JP2011063945A - 産業用車両 - Google Patents

Abstract

【課題】産業用車両の掘削作業中に牽引力とリフト力の調整がより精細に行われるようにする。
【解決手段】車体２に揺動可能に取り付けられ、掘削対象物５０を掘削し持上げるためのアーム５及びバケット６と、アーム５及びバケット６に駆動力を付与し、バケット６から掘削対象物５０に作用するリフト力を発生させるアクチュエータ７，９と、車体２に作用する牽引力を発生する原動機１０と、原動機１０を制御する制御装置３０，４２とを備え、制御装置３０，４２は、アーム５及びバケット６の荷役姿勢を入力パラメータとして得た目標牽引力が車体２に作用するよう、原動機１０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、土砂等の掘削対象物を掘削し持上げるためのアーム及びバケットを車体に備えた産業用車両に関する。

かかる産業用車両の代表例であるホイールローダは、堆積している土砂を掘削しこれを持上げてダンプトラック等へ積込むために利用され、原動機が発生する動力がトルクコンバータ等を介して車輪に伝達されることにより、車体に牽引力が発生して走行する。また、ホイールローダは、その作業機として車体に対して揺動可能なアームと、アームに対して揺動可能なバケットとを備え、更にアーム及びバケットを夫々駆動するためのアクチュエータを備えている。

ホイールローダを利用した作業では、地面に近接させたバケットの開口を予め土砂側に向けておく。そして、車体に牽引力を発生させて土砂に向かって走行し、バケットを土砂に突っ込ませる。次に、アームを上昇させるように揺動し且つバケットの開口を上方へ向けるようにバケットを揺動し、土砂をバケット内に積み込みながら持上げる。そして、トラックの待機場所まで走行し、そこでバケットを揺動して持上げた土砂をトラックに積込ませる。この一連の作業を繰り返して土砂の積込みが行われる。

牽引力を大きくすると、バケットの土砂に対する所謂突っ込み性が向上し、バケット内に積み込まれる土砂の量が増加する。他方、アームを上昇させるべくアクチュエータよりアームに駆動力が付与されると該駆動力に基づき作業機に回転モーメントが発生する。この駆動力由来の回転モーメントに応じてバケットから土砂に力が作用し、この力の上向き成分が土砂を持上げるためのリフト力となる。

ここで、牽引力の確保とリフト力の確保とはトレードオフの関係にある。例えば、土砂にバケットを突っ込ませた状態で車体に牽引力を作用させると、土砂からバケットに牽引力相当の反力が作用し、アクチュエータよりアームに付与された駆動力がこの反力分だけ打ち消されてしまう。よって、この駆動力から反力分を打ち消した後に残る力のみに基づいてリフト力が発生することとなり、牽引力が過大であれば駆動力が反力で相殺されてバケットを上昇させることができなくなる。

特に所謂コンバインドストールが発生すると、原動機が発生する牽引力の調整のためアクセルペダルの微調整などの煩雑な操作が必要である。これに対して特許文献１には、コンバインドストールが発生すると、自動的に牽引力を低減させてリフト力が確保されるように原動機の回転数を制御する制御装置を備えたホイールローダが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平３−２８６０４５号公報

このホイールローダによれば、コンバインドストールの発生時に自動的に牽引力が減少してリフト力が確保されるため、煩雑な操作を必要とすることなくアームが上昇しないといった事態を防ぐことができる。しかし、作業中にコンバインドストールが発生すると、自動的に牽引力が低下してしまうため、このときに土砂への突っ込み性が悪くなることは避けられず、作業効率の悪化を招くおそれがある。逆に、コンバインドストールが発生していなければ、自動的に牽引力及びリフト力が調整されることはなく、依然として煩雑な操作が強いられる。

そこで本発明は、産業用車両の掘削作業中に牽引力とリフト力の調整がより精細に行われるようにし、以って作業効率を向上させることを目的としている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るホイールローダは、車体に揺動可能に設けられ、掘削対象物を掘削し持上げるためのアーム及びバケットと、前記アーム及び前記バケットに駆動力を付与し、前記バケットから掘削対象物に作用するリフト力を発生させるアクチュエータと、前記アーム及びバケットの荷役姿勢に応じて前記車体に作用する目標牽引力を算出する制御装置と、前記制御装置によって制御され、前記目標牽引力を発生させる原動機とを備えることを特徴としている。

ここで、アーム及びバケットは車体に対して揺動するよう取り付けられており、アクチュエータよりアームに付与された駆動力のうち、牽引力の作用方向の成分（典型的には水平方向成分）は、一般的には掘削対象物を持上げるようにアーム及びバケットの荷役姿勢が変化していくに従って増大していく傾向にある。よって、仮にアクチュエータがアーム及びバケットに付与する駆動力と牽引力とが一定の下で掘削対象物を持上げる作業が行われるとすると、牽引力相当の反力が打ち消された後に残る駆動力は、アーム及びバケットの荷役姿勢の変化に追従して変化する。即ち、駆動力及び牽引力が一定の下でアーム及びバケットの荷役姿勢が変化すると、これに追従してリフト力も変化する。

本発明によれば、アーム及びバケットの荷役姿勢に応じた目標牽引力が車体に作用するように原動機が制御される。このため、荷役姿勢が変化してもリフト力を自動的且つ適切に制御することができる。このため、掘削作業物を掘り起こしてから持上げるまでの過程の間、煩雑な操作を必要とせずに作業を行うことができ、作業効率が向上する。

前記制御装置は、前記アームの荷役姿勢が水平に近づくほど増大する目標牽引力を算出することが好ましい。ここで、一般的にはアームの荷役姿勢が水平に近づくほど、アクチュエータよりアームに付与された駆動力に基づきバケットから掘削対象物に作用する力の牽引力の作用方向の成分が増大し、より大きな牽引力相当の反力に抗してリフト力を確保することができる。このため、荷役姿勢を水平に近づけていく過程では、目標牽引力が増加してもリフト力を継続して確保することができる。従って、上記のように目標牽引力を設定することにより、リフト力を確保した上で牽引力を増大させることができ、作業機の突っ込み性が向上して作業効率が向上する。

前記アクチュエータが前記アームを揺動させるホイストシリンダと、前記バケットを揺動させるバケットシリンダとを備え、前記制御装置は、前記アームの前記車体に対する角度、又は前記ホイストシリンダの伸長量に基づいて、前記荷役姿勢を検知してもよい。前記制御装置は、更に前記バケットの前記車体に対する角度、又は前記バケットシリンダの伸長量に基づいて、前記荷役姿勢を検知してもよい。

前記制御装置は更に、前記アクチュエータが前記アーム及び前記バケットのうち少なくとも前記アームに付与する駆動力に応じて前記車体に作用する前記目標牽引力を算出してもよい。これにより、駆動力が変化してもこれを吸収して最適な牽引力及びリフト力を発生させることができる。

荷役姿勢と目標リフト力との関係を示す複数の目標リフト力マップを記憶する目標リフト力マップ記憶部と、オペレータから選択すべき目標リフト力マップの指令の入力を受け付けるリフト力指令器を備え、前記制御装置は、前記リフト力指令器からの指令に応じて複数の前記目標リフト力マップのうち１つを選択し、当該選択した目標リフト力マップを参照して目標リフト力を演算してもよい。これにより、例えば掘削対象物の比重や粘性や傾斜角度等に合わせて、リフト力を設定変更することができる。

前記目標牽引力と当該目標牽引力を発生させるために必要な前記原動機の目標回転数を演算するための目標回転数マップを記憶する目標回転数マップ記憶部と、前記原動機に接続されたトルクコンバータとを更に備え、前記制御装置は、前記トルクコンバータの入力軸の回転数と前記トルクコンバータの出力軸の回転数との比に応じて前記複数の前記目標回転数マップのうち１つを選択し、当該選択した目標回転数マップを参照して目標回転数を演算してもよい。これにより、トルクコンバータのストール発生時のほかの場合であっても、上記比に応じて決まるトルクコンバータの最大吸収トルクに従って牽引力の調整制御を精度よく行うことができる。

前記制御装置は、前記アーム及び前記バケットによる掘削対象物の掘削作業が行われているか否かを判断し、掘削作業が行われていると判断したときに、前記作業機の荷役姿勢に基づく前記原動機の制御を実行することが好ましい。

以上のように本発明によれば、アーム及びバケットの荷役姿勢に応じて牽引力とリフト力が精細に調整されるようになるため、作業効率が向上する。

本発明の実施形態に係る産業用車両の一例として示すホイールローダの側面図である。 図１に示すホイールローダの構成を模式的に示すブロック図である。 図１の部分拡大図であって、牽引力とリフト力との関係の説明図である。 （ａ）が牽引力とリフト力との関係を示すグラフ、（ｂ）がアーム角とアーム力の水平方向成分との関係を示すグラフである。 アーム角と牽引力及びリフト力との関係の説明図である。 図１に示すホイールローダのトルク線図であって、原動機の回転数と牽引力との関係を示すグラフである。 図３に示す制御器が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 アーム角に応じた目標リフト力を求めるためのマップである。 図７に示す処理を実行しながら行われる掘削作業の作用図である。 アーム角に応じた目標牽引力を求めるためのマップである。 速度比及び目標牽引力に応じた目標回転数を求めるためのマップである。 アーム角に応じた目標回転数を求めるためのマップである。

以下これら図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、ここでは本発明の実施形態に係る産業用車両としてホイールローダを例示しており、このホイールローダは水平の地面に接地しているものと仮定する。よって、後述する牽引力は水平方向に働くものとしているが、牽引力やその他の力の作用方向、及びアーム角、バケット角を得るための基準平面の向きは地面の傾斜に応じて適宜変更される。

［全体構成］
図１に示すホイールローダ１は車体２を備え、車体２の下前部及び下後部には左右一対の車輪３，４が設けられている。車体２の前部にはアーム５の基端部が揺動可能に取り付けられ、アーム５の先端部にはバケット６が揺動可能に取り付けられている。以下では説明便宜のため、これらアーム５及びバケット６を纏めて「作業機」と呼ぶこともある。

作業機のアクチュエータは、ホイストシリンダ７及びバケットシリンダ９から構成される。ホイストシリンダ７は車体２とアーム５との間に架け渡されており、ホイストシリンダ７の伸縮に応じてアーム５は車体２に対して左右の軸線周りに揺動する。バケット６の後部にはレバー８が固設され、レバー８とアーム５との間にバケットシリンダ９が架け渡されている。このバケットシリンダ９の伸縮に応じてバケット６はアーム５に対して左右の軸線周りに揺動する。

車体２の後部には動力を発生する原動機１０が搭載され、原動機１０はトルクコンバータ１１、変速機１２、プロペラシャフト１３、及びアクスル１４，１５を介して車輪３，４と接続されている。原動機１０が発生する動力が車輪３，４に伝達されることにより、車体２に水平方向の牽引力が発生してホイールローダ１が走行可能となる。なお、原動機１０は、往復動内燃機関単体から構成されてもよく、これに電気モータ／ジェネレータを付設した所謂ハイブリッド型であってもよい。変速機１２は複数の前進用変速段と、複数の後進用変速段とを設定可能である。

また、原動機１０の出力軸には例えばピストンポンプ等の油圧ポンプ１６が直接的に接続されており、原動機１０が発生する動力に基づいて油圧ポンプ１６が駆動されるようになっている。

車体２の上部に設けられたキャビン１７には、作業員が走行操作や掘削作業を行うための各種操作器１８が配備されている。この操作器１８には、例えば操舵用のステアリング１９、原動機１０の出力を操作するためのアクセルペダル２０、変速操作用のシフトレバー２１、アーム５及びバケット６の揺動を操作するための作業機操作レバー２２のほか、後述する切替スイッチ２３，２４等が含まれる。

掘削作業においては、アクセルペダル２０を踏んで車体２を土砂等の掘削対象物５０の堆積部に向かって前進させる。このとき、予めシフトレバー２１を操作しておき、車輪３，４に伝達されるトルクを大きくするべく、例えば変速段を前進走行用の最低速段に設定する。また、予め作業操作レバー２２を操作しておき、堆積部の下部から掘削対象物５０を掘り起こせるようにするため、アーム５を下降させ且つバケット６の開口を前方に向ける。よって、作業の開始時点ではバケット６の下端部が地面に近接する位置におかれる。この状態で前進してバケット６を堆積部の下部に突っ込ませた後、作業機操作レバー２２を操作してアーム５を上昇させ且つバケット６の開口を上方へ向ける。アーム５の上昇により掘削対象物５０には上向きのリフト力が作用し、バケット６内の掘削対象物５０が持ち上がる。そして、所定箇所まで走行した後にアーム５及びバケット６を揺動し、バケット６内の掘削対象物５０を降ろす。

［油圧系］
図２に示すように、油圧ポンプ１６が吐出した作動油はコントロールバルブ２６を介してホイストシリンダ７及びバケットシリンダ９に送られる。コントロールバルブ２６は、作業機操作レバー２２の位置に応じて駆動制御され、これらシリンダ７，９に互いに独立して作動油が供給される。このため、アーム５及びバケット６は、キャビン１７内でのレバー操作に応じて互いに独立して揺動する。

［制御系］
また、ホイールローダ１には、マイクロコンピュータ等から構成される制御器３０が備えられている。制御器３０の入力側には、トルクコンバータ１１の入力軸の回転数を検出する第１回転数センサ３１、トルクコンバータ１１の出力軸の回転数を検出する第２回転数センサ３２、アクセルペダル２０の操作量を検出するペダルセンサ３３、シフトレバー２１の位置を検出するシフトセンサ３４、ポンプ圧を検出するポンプ圧センサ３５、ホイストシリンダ７に供給される圧力を検出するシリンダ供給圧センサ３６、荷役姿勢を検出する荷役姿勢検出器３７、及び切替スイッチ２３，２４等が接続されている。

「荷役姿勢」とは、車体２、又は地面若しくは水平面等の基準平面に対する作業機の姿勢を言い、その具体的な数値としては、例えば図３に示すように、車体２に対するアーム５の支点Ｐ₁とバケット６の前下端部に位置する掘削対象物に対する作用点Ｐ₃との間の結線と、基準平面となる地面（水平面）とがなす角度θによって表すことができる。荷役姿勢検出器３７は、制御器３０が内部処理を経てこの荷役姿勢を検知可能とするような信号を出力可能であればよく、典型的にはアーム５の車体２に対する角度を検出するアーム角度センサ３８、バケット６の車体２に対する角度を検出するバケット角度センサ３９等によって実現される。アーム５及びバケット６の角度は夫々ホイストシリンダ７及びバケットシリンダ９の伸長量に応じて決定されるため、ホイストシリンダ７の伸長量を検出するホイストシリンダ伸長量センサ４０、バケットシリンダ９の伸長量を検出するバケットシリンダ伸長量センサ４１等によっても実現可能である。ここでは便宜的に、荷役姿勢検出器３７として、アーム角度センサ３８及びバケット角度センサ３９を採用した場合を例示する。

制御器３０の出力側には、原動機１０の動作を制御する原動機制御モジュール（以下、「ＥＣＭ」と呼ぶ）４２が接続され、このＥＣＭ４２は、原動機１０の回転数を変動させるための機構を駆動制御する構成となっている。よって、制御器３０は、ＥＣＭ４２に指令を出力することにより、原動機１０の回転数を間接的に調整する制御を実行することができる。なお、ＥＣＭ４２によって駆動制御される機構の形態は特に限定されない。

制御器３０はそのメモリ領域に記憶されるプログラムを実行することによって、掘削作業中に荷役姿勢等に応じて原動機１０の回転数を調整し、以って掘削作業に最適な牽引力及びリフト力を発生させるようになっている。本制御の説明に際し、まず、図１に示した一般的なリンク機構を有する作業機を備えたホイールローダ１における牽引力、リフト力、荷役姿勢、ホイストシリンダ７の駆動力（以下、「ホイストシリンダ力」と呼ぶ）、及び原動機１０の回転数の関係を詳細に説明する。

［リフト力・牽引力・ホイストシリンダ力・荷役姿勢の関係］
図３中符号Ｐ₁はアーム５の車体２に対する揺動支点、符号Ｐ₂はホイストシリンダ７のアーム５に対する揺動支点、符号Ｐ₃はバケット６の前下端部に設定されてバケット６より掘削対象物に対して力が作用する掘削作用点、符号Ｐ₄はアーム５のバケット６に対する揺動支点である。また、水平方向に作用する各力は前向きを正、鉛直方向に作用する各力は上向きを正とする。また、後述する各角度θ、θ_A、θ_Bは地面（ここでは水平面）を基準平面とし、左側面視において該基準平面から反時計回り側を正とする。

ホイストシリンダ７が伸長すると、ホイストシリンダ力Ｆがアーム５に付与される。すると、アーム５及びバケット６には点Ｐ₁を中心とした回転モーメントが発生する。このとき、バケットシリンダ９にはバケットシリンダ力Ｆ_Bが働いていることとなり、アーム５及びバケット６にはこのバケットシリンダ力Ｆ_Bに基づく点Ｐ₁を中心とした回転モーメントも発生する。これらのことから、点Ｐ₁を中心とした回転モーメントＭは、以下のように表される。

なお、Ｌ₁は点Ｐ₁からホイストシリンダ７の軸線までの最短距離、即ちホイストシリンダ力Ｆが付与する点Ｐ₁回りのモーメント算出のためのモーメントアームの距離であり、アーム角θ_Aの関数となる。Ｍ_a1は、点Ｐ₁からバケットシリンダ９の軸線までの最短距離（モーメントアーム）であり、アーム角θ_A、バケット角θ_Bの関数となる。

掘削作業中には、このホイストシリンダ力Ｆに応じた回転モーメントに基づき、掘削作用点Ｐ₃より掘削対象物に力（以下、この力を「作業力」と呼ぶ）を作用させることができる。ここで、後述するように牽引力Ｆ_Tを考慮しない場合であって、作業力が水平方向のみに作用するとしたときの力を最大水平力Ｆ_xとし、垂直方向のみに作用するとしたときの力を最大垂直力Ｆ_yとする。

力の釣り合いから、最大水平力Ｆ_xと最大垂直力Ｆ_yとの比は、式（２）のとおり、点Ｐ₁，Ｐ₃間の結線と地面（ここでは水平面）とがなす角度θに依存する。

この角度θは、前述したように「荷役姿勢」を具体的に数値として表わし得る角度であるが、式（３）で表すとおり、アーム角θ_Aとバケット角θ_Bの関数となる。アーム角θ_Aは点Ｐ₁，Ｐ₄間の結線と地面とがなす角度、バケット角θ_Bは点Ｐ₃，Ｐ₄間の結線と地面とがなす角度であり、これら角度θ_A，θ_Bも荷役姿勢を表す数値として扱い得ることとなる。なお、Ｌ_Aは点Ｐ₁，Ｐ₄間の距離、Ｌ_Bは点Ｐ₃，Ｐ₄間の距離である。

式（２），（３）より、掘削対象物に作用する最大水平力Ｆ_x及び最大垂直力Ｆ_yは、式（４）で表すとおり、アーム角θ_A及びバケット角θ_Bの関数となる。

なお、掘削作用点Ｐ₃で作用する最大水平力Ｆ_xによるＰ₁を中心とする回転モーメントは、式（１）で表す回転モーメントＭと等しい。よって、最大水平力Ｆ_xと、ホイストシリンダ力Ｆ及びバケットシリンダ力Ｆ_Bとは、式（５）の関係を満たす。

なお、バケット６が回転しないとすると、バケットシリンダ力Ｆ_Bは式（６）で表される関係を満たし、式（５），（６）より、最大水平力Ｆ_xとホイストシリンダ力Ｆとは、式（７）の関係を満たす。

なお、Ｍ_a1〜Ｍ_a4はそれぞれモーメントアームであり、アーム角θ_A、バケット角θ_Bの関数となる。

ここで、掘削作業中に車体２に牽引力Ｆ_Tが発生しており、掘削作業点Ｐ₃で掘削対象物に該牽引力Ｆ_Tが作用していれば、作業力は、掘削対象物５０より作用する該牽引力相当の反力によって打ち消される。牽引力Ｆ_T及びその反力は水平方向に働くため、作業力から該反力を打ち消した後に残る力（以下、この力を「残力」と呼ぶ）の水平方向成分Ｆ_x′は式（８）で表される。

リフト力Ｆ_Lは、この残力の垂直方向成分であるため、式（４），（７），（８）より式（９）で表すことができる。

α、βは、アーム角θ_A及びバケット角θ_Bの関数であり、次式（１０）で表すことができる。

このようにリフト力Ｆ_Lは、牽引力Ｆ_Tと、ホイストシリンダ力Ｆと、荷役姿勢（即ちアーム角θ_A及びバケット角θ_B）との関数となる。なお、Ｌ_A，Ｌ_Bは、作業機の設計パラメータであり、定数として扱うことができる。

式（９）及び図４（ａ）に示すように、牽引力Ｆ_Tが増加すると、反力が増加して残力が減少するため、リフト力Ｆ_Lが減少する。このため、掘削作業中に大きなリフト力Ｆ_Lを得るためには牽引力Ｆ_Tを抑える必要があるとわかる。他方、図４（ｂ）に示すように、作業力は、アーム角θ_Aが減少してアーム５が上昇するほど、水平方向への分担割合が大きくなる。リンク機構の設定法にもよるが、掘削作業中には、一般的にこの増加割合はアーム角θ_A及びバケット角θ_Bの変化による作業力の変化割合よりも大きい。

従って、図５に示すように、一定の牽引力Ｆ_Tが作用する下でアーム角θ_Aを減少させると、残力の水平方向成分Ｆ_x′が増大し、リフト力Ｆ_Lが増大する。言い換えれば、アーム角θ_Aを減少させている間は、牽引力Ｆ_Tが増大しても一定のリフト力Ｆ_Lを確保することが可能になる。なお、リフト力Ｆ_Lは、ホイストシリンダ力Ｆに基づいて発生する作業力の残力の垂直方向成分であるため、ホイストシリンダ力Ｆが増大すればリフト力Ｆ_Lも増大する。

［牽引力・原動機の回転数・速度比の関係］
図６には、原動機１０の回転数に応じた原動機１０から伝えられるトルクの推移が示されている（トルクカーブＥＴ１〜ＥＴ３参照）。本実施形態では原動機１０に油圧ポンプ１６を直付けしており、原動機１０が出力するトルクは油圧ポンプ１６の負荷によって吸収され、負荷が増大するほど油圧ポンプ１６の吸収トルクが増大する。図を参照すると、正味トルクの推移を表すトルクカーブＥＴ１に対し、油圧ポンプ１６の吸収トルクを考慮したトルクカーブＥＴ２，ＥＴ３が下方を推移し、リリーフ状態でのトルクカーブＥＴ３は無負荷状態でのトルクカーブＥＴ２の下方を推移している。なお、掘削作業中においては、リリーフ状態でのトルクカーブＥＴ３に近似した推移を示す。

また、図６には、原動機１０の回転数に応じたトルクコンバータ１１が吸収できる最大トルクの推移が速度比に応じて例示されている（トルクカーブＴＴ１〜ＴＴ１１参照）。このトルクコンバータ１１の最大吸収トルクが変速機１２を介して車輪３，４まで伝達されることになるため、この最大吸収トルクは車体２に発生する牽引力Ｆ_Tと比例する。各トルクカーブＴＴ１〜ＴＴ１１の推移によると、最大吸収トルクは、変速比の値に関わらず原動機１０の回転数が所定範囲内で増加している間は単純増加する。よって、原動機１０の回転数を増加させると、牽引力Ｆ_Tが増大することになる。

この「速度比」とは、トルクコンバータ１１の出力回転数を入力回転数で除した値を言い、速度比が０とはトルクコンバータ１１がストールしている状態であることを表す。本実施形態では、速度比が小さいときほど或る回転数に対する最大吸収トルクが増大して牽引力Ｆ_Tが増大する場合を示すが、これは一例である。なお、バケット６を掘削対象物に突っ込ませた掘削作業中においては、速度比が小さい値となりがちであり、一般的には０から０．４までの数値範囲に収まる。

次に、図７を参照して制御器３０が実行する処理を手順に沿って説明する。なお、図７に示す一連の処理は、例えばホイールローダ１のイグニションスイッチがＯＮである間に、所定の制御周期（例えば10msec）毎に繰り返し行われる。

まず、制御器３０は入力側に接続されたセンサ類から信号を入力し（ステップＳ１）、この入力信号に基づいて掘削作業中であるか否かを判断する（ステップＳ２）。掘削作業中か否かの判断は、例えばシフトレバー２１の位置、ポンプ圧、及び速度比に基づいて判断される。すなわち、シフトセンサ３４からの入力信号に基づいてシフトレバー２１が例えば前進走行用の最低速段を設定する位置にあり、ポンプ圧センサ３５からの入力信号に基づいてポンプ圧が所定値以上であり、且つ第１回転数センサ３１及び第２回転数センサ３２からの入力信号に基づいて速度比が所定値以下（例えば０．５以下）であるか否かを判断する。これら条件を全て満足する場合は掘削作業中であり、そうでない場合は掘削作業中ではないものとすることができる。

掘削作業中でないと判断すると（Ｓ２：ＮＯ）、ペダルセンサ３３からの入力信号に基づき、予めメモリ領域に記憶している走行モード用のマップを参照してアクセルペダル２０の操作量に応じた原動機１０の目標回転数を求め、求めた回転数に従ってＥＣＭ４２に指令を与え（ステップＳ１７）、一連の処理を終了する。なお、ＥＣＭ４２は、制御器３０からの指令に基づき、原動機１０の回転数が目標回転数となるよう原動機１０を駆動制御する。

掘削作業中であると判断すると（Ｓ２：ＹＥＳ）、予めメモリ領域に記憶している目標リフト力マップを読み出す（ステップＳ３）。図８（ａ）に例示するように、目標リフト力マップは、アーム角θ_Aに応じた目標リフト力を定めるためのマップである。但し、目標リフト力とアーム角θ_Aとの間の関係はどのように設定されていてもよい。例えばアーム角θ_Aの変化によらず一定の目標リフト力が設定されてもよく（マップＭ１参照）、アーム角θ_Aが小さくなってアーム５が上昇していくほど目標リフト力が増加するよう設定されてもよい（マップＭ２参照）。ここでは便宜的に、メモリ領域にはマップＭ１のみが記憶され、ステップＳ３において該マップＭ１が常に読み出されるものとする。

次に、荷役姿勢、目標リフト力及びホイストシリンダ力等を夫々演算する（ステップＳ４）。ここでは、荷役姿勢として、アーム角センサ３８及びバケット角センサ３９からの入力信号に基づいて、アーム角θ_A及びバケット角θ_Bが求められる。目標リフト力は、ステップＳ３で読み出した目標リフト力マップが参照されることにより、アーム角θ_Aに応じて求められる。また、ホイストシリンダ力は、シリンダ供給圧センサ３６からの入力信号に基づき演算され、更に各モーメントアームがアーム角θ_A、バケット角θ_Bに基づき演算される。

次に、目標牽引力を演算する（ステップＳ５）。目標牽引力は、式（９）を用い、ステップＳ４で演算されたアーム角θ_A、バケット角θ_B、目標リフト力、ホイストシリンダ力Ｆ、及び各モーメントアームに基づいて求められる。

次に、目標回転数を演算する（ステップＳ６）。メモリ領域には、速度比に応じて互いに異なる推移を示すトルクカーブＴＴ１〜ＴＴ１１（図６参照）が、予め目標回転数マップとして記憶されている。目標回転数の演算に際しては、複数の目標回転数マップの中から、ステップＳ２で演算された速度比に対応する目標回転数マップが選択される。なお、本実施形態のようにトルクカーブＴＴ１〜ＴＴ１１の速度比ピッチを有限にした場合には、例えば検知された速度比の端数処理を行ってから目標回転数マップを選択するようにしてもよい。

次いで、選択された目標回転数マップが参照されることにより、ステップＳ５で演算された目標牽引力に応じて目標回転数が求められる。なお、目標回転数マップは、トルクカーブＴＴ１〜ＴＴ１１のうち回転数の増加に対して牽引力（最大吸収トルク）が単純増加する範囲のみを利用するようになっている。

次に、この目標回転数に従ってＥＣＭ４２に指令を与え（ステップＳ７）、一連の処理を終了する。ＥＣＭ４２は、制御器３０からの指令に基づき、原動機１０の回転数がステップＳ６で演算された目標回転数となるよう原動機１０を駆動制御する。

図９は図７に示す処理を繰り返しながら行う掘削作業の作用図である。アーム角θ_Aが大きい値となる掘削作業の開始直後においては、図８（ａ）のマップＭ１により求まる目標リフト力Ｆ_Lを確保するため、一般的には目標牽引力Ｆ_Tは比較的小さい値となり、原動機１０の回転数は所定の作業開始回転数に設定される。無論、バケット６内の掘削対象物５０を持ち上げることができるように、目標リフト力Ｆ_Lは０よりも十分に大きい値に設定される。即ち、目標牽引力Ｆ_Tは、ホイストシリンダ力が牽引力の反力によって完全に打ち消されることがない十分に小さい値に設定される。

アーム角θ_Aが小さくなってアーム５が上昇し、荷役姿勢が水平に近づいていくと、マップＭ１に従って一定の目標リフト力Ｆ_Lが設定されるため、一般的には目標牽引力Ｆ_Tの値が徐々に大きくなり、原動機１０の回転数は上記作業開始回転数から徐々に増加していく。このとき、目標回転数マップは、牽引力の増加に対して回転数が単純増加するように設定されているため、原動機１０の回転数の急変を避けることができる。

アーム５の上昇過程では同じリフト力Ｆ_Lが継続して作用するため、掘削対象物５０の持上げを良好に行うことができる。その上で牽引力Ｆ_Lが増加するため、アーム５が上昇していくほど突っ込み性が向上する。よって、堆積部からより多くの掘削対象物５０をバケット６内に積載することができる。

このように、荷役姿勢に応じた牽引力の制御を行うことにより、リフト力を確保した上で突っ込み性を改善することができ、作業１回当たりの掘削対象物の積載量を多くすることができる。よって、リフト力の確保のため不必要な牽引力を発生させなくてもよくなり、掘削作業時の原動機１０の出力を下げることができる。従って、最大限の掘削量を確保しつつも最大限燃料消費を抑えることができる。

また、目標牽引力の決定に際しては、ホイストシリンダ力を入力パラメータとしている。このためホイストシリンダ７の負荷が変動しても、この負荷変動に追従して目標牽引力が決定される。具体的にはホイストシリンダ力が減少すると、その減少分に応じてリフト力が減少するため、目標牽引力はこの減少分を相殺するようにして共に減少する。他方、目標リフト力はホイストシリンダ力に関係なく決定されるようになっている。このようにして、ホイストシリンダの負荷が変動してリフト力が減少するような場合があっても、所望のリフト力を掘削対象物５０に作用させることができ、掘削対象物５０の持上げを確実に行うことができる。

そして、この荷役姿勢等に応じて牽引力を自動的に調整する制御は、制御器３０が掘削作業中であると判断すると実行される。このため、このように判断されている間は、作業員はアクセルペダル２０を微調整して原動機１０の回転数を調整するといった煩雑な作業を行わなくてもよくなり、掘削作業中におけるホイールローダ１の操作を容易に行うことができるようになる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成及び制御器が実行する処理の内容は本発明の範囲内において適宜変更可能である。

例えば、制御器３０のメモリ領域に、図８に示す複数の目標リフト力マップＭ１，Ｍ２が記憶されていてもよい。このとき、キャビン１７内の切替スイッチ２３を操作することによって、複数の目標リフト力マップＭ１，Ｍ２のうち何れを参照して目標リフト力を演算するのかを作業員が指令可能であってもよい。

この場合、ステップＳ１で切替スイッチ２３からの入力信号が制御器３０に入力され、ステップＳ３で該入力信号に基づいて参照すべき目標リフト力マップが選択される。ステップＳ４では、該選択された目標リフト力マップが参照されることによって、アーム角θ_Aに基づいて目標リフト力が演算されることとなる。前述したように目標リフト力マップＭ２はアーム角θ_Aが減少するに連れて目標リフト力が増大するように設定されている。切替スイッチ２３においてこのマップＭ２が参照されるように指令しておくことにより、バケット６内に積み込まれた掘削対象物の重量が大きくなる掘削作業の後半において、より大きなリフト力を作用させることができる。このため、例えば掘削対象物の比重や粘性が大きい場合や掘削対象物の堆積部の傾斜角度が急であっても、持上げを確実に行うことができるようになる。

上記実施形態においては、アーム角θ_A、バケット角θ_B、目標リフト力、ホイストシリンダ力Ｆを入力パラメータとし、式（９）を用いて目標牽引力を演算したが、目標牽引力の演算方法はこの方法に限られない。

例えば、式（９）の変数の何れかを定数化してもよい。例えばバケット角θ_Bはアーム角θ_Aの変化に追従して変更されるものの、一般的にはバケット角θ_Bの変更に伴う作業力の垂直成分と水平成分との分担割合の変化は、アーム角θ_Aのそれと比べて小さい。よって、目標牽引力の演算の入力パラメータとなる荷役姿勢の具体的数値として、アーム角θ_Aのみが用いられていてもよい。ホイストシリンダ力Ｆも適宜定数化可能である。

また、これら入力パラメータに応じて目標牽引力を演算するための目標牽引力マップを制御器３０に予め記憶させていてもよい。なお、目標リフト力は、目標牽引力が演算されると、そのときの荷役姿勢及びホイストシリンダ力に応じて決定されるため、これを目標牽引力マップの入力パラメータとして利用する必要はなく、制御器３０に目標リフト力マップを記憶させておく必要もなくなる。更に、残りのアーム角θ_A、バケット角θ_B、ホイストシリンダ力Ｆを全て入力パラメータとして用いる必要もない。

図１０は、アーム角θ_Aのみに応じて目標牽引力を演算するために用いる目標牽引力マップＭ４〜Ｍ６を例示している。各マップＭ４〜Ｍ６は、アーム角θ_Aが減少するときほど目標牽引力が増大するように設定されており、これにより掘削作業物の持上げを確実に行わせた上でアーム５が上昇していくに従って一般的には牽引力を増大させることができ、作業効率が向上する。このマップを用いるときには、図７に示すステップＳ３が目標牽引力マップを読み出す処理に置き換えられ、ステップＳ４ではアーム角θ_Aの演算のみが行われ、ステップＳ５では読み出された目標牽引力マップが参照されることによって、ステップＳ４で演算されたアーム角θ_Aに基づいて目標牽引力が演算される。

制御器３０はこの目標牽引力マップを１つのみ記憶して常にそのマップが参照されるようにしてもよいし、複数の目標牽引力マップを記憶していてもよい。複数のマップを記憶している場合は、制御器３０が参照するマップを作業者が切替スイッチ２３で指令可能であることが好ましい。これにより上記同様にして、例えば掘削対象物の種類に応じて最適な牽引力及びリフト力を作用させることができるようになる。

図１１は、目標リフト力マップ又は目標牽引力マップを参照して目標牽引力を演算した後に、該目標牽引力に応じて目標回転数マップを参照して目標回転数を演算する形態において、該目標回転数マップの変形例を示している。図６に示した上記実施形態においては、或る速度比に対して１つの目標回転数マップが設定されていたが、図１１に示すように、或る速度比に対して複数の目標回転数マップが設定されていてもよい。言い換えると、図６に示すような速度比に応じて異なる目標回転数を設定するためのマップパターンが複数記憶されていてもよい。

このとき、キャビン１７内の切替スイッチ２４を操作することによって、複数の目標回転数マップのパターンのうち何れのパターンを参照して目標回転数を演算するのかを作業員が指令可能であってもよい。

このような構成とする場合、ステップＳ１で切替スイッチ２４からの入力信号が制御器３０に入力され、ステップＳ３で該入力信号に基づいて参照すべき目標回転数マップのパターンが選択される。そして、ステップＳ６で、選択されたパターンを参照することにより、速度比と、ステップＳ５で演算された目標牽引力とに基づいて目標回転数が演算される。

また、上記のようにアーム角θ_A、バケット角θ_B及びホイストシリンダ力Ｆを入力パラメータとして目標リフト力を演算せずに目標牽引力を演算可能であることと同じく、これらパラメータと速度比とを入力パラメータとして目標牽引力を演算せずに目標回転数を直接演算することもできる。即ち、アーム角θ_A、バケット角θ_B、ホイストシリンダ力Ｆ及び速度比に応じて目標回転数を演算するための目標回転数マップを予め制御器３０に記憶させてもよい。このとき、目標リフト力マップ及び目標牽引力マップを記憶しておく必要はなくなる。

また、アーム角θ_A、バケット角θ_B、ホイストシリンダ力Ｆ及び速度比の全てを入力パラメータとして用いる必要はない。例えば速度比は、前述したように掘削作業中において一般的には０から０．４の数値範囲に収まり、この範囲内においては或る回転数に対するトルクコンバータ１１の最大吸収トルクが大きく変わらないことがある（図６のトルクカーブＴＴ１〜ＴＴ５参照）。このため、速度比に応じて異なる目標回転数を決定することで狙いの牽引力を作用させる制御の精度は向上するものの、速度比に関係なく回転数が決定されるようにしても狙いの牽引力と実牽引力との間に大きな差が生じないとも考えられる。よって、制御器の負荷軽減を優先し、速度比を目標回転数マップの入力パラメータから適宜省略可能である。

従って、図１２に示すように、目標回転数マップＭ７〜Ｍ９は、目標牽引力マップと同様、アーム角θ_Aのみに応じて目標回転数が演算されるように設定されていてもよい。このとき、アーム角θ_Aが減少するときほど目標回転数が増大するように設定することにより、掘削作業物の持上げを確実に行わせた上でアーム５が上昇していくに従って一般的には牽引力を増大させることができ、作業効率が向上する。なお、このようなマップを用いる場合、図７に示すステップＳ３が目標回転数マップを読み出す処理に置き換えられ、ステップＳ４ではアーム角θ_Aの演算のみが行われ、ステップＳ５が省略され、ステップＳ６では読み出された目標回転数マップが参照されることによって、ステップＳ４で演算されたアーム角θ_Aに基づいて目標回転数が演算される。

また、制御器３０はこの目標回転数マップを１つのみ記憶して常にそのマップが参照されるようにしてもよいし、複数の目標回転数マップを記憶していてもよい。複数のマップを記憶している場合は、制御器３０が参照するマップを作業者が切替スイッチ２３で指令可能とすることが好ましい。

なお、以上では産業用車両としてホイールローダを例示したが、本発明は、クローラ式ローダや、ロードホールダンプの他、ブルドーザやスクレーパや油圧ショベル等の掘削・運搬・積込作業を行うための産業用車両に広く適用可能である。

本発明は、アーム及びバケットの荷役姿勢に応じて牽引力とリフト力が精細に調整され、作業効率が向上するという作用効果を奏し、例えばホイールローダ等に適用すると有益である。

１ ホイールローダ
２ 車体
５ アーム
６ バケット
７ ホイストシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ 原動機
１１ トルクコンバータ
１６ 油圧ポンプ
２３，２４ 切替スイッチ
３０ 制御器
３７ 荷役姿勢検出器
４２ 原動機制御モジュール
Ｆ_T 牽引力
Ｆ_L リフト力
Ｆ ホイストシリンダ力

Claims (8)

1. 車体に揺動可能に取り付けられ、掘削対象物を掘削し持上げるためのアーム及びバケットと、
   前記アーム及びバケットに駆動力を付与し、前記バケットから掘削対象物に作用するリフト力を発生させるアクチュエータと、
   前記アーム及びバケットの荷役姿勢に応じて前記車体に作用する目標牽引力を算出する制御装置と、
   前記制御装置によって制御され、前記目標牽引力を発生させる原動機とを備えることを特徴とする産業用車両。
2. 前記制御装置は、前記アームの荷役姿勢が水平に近づくほど増大する目標牽引力を算出する請求項１に記載の産業用車両。
3. 前記アクチュエータが前記アームを揺動させるホイストシリンダと、前記バケットを揺動させるバケットシリンダとを備え、
   前記制御装置は、前記アームの前記車体に対する角度、又は前記ホイストシリンダの伸長量に基づいて、前記荷役姿勢を検知する請求項１に記載の産業用車両。
4. 前記制御装置は、更に前記バケットの前記車体に対する角度、又は前記バケットシリンダの伸長量に基づいて、前記荷役姿勢を検知する請求項３に記載の産業用車両。
5. 前記制御装置は、さらに前記アクチュエータが前記アーム及び前記バケットのうち少なくとも前記アームに付与する駆動力に応じて前記車体に作用する目標牽引力を算出する請求項１に記載の産業用車両。
6. 荷役姿勢と目標リフト力との関係を示す複数の目標リフト力マップを記憶する目標リフト力マップ記憶部と、
   オペレータから選択すべき目標リフトマップの指令の入力を受け付けるリフト力指令器とを備え、
   前記制御装置は、前記記憶された複数の目標リフト力マップのうち、前記リフト力指令器からの指令に応じて複数の前記目標リフト力マップのうち１つを選択し、当該選択した目標リフト力マップを参照して目標リフト力を演算する請求項１に記載の産業用車両。
7. 前記目標牽引力と当該目標牽引力を発生させるために必要な前記原動機の目標回転数を演算するための目標回転数マップを複数記憶する目標回転数マップ記憶部と、
   前記原動機に接続されたトルクコンバータとを更に備え、
   前記制御装置は、前記トルクコンバータの入力軸の回転数と前記トルクコンバータの出力軸の回転数との比に応じて前記複数の前記目標回転数マップのうち１つを選択し、当該選択した目標回転数マップを参照して目標回転数を演算する請求項１に記載の産業用車両。
8. 前記制御装置は、前記アーム及び前記バケットによる掘削対象物の掘削作業が行われているか否かを判断し、掘削作業が行われていると判断したときに、前記アーム及び前記バケットの荷役姿勢に基づく前記原動機の制御を実行する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の産業用車両。

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