作業車両のハイブリッド駆動システム
【課題】エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせ、車軸とＰＴＯ軸を駆動する、従来の作業車両のハイブリッド駆動システムでは、モータ駆動時には、発電機−電動モータ系が一種の無段変速装置として作動するが、エンジン駆動時には、エンジンから車軸・ＰＴＯ軸までのトレーンにはギア式有段変速装置しか介装されておらず、モータ駆動とエンジン駆動間の切換前後で変速操作の操作感覚が大きく異なる、という問題があった。
【解決手段】エンジン３から後輪７・７まで動力を伝達する走行系トレーン５２に無段変速装置である主変速装置１４を介装すると共に、該走行系トレーン５２と、前記エンジン３からＰＴＯ軸１１まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーン５３との両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータ４を設けた。
【解決手段】エンジン３から後輪７・７まで動力を伝達する走行系トレーン５２に無段変速装置である主変速装置１４を介装すると共に、該走行系トレーン５２と、前記エンジン３からＰＴＯ軸１１まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーン５３との両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータ４を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪の車軸と作業機のＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムに関し、特に、操作性に優れた駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車ばかりでなく、建設機械や農業機械においても、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機で発電した電力により駆動する電動モータとを備えたハイブリッド駆動システムに関する技術（例えば、特許文献１参照）が公知となっている。該技術によると、エンジンからの動力のみで駆動するエンジン駆動と、電動モータからの動力のみで駆動するモータ駆動のいずれか一方の駆動形式を選択し、選択した駆動形式によって、前後輪と作業機のＰＴＯ軸とを駆動し、多様な走行形式・作業形式への対応を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６９０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術において、モータ駆動の場合は、発電機−電動モータ系が一種の無段変速装置として作動するが、エンジン駆動の場合は、エンジンから前後輪までの動力を伝達する走行系トレーンと、エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンの両トレーンには、変速装置としてはギア式の有段変速装置しか介装されていないため、無段階の変速操作が行えない。このため、モータ駆動とエンジン駆動間の駆動形式切換前後では、変速操作の操作感覚が大きく異なり、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性に劣る、という問題があった。
更に、前記電動モータからのモータ動力は、走行系トレーンでは動力伝達経路の下流位置から入力され、ＰＴＯ系トレーンでは動力伝達経路の途中位置から入力されるため、前輪、後輪、ＰＴＯ軸毎に電動モータが必要となり、部品点数の増加による部品コストの増加、伝達装置の大型化を招く、という問題があった。
加えて、エンジンの動力に電動モータの動力を合成できないため、作業車両の発進・加速、作業機の高負荷作業等の際に、電動モータによるエンジンのトルクアシスト機能が発揮できず、ハイブリッド駆動システムであるにもかかわらず、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化は望めない、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
すなわち、請求項１においては、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジンから走行輪まで動力を伝達する走行系トレーンに無段変速装置を介装すると共に、該走行系トレーンと、前記エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンとの両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータを設けたものである。
請求項２においては、前記走行系トレーンの変速部に、駆動側部材と空転側部材間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチを設け、前記空転側部材に、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第１電動モータを連動連結し、該第１電動モータの動作により、前記コントローラを介して、前記駆動側部材の駆動回転速度に対して空転側部材の空転回転速度を同期制御するものである。
請求項３においては、前記作業車両は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪とから成り、該補助駆動輪には、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第２電動モータを連動連結するものである。
請求項４においては、前記主駆動輪と補助駆動輪の周速の差を検知可能な回転センサを設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値以上になると前記第２電動モータが駆動し、前記補助駆動輪に動力を伝達して四輪駆動モードに移行するものである。
請求項５においては、前記第２電動モータと補助駆動輪との間に、動力の断接を行う補助クラッチを設け、該補助クラッチは、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチとするものである。
請求項６においては、前記補助駆動輪は、操舵輪であって、旋回角を検知可能な旋回角センサを設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角が所定値以上になると前記第２電動モータが増速し、前記補助駆動輪の周速が主駆動輪の周速よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態に移行するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１により、モータジェネレータにおいて、無段変速可能な電動モータの動力をエンジンの動力に合成して無段階の合成動力とし、作業車両の発進・加速、作業機の高負荷作業等の際には、この合成動力を、モータジェネレータよりも動力伝達経路下流側にある走行輪とＰＴＯ軸に伝達し、少なくとも、各変速段においては無段階の変速操作を行うことができ、該変速操作の操作感覚が略共通となって、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性が向上する。更に、この無段階の合成動力により、電動モータによるエンジンのトルクアシスト機能を発揮することができ、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化が図れると共に、走行輪、ＰＴＯ軸毎の電動モータが不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。加えて、作業車両の高速走行等のように、トルク特性の点からエンジンの動力のみを使用する際でも、走行系トレーンに介装した前記無段変速装置により、無段階の変速動力を走行輪に伝達し、少なくとも各変速段において無段階の変速操作を行うことができ、その間の変速操作の操作感覚が大きくは変化しない。
請求項２により、前記モータジェネレータの発電電力を利用して第１電動モータを駆動するだけで、空転側部材の空転回転速度を駆動側部材の駆動回転速度に同期させ、変速クラッチを円滑かつ静粛に接続することができ、シンクロメッシュ等のように複雑な同期機構が不要となり、例えば、変速クラッチとしてドグクラッチ等を使用することができ、部品コストの低減、メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項３により、前記モータジェネレータの発電電力を利用して第２電動モータを駆動するだけで、無段階の変速動力を補助駆動輪に伝達することができ、エンジンから補助駆動輪までの動力伝達経路が不要となり、変速操作の操作感覚は変化させることなく、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。
請求項４により、圃場間移動等の路上走行の際に二輪駆動モードを選択していても、補助駆動輪がスリップして主駆動輪との周速差が所定値以上になると、自動的に四輪駆動モードに移行してスリップ状態から脱することができ、軟弱地盤等における走行性能の向上を図ることができる。
請求項５により、補助クラッチがワンウェイクラッチの場合は、摩擦クラッチにおける引きずりトルクのような回転抵抗が生じないため、第２電動モータの回転を停止したときの連れ回りが防止され、電動モータの耐久性等が向上する。更に、補助クラッチがツーウェイクラッチの場合は、作業車両の前進時と後進時の両方で、第２電動モータを補助駆動輪の連れ回りから保護でき、第２電動モータの耐久性等が一層向上すると共に、ワンウェイクラッチのように変速クラッチを他方向進行用として別個に設ける必要がなく、部品点数の減少による部品コストの低減を図ることができる。
請求項６により、四輪駆動モード時に旋回角が所定値以上になると、自動的に補助駆動輪増速駆動状態に移行して補助駆動輪を高速で旋回させることができ、スリップや引きずりをなくすことができ、四輪駆動モードにおける旋回性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わる作業車両の全体構成を示す平面模式図である。
【図２】作業車両の各駆動制御に関するブロック図である。
【図３】同期制御の手順を示すフローチャート図である。
【図４】スリップ制御、前進増速制御の手順を示すフローチャート図である。
【図５】昇降機構の側面図である。
【図６】別形態の作業車両１Ａの平面模式図である。
【図７】別形態の作業車両１Ｂの平面模式図である。
【図８】ＰＴＯ軸の駆動制御に関するブロック図である。
【図９】ＰＴＯ軸の駆動制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】別形態の作業車両１Ｃの平面模式図である。
【図１１】動力源の配置構成を示す作業車両１Ｄの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、図１の矢印Ｆで示す方向を作業車両１の前進方向とし、以下で述べる各部材の位置や方向等はこの前進方向を基準とするものである。
【０００９】
まず、本発明に係わる作業車両１の全体構成について、図１により説明する。
該作業車両１は、後述するようにして四輪駆動可能なトラクタ等であって、機体前方には、エンジン３とモータジェネレータ４から成る動力ユニット５が搭載され、該動力ユニット５の後方には、主変速装置１４・副変速装置１５を備える後車軸駆動装置１３が連動連結され、該後車軸駆動装置１３に、左右一対の後輪７・７を支持する後車軸１０・１０が支承される。更に、該後車軸駆動装置１３には、ロータリー装置等の作業機８に動力を出力するためのＰＴＯ軸１１が後部に軸支され、該ＰＴＯ軸１１の前端は、ＰＴＯ変速装置１６を介して、前記動力ユニット５に連動連結されている。
【００１０】
これにより、前記動力ユニット５からの動力は、後車軸駆動装置１３に伝達されて、前記主変速装置１４・副変速装置１５で変速された後、前記後車軸１０・１０から後輪７・７に伝達され、該後輪７・７を駆動可能としている。同様に、前記動力ユニット５からの動力は、途中で分岐して、前記ＰＴＯ変速装置１６に伝達され、該ＰＴＯ変速装置１６で変速された後、前記ＰＴＯ軸１１から作業機８に伝達され、該作業機８を駆動可能としている。
【００１１】
更に、前記後車軸駆動装置１３の前方には、該後車軸駆動装置１３とは別駆動の前車軸駆動装置１２が配置されている。該前車軸駆動装置１２には、左右一対の前輪６・６を支持する前車軸９・９が支承されると共に、該前車軸９・９を駆動する第２電動モータＭ２が内蔵されており、これにより、該第２電動モータＭ２からの動力が前車軸９・９から前輪６・６に伝達され、該前輪６・６を駆動可能としている。
【００１２】
次に、前記動力ユニット５、後車軸駆動装置１３、前車軸駆動装置１２の詳細構造と、それらの動力伝達構成について、図１、図２により説明する。
このうちの動力ユニット５において、前記モータジェネレータ４は、エンジン３と動力出力軸１９との間に介装され、エンジン３の駆動をアシストする無段変速可能な電動モータとして作動し、あるいは、エンジン３を駆動源に発電する発電機として作動する。更に、モータジェネレータ４には、昇圧コンバータ部１７ａとインバータ部１７ｂを内蔵するハイブリッド用のインバータ１７が接続され、該インバータ１７には、バッテリ１８とコントローラ１００とが接続され、該コントローラ１００には、前記エンジン３にかかる負荷を検知するエンジン負荷センサ４３が接続されている。
【００１３】
このような構成において、前後輪６・７や作業機８の作動に伴ってエンジン負荷が増加し、前記エンジン負荷センサ４３により検知されたエンジン負荷の値が所定値以上となる場合は、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信される。すると、該モータ駆動信号に基づいて、前記バッテリ１８に蓄えられた直流電力が、前記インバータ１７内の昇圧コンバータ部１７ａによって昇圧され、該昇圧された直流電力は、前記インバータ部１７ｂによって交流電力に変換された後、前記モータジェネレータ４に供給されて、該モータジェネレータ４は電動モータとして作動する。
【００１４】
これにより、モータジェネレータ４の無段階の動力が、エンジン３のクランク軸と連結しているモータジェネレータ４の駆動軸を介して、エンジン３の動力に合成され、無段階の合成動力として動力ユニット５から出力され、エンジン負荷の一部を賄うトルクアシスト機能が発揮される。
【００１５】
該トルクアシスト機能によると、モータジェネレータ４よりも動力伝達経路下流側にある変速装置に対して無段階の合成動力を伝達できる。このため、該変速装置が、たとえ前記副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６のような有段変速タイプであっても、各変速段においては、無段階の変速操作が可能となる。
【００１６】
逆に、エンジン負荷が小さくて所定値未満の場合は、エンジン３からの出力の余裕分でモータジェネレータ４が発電機として作動し、発電された交流電力は、前記インバータ１７内のインバータ部１７ｂによって直流電力に変換され、該変換された直流電力は、前記昇圧コンバータ部１７ａによって昇圧された後、前記バッテリ１８に蓄えられる。これにより、モータジェネレータ４による充電機能が発揮される。
【００１７】
なお、このようなエンジン３の運動エネルギに加えて、作業時に各部で発生する位置エネルギ等も、後述のようにして、電気エネルギに変換して回生され、前記バッテリ１８に蓄えられる。これにより、充電機能の適用範囲が拡大し、エンジン３の平均必要馬力を低くすることができ、必要なエンジン３の小型化も図れる。
【００１８】
また、前記後車軸駆動装置１３において、前記動力出力軸１９は、メインクラッチ２０を介して、前記主変速装置１４への入力軸であるポンプ軸２４に連結され、前記動力ユニット５からの動力が、前記主変速装置１４に対して断接可能に伝達される。
【００１９】
該主変速装置１４は、油圧式の無段変速装置であって、可変容積型の油圧ポンプ２１と固定容積型の油圧モータ２２が一対のメイン油路２３ａ・２３ｂによって流体的に接続された閉回路で構成される。そして、該閉回路において、前記油圧ポンプ２１の可動斜板２１ａの斜板角度を調整することにより、前記動力出力軸１９からポンプ軸２４を介して油圧ポンプ２１に入力される動力の回転数と回転方向が自在に変更され、主変速動力として、前記油圧モータ２２のモータ軸２５から出力される。
【００２０】
この際、前記可動斜板２１ａには、トラニオン軸等を介して電動シリンダ等の電動式アクチュエータ１１１が連動連結されており、該電動式アクチュエータ１１１は、前記インバータ１７に接続されている。
【００２１】
このような構成において、主変速レバー２６を操作すると、該主変速レバー２６からコントローラ１００にレバー位置信号が送信され、該レバー位置信号に基づいて、コントローラ１００から前記インバータ１７に主変速指令信号が送信される。すると、該主変速指令信号に基づいて、前記バッテリ１８の電力がインバータ１７から電動式アクチュエータ１１１に供給され、該電動式アクチュエータ１１１が作動して前記可動斜板２１ａが傾動し、主変速が行われる。
【００２２】
すなわち、前記主変速装置１４は、電動式アクチュエータ１１１により変速操作し、該電動式アクチュエータ１１１は、前記モータジェネレータ４によって蓄えられた電力によって駆動するので、油圧式に比べて小型であり、更に、油圧配管等の設置空間が不要な電動式アクチュエータ１１１を用い、しかも、該電動式アクチュエータ１１１駆動のための電力源を別途に設けることなく、前記主変速装置１４の変速操作を行うことができ、主変速装置１４のコンパクト化と構造の簡素化を図ることができる。
【００２３】
前記油圧モータ軸２５は、主変速装置１４から後方に突出して、副変速装置１５の副変速入力軸２７と連結され、前記主変速装置１４からの主変速動力が副変速装置１５に伝達される。
【００２４】
該副変速装置１５は、ギア式の有段変速装置であって、前記副変速入力軸２７上には、前後に小径入側ギア２８と大径入側ギア２９が固設される。そして、前記副変速入力軸２７と略平行に後輪駆動軸３２が配置され、該後輪駆動軸３２の前半部には、前後に大径出側ギア３０と小径出側ギア３１が相対回転可能に嵌設されており、このうちの大径出側ギア３０が小径入側ギア２８と噛合して低速ギア列２８・３０が形成され、小径出側ギア３１が大径入側ギア２９と噛合して高速ギア列２９・３１が形成される。
【００２５】
更に、前記後輪駆動軸３２上において、前記大径出側ギア３０と小径出側ギア３１との間には、スプラインハブ１０６が相対回転不能に係合され、該スプラインハブ１０６には、シフタ１０６ａが軸芯方向摺動自在かつ相対回転不能に係合されている。一方、大径出側ギア３０でスプラインハブ１０６側に向かう部分にはクラッチ歯部３０ａが形成され、同じく、小径出側ギア３１でスプラインハブ１０６側に向かう部分にはクラッチ歯部３１ａが形成されており、これらスプラインハブ１０６、シフタ１０６ａ、クラッチ歯部３０ａ・３１ａ等からドグクラッチ式の副変速クラッチ３４が形成されている。
【００２６】
加えて、前記シフタ１０６ａは、フォーク等のリンク機構を介して油圧シリンダ１０５のロッド１０５ａに連結され、該油圧シリンダ１０５内の油室は、油路を介して電磁切替弁１１２と連通されている。
【００２７】
このような構成において、副変速レバー３３を操作すると、該副変速レバー３３からコントローラ１００にレバー位置信号が送信され、該レバー位置信号に基づいて、コントローラ１００から前記電磁切替弁１１２に副変速指令信号が送信される。すると、該副変速指令信号に基づいて、電磁切替弁１１２のソレノイドが励磁されて所定の励磁位置に切り替わり、油圧シリンダ１０５に作動油が供給されてロッド１０５ａが伸縮する。
【００２８】
これにより、前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａと係合して前記低速ギア列２８・３０が選択される低速度段、前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａ・３１ａのいずれとも係合しない中立状態、及び前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３１ａと係合して高速ギア列２９・３１が選択される高速度段のうちのいずれかを選択可能な主変速が行われる。
【００２９】
なお、後輪駆動軸３２の前端には、後で詳述する同期制御のための第１電動モータＭ１のモータ軸が連動連結され、該第１電動モータＭ１は、前記インバータ１７に接続されている。
【００３０】
前記後輪駆動軸３２は、副変速装置１５から後方に突出し、その突出端にはベベルギア３５が固設され、該ベベルギア３５には、後輪差動装置３７のリングギア３６が噛合されており、該後輪差動装置３７を介して、左右の後輪７・７を支承する後車軸１０・１０が差動連結される。
【００３１】
以上のような構成により、前記動力ユニット５の動力は、動力出力軸１９、主変速装置１４、副変速入力軸２７、副変速装置１５、後輪駆動軸３２、後輪差動装置３７、及び後車軸１０・１０から成る動力伝達経路（以下、「走行系トレーン」とする）５２を介して、左右の後輪７・７に伝達される。
【００３２】
また、前記後車軸駆動装置１３において、その動力出力軸１９上で、前記メインクラッチ２０と主変速装置１４との間には、分岐駆動ギア３９が固設される。そして、前記動力出力軸１９と略平行にＰＴＯ伝動軸４１が配置され、該ＰＴＯ伝動軸４１の前端には分岐従動ギア４０が固設され、該分岐従動ギア４０は前記分岐駆動ギア３９と噛合されている。
【００３３】
更に、前記ＰＴＯ伝動軸４１の前後途中部には、ＰＴＯクラッチ４２が介設されると共に、ＰＴＯ伝動軸４１の後半部には、前後に小径入側４４と大径入側４５が固設される。そして、前記ＰＴＯ伝動軸４１と略平行にＰＴＯ軸１１が配置され、該ＰＴＯ軸１１の前半部には、前後に大径出側ギア４６と小径出側ギア４７が相対回転可能に嵌設されており、このうちの大径出側ギア４６が小径入側ギア４４と噛合して低速ギア列４４・４６が形成され、小径出側ギア４７が大径入側ギア４５と噛合して高速ギア列４５・４７が形成される。
【００３４】
そして、前記副変速クラッチ３４と同様にして、シフタ４９ａを有するスプラインハブ４９、クラッチ歯部４６ａ・４７ａ等からＰＴＯ変速クラッチ５１が形成されると共に、該ＰＴＯ変速クラッチ５１は、電磁切替弁５０で作動する油圧シリンダ４８によって操作されるようにしている。
【００３５】
これにより、前記低速ギア列４４・４６が選択される低速度段、いずれのギア列も選択されない中立状態、及び前記高速ギア列４５・４７が選択される高速度段のうちのいずれかを選択可能なＰＴＯ変速が行われる。なお、前記ＰＴＯ軸１１は、ＰＴＯ変速クラッチ５１から後方に突出し、その突出部は、作業機８の図示せぬ入力部分に連動連結されている。
【００３６】
以上のような構成により、前記動力ユニット５の動力は、動力出力軸１９、ＰＴＯ伝動軸４１、ＰＴＯクラッチ４２、ＰＴＯ変速装置１６、ＰＴＯ軸１１から成る動力伝達経路（以下、「ＰＴＯ系トレーン」とする）５３を介して、作業機８に伝達される。
【００３７】
該ＰＴＯ系トレーン５３と前記走行系トレーン５２には、作業車両１の発進・加速、作業機８の高負荷作業等の際は、前記トルクアシスト機能が発揮されて、エンジン３の動力とモータジェネレータ４の動力との合成動力が伝達される。高速走行の際は、エンジン３の動力のみが伝達され、低速走行の際は、充電機能を発揮しつつ、モータジェネレータ４の動力のみが伝達される。
【００３８】
ここで、前述の如く、動力伝達経路最上流位置にあるモータジェネレータ４の動力は無段階であると共に、走行系トレーン５２の途中部に配置する主変速装置１４は油圧式の無段変速装置であることから、走行系トレーン５２・ＰＴＯ系トレーン５３を介して後輪７・７とＰＴＯ軸１１に伝達される動力は、エンジン３の動力のみ、トルクアシスト時の合成動力、モータジェネレータ４の動力のみのいずれの場合であっても、常に無段階で変速可能である。
【００３９】
従って、副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６において高低二段のいずれかの速度段に設定した後、設定した速度段にて無段階の変速操作を行うことができる。更には、合成動力を適正に制御することにより、副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６において高低二段間の変速操作の前後の速度を等しくし、実質的に無段階の変速操作を行うことも可能である。
【００４０】
すなわち、エンジン３と、該エンジン３による発電電力で駆動される電動モータであるモータジェネレータ４と、該モータジェネレータ４と前記エンジン３の駆動を制御するコントローラ１００とを備え、前記エンジン３の動力にモータジェネレータ４の動力を組み合わせることにより、走行輪である後輪７・７とＰＴＯ軸１１を駆動する、作業車両１のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジン３から後輪７・７まで動力を伝達する走行系トレーン５２に無段変速装置である主変速装置１４を介装すると共に、該走行系トレーン５２と、前記エンジン３からＰＴＯ軸１１まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーン５３との両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータ４を設けたので、該モータジェネレータ４において、無段変速可能な電動モータとしての動力をエンジン３の動力に合成して無段階の合成動力とし、作業車両の発進・加速、作業機８の高負荷作業等の際には、この合成動力を、モータジェネレータ４よりも動力伝達経路下流側にある後輪７・７とＰＴＯ軸１１に伝達し、少なくとも、各変速段においては無段階の変速操作を行うことができ、該変速操作の操作感覚が略共通となって、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性が向上する。更に、この無段階の合成動力により、電動モータによるエンジン３のトルクアシスト機能を発揮することができ、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化が図れると共に、後輪７・７、ＰＴＯ軸１１毎の電動モータが不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。加えて、作業車両１の高速走行等のように、トルク特性の点からエンジン３の動力のみを使用する際でも、走行系トレーン５２に介装した前記主変速装置１４により、無段階の変速動力を後輪７・７に伝達し、少なくとも各変速段において無段階の変速操作を行うことができ、その間の変速操作の操作感覚が大きくは変化しない。
【００４１】
また、前記前車軸駆動装置１２において、前記第２電動モータＭ２は、前記インバータ１７に接続されると共に、第２電動モータＭ２のモータ軸は、前方に突出して前輪駆動軸５４に連動連結され、該前輪駆動軸５４の途中部に、前輪クラッチ５５が介設される。該前輪駆動軸５４の前端には、ベベルギア５６が固設され、該ベベルギア５６には、前輪差動装置３８のリングギア５７が噛合されており、該前輪差動装置３８を介して、左右の前輪６・６を支承する前車軸９・９が差動連結されている。
【００４２】
そして、前記前輪クラッチ５５には、ワンウェイクラッチまたは、ツーウェイクラッチが用いられる。前輪クラッチ５５がワンウェイクラッチの場合は、作業車両１の前進時に前輪クラッチ５５が接続されるように構成されており、インバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給され、該第２電動モータＭ２が駆動されると、前輪クラッチ５５を介して前輪６・６が駆動され、二輪駆動モードから四輪駆動モードに移行する。これにより、作業車両１の発進性、加速性、段差や窪地等の乗り越し性等が向上する。
【００４３】
インバータ１７から第２電動モータＭ２への電力が遮断され、前記第２電動モータＭ２が停止されると、前記動力ユニット５からの動力によって後輪７・７のみが駆動する二輪駆動モードに移行する。この時、前輪６・６の先行回転によって、ワンウェイクラッチである前輪クラッチ５５の接続が解除されるため、前輪６・６の連れ回りが第２電動モータＭ２から遮断され、連れ回りによる第２電動モータの回転が防止される。
【００４４】
前輪クラッチ５５がツーウェイクラッチの場合は、該ツーウェイクラッチ前後での相対回転の遮断方向を切り換えることができる構成となっており、作業車両１が、前進時だけでなく後進時にも、前輪６・６の連れ回りが第２電動モータＭ２から遮断され、連れ回りによる第２電動モータＭ２の回転が防止される。
【００４５】
すなわち、前記作業車両１は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪である後輪７・７と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪である前輪６・６とから成り、該前輪６・６には、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動される第２電動モータＭ２を連動連結するので、前記モータジェネレータ４の発電電力を利用して第２電動モータＭ２を駆動するだけで、無段階の変速動力を前輪６・６に伝達することができ、エンジン３から前輪６・６までの動力伝達経路が不要となり、変速操作の操作感覚は変化させることなく、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。
【００４６】
更に、前記第２電動モータＭ２と補助駆動輪である前輪６・６との間に、動力の断接を行う補助クラッチである前輪クラッチ５５を設け、該前輪クラッチ５５は、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチであるので、前輪クラッチ５５がワンウェイクラッチの場合は、摩擦クラッチにおける引きずりトルクのような回転抵抗が生じないため、第２電動モータＭ２の回転を停止したときの連れ回りが防止され、第２電動モータＭ２の耐久性等が向上する。更に、前輪クラッチ５５がツーウェイクラッチの場合は、作業車両１の前進時と後進時の両方で、第２電動モータＭ２を前輪６・６の連れ回りから保護でき、第２電動モータＭ２の耐久性等が一層向上すると共に、ワンウェイクラッチのように変速クラッチを他方向進行用として、本実施例では後方進行用として別個に設ける必要がなく、部品点数の減少による部品コストの低減を図ることができる。
【００４７】
次に、以上のような動力伝達構成における各種駆動制御構成について、図１乃至図４により説明する。
図１乃至図３に示すように、前記副変速装置１５には、前記副変速入力軸２７の回転速度を検知する入力軸回転センサ１０１と、前記後輪駆動軸３２の回転速度を検知する後輪駆動軸回転センサ１０２とが配置され、これら両回転センサ１０１・１０２は、いずれも前記コントローラ１００に接続されている。
【００４８】
このような構成において、前記副変速レバー３３を操作して、前記低速ギア列２８・３０を選択する低速位置、中立状態を選択する中立位置、高速ギア列２９・３１を選択する高速位置いずれかに設定する（ステップＳ１）。
【００４９】
副変速レバー３３が、中立位置にはなく低速位置または高速位置に設定されていると（ステップＳ１：ＮＯ）、前記入力軸回転センサ１０１・後輪駆動軸回転センサ１０２から、それぞれ入力軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ２）。
【００５０】
続いて、該入力軸回転速度信号から求めた副変速入力軸２７の回転速度と、低速ギア列２８・３０または高速ギア列２９・３１のギア比と基づいて、出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１を算出する（ステップＳ３）。そして、この算出した出側ギア３０・３１のうち回転中の出側ギアの回転速度Ｖ１が、前記後輪駆動軸回転速度信号から求めた後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２に略等しいか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００５１】
両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しければ（ステップＳ４：ＹＥＳ）、コントローラ１００から前記電磁切替弁１１２に副変速指令信号を送信し、油圧シリンダ１０５を作動させて副変速クラッチ３４を接続する（ステップＳ６）。
【００５２】
両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しくなければ（ステップＳ４：ＮＯ）、コントローラ１００からインバータ１７に同期駆動信号が送信され、該インバータ１７から第１電動モータＭ１に電力が供給されて、該第１電動モータＭ１により、両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しくなるまで、前記後輪駆動軸３２が増減速される（ステップＳ５）。そして、この同期駆動が行われた後に、前記ステップＳ６が実行される。
【００５３】
これにより、前記副変速レバー３３が中立位置にあって、シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａ・３１ａのいずれとも係合しておらず、後輪７・７の連れ回りで後輪駆動軸３２が空転している場合に、前記インバータ１７から電力が供給される第１電動モータＭ１を利用するだけで、このような同期制御が容易に可能となる。
【００５４】
すなわち、前記走行系トレーン５２の変速部である副変速装置１５に、駆動側部材である出側ギア３０・３１と空転側部材である後輪駆動軸３２間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチである副変速クラッチ３４を設け、前記後輪駆動軸３２に、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動される第１電動モータＭ１を連動連結し、該第１電動モータＭ１の動作により、前記コントローラ１００を介して、駆動回転速度である前記出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１に対して、空転回転速度である後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２を同期制御するので、前記モータジェネレータ４の発電電力を利用して第１電動モータＭ１を駆動するだけで、後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２を出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１に同期させ、副変速クラッチ３４を円滑かつ静粛に接続することができ、シンクロメッシュ等のように複雑な同期機構が不要となり、例えば、副変速クラッチ３４としてドグクラッチ等を使用することができ、部品コストの低減、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００５５】
また、図１、図２，図４に示すように、前記前車軸駆動装置１２には、前輪駆動軸５４の回転速度を検知する前輪駆動軸回転センサ１０３が配置されると共に、操向ハンドル５８のハンドル回転軸５９近傍には、作業車両１の旋回角を検知する旋回角センサ１０４が配置されており、これら前輪駆動軸回転センサ１０３・旋回角センサ１０４は、いずれも前記コントローラ１００に接続される。
【００５６】
このような構成において、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されているか否か、すなわち、該モータ駆動信号により、インバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給されて四輪駆動モードにあるか否かが判断される（ステップＳ１１）。
【００５７】
モータ駆動信号が送信されておらず、二輪駆動モードにあることが判明すると（ステップＳ１１：ＮＯ）、前記前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２から、それぞれ前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ１２）。
【００５８】
続いて、前記前輪駆動軸回転速度信号から求めた前輪駆動軸５４の回転速度、前輪６・６の車輪径、後輪駆動軸回転速度信号から求めた後輪駆動軸３２の回転速度、及び後輪７・７の車輪径に基づいて、前輪６・６と後輪７・７の各周速を算出する（ステップＳ１３）。そして、この算出した前輪６・６の周速Ｖ３と後輪７・７の周速Ｖ４との差の絶対値が、所定値ΔＶ０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１４）。
【００５９】
両周速Ｖ３・Ｖ４の差の絶対値が所定値ΔＶ０よりも大きければ（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信され、該モータ駆動信号により第２電動モータＭ２に電力が供給されて四輪駆動モードに移行する（ステップＳ１５）。両周速Ｖ３・Ｖ４の差の絶対値が所定値ΔＶ０以下であれば（ステップＳ１４：ＮＯ）、二輪駆動モードに保持されたまま、再びステップＳ１２以降のプロセスを実行する。
【００６０】
このようなスリップ制御により、二輪駆動モード中にスリップし、前輪６・６と後輪７・７の周速間に大きな差が生じた場合は、自動的にインバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給されて前輪６・６が駆動し、四輪駆動モードに移行してスリップ状態から迅速に脱することができる。
【００６１】
一方、モータ駆動信号が送信されており、四輪輪駆動モードにあることが判明すると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、前記旋回角センサ１０４から旋回角信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ１６）。
【００６２】
そして、この旋回角信号から求めた作業車両１の旋回角θが、所定の旋回角θ０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１７）。旋回角θが所定の旋回角θ０よりも大きければ（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、前輪増速駆動状態へ移行する（ステップＳ１８）。
【００６３】
ここで、本実施例の如く、前輪６・６が操舵輪の場合は、旋回角θが大きくなるに従い、前輪６・６の旋回半径が後輪７・７の旋回半径よりも大きくなり、前輪６・６と後輪７・７にスリップや引きずりが発生する。従って、前記前輪増速駆動状態に移行することにより、前輪６・６を後輪７・７よりも高速で旋回させることができ、前輪６・６と後輪７・７をすれることなく一緒に旋回させることができる。
【００６４】
旋回角θが所定の旋回角θ０以下であれば（ステップＳ１７：ＮＯ）、前後輪等速状態のまま、再びステップＳ１６以降のプロセスを実行する。
【００６５】
このような前進増速制御により、四輪駆動モード中に大きな角度で旋回すると、自動的にインバータ１７から第２電動モータＭ２に大きな電力が供給され、前輪６・６が増速して前輪増速駆動状態に移行し、安定した旋回が可能となる。
【００６６】
すなわち、前記主駆動輪である後輪７・７の周速Ｖ４と補助駆動輪である前輪６・６の周速Ｖ３の差を検知可能な回転センサである後輪駆動軸回転センサ１０２・前輪駆動軸回転センサ１０３を設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値ΔＶ０以上になると前記第２電動モータＭ２が駆動し、前記前輪６・６に動力を伝達して四輪駆動モードに移行するので、圃場間移動等の路上走行の際に二輪駆動モードを選択していても、前輪６・６がスリップして後輪７・７との周速差が所定値ΔＶ０以上になると、自動的に四輪駆動モードに移行してスリップ状態から脱することができ、軟弱地盤等における走行性能の向上を図ることができる。
【００６７】
更に、前記補助駆動輪である前輪６・６は、操舵輪であって、旋回角θを検知可能な旋回角センサ１０４を設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角θが所定値θ０以上になると前記第２電動モータＭ２が増速し、前記前輪６・６の周速Ｖ３が後輪７・７の周速Ｖ４よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態である前輪増速駆動状態に移行するので、四輪駆動モード時に旋回角θが所定値以上になると、自動的に前進増速駆動状態に移行して前輪６・６を高速で旋回させることができ、スリップや引きずりをなくすことができ、四輪駆動モードにおける旋回性能の向上を図ることができる。
【００６８】
次に、前記作業車両１における作業機８の昇降機構６１とその駆動制御等について、図１、図２、図５により説明する。
図１、図５に示すように、該昇降機構６１において、車体フレーム６３の後端上側に正面視門型のヒッチフレーム６４が固設され、該ヒッチフレーム６４の上下部には、それぞれトップリンク６６とロワリンク６７を介して、ヒッチ６５の上下部が回動可能に連結され、該ヒッチ６５の後部に前記作業機８が係止されるようにしている。
【００６９】
そして、前記ロワリンク６７の前から立設された基板６９の上端と、前記ロワリンク６７間に、リンクフレーム６８が側面視三角形となるように連結され、該リンクフレーム６８の前端と前記基板６９の上端との連結部には、ピン７４を介して、昇降シリンダ７０の後ピストンロッド７８の後端が連結されている。
【００７０】
該昇降シリンダ７０は、車体フレーム６３内に配設された前後復動タイプであって、シリンダ７５内にピストン７６が前後摺動可能に内挿されており、該ピストン７６の前後端面から、それぞれ前ピストンロッド７７と前記後ピストンロッド７８とが前後に突出されると共に、シリンダ７５内には、ピストン７６を挟んで前後に、それぞれ前油室７９と後油室８０とが形成されている。
【００７１】
更に、前記車体フレーム６３には、前記インバータ１７に接続される発電機７３・電動モータＭ５と、該電動モータＭ５のモータ出力軸にポンプ軸７１ａを連結した油圧ポンプ７１とが配設されている。そして、このうちの発電機７３は、前記前ピストンロッド７７の前端に連結されると共に、前記油圧ポンプ７１は、一対の油路８１・８１を介して、前記前油室７９と後油室８０とに連通されている。
【００７２】
このような構成において、図２、図５に示すように、昇降レバー８２が操作され、コントローラ１００からインバータ１７に上昇信号が送信されると、該インバータ１７から前記電動モータＭ５に電力が供給されて駆動し、前記油圧ポンプ７１から後油室８０に向かって圧油が供給される。すると、後ピストンロッド７８が前方に摺動して、リンクフレーム６８が前方に牽引され、ヒッチ６５に係止された作業機８が上昇する。
【００７３】
逆に、昇降レバー８２が操作され、コントローラ１００からインバータ１７に下降信号が送信されると、該インバータ１７から前記電動モータＭ５には、モータ出力軸が逆向きに回転するように電力が供給される。すると、前記油圧ポンプ７１から前油室７９に向かって圧油が供給され、後ピストンロッド７８が後方に摺動して、リンクフレーム６８が後方に押し出され、ヒッチ６５に係止された作業機８が下降する。
【００７４】
更に、このような作業機８の昇降に応じて前ピストンロッド７７が前後動すると、前記発電機７３が作動し、その回生電力がインバータ１７に送られて、前記モータジェネレータ４によるトルクアシスト機能・充電機能に用いられるようにしている。
【００７５】
すなわち、作業機８を昇降する油圧式の昇降シリンダ７０と、該昇降シリンダ７０に圧油を給排する油圧ポンプ７１と、該油圧ポンプ７１を駆動する電動モータＭ５とを設け、該電動モータＭ５は、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動するので、エンジン３から油圧ポンプ７１までの該油圧ポンプ７１駆動用のギア式伝達装置等が不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による作業車両１の小型化が図れる。
【００７６】
更に、前記油圧ポンプ７１は、復動タイプに構成し、作業機８に連結するピストンロッドである後ピストンロッド７８とは反対側のピストンロッドである前ピストンロッド７７に発電機７３を連動連結し、該発電機７３による発電電力を前記モータジェネレータ４に供給可能とするので、作業機８の上昇運動・下降運動による運動エネルギを電気エネルギとして回生することができ、高いエネルギ効率が得られる。特に、作業機８の下降時には、第５電動モータＭ５は駆動せず、下降動作を作業機８の自重だけで行うようにしてもよく、この場合は、電力を全く消費することなく、エネルギ回生だけを行うことができ、エネルギ効率が更に向上する。なお、以下には作業車両１の各種別形態について説明するが、同じ部材については、前記作業車両１と同一の符号・部材名を使用するものである。
【００７７】
次に、前記作業車両１の各種別形態について、図１、図２、図５乃至図１１により説明する。
図６に示す作業車両１Ａは、図１に示す作業車両１において、主変速装置１４に替えて、ギア式の前後進切換装置８３と、ベルト式無段変速装置８４・遊星ギア機構８５から成る無段変速機構９９を、主変速装置８６として配置して、油圧式の無段変速装置である前記主変速装置１４よりも動力性能の向上を図ったものである。
【００７８】
該主変速装置８６においては、前記動力出力軸１９は、前記メインクラッチ２０、前後進切換装置８３を介して、ベルト式無段変速装置８４へのＣＶＴ入力軸８８に連結されており、前記動力ユニット５からの動力が、前記前後進切換装置８３で前進動力または後進動力（以下、「前後進動力」とする）に変換された後、ＣＶＴ入力軸８８からベルト式無段変速装置８４に断接可能に伝達される。
【００７９】
該ベルト式無段変速装置８４は、第１可変プーリ９０、第２可変プーリ９１、及び両可変プーリ９０・９１間に巻回されるベルト９２等から成る。そして、このうちの第１可変プーリ９０は、前記ＣＶＴ入力軸８８の途中部に配設され、前記主変速レバー２６に連結される図示せぬ油圧シリンダやモータ等のアクチュエータによって軸方向に往復移動可能に軸支される第１可変シーブ９０ａと、前記ＣＶＴ入力軸８８に固定された第１固定シーブ９０ｂとにより構成される。
【００８０】
更に、前記ＣＶＴ入力軸８８に略平行にＣＶＴ出力軸８９が前後方向に配置され、該ＣＶＴ入力軸８８の前端に、前記第２可変プーリ９１が配置される。該第２可変プーリ９１は、図示しないバネ等の付勢手段により、軸方向に往復移動可能に軸支される第２可変シーブ９１ａと、前記ＣＶＴ出力軸８９に軸止された第２固定シーブ９１ｂとにより構成される。
【００８１】
このような構成において、図２に示す前記主変速レバー２６を操作すると、前記アクチュエータによって第１可変シーブ９０ａが軸方向に移動し、第１可変プーリ９０の溝幅が変化してベルト９２との接触プーリ径が変化し、それに応じて、前記第２可変シーブ９１ａも軸方向に移動し、第２可変プーリ９１の溝幅が変化してベルト９２との接触プーリ径が変化する。
【００８２】
このようにして、各可変プーリ９０・９１の溝幅を変化させることにより、ベルト式無段変速装置８４の入力側および出力側のプーリ径を相対的に変化させ、変速比を無段階に変更することができ、前記前後進切換装置８３からの前後進動力が、無段変速された後、ＣＶＴ出力軸８９から遊星ギア機構８５に伝達される。
【００８３】
該遊星ギア機構８５は、中心のサンギア９３と、該サンギア９３の外周に配置・噛合されると共にキャリア９６によって支持される複数のプラネタリギア９４と、該プラネタリギア９４の外周に噛合されたリング状のインターナルギア９５とによって構成される。
【００８４】
前記キャリア９６は、前記ＣＶＴ出力軸８９上に相対回転可能に環設されると共に、キャリア９６の外周にはギア９６ａが形成され、該ギア９６ａは逆転ギア９８に噛合され、該逆転ギア９８は、前記ＣＶＴ入力軸８８の後端に固設された出力ギア９７と噛合されており、プラネタリギア９４には、ベルト式無段変速装置８４で変速される前の前後進動力が、そのまま入力されるようにしている。
【００８５】
一方、前記ＣＶＴ出力軸８９の後端に前記サンギア９３が固設されており、該サンギア９３には、ベルト式無段変速装置８４による変速動力が入力されるようにしている。そして、これらプラネタリギア９４とサンギア９３から入力された動力は合成され、無段の主変速動力として、前記インターナルギア９５に固設された前記副変速入力軸２７から出力される。
【００８６】
以上のような構成において、前記ベルト式無段変速装置８４の変速比を調整することにより、無段変速機構９９から副変速入力軸２７に出力される主変速動力の回転を、前進方向、回転ゼロのギアドニュートラル状態、後進方向の間で連続的に変化させることができる。
【００８７】
更に、前記無段変速機構９９よりも動力伝達経路上流側に、ギア式の前記前後進切換装置８３を配置するので、該前後進切換装置８３により、無段変速機構９９に入力する前の動力の前後進を機械的に切り替え可能とし、その上で、無段変速機構９９を、効率の良い又はトルクアップの大きな一方向側の回転で使用する制御構成とする。例えば、無段変速機構９９からの動力が前進側に大きな変速比が得られるようであれば、後進時には、前後進切換装置８３により、前進時の動力の回転方向を逆転させて無段変速機構９９に入力するのである。このようにして、後進時の効率向上や速域の拡大を図り、前進・後進ともに同様な動力性能を発揮することができる。
【００８８】
また、図７に示す作業車両１Ｂは、前記作業車両１において、前記ＰＴＯ軸１１の駆動を、前記動力ユニット５からの動力ではなく、第３電動モータＭ３からの動力により行うようにして、ＰＴＯ出力形式の多様化、後車軸駆動装置１３のコンパクト化を図ったものである。
【００８９】
前記第３電動モータＭ３は、前記インバータ１７に接続されると共に、第３電動モータＭ３のモータ軸は、後方に突出してＰＴＯ軸１１に連動連結され、該ＰＴＯ軸１１の途中部に、前記ＰＴＯクラッチ４２が介設されている。
【００９０】
これにより、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されると、該モータ駆動信号により、インバータ１７から第３電動モータＭ３に電力が供給され、該第３電動モータＭ３が駆動して、ＰＴＯ動力が、ＰＴＯ軸１１から作業機８に断接可能に伝達される。
【００９１】
なお、この作業車両１Ｂにも、前記作業車両１と同様に、図５に示す昇降機構６１が設けられており、作業機８の上昇運動・下降運動による運動エネルギを電気エネルギとして回生できるようにしている。
【００９２】
そして、このような構成におけるＰＴＯ変速制御について説明する。
図７、図８に示すように、前記コントローラ１００には、ＰＴＯ軸１１の回転速度を一定に保つ定回転制御、その回転速度が作業車両１の車速に比例する車速比例制御のいずれか一方の選択操作を行うＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が接続されると共に、ＰＴＯ軸１１を一方向（以下、「正転方向」とする）に回転する正転制御、他方向（以下、「逆転方向」とする）にＰＴＯ軸１１を回転する逆転制御のいずれか一方を選択する選択操作を行うためのＰＴＯ正逆切換レバー１０９が接続される。
【００９３】
更に、前記コントローラ１００には、ＰＴＯ軸１１の回転速度を検知するＰＴＯ軸回転センサ１０７と、前記作業機８の昇降動作を検知するリミットスイッチ１１０とが接続され、該リミットスイッチ１１０は、作業機８側と車体側、例えばヒッチフレーム６４との間に介設されている。なお、前記前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２も設けられている。
【００９４】
このような構成において、図９に示すように、前記ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９・ＰＴＯ軸回転センサ１０７・リミットスイッチ１１０・前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２からは、それぞれスイッチ位置信号・レバー位置信号・ＰＴＯ軸回転速度信号・リミット信号・前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ２１）。
【００９５】
その後、前記スイッチ位置信号により、ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が定回転位置にあるか否かが判断される（ステップＳ２２）。ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が定回転位置にあることが判明すると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ＰＴＯ軸１１の回転速度が所定の一定速度となるように制御される（ステップＳ２３）。一方、車速比例位置にあることが判明すると（ステップＳ２２：ＮＯ）、ＰＴＯ軸１１の回転速度が、前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号に基づいて算出した車速に比例して増減速される（ステップＳ２４）。
【００９６】
続いて、前記レバー位置信号により、ＰＴＯ正逆切換レバー１０９が正転位置にあるか否かが判断される（ステップＳ２５）。ＰＴＯ正逆切換レバー１０９が正転位置にあることが判明すると（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、ＰＴＯ軸１１が正転方向に回転するように制御される（ステップＳ２６）。一方、逆転位置にあることが判明すると（ステップＳ２５：ＮＯ）、ＰＴＯ軸１１が逆転方向に回転するように制御される（ステップＳ２７）。
【００９７】
そして、前記リミット信号により、リミットスイッチ１１０が作動中か否かが判断され（ステップＳ２８）、その後、前記前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号により、作業車両１が後進中か否かが判断される（ステップＳ２９）。作業機８が上昇中にあってリミットスイッチ１１０が作動している場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）、あるいは作業車両１が後進中である場合は（ステップＳ２９：ＹＥＳ）、インバータ１７から第３電動モータＭ３への電力供給が止まり、ＰＴＯ軸１１の回転が停止される（ステップＳ３０）。
【００９８】
このような第３電動モータＭ３への電力供給の停止した上で、作業機８の上昇運動・下降運動により前記発電機７３を駆動させて、運動エネルギを電気エネルギとして回生させる（ステップＳ３１）。
【００９９】
すなわち、以上のように、前記ＰＴＯ軸１１の駆動を第３電動モータＭ３からの動力により行うようにしたので、ＰＴＯ軸の回転速度・回転方向・停止条件を細かく調整でき、様々な形式のＰＴＯ出力が可能となる。更に、前記動力出力軸１９からＰＴＯ軸１１までの動力伝達経路や前記ＰＴＯ変速装置１６を省略することができ、後車軸駆動装置１３のコンパクト化を図ることができる。
【０１００】
また、図１０に示す作業車両１Ｃは、前記作業車両１Ｂにおいて、前記ＰＴＯ軸１１の駆動だけでなく、後輪７・７の駆動も第４電動モータＭ４からの動力により行うようにして、後車軸駆動装置１３の更なるコンパクト化を図ったものである。
【０１０１】
前記第４電動モータＭ４には、前記インバータ１７が接続され、該インバータ１７には、前記バッテリ１８とコントローラ１００とが接続されると共に、第４電動モータＭ４の出力軸は、前記動力出力軸１９に接続されている。
【０１０２】
これにより、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されると、該モータ駆動信号に基づいて、前記バッテリ１８に蓄えられた直流電力がインバータ１７により交流電力に変換された後、前記第４電動モータＭ４に供給されて、該第４電動モータＭ４の動力が動力出力軸１９に出力され、走行系トレーン５２を通って、後輪７・７に伝達される。
【０１０３】
すなわち、作業機８を駆動するＰＴＯ軸１１、前輪６・６を駆動する前輪駆動軸５４、後輪７・７を駆動する後輪駆動軸３２を、それぞれ別個の電動モータＭ３、Ｍ２、Ｍ４により駆動するので、トレーン・変速装置の省略に加え、エンジン３も省略して、後車軸駆動装置１３の更なるコンパクト化を図ることができる。
【０１０４】
更に、該第４電動モータＭ４を前記動力ユニット５と容易に交換可能な着脱構成を設けてもよく、高速走行・高負荷作業のようにエンジン３の動力が必要な仕様にも、簡単な部品交換だけで容易に対応することができ、汎用性の向上を図ることができる。
【０１０５】
この際、図１１に示すように、前記第４電動モータＭ４に替えた動力ユニット５を作業車両１Ｄ側に配置する一方、前記第３電動モータＭ３に替えてモータジェネレータ７２を設け、該モータジェネレータ７２を作業機８側に配置する。更には、該作業機８に伝達する動力の回転数や回転方向を制御する作業機操作手段である前記ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９等については、前記作業車両１Ｄ側に配置するようにしてもよい。
【０１０６】
すなわち、前記動力ユニット５・モータジェネレータ７２のような動力源を、該動力源によってそれぞれ駆動される作業車両１Ｄ・作業機８のような被駆動装置毎に設置するので、作業車両１Ｄ・作業機８間の動力伝達経路を省略することができ、設計自由度が向上する。
【０１０７】
更に、ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９のような作業機操作手段を作業車両１Ｄ側に設けるので、作業車両１Ｄに乗車したままで作業機８を操作することができ、操作の度に作業車両１Ｄから一旦降りて作業機８まで行く必要がなく、作業効率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、全ての作業車両のハイブリッド駆動システムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 作業車両
３ エンジン
４ モータジェネレータ
６ 前輪（走行輪・補助駆動輪・操舵輪）
７ 後輪（走行輪・主駆動輪）
１１ ＰＴＯ軸
１４ 主変速装置（無段変速装置）
１５ 副変速装置（走行系トレーンの変速部）
３０・３１ 出側ギア（駆動側部材）
３２ 後輪駆動軸（空転側部材）
３４ 副変速クラッチ（変速クラッチ）
５２ 走行系トレーン
５３ ＰＴＯ系トレーン
５５ 前輪クラッチ（補助クラッチ）
１００ コントローラ
１０２ 後輪駆動軸回転センサ（回転センサ）
１０３ 前輪駆動軸回転センサ（回転センサ）
１０４ 旋回角センサ
Ｍ１ 第１電動モータ
Ｍ２ 第２電動モータ
Ｖ１ 出側ギアの回転速度（駆動回転速度）
Ｖ２ 後輪駆動軸の回転速度（空転回転速度）
Ｖ３ 前輪の周速（補助駆動輪の周速）
Ｖ４ 後輪の周速（主駆動輪の周速）
ΔＶ０ 周速の差の所定値
θ 旋回角
θ０ 旋回角の所定値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪の車軸と作業機のＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムに関し、特に、操作性に優れた駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車ばかりでなく、建設機械や農業機械においても、エンジンを駆動源とする発電機と、この発電機で発電した電力により駆動する電動モータとを備えたハイブリッド駆動システムに関する技術（例えば、特許文献１参照）が公知となっている。該技術によると、エンジンからの動力のみで駆動するエンジン駆動と、電動モータからの動力のみで駆動するモータ駆動のいずれか一方の駆動形式を選択し、選択した駆動形式によって、前後輪と作業機のＰＴＯ軸とを駆動し、多様な走行形式・作業形式への対応を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６９０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術において、モータ駆動の場合は、発電機−電動モータ系が一種の無段変速装置として作動するが、エンジン駆動の場合は、エンジンから前後輪までの動力を伝達する走行系トレーンと、エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンの両トレーンには、変速装置としてはギア式の有段変速装置しか介装されていないため、無段階の変速操作が行えない。このため、モータ駆動とエンジン駆動間の駆動形式切換前後では、変速操作の操作感覚が大きく異なり、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性に劣る、という問題があった。
更に、前記電動モータからのモータ動力は、走行系トレーンでは動力伝達経路の下流位置から入力され、ＰＴＯ系トレーンでは動力伝達経路の途中位置から入力されるため、前輪、後輪、ＰＴＯ軸毎に電動モータが必要となり、部品点数の増加による部品コストの増加、伝達装置の大型化を招く、という問題があった。
加えて、エンジンの動力に電動モータの動力を合成できないため、作業車両の発進・加速、作業機の高負荷作業等の際に、電動モータによるエンジンのトルクアシスト機能が発揮できず、ハイブリッド駆動システムであるにもかかわらず、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化は望めない、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
すなわち、請求項１においては、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジンから走行輪まで動力を伝達する走行系トレーンに無段変速装置を介装すると共に、該走行系トレーンと、前記エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンとの両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータを設けたものである。
請求項２においては、前記走行系トレーンの変速部に、駆動側部材と空転側部材間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチを設け、前記空転側部材に、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第１電動モータを連動連結し、該第１電動モータの動作により、前記コントローラを介して、前記駆動側部材の駆動回転速度に対して空転側部材の空転回転速度を同期制御するものである。
請求項３においては、前記作業車両は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪とから成り、該補助駆動輪には、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第２電動モータを連動連結するものである。
請求項４においては、前記主駆動輪と補助駆動輪の周速の差を検知可能な回転センサを設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値以上になると前記第２電動モータが駆動し、前記補助駆動輪に動力を伝達して四輪駆動モードに移行するものである。
請求項５においては、前記第２電動モータと補助駆動輪との間に、動力の断接を行う補助クラッチを設け、該補助クラッチは、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチとするものである。
請求項６においては、前記補助駆動輪は、操舵輪であって、旋回角を検知可能な旋回角センサを設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角が所定値以上になると前記第２電動モータが増速し、前記補助駆動輪の周速が主駆動輪の周速よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態に移行するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１により、モータジェネレータにおいて、無段変速可能な電動モータの動力をエンジンの動力に合成して無段階の合成動力とし、作業車両の発進・加速、作業機の高負荷作業等の際には、この合成動力を、モータジェネレータよりも動力伝達経路下流側にある走行輪とＰＴＯ軸に伝達し、少なくとも、各変速段においては無段階の変速操作を行うことができ、該変速操作の操作感覚が略共通となって、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性が向上する。更に、この無段階の合成動力により、電動モータによるエンジンのトルクアシスト機能を発揮することができ、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化が図れると共に、走行輪、ＰＴＯ軸毎の電動モータが不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。加えて、作業車両の高速走行等のように、トルク特性の点からエンジンの動力のみを使用する際でも、走行系トレーンに介装した前記無段変速装置により、無段階の変速動力を走行輪に伝達し、少なくとも各変速段において無段階の変速操作を行うことができ、その間の変速操作の操作感覚が大きくは変化しない。
請求項２により、前記モータジェネレータの発電電力を利用して第１電動モータを駆動するだけで、空転側部材の空転回転速度を駆動側部材の駆動回転速度に同期させ、変速クラッチを円滑かつ静粛に接続することができ、シンクロメッシュ等のように複雑な同期機構が不要となり、例えば、変速クラッチとしてドグクラッチ等を使用することができ、部品コストの低減、メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項３により、前記モータジェネレータの発電電力を利用して第２電動モータを駆動するだけで、無段階の変速動力を補助駆動輪に伝達することができ、エンジンから補助駆動輪までの動力伝達経路が不要となり、変速操作の操作感覚は変化させることなく、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。
請求項４により、圃場間移動等の路上走行の際に二輪駆動モードを選択していても、補助駆動輪がスリップして主駆動輪との周速差が所定値以上になると、自動的に四輪駆動モードに移行してスリップ状態から脱することができ、軟弱地盤等における走行性能の向上を図ることができる。
請求項５により、補助クラッチがワンウェイクラッチの場合は、摩擦クラッチにおける引きずりトルクのような回転抵抗が生じないため、第２電動モータの回転を停止したときの連れ回りが防止され、電動モータの耐久性等が向上する。更に、補助クラッチがツーウェイクラッチの場合は、作業車両の前進時と後進時の両方で、第２電動モータを補助駆動輪の連れ回りから保護でき、第２電動モータの耐久性等が一層向上すると共に、ワンウェイクラッチのように変速クラッチを他方向進行用として別個に設ける必要がなく、部品点数の減少による部品コストの低減を図ることができる。
請求項６により、四輪駆動モード時に旋回角が所定値以上になると、自動的に補助駆動輪増速駆動状態に移行して補助駆動輪を高速で旋回させることができ、スリップや引きずりをなくすことができ、四輪駆動モードにおける旋回性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わる作業車両の全体構成を示す平面模式図である。
【図２】作業車両の各駆動制御に関するブロック図である。
【図３】同期制御の手順を示すフローチャート図である。
【図４】スリップ制御、前進増速制御の手順を示すフローチャート図である。
【図５】昇降機構の側面図である。
【図６】別形態の作業車両１Ａの平面模式図である。
【図７】別形態の作業車両１Ｂの平面模式図である。
【図８】ＰＴＯ軸の駆動制御に関するブロック図である。
【図９】ＰＴＯ軸の駆動制御の手順を示すフローチャート図である。
【図１０】別形態の作業車両１Ｃの平面模式図である。
【図１１】動力源の配置構成を示す作業車両１Ｄの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、図１の矢印Ｆで示す方向を作業車両１の前進方向とし、以下で述べる各部材の位置や方向等はこの前進方向を基準とするものである。
【０００９】
まず、本発明に係わる作業車両１の全体構成について、図１により説明する。
該作業車両１は、後述するようにして四輪駆動可能なトラクタ等であって、機体前方には、エンジン３とモータジェネレータ４から成る動力ユニット５が搭載され、該動力ユニット５の後方には、主変速装置１４・副変速装置１５を備える後車軸駆動装置１３が連動連結され、該後車軸駆動装置１３に、左右一対の後輪７・７を支持する後車軸１０・１０が支承される。更に、該後車軸駆動装置１３には、ロータリー装置等の作業機８に動力を出力するためのＰＴＯ軸１１が後部に軸支され、該ＰＴＯ軸１１の前端は、ＰＴＯ変速装置１６を介して、前記動力ユニット５に連動連結されている。
【００１０】
これにより、前記動力ユニット５からの動力は、後車軸駆動装置１３に伝達されて、前記主変速装置１４・副変速装置１５で変速された後、前記後車軸１０・１０から後輪７・７に伝達され、該後輪７・７を駆動可能としている。同様に、前記動力ユニット５からの動力は、途中で分岐して、前記ＰＴＯ変速装置１６に伝達され、該ＰＴＯ変速装置１６で変速された後、前記ＰＴＯ軸１１から作業機８に伝達され、該作業機８を駆動可能としている。
【００１１】
更に、前記後車軸駆動装置１３の前方には、該後車軸駆動装置１３とは別駆動の前車軸駆動装置１２が配置されている。該前車軸駆動装置１２には、左右一対の前輪６・６を支持する前車軸９・９が支承されると共に、該前車軸９・９を駆動する第２電動モータＭ２が内蔵されており、これにより、該第２電動モータＭ２からの動力が前車軸９・９から前輪６・６に伝達され、該前輪６・６を駆動可能としている。
【００１２】
次に、前記動力ユニット５、後車軸駆動装置１３、前車軸駆動装置１２の詳細構造と、それらの動力伝達構成について、図１、図２により説明する。
このうちの動力ユニット５において、前記モータジェネレータ４は、エンジン３と動力出力軸１９との間に介装され、エンジン３の駆動をアシストする無段変速可能な電動モータとして作動し、あるいは、エンジン３を駆動源に発電する発電機として作動する。更に、モータジェネレータ４には、昇圧コンバータ部１７ａとインバータ部１７ｂを内蔵するハイブリッド用のインバータ１７が接続され、該インバータ１７には、バッテリ１８とコントローラ１００とが接続され、該コントローラ１００には、前記エンジン３にかかる負荷を検知するエンジン負荷センサ４３が接続されている。
【００１３】
このような構成において、前後輪６・７や作業機８の作動に伴ってエンジン負荷が増加し、前記エンジン負荷センサ４３により検知されたエンジン負荷の値が所定値以上となる場合は、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信される。すると、該モータ駆動信号に基づいて、前記バッテリ１８に蓄えられた直流電力が、前記インバータ１７内の昇圧コンバータ部１７ａによって昇圧され、該昇圧された直流電力は、前記インバータ部１７ｂによって交流電力に変換された後、前記モータジェネレータ４に供給されて、該モータジェネレータ４は電動モータとして作動する。
【００１４】
これにより、モータジェネレータ４の無段階の動力が、エンジン３のクランク軸と連結しているモータジェネレータ４の駆動軸を介して、エンジン３の動力に合成され、無段階の合成動力として動力ユニット５から出力され、エンジン負荷の一部を賄うトルクアシスト機能が発揮される。
【００１５】
該トルクアシスト機能によると、モータジェネレータ４よりも動力伝達経路下流側にある変速装置に対して無段階の合成動力を伝達できる。このため、該変速装置が、たとえ前記副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６のような有段変速タイプであっても、各変速段においては、無段階の変速操作が可能となる。
【００１６】
逆に、エンジン負荷が小さくて所定値未満の場合は、エンジン３からの出力の余裕分でモータジェネレータ４が発電機として作動し、発電された交流電力は、前記インバータ１７内のインバータ部１７ｂによって直流電力に変換され、該変換された直流電力は、前記昇圧コンバータ部１７ａによって昇圧された後、前記バッテリ１８に蓄えられる。これにより、モータジェネレータ４による充電機能が発揮される。
【００１７】
なお、このようなエンジン３の運動エネルギに加えて、作業時に各部で発生する位置エネルギ等も、後述のようにして、電気エネルギに変換して回生され、前記バッテリ１８に蓄えられる。これにより、充電機能の適用範囲が拡大し、エンジン３の平均必要馬力を低くすることができ、必要なエンジン３の小型化も図れる。
【００１８】
また、前記後車軸駆動装置１３において、前記動力出力軸１９は、メインクラッチ２０を介して、前記主変速装置１４への入力軸であるポンプ軸２４に連結され、前記動力ユニット５からの動力が、前記主変速装置１４に対して断接可能に伝達される。
【００１９】
該主変速装置１４は、油圧式の無段変速装置であって、可変容積型の油圧ポンプ２１と固定容積型の油圧モータ２２が一対のメイン油路２３ａ・２３ｂによって流体的に接続された閉回路で構成される。そして、該閉回路において、前記油圧ポンプ２１の可動斜板２１ａの斜板角度を調整することにより、前記動力出力軸１９からポンプ軸２４を介して油圧ポンプ２１に入力される動力の回転数と回転方向が自在に変更され、主変速動力として、前記油圧モータ２２のモータ軸２５から出力される。
【００２０】
この際、前記可動斜板２１ａには、トラニオン軸等を介して電動シリンダ等の電動式アクチュエータ１１１が連動連結されており、該電動式アクチュエータ１１１は、前記インバータ１７に接続されている。
【００２１】
このような構成において、主変速レバー２６を操作すると、該主変速レバー２６からコントローラ１００にレバー位置信号が送信され、該レバー位置信号に基づいて、コントローラ１００から前記インバータ１７に主変速指令信号が送信される。すると、該主変速指令信号に基づいて、前記バッテリ１８の電力がインバータ１７から電動式アクチュエータ１１１に供給され、該電動式アクチュエータ１１１が作動して前記可動斜板２１ａが傾動し、主変速が行われる。
【００２２】
すなわち、前記主変速装置１４は、電動式アクチュエータ１１１により変速操作し、該電動式アクチュエータ１１１は、前記モータジェネレータ４によって蓄えられた電力によって駆動するので、油圧式に比べて小型であり、更に、油圧配管等の設置空間が不要な電動式アクチュエータ１１１を用い、しかも、該電動式アクチュエータ１１１駆動のための電力源を別途に設けることなく、前記主変速装置１４の変速操作を行うことができ、主変速装置１４のコンパクト化と構造の簡素化を図ることができる。
【００２３】
前記油圧モータ軸２５は、主変速装置１４から後方に突出して、副変速装置１５の副変速入力軸２７と連結され、前記主変速装置１４からの主変速動力が副変速装置１５に伝達される。
【００２４】
該副変速装置１５は、ギア式の有段変速装置であって、前記副変速入力軸２７上には、前後に小径入側ギア２８と大径入側ギア２９が固設される。そして、前記副変速入力軸２７と略平行に後輪駆動軸３２が配置され、該後輪駆動軸３２の前半部には、前後に大径出側ギア３０と小径出側ギア３１が相対回転可能に嵌設されており、このうちの大径出側ギア３０が小径入側ギア２８と噛合して低速ギア列２８・３０が形成され、小径出側ギア３１が大径入側ギア２９と噛合して高速ギア列２９・３１が形成される。
【００２５】
更に、前記後輪駆動軸３２上において、前記大径出側ギア３０と小径出側ギア３１との間には、スプラインハブ１０６が相対回転不能に係合され、該スプラインハブ１０６には、シフタ１０６ａが軸芯方向摺動自在かつ相対回転不能に係合されている。一方、大径出側ギア３０でスプラインハブ１０６側に向かう部分にはクラッチ歯部３０ａが形成され、同じく、小径出側ギア３１でスプラインハブ１０６側に向かう部分にはクラッチ歯部３１ａが形成されており、これらスプラインハブ１０６、シフタ１０６ａ、クラッチ歯部３０ａ・３１ａ等からドグクラッチ式の副変速クラッチ３４が形成されている。
【００２６】
加えて、前記シフタ１０６ａは、フォーク等のリンク機構を介して油圧シリンダ１０５のロッド１０５ａに連結され、該油圧シリンダ１０５内の油室は、油路を介して電磁切替弁１１２と連通されている。
【００２７】
このような構成において、副変速レバー３３を操作すると、該副変速レバー３３からコントローラ１００にレバー位置信号が送信され、該レバー位置信号に基づいて、コントローラ１００から前記電磁切替弁１１２に副変速指令信号が送信される。すると、該副変速指令信号に基づいて、電磁切替弁１１２のソレノイドが励磁されて所定の励磁位置に切り替わり、油圧シリンダ１０５に作動油が供給されてロッド１０５ａが伸縮する。
【００２８】
これにより、前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａと係合して前記低速ギア列２８・３０が選択される低速度段、前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａ・３１ａのいずれとも係合しない中立状態、及び前記シフタ１０６ａがクラッチ歯部３１ａと係合して高速ギア列２９・３１が選択される高速度段のうちのいずれかを選択可能な主変速が行われる。
【００２９】
なお、後輪駆動軸３２の前端には、後で詳述する同期制御のための第１電動モータＭ１のモータ軸が連動連結され、該第１電動モータＭ１は、前記インバータ１７に接続されている。
【００３０】
前記後輪駆動軸３２は、副変速装置１５から後方に突出し、その突出端にはベベルギア３５が固設され、該ベベルギア３５には、後輪差動装置３７のリングギア３６が噛合されており、該後輪差動装置３７を介して、左右の後輪７・７を支承する後車軸１０・１０が差動連結される。
【００３１】
以上のような構成により、前記動力ユニット５の動力は、動力出力軸１９、主変速装置１４、副変速入力軸２７、副変速装置１５、後輪駆動軸３２、後輪差動装置３７、及び後車軸１０・１０から成る動力伝達経路（以下、「走行系トレーン」とする）５２を介して、左右の後輪７・７に伝達される。
【００３２】
また、前記後車軸駆動装置１３において、その動力出力軸１９上で、前記メインクラッチ２０と主変速装置１４との間には、分岐駆動ギア３９が固設される。そして、前記動力出力軸１９と略平行にＰＴＯ伝動軸４１が配置され、該ＰＴＯ伝動軸４１の前端には分岐従動ギア４０が固設され、該分岐従動ギア４０は前記分岐駆動ギア３９と噛合されている。
【００３３】
更に、前記ＰＴＯ伝動軸４１の前後途中部には、ＰＴＯクラッチ４２が介設されると共に、ＰＴＯ伝動軸４１の後半部には、前後に小径入側４４と大径入側４５が固設される。そして、前記ＰＴＯ伝動軸４１と略平行にＰＴＯ軸１１が配置され、該ＰＴＯ軸１１の前半部には、前後に大径出側ギア４６と小径出側ギア４７が相対回転可能に嵌設されており、このうちの大径出側ギア４６が小径入側ギア４４と噛合して低速ギア列４４・４６が形成され、小径出側ギア４７が大径入側ギア４５と噛合して高速ギア列４５・４７が形成される。
【００３４】
そして、前記副変速クラッチ３４と同様にして、シフタ４９ａを有するスプラインハブ４９、クラッチ歯部４６ａ・４７ａ等からＰＴＯ変速クラッチ５１が形成されると共に、該ＰＴＯ変速クラッチ５１は、電磁切替弁５０で作動する油圧シリンダ４８によって操作されるようにしている。
【００３５】
これにより、前記低速ギア列４４・４６が選択される低速度段、いずれのギア列も選択されない中立状態、及び前記高速ギア列４５・４７が選択される高速度段のうちのいずれかを選択可能なＰＴＯ変速が行われる。なお、前記ＰＴＯ軸１１は、ＰＴＯ変速クラッチ５１から後方に突出し、その突出部は、作業機８の図示せぬ入力部分に連動連結されている。
【００３６】
以上のような構成により、前記動力ユニット５の動力は、動力出力軸１９、ＰＴＯ伝動軸４１、ＰＴＯクラッチ４２、ＰＴＯ変速装置１６、ＰＴＯ軸１１から成る動力伝達経路（以下、「ＰＴＯ系トレーン」とする）５３を介して、作業機８に伝達される。
【００３７】
該ＰＴＯ系トレーン５３と前記走行系トレーン５２には、作業車両１の発進・加速、作業機８の高負荷作業等の際は、前記トルクアシスト機能が発揮されて、エンジン３の動力とモータジェネレータ４の動力との合成動力が伝達される。高速走行の際は、エンジン３の動力のみが伝達され、低速走行の際は、充電機能を発揮しつつ、モータジェネレータ４の動力のみが伝達される。
【００３８】
ここで、前述の如く、動力伝達経路最上流位置にあるモータジェネレータ４の動力は無段階であると共に、走行系トレーン５２の途中部に配置する主変速装置１４は油圧式の無段変速装置であることから、走行系トレーン５２・ＰＴＯ系トレーン５３を介して後輪７・７とＰＴＯ軸１１に伝達される動力は、エンジン３の動力のみ、トルクアシスト時の合成動力、モータジェネレータ４の動力のみのいずれの場合であっても、常に無段階で変速可能である。
【００３９】
従って、副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６において高低二段のいずれかの速度段に設定した後、設定した速度段にて無段階の変速操作を行うことができる。更には、合成動力を適正に制御することにより、副変速装置１５・ＰＴＯ変速装置１６において高低二段間の変速操作の前後の速度を等しくし、実質的に無段階の変速操作を行うことも可能である。
【００４０】
すなわち、エンジン３と、該エンジン３による発電電力で駆動される電動モータであるモータジェネレータ４と、該モータジェネレータ４と前記エンジン３の駆動を制御するコントローラ１００とを備え、前記エンジン３の動力にモータジェネレータ４の動力を組み合わせることにより、走行輪である後輪７・７とＰＴＯ軸１１を駆動する、作業車両１のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジン３から後輪７・７まで動力を伝達する走行系トレーン５２に無段変速装置である主変速装置１４を介装すると共に、該走行系トレーン５２と、前記エンジン３からＰＴＯ軸１１まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーン５３との両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータ４を設けたので、該モータジェネレータ４において、無段変速可能な電動モータとしての動力をエンジン３の動力に合成して無段階の合成動力とし、作業車両の発進・加速、作業機８の高負荷作業等の際には、この合成動力を、モータジェネレータ４よりも動力伝達経路下流側にある後輪７・７とＰＴＯ軸１１に伝達し、少なくとも、各変速段においては無段階の変速操作を行うことができ、該変速操作の操作感覚が略共通となって、走行操作・作業操作のいずれにおいても、変速操作性が向上する。更に、この無段階の合成動力により、電動モータによるエンジン３のトルクアシスト機能を発揮することができ、大幅な省エネルギ化とエンジン負荷の平準化が図れると共に、後輪７・７、ＰＴＯ軸１１毎の電動モータが不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。加えて、作業車両１の高速走行等のように、トルク特性の点からエンジン３の動力のみを使用する際でも、走行系トレーン５２に介装した前記主変速装置１４により、無段階の変速動力を後輪７・７に伝達し、少なくとも各変速段において無段階の変速操作を行うことができ、その間の変速操作の操作感覚が大きくは変化しない。
【００４１】
また、前記前車軸駆動装置１２において、前記第２電動モータＭ２は、前記インバータ１７に接続されると共に、第２電動モータＭ２のモータ軸は、前方に突出して前輪駆動軸５４に連動連結され、該前輪駆動軸５４の途中部に、前輪クラッチ５５が介設される。該前輪駆動軸５４の前端には、ベベルギア５６が固設され、該ベベルギア５６には、前輪差動装置３８のリングギア５７が噛合されており、該前輪差動装置３８を介して、左右の前輪６・６を支承する前車軸９・９が差動連結されている。
【００４２】
そして、前記前輪クラッチ５５には、ワンウェイクラッチまたは、ツーウェイクラッチが用いられる。前輪クラッチ５５がワンウェイクラッチの場合は、作業車両１の前進時に前輪クラッチ５５が接続されるように構成されており、インバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給され、該第２電動モータＭ２が駆動されると、前輪クラッチ５５を介して前輪６・６が駆動され、二輪駆動モードから四輪駆動モードに移行する。これにより、作業車両１の発進性、加速性、段差や窪地等の乗り越し性等が向上する。
【００４３】
インバータ１７から第２電動モータＭ２への電力が遮断され、前記第２電動モータＭ２が停止されると、前記動力ユニット５からの動力によって後輪７・７のみが駆動する二輪駆動モードに移行する。この時、前輪６・６の先行回転によって、ワンウェイクラッチである前輪クラッチ５５の接続が解除されるため、前輪６・６の連れ回りが第２電動モータＭ２から遮断され、連れ回りによる第２電動モータの回転が防止される。
【００４４】
前輪クラッチ５５がツーウェイクラッチの場合は、該ツーウェイクラッチ前後での相対回転の遮断方向を切り換えることができる構成となっており、作業車両１が、前進時だけでなく後進時にも、前輪６・６の連れ回りが第２電動モータＭ２から遮断され、連れ回りによる第２電動モータＭ２の回転が防止される。
【００４５】
すなわち、前記作業車両１は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪である後輪７・７と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪である前輪６・６とから成り、該前輪６・６には、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動される第２電動モータＭ２を連動連結するので、前記モータジェネレータ４の発電電力を利用して第２電動モータＭ２を駆動するだけで、無段階の変速動力を前輪６・６に伝達することができ、エンジン３から前輪６・６までの動力伝達経路が不要となり、変速操作の操作感覚は変化させることなく、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による伝達装置の小型化が図れる。
【００４６】
更に、前記第２電動モータＭ２と補助駆動輪である前輪６・６との間に、動力の断接を行う補助クラッチである前輪クラッチ５５を設け、該前輪クラッチ５５は、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチであるので、前輪クラッチ５５がワンウェイクラッチの場合は、摩擦クラッチにおける引きずりトルクのような回転抵抗が生じないため、第２電動モータＭ２の回転を停止したときの連れ回りが防止され、第２電動モータＭ２の耐久性等が向上する。更に、前輪クラッチ５５がツーウェイクラッチの場合は、作業車両１の前進時と後進時の両方で、第２電動モータＭ２を前輪６・６の連れ回りから保護でき、第２電動モータＭ２の耐久性等が一層向上すると共に、ワンウェイクラッチのように変速クラッチを他方向進行用として、本実施例では後方進行用として別個に設ける必要がなく、部品点数の減少による部品コストの低減を図ることができる。
【００４７】
次に、以上のような動力伝達構成における各種駆動制御構成について、図１乃至図４により説明する。
図１乃至図３に示すように、前記副変速装置１５には、前記副変速入力軸２７の回転速度を検知する入力軸回転センサ１０１と、前記後輪駆動軸３２の回転速度を検知する後輪駆動軸回転センサ１０２とが配置され、これら両回転センサ１０１・１０２は、いずれも前記コントローラ１００に接続されている。
【００４８】
このような構成において、前記副変速レバー３３を操作して、前記低速ギア列２８・３０を選択する低速位置、中立状態を選択する中立位置、高速ギア列２９・３１を選択する高速位置いずれかに設定する（ステップＳ１）。
【００４９】
副変速レバー３３が、中立位置にはなく低速位置または高速位置に設定されていると（ステップＳ１：ＮＯ）、前記入力軸回転センサ１０１・後輪駆動軸回転センサ１０２から、それぞれ入力軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ２）。
【００５０】
続いて、該入力軸回転速度信号から求めた副変速入力軸２７の回転速度と、低速ギア列２８・３０または高速ギア列２９・３１のギア比と基づいて、出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１を算出する（ステップＳ３）。そして、この算出した出側ギア３０・３１のうち回転中の出側ギアの回転速度Ｖ１が、前記後輪駆動軸回転速度信号から求めた後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２に略等しいか否かを判断する（ステップＳ４）。
【００５１】
両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しければ（ステップＳ４：ＹＥＳ）、コントローラ１００から前記電磁切替弁１１２に副変速指令信号を送信し、油圧シリンダ１０５を作動させて副変速クラッチ３４を接続する（ステップＳ６）。
【００５２】
両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しくなければ（ステップＳ４：ＮＯ）、コントローラ１００からインバータ１７に同期駆動信号が送信され、該インバータ１７から第１電動モータＭ１に電力が供給されて、該第１電動モータＭ１により、両回転速度Ｖ１・Ｖ２が略等しくなるまで、前記後輪駆動軸３２が増減速される（ステップＳ５）。そして、この同期駆動が行われた後に、前記ステップＳ６が実行される。
【００５３】
これにより、前記副変速レバー３３が中立位置にあって、シフタ１０６ａがクラッチ歯部３０ａ・３１ａのいずれとも係合しておらず、後輪７・７の連れ回りで後輪駆動軸３２が空転している場合に、前記インバータ１７から電力が供給される第１電動モータＭ１を利用するだけで、このような同期制御が容易に可能となる。
【００５４】
すなわち、前記走行系トレーン５２の変速部である副変速装置１５に、駆動側部材である出側ギア３０・３１と空転側部材である後輪駆動軸３２間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチである副変速クラッチ３４を設け、前記後輪駆動軸３２に、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動される第１電動モータＭ１を連動連結し、該第１電動モータＭ１の動作により、前記コントローラ１００を介して、駆動回転速度である前記出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１に対して、空転回転速度である後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２を同期制御するので、前記モータジェネレータ４の発電電力を利用して第１電動モータＭ１を駆動するだけで、後輪駆動軸３２の回転速度Ｖ２を出側ギア３０・３１の回転速度Ｖ１に同期させ、副変速クラッチ３４を円滑かつ静粛に接続することができ、シンクロメッシュ等のように複雑な同期機構が不要となり、例えば、副変速クラッチ３４としてドグクラッチ等を使用することができ、部品コストの低減、メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００５５】
また、図１、図２，図４に示すように、前記前車軸駆動装置１２には、前輪駆動軸５４の回転速度を検知する前輪駆動軸回転センサ１０３が配置されると共に、操向ハンドル５８のハンドル回転軸５９近傍には、作業車両１の旋回角を検知する旋回角センサ１０４が配置されており、これら前輪駆動軸回転センサ１０３・旋回角センサ１０４は、いずれも前記コントローラ１００に接続される。
【００５６】
このような構成において、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されているか否か、すなわち、該モータ駆動信号により、インバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給されて四輪駆動モードにあるか否かが判断される（ステップＳ１１）。
【００５７】
モータ駆動信号が送信されておらず、二輪駆動モードにあることが判明すると（ステップＳ１１：ＮＯ）、前記前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２から、それぞれ前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ１２）。
【００５８】
続いて、前記前輪駆動軸回転速度信号から求めた前輪駆動軸５４の回転速度、前輪６・６の車輪径、後輪駆動軸回転速度信号から求めた後輪駆動軸３２の回転速度、及び後輪７・７の車輪径に基づいて、前輪６・６と後輪７・７の各周速を算出する（ステップＳ１３）。そして、この算出した前輪６・６の周速Ｖ３と後輪７・７の周速Ｖ４との差の絶対値が、所定値ΔＶ０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１４）。
【００５９】
両周速Ｖ３・Ｖ４の差の絶対値が所定値ΔＶ０よりも大きければ（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信され、該モータ駆動信号により第２電動モータＭ２に電力が供給されて四輪駆動モードに移行する（ステップＳ１５）。両周速Ｖ３・Ｖ４の差の絶対値が所定値ΔＶ０以下であれば（ステップＳ１４：ＮＯ）、二輪駆動モードに保持されたまま、再びステップＳ１２以降のプロセスを実行する。
【００６０】
このようなスリップ制御により、二輪駆動モード中にスリップし、前輪６・６と後輪７・７の周速間に大きな差が生じた場合は、自動的にインバータ１７から第２電動モータＭ２に電力が供給されて前輪６・６が駆動し、四輪駆動モードに移行してスリップ状態から迅速に脱することができる。
【００６１】
一方、モータ駆動信号が送信されており、四輪輪駆動モードにあることが判明すると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、前記旋回角センサ１０４から旋回角信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ１６）。
【００６２】
そして、この旋回角信号から求めた作業車両１の旋回角θが、所定の旋回角θ０よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１７）。旋回角θが所定の旋回角θ０よりも大きければ（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、前輪増速駆動状態へ移行する（ステップＳ１８）。
【００６３】
ここで、本実施例の如く、前輪６・６が操舵輪の場合は、旋回角θが大きくなるに従い、前輪６・６の旋回半径が後輪７・７の旋回半径よりも大きくなり、前輪６・６と後輪７・７にスリップや引きずりが発生する。従って、前記前輪増速駆動状態に移行することにより、前輪６・６を後輪７・７よりも高速で旋回させることができ、前輪６・６と後輪７・７をすれることなく一緒に旋回させることができる。
【００６４】
旋回角θが所定の旋回角θ０以下であれば（ステップＳ１７：ＮＯ）、前後輪等速状態のまま、再びステップＳ１６以降のプロセスを実行する。
【００６５】
このような前進増速制御により、四輪駆動モード中に大きな角度で旋回すると、自動的にインバータ１７から第２電動モータＭ２に大きな電力が供給され、前輪６・６が増速して前輪増速駆動状態に移行し、安定した旋回が可能となる。
【００６６】
すなわち、前記主駆動輪である後輪７・７の周速Ｖ４と補助駆動輪である前輪６・６の周速Ｖ３の差を検知可能な回転センサである後輪駆動軸回転センサ１０２・前輪駆動軸回転センサ１０３を設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値ΔＶ０以上になると前記第２電動モータＭ２が駆動し、前記前輪６・６に動力を伝達して四輪駆動モードに移行するので、圃場間移動等の路上走行の際に二輪駆動モードを選択していても、前輪６・６がスリップして後輪７・７との周速差が所定値ΔＶ０以上になると、自動的に四輪駆動モードに移行してスリップ状態から脱することができ、軟弱地盤等における走行性能の向上を図ることができる。
【００６７】
更に、前記補助駆動輪である前輪６・６は、操舵輪であって、旋回角θを検知可能な旋回角センサ１０４を設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角θが所定値θ０以上になると前記第２電動モータＭ２が増速し、前記前輪６・６の周速Ｖ３が後輪７・７の周速Ｖ４よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態である前輪増速駆動状態に移行するので、四輪駆動モード時に旋回角θが所定値以上になると、自動的に前進増速駆動状態に移行して前輪６・６を高速で旋回させることができ、スリップや引きずりをなくすことができ、四輪駆動モードにおける旋回性能の向上を図ることができる。
【００６８】
次に、前記作業車両１における作業機８の昇降機構６１とその駆動制御等について、図１、図２、図５により説明する。
図１、図５に示すように、該昇降機構６１において、車体フレーム６３の後端上側に正面視門型のヒッチフレーム６４が固設され、該ヒッチフレーム６４の上下部には、それぞれトップリンク６６とロワリンク６７を介して、ヒッチ６５の上下部が回動可能に連結され、該ヒッチ６５の後部に前記作業機８が係止されるようにしている。
【００６９】
そして、前記ロワリンク６７の前から立設された基板６９の上端と、前記ロワリンク６７間に、リンクフレーム６８が側面視三角形となるように連結され、該リンクフレーム６８の前端と前記基板６９の上端との連結部には、ピン７４を介して、昇降シリンダ７０の後ピストンロッド７８の後端が連結されている。
【００７０】
該昇降シリンダ７０は、車体フレーム６３内に配設された前後復動タイプであって、シリンダ７５内にピストン７６が前後摺動可能に内挿されており、該ピストン７６の前後端面から、それぞれ前ピストンロッド７７と前記後ピストンロッド７８とが前後に突出されると共に、シリンダ７５内には、ピストン７６を挟んで前後に、それぞれ前油室７９と後油室８０とが形成されている。
【００７１】
更に、前記車体フレーム６３には、前記インバータ１７に接続される発電機７３・電動モータＭ５と、該電動モータＭ５のモータ出力軸にポンプ軸７１ａを連結した油圧ポンプ７１とが配設されている。そして、このうちの発電機７３は、前記前ピストンロッド７７の前端に連結されると共に、前記油圧ポンプ７１は、一対の油路８１・８１を介して、前記前油室７９と後油室８０とに連通されている。
【００７２】
このような構成において、図２、図５に示すように、昇降レバー８２が操作され、コントローラ１００からインバータ１７に上昇信号が送信されると、該インバータ１７から前記電動モータＭ５に電力が供給されて駆動し、前記油圧ポンプ７１から後油室８０に向かって圧油が供給される。すると、後ピストンロッド７８が前方に摺動して、リンクフレーム６８が前方に牽引され、ヒッチ６５に係止された作業機８が上昇する。
【００７３】
逆に、昇降レバー８２が操作され、コントローラ１００からインバータ１７に下降信号が送信されると、該インバータ１７から前記電動モータＭ５には、モータ出力軸が逆向きに回転するように電力が供給される。すると、前記油圧ポンプ７１から前油室７９に向かって圧油が供給され、後ピストンロッド７８が後方に摺動して、リンクフレーム６８が後方に押し出され、ヒッチ６５に係止された作業機８が下降する。
【００７４】
更に、このような作業機８の昇降に応じて前ピストンロッド７７が前後動すると、前記発電機７３が作動し、その回生電力がインバータ１７に送られて、前記モータジェネレータ４によるトルクアシスト機能・充電機能に用いられるようにしている。
【００７５】
すなわち、作業機８を昇降する油圧式の昇降シリンダ７０と、該昇降シリンダ７０に圧油を給排する油圧ポンプ７１と、該油圧ポンプ７１を駆動する電動モータＭ５とを設け、該電動モータＭ５は、前記モータジェネレータ４の発電電力で駆動するので、エンジン３から油圧ポンプ７１までの該油圧ポンプ７１駆動用のギア式伝達装置等が不要となり、部品点数の減少による部品コストの低減、部品配置空間縮小による作業車両１の小型化が図れる。
【００７６】
更に、前記油圧ポンプ７１は、復動タイプに構成し、作業機８に連結するピストンロッドである後ピストンロッド７８とは反対側のピストンロッドである前ピストンロッド７７に発電機７３を連動連結し、該発電機７３による発電電力を前記モータジェネレータ４に供給可能とするので、作業機８の上昇運動・下降運動による運動エネルギを電気エネルギとして回生することができ、高いエネルギ効率が得られる。特に、作業機８の下降時には、第５電動モータＭ５は駆動せず、下降動作を作業機８の自重だけで行うようにしてもよく、この場合は、電力を全く消費することなく、エネルギ回生だけを行うことができ、エネルギ効率が更に向上する。なお、以下には作業車両１の各種別形態について説明するが、同じ部材については、前記作業車両１と同一の符号・部材名を使用するものである。
【００７７】
次に、前記作業車両１の各種別形態について、図１、図２、図５乃至図１１により説明する。
図６に示す作業車両１Ａは、図１に示す作業車両１において、主変速装置１４に替えて、ギア式の前後進切換装置８３と、ベルト式無段変速装置８４・遊星ギア機構８５から成る無段変速機構９９を、主変速装置８６として配置して、油圧式の無段変速装置である前記主変速装置１４よりも動力性能の向上を図ったものである。
【００７８】
該主変速装置８６においては、前記動力出力軸１９は、前記メインクラッチ２０、前後進切換装置８３を介して、ベルト式無段変速装置８４へのＣＶＴ入力軸８８に連結されており、前記動力ユニット５からの動力が、前記前後進切換装置８３で前進動力または後進動力（以下、「前後進動力」とする）に変換された後、ＣＶＴ入力軸８８からベルト式無段変速装置８４に断接可能に伝達される。
【００７９】
該ベルト式無段変速装置８４は、第１可変プーリ９０、第２可変プーリ９１、及び両可変プーリ９０・９１間に巻回されるベルト９２等から成る。そして、このうちの第１可変プーリ９０は、前記ＣＶＴ入力軸８８の途中部に配設され、前記主変速レバー２６に連結される図示せぬ油圧シリンダやモータ等のアクチュエータによって軸方向に往復移動可能に軸支される第１可変シーブ９０ａと、前記ＣＶＴ入力軸８８に固定された第１固定シーブ９０ｂとにより構成される。
【００８０】
更に、前記ＣＶＴ入力軸８８に略平行にＣＶＴ出力軸８９が前後方向に配置され、該ＣＶＴ入力軸８８の前端に、前記第２可変プーリ９１が配置される。該第２可変プーリ９１は、図示しないバネ等の付勢手段により、軸方向に往復移動可能に軸支される第２可変シーブ９１ａと、前記ＣＶＴ出力軸８９に軸止された第２固定シーブ９１ｂとにより構成される。
【００８１】
このような構成において、図２に示す前記主変速レバー２６を操作すると、前記アクチュエータによって第１可変シーブ９０ａが軸方向に移動し、第１可変プーリ９０の溝幅が変化してベルト９２との接触プーリ径が変化し、それに応じて、前記第２可変シーブ９１ａも軸方向に移動し、第２可変プーリ９１の溝幅が変化してベルト９２との接触プーリ径が変化する。
【００８２】
このようにして、各可変プーリ９０・９１の溝幅を変化させることにより、ベルト式無段変速装置８４の入力側および出力側のプーリ径を相対的に変化させ、変速比を無段階に変更することができ、前記前後進切換装置８３からの前後進動力が、無段変速された後、ＣＶＴ出力軸８９から遊星ギア機構８５に伝達される。
【００８３】
該遊星ギア機構８５は、中心のサンギア９３と、該サンギア９３の外周に配置・噛合されると共にキャリア９６によって支持される複数のプラネタリギア９４と、該プラネタリギア９４の外周に噛合されたリング状のインターナルギア９５とによって構成される。
【００８４】
前記キャリア９６は、前記ＣＶＴ出力軸８９上に相対回転可能に環設されると共に、キャリア９６の外周にはギア９６ａが形成され、該ギア９６ａは逆転ギア９８に噛合され、該逆転ギア９８は、前記ＣＶＴ入力軸８８の後端に固設された出力ギア９７と噛合されており、プラネタリギア９４には、ベルト式無段変速装置８４で変速される前の前後進動力が、そのまま入力されるようにしている。
【００８５】
一方、前記ＣＶＴ出力軸８９の後端に前記サンギア９３が固設されており、該サンギア９３には、ベルト式無段変速装置８４による変速動力が入力されるようにしている。そして、これらプラネタリギア９４とサンギア９３から入力された動力は合成され、無段の主変速動力として、前記インターナルギア９５に固設された前記副変速入力軸２７から出力される。
【００８６】
以上のような構成において、前記ベルト式無段変速装置８４の変速比を調整することにより、無段変速機構９９から副変速入力軸２７に出力される主変速動力の回転を、前進方向、回転ゼロのギアドニュートラル状態、後進方向の間で連続的に変化させることができる。
【００８７】
更に、前記無段変速機構９９よりも動力伝達経路上流側に、ギア式の前記前後進切換装置８３を配置するので、該前後進切換装置８３により、無段変速機構９９に入力する前の動力の前後進を機械的に切り替え可能とし、その上で、無段変速機構９９を、効率の良い又はトルクアップの大きな一方向側の回転で使用する制御構成とする。例えば、無段変速機構９９からの動力が前進側に大きな変速比が得られるようであれば、後進時には、前後進切換装置８３により、前進時の動力の回転方向を逆転させて無段変速機構９９に入力するのである。このようにして、後進時の効率向上や速域の拡大を図り、前進・後進ともに同様な動力性能を発揮することができる。
【００８８】
また、図７に示す作業車両１Ｂは、前記作業車両１において、前記ＰＴＯ軸１１の駆動を、前記動力ユニット５からの動力ではなく、第３電動モータＭ３からの動力により行うようにして、ＰＴＯ出力形式の多様化、後車軸駆動装置１３のコンパクト化を図ったものである。
【００８９】
前記第３電動モータＭ３は、前記インバータ１７に接続されると共に、第３電動モータＭ３のモータ軸は、後方に突出してＰＴＯ軸１１に連動連結され、該ＰＴＯ軸１１の途中部に、前記ＰＴＯクラッチ４２が介設されている。
【００９０】
これにより、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されると、該モータ駆動信号により、インバータ１７から第３電動モータＭ３に電力が供給され、該第３電動モータＭ３が駆動して、ＰＴＯ動力が、ＰＴＯ軸１１から作業機８に断接可能に伝達される。
【００９１】
なお、この作業車両１Ｂにも、前記作業車両１と同様に、図５に示す昇降機構６１が設けられており、作業機８の上昇運動・下降運動による運動エネルギを電気エネルギとして回生できるようにしている。
【００９２】
そして、このような構成におけるＰＴＯ変速制御について説明する。
図７、図８に示すように、前記コントローラ１００には、ＰＴＯ軸１１の回転速度を一定に保つ定回転制御、その回転速度が作業車両１の車速に比例する車速比例制御のいずれか一方の選択操作を行うＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が接続されると共に、ＰＴＯ軸１１を一方向（以下、「正転方向」とする）に回転する正転制御、他方向（以下、「逆転方向」とする）にＰＴＯ軸１１を回転する逆転制御のいずれか一方を選択する選択操作を行うためのＰＴＯ正逆切換レバー１０９が接続される。
【００９３】
更に、前記コントローラ１００には、ＰＴＯ軸１１の回転速度を検知するＰＴＯ軸回転センサ１０７と、前記作業機８の昇降動作を検知するリミットスイッチ１１０とが接続され、該リミットスイッチ１１０は、作業機８側と車体側、例えばヒッチフレーム６４との間に介設されている。なお、前記前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２も設けられている。
【００９４】
このような構成において、図９に示すように、前記ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９・ＰＴＯ軸回転センサ１０７・リミットスイッチ１１０・前輪駆動軸回転センサ１０３・後輪駆動軸回転センサ１０２からは、それぞれスイッチ位置信号・レバー位置信号・ＰＴＯ軸回転速度信号・リミット信号・前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号がコントローラ１００に読み込まれる（ステップＳ２１）。
【００９５】
その後、前記スイッチ位置信号により、ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が定回転位置にあるか否かが判断される（ステップＳ２２）。ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８が定回転位置にあることが判明すると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ＰＴＯ軸１１の回転速度が所定の一定速度となるように制御される（ステップＳ２３）。一方、車速比例位置にあることが判明すると（ステップＳ２２：ＮＯ）、ＰＴＯ軸１１の回転速度が、前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号に基づいて算出した車速に比例して増減速される（ステップＳ２４）。
【００９６】
続いて、前記レバー位置信号により、ＰＴＯ正逆切換レバー１０９が正転位置にあるか否かが判断される（ステップＳ２５）。ＰＴＯ正逆切換レバー１０９が正転位置にあることが判明すると（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、ＰＴＯ軸１１が正転方向に回転するように制御される（ステップＳ２６）。一方、逆転位置にあることが判明すると（ステップＳ２５：ＮＯ）、ＰＴＯ軸１１が逆転方向に回転するように制御される（ステップＳ２７）。
【００９７】
そして、前記リミット信号により、リミットスイッチ１１０が作動中か否かが判断され（ステップＳ２８）、その後、前記前輪駆動軸回転速度信号・後輪駆動軸回転速度信号により、作業車両１が後進中か否かが判断される（ステップＳ２９）。作業機８が上昇中にあってリミットスイッチ１１０が作動している場合（ステップＳ２８：ＹＥＳ）、あるいは作業車両１が後進中である場合は（ステップＳ２９：ＹＥＳ）、インバータ１７から第３電動モータＭ３への電力供給が止まり、ＰＴＯ軸１１の回転が停止される（ステップＳ３０）。
【００９８】
このような第３電動モータＭ３への電力供給の停止した上で、作業機８の上昇運動・下降運動により前記発電機７３を駆動させて、運動エネルギを電気エネルギとして回生させる（ステップＳ３１）。
【００９９】
すなわち、以上のように、前記ＰＴＯ軸１１の駆動を第３電動モータＭ３からの動力により行うようにしたので、ＰＴＯ軸の回転速度・回転方向・停止条件を細かく調整でき、様々な形式のＰＴＯ出力が可能となる。更に、前記動力出力軸１９からＰＴＯ軸１１までの動力伝達経路や前記ＰＴＯ変速装置１６を省略することができ、後車軸駆動装置１３のコンパクト化を図ることができる。
【０１００】
また、図１０に示す作業車両１Ｃは、前記作業車両１Ｂにおいて、前記ＰＴＯ軸１１の駆動だけでなく、後輪７・７の駆動も第４電動モータＭ４からの動力により行うようにして、後車軸駆動装置１３の更なるコンパクト化を図ったものである。
【０１０１】
前記第４電動モータＭ４には、前記インバータ１７が接続され、該インバータ１７には、前記バッテリ１８とコントローラ１００とが接続されると共に、第４電動モータＭ４の出力軸は、前記動力出力軸１９に接続されている。
【０１０２】
これにより、コントローラ１００からインバータ１７にモータ駆動信号が送信されると、該モータ駆動信号に基づいて、前記バッテリ１８に蓄えられた直流電力がインバータ１７により交流電力に変換された後、前記第４電動モータＭ４に供給されて、該第４電動モータＭ４の動力が動力出力軸１９に出力され、走行系トレーン５２を通って、後輪７・７に伝達される。
【０１０３】
すなわち、作業機８を駆動するＰＴＯ軸１１、前輪６・６を駆動する前輪駆動軸５４、後輪７・７を駆動する後輪駆動軸３２を、それぞれ別個の電動モータＭ３、Ｍ２、Ｍ４により駆動するので、トレーン・変速装置の省略に加え、エンジン３も省略して、後車軸駆動装置１３の更なるコンパクト化を図ることができる。
【０１０４】
更に、該第４電動モータＭ４を前記動力ユニット５と容易に交換可能な着脱構成を設けてもよく、高速走行・高負荷作業のようにエンジン３の動力が必要な仕様にも、簡単な部品交換だけで容易に対応することができ、汎用性の向上を図ることができる。
【０１０５】
この際、図１１に示すように、前記第４電動モータＭ４に替えた動力ユニット５を作業車両１Ｄ側に配置する一方、前記第３電動モータＭ３に替えてモータジェネレータ７２を設け、該モータジェネレータ７２を作業機８側に配置する。更には、該作業機８に伝達する動力の回転数や回転方向を制御する作業機操作手段である前記ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９等については、前記作業車両１Ｄ側に配置するようにしてもよい。
【０１０６】
すなわち、前記動力ユニット５・モータジェネレータ７２のような動力源を、該動力源によってそれぞれ駆動される作業車両１Ｄ・作業機８のような被駆動装置毎に設置するので、作業車両１Ｄ・作業機８間の動力伝達経路を省略することができ、設計自由度が向上する。
【０１０７】
更に、ＰＴＯ速度制御切換スイッチ１０８・ＰＴＯ正逆切換レバー１０９のような作業機操作手段を作業車両１Ｄ側に設けるので、作業車両１Ｄに乗車したままで作業機８を操作することができ、操作の度に作業車両１Ｄから一旦降りて作業機８まで行く必要がなく、作業効率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、全ての作業車両のハイブリッド駆動システムに適用することができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ 作業車両
３ エンジン
４ モータジェネレータ
６ 前輪（走行輪・補助駆動輪・操舵輪）
７ 後輪（走行輪・主駆動輪）
１１ ＰＴＯ軸
１４ 主変速装置（無段変速装置）
１５ 副変速装置（走行系トレーンの変速部）
３０・３１ 出側ギア（駆動側部材）
３２ 後輪駆動軸（空転側部材）
３４ 副変速クラッチ（変速クラッチ）
５２ 走行系トレーン
５３ ＰＴＯ系トレーン
５５ 前輪クラッチ（補助クラッチ）
１００ コントローラ
１０２ 後輪駆動軸回転センサ（回転センサ）
１０３ 前輪駆動軸回転センサ（回転センサ）
１０４ 旋回角センサ
Ｍ１ 第１電動モータ
Ｍ２ 第２電動モータ
Ｖ１ 出側ギアの回転速度（駆動回転速度）
Ｖ２ 後輪駆動軸の回転速度（空転回転速度）
Ｖ３ 前輪の周速（補助駆動輪の周速）
Ｖ４ 後輪の周速（主駆動輪の周速）
ΔＶ０ 周速の差の所定値
θ 旋回角
θ０ 旋回角の所定値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジンから走行輪まで動力を伝達する走行系トレーンに無段変速装置を介装すると共に、該走行系トレーンと、前記エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンとの両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータを設けたことを特徴とする作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項２】
前記走行系トレーンの変速部に、駆動側部材と空転側部材間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチを設け、前記空転側部材に、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第１電動モータを連動連結し、該第１電動モータの動作により、前記コントローラを介して、前記駆動側部材の駆動回転速度に対して空転側部材の空転回転速度を同期制御することを特徴とする請求項１に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項３】
前記作業車両は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪とから成り、該補助駆動輪には、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第２電動モータを連動連結することを特徴とする請求項１に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項４】
前記主駆動輪と補助駆動輪の周速の差を検知可能な回転センサを設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値以上になると前記第２電動モータが駆動し、前記補助駆動輪に動力を伝達して四輪駆動モードに移行することを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項５】
前記第２電動モータと補助駆動輪との間に、動力の断接を行う補助クラッチを設け、該補助クラッチは、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチであることを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項６】
前記補助駆動輪は、操舵輪であって、旋回角を検知可能な旋回角センサを設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角が所定値以上になると前記第２電動モータが増速し、前記補助駆動輪の周速が主駆動輪の周速よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態に移行することを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項１】
エンジンと、該エンジンによる発電電力で駆動される電動モータと、該電動モータと前記エンジンの駆動を制御するコントローラとを備え、前記エンジンの動力に電動モータの動力を組み合わせることにより、走行輪とＰＴＯ軸を駆動する、作業車両のハイブリッド駆動システムにおいて、前記エンジンから走行輪まで動力を伝達する走行系トレーンに無段変速装置を介装すると共に、該走行系トレーンと、前記エンジンからＰＴＯ軸まで動力を伝達するＰＴＯ系トレーンとの両トレーンにおける動力伝達経路最上流位置にモータジェネレータを設けたことを特徴とする作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項２】
前記走行系トレーンの変速部に、駆動側部材と空転側部材間を係脱してクラッチ操作を行う変速クラッチを設け、前記空転側部材に、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第１電動モータを連動連結し、該第１電動モータの動作により、前記コントローラを介して、前記駆動側部材の駆動回転速度に対して空転側部材の空転回転速度を同期制御することを特徴とする請求項１に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項３】
前記作業車両は、二輪駆動モードと四輪駆動モードとを切り換え可能な駆動構成とし、前記走行輪は、二輪・四輪駆動モードにかかわらず駆動する主駆動輪と、二輪駆動モード時は無駆動状態になる補助駆動輪とから成り、該補助駆動輪には、前記モータジェネレータの発電電力で駆動される第２電動モータを連動連結することを特徴とする請求項１に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項４】
前記主駆動輪と補助駆動輪の周速の差を検知可能な回転センサを設け、前記二輪駆動モードにおいて前記周速の差が所定値以上になると前記第２電動モータが駆動し、前記補助駆動輪に動力を伝達して四輪駆動モードに移行することを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項５】
前記第２電動モータと補助駆動輪との間に、動力の断接を行う補助クラッチを設け、該補助クラッチは、ワンウェイクラッチ、または相対回転の遮断方向を切り換え可能なツーウェイクラッチであることを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【請求項６】
前記補助駆動輪は、操舵輪であって、旋回角を検知可能な旋回角センサを設け、前記四輪駆動モードにおいて前記旋回角が所定値以上になると前記第２電動モータが増速し、前記補助駆動輪の周速が主駆動輪の周速よりも大きい補助駆動輪増速駆動状態に移行することを特徴とする請求項３に記載の作業車両のハイブリッド駆動システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−５６６２９（Ｐ２０１３−５６６２９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６３０７（Ｐ２０１１−１９６３０７）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００１２５８５３）株式会社 神崎高級工機製作所 (210)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（０００１２５８５３）株式会社 神崎高級工機製作所 (210)
【Ｆターム（参考）】
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