JP5217314B2 - 水陸両用車 - Google Patents

Description

本発明は、水陸両用車に関する。

水陸両用車には種々のものが開発されているが、例えば下記特許文献１には、簡単な構成で軽量・小型の水陸両用車のパワートレイン構造を提供することを目的とし、水陸両用車両の前部にエンジンを横置きに配置し、エンジンの動力を前輪駆動軸またはこれに直交するスクリュー駆動軸に選択的あるいは同時に伝達するための切替機構をトランスミッションに設けることにより上記目的を達成する発明が開示されている。
また、水陸両用車については、このような特許文献１に開示されたものの他に、下記特許文献２〜７に種々の目的に即したものが開示されている。
特開平０５−２０８６０５号公報 特開平０９−１３６５１９号公報 特開平０５−００８６２１号公報 特開平０５−０２４４２０号公報 特開２０００−０７１７０４号公報 特開２００４−３０６９５３号公報 特開２００２−２１１２２３号公報

しかしながら、上記従来の各種水陸両用車は、パワートレインの動力としての効率向上を目的（技術課題）とするものではなく、パワートレインの効率向上という技術課題について何らかの解決策を提供するものではない。
従来の水陸両用車は、レジャー用あるいは軍事用のものが多く、パワートレインの動力としての効率は、技術開発上、重要なテーマではなかった。しかしながら、例えば産業用途において、あるときには荷物の陸上運搬車両として使用し、また必要に応じて陸上運搬から切り替えて川や海等の水上運搬車両として水陸両用車を利用しようとした場合、パワートレインの効率は、極めて重要な開発テーマとなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、動力の効率を従来よりも向上させることが可能な水陸両用車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、エンジンと、前記エンジンから入力される回転動力を分割する動力分割機構と、動力分割機構から入力される回転動力により駆動される発電機と、前記発電機が発生した電力を充放電するバッテリと、前記発電機が発生する電力あるいは／及び前記バッテリから供給される電力を陸上走行用駆動電力に変換する陸上走行用駆動装置と、該陸上走行用駆動装置によって駆動される陸上走行用電動機と、前記動力分割機構によって分割されたエンジンの回転動力あるいは／及び陸上走行用電動機の回転動力によって回転駆動される車輪と、
前記発電機から供給される電力あるいは前記バッテリから供給される電力によって水上航行用電動機を駆動することにより推力を発生する推力発生器と、陸上走行時の走行方向を設定する陸上走行用操舵装置と、水上航行時の航行方向を設定する水上航行用操舵装置と、前記バッテリの端子電圧が所定のしきい値を上回る場合は前記エンジンを起動させる一方、前記端子電圧が所定のしきい値を下回る場合には前記エンジンを停止させる車両制御部と、を具備するという手段を採用する。
第２の解決手段として、上記第１の手段において、前記推力発生器はポッド（ＰＯＤ）推進器である、という手段を採用する。
第３の解決手段として、上記第２の手段において、ポッド推進器は二重反転方式のポッド推進器である、という手段を採用する。
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、水上航行用電動機を削除し、陸上走行用電動機によって車輪と推力発生器とを駆動する、という手段を採用する。
第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、共通の操作ハンドルによって陸上走行用操舵装置と水上航行用操舵装置とを択一的に操作する、という手段を採用する。

本発明によれば、エンジンの動力によって車輪を駆動すると共に発電機を駆動することによって発生する電力をバッテリが蓄え、バッテリの端子電圧が所定のしきい値を上回る場合はバッテリの電力によって水上航行用電動機を駆動し、一方、バッテリの端子電圧が所定のしきい値を下回る場合には、エンジンで発電機を駆動してバッテリに充電すると共に発電機の電力によって水上航行用電動機を駆動するので、エンジンの動力のみによって陸上走行及び水上航行する従来のパワートレイン構造よりも動力の効率を向上させることができる。
本発明によれば、バッテリの端子電圧が所定のしきい値を上回る場合はエンジンを停止してバッテリの電力によって発電機あるいは水上航行用電動機を駆動し、一方、バッテリの端子電圧が所定のしきい値を下回る場合には、エンジンを駆動してバッテリに充電すると共に発電機の電力によって車輪あるいは水上航行用電動機を駆動するので、エンジンの動力のみによって陸上走行及び水上航行する従来の水陸両用車のパワートレイン構造よりも動力の効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の各実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係る水陸両用車Ａの要部機能構成を示すブロック図である。

本水陸両用車Ａは、この図に示すように車両本体Ａ１、ポッド推進器Ａ２及び当該ポッド推進器Ａ２を車両本体Ａ１の底に旋回自在に固定する旋回機構Ａ３から構成されている。車両本体Ａ１は、動力発生機能と陸上走行機能とを主な機能とし、車体１、エンジン２、動力分割機構３、発電機４、整流器５、バッテリ６、本体用インバータ７、本体用モータ８、ディファレンシャルギヤ９、後輪１０、ハンドル１１、連結機構１２ａ，１２ｂ、前輪１３及び車両制御装置１４を備えている。一方、ポッド推進器Ａ２は、水上を航行するための機能部であり、ＰＯＤ筐体１５、ＰＯＤ用インバータ１６、ＰＯＤ用モータ１７及びプロペラ１８を備えている。

車体１は、本水陸両用車Ａの基本的な支持構造体であり、他の各機能構成要素、つまりエンジン２、動力分割機構３、発電機４、整流器５、バッテリ６、本体用インバータ７、本体用モータ８、ディファレンシャルギヤ９、後輪１０、ハンドル１１、連結機構１２ａ，１２ｂ及ぶ前輪１３及び車両制御装置１４を支持するためのものである。
エンジン２は、車両制御装置１４による制御の下で発電機４を駆動する動力源であると共に、後輪１０（ディファレンシャルギヤ９を介して）を回転させる動力を供給する、いわゆる「自動車」として道路上を走行する車両が備えている内燃機関（例えばガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン）である。

動力分割機構３は、上記エンジン２が発生する回転動力を発電機４を駆動させる動力と、後輪１０を回転駆動させる動力に分割する、例えば、複数の歯車を組み合わせて構成される遊星ギアである。
発電機４は、上記動力分割機構３から供給される回転動力により所定周波数の交流電力を発生させるものであり、当該交流電力を整流器５に出力する。
整流器５は、上記交流電力を整流して直流電力に変換してバッテリ６及び本体用インバータ７に出力する。

バッテリ６は、負荷として接続された本体用インバータ７及びＰＯＤ用インバータ１６の負荷状況に応じて上記直流電力を蓄電／放電するものであり、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池である。

本体用インバータ７は、車両制御装置１４による制御の下で上記整流器５から供給される直流電力あるいは／及びバッテリ６から供給される直流電力を交流の陸上走行用駆動電力に変換し、当該駆動電力によって本体用モータ８を駆動する駆動装置である。本体用モータ８は、本体用インバータ７から供給される陸上走行用駆動電力によって後輪１０（ディファレンシャルギヤ９を介して）を回転駆動する陸上走行用電動機であり、例えば三相ブラシレスＤＣモータである。

ディファレンシャルギヤ９は、複数の歯車を組み合わせて構成された動力伝達機構（差動歯車）であり、エンジン２の動力あるいは／及び本体用モータ８の動力を左右の後輪１０に個別に伝達する。
後輪１０は、左右一対からなる駆動輪であ、ディファレンシャルギヤ９を介してエンジン２あるいは／及び本体用モータ８から伝達される動力によって回転する。
ハンドル１１は、本水陸両用車Ａの陸上走行方向及び水上航行方向を設定するために運転者によって操作されるものであり、連結機構１２ａを介して前輪１３に接続されると共に、連結機構１２ｂを介して旋回機構Ａ３に接続される。

連結機構１２ａは、ハンドル１１と前輪１３との機械的な接続をＯＮ／ＯＦＦするものであり、車両制御装置１４によって制御される。すなわち、連結機構１２ａは、本水陸両用車Ａが陸上を走行する場合は、ＯＮ状態、つまりハンドル１１と前輪１３とを機械的に接続する状態に設定され、本水陸両用車Ａが水上を航行する場合には、ＯＦＦ状態、つまりハンドル１１と前輪１３との機械的な接続を乖離する状態に設定される。

連結機構１２ｂは、ハンドル１１と旋回機構Ａ３との機械的な接続をＯＮ／ＯＦＦするものであり、上記連結機構１２ａと同様に車両制御装置１４によって制御される。すなわち、連結機構１２ａは、上記連結機構１２ａとは逆に制御されるものであり、本水陸両用車Ａが陸上を走行する場合は、ＯＦＦ状態、つまりハンドル１１と旋回機構Ａ３との機械的な接続を乖離する状態に設定され、本水陸両用車Ａが水上を航行する場合には、ＯＮ状態、つまりハンドル１１と旋回機構Ａ３とを機械的に接続する状態に設定される。

前輪１３は、車体１に回転自在に取り付けられると共に、上記ハンドル１１の操作に応じて車体１に対する向きが変更される。
なお、本水陸両用車Ａは、フロントエンジン・リヤドライブ方式（ＦＲ方式）を採用しており、つまり重量物である上記エンジン２は車体１の前部に配置され、かつ後輪１０を駆動輪とするように構成されている。

続いて、ＰＯＤ筐体１５は、水上航行時において喫水線下に位置するポッド推進器Ａ２の推進抵抗を極力低減する形状、例えば円筒状かつ先端部及び後端部が緩やかに縮径する形状に形状設定されており、旋回機構Ａ３を介して車体１の底部に収納自在に取り付けられている。また、このようなＰＯＤ筐体１５の先端部には、図示するようにプロペラ１８が取り付けられている。

旋回機構Ａ３は、ハンドル１１の操作に基づいてポッド推進器Ａ２の車体１に対する向き、つまりプロペラ１８の回転面に直行する向きでＰＯＤ筐体１５の中心軸線方向（推進方向）を設定する。

ＰＯＤ用インバータ１６は、車両制御装置１４による制御の下で上記整流器５から供給される直流電力あるいはバッテリ６から供給される直流電力を交流の水上航行用駆動電力に変換し、当該水上航行用駆動電力によってＰＯＤ用モータ１７を駆動する駆動装置である。ＰＯＤ用モータ１７は、上記ＰＯＤ用インバータ１６から供給される水上航行用駆動電力によってプロペラ１８を回転駆動する水上航行用電動機であり、例えば三相ブラシレスＤＣモータである。プロペラ１８は、回転によって推力を発生させて水上において本水陸両用車Ａを推進させる。

車両制御装置１４は、本水陸両用車Ａの全体動作を制御するものである。本水陸両用車Ａは、例えばバッテリ６の端子電圧に基づくエンジン２の起動／停止制御、運転員の操作指示に基づく連結機構１２ａ，１２ｂの切替制御、運転員の操作指示に基づく本体用インバータ７及び本体用インバータ７及びＰＯＤ用インバータ１６の動作制御及び同じく運転員の操作指示に基づくポッド推進器Ａ２の車体１内への収納制御等を行う。

次に、このように構成された本水陸両用車Ａの動作について詳しく説明する。
本水陸両用車Ａが陸上走行する場合、上記車両制御装置１４は、ポッド推進器Ａ２を車体１内に収納させ、また連結機構１２ａをＯＮ状態かつ連結機構１２ｂをＯＦＦ状態に設定し、ＰＯＤ用インバータ１６を停止状態として本体用インバータ７のみを作動させる。この結果、本水陸両用車Ａは、ポッド推進器Ａ２が後輪１０及び前輪１３の地面に対する接地を阻害しない状態となり、運転者によるハンドル１１の操作によって走行方向が設定され、また後輪１０に動力が伝達される状態となる。

このような状態において、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を上回る場合（つまり、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されている場合）、車両制御装置１４は、エンジン２を停止させると共に、バッテリ６から本体用インバータ７に直流電力を供給させる。

本体用インバータ７は、このようにしてバッテリ６から供給される直流電力を交流の陸上走行用駆動電力に変換して本体用モータ８に供給することにより駆動して回転動力を発生させる。そして、この本体用モータ８の回転動力がディファレンシャルギヤ９を介して後輪１０に伝達されることにより当該後輪１０が回転し、この結果、本水陸両用車Ａは陸上を走行する。

一方、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を下回る場合（つまり、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されていない場合）、車両制御装置１４は、エンジン２を起動させ、エンジン２によって動力分割機構３を介して発電機４を駆動することによって整流器５からバッテリ６に直流電力を供給（充電）させる。また、この場合には、エンジン２の動力が動力分割機構３及びディファレンシャルギヤ９を介して後輪１０に伝達され、当該後輪１０が回転する。

すなわち、本水陸両用車Ａは、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されている場合は、バッテリ６から本体用インバータ７を介して本体用モータ８に供給される電力に基づいて陸上を走行し、一方、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されていない場合には、エンジン２の機械的動力に基づいて陸上を走行する。

また、車両制御装置１４は、本水陸両用車Ａが発進する場合や低速走行するときはエンジン２の効率が低いので、バッテリ６が十分に充電されている場合には、エンジン２の動力ではなく、発電機４の動力を極力用いて後輪１０を駆動する。例えば、高速走行時にはエンジン２の効率が高くなるので、エンジン２あるいは本体用モータ８の何れか一方あるいは両方を用いて後輪１０を駆動するようにしても良いが、この場合であっても、車両制御装置１４は、動力として効率が最も高くなるように、つまり燃費が最小となるように、エンジン２あるいは本体用モータ８を動力源として選択する。

ところで、本水陸両用車Ａが水上航行する場合、上記車両制御装置１４は、ポッド推進器Ａ２を車体１の底部から下方に突出させ、また連結機構１２ａをＯＦＦ状態かつ連結機構１２ｂをＯＮ状態に設定し、また本体用インバータ７を停止状態としてＰＯＤ用インバータ１６のみを作動させる。この結果、本水陸両用車Ａは、水上航行が可能な状態となり、運転者によるハンドル１１の操作によって航行方向が設定され、またプロペラ１８に動力が伝達される状態となる。

そして、車両制御装置１４は、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を上回る場合（つまり、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されている場合）、エンジン２を停止させると共に、バッテリ６からＰＯＤ用インバータ１６に直流電流を供給させる。ＰＯＤ用インバータ１６は、このようにしてバッテリ６から供給される直流電力を交流の陸上走行用駆動電力に変換してＰＯＤ用モータ１７に供給することにより、当該ＰＯＤ用モータ１７を駆動して回転動力を発生させる。そして、このＰＯＤ用モータ１７の回転動力によってプロペラ１８が回転することにより、本水陸両用車Ａは水上を航行する。

一方、車両制御装置１４は、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を下回る場合（つまり、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されていない場合）には、エンジン２を起動して動力分割機構３を介して発電機４を駆動することにより、整流器５を介してバッテリ６に直流電力を供給（充電）すると共にＰＯＤ用インバータ１６に直流電力を供給してＰＯＤ用モータ１７を駆動させる。この結果、プロペラ１８は、エンジン２によって駆動される発電機４の電力に基づいて回転する。

すなわち、本水陸両用車Ａは、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されている場合は、バッテリ６からＰＯＤ用インバータ１６に供給される直流電力に基づいて水上を航行し、一方、バッテリ６が発電機４によって十分に充電されていない場合には、エンジン２によって駆動される発電機４の電力に基づいて航行する。

このような第1実施形態によれば、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を上回る場合はエンジン２を停止してバッテリ６の電力によって発電機４あるいはＰＯＤ用モータ１７を駆動し、一方、バッテリ６の端子電圧が所定のしきい値を下回る場合には、エンジン２を駆動してバッテリ６に充電すると共に発電機４の電力によって後輪１０やＰＯＤ用モータ１７を駆動するので、エンジンの動力のみによって陸上走行及び水上航行する従来の水陸両用車のパワートレイン構造よりも動力の効率を向上させることが可能であり、よって燃費を向上させることができる。
また、推進器としてポッド推進器Ａ２を採用しているので、水上での旋回が容易である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について説明する。
図２は、第２実施形態に係る水陸両用車Ｂの要部機能構成を示すブロック図である。
本水陸両用車Ｂは、二重反転方式のポッド推進器Ｂ２を備えた点において上記第1実施形態の水陸両用車Ａと相違する。したがって、本水陸両用車Ｂにおいて第1実施形態の水陸両用車Ａと同一の機能構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。

本水陸両用車Ｂの車両本体Ｂ１は、車体１、エンジン２、動力分割機構３、発電機４、整流器５、バッテリ６、本体用インバータ７、本体用モータ８、ディファレンシャルギヤ９、後輪１０、ハンドル１１、連結機構１２ａ，１２ｂ、前輪１３及び車両制御装置１４に加え、クラッチ１９，２０、及びプロペラ２１を備えている。

追加構成要素であるクラッチ１９，２０及びプロペラ２１のうち、クラッチ１９は、本体用モータ８とディファレンシャルギヤ９との間に設けられ、車両制御装置による制御に基づいて両者の連結／乖離を行う。クラッチ２０は、本体用モータ８とプロペラ２１との間に設けられ、車両制御装置１４による制御に基づいて両者の連結／乖離を行う。プロペラ２１（主プロペラ）は、プロペラ１８（副プロペラ）の前方かつ同一回転中心となるように車両本体Ｂ１の底部に収納自在に設けられており、本体用モータ８の回転動力によって回転する。

本水陸両用車Ｂのポッド推進器Ｂ２は、ＰＯＤ筐体１５、ＰＯＤ用インバータ１６、ＰＯＤ用モータ１７及びプロペラ１８に加え、上記車両本体Ｂ１に備えられたプロペラ２１によって構成される二重反転方式であり、同一回転中心となるように併設された一対のプロペラ１８，２１は、お互いの回転方向が異なるように回転駆動される。

すなわち、本水陸両用車Ｂが陸上走行する場合、車両制御装置１４は、ポッド推進器Ｂ２を車体１内に収納させ、また連結機構１２ａをＯＮ状態かつ連結機構１２ｂをＯＦＦ状態に設定し、ＰＯＤ用インバータ１６を停止状態として本体用インバータ７のみを作動させ、さらにクラッチ１９を接続状態かつクラッチ２０を乖離状態とする。この結果、本水陸両用車Ｂは、ポッド推進器Ｂ２が後輪１０及び前輪１３の地面に対する接地を阻害しない状態となり、運転者によるハンドル１１の操作によって走行方向が設定され、また一対のプロペラ１８，２１には動力が伝達されず後輪１０のみに動力が伝達される。

一方、本水陸両用車Ｂが水上航行する場合、車両制御装置１４は、ポッド推進器Ｂ２及びプロペラ２１を車体１の底部から下方に突出させ、また連結機構１２ａをＯＦＦ状態かつ連結機構１２ｂをＯＮ状態に設定し、また整流器５及びバッテリ６に本体用インバータ７及びＰＯＤ用インバータ１６を接続させ、さらにクラッチ１９を乖離状態かつクラッチ２０を接続状態とする。この結果、本水陸両用車Ｂは、水上航行が可能な状態となり、運転者によるハンドル１１の操作によって航行方向が設定され、またプロペラ１８，２１に動力が伝達される状態となる。

このような二重反転方式のポッド推進器Ｂ２を備えた本水陸両用車Ｂによれば、上述した第１実施形態の効果に加えて、二重反転方式のポッド推進器Ｂ２を備えるので、第1実施形態の水陸両用車Ａよりも推進抵抗を低減することができる。

〔第３実施形態〕
さらに、第３実施形態について説明する。
図３は、第３実施形態に係る水陸両用車Ｃの要部機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、本水陸両用車Ｃは、上述した第２実施形態の水陸両用車Ｂからポッド推進器Ｂ２を削除する一方、プロペラ２１に代えてプロペラ２１Ｃを備え、また旋回機構Ａ３に代えて舵２２を連結機構１２ｂに接続したものである。

プロペラ２１Ｃは車体１の後端に設けられ、舵２２はプロペラ２１Ｃの後方に回動自在に設けられている。すなわち、本水陸両用車Ｃは、プロペラ２１Ｃの推力のみにより水上を航行すると共に、舵２２によって航行方向が設定される。

このような本水陸両用車Ｃによれば、上述した第１実施形態の効果に加えて、本体用モータ８が発生する動力のみによって陸上走行と水上航行を行うので構成が簡単であり、よって重量を軽減することができるので燃費の向上を図ることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記各実施形態では、フロントエンジン・リヤドライブ方式（ＦＲ方式）を採用しているが、これに代えてフロントエンジン・フロントドライブ方式（ＦＦ方式）を採用しても良い。
（２）上記各実施形態では、プロペラ１８，２１，２１Ｃが発生する推力によって水上を航行するように構成したが、プロペラ１８，２１，２１Ｃに代えてウォータージェット推進器を備える構成としても良い。

（３）上記各実施形態では、発電機４が発生した電力を蓄電あるいは放電する電源装置としてバッテリ６を用いたが、このバッテリ６に代えて大容量キャパシタを用いても良い。

（４）上記第２実施形態では、二重反転方式のポッド推進器Ｂ２を構成するプロペラ２１（主プロペラ）を車体１に備える構成としたが、主プロペラをＰＯＤ筐体１５に設けるようにしても良い。
（５）上記各実施形態では、モータとディファレンシャルギヤとを直接連結させたが、両者の間にトランスミッションを挿入することが好ましい。

本発明の第１実施形態に係わる水陸両用車の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係わる水陸両用車の機能構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係わる水陸両用車の機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ｃ…水陸両用車、Ａ１，Ｂ１，Ｃ１…車両本体、Ａ２，Ｂ２…ポッド推進器、Ａ３…旋回機構、１…車体、２…エンジン、３…動力分割機構、４…発電機、５…整流器、６…バッテリ、７…本体用インバータ、８…本体用モータ、９…ディファレンシャルギヤ、１０…後輪、１１…ハンドル、１２ａ，１２ｂ…連結機構、１３…前輪、１４…車両制御装置、１５…ＰＯＤ筐体、１６…ＰＯＤ用インバータ、１７…ＰＯＤ用モータ、１８，２１，２１Ｃ…プロペラ、１９，２０…クラッチ、２２…舵

Claims (2)

1. エンジンと、
   前記エンジンから入力される回転動力を分割する動力分割機構と、
   動力分割機構から入力される回転動力により駆動される発電機と、
   前記発電機が発生した電力を充放電するバッテリと、
   前記発電機が発生する電力あるいは／及び前記バッテリから供給される電力を陸上走行用駆動電力に変換する陸上走行用駆動装置と、
   該陸上走行用駆動装置によって駆動される陸上走行用電動機と、
   前記動力分割機構によって分割されたエンジンの回転動力あるいは／及び陸上走行用電動機の回転動力によって回転駆動される車輪と、
   前記発電機から供給される電力あるいは前記バッテリから供給される電力によって前記陸上走行用電動機を駆動することにより主プロペラに推力を発生させると共に水上航行用電動機を駆動して副プロペラに推力を発生させる二重反転方式のポッド推進器と、
   陸上走行時の走行方向を設定する陸上走行用操舵装置と、
   水上航行時の航行方向を設定する水上航行用操舵装置と、
   前記バッテリの端子電圧が所定のしきい値を下回る場合は前記エンジンを起動させる一方、前記端子電圧が所定のしきい値を上回る場合には前記エンジンを停止させる車両制御部と、
   を具備することを特徴とする水陸両用車。
2. 共通の操作ハンドルによって陸上走行用操舵装置と水上航行用操舵装置とを択一的に操作することを特徴とする請求項１記載の水陸両用車。
   

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