JP2014055411A - 建設機械のブーム - Google Patents

Abstract

【課題】重量増を抑えつつも、その剛性・強度を高く維持することができるブーム構造を提供すること。
【解決手段】ブーム１は、所定の間隔をあけて配置されアームシリンダ７の基端部がピン９を介して回動可能に取り付けられる左右一対の側板２Ｒ・２Ｌと、左右一対の側板２Ｒ・２Ｌ間に掛け渡されて側板２Ｒ・２Ｌの上端部に固定される上板３と、を備えている。アームシリンダ７の少なくとも基端部を覆うように上板３を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、油圧ショベルなどの建設機械のブームの構造に関する。

建設機械のブームの構造に関して、例えば特許文献１、２に記載されている。特許文献１では、左右一対の側板の間に間隔保持部材（スペーサ―ボス）を配置し、左右一対の側板と間隔保持部材とを溶接することなくピンを用いて固定することでブームを形成している。この構成により、疲労強度の小さい溶接部が存在しないので、大きな強度のブームとすることができる。

特許文献２では、左右一対の側板の間に当該側板に直交する方向の中リブ板を固設してブームを形成している。少なくともブームの根元部分に２枚の中リブ板を平行に配置することを特徴としている。この構成により、少なくともブームの根元部寄りの部位においてのブームの強度を確保することができ、ねじれ荷重がかかっても変形しにくい構造となる、と称されている。

特開平１１−１３１５２０号公報 特開平０８−１４４３２３号公報

本発明者らは、ブームの剛性・強度について鋭意検討した結果、ブームのうちのある特定の部位に生じる曲げモーメントが際立って大きいことを究明した。しかしながら、特許文献１、２に記載されたようなブーム構造は、この部位の剛性・強度を向上させるものではない。ブームを構成する板材の厚みを増すことで、ブームの剛性・強度を向上させることができるが、この方法ではブームの重量が大幅に増加してしまう。ブームの重量が増加すると、ブームを動かすための動力源の仕事量が増加して、その燃費に悪影響を及ぼしてしまう。また、油圧ショベルのような建設機械においては、その安定度を確保するために、カウンタウェイトの重量も増加し、コスト面・輸送面でも不利となる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、重量増を抑えつつも、その剛性・強度を高く維持することができるブーム構造を提供することである。

本発明者らは、ブームの剛性・強度について鋭意検討した結果、ブームの長手方向における各部のうち、アームシリンダの基端部が取り付けられる部位に生じる曲げモーメントが際立って大きいことを究明した。

本発明は、建設機械の前部に取り付けられるブームの構造に関するものである。ブームは、所定の間隔をあけて配置され、アームシリンダの基端部が回動可能に取り付けられる左右一対の側板と、前記左右一対の側板間に掛け渡されて前記側板の上端部に固定される上板と、を備えている。前記アームシリンダの少なくとも基端部を覆うように前記上板が設けられている。

本発明によると、ブーム各部のうちのアームシリンダの基端部が取り付けられる部位の断面高さが従来よりも高くなる。これにより、ブームを構成する板材の厚みを増すことなく、当該部位の高さ方向の断面二次モーメントを大きくすることができる。また、断面二次モーメントを従来と同程度に維持する場合は、ブームを構成する板材の厚みを下げることができる。すなわち、本発明によると、重量増を抑えつつも、その剛性・強度を高く維持したブームとすることができる。

本発明の第１実施形態に係るブームを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るブームを示す図である。 従来のブームを示す側面図、およびそのブームに生じる曲げモーメントを示すグラフである。 図３に示したブームを備える油圧ショベルの輸送姿勢を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明は、各種の建設機械のうち例えば油圧ショベルに適用される。

以下では、ブームのうちのいずれの部位に生じる曲げモーメントが大きいのか、および、ブームの形状上の制約について、図３、４を参照しつつまず説明する。その後、図１、２を参照しつつ本発明を実施するためのいくつかのブーム形態について説明する。

（油圧ショベルの構成）
図４に示すように、油圧ショベル２００は、クローラ式の下部走行体６１の上に上部旋回体６２が縦軸（旋回中心）Ｏまわりに旋回自在に搭載されてなる建設機械である。油圧ショベル２００の上部旋回体６２の構造体であるメインフレーム６３の上には、キャビン６４を含む各種設備が搭載される。また、ブーム５２・アーム５８・バケット５９を備える作業アタッチメントがメインフレーム６３の前部に装着され、メインフレーム６３の後端部にはカウンタウェイト６５が装着される。

ブーム５２の基端部は、メインフレーム６３の前部にピンを介して取り付けられる。ブーム５２の先端部には、アーム５８の基端部がピンを介して取り付けられる。アーム５８の先端部には、バケット５９の基端部がピンを介して取り付けられる。

ブーム５２は、ブームシリンダ６０によって回動（起伏）する。アーム５８は、アームシリンダ７によって回動する。バケット５９は、バケットシリンダ６６によって回動する。

（従来のブーム構造）
油圧ショベル２００の前部に取り付けられるブーム５２は、箱形状のブームであって、図３に符号を付して示したように、所定の間隔をあけて配置された左右一対の側板５３と、左右一対の側板５３の上端部に固定された上板５６と、左右一対の側板５３の下端部に固定された下板５５とを備えている。

ブーム５２の先端部にはアーム取付部６が設けられ、ブーム５２の基端部にはフレーム取付部５が設けられている。アーム取付部６の側面およびフレーム取付部５の側面には、それぞれ、ピン孔６ａおよびピン孔５ａが形成されている。

ブーム５２は、「く」の字状に湾曲する形態となっている。上板５６のうちの湾曲部よりも少し先端側の部位には、アームシリンダ７の基端部を取り付けるためのアームシリンダ用ブラケット５７が固定されている。このアームシリンダ用ブラケット５７の側面にはピン孔５７ａが形成されている。また、このピン孔５７ａよりも後方（基端側）の部分の側板５３には、ブームシリンダ６０のピストンロッドの先端部を取り付けるためのピン孔５３ａが形成されている。

ここで図３においてブーム５２の下方に載せたグラフは、掘削時にブーム５２に生じる曲げモーメントの分布を示すグラフである。グラフの横軸はブーム５２の長手方向の各位置を示し、縦軸はその位置における曲げモーメントを示す。掘削作業中、ブーム５２には、バケット５９先端の掘削反力、油圧シリンダ（６０・７・６６）の推力、により曲げ荷重がかかる。図３のグラフからわかるように、ブーム５２の長手方向における各部のうち、アームシリンダ７の基端部が取り付けられる部位に生じる曲げモーメントが際立って大きい。

（ブームの形状上の制約）
図４は、油圧ショベル２００をトレーラで輸送するときの油圧ショベル２００の姿勢を示す図である。

油圧ショベル２００を例えばトレーラで輸送するとき輸送時の高さ制限がある。この高さを超える荷（油圧ショベル）とすることはできない。すなわち、ブームの形状には、ブームを前方に倒した図４に示す油圧ショベル２００の輸送姿勢からくる制約がある。

また、バケット５９の先端の軌跡を図４中に点線の円弧で示している。バケット抱え込み時にブーム５２とバケット５９とが干渉しないようにしなければならない。すなわち、ブームの形状には、バケット抱え込み時の姿勢からくる制約がある。

（第１実施形態のブーム構造）
図１を参照しつつ第１実施形態のブーム１の構造について説明する。図１（ａ）は、ブーム１の側面図であり、図１（ｂ）は、ブーム１の平面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

なお、以下の説明においては、ブームを構成する側板・上板・下板として、いずれも２枚の板材を接合してなるものを例示しているが、本発明のブームはこの形態に限られるものではない。３枚以上の板材を接合して、側板・上板・下板をそれぞれ形成してもよいし、１枚の板材で、側板・上板・下板をそれぞれ形成してもよい。

図１に示すように、ブーム１は、箱形状のブームであって、所定の間隔をあけて配置された左右一対の側板２Ｒ・２Ｌと、側板２Ｒ・２Ｌ間に掛け渡されて当該側板２Ｒ・２Ｌの上端部に固定された上板３と、側板２Ｒ・２Ｌ間に掛け渡されて当該側板２Ｒ・２Ｌの下端部に固定された下板４とを備えている。

ブーム１（側板２Ｒ・２Ｌ、上板３、下板４）は、全体として「く」の字状に湾曲する形態となっている。

ブーム１の先端部にはアーム取付部６が設けられ、ブーム１の基端部にはフレーム取付部５が設けられている。アーム取付部６の側面およびフレーム取付部５の側面には、それぞれ、ピン孔６ａおよびピン孔５ａが形成されている。ブーム１は、フレーム取付部５を介して油圧ショベルのメインフレームに取り付けられる。また、アームの基端部がブーム１先端のアーム取付部６に取り付けられる。

（側板）
側板２Ｒ・２Ｌのうちの「く」の字状湾曲部よりも少し先端側（アーム取付部６よりも「く」の字状湾曲部寄りの部分）であって、側板２Ｒ・２Ｌの上方側部分には、アームシリンダ７の基端部を、ピン９を介して取り付けるためのピン孔２ｂが形成されている。

また、このピン孔２ｂよりも後方（基端側）の部分の側板２Ｒ・２Ｌには、ブームシリンダ６０のピストンロッドの先端部を、ピンを介して取り付けるためのピン孔２ａが形成されている。なお、下板４のうちの「く」の字状湾曲部付近の下面に、ブームシリンダ６０のピストンロッドの先端部を取り付けるためのブームシリンダ用ブラケット（不図示）が取り付けられる場合もある。

（上板）
ブーム１を構成する上板３は、フレーム取付部５側の基端部側上板１３と、アーム取付部６側の先端部側上板２３とからなる。

ここで、基端部側上板１３は、アームシリンダ７の基端部を上から覆うような形状とされる。他の表現では、基端部側上板１３は、ブーム側面視において（ブームをその側方から見たときに）、アームシリンダ７の基端部よりも上方に位置する形状とされる。

本実施形態においては、基端部側上板１３は、ブーム１が前方に倒されてその輸送姿勢（例えば図４参照）とされた状態のときに、「く」の字状湾曲部の基端部側の頂部１３ａから前方に向かって水平に延在し、ピン孔２ｂを超えたところで、水平に対して斜め下向きに傾斜するという形状とされている。そのあと、基端部側上板１３は、先端部側上板２３に接合する。なお、基端部側上板１３と先端部側上板２３との接合箇所（つなぎ合わせる箇所）は、図１に示した位置に限られることはない。

基端部側上板１３のうち、アームシリンダ７の基端部を覆う部分の幅方向中央部は、Ｕ字状に所定の幅切り欠かれ、切欠き部１２が形成されている。この切欠き部１２は、アームシリンダ７の長手方向に沿う。アームシリンダ７の基端部の上方が切欠き部１２により開放されている。

アームシリンダ７の基端部の上方が開放されているので、アームシリンダ７が基端部を中心に回動しても、アームシリンダ７と上板３とが干渉することはない。

アームシリンダ７の基端部の下方には蓋板１１が配置されている。この蓋板１１は、ブーム１の内部に土砂などの異物が入らないようにするためのものであり、側板２Ｒ・２Ｌ、上板３、下板４のような構造部材（強度部材）である必要はない。

蓋板１１のフレーム取付部５側の部分は、斜め上方に折り曲げられた形態で基端部側上板１３の下面に接合されている。斜め上方に折り曲げられた形態とすることなく、先端部側上板２３をそのまままっすぐ延長する形態で基端部側上板１３に蓋板１１を接合してもよいが、本実施形態のように、斜め上方に折り曲げられた形態で基端部側上板１３に蓋板１１を接合することで蓋板１１の長さを短くすることができる。すなわち、ブーム１の軽量化を図ることができる。

（下板）
ブーム１を構成する下板４は、フレーム取付部５側の基端部側下板１４と、アーム取付部６側の先端部側下板２４とからなる。下板４の形状は、図３・４に示した従来の下板５５と同じとされている。そのため、バケット抱え込み時に、ブーム１とバケットとが干渉することはない。

（スペーサ）
図１（ｃ）に示したように、アームシリンダ７の基端部の両側には、当該基端部の軸直交方向の可動範囲を規制するスペーサ８が、それぞれ２枚ずつ配置されている。なお、アームシリンダ７の基端部の両側にそれぞれ１枚ずつスペーサ８が配置されていてもよい。

側板２Ｒ・２Ｌに形成されたピン孔２ｂ、およびスペーサ８には、アームシリンダ７の基端部を回動可能に取り付けるためのピン９が差し込まれる。ピン９には抜け止め部材１０が取り付けられる。

ここで、例えば、スペーサ８の輪郭を上板３（基端部側上板１３）の下面に沿う形状とし、上板３（基端部側上板１３）の下面および側板２Ｒ・２Ｌの内面にスペーサ８を固定してもよい。なお、本実施形態の場合、上板３（基端部側上板１３）の下面および側板２Ｒ・２Ｌの内面に固定するのは、アームシリンダ７の基端部の片側に配置した２枚のスペーサ８のうち側板側のスペーサとなる。アームシリンダ７側のスペーサ８は、例えば上板３（基端部側上板１３）の下面に固定することとなる。

（作用効果）
本実施形態によると、アームシリンダ７の基端部を覆うように上板３が設けられているため、ブーム１の長手方向における各部のうちのアームシリンダ７の基端部が取り付けられる部位の断面高さが従来よりも高くなる。これにより、ブーム１を構成する板材の厚みを増すことなく、生じる曲げモーメントが際立って大きい部分の高さ方向の断面二次モーメントを大きくすることができる。結果として、重量増を抑えつつも、ブームの剛性・強度を高くすることができる。

また、ブームの高さ方向の断面二次モーメントを従来と同程度に維持する場合は、アームシリンダ７の基端部が取り付けられる部位の断面高さが従来よりも高くなった分、上板３（基端部側上板１３）および下板４（基端部側下板１４）のうちの少なくともいずれかの板厚を下げることができる。これにより、ブームの軽量化を図ることができる。

さらには、アームシリンダ７の基端部を回動可能に側板２Ｒ・２Ｌに取り付けているので、アームシリンダ用ブラケット５７も不要となっている。これらにより、本実施形態のブーム構造によると、重量増を抑えつつも、その剛性・強度を高く維持したブームとすることができる。

また、上板３（基端部側上板１３）に前記した切欠き部１２が設けられていることで、アームシリンダ７が基端部を中心に回動しても、アームシリンダ７と上板３とが干渉することはない。

さらには、アームシリンダ７の基端部を覆うように形成された上板３（基端部側上板１３）部分の幅方向中央部に切欠き部１２を設けたことで、上板３（基端部側上板１３）のうちの切欠き部１２の両側部分でアームシリンダ７の基端部が囲まれる。これにより、アームシリンダ７の基端部から作用する左右いずれの方向のねじれ荷重も、断面二次モーメントが高められた上板３（基端部側上板１３）部分で受けることができる

また、アームシリンダ７の基端部の両側に配置されるスペーサ８を、上板３（基端部側上板１３）の下面および側板２Ｒ・２Ｌの内面に固定することで、アームシリンダ７の基端部の周辺のブームの剛性・強度をより高くすることができる。

本実施形態のブーム１は、生じる曲げモーメントが際立って大きい部分の断面高さを高くするために、下板４の形状を変更することなく上板３の形状を前記したように工夫することで対応している。そのため、図４に示した油圧ショベル２００において、ブーム５２の代わりに本実施形態のブーム１を用いても、すなわち、ブーム１を備える油圧ショベル２００としても、バケット抱え込み時に、ブーム１とバケットとが干渉することはない。

また、ブーム１が前方に倒されてその輸送姿勢（例えば図４参照）とされた状態のときに、ブーム１を構成する基端部側上板１３（上板３）は、「く」の字状湾曲部の基端部側の頂部１３ａから前方に向かって水平に延在されている。このため、トレーラなどによる油圧ショベルの輸送時の高さ制限を従来と同様に守ることができる。なお、輸送高さが許せば、側面視において、アームシリンダ７の基端部が取り付けられる部位の上板３の高さを本実施形態のものよりも高くしてもよい。

（第２実施形態のブーム構造）
図２を参照しつつ第２実施形態のブーム１０２の構造について説明する。図２（ａ）は、ブーム１０２の側面図であり、図２（ｂ）は、ブーム１０２の平面図である。第１実施形態と同様の部品・部材については同一の符号を付している。

第２実施形態のブーム１０２では、アームシリンダ７の基端部の上方から側板２Ｒ・２Ｌの先端部部分まで（箱断面を形成している先端部まで）、ブーム側面視においてアームシリンダ７を覆うように上板３をまっすぐ延ばしている。

アームシリンダ７と上板３とが干渉することのないように、上板３に形成されるＵ字状の切欠き部２２は、第１実施形態の切欠き部１２よりも長いものとなっている。

なお、図示を省略しているが、図１（ｃ）に示したと同様、本実施形態のブーム１０２においても、アームシリンダ７の基端部の両側には、当該基端部の軸直交方向の可動範囲を規制するスペーサ８が配置されている。

（作用効果）
ブーム１０２を構成する上板３は、フレーム取付部５側の基端部側上板３３と、アーム取付部６側の先端部側上板４３とからなる。本実施形態によると、アームシリンダ７の基端部付近からブーム先端部付近まで、その断面高さが従来よりも高くなる。すなわち、断面二次モーメントが大きくなる。その結果、先端部側上板４３および先端部側下板２４の板厚を下げることができる。これにより、ブームの軽量化をより図ることができる。

また、アームシリンダ７の基端部の上方から側板２Ｒ・２Ｌの先端部部分まで、曲部を設けることなく上板３をまっすぐ延ばしている。すなわち、アームシリンダ７の基端部の上方から側板２Ｒ・２Ｌの先端部部分まで応力集中する箇所はない。これにより、ブームの強度がより高まる。

１：ブーム
２Ｒ・２Ｌ：側板
３：上板
４：下板
５：フレーム取付部
６：アーム取付部
７：アームシリンダ
８：スペーサ
１２：切り欠き部

Claims (6)

1. 建設機械の前部に取り付けられるブームにおいて、
   所定の間隔をあけて配置され、アームシリンダの基端部が回動可能に取り付けられる左右一対の側板と、
   前記左右一対の側板間に掛け渡されて前記側板の上端部に固定される上板と、
   を備え、
   前記アームシリンダの少なくとも基端部を覆うように前記上板が設けられている、建設機械のブーム。
2. 請求項１に記載のブームにおいて、
   前記アームシリンダの基端部の上方から前記左右一対の側板の先端部部分まで、ブーム側面視において前記アームシリンダを覆うように前記上板が延在されている、建設機械のブーム。
3. 請求項１または２に記載のブームにおいて、
   前記上板は、前記アームシリンダの長手方向に沿う所定の幅の切欠き部を有しており、
   前記アームシリンダの上方が前記切欠き部により開放されている、建設機械のブーム。
4. 請求項３に記載のブームにおいて、
   前記上板の幅方向中央部に前記切欠き部が形成されていることで、前記上板のうちの前記切欠き部の両側部分で前記アームシリンダが囲まれている、建設機械のブーム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のブームにおいて、
   前記アームシリンダの基端部の両側に配置され、当該基端部の軸直交方向の可動範囲を規制するスペーサが、前記上板の下面および前記側板の内面に固定されている、建設機械のブーム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のブームを備える建設機械。