(57)【要約】【課題】減速時の動力回収による省エネや排ガス低減、低騒音化を可能としながら、低コスト、省スペースのホイール式建設機械を提供する。【解決手段】エンジン２２及び／または第１の電動機２３により駆動される油圧ポンプ４０と、前記油圧ポンプ４０から供給される圧油により駆動される油圧モータ１３と、前記油圧モータ１３の駆動動力をホイール１１ａ，１１ｂに伝える駆動伝達装置１５と、前記駆動伝達装置１５と前記油圧モータ１３とを結合する動力軸とを備えたホイール式建設機械１９であって、前記動力軸に結合する第２の電動機１４と、前記第２の電動機１４を駆動するインバータ５１と、前記第２の電動機１４に接続される蓄電装置２４とを備える。【選択図】  図２
2013144504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン及び／または第１の電動機により駆動される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから供給される圧油により駆動される油圧モータと、
前記油圧モータの駆動動力をホイールに伝える駆動伝達装置と、
前記駆動伝達装置と前記油圧モータとを結合する動力軸とを備えたホイール式建設機械であって、
前記動力軸に結合する第２の電動機と、
前記第２の電動機を駆動するインバータと、
前記第２の電動機に接続される蓄電装置とを備える
ことを特徴とするホイール式建設機械。
【請求項２】
請求項１に記載のホイール式建設機械において、
前記第２の電動機の出力が前記エンジンの定格出力の半分以下である
ことを特徴とするホイール式建設機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のホイール式建設機械において、
上部旋回体と下部走行体とを有し、
前記油圧ポンプを駆動する第１の電動機と前記上部旋回体駆動用の第３の電動機と前記第１の電動機及び第３の電動機を駆動するインバータと蓄電装置とが前記上部旋回体に配置され、
前記第２の電動機が前記下部走行体に配置され、
前記第２の電動機がスリップリングを介して前記上部旋回体に配置された前記蓄電装置と接続されている
ことを特徴とするホイール式建設機械。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のホイール式建設機械において、
上部旋回体と下部走行体とを有し、
前記油圧ポンプを駆動する第１の電動機と前記上部旋回体駆動用の第３の電動機と前記第１の電動機及び前記第３の電動機を駆動するインバータとが前記上部旋回体に配置され、
前記第２の電動機と前記蓄電装置とが前記下部走行体に配置され、
前記第１及び前記第３の電動機がスリップリングを介して前記下部走行体に配置された前記蓄電装置と接続されている
ことを特徴とするホイール式建設機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホイール式建設機械に係り、特にホイール式ショベルなどのホイール式建設機械をハイブリッド化したホイール式建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホイールショベルなどのホイール式建設機械においては、掘削などを行う油圧作業回路と同様に、エンジン駆動力を油圧回路で伝達し走行を行っている。油圧作業装置は油圧ポンプを備え、この油圧ポンプもエンジンで駆動され圧油を吐出する。アクセルペダルを操作するとエンジン回転数が制御され、ポンプ流量と走行駆動力の両方を制御することで、作業に必要な油圧作業装置におけるポンプ流量を確保しつつ、走行装置の駆動力制御を行っている。
【０００３】
一方、近年、建設機械のハイブリッド化が検討されていて、駆動源をハイブリッド化することにより、エンジンの負荷変動を抑え、省エネや排ガス低減、低騒音化を可能とするハイブリッド式建設車両がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３３３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来技術においては、エンジンに駆動される発電機で発生した電力をバッテリと走行駆動用の電動機とに供給することで、ホイールを駆動している。エンジンの動力が電気に変換されて走行駆動に使用されるため、従来の油圧伝達方式に比べて動力伝達効率が向上する。また、走行減速時に走行駆動用の電動機の発電効果により制動エネルギを回収することができるので、省エネ効率が向上する。
【０００６】
ところで、車体重量が大きく走行抵抗の大きい建設機械においては、走行駆動に大きな動力を必要とする。上述した従来技術においては、走行駆動用の電動機のみでこの動力を賄う必要があるが、その動力は、従来の油圧伝達方式に搭載されたエンジンの定格出力と大略等しい値になる場合がある。
【０００７】
このため、このような電動機を設けることは、製造コストの増大や搭載スペース確保のための車体寸法の増大を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、減速時の動力回収による省エネや排ガス低減、低騒音化を可能としながら、低コスト、省スペースのホイール式建設機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、エンジン及び／または第１の電動機により駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから供給される圧油により駆動される油圧モータと、前記油圧モータの駆動動力をホイールに伝える駆動伝達装置と、前記駆動伝達装置と前記油圧モータとを結合する動力軸とを備えたホイール式建設機械であって、前記動力軸に結合する第２の電動機と、前記第２の電動機を駆動するインバータと、前記第２の電動機に接続される蓄電装置とを備えるものとする。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記第２の電動機の出力が前記エンジンの定格出力の半分以下であることを特徴とする。
【００１１】
更に、第３の発明は、第１又は第２の発明において、上部旋回体と下部走行体とを有し、前記油圧ポンプを駆動する第１の電動機と前記上部旋回体駆動用の第３の電動機と前記第１の電動機及び第３の電動機を駆動するインバータと蓄電装置とが前記上部旋回体に配置され、前記第２の電動機が前記下部走行体に配置され、前記第２の電動機がスリップリングを介して前記上部旋回体に配置された前記蓄電装置と接続されていることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１又は第２の発明において、上部旋回体と下部走行体とを有し、前記油圧ポンプを駆動する第１の電動機と前記上部旋回体駆動用の第３の電動機と前記第１の電動機及び前記第３の電動機を駆動するインバータとが前記上部旋回体に配置され、前記第２の電動機と前記蓄電装置とが前記下部走行体に配置され、前記第１及び前記第３の電動機がスリップリングを介して前記下部走行体に配置された前記蓄電装置と接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、走行駆動用のアクチュエータとして出力サイズ比の大きな油圧モータと制動時のエネルギ回収を主たる目的とする小出力の電動モータとを同一回転軸で併用するように設けたので、電動機を含めた走行駆動装置の搭載スペースを縮小すると共に、製造コストを抑制することができる。この結果、減速時の動力回収による省エネや排ガス低減、低騒音化を可能としながら、低コスト、省スペースのホイール式建設機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベル示す側面図である。
【図２】本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図３】本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベルの上部旋回体を示す上面図である。
【図４】本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベルの下部走行体を示す上面図である。
【図５】本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベル示す側面図である。
【図６】本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。
【図７】本発明のホイール式建設機械の第３の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のホイール式建設機械の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベル示す側面図、図２は本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。第１の実施の形態において、本発明のホイール式建設機械はハイブリッド式ホイールショベルに適用したものである。
【００１７】
図１において、ハイブリッド式ホイールショベル１は下部走行体１０と、下部走行体１０の上部に旋回可能に設けた上部旋回体２０と、フロント作業機３０とを備えている。
【００１８】
下部走行体１０は、走行用の前側ホイール１１ａ，後側ホイール１１ｂと、シャシフレーム１２と、前後側ホイール１１ａ，１１ｂを駆動制御する走行用油圧モータ１３、走行用電動モータ１４及びトランスミッション１５等で構成される駆動装置１９とを備えている。
【００１９】
この走行用油圧モータ１３の回転軸と走行用電動モータ１４の回転軸とはトランスミッション１５に結合されている。トランスミッション１５からは、車体前後方向に伸びたプロペラシャフト１６によって、前側ホイール１１ａ及び後側ホイール１１ｂのそれぞれに連結された前側アクスル１７ａ及び後側アクスル１７ｂへ動力を伝達している。
【００２０】
シャシフレーム１２の内部には、上部旋回体２０に設けた油圧ポンプ４０からの圧油とバッテリ２４からの電力が供給されるセンタジョイント４２とスリップリング５０が設けられている。供給された圧油は走行用油圧モータ１３を回転させ、供給された電力はインバータ５１を介して走行用電動モータ１４を回転させる。
【００２１】
上部旋回体２０は、旋回フレーム２１と、旋回フレーム２１上に設けられた、原動機としてのエンジン２２と、エンジン２２により駆動されるアシスト発電モータ２３と、旋回電動モータ２５と、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５とに電気的に接続されるバッテリ２４等から構成され、旋回電動モータ２５の駆動力により下部走行体１０に対して上部旋回体２０（旋回フレーム２１）を旋回駆動させている。
【００２２】
また、上部旋回体２０の左側前方部には運転室２６が、上部旋回体２０の後方部にはカウンタウエイト２７がそれぞれ配設されている。さらに、上部旋回体２０の前方部には上下方向に回動可能に多関節形式のフロント作業機３０が配設されている。フロント作業機３０は、ブーム３１と、ブーム３１を駆動するためのブームシリンダ３２と、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と、アーム３３を駆動するためのアームシリンダ３４と、アーム３３の先端に回転可能に軸支されたバケット３５と、バケット３５を駆動するためのバケットシリンダ３６等で構成されている。
【００２３】
さらに、上部旋回体２０の旋回フレーム２１上には、上述したブームシリンダ３２、アークシリンダ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油圧システムが搭載されている。油圧システムは、油圧を発生する油圧源となる油圧ポンプ４０（図２）及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４１（図２）を含み、油圧ポンプ４０はエンジン２２及び／又はアシスト発電モータ２３によって駆動される。
【００２４】
次に、ホイールショベルの電動・油圧機器のシステム構成について概略説明する。図２に示すように、エンジン２２の回転軸は、アシスト発電モータ２３と油圧ポンプ４０の各回転軸と連結されている。エンジン２２の駆動力はアシスト発電モータ２３と油圧ポンプ４０とに伝達されている。油圧ポンプ４０から吐出された圧油は、図示しない操作装置からの指令に応じて流量と方向を制御するコントロールバルブ４１を介して、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及び走行用油圧モータ１３に供給される。
【００２５】
電動システムは、上述した走行用電動モータ１４、アシスト発電モータ２３、バッテリ２４及び旋回電動モータ２５と、インバータ５１，５２，５３及びスリップリング５０等から構成されている。
【００２６】
バッテリ２４からの直流電力は図示しないチョッパ等によって所定の母線電圧に昇圧されて、走行用電動モータ１４を駆動するためのインバータ５１、アシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５２、及び旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５３に入力される。走行用電動モータ１４、アシスト発電モータ２３及び旋回電動モータ２５の駆動状態（力行しているか回生しているか）によって、バッテリ２４は充放電されることになる。
【００２７】
下部走行体１０に設けられた駆動装置１９を構成する走行用油圧モータ１３は、上部旋回体２０の油圧ポンプ４０からセンタジョイント４２を介して導かれた圧油を受けて駆動力を発生する。また、駆動装置１９を構成する走行用電動モータ１４の回転軸は、走行用油圧モータ１３の回転軸と結合されていて、これらの駆動力は、トランスミッション１５とプロペラシャフト１６と前側アクスル１７ａ，後側アクスル１７ｂとによって、前側ホイール１１ａ及び後側ホイール１１ｂへ伝達されている。走行用電動モータ１４は、上部旋回体２０と下部走行体１０の間の電力伝達を行うスリップリング５０と走行用電動モータ１４を駆動するインバータ５１とを介してバッテリ２４と電気的に接続している。
【００２８】
ここで、走行用電動モータ１４の出力は、走行減速時の動力回収に必要充分な容量が望ましく、走行用油圧モータ１３と併用することで、駆動能力が確保されればよい。例えば、エンジン２２の定格出力の半分以下であることが望ましい。自重の大きな建設機械においてはその走行抵抗も大きい為、走行駆動に大きな動力を必要とする。このことは、減速時の回収動力も走行抵抗により大きく損失することを意味する。このため、駆動時の動力伝達効率向上のためだけにその走行をまかなえる容量の走行用電動モータ１４を設けたとしても、減速時の動力回収の観点からは、期待する効果は得られないと考えられるからである。
【００２９】
次に、ホイールショベルを構成する機器の配置について概略説明する。図３は本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベルの上部旋回体を示す上面図、図４は本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベルの下部走行体を示す上面図である。図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
図３に示すように、上部旋回体２０の旋回フレーム２１の略中心部には、旋回電動モータ２５と、センタジョイント４２とスリップリング５０とが配置されている。運転室２６の後方であって、旋回電動モータ２５の後部には、エンジン２２とアシスト発電モータ２３と油圧ポンプ４０とが、それぞれの回転軸を直列に結合する形で横長姿勢に配置されている。なお、エンジン２２とアシスト発電モータ２３と油圧ポンプ４０とで構成したユニットをパワーユニット６０と称する。
【００３１】
パワーユニット６０の後方には、バッテリ２４とアシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５２と旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５３とが配置されている。これらは、上部旋回体２０の後方部に設けたカウンタウエイト２７の内部に設けた空隙部に配置されている。
【００３２】
下部走行体１０においては、図４に示すように、シャシフレーム１２の幅方向中央部を軸方向にプロペラシャフト１６が配置されている。このプロペラシャフト１６の軸方向略中央部には、前側と後側の各プロペラシャフト１６と連結するトランスミッション１５が配設されている。このトランスミッション１５において、プロペラシャフト１６と軸方向に平行に駆動軸が設けられていて、この駆動軸に走行用油圧モータ１３と走行用電動モータ１４の各回転軸が連結されている。
【００３３】
走行用電動モータ１４を駆動するためのインバータ５１は、シャシフレーム１２に配置された走行用油圧モータ１３の部位の幅方向の反対側に配置されている。
【００３４】
上述した本実施の形態において、ハイブリッド式ホイールショベル１は、油圧ポンプ４０と走行用油圧モータ１３による油圧伝達によって走行駆動する場合と、動力伝達の一部を走行用電動モータ１４による電力伝達によってまかなって走行駆動する場合とがある。後者の場合、油圧伝達に比べて電気伝達の方がエネルギの伝達効率が良い為、前者の走行よりも駆動効率が良くなる。またバッテリ２４に蓄積した電力を使うことで、一時的にエンジン２２の定格出力以上の駆動力で走行駆動することも可能となる。
【００３５】
ハイブリッド式ホイールショベル１の走行減速時には、走行用電動モータ１４の発電効果によって制動力をかけつつ、発電した制動エネルギを回収する。このとき制動力は走行用油圧モータ１３とブレーキ等を併用することが望ましい。発電した電力はバッテリ２４に蓄えることで、他の旋回電動モータ２５やアシスト発電モータ２３の電力として使用可能となる。この結果、ハイブリッド式ホイールショベル１において、総合的に省エネを達成することが出来る。
【００３６】
上述した本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態によれば、走行駆動用のアクチュエータとして出力サイズ比の大きな走行用油圧モータ１３と制動時のエネルギ回収を主たる目的とする小出力の走行用電動モータ１５とを同一回転軸で併用するように設けたので、電動機を含めた駆動装置１９の搭載スペースを縮小すると共に、製造コストを抑制することができる。この結果、減速時の動力回収による省エネや排ガス低減、低騒音化を可能としながら、低コスト、省スペースのホイール式建設機械を提供することができる。
【００３７】
また、上述した本発明のホイール式建設機械の第１の実施の形態によれば、重量物であるバッテリ２４をカウンタウエイト２７の内側に収納したので、本来デッドウエイトであるバッテリ２４の重量をカウンタウエイト２７の重量として生かすことができる。このことにより、バッテリ２４の搭載のための新たなスペースを設けなくても良くなり、省スペース化が図れる。
【実施例２】
【００３８】
以下、本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態を備えたハイブリッド式ホイールショベル示す側面図、図６は本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図５に示す本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００４０】
第１の実施の形態におけるバッテリ２４とアシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５２と旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５３とは、上部旋回体２０の後方部のカウンタウエイト２７の内部に配置されていたが、本実施の形態においては、バッテリ２４を下部走行体１０側のシャシフレーム１２の幅方向外側に配置すると共に、インバータ５２，５３を、運転室２６の後方であって、旋回電動モータ２５の後部に配置している。
【００４１】
図６に示すように、下部走行体１０に配置されたバッテリ２４と上部旋回体２０に配置されたアシスト発電モータ２３を駆動するためのインバータ５２と旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５３とは、スリップリング５０を介して電気的に接続されている。
【００４２】
上述した本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。  
また、上述した本発明のホイール式建設機械の第２の実施の形態によれば、重量物であるバッテリ２４を下部走行体１０に配置したので、ハイブリッド式ホイールショベル１の重心を下げることができる。この結果、ハイブリッド式ホイールショベル１の安定性が向上する。
【実施例３】
【００４３】
以下、本発明のホイール式建設機械の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明のホイール式建設機械の第３の実施の形態を構成する電動・油圧機器のシステム構成図である。図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
図７に示す本発明のホイール式建設機械の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源等で構成されるが、以下の構成が異なる。
【００４５】
第３の実施の形態において、本発明のホイール式建設機械はハイブリッド式ホイールローダ２に適用している。このため、第１及び第２の実施の形態におけるセンタジョイント４２、スリップリング５０、旋回電動モータ２５、及び旋回電動モータ２５を駆動するためのインバータ５３等を省略している。
【００４６】
駆動装置１９は、走行用の前側ホイール１１ａ，後側ホイール１１ｂと、シャシフレーム１２と、前後側ホイール１１ａ，１１ｂを駆動制御する走行用油圧モータ１３、走行用電動モータ１４及びトランスミッション１５等で構成されている。
【００４７】
上述した本発明のホイール式建設機械の第３の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００４８】
なお、本発明の実施の形態においては、ホイールショベルとホイールローダを例に説明したが、これらに限るものではない。走行用油圧モータ１３で走行駆動するホイール式の建設機械にも本発明を同様に適用することができる。
【００４９】
また、本発明の実施の形態においては、蓄電装置としてバッテリ２４を備えた建設機械について説明したが、これに限るものではない。例えばキャパシタを蓄電装置として用いてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１        ハイブリッド式ホイールショベル
２        ハイブリッド式ホイールローダ
１０      下部走行体
１１ａ    前側ホイール
１１ｂ    後側ホイール
１２      シャシフレーム
１３      走行用油圧モータ
１４      走行用電動モータ
１５      トランスミッション
１６      プロペラシャフト
１７ａ    前側アクスル
１７ｂ    後側アクスル
１９      駆動装置
２０      上部旋回体
２１      旋回フレーム
２２      エンジン
２３      アシスト発電モータ
２４      バッテリ（蓄電装置）
２５      旋回電動モータ
２６      運転室
２７      カウンタウエイト
３０      フロント作業機
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      油圧ポンプ
４１      コントロールバルブ
４２      センタジョイント
５０      スリップリング
５１      インバータ
５２      インバータ
５３      インバータ
【図１】
2013144504.tif 000003
【図２】
2013144504.tif 000004
【図３】
2013144504.tif 000005
【図４】
2013144504.tif 000006
【図５】
2013144504.tif 000007
【図６】
2013144504.tif 000008
【図７】
2013144504.tif 000009