Steering operation device for tractor and towed vehicle and method for controlling the same device

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トラクタにより牽引される農業用作業機等の被牽引車両の技術分野に属し、特に牽引される農業用作業機等の追従性の向上を目的とするためのトラクタの牽引点を操作する操向操作装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大型の農業用作業機では土壌圧密防止等のために、トラクタによって牽引される牽引式の農業用作業機（以下「農業用作業機」または「作業機」という。）が多く使用されている。
この農業用作業機による作業は、作業機の作業部と対象とする小麦等の作物列等との相対位置を常に安定した位置に置いてトラクタの後軸の中心点の走行軌跡と作業機の車軸の中心点の走行軌跡とを一致させる必要があるが、専らオペレータの操向操作能力に依存していた。
また、作業機の追従性を向上させるため、例えば特許文献１に記載されている作業機の車輪を操舵するための機構や方法が一部に使用されていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０１−２２３０８４号公報【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、作業機の追従性が良くないために、オペレータは体を捩じって後方の作業機の状態を確認しながらトラクタを操向操作しなければならず、オペレータの操向操作の熟練度が要求されるのみならずオペレータの疲労も大きかった。
また、作業機の車輪を操舵する方法は、機構が複雑となり、コストが嵩み、また車輪を操舵することが構造上困難な作業機には採用できないという問題があった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、操向操作に熟練度を必要とせず、また作業機の車輪を操舵することなく構造が簡単でコストが安く、かつ既存の農業用作業機にも簡単に装着できる操向操作装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、トラクタによって牽引される被牽引車両において、トラクタの前輪の操舵角度と被牽引車両の牽引角度を検出、制御して、トラクタの後車軸中心点と被牽引車両の車軸中心点の走行軌跡を一致させるようにトラクタの牽引点を左右方向に移動させることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両である。
ここでいう被牽引車両には、作業機、キャンピングカー、荷車、リヤカー等の被牽引車両が含まれる（以下同じ）。
第２の発明は、第１の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記被牽引車両が農業用作業機であることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両である。
第３の発明は、第１または第２の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が油圧モータによって駆動されるスクリューとボールナットからなる操向操作装置によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両である。
第４の発明は、第１または第２の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が油圧モータによって駆動されるスイングアームからなる操向操作装置によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両である。
第５の発明は、トラクタによって牽引される被牽引車両において、トラクタの前輪の操舵角度と被牽引車両の牽引角度を検出、制御して、トラクタの後車軸中心点と被牽引車両の車軸中心点の走行軌跡を一致させるようにトラクタの牽引点を左右方向に移動制御することを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
第６の発明は、第５の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記被牽引車両が農業用作業機であることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
第７の発明は、第５または第６の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動量Ｘが次式（Ａ）、（Ｂ）の関係を有することを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
【０００６】
Ｒ ² ＝Ｘ ² ＋２ＲＸ-Ｌ _t ² +Ｌ _h ²・・・・（Ａ）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（Ｂ）
ただし、
Ｒ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t被牽引杆の長さδ：前輪の操舵角度（トラクタ）
第８の発明は、第５または第６の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が次式（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の関係を有する操作角度θのスイングアームの操作によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
【０００７】
cosθ＝Ｒsinφ-Ｌ _t coｓφ-Ｌ _h ・・・（Ｃ）
２Ｒ ² +Ｌ _t ² +Ｌ _h ² -Ｌ _p ² ＝２Ｒ（Ｌ _t +Ｌ _h ）sinφ
-２（Ｌ _t Ｌ _h -Ｒ ² ）cosφ ・・・・（Ｄ）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（Ｅ）
ただし、
Ｒ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t ：被牽引杆の長さδ：前輪の操舵角度（トラクタ）
φ：牽引角度Ｌ _p ：スイングアームの長さ【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態に係るトラクタによる農業用作業機の牽引状態を示す説明図であり、図２は本発明の実施の形態に係る操向操作装置およびその関係部品を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図である。
図１、図２において、６はトラクタ、７はトラクタのステアリングハンドル、８はトラクタの前輪、９はその後輪、１０はトラクタの牽引杆、１２は農業用作業機（作業機）、１７はその車輪であり、１３は作業機の被牽引杆である。
点Ｐ、Ｑ、Ｔ、Ｓはそれぞれトラクタの牽引中心点（＝作業機の被牽引中心点）、トラクタの前軸の中心点、トラクタの後車軸の中心点、作業機の車軸の中心点を示している。
１１はトラクタの牽引中心点Ｐを左右方向に移動させる操向操作装置であり、トラクタの後部に強固に着脱可能に固定されている。 そして操向操作装置１１はその内部に格納されているスクリュー４、スクリュー４の回転によって左右方向に移動するボールナット５で構成されており、ボールナット５の先端には牽引ピン１４が形成され、この牽引ピン１４に作業機１２の被牽引杆１３が回動自在に連結されている。
１は操向操作装置１１の動作を制御するコントローラであり、マイクロコンピュータを内蔵し、トラクタ６の運転席の近傍に配置されている。
３は油圧モータであり、電磁バルブ２を介してコントローラ１に接続されコントローラ１の制御に従って、スクリュー４を回転駆動して、ボールナット５およびボールナット５に形成されている牽引ピン１４を左右方向に水平移動させる。
【０００９】
また、１５はトラクタ６の前輪の操舵角度を検出する回転式ポテンショメータ、１６はトラクタ６と作業機の相対角度を検出する回転式ポテンショメータであり、この回転式ポテンショメータ１５、１６はコントローラ１と不図示の電気回路で接続されている。
図３は本発明の実施の形態に係るトラクタと作業機の旋回時の作動原理の説明図であり、解析の便宜上トラクタと作業機の左右輪を１輪に置換えたもので、トラクタ６と作業機１２とが同一の半径Ｒで、同一の点Ｏを回転中心として旋回している状態を示している。
図３において、Ｌはトラクタ６の軸距、Ｌ _hはトラクタ６の牽引杆の長さ、Ｌ _tは作業機の被牽引杆の長さ、Ｘはトラクタ６に取付けられた操向操作装置の牽引中心点Ｐの左右方向の移動量（トラクタ６の中心線からの距離）を示す。
δはトラクタ６の前輪８の操舵角度、φはトラクタ６の中心線と作業機の被牽引杆とのなす相対角度（以下「牽引角度」という。）であり、前述のポテンショメータ１５、１６によって計測される。 Ｒはトラクタ６（および作業機）の旋回半径を示している。
【００１０】
次に、オペレータがトラクタ６のステアリングハンドル７を左向きに回転操作して旋回する場合のトラクタ６と作業機１２の作動について説明する。
【００１１】
ステアリングハンドル７が所定の角度回転操作されると、不図示のステアリングリンケージを介して、トラクタ６の前輪８が操舵角δだけ左回転し、トラクタ６は後軸中心点Ｔが点Ｏを中心とする旋回半径Ｒの左旋回を行う。 この時前輪の操舵角度δはポテンショメータ１５によって計測されコントローラ１に入力される。
一方、トラクタ６の牽引角度φが回転式ポテンショメータ１６によって計測されコントローラ１に入力される。
コントローラ１の制御によってトラクタ６の牽引角度φが所定値となるように、牽引中心点Ｐは左右方向、点Ｏの外側に距離Ｘだけ油圧モータ３の回転とスクリュー４とボールナット５との作動によって移動し、トラクタ６の後軸の中心点Ｔと作業機１２の車軸の中心点Ｓとが同一の点Ｏを中心とした同一の半径Ｒの旋回を行う。
そして、トラクタ６の後軸の中心点Ｔと作業機１２の車軸の中心点Ｓとが同一の点Ｏを中心とした同一の半径Ｒの旋回になったときには、トラクタ６の前輪８の操舵角δと、作業機１２の牽引中心点の移動量Ｘとの間には下記の式（１）、（２）で示される関係が成立する（図３）。
【００１２】
Ｒ ² ＝Ｘ ² ＋２ＲＸ-Ｌ _t ² +Ｌ _h ²・・・・（１）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（２）
ただしＲ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t ：被牽引杆の長さ図４は本発明の実施の形態に係る発明の効果を示すトラクタ６と作業機１２の旋回時の走行軌跡図である。 図４において、実線ａはトラクタ６の後軸中心点Ｔの走行軌跡、点線ｂは本願発明の実施の形態に係る作業機１２の車軸中心点Ｓの走行軌跡、破線ｃは従来の作業機の車軸中心点Ｓの走行軌跡を示している。
従来の作業機の車軸中心点Ｓの走行軌跡がトラクタ６の後軸中心点Ｔの走行軌跡に対して内側に巻込んでいるのに対して、本願発明の実施の形態に係る作業機１２の車軸中心点Ｓの走行軌跡はトラクタ６の後軸中心点Ｔの走行軌跡に良く追従していることが判かる。
このように、本発明の実施の形態に係る操向操作装置による操向制御を行えば、作業機１２はトラクタ６に忠実に追従するので、オペレータは熟練を要することなく、トラクタ６を作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機１２も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図ることがきる。
【００１３】
また、作業機１２の追従性を良くするには、トラクタ６の前輪８の操舵角度δと牽引中心点Ｐの移動量Ｘとの関係が上記の式（１）、（２）を満たすようにコントローラで制御する場合に、前輪８の操舵角度δに対して牽引中心点Ｐの移動を全く時間遅れなしで行うと、作業機の車軸中心点Ｓの軌跡はトラクターの後軸の中心点Ｔの軌跡の外側に一時的にはみ出すため、前輪８の操舵角度δに対して牽引中心点Ｐの移動を遅延せて行うことが大切である。
この遅延時間は作業機１２の車軸がトラクタ６の後軸の位置にほぼ達した時に牽引中心点Ｐの移動が開始されるようにすればよく、作業機の平均的走行速度によって算出した固定値としてもよいが、トラクタのその時々の速度に連動させた変動値を使用するようにすれば作業機の追従性をより高めることができる。
【００１４】
なお、後退時にも前進時と同様の制御を行う場合には、通常の後退操作と運転操作感覚が異なったものとなるが、この場合作業機１２では作業を行わないので実用上支障はなく、また後退時には以上の制御を解除するようにすればよい。
また、他の実施の形態として、トラクタ６の後部に回動自在に固定した油圧駆動や電動式のスイングアームを使用して、左右方向に円弧状に移動させてもよい。
【００１５】
図５は本発明の実施の形態に係る牽引中心点の左右方向の移動をスイングアームで円弧状に移動させたときの旋回時の作動原理の説明図である。
トラクタ６の後軸の中心点Ｔと作業機１２の車軸の中心点Ｓとが同一の点Ｏを中心点とした同一の半径Ｒの旋回なったときには、トラクタ６の前輪８の舵角δと、スイングアームの操作角度θとの間には下記の式（３）、（４）、（５）で示される関係が成立する（図５）。
【００１６】
cosθ＝Ｒsinφ-Ｌ _t coｓφ-Ｌ _h ・・・・ （３）
２Ｒ ² +Ｌ _t ² +Ｌ _h ² -Ｌ _p ² ＝２Ｒ（Ｌ _t +Ｌ _h ）sinφ
-２（Ｌ _t Ｌ _h -Ｒ ² ）cosφ ・・・・（４）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（５）
ただし、
Ｒ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t ：被牽引杆の長さφ：牽引角度Ｌ _p ：スイングアームの長さこのスイングアームによる作業機の操向制御の場合も、スクリューとボールナットによる制御の場合と同様にスイングアームの遅延制御を行うことにより図４に示された走行軌跡と同様の走行軌跡が得られ、作業機の追従性が向上する。
また、上記の本発明の実施の形態に係る発明は、スクリューとボールナットによる場合もスイングアームによる場合も、従来のように農業用作業機の車輪を操舵するものではなく、簡単な装置であることから、既存のトラクタおよびその農業用作業機に後付けして上記効果を得ることができる。
以上農業用作業機について説明したが、本発明はいわゆる狭義の農業用作業機に限定されるものではなく、キャンピングカー、荷車、リヤカー等の被牽引車両に適用しても同様の効果を得ることができ、特に狭い屈曲路やクランク路を走行するときに効果が発揮される。
【００１７】
【発明の効果】
第1の発明は、トラクタによって牽引される被牽引車両において、トラクタの前輪の操舵角度と被牽引車両の牽引角度を検出、制御して、トラクタの後車軸中心点と被牽引車両の車軸中心点の走行軌跡を一致させるようにトラクタの牽引点を左右方向に移動させることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両であるから、被牽引車両はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、容易に走行ができ疲労軽減が図れる。 特に狭い屈曲路やクランク路を走行するときに効果が大きい。
第２の発明は、第１の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記被牽引車両が農業用作業機であることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両であるから、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得られる。
第３の発明は、第１または第２の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が油圧モータによって駆動されるスクリューとボールナットからなる操向操作装置によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両であるから、簡単な装置で、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得られる。
また、従来のように農業用作業機の車輪を操舵するものではなく、簡単な装置であることから、既存のトラクタおよびその農業用作業機に後付けして上記効果を得ることができる。
第４の発明は、第１または第２の発明に係るトラクタおよび被牽引車両において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が油圧モータによって駆動されるスイングアームからなる操向操作装置によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両であるから、より簡単な装置であって、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得ることができる。
また、既存のトラクタおよび農業用作業機に、より簡便に後付け可能であり上記効果が得られる。
第５の発明は、トラクタによって牽引される被牽引車両において、トラクタの前輪の操舵角度と被牽引車両の牽引角度を検出、制御して、トラクタの後車軸中心点と被牽引車両の車軸中心点の走行軌跡を一致させるようにトラクタの牽引点を左右方向に移動制御することを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法であるから、被牽引車両はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、容易に走行ができ疲労軽減が図れる。 特に狭い屈曲路やクランク路を走行するときに効果が大きい。
第６の発明は、第５の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記被牽引車両が農業用作業機であることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法であるから、従来の農業用作業機の車輪を操舵する方法に対して簡便にして、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得られる。
第７の発明は、第５または第６の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動量Ｘが次式（Ａ）、（Ｂ）の関係を有することを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
【００１８】
Ｒ ² ＝Ｘ ² ＋２ＲＸ-Ｌ _t ² +Ｌ _h ²・・・・（Ａ）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（Ｂ）
ただし、
Ｒ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t被牽引杆の長さδ：前輪の操舵角度（トラクタ）
よって、従来の農業用作業機の車輪を操舵する方法に対してより簡便にして、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得られる。
【００１９】
第８の発明は、第５または第６の発明に係るトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法において、前記トラクタの牽引点の左右方向の移動が次式（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の関係を有する操作角度θのスイングアームの操作によってなされることを特徴とするトラクタおよび被牽引車両の操向制御方法である。
【００２０】
cosθ＝Ｒsinφ-Ｌ _t coｓφ-Ｌ _h ・・・・（Ｃ）
２Ｒ ² +Ｌ _t ² +Ｌ _h ² -Ｌ _p ² ＝２Ｒ（Ｌ _t +Ｌ _h ）sinφ
-２（Ｌ _t Ｌ _h -Ｒ ² ）cosφ ・・・・（Ｄ）
Ｒ＝Ｌ/tanδ ・・・・（Ｅ）
ただし、
Ｒ：旋回半径Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t ：被牽引杆の長さδ：前輪の操舵角度（トラクタ）
φ：牽引角度Ｌ _p ：スイングアームの長さよって、第７の発明と同様に従来の農業用作業機の車輪を操舵する方法に対してより簡便にして、作業機はトラクタに忠実に追従するので、オペレータはトラクタの操向操作の熟練を要することなく、トラクタを作物列に沿って走行させれば、自動的に作業機も作物列に沿って走行し、精度の高い作業を行うことができ、疲労軽減も図れるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るトラクタによる農業用作業機の牽引状態を示す説明図である。
【図２】（Ａ）は本発明の実施の形態に係る操向操作装置およびその関係部品を示す正面図、（Ｂ）は平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る旋回時の作動原理の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る発明の効果を示す走行軌跡図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る旋回時の作動原理（スイングアーム式）の説明図である。
【符号の説明】
１：コントローラ２：電磁バルブ３：油圧モータ４：スクリュー５：ボールナット６：トラクタ７：ステアリングハンドル８：前輪９：後輪１０：牽引杆１１：操向操作装置１２：農業用作業機（作業機）
１３：被牽引杆１４：牽引ピン１５、１６：回転式ポテンショメータ１７：農業用作業機の車輪δ：前輪の操舵角度（トラクタ）
φ：牽引角度θ：スイングアームの操作角度Ｐ：トラクタの牽引中心点（＝作業機の被牽引中心点）
Ｑ：トラクタの前軸の中心点Ｔ：トラクタの後軸の中心点Ｒ：旋回半径（トラクタの後軸中心点および作業機の車軸中心点）
Ｓ：作業機の車軸の中心点Ｌ：トラクタの軸距Ｌ _h ：牽引杆の長さＬ _t ：被牽引杆の長さＸ：牽引点の移動量（左右方向）
Ｌ _p ：スイングアームの長さＵ：スイングアームの回転中心点Ｖ：スイングアームの牽引中心点