JP2009062712A - 作業機部材 - Google Patents

Abstract

【課題】せん断変形を小さく抑えることができると共に製造が容易な作業機部材を提供する。
【解決手段】本発明に係るブーム４は、四角形断面を有し、少なくとも１の角部が溶接により接合されており、一対の側板２３，２４と、上面部と、下面部とを備える。一対の側板２３，２４は、所定間隔を隔てて配置される板状の部材であり、長手方向の中間位置における間隔が大きくなるように、それぞれ少なくとも１個所で屈曲している。上面部は、側板の上方を閉じる。下面部は、側板の下方を閉じる。
【選択図】図２

Description

本発明は、作業機部材に関する。

油圧ショベル等の作業機械は、本体部と、本体部に取り付けられる作業機とを備えている。本体部は、例えば、下部走行体と、下部走行体に旋回機構を介して旋回可能に装着される上部旋回体とを有する。作業機は、ブームやアームなどの作業機部材と、アームの先端に取り付けられるバケットなどを有しており、上部旋回体に取り付けられる。そして、このような作業機械は、ブーム、アーム、バケットが油圧シリンダ等の駆動装置によって駆動されて揺動することによって、各種の作業を行うことができる。

従来、上記のような作業機の一部であるブームやアームなどの作業機部材は、板材を溶接することによって形成されている。例えば、特許文献１に示すブームでは、一対の側板と上面板と下面板とが四角形断面となるように組み合わされて溶接されている。このブームのように板材が溶接されて形成された作業機部材では、負荷が加えられた場合に、ねじれによってせん断変形が生じ易く、せん断変形が生じた場合には、溶接部に高い応力が生じる恐れがある。このため、特許文献１に記載のブームでは、内部に仕切板が設けられており、これにより、せん断変形を抑制している。
特開２００３−１９３５１２号公報

しかし、上記のようにブームの内部に仕切板が設けられる場合、ブームの内面と、仕切板の全周とを溶接する必要があり、ブームの製造工程が複雑になる。

本発明の課題は、せん断変形を小さく抑えることができると共に製造が容易な作業機部材を提供することにある。

第１発明に係る作業機部材は、多角形断面を有し、少なくとも１の角部が溶接により接合されている作業機部材であって、一対の側板と、上面部と、下面部とを備える。一対の側板は、間隔を隔てて配置される板状の部材であり、長手方向の中間位置における間隔が大きくなるように、それぞれ少なくとも１個所で屈曲している。上面部は、一対の側板の上方を閉じる。下面部は、一対の側板の下方を閉じる。

この作業機部材では、側板に屈曲が形成されることにより、側板の面の剛性を増大させることができる。このため、せん断変形を小さく抑えることができる。また、側板に屈曲を形成することは、作業機部材の内部に仕切部材を溶接することよりも容易である。従って、この作業機部材は、せん断変形を小さく抑えることができると共に製造が容易である。

第２発明に係る作業機部材は、第１発明の作業機部材であって、一対の側板は、湾曲部と、第１直線部と、第２直線部とをそれぞれ有する。湾曲部は、上端部および下端部が湾曲した形状を有する部分である。第１直線部は、湾曲部の前端部に繋がっており、上端部および下端部が直線状の形状を有する部分である。第２直線部は、湾曲部の後端部に繋がっており上端部および下端部が直線状の形状を有する部分である。

この作業機部材では、直線的な形状を有する第１直線部と第２直線部との間に湾曲部が設けられている。このような形状の側板では、湾曲部において座屈が生じ易くなるが、本発明に係る作業機部材では、側板に上記のような屈曲を形成することによって、側板の剛性を増大させることができ、側板における座屈の発生を抑えることができる。

第３発明に係る作業機部材は、第２発明の作業機部材であって、一対の側板は、第１直線部と第２直線部との少なくとも一方において屈曲している。

この作業機部材では、第１直線部と第２直線部との少なくとも一方において、側板の剛性を向上させるための屈曲が形成されている。湾曲部には比較的大きな応力が生じ易いため、湾曲部を避けて屈曲を形成することにより、側板の強度の低下を抑えることができる。

第４発明に係る作業機部材は、第２発明または第３発明の作業機部材であって、第１ブラケットと第２ブラケットとをさらに備える。第１ブラケットは、上面部に取り付けられ、油圧シリンダを取り付けるためのピンを通す第１孔が設けられている。第２ブラケットは、下面部に取り付けられ、油圧シリンダを取り付けるためのピンを通す第２孔が設けられている。そして。一対の側板は、側面視において第１孔と第２孔との中心間を結ぶ仮想直線と屈曲の山とが交差するように屈曲している。

この作業機部材では、側板の剛性を向上させるための屈曲の山が側面視において第１孔と第２孔との中心間を結ぶ仮想直線と交差するように設けられている。これにより、側板の強度を向上させることができる。

第５発明に係る作業機部材は、第２発明から第４発明のいずれかの作業機部材であって、側板の屈曲は、別体の板材が所定角度をなして溶接されることにより形成される。

この作業機部材では、側板の剛性を向上させるための屈曲が、別体の板材を所定角度で溶接することにより形成される。このため、作業機部材の製造が容易である。

第６発明に係る作業機部材は、第２発明から第５発明のいずれかの作業機部材であって、一対の側板は、第１直線部を構成する第１板状部材と、第２直線部を構成する第２板状部材と、湾曲部を構成する第３板状部材とをそれぞれ有する。そして、第１板状部材と第３板状部材、及び、第２板状部材と第３板状部材は、一対の第３板状部材間の間隔が、一対の第１板状部材の前端部間の間隔および一対の第２板状部材の後端部間の間隔よりも大きくなるように、それぞれ所定角度をなして溶接されている。

この作業機部材では、第１板状部材と第３板状部材との接合部と、第２板状部材と第３板状部材との接合部とに屈曲が形成される。これにより、側板の剛性を向上させることができ、せん断変形を小さく抑えることができる。また、このような屈曲の形成は、従来のように作業機部材の内部に仕切部材を溶接することと比べて容易である。このため、この作業機部材は、せん断変形を小さく抑えることができると共に製造が容易である。

本発明に係る作業機部材では、側板に屈曲が形成されることにより、側板の面剛性を増大させることができる。このため、せん断変形を小さく抑えることができる。また、側板に屈曲を形成することは、作業機部材の内部に仕切部材を溶接することよりも容易である。従って、この作業機部材は、せん断変形を小さく抑えることができると共に製造が容易である。

〈全体構成〉
本発明の一実施形態にかかる作業機部材としてのブーム４を備えた作業機械１を図１に示す。この作業機械１は、油圧ショベルであり、ブーム４を含む作業機２と、ブーム４が取り付けられる本体部３とを備える。

本体部３は、走行用油圧モータにより駆動される走行装置３１を備えてなる下部走行体３０と、旋回用油圧モータにより駆動される旋回装置（図示せず）と、この旋回装置を介して下部走行体３０上に配される上部旋回体３２と、上部旋回体３２の前部左方位置に設けられる運転室３３を備える。

作業機２は、上部旋回体３２の前部中央位置に取り付けられる。作業機２は、ブーム４、アーム８およびバケット９を有しており、上部旋回体３２側から順にブーム４、アーム８およびバケット９がそれぞれ回動可能に連結されている。そして、これらブーム４、アーム８およびバケット９のそれぞれに対応するように油圧シリンダ（ブームシリンダ１８、アームシリンダ１９およびバケットシリンダ２０）が配置されている。この作業機械１には、図示しない油圧回路が設けられており、エンジンにより駆動される油圧ポンプから吐出される油がブームシリンダ１８、アームシリンダ１９、バケットシリンダ２０に供給および排出されることにより、各油圧シリンダ１８〜２０が駆動される。

ブーム４は、屈曲した外形を有しており、ブーム４の一端は、本体部３に取り付けられる。具体的には、ブーム４の一端が、上部旋回体３２に回転可能に取り付けられている。また、ブーム４の他端は、アーム８に回転可能に取り付けられており、ブーム４は、ブームシリンダ１８の駆動により、水平方向に平行な回転軸を中心に回転可能である。これにより、ブーム４は上部旋回体３２に対して上下に揺動可能となっている。ブーム４の上面には、アームシリンダ１９の一端が回転可能に固定されている。また、ブーム４の下面には、ブームシリンダ１８の一端が回転可能に固定されている。ブームシリンダ１８の他端は、上部旋回体３２に回転可能に固定されている。ブーム４については後に、より詳細に説明する。

アーム８は、先細りのテーパ状の外形を有する部材であり、ブーム４の先端に回転可能に設けられている。アーム８は、アームシリンダ１９の駆動により、水平方向に平行な回転軸を中心に回転可能である。これにより、アーム８がブーム４に対して揺動可能となっている。アーム８の上面には、バケットシリンダ２０の一端が回転可能に固定されている。アーム８の後端部には、アームシリンダ１９の他端が回転可能に固定されている。

バケット９は、アーム８の先端に回転可能に設けられており、バケットシリンダ２０の駆動により水平方向に平行な回転軸を中心に回転可能である。これにより、バケット９は、アーム８に対して揺動可能となっている。バケット９の後端部には、バケットシリンダ２０の他端が回転可能に固定されている。

〈ブーム４の構成〉
図２に示すように、ブーム４は、ブーム本体１０と、第１ブラケット１１と、第２ブラケット１２と、第３ブラケット１３と、第４ブラケット１４とを備える。

〔ブーム本体１０〕
ブーム本体１０は、長手方向の中間部において上下方向に屈曲した形状を有し、図３に示すように、複数の板材が溶接により接合されることにより形成されたものである。なお、図３は、図２におけるブーム本体１０のIII−III端面図である。具体的には、ブーム本体１０は、上面部２１と、下面部２２と、一対の側板２３，２４とを有し、これらが四角形断面を有するように組み合わされ、４つの角部がそれぞれ溶接により接合されて形成されている。

上面部２１は、一対の側板２３，２４の上方を閉じる板状部材であり、側板２３，２４の湾曲に合わせて上方に凸に湾曲した形状となっている。

下面部２２は、一対の側板２３，２４の下方を閉じる板状部材であり、側板２３，２４の湾曲に合わせて上方に凸に湾曲した形状となっている。

一対の側板２３，２４は、互いに間隔を隔てて配置される板状の部材であり、図４に示すように、長手方向の中間位置における間隔が他の部分における間隔よりも大きくなるように屈曲した形状を有している。以下。一対の側板２３，２４のうちの一方の側板を第１側板２３、他方の側板を第２側板２４と呼ぶ。

図２に示すように、第１側板２３は、第１直線部２５と、第２直線部２６と、湾曲部２７とを有する。

第１直線部２５は、湾曲部２７の前端部に繋がっており、第１板状部材４１によって構成されている。第１板状部材４１は、平坦な板状の部材である。第１板状部材４１は、上端部および下端部が直線状の形状であり、前側（アーム８が取り付けられる第３ブラケット１３側）ほど上端部と下端部との間の距離が小さくなる先細りの形状を有する。

第２直線部２６は、湾曲部２７の後端部に繋がっており、第２板状部材４２によって構成されている。第２板状部材４２は、第１直線部２５と概ね対称な形状を有する平坦な板状の部材である。第２直線部２６は、上端部および下端部が直線状の形状であり、後側（作業機械１の本体部３に取り付けられる第４ブラケット１４側）ほど上端部と下端部との間の距離が小さくなる先細りの形状を有する。

湾曲部２７は、第１直線部２５と第２直線部２６との間に位置しており、第３板状部材４３によって構成されている。第３板状部材４３は、平坦な板状の部材であり、上端部の長手方向における中間部および下端部の長手方向における中間部が上方に凸に湾曲した形状となっている。

第１板状部材４１、第２板状部材４２、第３板状部材４３は同じ板厚であるが、第３板状部材４３の板厚を第１板状部材４１および第２板状部材４２の板厚より大きくしてもよい。

第１板状部材４１および第３板状部材４３は所定角度をなして溶接により接合されており、第１板状部材４１の後端部と第３板状部材４３の前端部とが接合されている。第２板状部材４２および第３板状部材４３も所定角度をなして溶接により接合されており、第２板状部材４２の前端部と第３板状部材４３の後端部が接合されている。ここで、第１板状部材４１と第３板状部材４３との接合により形成される屈曲部を第１屈曲部４４と呼び、第２板状部材４２と第３板状部材４３との接合により形成される屈曲部を第２屈曲部４５と呼ぶ。

第１屈曲部４４は、湾曲部２７の上端部の湾曲した部分および下端部の湾曲した部分よりも前側に位置しており、第１直線部２５の直線的な上端部と下端部とに亘って設けられている。また、第１屈曲部４４は、側面視において後述する第１孔６１と第２孔６２との中心間を結ぶ第１仮想直線Ｌ１と交差している。すなわち、第１側板２３は、側面視において第１仮想直線Ｌ１と第１屈曲部４４の山とが交差するように第１屈曲部４４において屈曲している。

第２屈曲部４５は、湾曲部２７の上端部の湾曲した部分および下端部の湾曲した部分よりも後側に位置しており、第２直線部２６の直線的な上端部と下端部とに亘って設けられている。また、第２屈曲部４５は、側面視において後述する第２孔６２の中心を通り第２直線部２６の上端部と所定角度θ（８０°≦θ≦１００°）をなす第２仮想直線Ｌ２と交差している。すなわち、第１側板２３は、側面視において第２仮想直線Ｌ２と第２屈曲部４５の山とが交差するように第２屈曲部４５において屈曲している。

以上のように、第１側板２３は、第１直線部２５の後端部と第２直線部２６の前端部とのそれぞれにおいて、上記のように屈曲した形状となっている。第２側板２４も同様の構造であり、第１側板２３と対称の形状を有する。すなわち、第２側板２４も、図４に示すように、第１板状部材５１と第２板状部材５２と第３板状部材５３を有しており、第１板状部材５１の後端部の第１屈曲部５４と、第２板状部材５２の前端部の第２屈曲部５５において屈曲した形状を有する。また、第１側板２３と第２側板２４とは、一対の第３板状部材４３，５３間の間隔ｄ３が、一対の第１板状部材４１，５１の前端部間の間隔ｄ１および一対の第２板状部材４２，５２の後端部間の間隔ｄ２よりも大きくなるように屈曲した形状となっている。従って、第１板状部材４１，５１は、上面視において、第１板状部材４１，５１の前端側の間隔が後端側の間隔より小さくなるように、それぞれ傾斜して配置されている。また、第２板状部材４２，５２は、第２板状部材４２，５２の後端側の間隔が前端側の間隔より小さくなるように、それぞれ傾斜して配置されている。

〔第１ブラケット１１〜第４ブラケット１４〕
第１ブラケット１１は、アームシリンダ１９を取り付けるためのものであり、上面部２１すなわちブーム本体１０の上面に溶接により固定されている。より詳しくは、第１ブラケット１１は、側面視において、ブーム本体１０の湾曲部２７と第１直線部２５とに亘って設けられている。第１ブラケット１１には、第１ブラケット１１を水平方向に貫通する第１孔６１が設けられている。この第１孔６１には、ブーム４にアームシリンダ１９を取り付けるための固定ピン（図示せず）が通される。

第２ブラケット１２は、ブームシリンダ１８を取り付けるためのものであり、下面部２２すなわちブーム本体１０の下面に溶接により固定されている。より詳しくは、第２ブラケット１２は、側面視において、ブーム本体１０の第１直線部２５、湾曲部２７、第２直線部２６に亘って設けられている。第２ブラケット１２には、第２ブラケット１２を水平方向に貫通する第２孔６２が設けられている。この第２孔６２には、ブーム４にブームシリンダ１８を取り付けるための固定ピン（図示せず）が通される。

第３ブラケット１３は、ブーム４をアーム８に取り付けるためのものであり、ブーム本体１０の前端部に取り付けられている。第３ブラケット１３には、水平方向に貫通する第３孔６３が設けられており、この第３孔６３には、ブーム４にアーム８を取り付けるための固定ピン（図示せず）が通される。

第４ブラケット１４は、ブーム４を作業機械１の本体部３に取り付けるためのものであり、ブーム本体１０の後端部に取り付けられている。第４ブラケット１４には水平方向に第４ブラケット１４を貫通する第４孔６４が設けられている。この第４孔６４には、ブーム４を本体部３に取り付けるための固定ピン（図示せず）が通される。

〈特徴〉
（１）
このブーム４では、一対の側板２３，２４に屈曲を設けることにより、ねじれによるせん断変形を小さくすることができ、ブーム本体１０の剛性を向上させることができる。また、側板２３，２４に屈曲を設けることにより、側板２３，２４の面の剛性を増大させて、座屈の発生を抑えることができる。

ブーム４の前端部に横押し荷重（図２において紙面に垂直な方向の荷重）が加えられた場合のブーム４における各部の応力を解析したシミュレーション結果を図５に示す。図５では、側板２３，２４に屈曲が設けられていないブームと比べたブーム４の各部の応力の変化が示されている。ここでは、ブーム４の湾曲部２７の上端部前側において、応力が１９％低減しており、湾曲部２７の下端部後側においては、応力が１１％低減している。また、第１直線部２５の下端部においては、応力が９％低減している。このように、本発明に係るブーム４では、側板２３，２４に屈曲が設けられることにより、強度を向上させることができる。

（２）
従来のブームのように、ブーム本体１０の内部に仕切部材が設けられる場合には、仕切部材の全周とブーム本体１０の内面とを溶接する必要があり、製造工程が複雑になる。また、仕切部材の全周が溶接によって接合されると、この溶接部の止端に応力が集中するため、補強のために上面部２１、下面部２２、側板２３，２４の板厚を大きくする必要がある。この場合、ブームの重量が増大してしまう。

しかし、このブーム４では、上述したように、側板２３，２４に第１屈曲部４４，５４と第２屈曲部４５，５５とが設けられることにより、強度を向上させることができる。このため、強度の向上のために仕切部材を設ける必要がなく、部品点数を削減することができる。また、仕切部材を設けるための複雑な製造工程を省略することができ、ブーム４の製造を容易にすることができる。さらに、仕切部材の溶接部での応力集中を考慮して板厚を増大させる必要がないため、ブーム４の軽量化が可能である。

〈他の実施形態〉
（ａ）
図６に示すように、上記の実施形態に係るブーム４に対して第２屈曲部４５の位置が異なるブーム５が用いられてもよい。このブーム５では、第２屈曲部４５が第２仮想直線Ｌ２と交差しておらず第２仮想直線Ｌ２より後方に位置している。他の構造については上記の実施形態に係るブーム４と同様である。

このようなブーム５においても、図６に示すように、側板２３，２４に屈曲が設けられていないブームと比べて、側板２３，２４に生じる応力が低下している。具体的には、湾曲部２７の下端部において、応力が７％低減している。

（ｂ）
図７に示すように、上記の実施形態に係るブーム４に対して第１屈曲部４４の位置が異なるブーム６が用いられてもよい。このブーム６では、第１屈曲部４４が第１仮想直線Ｌ１と交差しておらず、第１仮想直線Ｌ１より前方に位置している。他の構造については上記の実施形態に係るブーム４と同様である。

このようなブーム６においても、図７に示すように、側板２３，２４に屈曲が設けられていないブームと比べて、側板２３，２４に生じる応力が低下している。具体的には、ブーム６の湾曲部２７の上端部において、応力が１０％低減している。また、湾曲部２７の下端部前側においては、応力が６％低減している。

（ｃ）
上記の実施形態では、ブーム４の第１側板２３に第１屈曲部４４および第２屈曲部４５が設けられているが、第１屈曲部４４および第２屈曲部４５のいずれか一方のみが設けられてもよい。この場合も、第１側板２３に屈曲が設けられない場合と比べて、第１側板２３の剛性を増大させてブーム４の強度を向上させることができる。第２側板２４についても同様である。

また、上記の実施形態では、第１側板２３に第１屈曲部４４と第２屈曲部４５との２つの屈曲が設けられているが、より多くの屈曲部が設けられてもよい。第２側板２４についても同様である。

（ｄ）
側板２３，２４の屈曲は上記の実施形態における形状に限られない。例えば、側板２３，２４が外側に緩やかに膨出するように屈曲した形状であってもよい。

（ｅ）
上記の実施形態では、別体の板状部材が所定角度で溶接により接合されることによって屈曲が形成されているが、一体の板状部材をプレス等によって曲げ加工することによって屈曲が形成されてもよい。

（ｆ）
上記の実施形態では、ブーム本体１０は四角形断面を有しているが、六角形断面など他の多角形断面を有するものであってもよい。

（ｇ）
上記の実施形態では、上面部２１と、下面部２２と、一対の側板２３，２４との４つの別体の部材が組み合わされて４つの角部が溶接により接合されることによりブーム本体１０が構成されているが、複数の角部の全てが溶接されている場合に限らず、複数の角部のうちの少なくとも１つが溶接により接合されていればよい。

（ｈ）
上記の実施形態では、ブーム４に対して本発明が適用されているが、アーム８に対して本発明が適用されてもよい。

本発明は、せん断変形を小さく抑えることができると共に製造を容易にする効果を有し、作業機部材として有用である。

作業機械の外観図。 ブームの側面図。 図２におけるブーム本体のIII−III端面図。 図２におけるブーム本体のIV−IV端面図。 ブームの各部の応力の改善結果を示す図。 他の実施形態に係るブームの側面図。 他の実施形態に係るブームの側面図。

符号の説明

４ ブーム（作業機部材）
１１ 第１ブラケット
１２ 第２ブラケット
２１ 上面部
２２ 下面部
２３，２４ 側板
２５ 第１直線部
２６ 第２直線部
２７ 湾曲部
４１ 第１板状部材
４２ 第２板状部材
４３ 第３板状部材
６１ 第１孔
６２ 第２孔

Claims (6)

1. 多角形断面を有し、少なくとも１の角部が溶接により接合されている作業機部材であって、
   間隔を隔てて配置される板状の部材であり、長手方向の中間位置における間隔が大きくなるように、それぞれ少なくとも１個所で屈曲している一対の側板と、
   一対の前記側板の上方を閉じる上面部と、
   一対の前記側板の下方を閉じる下面部と、
   を備える作業機部材。
2. 一対の前記側板は、上端部および下端部が湾曲した形状を有する湾曲部と、前記湾曲部の前端部に繋がっており上端部および下端部が直線状の形状を有する第１直線部と、前記湾曲部の後端部に繋がっており上端部および下端部が直線状の形状を有する第２直線部とをそれぞれ有する、
   請求項１に記載の作業機部材。
3. 一対の前記側板は、前記第１直線部と前記第２直線部との少なくとも一方において屈曲している、
   請求項２に記載の作業機部材。
4. 前記上面部に取り付けられ、油圧シリンダを取り付けるためのピンを通す第１孔が設けられた第１ブラケットと、
   前記下面部に取り付けられ、油圧シリンダを取り付けるためのピンを通す第２孔が設けられた第２ブラケットと、
   をさらに備え、
   一対の前記側板は、側面視において前記第１孔と前記第２孔との中心間を結ぶ仮想直線と屈曲の山とが交差するように屈曲している、
   請求項２または３に記載の作業機部材。
5. 前記側板の屈曲は、別体の板材が所定角度をなして溶接されることにより形成される、
   請求項２から４のいずれかに記載の作業機部材。
6. 一対の前記側板は、前記第１直線部を構成する第１板状部材と、前記第２直線部を構成する第２板状部材と、前記湾曲部を構成する第３板状部材とをそれぞれ有し、
   前記第１板状部材と前記第３板状部材、及び、前記第２板状部材と前記第３板状部材は、一対の前記第３板状部材間の間隔が、一対の前記第１板状部材の前端部間の間隔および一対の前記第２板状部材の後端部間の間隔よりも大きくなるように、それぞれ所定角度をなして溶接されている、
   請求項２から５のいずれかに記載の作業機部材。

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