JP5841891B2 - 作業機 - Google Patents

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Description

本発明は、刈払機、草刈機、芝刈機或いは研磨機等の作業機、特に中空の操作ポールの先端に、同操作ポールに挿入した駆動軸に連結して駆動される回転工具を備えた工具ユニットを組付けた作業機に関する。
特許文献1には、この種の作業機である芝刈機が開示されている。この芝刈機は、基端部に原動機が組付けられる真直部と、先端部に回転工具であるロータリーカッタを備えた工具ユニットが組付けられる湾曲部からなる中空の操作ポールを有している。操作ポール内には原動機により駆動される可撓性駆動軸が挿入され、この可撓性駆動軸はロータリーカッタの従動軸に連結されている。ロータリーカッタの従動軸は操作ポールの先端部に固定されたハウジング内にボールベアリングを介して支持されている。
この芝刈機においては、芝生や草を刈り取るロータリーカッタの回転による振動が操作ポールを把持する作業者の手に伝わるため、操作ポールの振動によって作業者が疲労する難点がある。特に、ナイロンコードを刈刃としたロータリーカッタでは、ナイロンコードが摩耗により磨り減ったり切断されたりすることで、ロータリーカッタが従動軸に対してアンバランスとなりやすく、ロータリーカッタのアンバランスに起因した振動が大きくなるという難点があった。
この難点をなくすために、この芝刈機においては、操作ポールの内部に軸方向に介在させたブッシュにより駆動軸が挿通されるインナーチューブを支持して駆動軸の振動を抑制する手段が採用されている。しかしながら、上記の振動抑制手段によっては、振動源であるロータリーカッタの振動が大きいため、操作ポールの振動を抑制するのに限界がある。
また、特許文献2に開示されている刈払機は、基端にエンジンが組付けられ先端側に刈刃が組付けられる杆を有し、同杆内にはエンジンにより駆動されるシャフトが挿入されている。前記杆の先端に取り付けたギヤケース内にはシャフトの先端の小ギヤと、従動軸の基端部の大ギヤとが噛み合っており、シャフトの動力が従動軸に伝達されて、先端部に固定された刈刃を回転駆動させている。
この刈払機においては、シャフトと小ギヤ及び従動軸と大ギヤとの間に介装された弾性体が、シャフトの捻りにより発生する振動、刈刃に衝撃が加わった際にシャフトに伝達されるトルク変動、ギヤのかみ合いにより発生するギヤ音を抑制する機能を有している。
しかし、このような刈払機においては、刈刃の一部が草や枝を刈り取る際に欠けて、刈刃が従動軸に対して不均衡となり、刈刃を回転させたときに振動が大きくなることがあった。この刈刃の不均衡に起因した振動はシャフトと小ギヤ及び従動軸と大ギヤとの間に介装した弾性体では抑えることができず、作業者が振動によって疲労する難点があった。
米国特許第4126928号明細書 特開2010−148484号公報
本発明の目的は、上記課題を対処するため、振動源である回転工具の振動を極力抑制して操作ポールに伝わる振動を減少させることにより、操作ポールを把持して作業する作業者の疲労を軽減する作業機を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、中空の操作ポールの先端部に組付けた、回転工具を有する工具ユニットと、操作ポールに挿入して同操作ポールの基端部に組付けた原動機に一端を接続し、他端を回転工具に接続した駆動軸とを備えた作業機において、駆動軸の回転駆動力が伝達可能に駆動軸に連結され、回転工具の回転中心軸に同軸的に設けられた従動軸と、操作ポールの先端部にて従動軸を支持する軸受または工具ユニットのハウジング内にて従動軸を支持する軸受を同軸的に包囲して保持して、回転工具の回転によって生じる振動を除去する柔軟弾性体とを設けた作業機を提供するものである。
上記のように構成した作業機においては、さらに、柔軟弾性体は工具ユニットの固有周波数を回転工具の回転周波数より低くなるように変化させるようにするのが好ましい。操作ポールまたはハウジングを含む操作ポールと、工具ユニットと、この両者を連結する柔軟弾性体よりなる振動系の固有周波数を柔軟弾性体により回転工具の回転周波数より下げることで、回転工具によって生ずる起振力に基づく伝達力を低減でき、操作ポールを把持する作業者に加わる振動が軽減される。
上記のように構成した作業機において、原動機が基端部に組付けられる真直部と工具ユニットがその先端部に組付けられる湾曲部とにより構成される操作ポールを採用する場合には、操作ポールの湾曲部により回転工具によって生じる起振力に基づく伝達力が操作ポールに伝わりやすくなるが、上述した回転工具によって生ずる起振力に基づく伝達力を低減できる効果により、当該操作ポールを把持して作業する作業者の疲労を軽減させることができる。
上記のように構成した作業機において、工具ユニットの回転工具として、従動軸により回転駆動されるナイロンコードまたは円板形の刈刃を採用した場合には、ナイロンコードまたは円板形の刈刃が摩耗して従動軸に対して不均衡となって、回転工具が大きく振動しやすくなるが、上述した回転工具によって生ずる起振力に基づく伝達力を低減できる効果により、当該操作ポールを把持する作業者に加わる振動を軽減され得る。
上記のように構成した作業機においては、柔軟弾性体として、回転工具の従動軸を支持する軸受がその内部に嵌め込まれるゴム製の筒体を採用した場合には、柔軟弾性体の組付けが容易となる。
本発明の刈払機の第1実施形態の断面図である。 図1に示した工具ユニットの拡大断面図である。 工具ユニットのロータリーカッタを回転させたときの振動伝達率を示す図である。 振動を抑制するための柔軟弾性体の有無による(a)グリップに伝わる振動の減少率、(b)ハンドルに伝わる振動の減少率及び(c)作業者の耳元での音量の減少率を示す図である。 前記柔軟弾性体の一変形例を示す図である。 柔軟弾性体の他の変形例を示す図である。 柔軟弾性体のその他の変形例を示す図である。 第2実施形態の刈払機の工具ユニットの拡大断面図である。 第3実施形態の刈払機の断面図である。 図9に示した工具ユニットの拡大断面図である
以下、本発明の作業機の一実施形態である刈払機を添付図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図1〜図2に示したように、刈払機10は、中空の操作ポール11の先端部に組付けた、回転工具36を有する工具ユニット30と、操作ポール11に挿入して同操作ポール11の基端部に組付けた原動機(電動モータ)20に一端を接続し他端を回転工具36に接続した駆動軸14とを有している。この刈払機10においては、回転工具36の回転によって生じる振動を抑制する柔軟弾性体35が工具ユニット30のハウジング31内にて回転工具36の従動軸32を支持する軸受33,34を同軸的に包囲して保持するように組み付けられている。
以下に、この刈払機10の構成について詳述する。図1に示したように、操作ポール11はアルミニウム製の長尺のパイプ材を、先端部へ向けて湾曲させたものである。操作ポール11は、原動機20が組付けられる基端から真直に延びる真直部11aと、先端部へ向けて下方に湾曲する湾曲部11bとしている。操作ポール11内には軸方向に離間して介在させた5個の弾性体よりなるブッシュ12により樹脂製のインナーチューブ13が同軸的に介装されている。
このインナーチューブ13内には原動機20から工具ユニット30まで延びる駆動軸14が挿入されている。駆動軸14は、操作ポール11の真直部11aに挿入された真直の真直駆動軸14aと、湾曲部11bに挿入されて真直駆動軸14aに連結された可撓性駆動軸14bとからなる。可撓性駆動軸14bは金属線材をコイル状に巻回したものである。駆動軸14は、真直駆動軸14aの基端が原動機20に連結され、可撓性駆動軸14bの先端14cが回転工具としてのロータリーカッタ36の従動軸32に連結されている。なお、駆動軸はそのすべてが可撓性駆動軸からなるものであってもよい。
操作ポール11には、基端部の外周に作業者が一方の手(例えば右手)で把持するグリップ15と、軸線方向の中間部の外周に作業者が他方の手(例えば左手)で把持する環状のハンドル16とが設けられている。グリップ15には原動機20に電気的に接続された駆動スイッチ17とロックオフボタン18が設けられており、ロックオフボタン18を押した状態で駆動スイッチ17を押すと原動機20が駆動する。
本実施形態における原動機20は駆動軸14を回転駆動させる電動モータである。電動モータを作動させると、駆動軸14が回転駆動し、駆動軸14に連結された工具ユニット30のロータリーカッタ36が回転する。この実施形態においては、原動機20の電動モータの作動による振動を抑制するために、電動モータの出力軸を支持する軸受はその周囲にOリングなどの柔軟弾性体を介装して原動機20のハウジング内に支持されている。また、原動機20を柔軟弾性体を介してハウジングに固定する方法や、原動機20の一部に柔軟弾性体を当接させる方法によって、原動機20の振動および原動機20からの振動の伝達を防止してもよい。なお、原動機20は電動モータに代えて駆動軸14を回転駆動させるエンジンであってもよい。
工具ユニット30は、ロータリーカッタ36を回転させることで草や芝を刈払うものであり、図2に示したように、操作ポール11の先端に着脱可能に固定される円筒状のハウジング31と、ボールベアリング(軸受)33,34を介してハウジング31に回転可能に支持された従動軸32と、従動軸32に固定されたロータリーカッタ36とを備えている。
円筒状のハウジング31は上部から中間部が操作ポール11の先端の外周に着脱可能に嵌合され、ボルトにより操作ポール11の先端に固定されている。ハウジング31内には従動軸32がロータリーカッタ36の回転中心軸と同軸的に設けられており、従動軸32はハウジング31の下部に設けられた上下一対のボールベアリング(軸受)33,34によりハウジング31に回転可能に支持されている。従動軸32の上端部に形成された角穴32aには可撓性駆動軸14bの先端の角部14cが挿入され、従動軸32は駆動軸14の回転駆動力を伝達可能に連結されている。
従動軸32を支持する上下一対のボールベアリング33,34のアウタレースの外周とハウジング31の内周面との間にはボールベアリング33,34を包囲する円筒形状の柔軟弾性体35が介装されている。柔軟弾性体35は所定の弾性係数となるゴム材よりなり、ハウジング31を含む操作ポール11と、ハウジング31を除く工具ユニット30と、この両者を連結する柔軟弾性体35とからなる振動系の固有周波数をロータリーカッタ36の回転周波数(本実施形態では7000rpm)より下げることで、ロータリーカッタ36によって生じる起振力の伝達力を低減するためのものである。なお、本実施形態においては、柔軟弾性体35の素材として耐熱性及び耐摩耗性の高いフッ素ゴム等を用いている。
本実施形態におけるロータリーカッタ36は、ナイロンコード37を刈刃としたものであり、円筒形をしたケース38内に内蔵されたスプール(図示省略)に巻回されたナイロンコード37を、ケース38の側面に円周方向に等間隔に形成された2つの貫通孔から所定の長さとなるように導出したものである。
ロータリーカッタ36は、通常時は下部のバンパー部39と一体のスプール(図示省略)がケース38に係止して相対回転せずにケース38と一体的に回転するようになっている。バネにより下側に付勢されたバンパー部39をケース38内に押圧することでスプール(図示省略)のケース38に対する係止を解除して、スプールがケース38に対して一定角度相対回転可能となる。駆動軸14により従動軸32を介してロータリーカッタ36を回転させているときに、下部のバンパー部39を地面に叩きつけて上側に移動させると、スプールがケース38に対して一定角度相対回転し、スプールに巻回されたナイロンコード37がケース38から繰り出される。
また、ハウジング31の外周にはロータリーカッタ36から作業者を保護するための保護カバー40が設けられており、この保護カバー40は刈払機10を保持した作業者側となるロータリーカッタ36の円周方向の一部を覆うようにしている。保護カバー40の内側には所定長以上のナイロンコード37を切断するための金属製のカッタ(図示省略)が設けられており、この金属製のカッタ(図示省略)はロータリーカッタ36を回転させているときにケース38から繰り出したナイロンコード37を所定の長さ以上にならないように切断する。なお、ロータリーカッタ36は、ナイロンコード37を刈刃としたものに限られず、金属製の円板の周部に刃部を備えた刈刃としたものであってもよい。
上記のように構成した刈払機10の作動について説明する。作業者は、ロータリーカッタ36が地面から少し浮く高さとなるように、右手でグリップ15を把持し、左手でハンドル16を把持する。この状態で、右手でロックオフボタン18を押しながら駆動スイッチ17を押すと、駆動軸14が電動モータ20によって回転駆動し、ロータリーカッタ36は従動軸32に連結された駆動軸14により回転する。作業者は操作ポール11を左右に振って回転中のロータリーカッタ36を左右に移動させると、地面に生える草や芝が回転するロータリーカッタ36の2本のナイロンコード37により刈り取られる。
この刈払機10においては、ロータリーカッタ36の2本のナイロンコード37はケース38の側面に円周方向に等間隔に形成された2つの貫通孔から所定の長さとなるように導出されている。草刈りに使用する前は、2本のナイロンコード37は一方だけが摩耗により磨り減っていないので、ロータリーカッタ36の重心位置は従動軸32と略同じ位置にある。よって、ロータリーカッタ36を回転させても大きな振動は生じにくい。
しかし、ロータリーカッタ36のナイロンコード37で草や芝を刈り取ると、2本のナイロンコード37の一方だけが多く摩耗したり、または、短く切れたりすることがある。また、ロータリーカッタ36のバンパー部39を地面に叩きつけて、ケース38内のスプールからナイロンコード37を繰り出すと、ケース38内にてナイロンコード37を巻回したスプールの重心が従動軸32の位置から僅かであるがずれることがある。このように、ナイロンコード37を用いたロータリーカッタ36は、草刈りの使用により重心位置が従動軸32の位置からずれることがある。このため、ロータリーカッタ36の不均衡な回転が起振力を生じさせる原因となっていた。
図3に示したように、柔軟弾性体35を用いていない工具ユニット30の振動系の固有周波数はロータリーカッタ36の回転周波数(本実施形態では7000rpm)より高いために、ロータリーカッタ36によって生じる起振力に基づく伝達力を減少させることができない。
これに対し、本発明の刈払機10においては、柔軟弾性体35を従動軸32を支持するボールベアリング33,34の外周に同軸的に介装したので、ハウジング31を含む操作ポール11と、ハウジング31を除く工具ユニット30と、この両者を連結する柔軟弾性体35とからなる振動系の固有周波数をロータリーカッタ36の回転周波数より下げることができ、ロータリーカッタ36によって生じる起振力の伝達力を減少させることができた。
図4は、柔軟弾性体35を介装したことによるグリップ15と環状のハンドル16の振動の減少率と、刈払機10を把持する作業者が受ける騒音の減少率を示したものである。グリップ15と環状のハンドル16の振動はIEC60335−2−91に準拠して測定した3軸加速度を用いている。また、図4のサンプルA,Bは、一定時間使用したロータリーカッタ36を用いたものであり、サンプルCは、ロータリーカッタ36がアンバランスとなるように2本のナイロンコードの1本だけを切断したものである。
図4に示したように、柔軟弾性体35を介装したときには、操作ポール11に設けたグリップ15、ハンドル16から作業者に伝わる振動が減少し、作業者に伝わる騒音も減少した。このように、従動軸32を支持するボールベアリング33,34の外周に同軸的に介装した柔軟弾性体35は、ロータリーカッタ36を回転させたときに工具ユニット30に生じる振動を減衰させ、工具ユニット30を先端に組付けた操作ポール11の振動が低減された。
また、本実施形態の刈払機10においては、原動機20にも上述したように防振構造を採用している。この原動機20の防振構造の柔軟弾性体の材質等を適宜変更することで、操作ポール11及びこの先端に固定した工具ユニット30のハウジング31よりなる基本構造物の系の固有周波数を変更することができる。このため、柔軟弾性体35による工具ユニット30の起振力に基づく伝達力が最も効果的に低減できるように、原動機20の防振構造を意図的に設定すれば、柔軟弾性体35を用いたときのロータリーカッタ36によって生じる操作ポール11に対する起振力の伝達力を最も効果的に減少させることができるようになる。なお、操作ポール11内に介在させたブッシュ12の材質を変化させることによっても基礎構造の固有振動数を変化させることができる。
上記の実施形態における柔軟弾性体35は、ボールベアリング33,34のアウタレースとハウジング31の内周面との間にボールベアリング33,34を包囲する円筒形状をしているが、図5〜図7に示したように、種々の変形例を用いることができる。
図5に示す変形例では、上下のボールベアリング33,34に対応する位置に上下方向に短い円筒状の上下一対の柔軟弾性体35,35を設け、各柔軟弾性体35,35の内周面にはこれらが過剰に変形するのを防ぐためにワッシャ35aを設けるようにしてもよい。このようにしたときには、ロータリーカッタ36が固い障害物にぶつけられたときに、柔軟弾性体35,35が大きく変形するのを防ぐことができる。
また、図6に示す変形例では、上下のボールベアリング33,34の外側面とハウジング31の内周面との間に柔軟弾性体として上下一対のOリング35,35を設けると共に、各ボールベアリング33,34の上下にOリング35aを設けるようにしてもよい。
また、図7(a)に示したように、柔軟弾性体35は、振動を抑制するのに適した弾性係数となるように、ボールベアリング33,34を包囲する円筒形状をした外周面に軸線方向に延びる半円形をした6つの突状35aを周方向に等間隔に設けるようにしてもよい。
また、図7(b)に示したように、円筒形状の柔軟弾性体35は、振動を抑制するのに適した弾性係数となるように、各々剛性の異なる2つの材質による内側柔軟弾性体35aと外側柔軟弾性体35bとからなる2重構造としてもよい。なお、この場合には、適宜所定の弾性係数となるように3重以上としてもよい。
さらに、図7(c)に示したように、上下のボールベアリング33,34の外周にはハウジング31の内周面との間に4本の円柱形をしたラバーピン35をボールベアリング33,34の周方向に等間隔に設けるようにしてもよい。なお、この場合には、ラバーピン35を5本以上にしてボールベアリング33,34の周方向に等間隔に設けるようにしてもよい。
なお、従動軸32は、回転工具36の回転中心軸と同軸で回転する軸である。本実施形態における従動軸には、駆動軸14の端部のうち、回転中心軸と同軸に回転する部分が含まれる。このような状態の駆動軸14の端部を、軸受33,34および柔軟弾性体35で支持すれば、当然に上記した起振力の伝搬を防止する効果を発揮することができるからである。
(第2実施形態)
図8に示したように、第2実施形態の刈払機10の主な特徴は、ロータリーカッタ36の従動軸32が操作ポール11の先端部の内周面に上下一対のボールベアリング(軸受)33,34によりこれらボールベアリング33,34を包囲する柔軟弾性体35を介装して支持されたものである。このようにしたときでも、上述した第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。なお、この第2実施形態の刈払機10では、上述した第1実施形態の変形例の柔軟弾性体を用いることも可能である。
(第3実施形態)
図9及び図10に示したように、第3実施形態の刈払機10の主な特徴は、中空の操作ポール11Aが真直に延び、操作ポール11A内に同様に真直に延びた駆動軸14Aの先端に工具ユニット30Aを組付けたものである。
この工具ユニット30Aは、図10に示したように、操作ポール11Aの先端に着脱可能に固定されるハウジング31Aと、ハウジング31Aに回転可能に支持された従動軸32Aと、従動軸32Aに固定されたロータリーカッタ36とを備えている。
ハウジング31Aは、操作ポール11Aの先端部に固定される円筒状のポール固定部31Aaと、従動軸32Aを回転可能に支持する従動軸支持部31Abとからなり、これらを所定の角度で交差させた形状である。
ポール固定部31Aaには操作ポール11Aの先端部が嵌合され、ハウジング31Aはボルトにより操作ポール11Aの先端部に固定されている。ポール固定部31Aaの内周面には、従動軸支持部31Ab側となる基部に小ベベルギヤ31Acがボールベアリング31Adにより回転可能に支持されている。また、小ベベルギヤ31Acには駆動軸14Aの先端部がスプライン係合されている。本実施形態においても、従動軸34Aはロータリーカッタ36の回転中心軸と同軸的に設けられている。
従動軸支持部31Abには従動軸32Aが上下一対のボールベアリング(軸受)33,34により回転可能に支持されている。従動軸32Aには上側のボールベアリング33の下側に小ベベルギヤ31Acに噛み合う大ベベルギヤ32Aaがスプライン圧入されている。ハウジング31Aの従動軸支持部31Ab内と従動軸32を支持する上下一対のボールベアリング33,34の外周との間にはボールベアリング33,34を包囲する円筒形状の柔軟弾性体35,35が介装されている。
柔軟弾性体35は所定の弾性係数となるゴム材よりなり、ハウジング31Aを含む操作ポール11Aと、ハウジング31Aを除く工具ユニット30Aと、この両者を連結する柔軟弾性体35,35とからなる振動系の固有周波数をロータリーカッタ36の回転周波数より下げることで、ロータリーカッタ36によって生じる起振力に基づく伝達力を低減するためのものである。
上記のように構成した刈払機10Aの作動について説明する。作業者は、ロータリーカッタ36が地面から少し浮く高さとなるように、右手でグリップ15を把持し、左手でハンドル16を把持する。この状態で、右手でロックオフボタン18を押しながら駆動スイッチ17を押すと、駆動軸14Aが原動機20のモータによって回転駆動し、駆動軸14Aの回転駆動が小ベベルギヤ31Acから大ベベルギヤ32Aaを介して従動軸32Aに固定されたロータリーカッタ36を回転させる。
作業者は操作ポール11を左右に振って回転中のロータリーカッタ36を左右に移動させると、地面に生える草や芝が回転するロータリーカッタ36の2本のナイロンコード37により刈り取られる。この第3実施形態の刈払機10Aでも、柔軟弾性体35,35によりロータリーカッタ36を回転させたときに工具ユニット30Aに生じる振動を減衰させ、工具ユニット30Aを先端に組付けた操作ポール11Aは振動しにくくなった。
なお、この第3実施形態の刈払機10Aでは、上述した第1実施形態の変形例の柔軟弾性体を用いることも可能である。
上述した各実施形態は刈払機について説明したが、本発明の作業機は、工具ユニットの回転工具としてロータリーカッタを用いた草刈機、芝刈機、工具ユニットの回転工具としてポリッシャー、グラインダー等研磨機等に適用できるものである。
10,10A…作業機(刈払機)、11,11A…操作ポール、11a…真直部、11b…湾曲部、14…駆動軸、20…原動機、30,30A…工具ユニット、31,31A…ハウジング、32,32A…従動軸、33,34…軸受(ボールベアリング)、35…柔軟弾性体、36…回転工具(円板形の刈刃、ロータリーカッタ)、37…ナイロンコード。

Claims (5)

  1. 中空の操作ポールの先端部に組付けた、回転工具を有する工具ユニットと、
    前記操作ポールに挿入して同操作ポールの基端部に組付けた原動機に一端を接続し、他端を前記回転工具に接続した駆動軸とを備えた作業機において、
    前記駆動軸の回転駆動力が伝達可能に前記駆動軸に連結され、前記回転工具の回転中心軸に同軸的に設けられた従動軸と、
    前記操作ポールの先端部にて前記従動軸を支持する軸受または前記工具ユニットのハウジング内にて前記従動軸を支持する軸受を同軸的に包囲して保持して、前記回転工具の回転によって生じる振動を除去する柔軟弾性体とを設けたことを特徴とする作業機。
  2. 前記柔軟弾性体は前記工具ユニットの固有周波数を前記回転工具の回転周波数より低くなるように変化させるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の作業機。
  3. 前記操作ポールとして、前記原動機が基端部に組付けられる真直部と、前記工具ユニットがその先端部に組付けられる湾曲部とにより構成される操作ポールを採用したことを特徴とする請求項1または2に記載の作業機。
  4. 前記工具ユニットの回転工具として、前記回転工具の従動軸により回転駆動されるナイロンコードまたは円板形の刈刃を採用したことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の作業機。
  5. 前記柔軟弾性体として、前記回転工具の前記従動軸を支持する軸受が前記柔軟弾性体の内部に嵌め込まれるゴム製の筒体を採用したことを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の作業機。
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