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JP2002315105A - ホイールローダ - Google Patents

ホイールローダ

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Publication number
JP2002315105A
JP2002315105A JP2001114641A JP2001114641A JP2002315105A JP 2002315105 A JP2002315105 A JP 2002315105A JP 2001114641 A JP2001114641 A JP 2001114641A JP 2001114641 A JP2001114641 A JP 2001114641A JP 2002315105 A JP2002315105 A JP 2002315105A
Authority
JP
Japan
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electric motor
storage means
electric energy
vehicle
power storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001114641A
Other languages
English (en)
Inventor
Kaoru Tokunaga
薫 徳永
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
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Priority to US10/106,380 priority patent/US6705030B2/en
Priority to KR1020020018727A priority patent/KR100858664B1/ko
Priority to DE10216308A priority patent/DE10216308B4/de
Publication of JP2002315105A publication Critical patent/JP2002315105A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃費の低減を図ると共に、エンジンの出力不
足を解消し加速性の優れたホイールローダを提供する。 【解決手段】 エンジンにより作業機駆動用の油圧ポン
プ及び動輪を駆動して作業を行うホイールローダにおい
て、動輪にトルク伝達可能な第1の電動機と、第1の電
動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う蓄電手段
と、車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて
発電する第1の電動機の発電作動を制御し、発電した電
気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装置とを備えた構
成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホイールローダ及
びホイールローダの掘削積込方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にホイールローダはバケットで地山
を掘削し、それをダンプトラックに積み込むために使用
される。図4は、ホイールローダの掘削からダンプトラ
ックへの積み込みの一連の運転パターンを示すもので、
これはVシェープ運転と呼ばれる最も多く使用される運
転パターンである。すなわち、ホイールローダ101を
前進2速(F2)で地山102に向って高速で前進し
(運転)、地山102に近づくと(0.5m〜1.0
m)、掘削作業を行う場合の牽引力を大きくするために
前進1速(F1)で地山102に突っ込む(運転)。
掘削が終了すると、ホイールローダ101を掘削作業位
置から後進2速(R2)で高速で後退させ(運転)、
続いてホイールローダ101の走行方向を切り換えてダ
ンプトラック103にF2で高速接近させる(運転
)。ダンプトラック103への積み込み作業が終了す
ると、ダンプトラック103からR2で高速で離れる
(運転)。
【0003】このVシェープ運転は、30秒程度のサイ
クルタイムで行われ、この1サイクルの中で2回前後進
を行うが、作業時のサイクルタイムを短くするために、
トルクコンバータ等流体継手での前後進切換時の車両慣
性吸収作用を利用して、走行中に前後進切換操作を行う
のが一般的である。例えば、運転から運転に移る場
合、オペレータは運転の後進中の最高速付近でアクセ
ルを戻し、シフト操作により後進から前進に切り換えて
アクセルを踏み込み、エンジン出力で減速する。ブレー
キペダル操作は、減速後に軽く踏む程度である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては、以下に述べるような問題点があ
る。すなわち、後進時の減速は前進シフトでのアクセル
操作により、前進時の減速は後進シフトでのアクセル操
作によりエンジン出力を用いて減速しているので、燃費
が悪く、ヒートバランスの問題によりラジエータが大型
のものが必要となる。また、特にエンジン回転が下がっ
た後に運転に移行する場合、車両は (1)ステアリング操作を行う (2)積荷でのブーム上昇操作を行う (3)車体を前進加速する (4)エンジン自身を加速する を同時に行っており、エンジンの出力が不足してエンジ
ン回転の立ち上がりが悪く加速不良となることがある。
【0005】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、燃費の低減を図ると共に、エンジンの出力
不足を解消し加速性の優れたホイールローダを提供する
ことを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するために、エンジンにより作業機駆動用の油
圧ポンプ及び動輪を駆動して作業を行うホイールローダ
において、動輪にトルク伝達可能な第1の電動機と、第
1の電動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う蓄
電手段と、車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を
受けて発電する第1の電動機の発電作動を制御し、発電
した電気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装置とを備
えた構成としている。
【0007】即ち、車両の減速操作時に第1の電動機に
より回生制動を行い、車両が持つ運動エネルギーを電気
エネルギーに変換して蓄電するので、従来のように減速
のためにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費が
向上すると共に、ヒートバランスの向上によりラジエー
タの小型化が可能となる。
【0008】また、前記制御装置は、蓄電手段に蓄えた
電気エネルギーを受けて車両の加速操作時に動輪にトル
クを伝達する第1の電動機のモータ作動を制御する構成
としている。
【0009】即ち、回生制動により蓄電手段に蓄えた電
気エネルギーを用いて、車両の加速操作時に第1の電動
機をモータ作動してエンジン出力をアシストして動輪を
駆動するので、エンジンの負担を軽減して出力不足を防
止できると共に、車両の加速性能を向上できる。
【0010】また、油圧ポンプにトルク伝達可能な第2
の電動機を備えると共に、前記蓄電手段は、第2の電動
機との間で電気エネルギーの受け渡しが可能であり、前
記制御装置は、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受け
て車両の作業機操作時に油圧ポンプにトルクを伝達する
第2の電動機のモータ作動を制御する構成としている。
【0011】即ち、回生制動により蓄電手段に蓄えた電
気エネルギーを用いて、車両の作業機操作時に第2の電
動機をモータ作動してエンジン出力をアシストして油圧
ポンプを駆動するので、エンジンの負担を軽減して出力
不足を防止できる。
【0012】また、第1の電動機に接続可能な抵抗器を
備え、前記制御装置は、蓄電手段の充電量の検出機能を
備えると共に、蓄電手段の充電量が満充電に達したこと
を検出した場合には、第1電動機が発電した電気エネル
ギーを抵抗器に供給する構成としている。
【0013】即ち、充電手段が満充電に達した場合に
は、回生制動により発生する電気エネルギーを抵抗器で
消費できるので、充電手段が満充電の場合でも回生制動
が可能であり、従来のように減速のためにエンジン出力
を用いる必要がなく、燃費が向上すると共に、ヒートバ
ランスの向上によりラジエータの小型化が可能となる。
【0014】また、エンジンと、エンジンにより駆動さ
れる発電機と、発電機が発電した電気エネルギーを蓄え
る蓄電手段と、蓄電手段との間で電気エネルギーの受け
渡しが可能で、車両の動輪にトルク伝達可能な第1の電
動機と、蓄電手段との間で電気エネルギーの受け渡しが
可能で、作業機駆動用の油圧ポンプにトルク伝達可能な
第2の電動機と、車両の減速操作時に動輪からのトルク
伝達を受けて発電する第1の電動機の発電作動を制御
し、発電した電気エネルギーを蓄電手段に蓄える制御装
置とを備えた構成としている。
【0015】即ち、車両の減速操作時に第1の電動機に
より回生制動を行い、車両が持つ運動エネルギーを電気
エネルギーに変換して蓄電するので、従来のように減速
のためにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費が
向上すると共に、ヒートバランスの向上によりラジエー
タの小型化が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して実施形態に
ついて詳細に説明する。図1に示すように、エンジン1
の出力はトルコン(トルクコンバータ)2を介してトラ
ンスミッション(変速機)3に伝えられ、プロペラシャ
フト4、デファレンシャル5を介して動輪6を駆動す
る。トランスミッション3は、例えば1速(1st)か
ら4速(4th)までの速度段と前進(F)又は後進
(R)とに切換可能とするクラッチを切り換える複数の
ソレノイドバルブ(図示せず)を備えている。また、エ
ンジン1の出力は、エンジン1とトルコン2との間に設
けられたギヤトレーン7を介して、作業機用の油圧ポン
プ8とステアリング用の油圧ポンプ9とを駆動する。油
圧ポンプ8の吐出油は、作業機油圧回路(図示せず)に
供給され作業機(ブーム及びバケット 共に図示せず)
を駆動する。油圧ポンプ9の吐出油は、ステアリング油
圧回路(図示せず)に供給されステアリングシリンダ
(図示せず)を駆動する。
【0017】電源コントローラ10には、第1の電動機
11、第2の電動機12、キャパシタ13、抵抗器14
及びシステムコントローラ20が接続されている。発電
機を兼ねる第1の電動機11はプロペラシャフト4に設
けられたギヤトレーン4aに装着され、発電機を兼ねる
第2の電動機12は油圧ポンプ8,9の入力軸に装着さ
れている。キャパシタ13は、例えば電気二重層コンデ
ンサであり、リチウムイオン電池等の二次電池に比べエ
ネルギー密度(単位重量あたりの蓄積エネルギー)は低
いが、比較的大電流を流すことが可能で、電動機11,
12の発電作動により発生する電気エネルギーを蓄える
と共に、電動機11,12がモータ作動する場合には電
力を供給する。電源コントローラ10は後述するシステ
ムコントローラ20からの指令に応じて、キャパシタ1
3の充放電制御及び電動機11,12の発電作動又はモ
ータ作動の制御を行う。また、電源コントローラ10
は、キャパシタ13の充電量を検出している。
【0018】システムコントローラ20には、アクセル
21の操作量を検出するアクセルセンサ21aからアク
セル信号が入力され、ブレーキ22の操作量を検出する
ブレーキセンサ22aからブレーキ信号が入力され、前
後進レバー23からFR信号が入力され、変速レバー2
4から速度段信号が入力され、バケットの回動角度を検
出するバケット角度センサ25からバケット角度信号が
入力され、ブームの回動角度を検出するブーム角度セン
サ26からブーム角度信号が入力され、油圧ポンプ8の
吐出圧を検出する圧力センサ27から油圧信号が入力さ
れ、車両の速度と進行方向とを検出する車速センサ28
から車速信号が入力され、電源コントローラ10からキ
ャパシタ13の充電量信号が入力されている。ブレーキ
22は、所定操作量までは後述の回生制動のみが作動
し、所定操作量を越えるとブレーキの油圧回路も作動す
るように調整されている。
【0019】アクセルセンサ21a、ブレーキセンサ2
2a、バケット角度センサ25及びブーム角度センサ2
6は、ポテンショメータを中心に構成されるセンサであ
り、前後進レバー23及び変速レバー24は、ホールI
Cを用いたスイッチで、レバーポジションに対応して配
置されたホールICによりレバーに固定された磁石を検
出することによりレバーポジションを検出し、FR信号
及び速度段信号を出力している。また、車速センサ28
は2つの電磁ピックアップを備えており、トランスミッ
ション3の出力ギヤ部に装着され、ギヤの歯の回転によ
りパルス電圧を発生するもので、2つの電磁ピックアッ
プは歯のピッチの1/4ずれて配置されている。これに
より、ギヤの回転速度と共に回転方向(すなわち、車両
の進行方向)を検出している。
【0020】図2を用いて、システムコントローラ20
の制御内容について説明する。ステップS1でFR信号
と車速信号とを比較し、前後進レバー23のポジション
と車両の進行方向とが一致するか否かを判断し、一致す
る場合にはステップS2に進む。ステップS2におい
て、車速が設定車速V1(例えば10km/h)以上で
あり、かつアクセル信号よりアクセルOFF(アクセル
操作していない)か否かを判断し、車速が設定車速V1
未満、又はアクセル操作している場合にはステップS3
に進む。ステップS3において、ブレーキ信号よりブレ
ーキ操作しているか否かを判断し、ブレーキ操作してい
ない場合にはステップS4に進む。ステップS4で、充
電量信号よりキャパシタ13の充電量が規定値C1以上
か否かを判断し、充電量が規定値C1未満である場合に
は充電量不足であるのでステップS1に戻り、充電量が
規定値C1以上である場合にはステップS5に進む。
【0021】ステップS5において、FR信号より前後
進レバー23のポジションが前進(F)であり、かつ速
度段信号より変速レバー24のポジションが2速(2n
d)であり、かつブーム角度信号よりブーム角度が設定
角度α以下(ブーム先端が低い位置)であり、かつバケ
ット角度信号よりバケット角度が所定値β以上(バケッ
トがチルト位置)であり、かつ油圧信号より作業機用の
油圧ポンプ8の吐出圧が立ち上がっており(所定圧P1
以上)、かつアクセル信号よりアクセル21がフル操作
されているか否かを判断する。ステップS5において
「YES」である場合には、積荷状態でブーム上昇操作
を行うと同時に車体を前進2速(F2)でフル加速する
場合(Vシェープ運転の運転)であり、この場合はス
テップS6の処理を行う。すなわち、システムコントロ
ーラ20はステップS6において、第2の電動機12の
モータ作動指令を電源コントローラ10に出力し、これ
により電源コントローラ10はキャパシタ13の放電制
御及び電動機12のモータ作動の制御を行う。なお、モ
ータ作動は、キャパシタ13が所定量の放電を完了する
ことにより終了する。
【0022】ステップS5において「NO」である場合
には、ステップS7に進み、車速信号より車速が設定車
速V2(例えば5km/h)以下であり、かつアクセル
信号よりアクセル21がフル操作されているか否かを判
断し、「NO」である場合にはステップS1に戻り、
「YES」である場合には低速状態でフル加速する場合
であり、この場合はステップS8の処理を行う。すなわ
ち、システムコントローラ20はステップS8におい
て、第1の電動機11のモータ作動指令を電源コントロ
ーラ10に出力し、これにより電源コントローラ10は
キャパシタ13の放電制御及び電動機11のモータ作動
の制御を行う。なお、モータ作動は、キャパシタ13が
所定量の放電を完了することにより終了する。
【0023】ステップS1において「NO」である場
合、又はステップS2において「YES」である場合、
又はステップS3において「YES」である場合には、
減速したい場合であり、ステップS9に進み、充電量信
号よりキャパシタ13の充電量が規定値C2(満充電に
略等しい充電量)以下か否かを判断する。ステップS9
において「YES」である場合には、満充電となってい
ない場合であり、この場合はステップS10の処理を行
う。すなわち、システムコントローラ20はステップS
10において、キャパシタ13の充電指令及び第1の電
動機11の発電作動指令を電源コントローラ10に出力
し、これにより電源コントローラ10はキャパシタ13
の充電制御及び電動機11の発電作動の制御を行う。ス
テップS9において「NO」である場合には、満充電と
なっている場合であり、この場合は過充電を防止するた
めステップS11の処理を行う。すなわち、システムコ
ントローラ20はステップS11において、第1の電動
機11の発電作動指令及び電力放出指令を電源コントロ
ーラ10に出力し、これにより電源コントローラ10は
電動機11の発電作動の制御を行うと共に、電動機11
が発生した電力を抵抗器14に供給してそこで消費させ
る。
【0024】上記構成によれば、車両減速時に動輪6の
回転により駆動される電動機11を発電機として作用
(回生作用)させ減速し(回生制動)、車両が持つ運動
エネルギーにより発生する電力を蓄電手段であるキャパ
シタ13に蓄えることができ、従来のように減速のため
にエンジン出力を用いることが不要となる。キャパシタ
13が満充電となっても、回生制動により発生する電力
を抵抗器14にて消費するので、減速のためにエンジン
出力を用いる必要がない。このため、燃費が向上すると
共にヒートバランスが向上して小型のラジエータにて対
応可能となる。また、回生制動により蓄えた電力で電動
機11,12を駆動(アシスト作用)することが可能
で、これにより、積荷状態でブーム上昇操作を行うと同
時に車体を前進2速(F2)でフル加速するような、重
負荷操作時のエンジン1の出力負担を軽減でき、エンジ
ン出力不足を防止できる。また、これにより、従来出力
不足が発生しないエンジンを搭載した車両においては、
現在よりも小型のエンジンに載せかえることができ、燃
費を向上することが可能となる。また、重負荷操作時に
限らず、アクセル21がフル操作されている場合に電動
機11をモータ作動してエンジン1による車両の加速を
アシストしているので、車両の加速性を向上できる。更
に、地山を掘削する際の車両の牽引力をアシストするこ
とにより、掘削性能を向上できる。
【0025】上記実施形態において、第2の電動機12
を除いた構成とすることも可能である。すなわち、図2
のフローチャートからステップS5及びステップS6が
なくなり、ステップS4において「YES」である場合
にはステップS7に進めばよい。この場合であっても、
減速操作時に回生制動を行うと共に、アクセル21のフ
ル操作時に回生エネルギーを用いてエンジン1が動輪6
を駆動するのをアシストする。このため、減速時に従来
のようにエンジン出力を用いる必要がないので、燃費を
向上でき、また、車両の加速性を向上できる。また、上
記実施形態において、キャパシタ13の容量は、くり返
し作業の1サイクル内で電動機11,12をモータ作動
するのに必要な電力を蓄えることができれば十分であ
る。1サイクル内での減速時の回生制動のみでは、この
必要な電力を回収できないような場合には、エンジン出
力に余裕があるとき、例えば作業機操作及びステアリン
グ操作を行っていないとき(油圧ポンプ8,9の吐出圧
が立っていないとき)に、第2の電動機12を発電作動
させてこの発電電力をキャパシタ13に蓄えるように構
成すればよい。更に、作業中はエンジン1を定格回転で
一定回転させ、出力に余裕があるときはその余剰トルク
で発電した電力を充電し、エンジン出力が不足するとき
に蓄えた電力でエンジン出力をアシストするように構成
してもよい。これにより、エンジン1に作用する負荷を
平準化することができ、定格出力を従来最大負荷に合わ
せていたエンジンサイズを、平均負荷のものにサイズダ
ウンすることができ、エンジンの小型化と燃費の向上が
図れる。蓄電手段としてキャパシタ13を例に挙げた
が、仕様を満たせばリチウムイオン電池等の二次電池を
用いても構わない。Vシェープ運転で説明したが、Iク
ロス運転(ダンプトラック103への積み込み時毎に、
ダンプトラック103がホイールローダ101と地山1
02との間に移動)、ロード&キャリー運転(Vシェー
プ運転に比べて前進距離が長く、例えば、土砂をホッパ
に運ぶとき)でも同様の効果が得られる。
【0026】また、本発明を図3に示す電気駆動式のホ
イールローダに適用することも可能である。図1と異な
る構成を説明すると、エンジン1には発電機31が接続
され、エンジン1の回転により発電された電力は電源コ
ントローラ10を介してキャパシタ13に蓄えられる。
動輪6はキャパシタ13から電力供給され駆動する第1
の電動機11によって駆動され、油圧ポンプ8,9はキ
ャパシタ13から電力供給され駆動する第2の電動機1
2によって駆動される。車速センサ28は、ギヤトレー
ン4aのギヤ部に装着され、車両の速度と進行方向を検
出している。この構成においても、車両減速時には電動
機11を用いて回生制動し、発生した電力を蓄電し、必
要時に放電して電動機11,12を駆動する。制動のた
めにエンジン出力を使用することもなく、回生制動によ
りエネルギーを回収しているので、前述の実施形態と同
様にエンジンの小型化と燃費の向上が図れる。また、エ
ンジンを定格回転で一定回転させることにより、前述同
様さらにエンジンの小型化と燃費の向上が図れる。
【0027】以上説明したように、本発明によれば、車
両の減速時に回生制動を行っているので、減速時に従来
のようにエンジン出力を用いる必要がなくなり、燃費の
向上とラジエータの小型化が可能となる。また、減速時
の車両の運動エネルギーを回生制動によって電気エネル
ギーに変換して蓄え、車両の加速時や作業機の操作時に
蓄えた電気エネルギーによりエンジン出力をアシストす
るので、車両の加速性が向上すると共に、エンジンの出
力不足を防止でき、エンジンの小型化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係わるシステムブロック図である。
【図2】実施形態に係わるフローチャート図である。
【図3】実施形態の別態様に係わるシステムブロック図
である。
【図4】ホイールローダのVシェープ運転パターンを示
す図である。
【符号の説明】
1…エンジン、2…トルコン、3…トランスミッショ
ン、6…動輪、8,9…油圧ポンプ、10…電源コント
ローラ、11,12…電動機、13…キャパシタ、14
…抵抗器、20…システムコントローラ、21…アクセ
ル、22…ブレーキ、23…前後進レバー、24…変速
レバー、25…バケット角度センサ、26…ブーム角度
センサ、27…圧力センサ、28…車速センサ、31…
発電機。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジンにより作業機駆動用の油圧ポン
    プ及び動輪を駆動して作業を行うホイールローダにおい
    て、 動輪にトルク伝達可能な第1の電動機と、 第1の電動機との間で電気エネルギーの受け渡しを行う
    蓄電手段と、 車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて発電
    する第1の電動機の発電作動を制御し、発電した電気エ
    ネルギーを蓄電手段に蓄え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2】 請求項1記載のホイールローダにおい
    て、 前記制御装置は、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受
    けて車両の加速操作時に動輪にトルクを伝達する第1の
    電動機のモータ作動を制御することを特徴とするホイー
    ルローダ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のホイールローダ
    において、 油圧ポンプにトルク伝達可能な第2の電動機を備えると
    共に、 前記蓄電手段は、第2の電動機との間で電気エネルギー
    の受け渡しが可能であり、 前記制御装置は、蓄電手段に蓄えた電気エネルギーを受
    けて車両の作業機操作時に油圧ポンプにトルクを伝達す
    る第2の電動機のモータ作動を制御することを特徴とす
    るホイールローダ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のホイールローダにおい
    て、 第1の電動機に接続可能な抵抗器を備え、 前記制御装置は、蓄電手段の充電量の検出機能を備える
    と共に、蓄電手段の充電量が満充電に達したことを検出
    した場合には、第1電動機が発電した電気エネルギーを
    抵抗器に供給することを特徴とするホイールローダ。
  5. 【請求項5】 エンジンと、 エンジンにより駆動される発電機と、 発電機が発電した電気エネルギーを蓄える蓄電手段と、 蓄電手段との間で電気エネルギーの受け渡しが可能で、
    車両の動輪にトルク伝達可能な第1の電動機と、 蓄電手段との間で電気エネルギーの受け渡しが可能で、
    作業機駆動用の油圧ポンプにトルク伝達可能な第2の電
    動機と、 車両の減速操作時に動輪からのトルク伝達を受けて発電
    する第1の電動機の発電作動を制御し、発電した電気エ
    ネルギーを蓄電手段に蓄え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。
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