JP5364709B2

JP5364709B2 - 掘削機の旋回装置、及び掘削機

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Publication number: JP5364709B2
Application number: JP2010521318A
Authority: JP
Inventors: ローターヘルブリングフランク
Original assignee: リープヘル−フランスソシエテアノニムサンプリフィエ
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: WO2009024197A1; EP2181221B1; DE202007011783U1; CN101861437B; JP2010537130A; ES2393817T3; CN101861437A; KR20100053665A; US20110302914A1; EP2181221A1

Description

本発明は、掘削機の旋回装置、及び掘削機に関する。

油圧によって駆動される掘削機の基本機能には、掘削機の移動動作や、静油圧回転駆動部によって行われる上部旋回体の回転動作だけでなく、油圧シリンダー駆動部によって行われるフロントアタッチメント動作がある。このための油圧エネルギーは、１又はそれ以上のポンプによって生み出される。これらのポンプは、内燃機関、特にディーゼルエンジンによって駆動される。ここでは、フロントアタッチメント動作及び移動動作のために、内燃機関と１又はそれ以上のポンプとの間に、トランスファーケースが設けられている。また、上部旋回体の回転動作のために独立したポンプが用いられる。

上記油圧エネルギーに加えて、熱エネルギーも発生する。油圧作動油を加熱するこの熱エネルギーは、ラジエータから放出されて再び消滅する。従って、ディーゼルエンジンによって与えられたエネルギーは、一部が油圧エネルギーに変換され、残りは損失になる。

油圧駆動装置は、特に油圧掘削機の上部旋回体を旋回させるのに用いられる。この動作中にポンプによって生み出された油圧エネルギーは、油圧モータによって機械的エネルギーに再び変換される。従って、油圧モータは、対応する旋回装置の動力伝達装置とともに回転運動を生み出す。このような駆動のパラメータには、トルクや速度がある。トルクは、油圧モータ、圧力、押しのけ容積及び速度伝達比によって決定される。速度は、利用可能なオイルの体積流量、押しのけ容積及び速度伝達比によって決定される。

油圧駆動を行うための従来例を、以下に２つ示す。

１つの例では、油圧駆動装置は、油圧開回路を備えている。この開回路では、ポンプが制御バルブを介してモータと接続されている。このポンプは、ここでは、固定容量式でも可変容量式でもよい。制御バルブは、油圧作動油の圧力及び体積流量を制御する。これにより、モータが制御される。油圧作動油は、モータの流出口から返送される油圧作動油が溜まる戻りタンクから、ポンプによって吸い込まれる。旋回動作がブレーキされた場合、このブレーキエネルギーは捨てられて、もはやこのシステムでは利用できない。

もう１つの例では、独立した旋回装置ポンプが油圧閉回路に用いられ、閉回路においてバルブを介することなくモータと接続される。ここでは通常、ポンプは可変容量ポンプで構成されているため、油圧作動油の圧力及び体積流量をポンプによって制御することができる。ブレーキの過程において、上述のように配置された旋回装置ポンプは、変速機を介して内燃機関に連結されるため、理論上、エネルギーは他のエネルギー消費物で利用可能である。しかし、実際は、エネルギーは実質的に不要であるため、捨てられる。

本発明の課題は、エネルギー消費量がより少なく、特にブレーキ過程においてエネルギーの損失が少ない油圧駆動装置を有する掘削機の旋回装置、及び掘削機を提供することである。

本発明の課題は、請求項１に記載された油圧駆動装置によって解決される。

上記油圧駆動装置には、少なくとも１つのバルブを介して、ポンプ及びモータのうち少なくとも一方と接続可能な高圧蓄積部と、上記少なくとも１つのバルブを制御するコントローラと、が設けられている。この高圧蓄積部には油圧エネルギーが蓄積可能であり、この蓄積された油圧エネルギーは上記油圧駆動装置で再利用することができる。例えば、バルブを高圧蓄積部において切り替えることによって、高圧蓄積部には、旋回装置がブレーキされる間、ポンプとして動作するモータによってエネルギーが蓄積される。この蓄積されたエネルギーは、旋回装置が再び加速される際に使用される。これにより、油圧駆動装置の消費エネルギーが低くなるため、ポンプを駆動させるための内燃機関を小さくすることができる。同様に、ポンプによって、高圧蓄積部にエネルギーを蓄積することもできる。高圧蓄積部がバルブによって油圧回路から切り離されている場合、本発明に係る油圧駆動装置は、ポンプがモータを駆動させる従来の油圧駆動装置のように動作する。

高圧蓄積部に蓄積されたエネルギーは、ポンプで消費されるエネルギーがピークのときに、エネルギーを補うように用いられるため、ポンプを駆動させるのに用いられる内燃機関を小さくすることができる。このように内燃機関を小さくすることによって製造コストを低減することができる一方、他方では、内燃機関に作用する負荷がより均一になるため、油圧駆動装置のトータルエネルギー消費量も低減される。また、内燃機関の小型化に起因して、通常よりもより良い運転点で内燃機関を動作させることができる。

高圧蓄積部は、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記油圧回路における少なくとも２つの異なる接続点で、上記ポンプ及びモータのうち少なくとも一方と接続可能であるのが好ましい。高圧蓄積部は、油圧作動油のエネルギーが流入する一方の接続点と、蓄積された油圧作動油のエネルギーが流出する他方の接続点と、に接続可能である。また、これにより、ポンプ又はモータの油圧作動油の搬送方向を変えることも可能になる。

更に、上記コントローラは、エネルギー蓄積モードでは油圧作動油を上記高圧蓄積部に流入させる一方、エネルギー回生モードでは油圧作動油を上記高圧蓄積部から流出させるように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。これにより、例えばブレーキのとき又はポンプの負荷が小さいときにはエネルギーがコントローラによって高圧蓄積部に蓄積される一方、加速のときには高圧蓄積部からエネルギーが回収される。

更に、上記コントローラは、通常モードでは、上記ポンプ及びモータが閉回路において互いに接続されるように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。このようにポンプ及びモータを含む閉回路は、旋回装置駆動部を有する開回路と比べて非常に有利である。この閉回路により、エネルギーが蓄積も回生もされない段階において、ポンプによってモータを直接駆動することができる。

ここで、上記高圧蓄積部は、上記通常モードにおいて、上記ポンプ及びモータを含む閉回路から切り離されているのが好ましい。蓄積部がポンプ及びモータの間の圧力ラインに常に接続されていて２次的な調整が必要な油圧回路と比べて、油圧駆動装置の制御は調整可能なポンプによって行われるため、ここでは固定容量のモータが使用可能である。これにより、より簡単で低コストな構成が実現される。

更に、本発明に係る油圧駆動装置は、上記コントローラによって制御される少なくとも１つのバルブを介して、上記ポンプ及びバルブのうち少なくとも一方に接続可能な低圧蓄積部を更に備えているのが好ましい。ここでの「少なくとも１つのバルブ」とは、上記高圧蓄積部と油圧回路とを接続するバルブと同じバルブであってもよいし、独立した複数のバルブであってもよいし、バルブを組み合わせたものであってもよい。低圧蓄積部は、エネルギー蓄積モードでは油圧作動油を高圧蓄積部に供給し、エネルギー回生モードでは高圧蓄積部から流出する油圧作動油を受容する。

ここで、上記低圧蓄積部は、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記油圧回路における少なくとも２つの異なる接続点で、上記ポンプ及びバルブのうち少なくとも一方と接続可能であるのが好ましい。エネルギーが蓄積されているか回生されているかによって、低圧蓄積部は、対応する位置で、ポンプ及びバルブのうち少なくとも一方と接続される。モータ又はポンプの回転方向が異なる場合も、同様に可能である。

更に、上記コントローラは、エネルギー蓄積モードでは油圧作動油が上記低圧蓄積部から流出する一方、エネルギー回生モードでは油圧作動油が上記低圧蓄積部に流入するように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。これにより、エネルギー蓄積モード又はエネルギー回生モードでは、本発明に係る油圧駆動装置には油圧閉回路がなくなる。つまり、油圧作動油は、高圧蓄積部から低圧蓄積部に流れて油圧駆動装置にエネルギーを出力するか、又は、低圧蓄積部から高圧蓄積部に流れて油圧エネルギーを蓄積する。

更に、上記コントローラは、上記通常モードでは、上記低圧蓄積部が上記ポンプ及びモータを含む閉回路から切り離されるように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。通常モードでは、既に上述のようにモータ及びポンプを含む有利な閉回路が実現される。一方、上記バルブは、エネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードでは、閉回路が存在しないように切り替わる。

この点において、上記高圧蓄積部は、上記通常モードではポンプ及びモータを含む閉回路から完全に切り離される一方、低圧蓄積部は、必要な場合に閉回路の低圧側に油圧作動油を供給するように、逆止弁を介して上記閉回路の低圧側と接続されているのが好ましい。これにより、低圧蓄積部は、本発明に係る油圧システムにおいて、２次的な機能を満足させる。通常動作中、低圧蓄積部は、従来から知られているように逆止弁を介して閉回路の低圧側に油圧作動油を供給するように動作する。この目的のために、低圧蓄積部には、ポンプによって許容圧力が溜められているのが好ましい。これに対して、エネルギー蓄積モードでは、低圧蓄積部は、高圧蓄積部に供給される油圧作動油の供給源として役立つ。そして、エネルギー回生モードでは、低圧蓄積部は、高圧蓄積部から流出する油圧作動油のタンクとして役立つ。このために、低圧蓄積部は、上記エネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードでは、モータ又はポンプと接続されているのが好ましい。この点において、エネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードのうち少なくとも１つでは、ポンプ及びモータを含む閉回路が形成されないのが好ましい。

上記油圧駆動装置における高圧蓄積部は、本発明に係る油圧駆動装置において、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記ポンプの少なくとも流入側と接続可能であるのが好ましい。これにより、エネルギー回生モード中に、高圧蓄積部をポンプの流入側に接続できるため、ポンプで利用されるエネルギーを補うことができる。ポンプの差圧、つまりポンプを駆動させるのに必要なエネルギーは、ポンプの流入側に接続された高圧蓄積部によって減少される。従って、使用されるエネルギーがピークのときに高圧蓄積部によってエネルギーを補うことができるため、ポンプを駆動させるのに用いられる内燃機関を小さくすることができる。

更に、上記高圧蓄積部は、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記ポンプの両側と接続可能であるのが好ましい。これにより、特にポンプが双方向に動作するポンプである場合に、ポンプの動作方向に応じて高圧蓄積部をポンプの流入側と接続することができる。更に、ポンプによって高圧蓄積部にエネルギーを蓄積することができる。油圧モータの動作が不要な状態で油圧駆動装置が動作している段階であっても、内燃機関はポンプを駆動し続けることができ、高圧蓄積部にエネルギーを蓄積することができる。これにより、高負荷運転の間にも、エネルギーを回収することができる。また、油圧作動油は、油圧駆動装置のモータがポンプとして動作するブレーキ段階中、高圧蓄積部内に圧送されうる。この目的のために、高圧蓄積部は、ブレーキ段階において例えばポンプの流出側と接続されていれば十分である。

更に、低圧蓄積部は、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記モータの少なくとも流出側と接続可能であるのが好ましい。これにより、エネルギー回生モード時、高圧蓄積部から流出する油圧作動油は、モータを通過した後、低圧蓄積部に流入することができる。

更に、低圧蓄積部は、上記少なくとも１つのバルブを介して、上記モータの両側と接続可能であるのが好ましい。これにより、特に、双方向に動作するモータの回転方向がどちらであっても、エネルギーが回生される。上記モータは、ブレーキ段階ではポンプとして動作し、低圧蓄積部がモータの流出側に接続されると、上記モータは、油圧作動油を低圧蓄積部から高圧蓄積部へ圧送する。

本発明に係る油圧駆動装置のコントローラは、第１エネルギー蓄積モードでは、低圧蓄積部とモータと、場合によってはポンプと高圧蓄積部とが、油圧的に接続され、モータがポンプとして動作するように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。上述のように、ポンプとして動作するモータによって、油圧作動油が低圧蓄積部から高圧蓄積部に圧送される際のブレーキエネルギーが蓄積される。上記油圧作動油は、モータから高圧蓄積部に直接圧送されるか、又は、ポンプを介して搬送される。

本発明に係る油圧駆動装置のコントローラは、第２エネルギー蓄積モードでは、低圧蓄積部とポンプと高圧蓄積部とが、モータから切り離されるように油圧的に接続され、ポンプが油圧作動油を高圧蓄積部に圧送するように、上記少なくとも１つのバルブを制御するように構成されているのが好ましい。従って、ポンプを駆動させる内燃機関がサイクルのために少量のパワーだけを出力しなければならない段階において、余分なエネルギーを蓄積することができる。このエネルギーは、内燃機関に高い出力が要求される場合にも、これを補うのに役に立つ。内燃機関のエネルギー出力は、全体のサイクルに亘ってほとんど一定に保たれ、内燃機関の運転点は、消費エネルギーに関して好ましくなるように選択されうる。内燃機関は、これに応じて小さくすることが可能である。

更に、本発明に係る油圧駆動装置のコントローラは、第１エネルギー回生モードでは、上記高圧蓄積部からの圧力が上記ポンプで使用されるエネルギーを補助するため、高圧蓄積部とポンプとモータと低圧蓄積部とを油圧的に接続するように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。上述のように、ポンプの差圧は、高圧蓄積部とポンプの流入側とを接続することによって軽減されるため、ポンプを駆動させるには小さい駆動力でよい。このように、蓄積されたエネルギーを回収して油圧ポンプに利用することで、加速段階において、ポンプ機能が補助される。

更に、本発明に係る油圧駆動装置のコントローラは、第２エネルギー回生モードでは、高圧蓄積部とポンプと低圧蓄積部とが、モータがそれらから切り離されるように油圧的に接続され、ポンプがモータとして動作するように、上記少なくとも１つのバルブを切り替えるように構成されているのが好ましい。これは、ポンプが、他のエネルギー消費物を駆動させる駆動エンジン、特に内燃機関によって駆動される場合に有利である。これにより、ポンプで発生した駆動トルクは、トランスファーケースを介して他のエネルギー消費物に与えられる。ここでは、高圧蓄積部からのエネルギーがポンプを駆動する一方、油圧作動油は低圧蓄積部に流入する。

更に、上記コントローラは、駆動装置のブレーキ段階では、ポンプとして動作するモータを用いてエネルギー蓄積モード、特に第１エネルギー蓄積モードへ切り替える一方、駆動装置の加速段階では、必要に応じて、エネルギー回生モード、特に第１エネルギー回生モードへ切り替えるように構成されているのが好ましい。これにより、駆動装置のブレーキ段階ではブレーキエネルギーが失われることなく蓄積され、駆動装置の加速段階では上記ブレーキエネルギーが回生される。

更に、上記コントローラは、上記ポンプを駆動する駆動エンジンに小さい負荷が作用している段階では、第２エネルギー蓄積モードへ切り替えるように構成されているが好ましい。これにより、内燃機関の出力をほとんど一定に保つことができ、エネルギー消費及び内燃機関の小型化においてよい効果を得ることができる。更に、上記コントローラは、上記ポンプを駆動する駆動エンジンに大きい負荷が作用している段階では、第２エネルギー回生モードへ切り替えるように構成されているが好ましい。特にこれにより、モータとして動作するポンプによって生み出されたエネルギーを、他のエネルギー消費物で利用できる。

更に、上記モータ及びポンプは、本発明に係る油圧駆動装置において、油圧作動油を双方向に搬送可能であるであるのが好ましい。モータの回転方向は、閉回路においてポンプが油圧作動油を搬送する方向に応じて設定されうる。

更に、上記少なくとも１つのバルブは、以下に記載する３つの接続状態を可能にするように構成されているのが好ましい。

第１の接続状態は、上記高圧蓄積部が上記ポンプの第一側に接続され、上記低圧蓄積部が上記モータの第一側に接続され、上記モータの第二側とポンプの第二側とが互いに接続された状態である。油圧作動油が流れる方向に応じて、ポンプとして動作するモータによって高圧蓄積部にエネルギーが蓄積されるか、又は、高圧蓄積部がポンプの動作を補助する。

第２の接続状態は、上記高圧蓄積部が上記ポンプの第二側に接続され、上記低圧蓄積部が上記モータの第二側に接続され、上記モータの第一側とポンプの第一側とが互いに接続された状態である。この接続状態は、第１の接続状態とは反転した状態にあるため、第１の接続状態と比べて油圧駆動油が反対方向に流れる場合に、第１の接続状態に対応した機能が実現する。

第３の接続状態は、上記高圧蓄積部及び低圧蓄積部は、上記モータ及びポンプから切り離され、上記モータの第一側とポンプの第一側とが互いに接続され、モータの第二側とポンプの第二側とが互いに接続された状態である。この通常動作状態では、ポンプとモータとを含む閉回路が形成される。

特に、第１エネルギー蓄積モードと第１エネルギー回生モードとが、上記３つの接続状態によって実行される。

更に、上記少なくとも１つのバルブは、上記高圧蓄積部が上記ポンプの第一側に接続され、上記低圧蓄積部が上記ポンプの第二側に接続され、上記モータが上記ポンプ及び蓄積部から切り離された接続状態、という少なくとも１つの接続状態を可能にするように構成されているのが好ましい。上述のような接続を行うことにより、ポンプの回転方向によって、第２エネルギー蓄積モード又は第２エネルギー回生モードが実行される。

更に、本発明に係る油圧駆動装置のポンプが可変容量ポンプであるか、本発明に係る油圧駆動装置のモータが固定容量モータであるか、或いはその両方であるのが好ましい。これにより、モータ（2）が固定容量のモータで構成されていても、可変容量ポンプの旋回角度によって、油圧駆動装置を制御することができる。従って、本発明に係るシステムの制御は、可変容量ポンプを制御して本発明に係るエネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードを切り替えることによって、簡単に行うことができる。

この点において、上記ポンプの旋回角度は、上記コントローラの入力値となるのが好ましい。

更に、上記コントローラにデータとして入力される油圧を計測する少なくとも１つの圧力センサが設けられているのが好ましい。

更に、本発明に係る油圧駆動装置のコントローラは、操作者からの制御信号を処理するように構成されているのが好ましい。

コントローラへの入力値は、操作者からの制御信号、回路の異なる箇所での圧力、及びポンプの旋回角度である。出力値は、ポンプを制御する信号と、バルブを制御する信号であるのが好ましい。

従来から知られている一般的な旋回装置制御に加えて、本発明に従って油圧の蓄積管理を実行する本発明に係るコントローラによって、エネルギーを低減でき、ポンプを駆動するのにより小さい内燃機関を用いることができる。これにより、エネルギー消費量及び製造コストが削減され、加えて騒音公害も抑制される。この目的のために、コントローラは、本発明による利点を達成するようにポンプを制御する。

更に、上記コントローラは、上記ポンプを駆動する駆動エンジンを均一に駆動するように、上記駆動エンジンの電子機器と通信可能であるであるのが好ましい。第２エネルギー蓄積モードと、任意で第２エネルギー回生モードとを用いることによって、駆動エンジンが均一に駆動され、これによりエネルギー消費が低減され、ノイズの発生が抑制される。この点において、上記コントローラは、マイクロコントローラと、圧力及びポンプの旋回角度を検出するためのセンサーシステムと、を含む電子コントロールシステムであるのが好ましい。

更に、本発明には、上述のような油圧駆動装置を有する旋回装置が含まれる。この旋回装置による利点は、上記油圧駆動装置について記載されたものと同じである。

更に、本発明には、上述のような油圧駆動装置を有する旋回装置を備えた掘削機が含まれる。この掘削機による利点は、上記油圧駆動装置について記載されたものと同じである。

更に、本発明には、油圧駆動装置を制御するための方法、特に旋回装置の油圧駆動装置を制御するための方法、更には掘削機の旋回装置の油圧駆動装置を制御するための方法が含まれる。これらの方法では、バルブ及び場合によってはポンプが、エネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードが実行されるように制御される。

本発明について、実施形態及び図面を用いて以下に詳細に記載する。

図１は、本発明に係る油圧駆動装置の実施形態１を示す図である。図２は、本発明に係る油圧駆動装置の実施形態２を示す図である。図３は、本発明に係る油圧駆動装置の実施形態３を示す図である。

図１に、本発明に係る油圧駆動装置の実施形態１を示す。実施形態１では、ブレーキの際のエネルギーは、本発明に係る第１エネルギー蓄積モード中に、旋回装置がブレーキされている間に高圧蓄積部（3）に溜められる。そして、このエネルギーは、第１エネルギー回生モード中に、旋回駆動装置が再加速する際に、再び油圧駆動装置に戻される。従って、このディーゼルエンジンを小さくすることができる。

実施形態１では、本発明に係る油圧駆動装置は、ポンプ（1）とモータ（2）とを備えている。ポンプ（1）は、可変容量のアキシャルピストンポンプで構成されていて、モータ（2）は、固定容量のモータで構成されている。これらは、それぞれ、双方向に油圧作動油を搬送することができる。高圧蓄積部（3）は、６ポート３位置方向切替バルブで構成されたバルブ（4）を介してポンプ（1）と接続可能である。高圧蓄積部（3）は、バルブ（4）が右位置へ切り替えられた状態ではポンプ（1）の左側（11）と接続され、バルブ（4）が左位置へ切り替えられた状態ではポンプ（1）の右側（12）と接続される。また、低圧蓄積部（5）は、バルブ（4）が右位置へ切り替えられた状態ではモータ（2）の左側（21）と接続される一方、バルブ（4）が左位置へ切り替えられた状態ではモータ（2）の右側（22）と接続される。そして、ポンプの左側（11）とモータの左側（21）とは、バルブ（4）が左位置へ切り替えられた状態で互いに接続される一方、ポンプ（1）の右側（12）とモータ（2）の右側（22）とは、バルブ（4）が右位置に切り替えられた状態で互いに接続される。

これに対して、バルブ（4）が中央位置に切り替えられた状態では、高圧蓄積部（3）及び低圧蓄積部（5）は、モータ（2）及びポンプ（1）から切り離される一方、ポンプ（1）の左側（11）はモータ（2）の左側（21）と接続され、ポンプ（1）の右側（12）はモータ（2）の右側（22）と接続される。

閉回路が形成される通常動作中、低圧蓄積部（5）は、油圧回路の低圧側に油圧作動油を供給するように、２つの逆止弁を介してポンプ（1）の左側（11）及び右側（12）と接続されている。更に、低圧蓄積部（5）は、ポンプによって許容圧力が溜められる。低圧蓄積部（5）は、ここでは、ポンプに接続されている。低圧蓄積部（5）には、リリーフ弁が接続されている。

マイクロコントローラで構成されるコントローラ（6）は、上記バルブ（4）と、可変容量ポンプ（1）を制御する。油圧システムの圧力及びポンプの旋回角度は、コントローラ（6）への入力値として用いられる。操作者からの入力信号が、同様にして、コントローラ（6）に入力される。これにより、コントローラ（6）は、旋回装置の制御と、本発明に係る油圧の蓄積管理とを行うことができる。

図１に示す第１実施形態において、本発明に係る第１エネルギー蓄積モードでは、モータ（2）の回転方向に応じて、バルブ（4）が左位置又は右位置へ切り替えられる。これにより、上部旋回体がブレーキされる場合、モータ（2）がポンプの役割を果たし、ポンプ（1）がモータの役割を果たす。具体的には、低圧蓄積部（5）は、バルブ（4）を介してモータ（2）の流入側と接続される一方、高圧蓄積部（3）は、バルブ（4）を介してポンプ（1）の流出側と接続される。これにより、上部旋回体の運動エネルギーによって駆動させられるモータ（2）は、ポンプのように動作し、油圧作動油を低圧蓄積部（5）から高圧蓄積部（3）へ搬送する。従って、上部旋回体がブレーキされる際の運動エネルギーは、高圧蓄積部（5）に油圧エネルギーとして溜められる。

第１エネルギー回生モードでは、ポンプ（1）及びモータ（2）の回転方向に応じて、バルブ（4）が左位置又は右位置へ切り替えられる。第１エネルギー回生モードでは、油圧作動油の搬送方向に対するバルブ（4）の切替方向が、第１エネルギー蓄積モードとは全く反対になる。具体的には、高圧蓄積部（3）は、バルブ（4）を介してポンプ（1）の流入側と接続される一方、低圧蓄積部（5）は、モータ（2）の流出側と接続される。これにより、ポンプの差圧ΔＰが減少し、ひいてはポンプを操作するために要求される動力が減少する。この接続状態では、油圧作動油は、高圧蓄積部（3）から、ポンプ（1）及びモータ（2）を介して低圧蓄積部（5）へ流れる。そうなると、蓄積された油圧エネルギーが再び機械的エネルギーに変換される。旋回装置の加速エネルギーは、上述のように蓄積されたエネルギーによって補われる。

実施形態２は、実施形態１と比べて、バルブの構成以外は同様である。実施形態１におけるバルブが６ポート３位置方向切替バルブで構成されているのに対し、実施形態２におけるバルブは、左側の４ポート２位置方向切替バルブ（4a）と、右側の４ポート２位置方向切替バルブ（4b）とで構成されている。これらのバルブ（4a,4b）は、実施形態１の６ポート３位置方向切替バルブ（4）と同じ機能を有する。図２のように、左バルブ（4a）が左位置へ切り替えられるとともに右バルブ（4b）が右位置へ切り替えられた状態になると、通常モードで求められるポンプ及びモータの閉回路となる。この状態では、ポンプ（1）の左側（11）はモータ（2）の左側（21）と接続される一方、ポンプ（1）の右側（12）はモータ（2）の右側（22）と接続され、また、高圧蓄積部（3）及び低圧蓄積部（5）は、ポンプ（1）及びモータ（2）から切り離される。これに対して、左バルブ（4a）が左位置へ切り替えられるとともに右バルブ（4b）も左位置へ切り替えられた状態となると、高圧蓄積部（3）はポンプ（1）の右側に接続される一方、低圧蓄積部（5）はモータ（2）の右側（22）に接続される。また、左バルブ（4a）が右位置へ切り替えられるとともに右バルブ（4b）が左位置へ切り替えられた状態となると、高圧蓄積部（3）がポンプ（1）の左側（11）に接続される一方、低圧蓄積部（5）がモータ（2）の左側（21）に接続される。第１実施形態の場合と同様、コントローラ（6）でバルブ（4a,4b）を制御することによって、バルブ（4a,4b）は、通常モード、第１エネルギー蓄積モード、そして第１エネルギー回生モードに必要な接続を構築する。油圧作動油の搬送方向は、コントローラによってポンプ（1）の調整角度を設定することによって決められる。

図３に示す実施形態３は、接続の観点では実施形態２と同じであるが、左バルブ（4a）及び右バルブ（4b）は、それぞれ、実施形態２で記載された左位置及び右位置の他に、中央位置を有している。左バルブ（4a）が中央位置に切り替えられた状態では、高圧蓄積部（3）はポンプの左側（11）に接続されるが、低圧蓄積部（5）とモータ（2）の左側とは接続されない。一方、右バルブ（4b）が中央位置に切り替えられた状態では、低圧蓄積部（5）はポンプ（1）の右側（12）に接続されるが、高圧蓄積部（3）はモータ（2）の右側から切り離される。

図３に示す実施形態３では、上記４ポート３位置方向切替バルブ（4a,4b）を上述のように配置することによって、第２エネルギー蓄積モード及び第２エネルギー回生モードを実行することができるようになる。

２つのバルブ（4a,4b）がともに中央位置に切り替えられた状態となると、モータ（2）はポンプ（1）から切り離される一方、ポンプ（1）は高圧蓄積部（3）及び低圧蓄積部（5）と接続されるため、高圧蓄積部には、ポンプの回転する方向に応じて、エネルギーが蓄積される。そしてこれが、第２エネルギー蓄積モードに対応する。ここでは、ポンプの低圧側から流入する油圧作動油は、低圧蓄積部（5）から供給される。高圧蓄積部（3）に油圧作動油が満たされた場合、ポンプ（1）はゼロ位置に戻る。余分なエネルギーは、ポンプ（1）を駆動するための駆動エンジンが１サイクルで少量のパワーのみを出力する段階で蓄積される。

これに対して、２つのバルブ（4a,4b）を中央位置に切り替えた状態でポンプ（1）を他方向へ回転させることによって、ポンプは、モータとして使用される。ここでは、油圧作動油は、高圧蓄積部（3）から、ポンプ（1）を介して低圧蓄積部（5）へ流れるため、高圧蓄積部（3）に蓄積されたエネルギーは、モータとして動作するポンプ（1）を駆動させる。余分な駆動トルクが、トランスファーケースを介して、他のエネルギー消費物に利用できるようになる。

図３に示す実施形態３において、実施形態１や２の場合と同様に、第１エネルギー蓄積モード及び第１エネルギー回生モードを実行することも可能である。このための過程は、実施形態１及び２における過程と同様である。

本発明によるエネルギーの蓄積及び回生によって、ポンプ（1）を駆動させるディーゼルエンジンを小さくできるため、コストを削減できるとともに、装置のサイズ及び重量を小さくすることができる。これによりエネルギー消費量も減少できる。

更に、モータの加速段階において、仮にディーゼルエンジンが負荷のピークに対応するように構成される必要がなくなると、消費エネルギーの観点から、内燃機関の運転点をより最適に選定することができる。特に、第２エネルギー蓄積モードによって、ディーゼルエンジンのエネルギー出力をトータルサイクルにおいてほぼ一定に保つことが可能になる。これにより、エネルギー消費量が最適化される。加えて、第２エネルギー回生モードによって、他のエネルギー消費物の負荷ピークを緩和できるため、ディーゼルエンジンを更に小型化できる。

Claims

油圧駆動装置を有する掘削機の旋回装置であって、
上記油圧駆動装置は、
ポンプ（1）及びモータ（2）を含む油圧回路と、
少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記ポンプ（1）及びモータ（2）のうち少なくとも一方と接続可能な高圧蓄積部（3）と、
上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を制御するコントローラ（6）と、を備え、
上記高圧蓄積部（3）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記油圧回路における少なくとも２つの異なる接続点で、上記ポンプ（1）及びモータ（2）のうち少なくとも一方と接続可能であり、
上記コントローラ（6）は、エネルギー蓄積モードでは油圧作動油が上記高圧蓄積部（3）に流入する一方、エネルギー回生モードでは油圧作動油が上記高圧蓄積部（3）から流出するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成され、
上記コントローラ（6）は、通常モードでは、上記ポンプ（1）及びモータ（2）が閉回路において互いに接続されるように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成され、
上記高圧蓄積部（3）は、上記通常モードでは、上記ポンプ（1）及びモータ（2）を含む閉回路から切り離されており、
上記油圧駆動装置は、上記コントローラ（6）によって制御される少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記ポンプ（1）及びバルブ（2）のうち少なくとも一方に接続可能な低圧蓄積部（5）を更に備えることを特徴とする旋回装置。
請求項１に記載の旋回装置において、
上記低圧蓄積部（5）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記油圧回路における少なくとも２つの異なる接続点で、上記ポンプ（1）及びバルブ（2）のうち少なくとも一方と接続可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１に記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、エネルギー蓄積モードでは油圧作動油が上記低圧蓄積部（5）から流出する一方、エネルギー回生モードでは油圧作動油が上記低圧蓄積部（5）に流入するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１に記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、上記通常モードでは、上記低圧蓄積部（5）が上記ポンプ（1）及びモータ（2）を含む閉回路から切り離されるように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１に記載の旋回装置において、
上記エネルギー蓄積モード及びエネルギー回生モードのうち少なくとも１つのモードでは、ポンプ（1）及びモータ（2）を含む閉回路が形成されないことを特徴とする旋回装置。
請求項１から５のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記高圧蓄積部（3）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記ポンプ（1）の少なくとも流入側（11,12）と接続可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１から６のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記高圧蓄積部（3）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記ポンプ（1）の両側（11,12）と接続可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１から７のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記低圧蓄積部（5）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記モータ（2）の少なくとも流出側（21,22）と接続可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１から８のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記低圧蓄積部（5）は、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を介して、上記モータ（2）の両側（21,22）と接続可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１から９のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、第１エネルギー蓄積モードでは、低圧蓄積部（5）とモータとが油圧的に接続されてモータ（2）がポンプとして動作する、又は低圧蓄積部（5）とモータとポンプ（1）と高圧蓄積部（3）とが油圧的に接続されてモータ（2）がポンプとして動作するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１０のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、第２エネルギー蓄積モードでは、低圧蓄積部（5）とポンプ（1）と高圧蓄積部（3）とがモータ（2）と切り離されながら油圧的に接続されてポンプ（1）が油圧作動油を高圧蓄積部（3）に圧送するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１１のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、第１エネルギー回生モードでは、上記高圧蓄積部（3）からの圧力が上記ポンプ（1）で使用されるエネルギーを補助するため、高圧蓄積部（3）とポンプ（1）とモータ（2）と低圧蓄積部（5）とを油圧的に接続するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１２のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、第２エネルギー回生モードでは、高圧蓄積部（3）とポンプ（1）と低圧蓄積部（5）とがモータ（2）から切り離されながら油圧的に接続されてポンプ（1）がモータとして動作するように、上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）を切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１３のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記ポンプ（1）は、他のエネルギー消費物を駆動する駆動エンジン、特に内燃機関によって駆動されることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１４のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、駆動装置のブレーキ段階では、ポンプとして動作するモータ（2）を用いてエネルギー蓄積モード、特に第１エネルギー蓄積モードへ切り替える一方、加速段階では、必要に応じて、エネルギー回生モード、特に第１エネルギー回生モードへ切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１５のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、上記ポンプ（1）を駆動する駆動エンジンに小さい負荷が作用している段階では、第２エネルギー蓄積モードへ切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１６のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、上記ポンプ（1）を駆動する駆動エンジンに大きい負荷が作用している段階では、第２エネルギー回生モードへ切り替えるように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１７のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記モータ（2）及びポンプ（1）は、油圧作動油を双方向に搬送可能であることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１８のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）は、
上記高圧蓄積部（3）が上記ポンプ（1）の第一側に接続され、上記低圧蓄積部（5）が上記モータ（2）の第一側に接続され、上記モータ（2）及びポンプ（1）の第二側同士が互いに接続された接続状態と、
上記高圧蓄積部（3）が上記ポンプ（1）の第二側に接続され、上記低圧蓄積部（5）が上記モータ（2）の第二側に接続され、上記モータ（2）及びポンプ（1）の第一側同士が互いに接続された接続状態と、
上記高圧蓄積部（3）及び低圧蓄積部（5）が上記モータ（2）及びポンプ（1）から切り離され、上記モータ（2）及びポンプ（1）の第一側同士及び第二側同士が互いに接続されている接続状態と、
という少なくとも３つの接続状態を可能にするように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から１９のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記少なくとも１つのバルブ（4,4a,4b）は、上記高圧蓄積部（3）が上記ポンプ（1）の第一側に接続され、上記低圧蓄積部（5）が上記ポンプ（1）の第二側に接続され、上記モータ（2）が上記ポンプ（1）及び蓄積部（3,5）から切り離された接続状態、という少なくとも１つの接続状態を可能にするように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２０のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記ポンプ（1）が可変容量ポンプであるか、上記モータ（2）が固定容量モータであるか、或いはその両方であることを特徴とする旋回装置。
請求項２１に記載の旋回装置において、
上記ポンプ（1）の旋回角度は、上記コントローラ（6）の入力信号として用いられることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２２のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
計測した油圧を計測値として上記コントローラ（6）へ送信する少なくとも１つの圧力センサを更に備えていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２３のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、操作者からの制御信号を処理するように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２４のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、上記ポンプ（1）を制御するように構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２５のうちいずれか１つに記載の旋回装置において、
上記コントローラ（6）は、上記ポンプ（1）を駆動する駆動エンジンを均一に駆動するように、上記駆動エンジンの電子機器と通信可能に構成されていることを特徴とする旋回装置。
請求項１から２６のうちいずれか１つに記載の旋回装置を備えた掘削機。