作业车辆的行驶驱动装置、作业车辆及行驶驱动方法

摘要

本发明提供一种作业车辆的行驶驱动装置、作业车辆及行驶驱动方法。作业车辆的行驶驱动装置包括：具有由原动机驱动的液压泵和与该液压泵以闭合回路连接的液压马达的HST驱动装置、用由原动机的驱动而产生的电力进行驱动的电动马达、由HST驱动装置驱动的第一驱动轮、由电动马达驱动的第二驱动轮、检测车速的车速检测部、以及控制部，所述控制部将原动机的输出分配给HST驱动装置和电动马达，使得随着检测出的车速的增加，由HST驱动装置产生的第一动力的比例减小，由电动马达产生的第二动力的比例增大。

说明书

技术领域

本发明涉及轮式装载机、轮式液压挖掘机等作业车辆的行驶驱动装置、作业车辆及行驶控制方法。

背景技术

在这种作业车辆中，以往公知有这样的行驶驱动装置：用闭合回路连接液压泵和行驶用液压马达以形成HST行驶回路，行驶用液压马达的驱动力经由传动轴传递给车轮，从而对车辆进行行驶驱动(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开平5-306768号公报。

发明内容

然而，上述行驶驱动装置虽然基于HST的特性在低速行驶时能够发挥出大的牵引力，但另一方面，在高速行驶时齿轮的传递损失变大，因此存在着燃料效率降低的问题。

本发明的作业车辆的行驶驱动装置包括：HST驱动装置，其具有由原动机驱动的液压泵和与该液压泵以闭合回路连接的液压马达；电动马达，用由原动机的驱动而产生的电力对该电动马达进行驱动；第一驱动轮，由HST驱动装置驱动；第二驱动轮，由电动马达驱动；车速检测部，用于检测车速；以及控制部，将原动机的输出分配给HST驱动装置和电动马达，使得随着由车速检测部检测出的车速的增加，分配到HST驱动装置的第一动力的比例减小，分配到电动马达的第二动力的比例增大。

也可以设置马达发电机以代替电动马达，当用由原动机的驱动而产生的电力驱动该马达发电机时，马达发电机作为电动马达发挥作用，当由行驶时的动能驱动该马达发电机时，马达发电机作为发电机发挥作用，并且，设置判断车辆的加速/减速指令的输出的判断部，若由判断部判断为加速指令被输出，则使马达发电机作为电动马达发挥作用，将原动机的输出分配给HST驱动装置和马达发电机，使得随着由车速检测部检测出的车速的增加，分配到HST驱动装置的第一动力的比例减小，分配到马达发电机的第二动力的比例增大，若由判断部判断为减速指令被输出，则使马达发电机作为发电机发挥作用。

在该情况下，也可以在由判断部判断为减速指令被输出时，该减速指令值越大就越使马达发电机的发电量增加。

还可以包括用于检测加速指令值的加速检测部，并且可以将原动机的动力分配到HST驱动装置和电动马达，使得加速指令值越大，第一动力和第二动力就越增加。

优选第一驱动轮为前轮，第二驱动轮为后轮。

还可以是，当由车速检测部检测出的车速在第一规定值以下的范围内时，将第一动力的比例控制为比第二动力的比例大的恒定的比例，当由车速检测部检测出的车速在大于第一规定值且小于比第一规定值大的第二规定值的范围内时，使第一动力的比例逐渐减小，当由车速检测部检测出的车速在第二规定值以上的范围内时，使第一动力的比例为零。

也可以具有将基于HST驱动装置的动力传递给第一驱动轮的齿轮机构。

也可以具有转矩控制部，该转矩控制部对电动马达的输出转矩进行控制，使得在基于HST驱动装置的牵引力为零之前，电动马达的输出转矩保持恒定，在由于车速的增加而基于HST驱动装置的牵引力成为零之后，基于电动马达的牵引力开始减小。

本发明的作业车辆的行驶驱动方法是，作业车辆具有将由原动机驱动的液压泵和液压马达以闭合回路连接的HST驱动装置，由该HST驱动装置驱动第一驱动轮，由电动马达驱动第二驱动轮，随着车速的增加，使分配到HST驱动装置的第一动力的比例减小，分配到电动马达的第二动力的比例增大。

发明效果

根据本发明，由于用HST驱动装置驱动第一驱动轮，用电动马达驱动第二驱动轮，并且随着车速的增加而减小分配到HST驱动装置的发动机输出的比例，因此能够使HST驱动装置高效地动作，提高燃料效率。

附图说明

图1是应用本发明的第一实施方式的行驶驱动装置的轮式装载机的侧视图。

图2是示出了第一实施方式的行驶驱动装置的结构的图。

图3是示出了图2的HST行驶回路的详细构成的液压回路图。

图4(a)是示出了在图3的回路中使用的液压泵的泵倾转角与马达驱动压的关系的图，图4(b)是示出了液压马达的马达倾转角与马达驱动压的关系的图。

图5(a)～图5(c)是分别示出了通过第一实施方式的行驶驱动装置而获得的车辆整体的牵引力、HST驱动装置的牵引力、电动马达的牵引力的特性的图。

图6是示出了图2的控制器内的结构的框图。

图7是示出了牵引力与动力的关系的图。

图8是示出了第二实施方式的行驶驱动装置的结构的图。

图9(a)～图9(c)是分别示出了通过第二实施方式的行驶驱动装置而获得的车辆整体的牵引力、HST驱动装置的牵引力、电动马达的牵引力的特性的图。

具体实施方式

下面参照图1～图7说明本发明的行驶驱动装置的第一实施方式。

图1是作为应用第一实施方式的行驶驱动装置的作业车辆的一个例子的轮式装载机的侧视图。轮式装载机100由具有动臂111、铲斗112和车轮(前轮)113等的前部车身110和具有驾驶室121、发动机室122和车轮(后轮)123等的后部车身120构成。动臂111在动臂缸114的驱动下进行俯仰动作，铲斗112在铲斗缸115的驱动下进行倾倒或铲装。前部车身110与后部车身120通过中心销101以彼此能够自由转动的方式连接，前部车身110通过转向油缸(图中未示出)的伸缩而相对于后部车身120向左右折曲。前轮113和后轮123由下面那样的行驶驱动装置驱动，从而车辆行驶。

图2是示出了第一实施方式的行驶驱动装置的结构的图。行驶驱动装置具有用于驱动前轮113的前轮驱动装置10、和用于驱动后轮123的后轮驱动装置20。

前轮驱动装置10具有由发动机1驱动的可变容量型的液压泵11、和由来自液压泵11的液压油驱动的可变容量型的液压马达12。液压泵11和液压马达12以闭合回路连接，形成所谓的HST行驶回路。液压马达12的旋转通过减速器13和车轴14传递到前轮113，前轮113由HST行驶驱动装置驱动。减速器13具有能够多级(例如，低/高)切换的齿轮机构。

这样的HST行驶驱动装置(以下也简称为HST)由于能够在低速行驶时发挥极大的牵引力，因此需要使轮轴及传动轴成为适于低速齿轮的坚固的结构以适应牵引力，故而存在轴尺寸和齿轮尺寸变大的倾向。因此，在将齿轮切换成高速齿轮以进行高速行驶时，会引起齿轮的传递损失变大，燃料效率降低。因此，在本实施方式中，像下面那样由电动马达构成后轮驱动装置20，并在高速行驶时用电动马达驱动后轮123。

后轮驱动装置20具有由发动机1驱动的发电机21、对发电机21发出的电进行蓄电的电池22、由发电机21发出的电力驱动的电动马达23、和对电动马达23的驱动进行控制的变换器24。电动马达23的旋转通过减速器25和车轴26传递到后轮123，从而由电动马达23驱动后轮123。减速器25与减速器13一样，具有能够多级(例如，低/高)切换的齿轮机构。

变换器24由来自控制器50的控制信号控制。控制器50上连接有用于检测车速v的车速检测器51和用于检测加速踏板的操作量A的操作量检测器52。控制器50根据来自这些检测器的信号，如后述那样根据马达23的目标输出Pw2(图6)来控制电动马达的输出转矩T。

这里，进一步详细说明前轮驱动装置10的结构。图3是示出了HST行驶回路的详细构成的图。如图3所示，在发动机1的输出轴上连接有电荷泵(charge pump)15，在电荷泵15的下游设有节流阀16。当发动机转速由于加速踏板(图中未示出)的踏入而增加时，电荷泵15的排出压力增加。来自该电荷泵15的液压油经由前进后退切换阀17而被导入到倾转缸18，倾转缸18被驱动。由此，液压泵11的倾转角qp随着发动机转速的增加而变大，从而泵排出量增加，液压马达12的转速增加。根据前进后退切换杆19的操作，由来自控制器50的控制信号切换前进后退切换阀17，以控制从液压泵11向液压马达12的液压油的流动方向。

泵倾转角q不仅根据加速踏板的踏入量、还根据作用在液压泵11上的负荷的大小而变化。例如当最大限度地踏入加速踏板，从而发动机1以全马力输出时，行驶负载增加，于是发动机转速降低，泵倾转角变小，泵排出量减少。该情况下的负载(马达驱动压P)与泵倾转角qp的关系如图4(a)所示。图4(a)的特性f1～f3是分别表示动力恒定时的马力线图，当分配到HST的动力Pw1(图6)变小时，马力线图以f1→f2→f3的方式移动。此外，马达驱动压的最大值Pmax由图中未示出的安全阀来限制，泵倾转角的最大值qpmax由泵自身的结构而物理性地限制。

在图3中，液压马达12的驱动压P被导向倾转油缸12a，马达倾转角qm根据马达驱动压P而变化。也就是说，当马达驱动压P为规定值Pa以上时，倾转油缸12a被驱动到大倾转量侧，如图4(b)所示，马达倾转角qm从小倾转量qm1向大倾转量qm2变化。倾转油缸12a设置有通过螺线管12b的励磁来调整规定值Pa的数值的调整机构。规定值Pa由来自后述的控制器50的控制信号根据HST的目标动力Pw1而控制。也就是说，当目标动力Pw1变大时，规定值Pa以特性g3→g2→g1的方式变大。

图4(a)的f1～f3和图4(b)的g1～g3分别对应于同一动力Pw1。例如动力Pw1最大时的泵倾转角qp的特性是f1，马达倾转角qm的特性是g1，规定值Pa被设定为与泵倾转角为最大值qpmax时的马达驱动压P1相等。由此，若在以HST的动力Pw1为最大、马达倾转角为小倾转量qm1的状态行驶时，行驶负载变大，则首先马达倾转角qm沿特性g1增加到qm2，之后，泵倾转角qp沿特性f1减小。

图5(a)～图5(c)是示出了车辆的行驶速度v与驱动力(牵引力)F的关系的图。图5(a)的a是最大程度地踏入加速踏板时的车辆整体的牵引力的特性。该特性a表示车辆发挥最大动力时、即发动机1输出全功率时的车辆整体的牵引力Fa，牵引力Fa随着车速v的增加而减小。即由于车辆的动力P通常表示为P＝F×v，因此若P保持为最大动力，则随着车速增加，牵引力减小。

图5(a)的b1、c1分别是加速踏板最大踏入量时的基于前轮驱动装置10(HST驱动装置)的前轮113的牵引力Fb、和基于后轮驱动装置20(电动马达23)的后轮123的牵引力Fc的特性，将特性b1和特性c1叠加就成为特性a。在本实施方式中，像图5(b)、(c)所示的那样设定前轮113的牵引力Fb的特性和后轮123的牵引力Fc的特性。此外，在图5(b)、图5(c)中，示出了与不同的加速踏板的操作量对应的多个特性b1～b3、c1～c3，当踏板操作量增加时，牵引力Fb的特性以b3→b2→b1的方式变化，牵引力Fc的特性以c3→c2→c1的方式变化。

特性b1、c1分别是加速踏板最大踏入时的特性。在加速踏板最大踏入时，如图5(b)所示，在车速到达v1之前，前轮113的牵引力Fb是恒定的，之后Fb逐渐减小，在车速为v2时为零。另一方面，如图5(c)所示，后轮123的牵引力Fc在车速到达v2之前是恒定的，之后Fc逐渐减小，在车速为v3时为零。这样，通过进行设定使牵引力Fb为零时的车速v2与牵引力Fc开始减小时的车速v2相等，车辆整体的牵引力Fa根据车速平滑地减小，从而能够降低振动。

在本实施方式中，控制电动马达23的输出转矩T，使前轮113的牵引力Fb与后轮123的牵引力Fc分别沿图5(b)、图5(c)的特性变化。另外控制图4(b)的规定值Pa。下面就该点进行说明。

图6是示出了控制器50内部的结构的框图。在目标动力运算部58中，预先存储有HST驱动装置的目标动力Pw1的特性和电动马达23的目标动力Pw2的特性。这些特性表示如何根据车速v对HST和电动马达23分配发动机的输出。Pw1与Pw2的合计值Pw0表示车辆整体的动力，动力Pw0与车速v无关，是恒定的。此外，由于发动机的输出根据加速踏板的操作量A的增加而增加，因此设定为加速踏板的操作量A越大，目标动力Pw1、Pw2越大。

将目标动力Pw1、Pw2设定为与车速v相对应的大小。即，在v≤va的低速区域中，设定为HST的目标动力Pw1比电动马达23的目标动力Pw2大。在va<v<vb的中速区域中，设定为目标动力Pw1的比例逐渐减少，目标动力Pw2的比例逐渐增加。在v≥vb的高速区域中，设定为目标动力Pw1为零，目标动力Pw2最大(＝Pw0)。目标动力运算部58基于该设定了的特性，根据车速v和加速踏板的操作量A计算目标动力Pw1、Pw2，并将目标动力Pw1、Pw2分别输出给规定值运算部54和转矩运算部53。

在转矩运算部53中，预先存储有电动马达23的目标转矩T与马达23的转速Nm及动力Pw2的关系。当前的马达转速Nm由控制器自己控制，转矩运算部53根据图示的特性计算出与目标动力Pw2和马达转速Nm相对应的目标转矩T。并且，控制变换器24，使电动马达23输出目标转矩T。由此，电动马达23的动力Pw2成为在目标动力运算部58中设定的值。

这样，将发动机输出的一部分作为电动马达23的动力Pw2分出，剩余的部分被分配到HST，HST的动力Pw1成为在目标动力运算部58中设定的目标动力Pw1。在规定值运算部54中预先存储有目标动力Pw1与规定值Pa的关系。规定值运算部54根据该关系计算出与目标动力Pw1对应的规定值Pa，并将控制信号输出到液压马达12的螺线管12b。由此控制规定值Pa。

下面对图5(b)的HST牵引力Fb与图6的HST目标动力Pw1的关系进行说明。图7是示出了HST牵引力Fb与HST动力Pw1的关系的图，图中的b1与图5(b)所示的特性为同一特性。图7的b11～b14分别是动力恒定的曲线，并且有b11>b12>b13>b14的关系。由于在车速v<va的范围内Pw1是恒定的(图6)，因此牵引力Fb沿动力恒定的曲线b11变化。由于当车速超过va时动力Pw1逐渐减小，因此牵引力Fb从曲线b11上的点P11向曲线b12上的点P12→曲线b13上的点P13→曲线b14上的点P14推移。其结果是，能够从图6的动力Pw1的特性得到图5(b)的牵引力Fb的特性。

下面说明第一实施方式的行驶驱动装置的动作的一个例子。

若在车辆的起动时最大程度地踏入加速踏板，则从液压泵11向液压马达12供给液压油，由HST驱动前轮113。另外，根据来自变换器24的信号使电动马达23旋转，由电动马达23驱动后轮123。此时，发动机的输出被分配到HST和电动马达23，并且在车速v到达规定值va之前，像图6所示的那样，分配到HST的动力Pw1大于分配到电动马达23的动力Pw2(Pw1>Pw2)。因此，HST能够高效地运转，从而能够像图5所示的那样在低速时获得高牵引力的行驶性能。

在车速v在va以上vb以下的区域中时，随着车速v的增加，分配到电动马达23的动力Pw2增加，分配到HST的动力Pw1减少。当车速v为vb(＝v2)以上时，Pw1为零，泵倾转角qp为零。由此如图5所示，牵引力Fb为零，能够获得高速低牵引力的行驶性能。在该情况下，只由电动马达23的牵引力Fc牵引车辆。因此，不需要由HST使车辆高速行驶，从而减少高速行驶时HST驱动装置中的动力损失，能够提高燃料效率。

通过以上的第一实施方式能够得到下面的作用效果。

(1)由HST行驶驱动装置驱动前轮113，由电动马达23驱动后轮123，并且当车速v在va以上vb以下的区域时，随着车速v的增加，分配到HST的动力Pw1根据车速减少，当车速v大于vb时，Pw1为零。由此，在车速为v2以上的高速行驶时，只在车辆上作用电动马达23的牵引力Fc，HST驱动装置的动力损失减少，燃料效率提高。

(2)由电动马达23驱动后轮123，因此作为车辆整体能够获得大的牵引力Fa。因此，与只用HST获得牵引力Fa的情况相比，能够使HST的泵11和马达12小型化。

(3)由操作量检测器52检测加速踏板的操作量A，并且操作量A越大，HST的动力Pw1和电动马达23的动力Pw2越大(图6)，因此，能够始终高效地向HST和电动马达23分配发动机的输出。

(4)由HST驱动作用在车轴上的负载较大的前轮113，由电动马达23驱动轴负载较小的后轮123，因此，电动马达23的牵引力Fc很小即可，因此能够通过HST和电动马达23构筑最佳的行驶系统。

(5)当根据车速v改变动力Pw1的分配时，与该动力Pw1对应的泵倾转角qp和马达倾转角qm自动变化，因此，不需要由控制器50直接控制倾转角qp、qm，结构简单。

(第二实施方式)

参照图8、9对本发明的行驶驱动装置的第二实施方式进行说明。

在第二实施方式中，作为后轮驱动装置20，设置发电机马达以代替电动马达23，用于在减速时对车辆具有的动能进行回收。图8是示出了第二实施方式的行驶驱动装置的结构的图。此外，对与图2相同的部位标注了相同的附图标记，以下主要说明其不同点。

除了车速检测器51和加速操作量检测器52，控制器50上还连接有用于检测制动踏板的操作量B的操作量检测器57。控制器50从操作量检测器52的操作量A中减去操作量检测器57的操作量B，若差值为正则输出加速指令，若差值为负则输出减速指令。当输出加速指令时，发电机马达55发挥作为电动马达的功能；当输出减速指令时，发电机马达55发挥作为发电机的功能。此外，作业用泵连接在轮式装载机的发动机输出轴上，还可以操作加速踏板以便在作业时调节作业马力。因此，像轮式装载机这样的工业车辆有时会同时操作加速踏板和制动踏板。

当发电机马达55作为电动马达发挥作用时，与来自控制器50的控制信号相对应的驱动电流经由变换器(invertor)/转换器(convertor)56而被供给到发电机马达55，因此发电机马达55驱动。关于这点，与第一实施方式相同，例如在制动踏板非操作时，发电机马达55的动力Pw2如图6所示根据加速踏板的操作量A和车速v而变化。当发电机马达55作为发电机发挥作用时，由发电机马达55发出的电力经由变换器(invertor)/转换器(convertor)56为电池22充电。

图9(a)～图9(c)是示出了第二实施方式的车速v与牵引力F的关系的图，分别与第一实施方式的图5(a)～图5(c)对应。若在车辆行驶时输出减速指令(制动指令)，则发电机马达55作为发电机发挥作用，因此牵引力Fc为负，对车辆作用制动力。由此，能够将减速时的动能回收到电池22中。在该情况下，减速指令值越大，发电量越多，制动力增加。当车速v降低时，基于HST的液压制动器同时动作。在该情况下，基于发电机马达55的制动器首先动作，在仍然不足的情况下，基于HST的液压制动器动作。这样，发电机马达55能够优先发电，从而能够高效地回收动能。

由此，根据第二实施方式，由于由发电机马达55驱动后轮123，并在减速时进行发电，因此能够将减速时不需要的动能转化为电能进行回收，从而能够改善燃料效率。由于对加速踏板的操作量A和制动踏板的操作量B进行检测，并根据该操作量A、B的差值来判断减速指令，并且，减速指令值越大，发电机马达55的发电量越增加，制动力增加，因此，能够对车辆施加适当的制动力。

此外，在上述实施方式中，通过将作为马达发电机的发电机马达55作为发电机使用来对车辆作用制动力，但是也可以驱动制动盘来作用制动力，即并用机械制动。虽然用控制器50从加速踏板的操作量A和制动踏板的操作量B的差值来判断加速/减速指令，但判断部并不限于此。

虽然以使HST行驶驱动装置的泵倾转角qp和马达倾转角qm机械式变更的方式形成了HST液压回路，但是也可以通过电子控制直接控制倾转角qp、qm。虽然由HST驱动作为第一驱动轮的前轮113，由电动马达23驱动作为第二驱动轮的后轮123，但是也可以由电动马达23驱动前轮113，由HST驱动后轮123，而且，车轮113、123的驱动方式的组合不限于上述的组合。虽然由操作量检测器52检测加速踏板的操作量A，但是也可以使用其他的加速检测部。

当由车速检测器51检测出的车速v在va(第一规定值)以下的低速区域，使HST的动力Pw1(第一动力)比电动马达23的动力Pw2(第二动力)大并保持恒定，在va<v<vb(第二规定值)的中速区域，在逐渐减小Pw1的同时，逐渐增加Pw2，在v≥vb的高度区域，使Pw1为零，使Pw2为最大(Pw0)(图6)，但是，作为控制部的控制器50的结构不限于上述结构，只要随着车速v的增加，对HST和电动马达23分配发动机输出，使分配给HST的动力的比例减小，分配给电动马达23的动力的比例增大即可。因此，牵引力Fa～Fc的特性也不限于图5、9所示的特性。只要能够对电动马达23的输出转矩T进行控制，使牵引力Fb为零时的车速v2与牵引力Fc开始减少时的车速v2相等(图5)，那么作为转矩控制部的控制器50的结构可以是任意。

上述实施方式应用于轮式装载机，但是本发明也同样能够应用在其他的作业车辆(例如轮式液压挖掘机)中。也就是说，只要能够实现本发明的技术特征和功能，本发明不限于实施方式的行驶驱动装置。

本申请以日本专利申请2006-326694号(2006年12月4日提出申请)为基础，并将其内容作为引用文字写入本案。