JP4478538B2 - 作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法及び容量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法及び容量制御装置に関する。

従来から、例えば特許文献１に開示されたように、ホイールローダにおいて作業状態を検知し、作業状態に応じて可変容量型の作業機用油圧ポンプの流量を変化させることによって燃費の改善を図る技術が知られている。

図６に、ホイールローダ１１の側面図を示す。図６においてホイールローダ１１は、車体の前部に作業機２０を備えている。作業機２０は、リフトシリンダ２３の伸縮によって上下動するリフトアーム２１を備えている。リフトアーム２１の前端部には、チルトシリンダ２５の伸縮によってチルトアーム２４を介して揺動するバケット２２が取り付けられている。

特許文献１に開示された従来技術において、ホイールローダ１１は、リフトシリンダ２３又はチルトシリンダ２５のボトム圧を検出し、これらのボトム圧に基づいて作業状態を検知している。そして、例えば非掘削作業から掘削作業に移ると、作業機用油圧ポンプの容量を即座に低減させている。これを、第１従来技術と呼ぶ。

また、積込作業時にバケット２２を上昇させる際においても、バケット２２が所定高さになると、作業機用油圧ポンプの容量を低減させるという技術が知られている。リフトシリンダ２３を同一速度で伸長させると、バケット２２の高さが高くなるほど、バケット２２の上昇速度が増大する。これを避けるため、バケット２２が所定高さになったところで、作業機用油圧ポンプの容量を即座に低減させている。これを、第２従来技術と呼ぶ。第２従来技術には、第１従来技術と同様に、燃費を改善するという効果もある。

特開２００３−１８４１３４号公報

しかしながら、作業機用油圧ポンプの容量を即座に低減させると、作業機の動作速度が急に低下してしまい、減速ショックが生じるとともに、オペレータが作業機の動作に違和感を感じてしまうという課題がある。

このとき例えば、第１従来技術のような非掘削作業と掘削作業との切換時には、バケットが積荷を掘削しているために元々車体が激しく振動しており、減速ショックが生じたとしても、オペレータがそれを感じることが少ない。従って、オペレータは、作業機の動作にさほど違和感を感じない。
ところが、第２従来技術のようにバケット２２の上昇中に上昇速度が急に低下すると、オペレータは減速ショックを感じるとともに、上昇動作が一瞬止まったような違和感を感じてしまう。その結果、例えばダンプへの積込作業をしている場合などでは、ダンプへの接近を躊躇してしまうことがある。

本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、バケットの上昇時にも減速ショックが小さく、作業機の動作に対するオペレータの違和感が小さい作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法及び容量制御装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、第１発明は、
バケットを装着した作業機を有する作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法において、
バケットが積荷状態か否かを判定し、
積荷状態のバケットが上昇時に所定高さを超えると、作業機を駆動する作業機用油圧ポンプの容量を所定容量にまで徐々に低減させ、前記油圧ポンプの容量が前記所定容量まで低減された後は前記油圧ポンプの容量を前記所定容量に固定してバケットを上昇させている。
また、第２発明は、第１発明において、
積荷状態のバケットが上昇時に水平高さを超えると、前記油圧ポンプの容量を低減させている。
一方、第３発明は、
起伏自在なリフトアームの先端部にバケットを装着した作業機を有する作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置において、
作業機を駆動する作業機用油圧ポンプの容量を制御するポンプコントローラと、
ポンプコントローラの指示に基づいて作業機用油圧ポンプの容量を変更する容量変更装置と、
リフトアームの地面に対する角度を検出するリフト角検出器と、
バケットが積荷状態か否かを検出する積荷検出器とを備え、
前記ポンプコントローラは、リフト角検出器及び積荷検出器の出力に基づいて、
積荷状態のバケットが上昇時に所定高さを超えると、作業機用油圧ポンプの容量を所定容量にまで徐々に低減させ、前記油圧ポンプの容量が前記所定容量まで低減された後は前記油圧ポンプの容量を前記所定容量に固定してバケットを上昇させる制御を行っている。
また、第４発明は、第３発明において、
前記積荷検出器は、少なくともバケットの地面に対する角度を検出している。
さらに、第５発明は、第３発明または第４発明において、
前記ポンプコントローラは、積荷状態のバケットが上昇時に水平高さを超えると、前記油圧ポンプの容量を低減させている。

第１発明及びその装置発明である第３発明により、バケットの上昇速度が滑らかに変化し、減速ショックが小さくなるとともに、作業機の動作に対してオペレータが違和感を感じることなく作業が可能である。また、バケットが所定高さよりも上方にあるときの作業機用油圧ポンプの容量を低減させることにより、燃費を低減できる。
また第４発明により、バケットが積荷状態か否かという作業状態をより正確に判定できる。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、ホイールローダ１１の側面図を示している。図１においてホイールローダ１１は、互いにアーティキュレートする前部車体１７と後部車体１５とを備えている。後部車体１５には、エンジンルーム１８が設けられている。また前部車体１７には、運転室１２が搭載されている。

前部車体１７の前端部には、作業機２０が取り付けられている。作業機２０は、その基端部をアームピン２８を介して揺動自在に前部車体１７に取り付けられた、リフトアーム２１を備えている。また前部車体１７とリフトアーム２１とは、左右一対のリフトシリンダ２３，２３により連結されている。リフトシリンダ２３，２３を伸縮することにより、リフトアーム２１は、アームピン２８を中心として上下に揺動する。

リフトアーム２１の先端部には、バケットピン２７を介して、バケット２２が揺動自在に取り付けられている。またリフトアーム２１の中間部には、チルトアーム２４の中間部が、揺動自在に取り付けられれている。

チルトアーム２４の一端部と前部車体１７とは、チルトシリンダ２５により連結されている。またチルトアーム２４の他端部とバケット２２とは、チルトロッド２６により連結されている。チルトシリンダ２５を伸縮することにより、バケット２２はバケットピン２７を中心として上下に揺動する。

後部車体１５のエンジンルーム１８内部には、エンジン１３が収納されている。エンジン１３は、トルクコンバータ１９を介して、可変容量型の作業機用油圧ポンプ（以下作業機用油圧ポンプ２９と呼ぶ）を駆動する。作業機用油圧ポンプ２９は、図示しない油圧配管を介して、リフトシリンダ２３及びチルトシリンダ２５に圧油を供給する。

図２に、ホイールローダ１１が積込作業を行なう場合のバケット２２の動きを示す。積込作業を行なう際には、図２に示すように積荷４０をバケット２２に積載した状態で、上方に持ち上げる。このとき、バケット２２の刃先２２Ａは積荷４０がこぼれないように、地面４１に対して上方を向いている。

尚、以下の説明においては、バケット２２の高さを、バケットピン２７の中心の高さによって表すものとする。また、バケットピン２７の中心とアームピン２８の中心とを結んだ直線Ｌが水平と略一致するようなバケット２２の高さを、バケット２２の水平高さと呼ぶ。また、バケット２２の角度とは、バケット２２の刃先２２Ａが地面４１に対してなす角度αを言うものとする。

図３に、作業機用油圧ポンプ２９の容量制御を行なう、容量制御装置３０の系統図の一例を示す。容量制御装置３０は、リフトシリンダ２３及びチルトシリンダ２５を操作するレバー等の作業機操作手段３４と、作業機用油圧ポンプ２９の容量を制御するポンプコントローラ３１と、作業機用油圧ポンプ２９の容量を変更する容量変更装置３８と、リフトアーム２１の地面４１に対する角度を検出するリフト角検出器３２と、バケット２２の積載量を検出する積荷検出器３３とを備えている。

作業機操作手段３４及びポンプコントローラ３１は、例えば運転室１２の内部に設置されている。リフト角検出器３２としては、例えばアームピン２８の近傍に設けられて、その回転角を検出するポテンショメータ等が好適である。或いは、リフトシリンダ２３にその長さを検出するストロークセンサを設け、リフトシリンダ２３の長さからリフト角を演算してもよい。

また、積荷検出器３３としては、リフトシリンダ２３のボトム圧を検出するボトム圧検出器が好適である。ポンプコントローラ３１は、積荷検出器３３の出力に基づいて、バケット２２に所定積載量以上の荷を積んでいる状態（以下、積荷状態と呼ぶ）か、積んでいない状態（以下、空荷状態と呼ぶ）かを判定する

容量変更装置３８は、伸縮によって作業機用油圧ポンプ２９の斜板の角度を変更する斜板角シリンダ３５と、斜板の角度を検出する斜板角検出器３６と、ポンプコントローラ３１の出力信号に基づいて斜板角シリンダ３５を駆動するドライバ３７とを備えている。容量変更装置３８は、ポンプコントローラ３１の指示に基づいて、作業機用油圧ポンプ２９の斜板を動かし、作業機用油圧ポンプ２９の容量を変更する。

図４に、バケット２２の上昇時に作業機用油圧ポンプ２９の容量を制御する手順の一例を、フローチャートで示す。まずポンプコントローラ３１は、積荷検出器３３の出力に基づき、バケット２２が積荷状態か空荷状態かを判定する（ステップＳ１１）。このときの作業機用油圧ポンプ２９の容量を、制御前容量と呼ぶ。制御前容量は、例えば作業機用油圧ポンプ２９の定格容量であってもよく、それよりも少ない容量でもよい。

ステップＳ１１で積荷状態の場合には、ポンプコントローラ３１は、リフト角検出器３２の出力の変化に基づき、バケット２２が上昇中か否かを判定する（ステップＳ１２）。尚、ステップＳ１２で、バケット２２が上昇中か否かを判定するのに、作業機操作手段３４が操作されているか否かを検出して、判定してもよい。

ステップＳ１２でバケット２２が上昇中でなければ、ステップＳ１１に戻る。ステップＳ１２でバケット２２が上昇中の場合には、ポンプコントローラ３１は、リフト角検出器３２の出力に基づき、バケット２２が水平高さよりも上方にあるか否かを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３で水平より上方でなければ、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３でバケット２２が水平高さよりも上方にある場合には、ポンプコントローラ３１は、容量変更装置３８に信号を出力し、斜板の角度を徐々に変更することによって、作業機用油圧ポンプ２９の容量を徐々に低減させる（ステップＳ１４）。

そしてポンプコントローラ３１は、斜板角検出器３６の出力に基づいて作業機用油圧ポンプ２９の容量を検出し、これが所定の容量（以下、低減容量と呼ぶ）となったか否かを判定する（ステップＳ１５）。低減容量とは、例えば制御前容量に対する比で定めるようにする。

ステップＳ１５で、作業機用油圧ポンプ２９の容量が低減容量となると、ポンプコントローラ３１は、容量変更装置３８に信号を出力し、斜板を作業機用油圧ポンプ２９の容量が低減容量となる角度で固定する（ステップＳ１６）。

そしてポンプコントローラ３１は、リフト角検出器３２の出力の変化に基づき、バケット２２の上昇が停止したか否かを判定する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７で停止と判定すれば、作業機用油圧ポンプ２９の容量を元の制御前容量に戻し（ステップＳ１８）、ステップＳ１１に戻る。

次に、ステップＳ１４〜Ｓ１６における、作業機用油圧ポンプ２９の容量を徐々に低減させる手順について、詳しく説明する。
図５に、バケット２２の上昇時における、エンジン１３の消費トルクの変化を示す。横軸がバケット２２の高さであり、縦軸が消費トルクである。また横軸において、「接地」はバケット２２が接地している状態を、「水平」はバケット２２が水平高さにある状態を、「トップ」はバケット２２が最も高く上がった状態を、それぞれ示している。

図５において、積荷４０を積んだバケット２２は、接地位置から流量一定で上昇する。このとき、作業機用油圧ポンプ２９の容量が変わらない場合には、消費トルクは、実線Ａに示すように２次曲線を描いて増加する。

バケット２２が水平高さに到達すると、ポンプコントローラ３１はステップＳ１４に示したように、作業機用油圧ポンプ２９の容量を徐々に低減させる。このとき、作業機用油圧ポンプ２９の容量を直線的に減少させることにより、消費トルクは実線Ｂに示すような曲線を描いてゆっくり減少する。従って、バケット２２の上昇速度も徐々に減少する。

そしてステップＳ１５〜Ｓ１６に示したように、作業機用油圧ポンプ２９の容量が低減容量に達すると、ポンプコントローラ３１は作業機用油圧ポンプ２９の容量を固定する（横軸における「容量固定」位置）。これにより、消費トルクは、実線Ｃに示すような２次曲線を描いて増加する。尚、図５における破線Ｄは、作業機用油圧ポンプ２９の容量を低減しない場合の消費トルクを示している。

これにより、作業機用油圧ポンプ２９の容量を即座に切り換えるのに比べて、上昇速度が徐々に遅くなるので、減速ショックが小さくなるとともに、オペレータが作業機の動作に対して違和感を感じることが少ない。しかも、バケット２２がトップ位置に達した場合の消費トルクＴ１は、作業機用油圧ポンプ２９の容量を低減しない場合の消費トルクＴ２に比べると低くなり、燃費が低減される。

尚、作業機用油圧ポンプ２９の低減容量としては、例えば制御前容量の６０〜８０％程度とするのが好適である。これにより、バケット２２がトップ位置近辺に達した際に、その上昇速度が、オペレータにとって速過ぎずも遅過ぎずもしないような速度となる。

また、例えば、バケット２２を水平高さからトップ位置まで上昇させるのにｎ秒程度かかるとすると、容量低減を開始した水平高さから「容量固定」位置に至るまでの時間を、（１／１０）・ｎ秒〜（６／１０）・ｎ秒程度とするとよい。これにより、バケット２２の上昇速度が急激に減速することがなく、違和感のない作業が可能である。

尚、ステップＳ１３において、バケット２２が水平高さとなったのを検知して、作業機用油圧ポンプ２９の容量を変化させているが、これに限られるものではない。即ち、バケット２２が水平高さに限らない所定高さになったことを検知し、これをきっかけとして作業機用油圧ポンプ２９の容量制御を開始してもよい。また、ステップＳ１１〜Ｓ１３は、この順に限られるものではなく、順序が入れ替わってもよい。

以上説明したように、上記実施形態によれば、バケット２２が荷を積んで上昇する際に、作業機用油圧ポンプ２９の容量を徐々に低減させている。これにより、バケット２２の上昇速度が滑らかに変化し、減速ショックが小さくなるとともに、オペレータが作業機の動作に戸惑うことなく作業が可能である。また、バケット２２が水平高さよりも上方にある場合の作業機用油圧ポンプ２９の容量を低減させることにより、消費トルクが減って燃費が低減する。

尚、上記実施形態においては、リフトシリンダ２３のボトム圧のみによって積荷状態か空荷状態かの判定を行なうように説明したが、リフトシリンダ２３のボトム圧に加え、バケット２２の角度αを加味して、積荷状態か空荷状態かの判定を行なうようにしてもよい。

バケット２２の角度αを検出するにあたっては、例えばバケットピン２７の近傍にポテンショメータ（図示せず）を設けるとよい。ポンプコントローラ３１は、ポテンショメータの出力に基づいて、バケット２２のリフトアーム２１に対する回転角を検出することができる。また、ポンプコントローラ３１は、前記リフト角検出器３２の出力に基づいて、リフトアーム２１の地面４１に対する角度を検出することができる。

これによりポンプコントローラ３１は、バケット２２のリフトアーム２１に対する回転角と、リフトアーム２１の地面４１に対する角度とから、バケット２２の角度αを検出することができる。或いは、ポテンショメータの代わりに、チルトシリンダ２５にその長さを検出するストロークセンサを設け、チルトシリンダ２５の長さからバケット２２のリフトアーム２１に対する回転角を演算してもよい。

上述したように、積荷４０を積んでいるような場合には、バケット２２の刃先２２Ａは上方を向いている（図２参照）。従って図４のステップＳ１１で、ボトム圧検出器の出力が所定値よりも大きく、かつ、バケット２２の刃先２２Ａが地面４１に対して水平よりも所定角度以上、上方を向いている場合にのみ、バケット２２が積荷状態と判定する。

即ち、積荷検出器３３として、ボトム圧検出器、リフト角検出器３２、及びポテンショメータを備えることにより、ポンプコントローラ３１は、バケット２２が積荷状態であるか否かを、より正確に判定することができる。以後の手順は、図４のフローチャートにおけるステップＳ１２〜Ｓ１８と同様である。

尚、上記の説明はホイールローダ１１を例にとって行なったが、車体がアーティキュレートしないようなスキッドステアローダ等、他のローダ系作業車両でも、同様に応用が可能である。即ち、油圧シリンダによってバケット２２を上昇させる際に、油圧シリンダの伸長長さが長くなるほど、バケット２２の上昇速度が大きくなるようなリンク構造を有する作業車両に対して有効である。

ホイールローダの側面図（第１実施形態）。 バケットの動きの説明図（第１実施形態）。 作業機制御装置の系統図（第１実施形態）。 作業機用油圧ポンプの制御手順を示すフローチャート（第１実施形態）。 バケット上昇時の消費トルクを示すグラフ。（第１実施形態）。 ホイールローダの側面図（従来技術）。

符号の説明

１１：ホイールローダ、１２：運転室、１３：エンジン、１５：後部車体、１７：前部車体、１８：エンジンルーム、１９：トルクコンバータ、２０：作業機、２１：リフトアーム、２２：バケット、２２Ａ：刃先、２３：リフトシリンダ、２４：チルトアーム、２５：チルトシリンダ、２６：チルトロッド、２７：バケットピン、２８：アームピン、２９：作業機用油圧ポンプ、３０：作業機制御装置、３１：ポンプコントローラ、３２：リフト角検出器、３３：積荷検出器、３４：作業機操作手段、３５：斜板角シリンダ、３６：斜板角検出器、３７：ドライバ、３８：容量変更装置、３９：バケット角検出器、４０：積荷、４１：地面。

Claims (5)

1. バケットを装着した作業機を有する作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法において、
   バケットが積荷状態か否かを判定し、
   積荷状態のバケットが上昇時に所定高さを超えると、作業機を駆動する作業機用油圧ポンプの容量を所定容量にまで徐々に低減させ、前記油圧ポンプの容量が前記所定容量まで低減された後は前記油圧ポンプの容量を前記所定容量に固定してバケットを上昇させることを特徴とする作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法。
2. 請求項１に記載の作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法において、
   積荷状態のバケットが上昇時に水平高さを超えると、前記油圧ポンプの容量を低減させることを特徴とする作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御方法。
3. 起伏自在なリフトアームの先端部にバケットを装着した作業機を有する作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置において、
   作業機を駆動する作業機用油圧ポンプの容量を制御するポンプコントローラと、
   ポンプコントローラの指示に基づいて作業機用油圧ポンプの容量を変更する容量変更装置と、
   リフトアームの地面に対する角度を検出するリフト角検出器と、
   バケットが積荷状態か否かを検出する積荷検出器とを備え、
   前記ポンプコントローラは、リフト角検出器及び積荷検出器の出力に基づいて、
   積荷状態のバケットが上昇時に所定高さを超えると、作業機用油圧ポンプの容量を所定容量にまで徐々に低減させ、前記油圧ポンプの容量が前記所定容量まで低減された後は前記油圧ポンプの容量を前記所定容量に固定してバケットを上昇させる制御を行うことを特徴とする作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置。
4. 請求項３に記載の作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置において、
   前記積荷検出器は、少なくともバケットの地面に対する角度を検出することを特徴とする作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置において、
   前記ポンプコントローラは、積荷状態のバケットが上昇時に水平高さを超えると、前記油圧ポンプの容量を低減させることを特徴とする作業車両の作業機用油圧ポンプの容量制御装置。

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