JP2009144703A - 無限可変トランスミッション用トルク制限制御を有する作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】低対地速度条件において、牽引力の逸失が生じやすくない、ＩＶＴと結合した作業機械を提供する。
【解決手段】作業機械は、出力を有する内燃（ＩＣ）エンジンと、ＩＣエンジンの出力に結合されている無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）とを含む。ＩＶＴは、液圧モジュールと機械式ドライブトレーン・モジュールとを含む。圧力変換器が、液圧モジュールと関連し、その液圧モジュール内の液圧圧力を表す出力信号を供給する。１つの電気処理回路が、圧力変換器からの出力信号に応じて、ＩＣエンジンの出力を制御するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業機械に関し、更に特定すれば、無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）と結合した内燃エンジンを含む作業機械に関する。

建設作業機械、農業作業機械、または林業作業機械のような作業機械は、通例、内燃（ＩＣ）エンジンの形態とした原動機を含む。ＩＣエンジンは、圧縮点火エンジン（即ち、ディーゼル・エンジン）または火花点火エンジン（即ち、ガソリン・エンジン）の任意の形態とすることができる。ディーゼル・エンジンの方が関連する作業動作に対する引っ張り、引き落とし、およびトルク特性が高いので、殆どの重作業機械では、原動機はディーゼル・エンジンの形態をなす。

負荷衝撃(load impact)後の過渡状態におけるＩＣエンジンのステップ負荷応答は、エンジン排気量、エンジンのハードウェア（例えば、標準的なターボチャージャ、ウェイスト・ゲートまたは可変外形のターボチャージャ等を有するか否か）、ならびに排出法（例えば、可視煙、窒素酸化物（ＮＯｘ）等）、ノイズまたは振動の要件に関する空気および燃料アクチュエータ（例えば、排気ガス循環、可変外形タービンを有するターボチャージャ（ＶＧＴ）、燃料噴射器の構成等）を駆動するソフトウェア計略によって影響される特徴である。負荷衝撃は、ドライブトレーン負荷（例えば、作業機械の後ろで引かれる道具）または外部負荷（例えば、フロント・エンド・ローダ、バックホー連結装置などのような補助液圧負荷）の結果であることもある。

エンジン・システム全体では、過渡負荷が加えられている間、線形に反応する。最初に、負荷がＩＣエンジンの駆動軸に加えられる。負荷が増大すると、ＩＣエンジンの速度が減少する。エンジン速度の下落は、ガバナが等時性であるかまたは速度垂下を有するかによって影響を受ける。エア・アクチュエータを変更することによって、空気流を増大させて、追加の空気をＩＣエンジンに供給する。新たな空気流設定点に達するには、時間遅延が必要となる。燃料噴射量は、ほぼ即座であるが、煙制限(smoke limit)および最大許容燃料量の双方に関して増大する。次いで、エンジンはエンジン速度設定点に復元する。負荷衝撃後の過渡状態におけるエンジン・ステップ負荷応答に関連するパラメータには、速度下落、およびエンジン設定点に復元するまでの時間がある。

ＩＣエンジンをＩＶＴと結合すると、無段階で０から最大まで連続可変出力速度を得ることができる。ＩＶＴは、通例、静水および機械的伝導部品を含む。静水部品は、回転するシャフトの動力を作動流に、そしてその逆に変換する。ＩＶＴを通過する動力流(power flow)は、設計および出力速度に応じて、静水的部品のみ、機械的部品のみ、または双方の組み合わせを通過することがあり得る。

作業機械に用いるＩＶＴの一例に、液圧機械式トランスミッションがあり、これは遊星ギア集合と結合されている流体モジュールを含む。作業機械用ＩＶＴの別の例に、静水的トランスミッションがあり、これはギア・セットと結合されている液圧モジュールを含む。

ＩＶＴを含む作業機械は、負荷条件と一致するようにＩＶＴ比が変化するときに、牽引制御の逸失および車輪の滑動を生じやすくなる可能性がある。ＩＶＴコントローラは、エンジン速度を検知し、エンジン速度が負荷未満に減少すると、ＩＶＴ比を深める。低い対地速度において、作業機械に必要な動力量が、エンジンが発生することができるものの低い割合である場合、エンジンからの出力トルクが増大したときに、エンジンが過負荷減速する場合がある。その際、操作者は車輪におけるトルクが増大していることに気付かない。この場合、駆動輪は予兆なく牽引力を失い、横滑りする虞れがある。これは、ある種の動作には望ましくない。

当技術分野には、低対地速度条件において、牽引力の逸失が生じやすくない、ＩＶＴと結合した作業機械が求められている。

一形態において、本発明は、出力を有するＩＣエンジンと、ＩＣエンジンの出力に結合されているＩＶＴとを含む作業機械に関する。ＩＶＴは、液圧モジュールと機械式ドライブトレーン・モジュールとを含む。圧力変換器が、液圧モジュールと関連し、その液圧モジュール内の液圧圧力を表す出力信号を供給する。１つの電気処理回路が、圧力変換器からの出力信号に応じて、ＩＣエンジンの出力を制御するように構成されている。

別の形態において、本発明は、出力を有するＩＣエンジンと、ＩＣエンジンの出力に結合されているＩＶＴとを含む作業機械の動作方法に関する。ＩＶＴは、液圧モジュールと機械式ドライブトレーン・モジュールとを含む。本方法は、ＩＶＴと関連したトルク制限を設定するステップと、液圧モジュール内の液圧を検知するステップと、検知した液圧とトルク制限とに応じて、ＩＣエンジンの出力を制御するステップとを含む。

これより図１を参照すると、本発明の作業機械１０の一実施形態の模式図が示されている。作業機械１０は、道路勾配機(road grader)、またはJohn Deere 644Jフロント・エンド・ローダのような建設作業機械、あるいは農業、林業、または鉱業用作業機械のような異なる種類の作業機械とすることができる。

作業機械１０は、通例、ＩＣエンジン１２からの出力クランクシャフトを介してＩＶＴ１４と結合されているＩＣエンジン１２を含む。ＩＣエンジン１２は、図示の実施形態では、ディーゼル・エンジンであると仮定するが、ガソリン・エンジン、プロパン・エンジン等とすることもできる。ＩＣエンジン１２は、用途に応じて大きさおよび構成が決められる。

ＩＶＴ１４は、一般に、液圧モジュール１８と、機械ドライブトレーン・モジュール２０とを含む。ＩＶＴ１４は、図示の実施形態では、液圧機械式トランスミッションであると仮定するが、静水式トランスミッション、またはその他の形式のＩＶＴとすることもできる。ＩＶＴ１４は、従来の設計でよく、したがってここでは詳しく説明しない。ＩＶＴ１４の出力は、少なくとも１つの他の下流ドライブトレーン部品２２と結合されており、一方、下流ドライブトレーン部品２２は複数の駆動輪２４に結合されている。駆動輪２４の１つが図１に示されている。勿論、トラック型(track-type)作業車両の場合、ドライブトレーン部品２２を地上係合トラック(ground engaging track)と結合することができる。

また、ＩＶＴ１４は出力動力を１つ以上の外部負荷２６に供給し、一方、外部負荷２６はこれによってＩＣエンジン１２に追加の負荷をかける。外部負荷２６は、通例、フロント・エンド・ローダ、バック・ホー・ブーム、粒子揚げ卸しオーガ、伐木鋸モータ等のように、液圧負荷の形態である。つまり、ＩＣエンジン１２にかかる総負荷は、牽引負荷および外部液圧負荷双方の関数となる。

電気処理回路２８が１つ以上のコントローラとして構成されている。図示の実施形態では、コントローラ２８は、エンジン１２の動作を電子的に制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３０を含む。ＥＣＵ３０は、ＩＣエンジン１２の動作と関連のある複数のセンサ（具体的には示さない）と結合されている。例えば、ＥＣＵ３０は、１つ以上の吸気マニフォルド内における空気流速、エンジン速度、燃料供給速度および／またはタイミング、排気ガス環流（ＥＧＲ）率、ターボチャージャ・ブレード位置等のような、エンジン制御パラメータを示すセンサと結合することができる。加えて、ＥＣＵ３０は、指令した対地速度（スロットルおよび／またはハイドロスタット・レバーの位置によって示す）または指令した作業機械１０の方向（ハンドルの角度方位によって示す）のような、オペレータが入力する車両制御パラメータを表す出力信号を、車両制御ユニット（ＶＣＵ）３２から受信することもできる。

同様に、トランスミッション制御ユニット（ＴＣＵ）３４は、ＩＶＴ１４の動作を電子的に制御し、ＩＶＴ１４の動作と関連のある複数のセンサと結合されている。ＥＣＵ３０およびＴＣＵ３４は、コントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）バス３６のような、双方向データ流を提供するバス構造によって互いに結合されている。

圧力変換器３８が、液圧モジュール１８と通信するように、好ましくは、固定静水ユニットに近接する圧力ループと通信するように配置されている。圧力変換器３８は、液圧モジュール１８内の液圧圧力を表す出力信号をＴＣＵ３４に供給する。圧力変換器３８は、従来の設計でよく、個々の用途毎に選択する。

トルク制御入力デバイス４０は、操作者がＩＶＴ１４からのトルクを調節することを可能にする。このトルクは、少なくとも部分的に、ＩＣエンジン１２からの出力トルクを制御することによって制御される。図示の実施形態では、トルク制御入力デバイス４０は、回転可能なトルク制御ダイアルとして構成されており、操縦室内に位置している。トルク制御ダイアル４０は、最小トルク制御設定値から最大トルク制御設定値までの範囲を取る、可視線、数値、鋸歯等を有することができる。あるいは、トルク制御入力デバイス４０は、電子タッチ・スクリーン、またはあらゆる数のその他の構成として構成することもできる。

ＥＣＵ３０、ＶＣＵ３２、およびＴＣＵ３４のような種々の電子部品は、有線接続を用いて互いに結合されているように示されているが、ある種の用途には無線接続を用いてもよいことは言うまでもない。更に、図１の部品内における内部電子および流体接続の一部は、簡潔さのために、図示されていない。

ここで図２を参照して、本発明の作業機械１０の動作方法の一実施形態について、更に詳しく説明する。図２に示すフローチャートは、ＩＣエンジン１２がアイドル状態またはその付近で動作しているときを除いて、殆どの動作状態に対処する。アイドル状態の場合、ＩＣエンジン１２からの出力は制限されない。

初期状態において、トルク制御ダイアル４０を用いて、ＩＶＴ１４からのトルク制限を設定する（ブロック５０）。制御ノブの設定は、ＩＶＴ１４からの所望の出力トルクに対応する。ある種の対地状態では、設定を弱くすれば車輪のスリップが防止され、設定を強くするに連れて最大所望トルクが増大する。ノブを弱い設定に向けて回すと、実際には、遊星太陽ギアに直接接続されている固定静水ユニット内における圧力が制限されることになる。

動作の間、液圧モジュール１８内の液圧を、圧力変換器３８を用いて検知する（ブロック５２）。圧力変換器３８からの出力信号をＴＣＵ３４に出力し、一方、ＴＣＵ３４は信号をＥＣＵ３０に出力する。ＥＣＵ３０は、ＩＣエンジン１２からの出力を、検知した圧力および設定トルク制限の双方に応じて制御する（ブロック５４）。圧力変換器は非常に精度が高くしかも応答性が良いので、ＩＶＴ１４からの出力軸におけるトルク制限制御の精度および適時性を高めることができる。検知した圧力が、計算した所望のトルク制限に達した場合、ＩＣエンジン１２への燃料率を低下させ、これによってＩＶＴ１４への入力トルク量を低減し、こうしてＩＶＴ１４からの出力トルクを制限する。

また、本発明の動作方法は、動作中における過渡負荷にも対処することができる（判断ブロック５６）。外部液圧負荷のような過渡負荷を検知した場合、ＩＣエンジン１２が最大トルク出力であるか否かについて問い合わせを行う（判断ブロック５８）。ＩＣエンジン１２が既に所与のエンジン速度に対して最大トルクで動作している場合、ＩＣエンジン１２からのトルク出力をこれ以上増大させることはできないので、代わりに、ＩＶＴ１４からの入力／出力（Ｉ／Ｏ）比率を増大させる（ブロック６０）。一方、ＩＣエンジン１２が所与のエンジン速度に対して最大トルクで動作していない場合、過渡負荷に合わせるように、ＩＣエンジン１２からのトルク出力を増大させる（ブロック６２）。

過渡負荷が検出されない場合、または過渡負荷が通過した（線６４）場合、ＩＣエンジン１２をオフに切り換えるまで（判断ブロック６６）本方法を継続する。ＩＣエンジン１２が走行し続けている間は、制御はブロック５０に戻り、新たなまたは以前のトルク制限を設定する。

以上説明したような本発明の方法によれば、圧力変換器３８からの読み取り値に基づいてＩＣエンジン１２からの入力トルクを制限するというのは、ＩＶＴ１４からの最大出力トルクを制御し、現在の状態下において操作者の要求を満たし、性能を最大に高めるために牽引進行力(tractive effort)を制御する非常に精度の高い方法である。

以上、好適な実施形態について説明したが、添付した特許請求の範囲に定めた本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正が可能であることは明らかとなろう。

図１は、本発明の作業機械の一実施形態の模式図である。 図２は、本発明の作業機械の動作方法の一実施形態のフローチャートを示す。

Claims (15)

1. 作業機械であって、
   出力を有する内燃（ＩＣ）エンジンと、
   前記ＩＣエンジンの出力に結合された無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）であって、液圧モジュールと機械式ドライブトレーン・モジュールとを含む、ＩＶＴと、
   前記液圧モジュールと関連し、その液圧モジュール内の液圧圧力を表す出力信号を供給する圧力変換器と、
   前記圧力変換器からの前記出力信号に応じて前記ＩＣエンジンの出力を制御するように構成された少なくとも１つの電気処理回路と、
   を備えた、作業機械。
2. 請求項１記載の作業機械であって、更に、前記少なくとも１つの電気処理回路と通信し、これに出力信号を供給するトルク制御入力デバイスを含み、前記少なくとも１つの電気処理回路は、前記圧力変換器からの前記出力信号と、前記トルク制御入力デバイスからの前記出力信号との各々に応じて、前記ＩＣエンジンの出力を制御するように構成された、作業機械。
3. 請求項２記載の作業機械において、前記トルク制御入力デバイスは、操作者が調節可能なトルク制御ダイアルを備えた、作業機械。
4. 請求項３記載の作業機械において、前記トルク制御ダイアルは、最小トルク制御設定値と最大トルク制御設定値とを含む、作業機械。
5. 請求項１記載の作業機械において、前記少なくとも１つの電気処理回路は、前記ＩＣエンジンと関連したエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）、および前記静水式トランスミッションと関連したトランスミッション制御ユニット（ＴＣＵ）のうち少なくとも１つを含む、作業機械。
6. 請求項５記載の作業機械において、前記ＴＣＵは前記圧力変換器から前記出力信号を受信し、前記ＥＣＵと通信し、前記ＥＣＵは前記ＩＣエンジンの出力を制御する、作業機械。
7. 請求項１記載の作業機械において、前記少なくとも１つの電気処理回路は、前記ＩＣエンジンに対する燃料率を制御することによって、前記ＩＣエンジン出力を制御する、作業機械。
8. 請求項７記載の作業機械において、前記ＩＣエンジン出力は、クランクシャフトを備えており、前記液圧モジュールは前記クランクシャフトと結合された、作業機械。
9. 請求項１記載の作業機械において、前記ＩＶＴは、液圧機械式トランスミッションおよび静水式トランスミッションのうち１つを備えた、作業機械。
10. 請求項１記載の作業機械において、前記最大許容負荷は、前記ＩＣエンジンに対する所与の動作速度における最大トルクと関連した、作業機械。
11. 請求項１記載の作業機械において、当該作業機械は、建設作業機械、農業作業機械、および林業作業機械のうち１つを備えた、作業機械。
12. 出力を有する内燃（ＩＣ）エンジンと、前記ＩＣエンジンの出力に結合された無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）とを含む作業機械であって、前記ＩＶＴが液圧モジュールと機械式ドライブトレーン・モジュールとを含む前記の作業機械の動作方法であって、
    前記ＩＶＴと関連したトルク制限を設定するステップと、
    前記液圧モジュール内の液圧を検知するステップと、
    前記検知した液圧と前記トルク制限とに応じて、前記ＩＣエンジンの出力を制御するステップと、
    を備えた、作業機械の動作方法。
13. 請求項１２記載の作業機械の動作方法において、操作者が調節可能なトルク制御ダイアルを用いて、前記トルク制限を設定する、作業機械の動作方法。
14. 請求項１２記載の作業機械の動作方法において、前記液圧モジュールと関連した圧力変換器を用いて前記液圧を検知し、前記液圧モジュール内の液圧を表す出力信号を供給する、作業機械の動作方法。
15. 請求項１２記載の作業機械の動作方法において、前記制御するステップは、前記ＩＣエンジンと関連したエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）と、前記ＩＶＴと関連したトランスミッション制御ユニット（ＴＣＵ）のうち少なくとも１つを用いて実行する、作業機械の動作方法。

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