JP7461115B2 - 動力伝達装置の制御装置、動力伝達装置および動力伝達装置の制御方法 - Google Patents
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Description
《作業車両の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
図1は、第1の実施形態に係る作業車両の側面図である。
第1の実施形態に係る作業車両100は、ホイールローダである。作業車両100は、車体110、作業機120、前輪部130、後輪部140、運転室150を備える。作業車両100は、動力機械の一例である。
ステアリングシリンダ113は、油圧シリンダである。ステアリングシリンダ113の基端部は後車体112に取り付けられ、先端部は前車体111に取り付けられる。ステアリングシリンダ113は、作動油によって伸縮することで、前車体111と後車体112とのなす角度を規定する。つまり、ステアリングシリンダ113の伸縮により、前輪部130の舵角が規定される。
バケット122は、作業対象物を掘削するための刃と、掘削した作業対象物を運搬するための容器とを備える。バケット122の基端部は、ブーム121の先端部にピンを介して取り付けられる。
ベルクランク123は、バケットシリンダ125の動力をバケット122に伝達する。ベルクランク123の第1端は、バケット122の底部にリンク機構を介して取り付けられる。ベルクランク123の第2端は、バケットシリンダ125の先端部にピンを介して取り付けられる。
バケットシリンダ125は、油圧シリンダである。バケットシリンダ125の基端部は、前車体111の前部に取り付けられる。バケットシリンダ125の先端部は、ベルクランク123を介してバケット122に取り付けられている。バケットシリンダ125が、作動油によって伸縮することによって、バケット122がチルト方向またはダンプ方向に揺動する。
運転室150は、オペレータが搭乗し、作業車両100の操作を行うためのスペースである。運転室150は、後車体112の上部に設けられる。
図2は、第1の実施形態に係る運転室の内部の構成を示す図である。運転室150の内部には、シート151、アクセルペダル152、ブレーキペダル153、ステアリングハンドル154、前後切替スイッチ155、シフトスイッチ156、ブームレバー157、バケットレバー158が設けられる。
ブレーキペダル153は、作業車両100に生じさせる走行の制動力を設定するために操作される。ブレーキペダル153の操作量が大きいほど、強い制動力が設定される。
ステアリングハンドル154は、作業車両100の舵角を設定するために操作される。
前後切替スイッチ155は、作業車両100の進行方向を設定するために操作される。作業車両の進行方向は、前進(F:Forward)、後進(R:Rear)、または中立(N:Neutral)のいずれかである。
シフトスイッチ156は、動力伝達装置の速度範囲を設定するために操作される。シフトスイッチ156の操作によって、例えば、1速、2速、3速、および4速の中から1つの速度範囲が選択される。
ブームレバー157は、ブーム121の上げ操作または下げ操作の移動量を設定するために操作される。ブームレバー157は、前方へ傾けられることにより下げ操作を受け付け、後方へ傾けられることにより上げ操作を受け付ける。
バケットレバー158は、バケット122のダンプ操作またはチルト操作の移動量を設定するために操作される。バケットレバー158は、前方へ傾けられることによりダンプ操作を受け付け、後方へ傾けられることによりチルト操作を受け付ける。
図3は、第1の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。
作業車両100は、エンジン210、PTO220(Power Take Off:動力取出装置)、HMT230(Hydraulic Mechanical Transmission)、フロントアクスル240、リアアクスル250、可変容量ポンプ260、固定容量ポンプ270を備える。
HMT230には、入力軸回転計2301および出力軸回転計2302が設けられる。入力軸回転計2301は、HMT230の入力軸の回転数を計測する。出力軸回転計2302は、HMT230の出力軸の回転数を計測する。HMT230のHST232には、HST圧力計2303が設けられる。HST圧力計2303は、HST232の圧力を計測する。
リアアクスル250は、HMT230が出力する駆動力を後輪部140に伝達する。これにより、後輪部140が回転する。
フロントアクスル240およびリアアクスル250は、走行装置の一例である。
コントロールバルブ261は、可変容量ポンプ260から吐出された作動油の流量を制御し、作動油をリフトシリンダ124とバケットシリンダ125とに分配する。ステアリングバルブ262は、ステアリングシリンダ113に供給する作動油の流量を制御する。PTOブレーキバルブ263は、リリーフバルブ264へ供給する作動油の流量を制御する。リリーフバルブ264は、作動油の圧力が所定のリリーフ圧を超えたときに圧力を開放し、作動油を排出させる。
可変容量ポンプ260には、第1ポンプ圧計2601およびポンプ容量計2602が設けられる。第1ポンプ圧計2601は、可変容量ポンプ260からの作動油の吐出圧を計測する。ポンプ容量計2602は、可変容量ポンプ260の斜板角等に基づいて可変容量ポンプ260の容量を計測する。
可変容量ポンプ260はPTO220から動力を分配される装置の一例である。他の実施形態においては、可変容量ポンプ260が複数のポンプから構成されてもよいし、可変容量ポンプ260に代えてまたは加えて、図示されない油圧駆動ファンなどの他の供給先を備えていてもよい。
HMT230は、遊星歯車機構231、HST232、入力軸ギア233、HSTポンプ軸ギア234を備える。
入力軸ギア233は、エンジン210の駆動力を遊星歯車機構231に伝達するためのギアである。入力軸ギア233は、HMT230の入力軸に接続される。入力軸ギア233には、遊星歯車機構231のキャリア2313に嵌合可能な歯が刻まれている。
HSTポンプ軸ギア234は、遊星歯車機構231の動力をHSTポンプ2321に伝達するためのギアである。HSTポンプ軸ギア234は、HST232の入力軸に接続される。HSTポンプ軸ギア234には、リングギア2314の外周と嵌合可能な歯が刻まれている。
サンギア2311は、遊星歯車機構231の中心に配置されるギアである。サンギア2311の回転軸には、HMT230の出力軸が接続される。サンギア2311の外周には、プラネタリギア2312と嵌合可能な歯が刻まれている。
プラネタリギア2312は、サンギア2311の外周に嵌合されるギアである。プラネタリギア2312の外周には、サンギア2311およびリングギア2314と嵌合可能な歯が刻まれている。
キャリア2313は、複数のプラネタリギア2312の中心軸を回転可能に支持する。キャリア2313は、プラネタリギア2312の移動に伴って回転する。キャリア2313の外周には、入力軸ギア233と嵌合可能な歯が刻まれる。
リングギア2314は、その内周の歯が複数のプラネタリギア2312の外周に嵌合されるギアである。リングギア2314の内周には、プラネタリギア2312と嵌合可能な歯が刻まれている。リングギア2314の外周には、HSTポンプ軸ギア234と嵌合可能な歯が刻まれており、その外周の歯がHSTポンプ軸ギア234に嵌合される。なお、遊星歯車機構231の構成や、遊星歯車機構231と各構成要素との接続関係は一例であり、他の実施形態においてはこれに限られない。
HSTポンプ2321は、HSTポンプ軸ギア234を介して遊星歯車機構231のキャリア2313の動力によって駆動する。HSTポンプ2321は、作動油をHSTモータ2322に供給する。すなわち、HSTポンプ2321は、回転動力を油圧動力に変換する変換部の一例である。
HSTモータ2322は、HSTポンプ2321から供給する作動油によって駆動する。HSTモータ2322は、サンギア2311に動力を与える。すなわち、HSTモータ2322は、油圧動力を回転動力に再変換する再変換部の一例である。
HSTリリーフ弁2323は、HSTポンプ2321とHSTモータ2322とを接続する油圧回路に接続され、作動油の圧力が所定のリリーフ圧を超えたときに圧力を開放し、作動油を排出させる。
作業車両100は、作業車両100を制御するための制御装置300を備える。
制御装置300は、運転室150内の各操作装置(アクセルペダル152、ブレーキペダル153、ステアリングハンドル154、前後切替スイッチ155、シフトスイッチ156、ブームレバー157、バケットレバー158)の操作量に応じて、燃料噴射装置211、HMT230、可変容量ポンプ260、コントロールバルブ261、PTOブレーキバルブ263に制御信号を出力する。
HST232の内圧がHSTリリーフ弁2323のリリーフ圧を超えると、HSTリリーフ弁2323から作動油が排出される。このとき、HSTリリーフ弁2323から作動油が排出されているにも関わらず、さらにHSTポンプ2321の流量が増大すると、HSTポンプ2321の入力軸のトルクが増加する。入力軸のトルクの増加により、遊星歯車機構231の入力トルクが増加する。この結果、遊星歯車機構231に接続されるHMT230の出力軸のトルクを増加させることができる。
また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ350に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
具体的には、要求出力トルク決定部315は、複数の速度範囲に対応する複数の走行変換関数のうち、シフト操作量によって特定される速度範囲に対応する走行変換関数を特定する。要求出力トルク決定部315は、アクセル操作がある場合、アクセル操作量に係る倍率に基づいて特定した走行変換関数を変形する。要求出力トルク決定部315は、ブレーキ操作がある場合、ブレーキ操作量に係る倍率に基づいて特定した走行変換関数を変形する。要求出力トルク決定部315は、FNR操作量に基づいて、要求出力トルクの符号を決定する。なお、要求出力トルクと走行速度の符号が一致しない場合(要求出力トルクと走行速度の積の符号が負である場合)、HMT230によって制動側のトルクが発揮される。
走行変換関数によれば、走行速度が所定速度を超えるとき、要求出力トルクが制動側の値となる。そのため、要求出力トルク決定部315は、車両状態算出部313が算出した走行速度が、シフト操作量とアクセル操作量とブレーキ操作量とによって特定される速度範囲の上限を超える場合、要求出力トルクが制動側の値(走行速度と逆の符号)となる。
走行負荷トルクTloadは、以下の式(1)に基づいて算出することができる。
また目標エンジン回転数決定部317は、要求PTOトルク決定部314で算出した、可変容量ポンプ260の要求流量を実現するために必要なエンジンの回転数(PTO必要回転数)を決定する。目標エンジン回転数決定部317は、予め設計等により定められた、可変容量ポンプ260の要求流量とエンジン回転数との関係を規定する回転数変換関数に基づいて、PTO必要回転数を決定する。目標エンジン回転数決定部317は、目標エンジン回転数がPTO必要回転数を下回る場合、目標エンジン回転数をPTO必要回転数に決定する。
例えば、配分決定部321は、目標エンジントルクから目標加速トルクを減算したトルクを、要求PTOトルクと要求出力トルクとの比に基づいて分配することで、目標PTOトルクおよび目標HMTトルクを決定する。このとき、配分決定部321は、PTOトルクおよびHMTトルクの最小保障値を確保したうえで、目標PTOトルクおよび目標HMTトルクを決定してもよい。また、配分決定部321は、目標HMTトルク、HMT230の入出力速度比、およびHMT230の効率に基づいて、HMT230の出力軸のトルクの目標値である目標出力トルクを算出する。
図5は、第1の実施形態に係る作業車両の制御方法を示すフローチャートである。
まず、操作量取得部311は、アクセルペダル152、ブレーキペダル153、ステアリングハンドル154、前後切替スイッチ155、シフトスイッチ156、ブームレバー157、バケットレバー158のそれぞれから操作量を取得する(ステップS1)。また、計測値取得部312は、燃料噴射装置211、エンジン回転計2101、入力軸回転計2301、出力軸回転計2302、HST圧力計2303、第1ポンプ圧計2601、ポンプ容量計2602、および第2ポンプ圧計2701から計測値を取得する(ステップS2)。
目標出力回転数決定部325は、ステップS2で取得したHMT230の出力軸の回転数の計測値、ステップS6で推定した走行負荷トルク、およびステップS11で決定した目標出力トルクに基づいて、HMT230の出力軸の目標回転数を決定する(ステップS12)。目標入力回転数決定部326は、ステップS2で取得したHMT230の入力軸の回転数の計測値およびステップS8で特定した目標エンジン加速度に基づいて、HMT230の入力軸の目標回転数を決定する(ステップS13)。
このように、第1の実施形態に係る制御装置300は、エンジン210からの動力のうち、HSTポンプ2321で変換する油圧動力が、HSTモータ2322で吸収する動力を超えるように、HMT230の制御信号を生成する。これにより、制御装置300は、HMT230のリリーフによるアシストトルク分だけ、作業車両100の牽引力を増加させることができる。すなわち、制御装置300は、HST232を構成する油圧伝達装置を大型化することなく、HMT230に高い牽引力を発揮させることができる。
第1の実施形態に係る作業車両100は、動力伝達装置としてHMT230を備える。これに対し、第2の実施形態に係る作業車両100は、動力伝達装置としてEMT280(Electric Mechanical Transmission)を備える。
図6は、第2の実施形態に係る作業車両の動力系統を示す模式図である。
は、遊星歯車機構281、電気無段変速装置282、入力軸ギア283、発電機ギア284を備える。
入力軸ギア283は、EMT280の入力軸に接続される。
発電機ギア284は、電気無段変速装置282の入力軸に接続される。
サンギア2811は、遊星歯車機構281の中心に配置される。サンギア2811の回転軸には、EMT280の出力軸が接続される。
プラネタリギア2812は、サンギア2811の外周に嵌合される。
キャリア2813は、複数のプラネタリギア2812の中心軸を回転可能に支持する。 リングギア2814は、その内周の歯が複数のプラネタリギア2812の外周に嵌合される。リングギア2814は、その外周の歯が発電機ギア284に嵌合される。
発電機2821は、発電機ギア284を介して遊星歯車機構281のキャリア2813の動力によって駆動する。発電機2821は、発電電力をモータ2822に供給する。すなわち、発電機2821は、回転動力を電気動力に変換する変換部の一例である。
モータ2822は、発電機2821から供給される電力によって駆動する。モータ2822は、サンギア2811に動力を与える。すなわち、モータ2822は、電気動力を回転動力に再変換する再変換部の一例である。
インバータ2823は、発電機2821とモータ2822との間を流れる電流の一部を昇圧して蓄電池2824に供給する。
蓄電池2824は、インバータ2823に接続され、インバータ2823から供給された電力によって充電される。蓄電池2824は、発電機2821が生成する電気動力の一部を消費する負荷の一例である。
第2の実施形態に係るEMT280は、第1の実施形態のHMT230と同様に入力分割型の構成である。
第2の実施形態に係る制御装置300は、変速機制御部328の動作が第1の実施形態と異なる。すなわち、変速機制御部328は、アシスト補正値算出部324が算出したアシストトルクを実現するために、インバータ2823に蓄電池2824の充電指令を出力する。これにより、発電機2821の発電電力の一部が蓄電池2824に供給されることで、発電機2821の発電電力は、モータ2822に供給される電力より大きくなる。これにより、発電機2821の入力軸のトルクが増加し、遊星歯車機構281の入力トルクが増加する。この結果、遊星歯車機構281に接続されるEMT280の出力軸のトルクを増加させることができる。
このように、第2の実施形態に係る制御装置300は、発電機2821が生成する電気動力が、モータ2822に入力される油圧動力を超えるように、EMT280の制御信号を生成する。これにより、制御装置300は、EMT280の放電によるアシストトルク分だけ、作業車両100の牽引力を増加させることができる。すなわち、制御装置300は、発電機2821およびモータ2822を大型化することなく、EMT280に高い牽引力を発揮させることができる。
Claims (5)
- 入力軸と、
出力軸と、
前記入力軸に接続された第1回転要素、出力軸に接続された第2回転要素、および第3回転要素を有する差動装置と、
前記第3回転要素の回転動力を他の動力へ変換する変換部、および変換された前記他の動力を回転動力に再変換して前記出力軸に供給する再変換部とを備える無段変速部と、
を備える作業車両のための動力伝達装置の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記作業車両に生じさせる牽引力を設定するために操作される操作装置の操作量に基づいて前記出力軸の目標牽引力を計算し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きいか否かを判定し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きい場合に、前記変換部が生成する前記他の動力が、前記再変換部に入力される前記他の動力を超えるように、前記無段変速部の制御信号を生成する。 - 前記他の動力は油圧動力であって、
前記無段変速部は、前記変換部から前記再変換部へ供給される作動油の圧力が所定のリリーフ圧以下となるように前記作動油を吐き出すリリーフ弁を備え、
前記制御装置は、前記リリーフ圧を超える圧力で前記作動油を前記変換部に供給させる制御信号を生成する
請求項1に記載の動力伝達装置の制御装置。 - 前記他の動力は電気動力であって、
前記無段変速部は、前記変換部に対して前記再変換部と並列に接続される負荷を備え、 前記制御装置は、前記変換部が出力する電気動力の一部を前記負荷に消費させる制御信号を生成する
請求項1に記載の動力伝達装置の制御装置。 - 入力軸と、
出力軸と、
前記入力軸に接続された第1回転要素、出力軸に接続された第2回転要素、および第3回転要素を有する差動装置と、
前記第3回転要素の回転動力を他の動力へ変換する変換部、および変換された前記他の動力を回転動力に再変換して前記出力軸に供給する再変換部とを備える無段変速部と、
を備える作業車両のための動力伝達装置であって、
前記作業車両に生じさせる牽引力を設定するために操作される操作装置の操作量に基づいて前記出力軸の目標牽引力を計算し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きいか否かを判定し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きい場合に、前記変換部が生成する前記他の動力が、前記再変換部に入力される前記他の動力を超えるように、前記無段変速部の制御信号を生成する制御装置
を備える動力伝達装置。 - 入力軸と、
出力軸と、
前記入力軸に接続された第1回転要素、出力軸に接続された第2回転要素、および第3回転要素を有する差動装置と、
前記第3回転要素の回転動力を他の動力へ変換する変換部、および変換された前記他の動力を回転動力に再変換して前記出力軸に供給する再変換部とを備える無段変速部と、
を備える作業車両のための動力伝達装置の制御方法であって、
前記作業車両に生じさせる牽引力を設定するために操作される操作装置の操作量に基づいて前記出力軸の目標牽引力を計算し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きいか否かを判定し、
前記出力軸の目標牽引力が前記動力伝達装置が発揮可能な牽引力より大きい場合に、前記変換部が生成する前記他の動力が、前記再変換部に入力される前記他の動力を超えるように、前記無段変速部の制御信号を生成する
動力伝達装置の制御方法。
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