動力伝達装置及び作業機械
【課題】作業機械の旋回装置及び作業機械に好適の動力伝達装置に関し、簡素な構成で安価に製造することができ、かつ、エネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力できるとともに大きなトルクも出力できるようにする。
【解決手段】駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置において、第１の駆動源としての油圧モータ２０と、第２の駆動源としての電気モータ７０と、電気モータ７０の回転のエネルギーが伝達される太陽歯車８１，太陽歯車８１に噛合する複数の遊星歯車８２，複数の遊星歯車８２を回転自在に支持するとともに油圧モータ２０の回転のエネルギーが伝達されるキャリア８３，複数の遊星歯車８２と回転自在に噛合する内歯車８４，内歯車８４の回転のエネルギーが伝達される出力軸８５を有する遊星歯車機構の減速機８０とを備えた。
【解決手段】駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置において、第１の駆動源としての油圧モータ２０と、第２の駆動源としての電気モータ７０と、電気モータ７０の回転のエネルギーが伝達される太陽歯車８１，太陽歯車８１に噛合する複数の遊星歯車８２，複数の遊星歯車８２を回転自在に支持するとともに油圧モータ２０の回転のエネルギーが伝達されるキャリア８３，複数の遊星歯車８２と回転自在に噛合する内歯車８４，内歯車８４の回転のエネルギーが伝達される出力軸８５を有する遊星歯車機構の減速機８０とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の旋回式作業機械の旋回装置に用いて好適の、駆動源として油圧モータと電気モータとを備えた動力伝達装置及び作業機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
旋回式作業機械には、一般に、旋回装置の動力伝達装置として遊星歯車機構の減速機（以下、遊星歯車減速機という）が用いられている。
図４に示すように、旋回式作業機械の代表例である油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回自在に結合された上部旋回体３と、上部旋回体３から前方へ延出するように取り付けられた作業装置４とから構成されている。
【０００３】
そして、下部走行体２と上部旋回体３との間に配設された旋回装置１０により、上部旋回体３は下部走行体２に対して旋回するようになっている。
下部走行体２は、その骨格としての走行フレーム（図示略）と、走行フレームの中央部上面に設けられた、大径なリング状の丸胴２ａとを有している。
上部旋回体３は、その骨格としての旋回フレーム３ａを有するとともに、旋回フレーム３ａ上に搭載されたエンジン（図示略）やエンジンにより駆動され作動油を吐出する油圧ポンプ５（図６参照）や作動油を貯留する作動油タンク６（図６参照）やオペレータが搭乗するキャブ７等を有している。
【０００４】
旋回装置１０は、図５に示すように、その下端１１ａを旋回フレーム３ａ上に取り付けられ段付きの円筒状に形成されたハウジング（減速機ボディ）１１と、ハウジング１１の上端１１ｂ側に配設された回転源（駆動源）としての油圧モータ（旋回モータ）２０と、ハウジング１１内に配設され油圧モータ２０の回転を減速する遊星歯車減速機３０と、ハウジング１１の下端１１ｂから下方に突出し、遊星歯車減速機３０により減速された回転のエネルギーが伝達されるピニオンギア４０と、ピニオンギア４０の回転のエネルギー（以下、回転エネルギーともいう）が伝達されるリング状に形成された旋回輪（旋回ベアリング）５０とから大略構成されている。ここで、油圧モータ２０と遊星歯車減速機３０とから、動力伝達装置が構成されている。
【０００５】
遊星歯車減速機３０は、油圧モータ２０の油圧モータシャフト２１にスプライン等を介して接続された（スプライン結合した）入力軸３１と、入力軸３１に接続され油圧モータ２０の回転エネルギーが伝達される太陽歯車３２と、太陽歯車３２の外周に配置され太陽歯車３２に噛合する複数の遊星歯車３３と、複数の遊星歯車３３の各自転軸（枢軸）を太陽歯車３２を中心として回転可能に支持するキャリア３４と、ハウジング１１内周面に形成され複数の遊星歯車３３と噛合する内歯車３５と、スプライン等を介してキャリア３４に接続されピニオンギア４０に回転エネルギーを伝達する（即ち、遊星歯車減速機３０によって減速された回転を出力する）出力軸３６とを有している。
【０００６】
旋回輪５０は、丸胴２ａと旋回フレーム３ａとの間に設けられており、リング状に形成され丸胴２ａの上面に固着された内輪５１と、リング状に形成され旋回フレーム３ａの下面に固着された外輪５２と、内輪５１と外輪５２との間に配設された複数の鋼球５３とにより構成されている。
内輪５１の内周側には、その全周に亘ってピニオンギア４０が噛合する内歯５１ａが形成されている。そして、内輪５１の周囲を外輪５２が回転することにより、外輪５２に取り付けられた旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、旋回軸を中心として下部走行体２上で旋回するようになっている。
【０００７】
旋回装置１０の作用を詳述すると、油圧モータ２０に圧油を給排して油圧モータ２０を回転駆動すると回転エネルギーが発生し、この回転エネルギーは入力軸３１を介して太陽歯車３２に伝達され、太陽歯車３２が自転する。すると、太陽歯車３２に噛合する遊星歯車３３が自転運動を行なう。このとき、遊星歯車３３は内歯車３５にも噛合しているので内歯車３５にも回転エネルギーが伝達されるが、内歯車３５はハウジング１１内周面に形成され固定されているので、遊星歯車３３は公転運動をも行なう。つまり、各遊星歯車３３は、キャリア３４に支持された枢軸を中心として自転しつつ、太陽歯車３２を中心として公転する。
【０００８】
遊星歯車３３の公転運動のエネルギーは、遊星歯車３３を支持するキャリア３４に伝達され、キャリア３４に接続された出力軸３６の下端側に配設されたピニオンギア４０に回転エネルギーが伝達される。
ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内輪５１の内歯５１ａに噛合しているので、上記回転エネルギーを受けて内歯５１ａに沿って自転しつつ内輪５１の中心に対して公転する。そして、ピニオンギア４０の公転力は、ピニオンギア４０が接続されている遊星歯車減速機３０が取り付けられた旋回フレーム３ａに伝わり、旋回フレーム３ａに固定された外輪５２が走行フレームの丸胴２ａに固定された内輪５１の周囲を回転することで、旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、下部走行体２上で旋回するようになっている。
【０００９】
つまり、遊星歯車減速機３０は、入力軸３１から伝達された油圧モータ２０の回転を減速し、出力軸３６に設けられたピニオンギア４０を大きなトルクをもって回転させるようになっている。そして、ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内歯５１ａに沿って自転しつつ公転し、このときの公転力によって上部旋回体３が下部走行体２上で旋回するようになっている。
【００１０】
ここで、旋回装置１０即ち動力伝達装置の回転源としては、上述のように油圧モータ２０が利用されるのが一般的であるが、油圧モータ２０は、旋回加速時や旋回減速時においてエネルギー損失（動力損失）が大きいという課題がある。
つまり、動力伝達装置の油圧回路Ｃ1を図６を用いて説明すると、この油圧回路Ｃ1は、エンジン出力で駆動される油圧ポンプ５から吐出された作動油がコントロール弁８を介して油圧モータ２０へと供給される回路であって、作動油が油圧ポンプ５から油圧モータ２０へと向かう吐出通路と、油圧モータ２０から作動油タンク６へと還流する戻り通路とを有している。そして、コントロール弁８と油圧モータ２０との間の吐出通路及び戻り通路を連通する通路には、油圧モータ２０に内蔵されたリリーフ弁９ａ，９ｂが介装されている。
【００１１】
油圧回路Ｃ1において、旋回加速時は、油圧モータ２０を適正に加速させるため、油圧モータ２０の負荷圧の最大値を一定に抑制するようにリリーフ弁９ａ，９ｂで一部の作動油を作動油タンク６へと還流することにより、油圧モータ２０を過剰な負荷圧から保護しつつ滑らかな加速特性を得ている。言わば、リリーフ弁９ａ，９ｂは、その前後差圧と通過流量に応じた分の油圧エネルギーを熱エネルギーに変換している。リリーフ弁９ａ，９ｂからの戻り油は、作動油冷却用のオイルクーラを経て作動油タンク６に回収されるが、リリーフ弁９ａ，９ｂで発生した熱エネルギーはオイルクーラを通過するときに大気中に放出され、エネルギーの損失となっている。
【００１２】
旋回減速時は、制動力として、リリーフ弁９ａ，９ｂにより油圧モータ２０の負荷圧を一定に制御することで、油圧モータ２０を過剰な負荷圧から保護しつつ、滑らかな減速特性を得ているので、旋回加速時と同様に、リリーフ弁９ａ，９ｂで油圧エネルギーは熱エネルギーに変換され、熱エネルギーはオイルクーラより大気中に放出され、エネルギーの損失となっている。
【００１３】
また、従来のこうした遊星歯車減速機３０では、減速比は固定される。したがって、微操作を行なうときには、油圧モータ２０への流量を精密に制御しなくてはならず、コストがかかるという課題がある。
これらの課題に対し、例えば特許文献１及び特許文献２記載の技術のように、旋回装置の回転源を油圧モータから電気モータに置き換える技術が開発されている。
【００１４】
旋回装置の回転源として電気モータを適用すれば、電気モータへの電流を制御することで、エネルギー損失を抑制しエンジン出力を抑制することができるとともに、滑らかな加速特性及び減速特性を得て微操作性を確保することができる。
【特許文献１】特開２００１−１２２７４号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、電気モータで油圧ショベルを旋回させようとすると、電気モータにおいては連続運転で高トルクを出力することができないため、油圧ショベルで多用される壁面押し付け掘削など、長時間に亘って高トルクが必要な作業が困難である。
また、電気モータで前述の加速特性及び減速特性を得るためには、容量の大きな大型の電気モータが必要となり、コストがかかる。
【００１６】
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、簡素な構成で安価に製造することができ、かつ、エネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力できるとともに大きなトルクも出力できるようにした、動力伝達装置及び作業機械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】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の動力伝達装置は、駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記電気モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の本発明の動力伝達装置は、駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記電気モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の本発明の動力伝達装置は、請求項１記載の動力伝達装置において、前記油圧モータは、前記キャリアに前記油圧モータの回転のエネルギーを入力するための油圧モータシャフトを有し、前記電気モータは、前記太陽歯車に前記電気モータの回転のエネルギーを入力するための電気モータシャフトを有し、前記電気モータシャフトは、径方向中心部において中空に形成された中空部を有し、前記油圧モータシャフトは、前記電気モータシャフトの前記中空部を貫通するように配設されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項４記載の本発明の動力伝達装置は、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記油圧モータと前記電気モータとの動力が複合して入力されるとともに、入力された前記油圧モータと前記電気モータとの動力を減速して出力する減速機とを備えたことを特徴としている。
請求項５記載の本発明の作業機械は、請求項１〜４の何れか１項に記載の動力伝達装置を有する旋回装置と、下部走行体と、前記旋回装置により前記下部走行体上に旋回自在に結合された上部旋回体とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１又は２記載の本発明の動力伝達装置によれば、一つの遊星歯車機構の減速機に対して、簡素且つ安価な構成で油圧モータ及び電気モータという２つの駆動源を備えることができる。
また、油圧モータ及び電気モータを単独もしくは複合して利用することができる。つまり、油圧モータは回転させずに（即ち、静止状態で）最大トルクを長時間に亘って出すことができるため油圧モータの駆動により良好に大きなトルクを出力することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力することができる。
【００２２】
また、電気モータ及び油圧モータの出力合計が従来技術の油圧モータと同等の出力であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、コストをより低減することができる。
請求項３記載の本発明の動力伝達装置によれば、油圧モータシャフトを電気モータシャフトの径方向中心部の中空部に貫通するように配設し、よりコンパクトな構成とすることができる。
【００２３】
請求項４記載の本発明の動力伝達装置によれば、一つの減速機に対して、簡素且つ安価な構成で油圧モータ及び電気モータという２つの駆動源を備えることができる。
また、油圧モータ及び電気モータを単独もしくは複合して利用することができる。つまり、油圧モータは回転させずに最大トルクを長時間に亘って出すことができるため油圧モータの駆動により良好に大きなトルクを出力することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力することができる。
【００２４】
また、電気モータ及び油圧モータの出力合計が従来技術の油圧モータと同等の出力であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、コストをより低減することができる。
請求項５記載の本発明の作業機械によれば、旋回装置の旋回の要求に応じて、油圧モータの駆動により高トルクの旋回操作を長時間することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失なく小さなトルクを出力し微操作性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［一実施形態］
図１〜図３は本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を示すもので、図１はその動力伝達装置を有する旋回装置の模式的な断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３はその動力伝達装置の電気・油圧回路図である。なお、従来技術と同様の部材には同一の符号を付すとともに、図４を適宜用いて説明する。
本実施形態では、油圧ショベルの旋回装置に適用された動力伝達装置について説明する 。
【００２６】
＜構成＞
図４に示すように、油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回自在に結合された上部旋回体３と、上部旋回体３から前方へ延出するように取り付けられた作業装置４とから構成されている。
【００２７】
そして、下部走行体２と上部旋回体３との間に配設された旋回装置６０（図４では符号１０で示している）を備え、この旋回装置６０により、上部旋回体３は下部走行体２に対して旋回するようになっている。
下部走行体２は、その骨格としての走行フレーム（図示略）と、走行フレームの中央部上面に設けられた、大径なリング状の丸胴２ａとを有している。
【００２８】
上部旋回体３は、その骨格としての旋回フレーム３ａを有するとともに、旋回フレーム３ａ上に搭載されたエンジン（図示略）やエンジンにより駆動され作動油を吐出する油圧ポンプ５（図３参照）や作動油を貯留する作動油タンク６（図３参照）やオペレータが搭乗するキャブ７等を有している。
旋回装置６０は、図１に示すように、その下端を旋回フレーム３ａ上に取り付けられ段付きの円筒状に形成されたハウジング１１と、ハウジング１１の上端側に配設された回転源としての油圧モータ２０及び電気モータ７０と、ハウジング１１内に配設され油圧モータ２０及び電気モータ７０から入力された回転を減速して出力する遊星歯車減速機８０と、ハウジング１１の下端から下方に突出し、遊星歯車減速機８０により減速された回転のエネルギーが伝達されるピニオンギア４０と、ピニオンギア４０の回転エネルギーが伝達されるリング状に形成された旋回輪５０とから大略構成されている。ここで、油圧モータ２０及び電気モータ７０と遊星歯車減速機８０とから、動力伝達装置が構成されている。なお、油圧モータ２０は、例えば、時計回りを正転とし反時計回りを逆転として回転するようになっている。電気モータ７０も同様に、時計回りを正転とし反時計回りを逆転として回転するようになっている。
【００２９】
電気モータ７０は、電動機兼発電機として構成されており、動力伝達装置は、電気モータ７０を回転駆動するための電力を電気モータ７０へ供給するとともに電気モータ７０で発電された電力を充電するバッテリ（蓄電器）９０（図３参照）と、電気モータ７０とバッテリ９０との間の電流（交流電流の周波数）を制御するインバータ９１（図３参照）とをさらに備えている。
【００３０】
また、電気モータ７０のシャフト（以下、電気モータシャフトという）７１は、径方向中心部において中空に形成された中空部７１ａを有している。そして、この電気モータシャフト７１の中空部７１ａに油圧モータ２０のシャフト（以下、油圧モータシャフトという）２１が貫通している。
遊星歯車減速機８０は、図２に示すように、ハウジング１１の径方向中心に配置されるとともに電気モータシャフト７１に接続され電気モータ７０の回転エネルギー（第１回転エネルギー）が伝達される太陽歯車８１と、太陽歯車８１の外周に配置され太陽歯車８１に噛合する複数（ここでは４つ）の遊星歯車８２と、複数の遊星歯車８２の各枢軸を太陽歯車８１を中心として回転可能に支持するとともに油圧モータシャフト２１に接続され油圧モータ２０の回転エネルギー（第２回転エネルギー）が伝達されるキャリア８３と、複数の遊星歯車８２の外周に配置され複数の遊星歯車８２と回転自在に噛合する内歯車８４と、内歯車８４に接続され内歯車８４の回転を回転エネルギーとしてピニオンギア４０に伝達し出力する出力軸８５とを有している。
【００３１】
内歯車８４は、図５に示す従来技術の遊星歯車減速機３０と異なり固定されておらず、したがって、本遊星歯車減速機８０は、電気モータシャフト７１と油圧モータシャフト２１という二つの入力軸と、一つの出力軸８５とを有している。
旋回輪５０は、丸胴２ａと旋回フレーム３ａとの間に設けられており、丸胴２ａの上面に固着された内輪５１と、旋回フレーム３ａの下面に固着された外輪５２と、内輪５１と外輪５２との間に配設された複数の鋼球５３とにより構成されている。
【００３２】
内輪５１の内周側には、その全周に亘ってピニオンギア４０が噛合する内歯５１ａが形成されている。そして、丸胴２ａに固着された内輪５１の周囲を外輪５２が回転することにより、外輪５２に取り付けられた旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、旋回軸を中心として下部走行体２上で旋回するようになっている。
ここで、旋回装置６０の動力伝達装置の油圧・電気回路Ｃ2について図３を用いて説明すると、油圧・電気回路Ｃ2は、油圧ポンプ５から吐出された作動油がコントロール弁８を介して油圧モータ２０へと供給される油圧回路Ｃ3（図３中に実線で示す）と、電気モータ７０を有する電気回路Ｃ4（図３中に破線で示す）とを有している。そして、油圧・電気回路Ｃ2では、油圧モータ２０及び電気モータ７０が遊星歯車減速機８０に対して並列に接続され、旋回装置６０は、油圧モータ２０及び電気モータ７０それぞれが単独でも遊星歯車減速機８０を介して上部旋回体３を旋回可能であるとともに、油圧モータ２０及び電気モータ７０が複合して遊星歯車減速機８０を介して上部旋回体３を旋回可能になっている。
【００３３】
油圧回路Ｃ3は、作動油が油圧ポンプ５から油圧モータ２０へと向かう吐出通路と、油圧モータ２０から作動油タンク６へと還流する戻り通路と、コントロール弁８から引出された吐出通路及び戻り通路を連通する上流側の連通路及び下流側の連通路とを有している。
上流側の連通路上には、無負荷弁１２が介装されている。無負荷弁１２は、コントロール弁８から引き出された上記の吐出通路及び戻り通路を短絡させて連通させることができるようになっている。つまり、無負荷弁１２は、通常は閉止状態（閉状態）となっているが、油圧モータ２０を空回りさせる必要がある場合には開状態となり、油圧モータ２０への作動油の供給を遮断することができるようになっている。
【００３４】
また、下流側の連通路上には、油圧モータ２０に内蔵され、油圧モータ２０の負荷圧を一定に制御するように一部の作動油を作動油タンク６へと還流させるリリーフ弁９ａ，９ｂが介装されている。
一方、電気回路Ｃ4は、電気モータ７０と、バッテリ９０と、電気モータ７０とバッテリ９０との間に介装され電流を制御するインバータ９１とを備えている。
【００３５】
インバータ９１は、油圧モータ２０により遊星歯車減速機８０を駆動する定常旋回時はバッテリ９０の充電状況によって電気モータ７０を発電機として機能させることでバッテリ９０を充電させるとともに、旋回減速時は電気モータ７０を発電機として機能させることで旋回運動エネルギー（慣性エネルギー）を電気エネルギーに変換してバッテリ９０を充電させる機能を有している。
【００３６】
＜作用・効果＞
本発明の一実施形態にかかる動力伝達装置及び動力伝達装置を有する旋回装置は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果がある。
動力伝達装置は、電気モータシャフト７１が太陽歯車８１にスプライン結合し、油圧モータシャフト２１がキャリア８３にスプライン結合しているので、簡素且つ安価な構成で、一つの遊星歯車減速機８０に対して、電気モータ７０と油圧モータ２０との２つの異なる回転源の回転エネルギーを入力することができる。つまり、一つの遊星歯車減速機８０を電気モータ７０と油圧モータ２０とで共用するようにしたので、電気モータ７０専用の減速機や油圧モータ２０専用の減速機が不要となり、装置の小型化及び軽量化を図りコストを抑制することができる。
【００３７】
また、電気モータシャフト７１の中空部７１ａに油圧モータシャフト２１が貫通しているので、よりコンパクトな構成とすることができる。
また、電気モータ７０及び油圧モータ２０を状況に応じて単独で回転駆動したり複合して回転駆動したりすることで、動力伝達装置は、電気モータ７０の利点と油圧モータ２０の利点とを両方奏することができ、大きなトルクを出力することができるとともにエネルギー損失なく小さなトルクを出力することができる。
【００３８】
そして、動力伝達装置を有する油圧ショベル１の旋回装置６０は、旋回加速時の初回の微操作時には、無負荷弁１２を開状態に制御して（上流側の連通路を連通させて）油圧モータ２０への作動油の供給を遮断するとともに電気モータ７０のみを回転駆動し電気モータ７０の出力を制御すれば、油圧モータ２０のリリーフ弁９ａ，９ｂからのエネルギー損失がなくなるので、エネルギー効率を良好にすることができる。また、電気モータ７０起動後すぐに一瞬だけ無負荷弁１２を開状態とすれば、遊星歯車減速機８０のバックラッシュを抑制することができる。
【００３９】
そして、ある程度加速した場合には、無負荷弁１２を閉状態に制御して（上流側の連通路を連通させず）油圧モータ２０へ作動油を供給し、油圧モータ２０も複合して回転駆動し回転数及びトルクを上昇させる。
さらに、加速が進み定常回転に達した定常旋回時には、油圧モータ２０のみ回転駆動するとともに電気モータ７０を発電機として作用させ、油圧モータ２０の余剰エネルギーをバッテリ９０に充電することができる。そして、定常旋回時に油圧モータ２０を利用すれば、油圧モータ２０は回転させずに（即ち、静止状態で）最大トルクを長時間に亘って出力可能な特性を有しているので、壁面押付け掘削等の高トルクが必要な作業も長時間行なうことができる。
【００４０】
また、旋回減速時には、油圧モータ２０のみ回転駆動するとともに電気モータ７０を発電機として作用させ、上部旋回体３の旋回に係る慣性エネルギーをバッテリ９０に充電することができ、エネルギー損失を抑制することができる。
そして、旋回減速時に電気モータ７０を発電機として作用させた場合、制動力による慣性エネルギーが電気モータ７０の発電機としての容量を超えるエネルギーであった場合には、無負荷弁１２を開状態として油圧モータ２０のリリーフ弁９ａ，９ｂを作動させて、電気モータ７０を保護することができる。
【００４１】
また、微操作時には、油圧モータ２０を一方向に回転駆動するとともに電気モータ７０を油圧モータ２０と逆方向に回転駆動する（例えば、油圧モータ２０を正転駆動する一方、電気モータ７０を逆転駆動する）ことで、無段階変速機とすることができ、微操作性をより向上させることができる。
つまり、微操作時に油圧モータ２０に圧油を給排して油圧モータ２０を回転駆動すると第２回転エネルギーが発生し、第２回転エネルギーは油圧モータシャフト２１からキャリア８３に伝達され、キャリア８３は自転する。すると、キャリア８３に支持される遊星歯車８２が公転運動を行なう。同時に、電気モータ７０に電流を流して電気モータ７０を回転駆動すると第１回転エネルギーが発生し、第１回転エネルギーは電気モータシャフト７１から太陽歯車８１に伝達され、太陽歯車８１が自転する。すると、太陽歯車８１に噛合する遊星歯車８２が自転運動を行なう。つまり、遊星歯車８２は、自転運動するとともに公転運動を行なう。
【００４２】
そして、内歯車８４は固定されていないので、内歯車８４は遊星歯車８２の自転，公転運動を受け回転する。ここで、第１回転エネルギーと第２回転エネルギーの向きと大きさを適宜設定することで、出力軸８５と接続する内歯車８４の回転方向と回転数を決定することができる。
即ち、油圧モータ２０への流量制御に加えて電気モータ７０への電流制御を行なうことで、遊星歯車減速機８０による減速比と回転方向とを決定することができ、遊星歯車減速機８０を無段階変速機とすることができる。
【００４３】
そして、このように減速比が決定された回転のエネルギーは、内歯車８４に接続された出力軸８５の下端側に配設されたピニオンギア４０に伝達される。
ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内輪５１の内歯５１ａに噛合しているので、上記回転エネルギーを受けて内歯５１ａに沿って公転しつつ自転する。そして、ピニオンギア４０の公転力は、ピニオンギア４０が接続されている遊星歯車減速機８０が取り付けられた旋回フレーム３ａに伝わり、旋回フレーム３ａに固定された外輪５２が剛球５３を介して丸胴２ａに固定された内輪５１の周囲を回転することで、旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３を、下部走行体２上で旋回させることができる。
【００４４】
また、電気モータ７０及び油圧モータ２０の出力合計が、従来技術の旋回装置１０に利用された油圧モータ２０単独の出力と同等であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、よりコストを低減させることができる。
なお、ここで、遊星歯車減速機８０について、４個の遊星歯車８２を有する１段式の遊星歯車減速機を例に挙げて説明したが、遊星歯車減速機はこのようなものに限定されず、遊星歯車の個数や各歯車の歯数や段数等は適宜設定されることが好ましい。
【００４５】
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態では、電気モータ７０の第１回転エネルギーは太陽歯車８１に伝達され、油圧モータ２０の第２回転エネルギーはキャリア８３に伝達される構成としたが、電気モータ７０の第１回転エネルギーがキャリア８３に伝達され、油圧モータ２０の第２回転エネルギーが太陽歯車８１に伝達される構成としても良い。この場合、油圧モータシャフト２０のモータシャフト２１が径方向中心部において中空に形成された中空部を有するとともに、電気モータシャフト７１が油圧モータシャフト２１の中空部を貫通するように配設されることが好ましい。
【００４６】
また、上記実施形態では、減速機として遊星歯車機構のものを採用したが、減速機の構成はこれに限らず、例えば、ポンプインペラ，タービンランナ及びステータ等を有する油圧トルクコンバータからなる減速機を適宜変形して採用しても良いし、数種類のギアを備えギアを切り替えて選択する多段変速機を採用しても良いし、プーリやベルト等からなる無段変速機を採用しても良い。
【００４７】
また、上記実施形態では、バッテリ９０やインバータ９１を備えて電気モータ７０で発電された電力をバッテリ９０に充電できるようになっているが、特に上記実施形態のようなバッテリ９０を備えず、電気モータ７０は、単に電動機として機能し、バッテリ９０に限らない電源から電力を供給されて回転駆動されても良い。
また、上記実施形態では、油圧ショベル１の旋回装置１０に本発明の動力伝達装置を適用した場合について説明したが、本発明の動力伝達装置は、クレーン等の作業機械やその他の旋回機構などにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を有する旋回装置を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を有する旋回装置を示す図であって、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置の電気・油圧回路図である。
【図４】従来技術に係る動力伝達装置を有する旋回装置を搭載した油圧ショベルを示す斜視図である。
【図５】従来技術に係る旋回装置を示す断面図である。
【図６】従来技術に係る動力伝達装置の油圧回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 油圧ショベル（作業機械）
２ 下部走行体
２ａ 丸胴
３ 上部旋回体
３ａ 旋回フレーム
４ 作業装置
５ 油圧ポンプ
６ 作動油タンク
７ キャブ
８ コントロール弁
９ａ，９ｂ リリーフ弁
１０ 旋回装置
１１ ハウジング（減速機ボディ）
１２ 無負荷弁
２０ 油圧モータ（旋回モータ，動力伝達装置の一構成要素）
２１ 油圧モータシャフト（入力軸）
３０ 遊星歯車減速機（動力伝達装置の一構成要素）
３１ 入力軸
３２ 太陽歯車
３３ 遊星歯車
３４ キャリア
３５ 内歯車
３６ 出力軸
４０ ピニオンギア
５０ 旋回輪（旋回ベアリング）
５１ 内輪
５１ａ 内歯
５２ 外輪
５３ 鋼球
６０ 旋回装置
７０ 電気モータ（旋回モータ，動力伝達装置の一構成要素）
７１ 電気モータシャフト（入力軸）
８０ 遊星歯車減速機（動力伝達装置の一構成要素）
８１ 太陽歯車
８２ 遊星歯車
８３ キャリア
８４ 内歯車
８５ 出力軸
９０ バッテリ（蓄電器）
９１ インバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の旋回式作業機械の旋回装置に用いて好適の、駆動源として油圧モータと電気モータとを備えた動力伝達装置及び作業機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
旋回式作業機械には、一般に、旋回装置の動力伝達装置として遊星歯車機構の減速機（以下、遊星歯車減速機という）が用いられている。
図４に示すように、旋回式作業機械の代表例である油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回自在に結合された上部旋回体３と、上部旋回体３から前方へ延出するように取り付けられた作業装置４とから構成されている。
【０００３】
そして、下部走行体２と上部旋回体３との間に配設された旋回装置１０により、上部旋回体３は下部走行体２に対して旋回するようになっている。
下部走行体２は、その骨格としての走行フレーム（図示略）と、走行フレームの中央部上面に設けられた、大径なリング状の丸胴２ａとを有している。
上部旋回体３は、その骨格としての旋回フレーム３ａを有するとともに、旋回フレーム３ａ上に搭載されたエンジン（図示略）やエンジンにより駆動され作動油を吐出する油圧ポンプ５（図６参照）や作動油を貯留する作動油タンク６（図６参照）やオペレータが搭乗するキャブ７等を有している。
【０００４】
旋回装置１０は、図５に示すように、その下端１１ａを旋回フレーム３ａ上に取り付けられ段付きの円筒状に形成されたハウジング（減速機ボディ）１１と、ハウジング１１の上端１１ｂ側に配設された回転源（駆動源）としての油圧モータ（旋回モータ）２０と、ハウジング１１内に配設され油圧モータ２０の回転を減速する遊星歯車減速機３０と、ハウジング１１の下端１１ｂから下方に突出し、遊星歯車減速機３０により減速された回転のエネルギーが伝達されるピニオンギア４０と、ピニオンギア４０の回転のエネルギー（以下、回転エネルギーともいう）が伝達されるリング状に形成された旋回輪（旋回ベアリング）５０とから大略構成されている。ここで、油圧モータ２０と遊星歯車減速機３０とから、動力伝達装置が構成されている。
【０００５】
遊星歯車減速機３０は、油圧モータ２０の油圧モータシャフト２１にスプライン等を介して接続された（スプライン結合した）入力軸３１と、入力軸３１に接続され油圧モータ２０の回転エネルギーが伝達される太陽歯車３２と、太陽歯車３２の外周に配置され太陽歯車３２に噛合する複数の遊星歯車３３と、複数の遊星歯車３３の各自転軸（枢軸）を太陽歯車３２を中心として回転可能に支持するキャリア３４と、ハウジング１１内周面に形成され複数の遊星歯車３３と噛合する内歯車３５と、スプライン等を介してキャリア３４に接続されピニオンギア４０に回転エネルギーを伝達する（即ち、遊星歯車減速機３０によって減速された回転を出力する）出力軸３６とを有している。
【０００６】
旋回輪５０は、丸胴２ａと旋回フレーム３ａとの間に設けられており、リング状に形成され丸胴２ａの上面に固着された内輪５１と、リング状に形成され旋回フレーム３ａの下面に固着された外輪５２と、内輪５１と外輪５２との間に配設された複数の鋼球５３とにより構成されている。
内輪５１の内周側には、その全周に亘ってピニオンギア４０が噛合する内歯５１ａが形成されている。そして、内輪５１の周囲を外輪５２が回転することにより、外輪５２に取り付けられた旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、旋回軸を中心として下部走行体２上で旋回するようになっている。
【０００７】
旋回装置１０の作用を詳述すると、油圧モータ２０に圧油を給排して油圧モータ２０を回転駆動すると回転エネルギーが発生し、この回転エネルギーは入力軸３１を介して太陽歯車３２に伝達され、太陽歯車３２が自転する。すると、太陽歯車３２に噛合する遊星歯車３３が自転運動を行なう。このとき、遊星歯車３３は内歯車３５にも噛合しているので内歯車３５にも回転エネルギーが伝達されるが、内歯車３５はハウジング１１内周面に形成され固定されているので、遊星歯車３３は公転運動をも行なう。つまり、各遊星歯車３３は、キャリア３４に支持された枢軸を中心として自転しつつ、太陽歯車３２を中心として公転する。
【０００８】
遊星歯車３３の公転運動のエネルギーは、遊星歯車３３を支持するキャリア３４に伝達され、キャリア３４に接続された出力軸３６の下端側に配設されたピニオンギア４０に回転エネルギーが伝達される。
ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内輪５１の内歯５１ａに噛合しているので、上記回転エネルギーを受けて内歯５１ａに沿って自転しつつ内輪５１の中心に対して公転する。そして、ピニオンギア４０の公転力は、ピニオンギア４０が接続されている遊星歯車減速機３０が取り付けられた旋回フレーム３ａに伝わり、旋回フレーム３ａに固定された外輪５２が走行フレームの丸胴２ａに固定された内輪５１の周囲を回転することで、旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、下部走行体２上で旋回するようになっている。
【０００９】
つまり、遊星歯車減速機３０は、入力軸３１から伝達された油圧モータ２０の回転を減速し、出力軸３６に設けられたピニオンギア４０を大きなトルクをもって回転させるようになっている。そして、ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内歯５１ａに沿って自転しつつ公転し、このときの公転力によって上部旋回体３が下部走行体２上で旋回するようになっている。
【００１０】
ここで、旋回装置１０即ち動力伝達装置の回転源としては、上述のように油圧モータ２０が利用されるのが一般的であるが、油圧モータ２０は、旋回加速時や旋回減速時においてエネルギー損失（動力損失）が大きいという課題がある。
つまり、動力伝達装置の油圧回路Ｃ1を図６を用いて説明すると、この油圧回路Ｃ1は、エンジン出力で駆動される油圧ポンプ５から吐出された作動油がコントロール弁８を介して油圧モータ２０へと供給される回路であって、作動油が油圧ポンプ５から油圧モータ２０へと向かう吐出通路と、油圧モータ２０から作動油タンク６へと還流する戻り通路とを有している。そして、コントロール弁８と油圧モータ２０との間の吐出通路及び戻り通路を連通する通路には、油圧モータ２０に内蔵されたリリーフ弁９ａ，９ｂが介装されている。
【００１１】
油圧回路Ｃ1において、旋回加速時は、油圧モータ２０を適正に加速させるため、油圧モータ２０の負荷圧の最大値を一定に抑制するようにリリーフ弁９ａ，９ｂで一部の作動油を作動油タンク６へと還流することにより、油圧モータ２０を過剰な負荷圧から保護しつつ滑らかな加速特性を得ている。言わば、リリーフ弁９ａ，９ｂは、その前後差圧と通過流量に応じた分の油圧エネルギーを熱エネルギーに変換している。リリーフ弁９ａ，９ｂからの戻り油は、作動油冷却用のオイルクーラを経て作動油タンク６に回収されるが、リリーフ弁９ａ，９ｂで発生した熱エネルギーはオイルクーラを通過するときに大気中に放出され、エネルギーの損失となっている。
【００１２】
旋回減速時は、制動力として、リリーフ弁９ａ，９ｂにより油圧モータ２０の負荷圧を一定に制御することで、油圧モータ２０を過剰な負荷圧から保護しつつ、滑らかな減速特性を得ているので、旋回加速時と同様に、リリーフ弁９ａ，９ｂで油圧エネルギーは熱エネルギーに変換され、熱エネルギーはオイルクーラより大気中に放出され、エネルギーの損失となっている。
【００１３】
また、従来のこうした遊星歯車減速機３０では、減速比は固定される。したがって、微操作を行なうときには、油圧モータ２０への流量を精密に制御しなくてはならず、コストがかかるという課題がある。
これらの課題に対し、例えば特許文献１及び特許文献２記載の技術のように、旋回装置の回転源を油圧モータから電気モータに置き換える技術が開発されている。
【００１４】
旋回装置の回転源として電気モータを適用すれば、電気モータへの電流を制御することで、エネルギー損失を抑制しエンジン出力を抑制することができるとともに、滑らかな加速特性及び減速特性を得て微操作性を確保することができる。
【特許文献１】特開２００１−１２２７４号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０８４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、電気モータで油圧ショベルを旋回させようとすると、電気モータにおいては連続運転で高トルクを出力することができないため、油圧ショベルで多用される壁面押し付け掘削など、長時間に亘って高トルクが必要な作業が困難である。
また、電気モータで前述の加速特性及び減速特性を得るためには、容量の大きな大型の電気モータが必要となり、コストがかかる。
【００１６】
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、簡素な構成で安価に製造することができ、かつ、エネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力できるとともに大きなトルクも出力できるようにした、動力伝達装置及び作業機械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】
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明の動力伝達装置は、駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記電気モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項２記載の本発明の動力伝達装置は、駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記電気モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
請求項３記載の本発明の動力伝達装置は、請求項１記載の動力伝達装置において、前記油圧モータは、前記キャリアに前記油圧モータの回転のエネルギーを入力するための油圧モータシャフトを有し、前記電気モータは、前記太陽歯車に前記電気モータの回転のエネルギーを入力するための電気モータシャフトを有し、前記電気モータシャフトは、径方向中心部において中空に形成された中空部を有し、前記油圧モータシャフトは、前記電気モータシャフトの前記中空部を貫通するように配設されていることを特徴としている。
【００２０】
請求項４記載の本発明の動力伝達装置は、第１の駆動源としての油圧モータと、第２の駆動源としての電気モータと、前記油圧モータと前記電気モータとの動力が複合して入力されるとともに、入力された前記油圧モータと前記電気モータとの動力を減速して出力する減速機とを備えたことを特徴としている。
請求項５記載の本発明の作業機械は、請求項１〜４の何れか１項に記載の動力伝達装置を有する旋回装置と、下部走行体と、前記旋回装置により前記下部走行体上に旋回自在に結合された上部旋回体とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１又は２記載の本発明の動力伝達装置によれば、一つの遊星歯車機構の減速機に対して、簡素且つ安価な構成で油圧モータ及び電気モータという２つの駆動源を備えることができる。
また、油圧モータ及び電気モータを単独もしくは複合して利用することができる。つまり、油圧モータは回転させずに（即ち、静止状態で）最大トルクを長時間に亘って出すことができるため油圧モータの駆動により良好に大きなトルクを出力することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力することができる。
【００２２】
また、電気モータ及び油圧モータの出力合計が従来技術の油圧モータと同等の出力であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、コストをより低減することができる。
請求項３記載の本発明の動力伝達装置によれば、油圧モータシャフトを電気モータシャフトの径方向中心部の中空部に貫通するように配設し、よりコンパクトな構成とすることができる。
【００２３】
請求項４記載の本発明の動力伝達装置によれば、一つの減速機に対して、簡素且つ安価な構成で油圧モータ及び電気モータという２つの駆動源を備えることができる。
また、油圧モータ及び電気モータを単独もしくは複合して利用することができる。つまり、油圧モータは回転させずに最大トルクを長時間に亘って出すことができるため油圧モータの駆動により良好に大きなトルクを出力することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失を抑制しながら小さなトルクを出力することができる。
【００２４】
また、電気モータ及び油圧モータの出力合計が従来技術の油圧モータと同等の出力であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、コストをより低減することができる。
請求項５記載の本発明の作業機械によれば、旋回装置の旋回の要求に応じて、油圧モータの駆動により高トルクの旋回操作を長時間することができるとともに、電気モータの駆動によりエネルギー損失なく小さなトルクを出力し微操作性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
［一実施形態］
図１〜図３は本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を示すもので、図１はその動力伝達装置を有する旋回装置の模式的な断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３はその動力伝達装置の電気・油圧回路図である。なお、従来技術と同様の部材には同一の符号を付すとともに、図４を適宜用いて説明する。
本実施形態では、油圧ショベルの旋回装置に適用された動力伝達装置について説明する 。
【００２６】
＜構成＞
図４に示すように、油圧ショベル１は、下部走行体２と、下部走行体２上に旋回自在に結合された上部旋回体３と、上部旋回体３から前方へ延出するように取り付けられた作業装置４とから構成されている。
【００２７】
そして、下部走行体２と上部旋回体３との間に配設された旋回装置６０（図４では符号１０で示している）を備え、この旋回装置６０により、上部旋回体３は下部走行体２に対して旋回するようになっている。
下部走行体２は、その骨格としての走行フレーム（図示略）と、走行フレームの中央部上面に設けられた、大径なリング状の丸胴２ａとを有している。
【００２８】
上部旋回体３は、その骨格としての旋回フレーム３ａを有するとともに、旋回フレーム３ａ上に搭載されたエンジン（図示略）やエンジンにより駆動され作動油を吐出する油圧ポンプ５（図３参照）や作動油を貯留する作動油タンク６（図３参照）やオペレータが搭乗するキャブ７等を有している。
旋回装置６０は、図１に示すように、その下端を旋回フレーム３ａ上に取り付けられ段付きの円筒状に形成されたハウジング１１と、ハウジング１１の上端側に配設された回転源としての油圧モータ２０及び電気モータ７０と、ハウジング１１内に配設され油圧モータ２０及び電気モータ７０から入力された回転を減速して出力する遊星歯車減速機８０と、ハウジング１１の下端から下方に突出し、遊星歯車減速機８０により減速された回転のエネルギーが伝達されるピニオンギア４０と、ピニオンギア４０の回転エネルギーが伝達されるリング状に形成された旋回輪５０とから大略構成されている。ここで、油圧モータ２０及び電気モータ７０と遊星歯車減速機８０とから、動力伝達装置が構成されている。なお、油圧モータ２０は、例えば、時計回りを正転とし反時計回りを逆転として回転するようになっている。電気モータ７０も同様に、時計回りを正転とし反時計回りを逆転として回転するようになっている。
【００２９】
電気モータ７０は、電動機兼発電機として構成されており、動力伝達装置は、電気モータ７０を回転駆動するための電力を電気モータ７０へ供給するとともに電気モータ７０で発電された電力を充電するバッテリ（蓄電器）９０（図３参照）と、電気モータ７０とバッテリ９０との間の電流（交流電流の周波数）を制御するインバータ９１（図３参照）とをさらに備えている。
【００３０】
また、電気モータ７０のシャフト（以下、電気モータシャフトという）７１は、径方向中心部において中空に形成された中空部７１ａを有している。そして、この電気モータシャフト７１の中空部７１ａに油圧モータ２０のシャフト（以下、油圧モータシャフトという）２１が貫通している。
遊星歯車減速機８０は、図２に示すように、ハウジング１１の径方向中心に配置されるとともに電気モータシャフト７１に接続され電気モータ７０の回転エネルギー（第１回転エネルギー）が伝達される太陽歯車８１と、太陽歯車８１の外周に配置され太陽歯車８１に噛合する複数（ここでは４つ）の遊星歯車８２と、複数の遊星歯車８２の各枢軸を太陽歯車８１を中心として回転可能に支持するとともに油圧モータシャフト２１に接続され油圧モータ２０の回転エネルギー（第２回転エネルギー）が伝達されるキャリア８３と、複数の遊星歯車８２の外周に配置され複数の遊星歯車８２と回転自在に噛合する内歯車８４と、内歯車８４に接続され内歯車８４の回転を回転エネルギーとしてピニオンギア４０に伝達し出力する出力軸８５とを有している。
【００３１】
内歯車８４は、図５に示す従来技術の遊星歯車減速機３０と異なり固定されておらず、したがって、本遊星歯車減速機８０は、電気モータシャフト７１と油圧モータシャフト２１という二つの入力軸と、一つの出力軸８５とを有している。
旋回輪５０は、丸胴２ａと旋回フレーム３ａとの間に設けられており、丸胴２ａの上面に固着された内輪５１と、旋回フレーム３ａの下面に固着された外輪５２と、内輪５１と外輪５２との間に配設された複数の鋼球５３とにより構成されている。
【００３２】
内輪５１の内周側には、その全周に亘ってピニオンギア４０が噛合する内歯５１ａが形成されている。そして、丸胴２ａに固着された内輪５１の周囲を外輪５２が回転することにより、外輪５２に取り付けられた旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３が、旋回軸を中心として下部走行体２上で旋回するようになっている。
ここで、旋回装置６０の動力伝達装置の油圧・電気回路Ｃ2について図３を用いて説明すると、油圧・電気回路Ｃ2は、油圧ポンプ５から吐出された作動油がコントロール弁８を介して油圧モータ２０へと供給される油圧回路Ｃ3（図３中に実線で示す）と、電気モータ７０を有する電気回路Ｃ4（図３中に破線で示す）とを有している。そして、油圧・電気回路Ｃ2では、油圧モータ２０及び電気モータ７０が遊星歯車減速機８０に対して並列に接続され、旋回装置６０は、油圧モータ２０及び電気モータ７０それぞれが単独でも遊星歯車減速機８０を介して上部旋回体３を旋回可能であるとともに、油圧モータ２０及び電気モータ７０が複合して遊星歯車減速機８０を介して上部旋回体３を旋回可能になっている。
【００３３】
油圧回路Ｃ3は、作動油が油圧ポンプ５から油圧モータ２０へと向かう吐出通路と、油圧モータ２０から作動油タンク６へと還流する戻り通路と、コントロール弁８から引出された吐出通路及び戻り通路を連通する上流側の連通路及び下流側の連通路とを有している。
上流側の連通路上には、無負荷弁１２が介装されている。無負荷弁１２は、コントロール弁８から引き出された上記の吐出通路及び戻り通路を短絡させて連通させることができるようになっている。つまり、無負荷弁１２は、通常は閉止状態（閉状態）となっているが、油圧モータ２０を空回りさせる必要がある場合には開状態となり、油圧モータ２０への作動油の供給を遮断することができるようになっている。
【００３４】
また、下流側の連通路上には、油圧モータ２０に内蔵され、油圧モータ２０の負荷圧を一定に制御するように一部の作動油を作動油タンク６へと還流させるリリーフ弁９ａ，９ｂが介装されている。
一方、電気回路Ｃ4は、電気モータ７０と、バッテリ９０と、電気モータ７０とバッテリ９０との間に介装され電流を制御するインバータ９１とを備えている。
【００３５】
インバータ９１は、油圧モータ２０により遊星歯車減速機８０を駆動する定常旋回時はバッテリ９０の充電状況によって電気モータ７０を発電機として機能させることでバッテリ９０を充電させるとともに、旋回減速時は電気モータ７０を発電機として機能させることで旋回運動エネルギー（慣性エネルギー）を電気エネルギーに変換してバッテリ９０を充電させる機能を有している。
【００３６】
＜作用・効果＞
本発明の一実施形態にかかる動力伝達装置及び動力伝達装置を有する旋回装置は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果がある。
動力伝達装置は、電気モータシャフト７１が太陽歯車８１にスプライン結合し、油圧モータシャフト２１がキャリア８３にスプライン結合しているので、簡素且つ安価な構成で、一つの遊星歯車減速機８０に対して、電気モータ７０と油圧モータ２０との２つの異なる回転源の回転エネルギーを入力することができる。つまり、一つの遊星歯車減速機８０を電気モータ７０と油圧モータ２０とで共用するようにしたので、電気モータ７０専用の減速機や油圧モータ２０専用の減速機が不要となり、装置の小型化及び軽量化を図りコストを抑制することができる。
【００３７】
また、電気モータシャフト７１の中空部７１ａに油圧モータシャフト２１が貫通しているので、よりコンパクトな構成とすることができる。
また、電気モータ７０及び油圧モータ２０を状況に応じて単独で回転駆動したり複合して回転駆動したりすることで、動力伝達装置は、電気モータ７０の利点と油圧モータ２０の利点とを両方奏することができ、大きなトルクを出力することができるとともにエネルギー損失なく小さなトルクを出力することができる。
【００３８】
そして、動力伝達装置を有する油圧ショベル１の旋回装置６０は、旋回加速時の初回の微操作時には、無負荷弁１２を開状態に制御して（上流側の連通路を連通させて）油圧モータ２０への作動油の供給を遮断するとともに電気モータ７０のみを回転駆動し電気モータ７０の出力を制御すれば、油圧モータ２０のリリーフ弁９ａ，９ｂからのエネルギー損失がなくなるので、エネルギー効率を良好にすることができる。また、電気モータ７０起動後すぐに一瞬だけ無負荷弁１２を開状態とすれば、遊星歯車減速機８０のバックラッシュを抑制することができる。
【００３９】
そして、ある程度加速した場合には、無負荷弁１２を閉状態に制御して（上流側の連通路を連通させず）油圧モータ２０へ作動油を供給し、油圧モータ２０も複合して回転駆動し回転数及びトルクを上昇させる。
さらに、加速が進み定常回転に達した定常旋回時には、油圧モータ２０のみ回転駆動するとともに電気モータ７０を発電機として作用させ、油圧モータ２０の余剰エネルギーをバッテリ９０に充電することができる。そして、定常旋回時に油圧モータ２０を利用すれば、油圧モータ２０は回転させずに（即ち、静止状態で）最大トルクを長時間に亘って出力可能な特性を有しているので、壁面押付け掘削等の高トルクが必要な作業も長時間行なうことができる。
【００４０】
また、旋回減速時には、油圧モータ２０のみ回転駆動するとともに電気モータ７０を発電機として作用させ、上部旋回体３の旋回に係る慣性エネルギーをバッテリ９０に充電することができ、エネルギー損失を抑制することができる。
そして、旋回減速時に電気モータ７０を発電機として作用させた場合、制動力による慣性エネルギーが電気モータ７０の発電機としての容量を超えるエネルギーであった場合には、無負荷弁１２を開状態として油圧モータ２０のリリーフ弁９ａ，９ｂを作動させて、電気モータ７０を保護することができる。
【００４１】
また、微操作時には、油圧モータ２０を一方向に回転駆動するとともに電気モータ７０を油圧モータ２０と逆方向に回転駆動する（例えば、油圧モータ２０を正転駆動する一方、電気モータ７０を逆転駆動する）ことで、無段階変速機とすることができ、微操作性をより向上させることができる。
つまり、微操作時に油圧モータ２０に圧油を給排して油圧モータ２０を回転駆動すると第２回転エネルギーが発生し、第２回転エネルギーは油圧モータシャフト２１からキャリア８３に伝達され、キャリア８３は自転する。すると、キャリア８３に支持される遊星歯車８２が公転運動を行なう。同時に、電気モータ７０に電流を流して電気モータ７０を回転駆動すると第１回転エネルギーが発生し、第１回転エネルギーは電気モータシャフト７１から太陽歯車８１に伝達され、太陽歯車８１が自転する。すると、太陽歯車８１に噛合する遊星歯車８２が自転運動を行なう。つまり、遊星歯車８２は、自転運動するとともに公転運動を行なう。
【００４２】
そして、内歯車８４は固定されていないので、内歯車８４は遊星歯車８２の自転，公転運動を受け回転する。ここで、第１回転エネルギーと第２回転エネルギーの向きと大きさを適宜設定することで、出力軸８５と接続する内歯車８４の回転方向と回転数を決定することができる。
即ち、油圧モータ２０への流量制御に加えて電気モータ７０への電流制御を行なうことで、遊星歯車減速機８０による減速比と回転方向とを決定することができ、遊星歯車減速機８０を無段階変速機とすることができる。
【００４３】
そして、このように減速比が決定された回転のエネルギーは、内歯車８４に接続された出力軸８５の下端側に配設されたピニオンギア４０に伝達される。
ピニオンギア４０は、旋回輪５０の内輪５１の内歯５１ａに噛合しているので、上記回転エネルギーを受けて内歯５１ａに沿って公転しつつ自転する。そして、ピニオンギア４０の公転力は、ピニオンギア４０が接続されている遊星歯車減速機８０が取り付けられた旋回フレーム３ａに伝わり、旋回フレーム３ａに固定された外輪５２が剛球５３を介して丸胴２ａに固定された内輪５１の周囲を回転することで、旋回フレーム３ａ即ち上部旋回体３を、下部走行体２上で旋回させることができる。
【００４４】
また、電気モータ７０及び油圧モータ２０の出力合計が、従来技術の旋回装置１０に利用された油圧モータ２０単独の出力と同等であれば、機体性能を変えずに出力の小さなコンポーネントを使用することができ、よりコストを低減させることができる。
なお、ここで、遊星歯車減速機８０について、４個の遊星歯車８２を有する１段式の遊星歯車減速機を例に挙げて説明したが、遊星歯車減速機はこのようなものに限定されず、遊星歯車の個数や各歯車の歯数や段数等は適宜設定されることが好ましい。
【００４５】
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態では、電気モータ７０の第１回転エネルギーは太陽歯車８１に伝達され、油圧モータ２０の第２回転エネルギーはキャリア８３に伝達される構成としたが、電気モータ７０の第１回転エネルギーがキャリア８３に伝達され、油圧モータ２０の第２回転エネルギーが太陽歯車８１に伝達される構成としても良い。この場合、油圧モータシャフト２０のモータシャフト２１が径方向中心部において中空に形成された中空部を有するとともに、電気モータシャフト７１が油圧モータシャフト２１の中空部を貫通するように配設されることが好ましい。
【００４６】
また、上記実施形態では、減速機として遊星歯車機構のものを採用したが、減速機の構成はこれに限らず、例えば、ポンプインペラ，タービンランナ及びステータ等を有する油圧トルクコンバータからなる減速機を適宜変形して採用しても良いし、数種類のギアを備えギアを切り替えて選択する多段変速機を採用しても良いし、プーリやベルト等からなる無段変速機を採用しても良い。
【００４７】
また、上記実施形態では、バッテリ９０やインバータ９１を備えて電気モータ７０で発電された電力をバッテリ９０に充電できるようになっているが、特に上記実施形態のようなバッテリ９０を備えず、電気モータ７０は、単に電動機として機能し、バッテリ９０に限らない電源から電力を供給されて回転駆動されても良い。
また、上記実施形態では、油圧ショベル１の旋回装置１０に本発明の動力伝達装置を適用した場合について説明したが、本発明の動力伝達装置は、クレーン等の作業機械やその他の旋回機構などにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を有する旋回装置を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置を有する旋回装置を示す図であって、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る動力伝達装置の電気・油圧回路図である。
【図４】従来技術に係る動力伝達装置を有する旋回装置を搭載した油圧ショベルを示す斜視図である。
【図５】従来技術に係る旋回装置を示す断面図である。
【図６】従来技術に係る動力伝達装置の油圧回路図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 油圧ショベル（作業機械）
２ 下部走行体
２ａ 丸胴
３ 上部旋回体
３ａ 旋回フレーム
４ 作業装置
５ 油圧ポンプ
６ 作動油タンク
７ キャブ
８ コントロール弁
９ａ，９ｂ リリーフ弁
１０ 旋回装置
１１ ハウジング（減速機ボディ）
１２ 無負荷弁
２０ 油圧モータ（旋回モータ，動力伝達装置の一構成要素）
２１ 油圧モータシャフト（入力軸）
３０ 遊星歯車減速機（動力伝達装置の一構成要素）
３１ 入力軸
３２ 太陽歯車
３３ 遊星歯車
３４ キャリア
３５ 内歯車
３６ 出力軸
４０ ピニオンギア
５０ 旋回輪（旋回ベアリング）
５１ 内輪
５１ａ 内歯
５２ 外輪
５３ 鋼球
６０ 旋回装置
７０ 電気モータ（旋回モータ，動力伝達装置の一構成要素）
７１ 電気モータシャフト（入力軸）
８０ 遊星歯車減速機（動力伝達装置の一構成要素）
８１ 太陽歯車
８２ 遊星歯車
８３ キャリア
８４ 内歯車
８５ 出力軸
９０ バッテリ（蓄電器）
９１ インバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記電気モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項２】
駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記電気モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項３】
前記油圧モータは、前記キャリアに前記油圧モータの回転のエネルギーを入力するための油圧モータシャフトを有し、
前記電気モータは、前記太陽歯車に前記電気モータの回転のエネルギーを入力するための電気モータシャフトを有し、
前記電気モータシャフトは、径方向中心部において中空に形成された中空部を有し、
前記油圧モータシャフトは、前記電気モータシャフトの前記中空部を貫通するように配設されている
ことを特徴とする、請求項１記載の動力伝達装置。
【請求項４】
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記油圧モータと前記電気モータとの動力が複合して入力されるとともに、入力された前記油圧モータと前記電気モータとの動力を減速して出力する減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の動力伝達装置を有する旋回装置と、
下部走行体と、
前記旋回装置により前記下部走行体上に旋回自在に結合された上部旋回体とを備えた
ことを特徴とする、作業機械。
【請求項１】
駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記電気モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項２】
駆動源の回転を減速機により減速して出力する動力伝達装置であって、
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記油圧モータの回転のエネルギーが伝達される太陽歯車，前記太陽歯車の外周に配置され前記太陽歯車に噛合する複数の遊星歯車，前記複数の遊星歯車の各自転軸を前記太陽歯車を中心として回転可能に支持するとともに前記電気モータの回転のエネルギーが伝達されるキャリア，前記複数の遊星歯車の外周に配置され前記複数の遊星歯車と回転自在に噛合する内歯車，前記内歯車の回転のエネルギーが伝達される出力軸を有する遊星歯車機構の減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項３】
前記油圧モータは、前記キャリアに前記油圧モータの回転のエネルギーを入力するための油圧モータシャフトを有し、
前記電気モータは、前記太陽歯車に前記電気モータの回転のエネルギーを入力するための電気モータシャフトを有し、
前記電気モータシャフトは、径方向中心部において中空に形成された中空部を有し、
前記油圧モータシャフトは、前記電気モータシャフトの前記中空部を貫通するように配設されている
ことを特徴とする、請求項１記載の動力伝達装置。
【請求項４】
第１の駆動源としての油圧モータと、
第２の駆動源としての電気モータと、
前記油圧モータと前記電気モータとの動力が複合して入力されるとともに、入力された前記油圧モータと前記電気モータとの動力を減速して出力する減速機とを備えた
ことを特徴とする、動力伝達装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の動力伝達装置を有する旋回装置と、
下部走行体と、
前記旋回装置により前記下部走行体上に旋回自在に結合された上部旋回体とを備えた
ことを特徴とする、作業機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−８４２２（Ｐ２００８−８４２２Ａ）
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８００１０（Ｐ２００６−１８００１０）
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（０００１９０２９７）新キャタピラー三菱株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１７日（２００８．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（０００１９０２９７）新キャタピラー三菱株式会社 (1,189)
【Ｆターム（参考）】
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