JP6092006B2 - 草刈機 - Google Patents

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Description

本発明は、農道や畦などで法面の雑草刈り、草地での牧草刈り等ができる草刈機に関するものである。
走行しながら回転する刈刃によって草を刈る草刈機として特許文献1に開示された歩行型草刈機がある。この草刈機は、ハウジング内に縦軸心周りに回転駆動される刈刃を軸支収容した草刈部に、前後の走行車輪及び操縦ハンドルを装備していると共に、前記草刈部の上部にエンジンを搭載している。
前記草刈部には、縦向き姿勢に配備されていてエンジンの動力により回転駆動される駆動軸と、この駆動軸に固定された円板状の回転基板とが設けられ、刈刃は回転基板の外周部に枢支されていて、駆動軸によって回転基板が回転駆動されることにより縦軸心周りに回転する。なお、この特許文献1にはエンジンの代わりに電動モータを利用することが開示されている。
特開2007−053993号公報
刈刃に回転駆動を付与するものとして、エンジンを採用した草刈機、或いは、電動モータを採用した草刈機が開発されているが、エンジンや電動モータはそれぞれ特性がある。例えば、電動モータはエンジンに比べて「低回転/高トルク」の出力が得られやすく、一方、エンジンは電動モータよりも「高回転/高トルク」の出力が得られやすい。また、電動モータはエンジンに比べて静音性が優れており、エンジンは電動モータに比べて比較的長時間駆動することができる。従来では、エンジンと電動モータとの両方の特性を生かした草刈機は開発されておらず、それぞれの特性を草刈り作業に適合させた技術も存在していない。
加えて、草刈り作業においては、負荷変動が特にはげしく、このような負荷変動のはげしい草刈り作業を行う草刈機に電動モータとエンジンとの両方を採用した機械は無いのが実情である。
そこで、本発明は、前記問題点に鑑み、エンジンと電動モータとを有するハイブリッド型としたうえで、草刈り作業に応じてエンジン及びは電動モータを駆動させることで簡単に草刈り作業を行うことができる草刈機を提供することを目的とする。
前記技術的課題を解決するために本発明が講じた技術的手段は、以下に示す点を特徴とする。
草刈機は、刈刃を回転させる回転軸に動力を伝達する電動モータと、前記回転軸に動力を伝達するエンジンと、前記電動モータ及びエンジンの駆動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記刈刃に掛かる負荷に連動して少なくとも前記電動モータと前記エンジンとのいずれかを駆動させる草刈機であって、前記エンジンの動力が伝達される第1駆動ギヤと、前記電動モータと前記刈刃との間で前記回転軸に設けられていて、前記第1駆動ギヤからの動力を前記回転軸に伝達する第2駆動ギヤと、前記第2駆動ギヤと前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記エンジン及び前記電動モータの動力を取り出し可能な動力取出部と、前記動力取出部と前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記刈刃に伝達される動力を断接する刈刃クラッチと、当該草刈機を走行させる走行装置と、前記動力取出部で取り出した動力を前記走行装置に伝達する動力伝達部とを備えていることを特徴とする。
また、草刈機は、刈刃を回転させる回転軸に動力を伝達する電動モータと、前記回転軸に動力を伝達するエンジンと、前記電動モータ及びエンジンの駆動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記刈刃に掛かる負荷に連動して少なくとも前記電動モータと前記エンジンとのいずれかを駆動させる草刈機であって、前記回転軸から前記エンジン及び前記電動モータの動力を取り出し可能な動力取出部と、前記動力取出部と前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記刈刃に伝達される動力を断接する刈刃クラッチと、当該草刈機を走行させる走行装置と、前記動力取出部で取り出した動力を前記走行装置に伝達する動力伝達部とを備え、前記制御装置は、前記走行装置によって移動走行する際には、前記刈刃クラッチを切断すると共に前記電動モータを駆動させることを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記走行装置によって移動走行する際には、前記刈刃クラッチを切断すると共に前記電動モータを駆動させることを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記電動モータの駆動時に前記刈刃に掛かる負荷が高負荷になった場合には、前記電動モータの駆動に加えてエンジンを駆動させることを特徴とする。
また、前記制御装置は、前記エンジンの駆動時に前記刈刃に掛かる負荷が高負荷になった場合には、前記エンジンの駆動に加えて電動モータを駆動させることを特徴とする。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
動モータとエンジンとを備えたハイブリッド型にしているため、電動モータやエンジンの特性をいかしつつ草刈り作業を行うことができる。草刈り作業は、様々な大きさの草を刈ることから負荷変動がはげしい。それゆえ、負荷の変動に連動して(応じて)電動モータやエンジンを適宜駆動させることにより、草刈り作業を行い易くしたり、草刈り作業において無駄なエネルギー消費を抑えてエネルギー効率を高めることもできる。
また、例えば、草刈りの面積や草刈りのボリュームが小さく刈刃に掛かる負荷が低負荷であるときには、電動モータを駆動させて効率よく草刈りを行い、草刈りの面積や草刈りのボリュームが大きく刈刃に掛かる負荷が高負荷になったときは、電動モータの駆動に加えてエンジンを駆動させることにより、効率よく草刈りを行うことができる。
また、例えば、エンジンを駆動させて草刈り作業を行っている状況下で高負荷となり、エンジンでの出力(トルク、回転数等)が不足したときには、電動モータを駆動してエンジンをサポートしながら草刈り作業を行うことができる。
また、例えば、草刈りが終了して草刈機を移動させる時、即ち、移動走行時にはエンジンよりも電動モータの駆動力を用いるため、エンジンに比べて「低回転で高トルクを出力する」という電動モータの特性を生かすことができ、移動走行時におけるトルクのロスや馬力のロスを防止することができる。
第1実施形態の歩行型草刈機における全体側面図である。 同全体平面図である。 同系統図である。 第2実施形態における動作説明図である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
図2及び3に示すように、法面の草を刈り取り可能な歩行型草刈機1は、大別して、前後車輪2を縣架した走行機体Fと、電動モータMと、エンジンEと、電動モータMやエンジンの動力により回転する刈刃体3とを備えている。走行機体Fには、操縦ハンドルHが回動自在に取り付けられている。
なお、図2に示すように操縦ハンドルHを2点鎖線で示す向きにセットした状態が、作業者が伴走し易い標準作業状態であり、説明の便宜上、走行方向を前後方向(図2の左右方向)とし、操縦ハンドルHが偏在する側を走行機体Fの左側、その反対側を右側と呼称する。
走行機体Fは、左右側壁20を連結板21及び前後取っ手22で連結し、連結板21に駆動ケース23を挿入配置する開口24を形成し、駆動ケース23を側方から跨ぐように平面視略V字状のパイプ枠25を連結板21の上面に固定して形成されている。連結板21は前後方向複数枚で形成してもよい。パイプ枠25は一方(左側)の側壁20から突出しており、この突出部に操縦ハンドルHを取り付ける支持台26が設けられている。支持台26に操縦ハンドルHが縦軸11回り及び横軸12回り揺動自在に支持されている。
駆動ケース23は上方から開口24に挿入して左右側壁20及び連結板21に取り付けており、該駆動ケース23の上部に電動モータMが取り付けられている。電動モータMの左右方向一方側(例えば、左側)にはエンジンEが搭載されている。即ち、歩行型草刈機1は、電動モータM及びエンジンEを有するハイブリッド式の草刈機である。電動モータ
Mはバッテリーの電力により駆動し、エンジンEは燃料タンク(図示省略)内の燃料によって駆動する。
図1〜3を用いてハイブリッド式の歩行型草刈機について詳しく説明する。
図3に示すように、駆動ケース23には、駆動伝達軸13と刈刃軸4とが回転自在に支持されている。駆動伝達軸13の上部は、筒カップリング27を介して電動モータMの出力軸M1が連結されている。即ち、電動モータMの出力軸M1は減速器を介さずに駆動伝達軸13に接続している。駆動伝達軸13の下部は、刈刃クラッチCを介して刈刃軸4が連結されている。刈刃軸4の下部は、駆動伝達軸13から下方に突出しており、当該刈刃軸4の下部に刈刃体3が着脱自在に取り付けられている。即ち、駆動伝達軸13及び刈刃軸4によって、刈刃体3(刈刃3C)に回転動力を伝達する回転軸が構成されていて、電動モータMの動力が回転軸(駆動伝達軸13及び刈刃軸4)を介して直接、刈刃体3(刈刃3C)に伝達される構造となっている。
図1に示すように、刈刃体3は、円板に形成されて中央部が刈刃軸4に取り付けられた支持体3Aと、この支持体3Aの上面に周方向等間隔に立設された羽根3Bと、支持体3Aの外周部に取り付けられた刈刃3Cとで構成されている。したがって、刈刃クラッチCによって駆動伝達軸13及び刈刃軸4を接続した状態で、駆動伝達軸13を回転駆動することによって、刈刃体3(刈刃3C)を回転させることができる。
さて、走行機体Fには、当該走行機体Fを走行させる走行装置30が搭載されている。走行装置30は、左右側壁20の前後に貫通支持された前後軸5に、前後車輪2を装着して構成されている。走行機械Fには、駆動伝達軸13からの動力を前後軸5に伝達する伝達機構31が設けられている。
伝達機構31は、駆動伝達軸13の動力を取り出す動力取出部32と、動力取出部32から取り出された動力を前後軸5に伝達する動力伝達部33とを備えている。
動力取出部32は、駆動伝達軸13の上下中途部であって電動モータMの出力軸M1と刈刃クラッチCとの間に設けられたウオームギヤ32Aと、このウオームギヤ32Aに噛合したウオームホイール32Bと、このウオームホイール32Bの出力軸34に回転自在に設けられた第1ギヤ34Aと、この第1ギヤ34Aに噛合した第2ギヤ34Bとを備えている。動力取出部32では、駆動伝達軸13の動力を、ウオームギヤ32A、ウオームホイール32B、第1ギヤ34A及び第2ギヤ34Bを介して第2ギヤ34Bに設けたベベルピニオン軸35へ動力伝達する。
動力伝達部33は、前後車輪2の前後進を切り換えると共に、チェーン駆動によって動力を伝達するものである。詳しくは、動力伝達部33は、ベベルピニオン軸35と一体回転する前後進噛合体38と、シフタを介して択一的に噛み合うベベルギア39A、39Bとを備えている。シフタによってベベルギア39A、39Bに対する前後進噛合体38の噛み合いを切り換えることにより、ベベルギア39A、39Bと一体回転する伝達軸40の回転方向(前進回転方向、後進回転方向)を変えて、前後進の切換を行う。
また、動力伝達部33は、一体回転する伝達軸40と一体回転する駆動スプロケット37Aを設けると共に、前後軸5と一体回転する従動スプロケット37Bを設けて、駆動スプロケット37A及び従動スプロケット37Bをチェーンによって駆動する構成となっている。
以上、伝達機構31によれば、ウオームギヤ32A、ウオームホイール32B、第1ギヤ34A及び第2ギヤ34B、ベベルピニオン軸35、前後進噛合体38、ベベルギア39A、39B、伝達軸40、駆動スプロケット37A、従動スプロケット37B、チェーンを介して、駆動伝達軸13の回転駆動力が伝えられる。
さて、駆動伝達軸13には、電動モータMの動力だけでなく、エンジンEからの動力が伝達される。詳しくは、エンジンEの動力が伝達される駆動軸45には遠心クラッチ46を介して駆動シャフト47が連結され、この駆動シャフト47に第1駆動ギア48が設けられ、この第1駆動ギア48が駆動伝達軸13に設けられた第2駆動ギア49に螺合することにより、エンジンEの動力が駆動伝達軸13に伝達される。
次に、歩行型草刈機1の電気制御系について説明する。
図3に示すように、歩行型草刈機1には、制御装置50と、この制御装置50や電動モータ等に電力を供給するバッテリー51が搭載されている。
電動モータMは、三相誘導電動機で構成されている。例えば、電動モータMは、多極(10極)のブラシレスモータで構成されたもので、さらに、ハイブリッド化したことにより、小型化のものを採用している。例えば、電動モータは、幅(直径φ85mm×高さH115mm)を採用することが可能である。
電動モータMにはインバータ52が接続され、このインバータ52には制御装置50が接続されている。インバータ52は、バッテリー51の直流電圧をスイッチングによって形成された三相の交流電圧を電動モータMに供給する。
制御装置50は、エンジンEや電動モータM等の駆動を制御するもので、駆動制御として、例えば、エンジンEの始動や停止、電動モータMの始動や停止を行う。
具体的には、制御装置50は、通常モード53と、連動モード54と、走行モード55と、静音モード56とを備えている。これら通常モード53、連動モード54、走行モード55及び静音モード56は、制御装置50に格納されたプログラム等から構成されている。なお、通常モード53、連動モード54、走行モード55及び静音モード56の切換は、操縦ハンドルH等に作業者が手動で切換可能なスイッチを設けてスイッチを操作することによって行ってもよいし、草刈機の様々な状況をセンサ等によって検出して自動的に行ってもよいし、各モードにおける所定の条件が揃ったときに行ってもよい。
通常モード53は、操縦ハンドルH等にエンジンE又は電動モータMのいずれかを選択する選択スイッチ等を設けて、選択スイッチにより選択されたエンジンE又は電動モータMにおいて、その始動や停止等を行うものである。例えば、作業者が選択スイッチを操作することよりエンジンEが選択された状態で、始動スイッチS(操縦ハンドルHに設けられた始動スイッチS)をオン(ON)すると、制御装置50は、エンジンEにエンジン始動の制御信号を出力してエンジンEを駆動する。始動スイッチSをオフ(OFF)すると、制御装置50は、エンジンEにエンジン停止の制御信号を出力してエンジンEを停止する。
一方、作業者が選択スイッチを操作することより電動モータMが選択された状態で、始動スイッチSをオン(ON)すると、制御装置50は、電動モータMにモータ始動の制御信号を出力して電動モータMを駆動する。始動スイッチSをオフ(OFF)すると、制御装置50は、電動モータMにモータ停止の制御信号を出力して電動モータMを停止する。
通常モード53によれば、例えば、作業者の判断によって、電動モータMやエンジンEを選択的に駆動させることにより、電動モータMやエンジンEの回転特性、トルク特性を生かした草刈り作業を行うことができる。また、草刈り作業において、電動モータMとエンジンEとを別々に使用することにより、長時間に亘って草刈り作業を行うことができる。例えば、バッテリー51によって電動モータMを駆動可能な時間が1時間、燃料によってエンジンEを駆動可能な時間が2時間であるとき、草刈り作業を最大で3時間行うことができる。
なお、電動モータM及びエンジンEの両方を駆動させるスイッチを設けて、通常モード53であるときに、電動モータ及びエンジンEを駆動するようにしてもよい。
連動モード54は、刈刃3Cに掛かる負荷に連動して少なくとも電動モータMとエンジンEとのいずれかを駆動するものである。具体的には、連動モード54は、刈刃3Cに掛かる負荷が低負荷であるときは電動モータMを駆動させ、刈刃3Cに掛かる負荷が高負荷になったときは、電動モータMの駆動に加えてエンジンEを駆動するものである。
具体的には、連動モード54の状態で、始動スイッチSをオン(ON)すると、制御装置50は、まず、インバータ52に電動モータ始動の制御信号を出力して電動モータMを駆動すると共に、刈刃3Cの負荷を監視する。刈刃3Cの負荷は、例えば、電動モータMが駆動しているときのトルクを検出することにより求める。なお、刈刃3Cの負荷の検出方法が上述したものに限定されない。
制御装置50は、刈刃3Cの負荷が所定以上になる(高負荷を検出する)と、エンジンEに制御信号を出力してエンジン始動を開始する。また、制御装置50は、刈刃3Cの負
荷が所定未満になる(低負荷を検出する)と、エンジンEへの制御信号の出力を停止して当該エンジンEを停止する。即ち、制御装置50は、草刈のボリュームが少なく刈刃3Cの負荷が掛からないときには電動モータMを優先的に駆動し、その後、草刈のボリュームが多くなり、刈刃3Cの負荷が所定以上になると、エンジンEを追加駆動することにより当該エンジンEによる回転動力を増加させる。
連動モード54によれば、例えば、草刈りの面積や草刈りのボリュームが大きいとき等に、電動モータ及びエンジンの両方の動力によって刈刃3Cの回転数やトルクを増大させて、効率よく草刈りを行うことができる。また、草刈りの面積や草刈りのボリュームが小さくなると、電動モータのみを用いて効率よく草刈りを行うことができる。つまり、草刈りの面積やボリュームに応じた草刈り作業が行え、作業量に対する消費エネルギーを少なくでき、エネルギー効率を向上させることができる。
走行モード55は、草刈機の移動走行時に、即ち、草刈り作業が終了して草刈機を農道や路上に移動させる際に、電動モータMを駆動するものである。具体的には、走行モード55の状態で、始動スイッチSをオン(ON)すると、制御装置50は、クラッチCを電動で動作させるクラッチ電動作動部C1にクラッチ切断の信号(切断信号)を出力して駆動伝達軸13から刈刃軸4への動力伝達を切断すると共に、インバータ52に制御信号を出力して電動モータMを駆動する。即ち、制御装置50は、走行装置30によって移動走行させる際には、まず、クラッチ電動作動部C1に切断信号を出力して刈刃軸4の回転を停止し、エンジンEよりも先に電動モータMを駆動して当該電動モータMの動力によって移動走行させる。なお、クラッチCが切断されている状態で、他のモード(連動モードや静音モード)に入ったときは、制御装置50は、クラッチ電動作動部C1にクラッチ接続の信号(接続信号)を出力して駆動伝達軸13と刈刃軸4とを接続する。
走行モード55によれば、走行時にはエンジンよりも電動モータの駆動力を用いるため、エンジンに比べて「低回転で高トルクを出力することができる」という電動モータの特性を生かすことができ、走行時におけるトルクのロスや馬力のロスを防止することができる。なお、上述した走行モード55では、クラッチ電動作動部C1を電動で動作させることにより自動的に駆動伝達軸13と刈刃軸4との動力伝達の入切りを行っているが、手動でクラッチCの入切りを行ってもよい。この場合、クラッチCが切断されているときに走行モード55になる。
静音モード56は、草刈り作業を静音で行うときに電動モータMを駆動するものである。具体的には、静音モード56の状態で、始動スイッチSをオン(ON)すると、制御装置50は、インバータ52に制御信号を出力して電動モータMを駆動する。即ち、制御装置50は、静音で草刈り作業を行う際には、まず、エンジンEよりも先に電動モータMを駆動して当該電動モータMの動力によって草刈りを行う。静音モード56によれば、住宅地等で草刈りを行うときなど、静音(低騒音)で草刈りを行うことができる。
[第2実施形態]
第2実施形態は、第1実施形態の連動モードを変形したものである。第2実施形態における歩行型草刈機の全体構成は上述した第1実施形態、即ち図1〜図3と同じであるため説明を省略する。
第2実施形態における連動モードでは、始動スイッチSをオン(ON)すると、制御装置50はエンジンEに制御信号を出力し、電動モータMよりも先にエンジンEを駆動させる。そうすると、図4に示すように、エンジンEの動力が回転軸(駆動伝達軸13及び刈刃軸4)に伝達され、刈刃3Cが回転する(S1)。この状態で回転軸(刈刃3C)に高負荷がかかると、制御装置50は、電動モータMに制御信号を出力して電動モータMを追加駆動し、電動モータM及びエンジンEの動力を回転軸に伝達する(S2)。なお、回転軸(刈刃3C)の負荷検出は、エンジンEの出力を監視することにより行ってもよいし、回転軸の回転数やトルクを検出装置等を設けることにより行っても良い。
この連動モードによれば、草刈り作業時に、エンジンEが最高出力で駆動している状況下で、例えば、一時的に刈刃3Cに掛かる負荷が高くなり、草刈り作業に対してエンジン側の出力(トルク、回転数等)が不足したときには、エンジンEの駆動に加えて電動モー
タMを駆動し、電動モータMによってエンジンEをサポートすることができる。即ち、電動モータMの駆動力が回転軸にエンジンの駆動力とは別に掛かるため、草刈り時に高負荷になった場合でも、スムーズに草刈り作業を行うことができる。
なお、第1実施形態及び第2実施形態は、適宜変更が可能である。制御装置50は、連動モード54、走行モード55、静音モード56のすべてを搭載する必要はなく、連動モード54、走行モード55、静音モード56の少なくとも1つを搭載することが望ましい。
また、上述したような電動モータM及びエンジンEを備えたハイブリッド型の草刈機においては、エンジンEを空転しているときに、エンジンEの動力で電動モータMを回転し、電動モータMを発電機として回転させ、当該発電機で発電した電力をバッテリー51に充電するようにしてもよい。また、刈刃3Cを停止する際、刈刃3Cの慣性力で電動モータMを回転させて、回転により発生したエネルギーをバッテリー51に充電するようにしてもよい、即ち、回生ブレーキを用いてもよい。
1 歩行型草刈機
3C 刈刃
50 制御装置
E エンジン
H 操縦ハンドル
M 電動モータ

Claims (5)

  1. 刈刃を回転させる回転軸に動力を伝達する電動モータと、前記回転軸に動力を伝達するエンジンと、前記電動モータ及びエンジンの駆動を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記刈刃に掛かる負荷に連動して少なくとも前記電動モータと前記エンジンとのいずれかを駆動させる草刈機であって、
    前記エンジンの動力が伝達される第1駆動ギヤと、
    前記電動モータと前記刈刃との間で前記回転軸に設けられていて、前記第1駆動ギヤからの動力を前記回転軸に伝達する第2駆動ギヤと、
    前記第2駆動ギヤと前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記エンジン及び前記電動モータの動力を取り出し可能な動力取出部と、
    前記動力取出部と前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記刈刃に伝達される動力を断接する刈刃クラッチと、
    当該草刈機を走行させる走行装置と、
    前記動力取出部で取り出した動力を前記走行装置に伝達する動力伝達部とを備えていることを特徴とする草刈機。
  2. 刈刃を回転させる回転軸に動力を伝達する電動モータと、前記回転軸に動力を伝達するエンジンと、前記電動モータ及びエンジンの駆動を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記刈刃に掛かる負荷に連動して少なくとも前記電動モータと前記エンジンとのいずれかを駆動させる草刈機であって、
    前記回転軸から前記エンジン及び前記電動モータの動力を取り出し可能な動力取出部と、
    前記動力取出部と前記刈刃との間に設けられていて、前記回転軸から前記刈刃に伝達される動力を断接する刈刃クラッチと、
    当該草刈機を走行させる走行装置と、
    前記動力取出部で取り出した動力を前記走行装置に伝達する動力伝達部とを備え、
    前記制御装置は、前記走行装置によって移動走行する際には、前記刈刃クラッチを切断すると共に前記電動モータを駆動させることを特徴とする草刈機。
  3. 前記制御装置は、前記走行装置によって移動走行する際には、前記刈刃クラッチを切断すると共に前記電動モータを駆動させることを特徴とする請求項1に記載の草刈機。
  4. 前記制御装置は、前記電動モータの駆動時に前記刈刃に掛かる負荷が高負荷になった場合には、前記電動モータの駆動に加えてエンジンを駆動させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の草刈機。
  5. 前記制御装置は、前記エンジンの駆動時に前記刈刃に掛かる負荷が高負荷になった場合には、前記エンジンの駆動に加えて電動モータを駆動させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の草刈機。
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