タンデムリアアクスル ― モーターグレーダー特有のホイール駆動構成
モーターグレーダーは、タンデム後車軸配置を採用した唯一の一般的な建設機械です。タンデム後車軸配置とは、4つの後輪（片側2つずつ）が台車アセンブリに取り付けられ、上下の車輪が地面との接触を維持しながら地形の凹凸を乗り越えることができる構造です。タンデムの各側は、単一の駆動装置によって駆動されます。 ホイール駆動遊星歯車機構 それはチェーン駆動またはギア駆動のトランスファーケースに動力を供給し、トルクを上下の車輪に分配する。
この構成は、シングルリアアクスル構成に比べて 3 つの利点があります。(1) 接地面積が 2 倍になるため、整地されたばかりの路面への接地圧が 50% 減少し、後輪が仕上げたばかりの路面に轍を作るのを防ぎます。(2) トラクションの向上 - 4 つの後輪タイヤは、緩い材料では 2 つのタイヤよりも約 80% 高いトラクションを提供します。(3) 地形への適合性 - ボギーは ±15 度まで旋回するため、固定アクスルでは 1 つの車輪が浮いてしまうような隆起や窪みでも、4 つの後輪すべてが接地した状態を維持します。
そのため、遊星歯車機構は、トルクをトランスファーケースに伝達し、トランスファーケースは、回転速度が異なる可能性のある2つの車輪にトルクを分配する必要があります（台車が連結すると、上下の車輪はピボットの周りを異なる経路で移動します）。トランスファーケースは、この速度差をスムーズに吸収する必要があります。通常は、十分なたるみのあるチェーン駆動、またはギア差動機構によって実現されます。トランスファーケースが（チェーンの伸び、潤滑不足、または摩耗によって）固着すると、トルクの配分が不均等になり、トルクが過剰な車輪は路面を擦り、トルクが不足している車輪は牽引力が低下します。
タンデムボギーでは、遊星歯車機構の出力軸受に特有の荷重パターンが生じます。ボギーが路面の凹凸を通過する際に、歯車機構の出力フランジにかかる反力は、上部チェーンと下部チェーンの間で振動し、出力軸に周期的な曲げモーメントが発生します。このモーメントは、一定のねじり荷重に重畳されます。このねじりと曲げが複合した疲労状態は、軸と軸受の寿命計算に含める必要があります。これは、出力軸が純粋なねじり荷重を受ける単軸駆動方式では考慮する必要のない点です。
タンデム配置は、ブレーキ性能にも影響します。タンデムの各側には、合計の減速力を共有する4つのブレーキ面（2つの車輪×2つのブレーキパッド）があります。ブレーキの作動は4つの面すべてで同時に行われなければなりません。なぜなら、上下の車輪間でブレーキの効き方が異なると、ピッチングモーメントが発生し、一方の車輪が地面から持ち上がり、残りの車輪に全制動力が集中するからです。濡れた路面や凍結した路面では、この不均等なブレーキによって、荷重の軽い車輪がロックし、スリップが発生してグレーダーが横滑りする可能性があります。グレーダーのタンデムアクスルに搭載されたABSシステムは、4つの車輪すべての速度を個別に監視し、各車輪へのブレーキ圧を個別に調整する必要があります。これは、標準的な2軸ABSよりも複雑な制御作業です。
GPSによる精密グレーディング ― ±1%の速度安定性が±3mmの表面公差を生み出す仕組み
GPS誘導式ブレード制御は、最新のモーターグレーダーにおける決定的な技術です。このシステムは、RTK-GPS受信機（精度±10～20mm）から機械の位置を読み取り、3D設計サーフェスモデルと比較し、油圧シリンダーを介してブレードの高さと横断勾配を毎秒10～20回調整します。その結果、設計プロファイルと±3～5mm以内の誤差で一致する仕上がり面が得られ、勾配チェックを行う測量チームが不要になり、材料の過剰使用（最小厚さを確保するために基礎材を過剰に敷設すること）を15～301トン削減できます。
ブレード制御システムは、ブレード調整率を計算する際に一定の地上速度を前提としています。実際の速度が想定値から±5%だけ変動した場合（ホイール駆動のコギング、トラクションの変動、または油圧システムの圧力変動による）、ブレード調整のタイミングが±5%だけずれ、グレーディングパスの5%の間、ブレードが誤った位置にあることになります。作業速度が5 km/hの場合、5%の速度誤差は1秒あたり83 mmの距離誤差を生じさせ、ブレードはその速度で計算された位置より83 mm前後の位置にあることになります。100メートルのパスでは、これが累積して振幅2～5 mmの周期的な表面のうねり（コギング周波数）が50～200回発生し、仕上がり面に洗濯板のようなテクスチャとして現れます。
の ホイール駆動遊星歯車機構 ギアの品質は、達成可能な表面公差を直接決定します。DINクラス6のギアは、2%未満のコギング振幅を生成し、これはブレード制御の補償能力の範囲内です。クラス8のギアは、5～8%のコギング振幅を生成し、これは補償能力を超え、目に見える表面のうねりを生じさせます。クラス6とクラス8のギアのコスト差は、ギアボックス価格の約15～25%ですが、生産性の差（1回のパスで仕様に準拠した表面を達成できるか、修正パスが必要か）は、1キロメートルあたりのグレーディングコストの20～40%です。ギアの品質への投資に対するリターンは、GPS誘導による精密グレーディングの最初の2～5キロメートルで達成されます。
整地作業中の速度範囲は、作業内容によって大きく異なります。粗整地（路盤の初期整形）は、ブレードに大きな負荷をかけ、3～5 km/h の速度で作業します。これは、高い牽引力と中程度の速度精度を必要とします。仕上げ整地（最終的な路面整形）は、ブレードに軽い負荷をかけ、5～8 km/h の速度で作業します。これは、中程度の牽引力と高い速度精度を必要とします。溝掘り（路肩に沿って排水路を掘削）は、ブレードを 30～60 度の角度で使用し、2～4 km/h の速度で作業します。これは、ブレードに大きな横方向の力をかけながら、正確な深さ制御を行う作業です。それぞれの作業によってホイール駆動装置への要求は異なり、トランスミッションとギアボックスは、作業中にオペレーターが機械的なレンジを切り替えることなく、これら 3 つの作業すべてに対して適切なトルクと速度の組み合わせを提供する必要があります。
関節式フレームステアリングと前輪駆動
モーターグレーダーは、関節式フレームステアリングを採用しています。機械の前部は中央の関節部で後部に対して旋回します。これにより、前輪を後輪からずらすことが可能になり、進行方向に対して斜めにグレーディングを行う際に不可欠です（例えば、路肩に沿って排水溝を掘削する場合など）。関節角度は±20～25度まで調整可能で、駆動輪は全可動範囲にわたって一定のトラクションと速度を維持する必要があります。
オプションの前輪駆動は、個別のホイールモーターと遊星歯車機構を介して2つの前輪を駆動します。前輪駆動は、緩い材料の粗い整地作業において30～50%のトラクションを向上させますが、前輪と後輪の駆動速度を一致させる必要が生じます。前輪が後輪とは異なる速度で回転する場合（ギア比、タイヤサイズ、または油圧流量の違いによる）、駆動系が引っかかり、タイヤの摩耗、燃料消費量の増加、ブレード位置に影響を与える不均一なトラクションが発生します。前輪駆動は、全速度範囲において後輪駆動の速度を±1～2%の範囲内で一致させる必要があります。これは、GPSブレード制御の精度に必要な許容誤差と同じです。
関節式整地（前輪が後輪からオフセットされている状態）では、前輪と後輪の走行経路長が異なり、速度整合の要件は関節角度によって変化します。±20度の関節角度では、前輪の走行経路は後輪の走行経路よりも約5～8%長くなるか短くなります。そのため、前輪駆動装置はオペレーターの介入なしに、この幾何学的差異を自動的に補正する必要があります。関節による走行経路長の差異を補正しない前輪駆動装置では、タイヤの非対称摩耗や断続的な固着が発生し、関節式整地作業中のブレード制御精度が低下します。
通年業務 ― 道路維持管理、除雪、空港運営
季節によって稼働するほとんどの建設機械とは異なり、モーターグレーダーは道路維持管理の役割で年間を通して稼働します。夏季は路面整備（未舗装道路の整形、年間500～1,500時間）、冬季は除雪（道路や空港滑走路の除雪、年間200～800時間）、路肩整備（排水溝の整形、年間200～500時間）を行います。この年間を通しての作業により、ホイール駆動部は冬季の-30℃から夏季の+45℃まで、年間を通してあらゆる温度範囲にさらされます。これは、飼料ミキサーのホイール駆動部（WD-06）が直面するあらゆる気候条件への対応と同じです。
除雪作業は、ホイール駆動部に特有の負荷をかけます。グレーダーは、ブレード1枚あたり1～3トンの雪を時速20～40kmで押し出します。これは、グレーディング時の時速3～8kmよりもはるかに速い速度です。除雪速度では、ホイール駆動部は中程度のトルクでより高い出力回転数で動作するため、高速回転によるベアリングの発熱量が増加し、噛み合い周波数の上昇によるギアノイズも大きくなります。除雪作業中および作業後には、道路に撒かれた塩（塩化ナトリウムと塩化カルシウム）がホイール駆動部のハウジングに飛び散り、塩水溶液（-20℃まで液体の状態を保つ）が冬の間ずっと腐食性電解質として作用します。
空港滑走路の維持管理は、グレーダーが最も高速で稼働する用途の一つです。空港グレーダーは、滑走路の除雪作業中、時速30～50kmで走行し、航空機の運航の合間、30～60分という短い時間枠で除雪を行います。この速度域では、滑走路の凍結路面（摩擦係数0.1～0.2）において、車輪駆動部が確実なトラクションを発揮する必要があります。そのため、低摩擦路面での車輪のロックや空転を防ぐ、ABS対応のブレーキとトラクションコントロールが求められます。滑走路上で車輪が空転すると、除雪作業ができないだけでなく、滑走路表面を損傷する恐れもあります。その結果、滑走路が閉鎖され、修理が必要となり、迂回便が発生することで空港は1時間あたり5万～50万米ドルの損失を被ることになります。したがって、空港グレーダーの車輪駆動部は、航空機グレードの信頼性基準を満たす必要があり、冗長ブレーキ、トラクションコントロール診断機能、迅速なメンテナンスサポートなど、標準的な道路維持管理用グレーダーの仕様要件を上回る機能を備えている必要があります。
モーターグレーダーのホイール駆動装置に特有の3つの故障モード
40:1のギアボックスと30歯の出力ギアで時速5kmの場合、コギング波長は約55mmとなり、仕上げ面に波状の表面テクスチャが生じ、定規で検出可能で、IRI規格に適合しない可能性があります。この波状テクスチャは、完全にホイール駆動速度の脈動に起因します。GPSブレード制御は正確ですが、コギング誤差を含む速度信号に基づいてブレードを調整します。DINクラス8のギアでは波状振幅が2～5mmになりますが、クラス6のギアでは振幅が1mm未満に低減され、GPSシステムのノイズフロア内に収まるため、仕上げ面では見えなくなります。
上下のタンデムホイールを接続するチェーンまたはギア駆動部は、3,000～5,000時間で摩耗し、トルク配分が不均一になります。これにより、駆動力が強すぎるホイールが路面を擦り、駆動力が弱いホイールのトラクションが低下します。15,000 Nmの出力で5%のトルク不均衡がある摩耗したトランスファーケースは、ホイール間で750 Nmの差を生じ、新しく仕上げた路面にタイヤ痕が残るほどです。また、駆動系の摩擦によって本来トラクションとして路面に伝わるはずの動力が吸収されるため、燃料消費量も5～10%増加します。
道路に撒かれる塩（NaClとCaCl2）は雪解け水に溶け、5～15%の濃度でホイール駆動ハウジングに飛び散ります。これは海水に匹敵する濃度です。塩溶液は-20℃まで冷えても液体の状態を保ち、冬季（4～6ヶ月）を通して腐食接触が続きます。保護されていない軟鋼は、道路に撒かれる塩の環境下では年間0.3～0.8mmの速度で腐食し、ホイール駆動ハウジング、ボルトヘッド、シール保持器の表面には2～3回の冬季で目に見えるピットが発生します。塩はまた、シャフトシールのリップを外側から攻撃し、リップの硬化と亀裂を加速させ、オイル漏れや水の浸入を引き起こします。冬季にグレーダーのホイール駆動部は、6ヶ月間の冬季で、一般的な建設用ホイール駆動部が塩の撒かれない環境で3～5年間使用した場合に蓄積するよりも多くの腐食損傷を受けます。
よくある質問
韓国のエバーパワー社は、GPSによる正確な速度測定、タンデムアクスルによるトルク配分、冬季の塩害対策を備えた、8,000～35,000Nmのモーターグレーダー用ホイール駆動装置を提供しています。
編集者: Cxm
