WO2023182320A1 - ホイールローダの制御装置 - Google Patents

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WO2023182320A1
WO2023182320A1 PCT/JP2023/011062 JP2023011062W WO2023182320A1 WO 2023182320 A1 WO2023182320 A1 WO 2023182320A1 JP 2023011062 W JP2023011062 W JP 2023011062W WO 2023182320 A1 WO2023182320 A1 WO 2023182320A1
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WO
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control device
bucket
wheels
vehicle body
determination unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/011062
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English (en)
French (fr)
Inventor
芳明 堤
進也 井村
秀一 森木
和也 関根
Original Assignee
日立建機株式会社
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60W—CONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W30/00—Purposes of road vehicle drive control systems not related to the control of a particular sub-unit, e.g. of systems using conjoint control of vehicle sub-units
    • B60W30/02—Control of vehicle driving stability
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for
    • E02F9/2041—Automatic repositioning of implements, i.e. memorising determined positions of the implement
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/22—Hydraulic or pneumatic drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/40—Special vehicles
    • B60Y2200/41—Construction vehicles, e.g. graders, excavators
    • B60Y2200/415—Wheel loaders

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a wheel loader.
  • a wheel loader is a working machine that runs on four-wheel drive wheels and is steered by a folding mechanism, and its derivative machines.
  • a working device such as a bucket that scoops up objects such as earth and sand on the ground is connected to the front of the vehicle body of the wheel loader.
  • the control device of the wheel loader controls the height and angle of the bucket, as well as the speed and direction of the vehicle body, according to the operations of an operator in the driver's cab.
  • the wheel loader performs excavation work in which the object is excavated with a bucket, transport work in which the object loaded in the bucket is moved to the loading bed of a dump truck, and discharge work from the bucket to the loading bed of the dump truck. Loading work can be carried out.
  • a bucket that is approximately parallel to the ground is moved close to the ground, and then the vehicle body is accelerated forward by operating the accelerator pedal, etc., and the bucket rushes into the target object.
  • a digging operation is performed to scoop up the object.
  • the vehicle body is moved forward while adjusting the amount of rotation of the wheels by operating an accelerator pedal or the like.
  • the bucket is lifted upward by operating the lift operating lever, and the bucket is rotated (tilted) toward the cloud by operating the bucket operating lever.
  • the object is stored inside the bucket, and the bucket becomes loaded.
  • Patent Document 1 discloses an automatic excavation technology that lifts the bucket and rotates it toward the cloud in a fully accelerator state.
  • Patent Document 2 discloses that, using Patent Document 1 as the prior art, when the wheel loader approaches the excavation start position, the vehicle speed is reduced by increasing the engine rotation speed and decreasing the tilting rate of the traveling hydraulic motor. , a technique for suppressing the impact at the start of the excavation operation (when the bucket plunges into the object) has been disclosed.
  • Patent Document 3 uses Patent Document 2 as the prior art, and instead of reducing the tilting rate of the travel hydraulic motor, the transmission speed stage is shifted to the lower speed side to reduce the impact at the start of the excavation operation.
  • a suppressing technology has been disclosed, and efforts are being made to expand the range of applicable models.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 reduce the vehicle speed before the start of the excavation operation in order to suppress the impact at the start of the excavation operation.
  • the working time required for the excavation work increases, and the productivity of the excavation work may decrease.
  • the technique disclosed in Patent Document 1 does not take into account the reduction of the working time required for excavation work, and there is room for improvement.
  • an object of the present invention is to provide a control device for a wheel loader that can shorten the working time required for excavation work and improve the productivity of excavation work.
  • a control device for a wheel loader is a control device for a wheel loader that excavates a target object by moving the vehicle body forward by rotating the wheels and plunging the bucket into the target object.
  • the control device moves the vehicle body forward with the bucket plunged into the object, and brakes the wheels when the rotational speed of the wheels exceeds a predetermined threshold. shall be.
  • FIG. 1(a) is a side view showing the appearance of a wheel loader
  • FIG. 1(b) is a perspective view of FIG. 1(a).
  • FIG. 2 is a system diagram of the wheel loader shown in FIG. 1(a).
  • 1 is a block diagram showing a functional configuration of a control device according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a flowchart showing processing performed by the control device shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of a control device according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of a control device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the functional configuration of a control device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1(a) is a side view showing the appearance of the wheel loader 1.
  • FIG. 1(b) is a perspective view of FIG. 1(a).
  • the wheel loader 1 is a working machine and a derivative machine that runs on four-wheel drive wheels 5f and 5r and is steered in a folding manner.
  • a working device 4 such as a bucket 3 for scooping up objects such as earth and sand on the ground is connected to the front of the vehicle body 2 of the wheel loader 1.
  • the control device 120 of the wheel loader 1 controls the height and angle of the bucket 3 (that is, the attitude of the bucket 3), as well as the vehicle speed and direction of the vehicle body 2, according to operations by an operator in the operator's cab 7.
  • the wheel loader 1 performs excavation work to excavate the object with the bucket 3, transportation work to move the object loaded in the bucket 3 to the loading bed of the dump truck, and transport work to move the object from the bucket 3 to the dump truck. It is possible to carry out loading work by releasing the cargo onto a loading platform.
  • the vehicle body 2 includes a front frame 6 having a working device 4 and a front wheel 5f, and a rear frame 8 having a rear wheel 5r, a driver's cab 7, and an engine 100.
  • the front frame 6 and the rear frame 8 are connected by a center pin 9 so as to be bendable in the left-right direction, and the bending angle can be changed by steer cylinders 10L and 10R provided on the left and right sides of the center pin 9.
  • the vehicle body 2 is steered by expanding and contracting the steer cylinders 10L and 10R while the vehicle is running and changing the angle (bending angle) of the front frame 6 with respect to the rear frame 8.
  • the working device 4 has a lift arm 11 rotatably connected to the front frame 6 and a bucket 3 rotatably connected to the lift arm 11.
  • the lift arm 11 is connected to a lift cylinder 12.
  • the lift cylinder 12 is connected to the front frame 6 so that the front frame 6 can support the load of the bucket 3 connected to the lift arm 11.
  • the lift cylinder 12 lifts the bucket 3 by rotating the lift arm 11 upward, and lowers the bucket 3 by rotating the lift arm 11 downward.
  • a lift cylinder pressure sensor 12b that measures the pressure in the bottom chamber of the lift cylinder 12 is attached to the lift cylinder 12.
  • the mounting position of the lift cylinder pressure sensor 12b is not particularly limited as long as it can measure the same pressure as the pressure in the bottom chamber of the lift cylinder 12.
  • the bucket 3 is rotatably connected to the lift arm 11 at a fulcrum 13.
  • the fulcrum 13 is connected to a bucket cylinder 16 via a push rod 14 and a bell crank 15 so that the angle of the bucket 3 with respect to the lift arm 11 can be changed.
  • the bucket cylinder 16 is connected to the front frame 6 at a fulcrum 17.
  • the height of the bucket 3 can be changed by expanding and contracting the lift cylinder 12.
  • the angle of the bucket 3 can be changed by expanding and contracting the bucket cylinder 16.
  • a bell crank angle sensor 19a and a lift arm angle sensor 19b are attached to the working device 4 so that the height and angle of the bucket 3 (that is, the attitude of the bucket 3) can be calculated from known dimensions.
  • FIG. 2 is a system diagram of the wheel loader 1 shown in FIG. 1(a).
  • the output shaft 100a of the engine 100 which is the power source for the wheels 5f and 5r, is directly connected to a torque converter 101, a hydraulic pump 102, and a brake pump 103.
  • the rotation speed of the engine 100 is controlled by an electrical signal 105s from the engine controller 104.
  • the engine controller 104 controls the rotation speed of the engine 100 according to the amount of depression of the accelerator pedal 106 or the electric signal 106s from the control device 120.
  • Torque converter 101 has a structure such that the larger the rotation speed of engine 100 is relative to the output rotation speed of torque converter 101, the greater the power transmitted to transmission 107.
  • the power output from torque converter 101 increases as the amount of depression of accelerator pedal 106 increases and the rotational speed of engine 100 increases.
  • the transmission 107 disconnects the output shaft of the torque converter 101 from the drive shaft 108 or reverses the direction of rotation of the drive shaft 108 in response to the electric signal 110s from the transmission controller 109.
  • Transmission 107 together with torque converter 101 and drive shaft 108, transmits power from engine 100 to wheels 5f and 5r.
  • the connection between the output shaft of the torque converter 101 and the drive shaft 108 is cut off, the transmission of power from the engine 100 to the wheels 5f, 5r is cut off, and the driving force of the wheels 5f, 5r is reduced.
  • the rotational direction of the drive shaft 108 is reversed, the direction of the driving force of the wheels 5f, 5r is reversed, and the rotational direction of the wheels 5f, 5r is reversed.
  • the transmission controller 109 sends an electric signal 110s to disconnect the output shaft of the torque converter 101 and the drive shaft 108 when the amount of depression of the brake pedal 112 is above a certain level or in response to an electric signal 107s from the control device 120. Output.
  • a vehicle speed sensor 21 is attached to the transmission 107.
  • the vehicle speed sensor 21 measures the rotational speed of the wheels 5f and 5r from the rotational speed of the drive shaft 108.
  • the vehicle speed sensor 21 can measure the vehicle speed of the vehicle body 2 by calculating the amount of movement of the vehicle body 2 per unit time from the rotational speed of the wheels 5f, 5r and the dimensions of the wheels 5f, 5r.
  • the hydraulic pump 102 discharges a certain amount of pressure oil every time the output shaft 100a of the engine 100 rotates once. Pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 is supplied to the lift cylinder 12 and the bucket cylinder 16 via the bucket drive hydraulic circuit 113, respectively. Each of the lift cylinder 12 and the bucket cylinder 16 expands and contracts with pressure oil from the bucket drive hydraulic circuit 113. The amount of pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 increases as the rotation speed of the engine 100 increases. Therefore, when the rotation speed of the engine 100 is increased by increasing the amount of depression of the accelerator pedal 106, the amount of pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 increases. The expansion and contraction speed of the bucket cylinder 16 becomes faster.
  • the bucket drive hydraulic circuit 113 cuts off the supply of pressure oil from the hydraulic pump 102 to the lift cylinder 12 in response to the operator's operation of the lift operation lever 114 or the electric signal 113s from the control device 120. Reverse the direction of expansion/contraction. When the supply of pressure oil from the hydraulic pump 102 to the lift cylinder 12 is cut off, the rotational movement of the lift arm 11 is stopped. When the direction of expansion and contraction of the lift cylinder 12 is reversed, the direction of upward or downward rotation of the lift arm 11 is switched.
  • the bucket drive hydraulic circuit 113 cuts off the supply of pressure oil from the hydraulic pump 102 to the bucket cylinder 16 in response to the operation of the bucket operation lever 115 by the operator or the electric signal 113s from the control device 120. Reverse the direction of expansion/contraction. When the supply of pressure oil from the hydraulic pump 102 to the bucket cylinder 16 is cut off, the rotational movement of the bucket 3 is stopped. When the direction of expansion and contraction of the bucket cylinder 16 is reversed, the direction of rotation of the bucket 3 toward the dumping direction or toward the cloud is switched.
  • Pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 is supplied to the steer cylinders 10L and 10R via the steer drive hydraulic circuit 116.
  • the steer cylinders 10L and 10R are expanded and contracted by pressure oil from the steer drive hydraulic circuit 116.
  • the steer drive hydraulic circuit 116 expands and contracts the steer cylinders 10L and 10R in response to the operator's operation of the steering wheel 117. For example, when the steering wheel 117 is rotated clockwise, the steer drive hydraulic circuit 116 supplies pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 so that the right steer cylinder 10R contracts and the left steer cylinder 10L extends. As a result, the vehicle body 2 is steered to turn to the right. For example, when the steering wheel 117 is rotated to the left, the steer drive hydraulic circuit 116 supplies pressure oil discharged from the hydraulic pump 102 so that the right steer cylinder 10R extends and the left steer cylinder 10L contracts. As a result, the vehicle body 2 is steered to turn left.
  • the pressure oil discharged from the brake pump 103 is accumulated in the accumulator 103a.
  • the pressure oil accumulated in the accumulator 103a is supplied via a brake drive hydraulic circuit 119 to a brake 118 as a braking device that brakes the wheels 5f and 5r.
  • the brake drive hydraulic circuit 119 controls the brake pressure applied to the wheels 5f and 5r according to the amount of depression of the brake pedal 112 by the operator or the electric signal 118s from the control device 120.
  • the brake pressure applied to the wheels 5f, 5r increases, the braking force applied to the wheels 5f, 5r increases, so the rotational speed of the wheels 5f, 5r decreases, and the vehicle speed of the vehicle body 2 decreases.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the functional configuration of the control device 120 of the first embodiment.
  • the wheel loader 1 performs a running operation in which the bucket 3, which is substantially parallel to the ground, is moved near the ground, and then moves the vehicle body 2 forward to plunge the bucket 3 into the target object.
  • a digging operation is performed to scoop up the object with the bucket 3.
  • the control device 120 performs an automatic excavation process that controls the travel of the vehicle body 2 and the attitude of the bucket 3 to automatically perform an excavation operation in excavation work.
  • the excavation operation performed by the automatic excavation process of this embodiment starts with lifting the bucket 3 while moving the vehicle body 2 forward, and after driving the brake 118 so that the wheels 5f and 5r do not spin (in other words, the wheels 5f and 5r are After braking), the bucket 3 is rotated toward the cloud to bring the bucket 3 into a loaded state, and when the bucket 3 reaches a predetermined height, the lifting operation is stopped.
  • control device 120 may perform automatic travel processing that controls the travel of the vehicle body 2 and the attitude of the bucket 3 to automatically perform travel operations during excavation work.
  • the driving operation performed by the automatic driving process of this embodiment is to take a digging posture in which the bucket 3 is moved close to the ground with the bucket approximately parallel to the ground, and to move the vehicle body 2 forward while maintaining the vehicle speed of the vehicle body 2 at a predetermined speed or higher. This is an operation in which the bucket 3 is plunged into the object.
  • the predetermined speed is, for example, 2 km/h. Thereby, the control device 120 does not reduce the vehicle speed of the vehicle body 2 before the bucket 3 rushes into the target object, so that the time required for the traveling operation of the excavation work can be shortened.
  • the control device 120 acquires the rotational speeds of the wheels 5f and 5r (and the vehicle speed of the vehicle body 2) measured by the vehicle speed sensor 21.
  • the control device 120 acquires the angle of the bell crank 15 measured by the bell crank angle sensor 19a.
  • the control device 120 acquires the angle of the lift arm 11 measured by the lift arm angle sensor 19b.
  • the control device 120 acquires the pressure of the lift cylinder 12 (pressure in the bottom chamber) measured by the lift cylinder pressure sensor 12b. Based on the acquired information, the control device 120 outputs an electrical signal 118s indicating a control command for the brake drive hydraulic circuit 119, and also outputs an electrical signal 113s indicating a control command for the bucket drive hydraulic circuit 113. do.
  • the control device 120 includes an attitude calculation section 121, an automatic excavation processing section 122, a brake drive command section 125, a lift drive command section 126, and a bucket drive command section 127.
  • the posture calculation unit 121 calculates the toe angle and height of the bucket 3 based on the angles of the bell crank 15 and lift arm 11 measured by the bell crank angle sensor 19a and lift arm angle sensor 19b, respectively.
  • the toe angle of the bucket 3 is the angle formed between the bottom surface of the bucket 3 and the ground.
  • the automatic excavation processing unit 122 performs necessary processing to start automatic excavation processing.
  • the automatic excavation processing unit 122 includes a validity determination unit 123 that determines whether automatic excavation processing is valid, and a start determination unit 124 that determines whether or not to start automatic excavation processing.
  • the effectiveness determining unit 123 determines whether the automatic excavation process is effective based on the rotational speeds of the wheels 5f and 5r measured by the vehicle speed sensor 21 and the calculation result of the attitude calculation unit 121.
  • the automatic excavation processing is effective when the condition is such that if the wheel loader 1 is in its current state and the bucket 3 is plunged into the object and the automatic excavation processing is started, the excavation operation will be performed appropriately. That's true.
  • the start determination unit 124 determines whether to start automatic excavation processing based on the determination result of the validity determination unit 123, the calculation result of the attitude calculation unit 121, and the pressure of the lift cylinder 12 measured by the lift cylinder pressure sensor 12b. Determine whether or not.
  • the automatic excavation processing unit 122 may generate an operation plan for the automatic excavation process when the start determination unit 124 determines to start the automatic excavation process.
  • the automatic excavation processing unit 122 may read an operation plan for automatic excavation processing that has been generated and stored in advance.
  • the motion plan may be, for example, changes in target values for the rotational speeds of the wheels 5f and 5r (and the vehicle speed of the vehicle body 2), the angle (toe angle), and the height of the bucket 3.
  • the transition of the target values for the angle and height of the bucket 3 is the target movement trajectory of the bucket 3.
  • the automatic excavation processing section 122 may output the operation plan to the brake drive command section 125, the lift drive command section 126, and the bucket drive command section 127.
  • the brake drive command section 125 calculates the brake pressure to be applied to the wheels 5f, 5r based on the rotational speed of the wheels 5f, 5r measured by the vehicle speed sensor 21 and the output from the automatic excavation processing section 122, and applies the brake pressure to the wheels 5f, 5r.
  • a control command for the pressure control solenoid valve 119a is generated.
  • the brake drive command section 125 generates an electric signal 118s indicating the generated control command, and outputs it to the brake pressure control solenoid valve 119a of the brake drive hydraulic circuit 119.
  • the lift drive command unit 126 calculates the amount of expansion and contraction of the lift cylinder 12 based on the output from the automatic excavation processing unit 122 and generates a control command for the bucket drive hydraulic circuit 113.
  • the lift drive command unit 126 generates an electric signal 113s indicating the generated control command, and outputs it to the bucket drive hydraulic circuit 113.
  • the bucket drive command unit 127 calculates the amount of expansion and contraction of the bucket cylinder 16 based on the output from the automatic excavation processing unit 122, and generates a control command for the bucket drive hydraulic circuit 113.
  • the bucket drive command unit 127 generates an electric signal 113s indicating the generated control command, and outputs it to the bucket drive hydraulic circuit 113.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing performed by the control device 120 shown in FIG. 3.
  • step S101 the control device 120 uses the validity determination unit 123 to determine whether the automatic excavation process is valid. If the validity determining unit 123 determines that the automatic excavation process is valid, the control device 120 moves to step S102. If the validity determining unit 123 does not determine that the automatic excavation process is valid, the control device 120 repeats step S101, for example, every second, until it is determined that the automatic excavation process is valid.
  • the validity determination unit 123 determines that the automatic excavation process is effective when the bucket 3 is in an excavation posture within a predetermined range and the vehicle body 2 is moving forward.
  • the excavation posture in which the bucket 3 falls within a predetermined range is a posture in which the bucket 3 is approximately parallel to the ground (the toe angle is within 10 degrees) and the height of the bucket 3 is near the ground.
  • the vehicle body 2 moving forward may mean that the vehicle speed of the vehicle body 2 is equal to or higher than a predetermined speed.
  • the predetermined speed is, for example, 2 km/h.
  • step S102 the control device 120 uses the automatic excavation processing unit 122 to perform preparatory operations for the automatic excavation process on the wheel loader before the start determination unit 124 determines whether or not to start the automatic excavation process in step S103. Let 1 do it.
  • the preparatory operation for automatic excavation processing means for example, that the bottom chamber or the rod chamber of the lift cylinder 12, which rotates the lift arm 11 upward, is filled with pressurized oil within a range in which the lift cylinder 12 does not actually expand or contract. It is important to provide a supply of As a result, the control device 120 changes the position of the electromagnetic proportional valve included in the bucket drive hydraulic circuit 113 from the neutral position to the lift arm 11 before the start determination unit 124 determines whether to start automatic excavation processing. can be moved to the side where it is rotated upward. The control device 120 can shorten the response time of the lift cylinder 12 from when the start determination unit 124 determines to start the automatic excavation process until the lift cylinder 12 actually expands and contracts. Therefore, since the control device 120 can immediately start lifting the bucket 3 during automatic excavation processing, it is possible to shorten the time required for the excavation operation during the excavation operation.
  • the preparatory actions for automatic excavation processing include, for example, sounding a buzzer installed on the wheel loader 1, lighting a lamp, displaying a monitor, etc. to inform the operator or surrounding workers of the automatic excavation processing. It may be possible to notify in advance that it will start. Thereby, the control device 120 can alleviate the psychological impact on the operator or surrounding workers, since the automatic excavation process will not start suddenly for the operator or surrounding workers.
  • step S103 the control device 120 uses the start determination unit 124 to determine whether or not to start the automatic excavation process.
  • the control device 120 starts the automatic excavation process and moves to step S104. If the start determination unit 124 does not determine to start the automatic excavation process, the control device 120 repeats step S103, for example, every second, until it determines to start the automatic excavation process.
  • the start determination unit 124 determines that the automatic excavation process is determined to be valid by the validity determination unit 123, that the bucket 3 is in the digging position, and that the pressure of the lift cylinder 12 that lifts the bucket 3 exceeds a predetermined pressure. If the value changes to , it is determined that automatic excavation processing is to be started.
  • the criteria for determining whether the bucket 3 is in the digging position may be the same as in step S101.
  • the predetermined pressure which is a criterion for the pressure of the lift cylinder 12, is a value greater than the pressure of the lift cylinder 12 when the bucket 3 moves forward in an empty state, and is the pressure received from the object when the bucket 3 plunges into the object. The value may be smaller than the pressure in the lift cylinder 12 that increases due to the impact.
  • the lower limit value of the predetermined pressure which is the criterion for the pressure of the lift cylinder 12 is set as the pressure of the lift cylinder 12 when the bucket 3 moves forward in an empty state. This is because it has already been determined that the That is, when the bucket 3 moves forward in an excavating position, the bucket 3 moves forward in a position substantially parallel to the ground, so even if the bucket 3 is loaded, many objects fall from the bucket 3. When the bucket 3 moves forward in the excavation position, it is normally not possible for the bucket 3 to maintain its loaded state. Therefore, it is reasonable to set the lower limit of the predetermined pressure, which is a criterion for the pressure of the lift cylinder 12, to be the pressure of the lift cylinder 12 when the bucket 3 moves forward in an empty state.
  • the control device 120 starts the automatic excavation process. Specifically, as automatic excavation processing, the control device 120 starts lifting the bucket 3 that has entered the object while moving the vehicle body 2 forward. At this time, the control device 120 rotates the wheels 5f and 5r so that the vehicle body 2 moves forward even if the bucket 3 rushes into the object and receives a reaction force. The rotational speeds of the wheels 5f and 5r may be maintained by the control device 120 to be equal to or higher than a threshold value BE, which will be described later.
  • a threshold value BE which will be described later.
  • the control device 120 controls, when the vehicle speed of the vehicle body 2 falls below a predetermined speed (for example, 2 km/h) in step S103, You may move to step S101 again. Then, the control device 120 may repeat step S101 every second, for example, until it is determined that the automatic excavation process is effective.
  • a predetermined speed for example, 2 km/h
  • step S104 the control device 120 determines whether the rotational speeds of the wheels 5f, 5r exceed the threshold value BS. If the rotational speeds of the wheels 5f and 5r exceed the threshold value BS, the control device 120 moves to step S105. When the rotational speed of the wheels 5f and 5r is equal to or lower than the threshold value BS, the control device 120 rotates the bucket 3 in the direction of the cloud to place the bucket 3 in a loaded state, and stops lifting the bucket when the bucket 3 reaches a predetermined height. . After that, the control device 120 ends the process shown in FIG. 4.
  • the threshold value BS is a predetermined threshold value to prevent the wheels 5f and 5r from spinning.
  • the threshold value BS indicates the rotational speed of the wheels 5f, 5r at which the wheels 5f, 5r do not spin even if the bucket 3 rushes into the object and attempts to move the vehicle body 2 forward.
  • the threshold value BS may be a criterion for determining whether to start a slip prevention process for driving the brake 118 so that the wheels 5f and 5r do not slip.
  • Threshold value BS is a value larger than threshold value BE, which will be described later.
  • the threshold value BS may be, for example, 6 km/h when converted to the vehicle speed of the vehicle body 2.
  • the threshold value BS is a value set through experiments or the like based on the shape and hardness (easiness of entry) of the excavated object, the slipperiness of the ground, and the like.
  • the threshold value BS can be adjusted depending on the work site of the wheel loader 1. For example, when the ground on which the vehicle body 2 travels is a slippery snow surface, the threshold value BS is adjusted to a smaller value than usual. For example, if the object is light like sawdust and easily penetrates, and the impact given to the bucket 3 is small, the threshold value BS is adjusted to a value larger than normal. Further, the control device 120 uses the vehicle speed of the vehicle body 2 and the threshold value BS based on the vehicle speed instead of the rotation speed of the wheels 5f and 5r to determine whether or not to start the slip prevention process. Good too.
  • step S105 the control device 120 starts a spin prevention process that drives the brake 118 so that the wheels 5f and 5r do not spin.
  • the control device 120 of this embodiment outputs an electric signal 118s indicating a control command to apply a predetermined brake pressure to the wheels 5f, 5r to the brake pressure control solenoid valve 119a.
  • the amount of rotation of the wheels 5f, 5r decreases, and the rotational speed of the wheels 5f, 5r is reduced.
  • control device 120 moves the vehicle body 2 forward with the bucket 3 plunged into the object by performing steps S104 and S105, and when the rotational speed of the wheels 5f and 5r exceeds the threshold value BS, The brake 118 is driven to brake the wheels 5f, 5r so that they do not spin idly.
  • the predetermined brake pressure applied to the wheels 5f, 5r is set so that the wheels 5f, 5r do not spin in response to deceleration when the vehicle body 2 decelerates due to the reaction force that the bucket 3 receives from the object.
  • the brake pressure may be such as to suppress the amount of rotation.
  • This predetermined brake pressure can be calculated in advance from the specifications of the wheel loader 1 or from experiments. For example, assume that the deceleration A of the vehicle body 2 due to the reaction force from the object is -4 m/s 2 . Assume that the maximum brake pressure corresponding to the maximum amount of depression of the brake pedal 112 is 5 MPa, and the deceleration B of the wheels 5f, 5r when the maximum brake pressure is applied to the wheels 5f, 5r is -6 m/ s2 . . Assume that the deceleration C of the wheels 5f, 5r relative to the ground when the wheels 5f, 5r are spinning is -3 m/s 2 .
  • the deceleration B of the wheels 5f and 5r when the maximum brake pressure is applied must be 1/6 of the deceleration B of the wheels 5f and 5r when the maximum brake pressure is applied.
  • the deceleration C of the wheels 5f and 5r relative to the ground during idling may be made larger than that. Therefore, in this case, the predetermined brake pressure can be calculated as 5/6 MPa, which is 1/6 of the maximum brake pressure of 5 MPa.
  • the predetermined brake pressure may be calculated to be 1 MPa, which is equivalent to 1/5 of the maximum brake pressure of 5 MPa.
  • the deceleration A of the vehicle body 2 due to the reaction force from the object, the deceleration B of the wheels 5f and 5r when maximum brake pressure is applied, and the deceleration C of the wheels 5f and 5r relative to the ground when idling are determined by the wheel loader. 1 can be calculated in advance from the specifications or experiments.
  • the deceleration C of the wheels 5f, 5r relative to the ground when the wheels are idling may be calculated by setting the acceleration of the wheels 5f, 5r relative to the ground when the wheels 5f, 5r are idling to a negative number.
  • the above calculation method at a predetermined brake pressure has the aim of reducing the amount of rotation of the wheels 5f, 5r by driving the brake 118.
  • the above calculation method at a predetermined brake pressure has the aim of allowing the wheels 5f and 5r to obtain propulsive force from the ground without reducing the amount of rotation of the wheels 5f and 5r too much by driving the brake 118. be.
  • the propulsive force that the wheels 5f, 5r obtain from the ground increases in proportion to the difference between the amount of rotation of the wheels 5f, 5r and the amount of movement of the wheels 5f, 5r relative to the ground. However, if this difference is too large, the wheels 5f and 5r will spin idly, and the propulsive force obtained from the ground will drop sharply.
  • the amount of movement of the wheels 5f and 5r relative to the ground can be calculated based on the vehicle speed of the vehicle body 2 before the bucket 3 rushes into the object and the deceleration A of the vehicle body 2 due to the reaction force from the object.
  • the amount of rotation of the wheels 5f, 5r can be calculated from the rotational speed of the wheels 5f, 5r measured by the vehicle speed sensor 21.
  • the amount of rotation of the wheels 5f, 5r and the amount of movement of the wheels 5f, 5r relative to the ground are The difference is close to a limit value within a range in which the wheels 5f and 5r do not spin. If the amount of rotation of the wheels 5f, 5r is suppressed near a limit value within a range in which the wheels 5f, 5r do not spin, the propulsive force that the wheels 5f, 5r can obtain from the ground increases. Thereby, the control device 120 can plunge the bucket 3 to a deep position of the target (a position deep inside the target).
  • the control device 120 can store a large amount of objects inside the bucket 3 by lifting the bucket 3 and rotating it toward the cloud, thereby ensuring the maximum loading capacity of the bucket 3 in one excavation operation. can do. Therefore, the control device 120 can minimize the number of times excavation operations are performed during excavation work.
  • step S106 the control device 120 determines whether the rotational speeds of the wheels 5f, 5r are equal to or less than the threshold value BE. If the rotational speeds of the wheels 5f, 5r are equal to or less than the threshold BE, the control device 120 moves to step S107. If the rotational speed of the wheels 5f, 5r exceeds the threshold BE, step S106 may be repeated, for example, every 0.1 second until the rotational speed of the wheels 5f, 5r becomes equal to or less than the threshold BE.
  • the threshold value BE indicates the rotational speed of the wheels 5f, 5r at which the vehicle body 2 moves forward even if the bucket 3 enters an object and receives a reaction force.
  • the threshold value BE may be a criterion for determining whether to end the wheel slip prevention process.
  • the threshold value BE may be a value smaller than the threshold value BS by, for example, 3 km/h in terms of vehicle speed.
  • the control device 120 can apply a predetermined brake pressure to the wheels 5f and 5r while the vehicle speed is reduced by 3 km/h.
  • the control device 120 can indirectly change the time period during which a predetermined brake pressure is applied to the wheels 5f, 5r.
  • the control device 120 uses the vehicle speed of the vehicle body 2 and a threshold value BE based on the vehicle speed instead of the rotational speed of the wheels 5f and 5r to determine whether or not to end the spin prevention process. Good too.
  • step S107 the control device 120 ends the idling prevention process started in step S105.
  • the drive of the brake 118 is stopped. That is, by performing steps S106 and S107, the control device 120 maintains the rotation speeds of the wheels 5f and 5r at or above the threshold value BE so that the vehicle body 2 moves forward even when the bucket 3 plunges into the object.
  • the control device 120 rotates the bucket 3 toward the cloud to place the bucket 3 in a loaded state, and stops lifting when the bucket 3 reaches a predetermined height. After that, the control device 120 ends the process shown in FIG. 4.
  • the control device 120 of the first embodiment is a control device for the wheel loader 1 that excavates a target object by moving the vehicle body 2 forward by rotating the wheels 5f and 5r and thrusting the bucket 3 into the target object. .
  • the control device 120 of the first embodiment moves the vehicle body 2 forward with the bucket 3 plunged into the object, and when the rotational speed of the wheels 5f and 5r exceeds a predetermined threshold BS, the control device 120 moves the wheels 5f and 5r forward. to brake.
  • the control device 120 of the first embodiment can obtain the propulsion force from the ground and move the vehicle body 2 forward without idling the wheels 5f, 5r.
  • the control device 120 of the first embodiment can ensure the maximum loading capacity of the bucket 3 in one excavation operation by lifting the bucket 3 and rotating it toward the cloud. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can minimize the number of times excavation operations are performed during excavation work. Therefore, the control device 120 of Embodiment 1 can shorten the working time required for excavation work and improve the productivity of excavation work.
  • control device 120 of the first embodiment performs an automatic excavation process in which the wheel loader 1 automatically performs an excavation operation by controlling the traveling of the vehicle body 2 and the attitude of the bucket 3.
  • the excavation operation performed by the automatic excavation process starts by lifting the bucket 3 that has entered the object while moving the vehicle body 2 forward, and after braking the wheels 5f and 5r, rotates the bucket 3 in the direction of the cloud. This is an operation in which the bucket 3 is placed in a loaded state, and when the bucket 3 reaches a predetermined height, lifting is stopped.
  • the control device 120 of the first embodiment can cause the wheel loader 1 to perform an excavation operation without depending on the operator's operation, so that the time required for one excavation operation may be increased depending on the operator's skill. can be restrained from doing so.
  • the control device 120 of the first embodiment can reliably secure the load capacity of the bucket 3 in one excavation operation. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can shorten the time required for the entire excavation operation in the excavation work. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can further reduce the working time required for excavation work and further improve the productivity of excavation work.
  • control device 120 of Embodiment 1 includes a validity determination unit 123 that determines whether the automatic excavation process is valid, and a start determination unit 124 that determines whether or not the automatic excavation process is started.
  • the validity determination unit 123 determines that the automatic excavation process is effective when the bucket 3 is in an excavation posture within a predetermined range and the vehicle body 2 is moving forward.
  • the start determination unit 124 determines that the automatic excavation process is determined to be valid by the validity determination unit 123, the bucket 3 is in the digging position, and the pressure of the lift cylinder 12 that performs lifting has changed to exceed a predetermined pressure. If so, it is determined that automatic excavation processing is to be started.
  • the control device 120 of the first embodiment can start the automatic excavation process after the bucket 3 reliably enters the target object, and can cause the wheel loader 1 to appropriately perform the excavation operation. That is, the control device 120 of the first embodiment can start the automatic excavation process before the bucket 3 plunges into the target object to prevent malfunctions such as the wheel loader 1 not being able to properly perform the excavation operation. can.
  • the control device 120 of the first embodiment can prevent the time required for the excavation operation from increasing due to such malfunction. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can reliably shorten the working time required for excavation work and reliably improve the productivity of excavation work.
  • the control device 120 of the first embodiment performs an automatic excavation process before the start determination unit 124 determines whether to start the automatic excavation process.
  • the wheel loader 1 is caused to perform a preparation operation for excavation processing.
  • control device 120 of the first embodiment can shorten the response time of the lift cylinder 12 from when the start determination unit 124 determines to start the automatic excavation process until the lift cylinder 12 actually expands and contracts. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can immediately start lifting the bucket 3 during automatic excavation processing, thereby reducing the time required for the excavation operation during the excavation operation. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can further reduce the working time required for excavation work and further improve the productivity of excavation work.
  • control device 120 of the first embodiment maintains the vehicle speed of the vehicle body 2 at a predetermined speed or higher and moves the vehicle body 2 forward before the bucket 3 rushes into the object.
  • control device 120 of Embodiment 1 does not reduce the vehicle speed of the vehicle body 2 before the bucket 3 rushes into the target object, so it is possible to shorten the time required for the traveling operation in the excavation work. Therefore, the control device 120 of the first embodiment can further reduce the working time required for excavation work and further improve the productivity of excavation work.
  • FIG. 5 A control device 120 for a wheel loader 1 according to a second embodiment will be described using FIG. 5.
  • the control device 120 of the second embodiment descriptions of the same configuration and operation as those of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the functional configuration of the control device 120 of the second embodiment.
  • the pressure of the lift cylinder 12 is used as one of the criteria for the start determination unit 124 to start the automatic excavation process.
  • the control device 120 of the second embodiment may employ the relative distance between the bucket 3 and the object as one of the criteria for the start determination unit 124 to start the automatic excavation process.
  • the wheel loader 1 of the second embodiment includes a GNSS receiver 22 that receives position information of the vehicle body 2, and a communication device 23 that acquires position information of a target object through communication with an external device. .
  • the start determination unit 124 of the second embodiment performs processing different from that of the first embodiment in step S103 of FIG. That is, the start determination unit 124 of the second embodiment calculates the position information of the bucket 3 from the position information of the vehicle body 2, and calculates the relative distance between the bucket 3 and the object from the position information of the bucket 3 and the position information of the object. calculate.
  • the start determination unit 124 of the second embodiment determines that the automatic excavation process is determined to be valid by the validity determination unit 123, that the bucket 3 is in the excavation posture, and that the relative distance between the bucket 3 and the target object is a predetermined distance. If the conditions are as follows, it is determined that automatic excavation processing is to be started.
  • the predetermined distance may be, for example, 1 m. If the predetermined distance is 1 m, the threshold value BS is converted to a vehicle speed of 6 km/h, and the vehicle speed of the vehicle body 2 is 6 km/h or more, the bucket 3 will rush into the object in about 0.5 seconds or less, but automatic excavation The process is started and the idling prevention process is started. Assuming that the time from when the spin prevention process starts to when the braking force actually acts on the wheels 5f and 5r is approximately 0.5 seconds, the braking force acts on the wheels 5f and 5r when the bucket 3 is the object. This happens after entering the . Therefore, even in such a case, the influence on the excavation operation performed by the automatic excavation process is very small. Therefore, it is effective for the start determination unit 124 of the second embodiment to adopt the fact that the relative distance between the bucket 3 and the target object is less than or equal to a predetermined distance as one of the criteria for starting the automatic excavation process.
  • control device 120 of the second embodiment can move the vehicle body 2 forward by obtaining propulsion force from the ground without causing the wheels 5f, 5r to idle. Therefore, the control device 120 of the second embodiment can shorten the working time required for excavation work and improve productivity of the excavation work.
  • the wheel loader 1 of the second embodiment may include a terminal device capable of inputting the position information of the target object instead of the communication device 23 that acquires the position information of the target object through communication with an external device.
  • the start determination unit 124 of the second embodiment may acquire the position information of the object from the terminal device.
  • a control device 120 for a wheel loader 1 according to a third embodiment will be described using FIG. 6.
  • the control device 120 of the third embodiment descriptions of the same configuration and operation as those of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the functional configuration of the control device 120 of the third embodiment.
  • the control device 120 of the first embodiment employs driving the brake 118 to brake the wheels 5f, 5r as means for reducing the rotational speed of the wheels 5f, 5r in the slip prevention process.
  • the control device 120 of the third embodiment employs not only braking of the wheels 5f and 5r but also reducing the output of the power source of the wheels 5f and 5r as means for reducing the rotational speed of the wheels 5f and 5r in the slip prevention process. You may. Reducing the output of the power source of the wheels 5f, 5r may be, for example, reducing the rotation speed of the engine 100.
  • the control device 120 of the third embodiment further includes an engine command section 128, as shown in FIG.
  • the engine command unit 128 calculates the amount of decrease (correction amount) in the rotational speed of the engine 100 based on the output from the automatic excavation processing unit 122 and generates a control command for the engine controller 104.
  • the engine command unit 128 generates an electric signal 106s indicating the generated control command and outputs it to the engine controller 104.
  • the control device 120 of the third embodiment performs processing different from that of the first embodiment in step S105 of FIG. That is, the control device 120 of the third embodiment not only outputs the electrical signal 118s indicating the control command related to the brake pressure to the brake pressure control solenoid valve 119a, but also outputs the control command to reduce the rotation speed of the engine 100.
  • An electrical signal 106s is output to the engine controller 104.
  • the control command to reduce the rotation speed of the engine 100 may be a control command that performs a correction such as reducing the rotation speed of the engine 100 by 300 rotations from normal, for example.
  • control device 120 of the third embodiment brakes the wheels 5f, 5r and reduces the output of the power source of the wheels 5f, 5r when the rotational speed of the wheels 5f, 5r exceeds the threshold value BS. .
  • the control device 120 of the third embodiment can suppress the rotational speed of the wheels 5f, 5r more efficiently in the wheel slip prevention process than the first embodiment, so that it is possible to further prevent the wheels 5f, 5r from spinning. can. Therefore, the control device 120 of the third embodiment can further reduce the working time required for the excavation work and further improve the productivity of the excavation work as compared to the first embodiment.
  • a control device 120 for a wheel loader 1 according to a fourth embodiment will be described using FIG. 7.
  • the control device 120 of the fourth embodiment descriptions of the same configuration and operation as those of the first embodiment will be omitted.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the functional configuration of the control device 120 of the fourth embodiment.
  • the control device 120 of the fourth embodiment not only brakes the wheels 5f, 5r, but also interrupts the transmission of power from the power sources of the wheels 5f, 5r to the wheels 5f, 5r in the wheel slip prevention process. It may also be employed as a means for reducing the rotational speed.
  • Cutting off the transmission of power from the power source of the wheels 5f, 5r to the wheels 5f, 5r means, for example, cutting off the transmission of power from the engine 100, which is the power source of the wheels 5f, 5r, to the wheels 5f, 5r. It may be. Specifically, cutting off the transmission of power from the power source of the wheels 5f, 5r to the wheels 5f, 5r means cutting off the connection between the output shaft of the torque converter 101 and the drive shaft 108 at the transmission 107. You can.
  • the control device 120 of Embodiment 4 further includes a transmission command section 129, as shown in FIG.
  • Transmission command unit 129 generates a control command to disconnect the output shaft of torque converter 101 and drive shaft 108 based on the output from automatic excavation processing unit 122 .
  • Transmission command unit 129 generates an electrical signal 107s indicating the generated control command, and outputs it to transmission controller 109.
  • the control device 120 of the fourth embodiment performs processing different from that of the first embodiment in step S105 of FIG. That is, the control device 120 of the fourth embodiment not only outputs the electric signal 118s indicating the control command related to the brake pressure to the brake pressure control solenoid valve 119a, but also outputs the electric signal 118s indicating the control command related to the brake pressure, and also outputs the electric signal 118s indicating the control command related to the brake pressure.
  • An electrical signal 107s indicating a control command to cut off the connection is output to the transmission controller 109. This corresponds to shifting the transmission 107 to neutral, and the transmission of power from the engine 100 to the wheels 5f, 5r is cut off.
  • control device 120 of the fourth embodiment brakes the wheels 5f, 5r when the rotational speed of the wheels 5f, 5r exceeds the threshold value BS, and also controls the wheels 5f, 5r from the power source of the wheels 5f, 5r. Cut off power transmission to.
  • the control device 120 of the fourth embodiment can suppress the rotational speed of the wheels 5f, 5r more efficiently in the wheel slip prevention process than the first embodiment, so that it is possible to further prevent the wheels 5f, 5r from spinning. can. Therefore, the control device 120 of the fourth embodiment can further reduce the working time required for the excavation work and further improve the productivity of the excavation work, compared to the first embodiment.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention as set forth in the claims. It can be carried out.
  • the present invention does not include adding the configuration of one embodiment to the configuration of another embodiment, replacing the configuration of one embodiment with another embodiment, or deleting a part of the configuration of one embodiment. You can

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Abstract

掘削作業に要する作業時間の短縮化を図って掘削作業の生産性を向上させることが可能なホイールローダの制御装置を提供することを目的とする。制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転により車体２を前進させてバケット３を対象物に突入させることで対象物を掘削するホイールローダ１の制御装置である。制御装置１２０は、バケット３を対象物に突入させた状態で車体２を前進させ、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が予め定められた閾値ＢＳを上回る場合には、車輪５ｆ，５ｒを制動させる。

Description

ホイールローダの制御装置
　本発明は、ホイールローダの制御装置に関する。
　ホイールローダは、４輪駆動の車輪で走行し、中折れ式で操舵される作業機械及びその派生機械である。ホイールローダの車体の前部には、地上の土砂等の対象物を掬い込むバケット等の作業装置が連結されている。ホイールローダの制御装置は、運転室に搭乗したオペレータの操作に従って、バケットの高さ及び角度、並びに、車体の車速及び方向を制御する。これによりに、ホイールローダは、バケットで対象物を掘削する掘削作業と、バケットに積載された対象物をダンプトラックの荷台まで移動させる運搬作業と、対象物をバケットからダンプトラックの荷台に放出する積込作業とを行うことができる。
　掘削作業では、地面に略平行なバケットを地面付近に移動させた姿勢から、アクセルペダルの操作等によって車体を加速前進させてバケットを対象物に突入させる走行動作と、バケットを対象物に突入させた後に対象物を掬い上げる掘削動作とが行われる。掘削動作では、バケットを対象物に突入させた後、アクセルペダルの操作等によって車輪の回転量を調整しながら車体を前進させる。同時に、掘削動作では、リフト操作レバーの操作等によってバケットを上方に移動させるリフト上げを行うと共に、バケット操作レバーの操作等によってバケットをクラウド方向に回動（チルト）させる。これにより、対象物はバケットの内部に格納され、バケットは積載状態となる。
　この掘削作業に係る一連の操作を簡便化するために、特許文献１には、フルアクセルの状態でバケットのリフト上げ及びクラウド方向への回動を行う自動掘削技術が開示されている。また、特許文献２には、特許文献１を従来技術として、ホイールローダが掘削開始位置に近付いた時にエンジン回転数を増加させつつ走行油圧モータの傾転率を低下させることによって、車速を低下させ、掘削動作開始時（対象物へのバケットの突入時）の衝撃を抑制する技術が開示されている。また、特許文献３には、特許文献２を従来技術として、走行油圧モータの傾転率を低下させるのではなく、トランスミッションの速度段を低速側にシフトさせることによって、掘削動作開始時の衝撃を抑制する技術が開示されており、適用可能な機種の拡充が図られている。
特開昭６２－１８５９２８号公報 特開２００８－１３３６５７号公報 米国特許第１００４１２２９号明細書
　しかしながら、特許文献２及び特許文献３に開示の技術は、掘削動作開始時の衝撃を抑制するために、掘削動作開始前から車速を減速させている。これにより、特許文献２及び特許文献３に開示の技術は、掘削作業に要する作業時間が増加してしまい、掘削作業の生産性が低下する可能性がある。また、特許文献１に開示の技術は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を図る点について何ら考慮されておらず、改善の余地がある。
　上記事情に鑑みて、本発明は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を図って掘削作業の生産性を向上させることが可能なホイールローダの制御装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係るホイールローダの制御装置は、車輪の回転により車体を前進させてバケットを対象物に突入させることで前記対象物を掘削するホイールローダの制御装置であって、前記制御装置は、前記バケットを前記対象物に突入させた状態で前記車体を前進させ、前記車輪の回転速度が予め定められた閾値を上回る場合には、前記車輪を制動させることを特徴とする。
　本発明によれば、掘削作業に要する作業時間の短縮化を図って掘削作業の生産性を向上させることが可能なホイールローダの制御装置を提供することができる。
図１（ａ）はホイールローダの外観を示す側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の斜視図。 図１（ａ）に示すホイールローダの系統図。 実施形態１の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 図３に示す制御装置によって行われる処理を示すフローチャート。 実施形態２の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 実施形態３の制御装置の機能的構成を示すブロック図。 実施形態４の制御装置の機能的構成を示すブロック図。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。各実施形態において同一の符号を付された構成については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の機能を有し、その説明を省略する。
［実施形態１］
　図１～図４を用いて、実施形態１に係るホイールローダ１の制御装置１２０について説明する。
　図１（ａ）は、ホイールローダ１の外観を示す側面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の斜視図である。
　ホイールローダ１は、４輪駆動の車輪５ｆ，５ｒで走行し、中折れ式で操舵される作業機械及び派生機械である。ホイールローダ１の車体２の前部には、地上の土砂等の対象物を掬い込むバケット３等の作業装置４が連結されている。ホイールローダ１の制御装置１２０は、運転室７に搭乗したオペレータの操作に従って、バケット３の高さ及び角度（すなわちバケット３の姿勢）、並びに、車体２の車速及び方向を制御する。これによりに、ホイールローダ１は、バケット３で対象物を掘削する掘削作業と、バケット３に積載された対象物をダンプトラックの荷台まで移動させる運搬作業と、対象物をバケット３からダンプトラックの荷台に放出する積込作業とを行うことができる。
　車体２は、作業装置４及び前輪５ｆを有するフロントフレーム６と、後輪５ｒ、運転室７及びエンジン１００を有するリアフレーム８とを有する。フロントフレーム６とリアフレーム８とは、センターピン９によって左右方向に屈曲可能に連結され、センターピン９の左右に設けられたステアシリンダ１０Ｌ，１０Ｒによって屈曲角度を変更可能に構成されている。車体２は、走行中にステアシリンダ１０Ｌ，１０Ｒを伸縮させ、フロントフレーム６のリアフレーム８に対する角度（屈曲角度）を変更することにより、操舵される。
　作業装置４は、フロントフレーム６に対して回動可能に連結されたリフトアーム１１と、リフトアーム１１に対して回動可能に連結されたバケット３と、を有する。
　リフトアーム１１は、リフトシリンダ１２に連結されている。リフトシリンダ１２は、リフトアーム１１に連結されたバケット３の荷重をフロントフレーム６で支持できるよう、フロントフレーム６に連結されている。リフトシリンダ１２は、リフトアーム１１を上方に回動させてバケット３の高さを高くするリフト上げとリフトアーム１１を下方に回動させてバケット３の高さを低くするリフト下げとを行う。リフトシリンダ１２には、リフトシリンダ１２のボトム室の圧力を計測するリフトシリンダ圧力センサ１２ｂが取り付けられている。リフトシリンダ圧力センサ１２ｂの取り付け位置は、リフトシリンダ１２のボトム室の圧力と同じ圧力を計測可能であれば、特に限定されない。
　バケット３は、リフトアーム１１に対して支点１３で回動可能に連結されている。支点１３は、リフトアーム１１に対するバケット３の角度を変更可能なように、プッシュロッド１４及びベルクランク１５を介して、バケットシリンダ１６に接続されている。バケットシリンダ１６は、支点１７でフロントフレーム６に連結されている。バケット３の高さは、リフトシリンダ１２の伸縮によって変更可能である。バケット３の角度は、バケットシリンダ１６の伸縮によって変更可能である。バケット３の高さ及び角度（すなわちバケット３の姿勢）を既知の寸法から算出できるように、ベルクランク角度センサ１９ａ及びリフトアーム角度センサ１９ｂが作業装置４に取り付けられている。
　図２は、図１（ａ）に示すホイールローダ１の系統図である。
　車輪５ｆ，５ｒの動力源であるエンジン１００は、その出力軸１００ａが、トルクコンバータ１０１、油圧ポンプ１０２及びブレーキポンプ１０３に直結されている。エンジン１００の回転数は、エンジンコントローラ１０４の電気信号１０５ｓによって制御される。エンジンコントローラ１０４は、アクセルペダル１０６の踏み込み量、又は、制御装置１２０の電気信号１０６ｓに応じて、エンジン１００の回転数を制御する。
　トルクコンバータ１０１の出力軸は、トランスミッション１０７を介してドライブシャフト１０８に接続され、車輪５ｆ，５ｒを駆動する。トルクコンバータ１０１は、トルクコンバータ１０１の出力回転数に対してエンジン１００の回転数が大きいほど、トランスミッション１０７に伝達される動力が大きくなるような構造を有する。トルクコンバータ１０１から出力される動力は、アクセルペダル１０６の踏み込み量が大きくなりエンジン１００の回転数が増加することによって大きくなる。
　トランスミッション１０７は、トランスミッションコントローラ１０９の電気信号１１０ｓによって、トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続を遮断したり、ドライブシャフト１０８の回転方向を反転させたりする。トランスミッション１０７は、トルクコンバータ１０１及びドライブシャフト１０８と共に、エンジン１００からの動力を車輪５ｆ，５ｒに伝達する。トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続が遮断されると、エンジン１００から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達が遮断されて車輪５ｆ，５ｒの駆動力が低下する。ドライブシャフト１０８の回転方向を反転されると、車輪５ｆ，５ｒの駆動力の方向が反転して、車輪５ｆ，５ｒの回転方向が反転する。トランスミッションコントローラ１０９は、ブレーキペダル１１２の踏み込み量が一定以上の場合、又は、制御装置１２０の電気信号１０７ｓに応じて、トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続を遮断する電気信号１１０ｓを出力する。トランスミッション１０７には、車速センサ２１が取り付けられている。車速センサ２１は、ドライブシャフト１０８の回転数から車輪５ｆ，５ｒの回転速度を計測する。車速センサ２１は、車輪５ｆ，５ｒの回転速度と車輪５ｆ，５ｒの寸法とから車体２の単位時間当たりの移動量を算出することによって、車体２の車速を計測することができる。
　油圧ポンプ１０２は、エンジン１００の出力軸１００ａが１回転する毎に、一定量の圧油を吐出する。油圧ポンプ１０２から吐出された圧油は、バケット駆動油圧回路１１３を介して、リフトシリンダ１２及びバケットシリンダ１６にそれぞれ供給される。リフトシリンダ１２及びバケットシリンダ１６のそれぞれは、バケット駆動油圧回路１１３からの圧油によって伸縮する。油圧ポンプ１０２から吐出される圧油の量は、エンジン１００の回転数が増加するほど増加するので、アクセルペダル１０６の踏み込み量を大きくしてエンジン１００の回転数を増加させると、リフトシリンダ１２及びバケットシリンダ１６の伸縮速度は速くなる。
　バケット駆動油圧回路１１３は、オペレータによるリフト操作レバー１１４の操作、又は、制御装置１２０の電気信号１１３ｓに応じて、油圧ポンプ１０２からリフトシリンダ１２への圧油の供給を遮断したり、リフトシリンダ１２の伸縮方向を反転したりする。油圧ポンプ１０２からリフトシリンダ１２への圧油の供給が遮断されると、リフトアーム１１の回動動作が停止する。リフトシリンダ１２の伸縮方向が反転すると、リフトアーム１１の上方又は下方への回動方向が切り替わる。
　バケット駆動油圧回路１１３は、オペレータによるバケット操作レバー１１５の操作、又は、制御装置１２０の電気信号１１３ｓに応じて、油圧ポンプ１０２からバケットシリンダ１６への圧油の供給を遮断したり、バケットシリンダ１６の伸縮方向を反転したりする。油圧ポンプ１０２からバケットシリンダ１６への圧油の供給が遮断されると、バケット３の回動動作が停止する。バケットシリンダ１６の伸縮方向が反転すると、バケット３のダンプ方向又はクラウド方向への回動方向が切り替わる。
　油圧ポンプ１０２から吐出された圧油は、ステア駆動油圧回路１１６を介して、ステアシリンダ１０Ｌ，１０Ｒに供給される。ステアシリンダ１０Ｌ，１０Ｒは、ステア駆動油圧回路１１６からの圧油によって伸縮する。
　ステア駆動油圧回路１１６は、オペレータによるステアリングホイール１１７の操作に応じて、ステアシリンダ１０Ｌ，１０Ｒを伸縮する。例えば、ステアリングホイール１１７が右回転された場合、ステア駆動油圧回路１１６は、油圧ポンプ１０２から吐出された圧油を、右ステアシリンダ１０Ｒが縮むと共に左ステアシリンダ１０Ｌが伸びるように供給する。これにより、車体２は右旋回するように操舵される。例えば、ステアリングホイール１１７が左回転された場合、ステア駆動油圧回路１１６は、油圧ポンプ１０２から吐出された圧油を、右ステアシリンダ１０Ｒが伸びると共に左ステアシリンダ１０Ｌが縮むように供給する。これにより、車体２は左旋回するように操舵される。
　ブレーキポンプ１０３から吐出された圧油は、アキュムレータ１０３ａに蓄圧される。アキュムレータ１０３ａに蓄圧された圧油は、ブレーキ駆動油圧回路１１９を介して、車輪５ｆ，５ｒを制動する制動装置としてのブレーキ１１８に供給される。
　ブレーキ駆動油圧回路１１９は、オペレータによるブレーキペダル１１２の踏み込み量、又は、制御装置１２０の電気信号１１８ｓに応じて、車輪５ｆ，５ｒに印加されるブレーキ圧を制御する。車輪５ｆ，５ｒに印加されるブレーキ圧が大きくなると、車輪５ｆ，５ｒへの制動力が大きくなるので、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が減速し、車体２の車速が減速される。
　図３は、実施形態１の制御装置１２０の機能的構成を示すブロック図である。
　ホイールローダ１は、掘削作業において、地面に略平行なバケット３を地面付近に移動させた掘削姿勢から、車体２を前進させてバケット３を対象物に突入させる走行動作と、対象物に突入したバケット３で対象物を掬い上げる掘削動作とを行う。
　制御装置１２０は、車体２の走行及びバケット３の姿勢を制御して掘削作業における掘削動作を自動で行わせる自動掘削処理を行う。本実施形態の自動掘削処理によって行われる掘削動作は、車体２を前進させながらバケット３のリフト上げを開始し、車輪５ｆ，５ｒが空転しないようブレーキ１１８を駆動した後（すなわち車輪５ｆ，５ｒを制動させた後）、バケット３をクラウド方向に回動させてバケット３を積載状態とし、バケット３が所定高さに到達するとリフト上げを停止する動作である。
　なお、制御装置１２０は、車体２の走行及びバケット３の姿勢を制御して掘削作業における走行動作を自動で行わせる自動走行処理を行ってもよい。本実施形態の自動走行処理によって行われる走行動作は、バケット３を地面に略平行にして地面付近に移動させた掘削姿勢とし、車体２の車速を所定速度以上に保って車体２を前進させてバケット３を対象物に突入させる動作である。所定速度は、例えば２ｋｍ／ｈである。これにより、制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入する前に車体２の車速を減速させないので、掘削作業の走行動作に要する時間を短縮することができる。
　自動掘削処理を行うために、制御装置１２０は、車速センサ２１により計測された車輪５ｆ，５ｒの回転速度（及び車体２の車速）を取得する。制御装置１２０は、ベルクランク角度センサ１９ａにより計測されたベルクランク１５の角度を取得する。制御装置１２０は、リフトアーム角度センサ１９ｂにより計測されたリフトアーム１１の角度を取得する。制御装置１２０は、リフトシリンダ圧力センサ１２ｂにより計測されたリフトシリンダ１２の圧力（ボトム室の圧力）を取得する。そして、制御装置１２０は、取得されたこれらの情報に基づいて、ブレーキ駆動油圧回路１１９に対する制御指令を示す電気信号１１８ｓを出力すると共に、バケット駆動油圧回路１１３に対する制御指令を示す電気信号１１３ｓを出力する。
　制御装置１２０は、姿勢演算部１２１と、自動掘削処理部１２２と、ブレーキ駆動指令部１２５と、リフト駆動指令部１２６と、バケット駆動指令部１２７と、を有する。
　姿勢演算部１２１は、ベルクランク角度センサ１９ａ及びリフトアーム角度センサ１９ｂによりそれぞれ計測されたベルクランク１５及びリフトアーム１１の各角度に基づいて、バケット３の爪先角度及び高さを算出する。バケット３の爪先角度は、バケット３の底面と地面とが成す角度である。
　自動掘削処理部１２２は、自動掘削処理を開始するにあたって必要な処理を行う。自動掘削処理部１２２は、自動掘削処理が有効であるか否かを判定する有効判定部１２３と、自動掘削処理を開始するか否かを判定する開始判定部１２４と、を有する。
　有効判定部１２３は、車速センサ２１により計測された車輪５ｆ，５ｒの回転速度と、姿勢演算部１２１の算出結果に基づいて、自動掘削処理が有効であるか否かを判定する。自動掘削処理が有効であるとは、ホイールローダ１の状態が現在の状態のままバケット３を対象物に突入させ自動掘削処理を開始した場合に掘削動作が適切に行われると想定される状態のことである。開始判定部１２４は、有効判定部１２３の判定結果と、姿勢演算部１２１の算出結果と、リフトシリンダ圧力センサ１２ｂにより計測されたリフトシリンダ１２の圧力とに基づいて、自動掘削処理を開始するか否かを判定する。
　自動掘削処理部１２２は、開始判定部１２４により自動掘削処理を開始すると判定された場合、自動掘削処理の動作計画を生成してもよい。或いは、この場合、自動掘削処理部１２２は、予め生成され記憶された自動掘削処理の動作計画を読み出してもよい。動作計画は、例えば、車輪５ｆ，５ｒの回転速度（及び車体２の車速）、バケット３の角度（爪先角度）及び高さについての各目標値の推移であってもよい。バケット３の角度及び高さについての目標値の推移は、バケット３の目標動作軌跡である。自動掘削処理部１２２は、動作計画を、ブレーキ駆動指令部１２５、リフト駆動指令部１２６及びバケット駆動指令部１２７に出力してもよい。
　ブレーキ駆動指令部１２５は、車速センサ２１により計測された車輪５ｆ，５ｒの回転速度と、自動掘削処理部１２２からの出力とに基づき、車輪５ｆ，５ｒに印加するべきブレーキ圧を演算し、ブレーキ圧制御電磁弁１１９ａに対する制御指令を生成する。ブレーキ駆動指令部１２５は、生成された制御指令を示す電気信号１１８ｓを生成し、ブレーキ駆動油圧回路１１９のブレーキ圧制御電磁弁１１９ａに出力する。
　リフト駆動指令部１２６は、自動掘削処理部１２２からの出力に基づき、リフトシリンダ１２の伸縮量を演算し、バケット駆動油圧回路１１３に対する制御指令を生成する。リフト駆動指令部１２６は、生成された制御指令を示す電気信号１１３ｓを生成し、バケット駆動油圧回路１１３に出力する。
　バケット駆動指令部１２７は、自動掘削処理部１２２からの出力に基づき、バケットシリンダ１６の伸縮量を演算し、バケット駆動油圧回路１１３に対する制御指令を生成する。バケット駆動指令部１２７は、生成された制御指令を示す電気信号１１３ｓを生成し、バケット駆動油圧回路１１３に出力する。
　図４は、図３に示す制御装置１２０によって行われる処理を示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１において、制御装置１２０は、有効判定部１２３を用いて、自動掘削処理が有効であるか否かを判定する。有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定された場合、制御装置１２０は、ステップＳ１０２に移行する。有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定されなかった場合、制御装置１２０は、自動掘削処理が有効であると判定されるまで、ステップＳ１０１を例えば１秒毎に繰り返す。
　有効判定部１２３は、バケット３が所定範囲に収まる掘削姿勢であり、且つ、車体２が前進している場合、自動掘削処理が有効であると判定する。バケット３が所定範囲に収まる掘削姿勢とは、バケット３が地面に略平行（爪先角度が１０°以内）であり、且つ、バケット３の高さが地面付近である姿勢のことである。車体２が前進しているとは、車体２の車速が所定速度以上であることであってもよい。所定速度は、例えば２ｋｍ／ｈである。
　ステップＳ１０２において、制御装置１２０は、自動掘削処理部１２２を用いて、開始判定部１２４がステップＳ１０３において自動掘削処理を開始するか否かを判定する前に、自動掘削処理の準備動作をホイールローダ１に行わせる。
　自動掘削処理の準備動作とは、例えば、リフトシリンダ１２のボトム室又はロッド室のうちのリフトアーム１１を上方に回動させる方に対して、リフトシリンダ１２が実際には伸縮しない範囲において圧油を供給しておくことである。これにより、制御装置１２０は、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始するか否かを判定する前に、バケット駆動油圧回路１１３に含まれる電磁比例弁の位置を、中立位置よりもリフトアーム１１を上方に回動させる側に移動させておくことができる。制御装置１２０は、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始すると判定してからリフトシリンダ１２が実際に伸縮するまでのリフトシリンダ１２の応答時間を短縮することができる。したがって、制御装置１２０は、自動掘削処理において行われるバケット３のリフト上げを直ちに開始することができるので、掘削作業における掘削動作に要する時間を短縮することができる。
　上記に加えて、自動掘削処理の準備動作とは、例えば、ホイールローダ１に設けられたブザーの発音、ランプの点灯又はモニタの表示等によって、オペレータ又は周囲の作業員に対して自動掘削処理が開始されることを予め報知することであってもよい。これにより、制御装置１２０は、オペレータ又は周囲の作業員にとって自動掘削処理が突然開始されることがないので、オペレータ又は周囲の作業員の心理的な衝撃を緩和することができる。
　ステップＳ１０３において、制御装置１２０は、開始判定部１２４を用いて、自動掘削処理を開始するか否かを判定する。開始判定部１２４により自動掘削処理を開始すると判定された場合、制御装置１２０は、自動掘削処理を開始して、ステップＳ１０４に移行する。開始判定部１２４により自動掘削処理を開始すると判定されなかった場合、制御装置１２０は、自動掘削処理を開始すると判定するまで、ステップＳ１０３を例えば１秒毎に繰り返す。
　開始判定部１２４は、有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定され、バケット３が掘削姿勢であり、且つ、バケット３のリフト上げを行うリフトシリンダ１２の圧力が所定圧力を上回るように変化した場合、自動掘削処理を開始すると判定する。バケット３が掘削姿勢であるか否かの判定基準は、ステップＳ１０１と同様であってもよい。リフトシリンダ１２の圧力の判定基準である所定圧力は、バケット３が空荷状態で前進する時のリフトシリンダ１２の圧力より大きい値であって、バケット３が対象物に突入した時に対象物から受ける衝撃によって増加するリフトシリンダ１２の圧力より小さい値であってもよい。リフトシリンダ１２の圧力の判定基準である所定圧力の下限値を、バケット３が空荷状態で前進する時のリフトシリンダ１２の圧力とするのは、ステップＳ１０１において、バケット３が掘削姿勢で前進していることを判定済であるからである。すなわち、バケット３が掘削姿勢で前進する場合、バケット３が地面に略平行な姿勢で前進することから、仮にバケット３が積載状態であるとしても多くの対象物がバケット３からこぼれ落ちる。バケット３が掘削姿勢で前進する場合、バケット３が積載状態を維持することは通常は考えられない。したがって、リフトシリンダ１２の圧力の判定基準である所定圧力の下限値を、バケット３が空荷状態で前進する時のリフトシリンダ１２の圧力とすることは、合理的である。
　制御装置１２０は、開始判定部１２４により自動掘削処理を開始すると判定された場合、自動掘削処理を開始する。具体的には、制御装置１２０は、自動掘削処理として、車体２を前進させながら対象物に突入したバケット３のリフト上げを開始する。この際、制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入して反力を受けても車体２が前進するよう、車輪５ｆ，５ｒを回転させる。この車輪５ｆ，５ｒの回転速度は、制御装置１２０によって後述の閾値ＢＥ以上に保たれていてもよい。バケット３のリフト上げに関する詳細な制御内容については、例えば特許文献１に開示された技術を適用することができる。
　また、制御装置１２０は、ホイールローダ１が停車中に自動掘削処理が開始される誤作動を防ぐため、ステップＳ１０３において車体２の車速が所定速度（例えば２ｋｍ／ｈ）を下回った場合には、再びステップＳ１０１に移行してもよい。そして、制御装置１２０は、自動掘削処理が有効であると判定されるまで、ステップＳ１０１を例えば１秒毎に繰り返してもよい。
　ステップＳ１０４において、制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳを上回るか否かを判定する。車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳを上回る場合、制御装置１２０は、ステップＳ１０５に移行する。車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳ以下の場合、制御装置１２０は、バケット３をクラウド方向に回動させてバケット３を積載状態とし、バケット３が所定高さに到達するとリフト上げを停止する。その後、制御装置１２０は、図４に示す処理を終了する。
　閾値ＢＳは、車輪５ｆ，５ｒの空転を防止するよう予め定められた閾値である。閾値ＢＳは、バケット３が対象物に突入して車体２を前進させようとしても車輪５ｆ，５ｒが空転しないような車輪５ｆ，５ｒの回転速度を示す。閾値ＢＳは、車輪５ｆ，５ｒが空転しないようブレーキ１１８を駆動する空転防止処理を開始するか否かの判定基準であり得る。閾値ＢＳは、後述の閾値ＢＥより大きい値である。閾値ＢＳは、車体２の車速に換算すると、例えば６ｋｍ／ｈであってもよい。閾値ＢＳは、掘削対象物の形状や硬さ（突入し易さ）、地面の滑りやすさなどに基づき、実験等により設定される値である。閾値ＢＳは、ホイールローダ１の作業現場に応じて調整可能である。例えば、車体２が走行する地面が滑りやすい雪面等である場合、閾値ＢＳは、通常よりも小さい値に調整される。例えば、対象物が大鋸屑のように軽く、突入し易く、バケット３に与える衝撃が小さい場合、閾値ＢＳは、通常よりも大きい値に調整される。また、制御装置１２０は、車輪５ｆ、５ｒの回転速度に代えて、車体２の車速と、当該車速に基づく閾値ＢＳとを用いて、空転防止処理を開始するか否かを判定するようにしてもよい。
　ステップＳ１０５において、制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒが空転しないようブレーキ１１８を駆動する空転防止処理を開始する。本実施形態の制御装置１２０は、所定のブレーキ圧を車輪５ｆ，５ｒに印加する制御指令を示す電気信号１１８ｓをブレーキ圧制御電磁弁１１９ａに出力する。これにより、車輪５ｆ，５ｒの回転量が減少し、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が減速される。すなわち、制御装置１２０は、ステップＳ１０４及びステップＳ１０５を行うことによって、バケット３を対象物に突入させた状態で車体２を前進させ、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳを上回る場合には、車輪５ｆ，５ｒが空転しないようブレーキ１１８を駆動して車輪５ｆ，５ｒを制動させる。
　車輪５ｆ，５ｒに印加される所定のブレーキ圧は、バケット３が対象物から受ける反力によって車体２が減速する際の減速度に対して車輪５ｆ，５ｒが空転しない範囲に車輪５ｆ，５ｒの回転量を抑えるようなブレーキ圧であってもよい。
　この所定のブレーキ圧は、ホイールローダ１の仕様又は実験から予め算出される得る。例えば、対象物からの反力による車体２の減速度Ａが、－４ｍ／ｓ２であるとする。ブレーキペダル１１２の最大踏み込み量に応じた最大ブレーキ圧が５ＭＰａであり、最大ブレーキ圧が車輪５ｆ，５ｒに印加された時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂが－６ｍ／ｓ２であるとする。車輪５ｆ，５ｒが空転する時の地面に対する車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｃが－３ｍ／ｓ２であるとする。この場合、対象物からの反力による車体２の減速度Ａに対して車輪５ｆ，５ｒが空転しないためには、最大ブレーキ圧印加時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂの１／６を生じさせて、空転時の地面に対する車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｃより大きくすればよい。よって、この場合、所定のブレーキ圧は、最大ブレーキ圧５ＭＰａの１／６に相当する５／６ＭＰａと算出され得る。更に、誤差によって車輪５ｆ，５ｒが空転しないよう余裕を持たせるために、所定のブレーキ圧は、最大ブレーキ圧５ＭＰａの１／５に相当する１ＭＰａと算出され得る。
　なお、対象物からの反力による車体２の減速度Ａ、最大ブレーキ圧印加時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂ、及び、空転時の地面に対する車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｃは、ホイールローダ１の仕様又は実験から予め算出される得る。空転時の地面に対する車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｃは、車輪５ｆ，５ｒが空転するときの地面に対する車輪５ｆ，５ｒの加速度を負の数にすることによって算出されてもよい。
　車輪５ｆ，５ｒの回転量が地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量を大きく上回ると、車輪５ｆ，５ｒが空転する。したがって、所定のブレーキ圧における上記の算出手法には、ブレーキ１１８の駆動によって車輪５ｆ，５ｒの回転量を小さくする狙いがある。同時に、所定のブレーキ圧における上記の算出手法には、ブレーキ１１８の駆動によって車輪５ｆ，５ｒの回転量を小さくし過ぎずに、車輪５ｆ，５ｒが地面からの推進力を得ることができる狙いがある。車輪５ｆ，５ｒが地面から得られる推進力は、車輪５ｆ，５ｒの回転量と地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量との差に比例して大きくなる。しかし、この差が大きすぎると、車輪５ｆ，５ｒは空転してしまい、地面から得られる推進力が急激に低下してしまう。
　地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量は、バケット３が対象物に突入する前の車体２の車速と、対象物からの反力による車体２の減速度Ａとに基づいて算出され得る。車輪５ｆ，５ｒの回転量は、車速センサ２１により計測された車輪５ｆ，５ｒの回転速度から算出され得る。
　上記の例において、最大ブレーキ圧印加時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂ（すなわち－６ｍ／ｓ２）の４／６（すなわち－４ｍ／ｓ２）で減速される場合、車輪５ｆ，５ｒの回転量と地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量との差は、ゼロになる。この場合は、車輪５ｆ，５ｒが地面からの推進力を得ることができないので不適である。また、最大ブレーキ圧印加時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂの０／６（すなわち０ｍ／ｓ２）で減速される場合、車輪５ｆ，５ｒの回転量と地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量との差は、－４ｍ／ｓ２に対応する値のままであり、空転時の地面に対する車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｃ（すなわち－３ｍ／ｓ２）に対応する値より小さい。この場合は、車輪５ｆ，５ｒが空転するので不適である。最大ブレーキ圧印加時の車輪５ｆ，５ｒの減速度Ｂの１／６（すなわち－１ｍ／ｓ２）で減速される場合、車輪５ｆ，５ｒの回転量と地面に対する車輪５ｆ，５ｒの移動量との差は、車輪５ｆ，５ｒが空転しない範囲内の限界値付近になる。車輪５ｆ，５ｒが空転しない範囲内の限界値付近で車輪５ｆ，５ｒの回転量を抑えると、車輪５ｆ，５ｒが地面から得られる推進力が大きくなる。これにより、制御装置１２０は、バケット３を対象物の深い位置（対象物の奥まった位置）まで突入させることができる。制御装置１２０は、バケット３のリフト上げ及びクラウド方向への回動によって、バケット３の内部に多量の対象物を格納させることができ、１回の掘削動作におけるバケット３の積載量を最大限確保することができる。したがって、制御装置１２０は、掘削作業における掘削動作の実行回数を最小限に抑えることができる。
　ステップＳ１０６において、制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＥ以下であるか否かを判定する。車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＥ以下である場合、制御装置１２０は、ステップＳ１０７に移行する。車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＥを上回る場合、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＥ以下になるまで、ステップＳ１０６を例えば０．１秒毎に繰り返してもよい。閾値ＢＥは、バケット３が対象物に突入して反力を受けても車体２が前進するような車輪５ｆ，５ｒの回転速度を示す。閾値ＢＥは、空転防止処理を終了するか否かの判定基準であり得る。
　閾値ＢＥは、例えば車速に換算して３ｋｍ／ｈ分だけ閾値ＢＳより小さい値であってもよい。これにより、制御装置１２０は、車速が３ｋｍ／ｈ減速する間に、所定のブレーキ圧を車輪５ｆ，５ｒに印加することができる。この閾値ＢＥを変更することによって、制御装置１２０は、所定のブレーキ圧が車輪５ｆ，５ｒに印加する時間を間接的に変更することができる。また、制御装置１２０は、車輪５ｆ、５ｒの回転速度に代えて、車体２の車速と、当該車速に基づく閾値ＢEとを用いて、空転防止処理を終了するか否かを判定するようにしてもよい。
　ステップＳ１０７において、制御装置１２０は、ステップＳ１０５において開始された空転防止処理を終了する。空転防止処理を終了すると、ブレーキ１１８の駆動が停止する。すなわち、制御装置１２０は、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７を行うことによって、バケット３を対象物に突入させた状態でも車体２が前進するよう車輪５ｆ，５ｒの回転速度を閾値ＢＥ以上に保っている。空転防止処理の終了後、制御装置１２０は、バケット３をクラウド方向に回動させてバケット３を積載状態とし、バケット３が所定高さに到達するとリフト上げを停止する。その後、制御装置１２０は、図４に示す処理を終了する。
　以上のように、実施形態１の制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転により車体２を前進させてバケット３を対象物に突入させることで対象物を掘削するホイールローダ１の制御装置である。実施形態１の制御装置１２０は、バケット３を対象物に突入させた状態で車体２を前進させ、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が予め定められた閾値ＢＳを上回る場合には、車輪５ｆ，５ｒを制動させる。
　これにより、実施形態１の制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入しても、車輪５ｆ，５ｒを空転させずに地面からの推進力を得て車体２を前進させることができる。実施形態１の制御装置１２０は、バケット３のリフト上げ及びクラウド方向への回動を行うことによって、１回の掘削動作におけるバケット３の積載量を最大限確保することができる。したがって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業における掘削動作の実行回数を最小限に抑えることができる。よって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を図って掘削作業の生産性を向上させることができる。
　更に、実施形態１の制御装置１２０は、車体２の走行及びバケット３の姿勢を制御してホイールローダ１の掘削動作を自動で行わせる自動掘削処理を行う。自動掘削処理によって行われる掘削動作は、車体２を前進させながら対象物に突入したバケット３のリフト上げを開始し、車輪５ｆ，５ｒを制動させた後、バケット３をクラウド方向に回動させてバケット３を積載状態とし、バケット３が所定高さに到達するとリフト上げを停止する動作である。
　これにより、実施形態１の制御装置１２０は、オペレータの操作に拠らずに掘削動作をホイールローダ１に行わせることができるので、オペレータの技量により１回の掘削動作に要する時間が長時間化することを抑制することができる。加えて、実施形態１の制御装置１２０は、１回の掘削動作におけるバケット３の積載量を確実に確保することができる。したがって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業における全掘削動作に要する時間を短縮することができる。よって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を更に図って掘削作業の生産性を更に向上させることができる。
　更に、実施形態１の制御装置１２０は、自動掘削処理が有効であるか否かを判定する有効判定部１２３と、自動掘削処理を開始するか否かを判定する開始判定部１２４と、を有する。有効判定部１２３は、バケット３が所定範囲に収まる掘削姿勢であり、且つ、車体２が前進している場合、自動掘削処理が有効であると判定する。開始判定部１２４は、有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定され、バケット３が掘削姿勢であり、且つ、リフト上げを行うリフトシリンダ１２の圧力が所定圧力を上回るように変化した場合、自動掘削処理を開始すると判定する。
　これにより、実施形態１の制御装置１２０は、バケット３が対象物に確実に突入した後に自動掘削処理を開始してホイールローダ１に掘削動作を適切に行わせることができる。すなわち、実施形態１の制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入する前に自動掘削処理を開始してホイールローダ１が掘削動作を適切に行うことができないような誤作動を防止することができる。実施形態１の制御装置１２０は、このような誤作動によって掘削動作に要する時間が長時間化することを抑制することができる。よって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を確実に図って掘削作業の生産性を確実に向上させることができる。
　更に、実施形態１の制御装置１２０は、有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定された場合、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始するか否かを判定する前に、自動掘削処理の準備動作をホイールローダ１に行わせる。
　これにより、実施形態１の制御装置１２０は、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始すると判定してからリフトシリンダ１２が実際に伸縮するまでのリフトシリンダ１２の応答時間を短縮することができる。したがって、実施形態１の制御装置１２０は、自動掘削処理において行われるバケット３のリフト上げを直ちに開始することができるので、掘削作業における掘削動作に要する時間を短縮することができる。よって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を更に図って掘削作業の生産性を更に向上させることができる。
　更に、実施形態１の制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入する前、車体２の車速を所定速度以上に保って車体２を前進させる。
　これにより、実施形態１の制御装置１２０は、バケット３が対象物に突入する前に車体２の車速を減速させないので、掘削作業における走行動作に要する時間を短縮することができる。よって、実施形態１の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を更に図って掘削作業の生産性を更に向上させることができる。
［実施形態２］
　図５を用いて、実施形態２に係るホイールローダ１の制御装置１２０について説明する。実施形態２の制御装置１２０において、実施形態１と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
　図５は、実施形態２の制御装置１２０の機能的構成を示すブロック図である。
　実施形態１の制御装置１２０は、リフトシリンダ１２の圧力を、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始する判定基準の１つとして採用していた。実施形態２の制御装置１２０は、バケット３と対象物との相対距離を、開始判定部１２４が自動掘削処理を開始する判定基準の１つとして採用してもよい。
　実施形態２のホイールローダ１は、図５に示すように、車体２の位置情報を受信するＧＮＳＳ受信機２２と、外部装置との通信によって対象物の位置情報を取得する通信機２３とを備える。実施形態２の開始判定部１２４は、図４のステップＳ１０３において実施形態１とは異なる処理を行う。すなわち、実施形態２の開始判定部１２４は、車体２の位置情報からバケット３の位置情報を演算し、バケット３の位置情報と対象物の位置情報とからバケット３と対象物との相対距離を演算する。そして、実施形態２の開始判定部１２４は、有効判定部１２３により自動掘削処理が有効であると判定され、バケット３が掘削姿勢であり、且つ、バケット３と対象物との相対距離が所定距離以下である場合、自動掘削処理を開始すると判定する。
　所定距離は、例えば１ｍであってもよい。所定距離を１ｍとし、閾値ＢＳを車速に換算して６ｋｍ／ｈとし、車体２の車速を６ｋｍ／ｈ以上とすると、バケット３は約０．５秒以下で対象物に突入するが、自動掘削処理が開始され空転防止処理が開始される。空転防止処理を開始してから実際に車輪５ｆ，５ｒに制動力が作用するまでの時間が約０．５秒とすると、車輪５ｆ，５ｒに制動力が作用するのは、バケット３が対象物に突入した後になる。したがって、このような場合でも自動掘削処理によって行われる掘削動作に与える影響は非常に小さい。よって、実施形態２の開始判定部１２４がバケット３と対象物との相対距離が所定距離以下であることを、自動掘削処理を開始する判定基準の１つとして採用することは有効である。
　実施形態２の制御装置１２０は、実施形態１と同様に、車輪５ｆ，５ｒを空転させずに地面からの推進力を得て車体２を前進させることができる。よって、実施形態２の制御装置１２０は、掘削作業に要する作業時間の短縮化を図って掘削作業の生産性を向上させることができる。
　なお、実施形態２のホイールローダ１は、外部装置との通信によって対象物の位置情報を取得する通信機２３の代わりに、対象物の位置情報を入力可能な端末装置を備えていてもよい。実施形態２の開始判定部１２４は、端末装置から対象物の位置情報を取得してもよい。
［実施形態３］
　図６を用いて、実施形態３に係るホイールローダ１の制御装置１２０について説明する。実施形態３の制御装置１２０において、実施形態１と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
　図６は、実施形態３の制御装置１２０の機能的構成を示すブロック図である。
　実施形態１の制御装置１２０は、ブレーキ１１８を駆動して車輪５ｆ，５ｒを制動させることを、空転防止処理における車輪５ｆ，５ｒの回転速度の減速手段として採用していた。実施形態３の制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの制動だけでなく、車輪５ｆ，５ｒの動力源の出力を低下させることを、空転防止処理における車輪５ｆ，５ｒの回転速度の減速手段として採用してもよい。車輪５ｆ，５ｒの動力源の出力を低下させることは、例えば、エンジン１００の回転数を減少させることであってもよい。
　実施形態３の制御装置１２０は、図６に示すように、エンジン指令部１２８を更に有する。エンジン指令部１２８は、自動掘削処理部１２２からの出力に基づき、エンジン１００の回転数の減少量（補正量）を演算し、エンジンコントローラ１０４に対する制御指令を生成する。エンジン指令部１２８は、生成された制御指令を示す電気信号１０６ｓを生成し、エンジンコントローラ１０４に出力する。
　実施形態３の制御装置１２０は、図４のステップＳ１０５において実施形態１とは異なる処理を行う。すなわち、実施形態３の制御装置１２０は、上記のブレーキ圧に係る制御指令を示す電気信号１１８ｓをブレーキ圧制御電磁弁１１９ａに出力するだけでなく、エンジン１００の回転数の減少させる制御指令を示す電気信号１０６ｓをエンジンコントローラ１０４に出力する。このエンジン１００の回転数の減少させる制御指令は、例えば、エンジン１００の回転数を通常よりも３００回転減少させるといった補正を行う制御指令であってもよい。
　このように、実施形態３の制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳを上回る場合には、車輪５ｆ，５ｒを制動させると共に、車輪５ｆ，５ｒの動力源の出力を低下させる。
　これにより、実施形態３の制御装置１２０は、実施形態１よりも、空転防止処理において車輪５ｆ，５ｒの回転速度を効率よく抑えることができるので、車輪５ｆ，５ｒの空転を更に防止することができる。よって、実施形態３の制御装置１２０は、実施形態１よりも、掘削作業に要する作業時間の短縮化を更に図って掘削作業の生産性を更に向上させることができる。
［実施形態４］
　図７を用いて、実施形態４に係るホイールローダ１の制御装置１２０について説明する。実施形態４の制御装置１２０において、実施形態１と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
　図７は、実施形態４の制御装置１２０の機能的構成を示すブロック図である。
　実施形態４の制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの制動だけでなく、車輪５ｆ，５ｒの動力源から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達を遮断することを、空転防止処理における車輪５ｆ，５ｒの回転速度の減速手段として採用してもよい。車輪５ｆ，５ｒの動力源から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達を遮断することは、例えば、車輪５ｆ，５ｒの動力源であるエンジン１００から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達を遮断させることであってもよい。具体的には、車輪５ｆ，５ｒの動力源から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達を遮断することは、トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続をトランスミッション１０７において遮断することであってもよい。
　実施形態４の制御装置１２０は、図７に示すように、トランスミッション指令部１２９を更に有する。トランスミッション指令部１２９は、自動掘削処理部１２２からの出力に基づき、トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続を遮断させる制御指令を生成する。トランスミッション指令部１２９は、生成された制御指令を示す電気信号１０７ｓを生成し、トランスミッションコントローラ１０９に出力する。
　実施形態４の制御装置１２０は、図４のステップＳ１０５において実施形態１とは異なる処理を行う。すなわち、実施形態４の制御装置１２０は、上記のブレーキ圧に係る制御指令を示す電気信号１１８ｓをブレーキ圧制御電磁弁１１９ａに出力するだけでなく、トルクコンバータ１０１の出力軸とドライブシャフト１０８との接続を遮断させる制御指令を示す電気信号１０７ｓをトランスミッションコントローラ１０９に出力する。これは、トランスミッション１０７がニュートラルにシフトされることに相当し、エンジン１００から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達が遮断される。
　このように、実施形態４の制御装置１２０は、車輪５ｆ，５ｒの回転速度が閾値ＢＳを上回る場合には、車輪５ｆ，５ｒを制動させると共に、車輪５ｆ，５ｒの動力源から車輪５ｆ，５ｒへの動力の伝達を遮断する。
　これにより、実施形態４の制御装置１２０は、実施形態１よりも、空転防止処理において車輪５ｆ，５ｒの回転速度を効率よく抑えることができるので、車輪５ｆ，５ｒの空転を更に防止することができる。よって、実施形態４の制御装置１２０は、実施形態１よりも、掘削作業に要する作業時間の短縮化を更に図って掘削作業の生産性を更に向上させることができる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更を行うことができる。本発明は、或る実施形態の構成を他の実施形態の構成に追加したり、或る実施形態の構成を他の実施形態と置換したり、或る実施形態の構成の一部を削除したりすることができる。
　１…ホイールローダ、２…車体、３…バケット、５ｆ…前輪、５ｒ…後輪、１２…リフトシリンダ、１００…エンジン、１０７…トランスミッション、１１８…ブレーキ（制動装置）、１２０…制御装置、１２３…有効判定部、１２４…開始判定部、ＢＳ…閾値

Claims (8)

  1. 　車輪の回転により車体を前進させてバケットを対象物に突入させることで前記対象物を掘削するホイールローダの制御装置であって、
    　前記制御装置は、
    　前記バケットを前記対象物に突入させた状態で前記車体を前進させ、前記車輪の回転速度が予め定められた閾値を上回る場合には、前記車輪を制動させる
    　ことを特徴とするホイールローダの制御装置。
  2. 　前記制御装置は、前記車体の走行及び前記バケットの姿勢を制御して前記ホイールローダの掘削動作を自動で行わせる自動掘削処理を行い、
    　前記自動掘削処理によって行われる前記掘削動作は、前記車体を前進させながら前記対象物に突入した前記バケットのリフト上げを開始し、前記車輪を制動させた後、前記バケットをクラウド方向に回動させて前記バケットを積載状態とし、前記バケットが所定高さに到達すると前記リフト上げを停止する動作である
    　ことを特徴とする請求項１に記載のホイールローダの制御装置。
  3. 　前記制御装置は、前記自動掘削処理が有効であるか否かを判定する有効判定部と、前記自動掘削処理を開始するか否かを判定する開始判定部と、を有し、
    　前記有効判定部は、前記バケットが所定範囲に収まる掘削姿勢であり、且つ、前記車体が前進している場合、前記自動掘削処理が有効であると判定し、
    　前記開始判定部は、前記有効判定部により前記自動掘削処理が有効であると判定され、前記バケットが前記掘削姿勢であり、且つ、前記リフト上げを行うリフトシリンダの圧力が所定圧力を上回るように変化した場合、前記自動掘削処理を開始すると判定する
    　ことを特徴とする請求項２に記載のホイールローダの制御装置。
  4. 　前記制御装置は、前記自動掘削処理が有効であるか否かを判定する有効判定部と、前記自動掘削処理を開始するか否かを判定する開始判定部と、を有し、
    　前記有効判定部は、前記バケットが所定範囲に収まる掘削姿勢であり、且つ、前記車体が前進している場合、前記自動掘削処理が有効であると判定し、
    　前記開始判定部は、前記有効判定部により前記自動掘削処理が有効であると判定され、前記バケットが前記掘削姿勢であり、且つ、前記バケットと前記対象物との相対距離が所定距離以下である場合、前記自動掘削処理を開始すると判定する
    　ことを特徴とする請求項２に記載のホイールローダの制御装置。
  5. 　前記制御装置は、前記有効判定部により前記自動掘削処理が有効であると判定された場合、前記開始判定部が前記自動掘削処理を開始するか否かを判定する前に、前記自動掘削処理の準備動作を前記ホイールローダに行わせる
    　ことを特徴とする請求項３又は４に記載のホイールローダの制御装置。
  6. 　前記制御装置は、前記バケットが前記対象物に突入する前、前記車体の車速を所定速度以上に保って前記車体を前進させる
    　ことを特徴とする請求項１に記載のホイールローダの制御装置。
  7. 　前記制御装置は、前記車輪の前記回転速度が前記閾値を上回る場合には、前記車輪を制動させると共に、前記車輪の動力源の出力を低下させる
    　ことを特徴とする請求項１に記載のホイールローダの制御装置。
  8. 　前記制御装置は、前記車輪の前記回転速度が前記閾値を上回る場合には、前記車輪を制動させると共に、前記車輪の動力源から前記車輪への動力の伝達を遮断する
    　ことを特徴とする請求項１に記載のホイールローダの制御装置。
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