WO2012029389A1

WO2012029389A1 - 作業車両の走行制御装置

Info

Publication number: WO2012029389A1
Application number: PCT/JP2011/064570
Authority: WO
Inventors: 恭央山崎; 章禄川原
Original assignee: 日立建機株式会社
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-03-08
Also published as: JP2012052580A; JP5301509B2; CN103026099A; US20160194854A1; EP2589836A4; EP2589836A1; KR20130124475A; US20130152574A1

Abstract

　作業車両の走行制御装置は、エンジンにより駆動される可変容量型の油圧ポンプと、油圧ポンプに閉回路接続され、油圧ポンプからの圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、電気信号により油圧モータのモータ傾転角を制御する第１の制御部と、第１の変速比で動力を伝達するハイクラッチ部と第１の変速比よりも大きい第２の変速比で動力を伝達するロークラッチ部とを備えるクラッチ装置を有し、油圧モータからの動力を伝達または遮断する常時噛み合い式のトランスミッションと、トランスミッションを第１の変速比から第２の変速比に切り換える際に、モータ傾転角を所定値まで低下するよう第１の制御部を制御する第２の制御部とを備える。

Description

作業車両の走行制御装置

　本発明は、ホイールローダなどの作業車両の走行制御装置に関する。

　作業車両の走行制御装置において、完全に係合した状態または完全に切り離された状態にのみ制御できるクラッチを用いるトランスミッションを備え、クラッチを切り離してから再び係合させる際のショックの発生を抑制するものが知られている（特許文献１参照）。具体的には、油圧ポンプの斜板角を制御し、クラッチの動力上流側と動力下流側との回転数を一致させることによって、再びクラッチを係合させる際の変速ショックの発生を低減する。

特開２００２－１３９１４８号公報

　上述した特許文献１の装置は、クラッチの動力上流側と動力下流側との回転数を一致させることによって変速ショックを低減するように構成されているため、回転数を一致させるための同期機構が必要となってしまう。

　本発明の第１の態様によると、作業車両の走行制御装置は、エンジンにより駆動される可変容量型の油圧ポンプと、油圧ポンプに閉回路接続され、油圧ポンプからの圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、電気信号により油圧モータのモータ傾転角を制御する第１の制御部と、第１の変速比で動力を伝達するハイクラッチ部と第１の変速比よりも大きい第２の変速比で動力を伝達するロークラッチ部とを備えるクラッチ装置を有し、油圧モータからの動力を伝達または遮断する常時噛み合い式のトランスミッションと、トランスミッションを第１の変速比から第２の変速比に切り換える際に、モータ傾転角を所定値まで低下するよう第１の制御部を制御する第２の制御部とを備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の作業車両の走行制御装置において、モータ傾転角の所定値は、油圧モータの最小傾転角よりも大きく、油圧モータによって作業車両が駆動できる最低限のモータ傾転角であるのが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第１または第２の態様の作業車両の走行制御装置において、第２の制御部は、トランスミッションを第１の変速比から第２の変速比に切り換える際に、モータ傾転角を所定値まで低下した後、所定時間、所定値に固定してから、モータ傾転角を復帰するよう第１の制御部を制御するのが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、ホイールローダは、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走行制御装置を備える。

　本発明によると、ハイからローへの切り換え時に変速ショックを低減することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る走行制御装置が適用される作業車両の側面図。図２は、本実施の形態に係る走行制御装置の概略構成を示す図。図３は、トランスミッションの構成図。図４は、ハイからローへのシフトチェンジ工程を示す図。図５（ａ）、図５（ｂ）は、本実施の形態に係る走行制御装置を適用した作業車両の走行性能線図および比較例を示す図。

　以下、図１～図５を参照して本発明の一実施の形態による作業車両の走行制御装置について説明する。

　図１は、本実施の形態に係る走行制御装置が適用される作業車両の一例であるホイールローダの側面図である。ホイールローダ１００は、アーム１１１、バケット１１２、タイヤ１１３等を有する前部車体１１０と、運転室１２１、エンジン室１２２、タイヤ１２３等を有する後部車体１２０とから構成される。アーム１１１はアームシリンダ１１４の駆動により上下方向に回動（俯仰動）し、バケット１１２はバケットシリンダ１１５の駆動により上下方向に回動(ダンプまたはクラウド)する。前部車体１１０と後部車体１２０はセンタピン１０１により互いに回動自在に連結され、ステアリングシリンダ(不図示)の伸縮により後部車体１２０に対し前部車体１１０が左右に屈折する。

　図２は、本実施の形態に係る走行制御装置の概略構成を示す図である。エンジン１によって駆動される可変容量型油圧ポンプ２と、可変容量型油圧モータ３とは、一対の主管路ＬＡ，ＬＢによって閉回路接続され、いわゆるＨＳＴ回路が構成されている。

　エンジン１により駆動されるチャージポンプ５からの圧油は、前後進切換弁６を介して傾転シリンダ８に導かれる。前後進切換弁６はコントローラ１０からの信号により操作され、図示のように前後進切換弁６が中立位置のときは、チャージポンプ５からの圧油は絞り７および前後進切換弁６を介し、傾転シリンダ８の油室８ａ，８ｂにそれぞれ作用する。この状態では油室８ａ，８ｂに作用する圧力は互いに等しく、ピストン８ｃは中立位置にある。このため、油圧ポンプ２の押しのけ容積ｑｐは０となり、ポンプ吐出量Ｑは０である。

　前後進切換弁６がＡ側に切り換えられると、油室８ａ，８ｂにはそれぞれ絞り７の上流側圧力と下流側圧力が作用するため、シリンダ８の油室８ａ，８ｂに圧力差が生じ、ピストン８ｃが図示右方向に変位する。これにより油圧ポンプ２のポンプ押しのけ容積ｑｐ（ポンプ傾転量）が増加し、油圧ポンプ２からの圧油は主管路ＬＡを介して油圧モータ３に導かれ、油圧モータ３が正転し、車両が前進する。前後進切換弁６がＢ側に切り換えられると、傾転シリンダ８のピストン８ｃが図示左方向に変位し、油圧ポンプ２からの圧油は主管路ＬＢを介して油圧モータ３に導かれ、油圧モータ３が逆転する。

　油圧モータ３の回転はトランスミッション１３０によって変速され、変速後の回転はプロペラシャフト，アクスルを介してタイヤ１１３，１２３に伝達され、車両が走行する。トランスミッション１３０は、ハイ／ロー選択スイッチ２３の操作によりローとハイの２速に切換可能である。

　アクセルペダル９には、アクセルペダル９の操作量を検出する操作量検出器９ａが設けられ、操作量検出器９ａからの信号はコントローラ１０に入力される。コントローラ１０はエンジン制御部１ａに回転速度制御信号を出力し、エンジン回転速度は操作量検出器９ａからの信号に応じて制御される。チャージポンプ５からの圧油は絞り７およびオーバーロードリリーフ弁１３内のチェック弁を通過して主管路ＬＡ，ＬＢに導かれ、ＨＳＴ回路に補充される。絞り７の下流側圧力はチャージリリーフ弁１２により制限され、主管路ＬＡ，ＬＢの最高圧力はオーバーロードリリーフ弁１３により制限される。

　油圧モータ３の押しのけ容積ｑｍ（モータ傾転角）はレギュレータ１４により制御される。レギュレータ１４は電磁切換弁や電磁比例弁等を含む電気式レギュレータであり、信号ライン１４ａ，１４ｂを介して出力されるコントローラ１０からの制御電流によりレギュレータ１４を駆動することで、傾転制御レバー１４０を駆動し、モータ傾転角ｑｍを変更する。モータ傾転制御部にはストッパ１５が設けられている。傾転制御レバー１４０がストッパ１５に当接することにより、モータ傾転角ｑｍの最小値が所定値ｑｍｉｎにメカ的に制限される。なお、レギュレータ１４の非通電時には、ストッパ１５に傾転制御レバー１４０が当接してモータ傾転角ｑｍは最小値ｑｍｉｎに保持される。レギュレータ１４に出力する制御電流が増加すると、モータ傾転角ｑｍも増加する。

　コントローラ１０はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ、その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。コントローラ１０には、主管路ＬＡ，ＬＢの圧力（走行負荷圧Ｐｔ）を検出する圧力検出器２１からの信号、車速を検出する車速センサ１7からの信号、ハイ／ロー選択スイッチ２３からの信号、およびクイックシフトスイッチ２４からの信号がそれぞれ入力される。クイックシフトスイッチ２４は、ハイ／ロー選択スイッチ２３とは別に、ハイ／ローの切り換えを行うために荷役操作レバー（不図示）のグリップに設けられたスイッチである。

　コントローラ１０は、走行負荷圧Ｐｔに応じてモータ傾転角ｑｍを制御する(ＰＩＤ制御)。走行負荷圧Ｐｔが大きくなるほど、モータ傾転角ｑｍは最小値ｑｍｉｎから最大値ｑｍａｘまで徐々に増加する。油圧モータ２の回転速度は、ポンプの吐出量Ｑ×モータ容積効率／モータ容量ｑｍで表され、モータ回転速度に車速が比例する。従って、走行負荷圧Ｐｔが大きくモータ傾転角ｑｍが大きいと、車両は低速高トルクで走行することができ、走行負荷Ｐｔが小さくモータ傾転角ｑｍが小さいと、車両は高速低トルクで走行することができる。

　図３に、トランスミッション１３０の構成を示す。トランスミッション１３０は、いわゆる常時噛み合い式のトランスミッションである。トランスミッション１３０は、油圧モータ３からの動力が入力する入力軸１３１と、入力された動力を車軸に出力する出力軸１３２と、入力軸１３１から出力軸１３２に動力を伝達または遮断するクラッチ装置１３３とを有する。

　クラッチ装置１３３は、軸方向に並設された複数枚のディスクを圧接または離間して動力を伝達または遮断する湿式多板式クラッチである。クラッチ装置１３３は、ハイギヤ１３４、ローギヤ１３５のいずれか一方を入力軸１３１と一体に回転させる。ハイギヤ１３４、ローギヤ１３５は、それぞれ出力軸１３２に結合されたドリブンギヤ１３６，１３７と噛合している。ローギヤ１３５が入力軸１３１に接続した状態（ロー状態）では、入力軸１３１からの回転がローギヤ１３５およびドリブンギヤ１３７を介して出力軸１３２に伝達される。ハイギヤ１３４が入力軸１３１に接続された状態（ハイ状態）では、入力軸１３１からの回転がハイギヤ１３４およびドリブンギヤ１３６を介して出力軸１３２に伝達される。これにより、出力軸１３２が所定のギヤ比に変速されて回転し、出力軸１３２の回転に応じた速度で車両が走行する。

　クラッチ装置１３３は、第１の変速比で動力を伝達するためのハイクラッチ１３３ａおよびハイギヤ１３４と、第１の変速比よりも大きい第２の変速比で動力を伝達するためのロークラッチ１３３ｂおよびローギヤ１３５を備えている。ハイクラッチ１３３ａおよびロークラッチ１３３ｂは、トランスミッションコントロールバルブ１３８からの圧油によって作動する。トランスミッションコントロールバルブ１３８は、コントローラ１０からの指令によって制御される。トランスミッションコントロールバルブ１３８が切り換わり、ロークラッチ１３３ｂに作用する圧力が上昇すると、ロークラッチ１３３ｂが徐々に接続して、ロー状態に切り換わる（図３参照）。一方、トランスミッションコントロールバルブ１３８の切り換えによってハイクラッチ１３３ａに作用する圧力が上昇すると、ハイクラッチ１３３ａが徐々に接続し、ハイ状態に切り換わる。

　上述したようなハイ／ロー切換式のトランスミッションは、オートマチックでの変速を行うオートトランスミッションに比べて、製造コストが安く、燃費がよい、といった利点がある。しかし、ハイからローへの切り換え時に、ハイギヤ１３４とローギヤ１３５のギヤ比に起因して変速ショックが発生してしまう。例えば、ギヤ比の差を３倍とすると、ハイからローにシフトダウンした場合に車速は１／３倍、牽引力は３倍となり、車速の減少による大きなショックと、牽引力の増大によるタイヤのスリップ等が発生してしまう。

　このような変速ショックを抑制するために、車速を十分に抑えた状態でハイからローへの変速を許可することが考えられる。さらに、本実施の形態においては、ハイからローへの切り換え時に油圧モータ３のモータ傾転角を下げることによって、変速時のショックを低減する。

　具体的には、コントローラ１０は、ハイ／ロー選択スイッチ２３の操作によってハイからローへの切り換えが指示された場合は、車速が変速制限速度未満のときに変速を許可する。車速が変速制限速度以上でハイからローへの切り換えが指示された場合、コントローラ１０は車速が変速制限速度まで低下すると変速を許可する。一方、クイックシフトスイッチ２４の操作によってハイからローへの切り換えが指示された場合は、ハイ／ロー選択スイッチ２３がハイに操作され、かつ車速が変速制限速度未満の場合のみ変速を許可する。車速が変速制限速度以上でクイックシフトスイッチ２４が操作されると、コントローラ１０はクイックシフトスイッチ２４からの信号を無効と判断する。ここで、変速制限速度は、ハイからローへの切り換え時の変速ショックを低減するように、適切な値を予め設定しておく（例えば１０ｋｍ/ｈ）。なお、ローからハイへの切り換え時にはモータ傾転角の特別な制御は行わない。

　図４に、ハイからローへのシフトチェンジ工程を示す。図４の横軸は時間、縦軸はモータ傾転指令値を示す。モータ傾転指令値ｑｉは、コントローラ１０から油圧モータ３のレギュレータ１４に出力されるモータ傾転角の指令値である。車両はハイ状態で作業中で、車速は変速制限速度未満、モータ傾転指令値ｑｉはｑａとする。変速時以外の通常状態では、モータ傾転は圧力検出器２１によって検出される回路圧に基づいてＰＩＤ制御されている。

　この状態から、時点ｔ１でハイからローへ切り換えるためにオペレータがハイ／ロー選択スイッチ２３またはクイックシフトスイッチ２４を操作すると、コントローラ１０はモータ傾転角を下げるようにレギュレータ１４にモータ傾転指令値ｑｉとして所定値ｑｂを出力する。所定値ｑｂは、上述した最小値ｑｍｉｎ以上で、例えばレギュレータ１４に電気的な異常が発生した場合でも油圧モータ３によって車両が駆動できる最低限の油量を確保できるようなモータ傾転角に設定される。

　時点ｔ１から所定の経過時間ΔＴ１が経過するまでは、モータ傾転指令値ｑｉを所定値ｑｂに固定する。経過時間ΔＴ１が経過し、車両の牽引力が十分に低下すると、コントローラ１０は時点ｔ２でトランスミッション１４０にハイからローへの切り換え指示を出力する。コントローラ１０からの指示に応じてトランスミッションコントロールバルブ１３８が切り換わり、ロークラッチ１３３ｂに作用する圧力が上昇し、ロークラッチ１３３ｂが徐々に接続してロー状態に切り換わる。

　時点ｔ２でハイからローへの切り換え指示を出力した後、コントローラ１０は所定の移行時間ΔＴ２でモータ傾転指令値ｑｉを所定値ｑｂからＰＩＤ制御に応じた値まで復帰させるようにレギュレータ１４に指令を出力する。モータ傾転指令値ｑｉは移行時間ΔＴ２の間、所定の傾きで増加し、移行時間ΔＴ２経過後に、その時点での回路圧に基づいてＰＩＤ制御が再開される。

　ここで、モータ傾転指令値ｑｉの所定値ｑｂは、例えばハイギヤ１３４とローギヤ１３５のギヤ比を３倍とすると、制御系の遅れ等を考慮して、ハイからローへの切り換え指示時のモータ傾転指令値ｑａの１／３倍よりも小さい値、例えばｑａの１／４倍程度の適切な値が予め設定される。所定の経過時間ΔＴ１は、モータ傾転指令値ｑｂが出力されてから油圧モータ３のモータ傾転角が指令値ｑｂに応じて切り換わるまでの待ち時間として、予め適切な値（例えば４００msec）が設定される。また、所定の移行時間ΔＴ２は、モータ傾転角の制御を通常のＰＩＤ制御にスムーズに復帰させるためのランプタイムとして、予め適切な時間（例えば１sec）に設定される。所定値ｑｂ、経過時間ΔＴ１、および移行時間ΔＴ２は、ハイからローへのスムーズな切り換えが実現できるように、上記例示には限定されず、車両の仕様等に応じて適切な値が設定される。

　以上説明した本実施の形態による走行制御装置の作用について、以下に説明する。図５（ａ）に、本実施の形態による走行制御装置を適用した車両の走行性能線図の一例を示す。ここで、ハイギヤ１３４とローギヤ１３５のギヤ比は３倍とする。図５（ｂ）には比較例を示す。図５（ａ），５（ｂ）の横軸は車速、縦軸は牽引力を示す。図５（ｂ）の比較例に示すように、車速がＡでハイからローへ変速した場合、シフトダウンした瞬間に車速は１／３倍、牽引力は３倍になる。これにより、車速の減少による大きなショックと、牽引力の増大によるタイヤ等のスリップが発生する。

　これに対し、図５（ａ）に示すように、本実施の形態では、ハイからローへの切り換え時に油圧モータ３の傾転を小傾転側に動かす。モータ傾転角が小傾転となることにより、ロー状態に切り換わったときの車速が上がり、すなわち車速の低下が小さくなり、牽引力も小さくなる。これにより、ハイからローへの切り換え時の変速ショックを抑制してスムーズな変速動作を実現することができる。

　以上説明した本実施の形態によると、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）走行制御装置は、エンジンにより駆動される可変容量型の油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２に閉回路接続され、油圧ポンプ２からの圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータ３と、電気信号により油圧モータ３のモータ傾転角を制御するレギュレータ１４と、第１の変速比で動力を伝達するハイクラッチ部（ハイクラッチ１３３ａとハイギヤ１３４）と第１の変速比よりも大きい第２の変速比で動力を伝達するロークラッチ部（ロークラッチ１３３ｂとローギヤ１３５）とを備えるクラッチ装置１３３を有し、油圧モータ３からの動力を伝達または遮断する常時噛み合い式のトランスミッション１３０と、トランスミッション１３０を第１の変速比から第２の変速比に切り換える際に、モータ傾転角を所定値ｑｂまで低下するようレギュレータ１４０を制御するコントローラ１０とを備える。変速比を切り換える際にモータ傾転角を低下することで、モータ傾転角を低下しない場合に比べて、相対的に車速が上がるとともに牽引力が低下する。これにより、製造コストが低く、車両燃費の良好なハイ／ロー切り換え式のトランスミッション１３０を用いた場合に、ハイからローへの切り換え時の変速ショックを軽減することができる。
（２）モータ傾転角の所定値ｑｂは、油圧モータ３の最小傾転角ｑｍｉｎよりも大きく、油圧モータ３によって作業車両が駆動できる最低限のモータ傾転角である。所定値ｑｂを０とすると、例えば油圧モータ３を制御するハーネスが断線した場合に、車両が走行不能となってしまう。所定値ｑｂを上述したような値に設定することにより、ハーネスが断線した場合でも、車両を移動する最低限の油量を確保して車両の走行を可能とすることができる。
（３）トランスミッションをハイからローに切り換える際に、モータ傾転角を所定値ｑｂまで低下した後、所定時間ΔＴ１、所定値ｑｂに固定してから、モータ傾転角を復帰する。これにより、モータ傾転角が実際に変化する時間を確保して、スムーズな変速を実現することが可能となる。

　以上の説明はあくまで一例であり、本発明は、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。たとえば、上述した走行制御装置を、ホイールローダ以外の作業車両、例えばタイヤローラやロードローラといった道路機械に適用しても構わない。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１０年第１９４０８３号（２０１０年８月３１日出願）

Claims

　作業車両の走行制御装置であって、
　エンジンにより駆動される可変容量型の油圧ポンプと、
　前記油圧ポンプに閉回路接続され、前記油圧ポンプからの圧油によって駆動される可変容量型の油圧モータと、
　電気信号により前記油圧モータのモータ傾転角を制御する第１の制御部と、
　第１の変速比で動力を伝達するハイクラッチ部と前記第１の変速比よりも大きい第２の変速比で動力を伝達するロークラッチ部とを備えるクラッチ装置を有し、前記油圧モータからの動力を伝達または遮断する常時噛み合い式のトランスミッションと、
　前記トランスミッションを前記第１の変速比から前記第２の変速比に切り換える際に、前記モータ傾転角を所定値まで低下するよう前記第１の制御部を制御する第２の制御部とを備える作業車両の走行制御装置。
　請求項１に記載の作業車両の走行制御装置において、
　前記モータ傾転角の前記所定値は、前記油圧モータの最小傾転角よりも大きく、前記油圧モータによって前記作業車両が駆動できる最低限のモータ傾転角である作業車両の走行制御装置。
　請求項１または請求項２に記載の作業車両の走行制御装置において、
　前記第２の制御部は、前記トランスミッションを前記第１の変速比から前記第２の変速比に切り換える際に、前記モータ傾転角を前記所定値まで低下した後、所定時間、前記所定値に固定してから、前記モータ傾転角を復帰するよう前記第１の制御部を制御する作業車両の走行制御装置。
　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の走行制御装置を備えるホイールローダ。