JP5419416B2 - 無段変速機構のためのトルク制限制御を備える作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械に関し、より詳細には、無段変速機構（ＩＶＴ）に連結される内燃機関を含む作業機械に関する。

建設作業機、農作業機、または林業作業機などの作業機械は通常、内燃（ＩＣ）機関の形をとる原動機を含む。内燃機関は圧縮点火エンジン（すなわち、ディーゼルエンジン）と火花点火エンジン（すなわち、ガソリンエンジン）のいずれかの形をとることができる。多くの重作業機の場合、原動機は関連する作業操作のためにより良好なラグ特性（ｌｕｇｉｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）、プルダウン特性、およびトルク特性を有するディーゼルエンジンの形をとる。

負荷衝撃の後の過渡状態における内燃機関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、それが標準的なターボチャージャか、ウエストゲートまたは可変形態を有するターボチャージャかどうかなど）によって、および排出物法（例えば、可視煙、一酸化二窒素（ＮＯｘ）など）、騒音、または振動という要求事項に関しては、空気および燃料アクチュエータを駆動するためのソフトウェア戦略（例えば、排ガス再循環、可変ジオメトリタービン（ＶＧＴ）を備えるターボチャージャ、燃料噴射器の構成など）によって大部分影響されるフィーチャである。負荷衝撃はドライブトレインの負荷（例えば、作業機械の後ろに牽引される器具）、または外部負荷（例えば、フロントエンドローダ、バックホウのアタッチメントのような補助的な油圧負荷など）の結果であることもある。

全体としてのエンジンシステムは、過渡的な負荷を加えている間中、直線的に応動する。最初は、負荷は内燃機関の駆動軸に加えられる。内燃機関の速度は負荷が増大すると低下する。エンジンの速度低下は、ガバナーが等時性であるかまたは速度低下を有するかどうかによって影響される。空気アクチュエータを改変することによって、内燃機関に付加的な空気を供給するように空気流れが増加される。新しい空気流れの設定値を達成するために時間遅れが必要である。ほとんど即時のものである燃料噴射の品質がスモーク限界についても最大許容燃料品質についても増進される。次いで、エンジンはエンジン速度設定値まで回復する。負荷衝撃の後の過渡状態におけるエンジンのステップ負荷応答に関連するパラメータは、速度低下、およびエンジン設定値まで回復するための時間である。

内燃機関は無段階で０から最大まで連続的な可変出力速度を与える無段変速機構に連結されることができる。無段変速機構は通常、静水圧伝動装置および機械的伝動装置の構成部品を含む。静水圧構成部品は回転軸動力を油圧流れに変換し、その逆もまた同じである。無段変速機構を通る動力の流れは静水圧構成部品のみにより、機械的構成部品のみにより、あるいは設計と出力速度の両方に依存する組合せによることができる。

作業機械に使用するための無段変速機構の１つの例は、遊星歯車式ギヤセットに連結される油圧モジュールを含む油圧・機械式変速装置である。作業機械に使用するための無段変速機構の他の例は、ギヤセットに連結される油圧モジュールを含む静油圧式変速装置である。

無段変速機構を含む作業機械は、無段変速機構の速度比が変化して負荷条件に合致する場合にトラクション制御および車輪スリップを起こしやすいことがある。無段変速機構コントローラはエンジン速度を感知し、負荷を受けてエンジン速度が低下する際に無段変速機構の速度比を低くする。対地速度が低い場合、作業機械に要求される動力の大きさはエンジンが発生できる動力のうちの小さなパーセンテージであり、したがって、エンジンからの出力トルクが増大する場合にエンジンはラグダウンを起こさない場合がある。そのときに、オペレータは車輪のトルクが増大していることに気づかないことになる。この場合、駆動車輪は牽引力を失い、予告なしにスピンアウトし得る。このことはある動作については望ましくない。

当業界で必要とされるものは、低い対地速度の条件において牽引力の喪失を起こしにくい無段変速機構で構成される作業機械である。

１つの形態の本発明は、出力を有する内燃機関と、この内燃機関の出力に連結される無段変速機構とを含む作業機械を対象とする。内燃機関は調整可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）比を含む。オペレータ調整可能トルク制御入力装置が出力信号を与える。少なくとも１つの電気処理回路が、トルク制御入力装置に連結され、トルク制御入力装置からの出力信号に依存する内燃機関の出力および／または無段変速機構の入力／出力比を制御するために形成される。

他の形態の本発明は、出力を有する内燃機関と、この内燃機関の出力に連結される無段変速機構とを含む作業機械を操作する方法を対象とする。無段変速機構は調整可能な入力／出力比を含む。この方法は、オペレータ調整可能トルク制御入力装置を用いて前記無段変速機構に関連するトルク制御設定値を設定するステップと、トルク制御入力装置から少なくとも１つの電気処理回路へ出力信号を出力するステップと、トルク制御入力装置からの出力信号に依存する内燃機関の出力および／または無段変速機構の入力／出力比を制御するステップとを含む。

さて図１を参照すると、本発明の作業機械１０の実施形態の模式図が示される。作業機械１０は路面整形装置（ｒｏａｄ ｇｒａｄｅｒ）、またはジョンデーレ（Ｊｏｈｎ Ｄｅｅｒｅ）フロントエンドローダなどの建設作業機、あるいは農作業機、林業作業機、採鉱作業機、または産業用作業機などの異なるタイプの作業機械であることができる。

作業機械１０は、通常内燃機関１２の出力クランク軸１６を介して、無段変速機構１４に連結される内燃機関１２を含む。図示の実施形態では内燃機関１２はディーゼルエンジンであることが仮定されるが、ガソリンエンジン、プロパンエンジン等であることもできる。内燃機関１２は用途に応じて寸法取りされ、構成される。

無段変速機構１４は一般に、油圧モジュール１８および機械的ドライブトレイン２０を含む。無段変速機構１４は図示の実施形態では油圧・機械式変速装置であることが仮定されるが、静油圧式変速装置、または他のタイプの無段変速機構であることもできる。無段変速機構１４は従来の設計から成ることができ、したがって、本明細書において非常に詳細には説明されない。無段変速機構１４は、少なくとも１つの他の下流のドライブトレイン構成部品２２に連結される出力を有し、これはそのうちの１つが図１に示される複数の駆動輪２４に連結される。もちろん、トラック型作業車両の場合、ドライブトレイン構成部品２２は地面係合トラックに連結され得る。

また、無段変速機構１４は１つまたは複数の外部負荷２６に出力パワーを供給し、したがって、これは内燃機関１２の付加的な負荷になる。外部負荷２６は、通常、フロントエンドローダ、バックホウのブーム、穀粒排出オーガ、樹木伐採ソーモータ等のような油圧負荷の形をとる。このように、内燃機関１２に配置される全体の負荷は牽引負荷と外部油圧負荷の両方の関数である。

電気処理回路２８は１つまたは複数のコントローラとして構成される。図示された実施形態では、コントローラ２８は、内燃機関１２の動作を電気的に制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３０を含み、内燃機関１２の動作に関連する複数のセンサ（具体的には図示せず）に連結される。例えば、エンジン制御ユニット３０は、１つまたは複数の吸気マニフォールド内の空気流量、エンジン速度、燃料供給率および／または燃料供給タイミング、排出ガス再循環率（ＥＧＲ）、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に連結されることができる。加えて、エンジン制御ユニット３０は、指令対地速度（スロットルおよび／または流体静力学レバー（ｈｙｄｒｏｓｔａｔ ｌｅｖｅｒ）の位置によって示される）、または作業機械１０の指令方向（ステアリングホイールの角度配向によって示される）のような、オペレータによる車両制御パラメータ入力を表す車両制御ユニット（ＶＣＵ）３２からの出力信号を受信することができる。

同様に、変速機構制御ユニット（ＴＣＵ）３４は無段変速機構１４の動作を電気的に制御し、無段変速機構１４の動作に関連する複数のセンサに連結される。エンジン制御ユニット３０および変速機構制御ユニット３４は、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バス３６などの双方向データ流れを与えるバス構造によって一緒に連結される。

トルク制御入力装置４０により、オペレータは無段変速機構１４からのトルクを調整することができ、これは内燃機関１２からの出力トルクを制御することを通して少なくとも一部分が制御される。図示された実施形態において、トルク制御入力装置４０はオペレータステーション内に配置される回転可能なトルク制御ダイヤルとして構成される。トルク制御入力ダイヤル４０は、最小トルク制御設定値と最大トルク制御設定値との間にわたる目に見える線、数字、セレーション等を有することができる。あるいは、トルク制御入力装置４０は電子タッチスクリーン、または任意の数の他の形態であることもできる。

最大トルク制御設定値を設定するために可能なことの１つは、この値を、所与の内燃機関のトルク曲線の最大トルク値／最大負荷値と、所定の入力／出力比における無段変速機構の出力とに、換言すれば、内燃機関１２の最大出力と、無段変速機構１４の所定の出力とに合致させることである。

例えば、所与の内燃機関の場合、エンジン速度の関数としてトルク（負荷）についての所定のトルク曲線を使用することが普通である。トルク曲線はメモリに格納されることができ、または所与の数学的関数を用いて動的に決定され得る。この種のトルク曲線は当業界においてよく知られており、したがって簡潔のために本明細書においては示されない。動作時に使用されるトルク曲線が所与のエンジン速度における最大出力トルクを規定する。したがって、いくつかの最大出力トルクが内燃機関１２の異なる動作速度にそれぞれ対応して可能である。トルクまたは負荷とはエンジンのクランク軸の回転作用、すなわち出力パワーである。エンジン速度は通常、電子的または機械的ないずれかのスロットルの位置によって決定される。対応するエンジントルクについては、エンジン制御ユニット３０は、その動作速度に対する最大トルクのところに、またはこの最大トルクの下にある所望の出力トルクを実現するように１つまたは複数のエンジン制御パラメータの動作を制御する。例えば、エンジン制御ユニット３０は、排出ガス再循環システムの排出ガス再循環（ＥＧＲ）変数（例えば、希釈剤対空気比）、可変ジオメトリターボチャージャ（ＶＧＴ）の制御可能な要素、燃料噴射タイミング、および／または燃料圧力を制御することができる。したがって、所与の動作速度におけるトルク曲線の最大負荷値、またはこの最大負荷値の小数位の量に対応するようにトルク制御入力装置４０を用いて最大トルク制御設定値を設定することが可能である。

最小許容トルク制御設定値は、作業機械のローリング抵抗対機械の並進速度に打ち勝つのに要求される最小トルクとして規定される。したがって、この最低の制御設定値における最小許容トルクは可変であり、現在の動作状態に依存する。したがって、トルク制御設定値によって、最小許容設定値と前述の最大設定値との間で所望のトルクを変化することが可能である。

有線接続を使用して一緒に連結されるエンジン制御ユニット３０、車両制御ユニット３２、および変速機構制御ユニット３４などのさまざまな電子構成部品が示されるが、ある用途では無線接続が使用され得ることも理解されたい。さらに、図１の構成部品の中の内部電子接続部および内部流連結部のいくつかも簡単のために示されない。

図２を参照すると、作業機械１０の動作のための本発明の方法の実施形態がより詳細に説明されることになる。図２に示されるフローチャートは、内燃機関１２がアイドル状態のところ、またはアイドル状態の近くで動作している場合を除いて大多数の動作状態に適応し、このアイドル状態の場合には内燃機関１２からの出力は制限されない。

初めに、無段変速機構１４の出力からのトルク制限がトルク制御ダイヤル４０を用いて設定される（ブロック５０）。制御ダイヤル設定値は無段変速機構１４からの所望の出力トルクに対応する。アグレッシブな設定値をより小さくするとある地盤状況において無段変速機構１４の入力／出力比の増加を制限することによって車輪スリップを防止し、アグレッシブな設定値をより大きくすると最大所望トルクを増大させる。油圧・機械式変速装置の場合には、より小さなアグレッシブな設定値にノブを回転すると、ギヤトレインに直接連結される静水圧ユニット内にある圧力を実際に制限する。

動作中に、エンジン制御ユニット３０は設定トルク制限に依存する内燃機関１２からの出力を制御する（ブロック５４）。設定トルク制限に達すると、次いで内燃機関１２の燃費が制限されて（一定に保たれて）無段変速機構１４への入力トルクの量を減少し、その結果、無段変速機構１４からの出力トルクを制限する。これにより、エンジン速度を低下させることができる。エンジン速度が所定の低いアイドルＲＰＭ値まで、またはこのＲＰＭ値よりも小さく低下すると、次に無段変速機構の入力／出力比は、エンジンの低いアイドルＲＰＭ値を維持するという目標に対応して増大される。機械の外部負荷が減じない場合、このプロセスは機械が停止するまで反復し得る。

また、本発明の操作方法は動作中の過渡的な負荷にも適応することができる（決定ブロック５６）。外部油圧負荷などの過渡的な負荷が感知されると、次いで、内燃機関１２が最大トルク出力のところにあるかどうかについて問いがなされる（決定ブロック５８）。内燃機関１２がすでに所与のエンジン速度について最大トルクで作動されている場合、次いで、内燃機関１２からのトルク出力をさらに増大することは不可能であり、したがって代わりに、無段変速機構１４からの入力／出力（Ｉ／Ｏ）比が増大される（ブロック６０）。これに反し、内燃機関１２が所与のエンジン速度について最大トルクで作動されていない場合、次いで、内燃機関１２からのトルク出力は過渡的な負荷に合致するように増大される（ブロック６２）。

いかなる過渡的な負荷も検知されないまたは過渡的な負荷が消滅する場合（ライン６４）には、次いで、内燃機関１２がＯＦＦに向きを変えられるまでこの方法は継続する（決定ブロック６６）。内燃機関１２が引き続き作動する間、制御ループはブロック５０まで後戻りし、そこで新しいまたは古いトルク制限が設定される。

上で説明されたような本発明の方法の場合、設定トルク制御に基づき内燃機関１２からの入力トルクを制限すると、無段変速機構１４からの最大出力トルクを制限し、その結果、現在の条件のもとでオペレータの要求に適合し、性能を最大にするように牽引力を制御する。

好ましい実施形態を説明したので、さまざまな改変を、添付の請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく構成できることが明らかになるであろう。

本発明の作業機械の実施形態の模式図である。 本発明の作業機械を操作する方法の実施形態についてのフローチャートを示す図である。

符号の説明

１０ 作業機械
１２ 内燃機関
１４ 無段変速機構
１６ 出力クランク軸
１８ 油圧モジュール
２０ 機械的ドライブトレイン
２２ ドライブトレイン構成部品
２４ 駆動輪
２６ 外部負荷
２８ 電気処理回路
３０ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
３２ 車両制御ユニット（ＶＣＵ）
３４ 変速機構制御ユニット（ＴＣＵ）
４０ トルク制御入力装置、トルク制御入力ダイヤル

Claims (16)

1. 出力を有する内燃機関（ＩＣ）と、
   前記内燃機関の出力に連結され、調整可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）比を含む無段変速機構（ＩＶＴ）と、
   出力信号を与えるオペレータ調整可能トルク制御入力装置と、
   前記トルク制御入力装置に連結され、前記トルク制御入力装置からの前記出力信号に依存する、前記内燃機関の出力および前記無段変速機構の入力／出力比のうちの少なくとも１つを制御するために形成される少なくとも１つの電気処理回路と
   を備え、
   前記トルク制御入力装置がオペレータ調整可能トルク制御ダイヤルを備え、
   前記トルク制御ダイヤルが最小トルク制御設定値および最大トルク制御設定値を含み、前記トルク制御ダイヤルが前記最大トルク制御設定値よりも小さい場合には前記無段変速機構の入力／出力比が制限される、
   作業機械。
2. 前記トルク制御ダイヤルが前記最大トルク制御設定値にある場合には、前記少なくとも１つの電気処理回路が前記内燃機関の出力を制限せず、過度的な負荷のもとに前記内燃機関のエンジン速度を維持するように前記無段変速機構の入力／出力比を増加する、請求項１に記載の作業機械。
3. 前記最大トルク制御設定値が、前記内燃機関の所与の動作速度における最大トルクに対応する、請求項１に記載の作業機械。
4. 前記少なくとも１つの電気処理回路が、前記内燃機関に関連するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）、および前記無段変速機構に関連する変速機構制御ユニット（ＴＣＵ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の作業機械。
5. 速度制御レバーからの出力信号に依存する前記無段変速機構の入力／出力比を制御するために形成される、前記変速機構制御ユニットへの出力信号と通じている速度制御レバーを含み、前記変速機構制御ユニットへの出力信号を与える、請求項４に記載の作業機械。
6. スロットルからの出力信号に依存する前記ＩＣエンジン出力を制御するために形成される、前記エンジン制御ユニットへの出力信号と通じているスロットルを含み、前記エンジン制御ユニットへの出力信号を与える、請求項５に記載の作業機械。
7. 前記変速機構制御ユニットが前記トルク制御入力装置からの前記出力信号を受信し、前記エンジン制御ユニットと通じており、前記エンジン制御ユニットが前記内燃機関の出力を制御する、請求項４に記載の作業機械。
8. 前記少なくとも１つの電気処理回路が、前記内燃機関の燃費を制御することによって前記内燃機関の出力を制御する、請求項１に記載の作業機械。
9. 前記作業機械が建設作業機、農作業機、林業作業機、採鉱作業機、および産業用作業機のうちの１つを備える、請求項１に記載の作業機械。
10. 出力を有する内燃機関（ＩＣ）と、前記内燃機関の出力に連結されかつ調整可能な入力／出力（Ｉ／Ｏ）比を含む無段変速機構（ＩＶＴ）とを含む作業機械を操作する方法であって、
    オペレータ調整可能トルク制御入力装置を用いて前記無段変速機構に関連するトルク制御設定値を設定するステップと、
    前記トルク制御入力装置から少なくとも１つの電気処理回路へ出力信号を出力するステップと、
    前記トルク制御入力装置からの前記出力信号に依存する、前記内燃機関の出力および前記無段変速機構の入力／出力比のうちの少なくとも１つを制御するステップと
    を含み、
    前記トルク制御入力装置がオペレータ調整可能トルク制御ダイヤルを備え、
    前記トルク制御ダイヤルが最小トルク制御設定値および最大トルク制御設定値を含み、前記トルク制御ダイヤルが前記最大トルク制御設定値よりも小さい場合には前記無段変速機構の入力／出力比が制限される、
    方法。
11. 前記トルク制御ダイヤルが前記最大トルク制御設定値のところにある場合には前記内燃機関の出力は制限されず、前記無段変速機構の入力／出力比は過度的な負荷のもとに前記内燃機関のエンジン速度を維持するように増加される、請求項１０に記載の作業機械を操作する方法。
12. 前記最大トルク制御設定値が、前記内燃機関の所与の動作速度における最大トルクに対応する、請求項１０に記載の作業機械を操作する方法。
13. 前記制御するステップが、前記内燃機関に関連するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）、および前記無段変速機構に関連する変速機構制御ユニット（ＴＣＵ）のうちの少なくとも１つを用いて実行される、請求項１０に記載の作業機械を操作する方法。
14. 前記作業車両の対地速度に対応する速度制御レバーを設定するステップと、
    前記速度制御レバーから前記変速機構制御ユニットへ出力信号を出力するステップと、
    前記変速機構制御ユニットを用いて、前記速度制御レバーからの前記出力信号に依存する前記無段変速機構の入力／出力比を制御するステップと
    を含む、請求項１３に記載の作業機械を操作する方法。
15. 前記内燃機関の動作速度に対応するスロットルを設定するステップと、
    前記スロットルから前記エンジン制御ユニットへ出力信号を出力するステップと、
    前記エンジン制御ユニットを用いて、前記スロットルからの前記出力信号に依存する前記内燃機関の出力を制御するステップと
    を含む、請求項１４に記載の作業機械を操作する方法。
16. 前記変速機構制御ユニットが前記トルク制御入力装置からの前記出力信号を受信し、前記エンジン制御ユニットと通じており、前記エンジン制御ユニットが前記内燃機関の出力を制御する、請求項１３に記載の作業機械を操作する方法。

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