域のことを中間域と称する。さらに、この複合旋回モードにおいては、例えば図１５のように、中間域において旋回油圧モータに対する旋回電動モータのトルクの割合が最大となるように、旋回油圧モータと旋回電動モータのトルク配分割合を構成することにより、省エネルギ運転を行うものである。このように、油圧モータ単独旋回モードおよび複合旋回モードを有し、それらを旋回レバーの操作量に応じて切り換える構成をとることによって、基本的に旋回油圧モータにおいて作業機械の性能を保証しつつ、旋回電動モータを制駆動させることによって省エネルギ化を実現することができる。特に、旋回操作レバーが中立状態および最大状態においては、油圧モータ単独旋回モードとなるように構成することで、蓄電デバイスの故障によらず正常時と同じように起動・停止等ができるようになる。
【００２９】
以下実施の形態において、本発明の詳細な説明を行う。
【実施例１】
【００３０】
図１に、実施例１に係る油圧ショベルの側面図を示す。図１において、下部走行体１０は、図１では片側のみを示している一対のクローラ１１及びクローラフレーム１２で構成されている。また、図１には図示されていない一対の走行油圧モータ１３，１４を有し、各クローラ１１を独立して駆動制御する。また、減速機構等も下部走行体１０に設置されている。
【００３１】
旋回体２０は、旋回フレーム２１，エンジン２２，アシスト発電モータ２３，旋回電動モータ２５，キャパシタ２４，旋回機構２６，旋回油圧モータ２７および図示しない減速機構等で構成され、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転軸は結合されており、回転軸によって結合された旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７は、旋回機構２６を介して旋回体２０を制駆動する。
【００３２】
エンジン２２は、旋回フレーム２１に設けられている。また、キャパシタ２４は、エンジン２２と同軸上に設けられたアシスト発電モータ２３と、旋回油圧モータ２７および旋回機構２６と同軸上に設けられた旋回電動モータ２５とに接続されており、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５が制駆動することによって、キャパシタ２４は充放電されることになる。旋回機構２６は、下部走行体に対して旋回体２０及び旋回フレーム２１を旋回させる。減速機構は、旋回電動モータ２５の回転を減速させる。
【００３３】
また、旋回体２０には、ブーム３１，ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２，ブーム３１の先端部近傍に回転自在に軸支されたアーム３３，アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４，アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５およびバケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されたショベル機構３０が搭載されている。
【００３４】
さらに、旋回体２０の旋回フレーム２１上には、走行油圧モータ１３，１４（図１には不図示），旋回油圧モータ２７，ブームシリンダ３２，アームシリンダ３４，バケットシリンダ３６等の油圧アクチュエータを駆動するための図示しない油圧ポンプ４１、および、各アクチュエータを駆動制御するためのコントロールバルブ４２を含む油圧システム４０が搭載されている。油圧ポンプ４１は、エンジン２２によって駆動される。
【００３５】
図２に、実施例１に係る油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図を示す。図２に示すように、エンジン２２の駆動力は油圧ポンプ４１に伝達される。また、コントロールバルブ４２は、油圧ポンプ４１から吐出された作動油が油圧配管４３によって供給されて図示されない旋回操作レバーからの指令（操作方向，操作量）に応じて、旋回油圧モータ２７，ブームシリンダ３２，アームシリンダ３４，バケットシリンダ３６及び走行油圧モータ１３，１４への作動油の吐出量及び吐出方向の制御を行う。
【００３６】
キャパシタ２４はチョッパ５１に接続され、キャパシタ２４の直流電力はチョッパ５１を介して所定の母線電圧に昇圧される。所定の値に昇圧された電圧は、旋回電動モータ２５を制駆動するための旋回電動モータ用インバータ５２およびアシスト発電モータ２３を制駆動するためのアシスト発電モータ用インバータ５３に入力される。アシスト発電モータ用インバータ５３は平滑コンデンサ５４を介してチョッパ５１と接続されており、平滑コンデンサ５４は母線電圧を安定化させるために設けられている。
【００３７】
旋回油圧モータ２７の作動油の出入口ポートには、それぞれＡポート側リリーフ弁２８およびＢポート側リリーフ弁２９が設けられている。図３に示すように、旋回油圧モータ２７は作動油の入口と出口になる２つのポートを持っており、本明細書では、左旋回する際に作動油の入口となるポートをＡポート、出口となるポートをＢポートとし、右旋回する際に作動油の入口となるポートをＢポート、出口となるポートをＡポートと定義する。このＡポート側リリーフ弁２８およびＢポート側リリーフ弁２９は、電磁式可変リリーフ弁からなり、旋回油圧モータ２７のＡポート圧力，Ｂポート圧力をそれぞれ制御するものである。
【００３８】
なお、図示していないが、Ａポート圧力，Ｂポート圧力をそれぞれ検出する圧力センサが設けられている。
【００３９】
コントローラ８０は、図示されない旋回操作レバー操作量，旋回油圧モータ圧力，旋回油圧モータ回転数等を用いて、油圧ポンプ４１，Ａポート側リリーフ弁２８およびＢポート側リリーフ弁２９の制御を行う。さらに、パワーコントロールユニット５５の制御も行う。電気・油圧信号変換デバイス７５は、コントローラ８０からの電気信号を油圧パイロット信号へ変換するものであり、例えば電磁比例バルブに相当する。
【００４０】
図３に、実施例１に係る油圧ショベルの油圧システムの詳細を示す。
【００４１】
旋回操作レバー７２は、図示されない圧力源からの圧力を操作量に応じて減圧する減圧弁機能を持ち、旋回操作レバー７２の操作量に応じた操作圧力をコントロールバルブ４２の内部に備えられる旋回スプール４４の左右いずれかの圧力室に与える。旋回スプール４４は、圧力室に作用する操作圧力に応じて切換量（スプールストローク）が制御されて油圧ポンプ４１から旋回油圧モータ２７へ供給される作動油の流量を制御するものであり、旋回操作レバー７２からの操作圧力により、旋回スプール４４は中立位置ＯからＡ位置又はＢ位置に連続的に切り換わる。
【００４２】
例えば、旋回操作レバー７２が中立状態である場合には、旋回スプール４４が中立位置Ｏにある時は、油圧ポンプ４１から吐出された作動油は、ブリードオフ絞りを通ってタンクへ戻る。
【００４３】
一方、例えば、旋回操作レバー７２が左旋回を行うように操作された場合には、旋回スプール４４がＡ位置に切り換わってブリードオフ絞りの開口面積が減少し、メータイン絞り、メータアウト絞りの開口面積が増加する。油圧ポンプ４１から吐出された作動油はこのＡ位置のメータイン絞りを通って旋回油圧モータ２７のＡポートに送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＡ位置のメータアウト絞りを通ってタンクへ戻る。このような作動油の制御を行うことで、旋回油圧モータ２７は左に回転する。
【００４４】
また、例えば、旋回操作レバー７２が右旋回を行うように操作された場合には、旋回スプール４４がＢ位置に切り換わってブリードオフ絞りの開口面積が減少し、メータイン絞り、メータアウト絞りの開口面積が増加する。油圧ポンプ４１から吐出された作動油はＢ位置のメータイン絞りを通って旋回油圧モータ２７のＢポートに送られ、旋回油圧モータ２７からの戻り油はＢ位置のメータアウト絞りを通ってタンクへ戻る。このような作動油の制御を行うことで、旋回油圧モータ２７はＡ位置の場合とは逆方向の右に回転する。
【００４５】
なお、旋回スプール４４が中立位置ＯとＡ位置の中間に位置している時は、油圧ポンプ４１が吐出した作動油はブリードオフ絞りとメータイン絞りに分配される。中立位置ＯとＢ位置の中間の場合も同様である。
【００４６】
Ａポート側リリーフ弁２８は、旋回油圧モータ２７のＡポートと旋回スプール４４の間に備えられている。また、Ｂポート側リリーフ弁２９は、旋回油圧モータ２７のＢポートと旋回スプール４４の間に備えられている。これらのＡポート側リリーフ弁２８およびＢポート側リリーフ弁２９は、図３には図示しないコントローラ８０からの指令に従って、各ポート側のリリーフ圧を変更可能な構成となっている。
【００４７】
リリーフ弁２８，２９は、電磁式可変リリーフ弁としたが、図６に示す構成にして、使用するリリーフ弁を、高圧側２８ａ，２９ａと低圧側２８ｂ，２９ｂに、切換弁２８ｃ，２９ｃで切り換える方式にしても良い。
【００４８】
図４に、本実施例における旋回スプール４４のスプールストロークに対するブリードオフ開口面積を示したブリードオフ開口面積線図を破線で示す。ここで、スプールストロークは旋回レバー操作量によってのみ変化するので、旋回レバー操作量と考えても良い。また、例えば旋回油圧モータ単独で旋回体を駆動する従来の建設機械において、良好な操作性を確保できる旋回油圧モータの開口面積を実線で示す。本実施例における旋回スプール４４のブリードオフ開口面積の大きさは、始点と終点、つまり旋回操作レバー７２が中立状態および最大状態においては、実線で示された開口面積とほぼ同じとし、中間域では従来機よりも広くなるように設定されている。
【００４９】
ここで、旋回スプール４４のブリードオフ絞りの開口面積が広くなると、旋回油圧モータ２７で得られる駆動トルクは小さくなる。よって、本実施例のような開口面積特性を有する場合には、旋回操作レバーが中間域での旋回油圧モータ２７の駆動トルクは、実線で示した開口面積を有する旋回スプールにおいて生じる駆動トルクと比較すると小さくなるように設定される。一方、旋回操作レバーが中立状態および最大状態においては、開口面積は実線で示した開口面積とほぼ同じになるように設定されているため、旋回油圧モータの駆動トルクはほぼ同じ大きさとなる。
【００５０】
また図５に、本実施例における旋回スプール４４のスプールストロークに対するメータアウト開口面積を示したメータアウト開口面積線図を示す。図４と同様に、スプールストロークは旋回レバー操作量によってのみ変化するので、旋回レバー操作量と考えても良い。また、例えば旋回油圧モータ単独で旋回体を駆動する建設機械において、良好な操作性を確保できる旋回油圧モータの開口面積を実線で示す。本実施例における旋回スプール４４のメータアウト開口面積の大きさは、始点と終点は、実線で示された開口面積とほぼ同じ面積で、中間域では本発明の方が実線で示された開口面積よりも広くなるように設定されている。上述と同様に、制動トルクの大きさはメータアウト絞りの開口面積の大きさに依存するので、旋回レバー操作量が中間域での旋回油圧モータ２７の制動トルクは、従来機の旋回油圧モータの制動トルクよりも小さくなる。また、旋回レバー操作量が中立および最大状態においては、実線の開口面積とほぼ同じにしているので、旋回油圧モータ２７の制動トルクの大きさとほぼ同じになるように設定される。
【００５１】
以上のように、旋回操作レバーの操作量に対して決定される旋回スプール４４のブリードオフ開口面積やメータアウト開口面積に応じて、それぞれ旋回油圧モータの制動および駆動トルクの大きさが決定される。
【００５２】
図７は、Ａポート側リリーフ弁２８の制御方法をフロー図にて示したものである。なお、図７の制御はコントローラ８０の１制御周期毎に行われる。
【００５３】
油圧ショベルのシステムを起動する。起動の際は、Ａポートのリリーフ圧は通常所定の値に設定されている。まず、ステップＳ１でＡポートのリリーフ圧が通常の所定値であるか否かを判断する。通常の所定値である場合は、ステップＳ２に進み、現在の旋回油圧モータ２７のＡポート圧力と、あらかじめ設定した閾値Ｐ１とを比較する。Ａポート圧力が閾値Ｐ１よりも小さい場合には、ステップＳ３に進み、モータ回転数が、あらかじめ設定した正値である閾値Ｎ１の−１倍よりも小さい、又は、左旋回操作レバーの操作量（以下左旋回操作量と称する）が、あらかじめ設定した閾値Ｌ１よりも大きいかを判断する。モータ回転数が、あらかじめ設定した正値である閾値Ｎ１の−１倍よりも小さい、又は、左旋回操作量が、あらかじめ設定した閾値Ｌ１よりも大きいと判断される場合には、ステップＳ４にてＡポートのリリーフ圧を下げる処理を行う。一方、ステップＳ３にてモータ回転数が、あらかじめ設定した正値である閾値Ｎ１の−１倍よりも小さい、又は、左旋回操作量が、あらかじめ設定した閾値Ｌ１よりも大きいと判断されない場合には、ステップＳ１に戻り再度Ａポートのリリーフ圧が通常の所定値かを判断する。
【００５４】
また、ステップＳ２にてＡポート圧力が閾値Ｐ１よりも大きいと判断される場合には、ステップＳ１に戻り再度Ａポートのリリーフ圧が通常の所定値であるかの判断が行われる。
【００５５】
ここで、モータ回転数は左旋回を正、右旋回を負と定義し、旋回電動モータ２５と旋回油圧モータ２７の回転数は同じとする。また、閾値Ｐ１は、リリーフ圧を下げた時のリリーフ圧以下の値に設定し、閾値Ｎ１および閾値Ｌ１は０近傍の値とする。なお、モータ回転数が−Ｎ１よりも小さい時は、Ａポートは旋回油圧モータ２７のメータアウト側になっており、左旋回操作量がＬ１よりも大きい時は、Ａポートは旋回油圧モータ２７のメータイン側になっている。
【００５６】
ステップＳ１でＡポートのリリーフ圧が通常の所定値でないと判断されると、ステップＳ５でモータ回転数があらかじめ設定した正値である閾値Ｎ２の−１倍よりも大きい、かつ、左旋回操作量があらかじめ設定した閾値Ｌ２よりも小さいかを判断する。上記条件を満たすと判断された場合には、ステップＳ６に進みＡポートのリリーフ圧を通常値に戻す。上記条件を満たさない場合には、ステップＳ１に戻り再度Ａポートのリリーフ圧が通常の所定値かを判断する。ここで、Ｎ２および閾値Ｌ２は０近傍の値とする。閾値Ｎ１はＮ２以上、閾値Ｌ１はＬ２以上の値に設定する。
【００５７】
ここで、ステップＳ２の条件は省略しても良い。つまり、図７のＡポート圧力の判定は、常に「ｙｅｓ」としても良い。また、ステップＳ３とステップＳ５はモータ回転数の条件のみにして、左旋回操作量の条件を用いない、すなわち、メータイン側のリリーフ圧の変更を行わないようにしても良い。この場合、後述する制御方法では、旋回電動モータ２５の駆動トルクが大きくなりにくくなり、放電しにくくなる。また、ステップＳ３とステップＳ５は左旋回操作量の条件のみにして、モータ回転数の条件を用いない、すなわち、メータアウト側のリリーフ圧の変更を行わないようにしても良い。この場合、後述する制御方法では、旋回電動モータ２５の制動トルクが大きくなりにくくなり、充電しにくくなる。
【００５８】
また、ステップＳ３でモータ回転数の条件を満たした時と、左旋回操作量の条件を満たした時で、リリーフ圧の下げ方を変える、すなわち、メータアウト側とメータイン側でリリーフ圧の下げ方を変えても良い。例えば、メータアウト側のリリーフ圧の下げ方をメータイン側よりも大きくすれば、後述する制御方法では、旋回電動モータ２５の制動トルクが駆動トルクよりも大きくなりやすくなり、充電しやすくなる。
【００５９】
図８は、Ｂポート側リリーフ弁２９の制御方法をフロー図にて示したものである。旋回方向が左右で逆であること、それに伴いモータ回転数の正負が逆ということ以外は、図７と同じ制御方法である。
【００６０】
以上のような図７，図８のような制御フローに基づいて、ＡポートおよびＢポートのリリーフ圧を下げることで、旋回油圧モータの制駆動トルクを小さくすることができる。
【００６１】
なお、本実施例では、旋回スプールの開口面積を設定すること、およびリリーフ圧制御を行うことによって、旋回油圧モータトルクを減少させるようにしたが、いずれか一方の構成をとることによって旋回油圧モータトルクを減少させるような構成をとってもよい。
【００６２】
以下、旋回電動モータの制御方法を説明する。図９は、旋回電動モータ２５の制御方法をフロー図にて示したものである。なお、図９の制御はコントローラ８０の１制御周期毎に行われる。
【００６３】
初めに、ステップＳ１０で不図示の圧力センサによって検出された旋回油圧モータ２７のＡポート圧力とＢポート圧力の差から、油圧モータトルクを計算する。次に、ステップＳ１１でその油圧モータトルクによって、旋回油圧モータ２７が駆動トルク又は制動トルクを発生しているかを判定する。例えば、Ａポート圧力がＢポート圧力よりも大きく、かつ、モータ回転方向が左旋回方向であれば、駆動トルクを発生していると判定される。このような判定を行い、旋回油圧モータ２７が駆動トルクを発生していると判定される場合は、ステップＳ１２で駆動ゲインテーブルを用いて、旋回電動モータトルク指令値Ｔ１を算出する。ここで用いる駆動ゲインテーブルは、例えば、図１０に示すような旋回レバー操作量に応じて決定される駆動ゲインからなり、この駆動ゲインは、図４に示した旋回スプール４４のブリードオフ開口面積の特性に基づいて決定されるものである。図４に示したブリードオフ開口面積は、旋回操作レバー７２が中間域にある場合には、油圧モータ単独で旋回の駆動を行う場合に用いられるような旋回油圧モータの駆動トルクと比較して、旋回油圧モータの駆動トルクが小さくなるように設定しており、駆動ゲインは、図１０に示すように旋回操作レバー７２が中間域にある場合において、駆動ゲインが最大となるように設定される。前述のステップＳ１２では、この駆動ゲインテーブルを用いて決定される駆動ゲインに前述の油圧モータトルクを乗じた値を電動モータトルク指令値Ｔ１として得るものである。
【００６４】
一方、ステップＳ１１が否定され、旋回油圧モータ２７が制動トルクを発生していると判定された場合には、ステップＳ１３で制動ゲインテーブルを用いて、旋回電動モータトルク指令値Ｔ１を算出する。ここで用いる制動ゲインテーブルは、例えば、図１１に示すような旋回レバー操作量に応じて決定される制動ゲインからなり、この制動ゲインテーブルは、図５に示した旋回スプール４４のメータアウト開口面積線図の特性に基づいて決定されるものである。図５に示したメータアウト開口面積は、旋回操作レバー７２が中間域において、油圧モータ単独で旋回の駆動を行う場合に用いられるような旋回油圧モータの制動トルクと比較して、旋回油圧モータの制動トルクが小さくなるように設定しており、制動ゲインは、図１１に示すように旋回操作レバー７２の中間域にある場合において制動ゲインが最大になるように設定しており、この制動ゲインテーブルから決定される制動ゲインに旋回油圧モータトルクを乗じた値を電動モータトルク指令値Ｔ１とする。
【００６５】
以上のように、旋回電動モータトルク指令値Ｔ１は、旋回操作量および油圧モータトルクを考慮した指令値である。この旋回電動モータトルク指令値Ｔ１に基づいて旋回電動モータを制駆動することで、建設機械のフロントの姿勢や積荷、旋回レバー操作量等に起因する旋回油圧モータトルクの変化により、所望の旋回電動モータトルクが得られない状況を回避することができる。よって、旋回油圧モータおよび旋回電動モータによって制駆動する複合旋回モードにおいて、旋回操作レバーの操作量に応じたトルクを得られることができ、オペレータは旋回操作レバーの操作に応じて旋回体を所望の加減速度で操作することができ、良好な操作性を得ることができる。
【００６６】
なお、本発明においては、制動時に回収したエネルギのみを用いて駆動することが電気機器の効率の向上に繋がるため、駆動エネルギよりも制動エネルギのほうを大きくする設計にすることが好ましい。よって、上述の駆動ゲインテーブルおよび制動ゲインテーブルは、同じ旋回操作レバーの操作量に対して制動ゲインのほうが大きくなるように設定されることが好ましい。
【００６７】
次にステップＳ１４で、図７の制御によってＡポートのリリーフ圧が下がっており、かつ、Ａポート圧力が予め設定した閾値Ｐ２よりも高いか否かを判定する。この条件を満たす場合には、ステップＳ１５にて、Ａポートのリリーフ圧を下げることによる旋回油圧モータのトルク減少分を旋回電動モータで発生させるような値ＴＲを電動モータトルク指令値Ｔ２と設定する。（トルク指令値Ｔ２＝ＴＲ）
【００６８】
一方、ステップＳ１４で上記条件Ａポートリリーフ圧が下がっており、かつ、Ａポート圧力が閾値Ｐ２よりも高いか否かの判定において、条件を満たさないと判断される場合には、ステップＳ１６で図８の制御によってＢポートのリリーフ圧が下がっており、かつ、Ｂポート圧力があらかじめ設定した閾値Ｐ２よりも高いかを判定する。これらの条件を満たす場合には、前述と同様に、Ｂポートのリリーフ圧を下げることによる旋回油圧モータのトルク減少分を旋回電動モータで発生させるような値ＴＲを電動モータトルク指令値をＴ２と設定する。（トルク指令値Ｔ２＝ＴＲ）ここでトルク指令値Ｔ２＝ＴＲは、Ａポートリリーフ弁２８やＢポートリリーフ弁２９の制御において、旋回油圧モータの通常所定のリリーフ圧から下げられることによって小さくなる旋回油圧モータのトルクを補うようなトルク指令値となっている。例えば、リリーフ圧の下げ幅および油圧モータの容積に基づいて算出される値である。
【００６９】
一方、Ｂポートのリリーフ圧が下がっており、かつ、Ｂポート圧力があらかじめ設定した閾値Ｐ２よりも高いかを判定し、条件を満たさないと判断された場合には、ステップＳ１７で電動モータトルク指令値Ｔ２＝０とする。
【００７０】
ここで、閾値Ｐ２は、通常よりも小さく設定したリリーフ圧の値よりも若干、例えば数ＭＰａ小さい値とし、ポートのリリーフ圧が下がっている時、任意の時点でのポート圧力とＰ２とを比較することでその時点でリリーフをしているかを判断することができる。
【００７１】
次にステップＳ１８にて、以上のように求めた旋回電動トルク指令値のＴ１とＴ２の大きさを比較し、大きいほうの電動モータトルク指令値を、旋回電動モータ２５のトルク指令値として選択する。そしてこのトルク指令値を用いてパワーコントロールユニット５５を制御して旋回油圧モータトルクの減少分のトルクを、旋回電動モータによってを発生させる。これにより旋回操作レバーの操作量に応じたトルクを、旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５の合計トルクによって得ることができる。よって、オペレータは、旋回操作レバーの操作量に応じた所望のトルクを旋回体に対して得られることができ、良好な操作性を得ることができる。
【００７２】
また本実施例は、前述したように旋回操作レバーの位置が中立状態および最大状態で、旋回体を旋回油圧モータ単独で制駆動する油圧単独モードと、旋回操作レバーの位置が中間域で、旋回油圧モータ及び旋回電動モータの合計トルクによって制駆動する複合旋回モードとを有するものである。そして、それぞれの運転モードを旋回レバー操作量に応じて切り換える構成を有する。そのため、複合旋回モードにおいて旋回レバー操作量に応じた所望の合計トルクが得られない場合には、各モードによって、旋回操作レバーの操作量に応じて生じる旋回体の加減速度が異なる事が生じ得る。この加減速度の違いにより、オペレータは操作上の違和感を感じることになる。そこで、本実施例において算出した旋回電動トルク指令値に基づいて旋回電動モータを制駆動することで、旋回操作レバーの操作量に応じた旋回油圧モータおよび旋回電動モータの合計トルクを得ることができる。よって、各運転モードにおける旋回体の加減速の違い、およびそのことによるオペレータの違和感を緩和することができ、良好な操作性を実現することが可能となる。
【００７３】
また、本実施例のように旋回電動モータのトルク指令値を算出し、旋回電動モータを制駆動することによって、油圧モータ単独で制駆動する、例えば油圧ショベル等の建設機械の操作に慣れたオペレータも、旋回体の加減速度の違いによる違和感を感じることなく旋回操作レバーの操作量に応じた操作をすることができる。
【００７４】
なお、上記旋回電動モータのトルク指令値算出において、ステップＳ１８にてトルク指令値Ｔ１とＴ２の大きい方を選択した後、ステップＳ１９にて旋回機構２６に過度の負荷をかけないように、トルク指令値に、旋回油圧モータ２７と旋回電動モータ２５の合計トルクが、従来機の油圧モータのトルクを超えないようにする制限をかけても良い。また、旋回電動モータ２５のトルクが急変することで、オペレータに違和感を覚えさせないように、トルク指令値の変化率に制限をかけても良い。また、旋回電動モータ２５で駆動トルクを発生した際は、その仕事率の分だけ、油圧ポンプ４１の仕事率を減らすように、油圧ポンプ４１の容積を減少させる制御を行うことによって、エンジンの負荷を減らすことができる。
【実施例２】
【００７５】
図１２に、実施例２に係る油圧ショベルの主要電動・油圧機器のシステム構成図を示す。実施例１では、コントロールバルブ４２のブリードオフ及びメータアウトの開口面積を従来機よりも大きくすることで、旋回油圧モータ２７の駆動及び制動トルクが従来機よりも小さくなるようにした。その換わり、又はそれと併用して、コントローラ８０でコントロールバルブ４２のスプールストロークを制御することで、旋回油圧モータ２７の駆動及び制動トルクを従来機よりも小さくしても良い。
【００７６】
例えば、旋回体を駆動する際に、図１３に示すように従来の建設機械において所定の操作量に対応するスプールストロークがＳ１であった場合に、本発明ではスプールストロークがＳ２になるように制御する。そうすることで、ブリードオフ開口面積が大きくなり、旋回油圧モータ２７の駆動トルクが小さくなる。また、旋回体を制動する際に、図１４に示すように従来の建設機械において所定の操作量に対応するスプールストロークがＳ３であった場合に、本発明ではスプールストロークがＳ４になるように制御する。そうすることで、メータアウト開口面積が大きくなり、旋回油圧モータ２７の制動トルクが小さくなる。このようにして、旋回油圧モータ２７の制駆動トルクが小さくなった分、旋回電動モータ２５でトルクを発生させる制御を行うことで、実施例１と同様の効果が得られる。
【００７７】
なお、本発明は、旋回体を備えた作業・建設機械全般に適用が可能であり、本発明の適用が油圧ショベルに限定されるものではなく、前述したように油圧モータと電動モータの複合旋回モードと、油圧モータ単独旋回モードとを有し、切り換え可能な構成とするものでなくても良い。
【符号の説明】
【００７８】
１０  下部走行体
１１  クローラ
１２  クローラフレーム
１３  走行油圧モータ（右）
１４  走行油圧モータ（左）
２０  旋回体
２１  旋回フレーム
２２  エンジン
２３  アシスト発電モータ
２４  キャパシタ
２５  旋回電動モータ
２６  旋回機構
２７  旋回油圧モータ
２８  Ａポート側リリーフ弁
２９  Ｂポート側リリーフ弁
３０  ショベル機構
３１  ブーム
３２  ブームシリンダ
３３  アーム
３４  アームシリンダ
３５  バケット
３６  バケットシリンダ
４０  油圧システム
４１  油圧ポンプ
４２  コントロールバルブ
４３  油圧配管
４４  旋回スプール
５１  チョッパ
５２  旋回電動モータ用インバータ
５３  アシスト発電モータ用インバータ
５４  平滑コンデンサ
５５  パワーコントロールユニット
７２  旋回操作レバー
７５  電気・油圧信号変換デバイス
８０  コントローラ
【図１】
2014001630.tif 000003
【図２】
2014001630.tif 000004
【図３】
2014001630.tif 000005
【図４】
2014001630.tif 000006
【図５】
2014001630.tif 000007
【図６】
2014001630.tif 000008
【図７】
2014001630.tif 000009
【図８】
2014001630.tif 000010
【図９】
2014001630.tif 000011
【図１０】
2014001630.tif 000012
【図１１】
2014001630.tif 000013
【図１２】
2014001630.tif 000014
【図１３】
2014001630.tif 000015
【図１４】
2014001630.tif 000016
【図１５】
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