JP2023151925A - 作業車両及び作業車両の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスミションオイルに混入した水分を簡素な構成で除去可能な作業車両及び作業車両の制御方法を提供する。【解決手段】作業車両１は、トランスミションオイルによって潤滑される第１及び第２クラッチディスク８３，８４を有する低速クラッチ７１と、低速クラッチ７１の係合及び解放を制御するコントローラ２７とを備える。コントローラ２７は、トランスミションオイルへの水分混入が検出されたことを示す検出信号に応じて、第１及び第２クラッチディスク８３，８４を初期位置及び係合位置の間の待機位置に移動させる。【選択図】図４

Description

本開示は、作業車両及び作業車両の制御方法に関する。

特許文献１には、作業車両の起動時に、トランスミッションにおけるクラッチの駆動やクラッチディスクの潤滑に用いられるトランスミションオイル（作動油）を昇温させる暖気回路が開示されている。

国際公開第２０１５／０２５６０２号

特許文献１に記載の暖気回路によってトランスミションオイルを昇温させるとトランスミションオイルに混入した水分を除去できるため、クラッチディスクが水分によって劣化してしまうことを抑制できる。

しかしながら、トランスミションオイルを昇温するために特許文献１に記載の暖気回路を設けるとトランスミッションの構成が複雑化してしまうため好ましくない。

本開示は、トランスミションオイルに混入した水分を簡素な構成で除去可能な作業車両及び作業車両の制御方法を提供することを目的とする。

本開示に係る作業車両は、トランスミションオイルによって潤滑される複数のクラッチディスクを有するクラッチと、クラッチの係合及び解放を制御するコントローラとを備える。コントローラは、トランスミションオイルの昇温要求に応じて、複数のクラッチディスクを初期位置及び係合位置の間の待機位置に移動させる。

本開示によれば、トランスミションオイルに混入した水分を簡素な構成で除去可能な作業車両及び作業車両の制御方法を提供することができる。

実施形態に係る作業車両の側面図 実施形態に係るトランスミッションのスケルトン図 実施形態に係る中速クラッチの構成を示す断面図 実施形態に係るピストンの位置と供給油圧との関係を示すグラフ 実施形態に係るコントローラの構成を示すブロック図

（作業車両１）
図１は、実施形態に係る作業車両１の側面図である。作業車両１は、ホイールローダである。図１に示すように、作業車両１は、車体２及び作業機３を備える。

車体２は、前車体２ａ及び後車体２ｂを含む。後車体２ｂは、前車体２ａに対して左右に揺動可能に接続される。前車体２ａ及び後車体２ｂには、油圧シリンダ１５が連結される。油圧シリンダ１５が伸縮することによって、前車体２ａが後車体２ｂに対して左右に揺動する。

作業機３は、掘削等の作業に用いられる。作業機３は、前車体２ａに取り付けられる。作業機３は、ブーム１１、バケット１２、及び油圧シリンダ１３，１４を含む。油圧シリンダ１３，１４が伸縮することによって、ブーム１１及びバケット１２が動作する。

作業車両１は、エンジン２１、トランスミッション２２、及び走行装置２３を備える。エンジン２１は、例えばディーゼルエンジンなどの内燃機関である。トランスミッション２２は、エンジン２１に接続される。トランスミッション２２の内部にはトランスミションオイルが封入されている。トランスミッション２２の構成については後述する。

走行装置２３は、作業車両１を走行させる。走行装置２３は、前輪２４及び後輪２５を有する。前輪２４は、前車体２ａに設けられる。後輪２５は、後車体２ｂに設けられる。前輪２４及び後輪２５は、図示しないアクスルを介してトランスミッション２２に接続される。

作業車両１は、図示しない油圧ポンプを備える。油圧ポンプは、エンジン２１に接続される。油圧ポンプは、エンジン２１によって駆動され、トランスミションオイルを吐出する。油圧ポンプから吐出されたトランスミションオイルは、トランスミッション２２に供給される。トランスミションオイルは、トランスミッション２２が備える各クラッチ（後述する低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３）の駆動と、各クラッチが有するクラッチディスクの潤滑との両方に利用される。

作業車両１は、コントローラ２７を備える。コントローラ２７は、例えばプロセッサ及びメモリなどを有する。コントローラ２７は、エンジン２１及びトランスミッション２２を制御する。コントローラ２７の機能については後述する。

（トランスミッション２２）
図２は、トランスミッション２２の構成を示すスケルトン図である。トランスミッション２２は、いわゆるＨＭＴ（油圧－機械式変速装置）である。

図２に示すように、トランスミッション２２は、入力軸３１、出力軸３２、第１遊星歯車機構３３、第２遊星歯車機構３４、第３遊星歯車機構３５、第１可変装置３６、及び第２可変装置３７を備える。

入力軸３１は、エンジン２１に接続される。出力軸３２は、走行装置２３に接続される。第１遊星歯車機構３３、第２遊星歯車機構３４、及び第３遊星歯車機構３５は、同軸に配置される。入力軸３１及び出力軸３２それぞれは、第１遊星歯車機構３３、第２遊星歯車機構３４、及び第３遊星歯車機構３５の中心軸Ｃ１から偏心して配置される。

第１遊星歯車機構３３は、第１キャリア４１、複数の第１プラネタリギア４２、第１サンギア４３、及び第１リングギア４４を有する。入力軸３１には、入力ギア４５が嵌合される。第１キャリア４１は、外歯式のギア４６を含む。ギア４６と入力ギア４５が噛み合うことにより、第１キャリア４１は入力軸３１に接続される。第１プラネタリギア４２は、第１キャリア４１に連結されており、第１キャリア４１とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。第１サンギア４３は、シャフト５５に嵌合されており、シャフト５５と一体的に回転可能である。第１サンギア４３は、第１プラネタリギア４２と噛み合う。第１リングギア４４は、第１プラネタリギア４２と噛み合う。

第２遊星歯車機構３４は、第２サンギア５１、複数の第２プラネタリギア５２、第２キャリア５３、及び第２リングギア５４を有する。第２サンギア５１は、第１キャリア４１に連結されており、第１キャリア４１とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。第２サンギア５１は、シャフト５５周りを空転可能である。第２プラネタリギア５２は、第２サンギア５１と噛み合う。第２キャリア５３は、第２プラネタリギア５２に連結されており、第２プラネタリギア５２とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。第２リングギア５４は、第２プラネタリギア５２と噛み合う。

第２リングギア５４は、第１リングギア４４に接続される。第１リングギア４４及び第２リングギア５４は、一体的に形成されており、リング部材４７を構成する。リング部材４７の外周面は、外歯式のギア４８を含む。ギア４８は、第１可変装置３６に接続される。

第１可変装置３６は、油圧式のポンプ／モータである。第１可変装置３６の容量は、コントローラ２７によって制御される。コントローラ２７は、第１可変装置３６の回転速度を制御することによって、入力軸３１に対する出力軸３２の速度比を無段変速させる。第１可変装置３６の回転軸には、ギア４９が嵌合される。ギア４９は、上述のギア４８と噛み合う。

第３遊星歯車機構３５は、第３キャリア６１、複数の第３プラネタリギア６２、第３サンギア６３、及び第３リングギア６４を有する。第３キャリア６１は、第２キャリア５３に接続されており、第２キャリア５３とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。第３キャリア６１は、第２キャリア５３と一体でも別体でもよい。第３プラネタリギア６２は、第３キャリア６１に連結されており、第３キャリア６１とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。

第３サンギア６３は、第３プラネタリギア６２と噛み合う。第３サンギア６３は、シャフト５５周りを空転可能である。第３リングギア６４は、第３プラネタリギア６２と噛み合う。第３リングギア６４は、回転不能である。第３リングギア６４は、例えばトランスミッション２２のハウジングに固定される。第３遊星歯車機構３５は、第２遊星歯車機構３４からの回転を増速して出力する。

第２可変装置３７は、油圧式のポンプ／モータである。第２可変装置３７は、第１可変装置３６と図示しない油圧回路によって接続されている。第１可変装置３６がポンプとして機能してトランスミションオイルを吐出する場合、第２可変装置３７はモータとして機能して第１可変装置３６からのトランスミションオイルによって駆動される。第２可変装置３７がポンプとして機能してトランスミションオイルを吐出する場合、第１可変装置３６はモータとして機能して第２可変装置３７からのトランスミションオイルによって駆動される。

第２可変装置３７の容量は、コントローラ２７によって制御される。コントローラ２７は、第２可変装置３７の回転速度を制御することによって、速度比を無段変速させる。第２可変装置３７は、第２遊星歯車機構３４と同軸に配置される。

第２可変装置３７の回転軸には、シャフト５５が接続される。シャフト５５には、第１サンギア４３が嵌合される。シャフト５５は、第１サンギア４３及び第２可変装置３７を連結する。シャフト５５は、第１乃至第３遊星歯車機構３３～３５と同軸に配置される。

トランスミッション２２は、低速ギア６５、高速ギア６６、中速ギア６７、低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３を備える。低速ギア６５、高速ギア６６、及び中速ギア６７は、第１乃至第３遊星歯車機構３３～３５と同軸に配置される。低速ギア６５は、シャフト５５に嵌合されており、シャフト５５とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。低速ギア６５は、低速クラッチ７１を介して出力軸３２に接続される。

高速ギア６６は、高速クラッチ７２を介してシャフト５５に接続される。高速クラッチ７２が係合されると、高速ギア６６はシャフト５５とともに回転可能である。高速ギア６６は、出力軸３２に接続される。中速ギア６７は、第３サンギア６３に接続されており、第３サンギア６３とともに中心軸Ｃ１回りに回転可能である。中速ギア６７は、第３サンギア６３と一体でも別体でもよい。

低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３それぞれは、複数のクラッチディスクを有する油圧式の湿式多板クラッチである。低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３それぞれの係合及び解放は、コントローラ２７によって制御される。

本実施形態において、低速クラッチ７１が有するクラッチディスクの枚数は、中速クラッチ７３が有するクラッチディスクの枚数より多く、高速クラッチ７２が有するクラッチディスクの枚数より多いものとする。ただし、各クラッチ７１～７３それぞれが有するクラッチディスクの枚数は適宜変更可能である。

低速クラッチ７１は、出力軸３２とシャフト５５との連結及び遮断を切り換える。低速クラッチ７１が係合されると、低速ギア６５を介して、シャフト５５の回転が出力軸３２に伝達される。高速クラッチ７２は、出力軸３２とシャフト５５との連結及び遮断を切り換える。高速クラッチ７２が係合されると、シャフト５５の回転が出力軸３２に伝達される。中速クラッチ７３は、出力軸３２と第３サンギア６３との連結及び遮断を切り換える。中速クラッチ７３が係合されると、中速ギア６７を介して、第３サンギア６３の回転が出力軸３２に伝達される。本実施形態において、低速クラッチ７１は、本開示に係る「クラッチ」の一例である。低速クラッチ７１の構成及び制御については後述する。

なお、図２では、低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３それぞれと出力軸３２との間の構成の一部が省略されている。低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３それぞれと出力軸３２との間には、他のクラッチやギア（例えば、前進ギア、後進ギアなど）が配置されていてもよい。

（低速クラッチ７１）
図３は、低速クラッチ７１の構成を示す断面図である。図３に示すように、低速クラッチ７１は、第１回転要素８１、第２回転要素８２、複数の第１クラッチディスク８３、複数の第２クラッチディスク８４、第１戻しバネ８５、複数の第２戻しバネ８６、及びピストン８７を備える。

第１回転要素８１は、第２回転要素８２と対向する。第１回転要素８１は、第２回転要素８２から離れている。

第１及び第２クラッチディスク８３，８４は、第１及び第２回転要素８１，８２の間に配置される。第１及び第２クラッチディスク８３，８４は、所定方向において交互に配置される。第１及び第２クラッチディスク８３，８４は、トランスミッション２２の内部に封入されたトランスミションオイルによって潤滑される。本実施形態において、第１及び第２クラッチディスク８３，８４は、本開示に係る「複数のクラッチディスク」の一例である。

第１クラッチディスク８３は、第１回転要素８１に支持されており、第１回転要素８１とともに回転する。第１クラッチディスク８３は、ピストン８７に押圧されることによって所定方向に移動する。第２クラッチディスク８４は、第２回転要素８２に支持されており、第２回転要素８２とともに回転する。第２クラッチディスク８４は、第１クラッチディスク８３に押圧されることによって所定方向に移動する。

第１戻しバネ８５は、第１のスペーサ９１及び第２のスペーサ９２の間に圧縮された状態で保持される。第１戻しバネ８５は、所定方向において第１回転要素８１から離れる向きに第２回転要素８２を付勢する。第１戻しバネ８５としては、例えばコイルスプリングを用いることができる。

第２戻しバネ８６は、２枚の第１クラッチディスク８３の間に配置される。第２戻しバネ８６は、所定方向において２枚の第１クラッチディスク８３どうしが離れるよう付勢する。第２戻しバネ８６としては、例えばウェーブスプリングを用いることができる。

ピストン８７は、第１クラッチディスク８３に接触している。ピストン８７は、油室８８に供給されるトランスミションオイルの供給油圧に応じて、所定方向に移動可能である。トランスミションオイルの供給油圧は、コントローラ２７によって制御される。

ここで、図４は、ピストン８７の位置と供給油圧との関係を示すグラフである。

供給油圧が０以上Ｆ１以下の範囲において、ピストン８７の押圧力は第２戻しバネ８６の付勢力より小さい。このとき、ピストン８７は「第１位置」に位置する。第１位置とは、ピストン８７のストロークが“０”の位置である。各クラッチディスク８３，８４は、「初期位置」に維持される。初期位置とは、各クラッチディスク８３，８４が非係合状態に維持され、かつ、ピストン８７によって押圧もされない位置である。

供給油圧がＦ１超Ｆ２未満の範囲において、ピストン８７は第１のスペーサ９１から離れており、かつ、ピストン８７の押圧力は第２戻しバネ８６の付勢力より大きい。このとき、ピストン８７は、供給油圧の増大に伴い、第２戻しバネ８６の付勢力に抗して所定方向に移動する。供給油圧が増大しても各クラッチディスク８３，８４は非係合状態に維持されるが、供給油圧の増大に伴って各クラッチディスク８３，８４どうしの隙間は初期位置に比べて徐々に狭くなる。

供給油圧がＦ２以上Ｆ３以下の範囲において、ピストン８７は第１のスペーサ９１に当接しており、かつ、ピストン８７の押圧力は第１及び第２戻しバネ８５，８６の付勢力より小さい。このとき、ピストン８７は、供給油圧が増大しても、第１及び第２戻しバネ８５，８６の付勢力によって「第２位置」に維持される。各クラッチディスク８３，８４は、供給油圧が増大しても、「待機位置」に維持される。待機位置とは、各クラッチディスク８３，８４が非係合状態に維持され、かつ、各クラッチディスク８３，８４どうしの隙間が初期位置より狭い位置である。「第２位置」は「待機位置」に相当する。

供給油圧がＦ３超Ｆ４以下の範囲において、ピストン８７の押圧力は第１及び第２戻しバネ８５，８６の付勢力より大きい。このとき、ピストン８７は、供給油圧の増大に伴い、第１及び第２戻しバネ８５，８６の付勢力に抗して「第３位置」まで移動する。そして、供給油圧がＦ４に達したとき、各クラッチディスク８３，８４は係合される。このように、供給油圧がＦ４以上であると、各クラッチディスク８３，８４は「係合位置」に位置する。係合位置とは、各クラッチディスク８３，８４が係合状態となる範囲内の位置である。

以上の通り、供給油圧が０以上Ｆ４未満である場合、各クラッチディスク８３，８４が非係合状態となって低速クラッチ７１は解放され、供給油圧がＦ４以上である場合、各クラッチディスク８３，８４は係合状態となって低速クラッチ７１は係合される。

（コントローラ２７）
図５は、コントローラ２７の構成を示すブロック図である。コントローラ２７は、水分量検出部２７ａ及び油圧制御部２７ｂを備える。

水分量検出部２７ａは、水分量センサ８０に接続される。水分量センサ８０は、トランスミッション２２の内部に封入されたトランスミションオイルに混入している水分量を検出する。水分量センサ８０としては、既知の水分量センサ（例えば、光学式のセンサ、静電容量式のセンサ、或いはその他のセンサ）を用いることができる。水分量センサ８０は、トランスミションオイルの流路に配置することができる。水分量センサ８０は、検出した水分量を水分量検出部２７ａに送信する。

水分量検出部２７ａは、水分量センサ８０によって検出された水分量が所定の閾値以上であるか否かを判定する。所定の閾値は、各クラッチ７１～７３に劣化（例えば、摩擦材の剥離など）が生じるおそれのある程度の水分量に設定される。水分量が所定の閾値以上になった場合、水分量検出部２７ａは、トランスミションオイルへの水分混入が検出されたことを示す検出信号を油圧制御部２７ｂに送信する。当該検出信号は、本開示に係る「昇温要求」の一例である。

油圧制御部２７ｂは、水分量検出部２７ａからの検出信号に応じて低速クラッチ７１にトランスミションオイルを供給する。具体的には、油圧制御部２７ｂは、低速クラッチ７１に供給されるトランスミションオイルの供給油圧をＦ２以上Ｆ３以下の範囲内に制御することで、各クラッチディスク８３，８４を待機位置に移動させる。

これによって、各クラッチディスク８３，８４を非係合状態に維持しながら、各クラッチディスク８３，８４どうしの隙間を狭くすることができる。そのため、トランスミションオイルに混入した水分が各クラッチディスク８３，８４の摩擦材に浸潤することを抑制しながら、各クラッチディスク８３，８４どうしの隙間を通過するトランスミションオイルの圧力損失（ロス）を増大させてトランスミションオイルを昇温することができる。従って、各クラッチディスク８３，８４の劣化を抑制しながら、トランスミションオイルに混入した水分を簡素な構成で短時間に除去することができる。

本実施形態において、低速クラッチ７１は、伝達すべきトルクとの関係から、低速クラッチ７１、高速クラッチ７２、及び中速クラッチ７３のうちクラッチディスクの枚数が最も多いクラッチである。そのため、高速クラッチ７２又は中速クラッチ７３を待機位置に移動させる場合に比べて、トランスミションオイルを迅速に昇温することができる。

なお、本実施形態に係るトランスミッション２２はＨＭＴであるためトルクコンバータを備えておらず、トランスミションオイルの温度が上がりにくい。そのため、低速クラッチ７１を待機位置に移動させてトランスミションオイルを昇温することで得られる上記効果は特に有効である。

水分量検出部２７ａは、検出信号を油圧制御部２７ｂに送信した後、水分量センサ８０によって検出される水分量が所定の閾値未満になったか否かを判定する。水分量が所定の閾値未満になった場合、水分量検出部２７ａは、トランスミションオイルの昇温を停止すべきことを示す停止信号を油圧制御部２７ｂに送信する。

油圧制御部２７ｂは、水分量検出部２７ａから停止信号を受信すると、低速クラッチ７１を初期位置に戻す。

（実施形態の変形例）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。

［変形例１］
上記実施形態においては、作業車両１はホイールローダであることとしたが、ブルドーザ、油圧ショベル、ダンプトラック、モーターグレーダなどの他の種類の作業車両であってもよい。

［変形例２］
上記実施形態において、トランスミッション２１はＨＭＴであることとしたが、ＨＳＴ（静油圧式変速装置）、ＥＭＴ（電気－機械式変速装置）、複数の変速ギアを含む多段式トランスミッションなどの他の種類のトランスミッションであってもよい。

［変形例３］
上記実施形態において、油圧制御部２７ｂは、水分量検出部２７ａから検出信号を受信したことに応じて低速クラッチ７１を待機位置に移動させることとしたが、これに限られない。油圧制御部２７ｂは、オペレータ操作に基づく操作信号を受信したことに応じて、低速クラッチ７１を待機位置に移動させてもよい。この場合、作業車両１は、トランスミションオイルを昇温するためにオペレータが操作する操作部材（例えば、スイッチ、レバーなど）を備えており、操作部材はオペレータ操作に応じた操作信号を油圧制御部２７ｂに送信する。当該操作信号は、本開示に係る「昇温要求」の一例である。

［変形例４］
上記実施形態において、水分量検出部２７ａは、水分量センサ８０によって検出される水分量が所定の閾値以上になったことをもってトランスミションオイルへの水分混入を検出することとしたが、これに限られない。水分量検出部２７ａは、周知の手法によって演算される水分量の推定値が所定の閾値以上になったことをもってトランスミションオイルへの水分混入を検出してもよい。

［変形例５］
上記実施形態において、コントローラ２７は、低速クラッチ７１を待機位置に移動させることとしたが、これに限られない。コントローラ２７は、トランスミッションが備える少なくとも１つのクラッチを待機位置に移動させればよい。例えば、コントローラ２７は、高速クラッチ７２及び中速クラッチ７３のうちの一方と低速クラッチ７１との両方を待機位置に移動させてもよいし、高速クラッチ７２及び中速クラッチ７３のうちの一方だけを待機位置に移動させてもよいし、各クラッチ７１～７３の全てを待機位置に移動させてもよい。さらに、待機位置に移動させるクラッチは、他のクラッチ（例えば、前進クラッチ、後進クラッチなど）であってもよい。

［変形例６］
低速クラッチ７１の待機位置は、各クラッチディスク８３，８４の初期位置及び係合位置の間の任意の位置に設定することができる。

１ 作業車両
２ 車体
２１ エンジン
２２ トランスミッション
２３ 走行装置
２７ コントローラ
２７ａ 水分量検出部
２７ｂ 油圧制御部
７１ 低速クラッチ
７２ 高速クラッチ
７３ 中速クラッチ
８３ 第１クラッチディスク
８４ 第２クラッチディスク
８７ ピストン

Claims (4)

1. トランスミションオイルによって潤滑される複数のクラッチディスクを有するクラッチと、
   前記クラッチの係合及び解放を制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記トランスミションオイルの昇温要求に応じて、前記複数のクラッチディスクを初期位置及び係合位置の間の待機位置に移動させる、
   作業車両。
   
2. 前記昇温要求は、前記トランスミションオイルへの水分混入が検出されたことを示す検出信号である、
   請求項１に記載の作業車両。
   
3. 前記昇温要求は、オペレータ操作に基づく操作信号である、
   請求項１に記載の作業車両。
   
4. クラッチが有する複数のクラッチディスクを潤滑するトランスミションオイルの昇温要求を受信することと、
   前記複数のクラッチディスクを待機位置に移動させることと、
   を備える作業車両の制御方法。
   
   

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