JP4578434B2 - 自走式作業機の負荷制御機構 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の動力により作業を行い電動モータの動力により走行する自走式作業機に関し、特に作業負荷に応じた走行制御に関する。
自走式作業機は、一般に作業中の走行速度が速いと、作業負荷が増大し、走行速度が遅いと作業負荷は減少する。
したがって、内燃機関により作業を行う自走式作業機では、作業状況が厳しく作業負荷が過大となると最適出力での作業ができず仕上がりが劣ったり、エンジンストールを生じることがあるので、作業者が、作業音を聴き分けたり作業の仕上がりを見て作業負荷の程度を判断し、作業負荷が増大していると判断したときは、走行速度を下げることで、負荷を減少させて作業の仕上がりを良好に保ち、かつ内燃機関が稼動停止（エンジンストール）しないようにしている。
このように、作業者は、作業状況を見ながら速度調整をしなければならず、負担が大きいとともに、作業機の運転に対する習熟が要求される。
なお、内燃機関によりブロワーとオーガを駆動して除雪作業を行うとともに走行駆動も内燃機関により行われる除雪機について、作業負荷に応じて走行速度を調整するとともにブロワーの回転数も調整する例（特許文献１）がある。
実公平３−３２６１７号公報
しかし、特許文献１に開示された除雪機は、ブロワー等の駆動と走行駆動を１つの内燃機関で行っており、内燃機関の機関回転数が走行速度に影響する構成であり、ブロワーと車輪の２つを負荷制御の制御対象としているので、それぞれに制御アクチュエータを備えるとともに、それぞれ駆動機構を備えて構造が複雑であるとともに、制御も複雑となっており、コスト高となる。
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その目的とする処は、内燃機関により作業を行い電動モータにより走行する自走式作業機において、作業負荷を内燃機関の運転状況から演算して適正な負荷量となるように走行速度を自動制御することで、簡単な制御で作業の仕上がりを良好に保つことができ、作業者の作業負担を軽減することができる自走式作業機の負荷制御機構を供する点にある。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、内燃機関の動力により作業を行い電動モータの動力により走行し内燃機関を指示機関回転数に保つべく調整するガバナを備えた自走式作業機において、前記ガバナは機械的にスロットル開度を調整する機械式ガバナであり、設定された指示機関回転数から最大作業出力を演算する最大作業出力演算手段と、設定された指示機関回転数と検出された実機関回転数から実作業負荷を演算する実作業負荷演算手段と、前記最大作業出力と前記実作業負荷から制限速度を演算する制限速度演算手段と、前記実機関回転数が指示機関回転数未満に低下したときに前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御する走行制御手段とを備えた自走式作業機の負荷制御機構とした。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の自走式作業機の負荷制御機構において、前記最大作業出力演算手段および前記実作業負荷演算手段は、無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数ごとの機関回転数に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しており、前記無負荷出力特性と前記作業出力特性とに基づいて最大作業出力と実作業負荷が演算されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、内燃機関の動力により作業を行い電動モータの動力により走行し内燃機関を指示機関回転数に保つべく調整するガバナを備えた自走式作業機において、前記ガバナは電子的にスロットル開度を調整する電子ガバナであり、設定された指示機関回転数と上限スロットル開度から最大作業出力を演算する最大作業出力演算手段と、設定された指示機関回転数と検出された実スロットル開度から実作業負荷を演算する実作業負荷演算手段と、前記最大作業出力と前記実作業負荷から制限速度を演算する制限速度演算手段と、前記実スロットル開度が上限スロットル開度以上に上昇したときに前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御する走行制御手段とを備えた自走式作業機の負荷制御機構である。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の自走式作業機の負荷制御機構において、前記最大作業出力演算手段および前記実作業負荷演算手段は、無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数ごとのスロットル開度に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しており、前記無負荷出力特性と前記作業出力特性とに基づいて最大作業出力と実作業負荷が演算されることを特徴とする。
請求項１記載の自走式作業機の負荷制御機構によれば、最大作業出力演算手段により指示機関回転数から演算された最大作業出力と、実作業負荷演算手段により指示機関回転数と実機関回転数から演算された実作業負荷とから制限速度が演算され、実機関回転数が指示機関回転数未満に低下したときに、前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御するので、適正な負荷量となるように走行速度を自動制御して、作業の仕上がりを良好に保つことができ、簡素な構造でかつ簡単な制御で作業者の作業負担を軽減することができる。
請求項２記載の自走式作業機の負荷制御機構によれば、無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数ごとの機関回転数に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しているので、最大作業出力と実作業負荷を容易に、かつ速やかに算出することができる。
請求項３記載の自走式作業機の負荷制御機構によれば、最大作業出力演算手段により指示機関回転数と上限スロットル開度から演算された最大作業出力と、実作業負荷演算手段により指示機関回転数と実スロットル開度から演算された実作業負荷とから制限速度が演算され、実スロットル開度が上限スロットル開度以上に上昇したときに、前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御するので、適正な負荷量となるように走行速度を自動制御して、作業の仕上がりを良好に保つことができ、簡素な構造でかつ簡単な制御で作業者の作業負担を軽減することができる。
請求項４記載の自走式作業機の負荷制御機構によれば、無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数ごとのスロットル開度に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しているので、最大作業出力と実作業負荷を容易に、かつ速やかに算出することができる。
以下、本発明に係る一実施の形態について図１ないし図１２に基づいて説明する。
本実施の形態に係る芝刈機１は、４ストロークサイクルの内燃機関10によりブレード12を回転して芝刈り作業を行い、走行用ＤＣモータ30により自ら走行することができるハイブリッド型の自走式芝刈機である。
図１は、本芝刈機１の全体斜視図であり、図２は芝刈機本体の側面図、図３は同平面図、図４は同後面図である。
地面に沿って回転するブレード12を軸支して上方から覆うブレードハウジング２が、左右一対の前輪６，６および後輪７，７によって走行自在に支持されている。
本明細書中では、芝刈機１の前進方向を向いた状態を基準にして前後左右を決めることとする。
ブレードハウジング２は、４隅が前輪６，６と後輪７，７の４輪を軸支する軸受部２ｆ、２ｆ、２ｒ、２ｒをなし、軸受部２ｆ、２ｆ、２ｒ、２ｒに囲まれた中央部２ｃの下部が偏平椀状をなしてブレード12を覆うブレード収容部２ｂが形成され、中央部２ｃは後半が後方へいくに従い上方に膨出し、さらに後方に連続して上方に膨出した膨出部２ｅが形成されている。
このブレードハウジング２の中央部２ｃに、内燃機関10がクランク軸11を鉛直に指向させて搭載されている。
内燃機関10は、シリンダ10cyを前方に向け、クランクケース10ｃからクランク軸11を下方に突出している。
クランク軸11とブレード12との間に電磁クラッチ20が介装されている。
したがって、内燃機関10の駆動が電磁クラッチ20の接続を介してブレード12を回転して芝を刈ることができる。
ブレードハウジング２における中央部２ｃの右側部から後半の膨出部２ｅに亘って斜めに鉛直仕切板３（図３参照）によってブレードハウジング２内を仕切られて刈芝搬送通路４が形成されている。
刈芝搬送通路４は、ブレードハウジング２内を画成して形成された通路で、通路前端がブレード収容部２ｂに開口しており、同前端開口から後方へ通路断面積を徐々大きくしていき、膨出部２ｅの若干傾斜した後壁に大きな後端開口４ｂを形成している。
刈芝搬送通路４の後端開口４ｂは膨出部２ｅの後壁２ｄの右半部強を大きく開口しており、この後端開口４ｂに前端の口を連結して刈芝収集袋５が後方に延設される（図１参照）。
斜めの鉛直仕切板３によってブレードハウジング２内を仕切られて右側に刈芝搬送通路４が形成され、鉛直仕切板３より左側の空間の下半部に走行用ＤＣモータ30と減速機構40が設けられている。
走行用ＤＣモータ30のモータ駆動軸31が減速機構40の上部に減速機構40の入力軸として挿入されており、モータ駆動軸31の回転が減速ギヤ群の噛合いを介して減速機構40の下部において出力軸である駆動軸50に減速されて伝達される。
駆動軸50は、後輪７，７をそれぞれ回転自在に軸支する後車軸７ａ，７ａの後方において、左右に延びて回転自在に架設されており、駆動軸50の両端に双方向クラッチ55を介して嵌着された駆動ギヤ61，61が後輪７，７に一体に固着された被動ギヤ62，62と噛合している。
したがって、走行用ＤＣモータ30のモータ駆動軸31の回転が、減速機構40を介して減速されて駆動軸50に伝達され、駆動軸50の回転が双方向クラッチ55および駆動ギヤ61，61と被動ギヤ62，62の噛合いを介して後輪７，７の回転に伝達されて芝刈機１が走行される。
なお、双方向クラッチとは、駆動源側の駆動軸の前進方向の動力のみが駆動輪に伝達されるとともに、クラッチの係合が外れて切断状態にあれば駆動輪側の前進方向および後進方向の双方向の回転は駆動軸側に伝達されない構造のクラッチのことである。
走行用ＤＣモータ30の駆動制御、内燃機関10の運転制御および内燃機関10の駆動をブレード12に伝達する前記電磁クラッチ20の接続・切断制御などは、全てコンピュータによる電子制御装置であるＥＣＵ70により実行される。
このＥＣＵ70は、ブレードハウジング２の後部膨出部２ｅの上部で刈芝搬送通路４の鉛直仕切板３により仕切られた左側の空間の上半部に配設される。
ＥＣＵ70の下方に前記走行用ＤＣモータ30が位置する。
ＥＣＵ70は、直方体状の筐体に収容されており、筐体の上面には冷却フィン71が多数枚並んで長尺に突出形成されている。
ブレードハウジング２の後部膨出部２ｅの傾斜した上壁の一部が矩形に開口しており、その矩形口はＥＣＵ70の筐体の上面の長方形より若干小さく、同矩形口に下側から冷却フィン71を嵌挿して上部に露出させ、ＥＣＵ70の筐体の上面外周縁部を矩形口の開口縁部に当接してねじ72により固着してＥＣＵ70はブレードハウジング２の上壁に支持される。
次に、動力伝達系について図５ないし図７に基づき説明する。
まず、内燃機関10の動力をブレード12に伝達する電磁クラッチ20の構造を図５に示した断面図に基づき説明する。
内燃機関10の下方に突出したクランク軸11に下方から回転ディスク21がセレーション嵌合され、さらに円筒状のカラー22が嵌挿されてワッシャ23ｗを介してフランジ付ボルト23により一体に固着され、クランク軸11と一体に回転ディスク21が回転するようになっている。
回転ディスク21は、ベアリング19で軸支された円筒部21ａとその下端の円板部21ｂからなり、円板部21ｂの上に近接して環状に電磁コイル24が上部を支持されて吊設されている。
前記カラー22の外周にベアリング25を介して環状のブレード支持部材26がクランク軸11と相対回転自在に取り付けられており、同環状支持部材26の下面にブレード12の基端環状部12ａが当接されてフランジ付きボルト26ｂにより一体に固着されている。
したがって、ブレード12はクランク軸11と相対回転自在に支持されている。
ブレード支持部材26の上には中空円板状のクラッチディスク27が上下移動可能に支持されている。
すなわち、ブレード支持部材26の上面に立設された複数のピン26ｐがクラッチディスク27を貫通して、クラッチディスク27がブレード支持部材26に対して上下移動を可能とするが相対的な回転は規制されて共に回転する構造をしている。
このクラッチディスク27は、前記回転ディスク21の円板部21ｂに近接して対向しており、上方に移動したときは、接触する。
クラッチディスク27の上面の回転ディスク21の円板部21ｂと接触する面には摩擦部材が貼着されている。
なお、クラッチディスク27の下面の外周縁部の下方には、環状係止板28がブレードハウジング２にボルト29により固定支持されている。
環状係止板28の上面には環状に摩擦部材28ａが貼着されている。
電磁クラッチ20は以上のような構造をしている。
電磁コイル24に通電せず消磁しているときは、クラッチディスク27は下方に移動して回転ディスク21と離れているので、内燃機関10が駆動されクランク軸11が回転ディスク21とともに回転していてもブレード支持部材26には動力が伝達されず、ブレード12は回転しない。
一方、電磁コイル24に通電し励磁すると、磁力によりクラッチディスク27は上方に移動して回転ディスク21に吸着するので、クランク軸11の回転は回転ディスク21と一体にクラッチディスク27を回転し、クラッチディスク27の回転はピン26ｐを介してブレード支持部材26に伝達されてブレード12が回転する。
ここで、電磁コイル24を消磁すると、回転ディスク21からクラッチディスク27が離れ、クラッチディスク27は下降して環状係止板28の摩擦部材28ａの上に載り、ブレード12とともに慣性により回転しようとするのを規制されて停止する。
次に、走行用ＤＣモータ30による走行駆動系について図５ないし図７に基づいて説明する。
ブレードハウジング２の後部膨出部２ｅの鉛直仕切板３より左側の空間の下半部に、走行用ＤＣモータ30と減速機構40が設けられており、図７に示すように、走行用ＤＣモータ30の右側に突出したモータ駆動軸31が、減速機ケース41の上部に挿入されており、モータ駆動軸31の端部にモータ駆動ギヤ32が嵌着されている。
減速機ケース41の下部には駆動軸50が左右方向に貫通しており、減速機ケース41の内部にはモータ駆動軸31と駆動軸50との間に２本のギヤ軸42，43が左右方向に指向して架設されている。
ギヤ軸42に回転自在に軸支された小径ギヤ45に一体に嵌着された大径ギヤ44が、前記駆動ギヤ32と噛合している。
ギヤ軸43には大径ギヤ46と小径ギヤ47が一体となって回転自在に軸支されており、大径ギヤ46が前記小径ギヤ45に噛合し、小径ギヤ47が駆動軸50に嵌着された大径ギヤ48に噛合している。
減速機構40は、以上のように構成されており、モータ駆動軸31の回転が、小径ギヤから大径ギヤへの各ギヤの噛合を経て減速されて駆動軸50に伝達される。
駆動軸50の両端には双方向クラッチ55，55を介して駆動ギヤ61，61が設けられており、駆動ギヤ61，61が後輪７，７と一体の被動ギヤ62，62と噛合している。
したがって、走行用ＤＣモータ30の駆動により双方向クラッチ55，55は接続されて後輪７，７が回転して芝刈機１は走行することができる。
走行用ＤＣモータ30の駆動を停止電力を供給した状態で停止すると、双方向クラッチ55，55は切断状態で停止し、双方向クラッチは切断状態にあれば駆動輪側の前進方向および後進方向の双方向の回転は駆動軸側に伝達されない構造なので、芝刈機１の押し引き作業および方向転換が軽快に行える。
以上のような芝刈機１の本体に対して、ブレードハウジング２の後部膨出部２ｅの上部からは、後方に操作ハンドル80が延設されている。
操作ハンドル80は、管状部材をコ字状の屈曲したもので、ブレードハウジング２の後部膨出部２ｅの左右側部から左右長柄部81Ｌ，81Ｒが後方へ幾らか上向きに長尺に延出し、その後端部どうしを握り部82が連結して操作ハンドル80を構成している。
操作ハンドル80には、作業者が操作する種々の操作部材が配設されている。
図８を参照して、上方に凸に湾曲した握り部82の中央に直方体状の第１操作スイッチケース83が下方へ吊設されており、同第１操作スイッチケース83の正面に押しボタン84が配設されている。
湾曲した握り部82の前方に同握り部に接離自在にブレードレバー85が設けられている。
第１操作スイッチケース83の左右側壁を貫通した揺動中心軸90の外部に突出した両端に基端部が嵌着されて左右走行レバー86，86が握り部82の後方で揺動可能に設けられている。
走行レバー86は、揺動中心軸90に基端部が嵌着された揺動アーム部86ａと同揺動アーム部86ａの先端から左右側方に屈曲した操作部86ｂとからなる。
左右走行レバー86，86が前方に揺動すると、操作部86ｂ，86ｂが握り部82と接し、後方へ揺動して離れる。
操作部86ｂは、円管状の握り部82の外周面に概ね嵌合するように断面が円弧形状をして握り部82の形状と同形に湾曲している。
また、右長柄部81Ｒの握り部82寄りには、第２操作スイッチケース87が内側に取り付けられており、側面視三角形をした第２操作スイッチケース87の左側面には前後に揺動可能に速度調整レバー88が取り付けられている。
さらに、第２操作スイッチケース87の後面（作業者にとって正面）にはイグニッションつまみ89が回動可能に設けられている。
なお、右長柄部81Ｒに突設されたグリップ受け95に、スタートグリップ96が支持されており、スタートグリップ96からはスタート用ロープ97が前方に延び、内燃機関10の上部に配設されたリコイルスタータ（図示せず）に連結されている。
押しボタン84、ブレードレバー85、走行レバー86、速度調整レバー88、イグニッションつまみ89の操作に対してそれぞれ押しボタンスイッチ84ｓ、ブレードレバースイッチ85ｓ、走行レバースイッチ86ｓ、速度操作ボリューム88ｓ、イグニッションスイッチ89ｓが作動し、押しボタンスイッチ84ｓ、ブレードレバースイッチ85ｓ、走行レバースイッチ86ｓ、速度操作ボリューム88ｖ、イグニッションスイッチ89ｓの信号は、前記ＥＣＵ70に入力される。
本芝刈機１の制御系の概略ブロック図を図９に示す。
内燃機関10は、機械的にスロットル開度を調整して機関回転数を一定に維持しようとする遠心式などの機械式ガバナ75を備えている。
ＥＣＵ70は、電磁クラッチ20および走行用ＤＣモータ30を駆動制御する。
内燃機関10には、クランク軸11の回転により発電するＡＣ発電機76が装備されており、ＡＣ発電機76により発電した電力のうち走行用電力が走行用ＤＣモータ30に供給されて走行に供されるとともに、制御用電力がＥＣＵ70や電子ガバナモータ75等の制御系に供される。
ＥＣＵ70は内燃機関10や走行用ＤＣモータ30を駆動制御するため、内燃機関10の運転状況を検出する機関回転数センサ77およびスロットル開度センサ78等を備えており、機関回転数センサ77が検出した機関回転数やスロットル開度センサ78が検出したスロットル開度のデータ信号がＥＣＵ70に入力される。
イグニッションつまみ89を操作すると、イグニッションスイッチ89ｓがオンし、走行レバー86を前方握り部82方向に揺動操作すれば走行レバースイッチ86ｓがオンして走行用ＤＣモータ30にＡＣ発電機76が発電した走行用電力を供給して駆動を開始して芝刈機１が走行を始める。
押しボタン84が押された後に、続けてブレードレバー85を後方握り部82方向に揺動操作することで、押しボタンスイッチ84ｓに続いてブレードレバースイッチ85ｓがオンすると、電磁クラッチ20に通電して電磁コイル24を励磁してクラッチ接続状態としてブレード12を回転して芝刈り作業を行うことが可能となる。
ＥＣＵ70による走行用ＤＣモータ30の制御において、走行レバースイッチ86ｓがオンして芝刈機１が走行しているときの走行速度制御の制御手順を図１０に示し説明する。
まず、ステップ１では設定された指示速度Ｖｆ、検出された実速度Ｖｒ、設定された支持機関回転数Ｎｆ、機関回転数センサ77により検出された実機関回転数Ｎｒを読込む。
次のステップ２で、押しボタンスイッチ84ｓに続いてブレードレバースイッチ85ｓがオンしたか否か、すなわち電磁クラッチ20が接続して内燃機関10の動力によりブレード12が回転して芝刈り作業に入っているか否かが判別される。
芝刈り作業に入っていなければ、ステップ３に進み、走行速度Ｖを指示速度Ｖｆに指定し、次のステップ４で急激な速度変化を緩和する加減速制限処理を行って、ステップ１４に進み、実際に走行用ＤＣモータ30への印加電圧を制御して加減速制限処理後の指示速度Ｖｆ´で走行するようにする。
すなわち、芝刈り作業を行っていないときは、芝刈機１は指示速度Ｖｆ´で走行するように制御される。
一方、ステップ２で、押しボタンスイッチ84ｓに続いてブレードレバースイッチ85ｓがオンしたと判別されたときは、ステップ５に飛ぶ。
すなわち、電磁クラッチ20が接続して内燃機関10の動力によりブレード12が回転して芝刈り作業に入っているときは、ステップ５に飛び、検出された実機関回転数Ｎｒが、芝刈り作業をするのに最低要求される下限機関回転数ＮＬを超えているか否かを判別する。
実機関回転数Ｎｒが、下限機関回転数ＮＬ以下のときは、ステップ１３に飛んで走行速度Ｖを０に指示し、加減速制限処理を行って（ステップ１２）、ステップ１４に進み、走行用ＤＣモータ30の駆動を停止（走行を停止）するようにする。
ステップ５で、実機関回転数Ｎｒが、下限機関回転数ＮＬを超えていると判別されると、芝刈り作業を実行可能で、ステップ６に進む。
ステップ６では、指示機関回転数Ｎｆが変化したか否かを判別する。
すなわち、指示機関回転数Ｎｆが変更操作されたときは、実機関回転数Ｎｒが当然変化するので、そのときはステップ１２に飛んで走行速度の指定は従前のままとする。
指示機関回転数Ｎｆの変化がないときに、ステップ６からステップ７に進む。
ステップ７では、検出された実機関回転数Ｎｒが指示機関回転数Ｎｆ未満に低下したか否かを判別する。
実機関回転数Ｎｒが指示機関回転数Ｎｆ未満ならばステップ８に進み、指示機関回転数Ｎｆ以上ならばステップ３に飛ぶ。
このとき、指示機関回転数Ｎｆを境に実機関回転数Ｎｒが上下すると、頻繁に進行するルートが切り替わり走行制御も変化するので、これを防止するために、指示機関回転数Ｎｆに幅を持たせ、実機関回転数Ｎｒの上昇時と下降時とで指示機関回転数Ｎｆを異ならせるようにしてもよい。
実機関回転数Ｎｒが指示機関回転数Ｎｆ以上ならば、芝刈り作業の作業負荷は大き過ぎることはなく、ステップ３に飛んで走行速度Ｖを指示速度Ｖｆに指定し、加減速制限処理して（ステップ４）、処理後の指示速度Ｖｆ´で走行するように制御される（ステップ１４）。
実機関回転数Ｎｒが指示機関回転数Ｎｆ未満に低下したときは、作業負荷が大き過ぎるために実機関回転数Ｎｒが低下したのであり、このときはステップ７からステップ８に進み、まず最大作業出力Ｑｆを演算し、ステップ９で実作業負荷Ｑｒを演算する。
最大作業出力Ｑｆと実作業負荷Ｑｒを演算するＥＣＵ70は、無負荷（空転）駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数Ｎｆごとの機関回転数に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶する記憶手段を備えており、この無負荷出力特性と作業出力特性に基づいて最大作業出力Ｑｆと実作業負荷Ｑｒが演算される。
無負荷出力特性と作業出力特性を、図１１の横軸を機関回転数Ｎ、縦軸を出力Ｐとした直角座標に示す。
作業出力特性は、所謂機械式ガバナにおける機関回転数Ｎに対する作業出力Ｐの関係で、指示機関回転数Ｎｆにおける機械式ガバナによる特性であって、余力がある範囲では機関回転数は略一定であるが、ある程度以上の負荷となると、急激に機関回転数が低下する。
機関回転数が低下すると作業出力は飽和する前に、スロットル開度θが全開となって制御不能となって内燃機関10は稼動停止（エンジンストール）してしまう。
したがって、上限作業出力を大きくとるべく指示機関回転数Ｎｆを下げると、余裕出力が小さくなって瞬間的な負荷の増加により少しでも機関回転数が低下するとスロットル開度θが全開となってエンジンストールしてしまう。
逆に余裕出力を大きくしようとすると、上限作業出力が大きく低下するとともに、作業出力特性が機関回転数のわずかな変化に作業出力は大きく変化して作業出力の抽出精度が低くなってしまう。
ステップ８における最大作業出力Ｑｆの演算では、まず図１１に示す作業出力特性に基づいて指示機関回転数Ｎｆより作業出力Ｐｆを求め、次いで無負荷出力特性に基づいて指示機関回転数Ｎｆより無負荷出力Ｐfoを求め、作業出力Ｐｆから無負荷出力Ｐfoを減算することで、芝刈り作業にのみ出力される最大作業出力Ｑｆ（＝Ｐｆ−Ｐfo）を算出する。
次のステップ９における実作業負荷Ｑｒの演算では、図１１に示す作業出力特性に基づいて実機関回転数Ｎｒより作業出力Ｐｒを求め、次いで無負荷出力特性に基づいて実機関回転数Ｎｒより無負荷出力Ｐroを求め、作業出力Ｐｒから無負荷出力Ｐroを減算することで、芝刈り作業にのみかかる実作業負荷Ｑｒ（＝Ｐｒ−Ｐro）を算出する。
そして、次のステップ１０では、ステップ８，９で求めた最大作業出力Ｑｆと実作業負荷Ｑｒとから制限速度Ｖｃを演算する。
現在の走行速度である実速度Ｖｒに、実作業負荷Ｑｒに対する最大作業出力Ｑｆの割合（負荷割合Ｑｆ／Ｑｒ）を乗算して制限速度Ｖｃ（＝Ｖｒ×（Ｑｆ／Ｑｒ））を求める。
次のステップ１１で、走行速度Ｖを制限速度Ｖｃに指定し、加減速制限処理して（ステップ１２）、処理後の制限速度Ｖｃ´で走行するように制御される（ステップ１４）。
芝刈機１が指示機関回転数Ｎｆで内燃機関10を運転して芝刈り作業を行いながら指示速度Ｖｆで定常走行しているときは、ステップ７からステップ３に飛ぶルートを通り、ステップ１，２，５，６，７，３，４，１４が繰り返し実行されている。
この状態から芝草等が密集しているような場所に芝刈機１が至って作業負荷が増大し、実機関回転数Ｎｒが指示機関回転数Ｎｆ未満に低下すると、ステップ７からステップ８に進み、ステップ１，２，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１４が繰り返し実行されることになる。
すなわち、ステップ８，９で図１１に示す作業出力特性および無負荷出力特性に基づいて演算した最大作業出力Ｑｆと実作業負荷Ｑｒとから負荷割合Ｑｆ／Ｑｒを求め、実速度Ｖｒの負荷割合Ｑｆ／Ｑｒに相当する分Ｖｒ×（Ｑｆ／Ｑｒ）を制限速度Ｖｃ（＜Ｖｒ）とし、走行速度を現在の実速度Ｖｒから制限速度Ｖｃに下げるように走行制御する。
このように走行速度を下げることで、作業負荷を軽減し適正な負荷量となるようにし、芝刈り作業を円滑に行って作業の仕上がりを良好に保つことができる。
適正な負荷量となるように走行速度を自動制御する簡素な構造でかつ簡単な制御で作業者の作業負担を軽減することができる。
ここで、ステップ４およびステップ１２の急激な速度変化を緩和する加減速制限処理について説明する。
ステップ３，１１，１３で走行速度Ｖが指定されるが、この指定速度Ｖは演算周期ごとに指定され、指定速度Ｖが加減速制限処理されて、処理後の指定速度Ｖ´で走行制御される。
走行速度Ｖが指定される１演算周期前の前回実速度Ｖｒとすると、今回指定速度Ｖと前回実速度Ｖｒとの速度差ΔＶ（＝｜Ｖ−Ｖｒ｜）が大きい程速度が急激に変化するので、この速度差ΔＶに制限を加えたものである。
増速のときの速度差ΔＶを加算制限値dVａにより制限する。
すなわち、速度差ΔＶが加算制限値dVａを越えるときは、前回実速度Ｖｒに加算制限値dVａを加算した速度を処理後の指定速度Ｖ´（＝Ｖｒ＋dVａ）とする。
また、減速のときの速度差ΔＶを減算制限値dVｓにより制限する。
すなわち、速度差ΔＶが減算制限値dVｓを越えるときは、前回実速度Ｖｒに減算制限値dVｓを減算した速度を処理後の指定速度Ｖ´（＝Ｖｒ−dVｓ）とする。
ここに、加算制限値dVａより減算制限値dVｓの方が大きく、減速するときは、制限を緩めて大きく減速するようにして、減速が小さくて十分な減速が遅れたためにエンジンストールを生じてしまうようなことを防止している。
図１２は、加減速制限処理の例を示したもので、演算周期ごとの今回指定速度Ｖの変化と処理後の指定速度Ｖ´（前回実速度Ｖｒとなる）の変化を示している。
破線の折れ線が今回指定速度Ｖであり、実線の折れ線が処理後の指定速度Ｖ´である。
横軸の時間の１目盛が演算周期であり、縦軸の速度の１目盛を速度１とすると、加算制限値dVａは２であり、減算制限値dVｓは３としている。
したがって、今回指定速度Ｖが前回実速度Ｖｒより２を超える増速の指定があると、処理後の指定速度Ｖ´は増速２に抑えられ、今回指定速度Ｖが前回実速度Ｖｒより３を超える減速の指定があると、処理後の指定速度Ｖ´は減速３に抑えられており、急激な速度変化が緩和されている。
なお、芝刈り作業に入っているときのステップ１２の加減速制限処理と芝刈り作業に入っていないときのステップ４の加減速制限処理とは、負荷制御時と負荷制御不実施時ということで、制限処理の程度すなわち制限値を異なるものとしている。
次に、別の実施の形態について図１３および図１４に基づいて説明する。
本実施の形態に係る内燃機関は、前記機械式ガバナの代わりに電子ガバナ機構を備えており、機関回転数を所定回転数に一定に維持すべくモータ駆動によりスロットルバルブの開度を制御する。
電子ガバナ機構によれば、作業負荷の変化があっても機関回転数は一定に維持されるようにＥＣＵによりスロットルバルブの開度が制御される。
本実施の形態の走行速度制御の制御手順を図１３に示し説明する。
ステップ２１では、指示速度Ｖｆ、実速度Ｖｒ、支持機関回転数Ｎｆ、実機関回転数Ｎｒとともに、設定された上限スロットル開度θｕ（例えば８０％開度）とスロットル開度センサ78により検出された実スロットル開度θｒを読込む。
次のステップ２２からステップ２３，２４またはステップ２５，２６は、前記ステップ２からステップ３，４またはステップ５，６と同じである。
ステップ２２で、押しボタンスイッチ84ｓに続いてブレードレバースイッチ85ｓがオンし芝刈り作業に入っているとき、ステップ２５に進み、実機関回転数Ｎｒが、芝刈り作業をするのに最低要求される下限機関回転数ＮＬを超えて、ステップ２６に進み、指示機関回転数Ｎｆの変化がなく、ステップ２７に進んだときに、実スロットル開度θｒが上限スロットル開度θｕ以上か否かが判別される。
実スロットル開度θｒが上限スロットル開度θｕ以上ならばステップ２８に進み、実スロットル開度θｒが上限スロットル開度θｕ未満ならばステップ２３に飛ぶ。
このとき、上限スロットル開度θｕを境に実スロットル開度θｒが上下すると、頻繁に進行するルートが切り替わり走行制御も変化するので、これを防止するために、上限スロットル開度θｕに幅を持たせ、実スロットル開度θｒが大きくなるときと小さくなるときとで上限スロットル開度θｕを異ならせるようにしてもよい。
実スロットル開度θｒが上限スロットル開度θｕ未満であれば、芝刈り作業の作業負荷は大き過ぎることはなく、ステップ２３に飛んで走行速度Ｖを指示速度Ｖｆに指定し、加減速制限処理して（ステップ２４）、処理後の指示速度Ｖｆ´で走行するように制御される（ステップ３４）。
実スロットル開度θｒが上限スロットル開度θｕ以上であれば、作業負荷が大き過ぎるためにスロットル開度θが大きくなりスロットル開度が全開までの余裕が無くなってエンジンストールのおそれがあるので、このときはステップ２７からステップ２８に進み、まず最大作業出力Ｑｆを演算し、ステップ２９で実作業負荷Ｑｒを演算する。
最大作業出力Ｑｆと実作業負荷Ｑｒを演算するＥＣＵは、無負荷（空転）駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、作業時における指示機関回転数Ｎｆごとのスロットル開度θに対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶する記憶手段を備えており、この無負荷出力特性と作業出力特性に基づいて最大作業出力Ｑｕと実作業負荷Ｑｒが演算される。
無負荷出力特性は、前記実施の形態における無負荷出力特性（図１１参照）と同じであり、図１４（１）の横軸を機関回転数Ｎ、縦軸を出力Ｐとした直角座標に示す。
作業出力特性は、設定された指示機関回転数Ｎｆにおけるスロットル開度θに対する作業出力Ｐの関係で、図１４（２）の直角座標に示す。
ステップ２８における最大作業出力Ｑｆの演算では、まず図１４（２）に示す作業出力特性に基づいて上限スロットル開度θｕより作業出力Ｐｕを求め、次いで図１４（１）に示す無負荷出力特性に基づいて指示機関回転数Ｎｆより無負荷出力Ｐfoを求め、作業出力Ｐｕから無負荷出力Ｐfoを減算することで、芝刈り作業にのみ出力される最大作業出力Ｑｕ（＝Ｐｕ−Ｐfo）を算出する。
次のステップ２９における実作業負荷Ｑｒの演算では、作業出力特性（図１４（２））に基づいて実スロットル開度θｒより作業出力Ｐｒを求め、次いで無負荷出力特性（図１４（１））に基づいて実機関回転数Ｎｒ（指示機関回転数Ｎｆと同じ）より無負荷出力Ｐro（＝Ｐfo）を求め、作業出力Ｐｒから無負荷出力Ｐroを減算することで、芝刈り作業にのみかかる実作業負荷Ｑｒ（＝Ｐｒ−Ｐro）を算出する。
そして、次のステップ３０では、ステップ２８，２９で求めた最大作業出力Ｑｕと実作業負荷Ｑｒとから制限速度Ｖｃを演算する。
演算の仕方は前記ステップ１０と同じであり、実速度Ｖｒに、実作業負荷Ｑｒに対する最大作業出力Ｑｕの割合（負荷割合Ｑｕ／Ｑｒ）を乗算して制限速度Ｖｃ（＝Ｖｒ×（Ｑｕ／Ｑｒ））を求める。
次のステップ３１で、走行速度Ｖを制限速度Ｖｃに指定し、加減速制限処理して（ステップ３２）、処理後の制限速度Ｖｃ´で走行するように制御される（ステップ３４）。
芝刈機１が指示機関回転数Ｎｆで内燃機関を運転して芝刈り作業を行いながら指示速度Ｖｆで定常走行しているときは、ステップ２７からステップ２３に飛ぶルートを通り、ステップ２１，２２，２５，２６，２７，２３，２４，３４が繰り返し実行されている。
すなわち、ステップ２８，２９で図１４（１），図１４（２）に示す無負荷出力特性および作業出力特性に基づいて演算した最大作業出力Ｑｕと実作業負荷Ｑｒとから負荷割合Ｑｕ／Ｑｒを求め、実速度Ｖｒの負荷割合Ｑｕ／Ｑｒに相当する分Ｖｒ×（Ｑｕ／Ｑｒ）を制限速度Ｖｃ（＜Ｖｒ）とし、走行速度を現在の実速度Ｖｒから制限速度Ｖｃに下げるように走行制御する。
このように走行速度を下げることで、作業負荷を軽減し適正な負荷量となるようにし、芝刈り作業を円滑に行って作業の仕上がりを良好に保つことができる。
適正な負荷量となるように走行速度を自動制御する簡素な構造でかつ簡単な制御で作業者の作業負担を軽減することができる。
以上の実施の形態では、自走式の芝刈機に適用したものであるが、本発明は、芝刈機に限らず種々の自走式作業機に適用可能である。
本発明の一実施の形態に係る芝刈機の全体斜視図である。 同芝刈機本体の側面図である。 同平面図である。 同後面図である。 芝刈機の一部省略し一部断面とした部分側面図である。 芝刈機の一部省略し一部断面とした後面図である。 走行用ＤＣモータおよび減速機構の断面図（図５のVII−VII線断面図）である。 操作ハンドルの握り部周辺の構成を示す斜視図である。 本芝刈機の制御系の概略ブロック図である。 走行速度制御の制御手順を示すフローチャートである。 無負荷出力特性と作業出力特性を示す直角座標である。 加減速制限処理による速度変化の一例を示す図である。 別の実施の形態に係る負荷制御機構における走行速度制御の制御手順を示すフローチャートである。 無負荷出力特性を示す直角座標と作業出力特性を示す直角座標である。
符号の説明
１…芝刈機、２…ブレードハウジング、２ｅ…膨出部、３…鉛直仕切板、４…刈芝搬送通路、５…刈芝収集袋、６…前輪、７…後輪、
10…内燃機関、11…クランク軸、12…ブレード、20…電磁クラッチ、21…回転ディスク、22…カラー、23…フランジ付ボルト、24…電磁コイル、25…ベアリング、26…ブレード支持部材、26ｐ…ピン、27…クラッチディスク、28…環状係止板、29…ボルト、
30…走行用ＤＣモータ、31…モータ駆動軸、32…モータ駆動ギヤ、40…減速機構、41…減速機ケース、42，43…ギヤ軸、50…駆動軸、51…スリーブハウジング、52…ベアリング、61…駆動ギヤ、62…被動ギヤ、
70…ＥＣＵ、71…冷却フィン、75…機械式ガバナ、76…ＡＣ発電機、77…機関回転数センサ、78…スロットル開度センサ、
80…操作ハンドル、81Ｌ…長柄部、82…握り部、83…第１操作スイッチケース、84…押しボタン、84ｓ…押しボタンスイッチ、85…ブレードレバー、85ｓ…ブレードレバースイッチ、86…走行レバー、86ｓ…走行レバースイッチ、87…第２操作スイッチケース、88…速度調整レバー、88ｓ…速度操作ボリューム、89…イグニッションつまみ、89ｓ…イグニッションスイッチ、95…グリップ受け、96…スタートグリップ、97…スタート用ロープ。

Claims (4)

  1. 内燃機関の動力により作業を行い電動モータの動力により走行し内燃機関を指示機関回転数に保つべく調整するガバナを備えた自走式作業機において、
    前記ガバナは機械的にスロットル開度を調整する機械式ガバナであり、
    設定された指示機関回転数から最大作業出力を演算する最大作業出力演算手段と、
    設定された指示機関回転数と検出された実機関回転数から実作業負荷を演算する実作業負荷演算手段と、
    前記最大作業出力と前記実作業負荷から制限速度を演算する制限速度演算手段と、
    前記実機関回転数が指示機関回転数未満に低下したときに前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御する走行制御手段とを備えたことを特徴とする自走式作業機の負荷制御機構。
  2. 前記最大作業出力演算手段および前記実作業負荷演算手段は、
    無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、
    作業時における指示機関回転数ごとの機関回転数に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しており、
    前記無負荷出力特性と前記作業出力特性とに基づいて最大作業出力と実作業負荷が演算されることを特徴とする請求項１記載の自走式作業機の負荷制御機構。
  3. 内燃機関の動力により作業を行い電動モータの動力により走行し内燃機関を指示機関回転数に保つべく調整するガバナを備えた自走式作業機において、
    前記ガバナは電子的にスロットル開度を調整する電子ガバナであり、
    設定された指示機関回転数と上限スロットル開度から最大作業出力を演算する最大作業出力演算手段と、
    設定された指示機関回転数と検出された実スロットル開度から実作業負荷を演算する実作業負荷演算手段と、
    前記最大作業出力と前記実作業負荷から制限速度を演算する制限速度演算手段と、
    前記実スロットル開度が上限スロットル開度以上に上昇したときに前記制限速度を走行速度に設定して電動モータを駆動制御する走行制御手段とを備えたことを特徴とする自走式作業機の負荷制御機構。
  4. 前記最大作業出力演算手段および前記実作業負荷演算手段は、
    無負荷駆動時における機関回転数に対する無負荷出力の関係である無負荷出力特性と、
    作業時における指示機関回転数ごとのスロットル開度に対する作業出力の関係である作業出力特性とを予め記憶しており、
    前記無負荷出力特性と前記作業出力特性とに基づいて最大作業出力と実作業負荷が演算されることを特徴とする請求項３記載の自走式作業機の負荷制御機構。



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