JP4918584B2 - ホイールローダ - Google Patents

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Description

本発明は、ホイールローダに関する。
一般にホイールローダはバケットで地山を掘削し、それをダンプトラックに積み込むために使用される。図４は、ホイールローダの掘削からダンプトラックへの積み込みの一連の運転パターンを示すもので、これはＶシェープ運転と呼ばれる最も多く使用される運転パターンである。すなわち、ホイールローダ１０１を前進２速（Ｆ２）で地山１０２に向って高速で前進し（運転［１］）、地山１０２に近づくと（０．５ｍ〜１．０ｍ）、掘削作業を行う場合の牽引力を大きくするために前進１速（Ｆ１）で地山１０２に突っ込む（運転［２］）。掘削が終了すると、ホイールローダ１０１を掘削作業位置から後進２速（Ｒ２）で高速で後退させ（運転［３］）、続いてホイールローダ１０１の走行方向を切り換えてダンプトラック１０３にＦ２で高速接近させる（運転［４］）。ダンプトラック１０３への積み込み作業が終了すると、ダンプトラック１０３からＲ２で高速で離れる（運転［５］）。
このＶシェープ運転は、３０秒程度のサイクルタイムで行われ、この１サイクルの中で２回前後進を行うが、作業時のサイクルタイムを短くするために、トルクコンバータ等流体継手での前後進切換時の車両慣性吸収作用を利用して、走行中に前後進切換操作を行うのが一般的である。例えば、運転［３］から運転［４］に移る場合、オペレータは運転［３］の後進中の最高速付近でアクセルを戻し、シフト操作により後進から前進に切り換えてアクセルを踏み込み、エンジン出力で減速する。ブレーキペダル操作は、減速後に軽く踏む程度である。
しかしながら、上述した従来技術においては、以下に述べるような問題点がある。
すなわち、後進時の減速は前進シフトでのアクセル操作により、前進時の減速は後進シフトでのアクセル操作によりエンジン出力を用いて減速しているので、燃費が悪く、ヒートバランスの問題によりラジエータが大型のものが必要となる。
また、特にエンジン回転が下がった後に運転［４］に移行する場合、車両は
（１）ステアリング操作を行う
（２）積荷でのブーム上昇操作を行う
（３）車体を前進加速する
（４）エンジン自身を加速する
を同時に行っており、エンジンの出力が不足してエンジン回転の立ち上がりが悪く加速不良となることがある。
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、燃費の低減を図ると共に、エンジンの出力不足を解消し加速性の優れたホイールローダを提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、エンジンにより作業機駆動用の油圧ポンプ及び動輪を駆動して作業を行うホイールローダにおいて、動輪にトルク伝達可能な第１の電動機と、前記油圧ポンプにトルク伝達可能な第２の電動機と、第１の電動機および第２の電動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う蓄電手段と、車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて発電する第１の電動機の発電作動を制御し、発電した電気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装置とを備え、前記制御装置は、積荷状態で加速しつつブーム上昇操作を行う作業機操作時には、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受けて油圧ポンプにトルクを伝達する第２の電動機のモータ作動を制御し、前記作業機操作を行わない場合であって、当該ホイールローダの車速が設定車速以下であり、かつアクセルがフル操作されている場合には、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受けて動輪にトルクを伝達する第１の電動機のモータ作動を制御する構成としている。
即ち、車両の減速操作時に第１の電動機により回生制動を行い、車両が持つ運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電するので、従来のように減速のためにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費が向上すると共に、ヒートバランスの向上によりラジエータの小型化が可能となる。
また、回生制動により蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを用いて、積荷状態で加速しつつブーム上昇操作を行う作業機操作を行わない場合であって、ホイールローダの車速が設定車速以下であり、かつアクセルがフル操作されている場合に第１の電動機をモータ作動してエンジン出力をアシストして動輪を駆動するので、エンジンの負担を軽減して出力不足を防止できると共に、車両の加速性能を向上できる。
さらに、回生制動により蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを用いて、前記作業機操作時に第２の電動機をモータ作動してエンジン出力をアシストして油圧ポンプを駆動するので、エンジンの負担を軽減して出力不足を防止できる。
また、第１の電動機に接続可能な抵抗器を備え、前記制御装置は、蓄電手段の充電量の検出機能を備えると共に、蓄電手段の充電量が満充電に達したことを検出した場合には、第１電動機が発電した電気エネルギーを抵抗器に供給する構成としている。
即ち、充電手段が満充電に達した場合には、回生制動により発生する電気エネルギーを抵抗器で消費できるので、充電手段が満充電の場合でも回生制動が可能であり、従来のように減速のためにエンジン出力を用いる必要がなく、燃費が向上すると共に、ヒートバランスの向上によりラジエータの小型化が可能となる。
また、エンジンと、エンジンにより駆動される発電機と、発電機が発電した電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、蓄電手段との間で電気エネルギーの受け渡しが可能で、車両の動輪にトルク伝達可能な第１の電動機と、蓄電手段との間で電気エネルギーの受け渡しが可能で、作業機駆動用の油圧ポンプにトルク伝達可能な第２の電動機と、車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて発電する第１の電動機の発電作動を制御し、発電した電気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装置とを備え、前記制御装置は、当該ホイールローダの車速が設定車速以下であり、かつアクセルがフル操作されている場合に、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受けて動輪にトルクを伝達する第１の電動機のモータ作動を制御することが好ましい。
即ち、車両の減速操作時に第１の電動機により回生制動を行い、車両が持つ運動エネルギーを電気エネルギーに変換して蓄電するので、従来のように減速のためにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費が向上すると共に、ヒートバランスの向上によりラジエータの小型化が可能となる。
実施形態に係わるシステムブロック図である。 実施形態に係わるフローチャート図である。 実施形態の別態様に係わるシステムブロック図である。 ホイールローダのＶシェープ運転パターンを示す図である。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
図１に示すように、エンジン１の出力はトルコン（トルクコンバータ）２を介してトランスミッション（変速機）３に伝えられ、プロペラシャフト４、デファレンシャル５を介して動輪６を駆動する。トランスミッション３は、例えば１速（１ｓｔ）から４速（４ｔｈ）までの速度段と前進（Ｆ）又は後進（Ｒ）とに切換可能とするクラッチを切り換える複数のソレノイドバルブ（図示せず）を備えている。
また、エンジン１の出力は、エンジン１とトルコン２との間に設けられたギヤトレーン７を介して、作業機用の油圧ポンプ８とステアリング用の油圧ポンプ９とを駆動する。油圧ポンプ８の吐出油は、作業機油圧回路（図示せず）に供給され作業機（ブーム及びバケット 共に図示せず）を駆動する。油圧ポンプ９の吐出油は、ステアリング油圧回路（図示せず）に供給されステアリングシリンダ（図示せず）を駆動する。
電源コントローラ１０には、第１の電動機１１、第２の電動機１２、キャパシタ１３、抵抗器１４及びシステムコントローラ２０が接続されている。発電機を兼ねる第１の電動機１１はプロペラシャフト４に設けられたギヤトレーン４ａに装着され、発電機を兼ねる第２の電動機１２は油圧ポンプ８，９の入力軸に装着されている。
キャパシタ１３は、例えば電気二重層コンデンサであり、リチウムイオン電池等の二次電池に比べエネルギー密度（単位重量あたりの蓄積エネルギー）は低いが、比較的大電流を流すことが可能で、電動機１１，１２の発電作動により発生する電気エネルギーを蓄えると共に、電動機１１，１２がモータ作動する場合には電力を供給する。
電源コントローラ１０は後述するシステムコントローラ２０からの指令に応じて、キャパシタ１３の充放電制御及び電動機１１，１２の発電作動又はモータ作動の制御を行う。また、電源コントローラ１０は、キャパシタ１３の充電量を検出している。
システムコントローラ２０には、アクセル２１の操作量を検出するアクセルセンサ２１ａからアクセル信号が入力され、ブレーキ２２の操作量を検出するブレーキセンサ２２ａからブレーキ信号が入力され、前後進レバー２３からＦＲ信号が入力され、変速レバー２４から速度段信号が入力され、バケットの回動角度を検出するバケット角度センサ２５からバケット角度信号が入力され、ブームの回動角度を検出するブーム角度センサ２６からブーム角度信号が入力され、油圧ポンプ８の吐出圧を検出する圧力センサ２７から油圧信号が入力され、車両の速度と進行方向とを検出する車速センサ２８から車速信号が入力され、電源コントローラ１０からキャパシタ１３の充電量信号が入力されている。
ブレーキ２２は、所定操作量までは後述の回生制動のみが作動し、所定操作量を越えるとブレーキの油圧回路も作動するように調整されている。
アクセルセンサ２１ａ、ブレーキセンサ２２ａ、バケット角度センサ２５及びブーム角度センサ２６は、ポテンショメータを中心に構成されるセンサであり、前後進レバー２３及び変速レバー２４は、ホールＩＣを用いたスイッチで、レバーポジションに対応して配置されたホールＩＣによりレバーに固定された磁石を検出することによりレバーポジションを検出し、ＦＲ信号及び速度段信号を出力している。また、車速センサ２８は２つの電磁ピックアップを備えており、トランスミッション３の出力ギヤ部に装着され、ギヤの歯の回転によりパルス電圧を発生するもので、２つの電磁ピックアップは歯のピッチの１／４ずれて配置されている。これにより、ギヤの回転速度と共に回転方向（すなわち、車両の進行方向）を検出している。
図２を用いて、システムコントローラ２０の制御内容について説明する。
ステップＳ１でＦＲ信号と車速信号とを比較し、前後進レバー２３のポジションと車両の進行方向とが一致するか否かを判断し、一致する場合にはステップＳ２に進む。ステップＳ２において、車速が設定車速Ｖ１（例えば１０ｋｍ／ｈ）以上であり、かつアクセル信号よりアクセルＯＦＦ（アクセル操作していない）か否かを判断し、車速が設定車速Ｖ１未満、又はアクセル操作している場合にはステップＳ３に進む。ステップＳ３において、ブレーキ信号よりブレーキ操作しているか否かを判断し、ブレーキ操作していない場合にはステップＳ４に進む。ステップＳ４で、充電量信号よりキャパシタ１３の充電量が規定値Ｃ１以上か否かを判断し、充電量が規定値Ｃ１未満である場合には充電量不足であるのでステップＳ１に戻り、充電量が規定値Ｃ１以上である場合にはステップＳ５に進む。
ステップＳ５において、ＦＲ信号より前後進レバー２３のポジションが前進（Ｆ）であり、かつ速度段信号より変速レバー２４のポジションが２速（２ｎｄ）であり、かつブーム角度信号よりブーム角度が設定角度α以下（ブーム先端が低い位置）であり、かつバケット角度信号よりバケット角度が所定値β以上（バケットがチルト位置）であり、かつ油圧信号より作業機用の油圧ポンプ８の吐出圧が立ち上がっており（所定圧Ｐ１以上）、かつアクセル信号よりアクセル２１がフル操作されているか否かを判断する。ステップＳ５において「ＹＥＳ」である場合には、積荷状態でブーム上昇操作を行うと同時に車体を前進２速（Ｆ２）でフル加速する場合（Ｖシェープ運転の運転［４］）であり、この場合はステップＳ６の処理を行う。すなわち、システムコントローラ２０はステップＳ６において、第２の電動機１２のモータ作動指令を電源コントローラ１０に出力し、これにより電源コントローラ１０はキャパシタ１３の放電制御及び電動機１２のモータ作動の制御を行う。なお、モータ作動は、キャパシタ１３が所定量の放電を完了することにより終了する。
ステップＳ５において「ＮＯ」である場合には、ステップＳ７に進み、車速信号より車速が設定車速Ｖ２（例えば５ｋｍ／ｈ）以下であり、かつアクセル信号よりアクセル２１がフル操作されているか否かを判断し、「ＮＯ」である場合にはステップＳ１に戻り、「ＹＥＳ」である場合には低速状態でフル加速する場合であり、この場合はステップＳ８の処理を行う。すなわち、システムコントローラ２０はステップＳ８において、第１の電動機１１のモータ作動指令を電源コントローラ１０に出力し、これにより電源コントローラ１０はキャパシタ１３の放電制御及び電動機１１のモータ作動の制御を行う。なお、モータ作動は、キャパシタ１３が所定量の放電を完了することにより終了する。
ステップＳ１において「ＮＯ」である場合、又はステップＳ２において「ＹＥＳ」である場合、又はステップＳ３において「ＹＥＳ」である場合には、減速したい場合であり、ステップＳ９に進み、充電量信号よりキャパシタ１３の充電量が規定値Ｃ２（満充電に略等しい充電量）以下か否かを判断する。ステップＳ９において「ＹＥＳ」である場合には、満充電となっていない場合であり、この場合はステップＳ１０の処理を行う。すなわち、システムコントローラ２０はステップＳ１０において、キャパシタ１３の充電指令及び第１の電動機１１の発電作動指令を電源コントローラ１０に出力し、これにより電源コントローラ１０はキャパシタ１３の充電制御及び電動機１１の発電作動の制御を行う。ステップＳ９において「ＮＯ」である場合には、満充電となっている場合であり、この場合は過充電を防止するためステップＳ１１の処理を行う。すなわち、システムコントローラ２０はステップＳ１１において、第１の電動機１１の発電作動指令及び電力放出指令を電源コントローラ１０に出力し、これにより電源コントローラ１０は電動機１１の発電作動の制御を行うと共に、電動機１１が発生した電力を抵抗器１４に供給してそこで消費させる。
上記構成によれば、車両減速時に動輪６の回転により駆動される電動機１１を発電機として作用（回生作用）させ減速し（回生制動）、車両が持つ運動エネルギーにより発生する電力を蓄電手段であるキャパシタ１３に蓄えることができ、従来のように減速のためにエンジン出力を用いることが不要となる。キャパシタ１３が満充電となっても、回生制動により発生する電力を抵抗器１４にて消費するので、減速のためにエンジン出力を用いる必要がない。このため、燃費が向上すると共にヒートバランスが向上して小型のラジエータにて対応可能となる。
また、回生制動により蓄えた電力で電動機１１，１２を駆動（アシスト作用）することが可能で、これにより、積荷状態でブーム上昇操作を行うと同時に車体を前進２速（Ｆ２）でフル加速するような、重負荷操作時のエンジン１の出力負担を軽減でき、エンジン出力不足を防止できる。また、これにより、従来出力不足が発生しないエンジンを搭載した車両においては、現在よりも小型のエンジンに載せかえることができ、燃費を向上することが可能となる。
また、重負荷操作時に限らず、アクセル２１がフル操作されている場合に電動機１１をモータ作動してエンジン１による車両の加速をアシストしているので、車両の加速性を向上できる。更に、地山を掘削する際の車両の牽引力をアシストすることにより、掘削性能を向上できる。
上記実施形態において、第２の電動機１２を除いた構成とすることも可能である。すなわち、図２のフローチャートからステップＳ５及びステップＳ６がなくなり、ステップＳ４において「ＹＥＳ」である場合にはステップＳ７に進めばよい。この場合であっても、減速操作時に回生制動を行うと共に、アクセル２１のフル操作時に回生エネルギーを用いてエンジン１が動輪６を駆動するのをアシストする。このため、減速時に従来のようにエンジン出力を用いる必要がないので、燃費を向上でき、また、車両の加速性を向上できる。
また、上記実施形態において、キャパシタ１３の容量は、くり返し作業の１サイクル内で電動機１１，１２をモータ作動するのに必要な電力を蓄えることができれば十分である。１サイクル内での減速時の回生制動のみでは、この必要な電力を回収できないような場合には、エンジン出力に余裕があるとき、例えば作業機操作及びステアリング操作を行っていないとき（油圧ポンプ８，９の吐出圧が立っていないとき）に、第２の電動機１２を発電作動させてこの発電電力をキャパシタ１３に蓄えるように構成すればよい。
更に、作業中はエンジン１を定格回転で一定回転させ、出力に余裕があるときはその余剰トルクで発電した電力を充電し、エンジン出力が不足するときに蓄えた電力でエンジン出力をアシストするように構成してもよい。これにより、エンジン１に作用する負荷を平準化することができ、定格出力を従来最大負荷に合わせていたエンジンサイズを、平均負荷のものにサイズダウンすることができ、エンジンの小型化と燃費の向上が図れる。
蓄電手段としてキャパシタ１３を例に挙げたが、仕様を満たせばリチウムイオン電池等の二次電池を用いても構わない。
Ｖシェープ運転で説明したが、Ｉクロス運転（ダンプトラック１０３への積み込み時毎に、ダンプトラック１０３がホイールローダ１０１と地山１０２との間に移動）、ロード＆キャリー運転（Ｖシェープ運転に比べて前進距離が長く、例えば、土砂をホッパに運ぶとき）でも同様の効果が得られる。
また、本発明を図３に示す電気駆動式のホイールローダに適用することも可能である。図１と異なる構成を説明すると、エンジン１には発電機３１が接続され、エンジン１の回転により発電された電力は電源コントローラ１０を介してキャパシタ１３に蓄えられる。動輪６はキャパシタ１３から電力供給され駆動する第１の電動機１１によって駆動され、油圧ポンプ８，９はキャパシタ１３から電力供給され駆動する第２の電動機１２によって駆動される。車速センサ２８は、ギヤトレーン４ａのギヤ部に装着され、車両の速度と進行方向を検出している。
この構成においても、車両減速時には電動機１１を用いて回生制動し、発生した電力を蓄電し、必要時に放電して電動機１１，１２を駆動する。制動のためにエンジン出力を使用することもなく、回生制動によりエネルギーを回収しているので、前述の実施形態と同様にエンジンの小型化と燃費の向上が図れる。また、エンジンを定格回転で一定回転させることにより、前述同様さらにエンジンの小型化と燃費の向上が図れる。
以上説明したように、本発明によれば、車両の減速時に回生制動を行っているので、減速時に従来のようにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費の向上とラジエータの小型化が可能となる。また、減速時の車両の運動エネルギーを回生制動によって電気エネルギーに変換して蓄え、車両の加速時や作業機の操作時に蓄えた電気エネルギーによりエンジン出力をアシストするので、車両の加速性が向上すると共に、エンジンの出力不足を防止でき、エンジンの小型化も可能となる。
１…エンジン、２…トルコン、３…トランスミッション、６…動輪、８，９…油圧ポンプ、１０…電源コントローラ、１１，１２…電動機、１３…キャパシタ、１４…抵抗器、２０…システムコントローラ、２１…アクセル、２２…ブレーキ、２３…前後進レバー、２４…変速レバー、２５…バケット角度センサ、２６…ブーム角度センサ、２７…圧力センサ、２８…車速センサ、３１…発電機。

Claims (2)

  1. エンジンにより作業機駆動用の油圧ポンプ及び動輪を駆動して作業を行うホイールローダにおいて、
    動輪にトルク伝達可能な第１の電動機と、
    前記油圧ポンプにトルク伝達可能な第２の電動機と、
    第１の電動機および第２の電動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う蓄電手段と、
    車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて発電する第１の電動機の発電作動を制御し、発電した電気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装置と
    を備え、
    前記制御装置は、積荷状態で加速しつつブーム上昇操作を行う作業機操作時には、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受けて油圧ポンプにトルクを伝達する第２の電動機のモータ作動を制御し、前記作業機操作を行わない場合であって、当該ホイールローダの車速が設定車速以下であり、かつアクセルがフル操作されている場合には、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受けて動輪にトルクを伝達する第１の電動機のモータ作動を制御することを特徴とするホイールローダ。
  2. 請求項１記載のホイールローダにおいて、
    第１の電動機に接続可能な抵抗器を備え、
    前記制御装置は、
    蓄電手段の充電量の検出機能を備えると共に、
    蓄電手段の充電量が満充電に達したことを検出した場合には、第１電動機が発電した電気エネルギーを抵抗器に供給する
    ことを特徴とするホイールローダ。
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