JP2010517785A - 立体的荷重支持構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】立体的荷重支持構造及び立体的構造を製造するための方法を提供する。
【解決手段】立体的荷重支持構造は、各々が複数の折り畳み変位部を含む複数の曲げ線を持つ材料シートを曲げ線に沿って曲げて箱形形材にすることによって形成された骨格構造と、曲げて箱形形材にしたとき、骨格構造の一部を実質的に取り囲み、骨格構造の構造的一体性を強化するように形成される強化部材とを含む。
【選択図】図１

Description

本願は、２００７年２月９日に出願された米国仮特許出願第６０／８８９，２６２号の優先権を主張するものである。
本願は、更に、２００６年４月２５日に出願された米国特許出願第１１／４１１，４４０号の一部継続出願である。米国特許出願第１１／４１１，４４０号は、２００４年６月４日に出願された米国特許出願第１０／８６１，７２６号（現在の米国特許第７，０３２，４２６号）の分割出願である。米国特許出願第１０／８６１，７２６号は、２００３年９月２６日に出願された米国特許出願第１０／６７２，７６６号（現在の米国特許第７，１５２，４４９号）の分割出願である。米国特許出願第１０／６７２，７６６号は、２００２年９月２６日に出願された米国特許出願第１０／２５６，８７０号（現在の米国特許第６，８７７，３４９号）の一部継続出願である。米国特許出願第１０／２５６，８７０号は、２０００年８月１７日に出願された米国特許出願第０９／６４０，２６７号（現在の米国特許第６，４８１，２５９号）の一部継続出願である。
本願は、更に、２００５年７月１２日に出願された米国特許出願第１１／１８０，３９８号の一部継続出願である。米国特許出願第１１／１８０，３９８号は、２００４年７月１２日に出願された米国仮特許出願第６０／５８７，４７０号の優先権を主張するものであり、上述の米国特許出願第１０／６７２，７６６号の一部継続出願である。
本願は、更に、２００６年３月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８４，２１６号の一部継続出願である。米国特許出願第１１／３８４，２１６号は、２００５年３月１７日に出願された米国仮特許出願第６０／６６３，３９２号の優先権を主張するものであり、上述の米国特許出願第１０／６７２，７６６号の一部継続出願である。
本願は、更に、２００４年９月２７日に出願された米国特許出願第１０／９５２，３５７号の一部継続出願である。米国特許出願第１０／９５２，３５７号は、上述の米国特許出願第１０／２５６，８７０号の分割出願である。
本願は、更に、２００６年８月３１日に出願された米国特許出願第１０／９３１，６１５号の一部継続出願である。米国特許出願第１０／９３１，６１５号は、２００４年３月３日に出願された米国特許出願第１０／７９５，０７７号の一部継続出願である。米国特許出願第１０／７９５，０７７号は、上述の米国特許出願第１０／６７２，７６６号の一部継続出願である。
出典を明示することにより、これらの出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。
本発明は、全体として、材料シートの設計及び材料シートを正確に折り畳むこと、及び材料シートから立体的荷重支持構造を製造することに関する。更に詳細には、本発明は、平面的な材料シートを設計し、製造し、及び形成する方法に関する。これらの設計、製造、及び形成は、材料シートを正確に折り畳むことにより、産業用機械及び他の荷重支持構造で使用するための高強度で耐疲労性の立体的構造にできるようにするために行われる。
バックホー、ローダー、及び材料取扱機等の産業用機械は、機械の主本体を材料取り扱い構成要素に連結するためにリンクアームを使用する。リンクアームは、牽引、掘削、地ならし、及び持ち上げ等の無数の用途で、ローダー、ショベル、及び他の構成要素を操作する。アームにより、材料を夫々の機械の本体に対して移動できる。他の機械は、地下工事用のプラウやブレードの支持にアームを使用する。
バックホーローダーや森林用機械等の機械は、掘削作業を行うためのリンクとして多数のアームを使用する。リンクの一端は、エンジン又はモータに連結される。リンクの他端は、掘削用ショベルに連結されている。個々のアームの各々は、別のリンクアームに取り付けるための枢軸及び制御ロッド又はストラット用の取り付け点を有する。ストラットは、ショベルを位置決めでき且つ地面に押し込むことができるように、リンクの各アームを制御する。このように、リンクアームは、枢動点での及び構造全体の強度及び耐疲労性が極めて高くなければならない。
リンクアームは、中実のビームとして製造されてもよいが、中実のビームは取り扱いが煩わしく、重く、材料を経済的に使用しない。費用に優れたリンクアームを製造しようとする従来の方法は、多数の平らな鋼片を互いに溶接し、立体的構造を形成することであった。これらの鋼片は、それらの縁部又は面に沿って互いに溶接され、材料の使用を最少にした荷重支持構造を形成する。更に喜ばしい外観が求められる用途では、アームは、箱形ビームとして形成される。箱形ビームは、中実の物体であるような外観を呈するが、中央が中空である。他のアームは、本質的には、断面が「Ｔ」又は他の形状の荷重支持ビームである。
中実のアームと比較すると、これらのアームは、使用された材料及び重量を数分の一にして、高い荷重領域を支持する。しかしながら、このようなアームには幾つかの欠点がある。特に、これらのリンクアーム及び支持ビームは、構成部品の全ての縁部に沿って多数の溶接を必要とする。このことは、製造及び組み立てプロセス中に問題を生じる。
組み立てプロセスで複雑な溶接を使用すると、製造プロセスに対して大きな論理的問題及び費用に関する懸念が生じる。例えば、溶接によりビームを形成するプロセスは、加工素材のシートの縁部に沿って長い溶接線を形成することを必要とする。溶接線は、リンクアームの構造的一体性への鍵であり、及びかくして熟練した溶接工及び時間を必要とする。
最新のロボット工学は、溶接のエラーを少なくし、製造時間を減少することができる。しかしながら、このようなロボット工学を使用するには費用がかかり、扱い難い。溶接領域に大きな空間を割り当てなければならず、安全領域をロボットの周囲に設けなければならない。高温での溶接に必要な機器の大きさが与えられ、工場が形成されると、容易には動かすことができない。更に、工学的変更が行われる度毎に、製造プロセスを再構成するために追加の時間及び金銭の投資が必要とされる。
組み立てラインの外で行う溶接もまた、製造時間を追加する。溶接が完了した後、取り扱い又は組み立てラインへ移動する前に、部品を冷却しなければならず、処理を施さなければならない。
製造に関する問題点に加え、溶接により形成したビームは、輸送、組み立て、及び修理について懸念がある。アームは、取り扱いに熟練した労働者及び重機械を必要とするため、機械組み立てラインのそばで製造しなければならず、組み立てたユニットとして輸送しなければならない。シートストックの輸送及び取り扱いと比較すると、リンクアーム全体を輸送することは、費用及び論理的問題点が大きい。
更に、リンクアーム及びビームの現場での修復は、元来の製造プロセスよりも非効率である。リンクアーム全体を輸送するには費用がかかる。この理由により、多くの簡単な構造が必要とされている場合には、代表的には、部品を現場に輸送し、溶接を現場で行う。しかしながらこれを行うには非常に熟練した溶接工が現場にいることを必要とする。更に、幾つかの部品を溶接又は結合する場合、これらの部品を取り扱い、所定の場所に正確に位置決めすることによる問題点が生じる。プロセス全体には多くの時間がかかり、リンクアームが破損した場合には動作不能時間が長くなる。
現在、これまで小型の立体的構造に適用された別の方法が、溶接構造に対する代替策として考えられている。このような設計は、従来の工具を用いて平面的なシートから立体的構造を製造することを含む。シート材料を第１線に沿って曲げた後、次の曲げ線に沿って、前の曲げ線を参照して再び曲げる。
関連出願の折り畳みシートは、多くの場合、電気機器、コンピュータの電子素子用のシャシー、オーディオ受信機、テレビ、自動車、乗り物、航空宇宙、機器、産業用、及び他の商品を含むがこれらに限定されない立体的構造を提供するために使用されてきた。
折り畳み技術は、溶接を上回る多くの利点を提供する。詳細には、熟練労働者を使用せずに組み立てを容易に且つ迅速に行うことができる。更に、部品をシート材料として輸送及び移動でき、後に所定の場所で組み立てを手早く行うことができる。
折り畳み技術の発展により、比較的厚いシート材料を使用できるようになった。これにより、結果的に得られる立体的構造の強度が大幅に上昇した。かくして、大量の溶接や扱い難い工具を必要とせずに、安定した立体的構造を形成できる。
シートを折り畳むための一つの一般的な方法は、材料に曲げ線に沿ってスリット又は溝を形成することによって、シート材料の曲げ位置を制御するように設計された領域を持つ材料シートを使用することであった。このような設計の例は、ギトリン等に賦与された米国特許第６，６４０，６０５号及びセント・ルイスに賦与された米国特許第４，６２８，６６１号に記載されている。
切刃等の工具を使用することにより、材料を曲げ線に沿って曲げ易くする薄い領域又はスリットを材料シートに導入してもよい。交互の一連のスリットを所望の曲げ線と平行に且つこの曲げ線から横方向にオフセットして切り込み、材料を曲げ易くする。重なったスリット間の材料が、その間に曲げウェブ即ちストラップを形成する。材料を曲げるとストラップが捩じれて塑性変形し、これによりシートをスリット部分に沿って折り畳むことができる。スリットが平らな材料シートの表面上に設けられているため、多数の曲げを重ねることによるエラーが減少する。
上述の出願に詳細に論じられた他の制限の他に、ギトリン等及びセント・ルイスが説明したスリット及び溝を用いるシート材料の曲げには、荷重が加わった状態で幾つかの問題点がある。これらの設計の曲げストラップで生じる応力は、大きく且つ集中する。セント・ルイスによって教示されているように、スリットが材料を完全には貫通しないように材料に溝が設けられている場合には、溝の後側即ち下ウェブに作用する応力もまた大きく且つ集中する。材料を曲げてストラップが捩じれるとき、微小な裂け目がストラップ領域に形成される。かくして、その結果、材料に過剰の応力が加わり、曲げ領域に沿って破損が生じる。
更に、溝及びスリットの設計は、ギトリン等及びセント・ルイスが教示した設計と同様に、大きな荷重力に耐えることができない。実際、セント・ルイス及びギトリン等は、実のところ、加わる荷重が小さい、機器のフレーム、ハウジング、又はカバー等の立体的構造にしか適用されない。たとえ比較的厚い材料をギトリン等及びセント・ルイスの設計と組み合わせても、結果的に得られる立体的構造は大きな荷重を支持することができない。
これらの設計は、幾つかの理由のため、用途が限られている。第１の理由は、曲げ中にストラップが捩じられるときにストラップに加わる応力により、構造に何らかの大きな力が加わったとき、ストラップが破損し易いということである。第２の理由は、これらの形状は、面に対する支持がないということである。構造に加わる荷重は、曲げ中にスリットの縁部が向き合った面から強制的に引っ張られるため、主として曲げストラップによって保持される。
ストラップ領域を強化するため、交互のスリットの重なりを大きくすることによってストラップの長さを大きくできる。しかしながら、ストラップの長さが大きくなると、シールドを向き合った面に対して引っ張るストラップの力が小さくなる。かくしてこのような従来のスリット設計は、ストラップ領域での応力の減少と、構造を支持するための縁部−面接触を維持することとを秤にかける必要がある。
シート材料にスリットを設けるための、大きな構造的一体性を提供する別の方法は、ダーニー等に賦与された米国特許第１０／９３１，６１５号に記載されている。出典を明示することにより、この出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。この設計は、曲げ線を横切って斜めに延びる曲げストラップが一端に形成された溝を提供する。ストラップは、曲げ中に縁部−面接触を形成するように形成されている。ギトリン等の設計等のスリット設計とは対照的に、ストラップは曲げ線を横切って斜めに延び、曲げ中に捩じれたりせずに曲がる。縁部と隣接した面との接触により、更に、立体的構造の側部に対して、ギトリン等及びセント・ルイスが教示したスリット−溝設計よりも遥かに大きい支持を提供する。末広がりの端部分及び曲げストラップの位置により、このようなスリット及び溝設計での応力集中を更に低減する。
折り畳んだシートは、全体として、自由な又は隣接した平らなセグメントを有する。これらのセグメントは、折り畳みにより衝合関係又は重なり関係になり、次いで互いに取り付けられ及び／又は接合され、結果的に得られた構造を拡がらないように安定させ、剛性を向上する。折り畳んだシートの平らなセグメントを互いに取り付け及び／又は接合するための上述の技術は、用途で決まる。多くの場合において、曲げ線の両側の隣接した平らなセグメントは、第３の交差する平らなセグメント又は他の交差する構造を使用して立体的に固定され、これにより自由度を制限すること等により、隣接した平らなセグメント間の剛性を高める。
それにも関わらず、この設計を厚いシート材料と組み合わせても、リンクアーム又は荷重支持ビームとして使用するための大きな荷重を支持するのに十分な強度が得られない。ホー、ローダー、及び取扱機等の産業用機械用のリンクアームは、一般的には、立体的に移動する際に数万ｆｔ／ｌｂのトルクに耐えなければならず、その使用寿命中の疲労を最少にしなければならない。例えば、代表的な掘削の用途は、毎分１０回転での揺動トルクである３３５９８．４ｋｇ／ｍ（５００００ｆｔ／ｌｂ）の揺動荷重容量及び２７２１．５５４ｋｇ（６０００ｌｂ）の荷重容量を必要とする。
曲げることにより立体的構造されるように設計された従来技術のシート材料には、こうした高荷重の用途での使用を妨げる幾つかの制限があった。第１に、折り畳み変位部(folding displacement)が、一般的には、溶接の強度を持たないということである。構造は、かくして、大きな力が加わったとき、味噌すり運動を生じ(wobble)たり潰れたりしてしまい易い。
折り畳み技術は、更に、容易には「Ｉビーム」等の賦形体を形成できない。Ｉビームは、使用された材料に対する強度の比が、従来の折り畳み技術による賦形体よりも優れている。更に、従来技術のシート設計は、他の構造に取り付けるための枢動マウント等の荷重支持接合部を設けることができない。産業用機械用の代表的なリンクアームに関し、構造は、別のリンクアーム又はショベル等の隣接した構造に取り付けるためのボアを持つ部分を一端に備えていなければならない。従来技術の設計は、大きな横方向力及び捩じり力が加わるシャフト又はファスナを支持する強度を各端部に備えていない。
米国仮特許出願第６０／８８９，２６２号 米国特許出願第１１／４１１，４４０号 米国特許出願第１０／８６１，７２６号（現在の米国特許第７，０３２，４２６号） 米国特許出願第１０／６７２，７６６号（現在の米国特許第７，１５２，４４９号） 米国特許出願第１０／２５６，８７０号（現在の米国特許第６，８７７，３４９号） 米国特許出願第０９／６４０，２６７号（現在の米国特許第６，４８１，２５９号） 米国特許出願第１１／１８０，３９８号 米国仮特許出願第６０／５８７，４７０号 米国特許出願第１１／３８４，２１６号 米国仮特許出願第６０／６６３，３９２号 米国特許出願第１０／９５２，３５７号 米国特許出願第１０／９３１，６１５号 米国特許出願第１０／７９５，０７７号 米国特許第６，６４０，６０５号 米国特許第４，６２８，６６１号
高荷重の用途での周知の折り畳み変位部の上述の及び他の欠点を解決するシート材料が必要とされている。詳細には、折り畳み変位部を持つシート材料の利点及び溶接により形成したビーム又は中実ビームの構造的一体性の利点を持つ立体的構造が必要とされている。
概括的に述べると、本発明の一つの特徴は、立体的荷重支持構造において、各々が複数の折り畳み変位部を含む複数の曲げ線を持つ材料シートを曲げ線に沿って曲げて箱形形材にすることによって形成された骨格構造と、曲げて箱形形材にしたとき、骨格構造の一部を実質的に取り囲み、骨格構造の構造的一体性を強化するように形成される強化部材とを含む、立体的構造に関する。
各折り畳み変位部は、中央部分が、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つ横方向にオフセットされており、少なくとも一つの端部分が、曲げ線から遠ざかる方向に延びている。骨格構造の二つの向き合った壁の先端が、箱形形材を越えて延びていてもよく、これらの先端には、同心のボアが形成されており、これらのボアは、これらのボアを通してシャフトを受け入れるように形成されている。
強化部材は、複数の曲げ線を含む材料シートによって形成されており、各曲げ線は、複数の折り畳み変位部を含む。更に、曲げ線の数は、骨格構造のコーナーの数と一致してもよい。折り畳み変位部の中央部分は、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つ横方向にオフセットしていてもよい。
骨格構造は、折り畳んだとき、面一の表面を形成するような形状を備えていてもよい。強化部材は、更に、強化部材を折り畳んだときに互いに係合する形状を持つ面部分を含む。強化部材は、更に、折り畳んだとき、面一の表面を形成するように形成されていてもよい。
立体的構造は、更に、一対の支持プレートを含み、これらの支持プレートは、強化部材及び骨格構造のうちの一方の先端の向き合った周面に取り付けられるように形成されている。各支持プレートは、応力を分散するように形成された直線状でない内縁部を備えていてもよい。
二つ又はそれ以上の立体的構造を相互連結するように形成されている強化プレートが設けられていてもよい。強化プレートの外縁部は、立体的構造の相互連結領域に応力を集中させないような形状を備えている。立体的構造の曲げ線は、四つの面及びフランジ区分を形成する。
立体的構造は、更に、各々が耐衝撃性を提供するように形成されたシン部材を含んでいてもよく、これらのシン部材は、強化部材及び骨格構造のうちの一方のコーナー縁部に沿って配置される。立体的構造は、更に、周囲タング部材を持つガセットを含んでいてもよく、ガセットは、周縁部に沿って骨格構造が巻き付けられるように形成されており、骨格構造は、タング部材を受け入れるための溝を含む。
本発明の一実施例では、立体的構造はリンクアームであり、リンクアームは掘削アームアッセンブリの部分である。別の特徴では、立体的構造は脚部であり、脚部は掘削アームアッセンブリのリンクアームである。
本発明の一つの特徴では、骨格構造は及び強化部材は同じ材料で形成されている。
本発明の別の特徴では、立体的荷重支持構造において、曲げ線を形成する複数のスリット部分を持つ材料シートによって形成された骨格構造を有し、各スリット部分は複数のスリットを含み、各スリットは、中央部分が、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つこの曲げ線から横方向にオフセットしており、少なくとも一つの端部分が曲げ線から遠ざかる方向に延びており、材料シートを曲げ線に沿って曲げて箱形形材を形成し、骨格構造は少なくとも一つのフランジ区分を有し、フランジ区分は、フランジ区分と骨格構造との係合によって形成された平面内で多数の軸線又は方向に沿って応力を分散するように形成された直接状でない縁部を有する。フランジ区分は溶接によって取り付けられていてもよい。骨格構造は二つのフランジ区分を有し、各フランジ区分は直線状でない縁部を有し、他方のフランジ区分の縁部に対して相補的形状を備えている。一方のフランジ区分が他方のフランジ区分と重なっていてもよい。第１フランジ区分は、他方のフランジ区分に直線状でない縁部に沿って取り付けられていてもよい。直線状でない縁部は波形であってもよい。
本発明の更に別の特徴は、立体的荷重支持構造を製造するための方法において、各々が複数の折り畳み変位部を含む複数の曲げ線を持つ材料シートによって形成された骨格構造を提供する工程と、骨格構造を曲げ線に沿って折り畳み、立体的構造にする工程と、骨格構造の自由端部を取り付ける工程と、骨格構造と対応する曲げ線を持つ強化部材を提供する工程と、強化部材を骨格構造の周囲で折り畳む工程と、強化部材の自由端部を取り付ける工程とを含む、方法に関する。
本発明の立体的構造は、本願に組み込んだ、本願の一部を形成する添付図面から明らかな、又は添付図面に更に詳細に記載したこの他の特徴及び利点を有する。以下の詳細な説明は、添付図面とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
図１は、フロントホーに設けられたリンクアームとして示す、本発明による折り畳んだ立体的構造の斜視図である。 図２は、図１のリンクアームの分解斜視図である。 図３は、図１のリンクアームの側面図である。 図４は、折り畳んでいない状態の平面的なシートとして構造を示す、図１のリンクアームの平面図である。 図５は、図２の枢動プロセスの拡大側面図である。 図６は、折り畳んでいない状態の平面的なシートとして構造を示す、本発明の別の実施例による骨格構造の平面図である。 図７は、図５の骨格構造から取り外した折り畳んでいない状態の平面的なシートとして構造を示す、本発明の別の実施例による強化部材の平面図である。 図８は、折り畳んで立体的にした構造を示す、図６の骨格構造の斜視図である。 図９は、図７の強化部材が図６の骨格構造の周囲に設けられた、図５の立体的構造の斜視図である。 図１０Ａは、本発明による図１のリンクアームと同様のリンクアームと関連した骨格構造、随意のガセット、及び強化部材の斜視図である。 図１０Ｂは、本発明による図１のリンクアームと同様のリンクアームと関連した骨格構造、随意のガセット、及び強化部材の斜視図である。 図１０Ｃは、本発明による図１のリンクアームと同様のリンクアームと関連した骨格構造、随意のガセット、及び強化部材の斜視図である。 図１１は、本発明による図１のリンクアームと同様のリンクアームと関連した随意のシン部材の斜視図である。 図１２は、骨格構造を図１乃至図４及び図５の支持プレート及び枢動マウントと関連して示す、本発明による立体的構造の別の実施例の斜視図である。
次に、本発明の好ましい実施例を詳細に参照する。これらの実施例の例が添付図面に示してある。本発明を好ましい実施例に関して説明するが、これらの好ましい実施例は、本発明をこれらの実施例に限定しようとするものではない。これとは逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲に定義した本発明の精神及び範囲内に含まれる変形、変更、及び等価物を含もうとするものである。
次に、添付図面を参照すると、これらの図では、様々な図に亘り同様の構成要素に同様の参照番号が付してある。図１を参照すると、この図には、実質的に平面的な一枚の材料シートから本発明に従って形成した立体的リンクアームが示してある。この構造の全体に参照番号３０が示してある。例示の実施例は、掘削アームアッセンブリ用の大きな荷重を支持するリンクアームである。荷重支持ビーム、ハウジング、カバー、エレクトロニクス構成要素、芸術的彫刻、シャシー、スタンド、電気機器、エンクロージャー、家具、及び電磁シールドを含むがこれらに限定されない多くの立体的構造は、本発明に従って形成されていてもよいということは理解されよう。一般的には、自動車の分野、建設の分野、航空宇宙の分野、パッケージングの分野、産業的分野、金属の分野、及び他の分野で使用するための部品及びアッセンブリは、本発明に従って形成されていてもよい。
一実施例では、全体に参照番号３２を付したフロントホー即ち掘削用ショベルは、軌道３３と、機械本体３５と、掘削アームアッセンブリ３７と、ショベル３９とを含む。運転室本体は、運転室４０及び主エンジン及び制御構成要素を含む。
掘削アームアッセンブリ３７は二つのリンクアーム３０及び４２を有し、これらのリンクアームは、枢動マウント４４のところで機械的ファスナ又は他の周知の方法によって連結されている。第１リンクアーム３０は、所定の角度で接合された二つのビーム構造によって形成されており、一端が機械本体３５に連結されている。強化プレート４７の上部分に固定された一対の制御ロッド４６がリンクアーム３０の回転を制御する。一端が第１リンクアームに固定されており且つ他端が第２リンクアーム４２に固定された対をなした第２の制御ロッド４６ｂが、アームの回転を制御する。対をなした第３の制御ロッド４６ｃが、地面に食い込むショベル３９の回転を制御する。
次に、図２乃至図５を参照すると、リンクアーム３０は、全体として、二つの立体的構造４９と、強化プレート４７と、各端に設けられた枢動マウント４４とを含む。立体的構造４９は、後端と後端とを向き合わせて位置決めされており、強化プレート４７で強化されている（図３で最もよくわかる）。これらの立体的構造４９は、溶接、ファスナ、鑞付け、接着剤、又は他の当該技術分野で周知の他の手段によって結合される。
構造４９は、十字形ブレース、コーナーブレース、支持体又はスポット溶接部、一体の支持構造、ガセット、等の追加の支持部材を含んでいてもよい。更に、図１０及び図１１は、本発明による立体的構造と関連して使用されるガセット及びシン部材を示す。同様に、組み立てた立体的リンクアームの構造的特徴及び寸法上の特徴を、特定の用途について所望の通りに変化させるため、強化プレートの寸法及び形体を変化させてもよい。
強化プレートを構造４９に同様の方法で固定し、二つの構造間の接合部に追加の支持を提供する。強化プレート４７は、応力を分散するため、直線状でない縁部形状を有する。図示のように、強化プレート４７は、集中する応力を中央接合領域から遠ざけるため、丸みのあるセリフ(serifs)又は先が尖った領域を有する。強化プレートは、応力を接合領域から遠ざかる方向に有利に分散するため、様々な形状を備えることができるということは理解されよう。更に、構造４９及び強化プレート４７は、接着剤、ファスナ、相互係止部材を含むがこれらに限定されない、溶接以外の方法で接合できるということは理解されよう。一実施例では、構造及び強化プレートを形成する材料シートの厚さは実質的に等しい。しかしながら、強化プレートの厚さは、構造の厚さよりも小さくてもよいし、大きくてもよいということは理解されよう。好ましくは、材料シートの厚さは、３．１７５ｍｍ乃至１２．２５ｍｍ（１／８インチ乃至１／２インチである）。
立体的構造の形状及び組み立ては、用途の必要に応じて変化してもよいということは理解されよう。他の形状には、様々な形状の支持構造及びプレート、内部支持部材、及び骨格構造形状の変形が含まれるが、これらの形状に限定されない。
立体的構造４９は、図４に示す平面的なモノリシックな材料シート５１から形成される。一実施例では、材料シートは９枚の平らなセグメントを含む。隣接した平らなセグメントの各々は、一つ又はそれ以上の折り畳み変位部(folding displacements) ５４が形成する夫々の曲げ線５３によって分けられている。平らなセグメントは、四つの面５６と、一つのフランジ区分５８と、三つの前面６０と、一つの後面６１とを含む。結果的に得られる立体的構造の所望の全体形状に応じて、三枚、四枚、五枚、又はそれ以上の平らなセグメントを設けてもよいということは理解されよう。
立体的構造の形成にあたり、材料シートを曲げ線に沿って曲げる。一実施例では、フランジ区分６３を面区分上に曲げる。一実施例では、フランジ区分は、向き合ったフランジ区分と係合し、面一の面を形成し、これによって中間平面閉鎖部１００を形成する（図２で最もよくわかる）。
シート材料の折り畳みを正確に制御する、折り畳み変位部、曲げ制御構造、及び他の原理は、本出願人の従来の米国特許出願第１１／４１１，４４０号（２００６年４月２５日に出願された）、米国特許出願第１１／３８４，２１６号（２００６年３月１６日に出願された）、米国特許出願第１１／３７４，８２８号（２００６年３月１３日に出願された）、米国特許出願第１１／３５７，９３４号（２００６年２月１６日に出願された）、米国特許出願第１１／２９０，９６８号（２００６年１１月２９日に出願された）、米国特許出願第１１／１８０，３９８号（２００５年７月１２日に出願された）、米国特許出願第１１／０８０，２８８号（２００５年３月１４日に出願された）、米国特許出願第１０／９８５，３７３号（２００４年１１月９日に出願された）、米国特許出願第１０／９５２，３５７号（２００４年９月２７日に出願された）、米国特許出願第１０／９３１，６１５号（２００４年８月３１日に出願された）、米国特許出願第１０／８６１，７２６号（２００４年６月４日に出願された）（現在の米国特許第７，０３２，４２６号）、米国特許出願第１０／８２１，８１８号（２００４年４月８日に出願された）、米国特許出願第１０／７９５，０７７号（２００４年３月３日に出願された）、米国特許出願第１０／６７２，７６６号（２００３年９月２６日に出願された）、米国特許出願第１０／２５６，８７０号（２００２年９月２６日に出願された）（現在の米国特許第６，８７７，３４９号）、米国特許出願第０９／６４０，２６７号（２０００年８月１７日に出願された）（現在の米国特許第６，４８１，２５９号）に更に詳細に記載されている。出典を明示することにより、これらの出願に開示された全ての内容は本明細書の開示の一部とされる。一実施例では、構造４９の折り畳み変位部５４及び強化プレート４７の深さが実質的に等しい。一実施例では、構造４９の折り畳み変位部５４及び強化プレート４７の幅が実質的に等しい。折り畳み変位部の幅及び深さ、及びシートの厚さは、用途に応じて変化してもよいということは当業者には理解されよう。
以下に説明するように、このような産業用アームは、折り畳み変位部の間隔及び配向と干渉する取り付け穴や特定の湾曲部等を必要とする。かくして、とりわけ、上掲の米国特許出願第１０／９３１，６１５号に記載された方法を使用して、各折り畳み変位部の位置及び配向を変化させてもよい。これにより荷重支持接合部、湾曲部、穴、取り付けプレート等の構造を材料シートに形成する。このような変更は、特に、形成された立体的構造が他の構造に関して作動形状に置かれる産業用アーム等に適用できる。
材料シートに折り畳み変位部５４が設けられているため、本出願人の上掲の特許出願に更に詳細に説明された方法で、シート材料を曲げ線５３に沿って正確に曲げることができる。材料シート５１は、曲げ線に沿って、手作業で折り畳んでもよいし、グリップやプレス等の従来の工具を用いて折り畳んでもよい。
図５で最もよくわかるように、前面６０を上方に折り畳み、枢動マウント４４に対して追加の強化を提供する。前面６０は、随意のタブ６５に当接し、更に、構造の端部を部分的に閉鎖する。図２で最もよくわかるように、後面６１を折り畳み、構造４９を相補的立体的構造に取り付けるための随意の取り付け面を形成する。
別の実施例では、随意であるが、追加の支持プレート６７を立体的構造の端部に設けることにより枢動マウント４４の強度を高めてもよい（図１２参照）。このような支持プレートは、立体的構造の枢動端部に加わる荷重が特に高い場合に必要とされる。
シートを折り畳んで立体的構造にするとき、面５６が箱形形材を形成する。「箱形形材」は、多角形断面を持つ立体的構造、即ち多面体を意味する。かくして、例示の立体的構造は矩形の箱形形材で示してあるけれども、本発明に従ってこの他の形状及び断面を使用してもよい。箱形形材は、多数の縁部、湾曲部分、又は球状部分を備えて形成されてもよい。一実施例では、構造は、折り畳み変位部５４が形成する四つの曲げ線に沿って折り畳むことによって形成される。別の態様では、これらの曲げ線のうちの一つ又はそれ以上が予備成形されていてもよいし、溶接によって形成されてもよい。箱形形材の形状や寸法は、用途に応じて変化してもよい。
曲げ線に沿って面を折り畳んだ後、フランジ区分５８が箱形形材を閉鎖する。フランジ区分５８は、溶接又は他の周知の結合方法又はファスニング方法によって第１面に結合されてもよい。一実施例では、フランジ区分５８の縁部は波形形状を有する。溶接又は結合を行う場合、波形縁部は、隅部及び直線状の縁部を少なくすることによって、構造４９に作用する応力を分散する。円弧状形状や応力を溶接部から遠ざける形状を含むがこれらの形状に限定されないこの他の縁部形状を使用してもよいということは理解されよう。更に、フランジ区分及び向き合った係合面は、互いに相互係止するように形成されていてもよいし、面一の表面を形成するように互いに折り畳まれてもよい。
立体的構造４９の先端のところで、枢動マウントが立体的構造４９の両面に取り付けられており、機械本体３５又は他のリンクアーム４２に取り付けるための箇所を提供する。これらの枢動マウントは、構造４９の端部を越えて延び、シャフト又はファスナを挿入する寸法のボアを備えている。枢動マウントは、強化プレート４７と同様に、応力を分散するような形状を備えている。枢動マウントは、ファスナ又は他の当該技術分野で周知の方法によって立体的構造４９に取り付けることができる。掘削作業によって大きな荷重が枢動マウントに及ぼされる場合には、枢動マウントは、好ましくは、厚さが約５０．８ｍｍ（２インチ）よりも大きく、７６．２ｍｍ以上であってもよい。枢動マウントの厚さ及び寸法は、用途で変わる。
次に図６、図７、及び図８を参照すると、本発明の別の実施例では、立体的構造４９ａは、上文中に説明した立体的構造４９と同様であるが、枢動穴が一体に設けられた強化部材６８を含む。同様の構成要素を説明するのに同様の参照番号を使用した。
一実施例では、シート材料は１０ゲージのシート鋼であるが、他の適当な厚さの材料を使用してもよい。本発明によれば、材料が異なるこの他のシート材料には、他の金属、複合材料、及びプラスチックを使用できるということは理解されよう。例えば、使用される材料には、ステンレス鋼、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム、及び他の適当な金属及び合金が含まれるが、これらの材料に限定されない。材料の種類及び厚さは、主として、特定の用途で決まる。
図６に戻ると、モノリシックな材料シート５１ａが示してある。この材料シートは五枚の平らなセグメントを含む。隣接した平らなセグメントの各々は、一つ又はそれ以上の折り畳み変位部５４ａによって形成された夫々の曲げ線５３ａによって分けられている。材料シートを折り畳むと、骨格構造７０が形成される。この骨格構造７０では、平らなセグメントが四つの面５６ａ及びフランジ区分５８ａを形成する。結果的に得られる立体的構造の所望の全体形状に応じて、三枚、四枚、五枚、又はそれ以上の平らなセグメントを設けてもよいということは理解されよう。
第１実施例とは対照的に、枢動穴７２が材料シート５１ａに一体に形成されている。図８で最もよくわかるように、シート材料が折り畳み形状にあるとき、箱形形材７４が形成される。互いに向き合った延長部分７５は追加の面長さを有し、同心の枢動穴７２が箱形形材の外に配置される。枢動穴７２が設けられた、面のこれらの延長部分は、枢動マウント４４と同様の機能を果たす。
一実施例では、折り畳み変位部はスリットである。しかしながら、上述の特許出願に開示の折り畳み変位部及び曲げ制御エレメント、及び他の適当な手段を使用してもよいということは理解されよう。折り畳み変位部５４ａ及び他の曲げ制御構造は、型打ち、打抜き、切断、ロール形成、エンボス加工、及び他の適当な手段を含む様々なプロセスによって形成されてもよい。
材料シート５１に折り畳み変位部５４ａが設けられているため、材料シート５１を、本出願人の上掲の従来の特許出願に詳細に説明した方法で、曲げ線５３ａに沿って正確に曲げることができる。一実施例では、折り畳み変位部は、各々、曲げ線５３ａと実質的に平行であり且つ曲げ線５３ａから横方向にオフセットした中央部分７７を有する。中央部分７７の端部分７９は、曲げ線から遠ざかる方向に円弧状形状をなして延びている。
材料シート５１の第１面８１は、折り畳んだ位置でフランジ区分５８ａと係合するように形成されている。図８で最もよくわかるように、第１面８１及びフランジ区分５８ａは相補的縁部形状を有し、立体的構造の底部に面一の面を形成する。スポット溶接又は他のファスニング方法によりこれらの面を互いに結合し、立体的構造を係止する。係合領域の直線状でない形状は、フランジ区分５８ａ及び第１面８１の間で応力を分散するのに役立つ。
次に図７及び図８を参照すると、強化部材６８がモノリシックな材料シートとして示してある。一実施例では、強化部材６８は骨格構造７０と同じ材料である。しかしながら、金属、プラスチック、複合材料、及び合金を含むがこれらの材料に限定されないこの他の適当な材料を使用してもよいということは理解されよう。
骨格構造７０と同様に、一実施例では、強化部材６８の折り畳み変位部５４ｂはスリットである。しかしながら、他の適当な手段を使用してもよいということは理解されよう。例示の態様では、強化部材６８は、ネック領域８２に別の形状の折り畳み変位部を含む。
材料シート５１ｂに折り畳み変位部５４ｂが設けられているため、材料シート５１ｂを本出願人の上掲の従来の特許出願に詳細に説明した方法で、曲げ線５３ｂに沿って正確に曲げることができる。例示の態様では、強化部材６８は、互いに係合する二つの端部分８４を有する。枢動穴７２ｂが設けられた面５６ｂを中央面８６の側部に合わせて折り畳み、端部分を互いに係合させ、底面を形成する。ネック領域８２を構造の端部の周囲に折り畳み、これによって端部をシールし、部材の全体としての構造的一体性に寄与する。
強化部材６８を折り畳むとき、スポット溶接又は他の結合方法により二つの端部分を固定し、構造を係止する。溶接や接着剤を使用せずに部材を係止するための鍵−穴形状を含むがこれに限定されないこの他の形状を使用してもよいということは理解されよう。図８は、強化部材６８を、折り畳んだ立体的形状で示す。
図９に示すように、次いで、折り畳んだ強化部材６８を骨格構造７０に被せる。強化部材６８は、強化部材６８が骨格構造７０に被せられたときに枢動穴７２と整合するように形成された一対の枢動穴７２ｂを含む。かくして立体的構造４９の枢動連結部を強化する。例示の態様では、曲げ線の数及び立体的強化部材に結果的に形成されるコーナーの数は、骨格構造７０のコーナーの数と一致する。そのため、強化部材６８が骨格構造７０に嵌着する。この形状では、強化部材６８は、骨格構造７０の外部形状を大きく強化する。しかしながら、円形又は円弧状形状、多角形、及び星型形状を含むがこれらの断面形状に限定されないこの他の断面形状を使用してもよいということは理解されよう。更に、骨格構造７０の立体的形状と強化部材６８の立体的形状が異なっていてもよい。例えば、骨格構造７０は箱形形材であってもよく、強化部材６８は、直径が骨格構造７０の対角線の長さとほぼ等しい円筒体であってもよい。一般的には、強化部材６８の内面の一部が骨格構造７０の外面の一部と接触しなければならない。
例示の態様では、強化部材６８を骨格構造７０の端部に被せて位置決めする。この位置では、強化部材６８は支持プレート６７と同様に作用し、荷重が加わる骨格構造７０の先端領域全体に対して大きな構造的一体性を提供する。強化部材６８は、骨格構造全体を覆う状態又は帯形形状が二つの構造の接合領域を包む状態を含むがこれらに限定されないこの他の形状及び位置をとってもよいということは理解されよう。
強化部材６８を追加することにより、組み立てた立体的構造４９ａの構造的一体性を、重工業の用途で代表的な荷重を支持するのに十分に高める。更に、包囲強化部材や強化プレート等を使用することにより、荷重容量が高く且つ材料を経済的に使用した構造を提供できるということがわかっている。強化部材６８は、荷重の作用による捩じり、ウォッブリング、斜行、サッギング、及び倒壊に対する構造の抵抗を高める。
図１０Ａに示すように、随意であるが、骨格構造７０及び／又は強化部材６８にガセット８８が抱え込まれていてもよい。いずれかの構造の面５６ｃをガセット８８を中心として折り畳む。ガセット８８は、周縁部に沿ってタング８９を備えており、面５６ｃには溝９１が設けられている。タング及び溝は、構造を折り畳んだとき、ガセット８８が所定の場所に係止するように、互いに対応する。ガセット８８は、これらのガセット８８が内側に設けられた構造の強度を、特に捩じり力及びウォッブリングに抵抗する強度を高める。
図１０Ｂ及び図１０Ｃに示すように、随意であるが、強化部材６８’を巻き付けた骨格構造７０’にガセット９３’が抱え込まれていてもよい。強化部材６８’は、上文中に説明した図６及び図７に示す強化部材６８及び骨格構造７０と同様に、骨格構造７０’に巻き付けてある。一実施例では、少なくとも一つのガセットが、リンクアームの端キャップとして形成される。ガセット及び少なくとも一つの強化部材の組み合わせにより、結果的に得られる立体的構造の物理的特性が大幅に改善される。以上から、構造の強度及び有用性を向上するため、この他の部材及び形状を使用してもよいということは理解されよう。
次に、作動及び使用に言及する。立体的構造４９は、平面的なシートを折り畳んで立体的形状にし、単一の溶接部又は他の結合方法で取り付けることによって形成される。次いで、追加の部材を、用途に応じて必要とされるように加える。機械の構成要素として使用する場合には、結果的に得られた構造を交換部品として現場で挿入できる。変形例では、新たな機械アッセンブリで使用する場合には、部品をラインで機械アッセンブリに直接的に組み立てて追加することができる。
本発明は、建築工学、土木工学、及び機械構成要素を含む任意の多くの用途で使用できるということは理解されよう。立体的構造は、荷重支持ビーム、構成要素の部品、又は他の産業用部品として使用できる。本発明は、大きな荷重が加わる用途で有利な所定の強度特性を備えているが、本発明は、他のシート折り畳み用途で使用できるということは予測できる。例えば、本発明は、エンクロージャーや箱等の構造的一体性を維持しつつ、使用される材料を全体として減少するのに使用できる。
産業的用途では、随意であるが、図１１に示すように、立体的構造４９ｄのコーナーにシム部材９５が設けられる。構造が擦れたりぶつかったりし、又は何らかの他の接触が加わる場合には、これらのシム部材９５は、構造の曲げたコーナーの折り畳み変位部５４ｄに対して保護を提供する。以上から、折り畳み変位部を保護するためにこの他の保護手段を使用してもよいということは理解されよう。
本発明の特定の実施例の以上の説明は、例示及び説明を目的としたものである。これらの説明は、本発明を説明し尽くそうとするものでも、本発明を開示の正確な形態に限定しようとするものでもなく、以上の教示に照らして多くの変形及び変更を行うことができるということは明らかである。以上の実施例は、本発明及びその実際上の用途を最もよく説明するために選択され、説明されたものである。これによって当業者は、本発明、及び様々な変更を加えた考えられる特定の用途に適した様々な実施例を最もよく使用できる。本発明の範囲は、本願に添付した特許請求の範囲、及びその等価物に定義されている。
３０ 第１リンクアーム
３２ フロントホー
３３ 軌道
３５ 機械本体
３７ 掘削アームアッセンブリ
３９ ショベル
４０ 運転室
４２ 第２リンクアーム
４４ 枢動マウント
４６ａ 第１制御ロッド
４６ｂ 第２制御ロッド
４６ｃ 第３制御ロッド
４７ 強化プレート
４９ 立体的構造

Claims (26)

  1. 立体的荷重支持構造において、
    各々が複数の折り畳み変位部を含む複数の曲げ線を持つ材料シートを前記曲げ線に沿って曲げて箱形形材にすることによって形成された骨格構造と、
    曲げて箱形形材にしたとき、前記骨格構造の一部を実質的に取り囲み、前記骨格構造の構造的一体性を強化するように形成される強化部材とを含む、立体的構造。
  2. 請求項１に記載の立体的構造において、
    各折り畳み変位部は、中央部分が、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つ横方向にオフセットされており、少なくとも一つの端部分が、前記曲げ線から遠ざかる方向に延びている、立体的構造。
  3. 請求項２に記載の立体的構造において、
    前記骨格構造の二つの向き合った壁の先端が、前記箱形形材を越えて延びており、これらの先端には、同心のボアが形成されており、これらのボアは、これらのボアを通してシャフトを受け入れるように形成されている、立体的構造。
  4. 請求項１に記載の立体的構造において、
    前記強化部材は、複数の曲げ線を含む材料シートによって形成されており、各曲げ線は、複数の折り畳み変位部を含む、立体的構造。
  5. 請求項４に記載の強化部材において、
    前記曲げ線の数は、前記骨格構造のコーナーの数と一致する、強化部材。
  6. 請求項５に記載の強化部材において、
    前記折り畳み変位部の中央部分は、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つ横方向にオフセットしている、強化部材。
  7. 請求項５に記載の強化部材において、
    前記骨格構造は、折り畳んだとき、面一の表面を形成するような形状を備えている、強化部材。
  8. 請求項６に記載の強化部材において、更に、
    前記強化部材を折り畳んだときに互いに係合する形状を持つ面部分を含む、強化部材。
  9. 請求項１に記載の立体的構造において、更に、
    一対の支持プレートを含み、これらの支持プレートは、前記強化部材及び前記骨格構造のうちの一方の先端の向き合った周面に取り付けられるように形成されている、立体的構造。
  10. 請求項９に記載の立体的構造において、
    各支持プレートは、応力を分散するように形成された直線状でない内縁部を有する、立体的構造。
  11. 請求項１に記載の立体的構造において、更に、
    二つ又はそれ以上の立体的構造を相互連結するように形成された強化プレートを含む、立体的構造。
  12. 請求項１１に記載の立体的構造において、
    前記強化プレートの外縁部は、前記立体的構造の相互連結領域に応力が集中しないような形状を備えている、立体的構造。
  13. 請求項１に記載の立体的構造において、
    前記曲げ線は、四つの面及びフランジ区分を形成する、立体的構造。
  14. 請求項３に記載の立体的構造において、更に、
    各々が耐衝撃性を提供するように形成されたシン部材を含み、これらのシン部材は、前記強化部材及び前記骨格構造のうちの一方のコーナー縁部に沿って配置される、立体的構造。
  15. 請求項１に記載の立体的構造において、更に、
    周囲タング部材を持つガセットを含み、前記ガセットは、周縁部に沿って骨格構造が巻き付けられるように形成されており、前記骨格構造は、タング部材を受け入れるための溝を含む、立体的構造。
  16. 請求項１に記載の立体的構造において、
    前記立体的構造はリンクアームであり、前記リンクアームは掘削アームアッセンブリの部分である、立体的構造。
  17. 請求項１に記載の立体的構造において、
    前記立体的構造は脚部であり、前記脚部は掘削アームアッセンブリのリンクアームである、立体的構造。
  18. 請求項１に記載の立体的構造において、
    前記骨格構造は及び前記強化部材は同じ材料で形成されている、立体的構造。
  19. 立体的荷重支持構造において、
    曲げ線を形成する複数のスリット部分を持つ材料シートによって形成された骨格構造を有し、
    各スリット部分は複数のスリットを含み、
    各スリットは、中央部分が、所望の曲げ線と実質的に平行であり且つこの曲げ線から横方向にオフセットしており、少なくとも一つの端部分が前記曲げ線から遠ざかる方向に延びており、
    前記材料シートを前記曲げ線に沿って曲げて箱形形材を形成し、
    前記骨格構造は少なくとも一つのフランジ区分を有し、
    前記フランジ区分は、前記フランジ区分と前記骨格構造との係合によって形成された平面内で多数の軸線又は方向に沿って応力を分散するように形成された直接状でない縁部を有する、立体的構造。
  20. 請求項１９に記載の立体的構造において、
    前記フランジ区分は溶接によって取り付けられる、立体的構造。
  21. 請求項１９に記載の立体的構造において、
    前記骨格構造は二つのフランジ区分を有し、
    各フランジ区分は直線状でない縁部を有し、他方のフランジ区分の縁部に対して相補的形状を備えている、立体的構造。
  22. 請求項１９に記載の立体的構造において、
    前記骨格構造は二つのフランジ区分を有し、
    一方のフランジ区分が他方のフランジ区分と重なる、立体的構造。
  23. 請求項２２に記載の立体的構造において、
    前記第１フランジ区分は、前記他方のフランジ区分に直線状でない縁部に沿って取り付けられている、立体的構造。
  24. 請求項２３に記載の立体的構造において、
    前記直線状でない縁部は波形である、立体的構造。
  25. 立体的荷重支持構造を製造するための方法において、
    各々が複数の折り畳み変位部を含む複数の曲げ線を持つ材料シートによって形成された骨格構造を提供する工程と、
    前記骨格構造を前記曲げ線に沿って折り畳み、立体的構造にする工程と、
    前記骨格構造の自由端部を取り付ける工程と、
    前記骨格構造と対応する曲げ線を持つ強化部材を提供する工程と、
    前記強化部材を前記骨格構造の周囲で折り畳む工程と、
    前記強化部材の自由端部を取り付ける工程とを含む、方法。
  26. 請求項２６に記載の立体的構造において、
    前記立体的構造は、掘削アームアッセンブリ、荷重支持ビーム、又はエンクロージャーの部品であるリンクアームの一つである、立体的構造。
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