JP2015085783A

JP2015085783A - 作業車両

Info

Publication number: JP2015085783A
Application number: JP2013225627A
Authority: JP
Inventors: 正雄平井; Masao Hirai
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】エンジンからの動力により駆動される後輪と、電動モータにより駆動可能な前輪と、電力を供給するバッテリと、を備える作業車両において、バッテリの電力消費を抑えられるようにする作業車両を提供する。
【解決手段】前輪９・９を駆動する電動モータ１５はモータジェネレータで構成し、前輪９・９を駆動せず、後輪１０・１０のみにより駆動する２ＷＤ走行時は、モータジェネレータにより発電した電力をバッテリに充電する。
【選択図】図２

Description

本発明は、後輪をエンジンからの駆動力により走行駆動し、操向輪となる前輪を電動モータにより走行駆動する作業車両に関する。

従来、作業車両の車体フレーム上に搭載されるエンジンからの動力をミッションケースに伝達して変速し、変速後の動力を後輪に伝えて駆動するとともに、フロントアクスルケースの中央部に電動モータを配置してデフ装置に動力を入力し、後輪の走行負荷状態や車両の旋回状態に基づいて電動モータの駆動を制御し、この電動モータは車両が所定の速度以下で駆動するようにした技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−５６５４２号公報

前記従来の技術では、電動モータは所定速度以下の速度でしか作動されず、しかも、負荷が大きい時に作動されるため、バッテリからの電力消費が多く、バッテリの寿命を短くしていた。これを解消するには、大きな容量のバッテリが必要となり、コストアップの要因となっていた。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、電動モータをモータジェネレータで構成して、電動モータを作動させていない走行時では発電してバッテリに充電し、バッテリの容量を抑えられる作業車両を提供する。

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を説明する。

即ち、請求項１においては、エンジンからの動力により駆動される後輪と、電動モータにより駆動可能な前輪と、電力を供給するバッテリと、を備える作業車両であって、前記電動モータはモータジェネレータで構成され、前輪を駆動せず、後輪のみにより駆動する２ＷＤ走行時は、モータジェネレータにより発電した電力をバッテリに充電するものである。

請求項２においては、前記作業車両は、機体の走行速度を検知する走行速度検知手段と、ステアリングハンドルの回転角度を検知する舵角センサと、制御装置をさらに備え、走行速度が設定速度未満の場合、直進時は前輪を電動モータにより後輪の周速と同じ速度で駆動し、ステアリングハンドルが旋回操作されると、前輪を電動モータにより旋回角度に合わせて後輪の周速より増速して駆動するものである。

請求項３においては、前記作業車両は、エンジン負荷を検知する負荷検知手段と、前輪と後輪の走行駆動モードを切り換える走行モード切換手段をさらに備え、自動走行モードに切り換えた状態では、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷未満の場合、２ＷＤ走行として後輪をエンジンからの動力により駆動し、モータジェネレータにより充電し、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷以上の場合、４ＷＤ走行として後輪をエンジンからの動力により駆動し、前輪を電動モータにより後輪と同速で駆動し、走行速度が設定速度未満の場合、負荷に関係なく４ＷＤ走行として、後輪をエンジンからの動力により駆動し、前輪は電動モータにより直進時においては後輪の周速と同じ速度で駆動し、ステアリングハンドルが旋回操作されると旋回角度に合わせて後輪の周速より増速して駆動するものである。

以上のような手段を用いることにより、電動モータを有効に作動させることができて、エネルギーを無駄に消費することなく回生でき、また、電動モータを作動させて旋回するときには、効率良く電動モータを作動させて圃場を荒らすことなく旋回できる。

トラクタの概略側面図。駆動系の概略を示す図。フロントアクスル部の平面図。制御ブロック図。

まず、図１より作業車両の一例としてトラクタ１の全体構成について説明する。
ボンネット２内にエンジン３が内設され、該ボンネット２の後部にステアリングハンドル４が設けられ、該ステアリングハンドル４の回動基部近傍には舵角センサ２７が配置され、ステアリングハンドル４の操作量、つまり、旋回角度を検出できるようにしている。ただし、ナックルアーム近傍等に舵角センサを配置して前輪９の舵角を直接検出する構成とすることもでき、舵角（旋回角）を検知できるものであれば舵角センサ２７の配置位置は限定するものではない。ステアリングハンドル４の後方には運転席５が配設されている。

前記エンジン３の後部にはクラッチハウジング１９を介してミッションケース６が連設され、該ミッションケース６の両側にリアアクスルケース８・８が連設される。該リアアクスルケース８・８には車軸を介して後輪１０・１０が支承され、前記エンジン３を支持する車体フレーム１１にはフロントアクスルケース７が支持され、該フロントアクスルケース７の両側に前輪９・９が支承される。

エンジン３からの動力は、ミッションケース６内の変速装置２０を介して後輪１０・１０に伝えられ走行可能としている。また、エンジン３からミッションケース６内のＰＴＯ変速装置を介してＰＴＯ軸１７に動力を伝達し、図示しない作業機を駆動可能としている。

次に、前記ミッションケース６内に収納される変速装置２０について説明する。
変速装置２０は、図２に示すように、主変速装置４１や副変速装置４２等からなり、エンジン３の出力軸（クランク軸）からダンパー４０を介して入力軸４４に伝達された動力を変速してリヤデフ装置４５を介して後輪１０・１０を駆動可能とている。
また、入力軸４４の後端からＰＴＯクラッチ４７を介してＰＴＯ変速装置４８に動力を伝達して変速し、ミッションケース６の後面より後方に突出したＰＴＯ軸１７に動力を伝達可能としている。

前記主変速装置４１は、ＨＳＴ５１と遊星歯車機構５２と高速クラッチ５３と低速クラッチ５４と後進クラッチ５５からなる。ＨＳＴ５１は可変容量型の油圧ポンプ５６と固定容量型の油圧モータ５７からなり、入力軸４４に伝えられた動力により油圧ポンプ５６を駆動し、油圧ポンプ５６からの圧油により油圧モータ５７が作動され、油圧ポンプ５６の斜板角を変更することにより吐出量及び吐出方向を変更して、油圧モータ５７の回転数および回転方向を変更可能としている。

前記遊星歯車機構５２は、サンギヤ、インターナルギヤ、プラネタリギヤを備え、サンギヤにはエンジン３からの動力が伝達され、インターナルギヤにはＨＳＴ５１で変速した後の動力が伝達されて、合成した動力がプラネタリギヤより出力される。プラネタリギヤからは高速クラッチ５３または低速クラッチ５４または後進クラッチ５５を介して副変速装置４２に動力が伝達され、変速後にリヤデフ装置４５から後輪１０に動力が伝達される。

但し、主変速装置４１の構成は前記油圧・機械式変速装置（ＨＭＴ）に限定するものではなく、油圧ポンプと油圧モータを直列に配置した油圧・機械式変速装置（Ｉ−ＨＭＴ）としたり、有段変速を油圧クラッチ（パワークラッチ）で切り換える方式であってもよく限定するものではない。また、前後進切換装置を設ける構成とすることもできる。

前記前輪９はエンジン３からの動力では駆動されず、電動モータにより駆動される。本実施形態では、電動モータはモータジェネレータ１５により構成される。即ち、図２、図３に示すように、フロントアクスルケース７の左右中央後面にモータジェネレータ１５が固設され、モータジェネレータ１５の出力軸がフロントアクスルケース７の入力軸３１と連結されている。フロントアクスルケース７内の入力軸３１上にはベベルギヤが固設されフロントデフ装置３２のリングギヤと歯合されている。フロントデフ装置３２の出力軸からは伝動歯車や伝動軸や前車軸を介して前輪９・９に動力が伝達される。

前記モータジェネレータ１５は電動機にも発電機にもなるものであり、図４に示すように、制御装置３０と接続されて、回転制御及び充電制御が行われる。後輪１０・１０がエンジン３の動力により駆動され、前輪９・９を駆動しない状態のとき（２ＷＤ走行時）、発電機として作動され、発電電力は充電器２３を介してバッテリ２４に供給して充電する。後輪１０・１０及び前輪９・９を駆動する４ＷＤ走行のときには、後述する走行モードに合わせてモータジェネレータ１５を電動モータとして作動させる。この制御は後述する。モータジェネレータ１５が電動モータとして作動するときは、バッテリ２４からの電力を図示しないインバータにより所望の回転数となる電圧の周波数に変換してモータジェネレータ１５に供給される。

図４に示すように、前記制御装置３０には、充電器２３、バッテリ２４、走行速度検知手段２５、走行モード切換手段２６、舵角センサ２７、負荷検知手段２８と接続されている。
バッテリ２４は、リチュウム二次電池やニッケル二次電池や鉛蓄電池等の二次電池で構成され限定するものではない。該バッテリ２４には図示しない過充電防止装置が付設されている。

走行速度検知手段２５は、トラクタ１の走行速度を検知するものであり、ミッションケース６内に配置して後輪１０の回転数を検知して走行速度を得る構成としている。但し、走行速度検知手段２５は後輪１０の車軸の回転数を検知する構成であってもよく、また、ＧＰＳ速度計やドップラー速度計等を用いることも可能であり限定するものではない。
負荷検知手段２８は、エンジン３の負荷をエンジン３の実回転数と設定回転数から演算して得るようにしているが、燃料噴射量等から演算してもよく限定するものではない。また、トルクセンサを後輪１０・１０の車軸に配置して軸トルクを検出して、車軸にかかる負荷を検出する構成とすることも可能である。

走行モード切換手段２６は、ロータリスイッチやタッチパネル等で構成され、制御装置３０と接続されている。走行モード切換手段２６は「２ＷＤ走行モード」と「４ＤＷ走行モード」と「自動走行モード」とを切り換える。

「２ＷＤ走行モード」は、路上走行時や軽作業車の牽引時等、比較的高速で走行するときに使用する走行モードである。「２ＷＤ走行モード」では、後輪１０・１０のみがエンジン３からの動力により駆動され、前輪９・９は回転自在となっており、走行時に前輪９・９が従動回転されるとモータジェネレータ１５は発電機として作用し、走行時に発生する発電電力がバッテリ２４に充電される（２ＷＤ走行）。

「４ＤＷ走行モード」は、前輪９・９と後輪１０・１０を同時に同周速で駆動する走行モードである。「４ＤＷ走行モード」では、後輪１０・１０はエンジン３からの動力により駆動され、前輪９・９はモータジェネレータ１５が電動モータとして作用して駆動される。なお、「４ＷＤ走行モード」では、副変速が低速であっても後述する旋回前輪増速制御は行われず、高速であっても前輪９・９と後輪１０・１０は同時に同周速で駆動され、高速走行で旋回した時に急旋回はしないようにしている（４ＷＤ走行）。

「自動走行モード」は、走行速度Ｖと設定速度Ｖ１とを比較するとともに、負荷Ｔと設定負荷Ｔ１を比較し、（１）走行速度Ｖが設定速度Ｖ１未満の場合、旋回前輪増速制御を行い、（２）走行速度Ｖが設定速度Ｖ１以上、かつ、負荷Ｔが設定負荷Ｔ１未満の場合、２ＷＤ走行とし、（３）走行速度Ｖが設定速度Ｖ１以上、かつ、負荷Ｔが設定負荷Ｔ１以上の場合、４ＷＤ走行とする走行モードである。

「自動走行モード」を具体的に説明する。
（１）制御装置３０は、走行速度検知手段２５により検出した走行速度Ｖが、図示しない設定手段で設定した設定速度Ｖ１と比較し、走行速度Ｖが設定速度Ｖ１未満（Ｖ＜Ｖ１）の場合、負荷Ｔの大小にかかわらず、前輪９・９及び後輪１０・１０を駆動して旋回前輪増速制御を行う。

前記旋回前輪増速制御は、ステアリングハンドル４の操舵角に応じて前輪９・９の周速を後輪１０・１０の周速よりも増加するようにモータジェネレータ１５により駆動するものである。つまり、直進時は、後輪１０・１０による走行速度と同じ速度となるように、走行速度検知手段２５により検知した速度から前輪９・９の回転数を同じ走行速度なるように演算して制御装置３０によりモータジェネレータ１５を駆動する。
そして、ステアリングハンドル４が操作されると、その旋回角度が舵角センサ２７により検知され、その舵角に応じた走行速度となるようにモータジェネレータ１５が駆動される。つまり、機体の旋回中心から前輪９までの距離（旋回半径）と、機体の旋回中心から後輪１０までの距離（旋回半径）は、前輪９の旋回半径が後輪１０の旋回半径よりも長く、旋回半径が小さくなるほど前輪９の旋回半径と後輪１０の旋回半径との比は大きくなるため、舵角が小さい時（緩旋回）は前輪９による走行速度（周速）は後輪１０による走行速度（周速）よりも少し速く、舵角が大きくなる（急旋回）ほど前輪９による走行速度は後輪１０の走行速度よりも大きく速くなり、舵角が最大のとき前輪９の走行速度は後輪１０による走行速度の約二倍程度となるように制御するのである。このように制御することによって、ステアリングハンドル４を旋回操作すると前輪９が増速されて、圃場を荒らすことを防止し、牽引力も増加する。また、小回りが容易にできるようになり旋回性能も向上できるのである。

（２）制御装置３０は、走行速度検知手段２５により検出した走行速度Ｖを設定速度Ｖ１と比較し、負荷検知手段２８により得られた負荷Ｔを設定負荷Ｔ１と比較し、走行速度Ｖが設定速度Ｖ１以上（Ｖ≧Ｖ１）、かつ、負荷Ｔが設定負荷Ｔ１未満（Ｔ＜Ｔ１）の場合、２ＷＤ走行とし回生する。つまり、低負荷、高速走行の場合、路上走行時や作業走行時（副変速レバーの変速位置）に関係なく、２ＷＤ走行となり、モータジェネレータ１５は発電機として作用し、充電され、エネルギーを有効に活用できるようにする。

（３）制御装置３０は、走行速度検知手段２５により検出した走行速度Ｖを設定速度Ｖ１と比較し、負荷検知手段２８より得られた負荷Ｔを設定負荷Ｔ１と比較し、走行速度Ｖが設定速度Ｖ１以上（Ｖ≧Ｖ１）、かつ、負荷Ｔが設定負荷Ｔ１以上（Ｔ≧Ｔ１）の場合、モータジェネレータ１５により前輪９の走行速度（周速）を後輪１０の走行速度（周速）と同じ速度で駆動する。つまり、高負荷、高速の場合、４ＷＤ走行となり、モータジェネレータ１５により発電は行われず、旋回前輪増速制御は行われず、前輪９は後輪１０と同じ周速度で駆動され、旋回操作されても前輪９の速度は後輪１０と同じ周速度で駆動される。こうして、高負荷、高速走行の場合、モータジェネレータ１５が電動モータとして駆動され、牽引力が増加され、旋回前輪増速制御は行わないため旋回操作しても急旋回とならずバランスを崩すこともない。

また、前記走行モード切換手段２６により自動走行モードとした場合、副変速装置の高低切換により走行モードを自動的に切り換えるように構成することもできる。例えば、副変速装置を高速に切り換えると、２ＷＤ走行として回生を行う「路上走行モード」となり、副変速装置を低速に切り換えると、４ＷＤ走行し旋回前輪増速制御を行う「作業走行モード」とするのである。この場合、「路上走行モード」では設定速度Ｖ１よりも走行速度が遅い場合でも回生が可能となるが、旋回前輪増速制御が行われないため旋回性能は劣る。また、高速（設定速度Ｖ１以上）では４ＷＤ走行ができないため、高速での牽引性能は劣る。以上を考慮すると、この二つを切り換える走行モードと、前述した前記三つの走行モードとを変更できるモード変更手段を、別に設ける構成とし、作業に合わせて所望のモードに変更することも可能である。ただし、前記走行モード切り換えは前記２つまたは３つに限定するものではなく、４つ以上設けることも可能である。

以上のように、エンジン３からの動力により駆動される後輪１０・１０と、電動モータ１５により駆動可能な前輪９・９と、電力を供給するバッテリ２４と、を備える作業車両であって、前記電動モータ１５はモータジェネレータで構成され、前輪９・９を駆動せず、後輪１０・１０のみにより駆動する２ＷＤ走行時は、モータジェネレータにより発電した電力をバッテリ２４に充電するので、モータジェネレータ１５により回生が行われてエネルギーを有効に活用でき、燃費を向上できる。

また、前記作業車両は、機体の走行速度を検知する走行速度検知手段２５と、ステアリングハンドル４の回転角度を検知する舵角センサ２７と、制御装置３０をさらに備え、走行速度が設定速度未満の場合、直進時は前輪９・９を電動モータ１５により後輪１０・１０の走行速度と同じ周速で駆動し、ステアリングハンドル４が旋回操作されると、前輪９・９を電動モータ１５により旋回角度に合わせて後輪１０・１０の周速より増速して駆動するので、緩旋回から急旋回まで旋回角度に合わせて前輪９・９が増速されて、圃場を荒らすことなく４輪駆動によるグリップ力を高めて確実に旋回することができる。

また、前記作業車両は、エンジン負荷を検知する負荷検知手段２８と、前輪９・９と後輪１０・１０の走行駆動モードを切り換える走行モード切換手段２６をさらに備え、自動走行モードに切り換えた状態では、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷未満の場合、２ＷＤ走行として後輪１０・１０をエンジン３からの動力により駆動し、モータジェネレータ１５により充電し、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷以上の場合、４ＷＤ走行として後輪１０・１０をエンジン３からの動力により駆動し、前輪９・９を電動モータ１５により後輪１０・１０と同速で駆動し、走行速度が設定速度未満の場合、負荷に関係なく４ＷＤ走行として、後輪１０・１０をエンジン３からの動力により駆動し、前輪９・９は電動モータ１５により直進時においては後輪１０・１０の周速と同じ速度で駆動し、ステアリングハンドル４が旋回操作されると旋回角度に合わせて後輪１０・１０の周速より増速して駆動するので、走行速度および負荷に応じて自動的に２ＷＤ走行と４ＷＤ走行に切り換えられ、２ＷＤ走行時には回生されてエネルギーを有効に活用でき、４ＷＤ走行時には、負荷に応じて旋回前輪増速制御が行われ、スムーズな旋回が可能となる。

３エンジン
４ステアリングハンドル
９前輪
１０後輪
１５電動モータ（モータジェネレータ）
２４バッテリ
２５走行速度検知手段
２６走行モード切換手段
２７舵角センサ
２８負荷検知手段
３０制御装置

Claims

エンジンからの動力により駆動される後輪と、電動モータにより駆動可能な前輪と、電力を供給するバッテリと、を備える作業車両であって、前記電動モータはモータジェネレータで構成され、前輪を駆動せず、後輪のみにより駆動する２ＷＤ走行時は、モータジェネレータにより発電した電力をバッテリに充電することを特徴とする作業車両。
前記作業車両は、機体の走行速度を検知する走行速度検知手段と、ステアリングハンドルの回転角度を検知する舵角センサと、制御装置をさらに備え、走行速度が設定速度未満の場合、直進時は前輪を電動モータにより後輪の周速と同じ速度で駆動し、ステアリングハンドルが旋回操作されると、前輪を電動モータにより旋回角度に合わせて後輪の周速より増速して駆動することを特徴とする請求項１に記載の作業車両。
前記作業車両は、エンジン負荷を検知する負荷検知手段と、前輪と後輪の走行駆動モードを切り換える走行モード切換手段をさらに備え、自動走行モードに切り換えた状態では、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷未満の場合、２ＷＤ走行として後輪をエンジンからの動力により駆動し、モータジェネレータにより充電し、走行速度が設定速度以上、かつ、負荷が設定負荷以上の場合、４ＷＤ走行として後輪をエンジンからの動力により駆動し、前輪を電動モータにより後輪と同速で駆動し、走行速度が設定速度未満の場合、負荷に関係なく４ＷＤ走行として、後輪をエンジンからの動力により駆動し、前輪は電動モータにより直進時においては後輪の周速と同じ速度で駆動し、ステアリングハンドルが旋回操作されると旋回角度に合わせて後輪の周速より増速して駆動することを特徴とする請求項２に記載の作業車両。