ショベル
【課題】アタッチメントの掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させるショベルを提供すること。
【解決手段】本発明に係るショベルは、エンジン１１を含む駆動源と、駆動源に連結されたメインポンプ１４と、メインポンプ１４からの作動油で駆動するアタッチメントと、アタッチメントの姿勢を検出する角度センサＳ１〜Ｓ３と、駆動源及びメインポンプ１４を制御するコントローラ３０とを有し、コントローラ３０は、角度センサＳ１〜Ｓ３の出力に基づいて掘削反力を算出し、掘削反力と第一閾値Ｆａとを比較し、掘削反力が第一閾値Ｆａを超える場合に駆動源の出力を増加させる。
【解決手段】本発明に係るショベルは、エンジン１１を含む駆動源と、駆動源に連結されたメインポンプ１４と、メインポンプ１４からの作動油で駆動するアタッチメントと、アタッチメントの姿勢を検出する角度センサＳ１〜Ｓ３と、駆動源及びメインポンプ１４を制御するコントローラ３０とを有し、コントローラ３０は、角度センサＳ１〜Ｓ３の出力に基づいて掘削反力を算出し、掘削反力と第一閾値Ｆａとを比較し、掘削反力が第一閾値Ｆａを超える場合に駆動源の出力を増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブーム、アーム、バケット等の作業要素を含むアタッチメントを駆動して掘削作業を行う建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削作業を行う建設機械の一例として油圧ショベルがある。一般的に、油圧ショベルは、ブームと、ブームの先端に取り付けられたアームと、アームの先端に取り付けられたバケットとを有する。ブーム、アーム、及びバケットは油圧シリンダで駆動される。すなわち、ブームはブームに設けられたブームシリンダにより駆動され、アームはアームに設けられたアームシリンダにより駆動され、バケットはバケットに設けられたバケットシリンダにより駆動される。
【０００３】
油圧ショベルでの掘削作業中にはこれらの油圧シリンダに油圧が供給され、ブーム及びアームを駆動してバケットを目的の位置に移動しながら、バケットで土砂等を掘削する。バケットですくい上げられた土砂は、所定の場所に排土（ダンプ）される。通常、掘削動作は、バケットを土砂に差し込んだ後、アームを閉じながら（手前に引きながら）バケットを閉じるという動作となる。
【０００４】
バケットによる掘削の際に、バケットを土砂に深く入れ過ぎてしまった場合、あるいは掘削する土砂が固くて重いような場合、土砂によりバケットに加わる負荷が大きくなり、アームを閉じる動作あるいはバケットを閉じる動作ができなくなることがある。例えば、アームを閉じようとしてアームシリンダに最大の油圧を供給しても、土砂による負荷が大きすぎてそれ以上アームを閉じることができないような場合が生じることがある。
【０００５】
このような問題に対し、油圧ポンプが必要とする吸収トルクがエンジンの出力トルク設定値よりも高くなった場合に電動機によるアシスト運転を開始させる油圧駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の油圧駆動装置は、油圧ポンプの必要吸収トルクがエンジンの出力トルク設定値よりも高くなった場合に電動機によるアシスト運転を開始させるため、アームを閉じる動作あるいはバケットを閉じる動作の一時的な鈍化を避けられず、掘削作業効率を低下させてしまう。
【０００８】
上述の点に鑑み、本発明は、アタッチメントの掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させるショベルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、エンジンを含む駆動源と、該駆動源に連結されたメインポンプと、該メインポンプからの作動油で駆動するアタッチメントと、該アタッチメントの姿勢を検出する角度センサと、前記駆動源及び前記メインポンプを制御する制御部と、を有し、該制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削反力を算出し、該掘削反力と所定の第一閾値とを比較し、該掘削反力が該所定の第一閾値を超える場合に前記駆動源の出力を増加させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述の手段により、本発明は、アタッチメントの掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させるショベルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図２】ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
【図３】蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】掘削動作時のハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図５】掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。
【図６】掘削反力の算出方法を示すブロック図である。
【図７】掘削動作区間における各動作時点におけるバケットの位置を示す図である。
【図８】掘削動作中のバケット角度の変化と掘削反力の変化とを示すグラフである。
【図９】バケット姿勢の変化に対する掘削反力の変化を示すグラフである。
【図１０】掘削動作の制御処理のフローチャート（その１）である。
【図１１】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その１）である。
【図１２】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その１）である。
【図１３】掘削動作の制御処理のフローチャート（その２）である。
【図１４】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その２）である。
【図１５】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その２）である。
【図１６】掘削動作の制御処理のフローチャート（その３）である。
【図１７】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その３）である。
【図１８】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その３）である。
【図１９】油圧ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。図１に示すハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６は、アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０が設けられ、且つエンジン（図示せず。）等の駆動源が搭載される。また、上部旋回体３には、ハイブリッド式ショベルの作業要素の動作を制御するための制御部であるコントローラ３０（図２参照）が設けられる。コントローラ３０は、オペレータからの指示、及びハイブリッド式ショベルの各部に設けられたセンサからの検出情報に基づいて、各作業要素の動作を制御する。コントローラ３０は電子制御部であり、演算を行うＣＰＵ及び記憶装置（メモリ）としてのＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えている。
【００１４】
ブーム４は上部旋回体３に対して上下に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にブーム角度センサＳ１（図４、図５参照。）が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１により、水平方向からのブーム４の傾き角度であるブーム角θ１を検出することができる。
【００１５】
アーム５はブーム４の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にアーム角度センサＳ２（図４、図５参照。）が取り付けられている。アーム角度センサＳ２によりブーム４に対するアーム５の角度を検出し、検出したアーム５の角度とブーム角θ１から、水平方向からのアーム５の傾き角度であるアーム角θ２を検出することができる。
【００１６】
バケット６はアーム５の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にバケット角度センサＳ３（図４、図５参照。）が取り付けられている。バケット角度センサＳ３によりアーム５に対するバケット６の角度を検出し、検出したバケットの角度、ブーム角θ１及びアーム角θ２から、水平方向からのバケット６の傾き角度であるバケット角θ３を検出することができる。
【００１７】
上部旋回体３を旋回させる旋回機構２には、旋回角度センサ（図示せず）が設けられている。旋回角度センサにより、上部旋回体３が正面を向いた位置からの角度である旋回角を検出することができる。
【００１８】
図２は、図１に示すハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。
【００１９】
機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。メインポンプ１４は斜板式可変容量型油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。
【００２０】
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。
【００２１】
電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。電動発電機１２とインバータ２０とで電動発電系が構成される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
【００２２】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。
【００２３】
この昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。
【００２４】
さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。また、上述では蓄電器の一例としてキャパシタを示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
【００２５】
図２に示すハイブリッド式ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。インバータ２０と、旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。
【００２６】
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３とが設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３とによって検出されるキャパシタ 電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
【００２７】
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作とを切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
【００２８】
図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
【００２９】
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
【００３０】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。
【００３１】
この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
【００３２】
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ １９に供給される。
【００３３】
ここで、図４を参照しながら、ハイブリッド式ショベルが行う掘削・積込み動作について説明する。なお、図４は掘削動作時のハイブリッド式ショベルの側面図である。掘削・積込み動作は、バケットで土砂を掘ってすくい上げ、運搬車の荷台に土砂を載せるという動作である。掘削・積込み動作は、一般的に４つの動作区間に分けられる。４つの動作区間とは、土砂を掘削してバケットに入れる掘削動作区間、土砂が入ったバケットを運搬車の荷台の上まで移動するブーム上げ旋回動作区間、運搬車の荷台にバケットの土砂を排出するダンプ動作区間、及び、バケットを掘削位置まで移動するブーム下げ旋回動作区間である。この４つの動作区間のうち、掘削動作区間において掘削による反力がバケットに作用する。したがって、掘削動作区間において掘削による反力（掘削反力）を算出し、算出した掘削反力に基づいて掘削動作を制御することが好ましい。第一実施形態では、掘削動作時のブーム４、アーム５、バケット６の姿勢（位置、角度）からバケット６の先端に作用する掘削反力を演算により求める。そして、演算により求めた掘削反力が予め設定された閾値よりも大きくなった場合に、エンジン１１の出力及び電動発電機１２の出力を含む駆動源の出力を増大させるパワーアップ運転を開始させる。また、演算により求めた掘削反力が予め設定された上限値よりも大きくなった場合に、掘削動作を一旦停止し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を自動的に上げて掘削深さを浅くし、掘削反力を減少させた上で掘削動作を継続できるようにする。以下では、この制御を「ブーム上げ制御」と称する。
【００３４】
掘削動作時にはブーム４が下げられてバケット６が土砂の中に差し込まれた状態となっており、それからアーム５を閉じながらバケット６を閉じることで、バケット６で土砂をすくい上げる。
【００３５】
図４において、掘削する土砂の頂上にバケット６の先端が到達したところから掘削が開始されるとする。ハイブリッド式ショベルが置かれた地面のレベルをゼロ（０）と定義し、地面から下方向を正と定義し、さらに、掘削する土砂の頂上と地面との差を掘削開始高さＨ０と定義すると、図４において、掘削開始高さＨ０は地面より高い位置であるため、Ｈ０は負の値となる。なお、Ｈ０は、バケットが地面に接地するときのブームシリンダ内の圧力の変化によって判断可能である。そして、ブーム４を下げてバケット６を土砂に差し込んだときの、地面（０）からバケット６の先端までの深さを掘削途中深さＨと定義する。掘削途中のバケット６の先端の位置は、地面より低い位置となるため、Ｈは正の値となる。掘削深さΔＨは、掘削する土砂の頂上からバケット６を土砂に差し込んだときのバケット６の先端までの距離に相当し、掘削開始深さＨ０と掘削途中深さＨとの和となる。ここで、掘削途中深さＨは正の値であり、掘削開始深さＨ０は負の値であるため、掘削深さΔＨを求めるには、ＨからＨ０を引く（ΔＨ＝Ｈ−Ｈ０）。Ｈ０は負の値であるため、掘削深さΔＨはＨとＨ０の絶対値が加算された値となる。また、掘削動作時における水平面からのバケット６の傾き角度（すなわち、バケット角θ３）をバケット姿勢θ３とする。また、掘削開始高さＨ０が地面より下の場合には正の値となるため、掘削深さΔＨはＨからＨ０の絶対値が減算された値となる。
【００３６】
第一実施形態では、後述のように、バケット姿勢θ３（バケット６の水平からの角度）と掘削開始深さΔＨとから、掘削時のバケット６の先端に作用する土砂の反力（掘削反力Ｆ）を演算により求める。
【００３７】
図５は掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。ブーム４は、ブームの支持点Ｐ１とアームの支持点Ｐ２とを結ぶ線分として表される。ブーム角θ１はこのブーム４を表す線分と水平線との間の角度である。アーム５は、アーム５の支持点Ｐ２とバケット６の支持点Ｐ３とを結ぶ線分として表される。アーム角θ２はこのアーム５を表す線分と水平線との間の角度である。バケット６は、バケット６の支持点Ｐ３とバケット６の先端とを結ぶ線分として表される。バケット角θ３はこのバケット６を表す線分と水平線との間の角度である。
【００３８】
ブーム４には、ブームシリンダ７の駆動力Ｆ１による回転モーメントτ１が加わる。アーム５には、アームシリンダ８の駆動力Ｆ２による回転モーメントτ２が加わる。バケット６には、バケットシリンダ９の駆動力Ｆ３による回転モーメントτ３が加わる。ここで、バケット６の先端に作用する掘削反力Ｆの方向は、バケット６の先端の速度Ｖの方向と逆向きとなる。
【００３９】
図６は掘削反力Ｆの算出方法を示す機能ブロック図である。掘削反力Ｆの算出は上述のコントローラ３０により行われる。第一実施形態において、掘削反力Ｆは、実測データ分析により得られた掘削反力テーブル３２を用いて算出する。掘削反力テーブル３２は、バケット姿勢θ３と掘削深さΔＨとから決まる掘削反力Ｆの値が格納されたテーブルであり、実測データ分析により予め求められるテーブルである。より具体的には、掘削反力テーブル３２は、実掘削時と空掘削時のバケット姿勢θ３と掘削深さΔＨをデータ分析することにより、バケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化して作成される。
【００４０】
ここで、バケット姿勢θ３は、水平方向からのブーム４の角度であるブーム角θ１と、ブーム４に対するアーム５の角度と、アーム５に対するバケット６の角度とから求めることができる。このようにして求めたバケット姿勢θ３から掘削反力テーブル３２を用いて掘削反力Ｆを算出する。なお、掘削反力テーブル３２はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４１】
また、第一実施形態では、掘削する土砂の特性（深さ、密度）を考慮して補正しながら掘削反力Ｆを算出する。すなわち、掘削深さΔＨが変わると掘削反力Ｆは変化するので、掘削深さΔＨの変化と掘削反力Ｆの変化との関係をテーブル化した掘削深さ補正テーブル３４を予め準備しておく。そして、掘削反力Ｆを算出する際に掘削深さΔＨを考慮するための補正係数Ｋ１を掘削深さ補正テーブル３４から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ１により掘削反力Ｆを補正する。掘削深さ補正テーブル３４はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４２】
また、掘削反力Ｆは土砂密度によっても変化するため、土砂密度と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化した密度特性テーブル３６を予め準備しておく。そして、掘削反力Ｆを算出する際に土砂密度を考慮するための補正係数Ｋ２を土砂特性テーブル３６から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ２により掘削反力Ｆを補正する。土砂特性テーブル３６はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４３】
ここで、密度特性テーブルに入力される土砂密度は、掘削する土砂により異なるので、掘削開始時に土砂密度を測定する。例えば、掘削を開始する前にバケット６で土砂をすくい上げ、すくい上げた土砂の重量とバケット６の容積から土砂の密度を測定することができる。第一実施形態では、掘削を開始して最初の掘削動作ですくい上げた土砂の密度を測定して、測定した土砂密度をコントローラ３０のメモリに格納しておく。
【００４４】
次に、上述のように算出した掘削反力Ｆの変化について説明する。まず、掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４について説明する。図７は掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す図である。
【００４５】
動作時点ｔ１は掘削動作を始めた時点であり、図７（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。動作時点ｔ２は掘削動作が進んだ時点であり、図７（ｂ）に示すように、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達した状態である。動作時点ｔ３はさらに掘削動作が進んだ時点であり、図７（ｃ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ４は掘削動作が終了した時点であり、図７（ｄ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。
【００４６】
図８は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化と掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。図８（ａ）は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化を示し、図８（ｂ）は掘削動作中の掘削反力Ｆの変化を示す。なお、バケット姿勢θ３はバケット６を閉じる方向（図５の時計回り方向）をマイナスとし、バケット６を開く方向（図５の反時計回り方向）をプラスとする。
【００４７】
掘削動作が開始されて掘削が進むに連れて、バケット６の水平線からの角度であるバケット姿勢θ３はバケット６を閉じる方向に大きくなり、動作時点ｔ４にて水平に近い最大角度となる。バケット姿勢θ３は、アーム５を閉じる動作とバケット６を閉じる動作により大きくなる。
【００４８】
一方、土砂による掘削反力Ｆは、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達するまでの動作時点ｔ１〜ｔ２の間は急激に大きくなる。すなわち、バケット６で土砂を掘削する動作であり、土砂からの反力を強く受けている。動作時点ｔ２〜ｔ３の間は、掘削した土砂をバケット６ですくい上げる動作であるため、主に土砂の重量による反力が作用するだけであり、掘削反力Ｆの増大率は減少する。動作時点ｔ３〜ｔ４の間は、バケット６の先端は土砂から離れてすくい上げた土砂の重量による反力だけとなるため、掘削反力は減少する。
【００４９】
図９は図８に示すバケット姿勢θ３の変化に対する掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。掘削動作時にバケット６の先端が土砂に接触してからバケット姿勢θ３が大きくなるにつれて（図の左方向に移動するにつれて）掘削反力Ｆが変化することが示されている。上述の図６に示す掘削力反力テーブル３２は、このバケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化する。
【００５０】
掘削反力Ｆが図９に示すように変化した場合、掘削反力Ｆは予め設定された第一閾値Ｆａ及び第二閾値Ｆｂを超えていないので、掘削動作は通常のままオペレータのレバー操作のとおりに行われる。ここで、第一閾値Ｆａは、掘削している土砂によりバケット６に所定の負荷が作用したと判定するための値である。すなわち、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合であっても、バケット６の動きが土砂の負荷により鈍化することはないが、レバー操作によって掘削動作をさらに進めると、バケット６の動きが土砂の負荷により鈍化してしまうおそれがある。また、第二閾値Ｆｂは、掘削している土砂によりバケット６に過大な負荷がかかったと判定するための上限値である。すなわち、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合は、レバー操作によって掘削動作をさらに進めると、バケット６が土砂の負荷により停止してしまうおそれがある。
【００５１】
そこで、第一実施形態では、アーム５を閉じながら掘削動作を行っている途中で掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合には、駆動源の出力を増大させるパワーアップ運転を開始させる。掘削動作を進めた場合にバケット６に作用する負荷がさらに増大したとしても、バケット６の動きを鈍化させないようにするためである。
【００５２】
また、第一実施形態では、アーム５を閉じながら掘削動作を行っている途中で掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合には、ブーム上げ制御が実行される。具体的には、一旦アーム閉じ動作を中断し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くする。掘削深さΔＨを浅くすることで、バケット６に加わる土砂の反力が低減されるためであり、再びアーム閉じ動作を継続し、掘削動作を最後まで行うことができるようにするためである。
【００５３】
図１０はコントローラ３０が行う上述の掘削動作の制御フローチャートである。まず、掘削動作が開始されると、ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒがブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが判定される（ステップＳＴ１）。この判定はバケット６が土砂に接触したか否かの判定に利用される。バケット６が上方から土砂に着地（接触）すると、土砂の反力がブーム４に伝わるため、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値となる。
【００５４】
ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値ではない（ステップＳＴ１のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ２に進み、掘削反力をゼロ（Ｆ＝０）とする。続いて、処理はステップＳＴ１に戻り、ロッド側圧力Ｐｒがボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが再び判定される。
【００５５】
ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値である（ステップＳＴ１のＹＥＳ）と判定されると、掘削反力Ｆが生じているため、処理はステップＳＴ３に進む。
【００５６】
ステップＳＴ３では、上述の図６に示す掘削反力算出方法により掘削反力が算出される。続いて、ステップＳＴ４において、算出された掘削反力が第一閾値Ｆａより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳＴ４において、バケット６に所定の負荷が作用しているか否かが判定される。
【００５７】
ステップＳＴ４において、掘削反力が第一閾値Ｆａ以下である（ステップＳＴ４のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５では、バケット６に所定の負荷が作用していないので通常の掘削動作を継続してもよいと判断し、処理はステップＳＴ３に戻って再び掘削反力を算出する。一方、ステップＳＴ４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ６に進む。
【００５８】
ステップＳＴ６では、電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、かつ、メインポンプ１４の吐出流量が増大される。続いて、ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳＴ７において、バケット６が過負荷となっているか否かが判定される。
【００５９】
ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂ以下である（ステップＳＴ７のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ３に戻り、再び掘削反力を算出してから、ステップＳＴ４以降の処理を繰り返す。一方、ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂより大きい（ステップＳＴ７のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ８に進む。
【００６０】
ステップＳＴ８では、ブーム上げ制御が実行される。具体的には、掘削動作を一旦停止し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を自動的に上げて掘削深さを浅くして掘削反力Ｆを減少させ、掘削動作を継続できるようにする。
【００６１】
その後、処理はステップＳＴ８からステップＳＴ３に戻り、再び掘削反力を算出してから、ステップＳＴ４以降の処理を繰り返す。以上の処理は、オペレータのレバー操作による掘削動作が終了するまで継続して行われる。
【００６２】
図１１はコントローラ３０が電動発電機１２によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、メインポンプ１４の吐出流量Ｑ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（アシストトルク指令）、及びブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。
【００６３】
図１１（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第一実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第一実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。
【００６４】
また、図１１（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、比較対象となる処理が実行される場合（エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ったときにアシスト運転を開始させる場合であり、以下「比較形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。
【００６５】
また、パワーアップ指令は、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。ブーム上げ指令は、ブーム上げ制御を開始させるための指令であり、値β１のときにブーム上げ制御を開始させる。
【００６６】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出している。
【００６７】
ここで、比較形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたとしても、メインポンプ１４は吐出流量Ｑを変化させずにＱ１を吐出し続ける。
【００６８】
そして、時刻ｔ２において、土砂による負荷の増大によりエンジン回転数Ｎが所定レベルまで減少すると、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは減少し始める。また、アタッチメントによる掘削動作は土砂による負荷の増大により停止してしまい、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａ付近で推移する。
【００６９】
そして、時刻ｔ３において、エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ると、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、エンジン回転数Ｎは通常時の目標回転数である第一設定値Ｎ１に復帰する。また、メインポンプ１４の吐出流量ＱもＱ１に復帰し、掘削動作が再開され、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを上回るレベルで推移できるようにする。
【００７０】
一方、第一実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、アシストトルク指令の値が値α１となり、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始される。これにともない、メインポンプ１４の斜板傾転角が調節され、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する。メインポンプ１４の吐出流量Ｑの増大に応じて、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【００７１】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令の値が値β１となり、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少に転じる。掘削反力Ｆの減少にともない、メインポンプ１４の斜板傾転角が調節され、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ２からＱ１に減少する。
【００７２】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、アシストトルク指令の出力が中止されて電動発電機１２によるアシスト運転が停止する。
【００７３】
このように、第一実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化しあるいは停止する前に）電動発電機１２によるアシスト運転を開始させる。このため、第一実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【００７４】
図１２はコントローラ３０が電動発電機１２によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【００７５】
第一実施形態では、ｔ１にてパワーアップ運転が開始されると電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、メインポンプ１４が吸収できる馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。
【００７６】
また、パワーアップ運転が開始されると斜板傾転角の調整が行われ、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、図１１（Ｂ）の時刻ｔ１からｔ２までの推移で示されるように、Ｑ１からＱ２に増大する。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【００７７】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１１（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【００７８】
以上の構成により、第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合にパワーアップ運転を開始させる。その結果、掘削反力Ｆが大きくなった場合にも、アタッチメントの動きを鈍化させることなく掘削動作を継続させることができ、掘削作業効率を向上させることができる。
【００７９】
また、第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合にブーム上げ制御を開始させる。その結果、掘削反力Ｆが過度に大きくなった場合にも、アタッチメントの動きを停止させることなく掘削動作を継続させることができ、掘削作業効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００８０】
次に、図１３〜図１５を参照しながら、本発明の第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルについて説明する。
【００８１】
第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、エンジン１１によるパワーアップ運転を実行する点において、電動発電機１２によるパワーアップ運転を実行する第一実施形態に係るハイブリッド型ショベルと相違し、その他の点において共通する。
【００８２】
そのため、共通部分の説明を省略しながら、相違部分を詳細に説明することとする。なお、ここでは、第一実施形態で用いた参照符号をそのまま用いることとする。
【００８３】
図１３は、第二実施形態においてコントローラ３０が行う掘削動作の制御フローチャートであり、ステップＳＴ１６以外は図１０の制御フローチャートと同じである。
【００８４】
具体的には、ステップＳＴ１４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ１６に進む。
【００８５】
ステップＳＴ１６では、エンジン１１の回転数を増大し、かつ、メインポンプ１４の吐出流量を増大することによってパワーアップ運転を開始させる。
【００８６】
図１４は、図１１に対応する図であり、コントローラ３０がエンジン１１によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、駆動源出力Ｗ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（噴射量増大指令）、及びブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。なお、駆動源出力Ｗは、エンジン１１による出力ＷＥと電動発電機１２による出力（アシストトルク）ＷＭとを含む値である。
【００８７】
図１４（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第二実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第二実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。また、図１４（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、図１１同様、比較形態の場合の時間的推移を示す。また、第二実施形態におけるパワーアップ指令は、エンジン１１に対する燃料噴射量を増大させてエンジン１１の回転数を増大させるための噴射量増大指令であり、値α１のときにエンジン回転数を増大させる。なお、比較形態におけるパワーアップ指令は、図１１同様、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。
【００８８】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出する（図１１（Ｂ）参照。）。
【００８９】
ここで、比較形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたとしても、エンジン１１は回転数Ｎを変化させずに第一設定値Ｎ１で回転し続けようとし、駆動源出力Ｗ（この段階ではエンジン出力ＷＥのみで構成される。）は一時的に増大する。
【００９０】
そして、時刻ｔ２において、土砂による負荷の増大によりエンジン回転数Ｎが所定レベルまで減少すると、駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）は減少に転じる。また、アタッチメントによる掘削動作は土砂による負荷の増大により停止してしまい、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａ付近で推移する。
【００９１】
そして、時刻ｔ３において、エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ると、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、エンジン回転数Ｎは通常時の目標回転数である第一設定値Ｎ１に復帰する。また、駆動源出力Ｗ（この段階ではエンジン出力ＷＥと電動発電機出力ＷＭとの合計で構成される。）は当初（エンジン出力ＷＥのみで構成される場合）より高いレベルで推移し、掘削動作が再開され、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを上回るレベルで推移する。
【００９２】
一方、第二実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、エンジン回転数が第一設定値Ｎ１から第二設定値Ｎ２へ変更される。これにより、噴射量増大指令が発せられてエンジン１１の回転数が増大する。また、エンジン１１の回転数の増大に応じて駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）も増大する。また、これにともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。メインポンプ１４の吐出流量Ｑが増大すると、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【００９３】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少する。掘削反力Ｆの増大とともに増大していた駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）も、掘削反力Ｆの減少とともに減少に転じる。その後、掘削反力Ｆの減少にともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ２からＱ１に減少する（図１１（Ｂ）参照。）。
【００９４】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、噴射量増大指令の出力が中止されてエンジン１１の回転数が第一設定値Ｎ１に復帰する。
【００９５】
このように、第二実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化あるいは停止する前に）エンジン１１の回転数を増大させる。このため、第二実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【００９６】
図１５はコントローラ３０がエンジン１１によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【００９７】
第二実施形態では、パワーアップ運転が開始されるとエンジン１１の回転数が増大し、メインポンプ１４が吸収できる馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。
【００９８】
また、パワーアップ運転が開始されると、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ１からＱ２に増大する。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【００９９】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１４（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【０１００】
以上の構成により、第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、第一実施形態に係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【実施例３】
【０１０１】
次に、図１６及び図１７を参照しながら、本発明の第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルについて説明する。
【０１０２】
第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、エンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を実行する点において、電動発電機１２、エンジン１１のそれぞれによるパワーアップ運転を実行する第一、第二実施形態に係るハイブリッド型ショベルと相違し、その他の点において共通する。
【０１０３】
そのため、共通部分の説明を省略しながら、相違部分を詳細に説明することとする。なお、ここでは、第一、第二実施形態で用いた参照符号をそのまま用いることとする。
【０１０４】
図１６は、第三実施形態においてコントローラ３０が行う掘削動作の制御フローチャートであり、ステップＳＴ２６以外は図１０及び図１３の制御フローチャートと同じである。
【０１０５】
具体的には、ステップＳＴ２４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ２４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ２６に進む。
【０１０６】
ステップＳＴ２６では、電動発電機１２によるアシスト運転を開始し、エンジン１１の回転数を増大し、かつ、メインポンプ１４の吐出流量を増大することによってパワーアップ運転を開始させる。
【０１０７】
図１７は、図１１及び図１４に対応する図であり、コントローラ３０がエンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、駆動源出力Ｗ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（アシストトルク指令及び噴射量増大指令）、並びにブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。なお、駆動源出力Ｗは、図１４同様、エンジン１１による出力ＷＥと電動発電機１２による出力（アシストトルク）ＷＭとを含む値である。
【０１０８】
図１７（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第三実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第三実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。また、図１７（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、図１１及び図１４と同様、比較形態の場合の時間的推移を示す。なお、図１７における比較形態での推移は、図１４の場合と同じである。
【０１０９】
また、第三実施形態におけるパワーアップ指令は、電動発電機１２によるエンジン１１の回転数を第一設定値Ｎ１から第二設定値Ｎ２まで増大させるアシストトルク指令で構成される。そのため、値α１のときにアシスト運転を開始させ、かつ、エンジン回転数を増大させる。なお、比較形態におけるパワーアップ指令は、図１１及び図１４と同様、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。
【０１１０】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出する（図１１（Ｂ）参照。）。
【０１１１】
第三実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、エンジン１１の回転数設定値が第二設定値Ｎ２へ変更され、アシストトルク指令が発せられる。これにより、電動発電機１２によるアシスト運転が開始し、エンジン１１の回転数が増大する。また、駆動源出力Ｗは、アシスト運転の開始とエンジン回転数の増大とに応じて増大する。また、これにともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。メインポンプ１４の吐出流量Ｑが増大すると、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。そして、エンジン１１の回転数を第二設定値Ｎ２に維持するように、噴射量増大指令が発せられる。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【０１１２】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少する。掘削反力Ｆの増大とともに増大していた駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ＋電動発電機出力ＷＭ）も、掘削反力Ｆの減少とともに減少に転じる。また、掘削反力Ｆの減少にともない、吐出圧が減少し、メインポンプ１４の馬力が低下する。
【０１１３】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、アシストトルク指令の出力が中止されてアシスト運転が停止し、かつ、エンジン１１の回転数が第一設定値Ｎ１に復帰する。
【０１１４】
このように、第三実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化あるいは停止する前に）、アシスト運転を開始させ、かつ、エンジン１１の回転数を増大させる。このため、第三実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【０１１５】
図１８はコントローラ３０がエンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【０１１６】
第三実施形態では、パワーアップ運転が開始されると電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、メインポンプ１４の馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。さらに、エンジン１１の回転数が増大され、メインポンプ１４の馬力は破線で示される状態から一点鎖線で示される状態までさらに増大する。なお、アシスト運転の開始による馬力の増大、及び、エンジン回転数の増大による馬力の増大の順番は不同であり、両者が同時に行われてもよい。
【０１１７】
また、パワーアップ運転が開始されると、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【０１１８】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１７（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【０１１９】
以上の構成により、第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、第一、第二実施形態のそれぞれに係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【０１２０】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１２１】
例えば、第二実施例において、ハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２を持たないショベルであってもよい。エンジン回転数を増大させることによってパワーアップ運転が実行されるため、電動発電機１２を備える必要がないためである。
【０１２２】
図１９は、電動発電機１２を持たないショベルの一例である油圧式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。この油圧式ショベルは、エンジン１１がメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に直接接続される点、電動発電系、蓄電系、及び負荷駆動系が省略される点、及び、旋回用電動機２１の代わりに旋回用油圧モータ２Ａを備える点で、図２のハイブリッド型ショベルと相違するが、その他の点で共通する。
【０１２３】
以上の構成により、この油圧式ショベルは、第二実施形態に係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ２Ａ・・・旋回用油圧モータ ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８、２０・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７・・・油圧ライン ２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブーム、アーム、バケット等の作業要素を含むアタッチメントを駆動して掘削作業を行う建設機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削作業を行う建設機械の一例として油圧ショベルがある。一般的に、油圧ショベルは、ブームと、ブームの先端に取り付けられたアームと、アームの先端に取り付けられたバケットとを有する。ブーム、アーム、及びバケットは油圧シリンダで駆動される。すなわち、ブームはブームに設けられたブームシリンダにより駆動され、アームはアームに設けられたアームシリンダにより駆動され、バケットはバケットに設けられたバケットシリンダにより駆動される。
【０００３】
油圧ショベルでの掘削作業中にはこれらの油圧シリンダに油圧が供給され、ブーム及びアームを駆動してバケットを目的の位置に移動しながら、バケットで土砂等を掘削する。バケットですくい上げられた土砂は、所定の場所に排土（ダンプ）される。通常、掘削動作は、バケットを土砂に差し込んだ後、アームを閉じながら（手前に引きながら）バケットを閉じるという動作となる。
【０００４】
バケットによる掘削の際に、バケットを土砂に深く入れ過ぎてしまった場合、あるいは掘削する土砂が固くて重いような場合、土砂によりバケットに加わる負荷が大きくなり、アームを閉じる動作あるいはバケットを閉じる動作ができなくなることがある。例えば、アームを閉じようとしてアームシリンダに最大の油圧を供給しても、土砂による負荷が大きすぎてそれ以上アームを閉じることができないような場合が生じることがある。
【０００５】
このような問題に対し、油圧ポンプが必要とする吸収トルクがエンジンの出力トルク設定値よりも高くなった場合に電動機によるアシスト運転を開始させる油圧駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１０３１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の油圧駆動装置は、油圧ポンプの必要吸収トルクがエンジンの出力トルク設定値よりも高くなった場合に電動機によるアシスト運転を開始させるため、アームを閉じる動作あるいはバケットを閉じる動作の一時的な鈍化を避けられず、掘削作業効率を低下させてしまう。
【０００８】
上述の点に鑑み、本発明は、アタッチメントの掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させるショベルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係るショベルは、エンジンを含む駆動源と、該駆動源に連結されたメインポンプと、該メインポンプからの作動油で駆動するアタッチメントと、該アタッチメントの姿勢を検出する角度センサと、前記駆動源及び前記メインポンプを制御する制御部と、を有し、該制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削反力を算出し、該掘削反力と所定の第一閾値とを比較し、該掘削反力が該所定の第一閾値を超える場合に前記駆動源の出力を増加させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述の手段により、本発明は、アタッチメントの掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させるショベルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図２】ハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
【図３】蓄電系の構成を示すブロック図である。
【図４】掘削動作時のハイブリッド式ショベルの側面図である。
【図５】掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。
【図６】掘削反力の算出方法を示すブロック図である。
【図７】掘削動作区間における各動作時点におけるバケットの位置を示す図である。
【図８】掘削動作中のバケット角度の変化と掘削反力の変化とを示すグラフである。
【図９】バケット姿勢の変化に対する掘削反力の変化を示すグラフである。
【図１０】掘削動作の制御処理のフローチャート（その１）である。
【図１１】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その１）である。
【図１２】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その１）である。
【図１３】掘削動作の制御処理のフローチャート（その２）である。
【図１４】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その２）である。
【図１５】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その２）である。
【図１６】掘削動作の制御処理のフローチャート（その３）である。
【図１７】パワーアップ運転を開始させる際の各種物理量の時間的推移を示す図（その３）である。
【図１８】パワーアップ運転を開始させる際のメインポンプの吐出流量と吐出圧との間の関係を示すＰＱ線図（その３）である。
【図１９】油圧ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルの側面図である。図１に示すハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端に、アーム５が取り付けられ、アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５及びバケット６は、アタッチメントを構成し、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０が設けられ、且つエンジン（図示せず。）等の駆動源が搭載される。また、上部旋回体３には、ハイブリッド式ショベルの作業要素の動作を制御するための制御部であるコントローラ３０（図２参照）が設けられる。コントローラ３０は、オペレータからの指示、及びハイブリッド式ショベルの各部に設けられたセンサからの検出情報に基づいて、各作業要素の動作を制御する。コントローラ３０は電子制御部であり、演算を行うＣＰＵ及び記憶装置（メモリ）としてのＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えている。
【００１４】
ブーム４は上部旋回体３に対して上下に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にブーム角度センサＳ１（図４、図５参照。）が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１により、水平方向からのブーム４の傾き角度であるブーム角θ１を検出することができる。
【００１５】
アーム５はブーム４の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にアーム角度センサＳ２（図４、図５参照。）が取り付けられている。アーム角度センサＳ２によりブーム４に対するアーム５の角度を検出し、検出したアーム５の角度とブーム角θ１から、水平方向からのアーム５の傾き角度であるアーム角θ２を検出することができる。
【００１６】
バケット６はアーム５の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にバケット角度センサＳ３（図４、図５参照。）が取り付けられている。バケット角度センサＳ３によりアーム５に対するバケット６の角度を検出し、検出したバケットの角度、ブーム角θ１及びアーム角θ２から、水平方向からのバケット６の傾き角度であるバケット角θ３を検出することができる。
【００１７】
上部旋回体３を旋回させる旋回機構２には、旋回角度センサ（図示せず）が設けられている。旋回角度センサにより、上部旋回体３が正面を向いた位置からの角度である旋回角を検出することができる。
【００１８】
図２は、図１に示すハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図２において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは実線、パイロットラインは破線、電気駆動・制御系は実線でそれぞれ示されている。
【００１９】
機械式駆動部としてのエンジン１１と、アシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。メインポンプ１４は斜板式可変容量型油圧ポンプであり、斜板の角度（傾転角）を制御することでピストンのストローク長を調整し、吐出流量を制御することができる。
【００２０】
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。
【００２１】
電動発電機１２には、インバータ１８を介して、蓄電器を含む蓄電系１２０が接続される。電動発電機１２とインバータ２０とで電動発電系が構成される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
【００２２】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータを駆動制御することによる蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。コントローラ３０は、蓄電器（キャパシタ）の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）に基づいて、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これにより蓄電器（キャパシタ）の充放電制御を行う。
【００２３】
この昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバスに設けられたＤＣバス電圧検出部によって検出されるＤＣバス電圧値、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値、及び蓄電器電流検出部によって検出される蓄電器電流値に基づいて行われる。
【００２４】
さらに、蓄電器電圧検出部によって検出される蓄電器電圧値に基づいて、蓄電器（キャパシタ）のＳＯＣが算出される。また、上述では蓄電器の一例としてキャパシタを示したが、キャパシタの代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
【００２５】
図２に示すハイブリッド式ショベルは旋回機構を電動にしたもので、旋回機構２を駆動するために旋回用電動機２１が設けられている。電動作業要素としての旋回用電動機２１は、インバータ２０を介して蓄電系１２０に接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。インバータ２０と、旋回用電動機２１と、レゾルバ２２と、メカニカルブレーキ２３と、旋回変速機２４とで負荷駆動系が構成される。
【００２６】
図３は蓄電系１２０の構成を示すブロック図である。蓄電系１２０は、蓄電器としてのキャパシタ１９と、昇降圧コンバータ１００とＤＣバス１１０とを含む。ＤＣバス１１０は、キャパシタ１９、電動発電機１２、及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を制御する。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３とが設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３とによって検出されるキャパシタ 電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
【００２７】
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作とを切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８、２０と昇降圧コンバータ１００との間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２及び旋回用電動機２１の間での電力の授受を行う。
【００２８】
図２に戻り、コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される装置である。
【００２９】
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
【００３０】
コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うとともに、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、及び旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。
【００３１】
この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切替制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
【００３２】
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ １９に供給される。
【００３３】
ここで、図４を参照しながら、ハイブリッド式ショベルが行う掘削・積込み動作について説明する。なお、図４は掘削動作時のハイブリッド式ショベルの側面図である。掘削・積込み動作は、バケットで土砂を掘ってすくい上げ、運搬車の荷台に土砂を載せるという動作である。掘削・積込み動作は、一般的に４つの動作区間に分けられる。４つの動作区間とは、土砂を掘削してバケットに入れる掘削動作区間、土砂が入ったバケットを運搬車の荷台の上まで移動するブーム上げ旋回動作区間、運搬車の荷台にバケットの土砂を排出するダンプ動作区間、及び、バケットを掘削位置まで移動するブーム下げ旋回動作区間である。この４つの動作区間のうち、掘削動作区間において掘削による反力がバケットに作用する。したがって、掘削動作区間において掘削による反力（掘削反力）を算出し、算出した掘削反力に基づいて掘削動作を制御することが好ましい。第一実施形態では、掘削動作時のブーム４、アーム５、バケット６の姿勢（位置、角度）からバケット６の先端に作用する掘削反力を演算により求める。そして、演算により求めた掘削反力が予め設定された閾値よりも大きくなった場合に、エンジン１１の出力及び電動発電機１２の出力を含む駆動源の出力を増大させるパワーアップ運転を開始させる。また、演算により求めた掘削反力が予め設定された上限値よりも大きくなった場合に、掘削動作を一旦停止し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を自動的に上げて掘削深さを浅くし、掘削反力を減少させた上で掘削動作を継続できるようにする。以下では、この制御を「ブーム上げ制御」と称する。
【００３４】
掘削動作時にはブーム４が下げられてバケット６が土砂の中に差し込まれた状態となっており、それからアーム５を閉じながらバケット６を閉じることで、バケット６で土砂をすくい上げる。
【００３５】
図４において、掘削する土砂の頂上にバケット６の先端が到達したところから掘削が開始されるとする。ハイブリッド式ショベルが置かれた地面のレベルをゼロ（０）と定義し、地面から下方向を正と定義し、さらに、掘削する土砂の頂上と地面との差を掘削開始高さＨ０と定義すると、図４において、掘削開始高さＨ０は地面より高い位置であるため、Ｈ０は負の値となる。なお、Ｈ０は、バケットが地面に接地するときのブームシリンダ内の圧力の変化によって判断可能である。そして、ブーム４を下げてバケット６を土砂に差し込んだときの、地面（０）からバケット６の先端までの深さを掘削途中深さＨと定義する。掘削途中のバケット６の先端の位置は、地面より低い位置となるため、Ｈは正の値となる。掘削深さΔＨは、掘削する土砂の頂上からバケット６を土砂に差し込んだときのバケット６の先端までの距離に相当し、掘削開始深さＨ０と掘削途中深さＨとの和となる。ここで、掘削途中深さＨは正の値であり、掘削開始深さＨ０は負の値であるため、掘削深さΔＨを求めるには、ＨからＨ０を引く（ΔＨ＝Ｈ−Ｈ０）。Ｈ０は負の値であるため、掘削深さΔＨはＨとＨ０の絶対値が加算された値となる。また、掘削動作時における水平面からのバケット６の傾き角度（すなわち、バケット角θ３）をバケット姿勢θ３とする。また、掘削開始高さＨ０が地面より下の場合には正の値となるため、掘削深さΔＨはＨからＨ０の絶対値が減算された値となる。
【００３６】
第一実施形態では、後述のように、バケット姿勢θ３（バケット６の水平からの角度）と掘削開始深さΔＨとから、掘削時のバケット６の先端に作用する土砂の反力（掘削反力Ｆ）を演算により求める。
【００３７】
図５は掘削反力を算出する際のパラメータを示す図である。ブーム４は、ブームの支持点Ｐ１とアームの支持点Ｐ２とを結ぶ線分として表される。ブーム角θ１はこのブーム４を表す線分と水平線との間の角度である。アーム５は、アーム５の支持点Ｐ２とバケット６の支持点Ｐ３とを結ぶ線分として表される。アーム角θ２はこのアーム５を表す線分と水平線との間の角度である。バケット６は、バケット６の支持点Ｐ３とバケット６の先端とを結ぶ線分として表される。バケット角θ３はこのバケット６を表す線分と水平線との間の角度である。
【００３８】
ブーム４には、ブームシリンダ７の駆動力Ｆ１による回転モーメントτ１が加わる。アーム５には、アームシリンダ８の駆動力Ｆ２による回転モーメントτ２が加わる。バケット６には、バケットシリンダ９の駆動力Ｆ３による回転モーメントτ３が加わる。ここで、バケット６の先端に作用する掘削反力Ｆの方向は、バケット６の先端の速度Ｖの方向と逆向きとなる。
【００３９】
図６は掘削反力Ｆの算出方法を示す機能ブロック図である。掘削反力Ｆの算出は上述のコントローラ３０により行われる。第一実施形態において、掘削反力Ｆは、実測データ分析により得られた掘削反力テーブル３２を用いて算出する。掘削反力テーブル３２は、バケット姿勢θ３と掘削深さΔＨとから決まる掘削反力Ｆの値が格納されたテーブルであり、実測データ分析により予め求められるテーブルである。より具体的には、掘削反力テーブル３２は、実掘削時と空掘削時のバケット姿勢θ３と掘削深さΔＨをデータ分析することにより、バケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化して作成される。
【００４０】
ここで、バケット姿勢θ３は、水平方向からのブーム４の角度であるブーム角θ１と、ブーム４に対するアーム５の角度と、アーム５に対するバケット６の角度とから求めることができる。このようにして求めたバケット姿勢θ３から掘削反力テーブル３２を用いて掘削反力Ｆを算出する。なお、掘削反力テーブル３２はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４１】
また、第一実施形態では、掘削する土砂の特性（深さ、密度）を考慮して補正しながら掘削反力Ｆを算出する。すなわち、掘削深さΔＨが変わると掘削反力Ｆは変化するので、掘削深さΔＨの変化と掘削反力Ｆの変化との関係をテーブル化した掘削深さ補正テーブル３４を予め準備しておく。そして、掘削反力Ｆを算出する際に掘削深さΔＨを考慮するための補正係数Ｋ１を掘削深さ補正テーブル３４から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ１により掘削反力Ｆを補正する。掘削深さ補正テーブル３４はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４２】
また、掘削反力Ｆは土砂密度によっても変化するため、土砂密度と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化した密度特性テーブル３６を予め準備しておく。そして、掘削反力Ｆを算出する際に土砂密度を考慮するための補正係数Ｋ２を土砂特性テーブル３６から求め、掘削反力Ｆを掘削反力テーブル３２から求める際に補正係数Ｋ２により掘削反力Ｆを補正する。土砂特性テーブル３６はコントローラ３０のメモリに格納されている。
【００４３】
ここで、密度特性テーブルに入力される土砂密度は、掘削する土砂により異なるので、掘削開始時に土砂密度を測定する。例えば、掘削を開始する前にバケット６で土砂をすくい上げ、すくい上げた土砂の重量とバケット６の容積から土砂の密度を測定することができる。第一実施形態では、掘削を開始して最初の掘削動作ですくい上げた土砂の密度を測定して、測定した土砂密度をコントローラ３０のメモリに格納しておく。
【００４４】
次に、上述のように算出した掘削反力Ｆの変化について説明する。まず、掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４について説明する。図７は掘削動作区間における動作時点ｔ１〜ｔ４のそれぞれにおけるバケット６の位置を示す図である。
【００４５】
動作時点ｔ１は掘削動作を始めた時点であり、図７（ａ）に示すように、ブーム４が下げられてバケット６の先端が土砂に接触した状態である。動作時点ｔ２は掘削動作が進んだ時点であり、図７（ｂ）に示すように、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達した状態である。動作時点ｔ３はさらに掘削動作が進んだ時点であり、図７（ｃ）に示すように、バケット６が閉じ始めて土砂をすくい上げている状態である。動作時点ｔ４は掘削動作が終了した時点であり、図７（ｄ）に示すように、掘削した土砂をバケット６に完全にすくい上げた状態である。
【００４６】
図８は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化と掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。図８（ａ）は掘削動作中のバケット姿勢θ３の変化を示し、図８（ｂ）は掘削動作中の掘削反力Ｆの変化を示す。なお、バケット姿勢θ３はバケット６を閉じる方向（図５の時計回り方向）をマイナスとし、バケット６を開く方向（図５の反時計回り方向）をプラスとする。
【００４７】
掘削動作が開始されて掘削が進むに連れて、バケット６の水平線からの角度であるバケット姿勢θ３はバケット６を閉じる方向に大きくなり、動作時点ｔ４にて水平に近い最大角度となる。バケット姿勢θ３は、アーム５を閉じる動作とバケット６を閉じる動作により大きくなる。
【００４８】
一方、土砂による掘削反力Ｆは、バケット６の先端が掘削深さΔＨに到達するまでの動作時点ｔ１〜ｔ２の間は急激に大きくなる。すなわち、バケット６で土砂を掘削する動作であり、土砂からの反力を強く受けている。動作時点ｔ２〜ｔ３の間は、掘削した土砂をバケット６ですくい上げる動作であるため、主に土砂の重量による反力が作用するだけであり、掘削反力Ｆの増大率は減少する。動作時点ｔ３〜ｔ４の間は、バケット６の先端は土砂から離れてすくい上げた土砂の重量による反力だけとなるため、掘削反力は減少する。
【００４９】
図９は図８に示すバケット姿勢θ３の変化に対する掘削反力Ｆの変化を示すグラフである。掘削動作時にバケット６の先端が土砂に接触してからバケット姿勢θ３が大きくなるにつれて（図の左方向に移動するにつれて）掘削反力Ｆが変化することが示されている。上述の図６に示す掘削力反力テーブル３２は、このバケット姿勢θ３と掘削反力Ｆとの関係をテーブル化する。
【００５０】
掘削反力Ｆが図９に示すように変化した場合、掘削反力Ｆは予め設定された第一閾値Ｆａ及び第二閾値Ｆｂを超えていないので、掘削動作は通常のままオペレータのレバー操作のとおりに行われる。ここで、第一閾値Ｆａは、掘削している土砂によりバケット６に所定の負荷が作用したと判定するための値である。すなわち、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合であっても、バケット６の動きが土砂の負荷により鈍化することはないが、レバー操作によって掘削動作をさらに進めると、バケット６の動きが土砂の負荷により鈍化してしまうおそれがある。また、第二閾値Ｆｂは、掘削している土砂によりバケット６に過大な負荷がかかったと判定するための上限値である。すなわち、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合は、レバー操作によって掘削動作をさらに進めると、バケット６が土砂の負荷により停止してしまうおそれがある。
【００５１】
そこで、第一実施形態では、アーム５を閉じながら掘削動作を行っている途中で掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合には、駆動源の出力を増大させるパワーアップ運転を開始させる。掘削動作を進めた場合にバケット６に作用する負荷がさらに増大したとしても、バケット６の動きを鈍化させないようにするためである。
【００５２】
また、第一実施形態では、アーム５を閉じながら掘削動作を行っている途中で掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合には、ブーム上げ制御が実行される。具体的には、一旦アーム閉じ動作を中断し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を上げて掘削深さΔＨを浅くする。掘削深さΔＨを浅くすることで、バケット６に加わる土砂の反力が低減されるためであり、再びアーム閉じ動作を継続し、掘削動作を最後まで行うことができるようにするためである。
【００５３】
図１０はコントローラ３０が行う上述の掘削動作の制御フローチャートである。まず、掘削動作が開始されると、ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒがブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが判定される（ステップＳＴ１）。この判定はバケット６が土砂に接触したか否かの判定に利用される。バケット６が上方から土砂に着地（接触）すると、土砂の反力がブーム４に伝わるため、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値となる。
【００５４】
ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値ではない（ステップＳＴ１のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ２に進み、掘削反力をゼロ（Ｆ＝０）とする。続いて、処理はステップＳＴ１に戻り、ロッド側圧力Ｐｒがボトム側圧力Ｐｂより大きいか否かが再び判定される。
【００５５】
ステップＳＴ１において、ブームシリンダ７のロッド側圧力Ｐｒが、ブームシリンダ７のボトム側圧力Ｐｂより大きな値である（ステップＳＴ１のＹＥＳ）と判定されると、掘削反力Ｆが生じているため、処理はステップＳＴ３に進む。
【００５６】
ステップＳＴ３では、上述の図６に示す掘削反力算出方法により掘削反力が算出される。続いて、ステップＳＴ４において、算出された掘削反力が第一閾値Ｆａより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳＴ４において、バケット６に所定の負荷が作用しているか否かが判定される。
【００５７】
ステップＳＴ４において、掘削反力が第一閾値Ｆａ以下である（ステップＳＴ４のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５では、バケット６に所定の負荷が作用していないので通常の掘削動作を継続してもよいと判断し、処理はステップＳＴ３に戻って再び掘削反力を算出する。一方、ステップＳＴ４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ６に進む。
【００５８】
ステップＳＴ６では、電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、かつ、メインポンプ１４の吐出流量が増大される。続いて、ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂより大きいか否かが判定される。すなわち、ステップＳＴ７において、バケット６が過負荷となっているか否かが判定される。
【００５９】
ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂ以下である（ステップＳＴ７のＮＯ）と判定されると、処理はステップＳＴ３に戻り、再び掘削反力を算出してから、ステップＳＴ４以降の処理を繰り返す。一方、ステップＳＴ７において、掘削反力が第二閾値Ｆｂより大きい（ステップＳＴ７のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ８に進む。
【００６０】
ステップＳＴ８では、ブーム上げ制御が実行される。具体的には、掘削動作を一旦停止し、あるいはアーム閉じ動作を継続させながら、ブーム４を自動的に上げて掘削深さを浅くして掘削反力Ｆを減少させ、掘削動作を継続できるようにする。
【００６１】
その後、処理はステップＳＴ８からステップＳＴ３に戻り、再び掘削反力を算出してから、ステップＳＴ４以降の処理を繰り返す。以上の処理は、オペレータのレバー操作による掘削動作が終了するまで継続して行われる。
【００６２】
図１１はコントローラ３０が電動発電機１２によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、メインポンプ１４の吐出流量Ｑ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（アシストトルク指令）、及びブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。
【００６３】
図１１（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第一実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第一実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。
【００６４】
また、図１１（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、比較対象となる処理が実行される場合（エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ったときにアシスト運転を開始させる場合であり、以下「比較形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。
【００６５】
また、パワーアップ指令は、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。ブーム上げ指令は、ブーム上げ制御を開始させるための指令であり、値β１のときにブーム上げ制御を開始させる。
【００６６】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出している。
【００６７】
ここで、比較形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたとしても、メインポンプ１４は吐出流量Ｑを変化させずにＱ１を吐出し続ける。
【００６８】
そして、時刻ｔ２において、土砂による負荷の増大によりエンジン回転数Ｎが所定レベルまで減少すると、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは減少し始める。また、アタッチメントによる掘削動作は土砂による負荷の増大により停止してしまい、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａ付近で推移する。
【００６９】
そして、時刻ｔ３において、エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ると、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、エンジン回転数Ｎは通常時の目標回転数である第一設定値Ｎ１に復帰する。また、メインポンプ１４の吐出流量ＱもＱ１に復帰し、掘削動作が再開され、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを上回るレベルで推移できるようにする。
【００７０】
一方、第一実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、アシストトルク指令の値が値α１となり、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始される。これにともない、メインポンプ１４の斜板傾転角が調節され、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する。メインポンプ１４の吐出流量Ｑの増大に応じて、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【００７１】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令の値が値β１となり、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少に転じる。掘削反力Ｆの減少にともない、メインポンプ１４の斜板傾転角が調節され、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ２からＱ１に減少する。
【００７２】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、アシストトルク指令の出力が中止されて電動発電機１２によるアシスト運転が停止する。
【００７３】
このように、第一実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化しあるいは停止する前に）電動発電機１２によるアシスト運転を開始させる。このため、第一実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【００７４】
図１２はコントローラ３０が電動発電機１２によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【００７５】
第一実施形態では、ｔ１にてパワーアップ運転が開始されると電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、メインポンプ１４が吸収できる馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。
【００７６】
また、パワーアップ運転が開始されると斜板傾転角の調整が行われ、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、図１１（Ｂ）の時刻ｔ１からｔ２までの推移で示されるように、Ｑ１からＱ２に増大する。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【００７７】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１１（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【００７８】
以上の構成により、第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えた場合にパワーアップ運転を開始させる。その結果、掘削反力Ｆが大きくなった場合にも、アタッチメントの動きを鈍化させることなく掘削動作を継続させることができ、掘削作業効率を向上させることができる。
【００７９】
また、第一実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えた場合にブーム上げ制御を開始させる。その結果、掘削反力Ｆが過度に大きくなった場合にも、アタッチメントの動きを停止させることなく掘削動作を継続させることができ、掘削作業効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００８０】
次に、図１３〜図１５を参照しながら、本発明の第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルについて説明する。
【００８１】
第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、エンジン１１によるパワーアップ運転を実行する点において、電動発電機１２によるパワーアップ運転を実行する第一実施形態に係るハイブリッド型ショベルと相違し、その他の点において共通する。
【００８２】
そのため、共通部分の説明を省略しながら、相違部分を詳細に説明することとする。なお、ここでは、第一実施形態で用いた参照符号をそのまま用いることとする。
【００８３】
図１３は、第二実施形態においてコントローラ３０が行う掘削動作の制御フローチャートであり、ステップＳＴ１６以外は図１０の制御フローチャートと同じである。
【００８４】
具体的には、ステップＳＴ１４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ１４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ１６に進む。
【００８５】
ステップＳＴ１６では、エンジン１１の回転数を増大し、かつ、メインポンプ１４の吐出流量を増大することによってパワーアップ運転を開始させる。
【００８６】
図１４は、図１１に対応する図であり、コントローラ３０がエンジン１１によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、駆動源出力Ｗ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（噴射量増大指令）、及びブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。なお、駆動源出力Ｗは、エンジン１１による出力ＷＥと電動発電機１２による出力（アシストトルク）ＷＭとを含む値である。
【００８７】
図１４（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第二実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第二実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。また、図１４（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、図１１同様、比較形態の場合の時間的推移を示す。また、第二実施形態におけるパワーアップ指令は、エンジン１１に対する燃料噴射量を増大させてエンジン１１の回転数を増大させるための噴射量増大指令であり、値α１のときにエンジン回転数を増大させる。なお、比較形態におけるパワーアップ指令は、図１１同様、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。
【００８８】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出する（図１１（Ｂ）参照。）。
【００８９】
ここで、比較形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたとしても、エンジン１１は回転数Ｎを変化させずに第一設定値Ｎ１で回転し続けようとし、駆動源出力Ｗ（この段階ではエンジン出力ＷＥのみで構成される。）は一時的に増大する。
【００９０】
そして、時刻ｔ２において、土砂による負荷の増大によりエンジン回転数Ｎが所定レベルまで減少すると、駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）は減少に転じる。また、アタッチメントによる掘削動作は土砂による負荷の増大により停止してしまい、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａ付近で推移する。
【００９１】
そして、時刻ｔ３において、エンジン回転数Ｎが閾値Ｎ０を下回ると、アシストトルク指令が発せられて電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、エンジン回転数Ｎは通常時の目標回転数である第一設定値Ｎ１に復帰する。また、駆動源出力Ｗ（この段階ではエンジン出力ＷＥと電動発電機出力ＷＭとの合計で構成される。）は当初（エンジン出力ＷＥのみで構成される場合）より高いレベルで推移し、掘削動作が再開され、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを上回るレベルで推移する。
【００９２】
一方、第二実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、エンジン回転数が第一設定値Ｎ１から第二設定値Ｎ２へ変更される。これにより、噴射量増大指令が発せられてエンジン１１の回転数が増大する。また、エンジン１１の回転数の増大に応じて駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）も増大する。また、これにともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。メインポンプ１４の吐出流量Ｑが増大すると、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【００９３】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少する。掘削反力Ｆの増大とともに増大していた駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ）も、掘削反力Ｆの減少とともに減少に転じる。その後、掘削反力Ｆの減少にともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ２からＱ１に減少する（図１１（Ｂ）参照。）。
【００９４】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、噴射量増大指令の出力が中止されてエンジン１１の回転数が第一設定値Ｎ１に復帰する。
【００９５】
このように、第二実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化あるいは停止する前に）エンジン１１の回転数を増大させる。このため、第二実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【００９６】
図１５はコントローラ３０がエンジン１１によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【００９７】
第二実施形態では、パワーアップ運転が開始されるとエンジン１１の回転数が増大し、メインポンプ１４が吸収できる馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。
【００９８】
また、パワーアップ運転が開始されると、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ１からＱ２に増大する。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【００９９】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１４（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【０１００】
以上の構成により、第二実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、第一実施形態に係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【実施例３】
【０１０１】
次に、図１６及び図１７を参照しながら、本発明の第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルについて説明する。
【０１０２】
第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、エンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を実行する点において、電動発電機１２、エンジン１１のそれぞれによるパワーアップ運転を実行する第一、第二実施形態に係るハイブリッド型ショベルと相違し、その他の点において共通する。
【０１０３】
そのため、共通部分の説明を省略しながら、相違部分を詳細に説明することとする。なお、ここでは、第一、第二実施形態で用いた参照符号をそのまま用いることとする。
【０１０４】
図１６は、第三実施形態においてコントローラ３０が行う掘削動作の制御フローチャートであり、ステップＳＴ２６以外は図１０及び図１３の制御フローチャートと同じである。
【０１０５】
具体的には、ステップＳＴ２４において、掘削反力が第一閾値Ｆａより大きい（ステップＳＴ２４のＹＥＳ）と判定されると、処理はステップＳＴ２６に進む。
【０１０６】
ステップＳＴ２６では、電動発電機１２によるアシスト運転を開始し、エンジン１１の回転数を増大し、かつ、メインポンプ１４の吐出流量を増大することによってパワーアップ運転を開始させる。
【０１０７】
図１７は、図１１及び図１４に対応する図であり、コントローラ３０がエンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を開始させる際の掘削反力Ｆ、駆動源出力Ｗ、エンジン回転数Ｎ、パワーアップ指令（アシストトルク指令及び噴射量増大指令）、並びにブーム上げ指令の時間的推移を示す図である。なお、駆動源出力Ｗは、図１４同様、エンジン１１による出力ＷＥと電動発電機１２による出力（アシストトルク）ＷＭとを含む値である。
【０１０８】
図１７（Ａ）〜（Ｅ）の実線は、第三実施形態の処理が実行される場合（掘削反力が第一閾値Ｆａを超えたときにパワーアップ運転を開始させる場合であり、以下「第三実施形態の場合」とする。）の時間的推移を示す。また、図１７（Ａ）〜（Ｄ）の破線は、図１１及び図１４と同様、比較形態の場合の時間的推移を示す。なお、図１７における比較形態での推移は、図１４の場合と同じである。
【０１０９】
また、第三実施形態におけるパワーアップ指令は、電動発電機１２によるエンジン１１の回転数を第一設定値Ｎ１から第二設定値Ｎ２まで増大させるアシストトルク指令で構成される。そのため、値α１のときにアシスト運転を開始させ、かつ、エンジン回転数を増大させる。なお、比較形態におけるパワーアップ指令は、図１１及び図１４と同様、電動発電機１２によるアシスト運転を開始させるためのアシストトルク指令であり、値α１のときにアシスト運転を開始させる。
【０１１０】
時刻０からｔ１において、オペレータはアーム操作レバーをアーム５が閉じる方向に最大に傾けており、掘削反力Ｆは時間が進むにしたがい大きくなる。このとき、メインポンプ１４の吐出流量Ｑは、現在の吐出圧に応じた最大吐出量であるＱ１を吐出する（図１１（Ｂ）参照。）。
【０１１１】
第三実施形態の場合には、時刻ｔ１において掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えると、エンジン１１の回転数設定値が第二設定値Ｎ２へ変更され、アシストトルク指令が発せられる。これにより、電動発電機１２によるアシスト運転が開始し、エンジン１１の回転数が増大する。また、駆動源出力Ｗは、アシスト運転の開始とエンジン回転数の増大とに応じて増大する。また、これにともない、メインポンプ１４の吐出流量ＱがＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。メインポンプ１４の吐出流量Ｑが増大すると、アーム５による掘削動作はさらに進められ、掘削反力Ｆは第一閾値Ｆａを超えて増大する。そして、エンジン１１の回転数を第二設定値Ｎ２に維持するように、噴射量増大指令が発せられる。このように、メインポンプ１４の吐出流量の増大により、メインポンプ１４の馬力を増大させることができる。
【０１１２】
そして、時刻ｔ４において、掘削反力Ｆが第二閾値Ｆｂを超えると、ブーム上げ指令が発せられてブーム上げ制御が開始される。これによって、ブーム４が所定角度だけ上昇し、土砂による負荷の減少により掘削反力Ｆは減少する。掘削反力Ｆの増大とともに増大していた駆動源出力Ｗ（エンジン出力ＷＥ＋電動発電機出力ＷＭ）も、掘削反力Ｆの減少とともに減少に転じる。また、掘削反力Ｆの減少にともない、吐出圧が減少し、メインポンプ１４の馬力が低下する。
【０１１３】
そして、時刻ｔ５において、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを下回ると、アシストトルク指令の出力が中止されてアシスト運転が停止し、かつ、エンジン１１の回転数が第一設定値Ｎ１に復帰する。
【０１１４】
このように、第三実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えたところで頭打ちとなる前に（すなわち、掘削動作が鈍化あるいは停止する前に）、アシスト運転を開始させ、かつ、エンジン１１の回転数を増大させる。このため、第三実施形態の場合には、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大するのを許容し、掘削動作をより円滑にして掘削作業効率を向上させることができる。
【０１１５】
図１８はコントローラ３０がエンジン１１及び電動発電機１２の双方によるパワーアップ運転を開始させる際のメインポンプ１４の吐出流量Ｑと吐出圧Ｐとの間の関係を示すＰＱ線図である。
【０１１６】
第三実施形態では、パワーアップ運転が開始されると電動発電機１２によるアシスト運転が開始され、メインポンプ１４の馬力は実線で示される状態から破線で示される状態まで増大する。さらに、エンジン１１の回転数が増大され、メインポンプ１４の馬力は破線で示される状態から一点鎖線で示される状態までさらに増大する。なお、アシスト運転の開始による馬力の増大、及び、エンジン回転数の増大による馬力の増大の順番は不同であり、両者が同時に行われてもよい。
【０１１７】
また、パワーアップ運転が開始されると、メインポンプ１４の吐出流量ＱはＱ１からＱ２に増大する（図１１（Ｂ）参照。）。なお、Ｑ１は、パワーアップ運転開始前の吐出圧Ｐ１での最大吐出量であり、Ｑ２は、パワーアップ運転開始後の吐出圧Ｐ１での最大吐出量である。
【０１１８】
その結果、掘削反力Ｆが第一閾値Ｆａを超えて増大することからも明らかなように（図１７（Ａ）参照。）、アタッチメントによる掘削動作は、円滑に継続され、掘削作業効率が向上する。
【０１１９】
以上の構成により、第三実施形態に係るハイブリッド式ショベルは、第一、第二実施形態のそれぞれに係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【０１２０】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１２１】
例えば、第二実施例において、ハイブリッド式ショベルは、電動発電機１２を持たないショベルであってもよい。エンジン回転数を増大させることによってパワーアップ運転が実行されるため、電動発電機１２を備える必要がないためである。
【０１２２】
図１９は、電動発電機１２を持たないショベルの一例である油圧式ショベルの駆動系の構成を示すブロック図である。この油圧式ショベルは、エンジン１１がメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に直接接続される点、電動発電系、蓄電系、及び負荷駆動系が省略される点、及び、旋回用電動機２１の代わりに旋回用油圧モータ２Ａを備える点で、図２のハイブリッド型ショベルと相違するが、その他の点で共通する。
【０１２３】
以上の構成により、この油圧式ショベルは、第二実施形態に係るハイブリッド型ショベルと同様の効果を実現させることができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１・・・下部走行体 １Ａ、１Ｂ・・・走行用油圧モータ ２・・・旋回機構 ２Ａ・・・旋回用油圧モータ ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０・・・キャビン １１・・・エンジン １２・・・電動発電機 １３・・・変速機 １４・・・メインポンプ １５・・・パイロットポンプ １６・・・高圧油圧ライン １７・・・コントロールバルブ １８、２０・・・インバータ １９・・・キャパシタ ２１・・・旋回用電動機 ２２・・・レゾルバ ２３・・・メカニカルブレーキ ２４・・・旋回変速機 ２５・・・パイロットライン ２６・・・操作装置 ２６Ａ、２６Ｂ・・・レバー ２６Ｃ・・・ペダル ２７・・・油圧ライン ２８・・・油圧ライン ２９・・・圧力センサ ３０・・・コントローラ １００・・・昇降圧コンバータ １１０・・・ＤＣバス １１１・・・ＤＣバス電圧検出部 １１２・・・キャパシタ電圧検出部 １１３・・・キャパシタ電流検出部 １２０・・・蓄電系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを含む駆動源と、
該駆動源に連結されたメインポンプと、
該メインポンプからの作動油で駆動するアタッチメントと、
該アタッチメントの姿勢を検出する角度センサと、
前記駆動源及び前記メインポンプを制御する制御部と、を有し、
該制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削反力を算出し、該掘削反力と所定の第一閾値とを比較し、該掘削反力が該所定の第一閾値を超える場合に前記駆動源の出力を増加させる、
ことを特徴とするショベル。
【請求項２】
前記制御部は、前記掘削反力と所定の第二閾値とを比較し、前記掘削反力が該所定の第二閾値を超える場合に前記アタッチメントに作用する掘削反力を低減する、
ことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記エンジンの動力によって発電する電動発電機と、
該電動発電機で発電した電力を蓄電する蓄電器と、を更に有し、
前記メインポンプは、斜板式可変容量型油圧ポンプであり、
前記制御部は、前記掘削反力が前記第一閾値を超える場合に、前記電動発電機のアシストトルクを増大させ、かつ、前記メインポンプの斜板傾転角を変更する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項４】
前記制御部は、前記掘削反力が前記所定の第一閾値を超える場合に、前記エンジンの回転数を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項５】
前記エンジンの動力によって発電する電動発電機と、
該電動発電機で発電した電力を蓄電する蓄電器と、を更に有し、
前記メインポンプは、斜板式可変容量型油圧ポンプであり、
前記制御部は、前記掘削反力が前記第一閾値を超える場合に、前記電動発電機のアシストトルクを増大させ、前記エンジンの回転数を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項６】
前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削深さを算出し、該掘削深さに応じて前記掘削反力を補正する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【請求項７】
掘削対象の土砂特性を記憶する記憶装置を更に有し、
前記制御部は、前記角度センサの出力と前記土砂特性とに基づいて前記掘削反力を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のショベル。
【請求項１】
エンジンを含む駆動源と、
該駆動源に連結されたメインポンプと、
該メインポンプからの作動油で駆動するアタッチメントと、
該アタッチメントの姿勢を検出する角度センサと、
前記駆動源及び前記メインポンプを制御する制御部と、を有し、
該制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削反力を算出し、該掘削反力と所定の第一閾値とを比較し、該掘削反力が該所定の第一閾値を超える場合に前記駆動源の出力を増加させる、
ことを特徴とするショベル。
【請求項２】
前記制御部は、前記掘削反力と所定の第二閾値とを比較し、前記掘削反力が該所定の第二閾値を超える場合に前記アタッチメントに作用する掘削反力を低減する、
ことを特徴とする請求項１に記載のショベル。
【請求項３】
前記エンジンの動力によって発電する電動発電機と、
該電動発電機で発電した電力を蓄電する蓄電器と、を更に有し、
前記メインポンプは、斜板式可変容量型油圧ポンプであり、
前記制御部は、前記掘削反力が前記第一閾値を超える場合に、前記電動発電機のアシストトルクを増大させ、かつ、前記メインポンプの斜板傾転角を変更する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項４】
前記制御部は、前記掘削反力が前記所定の第一閾値を超える場合に、前記エンジンの回転数を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項５】
前記エンジンの動力によって発電する電動発電機と、
該電動発電機で発電した電力を蓄電する蓄電器と、を更に有し、
前記メインポンプは、斜板式可変容量型油圧ポンプであり、
前記制御部は、前記掘削反力が前記第一閾値を超える場合に、前記電動発電機のアシストトルクを増大させ、前記エンジンの回転数を上昇させる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のショベル。
【請求項６】
前記制御部は、前記角度センサの出力に基づいて掘削深さを算出し、該掘削深さに応じて前記掘削反力を補正する、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のショベル。
【請求項７】
掘削対象の土砂特性を記憶する記憶装置を更に有し、
前記制御部は、前記角度センサの出力と前記土砂特性とに基づいて前記掘削反力を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のショベル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−２０５８（Ｐ２０１３−２０５８Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３１５７９（Ｐ２０１１−１３１５７９）
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１３日（２０１１．６．１３）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]