JP2018053677A - 作業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】掘削開始タイミングを素早く正確に判断する。
【解決手段】ホイールローダは、作業機と、作業機を駆動する油圧アクチュエータであるリフトシリンダ１５２と、リフトシリンダ１５２に油を供給する油圧ポンプ２２０と、リフトシリンダ１５２の圧力を検知するリフトシリンダボトム圧検知器２５２と、油圧ポンプ２２０からリフトシリンダ１５２に供給される油の量を制御する制御弁２２１と、前後方向の車両加速度を検知する車両加速度検知器２５４と、制御装置２４０とを備える。制御装置２４０は、リフトシリンダボトム圧検知器２５２により検知されたリフトシリンダボトム圧と、車両加速度検知器２５４により検知された車両加速度とに基づいて、作業機が掘削開始したか否かを判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は作業車両に関する。

作業車両の一種であるホイールローダは、車体前方に油圧アクチュエータ等で駆動される掘削用の作業機を有している。ホイールローダのオペレータは、車両を前進させて作業機先端を砕石や土砂等の掘削対象に差し込んだ後、作業機を上昇させて掘削対象を作業機内に掬い取ることで、掘削を行う。

ホイールローダによる掘削では、タイヤのスリップを防止するために、掘削開始時に適切なタイミングで作業機を上昇させる必要がある。すなわち、作業機が掘削対象に差し込まれると、作業機が掘削対象から受ける抵抗力は、作業機と車体を連結する油圧アクチュエータが縮まる方向に作用する。このとき、作業機が掘削対象によって上下方向に固定されていると、油圧アクチュエータによって車体が持ち上げられ、地面とタイヤの摩擦力が低下してタイヤがスリップすることがある。タイヤのスリップが発生すると、タイヤの摩耗が早まるだけでなく、タイヤが路面を削ることで路面状況が悪化し、作業効率の低下につながってしまう。そこで、ホイールローダのオペレータは通常、掘削開始時に作業機を上昇させ、その反力で前輪に荷重をかけることで、タイヤのスリップを防止する。しかしながら、作業機を上昇させるタイミングが早いと、掘削対象に作業機が十分に差し込まれる前に作業機が上昇を開始し、作業機に掬い取られる掘削対象の量が減少してしまう。一方、作業機を上昇させるタイミングが遅いと、上記のようにタイヤのスリップが発生してしまう。したがって、ホイールローダのオペレータは、適切なタイミングで掘削開始を判断し、作業機の上昇操作を行う必要がある。

従来のホイールローダでは、上述したように、オペレータが適切な掘削開始タイミングの判断を行う必要がある。しかしながら、特に経験の浅いオペレータにとっては、たとえば作業機先端を目視できない場合など、適切な掘削開始タイミングの判断が困難な場合がある。これに関して、特許文献１には、油圧シリンダの油圧、オペレータによる作業機の操作状態、作業車両のアクセル開度等に基づいて、作業車両における作業の状態を判断する技術が開示されている。

国際公開第２００５／０２４２０８号

特許文献１に記載の従来技術では、油圧シリンダの油圧と予め定められた基準値とを比較し、その比較結果に基づいて作業車両が掘削中であるか否かを判断している。しかし、このような判断方法では、掘削開始タイミングを素早く正確に判断するのは困難である。

本発明による作業車両は、作業機と、前記作業機を駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに油を供給する油圧ポンプと、前記油圧アクチュエータの圧力を検知する油圧アクチュエータ圧力検知器と、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される油の量を制御する制御弁と、前後方向の車両加速度を検知する車両加速度検知器と、前記油圧アクチュエータ圧力検知器により検知された前記油圧アクチュエータの圧力と、前記車両加速度検知器により検知された前記車両加速度とに基づいて、前記作業機が掘削開始したか否かを判断する制御装置と、を備える。

本発明によれば、掘削開始タイミングを素早く正確に判断することができる。

本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダの側面図である。 本発明の一実施の形態に係るホイールローダのシステム構成図である。 制御装置の制御ブロック図である。 掘削開始判断部の制御ブロック図である。 掘削対象の硬さに応じてリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値および車両加速度の閾値を変化させる例を示す図である。 掘削作業予測部の制御ブロック図である。 本発明の一実施の形態に係るホイールローダの動作の一例を示した図である。 制御装置のハードウェア構成を示す図である。 トルクコンバータ式の動力伝達機構を採用した場合のホイールローダのシステム構成図の一例である。 ＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。 ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。 ハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダのシステム構成図の一例である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

[ホイールローダ１００の構成]
図１は、本発明の一実施の形態に係る作業車両であるホイールローダ１００の側面図である。図１に示すホイールローダ１００は、車体１１０と、車体１１０の前方に取り付けられた多関節型の作業機１５０から構成される。

作業機１５０は、少なくとも１つのアクチュエータにより駆動される作業装置である。図１に示した作業機１５０は、リフトアーム１５５およびバケット１５１から構成される。作業機１５０と車体１１０の間には、リフトアーム１５５およびバケット１５１をそれぞれ駆動する油圧アクチュエータ（油圧シリンダ）として、リフトシリンダ１５２およびバケットシリンダ１５３が取り付けられている。なお、リフトアーム１５５とリフトシリンダ１５２は、車体１１０の左右にそれぞれ１つずつ装備されているが、図１では車体１１０の右側にあるリフトアーム１５５とリフトシリンダ１５２は隠れている。

リフトアーム１５５は、リフトシリンダ１５２の伸縮駆動に伴って上下方向に回動（俯仰動）する。バケット１５１は、バケットシリンダ１５３の伸縮駆動に伴って回動（ダンプ動作またはクラウド動作）する。なお、図１に示したホイールローダ１００のバケット１５１を作動させるリンク機構は、ベルクランク１５４を用いたＺリンク式（ベルクランク式）のものである。

リフトシリンダ１５２は、リフトアーム１５５と車体１１０に接続されている。以下では、リフトシリンダ１５２のリフトアーム１５５と接続する側をロッド側と称し、車体１１０と接続する側をボトム側と称する。リフトシリンダ１５２のボトム側に後述する油圧ポンプから油が供給されることにより、リフトシリンダ１５２のシリンダロッドが伸長され、リフトアーム１５５は上昇する。また、リフトシリンダ１５２のロッド側に油圧ポンプから圧油が供給されることにより、リフトシリンダ１５２のシリンダロッドが縮退され、リフトアーム１５５は降下する。

バケットシリンダ１５３は、ベルクランク１５４と車体１１０に接続されている。以下では、バケットシリンダ１５３のベルクランク１５４と接続する側をロッド側と称し、車体１１０と接続する側をボトム側と称する。バケットシリンダ１５３のボトム側に油圧ポンプから油が供給されることにより、バケットシリンダ１５３のシリンダロッドが伸長され、バケット１５１は開口部が上方を向くように回動する。また、バケットシリンダ１５３のロッド側に油圧ポンプから油が供給されることにより、バケットシリンダ１５３のシリンダロッドが縮退され、バケット１５１は開口部が下方を向くように回動する。

バケットシリンダ１５３には、バケット１５１の底面が地面に対して水平であるかを判断するために、バケットシリンダストローク、すなわちバケットシリンダ１５３のストローク量を検知するバケットシリンダストローク検知器２５０が取り付けられている。また、リフトアーム１５５の車体１１０との接続部近傍には、リフトアーム１５５の高さを判断するために、リフトアーム角、すなわちリフトアーム１５５の角度を検知するリフトアーム角検知器２５１が取り付けられている。

掘削開始時にオペレータは、バケット１５１の底面を地面に対して水平にし、バケット１５１が地面に接触する程度までリフトアーム１５５を下げた姿勢で、掘削対象である砕石や土砂に向かってホイールローダ１００を前進させる。掘削対象に作業機１５０の先端、すなわちバケット１５１の先端が当たると、掘削対象からの抵抗力がリフトシリンダ１５２を縮めるように働き、リフトシリンダ１５２のボトム側の圧力が大きくなる。そのため、リフトシリンダ１５２には、作業機１５０が受ける掘削対象からの抵抗力を検知するために、リフトシリンダボトム圧、すなわちリフトシリンダ１５２のボトム圧を検知するリフトシリンダボトム圧検知器２５２が取り付けられている。なお、掘削対象からの抵抗力はバケットシリンダ１５３にも作用するが、このときのバケットシリンダ１５３の圧力変化の大きさは、地面に対するバケット１５１の底面の角度によって大きく変わる。また、掘削対象からの抵抗力によるリフトシリンダ１５２のロッド側の圧力変化は、ボトム側の圧力変化に比べて小さい。したがって、掘削対象からの抵抗力を検知するためには、リフトシリンダボトム圧を検知するのが適している。

車体１１０には、４つの車輪１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが設けられている。なお、図１では車体１１０の右側にある車輪１ａ、１ｂは隠れている。以下では、車輪１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを「車輪１」と総称することもある。各車輪１は、エンジン２０１（後述）を動力源とする動力伝達装置２１０（後述）によって駆動される。各車輪１を介して駆動力が地面に伝えられることで、ホイールローダ１００は前進または後退する。

図２は、図１に示した本発明の一実施の形態に係るホイールローダ１００のシステム構成図である。

エンジン２０１は、動力伝達装置２１０および油圧ポンプ２２０に動力を供給する。エンジン２０１は、燃料噴射量を制御する電子制御ガバナ２０２を有している。電子制御ガバナ２０２は、アクセル操作量検知器２５６により検知されたアクセルペダル２６４の操作量に基づいて、エンジン２０１の燃料噴射量を制御する。

動力伝達装置２１０は、エンジン２０１から出力される動力の一部を車輪１へ伝達する動力伝達機構である。動力伝達装置２１０の方式には、たとえばトルクコンバータ式、ＨＳＴ(Hydro Static Transmission)式、ＨＭＴ(Hydro Mechanical Transmission)式、ハイブリッド式などを採用することができる。なお、動力伝達装置２１０の具体例については、図９から図１２を用いて後述する。

油圧ポンプ２２０は、前述のリフトシリンダ１５２およびバケットシリンダ１５３を含む、作業機１５０に係る複数の油圧アクチュエータ対して、制御弁２２１を介して油を供給することにより、各油圧アクチュエータを適宜駆動させる。なお、油圧ポンプ２２０の動力源はエンジン２０１である。そのため、油圧ポンプ２２０を駆動源とする各油圧アクチュエータについても、車輪１と同様にエンジン２０１が動力源となる。

制御弁２２１は、下記のパイロット圧に応じて、油圧ポンプ２２０から油圧アクチュエータ（リフトシリンダ１５２、バケットシリンダ１５３）へ供給される油の量を制御する。パイロット圧は、作業機１５０を操作するための作業機操作レバー２６１や、制御弁制御部２６２から出力される。これらのパイロット圧のうち、より高圧な方が高圧選択弁２６３により選択され、制御弁２２１に作用する。なお、制御弁制御部２６２は、後述するように、制御装置２４０から出力される掘削開始判断指令に応じて駆動される。

車両進行方向検知器２５３は、プロペラシャフト２３０の回転方向から、車両進行方向、すなわちホイールローダ１００の進行方向が前進または後退のいずれであるかを検知し、制御装置２４０に出力する。なお、車両進行方向検知器２５３によりプロペラシャフト２３０の回転数などを検知し、その検知結果に基づいてホイールローダ１００の加速度や走行速度を演算することもできる。たとえば、車両進行方向検知器２５３によって検知されたプロペラシャフト２３０の回転数を微分処理することで、ホイールローダ１００の加速度を求めることができる。

車両加速度検知器２５４は、前後方向に対する車両加速度、すなわちホイールローダ１００の加速度を検知し、制御装置２４０に出力する。なお、上記のように車両進行方向検知器２５３の検知結果に基づいて車両加速度を演算する場合には、車両加速度検知器２５４を設けなくてもよい。

掘削判断報知部２６５は、制御装置２４０から出力される掘削開始判断指令に応じたオペレータへの報知を行う。掘削判断報知部２６５は、たとえば所定の画面表示を行うことが可能なモニタにより構成されている。

制御装置２４０は、ホイールローダ１００の動作に関する各種情報処理を実行するためのコンピュータであり、たとえばマイクロコンピュータを用いて構成される。制御装置２４０は、リフトシリンダボトム圧検知器２５２により検知されたリフトシリンダボトム圧と、車両加速度検知器２５４により検知されたホイールローダ１００の前後方向の加速度から、作業機１５０が掘削開始したか否かを判断し、掘削開始と判断した場合には掘削開始判断指令を出力するように構成されている。なお、制御装置２４０で行われる制御処理の詳細については後述する。

図８は、制御装置２４０のハードウェア構成を示す図である。制御装置２４０は、入力部９１と、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、出力部９５とを有している。

入力部９１は、前述のリフトシリンダボトム圧検知器２５２、車両進行方向検知器２５３、車両加速度検知器２５４、リフトアーム角検知器２５１、バケットシリンダストローク検知器２５０等から出力される情報や信号を入力し、ＣＰＵ９２に出力する。このとき、必要に応じてＡ／Ｄ変換を行う。ＲＯＭ９３は、プログラム等が記憶された記録媒体である。ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶されたプログラムに従って、入力部９１やＲＯＭ９３、ＲＡＭ９４から取り入れた情報や信号に対して所定の演算処理を行う。出力部９５は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を制御弁制御部２６２や掘削判断報知部２６５に出力する。なお、図８の制御装置２４０は、記憶装置として半導体メモリであるＲＯＭ９３やＲＡＭ９４を備えているが、これらの代わりにハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備え、これにプログラム等を記憶してもよい。

[制御装置２４０の制御処理]
次に、制御装置２４０で実行される制御処理の詳細について説明する。図３は、制御装置２４０の制御ブロック図である。図３に示すように、制御装置２４０は、その制御処理の機能として、作業機対地角取得部３２１と、掘削作業予測部３２０と、掘削開始判断部３１０とを有する。

作業機対地角取得部３２１には、作業機対地角、すなわち作業機１５０の対地角を演算するための情報として、バケットシリンダストローク検知器２５０によって検知されたバケットシリンダストロークと、リフトアーム角検知器２５１によって検知されたリフトアーム角とが入力される。作業機対地角取得部３２１は、入力されたこれらの情報を基に作業機対地角を算出することにより、作業機１５０の対地角を取得し、掘削作業予測部３２０に出力する。たとえば、作業機１５０を構成するリフトアーム１５５やバケット１５１、ベルクランク１５４等の寸法パラメータに基づく数式を用いて、入力されたバケットシリンダストロークおよびリフトアーム角に対応する作業機対地角を幾何学的に算出してもよい。または、バケットシリンダ１５３のストローク量およびリフトアーム１５５の角度と作業機対地角との関係を予めテーブル化して制御装置２４０に記憶しておき、このテーブルを用いて、入力されたバケットシリンダストロークおよびリフトアーム角に対応する作業機対地角を求めてもよい。あるいは、バケットシリンダストローク検知器２５０によって検知されたバケットシリンダストロークや、リフトアーム角検知器２５１によって検知されたリフトアーム角を用いずに、対地角センサ等を用いて作業機１５０の対地角を直接検知することで、作業機対地角を取得してもよい。

掘削作業予測部３２０は、作業機対地角取得部３２１によって取得された作業機対地角と、車両進行方向検知器２５３によって検知された車両進行方向とに基づいて、作業機１５０がこれから掘削を行うか否かを予測する。具体的には、掘削作業予測部３２０は、車両進行方向が前進であり、かつ、作業機対地角が所定の範囲内である場合に、ホイールローダ１００が掘削開始時の姿勢であると判断して、作業機１５０が掘削を行うと予測する。このとき掘削作業予測部３２０は、掘削作業予測指令を掘削開始判断部３１０に出力する。一方、これらの条件の少なくとも一方が満たされない場合には、作業機１５０が掘削を行わないと予測して、掘削作業予測指令を出力しない。なお、掘削作業予測部３２０の処理の詳細については後述する。

掘削開始判断部３１０には、適切な作業機１５０の上昇操作のタイミングを判断するための情報として、掘削作業予測部３２０からの掘削作業予測指令と、リフトシリンダボトム圧検知器２５２によって検知されたリフトシリンダボトム圧と、車両加速度検知器２５４によって検知された車両加速度とが入力される。掘削開始判断部３１０は、掘削作業予測部３２０から掘削作業予測指令が出力されているときに、リフトシリンダボトム圧および車両加速度に基づく作業機１５０の掘削開始判断を行う。具体的には、掘削作業予測指令が出力されており、かつ、リフトシリンダボトム圧の増加速度が所定の閾値以上であり、かつ、車両加速度が所定の閾値以下である場合に、バケット１５１の先端が掘削対象に当たったことを検知して、作業機１５０が掘削開始したと判断する。このとき掘削開始判断部３１０は、掘削開始判断指令を制御弁制御部２６２および掘削判断報知部２６５に出力する。一方、掘削作業予測指令が出力されていない場合や、リフトシリンダボトム圧の増加速度および車両加速度の少なくとも一方が上記の条件を満たさない場合には、作業機１５０が掘削開始していないと判断して、掘削開始判断指令を出力しない。なお、掘削開始判断部３１０の処理の詳細については後述する。

制御弁制御部２６２は、掘削開始判断部３１０から出力された掘削開始判断指令に応じて、適切なタイミングで作業機１５０を上昇させるための制御を制御弁２２１に対して行う。具体的には、制御弁制御部２６２は、掘削開始判断部３１０から掘削開始判断指令が出力されている場合には、所定のパイロット圧を制御弁２２１に出力して、リフトシリンダ１５２のボトム側に油の供給を開始するよう制御弁２２１を制御する。一方、掘削開始判断指令が入力されていない場合には、パイロット圧を出力せずに、リフトシリンダ１５２のボトム側に油が供給されないようにする。これにより、掘削開始判断部３１０によって判断された適切なタイミングで油圧ポンプ２２０からリフトシリンダ１５２のボトム側に油が供給され、遅滞なく作業機１５０の上昇動作を行うことができるため、車輪１のスリップを防止できる。なお、制御弁制御部２６２は、掘削開始判断指令が出力されているときに、油圧ポンプ２２０が供給可能な最大量の油をリフトシリンダ１５２のボトム側に供給するように制御弁２２１を制御してもよいし、あるいは、最大量未満で予め定められた供給量となるように制御弁２２１を制御してもよい。

掘削判断報知部２６５は、掘削開始判断部３１０から出力された掘削開始判断指令に応じて、オペレータに対して適切なタイミングで作業機１５０の上昇操作を促す旨の報知を行う。具体的には、掘削判断報知部２６５は、制御装置２４０から掘削開始判断指令が出力されている場合には、オペレータに対して掘削開始が判断された旨をモニタに表示する。一方、制御装置２４０から掘削開始判断指令が出力されていない場合には、モニタの表示を行わない。こうして掘削判断報知部２６５により適切な掘削開始タイミングをオペレータに報知することで、オペレータは制御弁制御部２６２の制御により作業機１５０の上昇動作が適切なタイミングで行われたのを知ることができる。また、ホイールローダ１００に制御弁制御部２６２が設けられていない場合など、掘削開始タイミングに応じて作業機１５０が自動的に上昇されない場合には、掘削判断報知部２６５による掘削開始タイミングの報知に応じて、オペレータは遅滞なく作業機１５０の上昇操作を行うことができる。これにより、車輪１のスリップを防止できる。なお、掘削判断報知部２６５は、上記のようなモニタ表示に加えて、またはモニタ表示に代えて、他の方法でオペレータへの報知を行ってもよい。たとえば、図示しないキャビン内の照明装置の照度を変えたり、音声を発したり、作業機操作レバー２６１を振動させたりすることで、オペレータに対して掘削開始が判断された旨を報知することができる。

[掘削作業予測部３２０の制御処理]
次に、掘削作業予測部３２０で実行される制御処理の詳細について説明する。図６は、掘削作業予測部３２０の制御ブロック図である。図６に示すように、掘削作業予測部３２０は、その制御処理の機能として、車両進行方向判断部６１０と、作業機対地角判断部６２０と、掘削作業予測指令部６３０とを有する。

車両進行方向判断部６１０には、車両進行方向検知器２５３によって検知された車両進行方向が入力される。車両進行方向判断部６１０は、入力された車両進行方向が前進であるか否かを判断し、その判断結果を示す真偽値を掘削作業予測指令部６３０に出力する。すなわち、車両進行方向が前進である場合は「TRUE」を出力し、車両進行方向が前進以外の場合（後退の場合）は「FALSE」を出力する。

作業機対地角判断部６２０には、作業機対地角取得部３２１によって取得された作業機対地角が入力される。作業機対地角判断部６２０は、入力された作業機対地角が所定の範囲内であるか否かを判断し、その判断結果を示す真偽値を掘削作業予測指令部６３０に出力する。すなわち、作業機対地角が所定範囲内である場合は「TRUE」を出力し、作業機対地角が所定範囲外である場合は「FALSE」を出力する。なお一般的に、掘削開始時にはバケット１５１を掘削対象に差し込みやすくするため、作業機１５０の対地角は略水平に設定される。そのため、作業機対地角判断部６２０において、上記の作業機対地角に対する範囲は、作業機１５０が概ね水平となる対地角に対応して設定されることが好ましい。さらに、この範囲は予め設定された値としてもよいし、ボタン、ダイヤル、タッチパネル等の入力装置からオペレータが任意の値を設定できるように構成してもよい。

掘削作業予測指令部６３０には、車両進行方向判断部６１０から出力された真偽値と、作業機対地角判断部６２０から出力された真偽値とが入力される。掘削作業予測指令部６３０は、入力されたこれらの真偽値に基づいて、作業機１５０が掘削を行うか否かを予測し、その予測結果に従って掘削作業予測指令を掘削開始判断部３１０に出力する。すなわち、２つの真偽値が両方とも「TRUE」である場合は、ホイールローダ１００が掘削開始時の姿勢となっており、これから作業機１５０が掘削を行うと予測して、掘削作業予測指令を出力する。一方、２つの真偽値の一方または両方が「FALSE」である場合は、ホイールローダ１００が掘削開始時の姿勢とはなっておらず、作業機１５０が掘削を行わないと予測して、掘削作業予測指令を出力しないようにする。

掘削作業予測部３２０では、以上説明したような制御構成により、作業機対地角取得部３２１によって取得された作業機対地角と、車両進行方向検知器２５３によって検知された車両進行方向とに基づいて、作業機１５０が掘削を行うか否かを予測することができる。

[掘削開始判断部３１０]
次に、掘削開始判断部３１０で実行される制御処理の詳細について説明する。図４は、掘削開始判断部３１０の制御ブロック図である。図４に示すように、掘削開始判断部３１０は、その制御処理の機能として、掘削作業予測判断部４１０と、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０と、リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１と、車両加速度判断部４３０と、掘削開始判断指令部４４０とを有する。

掘削作業予測判断部４１０には、掘削作業予測部３２０から出力された掘削作業予測指令が入力される。掘削作業予測判断部４１０は、掘削作業予測指令が入力されているか否かを判断し、その判断結果を示す真偽値を掘削開始判断指令部４４０に出力する。すなわち、掘削作業予測指令が入力されている場合は「TRUE」を出力し、掘削作業予測指令が入力されていない場合は「FALSE」を出力する。

リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１には、リフトシリンダボトム圧検知器２５２によって検知されたリフトシリンダボトム圧が入力される。リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１は、入力されたリフトシリンダボトム圧の単位時間当たりの増加量を求める。ここで、リフトシリンダボトム圧（油圧アクチュエータ圧力）の単位時間当たりの増加量は、リフトシリンダボトム圧の増加する速度と同義であることから、以下の説明において、リフトシリンダボトム圧の単位時間当たりの増加量のことを「リフトシリンダボトム圧増加速度」と称することにする。そして、リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１は、算出したリフトシリンダボトム圧増加速度を、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０に出力する。

リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０には、リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１によって算出されたリフトシリンダボトム圧増加速度が入力される。リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０は、入力されたリフトシリンダボトム圧増加速度が所定の閾値以上であるか否かを判断し、その判断結果を示す真偽値を掘削開始判断指令部４４０に出力する。すなわち、リフトシリンダボトム圧増加速度が閾値以上である場合は「TRUE」を出力し、リフトシリンダボトム圧増加速度が閾値未満である場合は「FALSE」を出力する。

車両加速度判断部４３０には、車両加速度検知器２５４によって検知された車両加速度が入力される。車両加速度判断部４３０は、入力された車両加速度が所定の閾値以下であるか否か、すなわちホイールローダ１００の減速度が所定値以上であるか否かを判断し、その判断結果を示す真偽値を掘削開始判断指令部４４０に出力する。すなわち、車両加速度が閾値以下である場合（減速度が所定値以上である場合）は「TRUE」を出力し、車両加速度が閾値を超過している場合（減速度が所定値未満である場合）は「FALSE」を出力する。

掘削開始判断指令部４４０には、掘削作業予測判断部４１０から出力された真偽値と、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０から出力された真偽値と、車両加速度判断部４３０から出力された真偽値とが入力される。掘削開始判断指令部４４０は、入力されたこれらの真偽値に基づいて、作業機１５０の掘削開始判断を行い、その判断結果に従って掘削開始判断指令を制御弁制御部２６２と掘削判断報知部２６５に出力する。すなわち、３つの真偽値が全て「TRUE」である場合は、掘削開始と判断して、掘削開始判断指令を出力する。一方、３つの真偽値のいずれか少なくとも一つが「FALSE」である場合は、掘削開始ではないと判断して、掘削開始判断指令を出力しないようにする。

なお、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０において、上記のリフトシリンダボトム圧増加速度に対する閾値は、掘削対象の硬さに応じて異なる値を設定することが好ましい。たとえば、掘削対象が比較的軟らかい場合、バケット１５１が掘削対象に当たった際に掘削対象から受ける抵抗力の増加速度は、掘削対象が硬い場合と比べて小さい。そのため、掘削対象が硬い場合と同じ閾値を用いると、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０から出力される真偽値が「FALSE」から「TRUE」に変化するタイミングが遅くなる。その結果、掘削開始判断指令部４４０から掘削開始判断指令が出力されるのが遅れてしまい、車輪１のスリップを発生させてしまう可能性がある。したがって、リフトシリンダボトム圧増加速度の閾値は、掘削対象が硬いほど大きく設定するのが好ましい。

また、車両加速度判断部４３０における上記の車両加速度に対する閾値についても、掘削対象の硬さに応じて異なる値を設定することが好ましい。ただし、車両加速度の閾値は、掘削対象が硬いほど小さく設定されるのが好ましい。

図５は、掘削対象の硬さに応じてリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値および車両加速度の閾値を変化させる例を示す図である。図５において、グラフ５１０は、掘削対象の硬さとリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値との関係の一例を示している。グラフ５１０の例では、リフトシリンダボトム圧増加速度の閾値は、掘削対象が硬くなるに伴って直線的に増加するように設定されている。なお、グラフ５１０の例に限らず、掘削対象の硬さが増加するにつれてリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値が単調増加するような形態であれば、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０の判断において利用可能である。これは、たとえば掘削対象の硬さが変化してもリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値が一定に保持される区間を含む形態など、広義の単調増加も含むものである。

一方、図５において、グラフ５２０は、掘削対象の硬さと車両加速度の閾値との関係の一例を示している。グラフ５２０の例では、車両加速度の閾値は、掘削対象が硬くなるに伴って直線的に減少するように設定されている。なお、グラフ５２０の例に限らず、掘削対象の硬さが増加するにつれて車両加速度の閾値が単調減少するような形態であれば、車両加速度判断部４３０の判断において利用可能である。これは、たとえば掘削対象の硬さが変化しても車両加速度の閾値が一定に保持される区間を含む形態など、広義の単調減少も含むものである。

以上説明したように、掘削対象の硬さに応じてリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値や車両加速度の閾値を変化させる場合には、ホイールローダ１００の車格を考慮してこれらの閾値を設定することが好ましい。たとえば、ホイールローダ１００の車格に応じた掘削対象の硬さとリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値および車両加速度の閾値との関係を示すテーブルを、制御装置２４０に予め記憶しておく。ホイールローダ１００が掘削作業を行う際に掘削対象の硬さが設定されると、制御装置２４０は、これに対応するリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値および車両加速度の閾値をテーブルから求めて、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０および車両加速度判断部４３０の判断においてそれぞれ用いるようにする。なお、掘削対象の硬さは、ボタン、ダイヤル、タッチパネル等の入力装置からオペレータが任意の値を設定してもよいし、前回の掘削作業から判断して設定するものであってもよい。

以上説明した本実施の形態では、掘削開始判断部３１０の一連の処理からわかるように、制御装置２４０は、リフトシリンダボトム圧の増加速度が閾値を上回り、かつ車両加速度が閾値を下回ったときに、バケット１５１が掘削対象に当たったと判断して掘削開始の判断を下している。このように、リフトシリンダボトム圧の増加速度を用いて判断を行うことにより、リフトシリンダボトム圧をそのまま用いた場合よりも素早く掘削開始の判断を下すことができる。なお、リフトシリンダボトム圧をそのまま用いて判断を行う場合、リフトシリンダボトム圧に対する閾値を小さく設定するほど掘削反力を早く検知して掘削開始の判断を下すことができるが、その分だけ誤判断の可能性が高まる。たとえば、粘土質の土砂を掘削したときには、ダンプトラックへの積み込み後に土砂がバケット１５１から落としきれずに残ることがある。この場合、バケット１５１内に残った土砂の重量がリフトシリンダボトム圧に付加されるため、掘削対象にバケット１５１が当たっていないにもかかわらず、リフトシリンダボトム圧が閾値を超えてしまい、誤った判断を下す可能性がある。したがって、誤判断防止のためには、リフトシリンダボトム圧の閾値はある程度高く設定する必要がある。そのため、本実施の形態と比べて掘削開始の判断を下すのが遅れてしまい、車輪１のスリップを引き起こす可能性がある。

また、本実施の形態では、リフトシリンダボトム圧増加速度に加えて、車両加速度を用いて掘削開始の判断を行っている。これにより、悪路走行中の車体１１０のバウンド等によってリフトアーム１５５が大きく振られる際に発生するリフトシリンダボトム圧増加速度の変動による誤判断を回避し、より正確に掘削開始を判断できる。

さらに、本実施の形態では、上記に加えて、掘削作業予測部３２０により掘削作業を予測し、その予測結果を用いて掘削開始の判断を行っている。これにより、掘削直前以外の走行時、たとえば掘削した積荷を運搬する運搬作業や、掘削対象をダンプトラックなどに積み込むために作業機１５０を上昇しながら前進するライズラン等を行っているときには、掘削開始の判断を行わないようにすることができる。したがって、掘削作業時以外に発生し得る誤判断を回避し、より正確に掘削開始を判断できる。

［実動作］
図７は、上記のように構成された本発明の一実施の形態に係るホイールローダ１００の動作の一例を示した図である。図７において、グラフ７１０は走行速度の推移を、グラフ７２０はリフトシリンダボトム圧の推移を、グラフ７３０は車両加速度の推移を、グラフ７４０はリフトシリンダボトム圧増加速度推移を、グラフ７５０は作業機対地角の推移を、グラフ７６０は掘削開始判断指令の推移を、グラフ７７０はリフトシリンダボトム側への油供給量の推移をそれぞれ示す。なお、グラフ７３０の閾値７３１は、前述の車両加速度判断部４３０における車両加速度の閾値を示しており、グラフ７４０の閾値７４１は、前述のリフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０におけるリフトシリンダボトム圧増加速度の閾値を示している。また、グラフ７５０の上限閾値７５１および下限閾値７５２は、前述の作業機対地角判断部６２０における作業機対地角の範囲を示している。

時刻０の時点では、グラフ７５０に示すように、作業機対地角が大きい状態、つまりバケット開口部が上方を向いている状態で、ホイールローダ１００が走行している。ここから時刻T1までの期間では、掘削作業に移行するため、グラフ７５０に示すように作業機対地角が小さくなるよう調節しながら、グラフ７１０に示すようにホイールローダ１００が掘削対象に向かって前進している。

時刻T1の時点で、グラフ７１０に示すように車両進行方向が前進であり、かつグラフ７５０に示すように作業機対地角が上限閾値７５１と下限閾値７５２の間の範囲内に入ると、掘削作業予測部３２０が掘削作業予測指令を掘削開始判断部３１０に出力する。その後、T2の時点で作業機１５０の先端が掘削対象に当たると、グラフ７２０に示すようにリフトシリンダボトム圧増加速度が上昇し始めると共に、グラフ７３０に示すように車両加速度が低下し始める。

時刻T3の時点で、上記のように掘削作業予測部３２０による掘削作業予測指令が入力されており、かつ、グラフ７４０に示すようにリフトシリンダボトム圧増加速度が閾値７４１を上回り、かつ、グラフ７３０に示すように車両加速度が閾値７３１を下回ると、掘削開始判断部３１０は掘削開始と判断し、制御弁制御部２６２および掘削判断報知部２６５に掘削開始判断指令を出力する。こうして掘削開始判断指令が出力されると、制御弁制御部２６２がリフトシリンダ１５２のボトム側への油の供給を開始するよう制御弁２２１を制御するか、掘削判断報知部２６５がオペレータに対して掘削開始を報知し、これに応じてオペレータが作業機１５０の上昇操作を行う。これにより、リフトアーム１５５が上昇する。

以上説明したように、本実施の形態による制御装置２４０では、油圧アクチュエータ圧力の増加速度、すなわちリフトシリンダボトム圧増加速度に基づいて、掘削開始の判断を行う。これにより、油圧アクチュエータ圧力をそのまま用いた場合と比べて、遅滞なく掘削開始を判断することができる。さらに、車両加速度が所定の閾値を超えている場合や、作業機１５０が掘削を行わないと予測された場合には、掘削開始と判断しない。これにより、誤判断を回避して、より正確に掘削開始のタイミングを判断することができる。したがって、適切なタイミングで作業機１５０の上昇動作を行うことができる。

［動力伝達装置２１０］
最後に、動力伝達装置２１０の具体例について、図９から図１２を用いて以下に説明する。

図９は、動力伝達装置２１０として、エンジン２０１の動力を油の流れに変換して車輪１に伝達するトルクコンバータ式の動力伝達機構を採用した場合のホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図９に示す例では、ホイールローダ１００は、エンジン２０１の出力軸に連結されたトルクコンバータ２１１と、トルクコンバータ２１１から出力された動力を歯車機構で変速する有段変速機２１２とを備えている。有段変速機２１２は、プロペラシャフト２３０を介して各車輪１を回転駆動する。

図１０は、動力伝達装置２１０として、エンジン２０１の動力を油圧に変換して車輪１に伝達するＨＳＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１０に示す例では、ホイールローダ１００は、エンジン２０１の出力軸に連結された油圧ポンプ２１３と、油圧ポンプ２１３から吐出される油によって回転駆動される油圧モータ２１４とを備えている。油圧モータ２１４は、プロペラシャフト２３０を介して各車輪１を回転駆動する。

図１１は、動力伝達装置２１０として、ＨＭＴ式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１１に示す例では、ホイールローダ１００は、上記の油圧ポンプ２１３および油圧モータ２１４に加えて、さらに動力伝達機械部２１５を有している。この例では、油圧ポンプ２１３で油圧モータ２１４を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで車輪１を駆動しつつ、エンジン２０１で動力伝達機械部２１５を介してプロペラシャフト２３０を駆動することで車輪１を駆動する。動力伝達機械部２１５は、エンジン２０１の出力軸とプロペラシャフト２３０とを機械的に連結する機械機構であり、たとえば、斜板ピストンや遊星歯車などを用いて構成される。

図１２は、動力伝達装置２１０として、エンジン２０１の動力を電気に変換して車輪１に伝達するハイブリッド式の動力伝達機構を採用したホイールローダ１００のシステム構成図の一例である。図１２に示す例では、ホイールローダ１００は、エンジン２０１に機械的に連結されてエンジン２０１により駆動される電動発電機（モータ／ジェネレータ）２１６と、電動発電機２１６を制御するインバータ２１８と、ディファレンシャルギアＤｉｆおよびギアＧを介してプロペラシャフト２３０に取り付けられ４つの車輪１を駆動する走行電動機２１７と、走行電動機２１７を制御するインバータ２１９と、ＤＣＤＣコンバータ２９１を介してインバータ２１８および２１９と電気的に接続された蓄電装置２９０とを備えている。蓄電装置２９０は、たとえば二次電池やコンデンサにより構成され、インバータ２１８とインバータ２１９との間で直流電力の受け渡しを行う。なお、図１２のシステム構成図では、いわゆるシリーズ型のハイブリッドシステムの構成例を示したが、パラレル型のハイブリッドシステムも利用可能である。

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）作業車両であるホイールローダ１００は、作業機１５０と、作業機１５０を駆動する油圧アクチュエータであるリフトシリンダ１５２と、リフトシリンダ１５２に油を供給する油圧ポンプ２２０と、リフトシリンダ１５２の圧力を検知する油圧アクチュエータ圧力検知器、すなわちリフトシリンダボトム圧を検知するリフトシリンダボトム圧検知器２５２と、油圧ポンプ２２０からリフトシリンダ１５２に供給される油の量を制御する制御弁２２１と、前後方向の車両加速度を検知する車両加速度検知器２５４と、制御装置２４０とを備える。制御装置２４０は、リフトシリンダボトム圧検知器２５２により検知されたリフトシリンダボトム圧と、車両加速度検知器２５４により検知された車両加速度とに基づいて、作業機１５０が掘削開始したか否かを判断する。このようにしたので、掘削開始タイミングを素早く正確に判断することができる。

（２）制御装置２４０は、掘削開始判断部３１０を備える。掘削開始判断部３１０は、リフトシリンダボトム圧増加速度演算部４２１により、リフトシリンダボトム圧から油圧アクチュエータ圧力増加速度、すなわちリフトシリンダボトム圧増加速度を算出する。そして、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０によりリフトシリンダボトム圧増加速度が所定の閾値以上であると判断し、かつ、車両加速度判断部４３０により車両加速度が所定の閾値以下であると判断した場合に、掘削開始判断指令部４４０により、作業機１５０が掘削開始したと判断する。このようにしたので、予期せぬリフトシリンダボトム圧増加速度の変動等による誤判断を回避しつつ、掘削開始の判断を素早く行うことができる。

（３）ホイールローダ１００は、車両進行方向が前進または後退のいずれであるかを検知する車両進行方向検知器２５３をさらに備える。制御装置２４０は、作業機１５０の対地角を取得する作業機対地角取得部３２１と、車両進行方向が前進かつ作業機１５０の対地角が所定の範囲内である場合に作業機１５０が掘削を行うと予測する掘削作業予測部３２０とを有する。掘削開始判断部３１０は、掘削作業予測部３２０により作業機１５０が掘削を行うと予測された場合に、リフトシリンダボトム圧および車両加速度に基づいて作業機１５０が掘削開始したか否かの判断を行う。このようにしたので、掘削作業時以外に発生し得る誤判断を回避し、より正確に掘削開始の判断を行うことができる。

（４）ホイールローダ１００は、制御装置２４０により作業機１５０が掘削開始したと判断された場合に、作業機１５０の上昇操作をオペレータに促す旨を報知する掘削判断報知部２６５をさらに備える。このようにしたので、掘削開始時に、オペレータに遅滞なく作業機１５０の上昇操作を行わせることができる。

（５）また、ホイールローダ１００は、制御装置２４０により作業機１５０が掘削開始したと判断された場合に、制御弁２２１を制御して油圧ポンプ２２０からリフトシリンダ１５２への油の供給を開始させる制御弁制御部２６２をさらに備える。このようにしたので、掘削開始時に遅滞なく作業機１５０の上昇動作を行うことができる。

なお、以上説明した実施の形態では、ホイールローダ１００が制御弁制御部２６２および掘削判断報知部２６５の両方を備える例を説明したが、いずれか一方のみを備えていてもよい。さらに、制御弁制御部２６２および掘削判断報知部２６５の両方とも備えずに、制御装置２４０から出力された掘削開始判断指令を、ホイールローダ１００に設けられた出力端子等を介して外部に出力するようにしてもよい。

また、以上説明した実施の形態では、図３に示したように、制御装置２４０が作業機対地角取得部３２１、掘削作業予測部３２０および掘削開始判断部３１０を備える例を説明したが、作業機対地角取得部３２１および掘削作業予測部３２０については備えていなくてもよい。この場合、掘削開始判断部３１０は、掘削作業予測判断部４１０を備える必要はなく、掘削開始判断指令部４４０では、リフトシリンダボトム圧増加速度判断部４２０から出力された真偽値と、車両加速度判断部４３０から出力された真偽値とに基づいて、掘削開始の判断を行えばよい。すなわち、車両加速度判断部４３０は、これら２つの真偽値が全て「TRUE」である場合は、掘削開始と判断して、掘削開始判断指令を出力する。一方、２つの真偽値のいずれか一方または両方が「FALSE」である場合は、掘削開始ではないと判断して、掘削開始判断指令を出力しないようにする。このようにしてもよい。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例が含まれる。たとえば本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、ある実施の形態に係る構成の一部を、他の実施の形態に係る構成に追加または置換することが可能である。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も、本発明の範囲内に含まれる。

１００・・・ホイールローダ
１１０・・・車体
１５０・・・作業機
１５１・・・バケット
１５２・・・リフトシリンダ
１５３・・・バケットシリンダ
１５４・・・ベルクランク
１５５・・・リフトアーム
２０１・・・エンジン
２０２・・・電子制御ガバナ
２１０・・・動力伝達装置
２２０・・・油圧ポンプ
２２１・・・制御弁
２３０・・・プロペラシャフト
２４０・・・制御装置
２５０・・・バケットシリンダストローク検知器
２５１・・・リフトアーム角検知器
２５２・・・リフトシリンダボトム圧検知器
２５３・・・車両進行方向検知器
２５４・・・車両加速度検知器
２５６・・・アクセル操作量検知器
２６１・・・作業機操作レバー
２６２・・・制御弁制御部
２６３・・・高圧選択弁
２６４・・・アクセルペダル
２６５・・・掘削判断報知部
３１０・・・掘削開始判断部
３２０・・・掘削作業予測部
３２１・・・作業機対地角取得部
４１０・・・掘削作業予測判断部
４２０・・・リフトシリンダボトム圧増加速度判断部
４２１・・・リフトシリンダボトム圧増加速度演算部
４３０・・・車両加速度判断部
４４０・・・掘削開始判断指令部
６１０・・・車両進行方向判断部
６２０・・・作業機対地角判断部
６３０・・・掘削作業予測指令部

Claims (5)

1. 作業機と、
   前記作業機を駆動する油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータに油を供給する油圧ポンプと、
   前記油圧アクチュエータの圧力を検知する油圧アクチュエータ圧力検知器と、
   前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される油の量を制御する制御弁と、
   前後方向の車両加速度を検知する車両加速度検知器と、
   前記油圧アクチュエータ圧力検知器により検知された前記油圧アクチュエータの圧力と、前記車両加速度検知器により検知された前記車両加速度とに基づいて、前記作業機が掘削開始したか否かを判断する制御装置と、を備える作業車両。
2. 請求項１に記載の作業車両において、
   前記制御装置は、入力された前記油圧アクチュエータの圧力から、当該油圧アクチュエータの圧力の単位時間当たりの増加量を算出し、当該増加量が所定の第１閾値以上であり、かつ前記車両加速度が所定の第２閾値以下である場合に、前記作業機が掘削開始したと判断する掘削開始判断部を備える作業車両。
3. 請求項２に記載の作業車両において、
   車両進行方向が前進または後退のいずれであるかを検知する車両進行方向検知器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記作業機の対地角を取得する作業機対地角取得部と、前記車両進行方向が前進かつ前記作業機の対地角が所定の範囲内である場合に前記作業機が掘削を行うと予測する掘削作業予測部と、を有し、
   前記掘削開始判断部は、前記掘削作業予測部により前記作業機が掘削を行うと予測された場合に、前記油圧アクチュエータの圧力および前記車両加速度に基づいて前記作業機が掘削開始したか否かの判断を行う作業車両。
4. 請求項１に記載の作業車両において、
   前記制御装置により前記作業機が掘削開始したと判断された場合に、前記作業機の上昇操作をオペレータに促す旨を報知する掘削判断報知部をさらに備える作業車両。
5. 請求項１に記載の作業車両において、
   前記制御装置により前記作業機が掘削開始したと判断された場合に、前記制御弁を制御して前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへの油の供給を開始させる制御弁制御部をさらに備える作業車両。