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公開番号2023181948
公報種別公開特許公報(A)
公開日2023-12-25
出願番号2022105126
出願日2022-06-13
発明の名称エネルギー回生システム
出願人個人
代理人
主分類F15B 21/14 20060101AFI20231218BHJP(流体圧アクチュエータ;水力学または空気力学一般)
要約【課題】油圧ショベルのエネルギ回生システムにおいて、システムのコストの増大および必要車載スペースの増大を抑制する。
【解決手段】作業機シリンダ12、13、14を駆動する共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ2連可変容量油圧ポンプモータ20、21、22及び、旋回用及び走行用の両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータ20、21、22に接続された両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータ23を、歯車装置19を介して原動機18によって駆動する。歯車装置19に接続された駆動圧に伴い容量の増加する可変容量油圧モータ24を設け、可変容量油圧ポンプモータ23、可変容量油圧モータ24と旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータ15、16、17間の油圧回路に油圧アキュムレータ25を設け、歯車装置19の原動機18からの入力トルクが負にならない様に可変容量油圧ポンプモータ23の容量を制御する事により油圧アキュムレータ25に再生エネルギを蓄圧する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
油圧ショベルのエネルギー回生システムであって、作業機シリンダを駆動する、共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ２連可変容量油圧ポンプモータと、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータを駆動する両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータが歯車装置を介して共通の原動機によって駆動されるエネルギー回生システム。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
請求項１において、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータを駆動する油圧回路に油圧アキュムレータを設けたエネルギー回生システム。
【請求項３】
請求項２において、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータを駆動する油圧回路に前記歯車装置に連結された、駆動圧に比例して容量が増加する可変容量油圧モータを設け、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータを駆動する可変容量ポンプモータの容量を制御する事により、駆動圧を所定の値にするとともに、前記歯車装置の原動機からの入力トルクが負にならない様に、可変容量ポンプモータの容量を制御する事により、前記油圧アキュムレータに回生エネルギーを蓄圧するエネルギー回生システム。
【請求項４】
可変容量油圧ポンプモータの出力油圧回路に、その駆動軸が直接または、歯車装置を介して結合された、駆動圧の増大に伴い容量を増加する可変容量油圧モータを設け、該可変容量油圧ポンプモータの容量を制御する事により、駆動圧を制御する油圧システム。
【請求項５】
油圧シリンダを駆動する、構成する２つの油圧ポンプモータの一方の油圧ポンプモータの出力ポートの内、一方が油圧シリンダのヘッド側と連通し、他方の出力ポートはケースの内側を介してタンクポートと連通し、もう一方の油圧ポンプモータの出力ポートの内一方は、油圧シリンダのヘッド側と連通し、他方の出力ポートは油圧シリンダのロッド側と連通する構成で、ヘッド側への容量とロッド側への容量の比が、油圧シリンダのヘッド側の受圧面積とロッド側の受圧面積の比に設定され、共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持ち、斜板制御用ピストンに、構成する２つの油圧ポンプモータが合流された出力ポートと一方の油圧ポンプモータの出力ポートがそれぞれがケースの内側を介してタンクポートと、斜板が０度時及び、吸い込み位置で所定面積が連通する切り欠きを設けてこもり圧発生を抑制し、また、油圧ポンプモータの出力ポートと油圧シリンダとの連結ポート間は逆止弁が設けられた通路と、傾転角０度時サーボピストンにより閉じられ、斜板が吸い込み位置でサーボピストンの切り欠きにより開口する通路が設けられており、シリンダ接続ポートに吸い込み弁が設けられケース内を介してタンクポートと連通し負圧を防止している２連可変容量油圧ポンプモータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は油圧ショベルにおけるエネルギー回生システムの改善に関する。
続きを表示（約 5,800 文字）【背景技術】
【０００２】
油圧ショベルは、図１に示す様に、作業機であるブーム３、アーム５、バケット７を備える上部旋回体１が下部走行体２に対して旋回する構成になっている。基本作業の一例として、土砂を掘削、持ち上げ、旋回、ダンプトラックへ積み込み、旋回、持ち下げのサイクルを繰り返す。このサイクルの積み込み作業において作業機の持ち上げ動作に伴って作業機と掘削した土砂が位置エネルギーを持つ、ダンプトラックへの積み込み後、持ち下げ動作により作業機の位置エネルギーは油圧バルブにより絞り損失として熱エネルギーとなる。また、上部旋回体の旋回駆動に伴う回転慣性エネルギーは旋回停止時、油圧バルブにより絞り損失として熱エネルギーとなる。
これらエネルギーの回生についてのシステムが提案されている。その一例として特許文献１（図６）がある。内燃エンジン５６で駆動された発電電動機５７から交直変換器５８、インバータ５９を介して、発電電動機６３により、ブームシリンダ５３に接続された２連ポンプ６７を駆動する構成とする事によりブームシリンダ５３の位置エネルギーは発電電動機６３で電気エネルギーとして回生される。上部旋回体の旋回は、インバータ６０を介して、発電電動機６４によって駆動され、回転慣性エネルギーは電気エネルギーとして回生される。これらの電気エネルギーはインバータ５９、６０、変換器６８を介してコンデンサ６９に蓄電される。発電電動機６５、６６は下部走行体の駆動用である。また、アームシリンダ５４、バケットシリンダ５５は可変容量油圧ポンプ７０に接続され油圧制御器７１を介して制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２００２－２４２２３４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記図６のシステムによれば、ブームシリンダ５３用の発電電動機６３、旋回用の発電電動機６４および、走行用の発電電動機６５、６６、インバータ５９、６０、６１、６２、コンデンサ６９等多くの電気機器が必要となる。このため、システムのコストの増大および必要車載スペースが増大してしまうと言う問題点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ブーム、アーム、バケットシリンダをそれぞれ駆動する、共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ２連可変容量油圧ポンプモータと、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータを駆動する両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータを、歯車装置を介して共通の原動機よって駆動し、該旋回用もしくは、旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータと該可変容量ポンプモータ間の油圧回路に油圧アキュムレータ、及び歯車装置に接続された駆動圧に比例して容量が増加する可変容量油圧モータを設け、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の可変容量油圧ポンプモータを駆動する可変容量ポンプモータの容量を、駆動圧が所定の値になる様に制御するとともに歯車装置の原動機からの入力トルクが負にならない様に制御することにより回生エネルギーを油圧アキュムレータに蓄圧する。
【発明の効果】
【０００６】
両方向傾転可能な斜板を持つ２連可変容量油圧ポンプモータとした事により歯車装置を介して共通の原動機よって駆動された構成で個々に回転数制御が可能となり、また旋回用もしくは、旋回用及び走行用の両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータを歯車装置を介して共通の原動機よって駆動された可変容量油圧ポンプモータと駆動圧に比例して容量が増加する可変容量油圧モータの組み合わせにより一定圧で駆動する構成とした事により個々の回転制御が可能となるとともに回生エネルギのアキュムレータへの蓄圧が可能になり、旋回用もしくは、旋回用及び走行用の発電電動機及びそれぞれのインバータの削減、ブームシリンダ用発電電動機およびインバータ、コンデンサ等を削減出来システムのコストの増大および必要車載スペースの増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
油圧ショベルの概念図である。
本発明の実施例（システム図）である。
制御方法の説明図である。
本発明の実施例（共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ２連可変容量油圧ポンプモータの外形図）である。
本発明の実施例（共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ２連可変容量油圧ポンプモータの断面図）である。
先行技術文献の実施例（システム図）である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００８】
図１は、油圧ショベルの概念図である。油圧ショベルは上部旋回体１、下部走行体２からなり、上部旋回体１は、ブーム３、ブームシリンダ４、アーム５、アームシリンダ６、バケット７、バケットシリンダ８を備える。上部旋回体１は、旋回モータ９により旋回し、下部走行体２には走行モータ１０、１１が備えられている。
図２は、本発明装置の実施例のシステム図である。原動機１８は一定回転制御されている。
ブームシリンダ１２、アームシリンダ１３、バケットシリンダ１４それぞれに接続された、２連可変容量油圧ポンプモータを構成する２つの油圧ポンプモータの一方の油圧ポンプモータの出力ポートの内一方が油圧シリンダのヘッド側と連通し、他方の出力ポートはタンクポートと連通し、もう一方の油圧ポンプモータの出力ポートの内一方は、油圧シリンダのヘッド側と連通し、他方の出力ポートは油圧シリンダのロッド側と連通する構成で、ヘッド側への容量とロッド側への容量の比が、油圧シリンダのヘッド側の受圧面積とロッド側の受圧面積の比に設定されている。これらの油圧ポンプモータの容量を変化させシリンダの伸縮制御を行う。
共通の駆動軸及び両方向傾転可能な斜板を持つ、２０、２１、２２、両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータ２３は歯車装置１９を介して原動機１８によって駆動される。
また、歯車装置１９には可変容量油圧モータ２４が接続されている。可変容量油圧モータ２４の出力は歯車装置に出力されこの油圧モータを流れる流量による損失は発生しない。
可変容量油圧ポンプモータ２３、可変容量油圧モータ２４には、上部旋回体を旋回駆動する両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータ１５、下部走行体を駆動する両方向傾転可能な斜板を持つ可変容量油圧ポンプモータ１６、１７が接続され、その油圧回路には、回生エネルギーを蓄圧する油圧アキュムレータ２５が接続されている。
旋回、走行用可変容量油圧ポンプモータ１５、１６、１７の駆動圧は可変容量油圧ポンプモータ２３よって可変容量油圧モータ２４を流れる流量を制御する事により一定に制御される。具体的には、可変容量油圧ポンプモータ２３からの流量を旋回用、走行用の可変容量ポンプモータ１５、１６、１７の流量の合計に対して油圧モータ２４が流せる最大流量以下の一定流量分多く流れるよう制御する。この一定流量が可変容量油圧モータ２４を流れる事になる。図３－１に可変容量油圧モータ２４の容量と駆動圧の関係を示す、駆動圧は容量ｑ０でＰ１となり可変容量油圧モータ２４は最大容量になる。容量と回転速度の積が流量であるから前記一定流量を流す駆動圧が定まる。このようにして旋回用、走行用の可変容量ポンプモータ１５、１６、１７の駆動圧は、Ｐ０以上Ｐ１以下に制御される。この駆動圧に対し可変容量ポンプモータ１５、１６、１７の傾転角を制御する事により駆動トルクを制御して旋回、走行の制御が行われる。
これらの可変容量油圧ポンプモータにはブレーキ、トルクセンサが備えられており停止時の保持、起動時の逆転防止制御がおこなわれる。
作業機シリンダ１２、１３、１４からの回生エネルギーは歯車装置１９を介して作業機シリンダ１２、１３、１４相互で利用されるとともに、歯車装置１９、可変容量油圧ポンプモータ２３、を介して、旋回、走行用可変容量油圧ポンプモータ１５、１６、１７で利用される。また、旋回、走行用可変容量油圧ポンプモータ１５、１６、１７からの回生エネルギーは旋回、走行用可変容量油圧ポンプモータ１５、１６、１７相互で利用されるとともに、可変容量油圧ポンプモータ２３、歯車装置１９を介して作業機シリンダ１２、１３、１４で利用される。そして回生エネルギーに余剰が生じた場合は、油圧アキュムレータ２５に蓄圧される。
具体的には、回生エネルギーに余剰が生ずると原動機１８から歯車装置１９への入力トルクが負となるので、図３－２に示すように可変容量油圧ポンプモータ２３の容量を歯車装置１９の原動機１８からの入力トルクが負にならない様に容量ｑを前記の駆動圧制御時の値に対してΔｑ／Δｔ増加させ可変容量油圧ポンプモータ２３の入力トルクを増加させる。図３－１に示す可変容量油圧モータ２４の特性の最大容量ｑ０でのＰ１は油圧アキュムレータ２５の最小蓄圧圧力に設定されている。容量の増加により駆動圧が増加し、可変容量油圧モータ２４の容量が最大容量ｑ０に達した後の可変容量油圧ポンプモータ２３の容量の増加分の流量はアキュムレータ２５に蓄圧される。
油圧アキュムレータ２５の容量を、想定されるサイクル作業における余剰回生エネルギーの最大値以上に設定すれば、原理的には、掘削、土砂の持ち上げで必要なエネルギーのみ消費エネルギーとなり大幅な消費エネルギーの削減となる。
図４、図５は作業機シリンダ用の２連可変容量油圧ポンプモータの外形図、断面図である。４１、４２はシリンダ接続ポート、４７はタンクポートである。
可変容量油圧ポンプモータ２９、３０は共通の駆動軸２８で駆動され、トラニオン３２にて支持された共通の斜板３１がスライダ３４を介してサーボピストン３３により傾転制御される事により一定の比を保って容量が変化する。
油圧ポンプモータ２９の出力ポート４３は油圧シリンダのヘッド側と連通し、他方の出力ポートはケース３９の内側を介してタンクポート４７と連通し、油圧ポンプモータ３０の出力ポート４４は、油圧シリンダのロッド側と連通し、他方の出力ポートは油圧ポンプモータ２９の出力ポート４３と連通路４０を介して合流して油圧シリンダのヘッド側と連通している。この構成において、油圧ポンプモータ２９の容量と油圧ポンプモータ３０の容量の合計であるヘッド側への容量と油圧ポンプモータ３０の容量であるロッド側への容量の比が、油圧シリンダのヘッド側の受圧面積とロッド側の受圧面積の比に設定される。
斜板３１の傾転角制御は電磁制御弁５０、５１と斜板３１の傾転角を計測するためにトラニオン３２部に設けた傾転角センサー５２によってなされる。
加工誤差等でシリンダ室からの流出量が油圧ポンプモータの吸い込み流量より大であればこもり圧が発生し、小であれば負圧が発生する。これに対し、斜板３１を制御するサーボピストン３３には油圧ポンプモータ２９の出力ポート４３、油圧ポンプモータ３０の出力ポート４４それぞれがケース３９の内側を介してタンクポート４７と、斜板３１が０度時及び、吸い込み位置で連通する切り欠き３５、３６が設けられこもり圧発生を抑制している。また、油圧ポンプモータの出力ポート４３、４４と油圧シリンダとの連結ポート４１、４２間には逆止弁４５、４６が設けられた通路と、傾転角０度時サーボピストンにより閉じられるとともに、斜板が吸い込み位置でサーボピストンの切り欠きにより開口する通路が設けられている。
負圧については、油圧シリンダとの連結ポート４１、４２に吸い込み弁４８、４９が設けられケース３９の内側を介してタンクポート４７と連通し負圧を防止している。
【符号の説明】
【０００９】
１上部旋回体
２下部走行体
３ブーム
４ブームシリンダ
５アーム
６アームシリンダ
７バケット
８バケットシリンダ
９旋回モータ
１０走行モータ
１１走行モータ
１２ブームシリンダ
１３アームシリンダ
１４バケットシリンダ
１５旋回用可変容量油圧ポンプモータ
１６走行用可変容量油圧ポンプモータ
１７走行用可変容量油圧ポンプモータ
１８原動機
１９歯車装置
２０ブーム用２連可変容量油圧ポンプモータ
２１アーム用２連可変容量油圧ポンプモータ
２２バケット用２連可変容量油圧ポンプモータ
２３旋回、走行用可変容量油圧ポンプモータを駆動する可変容量油圧ポンプモータ
２４圧力制御用可変容量油圧モータ
２５回生用油圧アキュムレータ
２６チャージポンプ
２７チャージポンプ用油圧アキュムレータ
２８共通の駆動軸
２９可変容量油圧ポンプモータ
３０可変容量油圧ポンプモータ
３１共通の斜板
３２トラニオン
３３サーボピストン
３４スライダ
３５切り欠き
３６切り欠き
３７切り欠き
３８切り欠き
３９ケース
４０連通路
４１シリンダ接続ポート
４２シリンダ接続ポート
４３出力ポート
４４出力ポート
４５逆止弁
４６逆止弁
４７タンクポート
４８吸い込み弁
４９吸い込み弁
５０電磁比例制御弁

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