トラクターの油圧システムだけでは不十分な理由

現代のトラクターのほとんどには、エンジンからトランスミッションを介して駆動されるポンプが、後部または中央のリモートカプラに油圧を供給するオンボード油圧システムが搭載されています。これらの回路は通常、170～210バールの作動圧力で毎分30～80リットルの油圧を供給し、3点ヒッチを上げたり、フロントエンドローダーを駆動したり、耕うん機の複動シリンダーを2つ作動させたりするのに十分です。しかし、作業機が毎分100リットル以上の高流量油圧を必要とする場合（100リットル以上の流量で動作する薪割り機、大型穀物用真空ポンプ、樹木剪断機、移動式コンクリートポンプ、大容量作物噴霧器など）、オンボード回路は限界に達します。

根本的な制約は流量です。トラクターのエンジン駆動ポンプは断続的な使用を想定して設計されており、複数の回路で共有されています。利用可能な流量をすべて単一の作業機に集中させると、同じポンプに依存するステアリング、ブレーキ、およびトランスミッション潤滑回路への流量が不足します。その結果、ステアリングの応答性が低下するだけでなく、最悪の場合、静油圧ブレーキ回路を使用するトラクターでは、安全上重大な油圧ブレーキアシスト機能の喪失につながります。

油圧式PTOギアボックスは、完全に独立した油圧回路を作ることでこの問題を解決します。PTOシャフトは スピード増速ギアボックス これにより、専用の油圧ポンプが適切な入力速度で回転します。このポンプには、専用のリザーバー、フィルター、圧力リリーフバルブ、および作業機につながる専用のホースが備わっています。トラクターのオンボード油圧システムは変更されず、ステアリング、ブレーキ、ヒッチ、ローダーは、作業機が取り付けられていない場合とまったく同じように機能します。

油圧ポンプ用増速装置の仕組み

増速機は、減速機の機械的な逆機構です。減速機は高速・低トルクの入力を低速・高トルクの出力に変換するのに対し、増速機はその逆を行います。つまり、PTOシャフトの比較的低速な回転（カテゴリーIおよびIIのトラクターでは540RPM、カテゴリーIII以上の大型機械では1,000RPM）を受け入れ、ギア式およびピストン式の油圧ポンプが効率的に作動するために必要な1,500～3,000RPMの範囲まで回転数を増幅します。

PTO増速ギアボックス内部のギアトレインは、一般的に3つの構成のいずれかを採用しています。最もシンプルなのは、PTO入力軸上の小型駆動ギアがカウンタシャフト上の大型従動ギアと噛み合い、そのカウンタシャフト上の2つ目の小型ギアが出力を駆動する、単一の平歯車段です。この2段平歯車構成は、コンパクトなパッケージで1:2から1:4の減速比を実現できますが、平歯車の歯が歯幅全体にわたって同時に噛み合い、噛み合わなくなるため、ヘリカルギアに比べて騒音と振動が大きくなります。

ヘリカルギア式増速機は、ギア軸に対して斜めに切削された歯を使用するため、噛み合いは一度にすべてではなく、歯幅全体にわたって徐々に進行します。これにより、連続運転ポンプ駆動用途において、よりスムーズなトルク伝達、低騒音、および長寿命を実現します。ヘリカルギアによって発生する軸方向推力は、出力軸の両端にあるテーパーローラーベアリングによって制御されます。これは、深溝玉軸受を使用し、軸方向荷重によって早期に故障する低価格輸入品と、商用グレードの増速機を区別する重要なベアリング選定ポイントです。

3つ目の構成は遊星歯車式です。遊星歯車式増速機は、リングギアを固定し、PTOシャフトから遊星キャリアを駆動し、サンギアから高速出力を受け取ります。遊星歯車式ユニットは、非常に短い軸方向長で最大1:6という高い減速比を実現するため、PTOスタブとポンプ間のスペースが限られている設置場所に適しています。また、複数の遊星歯車（通常は3つまたは4つ）に負荷を分散させるため、個々の歯にかかるストレスが軽減され、ギアボックスの物理的なサイズに対する連続トルク定格が向上します。

ポンプ駆動比の計算

適切な増速比を選択するには、トラクターのPTO出力速度、油圧ポンプの定格入力速度、および作業機の流量と圧力要件という3つの変数を一致させる必要があります。これを誤ると、油圧回路の性能が低下する（比が低すぎると、ポンプの回転速度が遅くなり、定格流量が得られない）か、ポンプが致命的に故障する（比が高すぎると、ポンプが過回転してキャビテーションを起こす）かのいずれかになります。

まず、ポンプの吐出量仕様（立方センチメートル/回転（cc/rev））を確認します。吐出量に目標出力軸回転数（RPM）を掛け、1,000で割ると、理論流量（リットル/分）が得られます。次に、体積効率係数（新品のギアポンプの場合は通常0.90～0.95、ピストンポンプの場合は0.92～0.97）を適用して、実際の吐出流量を求めます。この実際の流量が作業機の要求値を満たすか、わずかに上回る場合、比率は適切です。

入力電力要件も同様に重要です。キロワット単位の油圧動力は、流量（LPM）に圧力（bar）を掛け、600で割った値に等しくなります。200 barで80 LPMを供給するシステムには、26.7 kWの入力電力が必要です。PTOギアボックスには独自の機械的損失があるため（通常、ヘリカルギア式増速機では3%～6%、遊星歯車式では5%～10%）、この例では実際のPTO動力需要は約28～30 kWに上昇します。トラクターは、ガバナー制御されたエンジン回転数で少なくともこれだけのPTO馬力が必要であり、過渡負荷に対する安全マージンとして10%～15%が必要です。

現場でよく見られる間違いの一つは、540 RPMのPTOと高比の増速機を組み合わせて、ポンプの回転速度を3,000 RPM以上にしようとすることです。数学的には可能ですが（540 RPMで1:6の比であれば3,240 RPMになります）、PTO入力端でのトルク増幅が極端になり、ギアボックスの入力軸が540 RPMでシステム全体の負荷を吸収しなければならず、一定の出力レベルに対して非常に高いトルクが発生します。PTOスタブとギアボックスの入力軸間のスプライン接続部が弱点となります。同じ出力を供給する1,000 RPMのPTOは、トルクが約半分になるため、スプライン接続部にかかるストレスも半分になります。約30 kWを超える高出力油圧用途では、1,000 RPMのPTOを強く推奨します。

流量、圧力、およびギアボックス出力速度の関係

油圧システムは、流量がアクチュエータの速度を決定し、圧力がアクチュエータの力を決定するという基本的な関係に従います。一定の速度で伸長するシリンダーには、毎分一定量の液量が必要です。シリンダーにかかる負荷によって、ポンプが発生させるべき圧力が決まります。油圧式PTOギアボックスは、出力速度を介してこの関係に接続されています。なぜなら、任意の変位量において、ポンプ流量はポンプ速度に正比例するからです。

PTOギアボックスの出力速度を10%だけ下げると（例えば、エンジン回転数を定格速度から部分スロットル設定まで下げると）、ポンプ流量も同じ10%だけ減少します。作物噴霧器の場合、これは1分あたりの噴霧量が10%減少することを意味します。薪割り機の場合、シリンダーの伸長速度が10%遅くなります。この線形関係により、PTO速度制御は走行中に油圧出力を微調整する最も簡単な方法となりますが、同時に、PTO速度の変動が作業機の性能に直接影響することも意味します。

一方、圧力は負荷に依存します。ポンプは、リリーフバルブの設定値まで、システムが必要とする圧力を生成します。PTOギアボックスは圧力に直接影響を与えるのではなく、流量に影響を与えます。ただし、間接的な関連性があります。システム圧力がリリーフバルブの設定値に近づくにつれて、ポンプはギアボックスからより大きな入力トルクを必要とします。このトルクの増加により、ギアボックスのベアリング、ギア、およびスプライン接続部に大きな負荷がかかります。実際には、リリーフバルブ圧力の70%でポンプを駆動する油圧PTOギアボックスは、同じギアボックスがリリーフ圧力の100%でポンプを駆動する場合よりも、機械的ストレスが大幅に少なくなります。したがって、適切なリリーフバルブの校正は、油圧安全対策だけでなく、ギアボックスの寿命を延ばす要因にもなります。

温度はもう一つの要素となります。作動油の粘度は温度上昇とともに低下し、ポンプの容積効率を低下させ、内部漏れをわずかに増加させます。穀物の連続移送や長時間の樹木剪定作業など、長時間稼働する用途では、リザーバーの容量が不足しているか、クーラーが不十分な場合、独立した油圧回路内の油温が80℃を超えることがあります。このような温度では、油の潤滑膜強度も低下します。この油は通常、リザーバー一体型設計の場合、PTOギアボックス自体を循環する作動油と同じです。作動油の温度を65℃以下に保つことで、ポンプとギアボックスの両方の耐用年数を大幅に延ばすことができます。

連続油圧運転における熱管理

連続運転の油圧アプリケーションは、断続運転の農業機械ではめったに見られない方法でPTOギアボックスの熱限界を押し上げる。 PTOシャフト 回転式カッターを駆動する場合、最大出力は切断接触時のみ伝達され、切断間隔中は風損がほぼゼロにまで低下します。一方、ポンプを駆動する油圧式PTOギアボックスは、油圧作動の全期間にわたって連続的に動力を伝達します。穀物処理や噴霧作業では、この作動時間は数時間に及ぶこともあります。

増速機ギアボックス内部で発生する熱は、主に3つの要因から生じます。最も大きな割合を占めるのはギアのかみ合い摩擦です。噛み合うギアの歯間の滑り運動により、伝達動力の2%から5%が熱に変換されます（ギアの種類、表面仕上げ、潤滑油の品質によって異なります）。ベアリング摩擦は、ベアリングの種類と予圧によって0.5%を2%に加算します。オイルレベルが高すぎる場合や、作動温度に対してオイルの粘度が高すぎる場合は、オイル攪拌（ギアがオイル浴を通過する際にエネルギーが浪費される現象）が大きな要因となる可能性があります。

連続的に30kWの動力を伝達するギアボックスの場合、内部で発生する総熱量は約1kWから2kWの範囲になります。この熱はギアボックスハウジングを通して周囲の空気へ放散されなければなりません。鋳鉄製のハウジングは、鉄の熱容量が大きいため、高温下ではアルミニウム製よりも効率的に放熱できますが、アルミニウム製のハウジングは熱伝導率が高いため、対流冷却においてはより優れた性能を発揮します。いずれにしても、ハウジングの表面積とギアボックス周囲の空気の流れによって、定常状態での動作温度が決まります。

ギアボックスを板金製のガードで囲んだり、凹んだコンパートメントに取り付けたりする設置方法では、空気の流れが悪くなり、熱がこもります。深刻な場合、ギアボックス内の油温は110℃を超え、ほとんどのEPギアオイルは急速に酸化し始め、70℃～80℃では数千時間持続する耐摩耗性や消泡性が数百時間で失われます。油圧回路の戻りラインにシンプルなファン駆動のオイルクーラーを追加するか、戻り油をリザーバーに入る前にエアブラストクーラーに通すことで、作動温度を20℃～30℃下げ、ポンプとギアボックスの両方のサービス間隔を2倍にすることができます。

ギアポンプとピストンポンプ：ギアボックスに合ったポンプタイプの選定

変速機の出力フランジにボルトで固定される油圧ポンプの種類によって、ギアボックスの動作特性が大きく左右されます。ギアポンプは、PTO駆動油圧回路で最も一般的な選択肢であり、高精度ハウジング内に2つの噛み合う平歯車を備えた外歯車式です。構造がシンプルで、汚染に強く、自吸式で、比較的安価です。流量脈動は穏やかで、広い温度範囲で安定した出力が得られます。ほとんどのギアポンプは1,200～2,800 RPMで効率的に動作するため、540 RPMのPTOに1:2～1:4の変速機を組み合わせるのが標準的な組み合わせとなっています。

ギアポンプは、ギアのかみ合いによる圧力差によって両方のギアが高圧吐出口から遠ざかるため、駆動軸にラジアル荷重を生じます。このラジアル荷重は、ポンプの駆動軸カップリングを介して直接、増速機の出力ベアリングに伝達されます。高圧用途（連続200バール以上）では、このラジアル荷重は相当なものとなり、トルクのみに基づいて計算された寿命と比較して、出力ベアリングの寿命を40%から60%短縮する可能性があります。油圧ポンプ用途向けにギアボックスの定格を定めている増速機メーカーは、この追加のラジアル荷重を考慮していますが、増速機として使用される一般的な農業用ギアボックスは通常考慮していません。

軸ピストンポンプは、高性能な代替手段です。回転するシリンダーブロックには7～9個のピストンが内蔵されており、ブロックが斜板に傾斜するにつれてピストンがボア内で往復運動します。ピストンポンプは、より高い圧力（連続最大350バール）、より高い容積効率（92%～97%）を実現し、可変容量式にすることも可能です。つまり、斜板の角度を変えることで、流量出力が需要に合わせて自動的に調整されます。この可変容量機能により、負荷需要が変動する用途においてエネルギーの無駄を大幅に削減できます。なぜなら、ポンプは回路が必要とする流量だけを生成し、余剰流量を熱としてリリーフバルブに放出しないからです。

ピストンポンプのギアボックスへの影響は、ギアポンプとは異なります。ピストンポンプは駆動軸にかかるラジアル荷重は少ないものの、各ピストンの動力行程で個別のトルクスパイクが発生するため、ねじり脈動が大きくなります。2,500 RPMで9個のピストンを使用する場合、ギアボックスには毎秒375回のトルクパルスが発生します。これは、ギアのかみ合い周波数と共振して振動を増幅する可能性のある高周波励起です。ヘリカルギア式増速機は、平歯車式よりもこの問題をうまく処理します。これは、ヘリカル歯のかみ合いによる固有の平滑化効果により、ピストンポンプのねじり脈動がPTO駆動系に到達する前に減衰されるためです。

油圧式PTOギアボックスシステムの設置に関するベストプラクティス

油圧PTOギアボックスの耐用年数は、ギアボックス内部の設計よりも、適切な取り付けによって大きく左右されます。精密に製造されたスピードインクリメージを、サイズが小さすぎる取り付けフレームに、位置ずれした状態でボルトで固定すると、 農業用ギアボックス 適切なアライメントと十分なドライブトレインサポートを備えた中級グレードのユニットよりも、ドライブトレインの故障が早く発生するでしょう。

トラクターのスタブとギアボックスの入力シャフトを接続するPTO駆動系は、トラクターの旋回時や作業機が不整地を走行する際に発生する垂直方向および水平方向の角度変化に対応する必要があります。駆動系シャフト上のユニバーサルジョイントはこれらの角度変化に対応しますが、各ジョイントは動作角度が大きくなるにつれて周期的な速度変動（カルダンジョイント効果）を引き起こします。ジョイント角度が10度の場合、出力速度変動は約1.5%で、ほとんど気になりません。25度では10%を超え、PTO回転周波数の2倍の周波数でギアボックスの入力ベアリングとギア歯にストレスを与える脈動入力が発生します。駆動系の動作角度を15度未満、理想的には10度未満に保つことが、ギアボックスの長寿命化に不可欠です。

ポンプとギアボックスの接続部も同様に重要です。ほとんどの増速機は、出力面にSAE規格のパイロットとボルトサークルを使用しており、一般的な油圧ポンプの取り付けフランジ（ポンプのサイズに応じてSAE A、SAE B、またはSAE C）に適合します。ポンプの駆動軸は、スプラインまたはキー付きカップリングを介してギアボックスの出力に接続されます。このカップリングは、適切な嵌合深さで取り付ける必要があります。嵌合が浅すぎると、スプラインの接触面積が不十分になり、スプラインの摩耗が急速に進行します。逆に深すぎると、ポンプ軸がギアボックスの出力ベアリングに当たってしまい、意図しない軸方向の予圧が発生し、ベアリングの破損が加速します。

ギアボックスとポンプのアセンブリを取り付けるには、振動による動きを防ぐための剛性の高いフレームまたはブラケットが必要です。スピードアンプとピストンポンプを合わせた重量は35～60kgにも達し、2,500rpmを超える回転質量はトラクターの旋回時にジャイロ効果を生み出し、アセンブリをマウントからねじり落とそうとします。ゴム製の防振マウントは振動をある程度吸収しますが、過度の動きを防ぐには十分な剛性が必要です。マウントが柔らかすぎるとアセンブリが振動し、油圧ホースの接続部やドライブラインのジョイントが疲労してしまいます。

PTO駆動油圧システムの一般的な用途

油圧式PTOギアボックスの汎用性の高さは、油圧動力が無限に分割可能で、遠隔伝達が可能である点に由来します。PTOギアボックスがポンプを回転させると、作動油は作業機のあらゆる場所に配管でき、流量分配器を介して同時に作動する複数の作業機にも供給できます。この柔軟性により、農業、林業、建設、自治体など、幅広い分野で採用が進んでいます。

林業では、PTO駆動の油圧回路がグラップルソー、ツリーシアー、ログスプリッター、薪割り機などの動力源となります。これらの用途では、高圧かつ中流量の回路が求められます。通常、圧力は180～280バール、流量は30～60LPMです。540RPMのPTOに1:3の速度増速機を取り付け、28cc/revのギアポンプを駆動すると、定格速度で約45LPMの流量が得られ、これはほとんどの単気筒林業用アタッチメントには十分です。クランプと切断を同時に行う二気筒機械では、70LPM以上の流量が必要になる場合があり、その場合は1,000RPMのPTOに1:2.5の比率でより大きな排気量のポンプを駆動する必要があります。

農業分野では、標準的なトラクター装着型作業機以外にも、油圧式PTOギアボックスは穀物吸引機（100LPM以上の流量で中圧回路を駆動）、油圧ファン駆動の果樹園用噴霧器、そしてディスクカットされた注入スロットを通してスラリーを土壌に注入するために高流量と高圧の両方を必要とする油圧式肥料注入システムに動力を供給している。 Ever-Powerのエンジニアリングチーム 同社は、こうした要求の厳しい用途向けに、変速機の減速比を定期的に指定し、各顧客のシステムの特定のポンプおよび回路要件に合わせてギアボックスの容量を調整しています。

自治体や公共事業における用途としては、トラック搭載型高所作業車、路面清掃車、移動式コンプレッサーなどに搭載されるPTO駆動式油圧パワーユニットが挙げられます。これらの設備では、多くの場合、1,000 RPMのトラックPTO出力を使用し、1日6～10時間のフルシフトで連続運転されます。このような用途向けのギアボックスの選定においては、連続運転時の耐熱性、高耐久性ベアリング、そして路面の汚れや塩分への曝露に耐える高品質のシャフトシールを最優先に考慮する必要があります。

油圧式PTOギアボックスシステムのメンテナンススケジュール

油圧式PTOギアボックスは、ほとんどの農業用ギアボックスのように断続的な負荷ではなく、連続的な負荷で動作するため、そのメンテナンススケジュールは、汎用PTOギアボックス向けに公表されている間隔よりも厳しくする必要があります。

オイルの状態は、ギアボックス内部の健全性を示す最も優れた指標です。点検ごとにドレンポートから100mLのオイルサンプルを採取し、目視で確認してください。透明で琥珀色の、金属光沢のないオイルは、正常な動作を示しています。乳白色のオイルは、水分混入を示唆しています。これは、高温運転と低温での夜間保管を繰り返す機械で発生する結露が原因であることが多いです。透明なサンプル容器の底に細かい金属片が見られる場合は、ギア歯の摩耗が加速していることを示唆しており、通常はオイルの汚染またはギアのかみ合い過負荷が原因です。黒く酸化したオイルで焦げ臭がする場合は、慢性的な過熱を示しており、ギアボックスの運転を再開する前に、熱管理システムを直ちに調査する必要があります。

入力側と出力側のシャフトシールは、250時間ごとに点検する必要があります。入力側では、シールが漏れるとPTOグリースがギアボックスオイルに混入します。入力端付近のオイルが灰色に変色することで、この漏れを識別できます。出力側では、ポンプ駆動シャフトがギアボックスから出る部分でシールが漏れると、ギアボックス内部が作動油にさらされます。多くのPTO増速機はポンプとオイルを共有していますが（特に一体型ハウジング設計の場合）、潤滑システムが分離されているユニットでは、ギアオイルと作動油の添加剤パッケージが化学的に不適合である可能性があるため、ギアオイルと作動油を分けておく必要があります。

トラクターのPTOとギアボックスの入力部を接続するドライブラインは、50時間ごとにグリースを塗布する必要があります。ユニバーサルジョイントベアリング、スリップヨークスプライン、シールドベアリングはすべて、運転シーズン間に発生するドライランニング腐食を防ぐために新しいグリースが必要です。クロスアンドベアリングユニバーサルジョイントは、PTO油圧システム全体で最も一般的な故障箇所であり、予防的なスケジュール（運転角度に応じて500～800時間ごと）で交換する方が、故障したユニバーサルジョイントによってドライブラインが高速で外れた場合に発生する損害よりもはるかに安価です。

適切な油圧式PTOギアボックスの選び方

選定は、トラクターのPTO回転数（540回転/分または1,000回転/分）、トラクターの利用可能なPTO馬力、油圧ポンプの仕様（排気量、定格回転数、取り付けフランジ、駆動軸構成）、および作業機の油圧要件（流量、圧力、デューティサイクル）という4つの情報から始まります。

これら 4 つの入力に基づいて、選択プロセスは論理的な順序で進みます。まず、ポンプの定格入力速度を PTO 速度で割って、必要なギアボックス出力速度を決定します。次に、ギアボックスが伝達しなければならない最大連続トルクを計算します。これは、リリーフバルブ圧力設定でのポンプの最大入力トルクに、過渡負荷に対する 15% のマージンを加えた値に等しくなります。3 番目に、計算された出力速度でのギアボックスの公表されている連続トルク定格がこの要求を超えていることを確認します。4 番目に、機械的インターフェースを確認します。入力スプラインは PTO スタブ (通常、540 RPM の場合は 6 スプライン 1-3/8 インチ、1,000 RPM の場合は 21 スプライン 1-3/8 インチ) と一致し、出力フランジはポンプの取り付けパターンと一致している必要があります。

トルク定格を確認せずに馬力定格のみに基づいてギアボックスを選択するというよくある間違いを避けてください。「50 HP」定格の2つのギアボックスは、一方が1:2比（出力トルクが低い）で、もう一方が1:4比（出力トルクが高い）の場合、トルク容量が大きく異なる可能性があります。ギアとベアリングが想定される用途に耐えられるかどうかは、銘板の馬力ではなく、ギア歯にかかる実際のトルクによって決まります。 Ever-Power PTOギアボックス 製品一覧から各ギア比における完全なトルク仕様が記載された製品を見つけることができ、用途に応じた選択が容易になります。

よくある質問

編集者: Cxm