JP2022184018A - 作業機械、及び作業機械を制御するための方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】作業機械において、スリップの発生を抑えるために、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能とする。【解決手段】ブレードは、リフトフレームに対してピッチ軸回りに回動可能に支持される。ピッチアクチュエータは、ブレードとリフトフレームとに接続され、ブレードをピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させる。コントローラは、車体の牽引力を取得する。コントローラは、牽引力に基づいてブレードのピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータを制御する。【選択図】図6
Description
本発明は、作業機械、及び作業機械を制御するための方法に関する。
作業機械には、オペレータの操作に応じてブレードのピッチ角を調整可能なものがある。例えば、特許文献1の作業機械では、ブレードのピッチ角を調整するための操作レバーが設けられている。操作レバーにはスイッチが設けられている。スイッチがオンのときに操作レバーが右に倒されると、ブレードがピッチダンプ(前傾)するように、油圧シリンダが制御される。スイッチがオンのときに操作レバーが左に倒されると、ブレードがピッチバック(後傾)するように、油圧シリンダが制御される。
ブレードのピッチ角は、掘削、或いは整地などの作業性に影響を与える。しかし、ブレードのピッチ角は、作業内容に応じて、適切な角度が異なる。例えば、ピッチ角が小さい、すなわちブレードが後傾しているときには、掘削抵抗が小さく、掘削性が良好である一方、後方への土こぼれが大きく、整地性が低い。逆に、ピッチ角が大きい、すなわちブレードが前傾しているときには、ブレードの下方への貫入力が大きく、整地性が良好である一方、掘削抵抗が大きく、掘削性が低い。
掘削のように作業機械の牽引力が大きい作業中に、掘削抵抗が大きい場合には、作業機械の前後方向における接地圧のバランスが悪くなることで、スリップが発生し易くなる。接地圧のバランスは、ブレードのピッチ角を調整することで改善することができる。例えば、ピッチ角を小さくすることで、ブレードが抱え込む土量が増える。それにより、車体前部にカウンタウェイトが装着される場合と同様に、履帯の前部を浮き上がらせる力が小さくなり、接地圧のバランスが改善される。しかし、熟練したオペレータであっても、スリップの発生を抑えるために、手動で適切なピッチ角を正確に選定することは容易ではない。本開示の目的は、作業機械において、スリップの発生を抑えるために、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能とすることにある。
本開示の第1態様に係る作業機械は、車体と、リフトフレームと、ブレードと、ピッチアクチュエータと、コントローラとを備える。リフトフレームは、車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持される。ブレードは、リフトフレームに対してピッチ軸回りに回動可能に支持される。ピッチアクチュエータは、ブレードとリフトフレームとに接続され、ブレードをピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させる。コントローラは、車体の牽引力を取得する。コントローラは、牽引力に基づいてブレードのピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータを制御する。
本開示の第2態様に係る方法は、作業機械を制御するための方法である。作業機械は、車体と、リフトフレームと、ブレードと、ピッチアクチュエータとを備える。リフトフレームは、車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持される。ブレードは、リフトフレームに対してピッチ軸回りに回動可能に支持される。ピッチアクチュエータは、ブレードとリフトフレームとに接続され、ブレードをピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させる。当該方法は、車体の牽引力を取得することと、牽引力に基づいてブレードのピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータを制御すること、を備える。
本開示によれば、作業機械の牽引力に基づいて、ブレードのピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータが制御される。それにより、作業機械の前後方向における接地圧のバランスが向上することで、スリップの発生が抑えられる。従って、本開示によれば、作業機械において、スリップの発生を抑えるために、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能となる。
以下、実施形態に係る作業機械について、図面を参照しながら説明する。図1は、実施形態に係る作業機械1を示す側面図である。本実施形態に係る作業機械1は、ブルドーザである。作業機械1は、車体11と作業機12とを備えている。
車体11は、運転室13と、エンジン室14と、走行装置15とを含む。運転室13には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室14は、運転室13の前方に配置されている。走行装置15は、車体11の下部に設けられている。走行装置15は、フロントホイール41と、リアホイール42と、履帯16とを含む。なお、図1では、左側の履帯16のみが図示されている。フロントホイール41は、リアホイール42の前方に配置されている。履帯16は、フロントホイール41とリアホイール42とに巻回されている。履帯16が回転することによって、作業機械1が走行する。
作業機12は、車体11に取り付けられている。作業機12は、リフトフレーム17と、ブレード18と、リフトアクチュエータ19と、ピッチアクチュエータ20とを有する。リフトフレーム17は、車体11に対してリフト軸X1回りに回動可能に支持される。リフト軸X1は、車体11の横方向に延びている。リフトフレーム17は、リフト軸X1回りに回動することで、上下にリフト動作する。
ブレード18は、車体11の前方に配置されている。ブレード18は、リフトフレーム17に対してピッチ軸X2回りに回動可能に支持される。ピッチ軸X2は、車体11の横方向に延びている。ブレード18は、ピッチ軸X2回りに回動することで、前傾方向と後傾方向とにピッチ動作する。ブレード18は、リフトフレーム17の上下動に伴って上下に移動する。
リフトアクチュエータ19は、車体11とリフトフレーム17とに連結されている。リフトアクチュエータ19は、油圧シリンダである。リフトアクチュエータ19が伸縮することによって、リフトフレーム17は、上下にリフト動作する。リフトアクチュエータ19が縮むことによって、ブレード18が上昇する。リフトアクチュエータ19が延びることによって、ブレード18が下降する。
ピッチアクチュエータ20は、リフトフレーム17とブレード18とに連結されている。ピッチアクチュエータ20は、油圧シリンダである。ピッチアクチュエータ20が伸縮することによって、ブレード18は、前後にピッチ動作する。ブレード18の一部、例えば上端が、前後に動作することで、ブレード18がピッチ軸X2回りにピッチ動作する。ピッチアクチュエータ20が伸びることによって、ブレード18は前傾する。ピッチアクチュエータ20が縮むことによって、ブレード18は後傾する。
図2は、作業機械1の駆動系2と制御システム3との構成を示すブロック図である。図2に示すように、駆動系2は、エンジン22と、油圧ポンプ23と、動力伝達装置24と、を備えている。油圧ポンプ23は、エンジン22によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ23から吐出された作動油は、リフトアクチュエータ19とピッチアクチュエータ20とに供給される。なお、図2では、1つの油圧ポンプが図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。
動力伝達装置24は、エンジン22の駆動力を走行装置15に伝達する。動力伝達装置24は、例えば、HST(Hydro Static Transmission)であってもよい。或いは、動力伝達装置24は、例えば、トルクコンバータ、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。
制御システム3は、コントローラ26と制御弁27とを備える。コントローラ26は、取得したデータに基づいて作業機械1を制御するようにプログラムされている。コントローラ26は、記憶装置28とプロセッサ29とを含む。プロセッサ29は、例えばCPUを含む。記憶装置28は、例えばメモリと補助記憶装置とを含む。記憶装置28は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置28は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置28は、非一時的な(non-transitory)コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置28は、プロセッサ29によって実行可能であり作業機械1を制御するためのコンピュータ指令を記録している。
制御弁27は、比例制御弁であり、コントローラ26からの指令信号によって制御される。制御弁27は、リフトアクチュエータ19及びピッチアクチュエータ20などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ23との間に配置される。制御弁27は、油圧ポンプ23からリフトアクチュエータ19に供給される作動油の流量を制御する。制御弁27は、油圧ポンプ23からピッチアクチュエータ20に供給される作動油の流量を制御する。なお、制御弁27は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁27は、電磁比例制御弁であってもよい。
制御システム3は、操作装置31と入力装置32とを備えている。操作装置31は、例えばレバーを含む。或いは、操作装置31は、ペダル、或いはスイッチを含んでもよい。オペレータは、操作装置31を用いて、作業機械1の走行と、作業機12の動作とを手動で操作することができる。操作装置31は、操作装置31の操作を示す操作信号を出力する。コントローラ26は、操作装置31から操作信号を受信する。
操作装置31は、ブレード18のリフト動作を操作可能である。詳細には、操作装置31は、ブレード18の上げ操作と下げ操作との操作が可能である。オペレータが操作装置31に対して上げ操作を行うと、コントローラ26は、ブレード18が上昇するように、リフトアクチュエータ19を制御する。オペレータが操作装置31に対して下げ操作を行うと、コントローラ26は、ブレード18が下降するように、リフトアクチュエータ19を制御する。
図3は、作業機械1のリフト動作を示す模式図である。図3において、P1は、ブレード18の刃先P0の最高位置を示している。P2は、ブレード18の刃先P0の最低位置を示している。作業機械1は、最高位置P1と最低位置P2との間で、ブレード18をリフト動作させることができる。
操作装置31は、ブレード18のピッチ動作を操作可能である。詳細には、操作装置31は、ブレード18の前傾操作と後傾操作との操作が可能である。オペレータが操作装置31に対して前傾操作を行うと、コントローラ26は、ブレード18が前傾するように、ピッチアクチュエータ20を制御する。オペレータが操作装置31に対して後傾操作を行うと、コントローラ26は、ブレード18が後傾するように、ピッチアクチュエータ20を制御する。
図4A~図4Cは、ブレード18のピッチ角を示す図である。図4A~図4Cに示すように、ブレード18のピッチ角θ1-θ3は、ブレード18の刃先P0と履帯16の接地面G1との間のなす角である。図4Bは、標準状態のブレード18のピッチ角θ2を示している。図4Aは、標準状態よりも前傾したブレード18のピッチ角θ1を示している。図4Cは、標準状態よりも後傾したブレード18のピッチ角θ3を示している。ブレード18が前傾するほどピッチ角は大きくなる。ブレード18が後傾するほどピッチ角は小さくなる。すなわち、θ1>θ2>θ3である。
なお、操作装置31は、油圧パイロット式の装置であってもよい。例えば、操作装置31は、操作装置31の操作に応じたパイロット油圧を出力してもよい。操作装置31からのパイロット油圧によって制御弁27が制御されることで、リフトアクチュエータ19、或いはピッチアクチュエータ20が制御されてもよい。コントローラ26は、パイロット油圧を示す信号を、操作信号として受信してもよい。
入力装置32は、例えばタッチパネルを含む。ただし、入力装置32は、スイッチなどの他の装置を含んでもよい。オペレータは、操作装置31を用いて、コントローラ26によるブレード18のピッチ角の制御モードの設定を行うことができる。ブレード18のピッチ角の制御モードについては、後に詳細に説明する。
図2に示すように、制御システム3は、車体センサ34と、フレームセンサ35と、ブレードセンサ36とを含む。車体センサ34は、車体11に取り付けられている。車体センサ34は、車体11の姿勢を検出する。フレームセンサ35は、リフトフレーム17に取り付けられている。フレームセンサ35は、リフトフレーム17の姿勢を検出する。ブレードセンサ36は、ブレード18に取り付けられている。ブレードセンサ36は、ブレード18の姿勢を検出する。
車体センサ34と、フレームセンサ35と、ブレードセンサ36とは、それぞれIMU(慣性計測装置、Inertial Measurement Unit)である。ただし、フレームセンサ35とブレードセンサ36とは、IMUに限らず、角度センサ、或いはシリンダのストロークセンサなどの他のセンサであってもよい。
車体センサ34は、水平に対する車体11の前後方向の角度(車体ピッチ角)を検出する。フレームセンサ35は、リフトフレーム17の回転角度を検出する。ブレードセンサ36は、ブレード18のピッチ角を検出する。車体センサ34と、フレームセンサ35と、ブレードセンサ36とは、それぞれ検出した角度を示す検出信号を出力する。
制御システム3は、牽引力センサ37を備えている。牽引力センサ37は、作業機械1の牽引力を検出する。例えば、動力伝達装置24がHSTである場合、牽引力センサ37は、HSTの油圧モータの駆動油圧を検出する油圧センサである。コントローラ26は、駆動油圧から、作業機械1の牽引力を算出する。或いは、動力伝達装置24がトルクコンバータを含む場合、牽引力センサ37は、トルクコンバータの入力回転速度と出力回転速度とを検出してもよい。コントローラ26は、トルクコンバータの入力と出力との回転速度比とトルク比とから、作業機械1の牽引力を算出してもよい。或いは、コントローラ26は、エンジン22の出力トルクから、作業機械1の牽引力を算出してもよい。
次に、ブレード18のピッチ角の制御モードについて説明する。ブレード18のピッチ角の制御モードは、自動モードと手動モードとを含む。コントローラ26は、入力装置32の操作に応じて、自動モードと手動モードとを切り替える。オペレータは、入力装置32を操作することで、自動モードと手動モードとを選択することができる。
自動モードでは、コントローラ26は、作業機械1の牽引力に基づいてブレード18のピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータ20を制御する。コントローラ26は、所定の実行条件が満たされているときに、自動モードでのピッチ角の制御を実行する。所定の実行条件は、第1条件と第2条件とを含む。
第1条件は、牽引力が第1閾値以上であることである。第1閾値は、シュースリップが発生するときの牽引力の大きさに基づいて決定される。図5は、作業機械1の履帯16に作用する接地圧を示す模式図である。図5において矢印A1は、履帯16の接地圧を示している。矢印F1は、作業機械1の牽引力を示している。牽引力F1が第1閾値以上のときには、図5に示すように、作業機械1の前後方向において、接地圧A1が一定ではなく、不均一になっている。このような状態では、シュースリップが発生しやすい。
第2条件は、作業機械1が登坂走行中ではないことである。コントローラ26は、例えば車体センサ34が検出した車体11のピッチ角により、作業機械1が登坂走行中であるか否かを判定する。コントローラ26は、第1条件と第2条件とが満たされているときに、自動モードでのピッチ角の制御を実行する。コントローラ26は、第1条件と第2条件とのいずれかが満たされていないときに、自動モードでのピッチ角の制御を実行しない。従って、コントローラ26は、作業機械1が登坂走行中であると判定したときには、自動モードでのピッチ角の制御を実行しない。自動モードでは、コントローラ26は、図6に示すように、ブレード18を後傾させるように、ピッチアクチュエータ20を制御する。それにより、カウンタウェイト効果により、作業機械1の前後方向において、接地圧A1が均一に近づくことで、シュースリップの発生が抑えられる。
コントローラ26は、ピッチ角データを記憶している。ピッチ角データは、牽引力F1と目標ピッチ角との関係を規定する。コントローラ26は、ピッチ角データを参照して、牽引力F1から目標ピッチ角を決定する。コントローラ26は、ブレード18のピッチ角が目標ピッチ角となるように、ピッチアクチュエータ20を制御する。
図7は、ピッチ角データの一例を示す図である。図7においてB1は、上述した第1閾値である。B2は第2閾値であり、第1閾値B1より大きい。ピッチ角データは、牽引力F1の第1閾値B1から第2閾値B2までの範囲で、牽引力F1の増大に応じて減少する目標ピッチ角を規定する。従って、コントローラ26は、自動制御において第1閾値B1から第2閾値B2までの範囲において、牽引力F1の増大に応じて、ブレード18を後傾させる。ピッチ角データは、第2閾値B2以上の牽引力F1に対して、最小ピッチ角θminで一定の目標ピッチ角を規定する。最小ピッチ角θminは、後傾方向でのブレード18のピッチ角の限界値である。従って、コントローラ26は、牽引力F1が第2閾値B2以上であるときには、ブレード18を後傾方向の限界位置まで後傾させる。
手動モードでは、コントローラ26は、操作装置31の操作に応じてブレード18のピッチ角を変更するように、ピッチアクチュエータ20を制御する。また、操作装置31の操作が無いときには、コントローラ26は、ブレード18のピッチ角を維持するように、ピッチアクチュエータ20を制御する。例えば、操作装置31の操作が無いときに、制御弁27において作動油の一部が漏れていても、コントローラ26は、ブレード18のピッチ角を維持するように、ピッチアクチュエータ20を制御する。
以上説明した本実施形態に係る作業機械1では、作業機械1の牽引力F1に基づいて、ブレード18のピッチ角を変更するようにピッチアクチュエータ20が制御される。それにより、作業機械1の前後方向における接地圧A1のバランスが向上することで、シュースリップの発生が抑えられる。
以上、本発明の一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るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
作業機械1は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。コントローラ26は、互いに別体の複数のコントローラを有してもよい。コントローラ26による処理は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。上述した自動モード或いは手動モードでの処理の一部が省略されてもよい。或いは、上述した処理の一部が変更されてもよい。
リフトアクチュエータ19と、ピッチアクチュエータ20とは、油圧シリンダに限らない。リフトアクチュエータ19と、ピッチアクチュエータ20とは、例えば電動モータなどの他のアクチュエータであってもよい。
本開示によれば、作業機械において、スリップの発生を抑えるために、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能となる。
11 車体
16 履帯
17 リフトフレーム
18 ブレード
20 ピッチアクチュエータ
26 コントローラ
16 履帯
17 リフトフレーム
18 ブレード
20 ピッチアクチュエータ
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Claims (10)
- 車体と、
前記車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持されるリフトフレームと、
前記リフトフレームに対してピッチ軸回りに回動可能に支持されるブレードと、
前記ブレードと前記リフトフレームとに接続され、前記ブレードを前記ピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させるピッチアクチュエータと、
前記車体の牽引力を取得し、前記牽引力に基づいて前記ブレードのピッチ角を変更するように前記ピッチアクチュエータを制御するコントローラと、
を備える作業機械。 - 前記コントローラは、
前記牽引力が第1閾値以上であるかを判定し、
前記牽引力が前記第1閾値以上であると判定したときには、前記ブレードを後傾させるように前記ピッチアクチュエータを制御する、
請求項1に記載の作業機械。 - 前記コントローラは、前記牽引力の増大に応じて、前記ブレードを後傾させるように前記ピッチアクチュエータを制御する、
請求項2に記載の作業機械。 - 前記コントローラは、
前記牽引力が前記第1閾値より大きい第2閾値以上であるかを判定し、
前記牽引力が前記第2閾値以上であるときには、前記ブレードを前記後傾方向の限界位置まで後傾させるように、前記ピッチアクチュエータを制御する、
請求項2又は3に記載の作業機械。 - 前記コントローラは、
前記作業機械が登坂走行中であるか否かを判定し、
前記作業機械が登坂走行中ではないと判定したときに、前記牽引力に基づいて前記ブレードのピッチ角を変更するように前記ピッチアクチュエータを制御する、
請求項1から4のいずれかに記載の作業機械。 - 車体と、前記車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持されるリフトフレームと、前記リフトフレームに対してピッチ軸回りに回動可能に支持されるブレードと、前記ブレードと前記リフトフレームとに接続され、前記ブレードを前記ピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させるピッチアクチュエータと、を備える作業機械を制御するための方法であって、
前記車体の牽引力を取得することと、
前記牽引力に基づいて前記ブレードのピッチ角を変更するように前記ピッチアクチュエータを制御すること、
を備える方法。 - 前記牽引力が第1閾値以上であるかを判定することと、
前記牽引力が前記第1閾値以上であると判定したときには、前記ブレードを後傾させるように前記ピッチアクチュエータを制御すること、
をさらに備える請求項6に記載の方法。 - 前記牽引力の増大に応じて、前記ブレードを後傾させるように前記ピッチアクチュエータを制御することをさらに備える、
請求項7に記載の方法。 - 前記牽引力が前記第1閾値より大きい第2閾値以上であるかを判定することと、
前記牽引力が前記第2閾値以上であるときには、前記ブレードを前記後傾方向の限界位置まで後傾させるように、前記ピッチアクチュエータを制御すること、
をさらに備える請求項7又は8に記載の方法。 - 前記作業機械が登坂走行中であるか否かを判定することと、
前記作業機械が登坂走行中ではないと判定したときに、前記牽引力に基づいて前記ブレードのピッチ角を変更するように前記ピッチアクチュエータを制御すること、
をさらに備える請求項6から9のいずれかに記載の方法。
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