JP2005343419A

JP2005343419A - ４輪駆動車の前輪回転制御装置

Info

Publication number: JP2005343419A
Application number: JP2004168540A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Miura; 雄一三浦
Original assignee: IHI Shibaura Machinery Corp
Current assignee: IHI Shibaura Machinery Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】従来の前輪増速するための変速装置は部品点数が多く大きな構成となり、コストアップとなっていた。
【解決手段】エンジン２からの動力を後輪１５及び前輪回転制御装置２９を介して操向自在な前輪１４に伝え、該前輪回転制御装置２９を第一連結装置５１と第二連結装置５２より構成して選択的に連結可能とし、該第一連結装置５１は後輪駆動部からの入力手段と前記前輪１４に動力を伝達する出力軸５５とを直結可能とし、第二連結装置５２は入力手段と前記出力軸５５の間で伝達トルクを変更可能とするとともに、後輪駆動部と前輪駆動部にそれぞれ回転数検知手段を配置し、ステアリング機構に操舵角検知手段を配置し、第二連結装置に伝達トルク変更手段を配置して制御部６４と接続し、旋回時における前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように伝達トルク変更手段を制御し、前記伝達トルク変更手段を電磁バルブ６３と油圧シリンダにより構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、４輪駆動車の前輪回転制御装置の技術に関し、特に、トラクタ等が作業時に設定角度以上旋回する場合に、前輪を旋回角度に比例して増速させる技術に関する。

従来からトラクタ等の４輪駆動車において旋回を行う場合、高速走行時では前車輪が引きずられないように、前車輪の駆動を切って後ろ二輪の駆動により旋回を行うようにし、作業時等の低速走行時では、圃場面を荒らさないように、前車輪の平均周速を後車輪に対して約二倍程度に増速して旋回行うようにするようにしたものがある。
従来、４輪駆動車の操向時には、図５で示すように、内輪差によって前後車輪の旋回半径Ｒ１・Ｒ２・Ｒ３・Ｒ４が相違し、そのため、実際の前車輪の走行速度と後車輪の走行速度との比（実際速度比）を、両者がスリップすることなく旋回走行した場合の走行速度比（理論速度比）に一致させなければ、前車輪にスリップが発生し、旋回半径が大きくなったり、タイヤの摩耗を促進したり、農用トラクタの場合は上記スリップによって圃場の地面を荒らしたりする問題があった。

そこで、図６に示すように、原動機７１と連結したトランスミッション７２と前車軸７３と連結した前輪デフ７４との間に二段階に変速可能の増速機構７５を介設して、前車輪７６の操舵角度が大きくなると、増速機構７５を高速側に変速することにより上記スリップを防止するようにしている。（例えば、特許文献１参照）。
ところが、理論速度比は、前車輪の操舵角度が大きくなるに従って無段階的に大きくなるものであるにもかかわらず、上記の増速機構では、図７で示すように、実際速度比が段階的に変速されるので、前記スリップ防止が不完全であるという欠点があった。
そこで、前輪の周速が上記論理速度比に一致するように、トランスミッションと前輪デフの間に無段変速機を配置した技術（例えば、特許文献２参照）や電磁パウダー式のクラッチを配置した技術（例えば、特許文献３参照）が公知となっている。
特開平６−１０７０１１号公報実開平５−７５２６号公報特開２００１−３１５５４２号公報

しかし、特許文献２の技術では、旋回を行うと、操舵角度から理論速度比を演算して、この理論速度比に基づいた制御信号を無段変速機に出力して、その速度比となるように制御するが、前記無段変速装置はＨＳＴやＣＶＴ等を用いて変速する構成となるので、ミッションケース内の限られたスペース内に組み込むことは難しく、ミッションケース外部に配置するとしても、他の部品と干渉することがあり、配置位置が限られてしまう。更に、部品点数が増加し、コストアップが避けられない。また、特許文献３の技術においては、デフ装置が必要となり、コストアップとなっていた。そして、前輪にトルクを伝達して駆動して旋回する場合には、理論速度比に近づけることができるが、旋回半径の小さい急旋回時や下り坂での旋回時には、前輪の回転力がエンジンより伝達して駆動する回転力より上回り理論速度比よりも速くなってしまうのである。
そこで、本発明は簡単な構成のトルク伝達可能なクラッチを利用して、作業時におけるいかなる旋回時においても理論速度比に合わせた旋回速度となるようにしようとするものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、エンジンからの動力を変速後に後輪、及び、前輪回転制御装置を介して操向自在な前輪に伝え、該前輪回転制御装置を第一連結装置と第二連結装置より構成し、該第一連結装置は後輪駆動部から前記前輪への動力を等速で伝達可能とし、第二連結装置は後輪駆動部から増速して動力を伝達可能とし、該第一連結装置及び第二連結装置にはそれぞれ伝達トルク変更手段を配置して制御部と接続するとともに、前記後輪駆動部と前輪駆動部にはそれぞれ回転数検知手段を、ステアリング機構には操舵角検知手段をそれぞれ配置して制御部と接続し、旋回時における前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように前記伝達トルク変更手段を制御したものである。

請求項２においては、前記制御部は、旋回時において、エンジンの動力で前輪を駆動している場合には、前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように、第二連結装置の伝達トルク変更手段を制御するものである。

請求項３においては、前記制御部は、旋回時において、前輪の回転力がエンジンから前輪を回転させる回転力よりも上回る場合には、前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように第一連結装置の伝達トルク変更手段を制御するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項１の如く構成することにより、旋回時には前輪が適正旋回速度に制御されることになり、前輪がスリップすることを防止できる。したがって、スリップに起因する旋回半径が大きくなったり、タイヤの摩耗を促進したり、農用トラクタの場合にはスリップによって圃場面が荒らされることがなく、スリップに起因する各種弊害を防止することができる。

請求項２の如く制御することにより、エンジンからの動力により前輪を駆動しているときには、第二連結装置の伝達トルク変更手段により、前輪と後輪の速度が等速から前輪が後輪に対して２倍程度の設定速度までの間で確実に動力を伝達して、旋回角度に応じた変速ができるようになり、タイヤの磨耗やスリップ等を防止することができるようになるのである。

請求項３の如く制御することにより、旋回半径の小さい急旋回時や下り坂での旋回時において、前輪の回転数が理論速度比よりも速くなろうとするが、第一連結装置の伝達トルク変更手段を作動することにより、エンジンブレーキの如く作用して、略理論速度比に近い速度で旋回することができるようになり、タイヤの磨耗やスリップ等を防止することができるようになるのである。

次に、発明の実施の形態を説明する。
本発明の解決すべき課題及び手段は以上の如くであり、次に添付の図面に示した本発明の一実施例を説明する。図１は本発明の前輪回転制御装置を装備したトラクタの側面図、図２は駆動伝達経路を示すスケルトン図、図３は本発明の前輪回転制御装置の制御ブロック図、図４は制御フローチャート図である。

まず、本発明に係る前輪回転制御装置を具備した一実施例であるトラクタの概略構成について説明する。
図１において、エンジンフレーム１上にエンジン２が配置され、該エンジン２をボンネット３にて覆い、該ボンネット３の後部のダッシュボード４上に操向手段となるハンドル５を突出している。該ハンドル５の後方に座席シート６を配設し、該座席シート６の側部に主変速レバー７が配置され、該座席シート６やハンドル５等が配設されている部分を操縦部９としている。

また、前記エンジン２の後部にはクラッチハウジング１０が連結されて、該クラッチハウジング１０はメインクラッチ１１を収納して、その後部に伝動ケース１２を介してミッションケース１３が連設され、該ミッションケース１３の両側にリアアクスルケースを介して後輪１５を支承している。また、該ミッションケース１３の後部には、各種作業機を装着するための三点リンク式の作業機装着装置１６が設けられ、該ミッションケース１３の後面よりＰＴＯ軸が突出されて、作業機を駆動可能としている。
また、ミッションケース１３の前下部に前輪動力取出ケース１７が設けられ、該前輪動力取出ケース１７より前方に伝動軸１９を介してフロントアクスルケース２０に動力を伝え、該フロントアクスルケース２０に支持した前輪１４を駆動可能する構成としている。

次に、トラクタの駆動伝達系について、図２を用いて説明する。
前記エンジン２の出力軸の後部にメインクラッチ１１を介して前後進切換機構２２が設けられ、該前後進切換機構２２の後方に主変速機構２３が設けられ、その後部に副変速機構２４が設けられ、更にその後部にクリープ変速機構２５が設けられ、変速後の走行用の動力がドライブ軸３０に伝達される。一方、前記エンジン２の出力軸の動力はパイプ軸３１内の伝動軸３２にも伝えられ、該伝動軸３２の後端よりＰＴＯ変速機構２６を介してミッションケース１３の後端に設けたＰＴＯ軸２７に動力を伝達可能としている。

そして、前記変速後の動力が伝えられるドライブ軸３０の後端に設けたドライブピニオン３３が後輪デフ装置３４に設けたリングギヤに動力が伝えられ、該後輪デフ装置３４から左右のデフヨーク軸３５Ｌ・３５Ｒ、最終減速機構３６・３６を介して後輪１５・１５が駆動される構成としている。
また、前記ドライブ軸３０上に前輪駆動歯車４０と前輪増速歯車４１が固設され、該前輪駆動歯車４０または前輪増速歯車４１より本発明の前輪回転制御装置２９を介して出力軸５５より前記伝動軸１９に伝え、該電動軸１９前端よりフロントアクスルケース２０内のフロントデフ装置４３に動力が伝達され、該フロントデフ装置４３より両側のデフヨーク軸４４Ｌ・４４Ｒを介して最終減速機構４５・４５を介して前輪１４・１４を駆動するようにしている。

次に、本発明の前輪回転制御装置２９について説明する。
図３に示すように、前輪回転制御装置２９は前側の第一連結装置５１と後側の第二連結装置５２と、回転数を検知する手段と、連結装置を駆動する手段、つまり、伝達トルク変更手段と制御部６４等から構成されている。該第一連結装置５１及び第二連結装置５２は多板式の油圧クラッチより構成されている。第一連結装置５１はクラッチケース５６に設けた摩擦板と入力手段となる第一入力歯車５７のボス部の外周に設けた摩擦板を交互に配置し、クラッチケース５６内に設けた油圧シリンダに圧油を送油してピストンを摺動させて摩擦板を圧接させることで第一入力歯車５７からクラッチケース５６を介して出力軸５５に後輪と同速で駆動できるようにしている。

また、第二連結装置５２も第一連結装置５１と略同じ構成としており、クラッチケース５６に設けた摩擦板と入力手段となる第二入力歯車５８のボス部の外周に設けた摩擦板を交互に配置し、クラッチケース５６内に設けた油圧シリンダに圧油を送油してピストンを摺動させて摩擦板を圧接させることで、伝達トルクを変更して、第二入力歯車５８からクラッチケース５６を介して出力軸５５に後輪よりも増速させて駆動できるようにしている。なお、第二連結装置５２を完全に接続した状態、つまり、出力軸５５と第二入力歯車５８が一体的に回転する状態では前輪の周速は後輪の周速の約２倍となるように、前輪増速歯車４１と第二入力歯車５８の歯数が設定されている。

そして、本発明では、前輪１４と後輪１５の周速が等速となる速度比から、前輪１４の周速が後輪１５の周速の略２倍となる速度比において、エンジン２からの動力が後輪駆動部となるドライブ軸３０から前輪駆動部となる出力軸５５に回転力が伝えられているときには、第二連結装置５２の伝達トルクが変更される。また、前輪１４の回転力でエンジン２を回転するような場合には、第一連結装置５１の伝達トルクが変更されて、エンジンブレーキがかかるようにして、前輪１４の回転数を減じるようにする。
なお、本実施例では伝達トルク変更手段として油圧クラッチを用い、該油圧クラッチに電磁比例弁等を介して送油する油圧を調節して、または、電磁バルブをＰＷＭ制御により油圧を調節してピストンの押圧力を変更して伝達トルクを変更する構成としているが、油圧クラッチの代わりに電磁クラッチやパウダークラッチ等を用いることも可能であり、後輪部の入力手段から前輪駆動部の出力軸５５に動力を伝達する手段として、伝達トルクを変更できるものであればよい。

前記第一入力歯車５７は前記前輪駆動歯車４０と常時噛合され、第二入力歯車５８は前輪増速歯車４１と常時噛合されている。前記クラッチケース５６は出力軸５５上に固設され、該出力軸５５の前端はユニバーサルジョイントを介して前記伝動軸１９と連結されている。また、後輪１５の回転数（速度）を検知する手段としてドライブ軸３０近傍にその回転を検知するセンサー６０が配置され、前輪１４の回転数（速度）を検知する手段として出力軸５５近傍にその回転を検知するセンサー６１が配置されている。該センサー６０・６１は制御部６４と接続されて、速度比を演算するようにしている。但し、センサー６０はデフヨーク軸３５Ｌ・３５Ｒや最終減速機構３６等に配置することも可能であり、センサー６１はデフヨーク軸４４Ｌ・４４Ｒや最終減速機構４５等に配置することも可能である。

また、制御部６４には駆動回路６５を介して前記第一連結装置５１の油圧シリンダを作動させる伝達トルク変更手段となる電磁バルブ６２のソレノイド６２ａと、第二連結装置５２の油圧シリンダを作動させる伝達トルク変更手段となる電磁バルブ６３のソレノイド６３ａと接続され、該制御部６４には更に切換スイッチ５９が接続され、２輪駆動と４輪駆動と前輪変速とを切り換えられるようにし、該切換スイッチ５９は操縦部９近傍に配置される。また、該制御部６４にはハンドル５の操舵角を検知する手段としての角度センサー６９と接続され、該角度センサー６９は前記ハンドル５のハンドル軸部に配設されている。但し、この操舵角検知手段は前輪１４の操舵角を検知できるものであればよく、前輪１４の回動軸部や前輪１４とハンドル５の間のステアリング機構に配置することもできる。

以上のような構成において、切換スイッチ５９を２輪（後輪）駆動に切り換えると、第一連結装置５１と第二連結装置５２はそれぞれ連結されず、つまり、第一連結装置５１及び第二連結装置５２における電磁バルブ６２・６３のソレノイド６２ａ・６３ａが作動されず、ドライブ軸３０から出力軸５５に動力が伝達されない後輪１５のみの２輪駆動状態となっており、前輪１４が回転自在となっている。

また、切換スイッチ５９を４輪駆動に切り換えると、第一連結装置５１が連結されて第一入力歯車５７と出力軸５５が同回転数（前輪１４の周速と後輪１５の周速が同じ）で駆動される。つまり、切換スイッチ５９の４輪駆動への切り換えによって、駆動回路６５を介してソレノイド６２ａが作動され、圧油がシリンダに送油されて摩擦板を圧接して、第一入力歯車５７とクラッチケース５６が一体的に回転して出力軸５５に伝えられ、前輪１４と後輪１５が同周速度で駆動されるようになるのである。

また、切換スイッチ５９を前輪変速に切り換えると、ハンドル５の回動角に比例して前輪１４の周速度が後輪１５の周速度に対して理論速度比に増速される。つまり、直進状態では、第一連結装置５１を作動させて前輪１４と後輪１５を同速で駆動するそして、例えば圃場端等において回行するために、ハンドル５を回動すると、その回動角が角度センサー６９により検知され、その検出値が制御部６４に入力され、該制御部６４により回動角（操舵角）に応じて駆動回路６５に信号を出力して、第一連結装置５１及び第二連結装置５２の伝達トルクを制御する。具体的には、前記電磁バルブ６２・６３をＰＷＭ制御する場合には、第一連結装置５１と第二連結装置５２の接続時間を調節して前輪１４の回転数を制御する。また、電磁バルブ６２・６３を電磁比例弁で構成した場合には、油圧シリンダへの圧油を制御して前輪１４の回転数を制御するのである。

次に、図４に示すフローチャートに従って前輪変速に切り替えた状態における制御部６４による具体的な制御を説明する。なお、制御部６４はＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭとインターフェース等より構成される。
まず、切換スイッチ５９が前輪変速に切り替えられると（Ｓ１００）、後輪１５の回転数（周速）を検知するために、エンジンから後輪１５への動力伝達経路途中に配置されるドライブ軸３０の回転数をセンサー６０で検知し、その検知した値を読み込んでメモリに記憶させる。また、前輪１４の回転数（周速）を検知するために、前輪１４への動力伝達経路途中に配置する出力軸５５の回転数をセンサー６１で検知し、その検知した値を読み込んでメモリに記憶させる。また、操舵角度を検知するためにハンドル５の回動角度を角度センサー６９で検知し、その検出値を読み込みメモリに記憶させる（Ｓ１０１）。センサー６０で検知した後輪１５の速度とセンサー６１で検知した前輪１４の速度から現状の速度比α１を演算する（Ｓ１０２）。このとき略直進状態においては増速する必要がないので、つまり、速度比α１がα３（不感帯となるα３＝１＋閾値）よりも小さい値のときは、前輪１４と後輪１５が同周速で駆動されるように、設定速度比α３と現実の速度比α１を比較し（Ｓ１０３）、α３以下のときは第一連結装置５１の電磁バルブ６２を作動させて、直結状態とする（１０４）。
現実の速度比がα３よりも大きい場合には、角度センサー６９の検出値θ１から図７に示すマップから理論速度比α２を演算する（Ｓ１０５）。そして、現実の速度比α１と理論速度比α２との差β１を求める（１０６）。

現実の速度比α１と理論速度比α２の差β１が許容範囲となる閾値β２よりも小さい場合（Ｓ１０７）は適正な前輪速度となっているので、その状態を維持する（Ｓ１０８）。
β１がβ２よりも小さい場合（Ｓ１０９）は現実の速度比α１が理論速度比α２よりも小さい、つまり、旋回するためにハンドルを切っている状態や旋回時に地面から抵抗を受けている状態等において、前輪１４の周速が操舵角により決まる周速よりも遅くなっているときには増速する必要があり、第二連結装置５２の伝達トルクを増加するように制御する。つまり、現実の速度比α１と理論速度比α２の差に応じたトルクを増加し、理論速度比α２となるように第二連結装置５２を接続する（Ｓ１１０）。この伝達トルクを制御するために、電磁バルブ６３は油圧シリンダに圧油を送油して油圧シリンダ内の圧力を増加してピストンが摩擦板を押圧して伝達トルクを増加させる。なお、このとき第一連結装置５１が作動中であるならば伝達トルクは減少させる（図示せず）。

また、現実の速度比α１が理論速度比α２よりも大きい場合は、前輪１４の速度が理論値よりも速くなっているので、前輪１４の周速度を落とす必要があり、第一連結装置５１の伝達トルクを増加するように制御する。つまり、旋回後に直進状態に戻すときや、旋回半径が小さい急旋回の時や下り坂で旋回している時等では、前輪１４の周速が操舵角により決まる周速よりも速くなっているので減速させる必要がある。そこで、現実の速度比α１と理論速度比α２の差に応じた第一連結装置５１のトルクを増加して、前輪１４の回転力が第一連結装置５１を介してエンジン２に伝えるようにして、エンジンブレーキがかかるようにして理論速度比α２となるように前輪１４にブレーキ力をかけて減速する（Ｓ１１１）。この伝達トルクを制御するために、電磁バルブ６２は油圧シリンダに圧油を送油して油圧シリンダ内の圧力を増加してピストンが摩擦板を押圧して伝達トルクを増加させる。なお、このとき第二連結装置５２が作動中であるならば伝達トルクは減少させる（図示せず）。

このように制御することによって、直進時には前輪１４と後輪１５が同じ周速度で回転駆動するようになって、グリップ力もアップして安定した走行が可能となる。そして、旋回時に前輪が理論速度比の適正周速度に制御されることになり、前輪がスリップすることなく旋回できる。したがって、スリップや走行抵抗等に起因する旋回半径が大きくなったり、タイヤの摩耗を促進したりすることがない。特に、農用トラクタの場合にはスリップによって圃場面が荒らされることがなくきれいに仕上げることができるようになったのである。特に、旋回時にハンドル５を素早く回転しても、逆に直進状態とするために素早く戻しても、応答遅れがなくきめ細かく前輪の周速度が理論速度比に合った速度に制御される。従来では、前輪増速のクラッチを「切」とするだけであったので、直進状態に戻したときには、走行抵抗により前輪の周速が減速することとなり、応答遅れが生じていたのである。
また、伝達トルク変更手段は、電磁バルブ６２・６３を切り換えて油圧シリンダを作動させる構成であるため、従来から変速機構に用いられている油圧式クラッチを利用することができ、簡単な構成で、コンパクトにミッションケース内に配置することができ、部品の種類を統一できて、組立や制御や管理等がやり易くなる。

本発明の前輪回転制御装置を装備したトラクタの側面図。駆動伝達経路を示すスケルトン図。本発明の前輪回転制御装置の制御ブロック図。制御フローチャート図。旋回時における４輪の旋回半径を示す図。従来の旋回増速機構を示すスケルトン図。旋回中における操舵角度に対する前後車輪間の理論速度比を示す図。

符号の説明

２エンジン
１４前輪
１５後輪
２９前輪回転制御装置
５１第一連結装置
５２第二連結装置
５５出力軸
６０・６１センサー
６３電磁バルブ
６４制御部
６９角度センサー

Claims

エンジンからの動力を変速後に後輪、及び、前輪回転制御装置を介して操向自在な前輪に伝え、該前輪回転制御装置を第一連結装置と第二連結装置より構成し、該第一連結装置は後輪駆動部から前記前輪への動力を等速で伝達可能とし、第二連結装置は後輪駆動部から増速して動力を伝達可能とし、該第一連結装置及び第二連結装置にはそれぞれ伝達トルク変更手段を配置して制御部と接続するとともに、前記後輪駆動部と前輪駆動部にはそれぞれ回転数検知手段を、ステアリング機構には操舵角検知手段をそれぞれ配置して制御部と接続し、旋回時における前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように前記伝達トルク変更手段を制御したことを特徴とする４輪駆動車の前輪回転制御装置。
前記制御部は、旋回時において、エンジンの動力で前輪を駆動している場合には、前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように、第二連結装置の伝達トルク変更手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の４輪駆動車の前輪回転制御装置。
前記制御部は、旋回時において、前輪の回転力がエンジンから前輪を回転させる回転力よりも上回る場合には、前輪と後輪の変速比を旋回角に応じた変速比となるように第一連結装置の伝達トルク変更手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の４輪駆動車の前輪回転制御装置。