JP6163082B2 - ホイールローダ - Google Patents

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Description

本発明は、HST式駆動システムを有するホイールローダに関する。
この種のホイールローダとして特許文献1に開示されているものがある。このホイールローダは車輪、車体フレームと運転室、作業装置等を備えている。作業装置は、上下方向に動くリフトアームと、このリフトアームの先端に取り付けられるバケットとを備えている。
ところで、この種のホイールローダとしてHST式駆動システムを有するものがある。このHST式駆動システムは、閉回路を構成するHSTポンプ及びHSTモータと、作業装置を駆動する圧油を吐出する作業機ポンプと、HSTモータからの出力によって作動する駆動輪システムとを備えている。
特開2008−223899号公報
上述したようなHST式駆動システムを有するホイールローダにあって、省エネルギー効果を確立するために、HSTポンプ、HSTモータ制御に際し、重掘削に対応したパワーモードと、パワーモードよりもエンジン回転数を低く抑え燃費低減効果を重視したエコモードを設定することが考えられる。
しかしながら、このようにエコモードを有する構成にしたものでは以下の不具合が考えられる。すなわち、エンジン、HSTポンプには作業機ポンプも直結され、作業機ポンプはエンジンに直結した入力軸回転数に応じて吐出流量が決定されることから、エコモードでは例えば作業装置のバケットによって積み込まれた土砂をリフトアームによって上げ動作する際に、作業装置の動作スピードが遅くなり作業効率の低下が起こり得る。
図8は上述した従来技術から考えられるエンジン回転数に対するHSTポンプの入力トルク特性を示す図である。この図8において、32はパワーモード時の特性、31はエコモード時の特性を示している。29はエンジントルク特性、30はエンジントルク特性29から作業装置を駆動させた際の作業機ポンプの入力トルクを差し引いたエンジントルク特性で、HSTポンプで消費可能なエンジントルクを示している。作業装置を駆動させながら走行動作を行なう場合、パワーモードでは、マッチング点Bでエンジンが駆動し、エンジン回転数N(B)は高い回転数となるが、エコモードでは、エンジン回転数の増加に対するHSTポンプの入力トルクの増加割合が大きいために、マッチング点Bよりもエンジン回転数が低いマッチング点Aでエンジンが駆動することになる。そのためエンジン回転数が低い回転数N(A)となってしまう。これにより作業装置のスピードが遅くなる。
本発明は、上述した従来技術における実情からなされたもので、その目的は、HST式駆動システムを有するものにあって、パワーモードとエコモードを設定した場合のエコモード時での作業効率を向上させることができるホイールローダを提供することにある。
この目的を達成するために、本発明は、車体フレームと、車輪と、前記車体フレームに取り付けられ、上下方向に回動可能なリフトアームを有する作業装置と、前記車体フレームに取り付けられるエンジンと、前記エンジンによって駆動される可変容量型のHSTポンプ、及び前記車輪を駆動するHSTモータを閉回路接続してなり、前記HSTポンプの入力トルクを制御するHSTポンプ制御部を有するHST走行装置と、前記エンジンによって駆動され、前記作業装置を作動させる圧油を吐出する作業機ポンプとを備えたホイールローダにおいて、作業負荷が重負荷となるときの作業モードであるパワーモード、前記作業負荷が軽負荷となるときの作業モードであるエコモードのいずれかを選択する作業モード選択装置と、前記作業装置の前記リフトアームの上げ動作を検出する検出装置と、前記作業モード選択装置により前記エコモードが選択されたときに、前記HSTポンプ制御部により、前記HSTポンプの入力トルクを予め設定されるエコモード時特性線に基づいて制御し、前記作業モード選択装置によりパワーモードが選択されたときに、前記HSTポンプ制御部により、前記HSTポンプの入力トルクを予め設定されるパワーモード時特性基づいて前記HSTポンプ制御部を制御し、前記エコモードが選択されているときに、前記検出装置により、前記リフトアームの上げ動作が検出されると、前記HSTポンプの入力トルク特性を前記エコモード時特性に代えて上げ動作時特性基づいて制御する制御装置とを備えたことを特徴としている。
また本発明は、前記発明において、前記制御装置には、前記エコモード時特性線、前記パワーモード時特性線および、前記上げ動作時特性線を記憶する記憶部を有し、前記エコモード時特性線、前記パワーモード時特性線および、前記上げ動作時特性線は、エンジン回転数と前記HSTポンプの入力トルクとの関係を示すものからなり、前記上げ動作時特性線は、前記エンジンのトルクから前記作業機ポンプのトルクを差し引いて得られる作業装置操作時エンジントルク特性線上の、前記エコモード時特性線と前記作業装置操作時エンジントルク特性線との交点であるマッチング点と、前記パワーモード時特性線と前記作業装置操作時エンジントルク特性線との交点であるマッチング点との間に交点となるマッチング点を有した特性として設定されることを特徴としている。
また本発明は、前記発明において、前記上げ動作時特性線は、前記エコモード時特性線の途中から分岐して設けられることを特徴としている。
また本発明は、前記発明において、前記HSTモータに接続され、高速段、低速段を含む複数の速度段を有する多段変速機と、前記多段変速機が低速段に切り替えられたことを検出する速度段検出装置と、前記ホイールローダが前進状態であることを検出する前進検出センサとを備え、前記HSTモータは、可変容量型の油圧モータからなり、前記HST走行装置は、前記HSTモータの傾転を制御するHSTモータ制御部を有し、前記制御装置は、前記速度段検出装置で前記多段変速機が低速段に切り替えられたことが検出され、かつ前記前進検出センサで、前記ホイールローダが前進状態にあることが検出されると、前記HSTモータ制御部により、前記HSTモータの最小傾転を前記エコモード時の最小傾転よりも大きい最小傾転とする制御を行うことを特徴としている。
本発明は、HST式駆動システムを有するものにあって、パワーモードとエコモードを設定した場合のエコモード時に作業装置のリフトアームの上げ動作が行われた際には、上げ動作時特性線に応じてHSTポンプが制御されるので、エコモード時に比べてエンジン回転数を上昇させることができる。これにより本発明は、作業装置のリフトアームの上げ動作の動作スピードを速くすることができ、作業効率を従来よりも向上させることができる。また本発明は、上げ動作時特性線をエコモード時特性線から分岐させるようにしてあることから、オペレータに与えるエコモード時の操作フィーリングからの違和感を少なくさせながらエコモード時のリフトアームの上げ動作を実施させることができる。
本発明に係るホイールローダの第1実施形態を示す側面図である。 第1実施形態に備えられる電気・油圧回路図である。 第1実施形態に備えられる制御系統を示すブロック図である。 第1実施形態に備えられる車体コントローラの処理手順を示すフローチャートである。 第1実施形態で得られる特性を示す図である。 本発明の第2実施形態に備えられる制御系統を示すブロック図である。 第2実施形態に備えられる車体コントローラの処理手順を示すフローチャートである。 従来技術から考えられる特性を示す図である。
以下、本発明に係るホイールローダの実施の形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1は本発明に係るホイールローダの第1実施形態を示す側面図である。この図1に示すように、第1実施形態に係るホイールローダは、車体フレーム1と、運転室2と、車輪すなわち前輪9及び後輪10と、車体フレーム1に取り付けられる作業装置3とを備えている。作業装置3は、上下方向に回動可能なリフトアーム4と、このリフトアーム4を駆動するリフトシリンダ6と、リフトアーム4の先端に取り付けられ、土砂が積み込まれるバケット5と、このバケット5を上下方向に回動させるバケットシリンダ7と、バケット5とバケットシリンダ7とのリンク機構を構成するベルクランク8とを含んでいる。
図2は第1実施形態に備えられる電気・油圧回路図である。
この図に示すように、第1実施形態は、車体フレーム1に取り付けられるエンジン17と、このエンジン17によって駆動される可変容量型のHSTポンプ11、及びHSTポンプ11から吐出される圧油により駆動されるHSTモータ14を含む油圧閉回路と、エンジン17によって駆動され、作業装置3を作動させる圧油を吐出する作業機ポンプ13とを備えている。さらに第1実施形態は、HSTポンプ11を制御するための圧油を吐出するHSTチャージポンプ12と、HSTモータ14による駆動力を前輪9、後輪10に伝達する駆動輪システム24を有している。作業機ポンプ13から吐出される圧油は、コントロールバルブ35を介して作業装置3としてのリフトシリンダ6へと送られる。
また、第1実施形態は、作業装置3のリフトアーム4の上げ動作を検出する検出部、例えばコントロールバルブ35とリフトシリンダ6のボトム室とを連絡する管路の圧力を検出する作業機圧検出部23と、作業負荷が重負荷となるときの作業モードであるパワーモード、当該作業負荷が軽負荷となるときの作業モードであるエコモードのいずれかを選択する作業モード選択部22と、エンジン17の実回転数を検出するエンジン回転数センサ25とを備え、それらの情報が入力される制御装置、すなわちコントローラ18を備えている。コントローラ18から出力された情報は、HSTポンプ制御部15とHSTモータ制御部16に送られる。HSTポンプ制御部は15は、コントローラ18からの指令に従い、HSTポンプ11の傾転(ポンプ入力トルク)を制御し、HSTモータ制御部16は、コントローラ18からの指令に従い、HSTモータ14の傾転(モータ出力トルク)を制御する。
なお、コントローラ18は、エンジン回転数の増加に応じてポンプ傾転(ポンプ入力トルク)を大きくするようにHSTポンプ制御部15を制御する。また、コントローラ18は、HSTポンプの吐出圧(HSTモータ15の駆動圧)が高くなるに従いモータ傾転(モータ出力トルク)を最大傾転に向けて大きくし、HSTポンプの吐出圧が低くなるに従いモータ傾転を最小傾転に向けて小さくするようにHSTモータ制御部16を制御する。
モータ傾転が大きくなるほど走行トルクが増加し、小さくなるほど走行速度が上昇し、最小傾転で最高速度に到達できる。これにより、低速高トルク走行、高速低トルク走行を実現する。
図3は第1実施形態に備えられる制御系統を示すブロック図、図4は第1実施形態に備えられる車体コントローラの処理手順を示すフローチャート、図5は第1実施形態で得られる特性を示す図である。
図3に示すコントローラ18は、図5に示すように、エンジン回転数に対するHSTポンプの入力トルクの関係をマップとして記憶する記憶部28(図3参照)を有する。このマップには、作業モード選択部22によってエコモードが選択された際に使用されるエコモード時のエンジン回転数とHSTポンプ11の入力トルクの関係を示すエコモード時特性線31と、パワーモードが選択された際に使用されるパワーモード時のエンジン回転数とHSTポンプ入力トルクの関係を示すパワーモード時特性線32と、エンジン17のトルク(特性線29)から作業機ポンプ13のトルクを差し引いて得られる作業装置操作時エンジントルク特性線30上の、エコモード時特性線31と作業装置操作時エンジントルク特性線30との交点であるマッチング点Aと、パワーモード時特性線32と作業装置操作時エンジントルク特性線30との交点であるマッチング点Bと、マッチング点Aとマッチング点Bとの間の作業装置操作時エンジントルク特性線30上に交点となるマッチング点Cを有し、エコモード特性線31から分岐するように設定され、リフトアーム4の上げ操作時のエンジン回転数とHSTポンプ入力トルクの関係を示す上げ動作時特性線34とが予め記憶されている。
作業装置操作時におけるHSTポンプの入力トルクは、作業装置操作時エンジントルク特性線30上の交点でマッチングし、エンジン17は、その交点における回転数で運転される。エコモード時特性線31は、エンジン回転数の増加に対して、より大きな増加率でHSTポンプの入力トルクが増加するように設定され、マッチング点Aでのエンジン回転数は、低めの回転数N(A)となる。これにより、エンジンは低い回転数で運転され、燃費を向上させることができる。パワーモード時特性線32は、エコモード時特性線31よりもエンジン回転数の増加に対してHSTポンプの入力トルクが緩やかに増加するように設定され、マッチング点Bでのエンジン回転数N(B)は、マッチング点Aでのエンジン回転数N(A)よりも高い値となる。そのため、エンジンは高い回転数で運転され、作業機ポンプ13の吐出流量が増大し、リフトアーム4等の作業装置3の駆動速度を大きくすることができ、作業性を向上させることができる。上げ動作時特性線34は、エコモード時特性線31の途中から分岐するもので、分岐点までは、エコモード時特性線31と同様にエンジン回転数の増加に対して大きな増加率でHSTポンプの入力トルクが増加するものの、分岐点を超えると、例えばパワーモード時特性線32の増加率とほぼ同様にエンジン回転数の増加に対してHSTポンプの入力トルクが緩やかに増加するように設定され、マッチング点Cでのエンジン回転数N(C)は、エンジン回転数N(A)よりも大きく、エンジン回転数N(B)よりも小さい値で、エンジン回転数N(B)に近い値となるようにその特性が設定される。
また、コントローラ18は、図3に示すように作業モード選択部22でエコモードが選択された状態にあって、作業機圧検出部23で作業装置3のリフトアーム4の上げ動作が検出されたかどうか判別する判別部26と、上記の図5に示す特性が記憶された記憶部28と、この判別部26でリフトアーム4の上げ動作が検出されたと判別されたとき、エコモード時特性線31に代えて、上げ動作時特性線34を用いてHSTポンプ11を制御する制御部27とを備えている。
図4に示すように、コントローラ18では、まず判別部26で作業モードとしてエコモードが選択されているかどうかの判別を行う(手順S1)。エコモードが選択されていなければ、図5に示すパワーモード時特性線32に従い、HSTポンプ11の制御が行われる(手順S2)。エコモードが選択されていた場合は、作業機圧検出部23により圧力を検知してリフトアーム4が上げ動作されたか否かの判別を行う(手順S3)。設定された作業機圧を検知しなければ、リフトアーム4が上げ動作されていないとして図5で示すエコモード時特性線31に従いHSTポンプ11の制御が行われる(手順S4)。設定された作業機圧を検知した場合は、リフトアーム4が上げ動作されたとして図5で示すような上げ動作時特性線34に従いHSTポンプの制御が行われる(手順S5)。
なお、図5において、29はHSTポンプ入力トルクと作業機ポンプ入力トルクを合計したトルクに相応するエンジン出力トルク特性線を示している。上述のように、作業装置操作時エンジントルク特性線30は、エンジン出力トルクから作業機ポンプ入力トルクを差し引いたトルクに相応するエンジン17に関連するトルク特性線である。図5では、車体停車状態から加速する際のHSTポンプ入力トルクをエコモード時特性線31と、パワーモード時特性線32と、上げ動作時特性線34で示してある。パワーモードではマッチング点Bで示されるようにエンジン回転数N(B)は高い回転数となるが、エコモードではマッチング点Aで示されるようにエンジン回転数が低い回転数N(A)となってしまい、作業機ポンプ13の吐出流量が減少してしまう。しかし、上げ動作時特性線34ではマッチング点Cで示されるように、エンジン回転数N(C)となり、N(A)よりも高い回転数とすることができるため、エコモードであってもパワーモードに近い作業機ポンプ13の吐出流量を得ることができる。
このように構成した第1実施形態によれば、HST式駆動システムを有するものにあって、エコモード時に、作業装置3のリフトアーム4の上げ動作が行われた際には、コントローラ18の記憶部28に記憶される上げ動作時特性線34によってHSTポンプ11が制御されるので、エコモード時に比べてエンジン回転数を上昇させることができる。このようなリフトアーム4の上げ動作は、バケット5に積み込んだ土砂をトラック等へ積み込むときや、土砂山へ放土するときに実施される。これにより第1実施形態は、作業装置3の上げ動作の操作スピードを速くすることができ、作業効率を向上させることができる。
また第1実施形態は、上げ動作時特性線34をエコモード時特性線31から分岐させるようにしてあることから、オペレータに与えるエコモード時の操作フィーリングからの違和感を少なくさせながらエコモード時のリフトアーム4の上げ動作を実施させることができる。
[第2実施形態]
図6は本発明の第2実施形態に備えられる制御系統を示すブロック図、図7は第2実施形態に備えられる車体コントローラの処理手順を示すフローチャートである。この第2実施形態の基本的な構成は第1実施形態と同等である。以下にあっては異なる部分についてのみ説明する。
第2実施形態は、HSTモータ14に接続され、駆動輪システム24の一部を構成し、HSTモータ14の回転を高速段と低速段のいずれかに切り替えて変速する図示しない多段変速機と、図6に示すようにこの多段変速機が低速段に切り替えられたことを検出する速度段検出部20と、当該ホイールローダの車体状態が前進状態であることを検出する前進検出センサ21とを備えている。
コントローラ18の判別部26は、第1の実施形態のものに加え、速度段検出部20によって多段変速機が低速段に切り替えられたことが検出され、かつ前進検出センサ21でホイールローダが前進状態であることが検出されたか否かも判別するように成っており、制御部27は、HSTモータ制御部16への制御信号も出力するようになっている。
この第2実施形態では、図7のフローチャートで示すように、手順S3で作業機圧検出部23により圧力を検知してリフトアーム4が上げ動作されたと判別されたときには、手順S5にて上げ動作時特性線34に従いHSTポンプ11の制御が行われるとともに、コントローラ18の判別部26で多段変速機が低速段に切り替えられ、しかも前進状態であることが判別されたとき(手順S6)には、コントローラ18の制御部27は、HSTモータ制御部15に制御信号を出力し、HSTモータ14の最小傾転をエコモード時の最小傾転よりも大きい最小傾転とする制御を行う(手順S8)。低速段であること、前進状態であることのいずれかの条件が合致していない場合には、制御部27は、HSTモータ14の最小傾転をエコモード時と同じ最小傾転に保つようにHSTモータ制御部15を制御する(手順S7)。
第2実施形態によれば、第1実施形態と同等の効果が得られる他、作業装置3のリフトアーム4の上げ動作とともに、車体停止または微速域から加速する際、すなわち、バケット5に積み込んだ土砂をトラック等へ積み込む際や、土砂山へ放土する際には、従来のエコモード時よりも車速を低下させることができる。
ここで、従来技術のホイールローダでは、パワーモードにおける作業装置3の動作速度と走行速度とを作業性、操作性を考慮してバランスさせるように設定しているため、エコモードでの作業装置3のリフトアーム4の動作スピードと車速のバランスが悪く、作業効率が低下する懸念があった。すなわち、従来技術のホイールローダは、エコモードでは、作業装置3のリフトアーム4の動作スピードに対し車速が速いため、走行距離が長くなる傾向にあり、さらに、パワーモードとエコモードでの操作性の異なるものとなっていた。そのため、パワーモードで行う積み込み作業等と同等の作業をエコモードで行おうとすると、パワーモード時に比べてエコモード時の方が作業に要する走行距離が長くなってしまうため、狭い作業現場では作業が行ない難いものとなっていた。
第2実施形態では、バケット5に積み込んだ土砂をトラック等へ積み込む際や、土砂山へ放土する際には、上述のようにHSTモータ14の最小傾転を大きな最小傾転とすることによって車速を低下させることができるので、作業装置3のリフトアーム4の動作スピードと車速のバランスを改善し、作業効率を上昇させることができる。また、パワーモードとエコモードで同じ作業例えば、バケット5に積み込んだ土砂をトラック等へ積み込む作業や、土砂山へ放土する作業を行う場合、走行距離をほぼ同じにすることができる。
1 車体フレーム
3 作業装置
4 リフトアーム
5 バケット
6 リフトシリンダ
7 バケットシリンダ
8 ベルクランク
11 HSTポンプ
12 HSTチャージポンプ
13 作業機ポンプ
14 HSTモータ
15 HSTポンプ制御部
16 HSTモータ制御部
17 エンジン
18 コントローラ(制御装置)
20 速度段検出部(速度段検出装置)
21 前進検出センサ
22 作業モード選択部(作業モード選択装置)
23 作業機圧検出部(検出装置)
24 駆動輪システム
25 エンジン回転数センサ
26 判別部
27 制御部
28 記憶部
29 エンジントルク特性線
30 作業装置操作時エンジントルク特性線
31 エコモード時特性線
32 パワーモード時特性線
34 上げ動作時特性線

Claims (4)

  1. 車体フレームと、車輪と、前記車体フレームに取り付けられ、上下方向に回動可能なリフトアームを有する作業装置と、
    前記車体フレームに取り付けられるエンジンと、
    前記エンジンによって駆動される可変容量型のHSTポンプ、及び前記車輪を駆動するHSTモータを閉回路接続してなり、前記HSTポンプの入力トルクを制御するHSTポンプ制御部を有するHST走行装置と、
    前記エンジンによって駆動され、前記作業装置を作動させる圧油を吐出する作業機ポンプとを備えたホイールローダにおいて、
    作業負荷が重負荷となるときの作業モードであるパワーモード、前記作業負荷が軽負荷となるときの作業モードであるエコモードのいずれかを選択する作業モード選択装置と、
    前記作業装置の前記リフトアームの上げ動作を検出する検出装置と、
    前記作業モード選択装置により前記エコモードが選択されたときに、前記HSTポンプ制御部により、前記HSTポンプの入力トルクを予め設定されるエコモード時特性線に基づいて制御し、
    前記作業モード選択装置によりパワーモードが選択されたときに、前記HSTポンプ制御部により、前記HSTポンプの入力トルクを予め設定されるパワーモード時特性基づいて前記HSTポンプ制御部を制御し、
    前記エコモードが選択されているときに、前記検出装置により、前記リフトアームの上げ動作が検出されると、前記HSTポンプの入力トルク特性を前記エコモード時特性に代えて上げ動作時特性基づいて制御する制御装置とを備えた
    ことを特徴とするホイールローダ。
  2. 請求項1に記載のホイールローダにおいて、
    前記制御装置には、前記エコモード時特性線、前記パワーモード時特性線および、前記上げ動作時特性線を記憶する記憶部を有し、前記エコモード時特性線、前記パワーモード時特性線および、前記上げ動作時特性線は、エンジン回転数と前記HSTポンプの入力トルクとの関係を示すものからなり、前記上げ動作時特性線は、前記エンジンのトルクから前記作業機ポンプのトルクを差し引いて得られる作業装置操作時エンジントルク特性線上の、前記エコモード時特性線と前記作業装置操作時エンジントルク特性線との交点であるマッチング点と、前記パワーモード時特性線と前記作業装置操作時エンジントルク特性線との交点であるマッチング点との間に交点となるマッチング点を有した特性として設定される
    ことを特徴とするホイールローダ。
  3. 請求項1または2に記載のホイールローダにおいて、
    前記上げ動作時特性線は、前記エコモード時特性線の途中から分岐して設けられる
    ことを特徴とするホイールローダ。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のホイールローダにおいて、
    前記HSTモータに接続され、高速段、低速段を含む複数の速度段を有する多段変速機と、
    前記多段変速機が低速段に切り替えられたことを検出する速度段検出装置と、
    前記ホイールローダが前進状態であることを検出する前進検出センサとを備え、
    前記HSTモータは、可変容量型の油圧モータからなり、前記HST走行装置は、前記HSTモータの傾転を制御するHSTモータ制御部を有し、
    前記制御装置は、前記速度段検出装置で前記多段変速機が低速段に切り替えられたことが検出され、かつ前記前進検出センサで、前記ホイールローダが前進状態にあることが検出されると、前記HSTモータ制御部により、前記HSTモータの最小傾転を前記エコモード時の最小傾転よりも大きい最小傾転とする制御を行う
    ことを特徴とするホイールローダ。
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