JP2023124250A - ホイールローダ - Google Patents

Abstract

【課題】掘削作業においてスリップを未然に防ぐことのできるホイールローダを提供する。【解決手段】前後にそれぞれ複数の車輪（４，８）が取り付けられた車体（５，９）と、車体の前部に設けられた作業機（１４）と、作業機を駆動する油圧シリンダ（１１，１２）と、車体の走行駆動力および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（３０）と、制御装置（５０）と、を備えたホイールローダにおいて、制御装置は、作業機が掘削姿勢であるか否かを判定し、作業機が掘削姿勢であると判定された場合には、エンジンの実回転数、または、車体が受ける掘削負荷及び車体の性能に基づいて算出された走行駆動力と、地盤の状態と対応づけて予め設定されたスリップ判定閾値（Ｎｓ）とを比較して車輪がスリップするか否かの予測を行い、車輪がスリップすると予測された場合には、車体の走行駆動力を制限する。【選択図】図７

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、「加速度センサで検出された加速度から演算される車体の第１車体加速度と、回転数センサによって検出された車輪の回転数から演算される車体の第２車体加速度と、推力センサにより検出された油圧シリンダの推力とに基づき走行駆動力の低減値を決定し、低減値により走行駆動力を低減させて出力する」ことを特徴とする制御装置が記載されている（要約参照）。

特開２０１９－１７３４０９号公報

特許文献１は、第１車体加速度と第２車体加速度とから車体の加速度差を求め、この加速度差に基づいてスリップが発生しているかを判定し、スリップが発生している場合に、走行駆動力を低減させる構成となっている。別言すると、スリップが発生したことを契機に、走行駆動力を低減させている。そのため、特許文献１では、掘削作業においてスリップを未然に防ぐものではなく、少なからずスリップが発生してしまう。

そこで、本発明は、掘削作業においてスリップを未然に防ぐことのできるホイールローダを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、代表的な本発明は、前後にそれぞれ複数の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およ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、前記作業機が掘削姿勢であるか否かを判定し、前記作業機が掘削姿勢であると判定された場合には、前記エンジンの実回転数、または、前記車体が受ける掘削負荷及び前記車体の性能に基づいて算出された走行駆動力と、地盤の状態と対応づけて予め設定されたスリップ判定閾値とを比較して前記車輪がスリップするか否かの予測を行い、前記車輪がスリップすると予測された場合には、前記車体の走行駆動力を制限する、ことを特徴とする。

本発明によれば、掘削作業においてスリップを未然に防ぐことができる。なお、前述した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係るホイールローダの側面図である。 ホイールローダの駆動システム構成を示す図である。 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。 スリップ判定閾値毎の設定値を示す図である。 スリップ判定閾値毎の推力と補正後目標エンジン回転数との関係を示す図である。 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。 第２実施形態に係るコントローラの機能構成を示すブロック図である。 トルクコンバータ速度比とトルク比との関係を示す図である。 トルクコンバータ速度比とトルク吸収係数との関係を示す図である。 トルクコンバータ速度比と出力係数との関係を示す図である。 入力軸回転数とトルクコンバータ速度比と出力トルクとの関係を示す図である。 スリップ判定閾値毎の設定値を示す図である。 スリップ判定閾値毎の推力と補正後目標駆動力との関係を示す図である。 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。 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（変形例）。

以下、本発明に係るホイールローダの各実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１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、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３０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。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。なお、以下の説明において、前輪４および後輪８をまとめて「車輪４，８」とする場合がある。

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（チルトまたはダンプ）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２７が取り付けられており、このリフトアーム角度センサ２７によってリフトアーム２の回動角度が検出される。バケットシリンダ１２は近接スイッチ２８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２８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。

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、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モニタ６０等が設置されている。モニタ６０は、例えばタッチパネル式の液晶モニタから成り、オペレータがタッチ操作することで、後述するスリップ判定閾値を選択できるように構成されている。即ち、モニタ６０は、スリップ判定閾値を設定する閾値設定部６１（図４参照）として機能する。

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、図示しないが車体加速度及び車体角速度を検出するＩＭＵ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ／慣性計測装置）等も設けられている。

図２は、ホイールローダ１の駆動システム構成を示す図である。図２に示すように、ホイールローダ１は、エンジン３０と、エンジン３０の出力軸に接続されたトルクコンバータ３１と、トルクコンバータ３１の出力軸に接続されたトランスミッション３２と、を備えている。ホイールローダ１は、エンジン３０の駆動力を、トルクコンバータ３１およびトランスミッション３２を介して複数の車輪４，８に伝達して走行する。なお、エンジン３０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。

トルクコンバータ３１は、インペラ、タービン、およびステータで構成された流体クラッチであり、入力トルク（エンジン３０から伝達されるトルク）に対して出力トルクを増幅させる機能、即ち、トルク比（＝出力トルク／入力トルク）を１以上とする機能を有する。このトルク比は、トルクコンバータ３１の入力軸の回転数と出力軸の回転数の比であるトルクコンバータ速度比（＝出力軸回転数／入力軸回転数）が大きくなるにつれて小さくなる（図９Ａ参照）。これにより、エンジン３０の回転数を変速した上でトランスミッション３２に伝達する。なお、トルクコンバータ３１の入力軸の回転数は、エンジン３０の実回転数と実質的に等しい。

トランスミッション３２は、複数のギアで構成されている。前進走行または後進走行において、例えば１～４速度段の何れかに対応したギア比となるように、複数のギアの組合せが制御される。これにより、トランスミッション３２により所定の速度段に変速された動力が、複数の車輪４，８へ伝達される。

ホイールローダ１の進行方向、即ち、前進または後進の切り換えは前後進切換スイッチ４１により、トランスミッション３２の速度段の選択はシフトスイッチ４２により、それぞれ行われる。前後進切換スイッチ４１およびシフトスイッチ４２はそれぞれ、運転室６に設けられている。

アクセルペダル４３がオペレータにより踏み込まれると、アクセルペダル４３に取り付けられた踏込量センサ２６によりアクセルペダル４３の踏込量が検出され、検出されたアクセルペダル踏込量がコントローラ５０に入力される。コントローラ５０は、入力されたアクセルペダル踏込量に応じたエンジン３０の目標回転数指令Ｎ^＊（または目標トルク指令Ｔ^＊）をＥＣＵ７０に対して出力する。そして、エンジン３０は、この目標回転数指令Ｎ^＊にしたがった回転数に制御される。

トルクコンバータ３１の入力軸には、エンジン３０の実回転数を検出する第１回転数センサ２１が、トルクコンバータ３１の出力軸には、トルクコンバータ３１における変速後の回転数を検出する第２回転数センサ２２が、それぞれ設けられている。

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２０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２０は、エンジン３０の出力軸にトルクコンバータ３１を介して接続されたトランスミッション３２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３２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２０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。

また、ホイールローダ１は、作業機１４を駆動させるための荷役用油圧回路ＨＣを備えている。荷役用油圧回路ＨＣには、油圧ポンプ３３と、リフトアームシリンダ１１と、バケットシリンダ１２と、油圧ポンプ３３から吐出されてリフトアームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２のそれぞれに流入する作動油の流れ（方向および流量）を制御するコントロールバルブ３４と、が設けられている。なお、図２では、構成を簡略化するため、一対のリフトアームシリンダ１１のうち一方のリフトアームシリンダ１１のみを示している。

油圧ポンプ３３は、作動油タンク３５から吸入した作動油をリフトアームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２のそれぞれに供給する。本実施形態では、油圧ポンプ３３は、傾転角に応じて押し退け容積が制御される斜板式あるいは斜軸式の可変容量型油圧ポンプである。傾転角は、コントローラ５０から出力された指令信号に従って、レギュレータ２３により調整される。なお、油圧ポンプ３３は必ずしも可変容量型の油圧ポンプでなくてもよく、固定容量型の油圧ポンプを用いても良い。

リフトアームシリンダ１１およびバケットシリンダ１２はそれぞれ、運転室６（図１参照）内に設けられたリフトアーム操作レバー４４およびバケット操作レバー４５の操作に従って駆動する。

リフトアームシリンダ１１のボトム室とコントロールバルブ３４とを繋ぐ油路には、リフトアームシリンダ１１のボトム室の圧力ｐｈｂを検出するためのボトム側圧力センサ２４が設けられている。同様に、リフトアームシリンダ１１のロッド室とコントロールバルブ３４とを繋ぐ油路には、リフトアームシリンダ１１のロッド室の圧力ｐｈｒを検出するためのロッド側圧力センサ２５が設けられている。詳しくは後述するが、各圧力センサ２４，２５にて検出された圧力ｐｈｂ，ｐｈｒはコントローラ５０に入力され、圧力ｐｈｂ，ｐｈｒに基づいて、コントローラ５０は、作業機１４の荷役負荷を算出する。

図３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３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（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）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（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５０Ｂ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（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５０Ｃと、外部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４はコントローラ５０の機能構成を示すブロック図である。なお、図４において、コントローラ５０に入力される各種信号のうち一部を省略している。

図４に示すように、コントローラ５０は、トルクコンバータ速度比算出部５１と、掘削姿勢判定部５３と、スリップ判定部５４と、目標エンジン回転数決定部５５と、リフトアームシリンダ推力算出部５６と、目標エンジン回転数補正部５７と、目標エンジン回転数出力部５８と、を含む。

トルクコンバータ速度比算出部５１には、第１回転数センサ２１にて検出されたトルクコンバータ３１の入力軸回転数Ｎ１と、第２回転数センサ２２にて検出されたトルクコンバータ３１の出力軸回転数Ｎ２とが入力される。トルクコンバータ速度比算出部５１は、入力された入力軸回転数Ｎ１と出力軸回転数Ｎ２とから、トルクコンバータ速度比Ｒｎ（Ｒｎ＝Ｎ２／Ｎ１）を算出する。

掘削姿勢判定部５３には、リフトアーム角度センサ２７にて検出されたリフトアーム角度θと、近接スイッチ２８のＯＮ／ＯＦＦ信号（１：ＯＮ／０：ＯＦＦ）とが入力される。掘削姿勢判定部５３は、リフトアーム角度θの値と、近接スイッチ２８のＯＮ／ＯＦＦ信号とから、作業機１４が「掘削姿勢」であるか否かを判定する。より具体的には、リフトアーム角度θが所定値未満（リフトアーム２がある程度下がっている状態）であって、近接スイッチ２８がＯＮの場合（バケット３の底面が地面と平行になっている状態）には、掘削姿勢判定部５３は、作業機１４が「掘削姿勢」であると判断する。

スリップ判定部５４には、シフトスイッチ４２から入力される速度段Ｇの情報と、トルクコンバータ３１の入力軸回転数Ｎ１と、トルクコンバータ速度比Ｒｎと、閾値設定部６１にて設定されたスリップ判定閾値Ｎｓ（Ｎｓ＝Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３）と、掘削姿勢判定部５３にて判定された「掘削姿勢（＝１）」または「非掘削姿勢（＝０）」の情報とが入力される。

本実施形態では、３つのスリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３が予め用意されており、オペレータが、モニタ６０に表示される閾値設定部６１をタッチ操作して３つのスリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３の何れかを選択すると、選択されたスリップ判定閾値Ｎｓが閾値設定部６１からスリップ判定部５４に出力される。

図５は、掘削作業が行われる作業現場における地盤の状態に対応づけてエンジン回転数毎に予め設定されたスリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３の各設定値を示している。スリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３の大小関係は、図５に示すように、Ｎｓ１＞Ｎｓ２＞Ｎｓ３となっている。より詳細に説明すると、スリップ判定閾値Ｎｓ１は、スリップしにくい締め固められた地盤に対応しており、ホイールローダ１の最大エンジン回転数の８０％の値に設定されたエンジン回転数である。スリップ判定閾値Ｎｓ２は、ややスリップし易い砂地等の地盤に対応しており、スリップ判定閾値Ｎｓ１より小さく、ホイールローダ１の最大エンジン回転数の７０％の値に設定されたエンジン回転数である。スリップ判定閾値Ｎｓ３は、スリップしやすい地盤、例えば、ぬかるみや水たまり等のある地盤に対応しており、スリップ判定閾値Ｎｓ２より小さく、ホイールローダ１の最大エンジン回転数の６０％の値に設定されたエンジン回転数である。

スリップ判定部５４は、速度段Ｇ＝１（即ち、１速度段）、かつ、トルクコンバータ速度比Ｒｎが設定値Ｒ未満、かつ、作業機１４が「掘削姿勢」である場合に、入力軸回転数Ｎ１とスリップ判定閾値Ｎｓ（即ち、Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３の何れか）との大小を比較する。ここで、設定値Ｒは、車体の走行駆動力（駆動力）を制限するか否かを判定するための閾値として定められるものであり、スリップが発生する可能性を考慮して任意に定められる。例えば、設定値Ｒ＝０．５に設定される（図９Ｄ参照）。即ち、図９Ｄのハッチングが施された範囲において、出力トルクが制限される。

スリップ判定部５４は、入力軸回転数Ｎ１（即ち、実エンジン回転数）がスリップ判定閾値Ｎｓを超えている場合には「制限あり（＝１）」を、入力軸回転数Ｎ１がスリップ判定閾値Ｎｓ以下の場合には「制限なし（＝０）」を、それぞれ目標エンジン回転数決定部５５に出力する。即ち、コントローラ５０は、スリップする前にエンジン回転数を制限するフィードフォワード制御を行っている。

目標エンジン回転数決定部５５は、スリップ判定部５４から「制限あり」が入力されると、スリップ判定部５４の判定に用いられたスリップ判定閾値Ｎｓを目標エンジン回転数Ｎｔに決定する。一方、スリップ判定部５４から「制限なし」が入力されると、目標エンジン回転数決定部５５は、アクセルペダル４３の踏込量に応じた目標エンジン回転数に対して制限をかけない。即ち、目標エンジン回転数Ｎｔは、アクセルペダル４３の踏込量に応じたエンジン回転数となる。

リフトアームシリンダ推力算出部５６は、ボトム側圧力センサ２４にて検出された圧力ｐｈｂと、ロッド側圧力センサ２５にて検出された圧力ｐｈｒとから、リフトアームシリンダ１１の推力ｐｈを算出する。なお、本実施形態では、圧力ｐｈｂと圧力ｐｈｒとの差圧に基づいて推力ｐｈを算出している。

目標エンジン回転数補正部５７は、スリップ判定部５４の判定が「制限あり」の場合に目標エンジン回転数決定部５５から入力された目標エンジン回転数Ｎｔと、リフトアームシリンダ推力算出部５６から入力された推力ｐｈとに基づいて、目標エンジン回転数Ｎｔを補正する。具体的には、図６に示す関係を数値化した補正用のデータテーブルがＲＯＭ５０Ｂに記憶されており、目標エンジン回転数補正部５７は、このテーブルを参照して、目標エンジン回転数Ｎｔを推力ｐｈに応じて補正する。

図６は、スリップ判定閾値毎の推力と補正後目標エンジン回転数との関係を示している。図６に示すように、推力ｐｈが大きくなるほど、補正後目標エンジン回転数Ｎｃの値が大きくなるように、推力ｐｈと補正後目標エンジン回転数Ｎｃとの関係が予め定められている。即ち、リフトアームシリンダ１１に作用する負荷（作業機１４の荷役負荷）が大きくなるほど、補正後目標エンジン回転数Ｎｃも大きくなる。これにより、本実施形態では、荷役負荷が大きくなるほど、車体の走行駆動力を大きくすることができる。

より詳細には、掘削対象物である地山にバケットを貫入させた後、バケットをチルトさせて荷役負荷を車体に作用させることで、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、このような状態で荷役負荷が車体に作用している場合には、荷役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、荷役負荷に応じて走行駆動力を増加させることができる。そのために、目標エンジン回転数補正部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、目標エンジン回転数Ｎｔを増加するように補正している。

目標エンジン回転数出力部５８は、スリップ判定部５４の判定が「制限あり」の場合には目標エンジン回転数補正部５７から入力された補正後目標エンジン回転数Ｎｃを目標回転数指令Ｎ^＊としてＥＣＵ７０に出力する。一方、スリップ判定部５４の判定が「制限なし」の場合には、目標エンジン回転数出力部５８は、アクセルペダル４３の踏込量に応じた目標エンジン回転数Ｎｔを、制限をかけずに目標回転数指令Ｎ^＊としてＥＣＵ７０に出力する。ＥＣＵ７０は、入力された目標回転数指令Ｎ^＊となるようにエンジン３０の回転数を制御する。なお、目標エンジン回転数出力部５８は、目標回転数指令Ｎ^＊を目標トルク指令Ｔ^＊に換算して、その目標トルク指令Ｔ^＊をＥＣＵ７０に出力しても良い。

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７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７に示す処理を開始する。

まず、スリップ判定部５４は、速度段Ｇが１速度段（Ｓ１０１／Ｙｅｓ）、かつ、トルクコンバータ速度比Ｒｎが設定値Ｒ未満（Ｓ１０２／Ｙｅｓ）、かつ、掘削姿勢判定部５３による判定結果が「掘削姿勢」である場合（Ｓ１０３／Ｙｅｓ）に、ホイールローダ１のスリップ判定を行う（Ｓ１０４）。

入力軸回転数Ｎ１が、閾値設定部６１にて設定されたスリップ判定閾値Ｎｓより大きい場合（Ｓ１０５／Ｙｅｓ）、目標エンジン回転数決定部５５は、スリップ判定閾値Ｎｓと同じ値を目標エンジン回転数Ｎｔ（＝Ｎｓ）に決定する（Ｓ１０６）。

次いで、目標エンジン回転数補正部５７は、リフトアームシリンダ推力算出部５６にて算出された推力ｐｈ（荷役負荷）に基づいて、目標エンジン回転数Ｎｔを補正し（Ｓ１０７）、目標エンジン回転数出力部５８は、補正後目標エンジン回転数Ｎｃを目標回転数指令Ｎ^＊としてＥＣＵ７０に出力する（Ｓ１０８）。そして、一定時間（例えば１秒）が経過すると（Ｓ１０９／Ｙｅｓ）、リターンとなってスタートに戻る。

一方、入力軸回転数Ｎ１がスリップ判定閾値Ｎｓ以下の場合（Ｓ１０５／Ｎｏ）には、目標エンジン回転数決定部５５は、アクセルペダル４３の踏込量に応じた目標エンジン回転数Ｎｔに制限をかけないことを決定し（Ｓ１１０）、目標エンジン回転数出力部５８は、目標エンジン回転数Ｎｔを目標回転数指令Ｎ^＊としてＥＣＵ７０に出力する（Ｓ１１１）。

以上説明したように、第１実施形態によれば、速度段が１速度段で、トルクコンバータ速度比Ｒｎが設定値Ｒ未満で、作業機１４が「掘削姿勢」であると判定された場合には、スリップ判定が行われる。そして、スリップ判定によりスリップする可能性が高いと判定した場合には、エンジン３０の回転数（走行駆動力）を制限してホイールローダ１の運転が行われる。より詳細には、スリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３の何れかに相当するエンジン回転数（図５参照）と実エンジン回転数とが比較され、実エンジン回転数がスリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３のいずれかに設定された閾値よりも高い場合にスリップする可能性が高いと判断され、目標エンジン回転数がスリップ判定閾値Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｓ３に設定されて制限されたエンジン回転数に制御される。そのため、掘削作業中におけるスリップの発生を未然に防ぐことができる。

また、第１実施形態では、荷役負荷（推力ｐｈ）が大きくなるほど、エンジン３０の回転数の制限量を小さくなるように、エンジン３０の目標回転数を補正している。そのため、掘削性能が損なわれず、荷役作業の効率の低下を防止できる。

また、Ｖ字掘削作業において、ホイールローダ１は、土砂等の山に前進してバケット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を後進に切り換えて、所定の位置まで後進する。その後、方向を切り換えて、バケット３を持ち上げたまま、土砂等の放土場まで前進する。この一連の作業において、スリップが発生する可能性が高い作業は、掘削作業である。第１実施形態では、掘削姿勢判定部５３が「掘削姿勢」であると判定した場合に限ってエンジン３０の回転数を制限する構成としているため、その他の作業において不用意にエンジン３０の回転数が制限されて作業効率が低下することはない。つまり、第１実施形態は、ホイールローダ１の作業に応じた好適なスリップ防止制御を実現しているのである。

また、第１実施形態では、エンジン３０の回転数に制限をかけるための処理を、一定時間経過するまで終了しない構成（図７のＳ１０９参照）としているため、エンジン３０の挙動が安定し、ホイールローダ１のハンチングを防止できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、第１回転数センサ２１にて検出された入力軸回転数Ｎ１を用いてスリップ判定を行い、エンジン３０の回転数を制限する構成であったが、第２実施形態では、入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎとから駆動力Ｆｒを算出してスリップ判定を行う、すなわち、算出された駆動力と予め設定された駆動力との比較をし、算出された駆動力が予め設定された駆動力よりも大きい場合に予め設定された走行駆動力に目標駆動力を制限する構成としている点で、両者は主に相違する。そこで、以下では、第２実施形態のうち第１実施形態と相違する構成を中心に説明し、第１実施形態と重複する構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図８は、第２実施形態に係るコントローラ１５０の機能構成を示すブロック図である。図８に示すように、コントローラ１５０は、トルクコンバータ速度比算出部５１と、駆動力算出部１５２と、掘削姿勢判定部５３と、スリップ判定部１５４と、目標駆動力決定部１５５と、リフトアームシリンダ推力算出部５６と、目標駆動力補正部１５７と、目標エンジン回転数出力部１５８と、を含む。

トルクコンバータ速度比算出部５１は、入力された入力軸回転数Ｎ１と出力軸回転数Ｎ２とから、トルクコンバータ速度比Ｒｎ（Ｒｎ＝Ｎ２／Ｎ１）を算出する。

駆動力算出部１５２には、シフトスイッチ４２から入力される速度段Ｇの情報と、トルクコンバータ３１の入力軸回転数Ｎ１と、トルクコンバータ速度比Ｒｎとが入力される。駆動力算出部１５２は、入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎとから、次に述べるテーブルを参照して駆動力Ｆｒを算出する。

図９Ａはトルクコンバータ３１におけるトルクコンバータ速度比Ｒｎとトルク比との関係を示す図、図９Ｂはトルクコンバータ３１におけるトルクコンバータ速度比Ｒｎとトルク吸収係数との関係を示す図、図９Ｃはトルクコンバータ３１におけるトルクコンバータ速度比Ｒｎと出力係数との関係を示す図、図９Ｄは、トルクコンバータ３１における入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎと出力トルク（駆動力Ｆｒ）との関係を示す図である。図９Ａは、速度比が大きくなるとトルク比は小さくなる関係を示している。図９Ｂは、速度比が小さいときにはトルク吸収係数が高い関係を示し、速度比が大きくなるにつれ、途中トルク吸収係数が最大となり、トルク吸収係数が徐々に小さくなる関係を示している。図９Ｃは、速度比が大きくなると出力係数は小さくなる関係を示している。図９Ｄは、入力軸回転数が大きくなると出力トルク（駆動力）が二次関数的に大きくなる関係を速度比毎に示している。図９Ａおよび図９Ｂから、図９Ｃに示す関係が得られる。エンジン回転数の２乗に出力係数を乗じた値は、トルクコンバータ３１の出力トルク（駆動力Ｆｒ）に比例することから、図９Ｄに示す関係が得られる。

図９Ｄに示すように、入力軸回転数Ｎ１と出力トルク（駆動力Ｆｒ）との関係がトルクコンバータ速度比Ｒｎ毎に規定されている。そのため、図９Ｄを参照すれば、入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎの値から、駆動力Ｆｒの値が求まる。例えば、入力軸回転数Ｎ１＝Ｎ１１、トルクコンバータ速度比Ｒｎ＝０．２の場合には、駆動力Ｆｒ＝Ｆｒ１１となる。このように、駆動力算出部１５２は、入力された入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎとから、図９Ｄに示すテーブルを参照して駆動力Ｆｒを算出する。なお、図９Ｄに示す関係を数値化したデータテーブル（所定のテーブル）は、ＲＯＭ５０Ｂに記憶されている。

掘削姿勢判定部５３は、リフトアーム角度θの値と、近接スイッチ２８のオンオフ信号とから、作業機１４が「掘削姿勢」であるか否かを判定する。

スリップ判定部１５４には、駆動力算出部１５２にて算出された駆動力Ｆｒと、閾値設定部６１にて設定されたスリップ判定閾値Ｆｓ（Ｆｓ＝Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３）と、掘削姿勢判定部５３にて判定された「掘削姿勢（＝１）」または「非掘削姿勢（＝０）」の情報とが入力される。なお、スリップ判定閾値Ｆｓは、前述したスリップ判定閾値Ｎｓとは異なる別の閾値である。

図１０は、掘削作業が行われる作業現場における地盤の状態に対応づけて駆動力（牽引力）毎に予め設定されたスリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３の各設定値を示している。スリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３の大小関係は、図１０に示すように、Ｆｓ１＞Ｆｓ２＞Ｆｓ３となっている。より詳細に説明すると、スリップ判定閾値Ｆｓ１は、スリップしにくい締め固められた地盤に対応しており、ホイールローダ１の最大駆動力の８０％の値に設定された駆動力である。スリップ判定閾値Ｆｓ２は、ややスリップし易い砂地等の地盤に対応しており、スリップ判定閾値Ｆｓ１より小さく、ホイールローダ１の最大駆動力の７０％の値に設定された駆動力である。スリップ判定閾値Ｆｓ３は、スリップしやすい、例えば、ぬかるみや水たまり等のある地盤に対応しており、スリップ判定閾値Ｆｓ２より小さく、ホイールローダ１の最大駆動力の６０％の値に設定された駆動力である。

スリップ判定部１５４は、作業機１４が「掘削姿勢」である場合に、駆動力Ｆｒとスリップ判定閾値Ｆｓ（即ち、Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３の何れか）との大小を比較する。

スリップ判定部１５４は、駆動力Ｆｒがスリップ判定閾値Ｆｓを超えている場合には「制限あり（＝１）」を、駆動力Ｆｒがスリップ判定閾値Ｆｓ以下の場合には「制限なし（＝０）」を、それぞれ目標駆動力決定部１５５に出力する。即ち、コントローラ１５０は、スリップする前にエンジン３０の駆動力を制限するフィードフォワード制御を行っている。

目標駆動力決定部１５５は、スリップ判定部１５４から「制限あり」が入力されると、スリップ判定部１５４の判定に用いられたスリップ判定閾値Ｆｓを目標駆動力Ｆｔに決定する。一方、スリップ判定部１５４から「制限なし」が入力されると、目標駆動力決定部１５５は、駆動力算出部１５２にて算出された駆動力Ｆｒに制限をかけない。即ち、駆動力算出部１５２にて算出された駆動力Ｆｒが目標駆動力Ｆｔとなる。

リフトアームシリンダ推力算出部５６は、ボトム側圧力センサ２４にて検出された圧力ｐｈｂと、ロッド側圧力センサ２５にて検出された圧力ｐｈｒとから、リフトアームシリンダ１１の推力ｐｈを算出する。

目標駆動力補正部１５７は、スリップ判定部１５４の判定が「制限あり」の場合に、目標駆動力Ｆｔと推力ｐｈとに基づいて、目標駆動力Ｆｔを補正する。具体的には、図１１に示す関係を数値化した補正用のデータテーブルがＲＯＭ５０Ｂに記憶されており、目標駆動力補正部１５７は、このテーブルを参照して、目標駆動力Ｆｔを推力ｐｈに応じて補正する。

図１１は、スリップ判定閾値毎の推力と補正後目標駆動力との関係を示している。図１１に示すように、推力ｐｈが大きくなるほど、補正後目標駆動力Ｆｃの値が大きくなるように、推力ｐｈと補正後目標駆動力Ｆｃとの関係が予め定められている。これにより、本実施形態では、荷役負荷が大きくなるほど、走行駆動力を大きくすることができる。

目標エンジン回転数出力部１５８は、スリップ判定部１５４の判定が「制限あり」の場合に、目標駆動力補正部１５７から入力された補正後目標駆動力Ｆｃに対応する目標回転数指令Ｎ^＊をＥＣＵ７０に出力する。一方、スリップ判定部１５４の判定が「制限なし」の場合には、目標エンジン回転数出力部１５８は、アクセルペダル４３の踏込量に応じた目標駆動力Ｆｔを、制限をかけずに目標回転数指令Ｎ^＊に変換してＥＣＵ７０に出力する。ＥＣＵ７０は、入力された目標回転数指令Ｎ^＊となるようにエンジン３０の回転数を制御する。なお、目標エンジン回転数出力部１５８は、目標回転数指令Ｎ^＊を目標トルク指令Ｔ^＊に換算して、その目標トルク指令Ｔ^＊をＥＣＵ７０に出力しても良い。

次に、コントローラ１５０の制御処理の手順について説明する。図１２はコントローラ１５０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１５０は図１２に示す処理を開始する。

まず、駆動力算出部１５２は、入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎとから、図９Ｄに示すテーブルを参照して駆動力Ｆｒを算出する（Ｓ２０１）。次いで、掘削姿勢判定部５３による判定結果が「掘削姿勢」である場合（Ｓ２０２／Ｙｅｓ）には、スリップ判定部１５４が、駆動力Ｆｒとスリップ判定閾値Ｆｓとの大小を比較して、ホイールローダ１のスリップ判定を行う（Ｓ２０３）。

駆動力Ｆｒが、閾値設定部６１にて設定されたスリップ判定閾値Ｆｓより大きい場合（Ｓ２０４／Ｙｅｓ）、目標駆動力決定部１５５は、スリップ判定閾値Ｆｓと同じ値を目標駆動力Ｆｔ（＝Ｆｓ）に決定する（Ｓ２０５）。

次いで、目標駆動力補正部１５７は、リフトアームシリンダ推力算出部５６にて算出された推力ｐｈ（荷役負荷）に基づいて、目標駆動力Ｆｔを補正し（Ｓ２０６）、目標エンジン回転数出力部１５８は、補正後目標駆動力Ｆｃに相当する目標回転数指令Ｎ^＊をＥＣＵ７０に出力する（Ｓ２０７）。そして、一定時間（例えば１秒）が経過すると（Ｓ２０８／Ｙｅｓ）、リターンとなってスタートに戻る。

一方、駆動力Ｆｒがスリップ判定閾値Ｆｓ以下の場合（Ｓ２０４／Ｎｏ）には、目標駆動力決定部１５５は、目標駆動力Ｆｔに制限をかけないことを決定し（Ｓ２０９）、目標エンジン回転数出力部１５８は、目標駆動力Ｆｔに相当する目標回転数指令Ｎ^＊をＥＣＵ７０に出力する（Ｓ２１０）。

以上説明したように、第２実施形態によれば、算出された駆動力とスリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３とが比較され、算出された駆動力がスリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３よりも大きい場合には、目標駆動力がスリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３に設定されることによりスリップ判定閾値Ｆｓ１，Ｆｓ２，Ｆｓ３に駆動力が制限される。第１実施形態と同様に、掘削作業中におけるスリップの発生を未然に防ぐことができるうえ、掘削性能を損なうこともない。さらに、図９Ｄに示す所定のテーブルを参照して駆動力Ｆｒを算出する構成であるため、コントローラ１５０の制御処理の負担が軽減される。

（変形例）
上記した第２実施形態では、駆動力算出部１５２が、入力軸回転数Ｎ１とトルクコンバータ速度比Ｒｎとから、所定のテーブル（図９Ｄ）を参照して駆動力Ｆｒを算出する構成であったが、この構成に代えて、駆動力算出部１５２が、各種パラメータを各種関数に代入して駆動力Ｆｒを算出する構成としても良い。

図１３は、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の変形例である。図１３に示すように、駆動力算出部１５２は、例えばトルクコンバータ３１の入力軸回転数Ｎ１、トルクコンバータ速度比Ｒｎ、トルクコンバータ３１の仕様、トランスミッション３２のギア比、車輪４，８の半径（または直径）等の各種パラメータを取得し（Ｓ２０１－１）、これらのパラメータをＲＯＭ５０Ｂに記憶されている関数に代入して、駆動力Ｆｒを算出する（Ｓ２０１－２）。

この変形例のように、各種パラメータの値を関数に代入して駆動力Ｆｒを算出する構成にしても、第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

例えば、回転数センサ２０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４，８の回転数を算出することもできる。また、リフトアームシリンダ１１の推力の代わりに、バケットシリンダ１２の推力や油圧ポンプ３３の吐出圧に基づいて、作業機１４の荷役負荷を算出しても良い。また、スリップ判定閾値Ｎｓ，Ｆｓは、３つの値を予め設定したが、走行路の状況に応じてさらに細かく設定することもできる。また、リフトアーム角度センサ２７、近接スイッチ２８により作業機１４の姿勢を検出する構成を例示したが、この構成に代えて、リフトアームシリンダ１１のストロークを検出するセンサと、バケットシリンダ１２のストロークを検出するセンサとにより作業機１４の姿勢を検出することもできる。

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）
１４ 作業機
３０ エンジン
３１ トルクコンバータ
３２ トランスミッション
５０，１５０ コントローラ（制御装置）
６０ モニタ（外部装置）

Claims (5)

1. 前後にそれぞれ複数の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およ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、前記作業機が掘削姿勢であるか否かを判定し、前記作業機が掘削姿勢であると判定された場合には、前記エンジンの実回転数、または、前記車体が受ける掘削負荷及び前記車体の性能に基づいて算出された走行駆動力と、地盤の状態と対応づけて予め設定されたスリップ判定閾値とを比較して前記車輪がスリップするか否かの予測を行い、前記車輪がスリップすると予測された場合には、前記車体の走行駆動力を制限する、ことを特徴とするホイールローダ。
2. 請求項１に記載のホイールローダにおいて、
   前記エンジンの出力軸に接続されたトルクコンバータと、前記トルクコンバータの出力軸に接続されたトランスミッションと、をさらに備え、
   前記トランスミッションが１速度段に設定され、かつ、前記トルクコンバータの出力軸の回転数を前記トルクコンバータの入力軸の回転数で除算した値であるトルクコンバータ速度比が設定値未満の場合に、前記制御装置は、前記作業機が掘削姿勢であるか否かを判定する、ことを特徴とするホイールローダ。
3. 請求項１に記載のホイールローダにおいて、
   前記エンジンの出力軸に接続されたトルクコンバータと、前記トルクコンバータの出力軸に接続されたトランスミッションと、をさらに備え、
   前記制御装置は、前記トルクコンバータの入力軸の回転数と、前記トルクコンバータの出力軸の回転数を前記トルクコンバータの入力軸の回転数で除算した値であるトルクコンバータ速度比とから、所定のテーブルを参照して、前記車体の走行駆動力を算出する、ことを特徴とするホイールローダ。
4. 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、前記油圧シリンダの推力が大きくなるほど、前記車体の走行駆動力の制限量を小さくさせる、ことを特徴とするホイールローダ。
5. 請求項１に記載のホイールローダにおいて、
   前記スリップ判定閾値は予め複数設定されており、外部装置の操作により前記複数のスリップ判定閾値の中から何れかを選択可能である、ことを特徴とするホイールローダ。
   

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