JP2017002557A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】電動シリンダのレイアウトの自由度を向上できるとともに、電動シリンダの重量に起因する車両バランスの悪化を抑制できる作業機械を提供する。
【解決手段】作業装置13を作動させる電動シリンダであるシリンダ21，23，25のシリンダ本体31，35，41に対して、シリンダ本体31，35，41を駆動させる動力を発生させる駆動部32，36，42を離間した位置に配置する。シリンダ本体31，35，41と駆動部32，36，42とをドライブシャフト33，37，43によって接続する。シリンダ21，23，25のレイアウトの自由度を向上できるとともに、重量物である駆動部32，36，42の位置を適宜設定することで、シリンダ21，23，25の重量に起因する車両バランスの悪化を最小限に留めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業装置を作動させる電動シリンダを備えた作業機械に関する。

従来、油圧ショベルに代表される作業機械は油圧駆動方式によるものが一般的であり、油圧ショベルにおいては、上部旋回体上に配置したエンジンにより油圧ポンプを駆動し、コントロールバルブを介して各油圧アクチュエータに必要な作動油を供給することでフロント作業装置を含む車体を動作させている。このような油圧駆動方式においては、油圧ポンプやバルブ、配管などにおける圧力損失があること、また、油圧ポンプを駆動させるためのエンジンから発生する騒音や排気ガスなどの問題があることが知られている。そこで、油圧アクチュエータの代わりに電動アクチュエータを用いた電動ショベルが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）これらの電動ショベルにおいては、油圧ショベルのフロント作業装置（ブーム、アーム、バケット）の駆動用として、電動シリンダ（電気シリンダ）を使用する。

具体的に、特許文献１記載の構成は、フロント作業装置他、各駆動系の駆動の動力源を全て電動アクチュエータで構成し、さらに作業装置の電動アクチュエータに、電動式リニアアクチュエータである電動シリンダを用いるものである。

また、特許文献２記載の構成は、関節回転可能な作業部材を有する作業装置を電動システムとしつつ、車体や作業装置の重量の増加を極力抑制する構成として、ブーム、アームおよびバケットの動作用の電動シリンダを用いることで、電動モータを用いる場合と比較して小型化や低重量化を可能としたものである。

特開昭６３−３００１３１号公報 特開２００３−８２７０７号公報 特開平１１−３４３６４２号公報

電動シリンダは、大別して油圧シリンダと同様のシリンダ本体（円筒状のシリンダチューブと往復直線運動を行うピストン）に加えて、油圧シリンダでは存在しない、ピストン軸を回転させてピストンの往復運動を行わせるためのギヤおよびモータにより一体に構成されている。したがって、電動シリンダは、油圧シリンダ同様の円筒形状に対してギヤおよびモータ部分が付加される構造となり、従来の油圧シリンダと比較して多くのスペースを要する。また、現状の油圧ショベルに用いられる油圧シリンダと同等のシリンダ性能を電動シリンダにより実現するためには、シリンダ本体も油圧シリンダより大きいものが必要となり、シリンダを駆動させるためのギヤおよびモータも、より大型のものが必要となる。

この結果、現状の油圧ショベルのフロント作業装置の構造において、油圧シリンダの代わりに特許文献１および２記載のように電動シリンダを用いようとする場合には、シリンダレイアウトの制約が大きくなる他、重量物であるシリンダ本体、ギヤおよびモータをフロント作業装置に配置することによるショベル本体のバランスの悪化が懸念される。

この点、例えば電動モータをアーム駆動用やバケット駆動用としてブームの先端に設けた場合のブームの慣性モーメントや上部旋回体全体の慣性モーメントが大きくなり、かつ、作業機械全体の重量バランスが不安定化する課題に対して、機械重心位置から遠い作業装置のアームやバケットなどの駆動に、電動モータよりも軽量の油圧シリンダを使用する構成が知られている（例えば、特許文献３参照。）。しかしながら、この構成の場合には結局一部に油圧シリンダを用いるため、電動ショベルに本来不必要な油圧ポンプやこの油圧ポンプを駆動するためのエンジンあるいはその他の駆動源を上部旋回体内に配置する必要があり、電動シリンダを用いるメリットが低減する。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、電動シリンダのレイアウトの自由度を向上できるとともに、電動シリンダの重量に起因する車両バランスの悪化を抑制できる作業機械を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、機体と、この機体に作動可能に設けられた作業装置と、この作業装置を作動させる電動シリンダとを具備し、電動シリンダは、作業装置に配置され、伸縮可能な電動シリンダ本体と、この電動シリンダ本体に対して離間されて配置され、電動シリンダ本体を駆動させる動力を発生させる駆動部と、この駆動部と電動シリンダ本体とを接続し、駆動部の動力を電動シリンダ本体に伝達するドライブシャフトとを備えた作業機械である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械における機体が、下部走行体と、この下部走行体に対して旋回可能に設けられ作業装置が搭載される上部旋回体とを備え、駆動部が、電動シリンダ本体に対して上部旋回体の旋回軸側に位置している作業機械である。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の作業機械におけるドライブシャフトが、等速ジョイントである作業機械である。

請求項１記載の発明によれば、作業装置を作動させる電動シリンダの電動シリンダ本体に対して、電動シリンダ本体を駆動させる動力を発生させる駆動部を離間した位置に配置し、これら電動シリンダ本体と駆動部とをドライブシャフトによって接続することで、電動シリンダのレイアウトの自由度を向上できるとともに、重量物である駆動部の位置を適宜設定することで、電動シリンダの重量に起因する車両バランスの悪化を抑制できる。

請求項２記載の発明によれば、駆動部を、電動シリンダ本体に対して上部旋回体の旋回軸側に配置することで、電動シリンダの重量に起因する車両バランスの悪化をより確実に抑制できる。

請求項３記載の発明によれば、ドライブシャフトとして等速ジョイントを用いることで、安価に構成できるとともに、電動シリンダ本体と駆動部との配置が同一直線上でなくても駆動部の動力を電動シリンダ本体に伝達することが可能になり、電動シリンダのレイアウトの自由度をより向上できる。

本発明に係る作業機械の一実施の形態を示す側面図である。 同上作業機械の一部を示す斜視図である。

以下、本発明を、図１および図２に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。

図１は、ショベル型の作業機械11を示し、この作業機械11は、例えば電動駆動式の機体12と、この機体12に作動可能に軸連結された電動駆動式のフロント作業機である作業装置13とを具備している。

機体12は、電動アクチュエータとしての走行用モータ14により走行される下部走行体15上に、旋回軸受部16を介して上部旋回体17が電動アクチュエータとしての旋回用モータ18により旋回可能に設けられ、この上部旋回体17には、運転室を形成するキャブ19が搭載されている。

作業装置13は、上部旋回体17に軸支され（第１の）電動シリンダであるブームシリンダ21により回動される（第１の）作業部材であるブーム22と、このブーム22の先端部に軸連結され（第２の）電動シリンダであるスティックシリンダ23により回動される（第２の）作業部材であるスティック24と、このスティック24の先端部に軸連結され（第３の）電動シリンダであるバケットシリンダ25により回動される部材に取り付けられた（第３の）作業部材であるバケット26とを備えている。

このキャブ19内には、図示しないが、運転席の前方下部に操作部（操作ペダル）が設けられているとともに、運転席の左右部に操作部（操作レバー）がそれぞれ設けられ、これらの操作部の操作により走行用モータ14、旋回用モータ18および各シリンダ21，23，25が動作される。

走行用モータ14は、操作部（操作ペダル）の操作により回転動作することで下部走行体15を走行させるものである。同様に、旋回用モータ18は、操作部（操作レバー）の操作により回転動作することで上部旋回体17を下部走行体15に対して旋回軸受部16の旋回軸Ａを中心として旋回させるものである。これらモータ14，18としては、電動モータが用いられ、シリンダ21，23，25とともに、例えば上部旋回体17などに配置された図示されないバッテリを動力源として動作するようになっている。

ブームシリンダ21は、作業装置13を上下方向に作動する片ロッド型の電動シリンダであり、（第１の）電動シリンダ本体である伸縮可能なブームシリンダ本体31と、このブームシリンダ本体31を伸縮動作させる（第１の）駆動部であるブームシリンダ駆動部32と、これらブームシリンダ本体31とブームシリンダ駆動部32とを連結する（第１の）ドライブシャフト33とを備えている。また、このブームシリンダ21は、本実施の形態では、ブーム22の両側に一対配置され、互いに略平行に配置されている。そして、このブームシリンダ21は、操作部（操作レバー）の操作により、ブームシリンダ本体31が伸び方向に作動されて作業装置13（ブーム22）を機体12（上部旋回体17）に対して上げ方向に動作させる（ブーム上げ）とともに、ブームシリンダ本体31が縮み方向に作動されて作業装置13（ブーム22）を機体12（上部旋回体17）に対して下げ方向に動作させる（ブーム下げ）。

ブーム22は、上部旋回体17に一端部である基端部が軸連結されるブーム基端部22aと、このブーム基端部22aの他端部である先端部に連続しスティック24が軸連結されるブーム先端部22bとを一体に備えている。ブーム基端部22aとブーム先端部22bとは、側方から見て互いに異なる（交差する）方向に沿って直線状に延びている。そのため、ブーム22は、側方から見て鈍角状に屈曲した、「へ」字状に形成されている。

スティックシリンダ23は、スティック24をブーム22に対して前後方向に作動する片ロッド型の電動シリンダであり、（第２の）電動シリンダ本体である伸縮可能なスティックシリンダ本体35と、このスティックシリンダ本体35を伸縮動作させる（第２の）駆動部であるスティックシリンダ駆動部36と、これらスティックシリンダ本体35とスティックシリンダ駆動部36とを連結する（第２の）ドライブシャフト37とを備えている。そして、このスティックシリンダ23は、操作部（操作レバー）の操作により、スティックシリンダ本体35が縮み方向に作動されてスティック24をブーム22に対して前方、すなわちオペレータから離反する方向に動作させる（スティックアウト）とともに、スティックシリンダ本体35が伸び方向に作動されてスティック24をブーム22に対して後方、すなわちオペレータに接近する方向に動作させる（スティックイン）。

バケットシリンダ25は、バケット26をスティック24に対して前後方向に作動する片ロッド型の電動シリンダであり、（第３の）電動シリンダ本体である伸縮可能なバケットシリンダ本体41と、このバケットシリンダ本体41を伸縮動作させる（第３の）駆動部であるバケットシリンダ駆動部42と、これらバケットシリンダ本体41とバケットシリンダ駆動部42とを連結する（第３の）ドライブシャフト43とを備えている。そして、このバケットシリンダ25は、操作部（操作レバー）の操作により、バケットシリンダ本体41が縮み方向に作動されてバケット26をスティック24に対して前方に動作させる（バケットアウト）とともに、バケットシリンダ本体41が伸び方向に作動されてバケット26をスティック24に対して後方に動作させる（バケットイン）。

シリンダ本体31，35，41は、それぞれ長尺円筒状の（第１乃至第３の）シリンダチューブ31a，35a，41aと、略円柱状の被駆動部であるピストン（ロッド）31b，35b，41bとを備えている。シリンダチューブ31aは、一端部である基端部が上部旋回体17の旋回フレーム45のシリンダ軸支部46に軸連結され、シリンダチューブ35aは、一端部である基端部がブーム22（ブーム先端部22b）の背面に突設されたブラケット47に軸連結され、シリンダチューブ41aは、一端部である基端部がスティック24の背面に突設されたブラケット48に軸連結されている。

ピストン31b，35b，41bは、それぞれシリンダチューブ31a，35a，41aの他端部である先端部に一端部である基端部が挿入され、他端部である先端部がシリンダチューブ31a，35a，41aから突出してこのシリンダチューブ31a，35a，41aに対して往復直線運動することで伸縮するようになっている。そして、ピストン31bの先端部は、ブーム22（ブーム基端部22aの両側）のピストン軸支部51に軸連結され、ピストン35bの先端部は、スティック24の基端部のピストン軸支部52に軸連結され、ピストン41bの先端部は、スティック24とバケット26との間に連結されたリンケージ53に軸連結されている。

したがって、ブームシリンダ本体31は、ブーム22の基端側に配置され、スティックシリンダ本体35は、ブーム22の先端側（ブーム先端部22b）の背面側に沿って配置され、バケットシリンダ本体41は、スティック24の背面側に沿って配置されている。

一方、駆動部32，36，42は、ピストン31b，35b，41bの軸を回転させることでピストン31b，35b，41bをシリンダチューブ31a，35a，41aに対して進退させることでシリンダ本体31，35，41を伸縮させるもので、それぞれ（第１乃至第３の）筐体61，62，63の内部に、図示されないギヤおよびモータを備えるユニット状に構成されている。これら駆動部32，36，42は、重量が大きい重量物である。そして、これら駆動部32，36，42は、シリンダ本体31，35，41に対して離間された位置に配置されている。

具体的に、ブームシリンダ駆動部32は、旋回フレーム45上にてブーム22の基端部の後方に配置されている。この旋回フレーム45は、図２に示されるように、旋回軸（旋回中心）Ａの位置に、旋回軸受部16（図１）により旋回自在に支持される円形状の開口部である旋回支持部55が開口されており、この旋回支持部55の前方の両側にて旋回フレーム45の前端部にシリンダ軸支部46が設けられている。また、この旋回フレーム45には、旋回支持部55の前方の両側で、かつ、シリンダ軸支部46の後方、すなわち旋回支持部55とシリンダ軸支部46との間の位置に、ブーム22（図１）の基端部を軸支するブーム軸支部56が上方に向けて突設されている。したがって、ブーム軸支部56と旋回支持部55とは前後に離間されており、これらブーム軸支部56（ブーム22（図１）の基端部）と旋回支持部55との間の旋回フレーム45上に、ブームシリンダ駆動部32が配置されるスペース57が形成されている。したがって、このブームシリンダ駆動部32は、ブームシリンダ本体31に対して、後方である旋回軸Ａ側、すなわち機体内側に離間されて位置している。このため、ブームシリンダ駆動部32のドライブシャフト33と接続される出力軸方向は、前後方向に向いており、ブームシリンダ本体31の軸方向に対して異なる（交差する）方向となっている。

図１に戻って、スティックシリンダ駆動部36は、ブーム22の基端側であるブーム基端部22aの背面に配置されている。したがって、このスティックシリンダ駆動部36は、ブーム22の先端側であるブーム先端部22bの背面に位置するスティックシリンダ本体35に対して、後方である旋回軸Ａ側、すなわち機体内側に離間されて位置している。このため、スティックシリンダ駆動部36のドライブシャフト37と接続される出力軸方向は、ブーム基端部22aに沿う方向となっており、ブーム先端部22bに沿う方向となるスティックシリンダ本体35の軸方向に対して異なる（交差する）方向となっている。

バケットシリンダ駆動部42は、スティック24の基端側の背面にてピストン軸支部52とブラケット48との間に形成された配置部65に配置されている。この配置部65は、スティック24の長手方向に対して傾斜状に形成された配置面となっており、ブーム22のブーム先端部22bの前方に位置している。したがって、バケットシリンダ駆動部42は、スティック24の先端側の背面に位置するバケットシリンダ本体41に対して離間されて位置しており、所定の姿勢、例えば少なくとも小旋回姿勢（図１の実線）や通常の掘削姿勢（図１の想像線）においては、バケットシリンダ本体41に対して、後方である旋回軸Ａ側、すなわち機体内側に位置している。

ここで、小旋回姿勢とは、バケット26を持ち上げ、上部旋回体17の旋回時の作業装置13の負荷を最小に抑制する姿勢であり、ブーム22を最大に上げるとともに、スティックインおよびバケットインして、スティック24が鉛直上下方向に沿って略垂直状となる状態を言うものとする。

そして、ドライブシャフト33，37，43は、駆動部32，36，42の動力（回転駆動力）をシリンダ本体31，35，41（ピストン31b，35b，41b）に伝達するもので、本実施の形態において、それぞれ等速シャフトである。ドライブシャフト33は、本実施の形態では、図２に示されるように、ブームシリンダ駆動部32から前方へ延びる延出部33aと、この延出部33aの先端側にて両側のシリンダ軸支部46へと延びる連結部33bとを有するＴ字状に突設されている。また、ドライブシャフト37は、スティックシリンダ駆動部36の出力軸方向からスティックシリンダ本体35の軸方向へと屈曲している。同様に、ドライブシャフト43は、バケットシリンダ駆動部42の出力軸方向からバケットシリンダ本体41の軸方向へと屈曲している。

また、操作ペダルおよび操作レバーなどの操作部は、コントローラ（電子制御モジュールＥＣＭ）の入力部に接続されている。このコントローラの出力部は、各モータ14，18、および、各シリンダ21，23，25の駆動部32，36，42のモータの制御部などと接続されている。

そして、オペレータが操作部を操作すると、コントローラからの電気信号により走行用モータ14が動作して作業機械11が走行し、駆動部32，36，42のモータが動作してシリンダ本体31，35，41が伸縮し、旋回用モータ18が動作して上部旋回体17が下部走行体15に対して旋回する。この結果、これらの動作の複合により、バケット26による掘削やバケット26に受け入れた荷の移送などを行う。

次に、上記一実施の形態の作用効果を列記する。

作業装置13を作動させる電動シリンダであるシリンダ21，23，25のシリンダ本体31，35，41に対して、これらシリンダ本体31，35，41を駆動させる動力を発生させる駆動部32，36，42を離間した位置に配置し、これらシリンダ本体31，35，41と駆動部32，36，42とをドライブシャフト33，37，43によって接続することで、シリンダ本体31，35，41と、駆動部32，36，42とを、それぞれのみを配置可能なスペースに配置できるので、シリンダ21，23，25のレイアウトの自由度を向上できるとともに、重量物である駆動部32，36，42の位置を適宜設定することで、シリンダ21，23，25の重量に起因する車両バランスの悪化を最小限に留めることができる。

具体的に、重量物である駆動部32，36，42を、シリンダ本体31，35，41に対して上部旋回体17の旋回軸Ａ側、すなわち機体中心に近い位置に配置することで、電動シリンダ本体と駆動部とを一体とした電動シリンダを使用する場合と比較して作業装置13の慣性モーメントを小さくすることができ、シリンダ21，23，25の重量に起因する、すなわちシリンダ21，23，25の採用による作業装置13の重量増に伴う車両バランスの悪化をより確実に抑制できる。

すなわち、電動シリンダ本体と駆動部とを一体とした電動シリンダを用いる場合には、シリンダの端部に駆動部のスペースが加わることで、例えばブーム22の背面に配置されるスティックシリンダであれば、駆動部が従来の油圧ショベルと比較して高さ方向に張り出すとともに、駆動部の重量を保持するために電動シリンダの固定部も強化する必要があるのに対して、上記一実施の形態の構成では、このような問題が少なく、電動シリンダ本体と駆動部とを一体とした電動シリンダを用いる場合と比較して、作業装置13の設計上での制約が少なくなる。

また、ドライブシャフト33，37，43として一般的な等速ジョイントを用いることで、安価に構成できるとともに、シリンダ本体31，35，41と駆動部32，36，42の出力軸との配置が同一直線上でなくても駆動部32，36，42の動力（回転駆動力）をシリンダ本体31，35，41に伝達することが可能になり、シリンダ21，23，25のレイアウトの自由度をより向上できる。

さらに、走行用モータ14および旋回用モータ18をそれぞれ電動モータとすることで、電動シリンダであるシリンダ21，23，25とともに、作業機械11全体を油圧レスの電動駆動式とすることができる。したがって、油圧ポンプおよび油圧回路や油圧ポンプを駆動させるためのエンジンなどが不要になり、油圧回路内で生じる圧力損失、および、エンジンの駆動に伴う騒音や排気ガスなどの問題が生じない。したがって、高効率で環境に配慮した作業機械11を提供できる。

なお、上記一実施の形態において、駆動部36，42については、例えばブームシリンダ駆動部32と同様の位置、すなわち旋回軸Ａ（機体中心）に対してより接近させた位置に配置することもできる。すなわち、駆動部32，36，42の配置は、シリンダ本体31，35，41に対して離間している位置であれば、任意のスペースに配置できる。

また、上記の構成は、作業装置13を作動させる任意の電動シリンダに対して適用できる。すなわち、作業装置13としては、ブーム22、スティック24およびバケット26を備えるものに限定されず、その他の任意の作業部材を電動シリンダによって作動させる構成とすることができる。

本発明は、ショベル型作業機械に好適であるが、機体から作業装置が突設された作業機械であれば、ホイールタイプの作業機械などにも利用できる。

Ａ 旋回軸
11 作業機械
12 機体
13 作業装置
15 下部走行体
17 上部旋回体
21 電動シリンダであるブームシリンダ
23 電動シリンダであるスティックシリンダ
25 電動シリンダであるバケットシリンダ
31 電動シリンダ本体であるブームシリンダ本体
32 駆動部であるブームシリンダ駆動部
33，37，43 ドライブシャフト
35 電動シリンダ本体であるスティックシリンダ本体
36 駆動部であるスティックシリンダ駆動部
41 電動シリンダ本体であるバケットシリンダ本体
42 駆動部であるバケットシリンダ駆動部

Claims (3)

1. 機体と、
   この機体に作動可能に設けられた作業装置と、
   この作業装置を作動させる電動シリンダとを具備し、
   電動シリンダは、
   作業装置に配置され、伸縮可能な電動シリンダ本体と、
   この電動シリンダ本体に対して離間されて配置され、電動シリンダ本体を駆動させる動力を発生させる駆動部と、
   この駆動部と電動シリンダ本体とを接続し、駆動部の動力を電動シリンダ本体に伝達するドライブシャフトとを備えた
   ことを特徴とする作業機械。
2. 機体は、
   下部走行体と、
   この下部走行体に対して旋回可能に設けられ作業装置が搭載される上部旋回体とを備え、
   駆動部は、電動シリンダ本体に対して上部旋回体の旋回軸側に位置している
   ことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
3. ドライブシャフトは、等速ジョイントである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械。

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