JP2017226992A - 建設機械のアタッチメント - Google Patents

Abstract

【課題】応力の集中が効果的に緩和でき、軽量で耐久性に優れた建設機械のアタッチメントを提供する。
【解決手段】中空の支柱部材６２を含む、互いに回動可能に連結された複数の構成部材と、隣接した構成部材を回動させる油圧シリンダ６４とを備える。支柱部材６２は、矩形の横断面を有する本体部Ｂと、第１板材８１ａの表面に設けられて、油圧シリンダ６４を軸支するブラケット６９とを有している。第１板材８１ａの裏面と、第３、第４の板材８１ｃ，８１ｃの各対向面とに接合されて、本体部Ｂの内部に閉断面構造を形成する補強部材８４が、ブラケット６９の反対側に設けられている。
【選択図】図４

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械におけるブーム等のアタッチメントに関する。

図１に、油圧ショベル１００（バックホー）が掘削作業を行っている様子を示す。油圧ショベル１００には、油圧制御によって作動するアタッチメント１１０が備えられている。アタッチメント１１０は、主に、バケット１１１やアーム１１２、ブーム１１３などの部材と、これら部材を動かすバケットシリンダ１１４やアームシリンダ１１５、ブームシリンダ１１６などの油圧シリンダで構成されている。オペレータの操作に応じて各油圧シリンダが伸縮することで、バケット１１１やアーム１１２、ブーム１１３が回動軸Ｊを中心に回動し、掘削等の様々な作業が行われる。

アーム１１２やブーム１１３の本体部分Ｂは、強度や剛性の確保と軽量化とが両立できるように、金属板材を接合（溶接）して形成された矩形断面を有する中空の支柱部材で構成されている。図１に示すように、掘削時には、ブーム１１３やアーム１１２を前方に伸ばしながら、バケット１１１を地中に突っ込んで後方に向かって掻き上げるような操作が行われる。

その際、アーム１１２やブーム１１３は前方に引っ張られた状態となるため、これらの本体部分Ｂに強い荷重が作用する。特に、ブーム１１３の本体部分Ｂは、その中間が屈曲した形状になっているため、図１に矢印で示すように、その屈曲部位が引き延ばされる結果、変形し易くなっている。

ブーム１１３の本体部分Ｂを構成している金属板材の板厚を厚くすれば変形は抑制できるが、重量が増加するため、軽量化が図れない。そこで、従来は、屈曲部位の内部に補強板Ｐを接合し、ブーム１１３の内部を節状に仕切ることで、構造的に剛性を高めることなどが行われている（例えば特許文献１）。

特開２０１５−９８７１７号公報

ところが、ブーム１１３の屈曲部位の近傍では、図２に示すように、掘削時に、左右の側板１１３ａ，１１３ａが窪んで下板１１３ｂが膨れるような変形が発生する。そのため、そこに補強板Ｐを接合して無理に補強すると、その近傍で応力集中が発生し易くなる。

更に、ブーム１１３の上板１１３ｃの屈曲部位の近傍には、アームシリンダ１１５を軸支するブラケット１１７が設置されている。そのため、そのブラケット１１７の設置部位には、アーム１１２の作動に伴う荷重も作用するが、補強板Ｐの場合、ブラケット１１７を横切って延びるように、上板１１３ｃに対して線状に接合されているだけであるため、ブラケット１１７を通じて上板１１３ｃに作用する応力を充分に緩和させることができない。

その結果、ブラケット１１７の設置部位の周辺では、本体部分Ｂの上部でも変形が発生し易くなっており、上板１１３ｃと、補強板Ｐやブラケット１１７との接合部位についても亀裂が発生するおそれがある。

そこで本発明の目的は、掘削等の作業時にシリンダブラケットの周辺に作用する応力の集中が効果的に緩和でき、軽量で耐久性に優れた建設機械のアタッチメントを提供することにある。

本発明は建設機械のアタッチメントに関するものであり、中空の支柱部材を少なくとも１つ含む、互いに回動可能に連結された複数の構成部材と、前記支柱部材に設けられて、当該支柱部材に隣接した前記構成部材を回動させる油圧シリンダと、を備える。

前記支柱部材は、各々が互いに対向している、第１板材及び第２板材、並びに第３板材及び第４板材で四面が構成された矩形の横断面を有する本体部と、前記第１板材の表面に設けられて、前記油圧シリンダを軸支するブラケットと、を有している。

そして、前記第１板材の裏面と、第３板材及び第４板材の各対向面とに接合されて、前記本体部の内部に閉断面構造を形成する補強部材が、前記ブラケットの反対側に設けられている。

すなわち、このアタッチメントでは、ブーム等の、支柱部材の断面矩形の本体部を構成している第１板材の表面に、アーム等の、隣接した構成部材を回動させる油圧シリンダを軸支するブラケットが設けられていて、そのブラケットの反対側の本体部の内部に、閉断面構造を形成する補強部材が設けられているので、本体部におけるブラケットの設置部位の周辺は、強度や剛性が局所的に向上し、変形が効果的に抑制できる。

しかも、その閉断面構造は、第１板材と、その両側の第３及び第４の板材にわたる広い範囲に対して、補強部材を立体的に接合することによって形成されているので、ブラケットを通じて本体部のブラケットの周辺部分に作用する応力を効果的に緩和させることができる。

一方、補強部材は本体部のブラケット側に偏って設けられているため、本体部のブラケットの反対側は、本体部が本来有している強度及び剛性となっている。それにより、支柱部材が引っ張られることで、本体部のブラケットの反対側に応力が集中した場合には、第２板材と、第３及び第４の板材のその周辺部分とが、無理なく全体的に変形するため、応力集中を回避することができ、本体部のブラケットの反対側も、効果的に応力を拡散させることができる。

具体的には、前記補強部材は、樋状の部材からなり、前記本体部の内部に突出するように一対の縁部が前記第１板材の裏面に接合されるとともに、各端部が前記第３板材及び前記第４板材の各対向面に接合されており、前記第３板材と前記第４板材とが対向する方向から見たとき、前記油圧シリンダが軸支されている前記ブラケットの軸孔が、前記補強部材の前記一対の縁部の間に位置しているようにするのが好ましい。

そうすれば、ブラケットを介して第１板材に作用する荷重を、補強部材を通じて、本体部の長手方向に効果的に分散させることができるので、本体部のブラケットの周辺部分に作用する応力を、よりいっそう緩和させることができる。

より具体的には、前記補強部材が、略三角形の横断面形状を有しているようにすることができる。

そうすれば、補強部材の頂部から次第に拡がるようにして、一対の縁部が第１板材の裏面に接合され、その頂部がブラケットの軸孔と対向する。そうすることで、ブラケットを介して第１板材に作用する荷重を本体部に効果的に分散させることができ、本体部のブラケットの周辺部分に作用する応力を更に緩和させることができる。

また、本体部の長手方向において、頂部を境に、本体部の強度及び剛性が次第に減少するようになるため、本体部のブラケットの反対側もバランスよく変形させることができ、本体部のブラケットの反対側に作用する応力についても効果的に緩和できる。

本発明のアタッチメントによれば、コンパクトな補強部材を設けるだけで、掘削等の作業時に作用する応力の集中が効果的に緩和できるので、軽量化及び耐久性の向上が図れる。

油圧ショベルが掘削作業を行っている様子を示した概略図である（従来例）。 図１における矢印ＩＩ−ＩＩ線での概略断面図である。 本発明を適用した油圧ショベルを示す概略図である。 ブーム先端部の概略斜視図である。 ブーム先端部の概略縦断面図である。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線での概略断面図である。 補強部材の変形例を示す概略図である。 補強部材の他の変形例を示す概略図である。 変形例を示す要部の概略図である。 別の変形例を示す要部の概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。また、説明で用いる前後左右等の方向は、上部旋回体３を基準とする。

図３に、本発明を適用した油圧ショベル１（建設機械の一例）を示す。油圧ショベル１は、一対のクローラを備えた下部走行体２と、その上に搭載された上部旋回体３とで、大略構成されている。

上部旋回体３は、下部走行体２に旋回ベアリング４を介して旋回自在に支持されたアッパーフレーム５を有しており、その上に、アタッチメント６やキャブ７、機械室８、カウンターウエイト９などが設置されている。アッパーフレーム５の略中央には、左右方向に対向して前後方向に延びる一対の縦板５ａ，５ａが立設されており、その前端部にはアタッチメント６を支持する支持部５ｂが設けられている。

キャブ７は、オペレータが搭乗して油圧ショベル１の操作が行われる箱型の運転室であり、アッパーフレーム５の左前部に配置されている。図示しないが、アッパーフレーム５の右前部には、燃料タンクや作動油タンクなどが前後に並んで配置されている。

機械室８は、パネルやボンネットで周囲が覆われた状態でアッパーフレーム５の後部に配置されている。機械室８の内部には、エンジンやその関連機器、油圧ポンプなど、油圧ショベル１を駆動する主立った駆動装置が密集した状態で収容されている。アッパーフレーム５の後端部には、前方に向かって起伏等の動作を行うアタッチメント６との間で前後のバランスを確保するために、高重量なカウンターウエイト９が配置されている。

アタッチメント６は、互いに回動可能に連結されたバケット６０、アーム６１、及びブーム６２からなる構成部材や、これら構成部材を支持するとともに回動させるバケットシリンダ６３、アームシリンダ６４、ブームシリンダ６５からなる油圧シリンダなどで構成されている。

ブーム６２やアーム６１は、強度の確保と軽量化とが両立するように構成された中空の支柱部材であり、その主体は、四面が金属板で構成された矩形の横断面を有する本体部Ｂで構成されている。バケット６０は、土砂を掻き取って収容等する容器状の作業部材であり、これら支柱部材の先端に配置されている。作業部材は作業内容に応じて取替可能である。

バケット６０は、アーム６１の先端部に軸支されており、水平方向に伸びる第１軸Ｊ１を中心に回動可能となっている。バケット６０とアーム６１の先端部との間には、リンクアーム６６が連結されており、バケットシリンダ６３のロッド部６３ａは、このリンクアーム６６に連結されている。

アーム６１の基端側の上面（アーム６１を前方に伸ばした時に上方に向く面）には、バケットブラケット６７が立設されており、バケットシリンダ６３のシリンダ部６３ｂは、このバケットブラケット６７に軸支されている。バケット６０は、バケットシリンダ６３が伸縮することにより、第１軸Ｊ１を中心に回動する。

アーム６１は、ブーム６２の先端部に軸支されており、水平方向に伸びる第２軸Ｊ２を中心に回動可能となっている。アームシリンダ６４のロッド部６４ａは、アーム６１の基端部に設けられたフランジ部６８に連結されている。アームシリンダ６４のシリンダ部６４ｂは、ブーム６２の中間部位の上面に設けられたアームブラケット６９に軸支されている。アーム６１は、アームシリンダ６４が伸縮することにより、第２軸Ｊ２を中心に回動する。

ブーム６２は、アッパーフレーム５の支持部５ｂに軸支されており、左右を水平方向に伸びる第３軸Ｊ３を中心に回動可能となっている。ブームシリンダ６５のロッド部６５ａは、ブーム６２の中間部位の側面に設けられた軸支部７０に連結されている。ブームシリンダ６５のシリンダ部６５ｂは、支持部５ｂに軸支されている。ブーム６２は、ブームシリンダ６５が伸縮することにより、第３軸Ｊ３を中心に回動する。

ブーム６２は、へ字形状に形成されており、その長手方向の中間部位は上方に向かって屈曲している。この油圧ショベル１のブーム６２は、運搬等を考慮し、ブーム先端部６２ｓとブーム基部６２ｋとに、その中央部位で２つに分割できるように構成されている（分割式ブーム）。

図４、図５、図６に、そのブーム先端部６２ｓを示す。ブーム先端部６２ｓは、先端側本体部８１、アーム支持部８２、連結部８３、上述したアームブラケット６９、補強部材８４などで構成されている。

先端側本体部８１は、ブーム６２の先端側の本体部Ｂを構成する部分であり、上板８１ａ、下板８１ｂ、一対の側板８１ｃ，８１ｃ、端板８１ｄなどで構成されている。上板８１ａ及び下板８１ｂは、互いに上下に離れて対向し、一対の側板８１ｃ，８１ｃは、これら上板８１ａ及び下板８１ｂの間に挟まれた状態で、互いに左右に離れて対向している。なお、本実施形態では、上板８１ａは第１板材に、下板８１ｂは第２板材に、一対の側板８１ｃ，８１ｃは第３板材及び第４板材に、それぞれ対応している。

上板８１ａは、その長手方向の中間部を境に先端側の板幅が狭くなった略平坦な帯板形状を有している。下板８１ｂは、その上板８１ａに対応した形状を有しており、先端側から基端側に向かって次第に上板８１ａから離れるように下方に湾曲し、その基端部で特に大きく湾曲した形状となっている。

図６に示すように、各側板８１ｃの上縁部及び下縁部の各々には、斜めにカットした開先が形成されている。各側板８１ｃの上縁部は、上板８１ａの左右の縁部の各裏面に突き当てた状態で溶接されており、各側板８１ｃの下縁部は、下板８１ｂの左右の縁部の各裏面に突き当てた状態で溶接されている。

それにより、先端側本体部８１は、長手方向の先端側が窄んだ角柱状に形成されている。なお、上板８１ａ、下板８１ｂ、及び各側板８１ｃは、一枚の板材でもよいが、厚みの異なる複数の板材をつなぎ合わせて構成してもよい。

先端側本体部８１の開口面積の小さい先端は、端板８１ｄによって塞がれている。先端側本体部８１の基端は開口した状態となっており、先端側本体部８１の内部に通じる開口面積の大きな開口部８５が設けられている。アーム支持部８２は、一対の支持プレート８２ａ，８２ａで構成されていて、これらの基端部分が先端側本体部８１の先端部における左右の側面に溶接して固定されている。左右方向に離れて対向した各支持プレート８２ａの突出部分には、第２軸Ｊ２を構成する軸孔８２ｂが形成されている。

連結部８３は、一対の連結プレート８３ａ，８３ａで構成されていて、これらの基端部分が先端側本体部８１の基端部における左右の側面に溶接して固定されている。左右方向に離れて対向した状態で、先端側本体部８１の基端部から後方に突出した各連結プレート８３ａの突出部分には、ブーム基部６２ｋとの連結に用いられる軸孔８３ｂが形成されている。先端側本体部８１は、連結部８３を介して、ブーム基部６２ｋの本体部Ｂ（基端側本体部、基本構造は先端側本体部８１と同じ）と着脱可能に連結されている。

アームブラケット６９は、左右一対で構成されていて、先端側本体部８１の基端部を構成している上板８１ａの表面に立設されている。各アームブラケット６９の下縁部が上板８１ａの表面に接合されており、両アームブラケット６９は、上板８１ａの長手方向に平行して延びるように設けられている。各アームブラケット６９には、アームシリンダ６４を軸支する軸孔６９ａが対向した状態で形成されている。

（補強部材８４）
補強部材８４は、金属板を曲げ加工して形成された、略三角形の横断面形状を有する樋状の部材からなり、断面円弧状に円滑に曲げられた頂部８４ａ（曲げ部位）を有している。補強部材８４は、先端側本体部８１の内部上方に設けられ、閉断面構造を形成している。

具体的には、補強部材８４は、その頂部８４ａを、先端側本体部８１の内部に突出させた状態で、先端側本体部８１の長手方向に直交して延びるように、先端側本体部８１の内部に配置されている。そして、補強部材８４の、間隔を隔てて平行に延びる一対の縁部８４ｂ，８４ｂが、上板８１ａの裏面に接合され、補強部材８４の長手方向の各端部８４ｃが、左右の側板８１ｃ，８１ｃの、互いに対向した対向面にＶ字状に接合されることにより、先端側本体部８１の内部に閉断面構造が形成されている。それにより、補強部材８４の周囲には、その縁に沿って延びる連続した溶接ビードが形成されている。

補強部材８４の頂部８４ａ（上板８１ａの裏面から最も離れて位置する部位）は、先端側本体部８１の内部において、上板８１ａの側に偏って位置している。ブーム６２の構造にもよるが、本実施形態の場合は、図５に示すように、両側板８１ｃ，８１ｃが対向する方向から見たとき、頂部８４ａを通って上板８１ａから下板８１ｂに向かって垂下した横断面線の長さＬ１に対し、上板８１ａの裏面から頂部８４ａまでの長さＬ２が、Ｌ１の半分以下となるように設計されている。

補強部材８４は、アームブラケット６９の反対側に設けられていて、アームブラケット６９と、上板８１ａを間に挟んで上下逆向きに配置されている。

先端側本体部８１におけるアームブラケット６９の設置部位の周辺では、アーム６１の作動に伴う荷重が作用するため、変形し易くなっている。そのため、上板８１ａとアームブラケット６９との接合部位に亀裂が発生するおそれがあるが、補強部材８４による閉断面構造が、先端側本体部８１の内部のアームブラケット６９の反対側に設けられているので、先端側本体部８１におけるアームブラケット６９の設置部位の周辺は、強度や剛性が局所的に向上し、変形が効果的に抑制できるようになっている。

しかも、その閉断面構造は、先端側本体部８１の上部を構成している上板８１ａ及び両側板８１ｃ，８１ｃにわたる広い範囲に対して、補強部材８４を立体的に接合することによって形成されているので、アームブラケット６９を通じて先端側本体部８１の上部に作用する応力を効果的に緩和させることができる。

更に、図５に示すように、両側板８１ｃ，８１ｃが対向する方向から見たとき、アームブラケット６９の軸孔６９ａは、補強部材８４の一対の縁部８４ｂ，８４ｂの間に位置するように配置されている。

そうすることにより、アームブラケット６９を介して上板８１ａに作用する荷重を、補強部材８４を通じて、先端側本体部８１の長手方向に効果的に分散させることができるので、先端側本体部８１の上部に作用する応力を、よりいっそう緩和させることができる。

一方、補強部材８４は先端側本体部８１の内部上方に設けられているため、先端側本体部８１の内部下方は、補強されておらず、先端側本体部８１が本来有している強度及び剛性となっている。換言すれば、先端側本体部８１の内部下方には、変形を許容する非補強領域が設けられている。

それにより、掘削時にブーム６２が前方に引っ張られることで先端側本体部８１の下部に応力が集中した場合には、図６に仮想線で示すように、各側板８１ｃの下部及び下板８１ｂが無理なく全体的に変形するため、応力集中を回避することができ、効果的に応力を拡散させることができる。その結果、下板８１ｂと側板８１ｃの下部との接合部位の亀裂の発生も抑制できる。

加えて、本実施形態の場合、図５に示すように、両側板８１ｃ，８１ｃが対向する方向から見たとき、補強部材８４の頂部８４ａは、アームブラケット６９の軸孔６９ａと、上板８１ａを間に挟んで上下に対向するように配置されている。

補強部材８４の頂部８４ａは、上板８１ａの裏面から最も離れて位置しているため、閉断面構造における横断面での各部位の中でも、特に強度及び剛性が強化されている。そして、その頂部８４ａから次第に拡がるようにして、補強部材８４の一対の縁部８４ｂ，８４ｂが上板８１ａの裏面に接合されている。その頂部８４ａを、アームシリンダ６４の荷重が作用する軸孔６９ａと対向するように配置することで、アームブラケット６９を介して上板８１ａに作用する荷重を先端側本体部８１に効果的に分散させることができ、先端側本体部８１の上部に作用する応力を更に緩和させることができる。

先端側本体部８１の長手方向において、頂部８４ａを境に、先端側本体部８１の強度及び剛性が次第に減少するようになっているため、先端側本体部８１の下部をバランスよく変形させることができる。従って、先端側本体部８１の下部に作用する応力についても、効果的に緩和できるようになっている。

従って、本実施形態のアタッチメント６は、コンパクトな補強部材８４を、ブーム６２等の支柱部材に取り付けて補強するだけで、掘削等の作業時に作用する応力の集中が効果的に緩和できるので、軽量で耐久性に優れる。

なお、本発明にかかるアタッチメントは、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、補強部材８４の横断面形状は略三角形に限らない。例えば、図７に示すように、円弧状や半円状、楕円状であってもよいし、図８に示すように、アーチ、コ字状であってもよい。ただし、略三角形の場合、一対の縁部８４ｂ，８４ｂを上板８１ａの裏面に接合する際、図５に矢印で示すように、斜め方向から溶接することができるので、接合が簡単で、高精度な接合を安定して実現できる利点がある。

アームブラケット６９の軸孔６９ａに対する補強部材８４の頂部８４ａの位置は、いずれかの縁部８４ｂの側に偏った状態で配置してもよい。

アームブラケット６９の軸孔６９ａに作用するアームシリンダ６４の荷重は、例えばバケット６０の相違等に起因して、後方に押し込まれる場合と前方に引っ張れる場合とで機種によって大きく異なる場合がある。従って、後方に押し込まれる荷重が相対的に大きい機種では、アームブラケット６９における、アームシリンダ６４の設置側よりもアームシリンダ６４の非設置側の方に大きな応力が作用する。そのため、そのような機種では、図９に示すように、補強部材８４の頂部８４ａの位置を、アームシリンダ６４の非設置側にオフセットして配置することで、より効果的に応力の集中が緩和できる。

そして、図１０に示すように、前方に引っ張れる荷重が相対的に大きい機種では、逆に、アームシリンダ６４の非設置側よりもアームシリンダ６４の設置側の方に大きな応力が作用する。そのため、そのような機種では、補強部材８４の頂部８４ａの位置を、アームシリンダ６４の設置側にオフセットして配置することで、より効果的に応力の集中が緩和できる。

その他、建設機械は油圧ショベルに限らず、クレーン等であってもよい。支柱部材は、ブームに限らず、アーム等であってもよい。実施形態では、分割式のブームを例示したが、一般的な一体形のブームにも適用可能である。ただし、分割式のブーム６２であれば、先端側本体部８１の開口部８５を通じて補強部材８４を後付けできるので、既存のアタッチメントに適用できる利点がある。

第１板材は、本体部の上面を構成する板材に限らず、下面や側面を構成する板材であってもよい。補強部材は、一枚の曲げ板が好ましいが、複数の板を接合して構成してあってもよい。

１ 油圧ショベル
２ 下部走行体
３ 上部旋回体
６ アタッチメント
７ キャブ
８ 機械室
９ カウンターウエイト
６０ バケット
６１ アーム
６２ ブーム
６２ｓ ブーム先端部
６２ｋ ブーム基部
６３ バケットシリンダ
６４ アームシリンダ
６５ ブームシリンダ
６９ アームブラケット
６９ａ 軸孔
８１ 先端側本体部
８１ａ 上板
８１ｂ 下板
８１ｃ 側板
８１ｄ 端板
８４ 補強部材
８４ａ 頂部
８４ｂ 縁部
Ｂ 本体部

Claims (3)

1. 建設機械のアタッチメントであって、
   中空の支柱部材を少なくとも１つ含む、互いに回動可能に連結された複数の構成部材と、
   前記支柱部材に設けられて、当該支柱部材に隣接した前記構成部材を回動させる油圧シリンダと、
   を備え、
   前記支柱部材は、
   各々が互いに対向している、第１板材及び第２板材、並びに第３板材及び第４板材で四面が構成された矩形の横断面を有する本体部と、
   前記第１板材の表面に設けられて、前記油圧シリンダを軸支するブラケットと、
   を有し、
   前記第１板材の裏面と、第３板材及び第４板材の各対向面とに接合されて、前記本体部の内部に閉断面構造を形成する補強部材が、前記ブラケットの反対側に設けられているアタッチメント。
2. 請求項１に記載のアタッチメントにおいて、
   前記補強部材は、樋状の部材からなり、前記本体部の内部に突出するように一対の縁部が前記第１板材の裏面に接合されるとともに、各端部が前記第３板材及び前記第４板材の各対向面に接合されており、
   前記第３板材と前記第４板材とが対向する方向から見たとき、前記油圧シリンダが軸支されている前記ブラケットの軸孔が、前記補強部材の前記一対の縁部の間に位置しているアタッチメント。
3. 請求項２に記載のアタッチメントにおいて、
   前記補強部材が、略三角形の横断面形状を有しているアタッチメント。

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