JP6707009B2 - マルチブレード草刈機 - Google Patents

Description

本発明は、走行機体に支持されたモーアデッキに複数のブレードを回転可能に設けたマルチブレード草刈機に関する。

特許文献１には、エンジンと車輪とを備えた機体フレームに、リンク機構を介して昇降自在にモーアデッキを設けた芝刈機が開示されている。モーアデッキには、ブレードを固定した２つの回転軸が回転可能に支持されている。エンジンからの回転動力は、ベルト伝動機構を介して、２つの回転軸に伝達される。一方のブレードは時計方向に回転され、他方のブレードは反時計方向に回転される。両方のブレードの回転数（回転速度）は同一である。

特許文献２には、乗用電動芝刈機が開示されている。この乗用電動芝刈機の機体は、走行用電動モータによって駆動される駆動車輪によって支持さており、この機体にモーアユニットが吊り下げられている。モーアユニットは、３つのブレードとこのブレードを個別に駆動する３つのブレードモータとを備えている。３つのブレードモータは、各ブレードが一定回転数で回転するように定速制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）で駆動される。その別実施形態として、走行速度の低下に伴って、例外的に、３つのブレードモータの回転数を上昇させることが提案されている。３つのブレードモータの回転速度を上昇させることは開示されているが、３つのブレードの回転数に回転数差をつけることは開示されていない。

マルチブレード草刈機は、住宅街においても使用されることがあるので、その騒音低下が要望されている。

特開２０１４−１４３９８４号公報 特開２０１２−１８７０２６号公報

本発明の課題は、マルチブレード草刈機において、回転に伴って複数のブレードから生じるそれぞれの騒音が重なり合うことによるブレード騒音の拡大を抑制する技術の提供である。

本発明によるマルチブレード草刈機は、走行機体と、前記走行機体に支持されたモーアデッキと、前記モーアデッキの下方で前記モーアデッキに回転可能に支持された複数のブレードと、前記ブレードに回転動力を供給する動力供給部とを備え、前記動力供給部は、前記各ブレードに割り当てられた複数の電動モータからなり、前記電動モータを制御するブレードモータ制御部と、前記ブレードの回転数を検出する回転数センサとを備え、前記ブレードモータ制御部は、前記回転数センサからの情報を基に、前記複数のブレードのうちの少なくとも１つのブレードの回転数が他のブレードの回転数と異なるように、かつ、騒音低下の効果及び所定の草刈性能が得られる回転数範囲内での回転数差となるように、前記電動モータの回転数を制御する。

マルチブレード草刈機において、ブレードの回転にともなって発生する騒音は、多くの周波数成分を含んでおり、特に強い音圧を示す周波数成分（以後、ピーク周波数と称する）は、ブレード回転周波数のｎ次成分（ｎは１以上の自然数）であることがわかっている。複数のブレードを同一回転数で回転させた場合、それぞれのブレードによって発生する騒音のピーク周波数が重なり合い、このピーク周波数での音圧が倍加される。そのようなピーク周波数はブレードの回転数に関係している。この発明は、複数のブレードのうちの少なくとも１つのブレードの回転数が他のブレードの回転数と異ならせることで、ピーク周波数の重なりが避けられ、騒音低下効果が得られるとの、発明者の知見に基づいている。一方のブレードの騒音のピーク周波数と他方のブレードの騒音のピーク周波数とが、その周期の半分だけずれると、一方のピーク周波数の中間に他方のピーク周波数が挟まれるので、ピーク周波数の重なりが最小となる。しかしながら、ブレード回転数は刈草性能とも関係するので、実際には、その周期の１／１０から１／３程度ずらされることが好ましい。

走行型のマルチブレード草刈機では、走行方向に対する横断方向に２枚のブレードを並べた２ブレード草刈機や、３枚のブレードを並べた３ブレード草刈機がほとんどである。
３枚以上のブレードを備えたマルチブレード草刈機においても、より効果的な騒音低下効果を得るためには、全てのブレードの回転数が互いに異なっていることが好ましい。しかしながら、少なくとも1枚のブレードの回転数が他のブレードの回転数と異なっていても、騒音低下の効果を得ることは可能である。

また、草刈機においては、ブレードの仕様や走行速度などに基づいて、草刈に適切な標準回転数が算定されている。したがって、各ブレードの回転数を異ならせる場合においても、できるだけ、標準回転数から離れることは好ましくない。このことから、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記複数のブレードにおける回転数差は、草刈に適した標準回転数に対して一方のブレードの回転数を高くするとともに、他方のブレードの回転数を低くすることで作り出される。
また、この構成では、各ブレードの回転数を、独立して制御できるので、騒音低下効果を得るためのブレード回転数差を、容易に最適化することができる。その際、駆動輪への動力供給はエンジンで行ってもよいし、電動モータで行ってもよい。

２ブレード草刈機の側面図である。 ２ブレード草刈機の平面図である。 ２ブレード草刈機の電気系統及び動力系統を示す系統図である。 ２ブレード草刈機の制御系の機能ブロック図である。 ブレード騒音の周波数分析結果を示すグラフである。 ３ブレード草刈機の電気系統及び動力系統を示す系統図である。

次に、図面を用いて、本発明によるマルチブレード草刈機の具体的な実施形態の１つを説明する。図１は、マルチブレード草刈機の一例である２ブレード草刈機の側面図であり、図２は平面図である。この草刈機は、遊転自在なキャスタ型の左前車輪１ａと右前車輪１ｂとからなる前車輪ユニット１、左後車輪２ａと右後車輪２ｂとからなる駆動輪ユニット２、前車輪ユニット１と駆動輪ユニット２とによって支持される走行機体１０を備えている。さらに、走行機体１０の後部にはバッテリ２０が、走行機体１０の中間部には運転座席１１が配置され、運転座席１１の後方から転倒保護フレーム１２が立設されている。
前車輪ユニット１と駆動輪ユニット２との間で走行機体１０の下方空間には、昇降機構１３としての昇降リンク機構を介して昇降可能に走行機体１０から吊り下げられたモーアユニット３が配置されている。

運転座席１１の前方には運転者の足載せ場であるフロアプレートが設けられており、そこからブレーキペダル１４が突き出している。運転座席１１の両側には、機体横断方向の水平揺動軸回りに揺動する左操縦レバー１５ａと右操縦レバー１５ｂとからなる操縦ユニット１５が配置されている。さらに、運転座席１１の周辺には、ブレード操作レバー（スイッチタイプでもよい）１６が配置されている。

この草刈機は、駆動輪ユニット２とモーアユニット３とが電力で駆動する、電動式草刈機である。図３は、２ブレード草刈機の電気系統及び動力系統を示す系統図である。図４は、２ブレード草刈機の制御系の機能ブロック図である。これらのチュエータである左モータ２１と右モータ２２が装備されている。左モータ２１と右モータ２２はそれぞれ独立的にインバータ４を介して供給される電力量によってその回転速度が変化する。したがって、左後車輪２ａと右後車輪２ｂの回転速度を相違させることができ、この左右後車輪速度差によって草刈機の方向転換が行われる。なお、図３では、図面を簡単にするために、左モータ２１と右モータ２２とがインホイールモータのように描かれているが、インホイールモータである必要はない。この実施形態では、図１から明らかなように、左モータ２１及び右モータ２２が走行機体１０の中央側に配置され、左モータ２１と左後車輪２ａとの間及び右モータ２２と右後車輪２ｂとの間の動力伝達のために、それぞれ走行駆動機構が設けられている。

この実施形態では、モーアユニット３は、図２及び図３に示すように、２ブレードタイプのサイドディスチャージタイプであり、モーアデッキ３ａと、板状の第１ブレード３１ａと第２ブレード３２ａが備えられている。モーアデッキ３ａは、天井面と、この天井面の前縁部から下方向きに延出した縦壁とによって構成されている。第１ブレード３１ａ及び第２ブレード３２ａの両端部には切断刃先が形成され、さらに各切断刃先の背後側には起風羽根が形成されている。

第１ブレード３１ａは、モーアデッキ３ａの天井面を垂直に貫通している第１回転軸３１ｂの下端部に固定されており、第１ブレード３１ａは、モーアデッキ３ａを垂直に貫通している第２回転軸３２ｂの下端部に固定されている。第１回転軸３１ｂ及び第２回転軸３２ｂは、モーアデッキ３ａにボス軸受を介して回転可能に支持されている。第１回転軸３１ｂの上端部は電動モータである第１ブレードモータ３１の出力軸に連結されており、第２回転軸３２ｂの上端部は電動モータである第２ブレードモータ３２の出力軸に連結されている。つまり、この実施形態では、第１ブレード３１ａ及び第２ブレード３２ａに回転動力を供給する動力供給部３０は、それぞれ、第１回転軸３１ｂと第１ブレードモータ３１、及び第２回転軸３２ｂと第２ブレードモータ３２によって構成されている。もちろん、第１回転軸３１ｂと第１ブレードモータ３１との間、及び第２回転軸３２ｂと第２ブレードモータ３２との間の動力伝達に、ベルト伝動機構などを介在させてもよい。

草刈り作業時には、第１ブレード３１ａ及び第２ブレード３２ａを回転させながら草刈機を走行させることで切断処理された刈草は、第１ブレード３１ａ及び第２ブレード３２ａの起風羽根によって発生した風により、バッフルプレートに案内されてモーアデッキ３ａの内部を排出口の位置する横一端側に搬送されて、排出口からモーアデッキ３ａの横外側に放出される。

第１ブレード３１ａ及び第２ブレード３２ａを回転することにより、ブレード騒音が発生する。２ブレードでの騒音は、各ブレード回転数が同じ場合には、単独でのブレード騒音に比べて、倍加されてしまう。これは、ブレード騒音のピーク周波数が重なり合うためであると考えられる。図５には、ブレード騒音の実験結果が示されている。図５は、ブレード騒音を周波数分析した結果である。細い実線は、１ブレードでのブレード騒音を示し、太い実線は、同回転数での２ブレードのブレード騒音を示している。点線は、ブレード停止状態であり、暗騒音を示している。ブレード騒音は、ブレード回転数のｎ次（ｎは１以上の自然数）でピーク値（ピーク周波数）を示すが、同回転数での２ブレードではピーク周波数が重なるため、ピーク周波数での１ブレードに比べて騒音音圧が倍加されている。このことに注目して、本発明では、マルチブレードにおけるブレード回転数に差を設けて、ピーク周波数が重なることを避けている。一方のブレード騒音のピーク周波数が他方のブレード騒音のピーク周波数の中間にくるのが好ましいが、正確に中間とならなくても、騒音低下の効果は得られる。満足できる草刈性能を維持するために最適な回転数領域があるので、設定される回転数差は、騒音低下の効果と草刈性能との間でバランスを取るとよい。例えば、互いのピーク周波数をその周期の１／１０から１／３程度ずらすことで、騒音低下の効果は得られる。

図３及び図４に示すように、走行のための左モータ２１及び右モータ２２、及びブレードに回転動力を与える駆動源としての第１ブレードモータ３１及び第２ブレードモータ３２への給電は、ＥＣＵとも呼ばれるコントローラ５によるインバータ制御によって行われる。このため、バッテリ２０に接続されたインバータ４は、第１ブレードモータ３１及び第２ブレードモータ３２に給電するブレードモータ給電部４０、左モータ２１に給電する左輪給電部４１、右モータ２２に給電する右輪給電部４２を備えている。

図４に示すように、コントローラ５は、走行状態検出センサ群７と操縦状態検出センサ群８とブレード状態検出センサ群９とに接続している。走行状態検出センサ群７には、左後車輪２ａの回転数を検出する左後輪回転検出センサ７０ａ(図３参照)、右後車輪２ｂの回転数を右後輪回転検出センサ７０ｂ(図３参照)など、走行に関する情報を検出するセンサが含まれる。操縦状態検出センサ群８には、左操縦レバー１５ａの揺動角を検出する左操縦角検出センサ８０ａ、右操縦レバー１５ｂの揺動角を検出する右操縦角検出センサ８０ｂなどが含まれている。ブレード状態検出センサ群９には、ブレード回転数を検出する回転数センサ９１ａ、９１ｂ、ブレード操作レバー１６の操作状態を検出するセンサ（非図示）も含まれている。ブレード回転数を検出する回転数センサ９１ａ、９１ｂは、ブレード回転数の設定のために用いられるが、省略可能である。

コントローラ５には、入力信号処理部５１、左輪速度演算部５２、右輪速度演算部５３、走行制御部５４、ブレード回転数設定部５５、ブレードモータ制御部５６などの機能部が備えられており、これらの機能部は、ハードウエアやソフトウエアによって構築される。入力信号処理部５１には、センサ情報処理機能や操作入力処理機能が含まれている。入力信号処理部５１は、走行状態検出センサ群７、操縦状態検出センサ群８、ブレード状態検出センサ群９などの外部からの信号を処理して、コントローラ５の内部で利用可能な情報に変換する。

左輪速度演算部５２は、運転者による左操縦レバー１５ａの操作量を検出する左操縦角検出センサ８０ａを通じての操作情報に基づいて左後車輪２ａの回転速度（回転数）、つまり左モータ２１の回転速度（回転数）を求める。右輪速度演算部５３も、運転者による右操縦レバー１５ｂの操作量を検出する右操縦角検出センサ８０ｂを通じての操作情報に基づいて右後車輪２ｂの回転速度（回転数）、つまり右モータ２２の回転速度（回転数）を求める。

走行制御部５４は、左輪速度演算部５２及び右輪速度演算部５３によって求められた左モータ２１の回転速度と右モータ２２の回転速度を実現するために必要な電力を左モータ２１及び右モータ２２送るための制御信号を左輪給電部４１及び右輪給電部４２に与える。

ブレード回転数設定部５５は、第１ブレードモータ３１の回転数（回転速度）である第１回転数及び第２ブレードモータ３２の回転数（回転速度）である第２回転数を設定して、ブレードモータ制御部５６に与える。第１回転数は、草刈に適した標準回転数より所定値だけ大きく（または小さい）、第２回転数は標準回転数より所定値だけ小さい（または大きい）。この所定値は、上述したように、ブレード騒音のピーク周波数が重ならないように設定された値であり、調整可能である。ブレードモータ制御部５６は、第１ブレードモータ３１が第１回転数で駆動するとともに第２ブレードモータ３２が第２回転数で駆動するように、ブレードモータ給電部４０に制御信号を与える。なお、分かりやすい説明のために、ここでは、ブレード回転数設定部５５とブレードモータ制御部５６は別々の機能部としているが、ブレード回転数設定部５５はブレードモータ制御部５６に組み込まれた機能として構成してもよい。

ブレード騒音を検出する騒音センサからの信号が入力信号処理部５１に入力される場合、第１ブレードモータ３１と第２ブレードモータ３２との回転数差をできるだけ低騒音が得られるように調整する制御機能を、ブレード回転数設定部５５及びブレードモータ制御部５６に構築してもよい。その際、設定される回転数差は、所定の草刈性能が得られる回転数範囲内での回転数差となるように、制限されることが好ましい。

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、電動式の草刈機が取り扱われたが、走行系とモーア駆動系との共通の駆動源をしてエンジンが用いられてもよい。この場合、図３において、バッテリ２０とインバータ４とに代えてエンジンが用いられ、左モータ２１、右モータ２２、ブレードモータ３１、３２に代えて、変速部を有する動力伝達部（ギヤ式、プーリ式など）が用いられる。つまり、エンジン式の草刈機では、動力供給部３０は、エンジンと、エンジンからブレード回転軸（第１回転軸３１ｂ、第２回転軸３２ｂ）へ動力を伝達する動力伝達部とから構成される。
（２）上述した実施形態では、２ブレード草刈機が取り扱われたが、３ブレード、さらにはそれ以上の枚数のブレードを装備したマルチブレード草刈機であってもよい。例えば、図６には、３ブレード草刈機の電気系統及び動力系統を示す系統図が示されている。図３に示した２ブレード草刈機に比べて、第３ブレードモータ３３と第３ブレード３３ａと第３回転軸３３ｂが加えられている。３ブレード草刈機では、各ブレード騒音のピーク周波数が互いにずれるように３つのブレードの回転数が異なるように制御してもよいし、少なくとも１つのブレードが他のブレードと異なるように制御してもよい。
（３）上述した実施形態では、マルチブレード草刈機は、モーアユニット３を前輪と後輪との間に配置するミッドマウント型であったが、モーアユニット３を前輪の前方に配置するフロントモーア型であってもよい。
（４）上述した実施形態では、駆動輪ユニット２の左後車輪２ａと右後車輪２ｂとが独立して駆動可能な、いわゆるゼロターン型車両であったが、左後車輪２ａと右後車輪２ｂとが差動機構によって連結されている車両であってもよい。

本発明は、複数のブレードを備えたマルチブレード草刈機に適用される。

３ ：モーアユニット
４ ：インバータ
５ ：コントローラ
７ ：走行状態検出センサ群
８ ：操縦状態検出センサ群
９ ：ブレード状態検出センサ群
１０ ：走行機体
１５ ：操縦ユニット
１５ａ ：左操縦レバー
１５ｂ ：右操縦レバー
２０ ：バッテリ
２１ ：左モータ
２２ ：右モータ
３０ ：動力供給部
３１ ：第１ブレードモータ
３１ａ ：第１ブレード
３２ ：第２ブレードモータ
３２ａ ：第２ブレード
４０ ：ブレードモータ給電部
５１ ：入力信号処理部
５２ ：左輪速度演算部
５３ ：右輪速度演算部
５４ ：走行制御部
５５ ：ブレード回転数設定部
５６ ：ブレードモータ制御部
９１ａ ：回転数センサ
９１ｂ ：回転数センサ

Claims (3)

1. 走行機体と、
   前記走行機体に支持されたモーアデッキと、
   前記モーアデッキの下方で前記モーアデッキに回転可能に支持された複数のブレードと、
   前記ブレードに回転動力を供給する動力供給部と、
   を備えたマルチブレード草刈機において、
   前記動力供給部は、前記各ブレードに割り当てられた複数の電動モータからなり、
   前記電動モータを制御するブレードモータ制御部と、前記ブレードの回転数を検出する回転数センサとを備え、
   前記ブレードモータ制御部は、前記回転数センサからの情報を基に、前記複数のブレードのうちの少なくとも１つのブレードの回転数が他のブレードの回転数と異なるように、かつ、騒音低下の効果及び所定の草刈性能が得られる回転数範囲内での回転数差となるように、前記電動モータの回転数を制御するマルチブレード草刈機。
2. 前記複数のブレードの全ての回転数が異なっている請求項１に記載のマルチブレード草刈機。
3. 前記複数のブレードにおける回転数差は、草刈に適した標準回転数に対して一方のブレードの回転数を高くするとともに、他方のブレードの回転数を低くすることで作り出される請求項１または２に記載のマルチブレード草刈機。

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