以下、本発明の実施の形態によるアーティキュレート式作業機としてホイールローダを例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
まず、図1ないし図9は参考例を示し、図において、1は本参考例によるホイールローダで、該ホイールローダ1は、後述する前部車体2、後部車体7等によって構成されている。
2はホイールローダ1の前側に配置された前部車体で、該前部車体2は、略箱状に形成された前フレーム3と、該前フレーム3の下側に設けられた前車軸4と、該前車軸4の左,右両端に設けられた前輪5と、前フレーム3の前側に俯仰動可能に取付けられた作業装置6とによって大略構成されている。
ここで、前車軸4は、左,右の車軸管4A内に収容されて回転可能に支持されると共に、該車軸管4Aは前フレーム3の下面に固定されている。これにより、前車軸4は、ロール軸Oを中心とするロール運動が不能な状態で前フレーム3に取付けられている。また、前車軸4と前フレーム3との間には、各種の緩衝用懸架装置等は設けられておらず、作業装置6に加わる大きな荷重を前フレーム3、前車軸4、前輪5等によって受承する構成となっている。
一方、作業装置6は、前フレーム3の左,右上端側に設けられたブラケット部3Aに俯仰動可能に取付けられたアーム6Aと、該アーム6Aの先端部に回動可能に取付けられたローダバケット6Bとにより大略構成されている。そして、作業装置6は、シリンダ6Cによってアーム6Aを上,下方向に俯仰動させ、ローダバケット6Bによって土砂等の運搬作業を行うものである。
7は左,右方向に屈曲可能な状態で前部車体2の後方に連結された後部車体で、該後部車体7は、駆動源8を収容する後フレーム9と、該後フレーム9の下側に設けられた後車軸10と、該後車軸10の左,右両端に設けられた後輪11と、後フレーム9上に設けられた運転室12とによって大略構成されている。
ここで、後フレーム9は、略四角形の枠状に形成されエンジン、油圧ポンプ、油圧モータ等の駆動源8が収容された収容枠部9Aと、該収容枠部9Aの前側に設けられた結合部9Bとによって構成されている。
また、収容枠部9Aの下側には、左,右方向に延びる一対の支持ブラケット13が設けられると共に、これらの支持ブラケット13は前,後方向に離間して配置されている。さらに、各支持ブラケット13には前,後のロール軸Oに沿って貫通した挿通孔13Aが設けられている。そして、一対の支持ブラケット13間には後車軸10の支持部14が配置されている。ここで、支持部14は、その左,右両側に後車軸10を収容した車軸管10Aが固着されると共に、前,後両側にはロール軸Oに沿って延びる支持軸14Aが突出して設けられている。そして、支持部14の支持軸14Aは、支持ブラケット13の挿通孔13A内に挿通されている。これにより、後車軸10は、後フレーム9に対してロール軸O周りに回動可能に軸支されている。また、後車軸10は、前車軸4と共にドライブシャフト15と通じて駆動源8に連結されている。これにより、前輪5と後輪11とには、ドライブシャフト15を通じて駆動源8による駆動力が伝達され、4輪駆動が可能となっている。
一方、結合部9Bには、ロール軸Oに沿って延びる円筒状の結合筒部16が設けられると共に、該結合筒部16内には後述の結合軸20を軸支する軸受17が設けられている。また、結合部9B上には、作業者が乗り込む運転室12が配置されている。
18は前フレーム3と後フレーム9との間に設けられた結合フレームで、該結合フレーム18は、左,右方向の中央に位置して上,下両端側に鉛直方向(屈曲軸Z方向)に延びる連結ピン19が設けられると共に、ロール軸Oに沿って後フレーム9側に向けて延びる円筒状の結合軸20が設けられている。このとき、結合軸20内には、前車軸4と駆動源8とを連結するドライブシャフト15が挿通されている。
そして、結合フレーム18は、前フレーム3の上板3B、下板3Cに挟まれた状態で連結ピン19を介して前フレーム3に連結されると共に、結合軸20が結合部9Bの結合筒部16内に挿通されることによって後フレーム9に連結されている。これにより、結合フレーム18は、屈曲軸Z(連結ピン19の中心軸)を中心にして前フレーム3と後フレーム9とを左,右方向に屈曲可能に連結している。また、結合フレーム18の結合軸20は、軸受17によってロール軸Oを中心に回転可能に軸支されている。これにより、結合フレーム18は、前フレーム3と後フレーム9とを相対ロール運動可能に連結し、後フレーム9の結合部9Bと共に連結手段を構成している。
また、結合フレーム18の前側には、連結ピン19を挟んだ左,右両側に位置して結合ブラケット21が設けられると共に、該結合ブラケット21には、ステアリングシリンダ22の一端側が取付けられている。一方、ステアリングシリンダ22の他端側は、前フレーム3の下板3Cに取付けられている。そして、ステアリングシリンダ22は、駆動源8の油圧ポンプ(図示せず)から圧油が給,排されることによって伸,縮し、前フレーム3を後フレーム9に対して左,右方向に屈曲させる構成となっている。
23は後フレーム9と後車軸10との間に設けられたロール振動制限手段(アクチュエータ)としての油圧シリンダで、該油圧シリンダ23は、左,右の後輪11の近傍にそれぞれ位置して、上,下方向に延びた状態で配置されている。そして、油圧シリンダ23は、そのチューブのボトム側が後フレーム9に取付けられ、ロッドの先端側が後車軸10を収容する車軸管10Aに取付けられている。また、油圧シリンダ23は、例えば有効断面積Adを有すると共に、電磁制御弁24を介して駆動源8内の油圧ポンプ(図示せず)に接続されている。このとき、油圧シリンダ23は、例えば電磁駆動式の圧力制御弁からなる電磁制御弁24を用いて該油圧ポンプからの圧油の給,排やボトム側油室とロッド側油室との間の差圧が制御されている。そして、左,右の油圧シリンダ23は、ボトム側とロッド側との差圧に応じて後フレーム9と後車軸10との間にロール軸O周りの推力F0を加える。これにより、油圧シリンダ23は、後フレーム9のロール軸O周りの振動を制限する構成となっている。
25は例えば一方の油圧シリンダ23に取り付けられた変位センサで、該変位センサ25は、油圧シリンダ23のチューブ内に取付けられ、ロッドの伸長位置を検出して該伸長位置に応じた電気信号(例えば電圧信号等)を出力する。これにより、変位センサ25は、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θに応じた信号(相対ロール角変位信号S1)を出力している。
なお、変位センサ25は、左,右両側の油圧シリンダ23のうちいずれか一方だけに設ける構成としてもよく、両方に設ける構成としてもよい。
26A,26Bは後フレーム9の左,右両側にそれぞれ設けられた加速度センサで、該加速度センサ26A,26Bは、後フレーム9に加わる上,下方向の加速度を検出し、該加速度に応じた信号(加速度信号S2a,S2b)をそれぞれ出力する。そして、加速度センサ26A,26Bの加速度信号は、後述するように減算処理等が施され、後フレーム9に加わる絶対ロール角速度ωの検出に用いられるものである。
27は例えば後部車体7(後フレーム9)に取付けられた推力演算手段としてのコントローラで、該コントローラ27は、後述する姿勢制御部28、制振制御部31、推力信号出力部34等によって大略構成されている。また、コントローラ27は、その入力側が変位センサ25と加速度センサ26A,26Bに接続され、出力側が油圧シリンダ23用の電磁制御弁24に接続されている。そして、コントローラ27は、変位センサ25による相対ロール角変位信号S1を用いてロール軸O周りの相対ロール角変位θを減少させる復元力F1を演算すると共に、加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bを用いてロール軸O周りの振動を減少させる減衰力F2を演算し、これらの復元力F1と減衰力F2に基づいて油圧シリンダ23が後フレーム9と後車軸10との間に加える推力F0を演算する。これにより、コントローラ27は、電磁制御弁24を用いて油圧シリンダ23のボトム側とロッド側との差圧を増,減させ、油圧シリンダ23で発生するロール軸O周りの振動を制限するための推力F0を制御している。
28は変位センサ25による相対ロール角変位信号S1を用いてロール軸O周りの相対ロール角変位θを減少させる復元力F1を演算する姿勢制御部で、該姿勢制御部28は、その入力側が増幅器29およびA/Dコンバータ30を介して変位センサ25に接続され、出力側が推力信号出力部34に接続されている。また、姿勢制御部28は、変位センサ25による相対ロール角変位信号S1に対して例えば換算係数を乗じて相対ロール角変位θを換算する角変位換算器28Aと、該角変位換算器28Aによる相対ロール角変位θと予め設定された目標相対ロール角変位θ0(例えば、θ0=0)との偏差E1(E1=θ0−θ)を演算する相対ロール角変位偏差演算器28Bと、該相対ロール角変位偏差演算器28Bによる偏差E1のうち制御が必要となる周波数成分を取り出す制御フィルタ28Cとによって構成されている。
ここで、変位センサ25から出力されたアナログ信号からなる相対ロール角変位信号S1は、増幅器29によって増幅された後にA/Dコンバータ30を用いてディジタル信号に変換される。このため、角変位換算器28Aには、ディジタル信号からなる相対ロール角変位信号S1が入力されている。また、制御フィルタ28Cは、例えば低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ等のディジタルフィルタによって構成され、偏差E1に対して各種のフィルタ処理を行うことによって、適正な振幅補正と位相補正とを行う。これにより、制御フィルタ28Cは、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θを目標相対ロール角変位θ0に収束させるための復元力F1を出力する。従って、姿勢制御部28は、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θをフィードバック制御するものである。
31は加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bを用いてロール軸O周りの振動を減少させる減衰力F2を演算する制振制御部で、該制振制御部31は、その入力側が増幅器32およびA/Dコンバータ33を介して加速度センサ26A,26Bに接続され、出力側が推力信号出力部34に接続されている。また、制振制御部31は、加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bの加速度差ΔS2(ΔS2=S2a−S2b)を演算する減算器31Aと、該減算器31Aによる加速度差ΔS2に対して例えば換算係数を乗じることによって後フレーム9に作用する絶対ロール角速度ωを換算する角速度換算器31Bと、該角速度換算器31Bによる絶対ロール角速度ωと予め設定された目標絶対ロール角速度ω0(例えば、ω0=0)との偏差E2を演算する絶対ロール角速度偏差演算器31Cと、該絶対ロール角速度偏差演算器31Cによる偏差E2のうち制御が必要となる周波数成分を取り出す制御フィルタ31Dとによって構成されている。
ここで、加速度センサ26A,26Bから出力されたアナログ信号からなる加速度信号S2a,S2bは、増幅器32によって増幅された後にA/Dコンバータ33を用いてディジタル信号に変換される。このため、減算器31Aには、ディジタル信号からなる加速度信号S2a,S2bが入力されている。また、制御フィルタ31Dは、例えば低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ等のディジタルフィルタによって構成され、偏差E2に対して各種のフィルタ処理を行うことによって、適正な振幅補正と位相補正とを行う。これにより、制御フィルタ31Dは、後フレーム9に作用する絶対ロール角速度ωを目標絶対ロール角速度ω0に収束させるための減衰力F2を出力する。従って、制振制御部31は、後フレーム9に対する絶対ロール角速度ωをフィードバック制御するものである。
34は入力側が姿勢制御部28と制振制御部31とに接続され、出力側が電磁制御弁24に接続された推力信号出力部を示している。ここで、推力信号出力部34は、復元力F1と減衰力F2を加算し推力F0を演算する加算器34Aと、該加算器34Aによる推力F0に対して油圧シリンダ23の有効断面積Adの逆数(1/Ad)を掛けて油圧シリンダ23の目標差圧ΔP(ボトム側とロッド側との差圧)を演算する目標差圧演算器34Bと、該目標差圧演算器34Bによるディジタル信号からなる目標差圧ΔPをアナログ信号に変換するD/Aコンバータ34Cと、該D/Aコンバータ34Cによるアナログ信号の目標差圧ΔPに応じて電磁制御弁24を駆動するための推力信号S0を出力する駆動増幅器34Dとによって構成されている。これにより、推力信号出力部34は、姿勢制御部28の復元力F1と制振制御部31の減衰力F2とに基づいて油圧シリンダ23が後フレーム9と後車軸10との間に加える推力F0を演算し、該推力F0に応じた推力信号S0(駆動信号)を電磁制御弁24に出力する。
本参考例によるホイールローダ1は上述の如き構成を有するもので、次に、その作動について説明する。
まず、ホイールローダ1を走行するときには、ドライブシャフト15を介して前車軸4、後車軸10に連結された駆動源8の油圧モータ(図示せず)等を駆動する。これにより、前車軸4、後車軸10を介して前輪5、後輪11が回転駆動し、ホイールローダ1は前進、後進する。また、ホイールローダ1を左,右方向に操舵するときには、駆動源8の油圧ポンプ(図示せず)を用いてステアリングシリンダ22を伸長、縮小させる。これにより、前フレーム3と後フレーム9とは屈曲軸Zを中心に左,右方向に屈曲するから、ホイールローダ1を左,右方向に進行させることができる。そして、土砂等の掘削作業を行う場合には、駆動源8の油圧ポンプ(図示せず)を用いてシリンダ6Cを伸縮動作させ、アーム6Aを俯仰動させる。この状態で、ホイールローダ1を前進、後退させ、ローダバケット6Bを用いた掘削作業等を行うものである。
次に、油圧シリンダ23、コントローラ27等を用いてロール軸O周りの振動を制限する制振作用について説明する。
まず、コントローラ27の姿勢制御部28には、油圧シリンダ23に内蔵された変位センサ25による相対ロール角変位信号S1が入力されるから、角変位換算器28Aは、相対ロール角変位信号S1を用いて後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θを計算する。このとき、相対ロール角変位偏差演算器28Bは相対ロール角変位θと目標相対ロール角変位θ0(例えば、θ0=0)との偏差E1を演算する。このため、制御フィルタ28Cは、偏差E1に対して各種のフィルタ処理を行い、適正な振幅補正と位相補正を行った復元力F1を求める。
一方、コントローラ27の制振制御部31には、後フレーム9の左,右両側に配設された2個の加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bが入力されるから、減算器31Aは、加速度信号S2a,S2bの差分として加速度差ΔS2を演算し、角速度換算器31Bは、該加速度差ΔS2を用いて後フレーム9に作用する絶対ロール角速度ωを計算する。このとき、絶対ロール角速度偏差演算器31Cは絶対ロール角速度ωと目標絶対ロール角速度ω0(例えば、ω0=0)との偏差E2を演算する。このため、制御フィルタ31Dは、偏差E2に対して各種のフィルタ処理を行い、適正な振幅補正と位相補正を行った減衰力F2を求める。
そして、これらの復元力F1と減衰力F2は推力信号出力部34に入力されるから、加算器34Aは、復元力F1と減衰力F2とを加算して油圧シリンダ23による推力F0を出力する。これにより、目標差圧演算器34Bは、推力F0を油圧シリンダ23の有効断面積Adで割ることによって、油圧シリンダ23のボトム側とロッド側の差圧、すなわち電磁制御弁24によって設定する目標差圧ΔPを算出する。このとき、電磁制御弁24は一般的に電流制御されるため、駆動増幅器34Dは、目標差圧ΔPに応じた電流値を演算し、該電流値に設定された駆動電流(推力信号S0)を電磁制御弁24に出力する。この結果、電磁制御弁24に駆動電流が供給され、油圧シリンダ23のボトム側とロッド側の差圧が目標差圧ΔPに制御されるから、制御された差圧に油圧シリンダ23の有効断面積Adを乗じたものが後フレーム9と後車軸10との間に作用する実際の推力となる。
また、ホイールローダ1に入力される外力、油圧シリンダ23による推力等によって、ホイールローダ1の運動が変化する。このため、変位センサ25による相対ロール角変位信号S1と加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bとをコントローラ27にフィードバックし、油圧シリンダ23の制御ループを継続している。
然るに、本参考例では、油圧シリンダ23は、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θを0とするような推力F0(復元力F1)を発生させる。このとき、後輪11の変形によって若干の変動があるものの、後車軸10は、地面に対してほぼ一定な角度(例えば地面に平行となる角度)を保つ。このため、地面に対して一定の相対ロール角変位θを保ち、屈曲軸Zが地面に対して鉛直方向となるように、後フレーム9を姿勢制御することができる。
また、油圧シリンダ23は、後フレーム9の絶対ロール角速度ωを0とするような推力F0(減衰力F2)を発生させる。この推力F0は、いわゆるスカイフック理論による減衰力F2となるから、該減衰力F2によって大きなロール制振効果を得ることができ、後フレーム9を制振制御することができる。
そして、姿勢制御、制振制御のいずれの場合でも、前フレーム3と後フレーム9とは互いにロール運動に対して拘束力を持たないから、前フレーム3の動きによって後フレーム9の制御が阻害されることがない。また、制御対象は後フレーム9のみであり、作業装置6が取付けられる前フレーム3は、従来技術と同様に前輪5以外の緩衝機構が無い状態で地面に接地している。従って、作業装置6を用いた掘削作業時であっても、作業装置6に作用する荷重を前フレーム3等によって安定的に受け止めることができ、作業性を損なうことがない。
かくして、本参考例では、前フレーム3と後フレーム9との間を相対ロール運動可能に連結する結合部9Bおよび結合フレーム18を設けたから、作業装置6による掘削作業等によって前フレーム3がロール軸O周りに振動するときでも、結合フレーム18等を用いて前フレーム3に対して後フレーム9を相対的にロール運動させることができ、前フレーム3から後フレーム9に振動が伝達するのを防止することができる。
また、後フレーム9と後車軸10との間には油圧シリンダ23を設けたから、油圧シリンダ23を用いて後フレーム9と後車軸10との間にロール軸O周りの推力F0を加えることができる。これにより、後フレーム9のロール軸O周りの振動を制限することができ、後フレーム9に設けられた運転室12の乗り心地を向上させることができる。
特に、本参考例では、油圧シリンダ23はコントローラ27によって演算された推力を加える構成としている。このため、コントローラ27を用いて路面の凹凸、後フレーム9の振幅、振動周期等の各種の状況に応じた推力F0を演算することができると共に、油圧シリンダ23を用いて後フレーム9に対してこの演算した推力F0を加えることができる。この結果、後フレーム9のロール軸O周りの振動を、状況に応じて能動的に制御することができる。
また、ホイールローダ1は、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θを検出するための変位センサ25を備える構成としたから、コントローラ27は、変位センサ25による相対ロール角変位信号S1を用いて相対ロール角変位θを検出することができると共に、該相対ロール角変位θに基づいて、例えば相対ロール角変位θを零(θ=0)にするための推力F0を演算することができる。このとき、油圧シリンダ23はコントローラ27によって演算した推力F0を後フレーム9に加えるから、後フレーム9に対して相対ロール角変位θを減少させるための復元力F1を付与することができる。この結果、復元力F1によって後フレーム9を地面に対して略平行な状態に保持することができ、後フレーム9が地面に対して定常的に傾いた状態となるのを抑制し、後フレーム9の姿勢制御を行うことができる。
さらに、ホイールローダ1は、後フレーム9と水平面(地面)との間の絶対ロール角速度ωを検出するための加速度センサ26A,26Bを備える構成としたから、コントローラ27は、加速度センサ26A,26Bによる加速度信号S2a,S2bを用いて絶対ロール角速度ωを検出することができると共に、該絶対ロール角速度ωに基づいて、例えば絶対ロール角速度ωを零(ω=0)にするための推力F0を演算することができる。このとき、油圧シリンダ23はコントローラ27によって演算した推力F0を後フレーム9に加えるから、後フレーム9に対して絶対ロール角速度ωを減少させるための減衰力F2を付与することができる。この結果、減衰力F2によって後フレーム9のロール軸O周りの振動を制限することができ、後フレーム9の制振制御を行うことができる。
また、後フレーム9の絶対ロール角速度ωに対して適性な減衰力F2を付与することができるから、前フレーム3の運動に影響されずに後フレーム9のロール軸O周りの振動を減衰させることができる。
次に、図10ないし図15は本発明による実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、後フレームと結合フレームとの間にロール軸周り振動を制限する油圧シリンダを設けると共に、前フレームと後フレームとの間の相対ロール角変位および相対ロール角速度を用いて油圧シリンダの推力を演算する構成としたことにある。なお、本実施の形態では前記参考例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
41は前フレーム3と後フレーム9との間に設けられた結合フレームで、該結合フレーム41は、参考例による結合フレーム18とほぼ同様に、左,右方向の中央に位置して上,下両端側に鉛直方向(屈曲軸Z方向)に延びる連結ピン42が設けられると共に、ロール軸Oに沿って後フレーム9側に向けて延びる円筒状の結合軸43が設けられている。このとき、結合軸43内には、前車軸4と駆動源8とを連結するドライブシャフト15が挿通されている。
そして、結合フレーム41は、前フレーム3の上板3B、下板3Cに挟まれた状態で連結ピン42を介して前フレーム3に連結されると共に、結合軸43が結合部9Bの結合筒部16内に挿通されることによって後フレーム9に連結されている。これにより、結合フレーム41は、屈曲軸Z(連結ピン42の中心軸)を中心にして前フレーム3と後フレーム9とを左,右方向に屈曲可能に連結している。また、結合フレーム41の結合軸43は、軸受17によってロール軸Oを中心に回転可能に軸支されている。これにより、結合フレーム41は、前フレーム3と後フレーム9とを相対ロール運動可能に連結し、後フレーム9の結合部9Bと共に連結手段を構成している。
また、結合フレーム41の前側には、連結ピン42を挟んだ左,右両側に位置して結合ブラケット44が設けられている。そして、結合ブラケット44と前フレーム3の下板3Cとの間には、前フレーム3と後フレーム9とを左,右方向に屈曲させるステアリングシリンダ22が取付けられている。
さらに、結合フレーム41の左,右両端には後述の油圧シリンダ46を取付けるための取付ブラケット45が設けられている。そして、取付ブラケット45と後フレーム9の結合部9Bとの間には油圧シリンダ46が取付けられている。
46は後フレーム9と結合フレーム41との間に設けられたロール振動制限手段(アクチュエータ)としての油圧シリンダで、該油圧シリンダ46は、結合フレーム41の左,右両側にそれぞれ位置して、上,下方向に延びた状態で配置されている。そして、油圧シリンダ46は、そのチューブのボトム側が後フレーム9の結合部9Bに取付けられ、ロッドの先端側が結合フレーム41の取付ブラケット45に取付けられている。また、油圧シリンダ23は、例えば有効断面積Adを有すると共に、電磁制御弁47を介して駆動源8内の油圧ポンプ(図示せず)に接続されている。このとき、油圧シリンダ46は、例えば電磁駆動式の圧力制御弁からなる電磁制御弁47を用いて該油圧ポンプからの圧油の給,排やボトム側油室とロッド側油室との間の差圧が制御されている。そして、左,右の油圧シリンダ46は、ボトム側とロッド側との差圧に応じて後フレーム9と結合フレーム41との間にロール軸O周りの推力F0′を加える。これにより、油圧シリンダ46は、後フレーム9のロール軸O周りの振動を制限する構成となっている。
48は例えば一方の油圧シリンダ46に取り付けられた変位センサで、該変位センサ48は、油圧シリンダ46のチューブ内に取付けられ、ロッドの伸長位置を検出して該伸長位置に応じた電気信号(例えば電圧信号等)を出力する。これにより、変位センサ48は、後フレーム9と結合フレーム41との間の相対ロール角変位θ′に応じた信号(相対ロール角変位信号S1′)を出力している。このとき、結合フレーム41は前フレーム3と同じロール角変位を行うから、相対ロール角変位信号S1′は前フレーム3と後フレーム9との間の相対ロール角変位θ′にも対応している。
49は例えば後部車体7(後フレーム9)に取付けられた推力演算手段としてのコントローラで、該コントローラ49は、後述する姿勢制御部50、制振制御部53、推力信号出力部54等によって大略構成されている。また、コントローラ49は、その入力側が変位センサ48に接続され、出力側が油圧シリンダ46用の電磁制御弁47に接続されている。そして、コントローラ49は、変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′を用いてロール軸O周りの相対ロール角変位θ′を減少させる復元力F1′を演算すると共に、ロール軸O周りの振動を減少させる減衰力F2′を演算し、これらの復元力F1′と減衰力F2′に基づいて油圧シリンダ46が後フレーム9と結合フレーム41との間に加える推力F0′を演算する。これにより、コントローラ49は、電磁制御弁47を用いて油圧シリンダ46のボトム側とロッド側との差圧を増,減させ、油圧シリンダ46で発生するロール軸O周りの振動を制限するための推力F0′を制御している。
50は変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′を用いてロール軸O周りの相対ロール角変位θ′を減少させる復元力F1′を演算する姿勢制御部で、該姿勢制御部50は、その入力側が増幅器51およびA/Dコンバータ52を介して変位センサ48に接続され、出力側が推力信号出力部54に接続されている。また、姿勢制御部50は、変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′に対して例えば換算係数を乗じて相対ロール角変位信号S1′から相対ロール角変位θ′を換算する角変位換算器50Aと、該角変位換算器50Aによる相対ロール角変位θ′と予め設定された目標相対ロール角変位θ0′(例えば、θ0′=0)との偏差E1′(E1′=θ0′−θ′)を演算する相対ロール角変位偏差演算器50Bと、該相対ロール角変位偏差演算器50Bによる偏差E1′のうち制御が必要となる周波数成分を取り出す制御フィルタ50Cとによって構成されている。
ここで、変位センサ48から出力されたアナログ信号からなる相対ロール角変位信号S1′は、増幅器51によって増幅された後にA/Dコンバータ52を用いてディジタル信号に変換される。このため、角変位換算器50Aには、ディジタル信号からなる相対ロール角変位信号S1が入力されている。また、制御フィルタ50Cは、例えば低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ等のディジタルフィルタによって構成され、偏差E1′に対して各種のフィルタ処理を行うことによって、適正な振幅補正と位相補正とを行う。これにより、制御フィルタ50Cは、後フレーム9と結合フレーム41との間の相対ロール角変位θ′を目標相対ロール角変位θ0′に収束させるための復元力F1′を出力する。従って、姿勢制御部50は、後フレーム9と結合フレーム41との間の相対ロール角変位θ′をフィードバック制御するものである。
53は変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′を用いてロール軸O周りの振動を減少させる減衰力F2′を演算する制振制御部で、該制振制御部53は、その入力側が増幅器51およびA/Dコンバータ52を介して変位センサ48に接続され、出力側が推力信号出力部54に接続されている。また、制振制御部53は、角変位換算器50Aとほぼ同様に換算係数と相対ロール角変位信号S1′とを用いて相対ロール角変位θ′を換算する角変位換算器53Aと、該角変位換算器53Aによる相対ロール角変位θ′に対して微分処理を行い相対ロール角速度ω′を演算する微分器53Bと、該微分器53Bによる相対ロール角速度ω′と予め設定された目標相対ロール角速度ω0′(例えば、ω0′=0)との偏差E2′を演算する相対ロール角速度偏差演算器53Cと、該相対ロール角速度偏差演算器53Cによる偏差E2′のうち制御が必要となる周波数成分を取り出す制御フィルタ53Dとによって構成されている。
ここで、角変位換算器53Aには、A/Dコンバータ52によってディジタル信号に変換された相対ロール角変位信号S1′が入力されている。また、制御フィルタ53Dは、例えば低域通過フィルタ、帯域通過フィルタ等のディジタルフィルタによって構成され、偏差E2′に対して各種のフィルタ処理を行うことによって、適正な振幅補正と位相補正とを行う。これにより、制御フィルタ53Dは、後フレーム9に作用する相対ロール角速度ω′を目標相対ロール角速度ω0′に収束させるための減衰力F2′を出力する。従って、制振制御部53は、後フレーム9と結合フレーム41との間の相対ロール角速度ω′をフィードバック制御するものである。
54は入力側が姿勢制御部50と制振制御部53とに接続され、出力側が電磁制御弁47に接続された推力信号出力部を示している。ここで、推力信号出力部54は、復元力F1′と減衰力F2′を加算し推力F0′を演算する加算器54Aと、該加算器54Aによる推力F0′に対して油圧シリンダ46の有効断面積Adの逆数(1/Ad)を掛けて油圧シリンダ46の目標差圧ΔP′(ボトム側とロッド側との差圧)を演算する目標差圧演算器54Bと、該目標差圧演算器54Bによるディジタル信号からなる目標差圧ΔP′をアナログ信号に変換するD/Aコンバータ54Cと、該D/Aコンバータ54Cによるアナログ信号の目標差圧ΔP′に応じて電磁制御弁47を駆動するための推力信号S0′を出力する駆動増幅器54Dとによって構成されている。これにより、推力信号出力部54は、姿勢制御部50の復元力F1′と制振制御部53の減衰力F2′とに基づいて油圧シリンダ46が後フレーム9と結合フレーム41との間に加える推力F0′を演算し、該推力F0′に応じた推力信号S0′(駆動信号)を電磁制御弁47に出力する。
本実施の形態によるホイールローダ1は上述の如き構成を有するもので、前進、後退、左,右方向への操舵等の作動は参考例とほぼ同様である。
一方、油圧シリンダ46、コントローラ49等は参考例による油圧シリンダ23、コントローラ27等とは異なる。このため、次に、油圧シリンダ46、コントローラ49等を用いてロール軸O周りの振動を制限する制振作用について説明する。
まず、コントローラ49の姿勢制御部50には、油圧シリンダ46に内蔵された変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′が入力されるから、角変位換算器50Aは、相対ロール角変位信号S1′を用いて後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間の相対ロール角変位θ′を計算する。このとき、相対ロール角変位偏差演算器50Bは相対ロール角変位θ′と目標相対ロール角変位θ0′(例えば、θ0′=0)との偏差E1′を演算する。このため、制御フィルタ50Cは、偏差E1′に対して各種のフィルタ処理を行い、適正な振幅補正と位相補正を行った復元力F1′を求める。
一方、コントローラ49の制振制御部53にも、油圧シリンダ46に内蔵された変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′が入力されるから、角変位換算器53Aは、角変位換算器50Aとほぼ同様に相対ロール角変位信号S1′を用いて後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間の相対ロール角変位θ′を計算する。このとき、微分器53Bは、角変位換算器50Aによる相対ロール角変位θ′に対して微分処理を行い相対ロール角速度ω′を演算する。また、相対ロール角速度偏差演算器53Cは相対ロール角速度ω′と目標相対ロール角速度ω0′(例えば、ω0′=0)との偏差E2′を演算する。これにより、制御フィルタ53Dは、偏差E2′に対して各種のフィルタ処理を行い、適正な振幅補正と位相補正を行った減衰力F2′を求める。
そして、これらの復元力F1′と減衰力F2′は推力信号出力部54に入力されるから、加算器54Aは、復元力F1′と減衰力F2′とを加算して油圧シリンダ46による推力F0′を出力する。これにより、目標差圧演算器54Bは、推力F0′を油圧シリンダ46の有効断面積Adで割ることによって、油圧シリンダ46のボトム側とロッド側の差圧、すなわち電磁制御弁47によって設定する目標差圧ΔP′を算出する。このとき、電磁制御弁47は一般的に電流制御されるため、駆動増幅器54Dは、目標差圧ΔP′に応じた電流値を演算し、該電流値に設定された駆動電流(推力信号S0′)を電磁制御弁47に出力する。この結果、電磁制御弁47に駆動電流が供給され、油圧シリンダ46のボトム側とロッド側の差圧が目標差圧ΔP′に制御されるから、制御された差圧に油圧シリンダ46の有効断面積Adを乗じたものが後フレーム9と結合フレーム41との間に作用する実際の推力となる。
また、ホイールローダ1に入力される外力、油圧シリンダ46による推力等によって、ホイールローダ1の運動が変化する。このため、変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′をコントローラ29にフィードバックし、油圧シリンダ46の制御ループを継続している。
かくして、このように構成される本実施の形態でも、参考例とほぼ同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、油圧シリンダ46は、後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間の相対ロール角変位θ′を0とするような推力F0′(復元力F1′)を発生させる。このとき、前輪5の変形によって若干の変動があるものの、前車軸4と前フレーム3とは、地面に対してほぼ一定な角度(例えば地面に平行となる角度)を保つ。この結果、地面に対して一定の相対ロール角変位θ′を保ち、屈曲軸Zが地面に対して鉛直方向となるように、後フレーム9を姿勢制御することができる。
また、油圧シリンダ46は、後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間の相対ロール角速度ω′を0とするような推力F0′(減衰力F2′)を発生させる。この結果、減衰力F2′によって前フレーム3の動きに適度に追従した制振効果を得ることができ、後フレーム9を制振制御することができる。これにより、後フレーム9のロール軸O周りの振動を制限することができ、後フレーム9に設けられた運転室12の乗り心地を向上させることができる。
このように、実施の形態では、参考例と異なり、前フレーム3の動きに影響された制振制御となる。従って、実施の形態では、参考例ほど制振効果は大きくないものの、前フレーム3の動きが後フレーム9に適度に伝達されるから、例えば作業装置6の振動のように作業状況を把握するための振動等は運転室12に伝達することができる。この結果、運転室12内の作業者は、違和感なく作業を行うことができる。
また、油圧シリンダ46は前フレーム3(結合フレーム41)と後フレーム9との間に推力F0′を発生させるから、制振制御の影響が前フレーム3にも及ぶ。しかし、前フレーム3自体には地面との間に前輪5以外の緩衝用懸架装置が設けられていないから、作業装置6を用いて掘削作業時を行うときでも、作業装置6に作用する荷重を前フレーム3等によって確実に受け止めることができ、作業性を損なうことはない。
さらに、本実施の形態では、後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間には油圧シリンダ46を設けると共に、該油圧シリンダ46には変位センサ48を設ける構成としている。このため、該変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′を用いて後フレーム9と前フレーム3との間の相対ロール角変位θ′を検出することができると共に、後フレーム9と前フレーム3との間の相対ロール角速度ω′も検出することができる。このため、変位センサ48を相対ロール角変位θ′の検出と相対ロール角速度ω′の検出とに兼用することができ、別個の検出手段を設けた場合に比べて部品点数、製造コスト等を削減することができる。
そして、コントローラ49は、変位センサ48による相対ロール角変位信号S1′を用いて相対ロール角変位θ′と相対ロール角速度ω′とを検出することができるから、後フレーム9の姿勢制御と制振制御とを行うことができる。
なお、前記参考例では、前フレーム3と後フレーム9とは相対ロール運動が自由にできる構成としたが、例えば後フレーム9と結合フレーム18との間にばね等の緩衝部材を設け、前フレーム3と後フレーム9との相対ロール運動を規制する構成としてもよい。
また、前記参考例および実施の形態では、復元力F1,F1′と減衰力F2,F2′を演算する制御フィルタ28C,31D,50C,53Dはいずれもディジタルフィルタを用いて構成するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば変位センサ等からの信号をアナログ信号として用いる場合には、各制御フィルタもアナログフィルタを用いて構成することもできる。
また、前記参考例および実施の形態では、コントローラ27,49は変位センサ25,48、加速度センサ26A,26Bによる相対ロール角変位信号S1,S1′、加速度信号S2a,S2bを用いて復元力F1,F1′と減衰力F2,F2′を演算する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば変位センサ、加速度センサによる情報を補足するために、コントローラは、相対ロール角変位信号や加速度信号に加えて、ホイールローダの車両速度情報、ステアリング量等の情報を利用し、復元力、減衰力を演算する構成としてもよい。
また、前記参考例では、加速度センサ26A,26Bを用いて後フレーム9の絶対ロール角速度ωを間接的に検出する構成としたが、例えばジャイロセンサ等を用いて絶対ロール角速度ωを直接的に検出する構成としてもよい。
また、前記参考例では、油圧シリンダ23に設けた変位センサ25を用いて後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角変位θを間接的に検出する構成としたが、例えば後フレーム9と後車軸10とを連結する支持軸14A等に角度センサを設け、該角度センサを用いて相対ロール角変位θを直接的に検出する構成としてもよい。
さらに、前記実施の形態では、油圧シリンダ46に設けた変位センサ48を用いて後フレーム9と結合フレーム41(前フレーム3)との間の相対ロール角変位θ′を間接的に検出する構成としたが、例えば後フレーム9と結合フレーム41とを連結する結合軸43等に角度センサを設け、該角度センサを用いて相対ロール角変位θ′を直接的に検出する構成としてもよい。
また、前記参考例では、加速度センサ26A,26Bを後フレーム9に設けて後フレーム9の絶対ロール角速度ωを検出する構成としたが、例えばロール軸Oと比較的大きな距離を確保できる運転室12の天井等に左,右方向の加速度を検出する単一の加速度センサを設ける構成としてもよい。この場合、加速度センサからの電気信号に基づいて計算した左,右方向の絶対速度を制御量として、後フレーム9のロール軸O周りの振動を制振することができる。
前記参考例では、コントローラ27は、後フレーム9の絶対ロール角速度ωに基づいて油圧シリンダ23の推力を演算するものとしたが、例えば後フレーム9の絶対ロール角速度に代えて、後フレーム9と後車軸10との間の相対ロール角速度に基づいて油圧シリンダ23の推力を演算してもよく、絶対ロール角速度および相対ロール角速度に基づいて油圧シリンダ23の推力を演算してもよい。
また、前記実施の形態では、コントローラ49は、前フレーム3と後フレーム9との間の相対ロール角速度ω′に基づいて油圧シリンダ46の推力を演算するものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば前フレーム3と後フレーム9との間の相対ロール角速度に代えて、後フレーム9の絶対ロール角速度に基づいて油圧シリンダ46の推力を演算してもよく、相対ロール角速度および絶対ロール角速度に基づいて油圧シリンダ46の推力を演算してもよい。
前記参考例および実施の形態では、アーティキュレート式作業機としてホイールローダ1を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、前フレームに作業装置が設けられ、後フレームに運転室が設けられる種々のアーティキュレート式作業機にも広く適用できるものである。