(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステアリング・サブシステム、機具サブシステム、及びパワー・トレイン・サブシステム、並びに前記サブシステムを作動させるための動力源を有する建設機械を作動する方法であって、
前記機具サブシステムに動力を配分可能な動力管理コントローラを設け、
前記ステアリング・サブシステム、前記機具サブシステム、及び前記パワー・トレイン・サブシステムによる消費に利用可能な、前記動力源により生成された動力量を求め、前記動力量を表す信号を前記動力管理コントローラに送信し、
前記動力管理コントローラに、前記ステアリング・サブシステムが要求する動力を表す信号を与え、前記動力管理コントローラが、前記ステアリング・サブシステム、前記機具サブシステム、及び前記パワー・トレイン・サブシステムに利用可能な動力の量から、前記ステアリング・サブシステムが要求する動力を差し引くことにより、前記機具サブシステム及び前記パワー・トレイン・サブシステムについての利用可能動力を計算し、
要求された変速機の出力速度を表す信号を、前記動力管理コントローラに与え、
実際の変速機の出力速度を表す信号を、前記動力管理コントローラに与え、
前記動力管理コントローラにより、前記要求された変速機の出力速度と前記実際の変速機の出力速度とを比較して速度誤差を計算し、
前記速度誤差に基づき、前記機具サブシステムに、機具サブシステムの最大の動力配分と機具サブシステムの最小の配分動力との間で動力の配分をするよう、前記動力管理コントローラにプログラムする、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記最大動力配分及び前記最小動力配分が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機具サブシステムについての、前記最大配分と前記最小配分との間の動力配分が、前記速度誤差の変化に伴いスムーズに変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
所定の速度誤差における、最大及び最小の機具サブシステムの動力配分の設定値を与えるステップを含み、前記動力配分が、前記設定値と前記速度誤差に基づく前記設定値との間で行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記動力配分の設定値が、調整可能であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記動力配分が、滑らかな関数により表現される前記速度誤差の関数であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記設定値の間の前記動力配分が、
λ＝１−３ｘ２＋２ｘ３
で表される３次多項式の形を有する曲線を定義し、ここで、ｘが、前記要求速度のうちの実際に供給された割合として表わされる速度誤差であり、λが、前記機具サブシステム及び前記パワー・トレイン・サブシステムが利用可能な動力に対する割合として表わされる、前記機具サブシステムに配分された前記動力であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記機具サブシステムに対する前記動力配分が、λ＝λｍｉｎ＋（λｍａｘ−λｍｉｎ）（１−３ｘ２＋２ｘ３）として表わされ、ここで、ｘ＝Ａｂｓ（要求された変速機の回転数−実際の変速機の回転数）−λｍａｘ設定値
（λｍｉｎ設定値からλｍａｘ設定値の範囲）
であり、ここにおいて、Ａｂｓが、要求された変速機の回転数と実際の変速機の回転数との間の差が正の数で表わされることを示す、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に建設機械のサブシステムに対する動力の制御に関し、特に、所定の優先順位及び作動上の要求に応答する動力管理コントローラを使用して、前記機械のサブシステムに利用可能な動力を配分することに関する。与えられた例において、本発明は、建設機械の機具サブシステム及びドライブトレイン・サブシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
建設機械の作動中において、普通は内燃機関によって与えられる利用可能な動力は、主に３つの主要なシステム、すなわち、パワーステアリングシステム、機具制御システム、及び、推進力のためのパワー・トレイン・システムにより消費される。安全のため、利用可能な動力の第一の優先権は、ステアリングシステムに与えられるのが普通である。残りの動力は、機具作動システム及びパワー・トレイン・システムによる消費に利用できる。
【０００３】
岩石粉砕機の高い位置にあるホッパーに岩石を載せるためのホイールローダの作動中において、ホイールローダは、バケットにより原料をすくい上げて載せ、視界と機械の安定性のためにバケットを比較的低くしてホッパーに向かって移動する。岩石破砕ホッパーのいくつかは水平な地面に設置されるが、ホッパーまでの積込み傾斜路を造るのが普通の手法であり、その長さ及び勾配は、現場ごとに違う。ローダがホッパーに近づくと、オペレータは、ホッパーに到着したときの積荷ダンプ作業を予想してバケットを上昇させる。かくして、機具作動システム及びパワー・トレイン・システムは同時に動力を消費する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の動力管理システムにおける機具作動システムには、パワー・トレイン・システムに、利用可能動力の優先権が与えられているが、しかしながら、パワー・トレインの利用可能動力は、バケットを上げる時、及び比較的急勾配の積込み傾斜路を移動する時に、過度に遅い移動速度を生成するよう制限される。過度の低速度は、ホイールローダの作動効率を低下させる。これまで建設機械に与えられた制御システムは、機具システム及びパワー・トレイン・システムに、好ましい方法でそれらの同時作動を確実にするように、動力配分するものではない。
【０００５】
１９９６年６月１１日、マイケル.S.ルキッチ氏に付与された米国特許第５，５２５，０４３号における、油圧式動力制御システムには、エンジン・ラグを制限するため、油圧式掘削機の油圧式制御システムを制御する方法及び装置が説明されている。エンジンにより駆動される油圧ポンプの吐出量は、エンジンの失速を防ぐため、所定のレベル以上にエンジン負荷が増加したとき、その増加に応答して減少する。この制御方法及び装置は、ホイールローダで使用されるような機具システム及び駆動トレインシステムに、満足な最小／最大の動力配分を提供するものではない。
【０００６】
２０００年４月１１日、ホースト・デイニンガー氏に付与された米国特許第６，０４７，５４５号における静油圧駆動システムには、リフト付きトラック動力システムが開示されており、油圧ステアリングシステムに第１の優先権が与えられ、油圧作業システムに第２の優先権が与えられ、油圧駆動システムに第３の優先権が与えられる。ホイールローダで用いられる、この優先順位システム及び他の優先順位システムは、岩石を積んだまま積込み傾斜路の上の岩石粉砕機のホッパーまで移動し、同時に、ホッパーに原料をダンプすることを予想してバケットを上げるときの、過度に低い移動速度における問題を生じさせる。
【０００７】
１９９４年３月２２日、Ｍ.イカリ氏に付与された米国特許第５，２９５，３５３号における、作業車両の移動のためのコントローラには、トルクコンバータと、ブームリフト及びバケットタイルアクチュエータを制御する弁に圧力流体を供給する２つの定容量形油圧ポンプと、を有するホイールローダが図示され、説明されている。２つの油圧ポンプのうちの１つは、アクセルペダルがフルスロットルの状態で、エンジン回転数が所定の回転数以下の時に、無負荷状態にされる。この制御システムは、エンジンが要求された速度の増加に応じて回転数を上昇させない場合に動力の配分に変化を与えるものであるが、制御は、オペレータの所望の命令に基づく機具及びパワー・トレインサブシステムに対する動力配分の調整を行うものではない。
【０００８】
本発明は、上述の問題の１つ又はそれ以上を克服することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様では、車両のステアリングの要求量を満たした後の利用可能動力を、機具サブシステム及びパワー・トレイン・システムに配分する。
【００１０】
機具サブシステム及びパワー・トレイン・サブシステムについての動力の配分は、利用可能な動力のうちのある量を機具サブシステムに配分するようプログラムされた、動力管理システムによって制御され、この量は、所望の移動速度と実際の移動速度との間の差に応じて、利用可能な動力の所定の最大パーセンテージと最小パーセンテージとの間にあるようにされる。
【００１１】
機具サブシステムに配分される利用可能な動力の最大及び最小パーセンテージは、機械作業の特定の任務のために効率的な機械性能を提供するよう調整される。調整可能な設定値は、好ましくは利用可能な動力の最大パーセンテージが機具サブシステムに配分される時に、所望の移動速度と実際の移動速度との間の差が最小となるように、及び、利用可能な動力の最小パーセンテージが機具サブシステムに配分される時に、所望の移動速度と実際の移動速度との間の差が最大となるように与えられる。機載コンピュータは、要求された移動速度と実際の移動速度との間の差に変化が起こるに伴い、機具サブシステムに対する動力配分にスムーズな変化を与えるようプログラムされる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、岩石粉砕機のホッパー１２に岩石をダンプしている、ホイールローダ１１を示す。ホイールローダ１１は内燃機関１３を備え、該内燃機関１３は、一対の前輪１４及び１６と一対の後輪１７及び１８とを、変速機２０を含むパワー・トレイン・サブシステム１９を介して駆動させる。内燃機関１３はまた、ステアリングシリンダ２３を含むステアリング・サブシステム２２に油圧動力を供給するポンプ２１を駆動し、かつ、機具サブシステム２９の一対のシリンダ２６及び２７並びにチルトシリンダ２８を制御する図示していない機具リフト及びチルト弁に加圧油圧油を供給する可変容量形ポンプ２４を駆動する。
【００１３】
リフト及びチルトシリンダ２６、２７、２８を作動させるための図示していない制御弁のどちらかが、シリンダの作動位置にシフトされた時には、可変容量形ポンプ２４が自動的にニュートラルから圧力流体供給状態に移動させられ、吐出量の調整は、機具の１つ又はそれ以上の弁の調整の程度に応じて行われる。
【００１４】
安全のため、ステアリング・サブシステムに、エンジン動力に対する第一の優先権を与える。ステアリング・サブシステムの動力の要求量を満たした後の残りの動力は、機具及びパワー・トレイン・サブシステムによる消費のために利用可能であり、以下では、計算した利用可能動力、又は利用可能動力と呼ぶ。
【００１５】
図２を参照すると、ホイールローダ１１に機載された動力管理コントローラ３６が、ステアリングの消費動力を差し引いた後の利用可能動力を計算し、機具サブシステム２９に計算した利用可能動力を配分する。残りの動力は、パワー・トレイン・サブシステム１９による消費に利用可能である。
【００１６】
動力管理コントローラ３６は、エンジン１３の定格馬力を表示する数値のような信号と、機具サブシステム２９及びパワー・トレイン・サブシステム１９に配分するため利用可能な動力（ＰＡ）を動力管理コントローラ３６に計算させる、所望のシリンダ速度及びポンプ圧力に基づく数値のようなステアリング動力信号とを供給する。
【００１７】
図３に、計算した利用可能動力を、機具サブシステムとパワー・トレイン・サブシステムとに分けるところを示す。機具サブシステム２９についての利用可能動力の配分割合λは、自動的に、パワー・トレイン・サブシステム１９に対する、１−λで表される動力配分を定める。かくして、この割合は、機具サブシステム２９に配分された利用可能動力を表し、１−λは、パワー・トレイン・サブシステム１９に配分された利用可能動力の割合を表す。ホイールローダ１１が、加圧流体を機具サブシステムに供給する可変容量形ポンプ２４を備えるので、動力管理コントローラ３６は、図示していない機具サブシステム制御弁に流れる加圧流体の量を変えることにより、動力を配分する。これは、動力管理コントローラ３６が可変容量形ポンプ２４の吐出量を変化させることにより行われる。
【００１８】
動力管理コントローラ３６のコンピュータの中には、動力配分アルゴリズムがロードされており、動力管理コントローラ３６が、ホイールローダの所望の移動速度と比べたときの実際の移動速度の不足に応じて、機具サブシステム２９の動力配分を変えるよう、該コンピュータにプログラムする。所望の移動速度を表す信号は、機械のオペレータにより作動される図示していない速度制御に関連する図示していないセンサーにより、動力管理コントローラ３６に送信される。例えば、センサーはアクセルペダルの踏み込み量を検知することができる。実際の移動速度信号は、パワー・トレイン・サブシステム１９に関連する移動速度センサーにより、動力管理コントローラに送信される。移動速度センサーは、ホイールローダの実際の移動速度を表す、パワー・トレイン・サブシステム１９の変速機の出力シャフトの速度を検知することができる。
【００１９】
図４に、動力管理コントローラ３６の作動を示す。動力管理コントローラ３６は、変速機のコントローラにより動力制限状態が求められた時にのみ、作動する。ホイールローダ１１が動力制限される場合に、配分のための利用可能動力（ＰＡ）を計算する。また、動力管理コントローラ３６により、λの値、及びオペレータの所望の機具動力が計算される。オペレータの所望のリフト及びチルトシリンダ速度に関連する、図示していない機具チルト及びリフトレバーは、機具サブシステム２９についての所望の動力を表す信号を、動力管理コントローラ３６に送信する。動力管理コントローラ３６は、所望の機具動力が機具サブシステム２９に配分された動力よりも少ない場合には、機具サブシステムの動力コマンドを発生しない。言い換えれば、機具サブシステム２９が消費する動力は、オペレータが該サブシステムに対して、動力配分アルゴリズムが配分する以上の動力を要求している場合にのみ、減ることになる。オペレータが機具サブシステム２９に対して、機具サブシステム２９に配分される以上の動力を要求している場合には、動力管理コントローラ３６（可変容量形ポンプ２９のストロークを変える）は、オペレータの機具コマンドを、機具サブシステム２９による消費動力が該サブシステムに配分された動力に等しくなるまで減らす。
【００２０】
動力管理コントローラ３６は、機具サブシステム２９に、利用可能動力の所定の割合の最小（λｍｉｎ）と最大（λｍａｘ）との間の動力を供給するようプログラムされている。
コンピュータに入力したプログラムは、次の式である。
λ＝λｍｉｎ＋（λｍａｘ−λｍｉｎ）（１−３ｘ２＋２ｘ３）
ここで、
ｘ＝Ａｂｓ（要求した変速機の回転数−実際の変速機の回転数）−λｍａｘ設定値
λｍｉｎ設定値−λｍａｘ設定値
であり、Ａｂｓは、要求した変速機の回転数と実際の変速機の回転数との間の差を、絶対値として表すということを意味する。言い換えれば、差が負の数の場合には、正の数に変換されるということである。
【００２１】
図５に、前述の式に従って、λを変速機の回転数における誤差の関数として示す。λスケジューリング関数は、３つの区間を有する。第１区間は、ゼロからλｍａｘ設定値までにわたる。第２区間は、λｍａｘ設定値とλｍｉｎ設定値との間に存在する遷移区間であり、λの値はλｍａｘからλｍｉｎまでの範囲をとる。曲線の第２区間である遷移部分は、次式で表される。
λ＝１−３ｘ２＋２ｘ３
これは単純な３次多項式であり、動力管理コントローラ３６のコンピュータに特に計算上の要求をするものではない。曲線の第３区間は、λがλｍｉｎの固定値となる区間で、λｍｉｎ設定値を超えて延びる。気付かれるように、３次多項式１−３ｘ２＋２ｘ３は、図５の曲線の式の一部であり、また、図６から９に示す後述の曲線の一部でもある。
【００２２】
λスケジューリング関数を定義する、以下の四つのパラメータがある。（１）λｍａｘ、（２）λｍｉｎ、（３）λｍａｘ設定値、及び（４）λｍｉｎ設定値である。各パラメータは、物理的な意味を有し、オペレータの知覚に基づいて特定される。λの最大値（λｍａｘ）は、機具サブシステムに対する利用可能動力の最大割合を表わす。パラメータのλｍａｘはまた、パワー・トレイン・サブシステム１９に対する利用可能動力の最小割合を定める。さらに、λｍｉｎは、機具サブシステム２９に対する利用可能動力の最小割合を表わし、パワー・トレイン・サブシステム１９に対する利用可能動力の最大割合を定める。
【００２３】
λｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値を含む、コンピュータのプログラムに入力されたパラメータの値は、通常は、特定の現場で生じる変速機の回転数の誤差に基づく。所定の現場（λｍａｘ設定値）について選ばれた変速機の回転数の誤差の最小値はまた、プログラムされたλｍａｘ及びλｍｉｎの値に依存する。同様に、所定の現場（λｍｉｎ設定値）について選ばれた変速機の回転数の誤差の最大値はまた、所定のλｍａｘとλｍｉｎの値に依存する。これらパラメータはまた、関数λの感度に影響を与える。関数λは、λｍａｘとλｍｉｎの間を短い間隔で遷移する時に、変速機の回転数の誤差の変化に対して感度が高くなりすぎることがある。このような場合には、変速機の回転数の誤差の変動により、動力配分が不定になる。このため、通常の、変動又は変速機の回転数の誤差により、λが著しく影響を受けないように、λｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値を選ぶ必要がある。
【００２４】
図８は、λｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値を小さくした場合におけるλの値を示す。動力管理コントローラ３６は、要求された（所望の）パワー・トレイン速度と実際のパワー・トレイン速度との間の差の絶対値が所定のＲＰＭ（λｍａｘ設定値）に上昇するまで、機具サブシステム２９に、プログラムされた最大割合（λｍａｘ）の利用可能動力を供給する。動力管理コントローラ３６は、要求された速度と達成された速度との間の差の絶対値が所定のＲＰＭを超えると、機具サブシステム２９に、所定の利用可能動力の最小割合（λｍｉｎ）を供給する。
【００２５】
図７に、図５で使用したのと同じλｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値を示す。しかしながら、λｍａｘ及びλｍｉｎの値が大きくなっており、ゆえに、機具サブシステム２９に配分される利用可能動力の部分又は割合が増加し、その結果、パワー・トレイン・サブシステム１９で利用可能な動力が、動力管理コントローラ３６が図５の曲線により動力配分を制御する時よりも、少ないものとなる。
【００２６】
図６は、それぞれ、高く及び低く調整された、λｍａｘ及びλｍｉｎの値を示す。図５と比較すると、配分曲線の第一区間において、機具サブシステム２９に、より多くの動力（及びパワー・トレイン・サブシステム１９に対するより少ない動力）が配分され、配分曲線の第３区間においては、図５におけるものよりも少ない動力が機具サブシステム２９に配分されている。
【００２７】
図９では、λｍａｘ及びλｍｉｎの設定は図５と同じものであるが、λｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値を変化させたときの、機具サブシステム２９についての動力配分の作動曲線を示す。機具サブシステム２９についての動力配分（λ）は、設定値のやや低めのλｍａｘにおいて減少し始め、設定値のやや高めのλｍｉｎまでその減少は継続する。
【００２８】
図１０は、動力を消費するステアリング、機具サブシステム、及びパワー・トレイン・サブシステムを有する、エンジン動力を備えた車両における本発明の動力管理システムの、ブロック図である。
【００２９】
【産業上の利用可能性】
ここで述べた動力管理コントローラは、変速機の回転数の誤差に依存する、利用可能動力の最大割合と最小割合との間の動力量（λ）を、機具動力サブシステム２９に配分するようプログラムされる。変速機の回転数の誤差は、所望の速度と実際の変速機の回転数との間の差の絶対値である。機具サブシステム２９に対する利用可能動力の選択した最大及び最小の配分（λｍａｘ、λｍｉｎ）が、λｍａｘ設定値及びλｍｉｎ設定値と共に、動力管理コントローラのコンピュータに入力される。これらパラメータは、特定の作業関数、及び／又は、特定の作業現場における効率の良い機械の作動を提供するために選ばれ、コンピュータに入力される。図示した岩石粉砕機のホッパー１２の中に岩石を積み込む場合のような、ホイールローダへの応用において、ローダの生産性を良くするためには、ホッパーの中に原料をダンプするため予めバケットを上げておきながら妥当な移動速度を維持することが肝要である。本発明の動力管理システムにより建設機械を作動する時には、実際の車両速度と所望の車両速度との間の差が大きい場合、パワー・トレイン・サブシステムに、より多くの動力が与えられる。反対に、実際の車両速度と所望の車両速度との間の差が小さい場合には、機具サブシステムに、より多くの動力が与えられる。建設機械の動力を消費するサブシステムを統合し、動力管理コントローラ３６の指示に従い動力を積極的に配分することにより、機械の実際の動力制限がオペレータに容易に気付かれることはない。
【００３０】
λスケジューリング関数の四つのパラメータ（λｍａｘ、λｍｉｎ、λｍａｘ設定値、λｍｉｎ設定値）の各々は、オペレータの好み又はフィードバックに応じてコンピュータに入力される。これらのパラメータは、どのようなオペレータ及びどのような作業現場においても、建設機械のカスタマイズされた動力配分を可能にする。例えば、あるオペレータは、一杯のバケットをリフトしている間の過度に遅い移動速度が動力制限だと気付くことがある。別のオペレータは、遅い機具反応が見受けられたことから動力制限に気づくことがある。どちらの場合においても、λスケジューリング関数のパラメータは、ホイールローダの動力制限に容易に気付かないように、各オペレータについて独立して設定することができる。さらに、λの関数を定義するパラメータは、物理的意味を有する。これにより、現場でのチューニングが簡単になる。
【００３１】
本発明は、いかなるオペレータでも、動力制限モードの知覚に基づいて、建設機械において動力配分を行うことができる融通性をもたらす。この動力管理コントローラをホイールローダに適用する時には、岩石粉砕機のホッパーに積み込む場合などの積み込み作業及びダンプ作業に必要なサイクルタイムが減るという重要な更なる利点がある。
【００３２】
本発明のその他の態様、目的、及び利点の理解は、図面、発明の詳細な説明、及び特許請求の範囲の記載についての検討から得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】原料を岩石粉砕機の中にダンプするホイールローダの側面図である。
【図２】エンジンから動力を消費するサブシステムまでの動力の流れを示す概略図である。
【図３】２つのサブシステムに対する基本的な動力配分を示す概略図である。
【図４】動力管理コントローラの作動を示す概略図である。
【図５】機具サブシステムに対する動力配分を示す曲線である。
【図６】機具サブシステムに対する動力配分を示す曲線である。
【図７】機具サブシステムに対する動力配分を示す曲線である。
【図８】機具サブシステムに対する動力配分を示す曲線である。
【図９】機具サブシステムに対する動力配分を示す曲線である。
【図１０】エンジン駆動の建設機械における動力管理コントローラの作動を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１・・・ホイールローダ、１２・・・ホッパー、
１３・・・内燃機関、１４、１６・・・前輪、
１７、１８・・・後輪、１９・・・パワー・トレイン・サブシステム、
２０・・・変速機、２２・・・ステアリング・サブシステム、
２３・・・ステアリングシリンダ、２９・・・機具サブシステム。
【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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