JP5848457B2 - アクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機に係り、特に、電気モータの正逆回転駆動によって油圧シリンダの伸縮駆動を制御するハイブリッド掘削機において、油圧ラインの圧力差によって作動されるシャトル弁が油圧シリンダのピストンにかかる力の方向に応じて動くようにして、ブームシリンダなどの作動開始時に発生する衝撃を低減できるようにしたアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機に関する。

一般に、ハイブリッド掘削機は、電気モータの駆動に応じてハイブリッドアクチュエータ（油圧ポンプ−モータをいう）から吐き出される作動油によって、ブームシリンダなどを伸縮駆動することによりブームなどの作業装置を操作する。すなわち、電気モータの正逆回転駆動によって、ブームシリンダの伸縮駆動を制御することが可能になる。ブームを下降させる作業モードにおいては、自重によってブームシリンダの大チャンバに高圧が発生し、大チャンバから排出される作動油によって油圧ポンプ−モータを駆動することにより電気モータを発電させる。

図１から図５に示す通常のハイブリッド掘削機は、
電気モータ１１と、
電気モータ１１に連結されて正方向または逆方向に駆動する油圧ポンプ−モータ１２と、
油圧ポンプ−モータ１２に連結されて第１及び第２流路１３、１４に沿って供給される作動油によって伸縮駆動する油圧シリンダ１５（ブームシリンダに限定されない）と、
第１及び第２流路１３、１４にそれぞれ配設され、外部からの制御信号によって切り換えられるときに第１及び第２流路１３、１４を断続する第１及び第２油圧弁１６、１７と、
第１及び第２油圧弁１６、１７の上流側の第１及び第２流路１３ａ、１４ａと第１及び第２油圧弁１６、１７の下流側の第１及び第２流路１３ｂ、１４ｂにそれぞれ分岐状に接続される第１及び第２分岐流路１８、１９に連結される連結通路２０に配設され、油圧ポンプ−モータ１２の正逆回転駆動時に油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂ及び小チャンバ１５ａの断面積差によって発生する流量差を克服するために、流量を補償（ｍａｋｅ ｕｐ）したりバイパス（ｂｙ ｐａｓｓ）したりする第３油圧弁２１（第１及び第２流路１３、１４の圧力をパイロット信号圧として用いて切り換えられる）と、を備える。

このとき、ブーム１と、アーム２及びバケット３からなり、それぞれの油圧シリンダ１５、４、５によって駆動する作業装置６と、運転室キャブ７などをはじめとする構成要素は、本発明が属する技術分野の掘削機と同様であるため、これらの構成要素及び作動についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面に基づき、ハイブリッド掘削機の作動例について説明する。

図１に示すように、上述した油圧ポンプ−モータ１２の正回転または逆回転駆動によって、油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第２流路１４（１４ａ、１４ｂ）を介して油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに供給されるか、あるいは、油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第１流路１３（１３ａ、１３ｂ）を介して油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａに供給される。これにより、油圧シリンダ１５を伸縮駆動することができる。

図２に示すように、上述した油圧シリンダ１５に加えられる荷重方向１によって、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに高圧が発生する状況において、電気モータ１１の駆動によって油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第２流路１４を介して油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに供給され、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａからの作動油が第１流路１３を介して排出されて油圧シリンダ１５を伸長駆動する。

上述した第２流路１４に形成される圧力は、第１流路１３に形成される圧力よりも相対的に高くなるため、第１及び第２流路１３、１４の作動油をパイロット信号圧として用いる第３油圧弁２１は、図中の上方向に切り換えられる。このとき、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂの断面積が小チャンバ１５ａの断面積よりも相対的に大きいため、ドレインライン２２を介して作動油を補償して油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに供給する。

図３に示すように、上述した油圧シリンダ１５に加えられる荷重方向１によって油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに高圧が発生する状況において、油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第１流路１３を介して油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａに供給され、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂからの作動油が第２流路１４を介して排出されて油圧シリンダ１５を収縮駆動する。

上述した油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂから帰還する高圧の作動油は、油圧ポンプ−モータ１２に流れ込んでこれを駆動して発電をすることになる。第２流路１４に形成される圧力が、第１流路１３に形成される圧力よりも相対的に高くなるため、第３油圧弁２１を図中の上方向に切り換える。このとき、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂから排出される流量が、小チャンバ１５ａに流れ込む流量よりも相対的に多くなるため、第２流路１４側の作動油の一部を連結通路２０−ドレインライン２２に通過させ、油圧タンクＴに移動させる。

図４に示すように、上述した油圧シリンダ１５に加えられる荷重方向２によって、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａに高圧が発生する状況において、電気モータ１１の駆動によって、油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第２流路１４を介して油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂに供給され、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａからの作動油が第１流路１３を介して排出されて油圧シリンダ１５を伸長駆動する。このとき、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａから帰還される高圧の作動油は、油圧ポンプ−モータ１２に流れ込んでこれを駆動して発電をすることになる。

上述した第１流路１３に形成される圧力は、第２流路１４に形成される圧力よりも相対的に高くなるため、第３油圧弁２１は図中の下方向に切り換えられる。油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａから吐き出される流量よりも大チャンバ１５ｂに必要な流量の方が相対的に多くなる。このとき、第３油圧弁２１によってドレインライン２２を介して油圧タンクＴから作動油を吸入した後、第３油圧弁２１−第１分岐流路１８を介して第２流路１４側の作動油に合流させる。

図５に示すように、上述した油圧シリンダ１５に加えられる荷重方向２によって、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａに高圧が発生する状況において、電気モータ１１の駆動によって、油圧ポンプ−モータ１２からの作動油が第１流路１３を介して油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａに供給され、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂからの作動油が第２流路１４を介して排出されて油圧シリンダ１５を収縮駆動する。

上述した第１流路１３に形成される圧力は、第２流路１４に形成される圧力よりも相対的に高くなるため、第３油圧弁２１は図中の下方向に切り換えられる。油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂから吐き出される流量は、油圧ポンプ−モータ１２に流れ込む流量よりも相対的に多くなる。このとき、第２流路１４側の流量の一部は第１分岐流路１８−第３油圧弁２１−ドレインライン２２を介して油圧タンクＴ側に移動する。

図６に示すように、ブーム１などからなる作業装置６の位置において装備の作動を停止すると、それぞれの油圧シリンダ１５、４、５に上述した荷重方向１（油圧シリンダを収縮駆動する場合をいう）に僅かな荷重が発生する。このとき、それぞれの油圧シリンダが駆動しないと、漏油を防止できるように第１及び第２油圧弁１６、１７が第１及び第２流路１３、１４を閉じる位置に切り換えられるため、油圧シリンダの内部圧力は低下しない。

一方、作動油は僅かな圧縮性を有するため、作業装置６の急停止または他の油圧シリンダの作動（例えば、ブームシリンダ１５の駆動を停止したのに対し、アームシリンダ４を駆動する場合をいう）によって振動が発生することがある。

図７に示すように、上述した第１及び第２油圧弁１６、１７が閉じられているときにも、油圧シリンダ１５は作動油が補償されて、振動後にも所定の圧力が発生する。油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂの断面積が小チャンバ１５ａの断面積よりも相対的に大きいため（通常の掘削機の場合、約２倍である）、同じ圧力が発生するときにも大チャンバ１５ｂにおいてピストンを動かす力が大きく、大チャンバ１５ｂの圧力が小チャンバ１５ａの圧力の１／２になるときに、互いに押す力が等しくなる。ブームシリンダ１５に加えられる荷重方向１によってブームシリンダ１５を収縮駆動すると、小チャンバ１５ａの圧力ａが大チャンバ１５ｂの圧力ｂよりも相対的に高くなる（図７及び図８に示す）。

図８及び図９に示すように、上述した油圧シリンダ１５に荷重方向１によって外力が加えられる条件下で、作業をするために制御信号を加えて第１及び第２油圧弁１６、１７を開放位置に切り換えることにより、第１流路１３に高圧が形成され、第２流路１４には低圧が形成される。これにより、第３油圧弁２１は図中の下方向に切り換えられる。

図９及び図１０に示すように、上述した油圧シリンダ１５のピストンが数ｍｍ移動しながら大チャンバ１５ｂに形成されていた圧力が解放されるとき、第３油圧弁２１が図中の上方向に切り換えられて油圧シリンダ１５は正常に作動する。

図８及び図９に示すように、上述した第１及び第２油圧弁１６、１７が閉止位置から開放位置に切り換えられ、第３油圧弁２１が中立位置から第１流路１３側の圧力によって図中の下方向に切り換えられる過程で、油圧シリンダ１５のピストンが数ｍｍ移動される。このとき、油圧シリンダ１５のピストンが激しく移動することはないが、作業装置６の先端は数十ｍｍ移動するため、操作性及び作業性が低下するという問題点を有する。

本発明の実施形態は、油圧シリンダの大チャンバ及び小チャンバの断面積差によって発生する流量差を制御するシャトル弁が、油圧シリンダのピストンにかかる力の方向に応じて動くようにして、ブームシリンダなどの作動開始時に発生する衝撃を低減して、操作性及び作業性を向上できるようにしたアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機と関連する。

本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機は、
電気モータと、
電気モータに連結されて正方向または逆方向に駆動する油圧ポンプ−モータと、
油圧ポンプ−モータに連結される第１及び第２流路に沿って供給される作動油によって伸縮駆動する油圧シリンダと、
油圧ポンプ−モータと油圧シリンダとの間の第１及び第２流路にそれぞれ配設され、外部からの制御信号によって切り換えられるときに第１及び第２流路を断続する第１及び第２油圧弁と、
第１及び第２油圧弁の上流側の第１及び第２流路と、第１及び第２油圧弁の下流側の第１及び第２流路にそれぞれ分岐状に接続される第１及び第２分岐流路に連結される連結通路に配設され、切換え時に油圧シリンダの大チャンバ及び小チャンバの断面積差によって発生する流量差を克服するために流量を補償したりバイパスしたりする第３油圧弁と、
第３油圧弁を切り換えるように第１及び第２流路の圧力をパイロット信号圧として供給し、パイロットチャンバの断面積が異なるように形成される第１及び第２パイロットチャンバと、を備える。

本発明の好適な実施形態によれば、上述した第３油圧弁の第１及び第２パイロットチャンバの断面積比は、油圧シリンダの小チャンバ及び大チャンバの断面積比と等しい。

上述した第３油圧弁の第１及び第２パイロットチャンバの断面積比は、１：２である。

上述した油圧シリンダは、ブームシリンダと、アームシリンダ及びバケットシリンダのうちのいずれか一種である。

上述したように構成される本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機は、下記のメリットを有する。

油圧ポンプと油圧シリンダとの間の流路の圧力差によって作動されるシャトル弁のパイロットチャンバの断面積比を、油圧シリンダの大チャンバ及び小チャンバの断面積比と等しくして、油圧シリンダのピストンにかかる力の方向に応じてシャトル弁が動くようにする。したがって、ブームシリンダなどの作動開始時に発生する衝撃を低減することにより、操作性を向上させることができる。

本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機の概略図である。 図１に示すハイブリッド掘削機の作動を説明するための図である。 図１に示すハイブリッド掘削機の作動を説明するための図である。 図１に示すハイブリッド掘削機の作動を説明するための図である。 図１に示すハイブリッド掘削機の作動を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機において、アクチュエータの収縮方向に小さな荷重が発生することを示す図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機において、アクチュエータの収縮方向に荷重が発生するとき、小チャンバの圧力が大チャンバよりも高いことを示すグラフである。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機において、アクチュエータの収縮方向に荷重が発生するとき、小チャンバの圧力が大チャンバよりも高いことを説明するための図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機において、図８に示すシャトル弁の中立状態でアクチュエータピストンを駆動するときのシャトル弁の誤作動を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機において、アクチュエータピストンが所定量駆動し、シャトル弁の正常的な位置に戻ることを説明するための図である。 本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システムが適用されるハイブリッド掘削機におけるシャトル弁の要部抜粋図である。

以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述するが、これは本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が発明を容易に実施できる程度に詳細に説明するためのものであり、これにより本発明の技術的な思想及び範疇が限定されることはない。

図１から図１１に示す本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機は、
電気モータ１１と、
電気モータ１１に連結されて正方向または逆方向に駆動する油圧ポンプ−モータ１２と、
油圧ポンプ−モータ１２に連結される第１及び第２流路１３、１４に沿って供給される作動油によって伸縮駆動する油圧シリンダ１５と、
油圧ポンプ−モータ１２と油圧シリンダ１５との間の第１及び第２流路１３、１４にそれぞれ配設され、外部からの制御信号によって切り換えられるときに第１及び第２流路１３、１４を断続する第１及び第２油圧弁１６、１７と、
第１及び第２油圧弁１６、１７の上流側の第１及び第２流路１３ａ、１４ａと、第１及び第２油圧弁１６、１７の下流側の第１及び第２流路１３ｂ、１４ｂにそれぞれ分岐状に接続される第１及び第２分岐流路１８、１９に連結される連結通路２０に配設され、切換え時に油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂ及び小チャンバ１５ａの断面積差によって発生する流量差を克服するために流量を補償したりバイパスしたりする第３油圧弁３０と、
第３油圧弁３０（油圧シリンダ１５のピストンにかかる力の方向に応じて駆動することにより、油圧シリンダ１５の作動開始時に発生する衝撃を低減することができる）を切り換えるように第１及び第２流路１３、１４の圧力をパイロット信号圧として供給し、パイロットチャンバの断面積が異なるように形成される第１及び第２パイロットチャンバ３１、３２と、を備える。

このとき、上述した第３油圧弁３０の第１及び第２パイロットチャンバ３１、３２の断面積比は、油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａ及び大チャンバ１５ｂの断面積比と等しい。

上述した第３油圧弁３０の第１及び第２パイロットチャンバ３１、３２の断面積比は、１：２である。

上述した油圧シリンダ１５は、ブームシリンダと、アームシリンダ及びバケットシリンダのうちのいずれか一種である。

このとき、上述した油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａ及び大チャンバ１５ｂの断面積比と同じ断面積比を有し、パイロットチャンバの断面積が異なるように構成された第１及び第２パイロットチャンバ３１、３２が設けられた第３油圧弁３０を除く構成は、図１に示すハイブリッド掘削機の構成と同様であるため、これらの構成及び作動の詳細な説明は省略し、重複する構成要素には同じ符号を附する。

以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機の使用例について詳細に説明する。

図１から図１１に示すように、上述した電気モータ１２の正逆回転に応じて電気モータ１２の駆動によって油圧ポンプ−モータ１２から油圧シリンダ１５に作動油を供給するとき、油圧シリンダ１５の大チャンバ１５ｂ及び小チャンバ１５ａの断面積差によって発生する流量差を克服することができる。すなわち、第３油圧弁３０の第１及び第２パイロットチャンバ３１、３２の断面積比が油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａ及び大チャンバ１５ｂの断面積比と等しい。

これにより、電気モータ１２の駆動によって油圧ポンプ−モータ１２から吐き出される作動油を油圧シリンダ１５に供給すると、第３油圧弁３０によって油圧シリンダ１５の小チャンバ１５ａ及び大チャンバ１５ｂの断面積差による流量に見合う分だけ補償したり、過剰な流量を油圧タンクＴにドレインする。このため、油圧ポンプ−モータ１２から吐き出される作動油を断面積が異なる大チャンバ１５ｂ及び小チャンバ１５ａからなる油圧シリンダ１５に最適な条件で供給することができる。

上述した本発明の実施形態によるアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機によれば、電気モータの正逆回転駆動によって油圧シリンダの伸縮駆動を制御するハイブリッド掘削機において、シャトル弁のパイロットチャンバの断面積比を油圧シリンダの大チャンバ及び小チャンバの断面積比と等しくして、油圧シリンダのピストンにかかる力の方向に応じてシャトル弁が動くようにする。これにより、ブームシリンダなどの作動開始時に発生する衝撃を低減することができる。

１１ 電気モータ
１２ 油圧ポンプ−モータ
１３ 第１流路
１４ 第２流路
１５ 油圧シリンダ
１６ 第１油圧弁
１７ 第２油圧弁
１８ 第１分岐流路
１９ 第２分岐流路
２０ 連結通路
３０ 第３油圧弁
３１ 第１パイロットチャンバ
３２ 第２パイロットチャンバ

Claims (4)

1. 電気モータと、
   前記電気モータに連結されて正方向または逆方向に駆動する油圧ポンプ−モータと、
   前記油圧ポンプ−モータに連結される第１流路に小チャンバが連結され、前記油圧ポンプ−モータに連結される第２流路に大チャンバが連結されており、前記第１および第２流路に沿って供給される作動油によって伸縮駆動する油圧シリンダと、
   前記油圧ポンプ−モータと油圧シリンダとの間の第１及び第２流路にそれぞれ配設され、外部からの制御信号によって切り換えられるときに第１及び第２流路を断続する第１及び第２油圧弁と、
   前記第１及び第２油圧弁の上流側の第１及び第２流路と、第１及び第２油圧弁の下流側の第１及び第２流路にそれぞれ分岐状に接続される第１及び第２分岐流路に連結される連結通路に配設され、切換え時に前記油圧シリンダの大チャンバ及び小チャンバの断面積差によって発生する流量差を克服するために、流量を補償したりバイパスしたりする第３油圧弁と、
   前記第３油圧弁を切り換えるように前記第１及び第２流路の圧力をパイロット信号圧として供給し、パイロットチャンバの断面積が異なるように形成される第１及び第２パイロットチャンバと、を備えることを特徴とするアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機。
2. 前記第３油圧弁の第１及び第２パイロットチャンバの断面積比は、前記油圧シリンダの小チャンバ及び大チャンバの断面積比と等しいことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機。
3. 前記第３油圧弁の第１及び第２パイロットチャンバの断面積比は、１：２であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機。
4. 前記油圧シリンダは、ブームシリンダ、アームシリンダ及びバケットシリンダのうちのいずれか一種であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ衝撃低減システム付きハイブリッド掘削機。

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