JP2018135929A - 建設機械の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ねじり振動やスラスト振動の共振を防止して振動音や摩耗等を効果的に低減し得る建設機械の駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１は、エンジン２と、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプ３と、エンジン２の出力を油圧ポンプ３に伝達するための歯車伝動機構４とを備える。歯車伝動機構４は、少なくとも、ケーシング４１と、ケーシング４１内に配置されるベアリング４２と、ケーシング４１内にベアリング４２を介して回転自在に配置される入力軸４４と、入力軸４４に装着される駆動ギヤ４５とを備える。駆動ギヤ４５は、ヘリカルギヤである。歯車伝動機構４は、当該歯車伝動機構の入力軸４４に沿った方向のスラスト振動を抑制するための所定のばね定数を有する振動抑制体４８をさらに備える。【選択図】図１

Description

本発明は、クレーンや油圧ショベルなどの建設機械の駆動装置に関する。

従来、この種の建設機械の駆動装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、エンジンと、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、エンジンの出力を油圧ポンプに伝達するための歯車伝動機構とを備えたものが知られている。

ここで、歯車伝動機構は、具体的には、油圧ポンプの制約で、エンジン回転数を減速又は増速させるために用いられる減速機、あるいはエンジンの出力を複数軸に分散させて複数の油圧ポンプに伝達するために用いられるパワーデバイダである。また、歯車伝動機構のギヤとしては、噛み合い音を低減するために、ヘリカルギヤが多く採用されている。

特開２０１４−２０１９０３号公報

ところで、エンジンの出力は、燃焼間隔によるトルク変動を起こし、それにより、ねじり振動を生じる。その上、従来の歯車伝動機構では、入力軸とケーシングとの間に、組立性を考慮して隙間が設けられていることと、エンジン出力がヘリカルギヤを介して油圧ポンプに伝達されることに起因して、ねじり振動によって入力軸がスラスト振動を生じるほか、音が発生したり、入力軸とベアリングに摩耗等が発生する。そして、これらの振動の振動数が、歯車伝動機構の入力軸系の固有振動数に近いと、ねじり振動やスラスト振動が共振するようなことが起こり、振動音や摩耗等が大きく増幅されるという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その課題は、歯車伝動機構の入力軸がスラスト振動するときその振動を抑制することにより、ねじり振動やスラスト振動の共振を防止して振動音や摩耗等を効果的に低減し得る建設機械の駆動装置を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本発明は、建設機械の駆動装置として、エンジンと、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、前記エンジンの出力を前記油圧ポンプに伝達するための歯車伝動機構とを備えることを前提とする。そして、前記歯車伝動機構は、少なくとも、ケーシングと、このケーシング内に配置されるベアリングと、前記ケーシング内に前記ベアリングを介して回転自在に配置される入力軸と、この入力軸に装着される駆動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは、ヘリカルギヤである。また、前記歯車伝動機構は、当該歯車伝動機構の前記入力軸に沿った方向のスラスト振動を抑制するための所定のばね定数を有する振動抑制体をさらに備える構成にする。

この構成では、エンジン出力がトルク変動を起こし、ねじり振動を生じるときには、従来の歯車伝動機構の場合と同様に、入力軸とケーシングとの間に、組立性を考慮して隙間が設けられていることと、エンジン出力が歯車伝動機構の駆動ギヤなどのヘリカルギヤを介して油圧ポンプに伝達されることに起因して、歯車伝動機構の入力軸などが、ねじり振動によってスラスト振動を生じる。このとき、歯車伝動機構の入力軸などのスラスト振動は、所定のばね定数を有する振動抑制体により抑制されるため、従来の如くねじり振動やスラスト振動が共振するようなことはなく、振動音や摩耗等を効果的に低減できる。

ここで、前記振動抑制体は、前記ケーシングと前記ベアリングとの間に設置することが好ましい。この場合、ケーシングとベアリングとの間の位置という設計変更が比較的容易な箇所に振動抑制体を設置することができるので、実施化を図る上で有利である。

また、前記振動抑制体のばね定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）は、前記入力軸、前記駆動ギヤ及び前記ベアリングのインナレースの各質量の合計である入力軸系の慣性質量をｍ（ｋｇ）、前記エンジンの回転数をＮ（ｒｐｍ）、前記エンジンの気筒数をｎとすると、下記の式
ｋ≧８π^２×ｍ×｛（Ｎ／６０）×（ｎ／２）｝^２
を満たすように設定することが好ましい。この場合、歯車伝動機構の入力軸系の固有振動数は、入力軸系のねじり振動及びスラスト振動の振動数の√２倍以上離れることになるため、入力軸系がねじり振動及びスラスト振動に共振することはなく振動の減衰が得られ、振動音や摩耗等をより効果的に低減できる。

本発明における建設機械の駆動装置によれば、歯車伝動機構の入力軸などがねじり振動によってスラスト振動を生じるとき、そのスラスト振動が振動抑制部材により効果的に抑制されるため、従来の如くねじり振動やスラスト振動が共振するようなことはなく、振動音や摩耗等を有効に低減することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る建設機械の駆動装置の全体構成を示す構成図である。 図２は、前記駆動装置の構成要素であるパワーデバイダの縦断側面図である。 図３は、図２のＸ付近の拡大図である。 図４は、本発明の第２の実施形態を示す図１相当図である。 図５は、同じく図３相当図である。 図６は、本発明の第３の実施形態を示す図３相当図である。

以下、本発明を実施するための形態である実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る建設機械の駆動装置１の全体構成を示す。駆動装置１は、エンジン２と、油圧ポンプ３と、エンジン２の出力を油圧ポンプ３に伝達するための歯車伝動機構としてのパワーデバイダ４とを備える。

エンジン２は、単一又は複数の気筒を有するレシプロエンジンである。建設機械の場合、エンジン２は、通常、上部旋回体に搭載される。また、エンジン２は、その出力軸２ａ側から見て左回転で回転する。

油圧ポンプ３は、建設機械の油圧シリンダや油圧モータなどの油圧アクチュエータの油圧源を構成するものであり、本実施形態の場合、複数（例えば図示の如く２つ又は４つ）備える。

パワーデバイダ４は、エンジン２の出力を複数軸に分散して複数の油圧ポンプ３に伝達する装置である。パワーデバイダ４は、図２に示すように、ケーシング４１と、複数のテーパーベアリング４２及びボールベアリング４３と、入力軸４４と、駆動ギヤ４５と、複数の従動ギヤ４６と、複数の出力軸４７とを備える。

ケーシング４１は、複数のパーツからなる。詳しくは、ケーシング４１は、エンジン２側である正面側の中央部を除く大部分及び外周面部を構成する第１パーツ４１１と、正面側の中央部を構成する第２パーツ４１２と、エンジン２と反対側の裏面側の従動ギヤ４６に対向する部分を構成する複数の第３パーツ４１３と、裏面側の残り部分（中央部など）を構成する第４パーツ４１４とを備えてなる。

第２パーツ４１２の中央部には、入力軸４４を挿通するための挿通孔４１５が形成されている。第４パーツ４１４の内面には、入力軸４４の一端部に対応して、円形状の凹部４１６が形成され、この凹部４１６は、その内周面の軸方向中間部に段差部を有し、段差部よりも開口側の内径が奥側（底面側）の内径よりも大きくなっている。また、第１パーツ４１１の内面には、各出力軸４７の一端部に対応して、円形状の凹部４１７が形成され、この凹部４１７は、その内周面の軸方向中間部に段差部を有し、段差部よりも開口側の内径が奥側（底面側）の内径よりも大きくなっている。各第３パーツ４１３には、対応する出力軸４７の他端部に対応して、円形状の開口部４１８が形成されている。

テーパーベアリング４２は、ケーシング４１内の２箇所にそれぞれ配置されている。そのうちの１箇所は、第２パーツ４１２の挿通孔４１５の内周面であり、残り１箇所は、第４パーツ４１４の凹部４１６の段差部よりも開口側の内周面である。なお、以下の説明で２つのテーパーベアリング４２を区別する必要がある場合には、第２パーツ４１２側のテーパーベアリングを符号４２ａで表示し、第４パーツ４１４側のテーパーベアリングを符号４２ｂで表示する。

ボールベアリング４３は、１つの従動ギヤ４６及び出力軸４７毎に、ケーシング４１内の２箇所にそれぞれ配置されている。そのうちの１箇所は、第１パーツ４１１の凹部４１７の段差部よりも開口側の内周面であり、残り１箇所は、第３パーツ４１３の開口部４１８の内周面である。

入力軸４４は、ケーシング４１内に２つのテーパーベアリング４２を介して回転自在に配置されている。入力軸４４の一端部は、挿通孔４１５を通してケーシング４１外に延出されており、この入力軸４４の一端部には、エンジン２の出力軸２ａ（図１参照）がカップリングなどを介して連結される。

駆動ギヤ４５は、入力軸４４との間でスプライン結合することで入力軸４４に対し回転一体に装着されている。なお、駆動ギヤ４５と入力軸４４とは、スプライン結合ではなく一体に形成されてもよい。駆動ギヤ４５の軸方向両端は、図３に拡大詳示するように、２つのテーパーベアリング４２（詳しくは後述のインナレース４２１）により挟持されている。テーパーベアリング４２は、入力軸４４に装着されたインナレース４２１と、第２パーツ４１２の挿通孔４１５の内周面又は第４パーツ４１４の凹部４１６の開口側内周面に嵌め込まれたアウタレース４２２と、インナレース４２１とアウタレース４２２との間に介在される複数のころ４２３と、複数のころ４２１を円周方向に所定間隔毎に保持するための保持器４２４とを備える。なお、インナレース４２１は、入力軸４４に対し圧入して装着されているため、入力軸４４がスラスト振動するときには、インナレース４２１と２つのテーパーベアリング４２のインナレース４２１で挟持された駆動ギヤ４５とが入力軸４４と一体的にスラスト振動する。このため、入力軸４４、駆動ギヤ４５及び２つのテーパーベアリング４２のインナレース４２１は、以下の説明でこれを全体として呼ぶとき入力軸系４９という。

各従動ギヤ４６は、いずれも駆動ギヤ４５と噛み合っており、そのギヤ比は１．０であるが、ギヤ比は１．０でなくてもよく、ギヤ比は限定されない。各従動ギヤ４６とこれに対応する出力軸４７とは一体的に形成されている。

各出力軸４７は、いずれもケーシング４１内に２つのボールベアリング４３を介して回転自在に配置されている。各出力軸４７の第３パーツ４１３側端部には、その中心線に沿って延びるスプライン結合穴４７１が形成されている。そして、各出力軸４７は、このスプライン結合穴４７１を利用して、油圧ポンプ３の駆動軸３ａ（図１参照）に回転一体に連結される。つまり、油圧ポンプ３の駆動軸３ａの一端部又はこれに連結される連結軸の一端部にスプライン結合部が形成され、このスプライン結合部は、第３パーツ４１３の開口部４１８を通してスプライン結合穴４７１に嵌め込んで結合される。

駆動ギヤ４５及び各従動ギヤ４６は、図１に示すように、いずれもヘリカルギヤである。特に、本実施形態の場合、駆動ギヤ４５は、右ねじれのヘリカルギヤであり、各従動ギヤ４６は、左ねじれのヘリカルギヤである。このため、エンジン２の回転時には、パワーデバイダ４の入力軸４４は、エンジン２側に向いた方向の力Ｆ１を受けることになり、スラスト振動を生じる。

このことに対応して、パワーデバイダ４は、図３に示すように、その入力軸４４に沿った方向のスラスト振動を抑制するための振動抑制体４８をさらに備える。振動抑制体４８は、ケーシング４１とテーパーベアリング４２との間、詳しくは、ケーシング４１の第２パーツ４１２における挿通孔４１５のテーパーベアリング４２ａ配置箇所の段差部４１５ａと第２パーツ側のテーパーベアリング４２ａのアウタレース４２２端面との間に設置されている。振動抑制体４８は、全体としてリング状に形成されている。振動抑制体４８は、皿ばね、板ばね、コイルばねやエアばねなどのばね、ゴムや樹脂などの弾性体、隙間に注入されるグリースなどの粘性流動体、又は油などの液体を封入した袋状のものである。このように、入力軸系４９のねじり振動の振動抑制体４８を有した構造を、入力軸系４９のスラスト方向に沿う一部に設置することで、設計自由度が増す。

また、振動抑制体４８は、所定のばね定数を有するものである。この振動抑制体４８のばね定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）は、入力軸４４、駆動ギヤ４５及び２つのテーパーベアリング４２のインナレース４２１の各質量の合計である入力軸系４９の慣性質量をｍ（ｋｇ）、エンジン２の回転数をＮ（ｒｐｍ）、エンジン２の気筒数をｎとすると、下記の（１）式
ｋ≧８π^２×ｍ×｛（Ｎ／６０）×（ｎ／２）｝^２ （１）
を満たすように設定されている。

ここで、前記の（１）式の意義について説明するに、エンジン２の燃焼行程で発生するパワーデバイダ４の入力振動（ねじり振動及びスラスト振動）の振動数Ｆは、
Ｆ＝（Ｎ／６０）×（ｎ／２）［Ｈｚ］ （２）
である。

式（２）に示されるように、振動数Ｆは、従動ギヤ４６と駆動ギヤ４５のギヤ比には依存しない。

また、パワーデバイダ４の入力軸系４９の固有振動数ｆは、
ｆ＝（１／２π）×√（ｋ／ｍ）［Ｈｚ］ （３）
である。

パワーデバイダ４の入力振動の振動数Ｆと入力軸系４９の固有振動数ｆとが近いと共振が発生するため、入力軸系４９の固有振動数ｆを、入力振動の振動数Ｆの√２倍以上に大きくすること、つまり下記の（４）式
ｆ≧√２×Ｆ （４）
を満たすことが必要である。

（４）式に、（２）式と（３）式を代入して整理すると、（１）式が得られる。

次に、駆動装置１の作用効果について説明する。エンジン２の出力がトルク変動を起こし、ねじり振動を生じるときには、パワーデバイダ４においては、従来の場合と同様に、入力軸４４とケーシング４１との間に、組立性を考慮して隙間が設けられていることと、駆動ギヤ４５及び従動ギヤ４６がヘリカルギヤであることに起因して、パワーデバイダ４の入力軸系４９（つまり入力軸４４、駆動ギヤ４５及び２つのテーパーベアリング４２のインナレース４２１）が、ねじり振動によってスラスト振動を生じる。このとき、パワーデバイダ４の入力軸系４９のスラスト振動は、所定のばね定数を有する振動抑制体４８により抑制されるため、従来の如くねじり振動やスラスト振動が共振するようなことはなく、振動音や摩耗等を効果的に低減することができる。

特に、本実施形態の場合、振動抑制体４８は、ケーシング４１とテーパーベアリング４２との間に設置されている。この設置箇所は、設計変更が比較的容易な箇所であるため、その分実施化を容易に図ることができる。

その上、エンジン２の回転時には、パワーデバイダ４の入力軸４４は、エンジン２側に向いた方向の力Ｆ１を受けて、スラスト振動を生じることに対応して、振動抑制体４８は、ケーシング４１の第２パーツ４１２における挿通孔４１５のテーパーベアリング４２ａ配置箇所の段差部４１５ａと第２パーツ側のテーパーベアリング４２ａのアウタレース４２２端面との間に設置されている。このため、振動抑制体４８によるスラスト振動に対する抑制効果を高めることができる。

また、振動抑制体４８のばね定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）は、（１）式を満たすように設定されており、パワーデバイダ４の入力軸系４９の固有振動数ｆは、入力軸系４９のねじり振動及びスラスト振動の振動数の√２倍以上離れる。このため、入力軸系がねじり振動及びスラスト振動に共振することはなく、振動音や摩耗等をより効果的に低減することができる。

図４は本発明の第２の実施形態に係る建設機械の駆動装置１１の全体構成を示す。駆動装置１１の基本的な構成は、第１の実施形態に係る建設機械の駆動装置１のそれと同じであり、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

駆動装置１１が第１の実施形態の場合のそれと異なる点は、パワーデバイダ４の駆動ギヤ５５及び各従動ギヤ５６と、パワーデバイダ４に装備される振動抑制体５８の設置位置である。

すなわち、パワーデバイダ４の駆動ギヤ５５及び各従動ギヤ５６は、第１の実施形態の場合のそれと同じく、いずれもヘリカルギヤであるが、駆動ギヤ５５は、左ねじれのヘリカルギヤであり、各従動ギヤ５６は、右ねじれのヘリカルギヤである。このため、エンジン２の回転時には、パワーデバイダ４の入力軸４４は、エンジン２側と反対側に向いた方向の力Ｆ２を受けることになり、スラスト振動を生じる。

このことに対応して、パワーデバイダ４に装備される振動抑制体５８は、ケーシング４１とテーパーベアリング４２との間、詳しくは、図５に示すように、ケーシング４１の第４パーツ４１４における凹部４１６の段差部４１６ａと第４パーツ側のテーパーベアリング４２ｂのアウタレース４２２端面との間に設置されている。

振動抑制体５８の素材及びばね定数は、第１の実施形態の場合と同じである。また、それにより、第１の実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができるのは勿論である。

図６は本発明の第３の実施形態に係る建設機械の駆動装置のパワーデバイダの要部の縦断側面図である。駆動装置の基本的な構成は、第１の実施形態に係る建設機械の駆動装置１のそれと同じであり、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。

駆動装置が第１の実施形態の場合のそれと異なる点は、パワーデバイダの駆動ギヤ６５及び各従動ギヤと、パワーデバイダに装備される振動抑制体６８の設置位置である。

すなわち、パワーデバイダの駆動ギヤ６５及び各従動ギヤは、第１の実施形態の場合のそれと同じく、いずれもヘリカルギヤであり、入力軸４４は、スラスト振動を生じる。

このことに対応して、パワーデバイダに装備される振動抑制体６８は、駆動ギヤ６５とインナレース４２１との間に設置されている。

振動抑制体６８の素材及びばね定数は、第１の実施形態の場合と同じである。第３の実施形態では、入力軸系４９の慣性質量ｍが、駆動ギヤ４５及びインナレース４２１の各質量の合計である点で、第１の実施形態と異なる。なお、第３の実施形態では、第１の実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。

なお、本発明は前記第１〜第３の実施形態に限定されるものではなく、その他種々の形態を包含するものである。例えば前記各実施形態では、ケーシング４１内に配置されるベアリングを介して入力軸４４をケーシング４１内に回転自在に配置するに当たり、ベアリングとしてテーパーベアリング４２を用いたが、本発明は、ボールベアリングなどその他のベアリングを用いてもよいのは勿論である。

また、前記第１の実施形態では、歯車伝動機構としてのパワーデバイダ４の各従動ギヤ４６と、これに対応する出力軸４７とが一体的に形成されている場合について述べたが、本発明は、従動ギヤと出力軸とが別体で形成され、かつ出力軸がケーシング４１外に延出するパワーデバイダなどにも同様に適用することができる。

さらに、本発明は、歯車伝動機構として、前記各実施形態の如きパワーデバイダ４に限らず、エンジン出力を減速又は増速させて油圧ポンプに伝達する減速機を備える建設機械の駆動装置にも同様に適用できるのは言うまでもない。

１，１１ 駆動装置
２ エンジン
３ 油圧ポンプ
４ パワーデバイダ（歯車伝動機構）
４１ ケーシング
４２ テーパーベアリング
４２１ インナレース
４２２ アウタレース
４４ 入力軸
４５，５５ 駆動ギヤ
４８，５８ 振動抑制体
４９ 入力軸系

エンジン２は、単一又は複数の気筒を有するレシプロエンジンである。建設機械の場合、エンジン２は、通常、上部旋回体に搭載される。また、エンジン２は、その出力軸２ａ側から見て右回転で回転する。

Claims (3)

1. エンジンと、油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、前記エンジンの出力を前記油圧ポンプに伝達するための歯車伝動機構とを備えた建設機械の駆動装置において、
   前記歯車伝動機構は、少なくとも、ケーシングと、このケーシング内に配置されるベアリングと、前記ケーシング内に前記ベアリングを介して回転自在に配置される入力軸と、この入力軸に装着される駆動ギヤとを備え、前記駆動ギヤは、ヘリカルギヤであり、前記歯車伝動機構は、当該歯車伝動機構の前記入力軸に沿った方向のスラスト振動を抑制するための所定のばね定数を有する振動抑制体をさらに備えることを特徴とする建設機械の駆動装置。
2. 前記振動抑制体は、前記ケーシングと前記ベアリングとの間に設置されていることを特徴とする請求項１記載の建設機械の駆動装置。
3. 前記振動抑制体のばね定数ｋ（Ｎ／ｍｍ）は、前記入力軸、前記駆動ギヤ及び前記ベアリングのインナレースの各質量の合計である入力軸系の慣性質量をｍ（ｋｇ）、前記エンジンの回転数をＮ（ｒｐｍ）、前記エンジンの気筒数をｎとすると、下記の式
   ｋ≧８π^２×ｍ×｛（Ｎ／６０）×（ｎ／２）｝^２
   を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の建設機械の駆動装置。

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