JP2019173409A

JP2019173409A - ホイールローダ

Info

Publication number: JP2019173409A
Application number: JP2018063204A
Authority: JP
Inventors: 和之伊藤; Kazuyuki Ito; 啓介内藤; Keisuke Naito
Original assignee: KCM Corp
Current assignee: KCM Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: US11643792B2; WO2019188075A1; EP3656930B1; CN111051617A; EP3656930A4; US20200173144A1; CN111051617B; EP3656930A1; JP6736597B2

Abstract

【課題】掘削時におけるスリップを抑制しながら、十分な掘削性能を発揮することができるホイールローダを提供する。【解決手段】本発明に係るホイールローダ（１）に備えられる制御装置（５０）は、加速度センサ（３１）で検出された加速度から演算される車体の第１車体加速度（ａｖ１）と、回転数センサ（３２）によって検出された車輪（４，８）の回転数から演算される車体の第２車体加速度（ａｖ２）と、推力センサ（３３，３４）により検出された油圧シリンダ（１１）の推力（ｐｈ）とに基づき走行駆動力の低減値（Δｆ´）を決定し、低減値により走行駆動力を低減させて出力する、ことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ホイールローダに関する。

本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１には、「四輪駆動車の車輪の駆動スリップを制御する駆動力制御装置において、車両に発生する前後加速度を推定又は検知する前後加速度検出手段と、路面の勾配を推定する路面勾配推定手段と、路面勾配推定手段の推定した路面勾配を考慮して、前後加速度検出手段の検出した前後加速度を補正し、その補正値より車体速度を推定する車体速推定手段と、車体速推定手段による推定車体速を用いた駆動スリップ判定に基づき各輪から路面に伝達される駆動力を制御する駆動力制御手段とを備える」構成が記載されている。

特開２００１−８２１９９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来技術を、車体の前側に作業機を有したホイールローダに単に適用しただけでは、ホイールローダによる土砂を掘削する際のスリップ抑制と掘削性能のバランスを図ることができない。何故なら、ホイールローダによる掘削作業は、走行牽引力による土砂への貫入と、貫入後の作業機の上げ操作に伴う油圧シリンダの推力とのバランスを考慮しなければならないからである。土砂への貫入後、作業機の上げ操作が十分行われていない状態では、作業機荷役力の反力がタイヤに加えられないが、土砂への貫入後に作業機の上げ操作が行われると、それに伴い作業機荷役力も上がり、従ってタイヤに付加される作業機荷役反力も増加する。このように、土砂への貫入後、タイヤ接地力の変化に伴いスリップ限界走行駆動力が変化するが、単にスリップ開始時点で走行駆動力を制限しただけでは、スリップの抑制はなされるものの、走行駆動力の制限に伴い土砂への貫入力が十分得られず、十分な掘削性能が発揮されない。

本発明の目的は、掘削時におけるスリップを抑制しながら、十分な掘削性能を発揮することができるホイールローダを提供することにある。

上記の目的を達成するために、代表的な本発明は、前後にそれぞれ車輪が取り付けられた車体と、前記車体の前部に設けられた作業機と、前記作業機を駆動する油圧シリンダと、前記車体の走行駆動力及び前記油圧シリンダの推力を発生させる動力源となるエンジンと、前記車体の加速度を検出する加速度センサと、前記車輪の回転数を検出する回転数センサと、前記油圧シリンダの推力を検出する推力センサと、前記車体の走行駆動力を制御する制御装置と、を備えたホイールローダにおいて、前記制御装置は、前記加速度センサで検出された加速度から演算される前記車体の第１車体加速度と、前記回転数センサによって検出された前記車輪の回転数から演算される前記車体の第２車体加速度と、前記推力センサにより検出された前記油圧シリンダの推力とに基づき前記走行駆動力の低減値を決定し、前記低減値により前記走行駆動力を低減させて出力することを特徴とする。

本発明に係るホイールローダによれば、掘削時におけるスリップを抑制しながら、十分な掘削性能を発揮することができる。なお、前述した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態に係るホイールローダの側面図である。コントローラのハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。コントローラの機能構成を示すブロック図である。勾配角度と車体加速度を演算するための解析モデル図である。エンジンの駆動力の低減値を補正するための解析モデル図である。エンジンの駆動力の低減値を補正するための解析モデル図である。低減値データテーブルを示す図である。低減値補正データテーブルを示す図である。コントローラによるエンジン駆動力の制御処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明に係るホイールローダの実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施形態に係るホイールローダ１の側面図である。図１に示すように、ホイールローダ１は、一対のリフトアーム２、バケット３、一対の前輪４等を有する前フレーム（車体）５と、運転室６、エンジン室７、一対の後輪８等を有する後フレーム（車体）９とで構成されている。エンジン室７にはエンジン２５が搭載されており、後フレーム９の後方にはカウンタウェイト１０が取り付けられている。エンジン２５の動作はエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵという）７０により制御されている。

一対のリフトアーム２は一対のリフトアームシリンダ１１の駆動により上下方向に回動（俯仰動）し、バケット３はバケットシリンダ１２の駆動により上下方向に回動（クラウドまたはダンプ）する。バケットシリンダ１２とバケット３の間にはベルクランク１３を含むリンク機構が介設されており、このリンク機構を介してバケットシリンダ１２はバケット３を回動させる。なお、これら一対のリフトアーム２、バケット３、一対のリフトアームシリンダ１１、バケットシリンダ１２、ベルクランク１３等によって作業機１４が構成されている。

リフトアーム２と前フレーム５の連結部分にはリフトアーム角度センサ（不図示）が取り付けられており、このリフトアーム角度センサによってリフトアーム２の回動角度が検出される。また、リフトアームシリンダ１１には、ボトム側の圧力を検出するためのボトム側圧力センサ（推力センサ）３３とロッド側の圧力を検出するためのロッド側圧力センサ（推力センサ）３４とが設けられており（図３参照）、これら圧力センサ３３，３４によって作業機１４にかかる作業機圧（荷役負荷）が検出される。バケットシリンダ１２は近接スイッチ（不図示）を備えており、バケットシリンダ１２のロッドが所定量だけ短縮されると、この近接スイッチがオン動作するようになっている。これにより、バケット３の姿勢を検出することができる。

また、前輪４及び後輪８の回転数を検出するための回転数センサ３２が設けられている。なお、本実施形態において、回転数センサ３２は、エンジン２５の出力軸にトルクコンバータ（不図示）を介して接続されたトランスミッション（不図示）の出力軸の回転数を検出し、検出したトランスミッションの出力軸の回転数から前輪４及び後輪８の回転数に換算しているが、回転数センサ３２により前輪４及び後輪８の回転数を直接検出しても良い。

前フレーム５と後フレーム９とはセンタピン１５により互いに回動自在に連結され、ステアリングシリンダ（不図示）の伸縮により後フレーム９に対し前フレーム５が左右に屈折する。後フレーム９の前部に搭載された運転室６には、オペレータが座る運転席、ホイールローダ１の操舵角を制御するステアリングホイールと、ホイールローダ１を始動・停止させるキースイッチ、オペレータへの情報を提示する表示装置（いずれも図示せず）等が設置されている。また、運転室６には、ホイールローダ１の動作全体の制御を行うコントローラ（制御装置）５０や、車体加速度及び車体角速度を検出するＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ／慣性計測装置）３１等も設けられている。

図２はコントローラ５０のハードウェア構成を模式的に示すブロック図である。図２に示すように、コントローラ５０は、車体の動作全体を制御するための各種演算を行うＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）５０Ａと、ＣＰＵ５０Ａによる演算を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）５０Ｂや等の記憶装置と、ＣＰＵ５０Ａがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）５０Ｃと、外部の装置との間で各種の情報や信号の入出力を行う入出力インターフェース５０Ｄとを含むハードウェアから構成されている。

このようなハードウェア構成において、ＲＯＭ５０Ｂに格納されたプログラムがＲＡＭ５０Ｃに読み出され、ＣＰＵ５０Ａの制御に従って動作することによりプログラム（ソフトウェア）とハードウェアとが協働して、コントローラ５０の機能を実現する機能ブロックが構成される。

図３はコントローラ５０の機能構成を示すブロック図である。図３に示すように、コントローラ５０は、車体の勾配角度θを演算する勾配角度演算部５１と、車体の第１車体加速度を演算する車体加速度演算部５２と、車体の第２車体加速度を推定する車体加速度推定部５３と、車体加速度演算部５２にて演算された第１車体加速度と車体加速度推定部５３にて推定された第２車体加速度との加速度差を比較判定する加速度差比較判定部５４と、エンジン２５が出力する駆動力（出力トルク）の低減値を仮決定する駆動力低減値決定部５５と、リフトアームシリンダ１１の推力を演算するリフトアームシリンダ推力演算部５６と、駆動力低減値決定部５５にて仮決定された駆動力の低減値を補正する駆動力低減値補正部５７と、エンジン２５の目標駆動力（目標出力トルク）を出力する目標駆動力出力部５８と、低減値データテーブル５９と、低減値補正データテーブル６０と、を含む。

以下、主に図３を参照しながらコントローラ５０の機能構成の詳細について説明するが、適宜、図４〜図６も参照して説明する。なお、図４〜図６は、各種演算を行うための解析モデルであり、図４は勾配角度θと第１車体加速度ａｖ１を演算するための解析モデル図、図５及び図６はエンジン２５の駆動力の低減値を補正するための解析モデル図である。

勾配角度演算部５１は、ＩＭＵ３１にて検出されたｙ方向成分の加速度ａｙ、及び角速度ωの各データをカルマンフィルタに入力して、勾配角度θを演算する（図４参照）。なお、カルマンフィルタによる処理は公知であるため、ここでの説明は省略する。

車体加速度演算部５２は、ＩＭＵ３１にて検出されたｙ方向成分の加速度ａｙと、勾配角度演算部５１にて演算された勾配角度θとを、以下の数式１に代入して第１車体加速度ａｖ１を演算する。

車体加速度推定部５３は、回転数センサ３２にて検出された前輪４及び後輪８の回転数Ｎ（ｒｐｍ）を以下の数式２に代入して第２車体加速度ａｖ２を演算（推定）する。なお、第２車体加速度ａｖ２は回転数センサ３２の検出データに基づく推定値である。

ここで、αは車体速度換算係数である。

加速度差比較判定部５４は、車体加速度推定部５３にて推定された第２車体加速度ａｖ２から車体加速度演算部５２にて算出された第１車体加速度ａｖ１を減算して、第１車体加速度ａｖ１と第２車体加速度ａｖ２との加速度差（差分）Δａを演算すると共に、その加速度差Δａが所定値以上であるか否かを比較判定する。

駆動力低減値決定部５５は、加速度差比較判定部５４にて演算された加速度差Δａから、図７に示す低減値データテーブル５９を参照して、目標とする駆動力低減値Δｆを仮決定する。ここで、図７に示す低減値データテーブル５９は、加速度差Δａに比例して駆動力低減値Δｆが大きくなる特性である。即ち、本実施形態では、加速度差Δａが大きくなるほど、スリップが発生しているとみなして駆動力を低減するようになっている。この低減値データテーブル５９は、ＲＯＭ５０Ｂに予め記憶されている。なお、駆動力低減値決定部５５は、加速度差Δａを以下の数式３に代入すれば、低減値データテーブル５９を参照することなく駆動力低減値Δｆを演算できる。

ここで、ｍは車体質量、αは補正係数である。

リフトアームシリンダ推力演算部５６は、ボトム側圧力センサ３３にて検出されたリフトアームシリンダ１１のボトム側の圧力ｐｈｂと、ロッド側圧力センサ３４にて検出されたリフトアームシリンダ１１のロッド側の圧力ｐｈｒとを以下の数式４に代入して、リフトアームシリンダ推力（油圧負荷）ｐｈを演算する。
なお、ｐｈは、リフトアームシリンダ１１のボトム側、ロッド側の受圧面積を考慮し、係数等を乗じて演算される。

駆動力低減値補正部５７は、駆動力低減値決定部５５によって仮決定された駆動力低減値Δｆをリフトアームシリンダ推力演算部５６にて演算されたリフトアームシリンダ推力ｐｈに基づいて補正し、補正後駆動力低減値Δｆ´を目標駆動力出力部５８に出力する。掘削等の荷役作業の負荷（掘削反力）が車体に作用することで、特に前輪４の地面に対する接地力が増大し、スリップが起こり難くなる。よって、荷役作業の負荷が車体に掛かっている場合には、荷役作業の負荷が車体に掛かっていない場合に比べて、走行駆動力を増加させることができる。別言すれば、荷役作業中は仮決定した駆動力低減値Δｆを小さくできる。そのために、駆動力低減値補正部５７は、リフトアームシリンダ１１に作用している油圧負荷（荷役負荷）に応じて、駆動力の低減値を小さくするよう補正している。具体的な演算方法について、図５及び図６を適宜参照して、以下説明する。

荷役作業により前輪４に負荷Ｗｆが掛かると、スリップが起こり難くなるため、駆動力を増加することができる。この負荷Ｗｆによる駆動力の増加分は数式５により演算できる。

ここで、ΔＷｆは前輪４に掛かる負荷の増加分、μは摩擦係数である。

数式５から、Δｆ´は数式６で表すことができる。

図５を参照して、モーメントの釣り合いから、ΔＷｆは以下の数式７で表すことができる。

ここで、Ｌは荷役負荷ポイント長、ＷＢはホイールベース長、Ｗは荷役負荷である。

数式７を数式６に代入すると、補正後駆動力低減値Δｆ´は以下の数式８で表すことができる。

図６を参照して、機構計算により、荷役負荷Ｗは以下の数式９で表すことができる。

ここで、ｐｈはリフトアームシリンダ推力（油圧負荷）、ｌ１，ｌ２，Ｍａ１〜Ｍａ５は荷役姿勢で決まる機構パラメータである。

数式９を数式８に代入すると、補正後駆動力低減値Δｆ´は以下の数式１０で表すことができる。

このように、駆動力低減値補正部５７は、数式１０を用いて駆動力低減値Δｆを補正した値、即ち、補正後駆動力低減値Δｆ´を演算することができる。なお、本実施形態では、図８に示す低減値補正データテーブル６０を用いて、駆動力低減値Δｆを補正する演算を簡略化している。具体的に説明すると、図８に示す低減値補正データテーブル６０は、リフトアームシリンダ推力ｐｈに反比例して補正係数（Δｆ´／Δｆ）が大きくなる特性である。即ち、本実施形態では、荷役負荷（掘削反力）が大きいほど、スリップが起こり難くなるため、補正係数が小さくなり、その結果、補正後駆動力低減値Δｆ´が小さくなる。補正後駆動力低減値Δｆ´が小さいと、出力される目標駆動力の値は大きくなるから、荷役負荷が小さい場合と比べて大きな駆動力にてホイールローダ１を走行させることができる。なお、この低減値補正データテーブル６０は、ＲＯＭ５０Ｂに予め記憶されている。

目標駆動力出力部５８は、駆動力低減値補正部５７により補正された補正後駆動力低減値Δｆ´だけ駆動力を低減するようＥＣＵ７０に目標トルク指令Ｔ^＊あるいは目標回転数指令Ｎ^＊を出力する。そして、ＥＣＵ７０は、この指令に従ってエンジン２５の駆動力を制御する。

次に、コントローラ５０の制御処理の手順について説明する。図９はコントローラ５０によるエンジン駆動力の制御処理の手順を示すフローチャートである。ホイールローダ１のキースイッチがＯＮされると、コントローラ５０は図９に示す処理を開始する。

まず、ステップＳ１において、勾配角度演算部５１は、入力されたＩＭＵ３１からの加速度ａｙ，と角速度ωの各データに基づいて車体の勾配角度θを演算し、車体加速度演算部５２は、勾配角度θ、加速度ａｙ，に基づいて第１車体加速度ａｖ１を演算する。

次に、ステップＳ２において、車体加速度推定部５３は、入力された回転数センサ３２からの回転数Ｎのデータに基づいて第２車体加速度ａｖ２を演算（推定）する。

次に、ステップＳ３において、加速度差比較判定部５４は、第２車体加速度ａｖ２から第１車体加速度ａｖ１を減算して加速度差Δａを求め、加速度差Δａが所定値以上であるか否かを判定する。ここで、所定値とは、ホイールローダ１がスリップを起こしているか否かを判断するための閾値として設定されるものであり、例えば、ホイールローダ１の重量、サイズ等の仕様を考慮して計算または経験により予め定められる。なお、所定値はＲＯＭ５０Ｂに予め記憶されている。

加速度差Δａが所定値以上である場合（ステップＳ３／Ｙｅｓ）、ホイールローダ１がスリップを起こしていると判断して、走行駆動力を低減するための処理が行われる。具体的には、ステップＳ４において、駆動力低減値決定部５５が低減値データテーブル５９を参照して駆動力低減値Δｆを決定する。次に、ステップＳ５において、リフトアームシリンダ推力演算部５６が、圧力センサ３３，３４にて検出されたリフトアームシリンダ１１のボトム側圧力データ及びロッド側圧力データに基づき、リフトアームシリンダ推力ｐｈを演算する。

次に、ステップＳ６において、駆動力低減値補正部５７が、駆動力低減値Δｆとリフトアームシリンダ推力ｐｈとに基づき、低減値補正データテーブル６０を参照して、補正後駆動力低減値Δｆ´を演算する。なお、リフトアームシリンダ推力ｐｈがゼロの場合には、ステップＳ６において演算される補正後駆動力低減値Δｆ´は駆動力低減値Δｆと同じ値となるため、出力される目標駆動力は、荷役作業を考慮しない場合のスリップ抑制に必要な走行駆動力となる。

次に、ステップＳ７において、目標駆動力出力部５８は、補正後駆動力低減値Δｆ´だけ走行駆動力が低減するようＥＣＵ７０に目標駆動力信号を出力し、ステップＳ８において一定時間が経過するまでステップＳ５〜Ｓ８までの手順を繰り返し行う。

ここで、一定時間は、ホイールローダ１による１回の掘削作業に要する時間に設定することができる。例えば、Ｖ字掘削作業において、ホイールローダ１を前進させて土砂等の山にバケット３を突っ込み、バケット３で土砂等をすくい、バケット３を持ち上げた後、ホイールローダ１を後進に切り換えるまでの時間（例えば５秒〜１０秒程度）に設定してと、１回の掘削作業が終了するまでの間、確実にスリップを防止しつつ、荷役作業も効率良く行うことができる。

そして、一定時間が経過した場合（ステップＳ８／Ｙｅｓ）、リターンとなってスタートに戻る。また、ステップＳ３でＮｏの場合には、加速度差比較判定部５４はスリップが起こっていないと判定してリターンに進み、スタートに戻る。

以上説明したように、本実施形態によれば、ホイールローダ１がスリップを起こした場合であっても、荷役負荷（掘削反力）に応じて走行駆動力が増加するように補正するようにしたので、掘削時におけるスリップを抑制しながら、十分な掘削性能を発揮することができる。また、ホイールローダ１に通常設けられている、リフトアームシリンダ１１のボトム側とロッド側の圧力センサ３３，３４によりリフトアームシリンダ１１の推力を演算して走行駆動力を補正しているため、荷役負荷を演算するために別途センサを設ける必要がなく、コストを抑えることができる。また、低減値データテーブル５９及び低減値補正データテーブル６０を用いて演算することで、コントローラ５０の演算処理の負担が軽減できるといった利点もある。

なお、上記した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

例えば、低減値データテーブル５９及び低減値補正データテーブル６０を複数用意し、オペレータが荷役作業の環境（路面状態など）に応じて選択できるようにしておけば、より高精度にスリップを抑制しつつ荷役作業を効率良く行うことができる。また、ＩＭＵ３１の代わりに、車体の加速度ａｙを検出する加速度センサ、車体の勾配角度θを検出する傾斜センサ等をそれぞれ別個に設けても良い。また、回転数センサ３２の代わりに車速センサを設け、車速センサで検出される車速から車輪の回転数を演算することもできる。
また、走行駆動力の低減を一定時間経過するまで行うようにしたが、前進状態から後進へ切り替えられたことを検出して、これによって走行駆動力の低減を終了させることもできる。

１ホイールローダ
２リフトアーム
３バケット
４前輪（車輪）
８後輪（車輪）
５前フレーム（車体）
９後フレーム（車体）
１１リフトアームシリンダ（油圧シリンダ）
１２バケットシリンダ（油圧シリンダ）
１３ベルクランク
１４作業機
２５エンジン
３１ＩＭＵ（加速度センサ）
３２回転数センサ
３３ボトム側圧力センサ（推力センサ）
３４ロッド側圧力センサ（推力センサ）
５０コントローラ（制御装置）

Claims

前後にそれぞれ車輪が取り付けられた車体と、前記車体の前部に設けられた作業機と、前記作業機を駆動する油圧シリンダと、前記車体の走行駆動力及び前記油圧シリンダの推力を発生させる動力源となるエンジンと、前記車体の加速度を検出する加速度センサと、前記車輪の回転数を検出する回転数センサと、前記油圧シリンダの推力を検出する推力センサと、前記車体の走行駆動力を制御する制御装置と、を備えたホイールローダにおいて、
前記制御装置は、前記加速度センサで検出された加速度から演算される前記車体の第１車体加速度と、前記回転数センサによって検出された前記車輪の回転数から演算される前記車体の第２車体加速度と、前記推力センサにより検出された前記油圧シリンダの推力とに基づき前記走行駆動力の低減値を決定し、前記低減値により前記走行駆動力を低減させて出力する、ことを特徴とするホイールローダ。
請求項１に記載のホイールローダにおいて、
前記制御装置は、前記加速度センサで検出された加速度から演算された前記第１車体加速度と前記回転数センサによって検出された前記車輪の回転数から推定された前記第２車体加速度との加速度差が所定値以上ある場合には、前記加速度差に応じて前記走行駆動力の低減値を仮決定し、
前記推力センサにより検出された前記油圧シリンダの推力が大きいほど前記低減値が小さくなるように、仮決定した前記低減値を補正し、
補正された前記低減値だけ前記走行駆動力を低減させて出力する、ことを特徴とするホイールローダ。
請求項１または２に記載のホイールローダにおいて、
前記作業機は、前記車体に回動可能に取り付けられたリフトアームと、前記リフトアームに回動可能に取り付けられたバケットと、前記リフトアームを動作させる前記油圧シリンダとしてのリフトアームシリンダと、前記バケットを動作させる前記油圧シリンダとしてのバケットシリンダと、を備えて構成され、
前記リフトアームシリンダのボトム側の圧力を検出する前記推力センサとしてのボトム側圧力センサと、前記リフトアームシリンダのロッド側の圧力を検出する前記推力センサとしてのロッド側圧力センサと、が設けられ、
前記制御装置は、前記ボトム側圧力センサと前記ロッド側圧力センサとにより前記リフトアームシリンダの推力を検出する、ことを特徴とするホイールローダ。
請求項２に記載のホイールローダにおいて、
前記低減値は前記加速度差に応じて予め定められており、
前記低減値の補正値は前記油圧シリンダの推力に応じて予め定められている、ことを特徴とするホイールローダ。