JP2007520394A - 舵取り制御を有する作業機械 - Google Patents

Abstract

舵取り制御を有する作業機械（１０）が、作業機械を動かすための第１の手段（１６）と、動かすための第１の手段に電力を伝達するための第１の手段（１４）とを備える。作業機械はまた、作業機械を動かすための第２の手段（１６）と、動かすための第２の手段に電力を伝達するための第２の手段（１４）とを備える。作業機械は、さらに、電力を伝達するための第１の及び第２の手段を駆動するよう構成された電源を備える。作業機械は、作業機械の操縦を示す信号を生成するよう構成されたセンサ（２８）を備える。作業機械は、さらに、作業機械の操縦を示す入力に応答して電源の出力を制御するための手段（２６）を備える。

Description

本発明は、一般に作業機械、より詳細には、舵取り制御を有する作業機械に関する。

キャタピラー社製のＤ５などの履帯型トラクタ、キャタピラー社製の９６３などの履帯型ローダ、スキッドステアローダ、油圧履帯型掘削機、軍用タンク、及び他の種類の重機を含む作業機械が、多様な作業に使用されている。これらの作業機械は、エンジンから作業機械を動かす１つ以上の牽引装置にトルクを伝達する比率制御装置を含み得る。これらの比率制御装置は、静油圧伝達装置、電気伝達装置、機械伝達装置、又は当業者に知られている他の任意の種類の伝達装置を含み得る。エンジンは、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、又は出力速度の範囲で動作するよう構成された他の任意のエンジンを含み得る。

牽引装置は、作業機械の舵をとるために独自に操作され得る。たとえば、舵をとっている間に、作業機械の一方の側に置かれた牽引装置の１つ以上にブレーキが働いて、作業機械の他方の側の１つ以上の被駆動牽引装置が作業機械を旋回できるようになる。或いは、作業機械の一方の側に置かれた１つ以上の被牽引装置が、作業機械を旋回させるために、作業機械の反対側に置かれた１つ以上の被駆動牽引装置より遅い速度で又はこれと反対方向に回転される。

上記の方法のいずれにおいても、作業機械を旋回するには、比率制御装置からのトルクを、作業機械が直線方向に走行する場合より多く必要とする。作業機械を直線方向に効率的に推進するよう設計された比率制御装置が、所与の速度で効率的に作業機械を旋回するためのトルク能力を有さない場合がある。さらに、作業機械を直線方向に効率的に推進するには、所与の速度で効率的に作業機械を旋回するよう設計された比率制御装置が、大き過ぎる場合もある。

２００３年１１月２５日にナカガワらに発行された特許文献１では、作業機械の旋回及び直線移動という異なるトルク要求を考慮した、キャタピラー付き車両用舵取りシステムについて記述している。特許文献１では、伝達装置に接続されたトルクコンバータに接続されたエンジンを含む舵取りシステムについて記述している。伝達装置は、左右の遊星歯車装置に結合された傘歯車を通って横軸に接続され、左右の遊星歯車装置のそれぞれがスプロケットに接続される。特許文献１では、ポンプ及び定容量形モータについても記述しており、モータは遊星歯車装置に結合される。

特許文献１の舵取りシステムの走行レバーを手動で操作して、車両を枢転させた場合、牽引装置の１つにブレーキが働き、ポンプ及びモータは遊星歯車装置に駆動力を働かせるよう作動する。同時に、ポンプ及びモータの超過速度を防止するよう、エンジンの速度が減少する。旋回が完了すると、遊星歯車装置を駆動するために、モータからの駆動力が中断される。

特許文献１の舵取りシステムにおいては、枢転中の効率は向上するが、他の種類の旋回についての利点を有さない。その上、トルクコンバータと伝達装置と遊星歯車装置とからなる機器は、複雑かつコストがかかる。

米国特許第６,６５４,６７６号明細書

本発明は、上記に記載した課題の１つ以上を克服することを目的とする。

一態様において、本発明は、舵取り制御を有する作業機械に関する。作業機械は、第１の牽引装置と、第１の牽引装置に動作可能に接続された第１の比率制御装置とを含む。作業機械はまた、第２の牽引装置と、第２の牽引装置に動作可能に接続された第２の比率制御装置とを含む。作業機械は、さらに、第１の及び第２の比率制御装置を駆動するよう構成された電源を含む。作業機械は、さらに、作業機械の操縦を示す信号を生成するよう構成されたセンサを含む。作業機械は、さらに、電源と通信するコントローラを含む。コントローラは、作業機械の操縦を示す信号に応答して電源の出力を制御するよう動作可能である。

別の態様において、本発明は、電源を備えた作業機械を操作する方法に関する。本方法は、第１の牽引装置に動作可能に接続された第１の比率制御装置を駆動することと、第２の牽引装置に動作可能に接続された第２の比率制御装置を駆動することとを含む。本方法はまた、作業機械の操縦を示す入力を受信することを含む。本方法は、さらに、作業機械の操縦を示す入力に応答して電源の出力を制御することを含む。

図１は、電源１２と伝達装置１４とを備えた作業機械１０の例示的実施形態を例示している。伝達装置１４が、舵取り装置１７によって制御される、複数の牽引装置１６（図１には１つのみ示されている）に接続され得る。電源１２は、たとえば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、又は当業者には明らかな他の任意のエンジンなどの、エンジンであり得る。電源１２はまた、燃料電池、電力貯蔵装置、又は当業者に知られている他の任意の電源などの、他の電源を含む場合もある。伝達装置１４は、静油圧伝達装置、電気伝達装置、機械伝達装置、油圧機械伝達装置、又は電源から牽引装置に電力を伝達する他の任意の手段であり得る。牽引装置１６が、トラック、ベルト、車輪、タイヤ、又は作業機械を動かすための任意の装置を含み得る。舵取り装置１７が、ハンドル、ジョイスティック、レバー、ペダル、又は作業機械の舵をとるための他の任意の装置の１つ以上を含み得る。

図２に例示されているように、伝達装置１４が、電源１２に接続され、二重経路の構成で２つのモータ２０に流体接続された２つのポンプ１８を含み得る。ポンプ１８及びモータ２０は、可変容量形、可変吐出量形、定容量形、又は当業者に知られている他の任意の構成であり得る。ポンプ１８のそれぞれが、入力軸２２を介して電源１２に直接接続され得る。或いは、ポンプ１８が、トルクコンバータ、ギアボックスを介して、又は当業者に知られている他の任意の方法で、電源１２に接続され得る。伝達装置１４はまた、それぞれのモータ２０を牽引装置１６の１つに接続する出力軸２４も含み得る。作業機械１０は、たとえば、それぞれのモータ２０とこれに連動された牽引装置１６との間に配置された遊星装置などの、減速ギア装置を含む場合もあれば、含まない場合もある。

作業機械１０は、コントローラ２６と、１つ以上の伝達装置出力速度センサ２７と、舵取りセンサ２８とを含み得る。それぞれの速度センサ２７は、出力軸２４に隣接して配置され、作業機械の走行速度に対応する出力軸２４の回転速度を示す信号を生成するよう構成され得る。或いは、速度センサ２７は、牽引装置１６に隣接して配置される場合もあれば、作業機械の走行速度に対応する信号を生成するための他の任意の場所に配置される場合もある。センサ２８は、舵取り装置１７に隣接して配置され、オペレータによる入力として、要求された作業機械の方向転換を示す信号を生成するよう構成され得る。コントローラ２６は、それぞれ、制御線２９、３０、３１、及び３２を介して、電源１２、速度センサ２７、可変容量形ポンプ１８及びモータ２０、及びセンサ２８に通信され得る。制御線２９、３０、３１、及び３２は、ディジタル、アナログ、又は混合型の通信回線であり得る。或いは、様々な構成要素との通信が、機械又は油圧線によって実施され得る。

コントローラ２６が、たとえば、メモリ、二次記憶装置、及び中央演算処理装置などの適用形態を実行するのに必要なすべての構成要素を含み得る。しかし、コントローラ２６は、たとえば機械装置又は油圧機械装置などの、追加の又は異なる構成要素を含み得る。たとえば、電源回路、信号処理回路、ソレノイドドライバ、及び他の適切な回路などの、他の様々な知られている回路が、コントローラ２６に連動され得る。

図３は、作業機械１０を操作する方法を記述する流れ図３４である。図４は、作業機械の走行速度、作業機械の操縦、及び所望の電源速度を相互に関連させるために、コントローラ２６によって働く電源マップの例を例示するグラフ３６である。以下、開示されているシステム及びそのオペレーションをさらに例示するよう、これらの図について論じる。

開示されているシステムは、１つ以上の牽引装置に働く速度及び／又はトルクを操作することにより方向を転換する任意の作業機械に適応可能であり得る。例には、履帯型トラクタ、履帯型ローダ、スキッドステアローダ、油圧履帯型掘削機、軍用タンク、又は舵をとるための独立牽引制御を利用する、当業者に知られている他の任意の作業機械が含まれ得る。

上述したように、代表的な作業機械の方向を転換するには、比率制御装置から多量のトルクを必要とする。具体的には、旋回オペレーション中の、（旋回曲率に対して）外部の牽引装置１６を推進するポンプ１８及びモータ２０からのトルクは、作業機械が直線方向に走行する場合よりかなり大きい。開示されている作業機械１０は、方向転換中に電源速度及び／又はポンプ１８及びモータ２０の容量を変えることにより、これらの差を考慮する。たとえば、比例して、電源速度を増加し、外部牽引装置１６に連動されたポンプ１８及びモータ２０の出力比率を減少させることにより、外部牽引装置１６の速度が変更することなく、伝達装置１４のトルク能力が増加する。伝達装置１４の出力比率を独自に変更することにより、電源１２の出力速度に影響が出る場合もあれば、出ない場合もある。外部牽引装置１６に連動されたモータ２０のトルク能力が増加することにより、要求された旋回オペレーションの実行中に、内部牽引装置１６に連動されたポンプ１８及びモータ２０が吸収する回生制動動力の全利用又は部分利用が促進される。したがって、直線方向に作業機械を効率的に推進する、より小さい（より低いコーナーパワーの）、より低コストの伝達装置１４はまた、効率的な旋回オペレーションを遂行するためのトルクを提供し得る。このようなより小さい伝達装置は、より低コストであることに加えて、より大きい（より高いコーナーパワー）の相当物より、少しの熱しか出さず、またこれより少しの冷却能力しか必要としない。

ここで、作業機械１０の方向転換制御方法について詳細に説明する。図３の流れ図３４で概略したように、旋回中に作業機械１０を操作する方法は、ステップ１００で開始する。ステップ１１０で、コントローラ２６が、速度センサ２７を介して作業機械の走行速度を感知する。ステップ１２０で（このステップは、ステップ１１０と同時に発生する場合もあれば、しない場合もあるが）、コントローラ２６が、作業機械の操縦を監視する。

作業機械の操縦が、いくつかの方法で監視され得る。作業機械の操縦が、作業機械１０の一方の側に置かれたセンサ２７から示された走行速度と、作業機械１０の反対側に置かれた別のセンサ２７とを比較することによって監視され得る。作業機械１０の両側の間の走行速度の差は、作業機械１０の操縦中に始動された旋回半径の重大さを示す。走行速度の差はまた、伝達装置１４に送信されるコマンド速度信号を監視することによっても判断され得る。作業機械の操縦はまた、舵取り装置１７へのオペレータ入力を感知することによっても監視され得る。作業機械のオペレータが、舵取り装置１７を操作して、要求された作業機械の方向転換を示し得る。舵取り装置１７へのオペレータ入力（即ち、要求された方向転換）に応答して、センサ２８が、要求された方向転換を示す、通信回線３２を介してコントローラ２６へ信号を送信し得る。

ステップ１４０で、コントローラ２６が、作業機械を効率的に操縦するのに必要な、所望の電源速度及びこれに関連する最小及び最大電源速度設定値を判断し得る。コントローラ２６が、感知された作業機械の走行速度と、作業機械１０のメモリ内に格納されているマップを用いてステップ１２０で生成された作業機械の操縦信号の値とを比較して、所望の電源速度を判断し得る。或いは、オペレータによる入力としての所望の作業機械の走行速度及び作業操縦信号の値をマップと比較して、所望の電源速度を判断し得る。マップは、ルックアップテーブルの形態、１つ以上の等式、又は情報を格納するための別の形態であり得る。

このようなマップの一例が、図４のグラフ３６に例示されている。作業機械の走行速度が、グラフ３６の１つの軸に沿ってプロットされている。走行速度軸は、毎時ゼロキロメートルの中心点で進行方向と逆方向との間で分割され、反対の走行方向に増加する速度で左右に延在する。作業機械の操縦がグラフ３６の別の軸に沿ってプロットされ、作業機械の旋回半径は、グラフ３６の後部から前部へと増加している。感知された作業機械の走行速度及び作業機械の操縦信号の値を使用して、グラフ３６の輪郭を有する面への突出部分に基づいて、所望の電源速度が判断され得る。所望の電源速度とは、作業機械を効率的に操縦し得る電源速度である。

たとえば、進行方向走行速度が、ステップ１１０中に感知され、グラフ３６に線３７ａで表される。ステップ１２０で感知された、作業機械の操縦信号の旋回半径の値は、グラフ３６に線３７ｂで表される。図４に示されているように、線３７ａ及び３７ｂの交点からグラフ３６の輪郭を有する面まで、所望の電源速度軸方向に線を延在することで、所望の電源速度３７ｃが判断される。一定の走行速度値については、旋回半径が減少することにより、所望の電源速度が増加する。

所望の電源速度が判断された後、最小及び最大電源速度設定値が、所望の電源速度からのオフセットとして判断され得る。たとえば、最大及び最小電源速度設定値、即ち、
ＳｅｔＰｏｉｎｔ_Ｍａｘ＝３７ｃ＋δ１、ＳｅｔＰｏｉｎｔ_Ｍｉｎ＝３７ｃ−δ２
を判断するために、オフセットδ１及びδ２が、上記の例において判断された所望の電源速度３７ｃに追加される及び／又はこれから引き算され得る。

最小電源速度設定値を判断するのに使用されるオフセットは、最大電源速度設定値を判断するのに使用されるオフセットと同じである場合もあれば、同じでない場合もあると考えられる。最小及び最大電源速度設定値は、所望の電源速度の他の関数として判断され得ることも考えられる。最小及び最大電源速度設定値の１つが、他の関数として判断される場合もある。その上、電源速度設定値は、所望の電源速度を判断することなく、電源速度を判断するために上述した方法と同様の方法で直接判断され得る。所望の電源速度及び／又は設定値は、機械操作及び操縦パラメータ以外のパラメータの関数として判断される場合もある。

所望の電源速度及びこれに関連する設定値が判断された後も、ステップ１５０で閉ループ速度制御を用いて、制御が継続する。所望の電源速度は判断されたが、最小及び最大電源速度設定値が、実際には、閉ループ速度制御を駆動し得る。最小及び最大設定値は、基本的に、所望の電源速度に近い容認可能な許容差区間を有し、閉ループ速度制御は、電源速度が許容差区間内になるまで、電源及び／又は伝達装置１４の動作パラメータを変更し得る。たとえば、現在の電源速度が最小設定値以下であると、電源１２及び／又は伝達装置１４の動作パラメータは、電源速度を増加するよう変更され得る。現在の電源速度が最大設定値以上であると、電源１２及び／又は伝達装置１４の動作パラメータは、電源速度を減少するよう変更され得る。コントローラ２６が、電源速度を連続的に監視し、電源速度が最小及び最大設定値によって設定された許容差区間からはずれた場合には、電源動作パラメータ及び／又は伝達パラメータを調整する。

当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、開示されている作業機械舵取り制御システムの、様々な修正形態及び変形形態が作られ得ることは明らかであろう。当業者には、本明細書に開示した本発明の記載について考慮し、これを実践することにより、本発明の他の実施形態が明らかとなろう。これらの記載及び例は、単なる例示であり、本発明の真の範囲は、頭記の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって示されるものとする。

本発明の例示的実施形態による作業機械を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態による作業機械の電気系統を示す概略図である。 本発明の例示的実施形態による作業機械を操作する方法を例示する流れ図である。 本発明の例示的実施形態による作業機械のための、作業機械走行速度と、方向転換要求と、所望の電源速度との間の関係を例示するグラフである。

Claims (10)

1. 作業機械を動かすための第１の手段（１６）と、
   動かすための第１の手段に電力を伝達するための第１の手段（１４）と、
   作業機械を動かすための第２の手段（１６）と、
   動かすための第２の手段に電力を伝達するための第２の手段（１４）と、
   電力を伝達するための第１の及び第２の手段を駆動するよう構成された電源（１２）と、
   作業機械の操縦を示す信号を生成するよう構成されたセンサ（２８）と、
   作業機械の操縦を示す信号に応答して電源の出力を制御するための手段（２６）とを備えた作業機械（１０）。
2. 電源の出力を制御するための手段がまた、作業機械の操縦を示す信号に応答して、電力を伝達するための第１の及び第２の手段の少なくとも１つの速度比率を制御するための手段である請求項１に記載の作業機械。
3. 電力を伝達するための第１の及び第２の手段の少なくとも１つの速度比率を制御することにより、電源の出力が変更される請求項２に記載の作業機械。
4. 作業機械の動作パラメータを示す信号を生成するよう構成された第２のセンサ（２７）をさらに含み、制御するための手段が、さらに作業機械の動作パラメータを示す信号に応答して、電源の出力を制御するよう動作可能である請求項１に記載の作業機械。
5. 作業機械の舵をとるための手段（１７）をさらに含み、作業機械の操縦を示す信号が、舵をとるための手段に対するオペレータ入力に応答する請求項１に記載の作業機械。
6. 電源を備えた作業機械を操作する方法であって、
   第１の牽引装置（１６）に動作可能に接続された第１の比率制御装置（１４）を駆動することと、
   第２の牽引装置（１６）に動作可能に接続された第２の比率制御装置（１４）を駆動することと、
   作業機械の操縦を示す入力（２８）を受信することと、
   作業機械の操縦を示す入力に応答して、電源の出力を制御することとを含む方法。
7. 作業機械の操縦を示す信号に応答して、第１の及び第２の比率制御装置の少なくとも１つの速度比率を制御することをさらに含む請求項６に記載の方法。
8. 第１の及び第２の比率制御装置の少なくとも１つの速度比率を制御することにより、電源の出力が変更される請求項７に記載の方法。
9. 作業機械の動作パラメータを示す入力（２７）を受信することをさらに含み、電源の出力を制御するステップが、さらに、作業機械の動作パラメータを示す入力に応答する請求項６に記載の方法。
10. 電源の出力を制御することが、
    電源の所望の出力を計算することと、
    電源の所望の出力範囲を判断することと、
    電源の出力が所望の出力範囲外である場合に、電源の出力を変更することとを含む請求項６に記載の方法。
    

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