专利名称：推土机的推土装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及推土机的推土装置，更详细地说是涉及用挖铲进行推土作业时，检测挖铲前面的土砂的量(土方量)及根据检测的土砂量自动地使挖铲俯仰动作的技术。
以往，用推土机的推土作业是根据操作人员的手动操作使挖铲上升或下降，进而，进行倾斜操作及俯仰操作，一边避免车体的行走滑动(脚部滑动)，一边使加在挖铲上的保持一定的挖掘运土负荷量来进行操作的。此时，从挖掘作业向运土作业转换时，操作人员是根据自身的感觉判断车体脚部滑动状态或者土砂从挖铲上面的溢流状态，来推断挖铲前面的土砂量(土方量)。
可是，上述的凭操作人员的感觉来推断土方量的方式，对于具有特大的挖铲、且脚部滑动小的推土机来说，要想正确地判断土方量是相当困难的。存在着从挖掘作业转变到运土时不能有效地定时同步的问题。另外，随着上述判断的操作，对于不熟练的操作人员来说，要产生很大的疲劳，同时这种判断自身也是相当困难的。
本发明的第1个目的在于为了解决上述存在的问题，提供了推土作业时，不依赖操作人员的感觉就可自动地检测挖铲前面的土砂量的推土机推土装置。
本发明的第2个目的在于提供了根据上述土砂量的自动检测，可以自动地进行从挖掘作业向运土作业的转变的推土机的推土装置。
为了完成上述的第1个目的，本发明的推土机的推土装置的特征是具有(a)在用挖铲挖掘时，检测加在挖铲上的水平反力的水平反力检测单元、(b)在用挖铲挖掘时，检测加在挖铲上的垂直反力的垂直反力检测单元、(c)接受这些水平反力检测单元和垂直反力检测单元的各输出，计算出上述垂直反力对于水平反力的比，根据其比值运算出挖铲前面的土砂装满率的装满率运算单元。
本发明中，在用挖铲挖掘时，分别通过水平检测单元及垂直检测单元检测加在挖铲上的水平反力和垂直反力，从检测出的水平反力及垂直反力计算出垂直反力对于水平反力的比，根据此比值计算出上述挖铲前面的土砂装满率。这样根据装满率可以正确地推断挖铲前面的土砂量(土方量)。这样得到的土方量的值可以用于推土作业中从挖掘作业转变到运土作业时期的信号、以及车辆由于疲劳而达到维修时期的信号或者用于土方量管理的目的。
此装满率运算单元，最好根据上述垂直反力对于上述水平反力的比和上述挖铲的俯仰角运算出装满率。
本发明中，最好具有显示由上述装满率运算单元运算的装满率值的显示单元。这样一来操作人员能很容易地知道装满率，可以提高用挖铲操作时的作业效率。
上述的水平反力检测单元可以采用以下的任何一种方式。
1.具有检测发动机转数的发动机转速传感器和检测扭矩变换器的输出轴转数的扭矩变换器输出轴传感器，首先得到用上述发动机转速传感器检测出的发动机转数和用扭矩变换器输出轴传感器检测出的扭矩变换器输出轴转数的比，即速度比，用此速度比，从上述扭矩变换器的扭矩变换器特性得到扭矩变换器输出扭矩，接着在上述扭矩变换器输出扭矩上乘算从上述扭矩变换器的输出轴到驱动使车体行走的履带的链轮减速比，根据上述比值数计算出加在挖铲上的水平反力。
2.具有在带锁定的扭矩变换器锁定时或直接传动时，可以检测发动机转速的发动机转动传感器，通过发动机转动传感器检测出发动机转数，由该发动机转数从上述发动机的发动机扭矩特性得到发动机扭矩，接着，在该发动机扭矩上乘算从上述发动机到驱动使车体行走的履带的链轮减速比，根据上述结果计算出加在挖铲上的水平反力。
3.具有可以检测出支持挖铲的直框对于与车体结合部的枢轴上的弯曲应力量的弯曲应力传感器，根据此弯曲应力传感器检测出的弯曲应力量，检测加在挖铲上的水平反力。
4.具有检测使车体行走的驱动履带的链轮的驱动扭矩的扭矩传感器，根据此驱动扭矩传感器测定的驱动扭矩检测出加在挖铲上的水平反力。
另外，作为上述垂直反力检测单元可以采用以下的任何一种方式。
1.具有检测使上述挖铲升降的挖铲升降油压缸的缸头侧油压的缸头油压传感器和检测挖铲升降油压缸底部侧油压的缸底油压传感器和检测固定该挖铲升降油压缸的一端的轭件(yoke)倾斜角的轭角传感器，根据这些缸头油压传感器及缸底油压传感器检测出的各油压，得到上述挖铲升降油压缸的推压力，在此推压力上乘算由上述轭角传感器检测出来的与轭件的垂直轴的倾斜角的余弦，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
2.具有检测使上述挖铲升降的挖铲升降油压缸的头侧油压的缸头油压传感器和检测挖铲升降油压缸底部侧油压的缸底油压传感器，根据这些缸头油压传感器及缸底油压传感器检测出的各油压，得到上述挖铲升降油压缸的推压力，在此挤压力上乘算一个常数，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
3.具有贴在使上述挖铲升降的、挖铲升降油压缸杆上的应变计和检测固定该挖铲升降油压缸的一端的轭件倾斜角的轭角传感器，根据该应变计检测出的上述挖铲升降油压缸的轴向力，得到此挖铲升降油压缸的推压力，在此推压力上乘算由上述轭角传感器检测出来的与轭件垂直轴的倾斜角的余弦，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
4.具有贴在使上述挖铲升降的、挖铲升降油压缸杆上的应变计，根据该应变计检测出的上述挖铲升降油压缸的轴向力，得到此挖铲升降油压缸的推压力，在此推压力上乘算一个常数，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
下面，说明为了达到上述的第2个目的，本发明推土机的推土装置的特征是具有在用挖铲挖掘时，可以运算挖铲前面土砂的装满率的装满率运算单元和控制挖铲的控制单元，上述控制挖铲单元的作用是当用装满率运算单元运算的装满率达到规定值时使得上述挖铲向后倾斜以便抱持住砂土。
本发明中，用挖铲挖掘时，其挖铲前面的土砂的装满率是通过装满率运算单元运算，当此运算的装满率达到设定值时，通过挖铲控制单元使挖铲后倾斜以便抱持住土砂。这样，当要求的挖掘作业结束时，可以自动地控制挖铲从挖掘姿势转向运土姿势(后仰姿势)，这样可以不依赖于操作人员的感觉，有效定时地从推土作业的挖掘作业转向运土作业，因此，在提高作业效率的同时，也可以作到推土作业的省力化。
本发明中，上述装满率运算单元是检测加在上述挖铲上的水平反力和垂直反力后，运算垂直反力对水平反力的比，由此比值和上述挖铲的倾斜角得到上述装满率。或此装满率运算单元通过安装在推土机上的距离传感器检测上述挖铲前的土砂高度，来得到上述装满率。
进而，具有设定(目标)倾斜角运算单元，该设定倾斜角运算单元的作用是通过上述装满率运算单元计算的装满率和上述挖铲的倾斜角运算出使上述挖铲后倾的设定俯仰角，上述挖铲控制单元是控制该挖铲使得它的俯仰角与用设定俯仰角运算单元计算的设定俯仰角相一致这样，可更高精度地控制挖铲的后倾姿势。
还具有检测推土机到达排土位置的排土位置检测单元，上述挖铲控制单元接受此排土位置检测单元的输出后，控制挖铲使得上述挖铲前倾斜将抱持住的土砂排出。这样一来，可以实现从挖掘作业到运土作业，进而从运土作业到排土作业的一系列的挖铲的自动化控制。
最好具有控制变速装置的变速控制单元，该变速控制单元的作用是当通过上述排土位置检测单元检测到上述推土机达到排土位置时，使得变速装置的速度挡位置切换到后退位置。另外，具有检测推土机达到挖掘开始位置的挖掘开始位置检测单元，上述变速控制单元接受到来自挖掘开始位置检测单元的输出后，控制该变速装置使得变速装置的速度挡位置切换到前进位置。具有这样的变速控制单元时，当推土机达到如悬崖样的排土位置时，通过挖铲的前倾，将装在挖铲内的土砂排出的同时，变速装置的速度挡位置切换到后退位置，推土机向着挖掘开始位置后退，再次达到推土机挖掘开始的位置时，变速装置的速度挡位置切换到前进位置，推土机向着排土位置前进。而且，当前进行走中进行挖掘作业时，挖铲前面的土砂的装满率达到设定值时，该挖铲自动地后倾，抱持住土砂，控制成运土姿势。这样，可以使规定路线的推土作业更加省力化。
作为上述排土位置检测单元可以采用以下的任何一种方式。
1.具有至少一个设在地面上的激光投射器和设置在推土机上、并接受来自激光投射器入射的激光的受光传感器。
2.具有至少一个设在地面上的激光投受光器和设置在推土机上、并接受来自激光投受光器入射的激光并将它反射到同一方向的反射器。
3.具有超声波声纳，它设置在上述推土机上，同时通过向着车体的前方投射超声波来检测地面的情况。
4.具有负荷检测器，通过加在上述挖铲上的负荷状态变化来推断挖铲前方的土砂量。
5.在上述推土机前进时，用实际车速传感器的输出的积分计算从挖掘位置开始位置的行走距离来检测上述的排土位置。
6.上述排土位置检测单元是用GPS检测上述排土位置。
另一方面，上述挖掘开始位置检测单元，可以采用以下的任何一种方式。
1.具有设在地面上的至少一个激光投射器和设置在推土机上接受来自激光投射器入射的激光的受光传感器。
2.具有设在地面上的至少一个激光投受光器和设置在推土机上接受来自激光投受光器入射的激光并将它反射到同一方向反射器。
3.在上述推土机后退时，从上述排土位置起测定驱动履带用的链轮转数，检测上述挖掘开始位置。
4.上述挖掘开始位置检测单元是用GPS检测的。
本发明还具有存储单元和运转控制单元，上述存储单元可以存储操作人员示范操作时的挖掘开始位置及排土位置和用上述挖铲控制单元使挖铲后倾斜时的挖掘运土切换位置；上述运转控制单元是根据存储单元的输出信号使上述推土机在挖掘开始位置时，将变速位置的速度挡位置切换到前进位置，上述推土机在排土位置时，将上述挖铲前倾斜，控制挖铲使得抱持住的土砂排出，同时将变速装置的速度挡位置切换到后退位置，上述推土机在上述挖掘运土切换位置时，控制挖铲使得挖铲后倾斜以便抱持住砂土。通过这样的构成，用操作人员的手动操作，就可以掌握挖掘开始位置、排土位置及挖掘运土切换位置，可以作成推土机的自身位置和运转模式切换的关系图，所以可以实现推土机的自动运转。
附图的简单说明
图1是本发明一实施例的推土机的外观立体图；图2本实施例的推土机的侧视图；图3表示推土机的俯仰操作回路的油压回路图4动力传递系统的梗概图；图5说明加在挖铲上的反力图；图6(a)表示加在挖铲上的剪切力的变化图、(b)表示加在挖铲上的推压力的变化图；图7表示垂直反力对水平反力比值的变化图；图8挖铲的后仰动作控制流程图；图9说明轭件角及俯仰角的图；图10发动机特性曲线的图表；图11泵校正特性曲线图表；图12扭矩变化器特性曲线的图表；图13倾斜角度-负荷量校正特性图；图14表示装满率Q对于Fv/FH比的关系图；图15表示设定俯仰角与装满率的关系的图；图16说明挖铲的姿势图；图17自动运转控制说明图；图18(a)、(b)、(c)表示显示盘上的显示例图；图19推土机的作业工序说明图；图20表示装满率运算单元的其它例的说明图。
以下，参照附图，对于本发明的推土机的推土装置的具体实施例加以说明。
图1表示本发明一个实施例的推土机的外观立体图，图2是表示该推土机的侧视图。
本实施例的推土机1中，在此推土机1的车体2上设置有收纳后述的发动机20的机罩3及操纵推土机1的驾驶人员的驾驶室4。另外在车体前进方向的左右各侧部设置了使车体2前进、后退及旋转的履带5(右侧的履带在图中没有表示出)。这两个履带5通过发动机20传来的驱动力，使用相应的链轮6分别独立地驱动。
车体2的前方配制有挖铲7。此挖铲7支持在左及右的直框8、9的顶端部，同时这些直框8、9的基端部通过枢轴10(图中没有表示右侧的枢轴)可转动地支持在车体2上，用这样的构成，使得挖铲7相对车体2能上升、下降地被支持着。在车体2的两侧前方设有可使挖铲7上升、下降的左右一对的挖铲升降油压缸11、12。这些挖铲升降油压缸11、12，其基端部是支持在轭件13上，该轭件13是自由转动地安装在车体2上。同时，其另一端部是可转动地支持在挖铲7的背面上。此外，为了控制挖铲7分别成为后述的挖掘姿势、前仰姿势、后仰姿势，在此挖铲7和左右的直框8、9间设置了挖铲俯仰油压缸14、15。
上述车体2上设置检测轭件13的转动角、换言之挖铲升降油压缸11、12的转动角的轭角传感器16a、16b(右侧部的轭角传感器图中没有表示出)，各挖铲升降油压缸11、12上设置可以检测这些挖铲升降油压缸11、12的油压缸冲程的冲程传感器19a、19b(只是在图3中有表示)。另外如图3油压回路所示，在向挖铲升降油压缸11、12的顶侧及底侧分别供给油压的油压管道的中途上分别设置可以检测挖铲升降油压缸11、12的顶侧油压及底侧油压的油压传感器17H、17B。这些轭角传感器16a、16b，行程传感器19a、19b及各油压传感器17H、17B的输出都输入到由微型计算机构成的控制器18中，在此控制器18中，进行后述的挖铲7的垂直反力的运算。
接着在表示动力传递系统的图4中，从发动机20来的转动驱动力通过缓冲器21及驱动含有操作油压泵的各种油压泵的PTO22，传递给具有扭矩变换器23a及锁定离合器23b的扭矩变换器单元23。接着转动驱动力从此扭矩变换器单元23的输出轴，传递给输入轴连接在该输出轴上的、如行星齿轮湿式多板式离合变速机的变速箱24。此变速箱24具有前进离合器24a、后退离合器24b及1至3速离合器24c、24d、24e，变速箱24的输出轴以前后行进3挡的速度旋转。接着，来自此变速箱24的输出轴的转动驱动力通过操向单元25传递给左右一对的最终减速机构26，驱动可使履带5(图4中未表示出)行走的各链轮6，上述的操向单元25具有小齿轮25a及伞齿轮25b，还具有配有左右一对操向离合器25c及操向制动闸25d的横轴25e。此外，符号27是检测发动机20转数的发动机转速传感器，符号28是检测扭矩变换器单元23输出轴转数的扭矩变换器输出轴转速传感器。
从上述发动机转速传感器27来的发动机20的转数数据、从扭矩变换器输出轴转速传感器28来的扭矩变换器23的输出轴的转数数据以及从锁定切换开关(图中未表示)来的用扭矩变换器23的锁定开、关的切换的锁定(L/U)。变矩器(T/C)的选择指示，输入到上述控制器18(参照图3)，在此控制器18中进行后述的挖铲7的水平反力(实际牵引力)的运算。
以下，参照图3说明本实施例中用挖铲俯仰油压缸14、15的挖铲7的俯仰操作回路。在此油压回路中，省略了用挖铲升降油压缸11、12的操作的挖铲7的升降操作回路。
此油压回路图中，在向左侧的挖铲俯仰油压缸14供给油压的固定容量型油压泵30A的排出管路上，连接着第1方向控制阀31A，在向右侧的挖铲俯仰油压缸15供给油压的固定容量型油压泵30B的排出管路上，连接着第2方向控制阀31B。另外加速器用油压泵32A的排出管路通过加速器用电磁阀33A连接在油压泵30A的排出管路上，加速器用油压泵32B的排出管路通过加速器用电磁阀33B连接在油压泵30B的排出管路上。
导向用泵34的排出管路连接在操作杆35的导向用控制阀36上。此导向用控制阀36通过后仰控制阀37连接在左倾斜限制阀38、另外通过前仰控制阀39连接在右倾斜限制阀40上，同时，通过俯仰倾斜切换用电磁切换阀41连接在第2方向控制阀31B上。此外，此导向用控制阀36通过后仰控制阀37、左倾斜限制阀38及前仰控制阀39、右倾斜限制阀40，连接在第1方向控制阀31A上。
上述操作杆35上设有后仰切换开关35A和前仰切换开关35B，这些切换开关连接在控制器18上。
上述控制器18的输出信号输入到加速器用电磁阀33A、33B、后仰控制阀37、前仰控制阀39、左倾斜限制阀38、右倾斜控制阀40及俯仰.倾斜切换用电磁切换阀41后，分别控制这些阀。
接着，参照图5说明用挖铲7推土时加在挖铲7上的反力。在该图5中，剖面线表示的部分是用挖铲挖掘时，沿着挖铲7的表面抬挤上的土砂。
如图所示，将挖掘阻力作为F1、运土阻力(土砂W1和地面间的摩擦力)作为F2时，可用下式计算加在挖铲上的水平反力(履带5的实际牵引力)FH。
FH＝F1+F2其中，F1、F2分别用下式表示。
F1＝P1×cos(180o-α-β)+P2×cosαF2＝μ1×W1式中，P1是剪切力，P2是推压剖面线表示的土砂的力，分别用下式定义。
P1＝LτB(L剪切长度，τ剪切应力，B挖铲的宽度)P2＝W2+F2(μ1+μ2)(μ1土和土间的摩擦系数，μ2土和挖铲间的摩擦系数)另一方面，加在挖铲上的垂直反力(用挖铲升降油压缸11、12的挤推力)Fv，用下式计算。
Fv＝P1×sin(180o-α-β)-P2×sinα上述剪切力P1如图6(a)所示，是以线性地变化，在挖掘时取大值，运土时取小值，另外，上述挖铲上的挤推力P2，如图6(b)所示，是以线性地变化，在挖掘时取小值，运土时取大值。因此，若取垂直反力Fv对水平反力FH的比值时，则成为图7的状态，挖掘时剪切力P1对于水平反力FH的比率变大，其Fv/FH的比值成为大的值，而运土时，由于W1大，所以Fv/FH的比值成为小的值。
由此，运算Fv/FH的比值后，通过提示操作人员可以得到挖铲7前面的土砂量(土方量)，换言之得到挖铲7的装满率。即根据Fv/FH的值与设定的A值(参照图7)相比是大还是小，可以确定推土作业是处于推土区域还是运土区域。
这样通过检测挖铲7的装满率，可以判断推土作业是处于挖掘区域或是运土区域，基于上述的判断可以自动地将挖铲7的姿势从挖掘姿势切换到运土姿势(后仰(后倾)姿势)，以下参照图8所示的流程图及图3所示油压回路图说明切换挖铲7姿势的控制步骤。
S1计算出挖铲7的现在姿势。此挖铲7具有升降(升降动作)、倾斜(左右方向的倾斜动作)及俯仰(前后方向的倾斜动作)的3个自由度，3个参数一旦确定后，就可以确定其姿势，所以挖铲7的姿势是由左右轭角传感器16a、16b得到的轭角θ和冲程传感器19a、19b得到的俯仰角α(参照图9)来确定的。另外也可用常用挖掘深度的值代替冲程传感器19a、19b的输出。
S2用下式计算出加在挖铲7上的垂直反力(用挖铲升降油压缸11、12的推压力)Fv。
用上述油压传感器17H检测的各挖铲升降油压缸11、12的顶侧油压油压缸的平均值是PH，顶侧的断面积是AH，由上述油压传感器17B检测出的各挖铲升降油压缸11、12的底侧油压油压缸的平均值是PB，底侧的断面积是AB时，可用下式表示加在挖铲升降油压缸11、12的两根活塞杆上的轴向力(油压缸挤压力)Fc的合计。
Fc＝(PBAB-PHAH)×2因此，若将用上述轭角传感器16得到的左右轭角的平均值作为θ(参照图9)，可以用下式计算垂直反力Fv。
Fv＝FccosθS3用下式计算出加在挖铲7的垂直反力(履带5作用的牵引力)FH。
变速箱24的速度挡处于前进1速(F1)或前进2速(F2)时，通过扭矩变换器单元23是在锁住状态(L/U)或扭矩变换状态(T/C)，首先计算以下的实际牵引力FR。
1.锁住状态时从发动机20的转数NE，如图10所示的发动机特性曲线图，得到发动机扭矩Te。接着在此发动机扭矩Te上乘以从变速箱24、操作单元25及最终减速机构26，即扭矩变换器单元23的输出轴到链轮6的减速比Kse，再乘以链轮6的直径r，得到牵引力Fe(＝Te·Kse·r)。进而从此牵引力Fe中减去，从校正特性图得到的对于PTO22的挖铲升降油压缸11、12作业机油压泵等的泵消费量的牵引力校正值Fc，即得到实际牵引力FR(＝Fe-Fc)，上述校正特性图是根据挖铲7的升降操作量表示在图11上的图。
2.扭矩变换时用发动机20的转数NE和扭矩变换器单元23的输出轴的转数Nt的比，即速度比e(＝Nt/NE)，从图12所示的扭矩变换器特性曲线图得到扭矩系数tp及扭矩比t，进而得到扭矩变换器输出扭矩Tc[＝tp·(NE/100)2.t]。接着，在此扭矩变换器输出扭矩上与前项同样地乘以从扭矩变换器单元23输出轴到链轮6的减速比Kse，进而乘以链轮6的直径r得到实际牵引力FR(＝Tc·Kse·r)。
从这样得到的实际牵引力FR，减去从图13所示的倾斜角度-负荷校正值特性图得到、对应车体2的倾斜角度的负荷校正值，就得到校正后的实际牵引力即水平反力FH。
S4求出垂直反力Fv及水平反力FH后，控制器18运算Fv/FH比，此Fv/FH比值，如以上所述挖掘时成为大值，运土时成为小值(参照图7)，所以成为从挖掘作业切换到运土作业的指标。
S5～S6如图14所示，Fv/FH的比值和装满率Q以挖铲7的俯仰角α作为参数，存在着相互关系，所以从Fv/FH比和俯仰角α计算出装满率Q。接着，从计算出的装满率Q和俯仰角α，根据图15所示的图，算出俯仰角α0。
S7～S9当设定的俯仰角α0不是最小俯仰角αmin、现在的俯仰角α未达到设定俯仰角α0时(α＞α0)，从控制器18输出挖铲后仰指令，回到步骤S8。另一方面，当设定的俯仰角α0等于最小俯仰角αmin时，回到步骤S1，另外，α不等于αmin时，现在的俯仰角α达到α0时(α小于等于α0)，仍然回到S1。
用上述控制器18输出挖铲后仰指令时，后仰控制阀37切换到A位置，俯仰.倾斜切换用电磁切换阀41也切换到A位置，同时来自此控制器18的指令信号输入到加速器用电磁阀33A、33B后，这些加速器用电磁阀33A、33B切换到A位置。因此从加速器用油压泵32A、32B排出的流量合流到油压泵30A、30B的排出管路中。此时，从导向用泵34来的导向压通过后仰控制阀37及左倾斜限制阀38加到第1方向控制阀31A的操作部和通过后仰控制阀37、左倾斜限制阀38及俯仰.倾斜切换用电磁切换阀41加到第2方向控制阀31B的操作部。因此，第1方向控制阀31A及第2方向控制阀31B被切换到B位置，从油压泵30A排出的液压油通过第1方向控制阀31A流入挖铲俯仰油压缸14的顶部室，同时，从油压泵30B排出的液压油通过第2方向控制阀31B流入挖铲俯仰油压缸15的顶部室。这样挖铲俯仰油压缸14、15同时缩短，挖铲7迅速后仰(后倾)，如图16所示该挖铲7从挖掘姿势C转移到运土姿势(后仰姿势)D。
本实施例中，如图17所示，在排出挖掘后土砂的排土位置的地上，沿着推土机1的前进方向，设置可环绕水平轴旋转的具有激光照射部的激光投射器50，同时在推土机1的机罩3上的左右位置上设置可以接受来自投射器50的激光束的一对激光受光传感器51、51，通过这些激光投射器50和激光受光传感器51、51组成的排土位置检测单元可以检测排土位置。设置这样的排土位置检测单元后，在后仰姿势D下使推土机1前进到排土位置，到达排土位置时，从控制器18输出挖铲前俯指令，将挖铲7自动地转移到前俯(前倾)姿势E进行排土。此外，在本实施例中，在与激光投射器50相对的地面位置上也设置激光受光传感器51，用该激光受光传感器51可以确认从激光投射器50发出的光。
通过控制器18输出挖铲前俯的指令时，前俯控制阀39切换到A位置，俯仰·倾斜切换用电磁切换阀41也切换到A的位置，同时来自控制器18的指令信号输入到加速器用电磁阀33A、33B，这些加速器用电磁阀33A、33B切换到A的位置。因此，从加速器用油压泵32A、32B排出的流量合流到油压泵30A、30B的排出管路上。此时来自导向用泵34的导向压通过前俯控制阀39及右倾斜控制阀40加在第1方向控制阀31A的操作部；通过后仰控制阀37及左倾斜控制阀38及俯仰.倾斜切换用电磁切换阀41加在第2方向控制阀31B的操作部。这样一来，第1方向控制阀31A及第2方向控制阀31B切换到A的位置，从油压泵30A排出的液压油通过第1方向控制阀31A流向挖铲俯仰油压缸14的底部室，同时，从油压泵30B排出的液压油通过第2方向控制阀31B流向挖铲俯仰油压缸15的底部室。因此，挖铲俯仰油压缸14、15同时伸长，挖铲7迅速进行前俯(前倾)，如图16所示，该挖铲7从后仰姿势D转移到前俯姿势E。
在上述的说明中，对于自动进行挖铲7的后仰控制及前仰控制作了说明，这些后仰控制或前仰控制是通过将操作杆35的后仰切换开关35A或前仰切换开关35B分别放在ON位置上来完成的。此外，后仰切换开关35A及前仰切换开关35B放在OFF后，将操作杆35倒向右侧时，挖铲7向右倾斜，倒向左侧时，向左倾斜，倒向后方时升起，倒向前方时下降。另外将后仰切换开关35A放在ON后，操作杆35倒向前方时，挖铲7一边后仰一边下降，前仰切换开关35B放在ON后，操作杆35倒向后方时，挖铲7一边前俯一边上升。这种通过操作杆35的手动操作优先于上述的自动操作。
本实施例的推土机1中，用上述的方法计算出的装满率Q的每时每刻的值可以显示在驾驶室4内的显示盘上。此显示盘上的显示例如图18所示。这样，根据运算的装满率Q，可以将现在的推土中的挖铲7前面的土砂量以图形的方式表示在显示盘上，操作人员一眼就可以把握住装满率Q。因此，通过操作人员的手动操作将挖铲7从挖掘姿势C转移到后仰姿势D时，可以有效地进行转移。再者，图17(a)(b)表示挖掘作业状态，图17(C)表示运土作业状态。
但是在使用本实施例的推土机1进行自动运转时，如图17所示，不仅排土位置，即使在挖掘位置也设置与排土位置相同的激光投射器50，通过激光投射器50和推土机1上的激光受光传感器51、51可以检测该推土机1挖掘开始位置，另外，推土机1上可以安装偏转仪以便检测对于车体2目标前进方向的偏转方向角。用这样的构成，通过推土机1上的激光受光传感器51接收到从挖掘开始位置的激光投射器50照射的激光束时，可以检测到推土机1位于挖掘开始的位置，另外通过推土机1上的激光受光传感器51接收到从排土位置的激光投射器50照射的激光束时，可以检测到推土机1位于排土位置。另外推土机1的前进方向与设定目标前进方向的偏移，可以通过积分来自上述偏转仪的数据而计算出。这样可以实现推土机的自动控制。此外，在推土机1上左右各配制一个激光受光传感器51，其目的是为了检测激光光束形成的垂直平面和车体2的相对角，以便判断推土机1的前进方向。即通过这些左右的激光受光传感器51、51可以检测推土机1的每一个周期(1个往复运动)时的垂直平面和车体的相对角，这样通过检测出的相对角可以得到推土机1前进方向对于目标前进方向的偏移量，以便进行偏转仪基准值的设定及修正。
在规定的路径内多次往返时，推土机1的自动运转控制按照以下进行。
首先通过操作人员手动将推土机1引导到挖掘开始位置后，决定挖掘方向的同时，设定负荷量、变速箱24的速度挡及往返次数，进行挖掘开始指令，这样一来，变速箱24的前进离合器24a被挂上的同时，通过被挂上设定的速度挡离合器，推土机1向着前方的排土位置方向直行。此时，用偏转仪检测推土机1的行进方向，在推土开始前，存在与目标前进方向偏移的情况时。驱动控制操向离合器25c及操向制动器25d，修正行进方向。另外，在推土开始后，该挖铲7上升或下降以便使加在挖铲7上的负荷与设定负荷一致，同时用偏转仪检测的推土机1的进行方向与目标进行的方向存在偏移时，倾斜地操作挖铲7修正行进方向。
这样，如图19所示，从挖掘开始位置G，以适合土质状态的设定俯仰角进行挖掘(H)，达到设定的装满率时，挖铲7上升并后仰，进入运土模式(1)、通过激光受光传感器51、51检测到推土机1达到排土位置时，挖铲7上升并前仰，将挖铲7内的土砂排出(J)。接着，变速箱24切换到后退的位置的同时，挖铲7上升到设定的高度位置，推土机1沿着路线后退到挖掘开始位置。这样的前后行进的自动推土动作，当完成了设定的往返次数时，则推土机1自动停止，通过手动变更路线。
本实施例的自动运转控制中，说明了用激光投射器50和激光受光传感器51进行推土机1的位置检测，但是也可以采用以下方法检测推土机1的位置，即在地面上设置至少一个激光投受光器的同时，并在驾驶室4中设置将此激光投受光器入射的激光束反射到同一方向的反射器(直角棱镜直线排列)，进行推土机1的位置检测。
另外，如果排土位置是悬崖处时，在车体2的规定部位设置规定数的超声波声纳，通过这些超声波声纳可以检测出车体到作为反射体的地面间的距离，当超声波声纳的反应消失时，则可以判断推土机1位于跌落的位置。作为优选的实施方案是在车体2的前部两侧各安装1个超声波声纳，同时向着车体2的斜前方发射超声波，当其中的一个超声波声纳的反应消失时，就可以判断推土机1处于悬崖的位置。此时这些超声波声纳的安装角度(投射角度)随着从悬崖下落的土方量也可以进行调整。
此外，悬崖上的落土位置，除了上述的手段外，也可以通过加在挖铲7上的实际牵引力的变化图形来判断。即此判断方法是着眼于土从悬崖落下时，加在挖铲上的负荷急剧变小的事实，通过此负荷变化可以判断推土机处于悬崖位置。作为检测在悬崖的落下位置的手段有上述的超声波声纳方法及用负荷的检测方法，但是作为辅助手段希望使用由激光投射器和激光受光传感器构成的检测手段。这样并用多个检测手段可以确实地进行悬崖的位置检测。
排土位置是通过对实际车速传感器的输出积分，检测推土机1前进时从挖掘开始位置的行走距离来加以确定的。
另一方面，为了检测推土机1返回到挖掘开始位置，也可以通过测定推土机1后退时从排土位置起的驱动履带链轮6的转数，从转数计算出后退距离。
在本实施例中是使用激光检测位置的方法，但是也可以用其它的检测位置方法，例如使用人造卫星53的GPS(Global PositioningSystem)的实时运动学法或差分法的位置测定手段。
本实施例中说明了将推土机1在预先设定的1速至3速的速度档下自动运转的状态，但是也可以预先用手动操作设定最高速度档，根据在自动推土时检测出的实际牵引力自动地变速到设定速度挡，自动后退时根据地面的倾斜角仍可以自动变速到设定速度挡的实施方法。
本实施例中，说明了通过操作人员的手动操作将推土机1引导到设定的路线的方法，但是操作人员也可以在离开推土机1的位置，通过无线电遥控进行规定路线的引导、挖掘开始位置及方向的确定、目标牵引力、最高速度挡、挖掘次数的确定、路线变更、耙土操作等。这样使用无线电遥控机进行推土机的监视时，由于每1台的操作时间缩短，所以一个操作人员可以对多台的推土机1进行监视，大大地提高了推土作业的效率。
本实施例中，检测水平反力时FH时，是通过计算来求出的，但是也可以设置检测链轮6的驱动扭矩的驱动扭矩传感器，根据此驱动扭矩传感器检测出的驱动扭矩量来得到水平反力FH。另外也可以通过设置检测弯曲应力量的弯曲应力传感器，根据弯曲应力传感器检测出的弯曲应力量得到水平反力FH，上述的弯曲应力量是枢轴10上支持挖铲7的在直框8上产生的弯曲应力量。
本实施例中，说明了在动力传递系统中配制带有锁定扭矩变换器单元23的状态，但是对于没有锁定机构的扭矩变换器的情况或者没有扭矩变换器的直接传递情况，当然也适用于本发明。此外计算直接传递的水平反力FH的方法与上述锁定时的方法相同。
另外，本实施例中，检测垂直反力Fv时，为了得到挖铲升降油压缸11、12的推压力，是检测挖铲升降油压缸11、12的缸顶侧油压及缸低侧油压，但是此推压力也可以通过在挖铲升降油压缸11、12的活塞杆上贴上应变计，从应变计检测出的这些挖铲升降油压缸11、12的轴向力得到。
另外，本实施例中，垂直反力Fv是通过在上述推压力上乘以用轭角传感器检测出的与轭件垂直轴的倾斜角的余弦(cosθ)来计算的，但是在推土作业时，上述的倾斜角θ大致是一定的值，所以也可将此倾斜角作为常数，计算出上述的垂直反力Fv。
本实施例中，是从加在挖铲上的垂直反力和水平反力的比，经过运算而求出挖铲7的装满率的，但是也可以如图20所示，在车体2的前部(本实施例中是挖铲升降油压缸11、12的上部)，安装一对距离传感器(超声波或激光)52、52，通过这些距离传感器52、52测定挖铲前面的土砂高度来求出此装满率。
本实施例中，说明了从挖掘作业移到运土作业时，改变挖铲7的俯仰角的操作，但是对于俯仰角固定的推土机来说，从挖掘作业移到运土作业时，只要升降挖铲的操作也可以提高操作效率。
上述的Fv/FH比的运算结果，不仅用于报知本实施例中的从挖掘作业转移到运土作业的信号或是用来控制挖铲从挖掘作业转移到运土作业，而且也可用于报知因车辆的损伤而需维修的信号或是用于土方管理的目的。
本实施例中，用绘图表现了显示盘的图形，但是不限于绘图形式，也可以采用如直方图形式表示挖铲的装满率。
作为本发明的其它实施例，通过操作人员的示教操作，可将挖掘开始位置及排土位置存储到控制器18的同时，将用上述的装满率控制的从挖铲的挖掘切换到运土位置和用积分实际车速传感器输出控制的从挖掘开始位置的行走距离的测定数据存储到控制器中，根据这些存储数据推土机1可以自动地进行运转，此时，自动运转可以按照以下的步骤进行。
(1)在存储的挖掘开始位置开始挖掘。
(2)通过积分实际车速的输出，测定从挖掘开始位置的行走距离。
(3)用现在的Fv/FH的值校正从存储状态的挖掘向运土状态的切换位置，将自动运转方式从挖掘切换到运土。
(4)一旦接近存储状态的排土位置时开始排土，在排土地点将变速箱24切换到后退位置开始后退。
(5)测定链轮的转数(或扭矩变换器输出转数、变速箱输出转数)，回到挖掘开始地点将变速箱24切换到前进位置，开始挖掘。
此外挖铲的姿势(俯仰角)，在挖掘、运土、排土时可以自动地进行切换。
本实施例中，从挖掘切换到运土时，通过加在挖铲7上的负荷变动的信息，可以实现精度更高的控制。
上述的说明中，说明了通过操作人员的示教操作存储在控制器18的方式，但是也可以在计算机的屏幕上指定挖掘开始位置及排土位置。
权利要求
1.一种推土机的推土装置，其特征在于具有(a)在用挖铲挖掘时，检测加在挖铲上的水平反力的水平反力检测单元、(b)在用挖铲挖掘时，检测加在挖铲上的垂直反力的垂直反力检测单元、(c)接受这些水平反力检测单元和垂直反力检测单元的各输出，计算出上述垂直反力对于水平反力的比，根据其比值运算出挖铲前面的土砂装满率的装满率运算单元。
2.根据权利要求1所述的推土机的推土装置，其特征是上述装满率运算单元根据上述垂直反力对于水平反力的比和上述挖铲的俯仰角运算出装满率。
3.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是具有表示用上述装满率运算单元运算的装满率值的显示单元。
4.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述水平反力检测单元具有检测发动机转数的发动机转速传感器和检测扭矩变换器的输出轴转数的扭矩变换器输出轴传感器，首先得到用上述发动机转速传感器检测出的发动机转数和用扭矩变换器输出轴传感器检测的扭矩变换器输出轴转数的比，即速度比，用此速度比，从上述扭矩变换器的扭矩变换器特性得到扭矩变换器输出扭矩，接着在上述扭矩变换器输出扭矩上乘算从上述扭矩变换器的输出轴到驱动使车体行走的履带的链轮减速比，根据上述结果计算出加在挖铲上的水平反力。
5.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述水平反力检测单元具有，在带锁定的扭矩变换器锁定时或直接传动时，可以检测发动机转数的发动机转速传感器，通过发动机转速传感器检测出的发动机转数，从上述发动机的发动机扭矩特性得到发动机扭矩，接着，在该发动机扭矩上乘算从上述发动机到驱动使车体行走的履带的链轮减速比，根据上述结果计算出加在挖铲上的水平反力。
6.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述水平反力检测单元具有可以检测出支持挖铲的直框对于与车体结合部的枢轴上的弯曲应力量的弯曲应力传感器，根据此弯曲应力传感器检测出的弯曲应力量，检测加在挖铲上的水平反力。
7.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述的水平反力检测单元具有检测使车体行走的驱动履带的链轮的驱动扭矩量的驱动扭矩传感器，根据此驱动扭矩传感器检测出的驱动扭矩量检测出加在挖铲上的水平反力。
8.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述垂直反力检测单元具有检测使上述挖铲升降的挖铲升降油压缸缸顶侧油压的缸顶油压传感器和检测挖铲升降油压缸低部侧油压的缸底油压传感器和检测固定该挖铲升降油压缸的一端的轭件倾斜角的轭角传感器，根据这些缸顶油压传感器及缸底油压传感器检测出的各油压，得到上述挖铲升降油压缸受到的推压力，在此挤压力上乘算由上述轭角传感器检测出来的与轭件垂直轴的倾斜角的余弦，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
9.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述垂直反力检测单元具有检测使上述挖铲升降的挖铲升降油压缸顶侧油压的缸顶油压传感器和检测挖铲升降油压缸低部侧油压的缸底油压传感器，根据这些缸头油压传感器及缸底油压传感器检测出的各油压，得到上述挖铲升降油压缸受到的推压力，在此推压力上乘算一个常数，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
10.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述垂直反力检测单元具有贴在使上述挖铲升降的、挖铲升降油压缸活塞杆上的应变计和检测固定该挖铲升降油压缸的一端的轭件倾斜角的轭角传感器，根据这些应变计检测出的上述挖铲升降油压缸的轴向力，得到此挖铲升降油压缸的推压力，在此推压力上乘算由上述轭角传感器检测出来的与轭件垂直轴的倾斜角的余弦，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
11.根据权利要求1或2所述的推土机的推土装置，其特征是上述垂直反力检测单元具有贴在使上述挖铲升降的、挖铲升降油压缸活塞杆上的应变计，根据这应变计检测出的上述挖铲升降油压缸的轴向力，得到上述挖铲升降油压缸受到的推压力，在此推压力上乘算一个常数，通过这样的运算可以检测加在挖铲上的垂直反力。
12.一种推土机的推土装置，其特征是具有，在用挖铲挖掘时，可以运算挖铲前面土砂的装满率的装满率运算单元和控制挖铲的控制单元，上述控制挖铲单元的作用是当用装满率运算单元运算的装满率达到规定值时使得上述挖铲向后倾斜以便抱持住砂土。
13.根据权利要求12所述的推土机的推土装置，其特征是上述装满率运算单元是检测加在上述挖铲上的水平反力和垂直反力后，运算垂直反力对水平反力的比值，由此比值和上述挖铲的俯仰角得到上述装满率。
14.根据权利要求12所述的推土机的推土装置，其特征是上述装满率运算单元是通过安装在推土机上的距离传感器检测上述挖铲前的土砂高度，来得到上述装满率。
15.根据权利要求12、13或14所述的推土机的推土装置，其特征是还具有设定俯仰角运算单元，该设定倾斜角计算单元的作用是通过上述装满率运算单元计算的装满率和上述挖铲的俯仰角运算出使上述挖铲后倾的设定俯仰角；上述挖铲控制单元控制该挖铲，使得它的俯仰角与用设定俯仰角运算单元计算的设定俯仰角相一致。
16.根据权利要求12所述的推土机的推土装置，其特征是进而具有检测推土机到达排土位置的排土位置检测单元；上述挖铲控制单元接受此排土位置检测单元的输出后，控制挖铲使得上述挖铲前倾斜以便将抱持住的土砂排出。
17.根据权利要求16所述的推土机的推土装置，其特征是还具有控制变速装置的变速控制单元，该变速控制单元的作用是当通过上述排土位置检测单元检测到上述推土机达到排土位置时，使得变速装置的速度挡位置切换到后退位置。
18.根据权利要求17所述的推土机的推土装置，其特征是还具有检测推土机达到挖掘开始位置的挖掘开始位置检测单元；上述变速控制单元接受到来自此挖掘开始位置检测单元的输出后，控制该变速装置使得变速装置的速度挡位置切换到前进位置。
19.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测装置具有至少一个设在地面上的激光投射器和设置在推土机上接受来自激光投射器入射的激光的受光传感器。
20.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测装置具有至少一个设在地面上的激光投受光器和设置在推土机上并接受来自激光投受光器入射的激光并将它反射到同一方向的反射器。
21.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测单元具有超声波声纳，它设置在上述推土机上，通过向着车体的前方投射超声波检测地面的情况。
22.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测单元具有通过加在上述挖铲上的负荷状态变化来推断挖铲前方土砂量的负荷检测器。
23.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测单元是在上述推土机前进时，用实际车速传感器的输出的积分计算从挖掘开始位置的行走距离来检测上述的排土位置。
24.根据权利要求16或17所述的推土机的推土装置，其特征是上述排土位置检测单元是用GPS检测上述排土位置。
25.根据权利要求18所述的推土机的推土装置，其特征是上述挖掘开始位置检测单元具有设在地面上的至少一个激光投射器和设置在推土机上接受来自激光投射器入射激光的受光传感器。
26.根据权利要求18所述的推土机的推土装置，其特征是上述挖掘开始位置检测单元具有设在地面上的至少一个激光投受光器和设置在推土机上接受来自激光投受光器入射激光并将它反射到同一方向反射器。
27.根据权利要求18所述的推土机的推土装置，其特征是上述挖掘开始位置检测单元是通过在上述推土机后退时测定从上述排土位置的驱动履带用的链轮转数而检测上述挖掘开始位置的。
28.根据权利要求18所述的推土机的推土装置，其特征是上述挖掘开始位置检测单元是用GPS检测的。
29.根据权利要求12、13或14所述的推土机的推土装置，其特征是还具有存储单元和运转控制单元，上述存储单元可以存储操作人员示范操作时的挖掘开始位置及排土位置和用上述挖铲控制单元使挖铲后倾斜时的挖掘运土切换位置；上述运转控制单元是根据存储单元的输出信号使上述推土机在挖掘开始位置时，将变速装置的速度挡位置切换到前进位置，上述推土机在排土位置时，将上述挖铲前倾斜，控制挖铲使得抱持住的土砂排出，同时将变速装置的速度挡位置切换到后退位置，上述推土机在上述挖掘运土切换位置时，控制挖铲使得挖铲后倾斜以便抱持住砂土。
全文摘要
本发明提供了推土机的推土装置，在推土作业时，不依赖操作人员的感觉可以自动地检测挖铲前面的土砂量，另外根据检测结果可以自动地进行从挖掘作业到运土作业的转换，装满率是通过计算出挖掘时加在挖铲上的水平反力和垂直反力，用垂直反力对于水平反力的比而求出的。而且可以自动控制挖铲，装满率达到设定值时该挖铲自动后倾斜抱住砂土。
文档编号E02F9/20GK1165225SQ97102619
公开日1997年11月19日 申请日期1997年2月7日 优先权日1996年2月7日
发明者山本茂, 永濑秀一, 伊户川博, 神川信久 申请人:株式会社小松制作所