JP2006045976A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 アームに本来要求される強度を維持しつつ軽量化する。
【解決手段】 アーム本体２５を構成する一対の側板３０に、ブームの先端部によってアーム１３を回動可能に支持するためのボス部３８を設ける。アーム本体２５を構成する上板３２は、アーム本体２５の先端部２５ｂから延びる先端側部３２ｂと、アーム本体２５の基端部２５ｂから延びる平板部３２ａと、バケットシリンダによってアーム２５が受ける力の作用方向に見て平板部３２ａが先端側部３２ｂよりも上方に配置された状態でこれら両平板部３２ａ，３２ｂを段差状に接続する段差部３２ｃとを有する。段差部３２ｃに、ボス部３８よりも先端部２５ｂ寄りの位置で且つ前記力の作用方向に見て平板部３２ａと先端側部３２ｂとの間でバケットシリンダを回動可能に支持するブラケット４６を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、油圧ショベル等のアタッチメントが取り付けられたアームを有する建設機械に関し、特にそのアームに関するものである。

油圧ショベル等の建設機械は、例えば下記特許文献１に開示されているように、下部走行体の上部に上部旋回体が旋回自在に配置され、この上部旋回体の前部には作業腕が起伏自在に装着されている。この作業腕はブームとアームとアタッチメントとからなり、ブームはブームシリンダによって起伏するように構成され、アームは、ブームに設けられたアーム駆動用シリンダによって回動するように構成され、アタッチメントはアームに設けられたアタッチメント駆動用シリンダによって回動するように構成されている。

前記アームは、地盤の掘削作業時等に受ける荷重を支える役割に担うために、このアームには十分な強度が要求される。一方、作業腕は、上部旋回体よりも前方にオーバーハングして取り付けられる上に、この作業腕を動かして作業を行うことから機体全体の重量バランスを考慮して作業腕の軽量化が求められている。その中でも、ブームの先端に回動自在に取り付けられるアームは特に軽量化による効果が大きな部材となっている。
特開２００２−３２２６６２号公報

ところで、図７及び図８に示すように、一対の側板７９，７９の上下端に上板７３、下板７８を溶接して形成された中空構造のアーム本体７２を備えるアーム７１について考えてみる。このアーム７１は上板７３及び下板７８が基端部側の折り曲げ部位７３ａ，７８ａを除いて平板状に構成されたシンプルな構造のもので、軽量化を目的としたタイプのアームである。上板７３にはアタッチメント駆動用シリンダ７６（図９参照）を支持するためのブラケット７４が立設され、アーム本体７２の基端部にはアーム駆動用シリンダ７７（図９参照）を支持するためのブラケット７５が立設されている。このアーム７１を使用して掘削作業を行った場合、図９に示すようにアーム７１の上板７３には、ブラケット７４を介してアタッチメント駆動用シリンダ７６からの力が作用する一方、アーム本体７２の基端部には、ブラケット７５を介してアーム駆動用シリンダ７７からの力が作用することとなる。このとき、図１０に示すように、ブラケット７４から上板７３に作用するアタッチメント駆動用シリンダ７６による力は同図右方向（アーム基端部方向）となる一方、ブラケット７５からアーム本体７２の基端部に作用するアーム駆動用シリンダ７７による力は同図上方向（又は左上方向）となるので、アーム本体７２の上板７３には圧縮応力が作用する。このため、上板７３の折り曲げ部位７３ａに応力が集中し、この部位における上板７３と側板７９との溶接部位の疲労寿命を低減させる虞がある。また上板７３の強度が不足する場合にはこの折れ曲がり部位７３ａにおいて曲がり変形を生ずる虞がある。したがって、このタイプでは、アーム７１の強度を確保するために上板７３等の板厚を厚くする必要が生ずる。

一方、前記特許文献１にはアームを補強することが開示されている。具体的に、アームに設けられたブラケットに、アーム駆動用シリンダを連結するためのピン孔とアタッチメント駆動用シリンダを連結するためのピン孔との双方を設けることで、両シリンダから受ける力を相殺させることが示されている。また、同文献には、ブラケットの溶接長を長くすることで溶着部の発生応力を緩和させ、部材の重量軽減を図ることができる旨が記載されている。しかしながら、このものでは必然的にブラケット自体が大型化するためにアームの重量軽減を有効に達成できるとは考えにくい。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アームに本来要求される強度を維持しつつアームを軽量化することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、ブーム、アーム及びアタッチメントからなる作業腕を有し、この作業腕のアームの基端部に、ブームに設けられたアーム駆動用シリンダが取り付けられる一方、先端部にはアタッチメントが取り付けられ、このアタッチメントは、アームに取り付けられたアタッチメント駆動用シリンダによって回動可能に構成されている建設機械を前提として、前記アームは、一対の側板とこの両側板に溶接される上板とを有するアーム本体を備え、前記アーム本体の側板における下部には、前記ブームの先端部によってアームを回動可能に支持するための回動中心部が設けられ、前記アーム本体の上板は、前記アーム本体の先端部から延びる先端側部と、前記アーム本体の基端部から延びる平板部と、前記アタッチメント駆動用シリンダによってアームが受ける力の作用方向に見て平板部が先端側部よりも上方に配置された状態でこれら両平板部を段差状に接続する段差部とを有し、前記段差部には、前記回動中心部よりも先端部寄りの位置で且つ前記力の作用方向に見て前記平板部と前記先端側部との間でアタッチメント駆動用シリンダを回動可能に支持するためのブラケットが設けられている。

この発明では、ブラケットに作用するアタッチメント駆動用シリンダからの力を上板の段差部で受けることとなるので、ブラケットの先端側と基端側において局所応力が発生しにくい。そして、このアタッチメント駆動用シリンダからの力は特に上板の平板部に集中して伝わることとなるが、このとき上板の平板部が、この力の作用方向に見てブラケットよりも上方に配置されるとともにアーム駆動用シリンダの取り付け部位の近傍まで直線状に延びているので、上板の段差部で受けた力は、平板部に主として圧縮又は引張の軸荷重として作用する。このとき、平板部に曲げモーメントが作用するとしても僅かに作用するだけである。加えて、上板に段差部を設けることでアーム基端側の側板高さを大きくとることができるので、段差部よりも基端側のアーム本体において回動中心部に関するアーム本体の断面二次モーメントを増大させることができる。この結果、アーム本体を構成する上板と側板との溶接部の疲労寿命を低減させるような応力状態を生じさせるのを抑制することができる。

また、前記ブラケットは、前記平板部につながる端部の上面がこの平板部の上面と段差なく接続されているのが好ましい。

この構成によれば、ブラケットと上板との接続部に応力集中が発生するのを回避することができるので、上板をより薄く形成することが可能となる。

また、前記ブラケットは、前記平板部、段差部及び先端側部に跨る領域で上板に固着されているのが好ましい。

この構成によれば、ブラケットが上板の段差部を補強する機能を発揮することとなるので、段差部をより薄く形成することができる。

以上説明したように、本発明に係る建設機械によれば、段差部よりも基端側のアーム本体において回動中心部回りの剛性を向上できるとともに上板の平板部に主として軸荷重を生じさせることができる。この結果、アーム本体を構成する側板、上板の板厚を薄くできるとともに、厚肉板によって構成されるブラケットを小型化できるので、アームの溶接部における疲労強度を維持しながらアームの軽量化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る建設機械としてのクローラ式油圧ショベルの全体構成を示している。この図に示すように、油圧ショベルの車体（本体）は、下部走行体１と上部旋回体２とより構成されており、この上部旋回体２の前部には作業腕３が起伏自在に装着されている。

下部走行体１は、左右のクローラフレーム４及びクローラ（いずれも片側のみ図示）５からなり、両側クローラ５が、左右の走行モータ６により個別に回転駆動されて走行する。上部旋回体２は、旋回フレーム７、運転室８、機械室９等からなり、機械室９には、図示しない油圧ポンプ等を駆動するためのエンジン等が配置されている。この上部旋回体２の前端部にはブームシリンダ１２が設けられている。このブームシリンダ１２は前記油圧ポンプから供給される作動油により伸縮動作する。

作業腕３は、ブーム１１と、アーム１３と、アタッチメントとしてのバケット１８とからなる。

ブーム１１は上部旋回体２の前端部に設けられるものであり、このブーム１１は横断面矩形状の中空状に形成されている。ブーム１１の側板には、前記ブームシリンダ１２の先端部がピン結合されていて、このブーム１１はブームシリンダ１２を伸縮動作することにより起伏するように構成されている。

ブーム１１の上板には、アーム駆動用シリンダとしてのアームシリンダ１４が取り付けられている。また、ブーム１１の先端部には、ブーム１１の回動面と平行に配置された一対の平板からなるブラケット１５が設けられている。

アーム１３には、その基端部にアームシリンダ１４の先端部が回動自在に結合される一方、先端部に前記バケット１８が回動自在に結合される。そして、このアーム１３の基端部と先端部との間の中間部において、ブーム１１の先端部が回動自在に結合されており、アームシリンダ１４を伸縮させることで、アーム１３はブーム１１の先端部を中心としてブーム１１に対して回動自在となっている。以下、アーム１３の構成を具体的に説明する。

アーム１３は、図２及び図３にも示すように、細長中空体状に形成されたアーム本体２５を備えている。アーム本体２５の基端部２５ａには、アームシリンダ１４の先端部をピン結合するための基端ブラケット２７が設けられている。この基端ブラケット２７は、それぞれピン挿通孔を有し且つブーム１１の回動面と平行に設けられた一対の平板からなる。一方、アーム本体２５の先端部２５ｂには、バケット１８をピン結合するための先端ブラケット２８が設けられている。この先端ブラケット２８はそれぞれピン挿通孔２７ａ，２８ａを有する一対の平板からなる。

アーム本体２５は、一対の側板３０の上下端部（図２における上下方向端部）をそれぞれ上板３２、下板３４で連結することで横断面矩形状に形成されている。これら上板３２及び下板３４は、それぞれ側板３０よりも僅かに側方へ突出した形態で側板３０と溶接されている。

各側板３０はそれぞれ長細い平板からなり、この各側板３０には、その長さ方向の中間部における下部に補強板３６が貼り合わされている。この補強板３６にはブーム１１の先端部をピン結合するためのボス部３８が設けられている。このボス部３８はアーム本体２５の基端部２５ａと先端部２５ｂとの間の第１中間部２５ｃにおいて円筒状に形成されており、両側板３０に亘る貫通孔に図外のピンを挿通することでブーム１１の先端部をピン結合可能となっている。このボス部３８は、本発明でいう回動中心部を構成するものである。尚、本明細書では、側板３０の長手方向と直交する方向における回動中心に近い側を下側、遠い側を上側と呼んでいる。

図２は、ボス部３８よりもアーム本体２５の先端部２５ｂ側となる側板３０の下端部における先端側部３０ｂが同図における左右方向に延び且つ同下端部における基端側部３０ａが同図における右斜め上方に延びるように側板３０を配置した状態で図示している。尚、図２中、４０は、アーム本体２５を構成する側板３０の厚みをその基端部及び先端部においてその間の中間部位よりも厚くしていることによって生ずる端面を示している。

側板３０は、前記第１中間部２５ｃからアーム本体２５の基端部２５ａに向かうに従って同図上下方向の幅が次第に小さくなる形状となっている。また、この側板３０は、第１中間部２５ｃよりもアーム本体２５の先端部２５ｂ寄りに位置する第２中間部２５ｄからアーム本体２５の先端部２５ｂに向かうに従って同図上下方向の幅が次第に小さくなる形状となっている。また、第１中間部２５ｃと第２中間部２５ｄとの間の範囲内における側板３０の同図上下方向の幅は、アーム本体２５の長さ方向に沿っておよそ同じとなっている。前記第２中間部２５ｄは、後述するようにバケットシリンダ４４による力を受ける部位となっている。

下板３４は、アーム本体２５の第１中間部２５ｃで折れ曲がった形状をなしている。

上板３２は、前記第２中間部２５ｄよりもアーム本体２５の基端部２５ａ寄りに配置される平板部３２ａと、第２中間部２５ｄよりもアーム本体２５の先端部２５ｂ寄りに配置される先端側部３２ｂと、これら平板部３２ａ，３２ｂ間に配置される段差部３２ｃとからなる。平板部３２ａ及び先端側部３２ｂは、それぞれ細長の平板状に構成されているが、先端側部３２ｂは平板部３２ａよりも長くなっている。

平板部３２ａは、基端ブラケット２７が設けられるアーム本体２５の基端部２５ａの近傍まで直線状に延びており、この平板部３２ａの端部は円弧状に湾曲した形状に構成された基端板４２に滑らかに接続されている。これにより、アーム本体２５の基端部１５ａは全体として丸みを帯びた形状となっている。この基端板４２は、その上端部が上板３２に接続される一方、下端部が下板３４に接続されるものである。また、この基端板４２は両側板３０に溶接されている。前記基端ブラケット２７は基端板４２と下板３４に跨って設けられている。

先端側部３２ｂは、アーム本体２５の先端部２５ｂから段差部３２ｃに向かって直線状に延びている。

段差部３２ｃはアーム本体２５の長さ方向における第２中間部２５ｄに位置するものであり、この段差部３２ｃは、上板３２の平板部３２ａと、図２の左右方向に見て平板部３２ａよりもボス部３８に近い先端側部３２ｂとを段差状に接続している。段差部３２ｃは、その両端部が僅かに湾曲しており、これにより段差部３２ｃと各平板部３２ａ，３２ｂとが滑らかに接続されている。

段差部３２ｃにはアタッチメント駆動用シリンダとしてのバケットシリンダ４４を支持するためのブラケット４６が設けられている。このブラケット４６はアーム１３の回動面と平行に配置された一対の平板によって構成されており、各平板は図８に示したアームと同様にそれぞれ側板３０よりも厚肉に形成されている。各平板にはそれぞれピン挿通孔４６ａが形成されている。そして、このピン挿通孔４６ａに図外のピンを挿通し、バケットシリンダ４４の基端部をピン結合することにより、バケットシリンダ４４はピンを軸として所定範囲で回動可能となっている。このバケットシリンダ４４は、ブラケット４６に対して平板部３２ａとは反対側に配置されている。

ブラケット４６は、先端側部３２ｂ、段差部３２ｃ及び平板部３２ａに跨る状態で上板３２に溶接されている。つまり、上板３２とブラケット４６との溶接線が主として段差部３２ｃに形成されるが、この溶接線は先端側部３２ｂ及び平板部３２ａにまで延びている。

ブラケット４６を構成する各平板は略三角形状に形成され、ブラケット４６は前記ボス部３８から離れる方向へ段差部３２ｃから突出している。そして、前記ピン挿通孔４６ａはブラケット４６において先端側部３２ｂ寄りに配置されている。

ブラケット４６の基端部４６ｂ、即ち平板部３２ａにつながるブラケット４６の端部４６ｂは、その上面が上板３２の平板部３２ａにおける上面と段差なく、即ち略面一の状態で接続された形状となっている。そして、この基端部４６ｂの上面は平板部３２ａの上面から直線状に延びている。一方、ブラケット４６の先端部４６ｃ、即ち先端側部３２ｂにつながるブラケット４６の端部４６ｃは、滑らかな湾曲状となって上板３２の先端側部３２ｂに接続されている。そして、ブラケット４６のピン挿通孔４６ａは、側板３０の下端部における先端側部３０ｂの延びる方向に見て先端側部３２ｂと平板部３２ａとの間に位置している。なお、本実施形態では、ブラケット４６の基端部４６ｂの上面が平板部３２ａの上面から一直線状に延びる形状としたが、ブラケット４６は、その上面が平板部３２ａよりもブラケット４６の板厚以内の範囲で上方に突出する形状としてもよく、あるいは上面が平板部３２ａから平板部３２ａの板厚以内の範囲で下方に位置する形状としてもよい。

バケットシリンダ４４はそのロッドの伸縮に伴い、側板３０の下端部における先端側部３０ｂの延びる方向と平行な方向を挟んで所定の角度範囲内でブラケット４６に力を作用させる。このとき、バケットシリンダ４４は、ブラケット４６における平板部３２ａとは反対側の部位から力を作用させる。

バケット１８は、アーム１３の先端ブラケット２８にピン結合されるとともにリンク機構５０を介してバケットシリンダ４４の先端部に接続されている。これにより、バケット１８は、バケットシリンダ４４の伸縮に伴ってアーム１３に対して回動するようになっている。

次に、本実施形態に係る油圧ショベルによる作用効果について説明する。

まず、図７に示した形状のアーム７１に作用する応力について説明する。このアーム７１の上板７３には段差部が設けられておらず、ブラケット７４が上板７３よりも上方に突出している。そして、ブラケット７４に作用する力は溶接線と略平行な方向となる。したがって、この構成では、図５に示すようにバケットシリンダによってブラケット７４に作用した力により、上板７３に曲げモーメント（図５に湾曲した白抜き矢印で示す）が発生するとともに、ブラケット７４の先端側と基端側とで局所応力が大きくなる。このため上板７３と側板７９との溶接部の疲労寿命の低下を招かないようにするためには、上板７３の板厚を厚くする必要がある。

これに対し、本実施形態に係る油圧ショベルのアーム１３では、ブラケット４６に作用するバケットシリンダ４４からの力を上板３２の段差部３２ｃで受ける。つまり、バケットシリンダ４４からの力は、先端側部３２ｂからピン挿通孔４６ａよりも上まで立ち上がった段差部３２ｃの全体で主として受けることとなる。このため、ブラケット４６の先端側と基端側に局所応力が発生しにくく、ブラケット４６の溶接部への負荷も低減される。そして、このバケットシリンダ４４からの力は特に上板３２の平板部３２ａに集中して伝わることとなる。上板３２の平板部３２ａが、この力の作用方向に見てブラケット４６よりも上方に配置されるとともに基端ブラケット２７の近傍まで直線状に延びているので、上板３２の段差部３２ｃで受けた力は、図４に示すように、平板部３２ａに主として圧縮又は引張の軸荷重として作用する。このとき、平板部３２ａに曲げモーメントが作用するとしても僅かに作用するだけである。

したがって、本実施形態では上板３２に主として軸荷重を作用させることができるので、上板３２に生ずる応力を低減でき上板３２の板厚を薄くすることが可能となる。また、ブラケット４６の溶接部への負荷を低減できることから、ブラケット４６の溶接面積を小さくすることも可能となる。これにより、厚肉板によって構成されるブラケット４６を小型化することができる。加えて、上板３２に段差部３２ｃを設けることでアーム基端側の側板３０高さを大きくとることができるので、段差部３２ｃよりも基端側のアーム本体２５においてボス部３８に関するアーム本体２５の断面二次モーメントを増大させることができてこの部位の剛性を向上することができる。この結果、アーム本体２５を構成する上板３２と側板３０との溶接部の疲労寿命を低減させるような応力状態を生じさせるのを抑制することができる。

それ故に、側板３０、上板３２の板厚を薄くできるとともにブラケット４６を小型化できるので、アーム１３の溶接部における疲労強度を維持しながらアーム１３の軽量化を図ることができる。例えば２０トンクラスの油圧ショベルで約５％程度の軽量化を図ることができる。

また、本実施形態では、平板部３２ａにつながるブラケット４６の端部４６ｂの上面がこの平板部３２ａの上面と段差なく接続されているので、ブラケット４６と上板３２との接続部に応力集中が発生するのを回避することができ、上板３２をより薄く形成することが可能となる。

また、本実施形態では、ブラケット４６を平板部３２ａ、段差部３２ｃ及び先端側部３２ｂに跨る領域で上板３２に溶接する構成としているので、ブラケット４６によって上板３２の段差部３２ｃを補強することが可能となり、段差部３２ｃをより薄く形成することが可能となっている。

また、本実施形態では、アームシリンダ１４からの力を主に受ける上板３２の平板部３２ａがアーム本体２５の基端部２５ａまで直線状に延びるように形成されるとともに、その端部に接続された基端板４２が湾曲した形状に形成されているので、この力による応力集中を抑止することができる。これにより、基端板４２と側板３０との溶接部の疲労寿命を有効に低減することができる。この点、基端板４２の上端部が、図６に示すように上方へ真っ直ぐ延びた形状となっていて、この基端板４２の上端部に平板部３２ａの端部が接続される構成としてもよい。

なお、上板３２について、段差部３２ｃを設けることなく先端側部３２ｂと平板部３２ａとを一直線状に接続した形状とすると、側板３０高さを稼ぐことができずアーム本体２５の剛性を向上できないこととなる。加えてアームシリンダ１４を基端板４２における上側に取り付ける必要が生ずるので、このことによっても上板３２に作用する曲げ成分をカットできなくなり、上板３２に生ずる応力が増大してしまう。一方、段差部３２ｃを設けることなくアーム本体２５の側板３０高さを全体的に高くする構成とすると、アーム本体２５の剛性は向上するが、アーム１３の干渉の問題を引き起こす虞が生じ、さらにはアーム先端部の重量の増大をも引き起こしてしまう。したがって、上板３２に段差部３２ｃを設け且つ基端側の側板３０の幅を大きくすることが上述したように有効となる。

本実施形態では、本発明を油圧式ショベルに適用した例について説明したが、これに限られるものではなく、本発明は、例えば作業腕３の先端部に破砕機を装着した建設機械等の他の建設機械に適用することもできる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す側面図である。 前記油圧ショベルのアームの全体構成を示す正面図である。 前記アームの主要部を拡大して示す部分拡大図である。 前記アームの上板に生ずる荷重を示す特性図である。 上板がアームの全体に亘って直線状に形成されたアームの上板に生ずる荷重を示す特性図である。 本発明の実施形態におけるアームのその他の構成を示す部分拡大図である。 上板がアームの全体に亘って直線状に形成されたアームの全体構成を示す正面図である。 図７のVIII−VIII線における断面図である。 油圧ショベルにおいて、掘削作業時にアームがアタッチメント駆動用シリンダ及びアーム駆動用シリンダから受ける力を示す特性図である。 図７に示すアームの上板に生ずる曲がり変形を示す特性図である。

符号の説明

３ 作業腕
１１ ブーム
１３ アーム
１４ アームシリンダ（アーム駆動用シリンダ）
１８ バケット（アタッチメント）
２５ アーム本体
２５ａ 基端部
２５ｂ 先端部
３０ 側板
３２ 上板
３２ａ 平板部
３２ｂ 先端側部
３２ｃ 段差部
３８ ボス部（回動中心部）
４２ 基端板
４６ ブラケット
４６ｂ 基端部（端部）

Claims (3)

1. ブーム、アーム及びアタッチメントからなる作業腕を有し、この作業腕のアームの基端部に、ブームに設けられたアーム駆動用シリンダが取り付けられる一方、先端部にはアタッチメントが取り付けられ、このアタッチメントは、アームに取り付けられたアタッチメント駆動用シリンダによって回動可能に構成されている建設機械であって、
   前記アームは、一対の側板と、この両側板に溶接される上板とを有するアーム本体を備え、
   前記アーム本体の側板における下部には、前記ブームの先端部によってアームを回動可能に支持するための回動中心部が設けられ、
   前記アーム本体の上板は、前記アーム本体の先端部から延びる先端側部と、前記アーム本体の基端部から延びる平板部と、前記アタッチメント駆動用シリンダによってアームが受ける力の作用方向に見て前記平板部が先端側部よりも上方に配置された状態でこれら両平板部を段差状に接続する段差部とを有し、
   前記段差部には、前記回動中心部よりも先端部寄りの位置で且つ前記力の作用方向に見て前記平板部と前記先端側部との間でアタッチメント駆動用シリンダを回動可能に支持するためのブラケットが設けられている建設機械。
2. 前記ブラケットは、前記平板部につながる端部の上面がこの平板部の上面と段差なく接続されている請求項１に記載の建設機械。
3. 前記ブラケットは、前記平板部、段差部及び先端側部に跨る領域で上板に固着されている請求項１に記載の建設機械。

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