JP2012021335A

JP2012021335A - 作業機械のボス構造

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Publication number: JP2012021335A
Application number: JP2010160737A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shimodaira; 貴之下平
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-15
Also published as: JP5352541B2

Abstract

【課題】板材により矩形断面を有するように構成されると共に前記板材にはボス部が溶接部により接合されている作業装置を備えた作業機械のボス構造において、前記作業装置における前記板材と前記ボス部との接合部強度を向上する。
【解決手段】作業機械は、一端部を軸支されて揺動可能に装着され、板材９により矩形断面を有するように構成されると共に、前記板材にはボス部が溶接部１４により接合されている作業装置を備えている。前記ボス部は前記板材につば部１０ａを介して溶接され、このつば部には表側が凹で、裏側が凸になるように段差部１５が形成され、この段差部よりも前記板材側に離れた位置に前記溶接部１４が設けられている。
【選択図】図６

Description

本発明は、作業機械のボス構造に関し、特に油圧ショベルのブームやアームにおけるボス部の構造に関する。

従来の作業機械のボス構造としては特許文献１に記載のものなどがある。この特許文献１に記載のものは、ボスを側板（ブームを構成する板材）に対して目違い溶接をすることにより生じる曲げ応力を利用して接合部の応力を緩和しようとするものである。

実開昭６３−１３６０４１号公報

上記従来技術では目違いによる曲げ応力のため、ブームの裏側の応力が緩和される。
しかし、解析によると、目違いを有するブーム裏側の応力分布は、段差部（目違い部）の部分では応力が急峻に変化しており、従来の構造では、溶接部が十分に応力の低い場所に設定されているわけではなく、敏感に応力が変わりやすい位置にあることがわかった。
また、特許文献１のものでは、ブームの表側の応力については考慮されていないが、前記段差部の表側の応力は高くなるため、溶接部の表側から亀裂が発生する危険もあった。

本発明の目的は、板材により矩形断面を有するように構成されると共に前記板材にはボス部が溶接部により接合されている作業装置を備えた作業機械のボス構造において、前記作業装置における前記板材と前記ボス部との接合部強度を向上することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、板材により矩形断面を有するように構成されると共に、前記板材にはボス部が溶接部により接合されている作業装置を備えた作業機械のボス構造において、前記ボス部は前記板材につば部を介して溶接されるものであって、前記つば部には表側が凹で、裏側が凸になるように段差部が形成され、この段差部よりも前記板材側に離れた位置に前記溶接部が設けられ、且つ前記溶接部の裏側には、溶接金属の溶け落ちを防止するための裏当材が設けられ、前記ボス部と裏当材、及び前記板材と裏当材のそれぞれの間には不溶着部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記板材の板厚をｔとしたとき、前記段差部の裏側の板材側端部から１ｔ〜２ｔ離れた位置に、前記溶接部の不溶着部先端が位置するように前記溶接部が設けられるようにすると良い。

上記において、溶接される前記つば部の先端側板厚を、接合される前記板材の板厚と略同じにし、且つ前記段差部の板厚（段差部の表側と裏側の間の板厚）を前記溶接部における板厚よりも小さくすると良い。

また、前記段差部の表側段差変曲開始部よりも裏側段差変曲開始部の方を、前記溶接部に近くなるように形成すると良い。
更に、前記ボス部の段差部を予め機械加工やグラインダーなどにより滑らかに成形する応力緩和処理を施した状態で前記板材に溶接することが好ましい。

本発明によれば、矩形断面を有するように構成された板材とボス部との接合部における引張り応力を緩和できるから、該接合部の強度を向上することができ、接合部に亀裂が発生することを防止可能な作業機械のボス構造を得ることができる。

作業機械の全体構成を示す正面図。ブームセンターボス付近を前後方向から見た断面図。図２のＡ部を拡大して示す図。目違い部を有する構造物に引張り荷重が作用した場合の構造物底面に発生する応力分布を説明する図。構造物の目違い部に溶接した場合の不溶着部先端からＸ方向における応力分布を説明する図。本発明の実施例１を示す図で図３に相当する図。本発明の実施例１における不溶着部付近の応力分布を説明する図。本発明の実施例１を油圧ショベルのブームセンターボスに適用した例を示すもので、ブームセンターボスの付近を前後方向から見た断面図。本発明の実施例１を油圧ショベルのブームフートボスに適用した例を示すもので、ブームフートボスの付近を前後方向から見た断面図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。本実施例は、作業機械としての油圧ショベルのボス構造に本発明を適用した場合のものである。
まず、作業機械（油圧ショベル）の全体構成を図１により説明する。

図１において、１は油圧ショベルの下部走行体で、この下部走行体１の上部には旋回軸受を介して上部旋回体２が旋回自在に取り付けられており、この上部旋回体２の前部には作業装置２０が俯仰動（回動）可能に取り付けられている。この作業装置２０は、上部旋回体２の旋回フレームにピン結合されたブーム３と、該ブーム３の先端側にピン結合されたアーム４と、該アーム４の先端側にピン結合されたバケット５等とから構成されている。前記ブーム３、アーム４及びバケット５は、それぞれブームシリンダ６、アームシリンダ７及びバケットシリンダ８によって回動される。前記ピンはそれぞれの構造物のブラケットとボスにより保持されている。

前記作業装置（作業腕）を構成する構造物の大部分は板材により矩形断面（箱形）に形成されており、この板材に前記ボスが溶接により接合されている。この具体例を図２に示す。図２はブームセンターボス（ボス部）１０付近を前後方向から見た断面図である。図２に示すように、つば部１０ａが形成された左右のボス１０はパイプ１２により結合されており、左右のボス１０の前記つば部１０ａがブーム３の構造物の板材９に溶接により接合されている。この接合部では作用する荷重（力）が滑らかに伝わるように、前記板材９の厚さｔとボス１０のつばの厚さはほぼ同一になっている。

作業装置２０の構造物は矩形断面であるため、ボス１０と板材９の溶接部には内面に裏当材１１を設けて溶接金属の溶け落ちを防止した上で、前記構造物の外側から溶接が行われる。しかし、溶接後は裏当材１１が残っているため、図３に示すように、溶接部の内面側には不溶着部１３が生じる。不溶着部１３の先端（溶接ビード側）は応力集中して応力が大きくなり、亀裂発生の起点となり易かった。しかし、前記不溶着部は箱形の構造物の内面であるため、溶接後に後処理することは困難であった。

このため、板材９の板厚を厚くして応力を緩和するようにし、亀裂の発生を防止していたが、板厚を厚くするため重量が増加する課題があった。また、前述した特許文献１のように、板材とボスとの接合部に目違い部を設け、この目違いにより生じる曲げ応力により接合部の応力を緩和することも考えられている。

しかし、目違いによる応力を解析したところ、図４に示すように、目違い部を有する構造物に引張り荷重を作用させた場合、底面（構造物の内側）の圧縮応力は、目違いによるる段差部１５の部分よりも、該段差部１５から離れた位置（図４のＸ方向）の方が大きく、且つ段差部１５の部分では圧縮応力が急峻に低下していることがわかった。なお、図４のグラフにおいて、横軸は段差部１５からの距離Ｘを示し、＋側はＸ方向への距離、−側は反Ｘ方向への距離で、板材の厚さｔとの比でその距離の大きさを表している。また、縦軸は圧縮応力の大きさを示し、０は圧縮応力が無い状態で下方に行くほど圧縮応力が大きくなっていることを示している。

このため特許文献１に示すような従来構造のものでは、図５に示すように、不溶着部１３の先端１３ａは応力が最も緩和される場所（圧縮応力が大きい部分で、引張り荷重が作用した場合でも引張り応力を緩和できる場所）にあるわけではなく、圧縮応力が敏感に低下し易い位置にあることがわかった。なお、図５のグラフにおいて、横軸は不溶着部先端１３ａのうちの板材９側の不溶着部先端を基準としてそこからのＸ方向の距離を示し、板材９の厚さｔとの比でその距離の大きさを表している。また、縦軸は圧縮応力の大きさを示し、０は圧縮応力が無い状態で下方に行くほど圧縮応力が大きくなっていることを示している。

また、特許文献１のものでは、構造物の表側の応力については考慮されていないが、構造上、前記段差部１５の表側凹部１５ａの引張り応力は高くなるため、溶接ビード１４の止端部１４ａが前記段差部１５の表側凹部１５ａ（図４参照）に位置すると、この表側凹部の表面からき裂が発生する虞がある。
上記の課題を解決するための本発明の具体的実施例を以下説明する。

本実施例は、図６に示すように、ボス部（ブームセンターボス）１０と板材９との溶接部の構成を以下のようにする。
（１）ボス部１０のつば部１０ａに、構造物の表側が凹、裏側が凸になるように段差部１５を設ける。
（２）段差部１５の表側段差変曲開始部１５ｂより裏側段差変曲開始部１５ｃの方を溶接部（溶接ビード）１４に近くなるように形成する。
（３）つば部１０ａの先端側板厚を、接合する板材９の板厚ｔと略同じにし、前記段差部１５ではその板厚を前記溶接部の板厚よりも小さくする。
（４）前記ボス部１０の段差部１５は予め機械加工やグラインダーなどにより滑らかに成形する応力緩和処理を施した状態で前記板材９に溶接されるようにする。

本実施例では、上記構成とすることにより、段差部１５に引張り荷重が作用すると溶接部は表側に曲がるように変形する。これにより裏側の不溶着部１３の部分には大きな圧縮応力が発生するから、不溶着部１３には引張り応力が発生しにくくなり、強度を向上できる。これを図７により説明する。

図７は図６に示す本実施例の段差部１５の裏側における不溶着部付近の応力分布を説明する図で、図７のグラフにおいて、横軸は不溶着部先端１３ａのうちの板材９側の不溶着部先端を基準としてそこからの距離を示し、＋側は板材９側の距離、−側はボス部１０側の距離で、板材９の厚さｔとの比でその距離の大きさを表している。また、縦軸は圧縮応力の大きさを示し、０は圧縮応力が無い状態で下方に行くほど圧縮応力が大きくなっていることを示している。この図に示すように、溶接ビード１４裏面の左右の不溶着部１３ａには大きな圧縮応力が発生しており、この結果強度上問題となる引張り応力が発生し難くなるから、不溶着部１３の強度を向上することができる。即ち、引張り応力が大きくなると亀裂の発生を起こし易いが、圧縮応力が大きいと、油圧ショベルの作業中に種々の荷重が作用しても、前記圧縮応力の大きい部分には引張り応力が発生し難くなり、その結果亀裂の発生を防止することができる。

また、本実施例では、段差部１５の板厚を溶接部の板厚よりも小さくしているから、段差部１５が最も高い応力集中部となり、段差部１５の変形が大きくなるため、溶接部に発生する応力は緩和される。従って、溶接部１４の止端部１４ａからの亀裂発生も防止できる。

更に、ボス部１０の段差部１５は応力が大きくなるが、ボス部１０は部品の段階で機械加工やグラインダーなどで予め応力緩和処理を施しておくことにより、前記段差部１５の応力も緩和することができる。
これにより溶接部を含め段差部全体での亀裂の発生を防止することができる。

図８は上述した本実施例を油圧ショベルのブームセンターボス１０（図１参照）に適用した場合を示し、ブームセンターボス１０の付近を前後方向から見た断面図である。
図に示すように、つば部１０ａが形成された左右のブームセンターボス（ボス部）１０はパイプ１２により結合されており、左右のブームセンターボス１０の前記つば部１０ａがブーム３の構造物の板材９に溶接により接合されている。この接合部では作用する荷重が滑らかに伝わるように、前記板材９の厚さｔと、ブームセンターボス１０のつば部１０ａの厚さをほぼ同一にしている。ブームセンターボス１０と板材９の溶接部には内面（裏面）に裏当材１１を設けて溶接金属の溶け落ち（吹き抜け）を防止した上で前記構造物の外側から溶接が行なわれる。裏当材１１は溶接金属が溶け込むため、剥がれることなく裏面に張り付いている。このため、ブームセンターボス１０と裏当材１１、及び板材９と裏当材１１のそれぞれの間には図６に示すような不溶着部１３が形成されている。ブームセンターボス１０のつば部１０ａは表側が凹、裏側が凸になるように段差部１５が形成されている。

ブームセンターボス１０の穴の部分にはピン（図示せず）が挿入され、ブームシリンダ６（図１参照）に結合される。ブームシリンダ６からの力はピンを介してブームセンターボス１０に伝わり、ブームセンターボス１０から板材９に伝わる。

ブームセンターボス１０から板材９に力が伝わるときに前記段差部１５があるため曲げモーメントが発生し、疲労強度に影響する引張荷重が作用した場合、前記段差部１５付近（溶接部含む）は表側（外側）に湾曲するように変形する。
このため前記段差部１５では表側の応力が高く、裏側（内側）の応力は低くなり、図７に示したように、裏面の不溶着部先端１３ａの応力が低くなる。このため応力の低い内面側からは亀裂が発生し難くなる。

また、ブームセンターボス１０のつば部１０ａ先端と板材９の板厚を同じにしているため、注意して溶接すれば表側の表面が滑らかな溶接ビード（溶接部）１４を得ることは可能であり、溶接部表面にも大きな応力が発生するのを防止できる。更に、溶接部１４は前記段差部１５から離れた位置にあり、且つ段差部１５の板厚はつば先端部の板厚よりも小さくしているため、段差部１５は最も応力集中が高くなる。このため、段差部１５の変形が大きくなるから溶接部１４の応力は緩和され、溶接部１４に亀裂が発生するのを抑制できる。

前記ボス１０の段差部１５の応力は高くなるが、溶接部１４から離れた位置にあるため、溶接部の影響は受けない。このため、ブームセンターボス１０を溶接する前の単体部品の段階で、段差部１５を機械加工やグラインダーにより滑らかに成形しておくことにより、溶接後には機械加工やグラインダー処理をすることなく、応力集中を緩和できるから、段差部１５における亀裂の発生も防止することができる。
従って、本実施例によれば、ボス部１０と板材９の接合部における裏側（内側）及び表側（外側）共に亀裂の発生を防止でき、接合部の強度を向上できる。

図９は上述した本実施例を油圧ショベルのブームフートボスに適用した例を示し、ブームフートボスの付近を前後方向から見た断面図である。
つば部１７ａが形成された左右のブームフートボス（ボス部）１７はパイプ１２により結合されており、左右のブームフートボス１７の前記つば部１７ａがブーム３を構成する板材９に溶接により接合されている。この接合部では作用する荷重が滑らかに伝わるように、前記板材９の厚さｔと、ブームフートボス１７のつばの厚さをほぼ同一にしている。

ブームフートボス１７と板材９とは、裏面に吹き抜け防止のための裏当材１１を当てて溶接されている。この裏当材１１は溶接金属が溶け込むため剥がれることなく裏面に張り付いている。このためブームフートボス１７と裏当材１１、及び板材９と裏当材１１のそれぞれの間には図６に示すのと同様の不溶着部１３が形成されている。

ブームフートボス１７のつば部１７ａは表側が凹、裏側が凸になるように段差部１５が形成されている。
ブームフートボス１７の穴の部分にはピン（図示せず）が挿入され、上部旋回体の旋回体フレームに設けたブラケット（図示せず）に結合されることで、ブーム３（図１参照）は上部旋回体２に俯仰自在に取り付けられる。上部旋回体２からの力は前記ピンを介してブームフートボス１７に伝わり、ブームフートボス１７からブーム３を構成する板材９に伝わる。

ブームフートボス１７から板材９に力が伝わるとき、前記段差部１５があるため曲げモーメントが発生し、疲労強度に影響する引張荷重が作用した場合、図８に示した例と同様に、前記段差部１５付近（溶接部含む）は表側（外側）に湾曲するように変形する。
このため前記段差部１５では表側の応力が高く、裏側（内側）の応力は低くなり、図７に示したように、裏面の不溶着部先端１３ａの応力が低くなる。このため応力の低い内面側からは亀裂が発生し難くなる。

また、ブームフートボス１７のつば部１７ａ先端と板材９の板厚ｔを同じにしているため、表側の表面が滑らかな溶接ビード１４を得ることは可能であり、溶接部表面にも大きな応力が発生するのを防止できる。更に、溶接部は前記段差部１５から離れた位置にあることと、前記段差部１５の板厚はつば先端部の板厚よりも小さくしていることから、段差部１５は最も応力集中が高くなり、段差部１５の変形が大きくなるから、溶接部の応力が緩和されて、溶接部に亀裂が発生するのを抑制できる。

前記段差部１５の応力は高くなるものの、溶接部１４から離れた位置にあるため、溶接部の影響は受けない。このため、ブームフートボス１７を、溶接する前の単体部品の段階で段差部を滑らかに成形しておくことにより応力集中を緩和できるから、段差部１５における亀裂の発生も防止することができる。
従って、この例でも、ブームフートボスと板材の接合部における裏側及び表側共に亀裂の発生を防止でき、接合部の強度を向上できる。

以上説明したように、本実施例によれば、段差部では表側の応力が高く、裏側（内側）の応力は低くなり、裏側の不溶着部先端の応力が低くなる。このため接合部内面側（裏側）からの亀裂の発生を防止できる。また、本実施例によれば、板材の板厚を大きくすることなく接合部内面側からの亀裂発生を防止できる。

なお、上述した実施例では、ブームセンターボス及びブームフートボスに本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれらの箇所には限られず、ブーム先端のボス部やアーム先端のボス部にも同様に適用できる。
また、本実施例では、代表的な作業機械である油圧ショベルに適用した場合について説明したが、ブームなどをピンによって取り付ける構造を有する、クレーン等その他各種の作業機械に適用することも同様に可能である。

１…下部走行体
２…上部旋回体
３…ブーム
４…アーム
５…バケット
６…ブームシリンダ
７…アームシリンダ
８…バケットシリンダ
９…板材
１０…ブームセンターボス（ボス部）（１０ａ…ブームセンターボスのつば部）
１１…裏当材
１２…パイプ
１３…不溶着部（１３ａ…不溶着部先端）
１４…溶接部（溶接ビード）（１４ａ…溶接ビード止端部）
１５…段差部（１５ａ…表側凹部、１５ｂ…表側段差変曲開始部、１５ｃ…裏側段差変曲開始部）
１７…ブームフートボス（ボス部）（１７ａ…ブームフートボスのつば部）
２０…作業装置。

Claims

板材により矩形断面を有するように構成されると共に、前記板材にはボス部が溶接部により接合されている作業装置を備えた作業機械のボス構造において、
前記ボス部は前記板材につば部を介して溶接されるものであって、
前記つば部には表側が凹で、裏側が凸になるように段差部が形成され、この段差部よりも前記板材側に離れた位置に前記溶接部が設けられ、且つ前記溶接部の裏側には、溶接金属の溶け落ちを防止するための裏当材が設けられ、前記ボス部と裏当材、及び前記板材と裏当材のそれぞれの間には不溶着部が形成されている
ことを特徴とする作業機械のボス構造。
請求項１に記載の作業機械のボス構造において、前記板材の板厚をｔとしたとき、前記段差部の裏側の板材側端部から１ｔ〜２ｔ離れた位置に、前記溶接部の不溶着部先端が位置するように前記溶接部が設けられていることを特徴とする作業機械のボス構造。
請求項１または２に記載の作業機械のボス構造において、溶接される前記つば部の先端側板厚を、接合される前記板材の板厚と略同じにし、且つ前記段差部の板厚を前記溶接部における板厚よりも小さくしたことを特徴とする作業機械のボス構造。
請求項１〜３の何れかに記載の作業機械のボス構造において、前記段差部の表側段差変曲開始部よりも裏側段差変曲開始部の方を、前記溶接部に近くなるように形成されていることを特徴とする作業機械のボス構造。
請求項１〜４の何れかに記載の作業機械のボス構造において、前記ボス部の段差部を予め滑らかに成形する応力緩和処理を施した状態で前記板材に溶接されることを特徴とする作業機械のボス構造。