JP3550508B2

JP3550508B2 - 建設機械の作業装置

Info

Publication number: JP3550508B2
Application number: JP11379499A
Authority: JP
Inventors: 利男長谷川; 良平鈴木; 玄六杉山; 正和羽賀; ▲禎▼久冨田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: JP2000303505A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば油圧ショベルのブームとアームのように互いに回動可能に連結された部材間の相対角度を計測する角度センサを備える建設機械の作業装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述した角度センサを有する建設機械の作業装置は、例えば、実開平３−１０６４０６号公報に開示されている。従来の装置では、ピンを介して互いに回動可能に連結されるブームとアームとの間の相対角度は、ブーム側面に取り付けられた角度センサにより検出される。角度センサは入力軸と入力軸の回転角度を検出するセンサ部とから構成され、入力軸はレバーによってアームに連結されている。アームがピンに関して回動されると、アームの回転に連動するレバーによって入力軸が回動される。この入力軸の回転角度はセンサ部により検出され、その検出値に基づいてアームの相対角度が求められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レバーの一端はブーム側面に設けられた角度センサの入力軸に連結され、他端はアームの側面に固定されているため、レバーはブーム側方に突出することになり、作業中に土砂や岩石等がレバーに衝突しやすかった。レバーに土砂等が衝突すると、レバーを介して角度センサの入力軸に衝撃が加わり角度センサが破損するというおそれがあった。
【０００４】
本発明の目的は、角度センサの入力軸とアーム等の部材とを連結するレバーに土砂等が衝突した際に、入力軸が受ける衝撃を低減することができる建設機械の作業装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図４および図９に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明による建設機械の作業装置は、第１の部材４と、一体に設けられた連結軸２２を介して第１の部材４が回動自在に連結される第２の部材３と、入力軸２１ｂの回転角度を検出するセンサ部２１ｃを有する角度センサ２１と、第１の部材４の回動に連動して角度センサ２１の入力軸２１ｂを回転駆動するように第１の部材４と入力軸２１ｂを連結するとともに、所定値以上の外力が作用したときに第１の部材４と入力軸２１ｂの連結状態が解除される伝達部材２３とを備え、伝達部材２３の一端を入力軸２１ｂに形成された孔２１９に摺動可能に挿入するとともに他端を第１の部材４に固定し、かつ、伝達部材２３に所定値以上の外力が作用した際の変形により前記一端が孔２１９から抜け出て連結状態が解除されるように伝達部材２３の機械的強度および孔２１９への挿入量を設定したことを特徴とする。
（２）請求項２の発明による建設機械の作業装置は、第１の部材４と、一体に設けられた連結軸２２を介して第１の部材４が回動自在に連結される第２の部材３と、入力軸２１ｂの回転角度を検出するセンサ部２１ｃを有する角度センサ２１と、第１の部材４の回動に連動して角度センサ２１の入力軸２１ｂを回転駆動するように第１の部材４と入力軸２１ｂを連結するとともに、所定値以上の外力が作用したときに第１の部材４と入力軸２１の連結状態が解除される伝達部材２３とを備え、伝達部材２３に所定値以上の外力が作用したときに、伝達部材２３が破損して入力軸２１ｂと伝達部材２３との連結が解除されるように伝達部材２３の機械的強度を設定したことを特徴とする。
【０００６】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は油圧ショベルの概略構成を示す図であり、下部走行体１に旋回機構を介して上部旋回体２が設けられている。上部旋回体２にはブーム３，アーム４，バケット５によって構成されるフロント作業装置６が設けられる。ブーム３，アーム４，バケット５は各々ピン１２，２２，３２に関して回動可能に連結されている。
【０００８】
図２は図１に示すフロント作業装置６のピン２２付近の拡大図であり、図３は図２のＢ方向から見た図である。ピン２２はブーム３に固定され、このピン２２に回動自在に連結されたアーム４は油圧シリンダ７の伸縮によって回動される。ピン２２にはブーム３に対するアーム４の相対角度変化を検出する角度センサ２１が設けられている。図４はピン２２の角度センサ２１部分を詳細に示す図であり、ピン２２の端面にはその軸心と同軸に断面形状が略円形である凹部２２ａが形成され、この凹部２２ａに角度センサ２１が配設される。角度センサ２１はケース２１ａと入力軸２１ｂとセンサ部２１ｃとを有し、この入力軸２１ｂがピン２２の端面から突出するようにケース２１ａが凹部２２ａに収納されている。
【０００９】
図４に示すように、ケース２１ａの端面にはフランジ２１８が突設されており、ボルト２９を用いてフランジ２１８をピン２２の端面２２ｂに固定することによって角度センサ２１がピン２２に取り付けられる。２６は入力軸２１ｂを土砂の衝突等から保護する保護カバーであり、上述のボルト２９により角度センサ２１と一体にピン２２に取り付けられる。凹部２２ａはピン２２と同軸となるように形成するのが検出精度上好ましいが、凹部２２ａに配設された角度センサ２１の入力軸２１ｂとピン２２との同軸度が所定範囲内、すなわち許容精度が保証される範囲内であれば、凹部２２ａはピン２２と厳密に同軸となっていなくても良い。
【００１０】
ピン２２の端面２２ｂから突出する入力軸２１ｂにはレバー２３の一方の端部が連結され、レバー２３の他方の端部はブラケット２７によりアーム４に固定される。なお、入力軸２１ｂとレバー２３との連結部分の詳細は後述する。レバー２３はピアノ線等の弾性体で形成され（以下ではピアノ線で構成されるとして説明する）、図４に示すようにブーム３およびアーム４の側面近くを沿うような形状に成形される。このようにレバー２３をブーム３やアーム４の側面近くに配設することにより、作業中の土砂や岩石等の衝突を低減させることができる。アーム４の角度を変えると、すなわちピン２２を支点としてアーム４を回動すると、アーム４に固定されたレバー２３によって角度センサ２１の入力軸２１ｂが回転駆動される。
【００１１】
図５は角度センサ２１の詳細を示す断面図である。入力軸２１ｂは軸受２１２を介してケース２１ａに取り付けられる。入力軸２１ｂには孔２１９が軸方向とほぼ直交するように形成され、この孔２１９にレバー２３の端部を挿入することにより入力軸２１ｂとレバー２３とが連結される。孔の直径はレバー２３の線径より大きく設定され、レバー２３は孔２１９に対して図示左右方向に摺動することができる。
【００１２】
軸受２１２の図示上部には、ケース内に水、油あるいは泥などの侵入を防止するオイルシール２１３が設けられている。２１４は入力軸に固定されて入力軸と一体で回転する抵抗体であり、抵抗体２１４と対向する位置にはワイパ２１５が配設されている。上述したセンサ部２１ｃは、抵抗体２１４とワイパ２１５とで構成される。レバー２３により入力軸２１ｂが回転駆動されると抵抗体２１４が回転し、抵抗体２１４とワイパ２１５との相対位置が変化して抵抗体２１４の出力電圧が変化する。この出力電圧変化はワイパ２１５に接続されたケーブル２１６によって油圧ショベルのコントローラ２９に送られ、コントローラ２９においてブーム３に対するアーム４の角度変化が算出される。
【００１３】
ケース２１ａの側面にはシール材２８が設けられ、水などが凹部２２ａの底部分へ侵入するのを防止している。ケーブル２１６はケース２１ａ内部およびシール部材２８を貫通してフランジ２１８からセンサ外部へ引き出され、コントローラ２９に接続される。図６はシール部材２８の詳細を示す図であり，（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。シール部材２８はＯリング部２８ａとケーブル貫通部２８ｂとから成り、一体で成形される。ケーブル貫通部２８ｂにはケーブル２１６が貫通する孔２８ｃが形成されている。
【００１４】
図７はシール部材２８が装着されたケース２１ａを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は溝部分を詳細に示す断面図である。ケース２１ａは略円筒状に形成され、その内部にオイルシール２１３の収容部２１１ａと、軸受２１２の収容部２１１ｂ，２１１ｃと、抵抗体２１４の収容部２１１ｄと、ワイパ２１５の収容部２１１ｅがそれぞれ形成されている。ケース２１ａの外周面には、シール部材２８のＯリング部２８ａが配設されるＯリング溝４１と、ケーブル貫通部２８ｂとケーブル２１６が配設される溝４０が形成される。溝４０はケース２１ａの側面側では軸方向に、フランジ２１８の下面ではケース２１ａの径方向（図７（ｂ）の左右方向）にそれぞれ形成される。ケーブル２１６はケース２１ａの底部分から溝４０に沿って配設され、ケーブル貫通部２８ｂの孔２８ｃを貫通して上方に引き出される。ケーブル２１６と孔２８ｃの隙間はモールド材等により密封される。このように、シール部材２８でシールするとともにケーブル２１６をシール部材２８の孔２８ｃを貫通させ、ケーブル２１６と孔２８ｃの隙間にモールド材を施すことにより、抵抗体２１４等の防水を図ることができる。
【００１５】
図８の（ａ）は角度センサ２１およびレバー２３をブーム側方から見た図であり、（ｂ）は保護カバー２６を外したときの図である。レバー２３の左端部はブラケット２７によりアーム４に固定されており、アーム４を回動して角度を変えるとレバー２３は角度センサ２１の入力軸２１ｂを回転させる。ブーム３に対するアーム４の回転は図２に示した油圧シリンダ７のストロークにより所定角度範囲内に制限されており、図８（ｂ）に示す例では、アーム４に連動するレバー２３は二点鎖線で示す範囲Ａ１〜Ａ２（±α度）で回転する。なお、図２の実線で示したアーム４の状態のときレバー２３はＡ１となり、アーム４が破線４’のように回動したときレバー２３はＡ２となる。
【００１６】
上述したように、レバー２３はＡ１〜Ａ２の範囲で回転するので、図８に示すようにレバー２３とフランジ２１８とが干渉しないようにフランジ２１８を円弧状に形成する。このように入力軸２１ｂを囲むように円弧状のフランジ２１８を突出させることにより、保護カバー２６が無くてもピン２２の端面に沿って（図８の矢印ＡＬの方向）落下する土砂や岩石に対して入力軸２１ｂを保護する働きをする。特に、ピンの端面方向からの土砂の衝突の可能性が低いブーム用ピン（図１のピン１２）に対しては、保護カバー２６を省略できる。
【００１７】
ところで、本実施の形態ではレバー２３をピアノ線等の弾性体で形成し、かつ、入力軸２１ｂの孔２１９に挿入したレバー２３を摺動可能としたことにより、以下に述べるような利点を有してい。すなわち、レバー２３に土砂等が衝突した際に、レバー２３が弾性変形して孔２１９から抜け出てレバー２３入力軸２１ｂとの連結が解除される。その結果、入力軸２１ｂに過度の衝撃が加わるのを防止することができる。
【００１８】
図９は、レバー２３に土砂が衝突して、ブーム３の側面に沿うような荷重Ｆがレバー２３に加わった場合を説明するための概念図であり、（ａ）は荷重Ｆ１が比較的小さい場合を、（ｂ）はさらに大きな荷重Ｆ２（Ｆ２＞Ｆ１）が作用した場合を示している。図９（ａ）において破線は衝撃荷重が掛かっていない通常の場合のレバー２３を示している。なお、図９では、レバー２３は直線状のピアノ線であるとして説明する。
【００１９】
図９（ａ）の場合、荷重Ｆ１によりレバー２３は下側に凸に変形し（変形量Δ）、その変形により入力軸２１ｂが左回りに角度θ１だけ回動される。また、レバー２３の変形によりレバー２３の孔２１９に対する挿入量が減少する。一方、大きな荷重Ｆ２が作用している図９（ｂ）の場合には、レバー２３の変形量Δが大きくなって、入力軸２１ｂが左回りに大きくθ２（＞θ１）だけ回動されて孔２１９に対するレバー２３の挿入量が非常に小さくなっている。さらに、Ｆ２より大きな荷重がレバー２３に作用した場合、すなわち、（衝撃荷重）＞Ｆ２の時にはレバー２３の変形量Δおよび入力軸２１ｂの回転角度がさらに大きくなって二点鎖線で示すようにレバー２３が孔２１９から抜け出て、レバー２３と入力軸２１ｂとの連結状態が解除されることになる。
【００２０】
ところが、例えば従来のように鋼板で形成した丈夫なレバーを入力軸２１ｂに固定した場合には、レバーに過大な荷重が作用した際に入力軸２１ｂとレバーとの連結が解除されることが無く、入力軸２１ｂに大きな衝撃力が作用することになる。そのため、レバーに岩石等が衝突したときに入力軸２１ｂを支持する軸受２１２やセンサ部２１ｃが損傷するおそれがあった。しかし、本実施の形態では、上述したようにレバー２３に過大な荷重が作用した場合にはレバー２３と入力軸２１ｂとの連結が解除されるため、入力軸２１ｂに大きな衝撃力が作用するようなことは無く、角度センサ２１の寿命向上を図ることができる。
【００２１】
レバー２３が入力軸２１ｂの孔２１９から抜け出るに必要な荷重の大きさは、レバー２３を形成するピアノ線の弾性係数、ピアノ線の線径、孔２１９に対するレバー２３の挿入量等に依存しており、角度センサ２１の許容できる荷重に応じて適宜設定すれば良い。例えば、ピアノ線の線径を細くして変形しやすくしたり、挿入量を小さくしたりすれば、小さな荷重でもレバー２３が孔２１９から抜け出ることになり、角度センサ２１への影響を小さくすることができる。
【００２２】
ここで、レバー２３の寸法設定方法の一例を、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は、片側固定・片側自由端のレバー２３の中央に外力Ｆが加わった時の様子を示したものである。このとき、レバー２３のたわみΔは自由端から距離Ｌ２の位置で最大となる。自由端で受ける反力Ｒは次式（３）から求められ、この反力Ｒが角度センサ２１の許容荷重Ｓｆより大きくなる前に、レバー２３が入力軸２１ｂから外れるようにレバー２３の寸法等を設定すれば良い。また、Ｌ２およびΔは式（１），（２）により求められる。
【数１】
Ｌ２＝（１／√５）・Ｌ …（１）
Δ＝（Ｆ・Ｌ^３）／（４８√５・Ｅ・Ｉ） …（２）
Ｒ＝（５／１６）・Ｆ …（３）
式（１）〜（３）において、ｄはレバー２３の線径、Ｌはレバー２３の全長、Ｅはレバー２３の縦弾性係数、Ｉはレバー２３の断面２次モーメントである。
【００２３】
図１１（ｂ）はたわみΔが生じてレバー２３が変形した時の各寸法を示す図であり、図１１（ｃ）はレバー２３と入力軸２１ｄとの連結部の寸法を示す図である。図１１（ｂ）の各寸法Ｌ３〜Ｌ５は次式（４）〜（６）から得られる。
【数２】
Ｌ３＝√｛（Ｌ−Ｌ２）^２＋Δ^２｝ …（４）
Ｌ４＝√（Ｌ２^２＋Δ^２） …（５）
Ｌ５＝Ｌ−Ｌ３−Ｌ４ …（６）
【００２４】
すなわち、たわみΔが生じた際に（Ｌ５＋ａ１）がａより大きくなるようにすれば、レバー２３が入力軸２１ｂから外れることになる。例えば、レバー２３の全長ＬおよびたわみΔとから、レバー２３の線径ｄを決定する。レバー２３の全長ＬおよびたわみΔをそれぞれ所定値に設定し、そのＬ，Δを式（２）から得られる次式（７）に代入して断面２次モーメントＩを算出する。この算出された断面２次モーメントＩを線径ｄとＩとの関係式（８）に代入し、逆算して線径ｄを求めれば良い。また、レバー２３の線径ｄおよびたわみΔとから、レバー２３の全長Ｌを決定するようにしても良い。
【数３】
Ｉ＝（Ｆ・Ｌ^３）／（４８√５・Ｅ・Δ） …（７）
Ｉ＝（π／６４）・ｄ^４ …（８）
【００２５】
上述した実施の形態では、レバー２３と入力軸２１ｂとの連結状態が解除される場合について説明したが、例えば、図１０に示すようにアーム４とレバー７０との連結が解除されるようにしても良い。図１０（ａ）はレバー７０に衝撃荷重が掛かっていない通常の場合を示しており、レバー７０はアーム連結部７０ａと入力軸固定部７０ｂとピアノ線等で形成される軸部７０ｃとから成る。アーム連結部７０ａには長孔７０１が形成されており、この長孔７０１とアーム４に設けられた係合ピン７２とが係合することによってレバー７０とアーム４とが連結される。一方、入力軸固定部７０ｂはボルト７１によって入力軸２１ｂに固定される。
【００２６】
図１０（ｂ）に示すようにレバー７０の軸部７０ｃに荷重Ｆ２（ブーム３の側面に沿った力）が作用すると、軸部７０ｃが下側に凸に変形して入力軸２１ｂが左回りに角度θ４だけ回転するとともに、アーム連結部７０ａが水平方向に対して角度θ３だけ傾く。この状態では、アーム連結部７０ａの長孔７１０とピン７２とはかろうじて係合しているが、Ｆ２より大きな荷重が作用した場合には図１０（ｂ）の二点鎖線で示すように長孔７１０とピン７２との係合、すなわち、レバー７０とアーム４との連結が解除される。
【００２７】
さらにまた、所定値以上の荷重がレバー２３に作用したならば、レバー２３が破損して（例えば、塑性変形したり破断したりして）連結状態が解除されるようにレバー２３の機械的強度を設定しても良い。ただし、レバーが破損するように構成した場合には、レバーを新しいものに交換する必要があるが、上述のようにレバー２３が弾性変形して孔２１９から抜け出るように構成した場合には、レバー２３を再使用することができる。また、レバー２３の破断により連結が解除されるように構成した場合には、入力軸２１ｂに対してレバー２３の端部を摺動可能に構成する必要は無い。
【００２８】
なお、上述した実施の形態では、ブーム３とアーム４との相対角度を検出する角度センサについて説明したが、油圧ショベルの上部旋回体１とブーム３との相対角度であるブーム角度や、アーム４とバケット５との相対角度であるバケット角度を検出する角度センサ、あるいは、各種クレーンのブームやジブなどの角度を検出する角度センサ、多関節作業機の多関節アームの角度検出センサ等にも本発明を適用することができる。
【００２９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、アーム４は第１の部材を、ブーム３は第２の部材を、ピン２２は連結軸を、レバー２３，７０は伝達部材を、フロント作業装置６は作業装置をそれぞれ構成する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の部材と角度センサの入力軸とを連結する伝達部材に所定値以上の外力が作用した場合には、入力軸の孔に摺動可能に挿入された伝達部材の端部が孔から抜け出たり、伝達部材が破損したりして伝達部材による第１の部材と入力軸との連結状態が解除されるため、角度センサの入力軸に過大な衝撃力が加わるのを防止することができ、角度センサの寿命向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】油圧ショベルの概略構成を示す図。
【図２】フロント作業装置６のピン２２付近の拡大図。
【図３】図２のＢ方向から見た図。
【図４】ピン２２の角度センサ２１部分を詳細に示す図。
【図５】角度センサ２１の詳細を示す断面図。
【図６】シール部材２８の詳細を示す図であり，（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。
【図７】シール部材２８が装着されたケース２１ａを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。
【図８】（ａ）は角度センサ２１およびレバー２３をブーム側方から見た図、（ｂ）は（ａ）で保護カバー２６を外したときの図。
【図９】レバー２３と入力軸２１ｂとの連結状態の解除を説明する図であり、（ａ）は荷重がＦ１の場合を、（ｂ）は荷重がＦ２の場合を示す。
【図１０】連結状態の解除に関する他の例を示す図であり、（ａ）はレバー７０に衝撃荷重が作用していない場合を、（ｂ）は荷重Ｆ２が作用した場合を示す。
【図１１】レバー２３の寸法設定方法を説明する図であり、（ａ）は外力Ｆが加わったときのレバー２３を示す図、（ｂ）は変形時のレバー２３の各寸法を示す図、（ｃ）はレバー２３と入力軸２１ｂとの連結部の寸法を示す図。
【符号の説明】
３ブーム
４アーム
２１角度センサ
２１ａケース
２１ｂ入力軸
２１ｃセンサ部
１２，２２，３２ピン
２２ａ凹部
２３，７０レバー

Claims

第１の部材と、
一体に設けられた連結軸を介して前記第１の部材が回動自在に連結される第２の部材と、
入力軸の回転角度を検出するセンサ部を有する角度センサと、
前記第１の部材の回動に連動して前記角度センサの入力軸を回転駆動するように前記第１の部材と前記入力軸を連結するとともに、所定値以上の外力が作用したときに前記第１の部材と前記入力軸の連結状態が解除される伝達部材とを備え、
前記伝達部材の一端を前記入力軸に形成された孔に摺動可能に挿入するとともに他端を前記第１の部材に固定し、かつ、前記伝達部材に所定値以上の外力が作用した際の変形により前記一端が前記孔から抜け出て前記連結状態が解除されるように前記伝達部材の機械的強度および前記孔への挿入量を設定したことを特徴とする建設機械の作業装置。
第１の部材と、
一体に設けられた連結軸を介して前記第１の部材が回動自在に連結される第２の部材と、
入力軸の回転角度を検出するセンサ部を有する角度センサと、
前記第１の部材の回動に連動して前記角度センサの入力軸を回転駆動するように前記第１の部材と前記入力軸を連結するとともに、所定値以上の外力が作用したときに前記第１の部材と前記入力軸の連結状態が解除される伝達部材とを備え、
前記伝達部材に所定値以上の外力が作用したときに、前記伝達部材が破損して前記入力軸と前記伝達部材との連結が解除されるように前記伝達部材の機械的強度を設定したことを特徴とする建設機械の作業装置。