JP5130388B2 - トラクションコントロール装置 - Google Patents
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Description
このような建設機械における車輪の駆動力を制御するものとして、各車輪のブレーキトルクを調整するトラクションコントロール(以下、TCSと称する)装置や(例えば、特許文献1参照)、差動機構における左右の駆動輪間の差動や前後輪間の差動をロックするデフロック制御装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、特許文献2では、インタアクスルデフ制御により前輪および後輪を直結するのみであり、例えば、前後輪ともに右側または左側の車輪が同時にスリップした場合には、スリップを抑制するすべがない。従って、やはり十分な加速性を確保できない状況が発生してしまう可能性がある。
本発明に係るトラクションコントロール装置は、各車輪に設けられる制動機構と、前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構とを備えた建設機械の前記制動機構及び前記差動調整機構を制御するトラクションコントロール装置であって、前記各車輪の回転速度を検出する回転速度検出手段と、検出された前記各車輪の回転速度に基づいて、前記差動調整機構の制御を行うか否かを判定する制御開始判定手段と、前記制御開始判定手段の判定結果に基づいて、前記差動調整機構の制御を行う差動調整機構制御手段とを備え、前記制御開始判定手段は、左右輪の回転速度差を算出する左右輪回転速度差算出部と、左右輪の回転速度比を下記式(1)により算出する左右輪回転速度比算出部と、左右輪の回転速度差が、予め記憶された左右輪回転速度差用の所定の閾値以上となるか、または左右輪の回転速度比が、予め記憶された左右輪回転速度比用の所定の閾値以上となった場合に、前記前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構の制御を開始すると判定する制御開始判定部とを備えていることを特徴とする。
ωee=|(ωl−ωr)/(ωl+ωr)| …(1)
ωee:回転速度比
ωl:左車輪回転速度
ωr:右車輪回転速度
〔1〕ダンプトラック1の構成
図1には、本発明の実施形態に係るダンプトラック1が示されている。ダンプトラック1は、前後に独立した車体フレームを有するアーティキュレート式であり、ダンプトラック1を構成する車両本体は、エンジン1A、変速機1B、差動機構1C〜1F、および差動調整機構1CAを備えている。エンジン1Aの出力は、エンジンコントローラ2により制御され、変速機1Bに伝達される。変速機1Bは、図示しないトルクコンバータおよびロックアップ機構を備えて構成され、変速機コントローラ3により、変速機1Bの変速制御やロックアップ制御が行われる。
そして、エンジン1Aから変速機1Bに伝えられた回転駆動力は、差動機構1C〜1Fを経て全車輪4を回転させ、路面に伝達される。
図2には、ダンプトラック1のブレーキ油圧回路5が示されている。ここで、フロントブレーキ41およびセンターブレーキ42は、多板ブレーキ411,421およびスラックアジャスタ412,422を備えて構成されている。スラックアジャスタ412,422は、フロントブレーキ41およびセンターブレーキ42の回転部分の磨耗による隙間を自動的に調整する装置であり、スラックアジャスタ412,422は、ブレーキ油圧回路5およびTCS制御用油圧回路6に油圧接続されている。
フロントブレーキ41及びセンターブレーキ42は、全て油圧によって制御され、ブレーキ油圧回路5から圧油が出力されると、TCS制御用油圧回路6を介してフロントブレーキ41及びセンターブレーキ42の各部位に圧油が供給され、各部位は油圧によって動作する。
油圧供給系51は、油圧源として複数の油圧アキュムレータ511,512,513、油圧ポンプ514、及びタンク515を備え、これら油圧アキュムレータ511,512,513の圧油がTCS制御用油圧回路6を経て、フロントブレーキ41およびセンターブレーキ42に送られてそれぞれ車輪4を制動している。
油圧アキュムレータ511,512,513は、駆動源となるエンジン1Aによって駆動される油圧ポンプ514でタンク515内の作動油を昇圧し、この油圧ポンプ514の圧油を受けて所定の圧力を蓄圧する。そして、所定の圧力に到達すると、油圧ポンプ514及び油圧アキュムレータ513の間に設けられるアンロード装置516で油圧ポンプ514の圧油をアンロードする。
図2に示されるように、ブレーキ油圧回路5からフロントブレーキ41及びセンターブレーキ42に至る油圧回路途中には、TCS制御用油圧回路6が設けられており、このTCS制御用油圧回路6は、前輪用油圧回路61及び中央輪用油圧回路62を備えて構成される。
前輪用TCS切替弁611は、当該切替弁611を構成するソレノイド611Aに、TCSコントローラ7からの電気信号を出力することにより、フロントブレーキ41側のTCSブレーキ制御を実施するか否かを切り替えることができる。
各電磁式比例制御弁612,613は、ソレノイド612A,613Aによって開度調整され、減圧されて排出された作動油の一部は、前述した油圧供給系51のタンク515に戻される。
圧力センサ616,617は、シャトル弁614,615および電磁式比例制御弁612,613間の配管途中に設けられ、フロントブレーキ41のブレーキ圧を検出し、検出された信号を電気信号としてTCSコントローラ7に出力する。
中央輪用TCS切替弁621には、ソレノイド621Aが設けられ、中央輪用TCS切替弁621は、同様にTCSコントローラ7から出力された電気信号に基づいて、センターブレーキ42側のTCSの動作可否を切り替える。
図2において、前輪用TCS切替弁611のスプールが上側のポジションにある場合、及び、中央輪用TCS切替弁621のスプールが上側のポジションにある場合には、TCS機能は遮断されている。
この場合、前輪用油圧回路61では、前輪用TCS切替弁611から出力された圧油は、電磁式比例制御弁612,613に供給され、TCSコントローラ7からの電気信号に応じて電磁式比例制御弁612,613の開度が調整され、電磁式比例制御弁612,613から出力された圧油は、シャトル弁614,615を経由してフロントブレーキ41に供給される。
この際、詳しくは後述するが、TCSコントローラ7では、回転速度センサ43FL,43FR,43CL,43CRで検出される車輪4の回転速度を監視し、各車輪4のスリップ率の状態に応じて、ソレノイド612A,613A,622A,623Aへの電気信号を出力する。これにより、各電磁式比例制御弁612,613,622,623の開度を調整し、フロントブレーキ41及びセンターブレーキ42の制動力を調整する。このように、TCSコントローラ7は、各車輪4の駆動力を最適な値に調整し、かつ旋回走行時のコーストレース性も確保できるような制御を実行する。
そして、電磁式比例制御弁612,613,622,623は、リターダ制御用の制御弁としても用いられ、TCSコントローラ7からのリターダ指令信号に従って、各電磁式比例制御弁612,613,622,623の開度が調整される。
図3および図4には、前述したTCS制御を行うTCSコントローラ7の構成が示されている。
TCSコントローラ7は、記憶装置としてのメモリ71および演算処理装置72を備えている。
メモリ71には、演算処理装置72上で動作するプログラムの他、TCSスライディングモード制御用のマップ等が格納され、演算処理装置72からの要求に応じて読み出されるようになっている。
また、演算処理装置72は、エンジンコントローラ2および変速機コントローラ3と電気的に接続されており、それぞれが互いの間で情報を交換することができるように構成されている。これにより、演算処理装置72は、エンジンコントローラ2からのエンジンの出力トルク値や、変速機コントローラ3からの変速段情報およびロックアップ情報など、TCS制御に必要な各種情報をエンジンコントローラ2および変速機コントローラ3から取得することができる。
車速取得手段80は、建設機械の車速を取得する部分である。本実施形態において、車速取得手段80は、回転速度センサ43FL,43FR,43CL,43CRからの各車輪4の回転速度ωfl,ωfr,ωcl,ωcrに基づいて、任意の時刻における車速Vを推定する。
このうち、左右輪回転速度比算出部821は以下の式(1)により左右輪の回転速度の比ωeeを、左右輪回転速度差算出部822は以下の式(2)により左右輪の回転速度の差ωlrを、それぞれ前輪および中央輪について算出する。また、前後輪回転速度差算出部823は、前後輪の回転速度の差ωfcを以下の式(3)により算出する。
ωee=|(ωl−ωr)/(ωl+ωr)| …(1)
[式2]
ωlr=|(ωl−ωr)| …(2)
[式3]
ωfc=|(ωfl+ωfr)/2−(ωcl+ωcr)/2| …(3)
実スリップ率算出部841は、車速取得手段80で得られた車速V、車輪4の半径r、および各車輪4の回転速度ωfl,ωfr,ωcl,ωcrに基づいて、各車輪4の実際のスリップ率λを以下の式(4)により算出する。
λ=(r・ω−V)/(r・ω) …(4)
η=ηs+ηa …(5)
S=λ−η …(6)
このうちの制御状態判定部844Aは、制御開始判定手段82の判定結果に基づいて、TCS制御の制御状態を判定する。
Fin1=(Ts/2−J・(dω/dt))/r …(7)
[式8]
Fin2=(Fin1・r−J・(dω/dt))/r …(8)
差動機構1C〜1Fの減速比等のダンプトラック1の諸元データ、エンジンコントローラ2から送信されるエンジンの出力トルク、および変速機コントローラ3から送信される変速段情報に基づいて算出される。
具体的に、制動機構制御部845は、目標ブレーキトルク算出部845A、目標ブレーキトルク判定部845B、基準車輪判定部845C、目標ブレーキトルク低減部845D、および制御指令生成部845Eを備えている。
J・(dω/dt)=Tin/2−r・F−Tb …(9)
dS’/dt=(1−η)・r・(dω/dt)−dV/dt …(10)
dS’/dt=−K・S …(11)
Tb=Tin/2−r・F−(dV/dt)/α+(K/α)・S …(12)
Tin=r・(Fr+Fl)+(Tbl+Tbr)+J・((dωl/dt)+(dωr/dt)) …(13)
Tbl=Tin/2−r・Fl−(dV/dt)/α+(K/α)・S …(14)
[式15]
Tbr=Tin/2−r・Fr−(dV/dt)/α+(K/α)・S …(15)
Tbl=J・(dωl/dt+dωr/dt)/2+r・(Fr−Fl)/2+(Tbl+Tbr)/2−(dV/dt)/α+(K/α)・S …(16)
[式17]
Tbr=J・(dωl/dt+dωr/dt)/2+r・(Fl−Fr)/2+(Tbl+Tbr)/2−(dV/dt)/α+(K/α)・S …(17)
Tb=k・P…(18)
〔5−1〕TCSコントローラ7の作用の概要
次に、前述した構成のTCSコントローラ7の作用の概要を、図6に示されるフローチャートに基づいて説明する。
(1)TCSコントローラ7は、回転速度センサ43FL,43FR,43CL,43CRから出力される各車輪4の回転速度ωfl,ωfr,ωcl,ωcr、アーティキュレート角センサ7Aから出力されるアーティキュレート角、エンジンコントローラ2からのエンジントルク情報、変速機コントローラ3からの変速段情報、およびロックアップ作動信号などの各種入力信号を取得する(処理S1)。
(3)制動機構制御手段84において、実スリップ率算出部841は、車速取得手段80で得られた車速V、車輪4の半径r、および各車輪4の回転速度ωfl,ωfr,ωcl,ωcrに基づいて、車輪4ごとの実際のスリップ率λを算出する。また、目標スリップ率設定部842は、メモリ71に記憶されている基準目標スリップ率ηsと、アーティキュレート角に応じて設定される補正目標スリップ率ηaとに基づき、車輪4ごとに目標スリップ率ηを算出する(処理S3)。
(5)トラクションフォース推定部844は、エンジンコントローラ2から送信されるエンジン出力トルク、変速機コントローラ3から送信される変速段情報、およびダンプトラック1の諸元データに基づいて、前輪4および中央輪4のトラクションフォースを推定する(処理S5)。なお、トラクションフォースFの推定は、後述する処理S10の前に行われるのであれば、必ずしもこの段階で行われなくても良い。
以下、図7〜図9に従って、TCSコントローラ7におけるトラクションフォース推定部844の作用について詳しく説明する。
図7において、トラクションフォース推定部844は、先ずアクセルペダルがオンになっているか否かを判定する(処理S71)。
前輪4のトラクションフォースFの初期値の設定に際しては、先ず制御状態判定部844Aが、前輪TCSブレーキ制御フラグがセットされているか否かを判定する(処理S751)。
一方、処理S751で、前輪TCSブレーキ制御フラグがセットされていると判定された場合、制御状態判定部844Aは、さらに前輪4のTCSブレーキ制御が非制御状態から制御状態に切り換わったか否かを判定する(処理S753)。そして、前輪4のTCSブレーキ制御が非制御状態から制御状態に切り換わったと判定された場合、トラクションフォース初期値設定部844Bは、当該車輪4の入力駆動力Fin2が算出されていればこの入力駆動力Fin2で、そうでなければ入力駆動力Fin1で、当該車輪4のトラクションフォースFを初期化する(処理S754)。
なお、中央輪4のトラクションフォースFの初期値の設定は、図8のS761〜S764に示すように、前輪4の場合と同じであるため、ここでの説明を省略する。
具体的に、トラクションフォース修正部844Cは、図9に示すように、制御偏差Sが、ゼロをその範囲に含む所定値D1〜U1の範囲内にある場合は、トラクションフォースFを修正することなく、そのままの値を維持する。
以下、図10に示されるフローチャートおよび図11に従って、TCSブレーキ制御の詳細、特に制動機構制御手段84の目標ブレーキトルク算出部845A、目標ブレーキトルク判定部845B、基準車輪判定部845C、目標ブレーキトルク低減部845D、および制御指令生成部845Eの作用について詳しく説明する。
先ず、図10において、目標ブレーキトルク算出部845Aは、前述した式(16)および式(17)により、各車輪4の目標ブレーキトルクを算出する(処理S20)。また、目標ブレーキトルク算出部845Aは、式(18)を用いて、各車輪4の目標ブレーキトルクをそれぞれ目標ブレーキ圧に換算する。
例えば、前輪4および中央輪4の目標ブレーキ圧を示す図11において、基準車輪判定部845Cは、前輪4の目標ブレーキ圧Pfが、中央輪4の目標ブレーキ圧Pcよりも小さいことを認識して、前輪4を基準車輪と判定する。なお、実際には、基準車輪の判定や後述する目標ブレーキトルクの低減は、全ての駆動輪4の目標ブレーキ圧Pf,Pcを参照して行われるが、簡略化のため、図11では目標ブレーキ圧が最小となる前輪4と、何れか一方の中央輪4のみについて図示している。
ここで、図11に示すように、本実施形態の目標ブレーキトルク低減部845Dは、基準車輪である一方の前輪4の目標ブレーキ圧Pfとその圧力閾値Pthとの差圧ΔPfを算出する。そして、目標ブレーキトルク低減部845Dは、式(18)を用いて差圧ΔPfをブレーキトルクに換算し、基準車輪の目標ブレーキトルクとその閾値との差分に相当する値を算出する。ここで、ブレーキ圧に対するブレーキトルクのゲインは前後輪4で異なるので、これを調整するパラメータであるトルクカットゲインを用いて差圧ΔPfからブレーキトルクへの変換を行う。すなわち、目標ブレーキトルク低減部845Dは、メモリ71に記憶されているトルクカットゲインの値を差圧ΔPfに乗じてトルク低減量ΔTfに変換し、基準車輪の目標ブレーキトルクからトルク低減量ΔTfを減ずる。また、目標ブレーキトルク低減部845Dは、基準車輪ではない他方の前輪4についても、基準車輪と同じトルク低減量ΔTfを目標ブレーキトルクから減ずる。
制御指令生成部845Eは、各車輪4の目標ブレーキトルクに基づいて、電磁式比例制御弁612,613,622,623への制御指令の生成および出力をおこなう(処理S24)。これにより、電磁式比例制御弁612,613,622,623の開度が調整され、各車輪4の制動力が制御される。一方、TCSブレーキ制御が実施されていない場合、制御指令生成部845Eは、ソレノイド612A,613A,622A,623Aに対し電流値がゼロとなるような信号を出力する。
以下、図12に示されるフローチャートに従って、差動調整機構制御手段85の作用について、さらに詳しく説明する。
先ず、差動調整機構制御手段85は、インタアクスルデフ制御の実施要否を認識する(処理S30)。具体的に、差動調整機構制御手段85は、インタアクスルデフ制御フラグがオンか、または何れかの車輪でTCSブレーキ制御指令がゼロでない場合は、インタアクスルデフ制御が必要であることを認識し、そうでない場合は、インタアクスルデフ制御が不要であることを認識する。インタアクスルデフ制御が必要であることを認識した場合、差動調整機構制御手段85は、差動機構1Cの差動拘束力を最大の値とする制御指令(指令量100%)を生成し、差動調整機構1CAに出力する(処理S31)。また、差動調整機構制御手段85は、インタアクスルデフ制御終了カウンターをリセットする(処理S32)。
また、検出された各車輪4の回転速度に基づいて、各ブレーキ41,42及び差動調整機構1CAの制御を行うか否かが判定されるため、各ブレーキ41,42及び差動調整機構1CAの制御要否を、共通の指標を用いて一元的に判断することができる。このため、各ブレーキ41,42の制御と差動調整機構1CAの制御との間の調整を図ることが可能となり、各車輪4の駆動力を適切に分配することができる。
ここで、各ブレーキ41,42の制御終了と同時に差動調整機構1CAの制御を終了させると、各車輪4間の差動拘束力が唐突になくなるため、他の車輪と比較して路面との摩擦係数が異なる車輪4が、各ブレーキ41,42の制御終了後直ぐに突然大きなスリップを開始することがある。このような現象の発生は、急激な加速性の低下をもたらしたり、オペレータに違和感を与えたりする。
本発明によれば、各ブレーキ41,42の制御終了後も所定時間は差動調整機構1CAの制御を継続するため、各ブレーキ41,42の御終了直後に再度スリップが発生することを抑制できる。従って、加速性の低下を抑制でき、オペレータに違和感を与えることを防止できる。
例えば、前記実施形態では、各車輪4の目標ブレーキトルクを目標ブレーキ圧に換算し、この目標ブレーキ圧を用いて、各目標ブレーキトルクが閾値以上となったか否かの判定、基準車輪の判定、および各目標ブレーキトルクの低減を行っていたがこれに限られず、例えば、目標ブレーキトルクそのものを用いて、これらの処理を行うようにしても良い。
また、基準車輪判定部845Cは、目標ブレーキトルクが最も小さい車輪4を基準車輪と判定しても良い。
さらに、目標ブレーキトルク低減部845Dは、各車輪4の目標ブレーキトルクがトルク閾値以上となった場合に、基準車輪の目標ブレーキトルクとトルク閾値との差分に応じて、各車輪4の目標ブレーキトルクを低減するようにしても良い。
さらに、前記実施形態では、車輪4の回転速度ωfl,ωfr,ωcl,ωcrに基づく推定車速を取得していたがこれに限られず、例えば、対地速度センサから車速を取得したり、GPS情報から車速Vを算出したりしてもよい。
F=Fin1+G1・S …(19)
[式20]
F=Fin2+G2・S …(20)
Claims (4)
- 各車輪に設けられる制動機構と、前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構とを備えた建設機械の前記制動機構及び前記差動調整機構を制御するトラクションコントロール装置であって、
前記各車輪の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
検出された前記各車輪の回転速度に基づいて、前記差動調整機構の制御を行うか否かを判定する制御開始判定手段と、
前記制御開始判定手段の判定結果に基づいて、前記差動調整機構の制御を行う差動調整機構制御手段とを備え、
前記制御開始判定手段は、
左右輪の回転速度差を算出する左右輪回転速度差算出部と、
左右輪の回転速度差が、予め記憶された左右輪回転速度差用の所定の閾値以上となった場合に、前記前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構の制御を開始すると判定する制御開始判定部とを備えていることを特徴とするトラクションコントロール装置。 - 各車輪に設けられる制動機構と、前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構とを備えた建設機械の前記制動機構及び前記差動調整機構を制御するトラクションコントロール装置であって、
前記各車輪の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
検出された前記各車輪の回転速度に基づいて、前記差動調整機構の制御を行うか否かを判定する制御開始判定手段と、
前記制御開始判定手段の判定結果に基づいて、前記差動調整機構の制御を行う差動調整機構制御手段とを備え、
前記制御開始判定手段は、
左右輪の回転速度差を算出する左右輪回転速度差算出部と、
左右輪の回転速度比を下記式(1)により算出する左右輪回転速度比算出部と、
左右輪の回転速度差が、予め記憶された左右輪回転速度差用の所定の閾値以上となるか、または左右輪の回転速度比が、予め記憶された左右輪回転速度比用の所定の閾値以上となった場合に、前記前後の車輪間の差動を調整する差動調整機構の制御を開始すると判定する制御開始判定部とを備えていることを特徴とするトラクションコントロール装置。
[式1]
ωee=|(ωl−ωr)/(ωl+ωr)| …(1)
ωee:回転速度比
ωl:左車輪回転速度
ωr:右車輪回転速度 - 請求項1または請求項2に記載のトラクションコントロール装置において、
前記建設機械は、前後に独立した車体フレームを有するアーティキュレート式の建設機械であり、
前記制御開始判定手段は、前記左右輪回転速度差用の閾値および前記左右輪回転速度比用の閾値を前後の車体フレームの屈折角に応じて補正する制御閾値設定部を備えていることを特徴とするトラクションコントロール装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載のトラクションコントロール装置において、
前記各車輪に設けられた制動機構の制御を行う制動機構制御手段を備え、
前記制動機構制御手段は、前記制御開始判定手段が前記差動調整機構の制御を開始すると判定したときに、前記制動機構の制御を開始することを特徴とするトラクションコントロール装置。
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