JP2004277146A

JP2004277146A - ウインチの制動装置

Info

Publication number: JP2004277146A
Application number: JP2003073895A
Authority: JP
Inventors: Kohei Honjo; 浩平本庄
Original assignee: Hitachi Sumitomo Heavy Industries Construction Crane Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Construction Crane Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】簡単で安価な構成で、効果的にブレーキの効き始めをオペレータに体感させ、ブレーキ力制御性の高いウインチの制動装置を提供すること。
【解決手段】ウインチドラム１と、供給される油圧力によりウインチドラム１の制動を制御するディスクブレーキ装置Ａと、ディスクブレーキ装置Ａにブレーキ指令を出力するブレーキペダル１７と、ブレーキペダル１７の操作量に応じた油圧力を発生する減圧弁１６と、ディスクブレーキ装置Ａの動作状態に基づき、ブレーキペダル１７の操作力を制御するピストン位置フィードバックシリンダ２０とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
クレーン等に装備される巻上ウインチの制動装置に関し、特に、ブレーキを操作する作業者にブレーキの制動状態を的確に把握させることができるウインチの制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クレーンなどの作業機に搭載されるウインチの制動装置は、吊荷を正確かつ確実に停止させるため要求される制動力が大きくなっている。しかも、ブレーキペダルなどの操作部材を用い、比較的小さい操作力、操作量で大きな制動力を得ることが望ましく、それを実現する手段としていわゆる動油圧式制動装置がある。この動油圧式制動装置として、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２１６７９３号公報
この公報に記載のものは、油圧ポンプによる油圧（動油圧）を用い、操作部材の操作力が制御弁を介して間接的に伝達され、操作量に応じた制動力を発生させる機構を有する。この方式の制動装置は、現在自動車等に多く採用されているマスタシリンダを用いた単純な油圧倍力機構を有する静油圧式制動装置に比べ、発生させるブレーキ力に対する操作力、操作量を小さくすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載の動油圧式制動装置は、制動力としてのブレーキ力がブレーキペダルなどの操作部材の制御弁の操作力、またはブレーキペダルの復帰ばねのばね反力のみで決定されるため、ブレーキ力と操作力との間に相関性が無く、その結果オペレータは、ブレーキの効き具合を把握することが難しく、目標とするブレーキ力の制御が困難であった。
本発明は上述の課題を解決するために、簡単で安価な構成で効果的にブレーキの効き始めをオペレータに体感させ、ブレーキ力制御性の高いウインチの制動装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明のウインチの制動装置は、請求項１の発明では、ウインチドラムと、供給される油圧力によりウインチドラムの制動を制御するブレーキ手段と、前記ブレーキ手段にブレーキ指令を出力する操作手段と、前記操作手段の操作量に応じた前記油圧力を発生する油圧力発生手段と、前記ブレーキ手段の動作状態に基づき、前記操作手段の操作力を制御する操作力制御手段とを備えることを特徴とする。
また請求項２の発明では、前記油圧力発生手段は、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油を減圧して油圧力を発生させる減圧弁とからなることを特徴とする。
また請求項３の発明では、前記操作力制御手段は、前記操作手段を非操作位置の方向へ付勢するばね部材と、前記ばね部材のばね力を調整するばね力調整手段とからなることを特徴とする。
また請求項４の発明では、前記ブレーキ手段には、その動作状態を検出する状態検出手段を備え、この状態検出手段の信号により前記ばね力調整手段が制御されることを特徴とする。
また、請求項５の発明では、前記ばね力調整手段は、前記ブレーキ手段が制動動作状態にあるときに、制御されることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明によるウインチの制動装置の第１の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明のウインチの制動装置を備えるクレーンの巻上ウインチの構造図である。この図において、１はワイヤロープが巻き付けられるウインチドラム、２はウインチドラム１を駆動する油圧モータ、３は油圧モータ２に装備され、モータ出力軸の回動力を制動するモータ多板ブレーキ、４はモータ出力軸と連結されるサンギヤ、５はサンギヤ４に噛合されるプラネタリギヤ、６はウインチドラム１の内周に設けられ、プラネタリギヤ５に噛合するリングギヤ、７はプラネタリギヤ５を支持するキャリア、８はキャリアに連結されたキャリア軸、９はキャリア軸８に設けられ、不図示のスプラインにより軸方向摺動可能に係合された複数枚のインナディスク、１０はインナディスク９に対して接離しうるようにスプラインにより軸方向摺動可能で、且つ回動不能な状態でハウジング１１に取り付けられた複数枚のアウタディスク、１２はアウタディスク１０を軸方向に押付け・解除するピストン、１３はピストン１２のブレーキ解除側のストロークを制限するストッパ、１４はピストン１２を駆動させるブレーキシリンダ、１５はブレーキシリンダ１４の圧力が開放された場合にピストン１２を押し付けインナディスク９とアウタディスク１０を密着させることにより制動力を発生させるネガばね、１６はブレーキシリンダ１４へ入力する圧力を決定する減圧弁、１７は減圧弁１６の２次圧力を決定するプッシャ１６ａと係合され、支点１７ａに回動可能に設けられたブレーキペダル、１８はブレーキペダル１７と係合され、ブレーキペダル１７を戻す反力を発生すると同時に、ペダル開放時にはプッシャ１６ａを最大に押し込む力を発生させるブレーキペダル戻しばね、１９はブレーキシリンダ１４のピストン１２を共用し、このピストン１２の位置を検出するピストン位置検出シリンダ、２０はブレーキペダル戻しばね１８と係合され、ピストン位置検出シリンダ１９により検出されたピストン位置を静油圧を用いて伝達し、ピストン位置検出シリンダ１９の動作と連動してブレーキペダル戻しばね１８のセット位置を変化させるピストン位置フィードバックシリンダ、２１は減圧弁１６へパイロット圧力を供給する油圧源、２２はタンク装置を示す。なお、インナディスク９、アウタディスク１０、ハウジング１１、ピストン１２、ストッパ１３、ブレーキシリンダ１４、ネガばね１５がディスクブレーキ装置Ａを構成する。
【０００７】
次に、本発明のウインチの制動装置の実施の形態を、クレーンの巻上ウインチの動作により具体的に説明する。
動力巻上・巻下運転モード時は、ブレーキペダル１７を踏み込みプッシャ１６ａを最大に引き出してブレーキシリンダ１４の圧力を完全に開放し、ネガばね１５によりピストン１２を押付けて、インナディスク９、アウタディスク１０を密着させキャリア軸８が回転しないように固定させる。この状態でモータ多板ブレーキ３を解除し、油圧モータ２を作動させることにより、サンギヤ４、プラネタリギヤ５を介してリングギヤ６に回転力が伝達されてウインチドラム１が回動し、吊荷の巻上げ、巻下げが行われる。フリーフォール運転モード時は、モータ多板ブレーキ３を作動させ、モータ出力軸を固定した状態で、ブレーキペダル１７を開放することによりネガばね１５に対抗する圧力がブレーキシリンダ１４に入力され、ピストン１２がブレーキ解除方向（図１中右側方向）移動し、吊荷の自重によりウインチドラム１がフリー回転する。この時、ブレーキペダル１７を踏み込むことで、ブレーキシリンダ１４からその踏み込み操作に応じた圧力が開放され、ウインチドラム１の回転速度を制御、または回転を制動できる。
【０００８】
図２、図３、図４、図５、図６は本発明のウインチの制動装置の実施の形態の各動作状態を示す構造図、図７はそのペダルストロークに対するプッシャ操作力、ブレーキペダル戻しばね反力、ブレーキペダル操作力、減圧弁の２次圧力、ピストンのストローク、出力ブレーキ力のそれぞれの関係を表した制御線図を示す。これらの図において、図１に示す符号と同符号のものは同一構成を示す。
図７において、１００はブレーキペダル１７の操作力、１０１はブレーキペダル戻しばね１８の反力、１０２はプッシャ１６ａの操作力、１０３は減圧弁１６の２次圧力、１０４はピストン１２のストローク、１０５は出力されるブレーキ力を示す。
なお、横軸はブレーキペダル１７のペダルストロークを示し、踏み込み方向をプラス、ブレーキペダル操作力１００、ブレーキペダル戻しばね反力１０１およびプッシャ操作力１０２、ブレーキペダル１７を戻す方向に働く力をプラス、ピストンストローク１０４はピストン１２がアウタディスク１０を押付ける方向をプラスとして表す。
【０００９】
次に、上述した本発明の制動装置の一実施の形態の動作についてより具体的に説明する。図２はブレーキペダル１７を完全に開放している状態で、図７における状態１を表している。ブレーキペダル戻しばね１８によりプッシャ１６ａが最大に押し込まれ、ブレーキシリンダ１４には減圧弁１６からの２次圧力が最大に入力される。この圧力により、ピストン１２はネガばね１５の押し付け力に抗してストッパ１３に接触する位置まで移動し、ブレーキ力を完全に解除している。
【００１０】
図３は上記状態１からブレーキペダル１７を少し踏み込んだ状態で、図７における状態２を表している。この状態２はブレーキペダル１７踏み込みに従い、プッシャ１６ａを引き出し、減圧弁１６による２次圧力の減圧が開始され、調圧された２次圧力がピストン１２の完全解除位置におけるネガばね１５のばね反力と釣り合い、ピストン１２が動き出す直前の状態を表している。状態１から状態２までの領域（領域１）ではブレーキペダル１７を踏み込んでもピストン１２は動かないため、ピストン位置検出シリンダ１９内の油量の変化は無い。従ってピストン位置フィードバックシリンダ２０は動かず、ブレーキペダル１７の踏み込みに伴いブレーキペダル戻しばね１８が伸ばされ、ブレーキペダル操作力が上昇する。（領域１内の１０５参照。）
【００１１】
図４は状態２から更にブレーキペダル１７を踏み込んだ状態で、図７における領域２の状態を示す。また、図５はピストン１２の位置がインナディスク９、アウタディスク１０を完全に密着させる位置まで移動した瞬間の状態で、図７における状態３を示す。領域２では、ブレーキペダル１７の踏み込みに伴い、ピストン１２がインナディスク９、アウタディスク１０を密着させる方向に移動する。このピストン１２の移動に伴い、ピストン位置検出シリンダ１９の油量が増加し、ピストン位置フィードバックシリンダ２０を作動させる。
【００１２】
ここで、ピストン１２の受圧面積をＡ、減圧弁１６の２次圧力変化をΔＰ、ネガばね１５のばね定数をｋｎ、プッシャ１６ａのストロークに対する減圧弁１６の２次圧力変化をαｐ、プッシャ１６ａのストロークをｘｐｕ、プッシャ１６ａのストロークに対するその操作力変化をαＦ、プッシャ１６ａの操作力をＦｐｕ、ペダル戻しばね１８のばね定数をｋｒ、ペダル戻しばね１８とプッシャ１６ａのレバー比をｌ、ペダル戻しばね１８のセット時のたわみ量をεｏ、ペダル戻しばね１８のプッシャ１６ａのストロークによるたわみ量εｓ、プッシャ１６ａに作用するペダル戻しばね１８の反力をＦｒとすると、２次圧力変化に対するピストン１２のストローク変化は次式（１）で表される。
ｘｐｉ＝Ａ／ｋｎ×Ｐ・・・（１）
また、プッシャ１６ａのストロークに対する２次圧力変化は次式（２）のように表される。
ΔＰ＝αｐ×ｘｐｕ・・・（２）
（１）、（２）式より、プッシャ１６ａのストロークに対するピストン１２のストロークは次式（３）のように表される。
ｘｐｉ＝（Ａ×αｐ／ｋｎ）×ｘｐｕ・・・（３）
次に、プッシャ１６ａのストロークに対するその操作力は次式（４）の様に表される。
Ｆｐｕ＝αＦ×ｘｐｕ・・・（４）
また、プッシャ１６ａのストロークに対するそれに作用するペダル戻しばね１８の反力は次式（５）のように表される。
Ｆｒ＝ｌ×ｋｒ（εｏ＋εｓ）
＝ｌ^２×ｋｒ×ｘｐｕ＋ｌ×ｋｒ×εｏ・・・（５）
【００１３】
上記（１）〜（５）の関係式を元に、ピストン１２が動き始めてからはプッシャ１６ａのストロークに対するペダル戻しばね１８の見かけのばね定数が（−ｌ×αＦ）となる様にεｏを変化させるピストン位置検出シリンダ１９とピストン位置フィードバックシリンダ２０のボア比を決定する。プッシャ１６ａのストロークに対するペダル戻しばね１８の見かけのばね定数をＫとすると、プッシャ１６ａのストロークに対するそれに作用するペダル戻しばね１８の反力は次式（６）のように表される。
Ｆｒ＝Ｋ×ｘｐｕ
＝−ｌ×αＦ×ｘｐｕ・・・（６）
（５）、（６）式より、プッシャ１６ａのストロークに対してペダル戻しばね１８の見かけのばね定数が（−ｌ×αＦ）となるεｏの関係は以下の様に表される。
−ｌ×αＦ×ｘｐｕ＝ｌ^２×ｋｒ×ｘｐｕ＋ｌ×ｋｒ×εｏ
εｏ＝−（αＦ＋ｌ×ｋｒ）／ｋｒ×ｘｐｕ・・・（７）
（７）式に（３）式を代入し、ピストン１２のストロークとの関係に直すと以下のように表される。
εｏ＝（−（αＦ＋ｌ×ｋｒ）×ｋｎ／（Ａ×αＦ×ｋｒ））×ｘｐｉ・・・（８）
従って、ピストン位置検出シリンダ１９とピストン位置フィードバックシリンダ２０のボア比は（８）式よりマイナスを消去し、
１：（αＦ＋ｌ×ｋｒ）×ｋｎ／（Ａ×αＦ×ｋｒ））
と決定される。
【００１４】
上述した関係でピストン位置フィードバックシリンダ２０を作動させると、図７における領域２の範囲ではブレーキペダル１７のストロークに対するその操作力変化が無く、一定の操作力を保ったままブレーキペダル１７がストロークする。この状態はピストン１２がインナディスク９、アウタディスク１０を完全に密着させる位置まで移動して図７における状態３に達するまで続く。本発明の制動装置のような湿式多板ブレーキでは、理論的にインナディスク９、アウタディスク１０が完全に密着するまでは制動力は発生しない。従って、上述の状態１から状態３までの領域では、ウインチドラム１の回転を制動する力は作用しない。
【００１５】
図６は上記状態３から更にブレーキペダル１７を踏み込んだ状態を示し、図７における領域３を示す。インナディスク９、アウタディスク１０の密着後はブレーキシリンダ１４の油圧力とネガばね１５の押し付け力の差分がブレーキ力となり出力される。この領域ではブレーキペダル１７を踏み込んでもピストン１２のストロークは無いため、ブレーキペダル１７の踏み込み量に従い、ペダル戻しばね１８が伸ばされ、その操作力が増加する。
【００１６】
この構成によれば、ブレーキペダル１７の踏み込み開始直後、ピストン１２が移動するまでは操作力が増加するが、ピストン１２が移動を開始してからはピストン位置検出シリンダ１９とピストン位置フィードバックシリンダ２０の作動により操作力の変化がなく、その後インナディスク９とアウタディスク１０が密着し、制動力が発生する位置から再び操作力が増加する。この操作力変化によりブレーキの効き始めるブレーキペダル１７の位置を体感できるため、空フック降下などの軽負荷なフリーフォール作業時のブレーキ力制御を容易に行う事ができる。また、作業負荷に関わらず、この操作力変化位置を操作の基準とすることで全体的にブレーキ力の制御性が向上する。更に、ブレーキの使用頻度に応じてディスクが磨耗し、ピストン１２のストローク量が増加した場合でも、ピストン位置フィードバックシリンダ２０がこれに追従するため、常にこの操作力変化位置をブレーキの効き始め位置として操作の基準とすることができる。また、ディスク磨耗による操作力変化位置の移動でディスクの磨耗量をオペレータに知らせることができる。
【００１７】
図８は本発明のウインチの制動装置の第２の実施の形態を示す図である。この図８において図１に示す符号と同符号のものは同一の構成を示す。２３はピストン１２と係合され、このピストン１２の位置を検出するストロークセンサ、２４はストロークセンサ２３の位置検出信号が入力され、検出信号に応じた制御指令を出力するコントローラ、２５はコントローラ２４から出力された制御指令に応じた位置制御を行う電動アクチュエータを示す。本実施の形態の特徴は、ピストン１２のストロークをストロークセンサ２３を用いて検出することにある。この実施の形態によると、ピストン１２と一体のピストンを持つピストン位置検出シリンダ１９を備える必要が無く、また、ピストン１２のストローク信号は電気信号として伝達されるため、静油圧のリーク管理の必要も無く、先の実施の形態に対してより簡単な構成とすることができ、同等の効果が得られる。
【００１８】
以上、上述したこれらの実施においては制動装置として湿式多板ブレーキを用いて説明したが、本発明は次に説明するバンド式ブレーキを採用した制動装置においても同様の構成で適用可能である。
【００１９】
図９はバンド式ブレーキを採用したウインチに本発明を適用した第３の実施の形態を示す構造図である。この図９において図１に示す符号と同符号のものは同一の構造を示す。２６はキャリア軸８に設けられ、フリーフォール時にウインチドラム１と一体になり回転するブレーキドラム、２７はブレーキドラム２６の外周方向に設けられ、前記ブレーキドラム２６に締め付けることによりウインチドラム１の回転を制動するブレーキバンド、２８はブレーキバンド２７を締め付けるブレーキシリンダ、２９はブレーキバンド２７とブレーキシリンダ２８を係合させるリンク、３０はブレーキシリンダ２８のピストン位置を検出するピストン位置検出シリンダを示す。このバンド式ブレーキにおいても、理論的にブレーキバンド２７がブレーキドラム２６に密着するまでのブレーキシリンダ２８のストローク域ではブレーキ力は出力されず、ブレーキバンド密着後の締め付け力増加に従いブレーキ力が発生する。ブレーキバンド密着後はブレーキシリンダ２８のストロークはほぼ無くなるので、この密着位置をブレーキ効き始めとして検出し、ブレーキペダル１７の操作力変化位置とする構成である。
なお、上述したブレーキドラム２６、ブレーキバンド２７、ブレーキシリンダ２８、リンク２９がバンドブレーキ装置Ｂを構成する。
【００２０】
この実施の形態では、第１の実施の形態の如く、静油圧で作動するピストン位置検出シリンダ３０およびピストン位置フィードバックシリンダ２０を設けた場合を示したが、第２の実施の形態と同様にストロークセンサを設ける構成をとることも可能であり、同様の作用効果を確保しつつ、簡単な構造とすることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のウインチの制動装置によれば、ブレーキの効き具合に対する操作装置の操作力変化に相関性を持たせることができ、目標とするブレーキ力の制御が容易になり、しかも簡単で安価な構成で効果的にブレーキの効き始めをオペレータに体感させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態を示す構造図である。
【図２】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における動作状態を示す状態説明図である。
【図３】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における動作状態を示す状態説明図である。
【図４】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における動作状態を示す状態説明図である。
【図５】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における動作状態を示す状態説明図である。
【図６】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における動作状態を示す状態説明図である。
【図７】本発明のウインチの制動装置の第１の実施の形態における制御状態を説明する制御線図である。
【図８】本発明のウインチの制動装置の第２の実施の形態を示す構造図である。
【図９】本発明をウインチの制動装置の第３の実施の形態を示す構造図である。
【符号の説明】
１；ウインチドラム、２；油圧モータ、３；モータ多板ブレーキ、４；サンギヤ、５；プラネタリギヤ、６；リングギヤ、７；キャリア、８；キャリア軸、９；インナディスク、１０；アウタディスク、１１；ハウジング、１２；ピストン、１３；ストッパ、１４；ブレーキシリンダ、１５；ネガばね、１６；減圧弁、１７；ブレーキペダル、１８；ブレーキペダル戻しばね、１９；ピストン位置検出シリンダ、２０；ピストン位置フィードバックシリンダ、２１；パイロット油圧源、２２；タンク装置、２３；ストロークセンサ、２４；コントローラ、２５；電動アクチュエータ、２６；ブレーキドラム、２７；ブレーキバンド、２８；ブレーキシリンダ、２９；リンク、３０；ピストン位置検出シリンダ、Ａ；ディスクブレーキ装置、Ｂ；バンドブレーキ装置。

Claims

ウインチドラムと、
供給される油圧力によりウインチドラムの制動を制御するブレーキ手段と、
前記ブレーキ手段にブレーキ指令を出力する操作手段と、
前記操作手段の操作量に応じた前記油圧力を発生する油圧力発生手段と、
前記ブレーキ手段の動作状態に基づき、前記操作手段の操作力を制御する操作力制御手段とを備えたことを特徴とするウインチの制動装置。
前記油圧力発生手段は、油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油を減圧して油圧力を発生させる減圧弁とからなることを特徴とする請求項１に記載のウインチの制動装置。
前記操作力制御手段は、前記操作手段を非操作位置の方向へ付勢するばね部材と、前記ばね部材のばね力を調整するばね力調整手段とからなることを特徴とする請求項１または２に記載のウインチの制動装置。
前記ブレーキ手段には、その動作状態を検出する状態検出手段を備え、この状態検出手段の信号により前記ばね力調整手段が制御されることを特徴とする請求項３に記載のウインチの制動装置。
前記ばね力調整手段は、前記ブレーキ手段が制動動作状態にあるときに、制御されることを特徴とする請求項３または４に記載のウインチの制動装置。