JP4644056B2 - 三輪管理機 - Google Patents

Description

本発明は、車輪が独立して駆動可能であり、これらの車輪の各々に駆動手段を備えることで全輪を独立して駆動可能にした三輪管理機に関する。

農作物を管理する管理機は、四輪型管理機が主流である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１００２４公報（図２）

特許文献１の図２には、四輪操舵型管理機が示されている。農業機械は、畑の中で前進、後進、左右微旋回、左右急旋回などの操作を頻繁に行う。このため、四輪操舵型管理機が必要となる。しかし、特許文献１の管理機は、四輪駆動車であるため、駆動系が複雑となり、管理機は大型で且つ高価なものとなる。
そこで、この四輪操舵型管理機よりはるかに小型で且つ安価な三輪管理機を説明する。

特開２００１−２９９０１１公報（図１）

特許文献２を次図に基づいて説明する。
図８は従来の技術の基本構成を説明する図であり、三輪管理機１００は、機体１０１と、この機体１０１の前部に１個の前輪１０２を備え、この前輪１０２をフロントフォーク１０３に取付け、このフロントフォーク１０３を機体１０１のヘッドパイプ１０４に回転可能に取付け、前輪１０２を転舵可能にすると共に、フロントフォーク１０３を斜め前に立ち下げることで、前輪１０２にキャスタ角δをもたせ、直進安定性を高めつつ、走行安定性を高めるというものである。

しかし、この三輪管理機１００の前輪１０２は自由輪であり、駆動力がかからないため、前輪１０２を転舵させたり、あるいは、畝を斜めに乗り越える場合などにおいて、前輪１０２がスリップし易い。そのため、三輪管理機は、転舵前に十分に減速する必要があり、運転操作が煩雑であり、運転者の負担が大きかった。

本発明は、転舵時における運転者の負担が小さく、且つコストが嵩まない三輪管理機を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、３つの車輪が独立して駆動可能であり、これらの車輪の各々に駆動手段を備えることで全輪が独立して駆動可能である三輪管理機において、この三輪管理機は、前輪の転舵角をθ、前輪と後輪の間のホイールベースをＢ、左右の後輪の間のトレッドをＷとするとき、前輪の転舵角θが大きくなるほど、外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対して内側後輪の回転速度Ｖｒｉを減少させるごとくに、前輪の転舵角θが０から９０°まで変化するとき、前輪の転舵角θに基づいて外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対する内側後輪の回転速度Ｖｒｉの比Ｇｒｉが、略１から略−１まで滑らかに変化して、Ｇｒｉ＝［（Ｂ／ｔａｎθ）−（Ｗ／２）］／［（Ｂ／ｔａｎθ）＋（Ｗ／２）］となるように制御し、前輪の転舵角θが大きくなるほど、外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対する前輪の回転速度Ｖｆの比Ｇｆが、下に凸の弓状の特性をもって滑らかに上昇して、Ｇｆ＝（Ｂ／ｓｉｎθ）／［（Ｂ／ｔａｎθ）＋（Ｗ／２）］となるように制御する制御部を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、三輪管理機は、エンジンで左右に備える２個の後輪を流体変速機を用いて駆動すると共に発電機を回し、この発電機で発電した電気を電動モータに供給し、この電動モータを用いて操舵輪である１個の前輪を駆動することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、三輪管理機は、前輪の転舵角が大きくなるほど、外側後輪の回転速度に対して内側後輪の回転速度及び前輪の回転速度を制御する制御部を備えるので、前輪の転舵角が大きくなるほど、内側後輪の回転速度を減少させるごとくに、前輪の転舵角に基づいて前輪及び内側後輪の回転速度を制御することができる。各車輪を前輪の転舵角に応じた最適な回転速度で回転させるため、転舵前に十分に減速するなどの必要がなくなり、運転操作が煩雑とはならない。
従って、運転操作を煩雑にすることなく運転者の負担を軽減することができると共に安定した走行が可能となる。

請求項２に係る発明では、三輪管理機は、左右に備える２個の後輪を流体変速機を介するものの直接的にエンジンで駆動する。これに対して、１個の前輪は電動モータで駆動する。

いわゆる全輪駆動車両では、伝動軸を介してエンジンの動力を全輪に伝達する。そのために、伝動軸は車輪の数だけ必要となり、駆動系統が複雑となる。
この点、本発明では１個の前輪は電動モータで駆動するため、伝動軸は不要となり、駆動系統を単純化できる。従って、コストが嵩むことは無い。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。以下の説明において、前後左右上下は、乗員シートに座った乗員を基準に決める。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る三輪管理機の側面図であり、三輪管理機１０は、鋼製フレーム及び鋼板により構成した機体１１の前部に、左右操舵可能に前輪フレーム１２を備え、この前輪フレーム１２の下方に前輪１３を備え、前輪フレーム１２の略中心に前輪１３を駆動する電動モータ１４を備え、前輪フレーム１２の後方に種蒔き、中耕、除草など各種の作業を行う作業機１５を昇降機構１６を介して昇降可能に備え、この作業機１５の後方に乗員が座る運転席１７を備え、この運転席１７の左右下方に駆動輪となる後輪１８Ｌ、１８Ｒ（左側の後輪１８Ｌのみ示す。）を備え、後輪１８Ｌ、１８Ｒ（左側の後輪１８Ｌのみ示す。）の上部左右にエンジン２１の回転数を変速する流体変速機２２Ｌ、２２Ｒ（左側の流体変速機２２Ｌのみ示す。）を備え、機体１１の後部にエンジン２１を備える前１輪後２輪の農業機械である。

２３は前輪１３の操舵用ハンドル、２４、２４はハンドル２３と前輪フレーム１２の間に介在させる操舵ロッド、２５は前輪１３の操舵軸、２６は消音器、２７は昇降用シリンダである。

機体１１の下部に作業機軸３１を前後に配置し、この作業機軸３１の前部に中継軸３２を連結し、この中継軸３２に作業機１５の入力軸３３を取付ける。エンジン２１の後部出力軸３４と作業機軸３１の間の動力伝達は、各軸３４、３１に取付けた一対のプーリ３５、３６と、これらのプーリ３５、３６に巻き掛けたベルト３７とにより行うものである。 中継軸３２の前後には自在継手３８、３９を備える。
後輪１８Ｌ、１８Ｒ（左側の後輪１８Ｌのみ示す。）の駆動系については次図で説明する。

図２は発明に係る三輪管理機の平面図であり、機体１１から左右に腕部材４１Ｌ、４１Ｌ、４１Ｒ、４１Ｒを延ばし、これらの腕部材４１Ｌ、４１Ｌ、４１Ｒ、４１Ｒに流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを取付け、この流体変速機２２Ｌ、２２Ｒに後輪フレーム４２Ｌ、４２Ｒを取付け、これらの後輪フレーム４２Ｌ、４２Ｒに後輪１８Ｌ、１８Ｒを回動自在に取付ける。

後輪１８Ｌ、１８Ｒの駆動系は、エンジン２１の前部出力軸４３に取付ける出力プーリ４４、４４と、流体変速機２２Ｌ、２２Ｒの入力軸４５Ｌ、４５Ｒに取付ける入力プーリ４６Ｌ、４６Ｒと、出力プーリ４４、４４と入力プーリ４６Ｌ、４６Ｒの間に掛け回す歯付きタイプのベルトであるコグベルト４７Ｌ、４７Ｒとを備える。そして、エンジン２１の駆動力を流体変速機２２Ｌ、２２Ｒに伝達する。

さらに、流体変速機２２Ｌ、２２Ｒと後輪１８Ｌ、１８Ｒに図示せぬスプロケット及びこれらのスプロケットに巻き掛けるチェーンを設け、流体変速機２２Ｌ、２２Ｒの駆動力を後輪１８Ｌ、１８Ｒに伝達する。

すなわち、三輪管理機１０は、３つの車輪１３、１８Ｌ、１８Ｒが独立して駆動可能であり、これらの車輪１３、１８Ｌ、１８Ｒの各々に駆動手段を備えることで全輪が独立して駆動可能であり、腕部材４１Ｌ、４１Ｒの前端に流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを配置し、この流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを介して機体１１に搭載するエンジン２１の出力の一部を後輪１８Ｌ、１８Ｒに供給するものである。

三輪管理機１０は、エンジン２１で左右に備える２個の後輪１８Ｌ、１８Ｒを流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを介するものの直接的にエンジン２１で駆動する。これに対して、１個の前輪１３は電動モータ１４で駆動する。

いわゆる全輪駆動車両では、伝動軸を介してエンジンの動力を全輪に伝達する。そのために、伝動軸は車輪の数だけ必要となり、駆動系統が複雑となる。
この点、本発明では１個の前輪１３は電動モータ１４で駆動するため、伝動軸は不要となり、駆動系統を単純化できる。
従って、コストが嵩むことのない三輪管理機１０とすることができる。

図３は本発明に係る三輪管理機の駆動系統の原理図であり、三輪管理機１０は、エンジン２１で左右に備える２個の後輪１８Ｌ、１８Ｒを流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを用いて駆動すると共に発電機５２を回し、この発電機５２で発電した電気を電動モータ１４に供給し、電動モータ１４を用いて操舵輪である１個の前輪１３を駆動するように構成する。

加えて、この三輪管理機１０に、前輪１３の転舵角が大きくなるほど、外側後輪の回転速度に対して内側後輪の回転速度を減少させるごとくに、前輪１３の転舵角に基づいて内側後輪及び前輪１３の回転を制御する制御部５１を備える。この制御部５１については、後で詳しく説明する。

エンジン２１の出力は、後輪１８Ｌ、１８Ｒの駆動力と、前輪駆動に係る電動モータ１４への入力と、作業機１５を駆動する駆動力と、発電機５２への入力の総和となる。但し、電磁クラッチ５３、５４を断状態にすれば、エンジン２１の力は、全てが発電機５２の駆動に回すことができる。発電機５２の発電は、全てバッテリ５５に蓄える。

流体変速機２２Ｌ、２２Ｒは、ＨＳＴ（ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）と通常呼ばれ、可変容量形の斜板式油圧ポンプと油圧モータとを内蔵し、入力軸４５Ｌ、４５Ｒで油圧ポンプを駆動して油圧を発生させ、この油圧をもつオイルを油圧モータに供給して油圧モータを回転させ、図示せぬ流体変速機２２Ｌ、２２Ｒの出力軸に出力するものであり、外部から斜板の傾斜角を変更することで、入力軸４５Ｌ、４５Ｒを一定回転数で回転させつつ、出力軸を増速、減速、正転、停止、及び逆転することができる。
本実施例において、制御用電動モータ４８Ｌ、４８Ｒで斜板の傾斜角の制御を間接的に行うようにした。

左右の流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを前輪１３の転舵角度により制御することで、ブレーキを使うことなく旋回半径を小さくすることができる。
加えて、エンジン２１の回転数の変化を読み取り、流体変速機２２Ｌ、２２Ｒを制御しエンジン２１のエンストを抑制することができる。
さらに、管理機１０の幅方向に傾斜をもつ傾斜地の直進走行において、傾斜角度に応じて左右の後輪１８Ｌ、１８Ｒの回転速度を調整することで、直進性を高めることができる。

図４は前輪の転舵角を説明する図であり、ハンドル２３（図２参照）を左にきり、前輪１３を反時計回りに転舵角θ１だけ操舵することを示す。
前輪１３を三輪管理機１０（図２参照）の長手方向中心線６１から反時計回りに転舵角θ１で操舵すると、前輪１３の軸方向中心線６２は角度θ２だけ向きを変える。三輪管理機１０の長手方向中心線６１と前輪１３の軸方向中心線６２のなす角は９０°であり、転舵角θ１がゼロのとき、角度θ２はゼロである。
従って、転舵角θ１と角度θ２とは等しい値であり、以下、θ２についても転舵角と云うこととする。

図５は三輪管理機の各車輪の回転半径を説明する図である。
（ａ）において、機体長手方向における前輪１３と後輪１８Ｌ、１８Ｒとの間の距離（以下、ホイールベースと云う。）をＢ、左右の後輪１８Ｌ、１８Ｒの間の距離（以下、トレッドと云う。）をＷとし、前輪１３の転舵角をθとするときの前輪１３の回転半径をＲｆとし、内側後輪１８Ｌの回転半径をＲｒｉとするとき、外側後輪１８Ｒの回転半径は（Ｒｒｉ＋Ｗ）である。

（ｂ）において、前輪１３の転舵角がθｂ（θ＜θｂ）であるときの前輪１３の回転半径をＲｆｂとし、内側後輪１８Ｌの回転半径をＲｒｉｂとするとき、外側後輪１８Ｒの回転半径は（Ｒｒｉｂ＋Ｗ）である。

転舵角がθ→θｂのごとく大きくなると、前輪１３の回転半径はＲｆ→Ｒｆｂと小さくなり、内側後輪１８Ｌの回転半径はＲｒｉ→Ｒｒｉｂと小さくなり、外側後輪１８Ｒの回転半径はＲｒｏ→Ｒｒｏｂと小さくなる。

以上の傾向から、転舵角θに応じた前輪１３の回転半径Ｒｆ、内側後輪１８Ｌの回転半径Ｒｒｉ、及び外側後輪１８Ｒの回転半径Ｒｒｏを、ホイールベースＢとトレッドＷを用いて幾何学的に求めることができる。

ここで、半径Ｒｆの円を前輪１３がＴ秒で１周し、半径Ｒｒｉの円を内側後輪１８ＬがＴ秒で１周し、半径Ｒｒｏの円を外側後輪１８ＲがＴ秒で１周すると仮定する。このときの前輪１３の回転速度（周速度）をＶｆ、内側後輪１８Ｌの回転速度（周速度）をＶｒｉ、外側後輪の回転速度（周速度）をＶｒｏは次の式で表すことができる。

転舵角θに応じた各車輪の回転速度制御をする手段として、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏを基準として、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する前輪１３の回転速度Ｖｆの割合、及び外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する内側後輪１８Ｌの回転速度Ｖｒｉの割合を求める。
外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する前輪１３の回転速度Ｖｆの割合をＧｆ、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する内側後輪１８Ｌの回転速度Ｖｒｉの割合をＧｒｉとすると、ＧｆとＧｒｉは次の式で表すことができる。

以上の知見を基に導き出した走行回転速度制御は次の通りである。

図６は本発明で採用した外側後輪の回転速度を基準にした前輪及び内側後輪の回転速度管理グラフであり、横軸は前輪１３の転舵角θ、縦軸は外側後輪１８Ｒ（又は１８Ｌ）の回転速度Ｖｒｏに対する前輪１３の回転速度の割合Ｇｆ、及び外側後輪１８Ｒ（又は１８Ｌ）の回転速度Ｖｒｏに対する内側後輪１８Ｌ（又は１８Ｒ）の回転速度の割合Ｇｒｉを示す。
本実施例において、Ｂは２０００ｍｍ、Ｗは１５００ｍｍである。
前輪１３を左転舵するとき、内側後輪は１８Ｌ、外側後輪は１８Ｒとなるが、前輪１３を右転舵するとき、内側後輪は１８Ｒ、外側後輪は１８Ｌとなることは云うまでもない。

図６のグラフ相当のロジックを、図３の制御部５１に記憶させる。転舵角センサ６４（図３参照）で検出した転舵角θに応じて、制御部５１は、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する前輪１３の回転速度Ｖｆの割合Ｇｆで前輪１３を回転させると共に、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対する内側後輪１８Ｌの回転速度Ｖｒｉの割合Ｇｒｉで内側後輪１８Ｌを回転させる。
この結果、乗員が例えば高速直進中に、操舵用ハンドル２３を急に操作しても、転舵角θに応じて外側後輪１８Ｒを基準に、前輪１３及び内側後輪１８Ｌは所定の回転速度の割合をもちながら回転するため、運転操作を煩雑にすることなく、安定した走行が可能となる。

なお、本実施例において、ホイールベースＢは２０００ｍｍ、トレッドＷは１５００ｍｍとしたが、例えば、トレッドＷの値を１２００ｍｍに変更した場合の回転速度管理グラフを制御部５１に記憶させ、この回転速度管理グラフを利用することで、トレッド調整可能な三輪管理機においても各車輪の最適な回転速度制御が可能となる。

さらに、変更可能なトレッドＷの数だけ、制御部５１に回転速度管理グラフを準備し、トレッドＷに合った回転速度管理グラフを選択することで、トレッドＷに応じて各車輪の最適な回転速度制御を行うことができる。

以上の構成からなる三輪管理機の作用を以下に説明する。
図７は本発明に係る三輪管理機の作用図である。
（ａ）は、三輪管理機１０を反時計回りに転舵角θａだけ操舵させたことを示す。θａが３０°のとき、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対するその他の車輪の回転速度の割合は、前輪１３が０．９４９、内側後輪１８Ｌが０．６４４となる。

（ｂ）は、三輪管理機１０を反時計回りに転舵角θｂだけ操舵させたことを示す。θｂが４５°のとき、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対するその他の車輪の回転速度の割合は、前輪１３が１．０２８、内側後輪１８Ｌが０．４５５となる。

（ｃ）は、三輪管理機１０を反時計回りに転舵角θｃだけ操舵させたことを示す。θｃが９０°のとき、外側後輪１８Ｒの回転速度Ｖｒｏに対するその他の車輪の回転速度の割合は、前輪１３が２．６６７、内側後輪１８Ｌが−１となる。

三輪管理機１０は、前輪１３の転舵角θが大きくなるほど、外側後輪１８Ｒ（又は１８Ｌ）の回転速度Ｖｒｏに対して内側後輪１８Ｌ（又は１８Ｒ）の回転速度Ｖｒｉ及び外側後輪１８Ｒ（又は１８Ｌ）の回転速度Ｖｒｏに対して前輪１３の回転速度Ｖｆを制御する制御部５１（図３参照）を備えるので、前輪１３の転舵角θが大きくなるほど、内側後輪１８Ｌ（又は１８Ｒ）の回転速度Ｖｒｉを減少させるごとくに、前輪１３の転舵角θに基づいて前輪１３及び内側後輪１８Ｌ（又は１８Ｒ）の回転速度Ｖｆ、Ｖｒｉを制御する。各車輪を前輪１３の転舵角θに応じた最適な回転速度で回転させるため、転舵前に十分に減速するなどの必要がなくなり、運転操作が煩雑とはならない。
従って、運転操作を煩雑にすることなく運転者の負担を軽減することができると共に安定した走行が可能となる。

尚、本発明に係る三輪管理機は、実施の形態では三輪車に適用したが、四輪車にも適用可能であり、一般の車両に適用することは差し支えない。

本発明は、三輪管理機に好適である。

本発明に係る三輪管理機の側面図である。 本発明に係る三輪管理機の平面図である。 本発明に係る三輪管理機の駆動系統の原理図である。 前輪の転舵角を説明する図である。 三輪管理機の各車輪の回転半径を説明する図である。 本発明で採用した外側後輪の回転速度を基準にした前輪及び内側後輪の回転速度管理グラフである。 本発明に係る三輪管理機の作用図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１０…三輪管理機、１３…前輪、θ…前輪の転舵角、１４…電動モータ、１８Ｌ、１８Ｒ…後輪、２１…エンジン、２２Ｌ、２２Ｒ…流体変速機、前輪の回転速度…Ｖｆ、内側後輪の回転速度…Ｖｒｉ、外側後輪の回転速度…Ｖｒｏ、制御部…５１。

Claims (2)

1. ３つの車輪（１３、１８Ｌ、１８Ｒ）が独立して駆動可能であり、これらの車輪（１３、１８Ｌ、１８Ｒ）の各々に駆動手段（１４、２２Ｌ、２２Ｒ）を備えることで全輪が独立して駆動可能である三輪管理機（１０）において、
   この三輪管理機（１０）は、前輪（１３）の転舵角をθ、前輪（１３）と後輪（１８Ｌ、１８Ｒ）の間のホイールベースをＢ、左右の後輪（１８Ｌ、１８Ｒ）の間のトレッドをＷとするとき、前輪（１３）の転舵角θが大きくなるほど、外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対して内側後輪の回転速度Ｖｒｉを減少させるごとくに、前記前輪（１３）の転舵角θが０から９０°まで変化するとき、前記前輪（１３）の転舵角θに基づいて前記外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対する前記内側後輪の回転速度Ｖｒｉの比Ｇｒｉが、略１から略−１まで滑らかに変化して、
   Ｇｒｉ＝［（Ｂ／ｔａｎθ）−（Ｗ／２）］／［（Ｂ／ｔａｎθ）＋（Ｗ／２）］
   となるように制御し、
   前記前輪（１３）の転舵角θが大きくなるほど、前記外側後輪の回転速度Ｖｒｏに対する前記前輪（１３）の回転速度Ｖｆの比Ｇｆが、下に凸の弓状の特性をもって滑らかに上昇して、
   Ｇｆ＝（Ｂ／ｓｉｎθ）／［（Ｂ／ｔａｎθ）＋（Ｗ／２）］
   となるように制御する制御部（５１）を備えることを特徴とする三輪管理機。
2. 前記三輪管理機（１０）は、エンジン（２１）で左右に備える２個の後輪（１８Ｌ、１８Ｒ）を流体変速機（２２Ｌ、２２Ｒ）を用いて駆動すると共に発電機（５２）を回し、この発電機（５２）で発電した電気を電動モータ（１４）に供給し、この電動モータ（１４）を用いて操舵輪である１個の前輪（１３）を駆動することを特徴とする請求項１記載の三輪管理機。

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