(57)【要約】【課題】建設機械のブームや旋回台など比較的大きな慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法および装置を提供する。【解決手段】ブームシリンダＢＣＹのヘッド側油室ＲＭ１およびロッド側油室ＲＭ２はラインＬ１、Ｌ２を介してブームシリンダ用制御弁ＶＬ１のポートＢＰ、ＡＰに接続される。油圧ポンプ３２の左側には回生専用の油圧モータ３８が回転軸３０ａと同軸上に設けられ、その斜板３８ａは斜板調整部３６によって制御される。ヘッド側油室からの油はラインＬ２を介してポートＢＰに到り、さらに流路ＦＬ４からスプールＳＰｒの径小部ｒ１、流路ＦＬを経てポートＴＰ１へ戻り、さらに戻りラインＢＬを介して油圧モータ３８の供給口３８ｂに与えられる。ポートＴＰ１は操作圧信号Ｐａが与えられたときのみ径小部ｒ１を介してブームシリンダのヘッド側油室からの戻り油を油圧モータ３８へ供給する。この戻り油の圧力はライン３４Ｌを介して流量調整機構３４に供給され油圧ポンプの馬力特性を増大する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転操縦室を搭載する車体本体、同車体本体の下部に装着され同車体本体を搭載して移動せしめる走行手段、同走行手段に対し前記車体本体を旋回せしめる旋回手段、前記車体本体に一端側が俯仰可能に結合されたブームおよびブーム駆動用油圧アクチュエータからなる第１の慣性体ユニットを含み、同第１の慣性体ユニットに順次連結された慣性体および油圧アクチュエータの対からなる複数の慣性体ユニット、前記車体本体に配設された走行手段、旋回手段および前記複数の慣性体ユニットの各油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御する複数の制御弁からなる制御弁ユニット、前記制御弁ユニットを介して前記各油圧アクチュエータに供給される圧油を発生するべく原動機と同原動機の回転駆動軸に結合された可変容量型油圧ポンプを備えた第１の油圧源、および前記各制御弁の操作圧信号用の圧油を発生する第２の油圧源を有し、さらに、前記第１の油圧源には回生専用の油圧モータを設け、同油圧モータの回転軸は前記原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、前記各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する前記制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を前記回生専用油圧モータに供給するポートが設けられている建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法であって、
前記少なくとも一つの油圧アクチュエータから供給される前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記ポートへ導く工程と、
前記ポートを介して前記戻り油を前記油圧モータに供給し、同油圧モータの回転軸を前記原動機と同方向へ回転駆動させる工程と、
前記油圧モータの回転軸の回転駆動を前記結合部を介して前記原動機の回転駆動軸に伝達する工程と、
前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給し前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させる工程と、
からなる建設機械における慣性体の運動および／または位置エネルギの回生方法。
【請求項２】
前記油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記伝達する工程中、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されることを特徴とする請求項１に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法。
【請求項３】
前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータまたは前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であることを特徴とする建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法。
【請求項４】
前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油のみを前記油圧モータに供給し、検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油は別に形成されたバイパス路を介してタンクへ戻す工程を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法。
【請求項５】
前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力を減圧して検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力と等しくし、前記減圧された戻り油と検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油とを合流して前記油圧モータに供給する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法。
【請求項６】
運転操縦室を搭載する車体本体、同車体本体の下部に装着され同車体本体を搭載して移動せしめる走行手段、同走行手段に対し前記車体本体を旋回せしめる旋回手段、前記車体本体に一端側が俯仰可能に結合されたブームおよびブーム駆動用油圧アクチュエータからなる第１の慣性体ユニットを含み、同第１の慣性体ユニットに順次連結された慣性体および油圧アクチュエータの対からなる複数の慣性体ユニット、前記車体本体に配設された走行手段、旋回手段および前記複数の慣性体ユニットの各油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御する複数の制御弁からなる制御弁ユニット、前記制御弁ユニットを介して前記各油圧アクチュエータに供給される圧油を発生するべく原動機と同原動機の回転駆動軸に結合された可変容量型油圧ポンプを備えた第１の油圧源、および前記各制御弁の操作圧信号用の圧油を発生する第２の油圧源を有する建設機械であって、
前記第１の油圧源には回生専用の油圧モータが設けられ、同油圧モータの回転軸が前記原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、前記各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する前記制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を前記回生専用油圧モータに供給するポートが設けられており、さらに、前記前記制御弁への戻り油は前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給されており、前記戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させるようにした建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項７】
前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータまたは前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であることを特徴とする請求項６に記載された建設機械における慣性体の運動および／または位置エネルギの回生装置。
【請求項８】
前記油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されることを特徴とする請求項６または７に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項９】
前記油圧ポンプは前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸と並列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型油圧ポンプおよび可変容量型油圧モータそれぞれのシリンダブロック外周に形成された歯車により回転を伝達する機構を有する請求項８に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項１０】
前記油圧ポンプは前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸と直列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型ポンプの回転軸と可変容量型油圧モータの回転駆動軸とがスプラインにより係合するよう構成される請求項８に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項１１】
前記結合部は、前記制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ前記原動機の回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えている請求項６または７に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項１２】
前記結合部は、前記制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ前記原動機の回転駆動軸と前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えている請求項９または１０に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項１３】
前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度を制御する手段として、前記可変容量型油圧モータには、前記ポートの圧力により斜板の一側を押圧してその傾転角を減少するよう移動する第１ピストンと、同第１ピストンの位置に対応して前記ポート圧力より低い制御圧力を発生するモータサーボ部と、前記第１ピストンより径大に形成され、前記モータサーボ部からの制御圧力によって前記斜板の他側を押圧しその傾転角を増大するよう移動する第２ピストンを備えたことを特徴とする請求項８に記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【請求項１４】
前記可変容量型油圧ポンプの流量調整機構には、前記供給された戻り油の圧力が前記油圧ポンプの馬力特性を定義する１つまたは複数のバネの弾発力と同じ方向に作用するよう構成したことを特徴とする請求項６乃至１３のいずれかに１つに記載された建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の建設機械における、特にブームや旋回台等、比較的大きな慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法および装置において使用される可変容量型油圧ポンプの馬力特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
油圧ショベル等の建設機械において、近年、排気ガスや騒音等の作業環境を改善する方策としてハイブリッド型の駆動制御方式が種々提案されている。ハイブリッド型の建設機械の駆動制御方式は大別すると、シリーズとパラレルの２方式があり、そのうちシリーズ方式では、原動機で一旦発電機を駆動し、この発電機で発生した電力によって電動機を駆動し、そしてこの電動機で油圧ポンプを駆動する建設機械であり、更に、発電機からの余剰電力をバッテリに蓄え、蓄電されたバッテリの電力で必要に応じて電動機を駆動するものである（特許文献１）。
【０００３】
なお、パラレル方式は、原動機で油圧ポンプと発電機を同時に機械的に駆動し、さらに、同発電機を電動機としてバッテリにより駆動するものである。
【０００４】
また、油圧ショベル等の建設機械における油圧制御装置において前述したハイブリッド型でなく、切換制御弁の構造により、特定のアクチュエータにおいて、その戻り油の圧力が供給圧油より高くなるような場合に、再生チェック弁の作用により高エネルギを有する戻り油を圧油供給通路側へ還流させて、省エネ性および作業効率を向上することができると共に、キャビテーションを防止して、比較的簡単かつコンパクトな構成からなる再生用油圧回路が開示されている（特許文献２）。
【０００５】
また、一般に、油圧アクチュエータを駆動する油圧駆動回路は、開回路方式と閉回路方式とがあり、前者はポンプがタンクより油を吸い込み、油圧アクチュエータの排出油はタンクへ戻るように構成される方式であり、後者はポンプと油圧アクチュエータを結ぶ管路が、途中にタンクを含むことなく、油が循環するように構成される方式である。閉回路方式では、ポンプと油圧モータの組み合わせが多く、その際ＨＳＴ（Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）と称される静油圧式無段変速機の技術により、効率よく油圧駆動回路を構成できる。また、閉回路方式では、油圧モータの回転方向変更に方向制御弁が不要であり、さらに閉回路自身に慣性負荷による逸走防止機能があることが開示されている（非特許文献１）。
【０００６】
しかしながら、特許文献１においては、油圧装置に発電用電動機や蓄電装置、電力変換のためのインバータを備えねばならず、コストがかかるばかりでなく、特に小型の建設機械では、設置スペースが小さいためこの方式を採用することには難点がある。
【０００７】
また、特許文献２においては、ショベル等の建設機械、すなわち、開回路方式を対象にした切換制御弁の構造であり、運転操作の条件により、部分的、一時的に、閉回路方式を利用するものであるが、その切換制御弁の構造が比較的複雑である。
【０００８】
さらに、非特許文献１においては、閉回路方式であるがゆえに、油圧アクチュエータとしてシリンダを含めた油圧回路構成とすることに難点があり、さらに、閉回路内の油温の上昇を防止する設備が必要であり、ショベルなどの走行用、旋回用の油圧モータに適用する可能性はあるものの、ブーム、アーム、バケット用の各油圧シリンダに適用することはできない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１１８８８号公報
【特許文献２】特開平１１−３１１２０５号公報
【非特許文献１】パワーデザイン  Ｖｏｌ．２９  Ｎｏ．１  第１０〜１７頁「ＨＳＴの開発現状／応用展開／その将来」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は、上述した点に鑑み、ショベルなどの建設機械におけるエネルギの回収およびコンパクトな油圧駆動装置の構成の有り様を種々検討した結果、前記建設機械の各油圧アクチュエータからの戻り油により駆動される回生専用の油圧モータを用いることにより上記問題点が解決できること、またその際、前記建設機械に搭載されている可変容量型油圧ポンプの斜板角度調整用に設けられた流量調整機構へ前記戻り油を供給し可変容量型油圧ポンプの馬力特性を増大させることによりエネルギの効果的な回収が可能であることを見出した。
【００１１】
従って、本発明の目的は、油圧ショベルのブームや旋回台等比較的大きな慣性体の運動エネルギや位置エネルギを効果的に回生し原動機の回転駆動をアシストすることのできる建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するため、本発明による建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法は、運転操縦室を搭載する車体本体、同車体本体の下部に装着され同車体本体を搭載して移動せしめる走行手段、同走行手段に対し前記車体本体を旋回せしめる旋回手段、前記車体本体に一端側が俯仰可能に結合されたブームおよびブーム駆動用油圧アクチュエータからなる第１の慣性体ユニットを含み、同第１の慣性体ユニットに順次連結された慣性体および油圧アクチュエータの対からなる複数の慣性体ユニット、前記車体本体に配設された走行手段、旋回手段および前記複数の慣性体ユニットの各油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御する複数の制御弁からなる制御弁ユニット、前記制御弁ユニットを介して前記各油圧アクチュエータに供給される圧油を発生するべく原動機と同原動機の回転駆動軸に結合された可変容量型油圧ポンプを備えた第１の油圧源、および前記各制御弁の操作圧信号用の圧油を発生する第２の油圧源を有し、さらに、前記第１の油圧源には回生専用の油圧モータを設け、同油圧モータの回転軸は前記原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、前記各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する前記制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を前記回生専用油圧モータに供給するポートが設けられている建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法であって、前記少なくとも一つの油圧アクチュエータから供給される前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記ポートへ導く工程と、前記ポートを介して前記戻り油を前記油圧モータに供給し、同油圧モータの回転軸を前記原動機と同方向へ回転駆動させる工程と、前記油圧モータの回転軸の回転駆動を前記結合部を介して前記原動機の回転駆動軸に伝達する工程と、前記前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給し前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させる工程と、から構成されることを特徴とする。
【００１３】
その場合、前記油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記伝達する工程中、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されるよう構成することができる。
【００１４】
また、その場合、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータまたは前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁とすることができる。
【００１５】
また、その場合、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油のみを前記油圧モータに供給し、検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油は別に形成されたバイパス路を介してタンクへ戻す工程を含むよう構成することができる。
【００１６】
また、その場合、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力を減圧して検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力と等しくし、前記減圧された戻り油と検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油とを合流して前記油圧モータに供給する工程をさらに含むよう構成することができる。
【００１７】
また、上記の目的を達成するため、本発明による建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生装置は、運転操縦室を搭載する車体本体、同車体本体の下部に装着され同車体本体を搭載して移動せしめる走行手段、同走行手段に対し前記車体本体を旋回せしめる旋回手段、前記車体本体に一端側が俯仰可能に結合されたブームおよびブーム駆動用油圧アクチュエータからなる第１の慣性体ユニットを含み、同第１の慣性体ユニットに順次連結された慣性体および油圧アクチュエータの対からなる複数の慣性体ユニット、前記車体本体に配設された走行手段、旋回手段および前記複数の慣性体ユニットの各油圧アクチュエータへの圧油の給排を制御する複数の制御弁からなる制御弁ユニット、前記制御弁ユニットを介して前記各油圧アクチュエータに供給される圧油を発生するべく原動機と同原動機の回転駆動軸に結合された可変容量型油圧ポンプを備えた第１の油圧源、および前記各制御弁の操作圧信号用の圧油を発生する第２の油圧源を有する建設機械であって、前記第１の油圧源には回生専用の油圧モータが設けられ、同油圧モータの回転軸が前記原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、前記各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する前記制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を前記回生専用油圧モータに供給するポートが設けられており、さらに、前記前記制御弁への戻り油は前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給されており、前記戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させるよう構成することを特徴とする。
【００１８】
その場合、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータまたは前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁とすることができる。
【００１９】
さらにその場合、前記油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されるよう構成することができる。
【００２０】
また、その場合、前記油圧ポンプは前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸と並列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型油圧ポンプおよび可変容量型油圧モータそれぞれのシリンダブロック外周に形成された歯車により回転を伝達する機構を有するよう構成することができる。
【００２１】
また、その場合、前記油圧ポンプは前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸と直列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型ポンプの回転軸と可変容量型油圧モータの回転駆動軸とがスプラインにより係合するよう構成されることができる。
【００２２】
さらに、その場合、前記結合部は、前記制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ前記原動機の回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えて構成することができる。
【００２３】
さらに、その場合、前記結合部は、前記制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ前記原動機の回転駆動軸と前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えて構成することができる。
【００２４】
また、その場合、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度を制御する手段として、前記可変容量型油圧モータには、前記ポートの圧力により斜板の一側を押圧してその傾転角を減少するよう移動する第１ピストンと、同第１ピストンの位置に対応して前記ポート圧力より低い制御圧力を発生するモータサーボ部と、前記第１ピストンより径大に形成され、前記モータサーボ部からの制御圧力によって前記斜板の他側を押圧しその傾転角を増大するよう移動する第２ピストンを備えて構成することができる。
【００２５】
さらにまた、その場合、前記可変容量型油圧ポンプの流量調整機構には、前記供給された戻り油の圧力が前記油圧ポンプの馬力特性を定義する１つまたは複数のバネの弾発力と同じ方向に作用するよう構成したことを特徴とする
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載された本発明によれば、第１の油圧源には回生専用の油圧モータを設け、同油圧モータの回転軸は前記原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を前記回生専用油圧モータに供給するポートが設けられている建設機械における慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギの回生方法であって、前記少なくとも一つの油圧アクチュエータから供給される前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記ポートへ導く工程と、前記ポートを介して前記戻り油を前記油圧モータに供給し、同油圧モータの回転軸を前記原動機と同方向へ回転駆動させる工程と、前記油圧モータの回転軸の回転駆動を前記結合部を介して前記原動機の回転駆動軸に伝達する工程と、前記前記制御弁への戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油を前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給し前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させる工程と、から構成されているので、前記油圧モータの回転駆動力を前記結合部を介して原動機をアシストして原動機の消費エネルギの節約を可能にすると共に、さらに、前記戻り油を前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給しているので、前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させることができる。
【００２７】
請求項２に記載された本発明によれば、油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記伝達する工程中、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されるので、前記ポートの圧力が変化しても効率よく回転駆動力を原動機の駆動軸へ伝達することができる。
【００２８】
請求項３に記載された本発明によれば、前記ポートを備えた制御弁は、建設機械の要素の中でも比較的大きな慣性体である前記旋回手段を構成する油圧モータまたはブームシリンダに対応した制御弁としたので、回生される運動エネルギおよび／または位置エネルギを最も効果的に利用することができる。
【００２９】
請求項４に記載された本発明によれば、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油のみを前記油圧モータに供給し、検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油は別に形成されたバイパス路を介してタンクへ戻す工程を含むようにしたので、圧力の高いほうの戻り油が自動的に選択されるので、回生エネルギを効果的に利用することができる。
【００３０】
請求項５に記載された本発明によれば、前記ポートを備えた制御弁は、前記旋回手段を構成する油圧モータおよび前記第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であって、それぞれの制御弁のポート圧力が同時にタンク圧力より高い状態であることを検出した場合、検出圧力が高い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力を減圧して検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油の圧力と等しくし、前記減圧された戻り油と検出圧力が低い方の制御弁のポートからの戻り油とを合流して前記油圧モータに供給する工程をさらに含むようにしたので、両方の戻り油の圧力の差が小さいときは減圧によりタンクへ戻される非回収エネルギが比較的少ないので効果的なエネルギの回収を遂行することが可能となる。
【００３１】
請求項６に記載された本発明によれば、第１の油圧源には回生専用の油圧モータを設け、同油圧モータの回転軸が原動機の回転駆動軸に結合部を介して連結されており、各油圧アクチュエータの少なくとも一つに対応する前記制御弁には対応する油圧アクチュエータからの戻り油を回生専用油圧モータに供給するポートが設けられているので、既存の建設機械における要素の配置や構造をほとんど変更せずに、油圧モータを１つ追加するだけで、慣性体の運動エネルギおよび／または位置エネルギを効率よく回生することができると共に、前記前記制御弁への戻り油は前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構に供給されており、前記戻り油の圧力がタンク圧より高い状態で前記戻り油の圧力に対応して前記油圧ポンプの定馬力特性を増大させることが可能である。
【００３２】
請求項７に記載された本発明によれば、前記ポートを備えた制御弁は、旋回手段を構成する油圧モータまたは第１慣性体を駆動するブームシリンダに対応した制御弁であるので、建設機械における最も大きい位置エネルギまたは慣性体の運動エネルギを回生することが可能となる。
【００３３】
請求項８に記載された本発明によれば、前記油圧モータは可変容量型油圧モータで構成されており、前記ポートの圧力に応じて前記可変容量型油圧モータの斜板角度が制御されるようになっているので、該油圧モータの発生する馬力は供給される戻り油の圧力が変化しても効果的にエネルギを回生することが可能となる。
【００３４】
請求項９に記載された本発明によれば、前記油圧ポンプは可変容量型油圧モータの回転駆動軸と並列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型油圧モータおよび可変容量型油圧モータそれぞれのシリンダブロック外周に形成された歯車により回転を伝達する機構を有するので、比較的占有面積を小さくすることが可能となり、小型の建設機械への取付けに有利である。
【００３５】
請求項１０に記載された本発明によれば、前記油圧ポンプは前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸と直列に配置された可変容量型ポンプであり、前記結合部は、前記可変容量型ポンプの回転軸と可変容量型油圧モータの回転駆動軸とがスプラインにより係合するよう構成したので、該油圧モータの取り付けが簡単であり、結合部は一般的に利用されるスプライン結合としたので、コストも低く抑えることができる。
【００３６】
請求項１１に記載された本発明によれば、結合部は、制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ原動機の回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えているので、制御弁のポート圧力がタンク圧と同程度で回生エネルギがない状態では回生専用の油圧モータを原動機が回転駆動しないので、原動機の駆動力をそれだけ節約できる。
【００３７】
請求項１２に記載された本発明によれば、結合部は、制御弁のポート圧力がタンク圧より高いときのみ前記原動機の回転駆動軸と前記可変容量型油圧モータの回転駆動軸との連結を可能とする結合手段を備えているので、請求項１１と同様な効果を得ることができる。
【００３８】
請求項１３に記載された本発明によれば、制御弁のポートの圧力に応じて可変容量型油圧モータの斜板角度を制御する手段として、前記可変容量型油圧モータには、前記ポートの圧力により斜板の一側を押圧してその傾転角を減少するよう移動する第１ピストンと、同第１ピストンの位置に対応して前記ポート圧力より低い制御圧力を発生するモータサーボ部と、前記第１ピストンより径大に形成され、前記モータサーボ部からの制御圧力によって前記斜板の他側を押圧しその傾転角を増大するよう移動する第２ピストンを備えて構成されるので、前記可変容量型油圧モータは、外部からの制御信号を必要とせず、前記制御弁からの戻り油の圧力自体で斜板の傾転角を自律的に制御が可能となる。
【００３９】
請求項１４に記載された本発明によれば、前記戻り油を前記油圧ポンプの斜板角度を調整する流量調整機構には、供給された前記戻り油の圧力が前記油圧ポンプの馬力特性を定義する既設の１つまたは複数のバネの弾発力と同じ方向に作用するので、戻り油を流量調整機構に導くという簡単な構成で前記油圧ポンプの馬力特性を前記戻り油の圧力に応じて増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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１２を参照して詳細に説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明が適用される建設機械として代表的な油圧ショベルの概略構成を示す。同図１において、油圧ショベルＳＨＶは、油圧モータにより駆動される下部走行体ＤＲＶの上に旋回機構ＲＭを介して上部旋回体１２が旋回自在に載置されている。上部旋回体１２には、その前方一側部にキャブ１４が設けられ、且つ、前方中央部にブーム１６が俯仰可能に取り付けられている。又、ブーム１６の先端にアーム２０が上下回動自在に取り付けられ、更にアーム２０の先端にバケット２４が取り付けられている。なお、参照符号ＢＣＹはブーム用の油圧シリンダ、１８はアーム用の油圧シリンダ、２２はバケット用の油圧シリンダである。
【００４２】
図２は、本発明の第１実施形態に基づく実施例の主要部を示す図である。同図において、参照符号１２Ａは、図１に示した上部旋回体１２を搭載している車体本体であり、同車体本体１２Ａには固定フレーム１２Ｂが取付けられている。固定フレーム１２Ｂの頂部にはブーム１６の下端部が回動可能に取付けられている。また、ブームシリンダＢＣＹの下端部は固定フレーム１２Ｂに回動可能に取付けられ、そのロッドＲＤの先端部はブーム１６の中央部よりやや上方部位にて回動可能に取付けられている。
【００４３】
図１で説明したように、ブーム１６先端部にはアーム２０、同アーム２０の先端部にはバケット２４が連結されており、それぞれアーム用シリンダ１８、バケット用シリンダ２２が図示のように回動可能に取付けられている。参照符号Ｗは、ロッドＲＤを介してブームシリンダＢＣＹに作用するブーム荷重を示す。このブーム荷重Ｗはブーム１６の俯仰状態やアーム２０の角度に対応して変化する。なお、図示しないが、前記ブーム１６の背面側にもう１つのブームシリンダＢＣＹが取付けられている。
【００４４】
ブームシリンダＢＣＹのヘッド側油室ＲＭ１およびロッド側油室ＲＭ２はそれぞれラインＬ１、Ｌ２を介してブームシリンダ用の制御弁ＶＬ１のポートＢＰ、ＡＰに接続されている。一方、制御弁ＶＬ１の下方に示されるように、原動機３０の回転軸３０ａにより駆動される可変容量型油圧ポンプ３２が設けられており、同ポンプ３２の斜板３２ａは流量調整機構３４により調整される。可変容量型油圧ポンプ３２の左側には可変容量型油圧モータ３８が回転軸３０ａと同軸上に設けられ、その斜板３８ａは斜板調整部３６によって制御されるようになっている。なお、可変容量型油圧ポンプ３２と可変容量型油圧モータ３８との間の破線で示す部分はクラッチＣＬである。後述されるように、このクラッチＣＬは必ずしも必要ではない。参照符号Ｔはタンクを示す。
【００４５】
可変容量型油圧ポンプ３２から与えられる圧油は供給ラインＳＬを介して制御弁ＶＬ１中央部の圧油供給路ＦＬＰに接続されている。また、油圧モータ３８の供給口３８ｂには戻り油ラインＢＬを介して制御弁ＶＬ１に設けられたポートＴＰ１から戻り油が供給されるようになっている。参照符号Ｐ１はポートＴＰ１の圧力を示す。
【００４６】
さらに、前記流量調整機構３４には、ライン３４Ｌを介してポートＴＰ１の圧力Ｐ１および、破線で示す供給ラインＳＬの圧力すなわち、ポンプ３２の自己圧が与えられている。
【００４７】
参照符号ＳＰｒは制御弁ＶＬ１の中央部を左右に貫通する穴に摺動可能に収納されたスプールである。参照符号ＦＬ１、ＦＬ２は、制御弁ＶＬ１の左右にそれぞれ配設された固定リリーフ弁ＲＦ１、ＲＦ２の排出口Ｚ１、Ｚ２に連通する流路であって、共にタンクポートＴＰ２に接続されている。参照符号ＦＬ４、ＦＬ５は、それぞれポートＢＰ、ＡＰに連通する流路であり、各流路ＦＬ４、ＦＬ５は固定リリーフ弁ＲＦ１、ＲＦ２の入り口Ｙ１、Ｙ２に接続されている。参照符号ＦＬ３は、圧油供給路ＦＬＰに連通する分配路であってスプールＳＰｒの位置に対応して圧油供給路ＦＬＰからの圧油をポートＡＰまたはＢＰへ導くようになっている。
【００４８】
図示の例では、スプールＳＰｒは操作圧信号Ｐａにより左方に移動しており、したがって、圧油は矢印付ラインで示されるように分配路ＦＬ３の右側からポートＡＰへ供給され、ラインＬ２を介してブームシリンダＢＣＹのロッド側室ＲＭ２へ与えられる。この状態ではヘッド側室ＲＭ１からの油はラインＬ１を介してポートＢＰに到り、さらに流路ＦＬ４からスプールＳＰｒの径小部ｒ１、流路ＦＬを経てポートＴＰ１へ戻り、さらに戻りラインＢＬを介して油圧モータ３８の供給口３８ｂに与えられる。
【００４９】
一方、操作圧信号Ｐｂが与えられ、スプールＳＰｒが右方へ移動すると、前記径小部ｒ１も右方へ移動し、流路ＦＬとＦＬ４との連通が遮断され、代わって流路ＦＬ４は分配路ＦＬ３の左側と連通し、圧油供給路ＦＬＰからの圧油はＦＬ４からポートＢＰ、ラインＬ１を介してヘッド側室ＲＭ１へ供給される。このときロッド側室ＲＭ２からの戻り油はラインＬ２、ポートＡＰ、流路ＦＬ５を経て右方の径小部ｒ２から流路ＦＬ２に至りタンクへ戻される。
【００５０】
上述のように、ポートＴＰ１は操作圧信号Ｐａが与えられたときのみ径小部ｒ１を介してブームシリンダＢＣＹのヘッド側油室ＲＭ１からの戻り油を油圧モータ３８へ供給するようになっている。すなわち、この状態ではポートＴＰ１の圧力Ｐ１はブーム荷重Ｗによってタンク圧より高くなっているのでその戻り油の圧力により油圧モータ３８を回転駆動するようになっている。
【００５１】
前記斜板調整部３６では戻りラインＢＬの圧力により可変容量型油圧モータ３８の斜板３８ａの角度を調整する。すなわち、ポートＴＰ１の圧力がタンク圧より大きくなればなるほど斜板３８ａの傾転角度が大きくなり、可変容量型油圧モータ３８の発生する回転トルクが増加し、原動機３０の回転軸３０ａに伝達されることにより原動機３０の燃料消費を節約することとなる。なお、ブーム１６を上昇させる場合は、前述のように、流路ＦＬはＦＬ４と遮断されるのでポートＴＰ１はタンク圧となり、したがって、油圧モータ３８の斜板３８ａはゼロになる。この状態では、可変容量型油圧モータ３８の回転要素部分、例えば回転軸、同回転軸と一体に回転する複数のピストン等は原動機３０の回転軸３０ａにより駆動されその分だけ燃料消費が上昇するが、これを避けるため、クラッチＣＬを設けて油圧モータの回転軸と原動機３０の回転軸とを機械的に遮断することができる。
【００５２】
参照符号５０は、操作圧信号Ｐａ、Ｐｂを発生するパイロット操作弁であって、同パイロット操作弁５０には図示しないパイロットポンプからの圧油が与えられるようになっている。
【００５３】
また、参照符号ＳＬ１は供給ラインＳＬから分岐した圧油の供給ラインであって、アーム用の油圧シリンダ１８、バケット用の油圧シリンダ２２への圧油の給排ならびに、走行用の油圧モータ、旋回用の油圧モータへの圧油の給排を行う各制御弁（図示しない）と接続されている。
【００５４】
なお、これら制御弁は本発明における制御弁ユニットを構成している。また、前記ブーム１６およびブームシリンダＢＣＹは本発明における第１の慣性体ユニットを構成し、アーム２０および油圧シリンダ１８、ならびにバケット２４および油圧シリンダ２２はそれぞれ慣性体ユニットであり、前記第１の慣性体ユニットと併せて本発明における複数の慣性体ユニットを構成している。
【００５５】
前記制御弁ユニットのアーム用の油圧シリンダ１８と接続される制御弁（制御弁ＶＬ２とする）およびバケット用の油圧シリンダ２２と接続される制御弁（制御弁ＶＬ３とする）は、前記ブーム用シリンダＢＣＹと接続される制御弁ＶＬ１と同様な構成とすることができるが、ブーム１６に比べアーム２０、バケット２４は重量が小さいため、回生エネルギの回収効果は比較的小さい。
【００５６】
前記走行用の油圧モータへの圧油の給排を行う制御弁（制御弁ＶＬ４とする）、旋回用の油圧モータへの圧油の給排を行う制御弁（制御弁５とする）では、制動時にそれぞれの油圧モータはポンプ機能を行うので、その戻り油の圧力はタンク圧より高くなる。さらに、これらの場合は、位置エネルギが大きいブームシリンダＢＣＹと異なり、慣性体である車体本体あるいは旋回体の運動エネルギを回生することとなるが、各制動の方向は、走行のときは前進・後退、旋回のときは左右回転の如く２種類あるので、前記制御弁ＶＬ４、ＶＬ５では、ＶＬ１におけるポートＴＰ１をそれぞれの戻り油に対し左右２箇所設けることが好ましい。その際、制動状態でないときには戻り油の圧力Ｐ１はほぼタンク圧であり、前述したように、可変容量型油圧モータ３８の斜板３８ａの角度はゼロであるため、戻り油がタンクへ流れなくなる。この不具合を解消するために、２箇所の各ポートＴＰ１、ＴＰ１のそれぞれとタンクポートＴＰ２との間に弁を設け、同弁は、ポートＴＰ１の圧力Ｐ１がほぼタンク圧のときは連通させ、タンク圧より高いときは遮断するよう機能するものである。
【００５７】
図３は、図２の原動機３０、可変容量型油圧ポンプ３２、可変容量型油圧モータ３８の配置を拡大して示す。同図３において、参照符号３２ａは可変容量型油圧ポンプ３２の斜板、３２ｂは吸い込み口、３２ｃは吐出口、３２ｄは可変容量型ポンプ３２の回転軸３２ｆと可変容量型油圧モータ３８の回転軸３８ｃとの結合部４４を形成しているスプライン結合部である。参照符号３２ｅは、斜板３２ａの角度（傾転角）を制御するため用いられる圧油のポートであって、吐出口３２ｃから導かれている。
【００５８】
参照符号４０は、原動機３０の回転駆動軸３０ａと可変容量型油圧ポンプ３２の回転軸３２ｆとの結合部である。なお、結合部４０、４４は本発明における結合部を構成している。
【００５９】
参照符号４２は、可変容量型油圧モータ３８の端部プレートであって、同モータ３８への圧油の供給口３８ｂと背面側に設けられた排出口とを備えている。前記結合部４４としては、スプライン結合３２ｄの代りに、例えば市販の一方向クラッチを用いることができる。
【００６０】
図３に示される配置では原動機３０、可変容量型ポンプ３２、可変容量型油圧モータ３８は同一軸上に設けられているが、比較的小型のショベルＳＨＶではそれらの設置スペースに制約があり、そうした制約を解消するための配置を図４に示す。
【００６１】
図４は、可変容量型油圧モータ３８の回転軸１０２と可変容量型油圧ポンプ３２の回転軸１１０とが並列配置となるように、前後１対のケーシング１００ａ、１００ｂの中に前記モータ３８とポンプ３２を収納配置した構成を両軸方向断面図として示す。同図から明らかなように、可変容量型油圧モータ３８の回転軸１０２と可変容量型油圧ポンプ３２の回転軸１１０とが並列配置された場合は、図３の直列配置に比べ軸方向の長さ全体を短くすることができる。
【００６２】
図４において、可変容量型油圧モータ３８は、両端部をケーシング１００ａ、１００ｂで軸支された回転軸１０２と、同回転軸１０２と一体に回転されるシリンダブロック１０４と、同シリンダブロック１０４内に設けられた複数のピストン１０４ａと、同各ピストン１０４ａの右端部に配置された斜板１０８ａと、を有する。また、前記シリンダブロック１０４の外周には歯車１０６が形成されている。一方、可変容量型油圧ポンプ３２は、同様な構成として、両端部をケーシング１００ａ、１００ｂで軸支された回転軸１１０と、同回転軸１１０と一体に回転されるシリンダブロック１１２と、同シリンダブロック１１２内に設けられた複数のピストン１０４ｂと、同各ピストン１０４ｂの右端部に配置された斜板１０８ｂを有する。また、前記シリンダブロック１１２の外周には歯車１１４が形成されている。
【００６３】
なお、参照符号ＥＮＧは前記歯車１０６と歯車１１４とが互いにかみ合っている状態を示す。
【００６４】
図５は、図４の線Ａ−Ａに沿う断面図である。同図５において、参照符号３６は斜板調整部、参照符号１３０は、ロッド１３０ａの一端部を介して斜板１０８ａの上部を図の右方へ傾転させるピストンであって、ロッド１３０ａの他端を摺動可能に収納している。なお、ピストン１３０の外径はｄ２である。参照符号１３４は油室であって、同油室１３４には前記モータサーボ部３６から与えられる制御圧がケーシング１００ｂに形成された通路１３２を介して与えられる。参照符号１３４ａは油室１３４に設けられたバネ１３４ｂのガイド用部材である。参照符号１３６、１３８はそれぞれ油圧モータ３８の圧油供給口、タンク排出口である。圧油供給口１３６は入り口１３６ａと連通されており、同入り口１３６ａの圧油は通路１４６により斜板調整部３６に供給される。
【００６５】
また、入り口１３６ａの圧油は油室１４０と連通しており、同油室１４０内にはピストン１４２が移動可能に収納されている。このピストン１４２は、前記ピストン１３０と同様に、ロッド１４２ａの一端部を介して斜板１０８ａの下部を図の右方へ傾転させるようになっている。なお、ピストン１４２の外径はｄ１で、ｄ１＞ｄ２とされている。参照符号１４４は、レバーであって、その中央部に支点用のピン１４８が設けられている。レバー１４４の上端部はピストン１４２に結合され、その下端部は斜板調整部３６に設けられたスリーブの外周部に結合されている。
【００６６】
図６は、前記図５の斜板調整部３６の拡大図である。同図６において、参照符号１５０は中央部に左右方向に貫通孔Ｈを形成したサーボ部本体であって、その上面１５０ａは、図５のケーシング１００ａ下部に気密的に取付けられている。このサーボ部本体１５０の右端部にはバネ１７０の一端側を収納する蓋１５０ｂが取付けられている。参照符号１５０ｄ、１５０ｅはバネ１７０の左右端部を支持する部材である。バネ１７０の弾発力は部材１５０ｅをボルト１５０ｃを移動することにより調整できるようになっている。参照符号１５２は前記貫通孔Ｈの左端に設けられたストッパ部材であり、それに隣接して軸１６０がスリーブ１６８内周面と摺動可能に挿入されている。
【００６７】
スリーブ１６８外周には所定間隔を有する２つの環状溝１６８ａ、１６８ｂが形成されておりその各環状溝１６８ａ、１６８ｂには、破線で示すように、斜板調整部本体１５０に形成された制御圧用の通路１３２と入り口圧用の通路１４６の端部がそれぞれ臨んでいる。さらに、スリーブ１６８には環状溝１６８ａ、１６８ｂと一端側が連通する横穴１６２、１６６が形成されており、同各横穴１６２、１６６の他端側は軸１６０の外周面に臨んでいる。
【００６８】
同図においては横穴１６６は軸１６０の径小部１６４の外周溝に臨み、横穴１６２は径小部１６４の外周溝右端部とほぼ接しており微小なスリットを形成している。参照符号１５８は軸１６０の軸中心部に形成された孔であって、その左端は開口している。参照符号１５４は前記孔１５８の左端部へ摺動可能に挿入配置されたピンであって、同ピン１５４の左端面は前記ストッパ部材１５２の右端面に接している。前述したようにレバー１４４は、斜板調整部本体１５０に設けられたピン１４８を支点として揺動可能に配置され、その上端部には図５のピストン１４２外周部に固定されたピン１７２と係合されている。また、レバー１４４の下端部はスリーブ１６８の外周部に固定されたピン１５６と係合されている。参照符号１７４はドレン用通路である。
【００６９】
次に、上記の構成になる斜板調整部３６の機能について説明する。
【００７０】
制御弁ＶＬ１（図２参照）のポートＴＰ１から戻りラインＢＬを介して、図５の油圧モータ３８の圧油供給口１３６へタンク圧より高い圧力Ｐ１の戻り油が供給されると、入り口１３６ａに達した圧油（戻り油）は、通路１４６を介して斜板調整部本体１５０側に供給される。すなわち、図示のように、スリーブ１６８の環状溝１６８ｂに供給される。
【００７１】
したがって、その圧油は横穴１６６から径小部１６４の外周溝を介して孔１５８に与えられるのでピン１５４を左方へ押圧し、その結果、軸１６０は微少量ΔＬだけバネ１７０の弾発力に抗して右方へ移動し、横穴１６２と径小部１６４の外周溝右端部との間のスリット部ＳＬＴが広がり連通することとなる。したがって、圧油は環状溝１６８ａに達し、通路１３２を経て図５の油室１３４に達する。油室１３４に達した圧油によりピストン１３０が右方へ移動しロッド１３０ａを介して斜板１０８ａの上端部を右方へ傾転させよう作動する。
【００７２】
同時に、この間、圧油は通路１４６から油室１４０にも与えられるのでピストン１４２はロッド１４２ａを介して斜板１０８ａの下部を右方へ傾転させるよう作動する。圧油は、横穴１６２と径小部１６４の外周溝右端部との間隔が小さいときオリフィスとして作用し圧力降下が生じるので、上方の油室１３４に達している圧油の圧力は、下方の油室１４０に達している圧油の圧力Ｐ１より小さくなるがピストン１３０の外径ｄ２がピストン１４２の外径ｄ１より大きいので、斜板１０８ａ上部側でのロッド１３０ａによる傾転の力は、斜板１０８ａ下部側でのロッド１４２ａによる傾転の力よりも優勢となり、その結果、ピストン１４２はロッド１４２ａを介して左方へ押し戻され、同時にピン１７２も矢視（イ）の方へ移動する。
【００７３】
このためレバー１４４はピン１４８を支点として右方へ移動しそれと共に、スリーブ１６８もΔＬだけ右方へ移動する。その結果、スリーブ１６８は軸１６０が移動した位置に追いつき、図６に示された当初の相対的な関係位置となる。こうした圧油伝達の一巡動作は瞬時に遂行されるので、マクロ的にみると、圧力Ｐ１の戻り油である圧油に基づいて軸１６０が、バネ１７０の弾発力に抗して右方へ移動しバランスする位置で停止するまで行われる。そしてそのバランス位置までの軸１６０の移動量に対応して斜板１０８ａが傾転されることとなる。
【００７４】
なお、軸１６０が前記バランス位置まで移動し、それに追従してスリーブ１６８も移動した状態では、両者は静止状態とみなせるが、細かく見ると、通路１３２、油室１３４、通路１４６、油室１４０等からの圧油の漏れがあり、また戻り油の圧力Ｐ１にも細かな圧力変動がある。主として油室１３４、１４０からの漏れにより斜板１０８ａの上側部、下側部に対するロッド１３０ａ、１４２ａの押圧力のバランスが少しでも崩れるとそれを修正するように、軸１６０、スリーブ１６８が微小量移動する。こうした修正動作は、横穴１６２と径小部１６４の外周溝右端部との間に形成されるスリット部ＳＬＴの間隙を間断なく変化させる、すなわち、軸１６０とスリーブ１６８とが相対的に微小振幅で振動しながら全体としてその位置でバランスを保持している。
【００７５】
なお、バネ１７０の弾発力は軸１６０のストローク（移動量）に対し直線的に増加、または減少するが、例えば、複数のバネ定数の異なるバネを配置することにより、そのストロークに対する弾発力の関係を異なる勾配の直線部分の組み合わせとして形成することもできる。
【００７６】
図７は、図４の線Ｂ−Ｂの断面図を示す。同図７に示される可変容量型油圧ポンプ３２は、図５に示した可変容量型油圧モータ３８と基本的には同様な構成であるのでその詳細な説明は省略するが、主な相違部分としては、斜板調整部３６に対応する流量調整機構３４のロッド１８０にバネの弾発力を伝える押圧部材１８２に対し、さらに可変容量型油圧モータ３８へ供給される戻り油の圧油をポンプ３２の本体カバー３２ｇ内に設けられた供給ポート３２ｉを介して流量調整機構３４へ導き作用させるようにした点である。なお、参照符号３２ｈは本体カバー３２ｇに形成されたポンプ３２の吐出ポートであって、この吐出ポート３２ｈの圧力すなわち、負荷圧力は自己圧力として流量調整機構３４へ導かれている。参照符号１８４ａ、１８４ｂは斜板３２ａの傾転角度を制御するパワーピストンユニットである。前記流量調整機構３４の詳細構成を図８に示す。
【００７７】
図８は、流量調整機構３４の拡大詳細図であって、前記パワーピストンユニット１８４ａは、本体カバー３２ｇ内に形成された孔に摺動可能に挿入されているピストン１８４ｃと、内側にピストン室１８５を形成する蓋１８４ｄおよび、外周部にバネ１８４ｆを備えた固定ロッド１８４ｅとから形成されている。ピストン１８４ｃの外周部にはピン１８５ａが設けられ、上端部を支点とするフィードバック用のレバー１８６の下端部フォークがピン１８５ａに係合している。一方、流量調整機構３４の左端側および右端側に配設された本体３４ａ、３４ｂにより形成された孔の右端側にはストッパ１９５が設けられ、左端側には戻り油を受け入れる通路１９４ｂを有する固定部材１９４が設けられている。
【００７８】
本体３４ｂの孔部分には、横穴１８８ａ、１８８ｂを形成したスリーブ１８８が摺動可能に挿入され、またそのスリーブ１８８内にはロッド１８０が摺動可能に挿入されている。このロッド１８０には所定長さの径小部１８０ａが形成されており、さらにその径小部１８０ａに通じる中心孔１８０ｂが形成されている。参照符号１９２は中心孔１８０ｂに摺動可能に挿入されているピストンである。さらに前記スリーブ１８８の外周部にはフィードバック用のレバー１８６と係合するピン１８６ａが設けられている。参照符号１８２は前述した押圧部材であって、その球状右端部はロッド１８０の左端部に当接している。押圧部材１８２左端部側の各段部はそれぞれバネ１９６、１９８により右方へ付勢される。但し、図示の状態ではバネ１９８の右端は押圧部材１８２と所定の間隔が設けられ、当接はしていない。
【００７９】
参照符号１８２ａは前記孔１９４ｂに摺動可能に挿入されているピストンであってその右端部は押圧部材１８２の左端部に当接している。破線で示すように、ポンプの吐出ポート３２ｈの圧力は自己圧力として通路１９２ａを介して横穴１８８ｂから中心孔１８０ｂへ与えられる。一方、横穴１８８ａと接続される通路１９２はカバー本体３２ｇの横穴および通路１９２ｃを介してピストン室１８５に導かれておりピストン１８４ｃを左方へ移動させるようになっている。また、破線の通路１９４ａは、可変容量型油圧モータ３８の油圧モータ入り口と連通している供給ポート３２ｉからの戻り油の圧力を固定部材１９４の通路１９４ｂを介してピストン１８２ａに与える。
【００８０】
上記の構成よりなる流量調整機構３４の作用について以下説明する。今、ショベルが重力または慣性エネルギを生成しない動作をしている場合、ポート３２ｉの戻り油圧力はタンク圧であり、したがって、ピストン１８２ａは押圧部材１８２を押圧していないものとする。図示の状態において、負荷圧の増加により吐出ポート３２ｈでの微小な圧力増加分Δｐがあると、通路１９２ａ、横穴１８８ｂ、径小部１８０ａ、中心孔１８０ｂを介してピストン１９２が右方へ押される。するとストッパ部材１９５の反力を受けロッド１８０はバネ１９６の弾発力に抗して左方へ微少量Δｘ移動する。このロッド１８０の左方への移動により前記径小部１８０ａが横穴１８８ａと連通すると通路１９２ａと１９２ｂも連通し、圧力増加分Δｐが１９２ｃを介してピストン室１８５に与えられ、ピストン１８４ｃを左方へ駆動する。それに伴いフィードバック用のレバー１８６の下端部は、ピストン１８４ｃに固定されたピン１８５により左方へ移動されるので、同時にスリーブ１８８はピン１８６ａを介して左方へ移動し、それにより横穴１８８ａと径小部１８０ａとの連通が遮断される。負荷圧が連続的に増加するときこのようなプロセスが連続し、所定の負荷圧Ｐに達するよう前記ロッド１８０、スリーブ１８８が左方の所定位置までバネ１９６、１９８の弾発力に抗して移動しその位置でバランスして停止する。
【００８１】
一方、ショベルが重力または慣性エネルギを生成する動作をしているときポート３２ｉの戻り油圧力はタンク圧より高くなり、したがって、ピストン１８２ａは押圧部材１８２を押圧しているものとする。この場合には、図示の状態において、ピストン１８２ａによる押圧部材１８２への押圧力に相当するバネ力が与えられていることとなり、可変容量型油圧ポンプの馬力特性が増加したことになる。すなわち、バネ１９６、１９８と別の第３の仮想的バネが設けられていることに相当し、しかもそのバネ力が戻り油の圧力に対応して変化するような仮想的バネということになる。
【００８２】
図９は、横軸に負荷圧Ｐ、縦軸に吐出流量Ｑをとり、前記可変容量型油圧ポンプ３２の馬力特性を示すグラフである。同図９において、実線Ｌａで示される可変容量型油圧ポンプ３２の馬力特性は、前記の仮想的バネの作用がなくバネ１９６、１９８のみで形成される。線分Ｌ１の特性は負荷圧Ｐが０からＰ１までは流量Ｑがフラット値Ｑ１であり、バネ１９６の初期荷重に達するまでの状態を示す。負荷圧ＰがＰ１からＰ２までの線分Ｌ２はバネ１９６のみにより定義される特性を示し、負荷圧ＰがＰ２からＰ３までの線分Ｌ３はバネ１９６とバネ１９８の加算により定義される特性をそれぞれ示す。なお、負荷圧Ｐ３で流量Ｑが一定となるのは、図７において、ピストンＲＥがストッパＳＴＰに接するためである。線分Ｌ２とＬ３の部分は馬力（ＨＰ）一定すなわち、ＨＰ＝ｋＰ・Ｑ（ｋは定数）の関係となる双曲線部分を各線分Ｌ２、Ｌ３で近似したものである。
【００８３】
破線で示される馬力特性Ｌａ、Ｌｂなどは前述の仮想的バネの作用が加わった場合を例示するものであり、特性Ｌｃの方がＬｂよりも戻り油の圧力が大きいことを示す。今、ショベルの運転状態が戻り油の圧力の発生がない点Ｚａすなわち、図示された特性Ｌａの負荷圧Ｐｉに対応する流量Ｑｉであるとし、その状態でショベルの運転状態が変化し戻り油の圧力が発生すると特性Ｌｂとなり、前記Ｚａに対応する点Ｚｂとなる。したがって、その差に対応する流量増加分ΔＱｉが生成され可変容量型油圧ポンプ３２の吸収トルクを増大させ、馬力特性が増大したこととなり、特性Ｌａを有するポンプが特性Ｌｂを有するポンプに一時的に変化したことになる。
【００８４】
このことは、タンク圧より高い戻り油の圧力が発生している状態では、前記油圧ポンプ３２の吐出流量Ｑが増加できることを意味している。また、戻り油の圧力がさらに大きい特性Ｌｃの場合は吐出流量Ｑの増加分がさらに大きくなり、したがって、他のアクチュエータを同時に操作した場合に要求される流量を確保することができ、操作スピードの低下がなく効率の良い運転操作が可能となる。
【００８５】
（第２の実施の形態）
図１０乃至１２は、本発明の、第２の実施の形態に係るそれぞれの実施例を説明するための簡略化した油圧回路図である。
【００８６】
前述した図２乃至図９の場合には、回生専用の可変容量型油圧モータ３８には、制御弁ユニットの中の１つの制御弁、例えばブームシリンダ用の制御弁ＶＬ１からタンク圧より高い戻り油が供給されるものとして説明したが、以下の第２の実施形態例では、複数の制御弁から同時にタンク圧より高い戻り油が供給される場合の可変容量型油圧モータ３８への戻り油の供給について扱う。
【００８７】
ショベルＳＨＶにおいては、その作業中、旋回台とブームとの駆動操作を同時に行うことが一般的であり、その中で、旋回台の回転を制動することとブームの下降とが同時に行われることも行われる。その場合、作業の状態は様々であり、それぞれの戻り油の圧力は必ずしも同一ではなく、且つ作業中にそれぞれの圧力は変化する。
【００８８】
したがって、両方の戻り油を単に合流させて可変容量型モータ３８へ供給すると、圧力の高い方、例えば旋回用油圧モータからの戻り油のみが油圧モータ３８に供給されるが、圧力の低い方、例えばブームシリンダからの戻り油は阻止されるため、その戻り油は流路を失い、ブームの下降動作がスムースに遂行されず、悪影響を与える。
【００８９】
図１０は、運動エネルギが最も大きい旋回台用の油圧モータおよび位置エネルギが最も大きいブーム用のシリンダという２つの油圧アクチュエータからの戻り油を回生専用の可変容量型油圧モータ３８へ供給する場合を対象とする。図１０において、参照符号ＶＬ１はブームシリンダ用の制御弁、ＶＬ５は旋回台油圧モータ用の制御弁であって、それぞれ簡略化して示されている。参照符号２１０、２１４は、制御弁ＶＬ１のポートＴＰ１からの戻り油、制御弁ＶＬ５の、左ポートＴＰ（Ｌ）または右ポートＴＰ（Ｒ）からの戻り油をそれぞれ油圧モータＶＭＴへ接続する流路である。各流路２１０、２１４は合流点ＳＰで合流し、流路２１６を介して油圧モータへ供給される。参照符号２０２はシャトル弁で前記左ポートＴＰ（Ｌ）または右ポートＴＰ（Ｒ）のいずれかを選択する。
【００９０】
参照符号２００、２０６は開閉弁であって、それぞれ分岐流路２１２、２１８を介して流路２１０、２１４に接続されている。破線で示される流路２０４、２０８は、流路２１４、２１０の圧力Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）、Ｐ１によりそれぞれ開閉弁２００、２０６を開き戻り油をそれぞれ分岐流路２１２、２１８を介してバイパスさせるようになっている。
【００９１】
ここで、実際に、例えば開閉弁２００が開かれる条件としては、例えば判別部２０４ａにおいて圧力Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）とＰ１の大小が比較され、Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）＞Ｐ１のときのみである。同様に、開閉弁２０６が開かれる条件としては、判別部２０８ａにおいて圧力Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）とＰ１の大小が比較され、Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）＜Ｐ１のときのみである。
【００９２】
このように構成すると、圧力が高い方の戻り油が選択され可変容量型油圧モータ３８へ供給される。
【００９３】
図１１は、制御弁ＶＬ１のポートＴＰ１の圧力Ｐ１と、制御弁ＶＬ５のポートからの圧力Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）のうち高い方の戻り油圧力を、低い方の戻り圧力に等しくなるよう減圧するものである。参照符号２３４Ａ、２３４Ｂは例えば可変リリーフ弁とされる。また、参照符号２３０Ａ、２３０Ｂはそれぞれ判別部である。同判別部２３０Ａ、２３０Ｂでは圧力Ｐ１とＰ２Ａ（Ｐ２Ｂ）との大小が比較され、低い方の圧力がそれぞれ破線の流路２３２Ａ、２３２Ｂを介して各可変リリーフ弁２３４Ｂ、２３４Ａに与えられる。
【００９４】
例えば、今、ブームシリンダからの戻り油の圧力Ｐ１が旋回油圧モータからの戻り油の圧力Ｐ２Ａ（Ｐ２Ｂ）より低い場合、判別部２３０Ａから可変リリーフ弁２３４Ｂへは流路２３２Ａを介して圧力Ｐ１が与えられるので、可変リリーフ弁２３４Ｂの下流側にはＰ２Ａ（Ｐ２Ｂ）からＰ１に減圧された戻り油が合流点ＳＰへ与えられる。一方、同時に、判別部２３０Ｂから可変リリーフ弁２３４Ａへは流路２３２Ｂを介して低い方の圧力Ｐ１が与えられるので、可変リリーフ弁２３４Ａの下流側には減圧されずＰ１のままの戻り油が合流点ＳＰへ与えられる。したがって、両方からの戻り油の圧力（Ｐ１）が等しい状態で可変容量型油圧モータ３８に合流された戻り油が供給される。
【００９５】
図１１の例では、圧力Ｐ１とＰ２Ａ（Ｐ２Ｂ）との差が小さい場合にエネルギの回生はより効果的となる。
【００９６】
図１２は、図１０、図１１に示した弁２００、２０６、２３４Ａ、２３４Ｂをそれぞれ含む弁ユニット２５０、２５０Ａを備えた例である。弁ユニット２５０、２５０Ａの各弁への操作指令信号は、一定時間間隔でプログラムによって演算処理して生成される。参照符号３００は、その演算処理装置であって、ＣＰＵ（中央演算処理装置）と各弁の切換信号生成プログラムおよび各種パラメータデータ記憶メモリから構成される。
【００９７】
参照符号４００は、前記各弁の切換信号生成プログラムの主要処理内容を示すフローである。同フロー４００において、工程ＳＴ１では、現在の時刻ｔ１におけるポート圧等のデータを検出する。工程ＳＴ２では、直前の時刻ｔ０からの所定経過時間ΔＴ（ｔ１−ｔ０）において得られた回生エネルギＥ（ΔＴ）を演算して算出する。工程ＳＴ３では、次の時刻ｔ２までの経過時間ΔＴ中に発生すると想定される最大の回生エネルギＮ（ΔＴ）をＳＴ１の検出データおよびパラメータを用いて演算し算出する。工程ＳＴ４では、前記Ｎ（ΔＴ）とＥ（ΔＴ）とを対比し、Ｎ（ΔＴ）に近づけるように各弁に対する操作指令信号、各弁の切換信号を新たに定義する。工程ＳＴ５では、新たに定義された操作指令信号、切換信号を出力する。各弁の切換時間は長くても数十ミリ秒であり、前記所定時間間隔ΔＴとしては、これらの時間が無視できる程度の時間間隔、例えば０．１〜０．５秒とすることができる。
【００９８】
図１０の例では、非常に短時間ごとに、回生エネルギとして得られた値と、得られる可能性のある最大の値とを逐次比較して、全体として、回収エネルギが最大となるように制御するものである。
【００９９】
以上、本発明の好適な実施形態に基づく各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変形することができる。例えば、第１の実施形態では、原動機は化石燃料を燃焼させて回転駆動力を発生するものとして説明したが、電動機を用いてもよい。また、図４に示される並列方式はケーシング内に油圧モータとポンプを収納してシリンダブロック外周の歯車を噛み合わせる構成としたが、ポンプおよび油圧の回転軸に歯車を噛み合わせるよう取り付けることも可能である。
【０１００】
また、第２の実施形態では、ブームシリンダと旋回油圧モータとの２つを対象としたが、任意の他の２つ以上の油圧アクチュエータからの戻り油を対象とすることもできる。さらにまた、回生専用の可変容量型油圧モータは１つとして説明したが、２個以上を適宜結合部を介して結合することも可能である。また、図１２では弁ユニット内に図１０、１１に対応する弁を個別に配置されているものとして説明したが、これらの弁を複合化して単一の弁として構成することも可能である。また、図１０、１１では制御弁ＶＬ１、ＶＬ５の外部に各弁を配置しているように例示したが、これらを制御弁ＶＬ１、ＶＬ５内部に組み込むよう構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明が適用される建設機械として代表的な油圧ショベルの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に基づく実施例の主要部を示す図である。
【図３】図２の原動機、可変容量型油圧ポンプ、可変容量型油圧モータの配置を拡大して示す図である。
【図４】可変容量型油圧モータの回転軸と可変容量型油圧ポンプの回転軸が並列配置とされた軸方向断面図である。
【図５】図４の線Ａ−Ａに沿う断面図である。
【図６】図５のモータサーボ部拡大図である。
【図７】図４の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。
【図８】図７の流量調整機構の拡大詳細図である。
【図９】図７の流量調整機構を備えた可変容量型油圧ポンプの馬力特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に基づく第１の実施例を説明する油圧回路である。
【図１１】本発明の第２実施形態に基づく第２の実施例を説明する油圧回路である。
【図１２】本発明の第２実施形態に基づく第３の実施例を説明する油圧回路である。
【符号の説明】
【０１０２】
１２      上部旋回体
１２Ａ    車体本体
１２Ｂ    固定フレーム
１４      キャブ
１６      ブーム
１８      アーム用の油圧シリンダ
２０      アーム
２２      バケット用の油圧シリンダ
２４      バケット
３０      原動機
３０ａ    回転軸
３２      可変容量型油圧ポンプ
３２ａ    斜板
３２ｂ    吸い込み口
３２ｃ    吐出口
３２ｄ    スプライン結合部
３２ｅ    圧油のポート
３２ｆ    回転軸
３２ｇ    吐出ポート
３２ｈ    吐出ポート
３２ｉ    ポート
３４      流量調整機構
３４ａ、３４ｂ    本体
３６      斜板調整部
３８      可変容量型油圧モータ
３８ａ    斜板
３８ｂ    供給口
３８ｃ    回転軸
４０、４４    結合部
４２      端部プレート
５０      パイロット操作弁
１００ａ、１００ｂ    ケーシング
１０２、１１０        回転軸
１０４、１１２        シリンダブロック
１０４ａ、１０４ｂ    ピストン
１０６、１１４        歯車
１０８ａ、１０８ｂ    斜板
１３０、      ピストン
１３０ａ      ロッド
１３２、１３２ａ      通路
１３４、１４０        油室
１３６、１３８        圧油供給口
１３６ａ      入り口
１４２      ピストン
１４４、１４４Ａ        レバー
１４６、１４６Ａ        通路
１４８、１４８Ａ        ピン
１５０      斜板調整部本体
１５０ａ    取付け面
１５０ｂ    蓋
１５０ｃ    ボルト
１５０ｄ、１５０ｅ      部材
１５２      ストッパ部材
１５４      ピン
１５６      ピン
１５８      孔
１６０      軸
１６２、１６６      横穴
１６４      径小部
１６８      スリーブ
１６８ａ、１６８ｂ      環状溝
１７０      バネ
１７２      ピン
１７４      ドレン用通路
１８０      ロッド
１８０ａ    径小部
１８０ｂ    中心孔
１８２      押圧部材
１８２ａ    ピストン
１８４ａ、１８４ｂ    パワーピストンユニット
１８４ｃ    ピストン
１８４ｄ    蓋
１８４ｅ    固定ロッド
１８４ｆ    バネ
１８５      ピストン室
１８５ａ    ピン
１８６      フィードバック用レバー
１８６ａ    ピン
１８８      スリーブ
１８８ａ、１８８ｂ    横穴
１９２      ピストン
１９２ａ    通路
１９２ｂ、１９２ｃ    通路
１９４      固定部材
１９４ａ、１９４ｂ    通路
１９５      ストッパ部材
１９６、１９８      バネ
２００、２０６      開閉弁
２０２      シャトル弁
２０４、２０８      流路
２０４ａ、２０８ａ          判別部
２１０、２１４、２１６      流路
２１２、２１８      分岐流路
２３０Ａ、２３０Ｂ    判別部
２３２Ａ、２３２Ｂ    流路
２３４Ａ、２３４Ｂ    可変リリーフ弁
２５０、２５０Ａ      弁ユニット
３００      演算処理装置
４００      フロー
【図１】
2008232307.tif 000003
【図２】
2008232307.tif 000004
【図３】
2008232307.tif 000005
【図４】
2008232307.tif 000006
【図５】
2008232307.tif 000007
【図６】
2008232307.tif 000008
【図７】
2008232307.tif 000009
【図８】
2008232307.tif 000010
【図９】
2008232307.tif 000011
【図１０】
2008232307.tif 000012
【図１１】
2008232307.tif 000013
【図１２】
2008232307.tif 000014