JP4540220B2 - 牽引力算出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラクタ等の牽引作業車が、牽引式作業機を牽引する力を算出するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、トラクタなどの牽引作業車で牽引力を求める際には、トラクタ本体と牽引式作業機との連結部のひずみの大きさを検出していた。特にトラクタの場合では、本体と牽引式作業機とを接続するトップリンクの反力などを検出して、該検出値に基づき牽引力を求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の技術では、連結部のひずみやトップリンクの反力を検出するための牽引力センサを設ける必要があり、コストアップを生じていた。また、このような牽引力センサを牽引作業車本体に備える場合は、該牽引力センサの配設位置によって、牽引力の検出に誤差を生じることがあった。例えば、プラウ作業を行った場合、土質や走行状態により、作業機が真っ直ぐに牽引されずに斜め方向に牽引されて、左右いずれか一方の牽引力センサに圧縮力が生じ、正確な牽引力が検出されないことがある。さらに例えば、プラウ作業中には、プラウへ上下方向の力がかかるが、このプラウにかかる上下方向の力によって、牽引力センサに前方向への力が加わるため、該牽引力センサにより検出される牽引力に誤差が発生することがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するための手段を説明する。
請求項１においては、機関（１１）を搭載した牽引作業車（１）の制御装置において、該機関（１１）の燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で機関回転数（Ｎ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）と、燃料噴射量により機関総負荷（Ｌ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で平均して、等速走行中における平均の機関回転数（ＮＡ）として算出し、該機関（１１）の、ある平均の機関回転数（ＮＡ）における機関（１１）の最大燃料噴射時を、最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））とし、該最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））に対する機関総負荷（Ｌ）の比率である機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）を求め、無牽引時における機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）である基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、前記機関総負荷（Ｌ）に対する牽引力（Ｆｄ）の増減割合（Ｇ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を、同じく、予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、これらのマップから平均の機関回転数（ＮＡ）と変速段（ｓ）とに応じて、無牽引時に要する基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と増減割合（Ｇ（ｓ））とを算出し、該機関総負荷（Ｌ）と牽引力（Ｆｄ）が正比例するものとして、該機関総負荷（Ｌ）より無牽引時に要する機関負荷を減じた値に、前記増減割合（Ｇ（ｓ））を乗じた値を牽引力（Ｆｄ）として算出するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例を説明する。
【０００６】
図１は後端部にプラウを装着したトラクタを示す全体側面図であり、図２は機関負荷を検出するように構成した機関を示す概略図であり、図３は機関総負荷検出方法を示す図であり、図４は第一構成例における牽引力検出機構を示す図であり、図５はトラクタの牽引力と走行抵抗の割合を示す図であり、図６は牽引力と機関総負荷との関係を示す図であり、図７は増減割合および基準負荷値と機関総負荷との関係を示す図であり、図８は第一実施例における牽引力検出機構を示す図である。
【０００７】
本発明の牽引力算出装置を適用する一例としての牽引作業車について、図１よりその概略構成を説明する。牽引作業車であるトラクタ１の機体前部にはボンネット２６が配設され、該ボンネット２６には、機関１１としてのエンジンやバッテリー等が内装されている。またボンネット２６の下方には、前輪２４が配置されている。ボンネット２６の後方にはステアリングハンドル１０が配設され、その後方にはシート２０が設けられ、シート２０の下方に後輪たる駆動輪２５が配置されている。トラクタ１の後端部には、３点リンクのトップリンク１６及び左右ロアリンク１７・１７を介して、牽引式作業機であるプラウ２７が装着されている。左右各ロアリンク１７は、上下回動可能に構成された左右各リフトアーム１８に対し、リフトロッド１９を介して連結され、該リフトアーム１８の上下回動に伴って昇降するように構成されており、リフトアーム１８のリフト角を変化することで、プラウ２７の耕深を調節するようにしている。
【０００８】
次いで、前記機関１１について説明する。図２に示すように、ボンネット２６に内装される機関１１のクランク軸２の端部にはフライホイール３が取り付けられ、該フライホイール３の外周にはリングギア４が固設されている。また機関１１には、回転数検出センサ５がリングギア４の外周面に近接して取り付けられ、該回転数検出センサ５により機関１１の回転数を検出するように構成している。回転数検出センサ５は、電磁ピックアップ等により構成された機関回転数検出手段である。さらに、機関１１は燃料噴射ポンプ６を具備しており、該燃料噴射ポンプ６には燃料噴射量を調節するための燃料ラックが設けられ、燃料ラック位置Ｒはガバナ装置により制御されている。また燃料噴射ポンプ６には、燃料ラック位置Ｒを検出する燃料ラック位置センサ７が取り付けられている。また、回転数検出センサ５および燃料ラック位置センサ７は、演算手段である負荷算出装置８に接続されて、負荷算出機構を構成している。
【０００９】
牽引力算出装置は、前述したような牽引作業車の牽引力を算出して出力するものである。ここで牽引力算出装置は、後述するように、前記機関１１の機関総負荷Ｌを牽引力算出における入力値の一つとしている。したがって、まず、機関総負荷Ｌの算出方法について説明する。
【００１０】
前記クランク軸２には、燃料噴射量によって決定される機関１１の出力と、機関１１に外部から加えられる負荷による力とが加えられている。これらの力より、クランク軸２まわりの回転の運動方程式は、（１）式のように表される。
Ｌ＝ｆ（Ｒ）−Ｋ×（２π×ΔＮ／ΔＴ） ……（１）
ここで、右辺の２πとΔＮ／ΔＴとの積はクランク軸２の角加速度を表している。また、Ｋはクランク軸２の等価慣性モーメントを示す定数である。ｆ（Ｒ）は、燃料ラック位置Ｒを変数とする機関１１の現在出力として表される。この表記により、機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）が、燃料ラック位置Ｒによって決定される燃料噴射量に応じて、変化することを示している。そして（１）式より、機関総負荷Ｌが機関１１に加えられる負荷全体によるトルクを表している。
【００１１】
ここで、時刻Ｔｊにおける運動方程式を、（２）式で表す。
Ｌｊ＝ｆ（Ｒｊ）−Ｋ×（２π×ΔＮｊ／ΔＴｊ） ……（２）
Ｌｊは時刻Ｔｊにおける機関総負荷であり、Ｒｊは時刻Ｔｊにおける燃料ラック位置であり、Ｎｊは後述するように、時刻Ｔｉにおける平均の機関回転数としている。
【００１２】
燃料ラック位置Ｒは、前述したように、燃料ラック位置センサ７により検出される。したがって時刻Ｔｊにおける機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）が、負荷算出装置８にて、検出された燃料ラック位置Ｒｊより算出される。
【００１３】
時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊは、本実施例では（３）式のようにして求められる。
ΔＮｊ／ΔＴｊ＝（Ｎｊ−Ｎｉ）／（Ｔｊ−Ｔｉ） ……（３）
ここで、時刻Ｔｊは時刻Ｔｉより後の時刻であり、Ｎｊは時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数としている。また、ｔｉ・ｔｊは、それぞれ時刻Ｔｉ・Ｔｊにおける平均の機関回転数を決定するための検出時間を示しており、検出時間ｔｉ・ｔｊの終了時刻はそれぞれ時刻Ｔｉ・Ｔｊと一致している。
【００１４】
図３には、機関回転数Ｎの時間変化が示されている。ここで、機関回転数Ｎｉは、時刻Ｔｉでの真の機関回転数Ｎとは異なり、検出時間ｔｉ間における平均の回転数としている。また、時刻Ｔｊにおける機関回転数も同様に、検出時間ｔｊ間の平均の回転数としている。図３には、検出時間ｔｉ・ｔｊにおける機関回転数Ｎの変化幅が、それぞれ破線および実線にて示されている。検出時間ｔｉ・ｔｊは、機関１１における燃焼サイクルの整数倍の時間間隔とされており、本実施例の場合２燃焼サイクル分の時間としている。検出時間を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔として、平均の機関回転数を算出するのは、燃焼によるクランク軸２の回転変動の影響を除くためである。
【００１５】
本発明においては、機関総負荷Ｌｊは時刻Ｔｊ−時刻Ｔｉの時間差ΔＴｊごとに求められる。ここで、時間差ΔＴｊは１燃焼サイクル分の時間より小さな時間としている。そして負荷算出装置８で、時間差ΔＴｊごとに平均の機関回転数Ｎｊの変化を算出して、機関総負荷Ｌｊの１燃焼サイクル分の時間未満の変化を追跡できるようにしている。なお、時間差ΔＴｊは、必ずしも一定値とする必要はない。
【００１６】
機関１１が備える気筒数が３の場合は、機関１１の１燃焼サイクルにおいては山が３つ存在し、２燃焼サイクルでは６つ存在する。検出時間を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔としたのは、前述したように、燃焼による回転変動の影響を除くためである。このため、１燃焼サイクルの時間間隔を機関１１が備える気筒数で割った時間間隔を検出時間としても、燃焼による回転変動の影響を除くことが出来る。したがって検出時間を、燃焼サイクルの整数倍を気筒数で除した時間間隔、としてもよい。
【００１７】
機関１１は４サイクル機関に構成されているので、１燃焼サイクルの間に、クランク軸２は２回転する。また、前記回転数検出センサ５により、リングギア４の歯が通過するタイミング毎に負荷算出装置８へ向けてパルス信号が発せられる。リングギア４がｍ枚の歯を有する場合、１燃焼サイクルの間には２ｍ個のパルスが検出される。負荷算出装置８ではパルス毎の時間間隔をタイマー等によって計測する。そして、時刻Ｔｊにおける１燃焼サイクルにかかった時間が、時刻Ｔｊの直近２ｍ個のパルスの時間間隔の合計時間で計算される。
したがって、平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊは（４）式・（５）式のように求められる。
Ｎｉ＝２／ｔｉ ……（４）
Ｎｊ＝２／ｔｊ ……（５）
なお、本実施例では検出時間ｔｉ・ｔｊを、１燃焼サイクルの時間間隔としている。そして１燃焼サイクルの間にクランク軸２は２回転するため、検出時間ｔｉ・ｔｊは、クランク軸２が１回転するのに要する時間の２倍に相当する。（４）式および（５）式における分子の２は、検出時間ｔｉ・ｔｊ間にクランク軸２が２回転することを示している。
【００１８】
そして、（４）式および（５）式より求められた平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊを、（３）式に代入して、検出時間ｔｉ・ｔｊより、時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊを求めることが出来る。
【００１９】
以上のようにして、検出時間ｔｉ・ｔｊおよび燃料ラック位置Ｒｉ・Ｒｊより、時刻Ｔｊにおける機関総負荷Ｌｊを求めることが出来る。図４に示すように、回転数検出センサ５により検出された検出時間ｔｉ・ｔｊおよび、燃料ラック位置センサ７により検出された燃料ラック位置Ｒｉ・Ｒｊが負荷算出装置８に入力される。そして該負荷算出装置８において、まず燃料サイクルの整数倍の時間間隔である検出時間ｔｉ・ｔｊより、平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊが算出される。次いで、平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊと、燃料ラック位置Ｒによって決定される燃料噴射量による現在出力ｆ（Ｒｊ）とから、機関総負荷Ｌｊが算出される。なお、機関総負荷Ｌｊは、トルクメータ等で検出する方法も考えられる。
【００２０】
これより、本発明の牽引力算出装置について説明する。以下で、第一構成例および第一実施例における牽引力算出装置について説明するが、それらの牽引力算出装置はそれぞれ異なる牽引力算出方法に従って、牽引力を算出するものである。まず、第一構成例の牽引力算出装置３０における牽引力算出方法について説明する。
【００２１】
前記機関１１の出力は、牽引作業車であるトラクタ１の推進力Ｐとなる。また、トラクタ１の牽引作業中における推進力Ｐは、（６）式に示すように、牽引力Ｆｄと走行抵抗力Ｐｒとを合わせたものに等しい。
Ｐ＝Ｆｄ＋Ｐｒ ……（６）
推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄと走行抵抗力Ｐｒとの割合ｙ（ｓ）は、実験によって求められる。なお後述するように、推進力Ｐは機関総負荷Ｌに正比例するものである。そして、割合ｙ（ｓ）を実験によって求めることで、機関総負荷Ｌに対する牽引力Ｆｄの比が、変速段ｓごとに求められ、図５に示すようなマップを作成することができる。第一構成例における牽引力算出方法では、作業時での牽引力Ｆｄの算出に先立ち、このマップを予め作成しておくのである。なお、この実験においては、前記プラウ２７に牽引力センサを備えて、牽引力の検出を行っている。割合ｙ（ｓ）は変速段ｓに対する関数として求められている。ここでこの割合には、推進力Ｐの大きさは関わりがない。変速段ｓが同一の場合は、推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄと走行抵抗力との割合は、推進力Ｐの大きさに依らず一定となる。
【００２２】
トラクタ１は牽引作業中においては、等速で走行しながら牽引作業機である前記プラウ２７等を牽引して作業を行う。等速走行中においては、前記（１）式において、機関回転数Ｎの時間変化ΔＮ／ΔＴが０であるため、（７）式に示すように、前記現在出力ｆ（Ｒ）と機関総負荷Ｌとが等しいものとなる。
Ｌ＝ｆ（Ｒ） ……（７）
このとき推進力Ｐは、機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）に等しい機関総負荷Ｌと、減速比ｎ（ｓ）と、前記駆動輪２５の半径ｒとを用いて、（８）式のように表される。
Ｐ＝Ｌ×ｎ（ｓ）／ｒ ……（８）
ここで減速比ｎ（ｓ）は、機関１１から駆動輪２５までの動力伝達経路において減速される比率である。機関１１の出力は、動力伝達経路のギア、ベルト、チェーン等の組み合わせによって、まず必然的に減速される。これは固定的な減速である。加えて、変速段ｓの切換によって、機関１１の出力は変速（減速）される。これは可変的な変速（減速）である。つまり減速比ｎ（ｓ）は、変速段ｓを変数とする関数として求めることが出来る。したがって、推進力Ｐが機関総負荷Ｌと変速段ｓの関数であることがわかる。
【００２３】
（８）式で、機関総負荷Ｌと減速比ｎ（ｓ）との積は、機関１１の出力により駆動輪２５を回転させるのに働いているトルクの大きさを示している。そして、該トルクを駆動輪２５の半径ｒで割ることで、駆動輪２５が地面を押す力、すなわち推進力Ｐが求められる。
【００２４】
求められた推進力Ｐに対して、図５に示す関係より牽引力Ｆｄが（９）式のようにして求められる。
Ｆｄ＝Ｐ×｛ｙ（ｓ）／１００｝ ……（９）
ここで、前述した割合ｙ（ｓ）は、推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄの割合を百分率で求めたものである。また、同じく前述したように、牽引力Ｆｄは推進力Ｐに依存しているため、割合ｙ（ｓ）は変速段ｓを変数とする関数となっている。また、（９）式に（８）式を代入して、（１０）式が導かれる。
Ｆｄ＝Ｌ×｛ｙ（ｓ）／１００｝×｛ｎ（ｓ）／ｒ｝ ……（１０）
【００２５】
減速比ｎ（ｓ）は、前記動力伝達機構の構成によって決定される。割合ｙ（ｓ）は、図５に示す関係より求められる。この減速比ｎ（ｓ）および割合ｙ（ｓ）は、共に変速段ｓの関数である。また、半径ｒは駆動輪２５の大きさより決定される定数である。（１０）式に示されるように、牽引力Ｆｄは機関総負荷Ｌおよび変速段ｓに依存する関数である。つまり牽引力Ｆｄは、機関総負荷Ｌおよび変速段ｓを変数とする２変数関数である。したがって、この二つの変数の値を得ることで、牽引力Ｆｄを求めることが出来る。
【００２６】
図４に示すように、第一構成例の牽引力算出装置３０は、前記負荷算出装置８および変速検出センサ３１に接続されている。変速検出センサ３１は、トラクタ１の変速段ｓを検出する手段である。第一構成例における牽引力算出方法では、まず変速段ｓに対する割合ｙ（ｓ）が、前述したように実験によって算出される。また（８）式より機関総負荷Ｌから推進力Ｐが算出される。前述したように、割合ｙ（ｓ）は推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄの比であり、変速段ｓに対応して変化するものである。そして、割合ｙ（ｓ）を変速段ｓごとに求めて、図５に示すようなマップが作成されている。そしてこの前提の下で、前記負荷算出装置８において機関総負荷Ｌが前述のようにして算出される。次いで牽引力算出装置３０において、検出された機関総負荷Ｌ（推進力Ｐと正比例）と、走行検出センサ３１より検出された変速段ｓと合わせて、図５に示すマップより牽引力Ｆｄが算出される。
【００２７】
次に、第一実施例の牽引力算出装置４０における牽引力算出方法について説明する。まず、図６について説明する。図６は、変速段ｓを固定して前記プラウ２７を備えたトラクタ１を走行させ、変速段ｓごとの前記牽引力Ｆｄを検出すると共に、同じく変速段ｓごとの前記機関総負荷Ｌを算出した結果を示したものである。ここで、牽引力Ｆｄは前述したように、プラウ２７に備えた牽引力センサより検出されるようにしている。また機関総負荷Ｌの算出についても、前述した算出方法にしたがって行われるようにしている。なお、第一実施例における牽引力算出方法においては、機関回転数として、前記負荷算出装置８で算出される平均の機関回転数ＮＡを用いるようにしている。これは前記機関総負荷Ｌの算出の際と同じく、燃焼による回転変動によって影響を受けることを除くためである。図６中には、それぞれ異なる変速段ｓの場合において得られた、機関負荷率Ｌｒａｔｉｏ（後述）と牽引力Ｆｄとの対応関係を示す実験値が記されている。図６中では、異なる変速段ｓ１・ｓ２・ｓ３ごとに、実験値がそれぞれ円、四角、三角の図形が配置されている座標で示されている。
【００２８】
図６中で示されている機関負荷率Ｌｒａｔｉｏは、ある平均の機関回転数ＮＡにおいて検出された機関総負荷Ｌを、その平均の機関回転数ＮＡにおける機関１１の最大現在出力（最大燃料噴射時）で除したものである。現在出力ｆ（Ｒ）が燃料ラック位置Ｒおよび平均の機関回転数ＮＡを変数とする関数とすると、ｆ（Ｒ，ＮＡ）と表される。ある平均の機関回転数ＮＡにおける機関１１の最大燃料噴射時は、最大燃料ラック位置Ｒｍａｘを用いて、最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）と表される。したがって、最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）を用いて機関負荷率Ｌｒａｔｉｏは（１１）式のように表される。
Ｌｒａｔｉｏ＝Ｌ／ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ） ……（１１）
このように機関負荷率Ｌｒａｔｉｏを用いることで、機関１１の最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）に対する機関総負荷Ｌ（＝ｆ（Ｒ，ＮＡ））の比率と、牽引力Ｆｄとの関係を知ることができる。
【００２９】
図６中に示される実験値の分布より、変速段ｓを固定した場合において、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係が１次関数（正比例）で表されると推測される。そこで、この実験値の分布を、１次関数に対する誤差法を用いて近似を行うと、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係を示す１次関数を得ることができる。この近似を用いて、異なる変速段ｓ１・ｓ２・ｓ３ごとの実験値より、それぞれ実験式が得られる。この実験式は図６中では、それぞれ破線、実線、２点鎖線で示されている。
【００３０】
変速段ｓを固定した条件の下で、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとが正比例する場合、この関係は（１２）式のように表すことができる。
Ｆｄ＝｛Ｌｒａｔｉｏ−Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）｝×Ｇ（ｓ） ……（１２）
ここで、Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）は基準負荷率であり、牽引力Ｆｄが０となるときの機関総負荷の大きさを示している。増減割合Ｇ（ｓ）はこの１次関数の傾きを示している。また、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は、図６に示すように、変速段ｓによって変化するものであり、ｓの関数として表すことができる。そして、前述したようにして得られた実験式を（１２）式にあてはめて、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の値を得て（１２）式を決定し、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係を求めることができる。
【００３１】
基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は、平均の機関回転数ＮＡによって変化する値である。そこで、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）について、平均の機関回転数ＮＡとの関係を実験的に求めてみると、一例としては図７に示すようなものとなる。図７中には、ある変速段ｓに固定した場合において、それぞれ異なる三つの平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３の場合に得られた実験値が記されている。図７中で、平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３での基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の実験値が、それぞれ逆三角、菱形の図形が配置されている座標によって示されている。図７中に示されるこれらの実験値の分布を、適切な関数を仮定して試行錯誤的に最適化を行うと、同じく図７中に示すような実験式を得ることが出来る。基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の実験式は、図７中でそれぞれ実線、破線で示されている。以上のようにして、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）と平均の機関回転数ＮＡとの関係が、マップとして変速段ｓごとに図７に示すような形で求められる。また、増減割合Ｇと平均の機関回転数ＮＡとの関係も、マップとして変速段ｓごとに図７に示すような形で求められる。
【００３２】
前述したようにして、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は平均の機関回転数ＮＡおよび変速段ｓを変数とする関数として求めることができ、それぞれ基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ＮＡ，ｓ）、増減割合Ｇ（ＮＡ，ｓ）と表すことが出来る。以上のようにして、特定の平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３の場合以外の平均の機関回転数ＮＡの場合でも、変速段ｓごとに牽引力Ｆｄが（１２）式より求められる。したがって（１２）式を（１３）式のように表すことができる。
Ｆｄ＝｛Ｌ−Ｌ０ｒａｔｉｏ（ＮＡ，ｓ）｝×Ｇ（ＮＡ，ｓ） ……（１３）
したがって、牽引力Ｆｄを機関負荷率Ｌｒａｔｉｏと平均の機関回転数ＮＡと変速段ｓとを変数とする３変数関数とみなすことができる。このため、この３つの変数の値を得ることで、牽引力Ｆｄを求めることが出来る。
【００３３】
図８に示すように、第一実施例の牽引力算出装置４０は、燃料ラック位置センサ７および前記負荷算出装置８に接続されている。第一実施例における牽引力算出方法では、まず、トラクタ１の無牽引時における機関総負荷、すなわち前記基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）を実験により求める。ここで前述したように、変速段ｓごとに、異なる平均の機関回転数ＮＡに対する基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）の実験値を求め、該実験値より基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）の平均の機関回転数ＮＡに対する対応関係を導出して、変速段ｓごとにマップを作成するのである。同じく、機関負荷率Ｌｒａｔｉｏに対する牽引力Ｆｄの増減割合Ｇ（ｓ）を、変速段ｓごとに実験により求める。これも前述したように、変速段ｓごとに、異なる平均の機関回転数ＮＡに対する増減割合Ｇ（ｓ）を求め、該増減割合Ｇ（ｓ）の平均の機関回転数ＮＡに対する対応関係を導出して、変速段ｓごとにマップを作成するのである。加えて、平均の機関回転数ＮＡとしては、燃焼サイクルの整数倍の時間間隔での平均値として、燃焼による回転変動の影響を除いている。そしてこの前提の下で、前記負荷算出装置８において機関総負荷Ｌが前述のようにして算出される。次いで牽引力算出装置４０において、以下の処理が行われる。まず変速段ｓごとの図７に示すようなマップより、平均の機関回転数ＮＡに対して、ある変速段ｓのおける基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の大きさが決定される。前述したように、牽引力Ｆｄは機関総負荷Ｌに正比例するので、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）を用いて、（１３）式で示される正比例の関係式が決定される。そしてこの関係式に、検出された機関総負荷Ｌを代入して、牽引力Ｆｄが算出される。また、以上では、増減割合Ｇ（ｓ）、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）を各変速段ｓごとに求めたが、無段変速に転用する場合には、予め複数段でのそれぞれの値を求めてマップとして記憶し、各変速段ｓにおける値を直近両端値によって補間すれば良い。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の如く、機関（１１）を搭載した牽引作業車（１）の制御装置において、該機関（１１）の燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で機関回転数（Ｎ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）と、燃料噴射量により機関総負荷（Ｌ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で平均して、等速走行中における平均の機関回転数（ＮＡ）として算出し、該機関（１１）の、ある平均の機関回転数（ＮＡ）における機関（１１）の最大燃料噴射時を、最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））とし、該最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））に対する機関総負荷（Ｌ）の比率である機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）を求め、無牽引時における機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）である基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、前記機関総負荷（Ｌ）に対する牽引力（Ｆｄ）の増減割合（Ｇ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を、同じく、予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、これらのマップから平均の機関回転数（ＮＡ）と変速段（ｓ）とに応じて、無牽引時に要する基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と増減割合（Ｇ（ｓ））とを算出し、該機関総負荷（Ｌ）と牽引力（Ｆｄ）が正比例するものとして、該機関総負荷（Ｌ）より無牽引時に要する機関負荷を減じた値に、前記増減割合（Ｇ（ｓ））を乗じた値を牽引力（Ｆｄ）として算出するので、牽引式作業機に牽引力センサを設けなくても牽引力を算出することができ、コストダウンを図ることができる。
また、あらかじめ機関回転数と無牽引時に要する機関負荷との関係と、機関回転数と牽引力の増減割合との関係を、それぞれ変速段ごとに導出しておくことで、牽引作業車の作業時には、機関総負荷を算出し、機関回転数および変速段を検出するだけで、そのときの牽引力を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 後端部にプラウを装着したトラクタを示す全体側面図である。
【図２】 機関負荷を検出するように構成した機関を示す概略図である。
【図３】 機関総負荷検出方法を示すブロック図である。
【図４】 第一構成例における牽引力検出機構を示す図である。
【図５】 トラクタの牽引力と走行抵抗の割合を示すマップである。
【図６】 牽引力と機関負荷率との関係を変速段ごとに示すマップである。
【図７】 増減割合および基準負荷率と平均の機関回転数との関係を示すある変速段におけるマップである。
【図８】 第一実施例における牽引力検出機構を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ トラクタ
８ 負荷算出装置
１１ 機関
２７ プラウ
３０・４０ 牽引力算出装置
Ｆｄ 牽引力
Ｇ（ｓ） 増減割合
Ｌ 機関総負荷
Ｌｒａｔｉｏ 機関負荷率
Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ） 基準負荷率
Ｎ 機関回転数
Ｎｉ・Ｎｊ 平均の機関回転数
ＮＡ 平均の機関回転数
Ｒ 燃料ラック位置
ｓ 変速段
ｙ（ｓ） 割合
ｔｉ・ｔｊ 検出時間
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラクタ等の牽引作業車が、牽引式作業機を牽引する力を算出するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、トラクタなどの牽引作業車で牽引力を求める際には、トラクタ本体と牽引式作業機との連結部のひずみの大きさを検出していた。特にトラクタの場合では、本体と牽引式作業機とを接続するトップリンクの反力などを検出して、該検出値に基づき牽引力を求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の技術では、連結部のひずみやトップリンクの反力を検出するための牽引力センサを設ける必要があり、コストアップを生じていた。また、このような牽引力センサを牽引作業車本体に備える場合は、該牽引力センサの配設位置によって、牽引力の検出に誤差を生じることがあった。例えば、プラウ作業を行った場合、土質や走行状態により、作業機が真っ直ぐに牽引されずに斜め方向に牽引されて、左右いずれか一方の牽引力センサに圧縮力が生じ、正確な牽引力が検出されないことがある。さらに例えば、プラウ作業中には、プラウへ上下方向の力がかかるが、このプラウにかかる上下方向の力によって、牽引力センサに前方向への力が加わるため、該牽引力センサにより検出される牽引力に誤差が発生することがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するための手段を説明する。
請求項１においては、機関（１１）を搭載した牽引作業車（１）の制御装置において、該機関（１１）の燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で機関回転数（Ｎ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）と、燃料噴射量により機関総負荷（Ｌ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で平均して、等速走行中における平均の機関回転数（ＮＡ）として算出し、該機関（１１）の、ある平均の機関回転数（ＮＡ）における機関（１１）の最大燃料噴射時を、最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））とし、該最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））に対する機関総負荷（Ｌ）の比率である機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）を求め、無牽引時における機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）である基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、前記機関総負荷（Ｌ）に対する牽引力（Ｆｄ）の増減割合（Ｇ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を、同じく、予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、これらのマップから平均の機関回転数（ＮＡ）と変速段（ｓ）とに応じて、無牽引時に要する基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と増減割合（Ｇ（ｓ））とを算出し、該機関総負荷（Ｌ）と牽引力（Ｆｄ）が正比例するものとして、該機関総負荷（Ｌ）より無牽引時に要する機関負荷を減じた値に、前記増減割合（Ｇ（ｓ））を乗じた値を牽引力（Ｆｄ）として算出するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例を説明する。
【０００６】
図１は後端部にプラウを装着したトラクタを示す全体側面図であり、図２は機関負荷を検出するように構成した機関を示す概略図であり、図３は機関総負荷検出方法を示す図であり、図４は第一構成例における牽引力検出機構を示す図であり、図５はトラクタの牽引力と走行抵抗の割合を示す図であり、図６は牽引力と機関総負荷との関係を示す図であり、図７は増減割合および基準負荷値と機関総負荷との関係を示す図であり、図８は第一実施例における牽引力検出機構を示す図である。
【０００７】
本発明の牽引力算出装置を適用する一例としての牽引作業車について、図１よりその概略構成を説明する。牽引作業車であるトラクタ１の機体前部にはボンネット２６が配設され、該ボンネット２６には、機関１１としてのエンジンやバッテリー等が内装されている。またボンネット２６の下方には、前輪２４が配置されている。ボンネット２６の後方にはステアリングハンドル１０が配設され、その後方にはシート２０が設けられ、シート２０の下方に後輪たる駆動輪２５が配置されている。トラクタ１の後端部には、３点リンクのトップリンク１６及び左右ロアリンク１７・１７を介して、牽引式作業機であるプラウ２７が装着されている。左右各ロアリンク１７は、上下回動可能に構成された左右各リフトアーム１８に対し、リフトロッド１９を介して連結され、該リフトアーム１８の上下回動に伴って昇降するように構成されており、リフトアーム１８のリフト角を変化することで、プラウ２７の耕深を調節するようにしている。
【０００８】
次いで、前記機関１１について説明する。図２に示すように、ボンネット２６に内装される機関１１のクランク軸２の端部にはフライホイール３が取り付けられ、該フライホイール３の外周にはリングギア４が固設されている。また機関１１には、回転数検出センサ５がリングギア４の外周面に近接して取り付けられ、該回転数検出センサ５により機関１１の回転数を検出するように構成している。回転数検出センサ５は、電磁ピックアップ等により構成された機関回転数検出手段である。さらに、機関１１は燃料噴射ポンプ６を具備しており、該燃料噴射ポンプ６には燃料噴射量を調節するための燃料ラックが設けられ、燃料ラック位置Ｒはガバナ装置により制御されている。また燃料噴射ポンプ６には、燃料ラック位置Ｒを検出する燃料ラック位置センサ７が取り付けられている。また、回転数検出センサ５および燃料ラック位置センサ７は、演算手段である負荷算出装置８に接続されて、負荷算出機構を構成している。
【０００９】
牽引力算出装置は、前述したような牽引作業車の牽引力を算出して出力するものである。ここで牽引力算出装置は、後述するように、前記機関１１の機関総負荷Ｌを牽引力算出における入力値の一つとしている。したがって、まず、機関総負荷Ｌの算出方法について説明する。
【００１０】
前記クランク軸２には、燃料噴射量によって決定される機関１１の出力と、機関１１に外部から加えられる負荷による力とが加えられている。これらの力より、クランク軸２まわりの回転の運動方程式は、（１）式のように表される。
Ｌ＝ｆ（Ｒ）−Ｋ×（２π×ΔＮ／ΔＴ） ……（１）
ここで、右辺の２πとΔＮ／ΔＴとの積はクランク軸２の角加速度を表している。また、Ｋはクランク軸２の等価慣性モーメントを示す定数である。ｆ（Ｒ）は、燃料ラック位置Ｒを変数とする機関１１の現在出力として表される。この表記により、機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）が、燃料ラック位置Ｒによって決定される燃料噴射量に応じて、変化することを示している。そして（１）式より、機関総負荷Ｌが機関１１に加えられる負荷全体によるトルクを表している。
【００１１】
ここで、時刻Ｔｊにおける運動方程式を、（２）式で表す。
Ｌｊ＝ｆ（Ｒｊ）−Ｋ×（２π×ΔＮｊ／ΔＴｊ） ……（２）
Ｌｊは時刻Ｔｊにおける機関総負荷であり、Ｒｊは時刻Ｔｊにおける燃料ラック位置であり、Ｎｊは後述するように、時刻Ｔｉにおける平均の機関回転数としている。
【００１２】
燃料ラック位置Ｒは、前述したように、燃料ラック位置センサ７により検出される。したがって時刻Ｔｊにおける機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）が、負荷算出装置８にて、検出された燃料ラック位置Ｒｊより算出される。
【００１３】
時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊは、本実施例では（３）式のようにして求められる。
ΔＮｊ／ΔＴｊ＝（Ｎｊ−Ｎｉ）／（Ｔｊ−Ｔｉ） ……（３）
ここで、時刻Ｔｊは時刻Ｔｉより後の時刻であり、Ｎｊは時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数としている。また、ｔｉ・ｔｊは、それぞれ時刻Ｔｉ・Ｔｊにおける平均の機関回転数を決定するための検出時間を示しており、検出時間ｔｉ・ｔｊの終了時刻はそれぞれ時刻Ｔｉ・Ｔｊと一致している。
【００１４】
図３には、機関回転数Ｎの時間変化が示されている。ここで、機関回転数Ｎｉは、時刻Ｔｉでの真の機関回転数Ｎとは異なり、検出時間ｔｉ間における平均の回転数としている。また、時刻Ｔｊにおける機関回転数も同様に、検出時間ｔｊ間の平均の回転数としている。図３には、検出時間ｔｉ・ｔｊにおける機関回転数Ｎの変化幅が、それぞれ破線および実線にて示されている。検出時間ｔｉ・ｔｊは、機関１１における燃焼サイクルの整数倍の時間間隔とされており、本実施例の場合２燃焼サイクル分の時間としている。検出時間を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔として、平均の機関回転数を算出するのは、燃焼によるクランク軸２の回転変動の影響を除くためである。
【００１５】
本発明においては、機関総負荷Ｌｊは時刻Ｔｊ−時刻Ｔｉの時間差ΔＴｊごとに求められる。ここで、時間差ΔＴｊは１燃焼サイクル分の時間より小さな時間としている。そして負荷算出装置８で、時間差ΔＴｊごとに平均の機関回転数Ｎｊの変化を算出して、機関総負荷Ｌｊの１燃焼サイクル分の時間未満の変化を追跡できるようにしている。なお、時間差ΔＴｊは、必ずしも一定値とする必要はない。
【００１６】
機関１１が備える気筒数が３の場合は、機関１１の１燃焼サイクルにおいては山が３つ存在し、２燃焼サイクルでは６つ存在する。検出時間を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔としたのは、前述したように、燃焼による回転変動の影響を除くためである。このため、１燃焼サイクルの時間間隔を機関１１が備える気筒数で割った時間間隔を検出時間としても、燃焼による回転変動の影響を除くことが出来る。したがって検出時間を、燃焼サイクルの整数倍を気筒数で除した時間間隔、としてもよい。
【００１７】
機関１１は４サイクル機関に構成されているので、１燃焼サイクルの間に、クランク軸２は２回転する。また、前記回転数検出センサ５により、リングギア４の歯が通過するタイミング毎に負荷算出装置８へ向けてパルス信号が発せられる。リングギア４がｍ枚の歯を有する場合、１燃焼サイクルの間には２ｍ個のパルスが検出される。負荷算出装置８ではパルス毎の時間間隔をタイマー等によって計測する。そして、時刻Ｔｊにおける１燃焼サイクルにかかった時間が、時刻Ｔｊの直近２ｍ個のパルスの時間間隔の合計時間で計算される。
したがって、平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊは（４）式・（５）式のように求められる。
Ｎｉ＝２／ｔｉ ……（４）
Ｎｊ＝２／ｔｊ ……（５）
なお、本実施例では検出時間ｔｉ・ｔｊを、１燃焼サイクルの時間間隔としている。そして１燃焼サイクルの間にクランク軸２は２回転するため、検出時間ｔｉ・ｔｊは、クランク軸２が１回転するのに要する時間の２倍に相当する。（４）式および（５）式における分子の２は、検出時間ｔｉ・ｔｊ間にクランク軸２が２回転することを示している。
【００１８】
そして、（４）式および（５）式より求められた平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊを、（３）式に代入して、検出時間ｔｉ・ｔｊより、時刻Ｔｊにおける平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊを求めることが出来る。
【００１９】
以上のようにして、検出時間ｔｉ・ｔｊおよび燃料ラック位置Ｒｉ・Ｒｊより、時刻Ｔｊにおける機関総負荷Ｌｊを求めることが出来る。図４に示すように、回転数検出センサ５により検出された検出時間ｔｉ・ｔｊおよび、燃料ラック位置センサ７により検出された燃料ラック位置Ｒｉ・Ｒｊが負荷算出装置８に入力される。そして該負荷算出装置８において、まず燃料サイクルの整数倍の時間間隔である検出時間ｔｉ・ｔｊより、平均の機関回転数Ｎｉ・Ｎｊが算出される。次いで、平均の機関回転数Ｎｊの時間変化ΔＮｊ／ΔＴｊと、燃料ラック位置Ｒによって決定される燃料噴射量による現在出力ｆ（Ｒｊ）とから、機関総負荷Ｌｊが算出される。なお、機関総負荷Ｌｊは、トルクメータ等で検出する方法も考えられる。
【００２０】
これより、本発明の牽引力算出装置について説明する。以下で、第一構成例および第一実施例における牽引力算出装置について説明するが、それらの牽引力算出装置はそれぞれ異なる牽引力算出方法に従って、牽引力を算出するものである。まず、第一構成例の牽引力算出装置３０における牽引力算出方法について説明する。
【００２１】
前記機関１１の出力は、牽引作業車であるトラクタ１の推進力Ｐとなる。また、トラクタ１の牽引作業中における推進力Ｐは、（６）式に示すように、牽引力Ｆｄと走行抵抗力Ｐｒとを合わせたものに等しい。
Ｐ＝Ｆｄ＋Ｐｒ ……（６）
推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄと走行抵抗力Ｐｒとの割合ｙ（ｓ）は、実験によって求められる。なお後述するように、推進力Ｐは機関総負荷Ｌに正比例するものである。そして、割合ｙ（ｓ）を実験によって求めることで、機関総負荷Ｌに対する牽引力Ｆｄの比が、変速段ｓごとに求められ、図５に示すようなマップを作成することができる。第一構成例における牽引力算出方法では、作業時での牽引力Ｆｄの算出に先立ち、このマップを予め作成しておくのである。なお、この実験においては、前記プラウ２７に牽引力センサを備えて、牽引力の検出を行っている。割合ｙ（ｓ）は変速段ｓに対する関数として求められている。ここでこの割合には、推進力Ｐの大きさは関わりがない。変速段ｓが同一の場合は、推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄと走行抵抗力との割合は、推進力Ｐの大きさに依らず一定となる。
【００２２】
トラクタ１は牽引作業中においては、等速で走行しながら牽引作業機である前記プラウ２７等を牽引して作業を行う。等速走行中においては、前記（１）式において、機関回転数Ｎの時間変化ΔＮ／ΔＴが０であるため、（７）式に示すように、前記現在出力ｆ（Ｒ）と機関総負荷Ｌとが等しいものとなる。
Ｌ＝ｆ（Ｒ） ……（７）
このとき推進力Ｐは、機関１１の現在出力ｆ（Ｒ）に等しい機関総負荷Ｌと、減速比ｎ（ｓ）と、前記駆動輪２５の半径ｒとを用いて、（８）式のように表される。
Ｐ＝Ｌ×ｎ（ｓ）／ｒ ……（８）
ここで減速比ｎ（ｓ）は、機関１１から駆動輪２５までの動力伝達経路において減速される比率である。機関１１の出力は、動力伝達経路のギア、ベルト、チェーン等の組み合わせによって、まず必然的に減速される。これは固定的な減速である。加えて、変速段ｓの切換によって、機関１１の出力は変速（減速）される。これは可変的な変速（減速）である。つまり減速比ｎ（ｓ）は、変速段ｓを変数とする関数として求めることが出来る。したがって、推進力Ｐが機関総負荷Ｌと変速段ｓの関数であることがわかる。
【００２３】
（８）式で、機関総負荷Ｌと減速比ｎ（ｓ）との積は、機関１１の出力により駆動輪２５を回転させるのに働いているトルクの大きさを示している。そして、該トルクを駆動輪２５の半径ｒで割ることで、駆動輪２５が地面を押す力、すなわち推進力Ｐが求められる。
【００２４】
求められた推進力Ｐに対して、図５に示す関係より牽引力Ｆｄが（９）式のようにして求められる。
Ｆｄ＝Ｐ×｛ｙ（ｓ）／１００｝ ……（９）
ここで、前述した割合ｙ（ｓ）は、推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄの割合を百分率で求めたものである。また、同じく前述したように、牽引力Ｆｄは推進力Ｐに依存しているため、割合ｙ（ｓ）は変速段ｓを変数とする関数となっている。また、（９）式に（８）式を代入して、（１０）式が導かれる。
Ｆｄ＝Ｌ×｛ｙ（ｓ）／１００｝×｛ｎ（ｓ）／ｒ｝ ……（１０）
【００２５】
減速比ｎ（ｓ）は、前記動力伝達機構の構成によって決定される。割合ｙ（ｓ）は、図５に示す関係より求められる。この減速比ｎ（ｓ）および割合ｙ（ｓ）は、共に変速段ｓの関数である。また、半径ｒは駆動輪２５の大きさより決定される定数である。（１０）式に示されるように、牽引力Ｆｄは機関総負荷Ｌおよび変速段ｓに依存する関数である。つまり牽引力Ｆｄは、機関総負荷Ｌおよび変速段ｓを変数とする２変数関数である。したがって、この二つの変数の値を得ることで、牽引力Ｆｄを求めることが出来る。
【００２６】
図４に示すように、第一構成例の牽引力算出装置３０は、前記負荷算出装置８および変速検出センサ３１に接続されている。変速検出センサ３１は、トラクタ１の変速段ｓを検出する手段である。第一構成例における牽引力算出方法では、まず変速段ｓに対する割合ｙ（ｓ）が、前述したように実験によって算出される。また（８）式より機関総負荷Ｌから推進力Ｐが算出される。前述したように、割合ｙ（ｓ）は推進力Ｐに対する牽引力Ｆｄの比であり、変速段ｓに対応して変化するものである。そして、割合ｙ（ｓ）を変速段ｓごとに求めて、図５に示すようなマップが作成されている。そしてこの前提の下で、前記負荷算出装置８において機関総負荷Ｌが前述のようにして算出される。次いで牽引力算出装置３０において、検出された機関総負荷Ｌ（推進力Ｐと正比例）と、走行検出センサ３１より検出された変速段ｓと合わせて、図５に示すマップより牽引力Ｆｄが算出される。
【００２７】
次に、第一実施例の牽引力算出装置４０における牽引力算出方法について説明する。まず、図６について説明する。図６は、変速段ｓを固定して前記プラウ２７を備えたトラクタ１を走行させ、変速段ｓごとの前記牽引力Ｆｄを検出すると共に、同じく変速段ｓごとの前記機関総負荷Ｌを算出した結果を示したものである。ここで、牽引力Ｆｄは前述したように、プラウ２７に備えた牽引力センサより検出されるようにしている。また機関総負荷Ｌの算出についても、前述した算出方法にしたがって行われるようにしている。なお、第一実施例における牽引力算出方法においては、機関回転数として、前記負荷算出装置８で算出される平均の機関回転数ＮＡを用いるようにしている。これは前記機関総負荷Ｌの算出の際と同じく、燃焼による回転変動によって影響を受けることを除くためである。図６中には、それぞれ異なる変速段ｓの場合において得られた、機関負荷率Ｌｒａｔｉｏ（後述）と牽引力Ｆｄとの対応関係を示す実験値が記されている。図６中では、異なる変速段ｓ１・ｓ２・ｓ３ごとに、実験値がそれぞれ円、四角、三角の図形が配置されている座標で示されている。
【００２８】
図６中で示されている機関負荷率Ｌｒａｔｉｏは、ある平均の機関回転数ＮＡにおいて検出された機関総負荷Ｌを、その平均の機関回転数ＮＡにおける機関１１の最大現在出力（最大燃料噴射時）で除したものである。現在出力ｆ（Ｒ）が燃料ラック位置Ｒおよび平均の機関回転数ＮＡを変数とする関数とすると、ｆ（Ｒ，ＮＡ）と表される。ある平均の機関回転数ＮＡにおける機関１１の最大燃料噴射時は、最大燃料ラック位置Ｒｍａｘを用いて、最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）と表される。したがって、最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）を用いて機関負荷率Ｌｒａｔｉｏは（１１）式のように表される。
Ｌｒａｔｉｏ＝Ｌ／ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ） ……（１１）
このように機関負荷率Ｌｒａｔｉｏを用いることで、機関１１の最大現在出力ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ）に対する機関総負荷Ｌ（＝ｆ（Ｒ，ＮＡ））の比率と、牽引力Ｆｄとの関係を知ることができる。
【００２９】
図６中に示される実験値の分布より、変速段ｓを固定した場合において、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係が１次関数（正比例）で表されると推測される。そこで、この実験値の分布を、１次関数に対する誤差法を用いて近似を行うと、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係を示す１次関数を得ることができる。この近似を用いて、異なる変速段ｓ１・ｓ２・ｓ３ごとの実験値より、それぞれ実験式が得られる。この実験式は図６中では、それぞれ破線、実線、２点鎖線で示されている。
【００３０】
変速段ｓを固定した条件の下で、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとが正比例する場合、この関係は（１２）式のように表すことができる。
Ｆｄ＝｛Ｌｒａｔｉｏ−Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）｝×Ｇ（ｓ） ……（１２）
ここで、Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）は基準負荷率であり、牽引力Ｆｄが０となるときの機関総負荷の大きさを示している。増減割合Ｇ（ｓ）はこの１次関数の傾きを示している。また、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は、図６に示すように、変速段ｓによって変化するものであり、ｓの関数として表すことができる。そして、前述したようにして得られた実験式を（１２）式にあてはめて、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の値を得て（１２）式を決定し、牽引力Ｆｄと機関負荷率Ｌｒａｔｉｏとの関係を求めることができる。
【００３１】
基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は、平均の機関回転数ＮＡによって変化する値である。そこで、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）について、平均の機関回転数ＮＡとの関係を実験的に求めてみると、一例としては図７に示すようなものとなる。図７中には、ある変速段ｓに固定した場合において、それぞれ異なる三つの平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３の場合に得られた実験値が記されている。図７中で、平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３での基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の実験値が、それぞれ逆三角、菱形の図形が配置されている座標によって示されている。図７中に示されるこれらの実験値の分布を、適切な関数を仮定して試行錯誤的に最適化を行うと、同じく図７中に示すような実験式を得ることが出来る。基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の実験式は、図７中でそれぞれ実線、破線で示されている。以上のようにして、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）と平均の機関回転数ＮＡとの関係が、マップとして変速段ｓごとに図７に示すような形で求められる。また、増減割合Ｇと平均の機関回転数ＮＡとの関係も、マップとして変速段ｓごとに図７に示すような形で求められる。
【００３２】
前述したようにして、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）は平均の機関回転数ＮＡおよび変速段ｓを変数とする関数として求めることができ、それぞれ基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ＮＡ，ｓ）、増減割合Ｇ（ＮＡ，ｓ）と表すことが出来る。以上のようにして、特定の平均の機関回転数Ｎ１・Ｎ２・Ｎ３の場合以外の平均の機関回転数ＮＡの場合でも、変速段ｓごとに牽引力Ｆｄが（１２）式より求められる。したがって（１２）式を（１３）式のように表すことができる。
Ｆｄ＝｛Ｌ−Ｌ０ｒａｔｉｏ（ＮＡ，ｓ）｝×Ｇ（ＮＡ，ｓ） ……（１３）
したがって、牽引力Ｆｄを機関負荷率Ｌｒａｔｉｏと平均の機関回転数ＮＡと変速段ｓとを変数とする３変数関数とみなすことができる。このため、この３つの変数の値を得ることで、牽引力Ｆｄを求めることが出来る。
【００３３】
図８に示すように、第一実施例の牽引力算出装置４０は、燃料ラック位置センサ７および前記負荷算出装置８に接続されている。第一実施例における牽引力算出方法では、まず、トラクタ１の無牽引時における機関総負荷、すなわち前記基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）を実験により求める。ここで前述したように、変速段ｓごとに、異なる平均の機関回転数ＮＡに対する基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）の実験値を求め、該実験値より基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）の平均の機関回転数ＮＡに対する対応関係を導出して、変速段ｓごとにマップを作成するのである。同じく、機関負荷率Ｌｒａｔｉｏに対する牽引力Ｆｄの増減割合Ｇ（ｓ）を、変速段ｓごとに実験により求める。これも前述したように、変速段ｓごとに、異なる平均の機関回転数ＮＡに対する増減割合Ｇ（ｓ）を求め、該増減割合Ｇ（ｓ）の平均の機関回転数ＮＡに対する対応関係を導出して、変速段ｓごとにマップを作成するのである。加えて、平均の機関回転数ＮＡとしては、燃焼サイクルの整数倍の時間間隔での平均値として、燃焼による回転変動の影響を除いている。そしてこの前提の下で、前記負荷算出装置８において機関総負荷Ｌが前述のようにして算出される。次いで牽引力算出装置４０において、以下の処理が行われる。まず変速段ｓごとの図７に示すようなマップより、平均の機関回転数ＮＡに対して、ある変速段ｓのおける基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）の大きさが決定される。前述したように、牽引力Ｆｄは機関総負荷Ｌに正比例するので、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）および増減割合Ｇ（ｓ）を用いて、（１３）式で示される正比例の関係式が決定される。そしてこの関係式に、検出された機関総負荷Ｌを代入して、牽引力Ｆｄが算出される。また、以上では、増減割合Ｇ（ｓ）、基準負荷率Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ）を各変速段ｓごとに求めたが、無段変速に転用する場合には、予め複数段でのそれぞれの値を求めてマップとして記憶し、各変速段ｓにおける値を直近両端値によって補間すれば良い。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の如く、機関（１１）を搭載した牽引作業車（１）の制御装置において、該機関（１１）の燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で機関回転数（Ｎ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）と、燃料噴射量により機関総負荷（Ｌ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で平均して、等速走行中における平均の機関回転数（ＮＡ）として算出し、該機関（１１）の、ある平均の機関回転数（ＮＡ）における機関（１１）の最大燃料噴射時を、最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））とし、該最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））に対する機関総負荷（Ｌ）の比率である機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）を求め、無牽引時における機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）である基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、前記機関総負荷（Ｌ）に対する牽引力（Ｆｄ）の増減割合（Ｇ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を、同じく、予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、これらのマップから平均の機関回転数（ＮＡ）と変速段（ｓ）とに応じて、無牽引時に要する基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と増減割合（Ｇ（ｓ））とを算出し、該機関総負荷（Ｌ）と牽引力（Ｆｄ）が正比例するものとして、該機関総負荷（Ｌ）より無牽引時に要する機関負荷を減じた値に、前記増減割合（Ｇ（ｓ））を乗じた値を牽引力（Ｆｄ）として算出するので、牽引式作業機に牽引力センサを設けなくても牽引力を算出することができ、コストダウンを図ることができる。
また、あらかじめ機関回転数と無牽引時に要する機関負荷との関係と、機関回転数と牽引力の増減割合との関係を、それぞれ変速段ごとに導出しておくことで、牽引作業車の作業時には、機関総負荷を算出し、機関回転数および変速段を検出するだけで、そのときの牽引力を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 後端部にプラウを装着したトラクタを示す全体側面図である。
【図２】 機関負荷を検出するように構成した機関を示す概略図である。
【図３】 機関総負荷検出方法を示すブロック図である。
【図４】 第一構成例における牽引力検出機構を示す図である。
【図５】 トラクタの牽引力と走行抵抗の割合を示すマップである。
【図６】 牽引力と機関負荷率との関係を変速段ごとに示すマップである。
【図７】 増減割合および基準負荷率と平均の機関回転数との関係を示すある変速段におけるマップである。
【図８】 第一実施例における牽引力検出機構を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ トラクタ
８ 負荷算出装置
１１ 機関
２７ プラウ
３０・４０ 牽引力算出装置
Ｆｄ 牽引力
Ｇ（ｓ） 増減割合
Ｌ 機関総負荷
Ｌｒａｔｉｏ 機関負荷率
Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ） 基準負荷率
Ｎ 機関回転数
Ｎｉ・Ｎｊ 平均の機関回転数
ＮＡ 平均の機関回転数
Ｒ 燃料ラック位置
ｓ 変速段
ｙ（ｓ） 割合
ｔｉ・ｔｊ 検出時間
Claims (1)
- 機関（１１）を搭載した牽引作業車（１）の制御装置において、該機関（１１）の燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で機関回転数（Ｎ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）と、燃料噴射量により機関総負荷（Ｌ）を算出し、該機関回転数（Ｎ）を燃焼サイクルの整数倍の時間間隔で平均して、等速走行中における平均の機関回転数（ＮＡ）として算出し、該機関（１１）の、ある平均の機関回転数（ＮＡ）における機関（１１）の最大燃料噴射時を、最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））とし、該最大現在出力（ｆ（Ｒｍａｘ，ＮＡ））に対する機関総負荷（Ｌ）の比率である機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）を求め、無牽引時における機関負荷率（Ｌｒａｔｉｏ）である基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、前記機関総負荷（Ｌ）に対する牽引力（Ｆｄ）の増減割合（Ｇ（ｓ））と、平均の機関回転数（ＮＡ）との関係を、同じく、予め変速段（ｓ）ごとにマップとして求め、これらのマップから平均の機関回転数（ＮＡ）と変速段（ｓ）とに応じて、無牽引時に要する基準負荷率（Ｌ０ｒａｔｉｏ（ｓ））と増減割合（Ｇ（ｓ））とを算出し、該機関総負荷（Ｌ）と牽引力（Ｆｄ）が正比例するものとして、該機関総負荷（Ｌ）より無牽引時に要する機関負荷を減じた値に、前記増減割合（Ｇ（ｓ））を乗じた値を牽引力（Ｆｄ）として算出することを特徴とする牽引力算出装置。
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