JP2010209769A - 作業機 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で制御性に優れる無段変速機構を備えた作業機を提供する。
【解決手段】田植機１は、エンジン２と、クラッチ出力軸３６と、エンジンクラッチ３５と、電動モータ２２と、後車輪２１と、差動装置２３と、制御部と、を備える。クラッチ出力軸３６は、エンジン２の駆動力を伝達する。エンジンクラッチ３５は、エンジン２とクラッチ出力軸３６との間に配置される。差動装置２３は、クラッチ出力軸３６からの出力と前記電動モータ２２の出力との差動動力を後車輪２１に出力する。制御部は、電動モータ２２の回転速度及びエンジンクラッチ３５の作動を制御する。そして、機体の前進時において、制御部は、クラッチ出力軸３６からの出力を打ち消す方向にのみ電動モータ２２を回転駆動することで、後車輪２１への出力の変速を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、作業機に関する。詳細には、作業機が備える無段変速機構に関する。

田植機、トラクタなどの作業機においては、圃場内をスムーズに走行させるため、エンジンの出力を無段階に変速して走行可能であることが好ましい。また、特に田植機においては、搭載した苗マットが崩れないようにするために、畦越えの際のゼロ発進（停止状態から発進すること）をスムーズに行えることが要求される。

このような要望を満たす作業機として、ＨＭＴ（油圧−機械式変速機）を変速装置として備えた作業機が知られている。このＨＭＴは、遊星歯車式の差動装置と、ＨＳＴ（静油圧式無段変速機）と、を備えている。エンジンの出力は、差動装置及びＨＳＴに入力される。そして、ＨＳＴからの出力が差動装置に入力され、エンジンの出力と合成されて車輪に伝達される。即ち、エンジンからの直接の出力と、ＨＳＴによって変速されたエンジンの出力と、の差動動力が差動装置で取り出されて、車輪を駆動するように構成されている。ＨＳＴは無段変速が可能であるから、上記の構成によってエンジンの出力を無段階に変速することが可能である。

具体的には、エンジンの出力をＨＳＴの出力によって打ち消すように当該ＨＳＴの回転速度を設定することで、エンジンの回転を減速することができる。また、ＨＳＴの回転を停止させると、エンジンの回転駆動力のみで車体を効率良く走行させることができる。以上のように、エンジンの出力とＨＳＴの出力との差動動力によって車輪を駆動することにより、低速走行から高速走行まで無段階に走行速度を変速することが可能となっている。

一方、特許文献１は、電動モータと、遊星歯車式の差動装置と、を備え、エンジンと電動モータの差動動力が差動装置で取り出されて走行装置に供給される作業車両を開示する。特許文献１は、エンジンとモータを併用することにより、無段変速を容易かつ低コストで実現できるとする。

特開２００５−１９９７５５号公報

ところで、上記のＨＭＴを備えた構成では、変速装置の中立（ニュートラル）範囲が無く、車体を完全に停止させるにはエンジンの回転をＨＳＴの回転で完全に打ち消す必要がある。しかし、ＨＳＴは油圧を利用しているために微調整が難しく、車体を完全に停止させることができずにクリープ（停止時に車体が微速走行すること）が発生してしまうことがあった。また、上記ＨＭＴを備えた構成においては、高速走行時以外は常にＨＳＴを駆動させなければならないために、エンジンの負荷が大きく、エンジンのサイズを大型化せざるを得ないという問題もあった。

一方、上記特許文献１では、エンジンの回転を増速させる方向に電動モータを駆動することが可能となっているので、大型のモータが必要となり、コストアップにつながると考えられる。

本願発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、安価で制御性に優れる無段変速機構を備えた作業機を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成の作業機が提供される。即ち、この作業機は、エンジンと、駆動軸と、クラッチと、電動モータと、走行装置と、差動装置と、制御部と、を備える。前記駆動軸は、前記エンジンの駆動力を伝達する。前記クラッチは、前記エンジンと前記駆動軸との間に配置される。前記差動装置は、前記駆動軸からの出力と前記電動モータの出力との差動動力を前記走行装置に出力する。前記制御部は、前記電動モータの回転速度及び前記クラッチの作動を制御する。そして、機体の前進時において、前記制御部は、前記駆動軸からの出力を打ち消す方向にのみ前記電動モータを回転駆動することで、前記走行装置への出力の変速を行う。

これにより、電動モータの回転速度を変更することによって、エンジンの出力の変速機構を設けることなく、走行速度の無段階変速を容易かつ安価に実現することができる。また、エンジンを常に効率の良い回転速度で駆動させ続けることができるので、設計を最適化することができ、エンジンを小型化して製造コストを抑えることができる。また、電動モータは回転速度の細かい制御が可能であるので、エンジンの駆動を完全に打ち消して車体を停止させる制御や、停止状態からスムーズに発進する制御も容易である。更に、エンジンの駆動力を打ち消す方向にのみ前記電動モータを回転駆動するので、モータの駆動力で積極的に車体を動かす構成に比べて小型のモータを用いることができ、この点でもコストを低減することができる。更に、クラッチを設けたことにより、エンジンの駆動力が必要無いときには当該エンジンの駆動を切り離すことができるので、効率の良い運転が可能となる。また例えば電動モータが故障した場合であっても、クラッチを切ることにより、車体を停止させることができる。

前記の作業機において、前記制御部は、車体の発進時には、前記電動モータを回転させた状態で前記クラッチを繋ぐように制御することが好ましい。

これにより、車体の停止状態でクラッチを繋ぐときのショックを低減することができる。

前記の作業機は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記作業機は、前記走行装置を制動するためのブレーキを備える。前記制御部は、前記ブレーキが作動した際には、前記車体の走行速度が所定速度以上の間は前記電動モータを回転駆動することで当該車体の速度を減速するとともに、当該車体の走行速度が前記所定速度未満になると前記クラッチを切るように制御することが好ましい。

これにより、所定速度までは電動モータとブレーキとを併用して車速を速やかに減速することができる。また、車速が所定速度未満になった後はエンジンからの駆動力が遮断されるため、ブレーキによって速やかに車速を減速することができる。また、走行速度が遅くなるほど、エンジンの駆動力を打ち消すために電動モータを高速回転させなければならないが、上記のように構成することにより、所定速度未満ではエンジンの駆動力を電動モータによって打ち消す必要が無くなるため、出力の小さな電動モータを用いることができる。

前記の作業機において、前記制御部は、車体が停止している時には、前記クラッチを切るとともに前記電動モータの回転を停止させ、前記エンジンをアイドリング回転状態に切り替えることが好ましい。

これにより、車体の停止時に電動モータを回転させ続ける必要が無くなるため、燃費を向上させることができる。また、停車時にクラッチを切ることにより、エンジンによる発電を効率良く行うことができる。また、一般的に、車体の停止時には作業を行わないので、上記のようにエンジンをアイドリング回転状態に切り替えることで、燃費を削減することができる。

前記の作業機において、前記制御部は、前記電動モータの異常を検知した場合には、前記クラッチを切ることが好ましい。

これにより、電動モータが故障した場合であっても、エンジンの駆動力によって車体が動いてしまうことを防止することができる。

前記の作業機は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この作業機は、操向操作具と、変速操作具と、を備える。前記制御部は、前記操向操作具の中立位置からの操作量が大きくなるのに応じて、対応する側の電動モータの回転速度を増速するように制御する。また、前記制御部は、前記変速操作具の操作量に応じて、前記車体の左右に設けられた電動モータの回転速度を変更する。

これにより、操向操作時（車体の旋回時）において、旋回方向に対応する側の走行装置を減速させることができるので、スムーズな旋回動作が可能となる。また、変速操作具と電動モータの回転速度を連動させることにより、自然な操作で無段階の変速を行うことができる。

前記の作業機は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記差動装置は遊星ギア式の差動装置である。当該差動装置が備えるサンギア、プラネタリキャリア及びリングギアのそれぞれに対して、前記駆動軸、前記電動モータ及び前記走行装置のうち何れかが１つずつ接続されている。

これにより、エンジンと電動モータの出力の差を走行装置に出力することができる。

本実施形態に係る田植機の基本的な構成を示す右側面図。 田植機の駆動力伝達機構を示す模式的なスケルトン図。 田植機の機能的な構成を示すブロック図。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る田植機の基本的な構成を示す右側面図である。

図１に示すように、本実施形態の作業機としての田植機１は、エンジン２と、運転座席３と、操作部４と、前車輪２０と、後車輪２１と、植付部６と、を備えた車体を有している。

エンジン２は、一般的なガソリンエンジンとして構成されているが、例えばディーゼルエンジンとして構成されていても良い。このエンジン２から図略のＰＴＯ軸（動力取出し軸）によって駆動力が取り出され、図略の植付変速部によって変速された後、植付部６に伝達されることにより、当該植付部６を駆動することができる。また、エンジン２からの駆動力が後述の駆動力伝達機構を介して車輪２０，２１に伝達されることにより、田植機１の車体を走行させることができる。

植付部６は、左右に往復摺動可能な苗載台７と、上下昇降可能に構成された植付爪８を有する植付機構と、を備えている。植付部６は、苗載台７に苗マットを載置して田植機１が圃場を走行することにより、苗マットから植付爪８によって苗を１株ずつ取り出して植え付ける植付動作を連続的に行うことができるように構成されている。

走行装置としての前車輪２０及び後車輪２１は、それぞれ車体の左右に対になって設けられている（従って、田植機１は計４つの車輪を有する）。また、田植機１は四輪駆動式とされ、駆動力が各車輪に伝えられるように構成されている。

操作部４は、操向ハンドル１０と、アクセルレバー１１と、変速レバー１２と、ブレーキペダル１３と、を備える。

操向ハンドル１０は、ステアリングホイール式の操向操作具として構成され、左右に回転させることができるように構成されている。田植機１のオペレータは、この操向ハンドル１０を回転操作することにより、前車輪２０の切れ角を変更して田植機１を旋回させることができる。

アクセルレバー１１は前後に回動可能に構成され、当該アクセルレバー１１の回動量に応じてエンジン２の回転数を変更可能に構成されている。これにより、例えば非作業時においてはエンジン２を低速回転数（アイドリング回転数）で回転させることで、騒音と燃費を削減することができる。なお、作業時においては、植付部６を安定して駆動させることが可能な定格回転数でエンジン２を回転させるため、アクセルレバー１１の位置は前記定格回転数の位置に固定しておく。このため、車体の走行速度を変更する操作は変速レバー１２によって行う。

変速レバー（変速操作具）１２は前後に回動可能に構成され、当該変速レバー１２の回動量に応じて車体の走行速度を変更可能に構成されている。例えば変速レバー１２をオペレータから見て最も奥まで回動させると田植機１が最高速で走行し、変速レバー１２をニュートラル位置に回動させると田植機１の走行が停止する。変速レバー１２は操作位置を無段階に調整できるように構成されており、田植機１のオペレータは、変速レバー１２の回動量を調整する操作により、田植機１の走行速度を無段階に調整することができる。

ブレーキペダル１３はオペレータの足元に配置され、オペレータが踏み込み操作を行うことにより、車輪２０，２１にブレーキが掛かり、車体が停止するように構成されている。

次に、図２を参照して、エンジン２からの駆動力を変速して各車輪に伝達するための構成について説明する。図２は、田植機１の駆動力伝達機構を示す模式的なスケルトン図である。なお、図２は駆動力伝達機構の要部のみを示す簡略化された図であり、駆動力伝達機構の説明に不要なギアやプーリ等は省略して描かれている場合がある。また、植付部６に対して駆動力を出力するＰＴＯ軸及び植付変速部等は省略されている。なお、以下の説明で、車体の左右に対応する構成がある場合には、その構成の符号の末尾にＬ（左側）又はＲ（右側）を付して左右の区別を示すものとする。また、特に左右の区別を示す必要が無い場合は、符号にＬ又はＲを付さずに説明する。

図２に示すように、田植機１は、２つの電動モータ２２と、ジェネレータ（発電機）２４と、エンジンクラッチ３５と、を備えている。各電動モータ２２は、車体の左右で対になって設けられており、図略のバッテリから電力の供給を受けて回転することができる。一方、ジェネレータ２４はエンジン２の回転軸に接続されており、当該回転軸の回転によって発電して、前記バッテリを充電するように構成されている。

エンジンクラッチ３５は、エンジン２と前記差動装置２３との間に配置されている。このエンジンクラッチ３５は、エンジン出力軸３０とクラッチ出力軸（駆動軸）３６とを切断又は接続することが可能に構成され、差動装置２３に対してエンジン２からの駆動力を伝達するか否かを選択することができる。このエンジンクラッチ３５の接続／切断は、オペレータが図略のクラッチレバーを操作することによって切り換えることができるとともに、後述の制御部４０によって制御することも可能に構成されている。

また、図２に示すように、エンジンクラッチ３５から後車輪２１までの駆動力伝達経路の間には、差動装置２３が設けられている。この差動装置２３は遊星歯車式の差動歯車とされ、サンギア２５と、プラネタリギア２６を回転自在に支持するプラネタリキャリア２７と、リングギア２８と、を備えた公知の構成である。この差動装置２３は車体の左右で対をなすように設けられており、左側の差動装置２３Ｌには左後車輪２１Ｌと左側の電動モータ２２Ｌが、右側の差動装置２３Ｒには右後車輪２１Ｒと右側の電動モータ２２Ｒが、それぞれ接続されている。そして、この差動装置２３において、エンジン２の出力と電動モータ２２の出力とが合成され、当該合成された駆動力が後車輪２１に伝達されるようになっている。

具体的には以下のとおりである。即ち、エンジン出力軸３０から出力されるエンジン２の駆動力は、エンジンクラッチ３５及びクラッチ出力軸３６を介し、更に複数のギア及びシャフトを介してプラネタリキャリア２７に入力され、当該プラネタリキャリア２７を回転駆動する。プラネタリキャリア２７が回転駆動されることによって、プラネタリギア２６がサンギア２５の周囲を周回する。一方、電動モータ２２からの駆動力は、モータ出力軸３３を介してサンギア２５に入力され、当該サンギア２５を回転駆動する。そして、プラネタリギア２６からリングギア２８に駆動力が伝達され、リングギア２８が回転する。リングギア２８の回転軸には車軸３４が接続されており、この車軸３４が後車輪２１に接続されている。

以上の構成で、エンジン２からの回転駆動力と、電動モータ２２からの回転駆動力と、の差動動力が差動装置２３において取り出され、この差動動力が車軸３４に出力される。例えば、電動モータ２２がエンジン２の回転を打ち消すように回転することにより、電動モータ２２の回転分だけエンジン２の回転が減速されて、後車輪２１に出力される。電動モータ２２の回転速度は無段階に変速可能に構成されており、これによってエンジン２の回転を無段階に変速（減速）して後車輪２１に伝達することができる。

また、田植機１は、電磁ブレーキ３７Ｌ，３７Ｒを備えている。電磁ブレーキ３７Ｌ，３７Ｒは、左右で対になって設けられている。具体的には、左側の電磁ブレーキ３７Ｌは、左側の差動装置２３Ｌが備えるサンギア２５とプラネタリキャリア２７とをロックすることができるように構成されている。また右側の電磁ブレーキ３７Ｒは、右側の差動装置２３Ｒが備えるサンギア２５とプラネタリキャリア２７とをロックすることができるように構成されている。そして、電磁ブレーキ３７Ｌ，３７Ｒの作動は、後述の制御部４０によって制御されている。なお、通常の走行時においては、電磁ブレーキ３７は解除状態となっている。

次に、本実施形態の田植機１の走行速度を制御するための構成について説明する。図３は田植機１の機能的な構成を示すブロック図である。図中において、実線の矢印は電気的な接続を、点線の矢印は機械的な接続を示す。なお、図３において図示を簡潔にするため、差動装置２３、後車輪２１、車軸センサ５１、及びトルク検出部５４等は１つずつ描かれているが、実際にはこれらは図２に示したように左右の対で配置されるものである。

図３に示すように、田植機１は、車軸センサ５１と、レバーセンサ５２と、ペダルセンサ５５と、制御部４０と、スリップ率推定部４３と、を備えている。

図２に示すように、車軸センサ５１Ｌ，５１Ｒは、車軸３４Ｌ，３４Ｒの近傍にそれぞれ設けられている。車軸センサ５１Ｌは車軸３４Ｌの回転速度を、車軸センサ５１Ｒは車軸３４Ｒの回転速度を、それぞれ検出するように構成されている。レバーセンサ５２は、変速レバー１２の回動量（操作量）を検出するように構成されている。ペダルセンサ５５は、ブレーキペダル１３の踏み込み量（操作量）を検出するように構成されている。また、車軸センサ５１、レバーセンサ５２及びペダルセンサ５５の検出値は、制御部４０に送信されるように構成されている。

制御部４０及びスリップ率推定部４３は、例えばマイクロプロセッサとして構成されている。そして制御部４０等は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェアとソフトウェアとの協働により、エンジン２及び電動モータ２２の制御等を行うように構成されている。

制御部４０は、車軸センサ５１等からの信号に基づいて駆動力（回転速度及びトルク）を推定するとともに、車軸３４の回転速度が目標回転速度となるように各電動モータ２２に駆動力を配分する。前記目標回転速度は、レバーセンサ５２が検出した変速レバー１２の回動量に比例して決定される。より具体的には、変速レバー１２がニュートラル位置のときは、電動モータ２２の目標回転速度を、エンジン２の出力を完全に打ち消すことができるような回転速度に設定し、これにより車軸３４の回転を停止させる。また、変速レバー１２がオペレータから見て最も奥まで回動されているときには、電動モータ２２の回転が停止するように目標回転速度を設定し、これにより最高速で車軸３４が回転させる。

上記のように、本実施形態では、エンジン２の回転を減速する（打ち消す）方向にのみ、電動モータ２２の駆動力を利用している。即ち、仮にエンジン２の回転を更に増速する方向に電動モータ２２を回転させようとすると、車体の走行抵抗等の一部を電動モータ２２が負担する必要があるため、大トルクが必要となり、電動モータ２２が大型化してしまう。この点、本実施形態のように構成することにより、電動モータ２２を小型化してコストを削減することができる。

また、本実施形態では、上記のように電動モータ２２を２つ設けている。即ち、２つの電動モータを用いてエンジン２の出力を変速しているので、１つの電動モータのみでエンジン２の出力を変速する構成と比べて、それぞれの電動モータを小型化することができる。これにより、更にコストを削減することができている。

次に、車体を停止させておくときの制御について説明する。上記のように電動モータ２２によってエンジン２の出力を変速する構成とする場合、車体を完全に停止させるためには、エンジン２からの回転駆動力を電動モータ２２によって完全に打ち消す必要がある。ここで、車体が停止している間は常に電動モータ２２によってエンジン２の出力を打ち消さなければならないとすると、作業を行っていないにもかかわらず電動モータ２２を高速回転させなければならないため、非効率的である。そこで本実施形態においては、制御部４０は、車速に応じてエンジンクラッチ３５を制御している。具体的には、以下のとおりである。

制御部４０は、車体が停止していることを検出した場合、エンジンクラッチ３５を切断するとともに、電動モータ２２を停止させる。即ち、エンジンクラッチ３５を切断状態とすることにより、エンジン２からの駆動力が差動装置２３に対して入力されなくなるので、電動モータ２２を回転させなくても車体を停止させておくことができる。これにより、停止時における燃費が向上する。また、このように構成するとにより、車体停止時には電動モータ２２によって電流を消費しないので、この間にバッテリの充電を行うことができ、エネルギーを効率的に使用することができる。この結果、エンジン２の負荷が小さくなるので、エンジン２の設計を最適化することにより、エンジン２のサイズを小さくすることができる。また、エンジンクラッチ３５を切断して電動モータ２２を停止させておけば、車軸３４に駆動力が伝わることがないので、停車時にクリープが発生してしまうことを確実に防止できる。

次に、停止状態から発進する際の制御について説明する。制御部４０は、変速レバー１２がニュートラル位置から回動操作されたこと（即ち、車体を停止状態から発進させる操作が行われたこと）を検知した場合、エンジンクラッチ３５を接続し、車軸３４に対する駆動力の伝達を開始する。ここで、エンジンクラッチ３５を接続する前はクラッチ出力軸３６の回転が停止しており、一方、エンジン出力軸３０はエンジン２の回転によって回転している。従って、この状態でエンジンクラッチ３５を接続すると、接続時のショックが大きく、スムーズなゼロ発進を行うことが困難である。そこで、制御部４０は、左右の電動モータ２２Ｌ，２２Ｒを、エンジン２の回転を打ち消すことができる回転速度まで加速した後で、エンジンクラッチ３５を接続するように制御している。

この点について詳しく説明すると、以下のとおりである。まず、エンジンクラッチ３５が切断されている状態で、電動モータ２２の回転を開始する。すると、プラネタリキャリア２７が空転するため、リングギア２８には駆動力が伝わらず、車軸３４は回転しない。即ち、エンジンクラッチ３５の切断時（車体の停止時）においては、電動モータ２２を回転させても車体は停止したままの状態である。そしてこの時、電動モータ２２の回転によってプラネタリキャリア２７が空転することにより、クラッチ出力軸３６が回転する。

続いて、エンジン２の回転を打ち消すことができる回転速度まで、電動モータ２２の回転速度を増速する。これにより、エンジン出力軸３０とクラッチ出力軸３６とが対応する速度で回転する。この状態で制御部４０がエンジンクラッチ３５を接続するように制御することにより、当該エンジンクラッチ３５をショックが無く接続することができる。このとき、エンジン２の回転が電動モータ２２の回転によって打ち消された状態であるから、車体は停止したままである。

エンジンクラッチ３５が接続された後は、前述のように、変速レバー１２の回動量に比例して電動モータ２２の回転速度を減速させる。即ち、制御部４０は、オペレータがニュートラル位置から変速レバー１２を徐々に回動させていくのに応じて、電動モータ２２の回転速度を徐々に減少させるように、当該電動モータ２２に駆動力を配分する。以上の構成で、滑らかなゼロ発進を行うことが可能となり、停止状態から車体をスムーズに増速することができる。

一方、制御部４０は、変速レバー１２がオペレータから見て最も奥まで回動されているときには、電動モータ２２の回転を停止させ、エンジン２の回転のみで車輪を駆動するように制御する。このように、エンジン２の回転のみで走行している状態が、本実施形態の田植機１の最高速度となる。以上のように、高速走行時にはエンジン２の出力のみで車体を走行させるので、エンジン２の駆動力を効率良く車輪に伝えて十分な駆動力で車体を走行させることが可能となるとともに、バッテリを充電することができる。従って、エンジン２及び電動モータ２２を効率的に使用できるとともに、燃費向上も実現することができる。

車速を減速する際には、オペレータは、変速レバー１２を、オペレータから見て奥側の位置からニュートラル位置に向けて回動させる。これに応じて、制御部４０は、電動モータ２２の回転速度を増速させることにより、車速を減速させる。そして、変速レバー１２がニュートラル位置とされたときは、エンジン２の回転を完全に打ち消すように（即ち、田植機１が完全に停止するように）電動モータ２２に駆動力が配分される。電動モータ２２はＨＳＴに比べて応答性が良く微調整が容易であるから、（ＨＳＴを用いたＨＭＴでは困難だった）車体の完全停止制御を正確に行うことが可能である。

そして車体が停止した後は、前述のように、制御部４０はエンジンクラッチ３５を切断するとともに、電動モータ２２Ｌ，２２Ｒの回転を停止させる。またこのとき、制御部４０は、エンジン２をアイドリング回転状態に移行させる。即ち、車体停止時においては、植付部６を駆動する必要が無いので、エンジン２を定格回転状態からアイドリング回転状態に移行させて、燃費を削減することができる。なお、アイドリング回転時においてもバッテリに充電することは可能であるから、効率良くエネルギーを使用することができる。

なお、車体を急停止させる場合には、オペレータは、変速レバー１２の操作と併用して、ブレーキペダル１３によるブレーキ操作を行うこともできる。制御部４０は、ブレーキペダル１３が踏み込まれたことをペダルセンサ５５からの信号に基づいて検知すると、所定速度までは電動モータ２２による車速の減速を行い、車速が前記所定速度未満になると、エンジンクラッチを切断するように制御する。これにより、車速が前記所定速度以上の間は、ブレーキと電動モータ２２を併用して効率的に車速を減速することができる。また、車速が所定速度よりも小さくなった後は、後車輪２１に駆動力が伝達されなくなるので、ブレーキの制動力によって車体を速やかに減速させることができる。

次に、電動モータ２２にトラブルが発生した場合の制御について説明する。本実施形態では、制御部４０は、変速レバー１２の操作量と、車軸センサ５１が検知した車軸３４の回転速度と、の相関関係を監視している。具体的には、制御部４０は、変速レバー１２の操作量から算出した車速と車軸センサ５１の検出値から算出した車速とが一致しない場合は、電動モータ２２にトラブル（異常）が発生したと判断する。そして、制御部４０は、電動モータ２２に発生したトラブルの種類に応じて、エンジンクラッチ３５及び電磁ブレーキ３７を制御している。

例えば、電動モータ２２にトラブルが発生して、電動モータ２２によってエンジン２の回転を打ち消すことができなくなってしまうような場合が想定される。このような場合、電動モータ２２の回転によっては車体を停止させることができない。そこで、変速レバー１２がニュートラル位置にあるもかかわらず、車軸３４の回転速度がゼロにならないことを検出した場合は、制御部４０は、エンジンクラッチ３５を切断するように制御する。このように制御することで、仮に電動モータ２２にトラブルが発生しても、車体を確実に停止させることができる。

一方、電動モータ２２にトラブルが発生して、変速レバー１２をニュートラル位置から回動させても電動モータ２２の回転速度が低下せず、車体を発進させることができなくなってしまうような場合も想定される。このような場合、電動モータ２２がエンジン２の回転を打ち消し続けし続けてしまうので、車体を動かすことができず、作業エリアから脱出することができなくなってしまう。そこで、変速レバー１２をニュートラル位置から回動操作したにもかかわらず、車軸３４の回転速度が上昇しないことを検出した場合は、制御部４０は、エンジンクラッチ３５を切断するとともに、電磁ブレーキ３７を作動させてサンギア２５とプラネタリキャリア２７をロックする。これにより、電動モータ２２の出力によって車軸３４を回転させることができるので、電動モータ２２にトラブルが発生した場合であっても緊急的に車体を動かすことができる。

ところで、本実施形態の田植機１においては、上記のように後車輪２１Ｌ，２１Ｒのそれぞれに電動モータ２２Ｌ，２２Ｒを設けているので、左右の後車輪２１Ｌ，２１Ｒの回転速度を個別に制御することが可能である。この点に着目し、本実施形態では、以下のように旋回時とスリップ発生時に車輪の回転を減速させる処理を行っている。

まず、旋回時の車輪の減速制御について説明する。例えば、田植機においては、畦の近傍で急旋回を行って、次の条合わせを行う必要がある。このような急旋回をスムーズに行うため、従来、田植機、トラクタなど、４輪駆動式の作業機においては、内輪側の後輪への動力伝達をクラッチで切断することができるように構成されていた。しかし、このような構成では、内輪側の後輪の回転速度を任意に調整することが困難であるため、急旋回以外の旋回動作をスムーズに行うことができず、また、圃場を荒らす原因ともなり得る。そこで本実施形態では、旋回時に、操向ハンドル１０の操作量に応じて内側の後車輪を減速することで、急旋回以外でもスムーズな旋回を実現している。具体的には以下のとおりである。

図３に示すように、田植機１はハンドルセンサ５３を有している。ハンドルセンサ５３は、操向ハンドル１０の回転角（操作量、ハンドル切れ角）を検出するように構成されている。また、ハンドルセンサ５３の検出値は、制御部４０に送信されるように構成されている。

制御部４０は、ハンドルセンサ５３が検出した操向ハンドル１０の回転角に比例して、内輪側の後車輪２１を減速制御する。例えば、オペレータが操向ハンドル１０を右に回転させると、制御部４０は、変速レバー１２の回動量に基づいて決定した右側の車軸３４Ｒの回転速度を、当該操向ハンドル１０の回転角に比例した割合で減速させる（即ち、右側の電動モータ２２Ｒの回転速度を操向ハンドル１０回転角に比例した割合で増速するように制御する）。

これにより、内輪側の車輪である右後車輪２１Ｒの回転速度を車体の旋回量に対応して減速させることができるので、旋回性が向上するとともに、圃場を荒らしにくくなる。左側に旋回する場合も同様に、左側の電動モータ２２Ｌの回転速度を操向ハンドル１０の回転角に比例した割合で増速するように制御することで、スムーズな旋回を実現することができる。

次に、スリップの発生時に車輪の回転を減速させる制御（トラクション制御）について説明する。

図２に示すように、田植機１は、トルク検出部５４Ｌ，５４Ｒを備えている。トルク検出部５４Ｌ，５４Ｒは、電動モータ２２Ｌ，２２Ｒのトルクをそれぞれ検出するように構成されている。そして、トルク検出部５４の検出値は、制御部４０及びスリップ率推定部４３に送信されるように構成されている。

スリップ率推定部４３は、車軸センサ５１が検出した車軸の回転速度、トルク検出部５４が検出した電動モータ２２のトルク、及び予め記憶してある田植機１の車両モデル（車体重量等のデータ）に基づいて、路面と車輪との間の摩擦係数μ、及びスリップ率を推定している。また、スリップ率推定部が推定したスリップ率は、制御部４０に送信されるように構成されている。

制御部４０は、トルク検出部５４の検出値を監視している。そして、トルク検出部５４が検出する電動モータ２２のトルクが急激に軽くなった場合には、当該トルクが軽くなった側の後車輪２１にスリップが発生したと判断する。制御部４０は、スリップの発生を検出すると、スリップが発生した側の後車輪２１を減速してスリップ率を所定範囲内に収めるべく、対応する電動モータ２２の回転速度を増速させる。これにより、スリップによって車輪が空転することを防止できるので、走破性が向上するとともに圃場を荒らしにくくなる。なお、このようなトラクション制御は、ＨＳＴを用いていたＨＭＴ式の変速装置では困難であったが、応答性と制御性に優れる電動モータ２２を左右の車輪に備え、左右の車輪を個別に減速制御できる本実施形態の特徴により初めて可能となったものである。

以上で説明したように、本実施形態の田植機１は、エンジン２と、クラッチ出力軸３６と、エンジンクラッチ３５と、電動モータ２２と、後車輪２１と、差動装置２３と、制御部４０と、を備える。クラッチ出力軸３６は、エンジン２の駆動力を伝達する。エンジンクラッチ３５は、エンジン２とクラッチ出力軸３６との間に配置される。差動装置２３は、クラッチ出力軸３６からの出力と前記電動モータ２２の出力との差動動力を後車輪２１に出力する。制御部４０は、電動モータ２２の回転速度及びエンジンクラッチ３５の作動を制御する。そして、機体の前進時において、制御部４０は、クラッチ出力軸３６からの出力を打ち消す方向にのみ電動モータ２２を回転駆動することで、後車輪２１への出力の変速を行う。

これにより、電動モータ２２の回転速度を変更することによって、エンジン２の出力の変速機構を設けることなく、走行速度の無段階変速を容易かつ安価に実現することができる。また、エンジン２を常に効率の良い回転速度で駆動させ続けることができるので、設計を最適化することができ、エンジン２を小型化して製造コストを抑えることができる。また、電動モータ２２は回転速度の細かい制御が可能であるので、エンジン２の駆動を完全に打ち消して車体を停止させる制御や、停止状態からスムーズに発進する制御も容易である。更に、エンジン２の駆動力を打ち消す方向にのみ前記電動モータ２２を回転駆動するので、モータの駆動力で積極的に車体を動かす構成に比べて小型のモータを用いることができ、この点でもコストを低減することができる。更に、エンジンクラッチ３５を設けたことにより、エンジン２の駆動力が必要無いときには当該エンジン２の駆動を切り離すことができるので、効率の良い運転が可能となる。また例えば電動モータ２２が故障した場合であっても、エンジンクラッチ３５を切ることにより、車体を停止させることができる。

また、本実施形態の田植機１において、制御部４０は、車体の発進時には、電動モータ２２を回転させた状態でエンジンクラッチ３５を繋ぐように制御することが好ましい。

これにより、車体の停止状態でエンジンクラッチ３５を繋ぐときのショックを低減することができる。

また、本実施形態の田植機１は、車輪２０，２１を制動するためのブレーキを備える。制御部４０は、ブレーキペダル１３が操作された際には、車体の走行速度が所定速度以上の間は電動モータ２２を回転駆動することで当該車体の速度を減速するとともに、当該車体の走行速度が所定速度未満になるとエンジンクラッチ３５を切るように制御することが好ましい。

これにより、所定速度までは電動モータ２２とブレーキとを併用して車速を速やかに減速することができる。また、車速が所定速度未満になった後はエンジン２からの駆動力が遮断されるため、ブレーキによって速やかに車速を減速することができる。また、走行速度が遅くなるほど、エンジン２の駆動力を打ち消すために電動モータ２２を高速回転させなければならないが、上記のように構成することにより、所定速度未満ではエンジン２の駆動力を電動モータ２２によって打ち消す必要が無くなるため、出力の小さな電動モータを用いることができる。

また、本実施形態の田植機１において、制御部４０は、車体が停止している時には、エンジンクラッチ３５を切るとともに電動モータ２２の回転を停止させ、エンジン２をアイドリング回転状態に切り替えることが好ましい。

これにより、車体の停止時に電動モータ２２を回転させ続ける必要が無くなるため、燃費を向上させることができる。また、停車時にエンジンクラッチ３５を切ることにより、エンジン２による発電を効率良く行うことができる。また、一般的に、車体の停止時には作業を行わないので、上記のようにエンジン２をアイドリング回転状態に切り替えることで、燃費を削減することができる。

また、本実施形態の田植機１において、制御部４０は、電動モータ２２の異常を検知した場合には、エンジンクラッチ３５を切断している。

これにより、電動モータ２２が故障した場合であっても、エンジン２の駆動力によって車体が動いてしまうことを防止することができる。

また、本実施形態の田植機１は、操向ハンドル１０と、変速レバー１２と、を備える。制御部４０は、操向ハンドル１０の中立位置からの操作量が大きくなるのに応じて、対応する側の電動モータ２２の回転速度を増速するように制御する。また、制御部４０は、変速レバー１２の操作量に応じて、前記車体の左右に設けられた電動モータ２２Ｌ，２２Ｒの回転速度を変更する。

これにより、操向操作時（車体の旋回時）において、旋回方向に対応する側の後車輪２１を減速させることができるので、スムーズな旋回動作が可能となる。また、変速レバー１２と電動モータ２２の回転速度を連動させることにより、自然な操作で無段階の変速を行うことができる。

また、本実施形態の田植機１において、差動装置２３は遊星ギア式の差動装置とされている。そして、当該差動装置２３が備えるサンギア２５に対しては電動モータ２２の駆動力が入力され、プラネタリキャリア２７にクラッチ出力軸３６からの駆動力が入力され、リングギア２８に対しては後車輪２１が接続されている。

これにより、エンジン２と電動モータ２２の出力の差を後車輪２１に出力することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態について説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態では左右の後車輪２１に対応して差動装置２３と電動モータ２２が設けられているが、差動装置２３及び電動モータ２２は１つのみでも良い。例えば、クラッチ出力軸３６に差動装置２３を直接接続して電動モータ２２によって変速させ、変速された駆動力を各車輪に配分するように構成しても、車体の走行速度を無段階に変速することが可能である。ただし、上記実施形態のように各車輪に対応して差動装置２３と電動モータ２２を設け、複数のモータによってエンジンの出力を変速する構成の方が、小型のモータを適用できる余地が大きくなるので好ましい。また、複数のモータを用いて左右個別に変速する構成は、旋回時及びスリップ発生時に車輪を個別に減速する制御が可能になる点でも有利である。

また、後車輪２１Ｌ，２１Ｒに対してのみでなく、４輪全てに対してそれぞれ差動装置２３と電動モータ２２を設けても良い。このように構成した場合は、旋回時及びスリップ発生時に、全ての車輪を個別に減速する制御が可能になるという観点から好ましい。

操向操作具はステアリングホイール式のものに限らず、例えば左右に回動可能なレバー式の操向操作具でも良い。この場合は、レバーの回動角に比例して内輪側の車輪を減速するように制御することが考えられる。また、変速操作具もレバー式のものに限らず、例えばペダル式の変速操作具でも良い。

エンジン２と差動装置２３との間に、前進／後進等を切り替えるための副変速装置が設けられていても良い。

差動装置は遊星ギア式のものに限らず、他の構成の差動装置でも良いのは勿論である。

また、遊星ギア式の差動装置においては、エンジン２からの駆動力、電動モータ２２からの駆動力及び車軸３４への出力は、サンギア２５、プラネタリキャリア２７及びリングギア２８の何れに接続されていても良い。

制御部４０及びスリップ率推定部４３等は別々の構成とするのではなく、例えば１つのマイクロプロセッサによって、制御部４０及びスリップ率推定部４３としての機能を実現しても良い。

本発明の構成は、田植機に限らず、例えばトラクタや除雪機など、他の作業機にも適用することができる。また、車輪式の走行装置を備えた作業機に限らず、例えばクローラ式の走行装置を備えた作業機であっても良い。

１ 田植機（作業機）
２ エンジン
１０ 操向ハンドル（操向操作具）
１２ 変速レバー（変速操作具）
２１ 後車輪（走行装置）
２２ 電動モータ
２３ 差動装置
３５ エンジンクラッチ（クラッチ）
３６ クラッチ出力軸（駆動軸）
５４ トルク検出部

Claims (7)

1. エンジンと、
   前記エンジンの駆動力を伝達する駆動軸と、
   前記エンジンと前記駆動軸との間に配置されたクラッチと、
   電動モータと、
   走行装置と、
   前記駆動軸からの出力と前記電動モータの出力との差動動力を前記走行装置に出力する差動装置と、
   前記電動モータの回転速度及び前記クラッチの作動を制御する制御部と、
   を備え、
   機体の前進時において、前記制御部は、前記駆動軸からの出力を打ち消す方向にのみ前記電動モータを回転駆動することで、前記走行装置への出力の変速を行うことを特徴とする作業機。
2. 請求項１に記載の作業機であって、
   前記制御部は、車体の発進時には、前記電動モータを回転させた状態で前記クラッチを繋ぐように制御することを特徴とする作業機。
3. 請求項１又は２に記載の作業機であって、
   前記走行装置を制動するためのブレーキを備え、
   前記制御部は、前記ブレーキが作動した際には、車体の走行速度が所定速度以上の間は前記電動モータを回転駆動することで当該車体の速度を減速するとともに、当該車体の走行速度が前記所定速度未満になると前記クラッチを切るように制御することを特徴とする作業機。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の作業機であって、
   前記制御部は、車体が停止している時には、前記クラッチを切るとともに前記電動モータの回転を停止させ、前記エンジンをアイドリング回転状態に切り替えることを特徴とする作業機。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の作業機であって、
   前記制御部は、前記電動モータの異常を検知した場合には、前記クラッチを切ることを特徴とする作業機。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載の作業機であって、
   操向操作具と、
   変速操作具と、
   を備え、
   前記制御部は、前記操向操作具の中立位置からの操作量が大きくなるのに応じて、対応する側の電動モータの回転速度を増速するように制御するとともに、
   前記制御部は、前記変速操作具の操作量に応じて、車体の左右に設けられた電動モータの回転速度を変更することを特徴とする作業機。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載の作業機であって、
   前記差動装置は遊星ギア式の差動装置であり、
   当該差動装置が備えるサンギア、プラネタリキャリア及びリングギアのそれぞれに対して、前記駆動軸、前記電動モータ及び前記走行装置のうち何れかが１つずつ接続されていることを特徴とする作業機。

Images