(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記目標変更部は、前記減算値が前記第1範囲内である場合には、前記第1範囲の下限値に予め定められた設定値を減算し、前記減算した値を前記ファンの目標回転数に設定する請求項2に記載の作業機の冷却制御システム。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
さて、特許文献1で採用している冷却制御システムは、ビスカスクラッチ(流体継手)によってエンジンからの動力が伝達される構造(粘性クラッチファン構造)である。粘性クラッチファン構造では、粘度の高いシリコンオイルの量によって、ファンに伝達するトルクが変化し、冷却ファンの回転数を変更する。粘性クラッチファン構造では、制御装置から冷却ファンの目標回転数を変更したとしても、冷却ファンの実際の回転数が変更できないことがあった。
【0005】
本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる作業機の冷却制御システム及び作業機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この課題を解決するための本発明の技術手段は、以下に示す点を特徴とする。
作業機の冷却制御システムは、出力軸を有する原動機と、前記原動機の出力軸の回転動力によって回転するファンと、前記ファンが装着されたハウジングと、前記原動機の出力軸の回転動力によって回転し、且つ、前記ハウジングとの間に形成されたギャップに導入された流体によって当該ハウジングと共に回転するロータと、前記ギャップに導入する前記流体の導入量を設定する流体設定部と、前記ファンの実回転数を検出するファン回転検出装置と、前記ファンの目標回転数を取得する目標回転取得部と、前記ファンの実回転数とファンの目標回転数との差分に対して比例制御を行う比例制御部と、前記差分に対して積分制御を行う積分制御部と、前記差分に対して微分制御を行う微分制御部と、
前記ファンの回転数における不安定領域である第1範囲を記憶する記憶部と、前記ファンの目標回転数を変更する目標変更部と、を備え、前記積分制御部は、前記差分が閾値以上である場合に前記積分制御を行わず、前記差分が閾値未満になった場合に前記積分制御を開始し、
前記目標変更部は、前記記憶部に記憶された前記第1範囲を参照し、前記ファンの目標回転数が前記第1範囲外である場合には前記ファンの目標回転数を変更せず、前記ファンの目標回転数が前記第1範囲内である場合に前記第1範囲の上限値又は下限値に、予め定められた設定値を加算又は減算することで前記ファンの目標回転数を変更する。
【0008】
作業機の冷却制御システムは、前記原動機の実回転数を検出する原動回転検出装置を備え、前記目標変更部は、前記原動回転検出装置で検出された原動機の実回転数から所定回転数を減算した減算値を前記ファンの目標回転数に設定する。
作業機の冷却制御システムは、前記目標変更部は、前記減算値が前記第1範囲内である場合には、前記第1範囲の下限値に予め定められた設定値を減算し、前記減算した値を前記ファンの目標回転数に設定する。
【0009】
作業機は、上述した作業機の冷却制御システムを備えている。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る作業機の冷却制御システム及びこの冷却制御システムを備えた作業機の好適な実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。
図6は、ホイルローダの全体図である。
まず、作業機として、ホイルローダを例にあげ説明する。なお、作業機は、ホイルローダに限定されず、コンパクトトラックローダ、スキッドステアローダ、バックホー等であっても、その他の作業機であってもよい。
【0013】
図6に示すように、ホイルローダ1は、アーティキュレート式の作業機であり、機体2と、前方で作業が可能な作業装置3とを有している。機体2には前輪5及び後輪6が設けられている。機体2には、支持フレーム4が設けられている。作業装置3は、リフトアーム9とバケット10とを有する。リフトアーム9は、その基端側が支持フレーム4に幅方向の軸心(横軸)回りに揺動自在に支持されている。リフトアーム9はリフトシリンダ12の伸縮によって作動される。即ち、リフトシリンダ12を伸縮すると、リフトアーム9は上下方向に揺動する。バケット10は、リフトアーム9の先端側に横軸回りに揺動自在に支持されている。バケット10は、バケットシリンダ13の伸縮によって上下方向に回動する。なお、バケット10は着脱自在に設けられていて、バケット10の代わりに、スイーパー、モアー、ブレーカ等の予備アタッチメントをリフトアーム9の先端側に取り付け可能とされている。
【0014】
機体2には、運転席14と、ステアリング16と、作業装置3を操作する操作装置17と、原動機18とが設けられている。原動機18は、ディーゼルエンジン(エンジン)である。なお、原動機18は、電動モータであってもよいし、電動モータとエンジンとの両方から構成されていてもよい。ホイルローダ1には、原動機18の出力軸19の回転動力により作動する油圧ポンプが設けられている。油圧ポンプは、ホイルローダ1に装備された油圧アクチュエータ(リフトシリンダ12、バケットシリンダ13等)やバケット10の代わりに装着されるアタッチメントの油圧アクチュエータに作動油を供給可能である。また、ホイルローダ1には、HST(静油圧式トランスミッション)等の走行装置が設けられている。
【0015】
次に、ホイルローダ1に設けられた作業機の冷却制御システムについて説明する。
図1、2に示すように、作業機の冷却制御システムは、冷却装置20を備えている。冷却装置20は、原動機18を動力源として駆動する装置であって、粘性の流体を用いた粘性式のクラッチファンである。冷却装置20は、回転軸21と、ロータ22と、ハウジング(ケース)23と、流体設定部(流体設定装置)24と、ファン25とを有している。
【0016】
回転軸21は、エンジン18の出力軸19の回転動力により回転する軸である。例えば、エンジン18の出力軸19には、当該出力軸19と共に回転するプーリ30が設けられている。また、回転軸21にも、当該回転軸21と共に回転するプーリ31が設けられている。プーリ30とプーリ31とには、ベルト(駆動ベルト)32が掛けられ、プーリ30の回転動力が駆動ベルト32を介してプーリ31に伝達される。即ち、回転軸21は、エンジン18の出力軸19の回転動力によって回転する。
【0017】
ロータ22は、回転軸21に固定されていて、回転軸21と共に回転する。ロータ22は、円盤状であって、外面に環状のラビリンス部(溝部)22aが形成されている。ロータ22はハウジング23に収容されている。
ハウジング23は、回転軸21に軸受33を介して回転自在に支持されている。ハウジング23の外側には、複数枚の羽根を有するファン25が装着されている。したがって、ハウジング23を回転させることによってファン25を回転させることができる。
【0018】
ハウジング23は、ロータ22のラビリンス部22aに近接する壁部23aを有している。ハウジング23の壁部23aと、ロータ22のラビリンス部22aとの間には、ギャップ(作動ギャップ)23bが形成されている。ギャップ23bに粘性の流体(例えば、シリコン油)を導入することによって、ロータ22の回転動力がハウジング23に伝達される。ハウジング23はロータ22の回転動力によって回転する。
【0019】
ハウジング23は、貯蔵室23cと、流路23dとを有している。貯蔵室23cは、シリコン油を一時的に貯蔵する室であって、回転軸21の先端側に設けられている。流路23dは、貯蔵室23cとギャップ23bとを連通する循環型の流路である。即ち、流路23dは、ギャップ23bの出側23b1と貯蔵室23cとを繋ぎ、ギャップ23bの入側23b2と貯蔵室23cとを繋ぐ流路である。したがって、ギャップ23bに導入されたシリコン油は、流路23dを通過して貯蔵室23cに入った後、貯蔵室23cから流路23dに入って、ギャップ23bに戻ることが可能である。
【0020】
流体設定部(流体設定装置)24は、ギャップ23bに導入するシリコン油の導入量を設定する装置である。流体設定装置24は、流路23dの中途部を閉鎖可能な電磁弁である。即ち、流体設定装置24は、コイル(ソレノイド)と、コイルの励磁によって移動可能なピンと、ピンの先端に設けられた弁体とを有している。流体設定装置24のピン及び弁体は、流路23d内に設けられ、ビンの移動によって流路23dの内部を開放又は閉鎖可能である。流体設定装置24を作動させて開度を変更すれば、貯蔵室23cから流体設定装置24を通過してギャップ23bに導入される導入量を調整することができる。
【0021】
ギャップ23bに入ったシリコン油は、流路23dを通過して貯蔵室23cに入る。ここで、流体設定部24によって流路23dを完全に閉鎖した状態では、シリコン油は、貯蔵室23からギャップ23bに流入することができない。流体設定部24の弁体を開けば、貯蔵室23cのシリコン油は、流体設定部24を通過して、ギャップ23bに流入することができる。ギャップ23bに導入されたシリコン油の導入量によって、ファン25(ハウジング23)の回転数を変更することができる。
【0022】
例えば、ギャップ23bへのシリコン油の導入量を多くすることによって、ファン25の実際の回転数(実回転数)を、エンジン18の実際の回転数(実回転数)と略一致するまで上昇させることができる。また、ギャップ23bへのシリコン油の導入量を少なくすることによって、エンジン18の回転軸19からロータ22を介してハウジング23に伝達するトルクが小さくなる。即ち、ギャップ23bへのシリコン油の導入量を少なくすることによって、エンジン18の実回転数に対するファン25の実回転数の比率が減少する。
【0023】
冷却装置20の制御は、CPU等で構成された制御装置40で行う。制御装置40は、流体設定装置24に制御信号を出力して当該流体設定装置24の開度を変更することによって、ファン25の回転数を制御する。即ち、制御装置40は、ファン25の目標回転数とファン25の実回転数とが一致するように、流体設定装置24を制御する。
さて、
図1に示すように、制御装置40は、第1検出装置(原動回転検出装置)41と、第2検出装置43と、比例制御部44と、積分制御部45と、微分制御部46とを備えている。第1検出装置41は、エンジン18の実際の回転数(実回転数)を検出する装置である。即ち、第1検出装置41は、出力軸19の付近に設けられ、エンジン18の出力軸19の実回転数を検出する。第2検出装置43は、ファン25(ハウジング23)の実回転数を検出する装置である。即ち、ファン25又はハウジング23の近傍に設けられ、ファン25の実回転数を検出する。
【0024】
比例制御部44、積分制御部45及び微分制御部46は、制御装置40を構成する電気・電子部品、当該制御装置40に組み込まれたプログラム等から構成されている。
図5は、制御装置40の制御ブロックを示している。
図5に基づいて、比例制御部44、積分制御部45及び微分制御部46について説明する。
図5に示すように、制御装置40は、第2検出装置43で検出されたファンの実回転数(F2)と、ファンの目標回転数(F1)との差分(F1−F2)を求める。比例制御部44は、ファンの実回転数F2とファンの目標回転数F1との差分(F1−F2)に対して、予め設定された設定された比例ゲインを掛けて(乗算して)比例制御(P制御)を行う。
【0025】
積分制御部45は、ファンの実回転数F2とファンの目標回転数F1との差分(F1−F2)に対して、積分開始タイミング変更処理が実行されて設定された積分ゲイン(0か正の定数B)を掛けて(乗算して)積分制御(I制御)を行う。
微分制御部46は、ファンの実回転数F2とファンの目標回転数F1との差分(F1−F2)に対して、予め設定された設定された微分ゲインを掛けて(乗算して)微分制御(D制御)を行う。
【0026】
このように、制御装置40は、PID制御によって制御値(操作量)を決定して、当該制御値に対応する制御信号を流体設定装置24のコイルに出力することにより、ファンの回転を設定する。なお、制御信号は、制御値に応じてデューティ比が設定された信号であって、制御装置40は、PWM制御によって、流体設定装置24の開度を設定する。
さて、PID制御において、少なくとも積分制御(I制御)を含む制御を実行すると、ファンの実回転数F2とファンの目標回転数F1との差分(F1−F2)であるP成分を積分計算して算出した積分成分(I成分)が過度に積算されて、ファンの実回転数F2の遷移が不安定になる場合がある、即ち、過度な積分成分の積算によってPID制御系が安定せず、ファンの目標回転数F1が変更されるとファンの実回転数F2がオーバシュートを起こしてしまう。その結果、ファンの実回転数F2がファンの目標回転数F1に追従するための時間が長くなったり、ファンの実回転数F2が振動することにより騒音(うなり音)が発生する場合がある。
【0027】
そのため、積分制御部45は、差分が閾値以上である場合に積分制御を行わず、差分が閾値未満になった場合に積分制御を開始する。
例えば、積分制御部45は、ファンの目標回転数F1(rpm)とファンの実回転数F2(rpm)との差分の絶対値が予め定められた閾値Aよりも大きい場合、例えば、予め記憶部47に記憶された積分ゲインを用いずに、当該処理で用いる制御ゲインを零にセットすることで、実質的に積分制御を実行しない。また、積分制御部45は、ファンの目標回転数F1(rpm)とファンの実回転数F2(rpm)との差分の絶対値が予め定められた閾値Aよりも小さくなった場合、予め記憶部47に記憶された積分ゲインによって積分制御を実行する。
【0028】
これにより、オーバーヒート時においてファンの目標回転数F1を急に上昇させようとしても、ファンの目標回転数F1(rpm)とファンの実回転数F2(rpm)との差分の絶対値が閾値Aよりも大きいと判断されて積分制御が実行されないため、積分成分(I成分)が過度に積算されることを防止することができる。その結果、ファンのうなり音等が発生することを防止することができる。
【0029】
さて、
図4は、冷却システムにおいて従来のPID制御を実行した場合のファンの目標回転数F1に対するファンの実回転数F2の時間変化を示している。ファンの目標回転数F1は、油温、水温、エアコン使用有無等に応じて変更しているが、
図4に示すように、ある特定の領域Lでは、ファンの実回転数F2が振動してしまうことがある。即ち、ファンの実回転数F2が振動する不安定領域(領域)Lが存在する。制御装置40は、少なくとも積分制御(I制御)を含むPID制御において、ファンの目標回転数F1の変更時におけるファンの実回転数F2の応答性および安定性を向上させる処理(不安定区間回避処理)を行っている。
【0030】
以下、不安定区間回避処理について詳しく説明する。
制御装置40の記憶部47は、ファンの目標回転数F1における不安定領域Lである第1範囲を記憶している。不安定領域L1は、ファンの目標回転数F1を最小から最大まで変化させてファンの実回転数F2の挙動を測定することにより求めた範囲である。
制御装置40は、目標変更部48を備えている、目標変更部48は、制御装置40を構成する電気・電子部品、当該制御装置40に組み込まれたプログラム等から構成されている。
【0031】
目標変更部48は、ファンの目標回転数F1が記憶部47に記憶された第1範囲L1内である場合に、ファンの目標回転数F1を第1範囲L1外の値に変更する。
図4に示すように、目標変更部48は、ファンの目標回転数F1が、第1範囲L1の上限値a、下限値bの範囲[a,b](a,bともに正の定数)に入った場合に、ファンの目標回転数F1を第1範囲外の値に変更する
目標変更部48は、記憶部47に記憶されたファンの目標回転数F1の領域[a,b]を参照し、ファンの目標回転数F1が領域[a,b]に含まれる場合、上限値aに予め定められた設定値cを加算(a+c)して、加算値をファンの目標回転数F1に設定する。或いは、目標変更部48は、ファンの目標回転数F1の領域[a,b]を参照し、ファンの目標回転数F1が領域[a,b]に含まれる場合、下限値bに設定値cを減算(b-c)して、減算値(第1減算値)をファンの目標回転数F1に設定する。上限値aに対して加算する正の設定値cと、下限値bに対して減算する正の設定値cとは異なる値にしてもよい。この実施形態では、設定値cは50rpmであるが、これに限定されない。
【0032】
また、目標変更部48は、記憶部47に記憶されたファンの目標回転数F1の領域[a,b]を参照し、ファンの目標回転数F1が領域[a,b]に含まれない場合は、ファンの目標回転数F1は変更されないまま設定される。
なお、目標変更部48によって変更されたファンの目標回転数F1が、冷却装置20におけるファンの最大回転数超又は最小回転数以下になる場合は、ファンの目標回転数F1を最大回転数或いは最小回転数に固定するか、或いは、一時的に目標変更部48よるファンの目標回転数F1の変更を実行しない。
【0033】
上述した実施形態では、I成分の過剰な積算回避、ファンの目標回転数の不安定領域回避を行っているが、これに加えて、下記に示す応答改善処理を行ってもよい。
目標変更部48は、ファンの目標回転数F1をエンジンの実回転数E1よりも予め低くすることで、ファンの目標回転数F1の変更時におけるファンの実回転数F2の応答性を向上させている。即ち、目標変更部48は、第1検出装置41で検出されたエンジンの実回転数E1から所定回転数を減算した減算値(第2減算値)を、ファンの目標回転数F1に設定することで、ファンの実回転数F2の応答性を向上させている。
【0034】
具体的には、目標変更部48は、エンジンの実回転数から、応答性に基づいて定めた所定回転数を減算した値を、ファンの目標回転数に設定する。即ち、目標変更部48は、[ファンの目標回転数(第2減算値)F1(rpm)=エンジンの実回転数E1(rpm)−所定回転数(rpm)]に設定する。ここで、所定回転数とは、応答性に基づいて定めた回転数であって、張り付き現象を抑制することが可能な回転数(張付防止回転数)である。所定回転数は、様々な実験等によって定めた値で、少なくともファンの目標回転数F1をエンジンの実回転数E1よりも150rpm低くすることにより、ファンの目標回転数の変更時においてファンの実回転数の応答性が向上する。
【0035】
図3A及び
図3Bは、ファンの回転数の応答改善処理を行った場合と、応答改善処理を行わなかった場合との試験結果を比較したものである。試験では、両者とも条件は同じである。試験では、エンジンの実回転数を急激に低下させた後、短時間の間にエンジンの実回転数を変化させた。
図3Aに示すように、応答改善処理を行わなかった場合は、ファンの実回転数F2がエンジンの実回転数E1に追随してしまう。また、ファンの実回転数がファンの目標回転数F1の付近に達する際にハンチングが発生した。一方、
図3Bに示すように、応答改善処理を行った場合は、ファンの実回転数F2はエンジンの実回転数E1に追随することがなく、ファンの実回転数E1はファンの目標回転数F1に略一致して、ハンチングも発生することはなかった。
【0036】
上述したように、エンジンの実回転数E1から所定回転数を減算した減算値をファンの目標回転数F1にした場合に、当該ファンの目標回転数F1が領域[a,b]に含まれる可能性がある。目標変更部48は、第2減算値が領域[a,b]内である場合には、領域[a,b]における下限値bに予め定められた設定値dを減算し、減算した値をファンの目標回転数F1に設定する(ファンの目標回転数F1=下限値b−設定値d)。
【0037】
以上によれば、I成分の過剰な積算回避、ファンの目標回転数の不安定領域回避、張付き防止の処理を行っているため、回転軸21、ロータ22、ハウジング(ケース)23、流体設定部(流体設定装置)24及びファン25を備えた冷却装置20であっても、ファンの目標回転数の変更に伴ってファンの実回転数を簡単に変更することができる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。