JP2019156255A - 作業車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】速度段切換時にエンジン回転数の調整時間を短縮して、燃費の向上を図る。【解決手段】制御装置(100)は、シフトアップ時にロックアップクラッチ(C1)およびトランスミッションクラッチ(C2)を解放して変速を行い、トランスミッションクラッチの出力側の第1回転数(N1)がステップダウンした場合に、トランスミッションクラッチの入力側の第3回転数(N3)が第1回転数と一致するように、発電電動機(7)を回生動作させて第3回転数を減速させ、第3回転数が第1回転数と一致した場合にトランスミッションクラッチを締結し、エンジン(1)の出力軸の第2回転数(N2)が第1回転数と一致するように発電機(5)を回生動作させて第2回転数を減速させ、第1回転数と第2回転数と第3回転数とが一致し、かつ、エンジンのトルクが発電電動機のトルクより大きい場合に、ロックアップクラッチを締結する。【選択図】図7
Description
本発明は、作業車両に関する。
作業車両の一例であるホイールローダは、エンジンの動力をトルクコンバータ(トルコン)およびトランスミッション(T/M)によりタイヤに伝えて走行しながら、フロントの油圧作業部のバケット部分で土砂等を掘削・運搬する。
ホイールローダの走行部を電動化した場合、トルコン損失が大きな低回転数領域の動力伝達を電動モータ駆動にすることによって損失を低減できる。また、中・高速領域ではロックアップクラッチを締結して、エンジンと車軸を直結してエンジン駆動を行うことにより、駆動効率を高めることができる。
エンジンと電動モータを併用した車両の一例として、特許文献1には、「エンジンと、エンジントルクを駆動輪に伝達する出力軸と、前記エンジンと出力軸間に配設されたクラッチと、出力軸に連結された電動モータを有している。エンジン回転数検出手段とモータ回転数検出手段が設けられ、検出したエンジン回転数を回転数調整手段が受け、エンジン回転数を変化させる。前記エンジン回転数及びモータ回転数があらかじめ設定した関係になったときにクラッチ係合手段が前記クラッチを係合する。クラッチが係合された時にエンジンが電動モータの負荷になることがなくなり、ショックが発生するのを防止する。」ことが記載されている(要約参照)。
電動モータ駆動はエンジン駆動に比べて動力伝達損失が大きいため、燃費を良くするためには、電動モータ駆動の時間をなるべく少なくするのが好ましい。しかしながら、特許文献1では、変速時に1台の電動モータでエンジン回転数を調整するため、エンジン回転数の調整に時間がかかってしまう。その結果、ロックアップクラッチを締結するのに時間がかかり、燃費が悪化するという課題がある。
本発明は、上記した実状に鑑みてなされたもので、その目的は、速度段切換時にエンジン回転数の調整時間を短縮して、燃費の向上を図ることのできる作業車両を提供することにある。
上記目的を達成するために、代表的な本発明は、エンジンと、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機から供給される電力で駆動する発電電動機と、前記エンジンまたは前記発電電動機の動力を車輪に伝達し、変速可能なトランスミッションと、前記エンジンと前記トランスミッション間の直結軸に設けられ、前記エンジンと前記トランスミッションの動力を切り離すことが可能なロックアップクラッチと、前記トランスミッションの内部に設けられ変速時に動力を遮断可能なトランスミッションクラッチと、前記エンジンの動力により前記車輪を直接駆動するエンジン駆動モードと前記発電電動機をモータとして機能させ、前記発電電動機の動力により前記車輪を駆動するモータ駆動モードとの間で駆動モードを切り換える制御装置と、を備えた作業車両であって、前記制御装置は、前記ロックアップクラッチを締結した状態からシフトアップした場合に、前記ロックアップクラッチを解放して前記駆動モードを前記モータ駆動モードに切り換えると共に前記トランスミッションクラッチを解放して変速を行い、前記トランスミッションクラッチの出力側の回転数である第1回転数がステップダウンした場合に、前記トランスミッションクラッチの入力側の回転数である第3回転数が前記第1回転数と一致するように、前記発電電動機を回生動作させて前記第3回転数を減速させ、前記第3回転数が前記第1回転数と一致した場合に、前記トランスミッションクラッチを締結し、前記エンジンの出力軸の回転数である第2回転数が前記第1回転数と一致するように、前記発電機を回生動作させて前記第2回転数を減速させ、前記第1回転数と前記第2回転数と前記第3回転数とが一致し、かつ、前記エンジンのトルクが前記発電電動機のトルクより大きい場合に、前記ロックアップクラッチを締結して前記駆動モードを前記モータ駆動モードから前記エンジン駆動モードに切り換えることを特徴とする。
本発明によれば、速度段切換時にエンジン回転数の調整時間を短縮して、燃費の向上を図ることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
図1は本発明に係る作業車両の一例であるホイールローダ200の外観側面図、図2は図1に示すホイールローダが行う作業の一例を示す図、図3は図1に示すホイールローダのシステム構成図である。図1に示すように、ホイールローダ200は、リフトアーム201、バケット20、前輪18a,18b等を有する前フレーム202と、運転室19、後輪18c,18d等を有する後フレーム203とを有する。リフトアーム201はリフトアームシリンダ13の駆動により上下方向に回動(俯仰動)し、バケット20はバケットシリンダ14の駆動により上下方向に回動(ダンプまたはクラウド)する。なお、前輪18a,18bと後輪18c,18dについて、総称する場合には車輪18として説明する。
前フレーム202と後フレーム203とは、不図示の連結軸により互いに回動自在に連結されている。このホイールローダ200は、連結軸にて前フレーム202と後フレーム203とが屈曲されるアーティキュレート式の作業車両である。前フレーム202と後フレーム203には、連結軸を間に挟んだ一対のステアリングシリンダ(以下、ステアリングシリンダ)12の一端と他端とが、それぞれ取り付けられている。一対のステアリングシリンダ12のうち一方を伸長、他方を縮退させることにより、前フレーム202と後フレーム203とをそれぞれ連結軸を中心に回転させることができる。これにより、前フレーム202と後フレーム203との相対的な取付角度が変化し、車体が屈曲して換向する。
ホイールローダ200は、例えば図2に示すように、走行中にバケット20を地面Gに接するところまで下げて、車体の駆動力で路面の凸凹を平らにする整地作業を行うことができる。平地走行中は車輪18の転がり抵抗分の走行抵抗しか発生しないが、整地作業を行った瞬間に路面凸凹を掘削する大きな走行抵抗が発生する。整地作業のための大きな駆動力を得るためには、通常の平地では2速以上で走行している速度段を1速にシフトダウンする。シフト変更の時には必ずニュートラル区間が発生し、ニュートラル区間では駆動力が無くなるため大きな反力が車体に加わり、変速ショックが発生する。そのため、ホイールローダ200のシフト変更ではニュートラル区間を短くし、変速ショックを小さくすることが求められる。
図3に示すように、ホイールローダ200は、圧油で駆動する油圧作業部Aと、エンジン動力により車体を走行させる走行部Bとに大別される。上述したバケットシリンダ14、リフトアームシリンダ13、ステアリングシリンダ12、油圧ポンプ9、およびコントロールバルブ11は油圧作業部Aを構成するもので、油圧ポンプ9からコントロールバルブ11を介して供給される圧油により駆動する。圧油をバケットシリンダ14、リフトアームシリンダ13に供給することで掘削等の作業が行われ、圧油をステアリングシリンダ12に供給することで、車体の操舵が行われる。
一方、エンジン1、発電機5、インバータ6,8、チョッパ25、熱抵抗器26、発電電動機7、ギヤボックス31、トランスミッション33、排気装置27、絞り装置27a、車輪18、プロペラシャフト15f,15r、ディファレンシャルギヤ16f、16r、ドライブシャフト17a,17b,17c,17d、回転数センサ41,42,43,44,45は、走行部Bを構成する。
油圧ポンプ9は可変容量型油圧ポンプである。油圧ポンプ9の回転軸はエンジン1の駆動軸と同軸上に設けられている。油圧ポンプ9がエンジン1により駆動されると、オイルタンク10(図4参照)の作動油がコントロールバルブ11を介してステアリングシリンダ12、リフトアームシリンダ13およびバケットシリンダ14に供給される。
コントロールバルブ11は、ステアリングシリンダ12、リフトアームシリンダ13およびバケットシリンダ14のボトム室またはロッド室への作動油の流れを制御する制御弁である。コントロールバルブ11は、運転室19内に設置された操作装置(図示せず)から出力される信号(油圧信号または電気信号)によって制御される。油圧ポンプ9からコントロールバルブ11に導かれた作動油は、操作装置の操作に応じてステアリングシリンダ12、リフトアームシリンダ13およびバケットシリンダ14に分配される。
発電機5は、主にロータとステータとにより構成され、エンジン1の出力軸と同軸上にある回転軸にロータが取り付けられ、ロータの外周にステータが配置されている。発電機5は、エンジン1によってロータが回転することにより発電し、インバータ6およびインバータ8を介して発電電動機7に電力を供給する。ここで、発電機5の代わりに発電電動機を用いる構成とし、発電電動機を発電機として機能させて、発電した電力をキャパシタやバッテリ等の蓄電装置に蓄えておき、蓄電装置から供給される電力で発電電動機を電動機として機能させて、エンジン1をアシストするようにしても良い。
発電電動機7は、その出力軸がギヤボックス31の入力軸と連結されており、発電機5で発電した電力により駆動して、ギヤボックス31の入力軸にトルクを伝達する。また、後述するように、発電電動機7が回生する電力はチョッパ25及び熱抵抗器26を介して熱エネルギに変換されて消費される。
エンジン1の出力軸はギヤボックス31の入力軸とロックアップクラッチC1を介して連結されている。また、ギヤボックス31の出力軸はトランスミッション33の入力軸とトランスミッションクラッチC2を介して連結されている。ゆえに、ロックアップクラッチC1は、エンジン1とトランスミッション33間の直結軸50(図7参照)に設けられていることになる。
エンジン1の出力トルクまたは発電電動機7の出力トルク(動力)は、ギヤボックス31、トランスミッション33の順に伝達され、プロペラシャフト15f,15r、ディファレンシャルギヤ16f,16rおよびドライブシャフト17a,17b,17c,17dを介して前輪18a,18bおよび後輪18c,18dへと伝えられ、ホイールローダ200は走行する。
また、ホイールローダ200は、発電機5に設けられ、発電機5の回転軸の回転数を検出する回転数センサ41と、エンジン1に設けられ、エンジン1の出力軸の回転数を検出する回転数センサ42と、発電電動機7に設けられ、発電電動機7の出力軸の回転数を検出する回転数センサ43と、ギヤボックス31に設けられ、ギヤボックス31の出力軸の回転数(トランスミッションクラッチC2の入力側の回転数/トランスミッション33の入力回転数)を検出する回転数センサ44と、トランスミッション33に設けられ、トランスミッションクラッチC2の出力側の回転数(トランスミッション33の中間回転数)を検出する回転数センサ45と、を備えており、各回転数センサ41,42,43,44,45からの回転数信号は制御装置100に入力される。回転数センサ42は回転数N2を検出し、回転数センサ44は回転数N3を検出し、回転数センサ45は回転数N1を検出している(図7参照)。
制御装置100は、CPU、ROM、RAM、通信インターフェース(I/F)などを有し、制御プログラムに基づいてホイールローダ200の走行の制御、具体的にはホイールローダ200の速度段切換時のエンジン回転数の制御などを行う。
ここで、エンジン1からトランスミッション33への動力の伝達効率をエンジン駆動の場合とモータ駆動の場合で比較する。エンジン駆動の出力経路では、エンジン1とトランスミッション33の間にはロックアップクラッチC1がある。ロックアップクラッチC1は締結時に過渡的に摩擦損失が発生するが締結完了後に損失は発生しない。そのため、エンジン駆動では、エンジン1とトランスミッション33の間の動力の伝達効率は約100%である。
一方、モータ駆動の出力経路では、エンジン1とトランスミッション33の間に、発電機ギヤ(図示せず)、発電機5、インバータ6、インバータ8、発電電動機7、発電電動機ギヤ(図示せず)の部品がある。ギヤ、インバータの動力損失は一般的に3〜5%程度であり、発電機、発電電動機の動力損失は速度や負荷の動作点に応じて一般的に、停止時と極停止時を除くと5〜40%程度である。これら部品の動力損失を乗算して積み上げると、エンジン1とトランスミッション33の間の動力損失は、30〜70%程度になる。そのため、モータ駆動ではエンジン1とトランスミッション33の間の動力の伝達効率は30〜70%となり、エンジン駆動の伝達効率に比べて低い。
よって、エンジン駆動区間を積極的に用いることが燃費改善につながる。しかしながら、エンジン1は、0〜500rpm程度までの低速領域で出力トルクが出せず一方にしか回転できない、さらに電動機に比べると応答性が遅いなどのデメリットがある。そのため、低速走行、後進走行、応答性が必要な変速の速度調整はモータ駆動に切り換えることが必要である。そこで、本実施形態では、制御装置100が、後述する制御処理を実行して、エンジン駆動とモータ駆動の切り換えを組み合わせることにより燃費改善の最適化を図っている。
次に、本実施形態に係るホイールローダ200が備える油圧回路について説明する。図4は図1に示すホイールローダ200の油圧回路図である。図4に示すように、ホイールローダ200の油圧回路には、油圧ポンプ9と、オイルタンク10と、コントロールバルブ11と、可変容量式の第2油圧ポンプ301と、第1比例弁302と、第2比例弁303と、油圧モータ304と、冷却ファン305と、冷却用コア306と、油温センサ307とが設けられている。
油圧ポンプ9は、上述したように、エンジン1で駆動される発電機5によって駆動され、オイルタンク10の作動油をコントロールバルブ11を介してステアリングシリンダ12(図1参照)、リフトアームシリンダ13およびバケットシリンダ14に供給する。第1比例弁302は、制御装置(M/C)100からの制御信号に従って油圧ポンプ9の傾転量(容量)を変更可能に制御する。
コントロールバルブ11は、第1方向制御弁308と、第2方向制御弁309とを含んで構成される。第1方向制御弁308は、運転室19内に設置された操作装置から出力される信号に応じて油圧ポンプ9から供給される作動油をバケットシリンダ14へ供給する。第2方向制御弁309は、運転室19内に設置された操作装置から出力される信号に応じて油圧ポンプ9から供給される作動油を一対のリフトアームシリンダ13へ供給する。なお、図4において、ステアリングシリンダ12は図示を省略している。
第2油圧ポンプ301が発電機5により駆動されると、オイルタンク10の作動油を油圧モータ304へ供給して油圧モータ304を駆動させる。第2比例弁303は、制御装置100からの制御信号に従って第2油圧ポンプ301の傾転量(容量)を変更可能に制御する。第2油圧ポンプ301の傾転量は、油温センサ307により検出されたオイルタンク10内の作動油の温度に基づいて制御される。
冷却ファン305は油圧モータ304により駆動され、冷却ファン305の下流に設けられた冷却用コア306に流入した作動油を冷却する。このため、冷却ファン305の回転数は、第2油圧ポンプ301の傾転量に応じて制御される。換言すると、冷却ファン305の回転数は、油温センサ307により検出された作動油の温度に応じて制御される。
また、コントロールバルブ11の下流側の第1管路400上に、すなわち、オイルタンク10への戻り流路に固定容量式流量制御弁(以下、固定絞りと呼ぶ)310が設けられている。そのため、油圧ポンプ9からの圧油は固定絞り310を通過してオイルタンク10に戻る。
固定絞り310は、圧油の管路面積を制限している。そのため、固定絞り310を通過する流量が増加すると管路抵抗も増大して回路圧が上昇し、油圧ポンプ9に油圧負荷が与えられる。その結果、余剰電力で駆動されて油圧ポンプ9を駆動している発電機5の負荷が大きくなり、回生時の電気エネルギを消費することができる。これにより、エンジン1を速やかに減速させることができる。なお、固定絞り310で発生する熱は、冷却ファン305によって冷却される。
次に、走行部Bの駆動モードについて説明する。走行部Bは、エンジン駆動モード(E)とモータ駆動モード(M)の2つの駆動モードによって駆動される。エンジン駆動モードは、エンジン1の動力をロックアップクラッチC1を介してトランスミッション33に直接伝達させることによって、車体を走行させる。モータ駆動モードは、エンジン1で発電機5を駆動し、発電機5で発電した電力で発電電動機7を力行動作させ(モータとして機能させ)、発電電動機7の回転駆動力をトランスミッション33に伝達させて、車体を走行させる。
エンジン駆動モードとモータ駆動モードは、制御装置100によりロックアップクラッチC1を制御して切り換える。制御装置100の指令により、エンジン駆動モードの場合は、ロックアップクラッチC1の締結制御を行い、モータ駆動モードの場合はロックアップクラッチC1の解放を行う。モータ駆動モードでは、エンジン1の機械動力を発電機5により電気動力に変換して駆動する。前述のように、本実施形態に係るホイールローダ200は、蓄電装置によらずに走行・作業が可能である。しかしながら、蓄電装置を備えていないため、回生されたエネルギは蓄電することができない。そこで、回生されたエネルギは、熱抵抗器26、排気装置27、油圧ポンプ9を回転させ油圧作業部Aを駆動させる駆動エネルギとして、または、発電電動機7の3相短絡ブレーキなどで消費する。3相短絡はインバータ6のスイッチ切り換えにより発電電動機7の3相を短絡させて、回生エネルギを発電電動機7の銅損で消費させる。
次に、ホイールローダ200の駆動モードの切り換えと変速方法について説明する。図5は、ホイールローダ200の駆動モードの切り換えと変速方法を説明するための図である。図5では横軸を車速として、車体が停止から最高速度まで加速させた場合の駆動モードと変速タイミングを示している。ホイールローダ200は掘削作業のため低速で大きな牽引力が必要であることから、掘削時は速度段が1速(低速)を使用し、通常走行時は2速以上の変速段を使用する。各速度段でエンジン最低回転数Nminとエンジン最高回転数Nmaxの間でエンジン駆動(E)を行うことにより燃費改善が可能である。しかしながら、全速度領域をエンジン駆動した場合、シフトアップ時には、図5に示すように大きなステップ回転数変化が生じる。一般的に、エンジン制御によりスロットル開度を0にして燃料噴射を停止して回転数を下げる速度制御を行った場合、数秒の遅れが発生する。そのため、エンジンが回転数変化に追従できずに変速を行うと、振動ショックが発生する。
そこで、本実施形態では、変速時(2段から3段、3段から4段、4段から5段へのシフトアップ時)にエンジン駆動モードからモータ駆動モードに切り換え、エンジン回転数を調整した後にモータ駆動モードからエンジン駆動モードに再び切り換える制御により、速度段切換時の振動ショックを抑止して乗り心地を改善するとともに、素早くエンジン駆動に切り換えることでエンジン駆動区間を広げて燃費を改善している。
次に、制御装置100の詳細について説明する。図6は制御装置100の機能ブロック図である。車速センサ(図示せず)からの車速、オペレータの操作により生成されるブレーキ、前後進、アクセルの各信号から、速度段演算部110は速度段を演算する。速度段演算部110による速度段の演算結果から、車速と現在の速度段とを参照して速度段切換信号生成部120は速度段切換信号を生成する。速度段切換信号生成部120にて生成された速度段切換信号と車速から図5で示した駆動モード切換方法に基づいて、駆動モード切換部130は、エンジン駆動モードとモータ駆動モードとの間で駆動モードを切り換える。速度段切換時は、図5で説明したようにエンジン1の回転数変化が生じるため、エンジン回転数制御部140は、回転数センサ41,42,43,44,45からの入力、発電電動機7からのモータトルク指令、および制御装置100の記憶部に予め記憶されているエンジントルクマップ150に基づいて、後述する制御処理を実行してエンジン1の回転数を調整する。
図7は、図3に示すエンジンとトランスミッションの間の動力伝達経路を説明するための模式図である。エンジン1とトランスミッション33の間にはロックアップクラッチC1とトランスミッションクラッチC2の2つのクラッチがある。トランスミッション33には速度段毎にクラッチがあり、速度段切換時には過渡的にニュートラル状態が発生するため、このニュートラル状態を1つのトランスミッションクラッチC2として図7ではモデル化している。
ロックアップクラッチC1およびトランスミッションクラッチC2が締結している状態では、エンジン1とトランスミッション33の間は直結されて1つの軸(直結軸50)となり回転数は同一となる。ロックアップクラッチC1およびトランスミッションクラッチC2が解放された状態では、エンジン1とトランスミッション33の間は3つの軸が切り離されて、動力が遮断され、負荷や制御次第でそれぞれの軸回転数が異なる。ここで、図7に示すように、トランスミッションクラッチC2の出力側の回転数(トランスミッション33の中間回転数)をN1(第1回転数)、エンジン1の出力軸の回転数をN2(第2回転数)、トランスミッションクラッチC2の入力側の回転数(トランスミッション33の入力回転数/ロックアップクラッチC1とトランスミッションクラッチC2との間の回転数)をN3(第3回転数)とする。図7ではトランスミッション33を簡易化したモデルで示したが、実際には速度段毎にクラッチがあり、クラッチ解放・締結の掛け合わせにより変速を実現する。
図5で示したように車速が上がり、図6の速度段切換信号生成部120で変速指令されるとトランスミッションクラッチC2が解放され変速を行う。変速ではトランスミッション33がニュートラル時間中にギヤ比が変わるため、ギヤ比に応じて回転数N1がステップ変化する。例えば、2速(ギヤ比2)から3速(ギヤ比4)を有したホイールローダの場合では、2速、2000rpmで走行中にシフトアップの速度段切換信号が発生した場合には、回転数N1は2000rpmから1000rpmに急激にステップダウン変化する。
従来のトルクコンバータ車での変速では、トルクコンバータ作動油の流体継ぎ手の滑りにより速度変化を吸収し、エンジンへの急激な速度変化が加わらない構造となっている。トルクコンバータ車は、流体により入出力軸間の動力を伝達しているので、トルクコンバータの入力軸と出力軸は常に速度が一致しておらず、走行負荷によってその速度差が変動する。そのためトルクコンバータ車では、トルクコンバータ駆動からロックアップクラッチを締結しエンジン駆動に切り換えたときにエンジン軸とトランスミッション入力軸の速度一致させることが困難である。その結果、エンジン駆動区間が制限され燃費が低下する問題があった。
図7に示す構成の場合、この変速時の急激な速度変化に対して、エンジン駆動でロックアップクラッチC1を締結したままでは、エンジン1が急激な速度変化に対応できずに、大きな変速ショックを発生し、最悪の場合はエンジン停止となる。そこで、本実施形態では、変速時にはロックアップクラッチC1を解放し、エンジン駆動モードからモータ駆動モードに切り換える。その後に、トランスミッションクラッチC2が解放中に発電機5(MG1)と発電電動機7(MG2)を用いて、回転数N2と回転数N3が回転数N1の速度変化に追従できるように速度調整を行う。例えば、速度段をシフトアップする場合は、回転数N2と回転数N3を減速させる。そして、回転数N1と回転数N2と回転数N3が一致した場合に、モータ駆動モードからエンジン駆動モードに切り換える。このように発電機5と発電電動機7を用いてエンジン回転数の調整を行うことで、素早くショック無く変速を完了できるため、エンジン駆動区間を広げることが可能となる。
次に、制御装置100による速度段切換時のエンジン回転数の制御処理について説明する。図8は、速度段切換時(シフトアップ)におけるエンジン回転数の制御処理の手順を示すフローチャートである。なお、図8において、nは速度段、Teはエンジントルク(エンジン1のトルク)、Tmはモータトルク(発電電動機7のトルク)である。
制御装置100は、ホイールローダ200をモータ駆動モードにてn=2速で発進させる(S1)。n≦2速以下(S2/Yes)では、発電電動機7(MG2)のトルク制御によるモータ駆動モードで走行する(S3)。このとき、トランスミッションクラッチC2は締結されているため、N1=N3である。車速が上がって、N1=N2=N3がエンジン回転数の最小値Nmin(第1所定値)と等しくなる、かつTe>Tmとなった場合(S4/Yes)に、制御装置100はロックアップクラッチC1を締結しエンジン駆動モードに移行する(S5)。さらに車速が上がってN1=N2=N3がエンジン回転数の最大値Nmax(第2所定値)と等しくなった場合(S6/Yes)に、制御装置100は、ロックアップクラッチC1を解放し、同時にトランスミッションクラッチC2も解放してシフトアップ(S7)を行い、速度段を1つ上げてS2に戻る。すなわち、速度段が1つ上がる。例えば、S1においてn=2(2速)であり、S7の処理の後にS2に戻った時にはn=3(3速)となる。そのため、次のS2の判定でNoとなり、S8およびS11に進むことになる。
シフトアップ中(S2/No)のニュートラル状態において、制御装置100は、インバータ8を介して、発電電動機7(MG2)を発電機として機能させる(回生動作)ことで、N3がN1と一致するまでN3を減速させる速度制御を行う(S8)。そして、N1=N3となった場合(S9/Yes)に、制御装置100はトランスミッションクラッチC2を締結(S10)して、ホイールローダ200がモータ駆動モードで走行する(S3)。
同様に、制御装置100は、インバータ6を介して、発電機5(MG1)を駆動(回生動作)して、N2がN1と一致するまでN2を減速させる速度制御を行う(S11)。具体的には、図9に回生エネルギの流れを矢印で示したように、エンジン1の動力が発電機5、インバータ6を介して熱抵抗器26において熱に変換されることで負荷が発生する。この負荷により、エンジン1の回転数N2をトランスミッションクラッチC2の出力側の回転数N1まで減速させている。そして、N1=N2(=N3)となった場合(S12/Yes)に、制御装置100は、ロックアップクラッチC1を締結してエンジン駆動モードで走行を行う(S4,S5)。
次に、エンジン駆動モードに切り換える条件として、エンジントルクTe>モータトルクTmとした理由について図10を用いて説明する。図10は、エンジンとモータのそれぞれの回転数−トルク特性を示す図である。上述したように、エンジンは低速回転が出来ないため、低速領域はモータで駆動する。また、エンジンとモータの出力特性の違いから、図10で示すようにモータとエンジンの回転数−トルクカーブが交わる特性となる。
ここで、走行抵抗大の走行例では、エンジン回転数領域に車速が上がっても走行負荷がエンジントルクより大きいため、モータ駆動モードからエンジン駆動モードには移行できない。走行負荷(モータトルク)がエンジントルク最大値より小さい回転数でエンジン駆動に移行しなければエンジン停止となるため、エンジン駆動範囲が狭まる。一方、走行抵抗小の走行例では、走行負荷(モータトルク)がエンジントルク最大値より小さいため、エンジン駆動範囲を最大限活用して燃費を改善することができる。
このように、エンジントルクとモータトルクの大小関係によってモータ駆動モードとエンジン駆動モードの何れに切り換えるかが左右されるため、S4(図8参照)においてエンジン駆動モードに切り換える条件として、エンジントルクTeがモータトルクTmより大きいという条件を設定している。
以上説明したように、本実施形態によれば、速度段シフトアップ時に、発電機5と発電電動機7とを制御して、エンジン1の回転数N2およびトランスミッションクラッチC2の入力側の回転数N2を、トランスミッションクラッチC2の出力側の回転数N1に一致するよう迅速に下げることができるため、エンジン駆動モードを使用する範囲を従来に比べて広げることができる。そのため、燃費の改善に大きく貢献することとなる。また、シフトアップをスムーズに行うことができるため、乗り心地も良好である。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。シフトアップを例に挙げたが、シフトダウンに適用しても良い。但し、シフトダウン時においては、エンジン回転数を減少させる制御ではなく、増加させる制御が必要となる。この場合、エンジン制御しているコントローラに対し回転数を増加させる指令信号を出力することにより実現できる。
また、本発明は、上述した実施形態では、熱抵抗器26を例に挙げて説明したが、この熱抵抗器26を蓄電装置に変えることも可能であり、技術思想として排除されるものではない。
1 エンジン
5 発電機
6 インバータ
7 発電電動機
8 インバータ
18(18a,18b,18c,18d) 車輪
26 熱抵抗器
31 ギヤボックス
33 トランスミッション
41,42,43,44,45 回転数センサ
50 直結軸
100 制御装置
200 ホイールローダ
C1 ロックアップクラッチ
C2 トランスミッションクラッチ
N1 第1回転数
N2 第2回転数
N3 第3回転数
Nmin エンジン回転数の最小値(第1所定値)
Nmax エンジン回転数の最大値(第2所定値)
5 発電機
6 インバータ
7 発電電動機
8 インバータ
18(18a,18b,18c,18d) 車輪
26 熱抵抗器
31 ギヤボックス
33 トランスミッション
41,42,43,44,45 回転数センサ
50 直結軸
100 制御装置
200 ホイールローダ
C1 ロックアップクラッチ
C2 トランスミッションクラッチ
N1 第1回転数
N2 第2回転数
N3 第3回転数
Nmin エンジン回転数の最小値(第1所定値)
Nmax エンジン回転数の最大値(第2所定値)
Claims (3)
- エンジンと、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機から供給される電力で駆動する発電電動機と、前記エンジンまたは前記発電電動機の動力を車輪に伝達し、変速可能なトランスミッションと、前記エンジンと前記トランスミッション間の直結軸に設けられ、前記エンジンと前記トランスミッションの動力を切り離すことが可能なロックアップクラッチと、前記トランスミッションの内部に設けられ変速時に動力を遮断可能なトランスミッションクラッチと、前記エンジンの動力により前記車輪を直接駆動するエンジン駆動モードと前記発電電動機をモータとして機能させ、前記発電電動機の動力により前記車輪を駆動するモータ駆動モードとの間で駆動モードを切り換える制御装置と、を備えた作業車両であって、
前記制御装置は、
前記ロックアップクラッチを締結した状態からシフトアップした場合に、前記ロックアップクラッチを解放して前記駆動モードを前記モータ駆動モードに切り換えると共に前記トランスミッションクラッチを解放して変速を行い、
前記トランスミッションクラッチの出力側の回転数である第1回転数がステップダウンした場合に、前記トランスミッションクラッチの入力側の回転数である第3回転数が前記第1回転数と一致するように、前記発電電動機を回生動作させて前記第3回転数を減速させ、
前記第3回転数が前記第1回転数と一致した場合に、前記トランスミッションクラッチを締結し、
前記エンジンの出力軸の回転数である第2回転数が前記第1回転数と一致するように、前記発電機を回生動作させて前記第2回転数を減速させ、
前記第1回転数と前記第2回転数と前記第3回転数とが一致し、かつ、前記エンジンのトルクが前記発電電動機のトルクより大きい場合に、前記ロックアップクラッチを締結して前記駆動モードを前記モータ駆動モードから前記エンジン駆動モードに切り換えることを特徴とする作業車両。 - 請求項1に記載の作業車両であって、
前記制御装置は、
前記第1回転数と前記第2回転数と前記第3回転数とが第1所定値になった場合に前記ロックアップクラッチを締結し、前記第1回転数と前記第2回転数と前記第3回転数とが前記第1所定値より大きい第2所定値になった場合に、前記ロックアップクラッチを解放して前記モータ駆動モードに切り換えると共に、前記トランスミッションクラッチを解放して、次の速度段へのシフトアップを行うことを特徴とする作業車両。 - 請求項1に記載の作業車両であって、
前記発電機と電気的に接続される熱抵抗器をさらに備え、
前記制御装置は、
前記発電機を介して前記熱抵抗器において前記エンジンの動力が熱に変換されることにより負荷を発生させることで、前記第2回転数を減速させることを特徴とする作業車両。
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