(57)【要約】【課題】走行時の蓄電器の蓄電量を適切に制御する。【解決手段】前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合又は切り離すエンジン切離クラッチを備え、前記蓄電器の蓄電量及び車速に基づいて、前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを切り離すとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させて前記エンジン及び前記電動発電機によって発生したトルクによって走行させる第１の走行モード、又は前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを結合させるとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを切り離して前記電動発電機のみで走行させる第２の走行モードを設定する。【選択図】図１
2011093345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
電動発電機と、
前記電動発電機と接続された蓄電器と、
前記エンジンの出力軸と接続されたサンギヤと、前記電動発電機の出力軸と接続されたリングギヤと、キャリア軸とを有する遊星歯車機構と、
前記キャリア軸から駆動輪へのトルク伝達経路に設けられた変速機と、
前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させ又は切り離す直結クラッチと、
を備え、前記電動発電機及び／又は前記エンジンによって発生したトルクを前記駆動輪に伝達することにより走行するよう構成された車両系建設機械であって、
前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとの間に設けられ、前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させ又は切り離すエンジン切離クラッチと、
前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを切り離すとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させて前記エンジン及び前記電動発電機によって発生したトルクによって走行させる第１の走行モード、又は前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させるとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを切り離して前記電動発電機のみで走行させる第２の走行モードを少なくとも前記蓄電器の蓄電量に基づき選択して設定する走行モード設定器と、
を備える、車両系建設機械。
【請求項２】
前記走行モード設定器は、前記第１の走行モード又は前記第２の走行モードを前記蓄電器の蓄電量と車速とに基づき選択して設定する、請求項１に記載の車両系建設機械。
【請求項３】
前記走行モード設定器は、前記蓄電器の蓄電量が所定の上限値よりも大きく、かつ車速が所定の下限値よりも低い場合には、前記第２の走行モードを設定し、前記蓄電器の蓄電量が前記所定の上限値よりも小さく、又は車速が前記所定の下限値よりも高い場合には、前記第１の走行モードを設定するように構成されている、請求項２に記載の車両系建設機械。
【請求項４】
前記エンジンの出力軸と接続され、減速時のエンジンブレーキを増強させるエンジンブレーキ増強機構をさらに備え、
前記走行モード設定器は、減速要求を受けた場合には、前記第１の走行モードから前記第２の走行モードに切り替えるように構成されている、請求項１に記載の車両系建設機械。
【請求項５】
前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記エンジンの回転数を制御するエンジン回転数制御器と、
前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量、前記電動発電機の動作状態、及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記変速機の変速段を制御する変速段制御器と、
前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量、車速、及び前記変速機の変速段に基づいて、前記エンジン及び前記電動発電機に発生させるトルクを制御するトルク制御器と、
をさらに有する、請求項１に記載の車両系建設機械。
【請求項６】
エンジンと、
電動発電機と、
前記電動発電機と接続された蓄電器と、
前記エンジンの出力軸と接続されたサンギヤと、前記電動発電機の出力軸と接続されたリングギヤと、キャリア軸とを有する遊星歯車機構と、
前記キャリア軸から駆動輪へのトルク伝達経路に設けられた変速機と、
前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させ又は切り離す直結クラッチと、
を備え、前記電動発電機及び／又は前記エンジンによって発生したトルクを前記駆動輪に伝達することにより走行するよう構成された車両系建設機械の制御方法であって、
少なくとも前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを切り離すとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させて前記エンジン及び前記電動発電機によって発生したトルクによって走行させる第１の走行モード、又は前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを結合させるとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを切り離して前記電動発電機のみで走行させる第２の走行モードを選択して設定する、車両系建設機械の制御方法。
【請求項７】
前記第１の走行モード又は前記第２の走行モードを前記蓄電器の蓄電量と車速とに基づき選択して設定する、請求項６に記載の車両系建設機械の制御方法。
【請求項８】
前記蓄電器の蓄電量が所定の上限値よりも大きく、かつ車速が所定の下限値よりも低い場合には、前記第２の走行モードを設定し、前記蓄電器の蓄電量が前記所定の上限値よりも小さく、又は車速が前記所定の下限値よりも高い場合には、前記第１の走行モードを設定する、請求項７に記載の車両系建設機械の制御方法。
【請求項９】
前記車両系建設機械は、前記エンジンの出力軸と接続され、減速時のエンジンブレーキを増強させるエンジンブレーキ増強機構をさらに備えており、
減速要求を受けた場合には、前記第１の走行モードから前記第２の走行モードに切り替える、請求項６に記載の車両系建設機械の制御方法。
【請求項１０】
前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記エンジンの回転数を制御し、アクセル操作量、前記電動発電機の動作状態、及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記変速機の変速段を制御し、かつアクセル操作量、車速、及び前記変速機の変速段に基づいて、前記エンジン及び前記電動発電機に発生させるトルクを制御する、請求項６に記載の車両系建設機械の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両系建設機械及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホイールローダなどの車両系建設機械の場合、その運用上において一定速度で継続して走行することは少なく、自動車などの一般的な車両とは異なる走行性能が求められる。
【０００３】
図１７は、ホイールローダによる総作業の大半を占めるＶ字作業を説明するための平面図である。図１７（ａ）に示すように、ホイールローダ１００は、土砂１０２をすくうために、土砂１０２に向かって前進する。次に、図１７（ｂ）に示すように、ホイールローダ１００は、土砂１０２のすくいこみを行う。この場合、ゼロ速度から極低速での強大な牽引力が必要となる（ストール）。
【０００４】
土砂１０２のすくいこみが完了した後、ホイールローダ１００は、図１７（ｃ）に示すように、一旦後進した後に方向転換し、トラック１０１に向かって前進を始める（スイッチバック）。そして、図１７（ｄ）に示すように、ホイールローダ１００がトラック１０１に向かって前進を続けた後、図１７（ｅ）に示すように、ホイールローダ１００は、トラック１０１への土砂１０２の積み込みを行う。
【０００５】
土砂１０２の積み込みが完了した後、ホイールローダ１００は、図１７（ｆ）に示すように、一旦後進した後に方向転換し、再度土砂１０２に向かって前進する（スイッチバック）。
【０００６】
以上のようなＶ字作業においては、極低速域において高牽引力が必要になったり、低速域における加速及び減速の繰り返しが強いられたり、スイッチバックの繰り返しが強いられたりする。かかる要求は、車両系建設機械に特有のものである。
【０００７】
上述した車両系建設機械にとって（特に、中型以上のホイールローダにとって）特有な走行性能を得るために、トルクコンバータを備えるのが一般的である。しかし、トルクコンバータは、低速度比での効率が極端に悪いという特徴がある。このため、トルクコンバータは、ストールやスイッチバックの際の低速域での走行性能が必要となるホイールローダにとって不向きである。
【０００８】
また、トルクコンバータでは、伝達されるトルクが入力軸（エンジンの出力軸）の回転数に依存しており、エンジンの回転数が低い場合には伝達されるトルクも小さくなるという特徴がある。このため、トルクコンバータは、加速時においてエンジンの回転数が上昇するまで十分なトルクを伝達することができないので、比較的短距離で加速及び減速を繰り返す車両系建設機械にとって不向きである。
【０００９】
そこで、本出願人は、以下に示す特許文献１のとおり、車両系建設機械をトルクコンバータを用いないで構成することを考え、さらに、車両系建設機械を近年省エネルギー化の点で注目されている電動発電機及びエンジンを組み合わせたハイブリッド車両にすることを考えた。なお、車両系建設機械をハイブリッド車両とする場合には、低速域において高牽引力が必要であり、低回転で高トルクを発生し、かつ最高回転数の高い電動発電機を得ることが困難であるため、変速機が必要となる。また、蓄電器の蓄電量が少なくなった場合などにおいて、エンジンのみでの走行を可能とするためにエンジンと変速機とを直結させる直結クラッチを設ける必要がある。さらに、トルクコンバータと同等以上の走行性能を実現するためには、低速域において直結クラッチによりエンジンと変速機とを直結しない状態での走行が主となり、かかる状態でエンジン並びに電動発電機のトルク、及び変速機の変速段の制御を行う必要がある。
【００１０】
図１８は、特許文献１に開示される車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。
【００１１】
図１８に示す車両系建設機械１は、エンジン１０と、電動発電機１１とを備えている。エンジン１０の出力軸は遊星歯車機構のサンギヤ１６ａと接続されており、電動発電機１１の出力軸は遊星歯車機構のリングギヤ１６ｂと接続されるギヤ１７と接続されている。また、遊星歯車機構のキャリア軸１８は、複数の変速段に自動的に切替可能な電子制御の変速機１２と接続されている。なお、遊星歯車機構には、サンギヤ１１６ａ、リングギヤ１６ｂ及びキャリア軸１８のうちのいずれか２つを直結させる直結クラッチ１５が設けられている。
【００１２】
変速機１２は、デファレンシャルギヤ１９を介して車両系建設機械１の駆動輪２０と接続されている。また、変速機１２とエンジン１０とは直結クラッチ１５により結合される。電動発電機１１は、インバータ１３を介して蓄電器１４と接続され、回生制動器として、又は力行による動力源として機能する。
【００１３】
また、車両系建設機械１は、エンジン１０、電動発電機１１及び変速機１２の動作を制御する制御装置２を備えている。制御装置２は、直結クラッチの切離状態（エンジンと変速機とを直結しない状態）において、アクセル操作量及び蓄電器１４の蓄電量に基づいて変速機１２の変速段の切り替えを制御するとともに、アクセル操作量、車速、及び変速機１２の変速段に基づいてエンジン１０及び電動発電機１１に発生させるトルクを決定するように制御する。
【００１４】
上記の構成により、エンジン１０及び電動発電機１１のトルクがバランスを保った状態で、蓄電器１４の容量の範囲内において充放電を繰り返しながら走行可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２４７２６９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上記のように構成された車両系建設機械１はつぎのような走行動作を行う。
【００１７】
まず、平坦路において操縦者がアクセルを踏み込むことで、車両系建設機械１をアイドル状態から加速させる場合には、遊星歯車機構は図１９の速度線図に示される状態となる。つまり、遊星歯車機構の出力軸の回転数がゼロであるため車体（車両系建設機械１）自体は停止状態にある。なお、操縦者がアクセルを踏み込むと、電動発電機１１及びエンジン１０において必要なトルクがそれぞれ発生し、アクセル操作量に応じたトルクが遊星歯車機構の出力軸に発生する。この結果、車体牽引力が発生する。なお、遊星歯車機構の出力軸の回転数が低い場合には、電動発電機１１は回生制動（発電）となる方向にトルクを発生している。
【００１８】
つぎに、車両系建設機械１の車速が上昇するに従って、図２０の速度線図に示すように、遊星歯車機構の出力軸の回転数が上昇し、電動発電機１１の回転数はゼロに近づいていく。さらに、加速によって車速が上昇すると、図２１の速度線図に示すように、電動発電機１１の回転数がゼロとなり、電動発電機１１はトルクを発生しているが、回生制動にも力行にもならないゼロ出力の状態となる。そして、さらに加速によって車速が上昇すると、図２２の速度線図に示すように、電動発電機１１は回生制動から力行に切り替わる。このとき、電動発電機１１は、蓄電器１４に蓄電された電力（回生制動による加速によって蓄電された電力＋それまでに蓄電される電力）を用いて力行を行うこととなる。
【００１９】
ところで、車両系建設機械１の運用上、土砂をすくいこむときに極低速の車速で高牽引力となるストール状態や坂道登坂時や重量物を牽引している状態が頻繁に発生する。これらの状態における車両系建設機械１の動作は、図１９、図２０の速度線図に示されるような動作となるので、電動発電機１１の回生制動が頻繁に発生することとなる。
【００２０】
しかし、図１９、図２０の速度線図に示されるような動作が連続して行われると、蓄電器１４が満充電となってしまい、車両系建設機械１の走行を継続することができなくなる。つまり、トルクコンバータ搭載車両の場合におけるトルクコンバータオイルのオーバーヒートに相当する現象が発生する。このような場合の対処方法としては、蓄電器１４を何らかの手段で放電させる必要があり、例えば車両系建設機械１の運転を一旦停止して電動発電機１１を空運転させるなど、継続した走行を阻害するような制御が必要であった。
【００２１】
さらに、エンジン１０の出力軸にエンジンブレーキ（抵抗として機能）が接続されている場合には、減速時（回生ブレーキ時）の電動発電機１１の回生制動によって生成される減速エネルギーの一部が当該エンジンブレーキによって消費されてしまうため、回生効率が悪くなり、蓄電器１４において十分な蓄電量が充電されないという課題があった。
【００２２】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、蓄電器が接続された電動発電機とエンジンとを直結クラッチを有した遊星歯車機構介して接続されている車両系建設機械において、走行時の蓄電器の充放電を適切に制御することが可能な車両系建設機械及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を解決するための主たる本発明は、エンジンと、電動発電機と、前記電動発電機と接続された蓄電器と、前記エンジンの出力軸と接続されたサンギヤと、前記電動発電機の出力軸と接続されたリングギヤと、キャリア軸とを有する遊星歯車機構と、前記キャリア軸から駆動輪へのトルク伝達経路に設けられた変速機と、前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させ又は切り離す直結クラッチと、を備え、前記電動発電機及び／又は前記エンジンによって発生したトルクを前記駆動輪に伝達することにより走行するよう構成された車両系建設機械であって、前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとの間に設けられ、前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させ又は切り離すエンジン切離クラッチと、前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを切り離すとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させて前記エンジン及び前記電動発電機によって発生したトルクによって走行させる第１の走行モード、又は前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させるとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを切り離して前記電動発電機のみで走行させる第２の走行モードを少なくとも前記蓄電器の蓄電量に基づき選択して設定する走行モード設定器と、を備える、車両系建設機械である。
【００２４】
上記の構成により、極低速域において高牽引力が必要となり、低速域における加速及び減速の繰り返し並びにスイッチバックの繰り返しが強いられる車両系建設機械をトルクコンバータを用いることなく実現することができる。さらに、低速域において電動発電機の回生制動が繰り返し行われることにより、蓄電器が満充電になった場合、第１の走行モードを第２の走行モードに切り替える。つまり、エンジン切離クラッチによりエンジンの出力軸と遊星歯車機構のサンギヤとの結合を切り離すとともに、直結クラッチにより遊星歯車機構のサンギヤとキャリア軸とを結合させる。この結果として、電動発電機のトルクのみによって走行されるため、満充電の蓄電器に蓄電されている電力を消費することができ、車両系建設機械の走行を継続させることが可能となる。
【００２５】
上記の車両系建設機械であって、前記走行モード設定器は、前記第１の走行モード又は前記第２の走行モードを前記蓄電器の蓄電量と車速とに基づき選択して設定する、としてもよい。
【００２６】
上記の車両系建設機械であって、前記走行モード設定器は、前記蓄電器の蓄電量が所定の上限値よりも大きく、かつ車速が所定の下限値よりも低い場合には、前記第２の走行モードを設定し、前記蓄電器の蓄電量が前記所定の上限値よりも小さく、又は車速が前記所定の下限値よりも高い場合には、前記第１の走行モードを設定するように構成されている、としてもよい。
【００２７】
上記の構成により、前記蓄電器の蓄電量が所定の上限値よりも大きく、かつ車速が所定の下限値よりも低い場合には、蓄電器の満充電が起こりやすい所謂ストール状態と判定し、第２の走行モードにより蓄電器の蓄電量を消費することができる。
【００２８】
上記の車両系建設機械であって、前記エンジンの出力軸と接続され、減速時のエンジンブレーキを増強させるエンジンブレーキ増強機構をさらに備え、前記走行モード設定器は、減速要求を受けた場合には、前記第１の走行モードから前記第２の走行モードに切り替えるように構成されている、としてもよい。
【００２９】
上記の構成により、減速要求を受けた場合に、第１の走行モードから第２の走行モードに切り替えることによって、エンジン切離クラッチによりエンジンの出力軸と遊星歯車機構のサンギヤとの結合が切り離されるため、減速時の電動発電機の回生制動により生じた減速エネルギーの一部がエンジンブレーキ増強機構によって消費されなくなる。つまり、減速時の電動発電機の回生効率が向上することになり、ひいては蓄電器を効率よく充電することが可能となる。
【００３０】
上記の車両系建設機械であって、前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記エンジンの回転数を制御するエンジン回転数制御器と、前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量、前記電動発電機の動作状態、及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記変速機の変速段を制御する変速段制御器と、前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量、車速、及び前記変速機の変速段に基づいて、前記エンジン及び前記電動発電機に発生させるトルクを制御するトルク制御器と、をさらに有してもよい。
【００３１】
上記の構成によれば、エンジン及び電動発電機のトルクがバランスを保った状態で、蓄電器の限られた蓄電容量の範囲内において充放電を繰り返しながら走行することが容易となる。したがって、極低速かつ高牽引力が必要なストール時において、第１の走行モードから第２の走行モードに切り替えることなく、蓄電器が満充電になることを回避しやすくなる。
【００３２】
上記の課題を解決するための主たるその他の本発明は、エンジンと、電動発電機と、前記電動発電機と接続された蓄電器と、前記エンジンの出力軸と接続されたサンギヤと、前記電動発電機の出力軸と接続されたリングギヤと、キャリア軸とを有する遊星歯車機構と、前記キャリア軸から駆動輪へのトルク伝達経路に設けられた変速機と、前記サンギヤと前記キャリア軸とを直結させ又は切り離す直結クラッチと、を備え、前記電動発電機及び／又は前記エンジンによって発生したトルクを前記駆動輪に伝達することにより走行するよう構成された車両系建設機械の制御方法であって、少なくとも前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを切り離すとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを結合させて前記エンジン及び前記電動発電機によって発生したトルクによって走行させる第１の走行モード、又は前記直結クラッチにより前記サンギヤと前記キャリア軸とを結合させるとともに前記エンジン切離クラッチにより前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとを切り離して前記電動発電機のみで走行させる第２の走行モードを選択して設定する、車両系建設機械の制御方法である。
【００３３】
上記の制御方法であって、前記第１の走行モード又は前記第２の走行モードを前記蓄電器の蓄電量と車速とに基づき選択して設定する、としてもよい。
【００３４】
上記の制御方法であって、前記蓄電器の蓄電量が所定の上限値よりも大きく、かつ車速が所定の下限値よりも低い場合には、前記第１の走行モードを設定し、前記蓄電器の蓄電量が前記所定の上限値よりも小さく、又は車速が前記所定の下限値よりも高い場合には、前記第２の走行モードを設定する、としてもよい。
【００３５】
上記の制御方法であって、前記車両系建設機械は、前記エンジンの出力軸と接続され、減速時のエンジンブレーキを増強させるエンジンブレーキ増強機構をさらに備えており、  減速要求を受けた場合には、前記第１の走行モードから前記第２の走行モードに切り替える、としてもよい。
【００３６】
上記の制御方法であって、前記第１の走行モードにおいて、アクセル操作量及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記エンジンの回転数を制御し、アクセル操作量、前記電動発電機の動作状態、及び前記蓄電器の蓄電量に基づいて、前記変速機の変速段を制御し、かつアクセル操作量、車速、及び前記変速機の変速段に基づいて、前記エンジン及び前記電動発電機に発生させるトルクを制御する、ようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、蓄電器が接続されている電動発電機とエンジンとが直結クラッチを有した遊星歯車機構を介して接続されている車両系建設機械において、走行時の蓄電器の充放電を適切に制御することが可能な車両系建設機械及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るＭ／Ｇ単独走行モードを説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る車両系建設機械が備える制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】エンジン設定回転数計算の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】電動発電機トルク指令及びエンジントルク指令の算出処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】変速段計算の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図７】加速状態における遊星歯車機構の速度線図である。
【図８】加速状態における遊星歯車機構の速度線図である。
【図９】加速状態における遊星歯車機構の速度線図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る走行モード設定処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態１に係るＭ／Ｇ単独走行モード時の速度線図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る車両系建設機械が備える制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係るエンブレ増強指令の算出処理の一例を示すフローチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態２に係る走行モード設定処理の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態２に係るＭ／Ｇ単独走行モード時の速度線図である。
【図１７】Ｖ字作業を説明するための平面図である。
【図１８】従来の車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。
【図１９】発進時又はストール時における遊星歯車機構の速度線図である。
【図２０】発進後又は高牽引時における遊星歯車機構の速度線図である。
【図２１】電動発電機の回転数がゼロとなる状態における遊星歯車機構の速度線図である。
【図２２】電動発電機が力行となる状態における遊星歯車機構の速度線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００４０】
（実施の形態１）
[車両系建設機械の主要部の構成]
図１は、本発明の実施の形態１に係る車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。なお、図１に示す車両系建設機械３００は、図１８に示す車両系建設機械１と構成上相違する点は、エンジン１１０とサンギヤ１１６ａとの間にエンジン切離クラッチ１２１を配置した点である。
【００４１】
車両系建設機械３００は、エンジン１１０と電動発電機１１１とを備えている。エンジン１１０の出力軸は、エンジン切離クラッチ１２１を介して遊星歯車機構５０のサンギヤ１１６ａと接続される。エンジン切離クラッチ１２１は、エンジン１１０の出力軸と遊星歯車機構５０のサンギヤ１１６ａとを結合又は切り離すクラッチである。エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとの結合を切り離す場合には、エンジン１１０が、遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構と完全に切り離された状態となり、エンジン１１０のトルクがその方向に依らずに（正トルクであっても負トルクであっても）当該走行駆動機構に全く伝達されなくなる。
【００４２】
電動発電機１１１の出力軸は、遊星歯車機構５０のリングギヤ１１６ｂとかみ合う接ギヤ１１７と接続されている。また、遊星歯車機構５０のキャリア軸（出力軸）１１８は、複数の変速段を自動的に切替可能な電子制御の変速機１１２と接続されている。
【００４３】
遊星歯車機構５０には、例えば、サンギヤ１１６ａ、リングギヤ１１６ｂ及びキャリア軸１１８のうちのいずれか２つを直結（結合）させて、エンジン１１０の出力軸回転数と電動発電機１１１の回転数と遊星歯車機構５０のキャリア軸１１８の回転数とを同一の回転数とさせる直結クラッチ１１５が設けられている。つまり、直結クラッチ１１５は、所謂ロックアップクラッチのように機能するものであり、蓄電器１１４の蓄電量が少なくなった場合には、サンギヤ１１６ａ、リングギヤ１１６ｂ及びキャリア軸１１８のうちのいずれか２つを直結（結合）させることによって、車両系建設機械３００をエンジン１１０のトルクのみで走行可能とさせる。なお、図１では、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとが結合されており、かつ直結クラッチ１１５がエンジン１１０（サンギヤ１１６a）と変速機１１２（キャリア軸１１８）とが直結されている状態を示している。
【００４４】
変速機１１２は、デファレンシャルギヤ１１９を介して、駆動輪１２０と接続されている。なお、デファレンシャルギヤ１１９を介さずに、変速機１１２と駆動輪１２０とが直接接続されてもよい。また、エンジン１１０と変速機１１２とは直結クラッチ１１５を介して接続されている。
【００４５】
電動発電機１１１は、インバータ１１３を介して蓄電器１１４と接続されている。蓄電器１１４は、電力を貯蔵できる機器であり、例えばキャパシタや二次電池などを採用することができる。電動発電機１１１は、回生制動による発電源又は力行による動力源として機能する。
【００４６】
なお、図１には示されていないが、後述するように、車両系建設機械３００は、機械式ブレーキを電子制御するためのブレーキ回路を備えている。また、車両系建設機械３００は、エンジン１１０、電動発電機１１１及び変速機１１２の動作を制御するための制御装置２００を備えている。制御装置２００は、例えば、マイクロコンピュータによって構成される。
【００４７】
上記の構成により、図２に示すように、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０を遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構と切り離し、直結クラッチ１１５により遊星歯車機構５０のリングギヤ１１６ｂ（電動発電機１１１）とキャリア軸１１８（変速機１１２）とを結合させることができる。また、この結果、遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構は、エンジン１１０とは無関係に、電動発電機１１１単独で駆動することができる。以下の説明では、エンジン１１０が切り離されて、かつ遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構が電動発電機１１１単独で駆動されるモードのことを「Ｍ／Ｇ（Motor/Generator）単独走行モード」と呼ぶ。
【００４８】
[制御装置の構成]
図３は、本発明の実施の形態１に係る制御装置２００の構成を示す機能ブロック図である。
【００４９】
制御装置２００には、蓄電器１１４の蓄電量、アクセル及びブレーキ操作量、車速、電動発電機回転数及びトルク（蓄電器１１４の充放電量に相当）、エンジン回転数、並びに前後進レバーのレバー位置が入力されている。
【００５０】
エンジン回転数設定手段２０１は、蓄電器１１４の蓄電量及びアクセル操作量の入力に基づいて、エンジン回転数の設定を行う。また、エンジン回転数制御手段２０２は、エンジン回転数設定手段２０１によって定められたエンジン設定回転数及びエンジン１１０の実回転数、並びに電動発電機１１１の実回転数の入力を受け、これらの入力からエンジン１１０及び電動発電機１１１に必要なトルクを算出する。そして、その算出した結果を示すエンジントルク増減指令及び電動発電機トルク増減指令を出力する。
【００５１】
計算手段２０３が備える走行トルク計算手段２０３ａは、アクセル及びブレーキ操作量などから、走行に必要とされる走行トルクを計算して、その計算した結果を走行トルク指令として出力する。この結果、ブレーキを効かした状態で駆動力をかけることによりエネルギーを無駄に消費したり、ブレーキに過度な負担をかけるような動作を起こさせないようにすることができる。
【００５２】
出力トルク制限手段２０４は、走行トルク計算手段２０３ａから走行トルク指令を受け、その走行トルク指令を、蓄電器１１４の蓄電量が少ない場合や過剰な場合に電動発電機１１１の出力を制限するように、電動発電機・エンジントルク配分手段２０５へ出力する。なお、出力トルク制限手段２０４が省略されて、走行トルク計算手段２０３ａから電動発電機・エンジントルク配分手段２０５へ走行トルク指令が直接出力されてもよい。
【００５３】
電動発電機・エンジントルク配分手段２０５は、走行トルク指令に基づいて、電動発電機１１１及びエンジン１１０へのトルク配分を計算し、その結果として電動発電機トルク指令及びエンジントルク指令を電動発電機１１１及びエンジン１１０へそれぞれ出力する。なお、この電動発電機トルク指令に対し、エンジン回転数制御手段２０２によって出力された電動発電機トルク増減指令が加えられた信号が、電動発電機１１１に入力される。他方、エンジン１１０には、このエンジントルク指令に対し、同じく出力されたエンジントルク増減指令が加えられた信号が入力される。
【００５４】
計算手段２０３が備える変速段計算手段２０３ｂは、アクセル操作量、蓄電器１１４の蓄電量、及び電動発電機１１１の動作状態（回生制動又は力行）から変速段を計算し、その計算した結果に基づいてシフトアップ又はシフトダウンが必要であるか否かについての変速指令を変速機１１２へ出力する。
【００５５】
なお、計算手段２０３は、減速中に変速段を切り替える場合に、クラッチが切れた状態となって減速が一旦弱まる（トルク抜け）ことに伴う操縦フィーリングの低下を防止するために、機械式ブレーキ（図示せず）を制御する電子制御ブレーキ回路２１に対して、機械式ブレーキ指令を出力する。この結果、機械式ブレーキが補助的に用いられ、前後進を切り替える際（スイッチバック）の減速段階においてトルク抜けが発生した場合であっても、操縦フィーリングを良好に保つことができる。
【００５６】
走行モード設定手段２０６は、蓄電器１１４の蓄電量及び車速の入力を受けて、これらの入力に基づいて、エンジン１１０及び電動発電機１１１の双方のトルクによって走行させる「通常走行モード（本願請求項に係る第１の走行モード）」又は電動発電機１１１のみのトルクで走行させる「Ｍ／Ｇ単独走行モード（本願請求項に係る第２の走行モード）」を設定する。
【００５７】
通常走行モードは、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとを結合させるとともに、直結クラッチ１１５によりサンギヤ１１６ａとキャリア軸１１８との結合を切り離すことにより設定される。なお、以下では、通常走行モード時において、エンジン切離クラッチ１２１の上記の状態のことを結合状態と呼び、直結クラッチ１１５の上記の状態のことを切離状態と呼ぶこととする。
【００５８】
Ｍ／Ｇ単独走行モードは、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとの結合を切り離してエンジン１１０を遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構と切り離すとともに、直結クラッチ１１５により遊星歯車機構５０のリングギヤ１１６ｂとキャリア軸１１８とを結合させることにより設定される。なお、以下では、Ｍ／Ｇ単独走行モード時において、エンジン切離クラッチ１２１の上記の状態のことを切離状態と呼び、直結クラッチ１１５の上記の状態のことを結合状態と呼ぶこととする。
【００５９】
[通常走行モード時の基本的な動作]
本発明における基本的な制御は、アクセル操作量及び車速から必要とする駆動力を走行トルク計算機能手段によって計算し、それに応じて、電動発電機１１１とエンジン１１０とのトルク配分（遊星歯車機構５０のギヤ比により一意に決まる）を電動発電機・エンジントルク配分手段２０５が行い、その結果を電動発電機１１１及びエンジン１１０に出力することにより行われる。
【００６０】
車両系建設機械３００の運転が停止している状態において、アクセルが離された場合には、通常エンジン回転数はアイドリング回転数となる。しかし、本発明では基本的にエンジン回転数はアクセル操作量とは独立しており、主に蓄電器１１４の蓄電量により設定される。これは次の理由による。
【００６１】
まず、エンジン回転数が低い場合には同一ギヤでの電動発電機１１１の回生制動（発電）による上限速度（即ち、回生制動から力行への移行時の速度）が低くなり、エンジン回転数が高い場合にはそれに応じて上限速度が高くなる。そして、車速が回生制動（発電）による上限速度を上回る場合には電動発電機１１１が力行状態となるが、蓄電器１１４の容量上の制限がある。このため、電動発電機１１１の力行状態を長時間継続することは不可能である。そこで、エンジン回転数を蓄電器１１４の蓄電量に応じて設定することによって、電動発電機１１１の回生制動領域及び力行領域において蓄電器１１４の蓄電量が最適化されるような制御が可能となる。
【００６２】
エンジン回転数に関する制御は、操縦フィーリングに影響を与えないように、エンジン回転数のみを変化させる必要がある。すなわち、アクセル操作量に対応した駆動力を電動発電機１１１及びエンジン１１０により発生した状態で、エンジン回転数のみを変化させる必要がある。そのために、本発明においては、遊星歯車機構５０の出力軸であるキャリア軸１１８のトルクを一定に保ったままで、電動発電機１１１とエンジン１１０とのトルク配分を変えることによって、エンジン回転数の増速及び減速を行うようにした。なお、上述した回生制動による上限速度はエンジン回転数により変化するが、さらに加速する場合は変速段を上げる（シフトアップ）ことにより、回生制動の上限速度は高くなる。本発明においては、加速により車速を上げる場合、蓄電器１１４の蓄電量が最適化されるように、エンジン回転数及び変速段を制御することとする。
【００６３】
[通常走行モード時のエンジン設定回転数の計算処理]
図４は、通常走行モード時のエンジン回転数設定手段２０１におけるエンジン設定回転数計算の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下の処理は、直結クラッチ１１５の切離状態における低速域での走行、すなわち加速及び減速を繰り返したり、スイッチバックを繰り返したりするＶ字作業における走行中の処理を対象としている。
【００６４】
まず、エンジン回転数設定手段２０１は、蓄電器１１４の蓄電量が予め設定された蓄電量の設定下限値より少ないか否かを判定する（Ｓ１０１）。ここで、蓄電量が設定下限値よりも少ない（蓄電量が不足している）と判定した場合（Ｓ１０１でＹＥＳ）には、エンジン回転数設定手段２０１は、アクセルがオン（アクセルが踏み込まれている）であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。アクセルがオンでないと判定した場合（Ｓ１０２：ＮＯ）には処理を終了し、アクセルがオンであると判定した場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）には、エンジン設定回転数を増加する（Ｓ１０３）。
【００６５】
他方、ステップＳ１０１で蓄電量が設定下限値以上である（蓄電量が十分である）と判定した場合（Ｓ１０１：ＮＯ）には、エンジン回転数設定手段２０１は、蓄電器１１４の蓄電量が、予め設定された蓄電量の上限値（設定上限値）より多いか否かを判定する（Ｓ１０４）。ここで、蓄電量が設定上限値以下である（蓄電量は適切である）と判定した場合（Ｓ１０４：ＮＯ）には処理を終了し、蓄電量が設定上限値より多い（蓄電量が過剰である）と判定した場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）には、アクセルがオンであるか否かを判定する（Ｓ１０５）。そして、アクセルがオンでないと判定した場合（Ｓ１０５：ＮＯ）には処理を終了し、アクセルがオンであると判定した場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）には、エンジン設定回転数を減少する（Ｓ１０３）。
【００６６】
なお、蓄電量が設定上限値より多いと判定した場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）には、後述の走行モード設定処理が併行して行われる。
【００６７】
このような処理を行うことによって、蓄電器１１４の蓄電量に応じた適切なエンジン回転数の設定を行うことが可能となる。
【００６８】
[通常走行モード時のトルク指令算出処理]
図５は、通常走行モード時の電動発電機・エンジントルク配分手段２０５における電動発電機トルク指令及びエンジントルク指令の算出処理の一例の手順を示す説明図である。なお、以下の処理は、直結クラッチ１１５の切離状態における低速域での走行、すなわち例えば加速及び減速を繰り返したりスイッチバックを繰り返したりするＶ字作業における走行中の処理である。また、以下では、図２に示す出力トルク制限手段２０４が省略されており、走行トルク計算手段２０３ａと電動発電機・エンジントルク配分手段２０５とが直接接続されている場合を例にとって説明する。
【００６９】
まず、電動発電機トルク指令及びエンジントルク指令の算出処理の前提となる遊星歯車機構５０の基本式を以下に示す。
【００７０】
ａＥ・ωＥ＋ａＭ・ωＭ＋ａｏｕｔ・ωｏｕｔ＝０  …（式１：回転数の関係）
ＴＥ／ａＥ＝ＴＭ／ａＭ＝Ｔｏｕｔ／ａｏｕｔ …（式２：トルクの関係）
ａＥ＋ａＭ＋ａｏｕｔ＝０ …（式３：係数の関係）
【００７１】
以上の式において、ωＥ、ωＭ、ωｏｕｔは、エンジン１１０（サンギヤ１１６ａ）、電動発電機１１１（リングギヤ１１６ｂ）、遊星歯車機構５０の出力軸（キャリア軸１１８）の回転数をそれぞれ表しており、ＴＥ、ＴＭ、Ｔｏｕｔは、エンジン１１０（サンギヤ１１６ａ）、電動発電機１１１（リングギヤ１１６ｂ）、遊星歯車機構５０の出力軸（キャリア軸１１８）のトルクをそれぞれ表している。また、ａＥ、ａＭ、ａｏｕｔは、遊星歯車機構５０のパラメータを表している。
【００７２】
図５に示すとおり、走行トルク計算手段２０３ａは、アクセル操作量、車速、及び変速段に基づいて、走行に必要なトルクを算出し、その算出した結果として走行トルク指令（Ｔout）を電動発電機・エンジントルク配分手段２０５へ出力する。
【００７３】
電動発電機・エンジントルク配分手段２０５は、走行トルク指令（Ｔout）の入力を受けて、ＴＭ（＝Ｔｏｕｔ・ａＭ／ａｏｕｔ）及びＴＥ（＝Ｔｏｕｔ・ａＭ／ａｏｕｔ）を計算して、その計算結果として電動発電機トルク指令（ＴＭ）及びエンジントルク指令（ＴＥ）を電動発電機１１１及びエンジン１１０へそれぞれ出力する。
【００７４】
なお、走行に必要な牽引力以外の牽引力を必要としない通常の走行の場合、走行トルクは、アクセル操作量及び車速（車速の変化率も含む）により一意に決定される。この走行トルクの計算においては、変速段によらず同じ加速となるように、変速段の段数も考慮されている。これにより、蓄電量により変速段が異なっている場合であっても、同じ速度で同じアクセル操作量であれば同じ走行トルク指令が出力されることになり、同じ加速力が得られる。したがって、操縦者はその時点での変速段を意識する必要はない。
【００７５】
また、重量物の牽引及び土砂のすくいこみなどの高牽引力が必要となる走行においては、走行トルク指令を出力しても車速が上昇しないため、必要に応じて走行トルク指令を増加する必要が生じる。この場合、走行トルク計算処理に組み込まれた積分制御の積分器上限をアクセル操作量で設定すればよい。この機能により、重量物の牽引や土砂のすくいこみ時に、アクセルを踏み込んでも車速が上昇しない場合には牽引力を増加させていき、その上限値がアクセル操作量で設定されることにより、必要な牽引力がアクセル操作で得られる。
【００７６】
このような高牽引力が必要とされる走行状況においては、回生制動による走行が多くなり、発電状態が持続することとなるため、後述する変速段計算手段２０３ｂにおける処理の結果シフトダウンが行われ、その結果牽引力も増すこととなる。また、土砂のすくいこみ作業などの際に操縦者が事前に牽引力の増加が必要であると判断した場合は、手動でシフトダウンを行うことによって、円滑に作業を行うことができる。
【００７７】
[通常走行モード時の変数段数の計算処理]
図６は、通常走行モード時の変速段計算手段２０３ｂにおける変速段計算の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下の処理は、直結クラッチ１１５の切離状態における通常走行モード時の低速域での走行、すなわち加速及び減速を繰り返したり、スイッチバックを繰り返したりするＶ字作業における走行中の処理を対象としている。
【００７８】
変速段計算手段２０３ｂは、アクセルがオンである（アクセルが踏み込まれて加速している）か否かを判定する（Ｓ２０１）。ここで、アクセルがオンであると判定した場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）には、変速段計算手段２０３ｂは、電動発電機１１１が回生制動状態にあるのか若しくは力行状態にあるのかを判定する（Ｓ２０２）。
【００７９】
ステップＳ２０２において、電動発電機１１１が力行状態にある（電動発電機１１１が正転している）と判定した場合（Ｓ２０２：「力行」）には、変速段計算手段２０３ｂは、蓄電量が設定下限値より少ないか否かを判定し（Ｓ２０３）、蓄電量が設定下限値以上である（蓄電量が十分である）と判定した場合（Ｓ２０３：ＮＯ）には処理を終了する。他方、蓄電量が設定下限値より少ない（蓄電量が不足している）と判定した場合（Ｓ２０３：ＹＥＳ）には、変速段計算手段２０３ｂは、シフトアップするように変速指令を変速機１１２へ出力する（Ｓ２０４）。
【００８０】
また、ステップＳ２０２において、電動発電機１１１が回生制動状態にある（電動発電機１１１が逆転している）と判定した場合（Ｓ２０２：「回生制動」）には、変速段計算手段２０３ｂは、蓄電量が設定上限値より多いか否かを判定し（Ｓ２０５）、蓄電量が設定上限値以下である（蓄電量が適切である）と判定した場合（Ｓ２０５：ＮＯ）には処理を終了する。他方、蓄電量が設定上限値より多い（蓄電量が過剰である）と判定した場合（Ｓ２０５：ＹＥＳ）には、変速段計算手段２０３ｂは、シフトダウンするように変速指令を変速機１１２へ出力する（Ｓ２０６）。
【００８１】
ステップＳ２０１において、アクセルがオンでない（エンジンブレーキが作動中である）と判定した場合（Ｓ２０１：ＮＯ）には、変速段計算手段２０３ｂは、電動発電機１１１が回生制動状態にあるか力行状態にあるかを判定する（Ｓ２０７）。
【００８２】
ステップＳ２０７において、電動発電機１１１が力行状態にあると判定した場合（Ｓ２０７：「力行」）には、変速段計算手段２０３ｂは、蓄電量が設定下限値より少ないか否かを判定し（Ｓ２０８）、蓄電量が設定下限値以上である（蓄電量が十分である）と判定した場合（Ｓ２０８：ＮＯ）には、処理を終了する。他方、蓄電量が設定下限値より少ない（蓄電量が不足している）と判定した場合（Ｓ２０８：ＹＥＳ）には、変速段計算手段２０３ｂは、シフトダウンするように変速指令を変速機１１２へ出力する（Ｓ２０９）。
【００８３】
また、ステップＳ２０７において、電動発電機１１１が回生制動状態にあると判定した場合（Ｓ２０７：「回生制動」）には、変速段計算手段２０３ｂは、蓄電量が設定上限値より多いか否かを判定し（Ｓ２１０）、蓄電量が設定上限値以下である（蓄電量が適切である）と判定した場合（Ｓ２１０：ＮＯ）には、処理を終了する。他方、蓄電量が設定上限値より多い（蓄電量が過剰である）と判定した場合（Ｓ２１０：ＹＥＳ）には、変速段計算手段２０３ｂは、シフトアップするように変速指令を変速機１１２へ出力する（Ｓ２１１）。
【００８４】
なお、上記の処理の中で、蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値よりも多いと判定した場合（Ｓ２０５：ＹＥＳ、Ｓ２１０：ＹＥＳ）には、後述の走行モード設定処理が併行して行われる。
【００８５】
このように処理することにより、電動発電機１１の状態及び蓄電器１１４の蓄電量に応じた適切な変速段の切替を行うことが可能となる。
【００８６】
[通常走行モード時のトルクバランス制御]
エンジン１１０及び電動発電機１１１の発生トルクのバランスを変えることにより、エンジン回転数及び電動発電機回転数を制御する点について説明する。
【００８７】
遊星歯車機構５０においては、遊星歯車機構５０の上述の基本式に示すように、各軸のトルクバランスが一致することとなる。そのため、エンジン１１０及び電動発電機１１１のトルクがバランスしていると、エンジン１１０及び電動発電機１１１はともに回転数を上げながら車体を加速させる（遊星歯車機構５０の出力軸の回転数を上昇させる）。ここで、エンジン１１０及び電動発電機１１１のトルクバランスを変えるべく、例えばエンジントルクを大きくすると、エンジン回転数が上昇する一方で電動発電機回転数は低下する。このように、エンジン１１０及び電動発電機１１１のトルクバランスを変えてエンジン１１０及び電動発電機回転数を制御することにより、蓄電器１１４の充放電を繰り返しながら車両系建設機械３００の走行を続けることが可能になる。以下、図７乃至図９を参照しながら具体的に説明する。
【００８８】
図７乃至図９は、加速状態における遊星歯車機構５０の速度線図である。図７乃至図９に示すいずれかの場合においても、遊星歯車機構５０の出力軸の回転数は同一となっている。図８に示すように、電動発電機１１１が回生制動と力行との間の遷移点の状態にある場合には、蓄電器１１４の充放電は行われない。ここで、エンジン１１０及び電動発電機１１１のトルクバランスを変えて、エンジントルクを小さくすると、エンジン回転数が低下する一方で、電動発電機回転数は上昇することとなる。その結果、電動発電機１１１は、図７に示すように、力行状態となり、蓄電器１１４に蓄電された電力を消費する。これに対し、エンジントルクを大きくすると、エンジン回転数が上昇する一方で、電動発電機回転数は低下する。その結果、電動発電機１１１は、図９に示すように、回生制動状態となり、蓄電器１１４が充電されることとなる。
【００８９】
このように、同一の車速であっても、エンジン回転数に応じて電動発電機１１１は力行及び回生制動のいずれかの状態をとりうるため、電動発電機１１１による蓄電器１１４の充放電をエンジン回転数によって制御することが可能となる。
【００９０】
[エンジン切離クラッチ及び直結クラッチ結合時の走行動作]
以上では、エンジン切離クラッチ１２１の結合状態及び直結クラッチ１１５の切離状態（通常走行モード）における走行動作について説明したが、エンジン切離クラッチ１２１の結合状態及び直結クラッチ１１５の結合状態における走行動作について以下に説明する。
【００９１】
エンジン切離クラッチ１２１及び直結クラッチ１１５が結合状態の場合、遊星歯車機構５０のキャリア軸１１８に電動発電機１１１が接続されたことと同じ状態になる。そのため、減速の場合には、電動発電機１１１の回生制動により発電して蓄電器１１４には電力が蓄えられ、また機械ブレーキの負担を減らすことができる。加速の場合には、蓄電器１１４に蓄電されている余剰電力を利用して、電動発電機１１１の力行によりエンジン１１０をアシストすることができる。
【００９２】
また、変速機１１２の変速段をニュートラルにすることによって、エンジン１１０と電動発電機１１１とが直結されることとなる。電動発電機１１１は、通常のスタータと比べると十分に強力なものであるため、このように、エンジン１１０と電動発電機１１１とを直結させることによって、電動発電機１１１をスタータの代わりとして使用することができる。この場合、ニュートラルから前進段への切り替えは、操縦者からのレバー操作信号を受けた制御装置２００が変速機１１２に対して指令を出力することにより行われる。ここで、制御装置２００は、前進段に切り替える前に、スタータの代わりとなる電動発電機１１１によってエンジン１１０を始動し、その後変速段を前進に切り替えるように変速機１１２に指令を出力すればよい。
【００９３】
[走行モード設定処理]
図１０は、走行モード設定手段２０６の走行モード設定処理の手順を示すフローチャートである。
【００９４】
まず、走行モード設定手段２０６は、デフォルトの設定として通常走行モードを選択しており、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとを結合させるとともに、直結クラッチ１１５によりサンギヤ１１６ａとキャリア軸１１８との結合を切り離す（Ｓ３００）。この結果、通常走行モードが設定される。
【００９５】
つぎに、走行モード設定手段２０６は、蓄電器１１４の蓄電量及び車速の入力を受けて、蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを上回る（蓄電量が過剰である）か否かを判定するとともに、車速が設定下限値βを下回る（車速が極低速である）か否かを判定する（Ｓ３０１）。蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを下回る場合及び／又は車速が設定下限値βを上回る場合（Ｓ３０１：ＮＯ）には、走行モード設定手段２０６は通常走行モードの設定を維持するように動作する。
【００９６】
一方、蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを上回る場合及び車速が設定下限値βを下回る場合（Ｓ３０１：ＹＥＳ）には、走行モード設定手段２０６は、通常走行モードからＭ／Ｇ単独走行モードに切り替えるように動作する。具体的には、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０を遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構と切り離すとともに、直結クラッチ１１５により遊星歯車機構５０のリングギヤ１１６ｂとキャリア軸１１８とを結合させる（Ｓ３０２）。
【００９７】
その後、走行モード設定手段２０６は、Ｍ／Ｇ単独走行モード中に蓄電器１１４の蓄電量が設定下限値γを下回る（蓄電量が不足している）か否かを判定する（Ｓ３０３）。蓄電器１１４の蓄電量が設定下限値γを上回っていれば（Ｓ３０３：ＮＯ）、Ｍ／Ｇ単独走行モードの設定を維持するように動作する。一方、蓄電器１１４の蓄電量が設定下限値γを下回れば（Ｓ３０３：ＹＥＳ）、ステップＳ３００に戻り、Ｍ／Ｇ単独走行モードを通常走行モードに切り替えるように動作する。つまり、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとを結合させるとともに、直結クラッチ１１５によりサンギヤ１１６ａとキャリア軸１１８との結合を切り離す。
【００９８】
ところで、通常走行モードからＭ／Ｇ単独走行モードに切り替わる場合とは、例えば、車両系建設機械３００の通常走行モードによる運転中に、土砂をすくいこむときに極低速の車速で高牽引力となるストール状態や坂道登坂時や重量物を牽引している場合である。この場合、電動発電機１１の回生制動が頻繁に行われることにより、蓄電器１１４が満充電となるおそれがある。そこで、蓄電量が過剰であり、かつ車速が極低速の場合には、ストール状態や高牽引の状態であるものとみなし、通常走行モードからＭ／Ｇ単独走行モードに切り替える。この結果、蓄電器１１４に蓄電されている蓄電量を消費（放電）することができ、車両系建設機械３００の走行を継続させることができる。
【００９９】
なお、Ｍ／Ｇ単独走行モード時の遊星歯車機構５０の速度線図は、例えば図１１に示される状態となる。図１１の速度線図に示すように、Ｍ／Ｇ単独走行モードの場合には、電動発電機回転数と遊星歯車機構５０の出力軸（キャリア軸１１８）の回転数とは同一の回転数となっている。また、エンジン切離クラッチ１２１の切離状態によりエンジン１１０はフリーの運転状態となっている。さらに、遊星歯車機構５０の出力軸にはアクセル操作量に応じた正のトルクを発生しており、電動発電機１１１は力行の方向にトルクを発生している。このとき、電動発電機１１１は、蓄電器１１４に蓄電されている電力を消費することとなる。
【０１００】
（実施の形態２）
[車両系建設機械の構成]
図１２は、本発明の実施の形態２に係る車両系建設機械の主要部の構成を示すブロック図である。図１２に車両系建設機械３００は、図１に示す車両系建設機械３００と構成上相違する点は、エンジン１１０とエンジン切離クラッチ１２１との間に配設されるギヤ１２２と、ギヤ１２２と噛合させるギヤ１２３と、ギヤ１２３の軸と接続されるエンジンブレーキ力増強装置（以下、エンブレ増強装置と呼ぶ）１２４と、を設けた点である。なお、エンブレ増強装置１２４は、減速時のエンジンブレーキ力を増強させる際に自身を抵抗として機能させる装置であり、例えば油圧ポンプ及びその周辺の油圧回路によって構成される。なお、その他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので、同一符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
[制御装置の構成]
図１３は、本発明の実施の形態２に係る車両系建設機械が備える制御装置２００の構成を示す機能ブロック図である。図１３に示すとおり、計算手段２０３は、エンブレ増強値計算手段２０３ｃを備えている。このエンブレ増強値計算手段２０３ｃは、必要となるエンジンブレーキ値を計算し、その計算した結果を示すエンブレ増強指令をエンブレ増強装置１２４へ出力する。エンブレ増強装置１２４は、入力されたエンブレ増強指令に基づいて、減速エネルギーを消費する。また、走行モード設定手段２０６は、蓄電器１１４の蓄電量及び車速の他にブレーキの状態が入力される。なお、制御装置２００のその他の構成については、実施の形態１の場合と同様であるので、同一符合を付して説明を省略する。
【０１０２】
[エンブレ増強指令の算出処理]
図１４は、エンブレ増強値計算手段２０３ｃにおけるエンブレ増強指令の算出処理の一例の手順を示す説明図である。図１４に示すとおり、走行トルク計算手段２０３ａは、アクセル操作量、車速、及び変速段に基づいて、走行に必要なトルクを算出し、その算出した結果として走行トルク指令（Ｔｏｕｔ）を電動発電機・エンジントルク配分手段２０５へ出力する。
【０１０３】
電動発電機・エンジントルク配分手段２０５は、走行トルク指令（Ｔｏｕｔ）の入力を受けて、ＴＭ（＝Ｔｏｕｔ・ａＭ／ａｏｕｔ）及びＴＥ（＝Ｔｏｕｔ・ａＥ／ａｏｕｔ）を計算して、その計算結果として電動発電機トルク指令（ＴＭ）及びエンジントルク指令（ＴＥ）を電動発電機１１１及びエンジン１１０へそれぞれ出力する。
【０１０４】
また、エンブレ増強値計算手段２０３ｃは、減速の場合に、エンジン回転数からエンブレ値（ＴＥＢ）を計算し、電動発電機・エンジントルク配分手段２０５から出力されたエンジントルク（ＴＥ）からそのエンブレ値（ＴＥＢ）を減算することにより、エンブレ増強値（ＴＥＢｃｍｄ）を算出する。これにより、エンジン１１０自身の抵抗、すなわちエンブレ値（ＴＥＢ）と、エンブレ増強装置１２４により発生させられる抵抗（ＴＥＢｃｍｄ）とが、エンジン１１０の出力軸に発生する負トルクとなり、エンジン１１０の出力軸にＴＥ（＝ＴＥＢ−ＴＥＢｃｍｄ）の負トルクを発生させることができる。
【０１０５】
ところで、減速する場合にはエンジン１１０及び電動発電機１１１において通常負トルクを発生させる必要がある。この場合、エンジン１１０は実際に負トルクを発生させることはできないので、エンジン自身の抵抗（エンジンブレーキ）の範囲内で減速させることとなる。このため、更なる減速力が必要であるとき（急勾配な坂を下る場合又はスイッチバックを行う場合等）には、エンブレ増強装置１２４によってエンジン１１０の出力軸に負トルクを発生させる必要がある。これにより、減速エネルギーを電動発電機１１１の発電により回収することができ、また機械ブレーキの負担を減らすことができる。
【０１０６】
[通常走行モード時の動作]
本発明の実施の形態２に係る車両系建設機械３００の通常走行モード時の動作、例えば、エンジン設定回転数の計算処理、トルク指令算出処理、変数段数の計算処理、トルクバランス制御については本発明の実施の形態１と同様であるため説明を省略する。また、エンジン切離クラッチ１２１が結合されるとともに直結クラッチ１１５が結合された状態における走行動作についても本発明の実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【０１０７】
[走行モード設定処理]
図１５は、走行モード設定手段２０６の走行モード設定処理の手順を示すフローチャートである。
【０１０８】
まず、走行モード設定手段２０６は、デフォルトの設定として通常走行モードを選択しており、エンジン切離クラッチ１２１を結合させるとともに、直結クラッチ１１５を切り離す（Ｓ４００）。この結果、通常走行モードが設定される。
【０１０９】
つぎに、走行モード設定手段２０６は、ブレーキが踏み込まれているか否か、すなわち車両系建設機械３００が減速要求を受けているか否かを判定する（Ｓ４０１）。なお、車両系建設機械３００は、減速要求を受けた場合、電動発電機１１１の回生制動により発電しながら減速することとなる。さらに、強い減速力が必要である場合には、上記のとおりエンブレ増強装置１２４を稼動することになる。
【０１１０】
減速要求を受けていないことを判定した場合（Ｓ４０１：ＮＯ）には、通常走行モードの設定を維持するように動作する。一方、減速要求を受けていることを判定した場合（Ｓ４０１：ＹＥＳ）には、走行モード設定手段２０６は、通常走行モードからＭ／Ｇ単独走行モードに切り替えるように動作する。具体的には、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０を遊星歯車機構５０の出力側の走行駆動機構と切り離すとともに、直結クラッチ１１５により遊星歯車機構５０のリングギヤ１１６ｂとキャリア軸１１８とを結合させる（Ｓ４０２）。
【０１１１】
その後、走行モード設定手段２０６は、Ｍ／Ｇ単独走行モード中に蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを上回る（蓄電量が過剰である）か否か、若しくは車速が設定下限値βを下回る（車速が極低速である）か否かを判定する（Ｓ４０３）。蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを下回り、かつ車速が下限設定値βを上回る（Ｓ４０３：ＮＯ）場合には、Ｍ／Ｇ単独走行モードの設定を維持するように動作する。一方、蓄電器１１４の蓄電量が設定上限値αを上回るか、若しくは車速が下限設定値βを下回る（Ｓ３０３：ＹＥＳ）場合には、ステップＳ４００に戻り、Ｍ／Ｇ単独走行モードを通常走行モードに切り替えるように動作する。つまり、エンジン切離クラッチ１２１によりエンジン１１０の出力軸とサンギヤ１１６ａとを結合させるとともに、直結クラッチ１１５によりサンギヤ１１６ａとキャリア軸１１８との結合を切り離す。
【０１１２】
なお、Ｍ／Ｇ単独走行モード時の車両系建設機械３００の速度線図は、例えば図１６に示される状態となる。図１６の速度線図に示すように、Ｍ／Ｇ単独走行モードの場合には、電動発電機回転数と遊星歯車機構５０の出力軸（キャリア軸１１８）の回転数とは同一の回転数となっている。また、エンジン切離クラッチ１２１の切離状態により、エンジン１１０はフリーの運転状態となっている。さらに、遊星歯車機構５０の出力軸には減速要求に応じた負のトルクが発生しており、電動発電機１１１は回生制動の方向に減速トルクを発生して発電を行っている。
【０１１３】
以上のように、車両系建設機械３００が減速要求を受けておりエンブレ増強装置１２４を稼動させる場合には、通常走行モードからＭ／Ｇ単独走行モードに切り替えることによって、エンジン１１０は遊星歯車機構５０のサンギヤ１１６ａと切り離される。このため、エンブレ増強装置１２４によって減速エネルギーの一部をエンジンブレーキとして消費することがなくなる。このため、減速時における電動発電機１１１の回生効率が向上することとなり、減速後に必要となる蓄電器１１４の蓄電量を十分に確保することが可能となる。
【０１１４】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明は、極低速で高牽引力を必要とし、また加減速運転の多い車両系建設機械、特に、ホイールローダにとって有用である。
【符号の説明】
【０１１６】
５０  遊星歯車機構
１１０  エンジン
１１１  電動発電機
１１２  変速機
１１３  インバータ
１１４  蓄電器
１１５  直結クラッチ
１１６ａ  サンギヤ
１１６ｂ  リングギヤ
１１７  ギヤ
１１８  キャリア軸
１１９  デファレンシャルギヤ
１２０  駆動輪
１２１  エンジン切離クラッチ
１２２  ギヤ
１２３  ギヤ
１２４  エンブレ増強装置
２００  制御装置
２０１  エンジン回転数設定手段
２０２  エンジン回転数制御手段
２０３  計算手段
２０３ａ  走行トルク計算手段
２０３ｂ  変速段計算手段
２０３ｃ  エンブレ増強値計算手段、
２０４  出力トルク制限手段、
２０５  電動発電機・エンジントルク配分手段
２０６  走行モード設定手段
３００、３１０  車両系建設機械
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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