JP3761404B2 - バケット式掘削機の作業機用構造物及びその製造方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、油圧ショベル等のバケット式掘削機の作業機用構造物、バケット式掘削機のアーム及びバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法に関するものである。
背景技術
バケット式掘削機の一種である油圧ショベルは図１に示すように、下部走行体１に上部車体２を旋回自在に取付け、その上部車体２にブーム３を上下揺動自在に取付け、そのブーム３にアーム４を上下揺動自在に取付け、このアーム４の先端部にバケット５を上下首振り自在に取付ける。上部車体２とブーム３とに亘ってブーム用シリンダ６を連結し、ブーム３とアーム４とに亘ってアーム用シリンダ７を連結し、アーム４とバケット５とに亘ってバケット用シリンダ８を連結してある。
かかる油圧ショベルはブーム３、アーム４を上下に揺動すると共に、バケット５を上下首振りしながら上部車体２を左右に旋回して掘削及びダンプトラックへの積込み等の作業を行なう。
前述のアーム４は図２に示すように、アーム本体１０と、このアーム本体１０の長手方向一端部に接合したアームシリンダ取付用ブラケット１１と、アーム本体１０の長手方向他端部に接合したバケット連結用ブラケット１２で形成されている。アーム本体１０は図３に示すように上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５を直角に溶接した矩形断面中空形状としてある。
アーム４には作業時に図１に示すように、バケット５より上下方向の負荷Ｆ１、左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３等が作用し、これらの負荷に対して耐久性を確保してある。
例えば、上下方向の負荷Ｆ１に対しては図３に示すように幅Ｗ、高さＨおよび上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５の板厚を負荷の大きさに応じて適切に設定している。左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３に対しては前述のことに加えて図２に示すようにリブ１６などの断面拘束材を付加している。
油圧ショベルは上部車体２を中心としてブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機の掘削能力に応じて上部車体２の後方にカウンタウエイト９を設けてあり、前述の作業機を軽量化すれば上部車体２の後方のカウンタウエイト９を軽量にすることができ、さらには上部車体２後方の突き出しが少なくなるため、上部車体の後端旋回半径を小さくできる。
また、ブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機を軽量化すれば、カウンタウエイト９を軽量とする代りにバケット容量を増し、作業量を増すことが可能となる。
アーム４はアーム用シリンダ７で上下に揺動され、そのアーム用シリンダ７の推力の一部がアーム４の自重を支持するものとして使用されるから、アーム４を軽量とすればアーム用シリンダ７の推力をアーム４の上下揺動力として有効に利用できる。同様にアーム４の自重はブーム用シリンダ６にも作用するので、アーム４を軽量とすればブーム用シリンダ６の推力を有効利用できる。
一般的にバケット式掘削機の作業機の強度を考える場合、最も簡便な方法として作業機を材料力学で論じられている梁や薄肉管に置き換えて曲げやねじりに対する強度を評価することができる。
つまり、材料力学で用いられる以下の一般式（１）（２）で断面に発生する曲げ応力σ、せん断応力τを求めることができる。
（１）σ＝Ｍ／Ｚ
（ただし、σ：断面に発生する曲げ応力、Ｍ：断面にはたらく曲げモーメント、Ｚ：断面係数）
（２）τ＝Ｔ／２Ａｔ
（ただし、τ：せん断応力、Ｔ：ねじりトルク、Ａ：断面板厚中立線投影面積、ｔ：断面板厚）
そして上記計算結果と使用材料の許容応力から適正な断面形状を定めることができる。また同様に材料力学の一般式を用いて梁のたわみや軸のねじれも計算することができ、これより作業機の剛性についても評価することができる。
しかし、このような評価方法で設計された作業機を実際に製作し、応力試験を行った場合、評価時に算出した応力値と異なる結果となることが多い。このようなことから、近年では応力評価の精度を向上させるために有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータによるシミュレーションを評価方法として用いるようになってきている。ＦＥＭシミュレーションを用いて応力計算を行ってみると、材料力学の梁や軸と見なしていた作業機の断面は、負荷を与える前後において、その形状が変化することがわかり、このことから断面形状が変化しないという前提の基にみちびかれている材料力学の一般式での計算応力と実際の応力試験を行った場合の計測応力が合致しないことが理解できる。
従来技術で用いられている矩形断面形状の作業機の場合、断面の変形強度を決定する要素は矩形角部の剛性と、矩形辺部の面外方向の剛性の２つである。これら２つの剛性が負荷に対して十分な強度をもたない場合、図４に示すような断面の変形が発生し、矩形角部に過大な応力が生じる。これらを防止するために、断面の変形が生じている部位に隔壁などの断面拘束材が必要になるが、これらを設けることにより、作業機の生産性が悪くなる。
このことをアーム４についてあてはめてみると、アーム４は図３に示すように矩形断面中空形状であり、その断面剛性が角部ａの曲げ剛性と４つの面（上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５）の面外方向剛性（曲げ剛性）により決定されるということである。
つまり、断面の変形に対し面の曲げ剛性と角部の曲げ剛性の影響が大であり、例えば図３において下板１４を固定して矢印で示す荷重Ｆが作用した場合には図４に模式的に示すように、各角部ａが曲げ変形すると共に、上板１３、左右の縦板１５、１５が面外方向（厚さ方向）に曲げ変形する。また、板厚を低減した場合の面外方向剛性の低下は板厚低下率の３乗に比例する。
このために、各板の板厚を薄くしてアームを軽量化すると、アーム４に左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３が作用した時に、図３に矢印ｂ、ｃで示す方向に変形（ゆがみ）が生じるので、各板の板厚を薄くするには限度があるし、上下方向の負荷Ｆ１による変形を防止するために前述のリブ１６などの断面拘束材を強固なものとしなければならず、その断面拘束材によってアーム重量が重くなるし、リブ１６のために構造が複雑化し、溶接部分の増加等により生産性が悪くなる等の問題がある。
また、アーム４には図２に示すように、バケット用シリンダ８を連結するバケットシリンダ用ブラケット１７、ブーム３を連結するブーム連結用ボス１８が設けてある。これらを設ける部分、例えば左右縦板１５、１５、上横板１３の板厚を薄くすると面外方向の剛性が低下するため、面外方向の変形を増長させ、アーム４の剛性が低下して図３に仮想線で示すように変形することがあるため、アーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、アーム本体１０を形成する各板材を直角として溶接しているから、その板材の板厚を薄くすると溶接継手効率が低下し、角継手の耐久性を確保することが困難となるため、アーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、従来のアームは上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５をアーム本体１０の形状に合せてそれぞれ切断加工して形成し、各板材を直角となるように４ヶ所で溶接してアーム本体１０とし、そのアーム本体１０にアームシリンダ用ブラケット１１、バケット連結用ブラケット１２を溶接しているので、各板材の加工が複雑であると共に、溶接個所（溶接線）が長く、アームの製作が多工程にわたるため複雑である。
なお、図５に示すように一枚の板ｄをコ字状に折り曲げて上横板１３、左右の縦板１５、１５を一体的としたアームも知られているが、この場合でも板ｄと下横板１４を切断する工程、折り曲げる工程、２ヶ所の溶接箇所（溶接線）を溶接する工程を経るためアームの製作が多工程にわたり複雑である。
そこで、本発明は前述の課題を解決できるようにしたバケット式掘削機の作業機用構造物、バケット式掘削機のアーム及びバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法を提供することを目的としている。
発明の開示
第１の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物は、油圧ショベルのようなバケット式掘削機におけるアーム等の作業機用構造物において、その本体２２の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第１の発明によれば、構造物本体２２が横断面三角形状であるから、構造物本体２２は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形の持つ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、構造物本体２２の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第１の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れた構造物となる。
第２の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物は、第１の発明の横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴としている。
第２の発明によれば、構造物本体２２の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので従来構造物の断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第２の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高い構造物となる。
第３の発明のバケット式掘削機のアームは、先端側にバケットが取付けられると共に、ブームに枢支されるバケット式掘削機のアームにおいて、アーム本体２２の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第３の発明によれば、アーム本体２２が横断面三角形状であるから、アーム本体２２は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形の持つ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、アーム本体２２の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第３の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れたアームとなる。
第４の発明のバケット式掘削機のアームは、第３の発明の横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴としている。
第４の発明によれば、アーム本体２２の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので従来アームの断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第４の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高いアームとなる。
第５の発明のバケット式掘削機のアームは、第４の発明の横断面形状において、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となる三角形状とし、その長手方向下面にブーム取付用ブラケット２６が接合されていることを特徴としている。
第５の発明のように、ブームへ取付けるためのブーム取付用ブラケット２６をアーム本体２２の下面に取付けた場合、アーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、ブラケット２６に対しては上面側よりも下面側の方が近いため、負荷の負担は、力の伝達経路の短い下面側が大となる傾向がある。従って第５の発明のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。また上下方向の負荷（図１のＦ１）の場合も、下面の荷重分担が大となるため、下面が三角形状の底面となるような配置を採用すれば断面性能を一段と効率良く発揮できる。
第６の発明のバケット式掘削機のアームは、第５の発明の横断面形状において、二辺の会合部が円弧状に構成された上面にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第６の発明によれば、アーム本体２２の頂部は剛性が大であるから、バケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の板厚が薄くても変形することがない。これによって、アーム本体２２のバケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の板厚を薄くしてブームをより一層軽量化できる。
第７の発明のバケット式掘削機のアームは、第５の発明の横断面形状において、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この平坦部にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第７の発明によれば、アーム本体２２の頂部は平坦部であるから、平坦な頂部にバケットシリンダ用ブラケット２５を溶接する場合、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりバケットシリンダ用ブラケット２５の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので溶接強度が維持できる。したがって、アーム本体２２の頂部へのバケットシリンダ用ブラケット２５の溶接が容易になるとともに板厚が薄くても溶接強度を維持できる。
第８の発明のバケット式掘削機のアームは、第６又は第７の発明のいずれかにおいて、上記アーム本体２２の長手方向一端部にバケット連結用ブラケット２３を接合し、その長手方向他端部にアームシリンダ用ブラケット２４を接合したことを特徴としている。
第８の発明によれば、その実施に好適である。
第９の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法は、二つの長辺７０、７０と二つの短辺７１、７１を有する板材７３を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺７０、７０の突き合わせ部を溶接することにより構造物本体２２を構成することを特徴としている。
第９の発明によれば、構造物本体２２は１枚の板材を折り曲げ成形して突き合わせ部を溶接して製作するので、板材の加工が容易であると共に、溶接箇所（溶接線）が短くなる。これによって、作業機用構造物の製作の工程が簡単となるから、構造物の製作が容易になる。
第１０の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法は、上記第９の発明において、上記構造物本体２２は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺７０、７０の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴としている。
第１０の発明によれば、上記第１及び第２発明の作業機用構造物において得られる利点に加えて、さらに溶接部を下面に配置したことによって、外観向上という利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、パワーショベルの斜視図である。
図２は、従来のアームの正面図である。
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、アームの断面変形の説明図である。
図５は、アーム他の例を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態を示すアームの正面図である。
図７は、本発明の実施の形態を示すアームの平面図である。
図８は、図６のＢ−Ｂ断面図である。
図９は、図６のＣ−Ｃ断面図である。
図１０は、アームの分解斜視図である。
図１１は、図６のＤ−Ｄ断面図である。
図１２は、図６のＥ−Ｅ断面図である。
図１３は、図６のＦ−Ｆ断面図である。
図１４は、アーム一端部の底面図である。
図１５は、図１４のＧ−Ｇ断面図である。
図１６は、図１４のＨ−Ｈ断面図である。
図１７は、図６のＩ−Ｉ断面図である。
図１８は、アームの断面変形の説明図である。
図１９は、アームの断面大きさの説明図である。
図２０は、主アーム本体部材を製作する板材の平面図である。
図２１は、図２０のＪ−Ｊ断面図である。
図２２は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２３は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２４は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２５は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２６は、板材の折り曲げ・接合動作説明図である。
図２７は、接合状態の板材を示す斜視図である。
図２８は、アーム本体の異なる例を示す説明図である。
図２９は、アーム本体の他の例を示す説明図である。
図３０は、頂部寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３１は、底辺寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３２は、突き合せ治具により両部材の一端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３３は、突き合せ治具により両部材の他端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３４は、アーム本体の異なる三角形状を示す断面図である。
図３５は、アーム本体の他の三角形状を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図６と図７に示すように、主アーム本体部材２０と補助部材２１でアーム本体２２とし、アーム本体２２の長手方向一端部にバケット連結用ブラケット２３を接合し、アーム本体２２の長手方向他端部にアームシリンダ用ブラケット２４を接合し、アーム本体２２の上面にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合し、アーム本体２２の長手方向中間下部にブーム取付用ブラケット２６を接合してアーム４としてある。
前記アーム本体２２の上面２２ａは一直線状で、下面２２ｂは長手方向中間部（ブーム連結用ブラケット２６の接合部）を境としてほぼＶ字状となり、アーム本体２２は長手方向中間部を境として長手方向両端部に向けて高さ方向にそれぞれテーパー形状となっている。アーム本体２２の幅方向も長手方向中間部を境として長手方向両端部に向けてそれぞれテーパー形状となっている。
つまり、アーム本体２２は長手方向中間部が最も大断面で、長手方向両端部に向けて順次小断面となっている。
前記アーム本体２２は図８と図９に示すように横断面三角形状の中空形状で、三角形の底辺が下面２２ｂ、三角形の頂部が上面２２ａとなっている。アーム本体２２の下面２２ｂ長手方向中間部に円弧状の切欠凹部２７が形成してあり、その切欠凹部２７にブーム連結用ブラケット２６が接合してある。
具体的には、長手方向中間部よりも前部寄りが図８に示すように主アーム本体部材２０のみで断面三角形状となっている。長手方向中間部よりも後部寄りが図９に示すように主アーム本体部材２０と補助部材２１で断面三角形状となっている。
前記アーム本体２２は高さＨが幅Ｗよりも大きい二等辺三角形であり、３つの辺は直線で、２つの辺の会合部ｅ、ｆ、ｇは円弧状で、上方の会合部ｅの曲率が下方の２つの会合部ｆ、ｇの曲率よりも大きい。これによって、会合部にかかる応力が分散されると共に、はりとして必要な断面性能が確保されてアーム本体の上下方向の剛性が高くなる。
前記主アーム本体部材２０は図８と図１０に示すように、鋼板を所定形状に切断加工した一枚の板材３０を折り曲げて長手方向中間部よりも前部寄りを突き合せ溶接して前部寄りを断面三角形状、後部寄りを下面が開口した山形状としてある。三角形の底辺が下面２０ａで三角形の頂部が上面２０ｂとしてある。その溶接部３１は三角形の底辺に長手方向に連続している。
主アーム本体部材２０の山形状となった後部寄りの両側縦板下部には円弧状凹部３２がそれぞれ形成してある。
前記補助部材２１は図１０に示すように、鋼板を所定形状に切断した一枚の板材３３を折り曲げて横板２１ａと一対の縦片２１ｂ、２１ｂを有するほぼコ字条で、その横板２１ａに切欠部３４が形成してある。
補助部材２１の一対の縦片２１ｂ、２１ｂが図９に示すように主アーム本体部材２０の後部寄りの両側縦板に裏板３５を介して溶接されて断面三角形状としてある。
前記バケット連結用ブラケット２３は図１０に示すように、断面三角形状の中空形状であり、その前端部にピン挿通孔４０が形成され、中間部両側面にピン係合孔４１がそれぞれ形成され、後端部に三角形状の連結用突起４２が一体的に設けてある。
前記主アーム本体部材２０とバケット連結用ブラケット２３は図１１に示すように、主アーム本体部材２０（アーム本体２２）の長手方向一端開口縁をバケット連結用ブラケット２３の連結用突起４２に嵌合して溶接用開先４３を形成し、その部分を溶接する。前記主アーム本体部材２０の長手方向一端開口縁２０ｃは他の部分２０ｄよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さが得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることで、主アーム本体部材２０の板厚を薄くして軽量化してもバケット連結用ブラケット２３を高強度で溶接できる。
前記バケットシリンダ用ブラケット２５は図１０に示すように、一対の縦片４４、４４を横片４５で連結したコ字状で、その一対の縦片４４、４４がアーム本体２２の円弧状となった上面２２ａに図１２に示すように溶接してある。このようであるから、アーム本体２２のバケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の剛性が確保され、その部分の板厚が薄くともバケットシリンダ反力によって変形することがない。
前記アームシリンダ用ブラケット２４は図１０に示すように、アーム本体２２の長手方向他端開口縁と同一の三角形状の取付部５０と、この取付部５０の下部に一体的に設けた横板５１と、前記取付部５０と横板５１とに亘って一体的に設けた一対の縦片５２、５２を有している。
前記取付部５０にはほぼ三角形状の連結用突起５３が一体的に設けられ、横板５１にはほぼコ字状の連結用突起５４が前記連結用突起５３と連続して一体的に設けてある。前記連結用突起５３がアーム本体２２の長手方向他端開口縁に図１３に示すように嵌合して溶接用開先５５を形成し、溶接してある。
前記横板５１の連結用突起５４が図１４、図１５、図１６に示すように、補助部材２１の切欠部３４に嵌合して溶接用開先５６を形成し、溶接してある。
前記ブーム取付用ブラケット２６は図１０に示すように、下横片６０と一対の縦片６１、６１と円弧状の上横片６２で中空形状としてある。その一対の縦片６１、６１にピン嵌合孔６３が形成してある。前記一対の縦片６１、６１と上横片６２はアーム本体２２の円弧状の切欠凹部２７と同一曲率の円弧状で、上横片６２に円弧状の連結用突起６４が一体的に設けてある。図１７に示すように、連結用突起６４をアーム本体２２の切欠凹部２７に嵌合して溶接用開先６５を形成し、溶接される。
以上のように、アームを形成するアーム本体２２は横断面三角形状であるから、断面矩形形状の場合と異なり、断面の変形強度を決定する要素は三角形各辺部の面内方向の剛性のみで決定される。例えば、図８、図９で底辺を固定し、頂部に矢印で示す荷重Ｆが作用した場合に、図１８に模式的に示すように底辺ｈと頂部ｉを結ぶ一方の辺ｊに圧縮力が作用して縮み変形し、他方の辺ｋに引っ張り力が作用して延び変形し、その２つの辺ｊ、ｋには面外方向の力が作用しない。つまり辺ｊと辺ｋとの引張り、圧縮に対する剛性（面内剛性）は面外方向の曲げ（面外剛性）よりも大きいので、前述の横断面三角形状のアームの断面剛性は従来の矩形断面のアームの断面剛性よりも大きいことになる。
板厚を低減した場合の作業機の強度は材料力学の一般式においては、断面の大きさを大きくすることにより、矩形断面も三角断面も同様に断面強度を確保することが可能であるが、断面の変形を考えた場合、矩形断面では板厚低減による角部剛性および辺部面外方向剛性は、板厚低減比率の３乗に比例し低下するのに対して、三角断面では板厚低減比率に比例し低下するので、横断面三角形状のアームの板厚の低減による断面剛性の変化は矩形断面のアームの断面剛性の変化よりも少なくなる。
このようなことから、断面三角形状のアームであれば、板厚を薄くしても断面変形が断面矩形形状の従来構造のものに対し、著しく断面の変形を小さくすることができ、このことによりアームを軽量化することが可能になるということである。
また、図８、図９に示すように２辺の会合部ｅ、ｆ、ｇがそれぞれ円弧状である断面三角形状とすることで、アームの断面を大きくでき、十分な断面性能を確保できる。つまり、図１９に仮想線で示すように機械上での作業機の配置と機動性およびオペレータの視認性等から制約されたスペース（断面の高さ、幅）の矩形の内面に円弧状の各会合部ｅ、ｆ、ｇを内接するようにして断面を大きくできる。
特に上記のように、ブームへ取付けるためのブーム取付用ブラケット２６をアーム本体２２の下面に取付けた場合、アーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、ブラケット２６に対しては上面側よりも下面側の方が近いため、負荷の負担は、力の伝達経路の短い下面側が大となる傾向がある。従って前述のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。また上下方向の負荷（図１のＦ１）の場合も、下面の荷重分担が大となるため、下面が三角形状の底面となるような配置を採用すれば断面性能を一段と効率良く発揮できる。
次に主アーム本体部材２０の製造方法を説明する。
図２０に示すように、鋼板を切断して相対向した二つの長辺７０、７０と相対向した二つの短辺７１、７１で囲まれ、その長辺７０は一側寄り７０ａと他側寄り７０ｂでほぼＶ字状となり、かつ他側寄り７０ｂに円弧状の切欠部７２を有する形状で、ほぼひし形の板材７３を製作する。前記板材７３の板厚は一方の短辺７１寄り部分７３ａが他の部分７３ｂよりも厚くしてある。具体的には図２１に示すように、所定の形状に切断した板７４の長手方向一端部に厚肉部と薄肉部を有するバー材７５をそれぞれ裏波溶接で接合して板材７３としてある。
次に図２２に示すように、二つの円弧面８０ａ、８０ａと、それらをつなぐ直面８０ｂを有し、その直面８０ｂの中心に曲率の大きな円弧面８０ｃを有するダイス８０と、二つの円弧面８１ａ、８１ａとそれらをつなぐ直面８１ｂを有するポンチ８１を用いて、板材７３の長辺寄りにおける一側寄り部７０ａを折り線イに沿って折り曲げて図２３に示すようにほぼコの字状とする。
次に図２４に示すように、前述のダイス８０と新しいポンチ８２を用いて板材７２の中央部を折り線ロに沿って折り曲げて図２５に示すようにほぼ菱形とする。このように同一ダイスを用いるので位置ずれ等を生じないので折り曲げ加工精度を確保できる。
次に図２６に示すように、ダイス８３に折り曲げた板材７３をセットし、一対のポンチ８４、８４を左右・上下方向に移動して三角形状に折り曲げ、板材７３の二つの長辺７０、７０における一側寄り７０ａを図２７に示すように突き合わせる。この状態を保持しながら一対のポンチ８４、８４間に沿って溶接トーチ８５を移動して突き合わせ部を溶接する。
このように、板材７３を最終形状に折り曲げ成形すると同時に溶接するので、溶接部の突き合わせ精度を確保できる。
前記主アーム本体部材２０（アーム本体２２）は図２８（ａ）（ｂ）に示すように、２枚の板材を折り曲げて頂部側部材８７と底辺側部材８８を製作し、両部材を接合して製造してもよい。
前記主アーム本体部材２０（アーム本体２２）は図２９（ａ）（ｂ）に示すように、３枚の板材を折り曲げて３つの部材８９を製作し、３つの部材を接合して製造してもよい。
図２８（ａ）（ｂ）に示すように２枚の板材で製作する場合には、図３０に示すように底部が円弧状のほぼＶ字状となった凹部９０を有するダイス９１と、この凹部９０と同様な形状のポンチ９２を用いて一枚の板材９３を折り曲げて頂部側部材８７とする。
図３１に示すように、円弧面９４を有する固定ダイス９５と、この円弧面９４と連続する円弧面９６を有する可動ダイス９７と、この可動ダイス９７を固定ダイス９５と離すスプリング９８と、クッションパッド９９と、クッションパッド９９を押し上げるクッションピン１００でダイス１０１とする。前記連続した２つの円弧面９４、９６と同一の円弧面１０２を有するポンチ１０３に、可動ダイス９７をスプリング９８に抗して移動するカム１０４を設ける。前記ポンチ１０３が上方位置の時にはクッションパッド９９はクッションピン１００で押し上げられて可動ダイス９７の上面と面一となる。
前述のダイス１０１とポンチ１０３を用いて一枚の板材１０５を折り曲げて底辺側部材８８とする。具体的には、可動ダイス９７とクッションパッド９９の上に板材１０５を載置し、ポンチ１０３を下降する。ポンチ１０３とクッションパッド９９で板材１０５を挟持しながらポンチ１０３の下降とともにクッションパッド９９が下降し、固定ダイス９５の円弧部９４で板材１０５の両端部を順次折り曲げる。
ポンチ１０３が所定位置まで下降するとカム１０４で可動ダイス９７がスプリング９８に抗して移動されて板材１０５を所定形状に折り曲げて底辺側部材９７とする。
図３２に示す突き合せ治具を用いて頂部側部材８７と底辺側部材８８を突き合わせて裏波溶接する。
前記突き合せ治具は、Ｖ字溝１１０を有する本体１１１と、この本体１１１のＶ字溝１１０左右両側に設けた一対の側部押え片１１２、１１２と、この各側部押え片１１２を移動する一対の第１シリンダ１１３、１１３と、本体１１１のＶ字溝１１０上部両側に設けた一対の上部押え片１１４、１１４と、この各上部押え片１１４を移動する一対の第２シリンダ１１５、１１５と、Ｖ字溝１１０に沿って設けられ本体１１１の両端に設けた支え軸（図示せず）で支承される裏当て材１１６を備えている。
前記裏当て材１１６は上面に開口した水冷ジャット１１７と、下部の支え部１１８を有し、上面には受けプレート１１９が水冷ジャット１１７の上部を覆うように取付けてある。この水冷ジャット１１７には冷却水が流通する。本体１１１のＶ字溝１１０の上部には溶接トーチ１２０が移動可能に設けてある。
次に裏波溶接の動作を説明する。前述のようにして折り曲げ加工した頂部側部材８７と底辺側部材８８を三角形状に合せてＶ字溝１１０と裏当て材１１６との間に挿入する。
各側部押え片１１２を中心に向けて移動し、各上部押え片１１４を下方に移動して頂部側部材８７の一端部８７ａと底辺側部材８８の一端部８８ａを受けプレート１１９の上面で突き合せる。溶接トーチ１２０を移動して前記突き合せ部を裏波溶接する。
各側部押え片１１２を側方に向けて移動し、各上部押え片１１４を上方に移動して各部材と離隔し、一端部８７ａ、８８ａを溶接した頂部側部材８７と底辺側部材８８をＶ字溝１１０と裏当て材１１６の間から引き抜きする。
引き抜いた頂部側部材８７と底辺側部材８８を回転して図３３に示すように再びＶ字溝１１０と裏当て材１１６の間に挿入し、前述と同様にして他端部８７ｂ、８８ｂを裏波溶接する。
これによって、２部材からなる主アーム本体部材２０（アーム本体２２）を製作できる。
また、図２９（ａ）（ｂ）に示すように３枚の板材で製作する場合には、前述の図３０で示すと同様なダイス９１とポンチ９２を用いて一枚の板材をそれぞれ折り曲げて３つの部材８９を製作し、その３つの部材８９を前述の図３２に示す突き合せ治具を用いて順次３ヶ所を裏波溶接することで製作する。
また、アーム本体２２は図３４（ａ）（ｂ）に示すように上方の会合部ｅを２つの円弧部Ｘ、Ｙと平坦部Ｙ、曲率の小さな２つの円弧部Ｚ−１と曲率の大きな円弧部Ｚ−２で形成しても良い。
なお、図示していないが、３つの会合部の全て、又は１つ、２つを前述の形状としても良いし、それぞれの会合部を異なる形状の組み合せとしても良い。
前述の図３４（ａ）に示す平坦部Ｙを有する形状とすれば、バケットシリンダ用ブラケット２５を平坦部Ｙに溶接できるから、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりバケットシリンダ用ブラケット２５の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので、溶接強度が維持できる。
前記アーム本体２２（主アーム本体部材２０）は図３５に示すように、３つの辺を直線ではなく曲率Ｒの大きな円弧でふくらみを有する形状としても良い。また、３つの辺のそれぞれにふくらみの有る形状と直線形状の組み合せとしても良い。
前記溶接方法は、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ ＡｃｔｉｖｅＧａｓ）溶接やＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ ＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接を前提として溶接継手等を説明しているが、溶接継手を変更することにより、レーザ溶接や電子ビーム溶接等の高エネルギー溶接を適用することも可能である。そしてこのような高エネルギ密度熱源を用いる場合、主アーム本体部材２０開口縁２０ｃに設けていた厚肉部分の形成を省略し、これらを他の部分２０ｂと同厚さにすると共に、各連結用突起４２、５３、５４、５５、５６、６４を省略し、これらの部分を突合せ裏波溶接する構成としてもよい。
なお上記においては油圧ショベルのアームを例にして実施の形態を説明しているが、この発明は他の構造のバケット式掘削機においても、またアーム以外の作業機用構造物に対しても上記したのと略同様に適用可能である。
本発明は、油圧ショベル等のバケット式掘削機の作業機用構造物、バケット式掘削機のアーム及びバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法に関するものである。
背景技術
バケット式掘削機の一種である油圧ショベルは図１に示すように、下部走行体１に上部車体２を旋回自在に取付け、その上部車体２にブーム３を上下揺動自在に取付け、そのブーム３にアーム４を上下揺動自在に取付け、このアーム４の先端部にバケット５を上下首振り自在に取付ける。上部車体２とブーム３とに亘ってブーム用シリンダ６を連結し、ブーム３とアーム４とに亘ってアーム用シリンダ７を連結し、アーム４とバケット５とに亘ってバケット用シリンダ８を連結してある。
かかる油圧ショベルはブーム３、アーム４を上下に揺動すると共に、バケット５を上下首振りしながら上部車体２を左右に旋回して掘削及びダンプトラックへの積込み等の作業を行なう。
前述のアーム４は図２に示すように、アーム本体１０と、このアーム本体１０の長手方向一端部に接合したアームシリンダ取付用ブラケット１１と、アーム本体１０の長手方向他端部に接合したバケット連結用ブラケット１２で形成されている。アーム本体１０は図３に示すように上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５を直角に溶接した矩形断面中空形状としてある。
アーム４には作業時に図１に示すように、バケット５より上下方向の負荷Ｆ１、左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３等が作用し、これらの負荷に対して耐久性を確保してある。
例えば、上下方向の負荷Ｆ１に対しては図３に示すように幅Ｗ、高さＨおよび上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５の板厚を負荷の大きさに応じて適切に設定している。左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３に対しては前述のことに加えて図２に示すようにリブ１６などの断面拘束材を付加している。
油圧ショベルは上部車体２を中心としてブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機の掘削能力に応じて上部車体２の後方にカウンタウエイト９を設けてあり、前述の作業機を軽量化すれば上部車体２の後方のカウンタウエイト９を軽量にすることができ、さらには上部車体２後方の突き出しが少なくなるため、上部車体の後端旋回半径を小さくできる。
また、ブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機を軽量化すれば、カウンタウエイト９を軽量とする代りにバケット容量を増し、作業量を増すことが可能となる。
アーム４はアーム用シリンダ７で上下に揺動され、そのアーム用シリンダ７の推力の一部がアーム４の自重を支持するものとして使用されるから、アーム４を軽量とすればアーム用シリンダ７の推力をアーム４の上下揺動力として有効に利用できる。同様にアーム４の自重はブーム用シリンダ６にも作用するので、アーム４を軽量とすればブーム用シリンダ６の推力を有効利用できる。
一般的にバケット式掘削機の作業機の強度を考える場合、最も簡便な方法として作業機を材料力学で論じられている梁や薄肉管に置き換えて曲げやねじりに対する強度を評価することができる。
つまり、材料力学で用いられる以下の一般式（１）（２）で断面に発生する曲げ応力σ、せん断応力τを求めることができる。
（１）σ＝Ｍ／Ｚ
（ただし、σ：断面に発生する曲げ応力、Ｍ：断面にはたらく曲げモーメント、Ｚ：断面係数）
（２）τ＝Ｔ／２Ａｔ
（ただし、τ：せん断応力、Ｔ：ねじりトルク、Ａ：断面板厚中立線投影面積、ｔ：断面板厚）
そして上記計算結果と使用材料の許容応力から適正な断面形状を定めることができる。また同様に材料力学の一般式を用いて梁のたわみや軸のねじれも計算することができ、これより作業機の剛性についても評価することができる。
しかし、このような評価方法で設計された作業機を実際に製作し、応力試験を行った場合、評価時に算出した応力値と異なる結果となることが多い。このようなことから、近年では応力評価の精度を向上させるために有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータによるシミュレーションを評価方法として用いるようになってきている。ＦＥＭシミュレーションを用いて応力計算を行ってみると、材料力学の梁や軸と見なしていた作業機の断面は、負荷を与える前後において、その形状が変化することがわかり、このことから断面形状が変化しないという前提の基にみちびかれている材料力学の一般式での計算応力と実際の応力試験を行った場合の計測応力が合致しないことが理解できる。
従来技術で用いられている矩形断面形状の作業機の場合、断面の変形強度を決定する要素は矩形角部の剛性と、矩形辺部の面外方向の剛性の２つである。これら２つの剛性が負荷に対して十分な強度をもたない場合、図４に示すような断面の変形が発生し、矩形角部に過大な応力が生じる。これらを防止するために、断面の変形が生じている部位に隔壁などの断面拘束材が必要になるが、これらを設けることにより、作業機の生産性が悪くなる。
このことをアーム４についてあてはめてみると、アーム４は図３に示すように矩形断面中空形状であり、その断面剛性が角部ａの曲げ剛性と４つの面（上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５）の面外方向剛性（曲げ剛性）により決定されるということである。
つまり、断面の変形に対し面の曲げ剛性と角部の曲げ剛性の影響が大であり、例えば図３において下板１４を固定して矢印で示す荷重Ｆが作用した場合には図４に模式的に示すように、各角部ａが曲げ変形すると共に、上板１３、左右の縦板１５、１５が面外方向（厚さ方向）に曲げ変形する。また、板厚を低減した場合の面外方向剛性の低下は板厚低下率の３乗に比例する。
このために、各板の板厚を薄くしてアームを軽量化すると、アーム４に左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３が作用した時に、図３に矢印ｂ、ｃで示す方向に変形（ゆがみ）が生じるので、各板の板厚を薄くするには限度があるし、上下方向の負荷Ｆ１による変形を防止するために前述のリブ１６などの断面拘束材を強固なものとしなければならず、その断面拘束材によってアーム重量が重くなるし、リブ１６のために構造が複雑化し、溶接部分の増加等により生産性が悪くなる等の問題がある。
また、アーム４には図２に示すように、バケット用シリンダ８を連結するバケットシリンダ用ブラケット１７、ブーム３を連結するブーム連結用ボス１８が設けてある。これらを設ける部分、例えば左右縦板１５、１５、上横板１３の板厚を薄くすると面外方向の剛性が低下するため、面外方向の変形を増長させ、アーム４の剛性が低下して図３に仮想線で示すように変形することがあるため、アーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、アーム本体１０を形成する各板材を直角として溶接しているから、その板材の板厚を薄くすると溶接継手効率が低下し、角継手の耐久性を確保することが困難となるため、アーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、従来のアームは上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５をアーム本体１０の形状に合せてそれぞれ切断加工して形成し、各板材を直角となるように４ヶ所で溶接してアーム本体１０とし、そのアーム本体１０にアームシリンダ用ブラケット１１、バケット連結用ブラケット１２を溶接しているので、各板材の加工が複雑であると共に、溶接個所（溶接線）が長く、アームの製作が多工程にわたるため複雑である。
なお、図５に示すように一枚の板ｄをコ字状に折り曲げて上横板１３、左右の縦板１５、１５を一体的としたアームも知られているが、この場合でも板ｄと下横板１４を切断する工程、折り曲げる工程、２ヶ所の溶接箇所（溶接線）を溶接する工程を経るためアームの製作が多工程にわたり複雑である。
そこで、本発明は前述の課題を解決できるようにしたバケット式掘削機の作業機用構造物、バケット式掘削機のアーム及びバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法を提供することを目的としている。
発明の開示
第１の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物は、油圧ショベルのようなバケット式掘削機におけるアーム等の作業機用構造物において、その本体２２の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第１の発明によれば、構造物本体２２が横断面三角形状であるから、構造物本体２２は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形の持つ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、構造物本体２２の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第１の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れた構造物となる。
第２の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物は、第１の発明の横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴としている。
第２の発明によれば、構造物本体２２の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので従来構造物の断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第２の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高い構造物となる。
第３の発明のバケット式掘削機のアームは、先端側にバケットが取付けられると共に、ブームに枢支されるバケット式掘削機のアームにおいて、アーム本体２２の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第３の発明によれば、アーム本体２２が横断面三角形状であるから、アーム本体２２は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形の持つ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、アーム本体２２の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第３の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れたアームとなる。
第４の発明のバケット式掘削機のアームは、第３の発明の横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴としている。
第４の発明によれば、アーム本体２２の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので従来アームの断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第４の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高いアームとなる。
第５の発明のバケット式掘削機のアームは、第４の発明の横断面形状において、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となる三角形状とし、その長手方向下面にブーム取付用ブラケット２６が接合されていることを特徴としている。
第５の発明のように、ブームへ取付けるためのブーム取付用ブラケット２６をアーム本体２２の下面に取付けた場合、アーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、ブラケット２６に対しては上面側よりも下面側の方が近いため、負荷の負担は、力の伝達経路の短い下面側が大となる傾向がある。従って第５の発明のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。また上下方向の負荷（図１のＦ１）の場合も、下面の荷重分担が大となるため、下面が三角形状の底面となるような配置を採用すれば断面性能を一段と効率良く発揮できる。
第６の発明のバケット式掘削機のアームは、第５の発明の横断面形状において、二辺の会合部が円弧状に構成された上面にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第６の発明によれば、アーム本体２２の頂部は剛性が大であるから、バケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の板厚が薄くても変形することがない。これによって、アーム本体２２のバケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の板厚を薄くしてブームをより一層軽量化できる。
第７の発明のバケット式掘削機のアームは、第５の発明の横断面形状において、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この平坦部にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第７の発明によれば、アーム本体２２の頂部は平坦部であるから、平坦な頂部にバケットシリンダ用ブラケット２５を溶接する場合、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりバケットシリンダ用ブラケット２５の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので溶接強度が維持できる。したがって、アーム本体２２の頂部へのバケットシリンダ用ブラケット２５の溶接が容易になるとともに板厚が薄くても溶接強度を維持できる。
第８の発明のバケット式掘削機のアームは、第６又は第７の発明のいずれかにおいて、上記アーム本体２２の長手方向一端部にバケット連結用ブラケット２３を接合し、その長手方向他端部にアームシリンダ用ブラケット２４を接合したことを特徴としている。
第８の発明によれば、その実施に好適である。
第９の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法は、二つの長辺７０、７０と二つの短辺７１、７１を有する板材７３を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺７０、７０の突き合わせ部を溶接することにより構造物本体２２を構成することを特徴としている。
第９の発明によれば、構造物本体２２は１枚の板材を折り曲げ成形して突き合わせ部を溶接して製作するので、板材の加工が容易であると共に、溶接箇所（溶接線）が短くなる。これによって、作業機用構造物の製作の工程が簡単となるから、構造物の製作が容易になる。
第１０の発明のバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法は、上記第９の発明において、上記構造物本体２２は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺７０、７０の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴としている。
第１０の発明によれば、上記第１及び第２発明の作業機用構造物において得られる利点に加えて、さらに溶接部を下面に配置したことによって、外観向上という利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、パワーショベルの斜視図である。
図２は、従来のアームの正面図である。
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、アームの断面変形の説明図である。
図５は、アーム他の例を示す断面図である。
図６は、本発明の実施の形態を示すアームの正面図である。
図７は、本発明の実施の形態を示すアームの平面図である。
図８は、図６のＢ−Ｂ断面図である。
図９は、図６のＣ−Ｃ断面図である。
図１０は、アームの分解斜視図である。
図１１は、図６のＤ−Ｄ断面図である。
図１２は、図６のＥ−Ｅ断面図である。
図１３は、図６のＦ−Ｆ断面図である。
図１４は、アーム一端部の底面図である。
図１５は、図１４のＧ−Ｇ断面図である。
図１６は、図１４のＨ−Ｈ断面図である。
図１７は、図６のＩ−Ｉ断面図である。
図１８は、アームの断面変形の説明図である。
図１９は、アームの断面大きさの説明図である。
図２０は、主アーム本体部材を製作する板材の平面図である。
図２１は、図２０のＪ−Ｊ断面図である。
図２２は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２３は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２４は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２５は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２６は、板材の折り曲げ・接合動作説明図である。
図２７は、接合状態の板材を示す斜視図である。
図２８は、アーム本体の異なる例を示す説明図である。
図２９は、アーム本体の他の例を示す説明図である。
図３０は、頂部寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３１は、底辺寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３２は、突き合せ治具により両部材の一端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３３は、突き合せ治具により両部材の他端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３４は、アーム本体の異なる三角形状を示す断面図である。
図３５は、アーム本体の他の三角形状を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図６と図７に示すように、主アーム本体部材２０と補助部材２１でアーム本体２２とし、アーム本体２２の長手方向一端部にバケット連結用ブラケット２３を接合し、アーム本体２２の長手方向他端部にアームシリンダ用ブラケット２４を接合し、アーム本体２２の上面にバケットシリンダ用ブラケット２５を接合し、アーム本体２２の長手方向中間下部にブーム取付用ブラケット２６を接合してアーム４としてある。
前記アーム本体２２の上面２２ａは一直線状で、下面２２ｂは長手方向中間部（ブーム連結用ブラケット２６の接合部）を境としてほぼＶ字状となり、アーム本体２２は長手方向中間部を境として長手方向両端部に向けて高さ方向にそれぞれテーパー形状となっている。アーム本体２２の幅方向も長手方向中間部を境として長手方向両端部に向けてそれぞれテーパー形状となっている。
つまり、アーム本体２２は長手方向中間部が最も大断面で、長手方向両端部に向けて順次小断面となっている。
前記アーム本体２２は図８と図９に示すように横断面三角形状の中空形状で、三角形の底辺が下面２２ｂ、三角形の頂部が上面２２ａとなっている。アーム本体２２の下面２２ｂ長手方向中間部に円弧状の切欠凹部２７が形成してあり、その切欠凹部２７にブーム連結用ブラケット２６が接合してある。
具体的には、長手方向中間部よりも前部寄りが図８に示すように主アーム本体部材２０のみで断面三角形状となっている。長手方向中間部よりも後部寄りが図９に示すように主アーム本体部材２０と補助部材２１で断面三角形状となっている。
前記アーム本体２２は高さＨが幅Ｗよりも大きい二等辺三角形であり、３つの辺は直線で、２つの辺の会合部ｅ、ｆ、ｇは円弧状で、上方の会合部ｅの曲率が下方の２つの会合部ｆ、ｇの曲率よりも大きい。これによって、会合部にかかる応力が分散されると共に、はりとして必要な断面性能が確保されてアーム本体の上下方向の剛性が高くなる。
前記主アーム本体部材２０は図８と図１０に示すように、鋼板を所定形状に切断加工した一枚の板材３０を折り曲げて長手方向中間部よりも前部寄りを突き合せ溶接して前部寄りを断面三角形状、後部寄りを下面が開口した山形状としてある。三角形の底辺が下面２０ａで三角形の頂部が上面２０ｂとしてある。その溶接部３１は三角形の底辺に長手方向に連続している。
主アーム本体部材２０の山形状となった後部寄りの両側縦板下部には円弧状凹部３２がそれぞれ形成してある。
前記補助部材２１は図１０に示すように、鋼板を所定形状に切断した一枚の板材３３を折り曲げて横板２１ａと一対の縦片２１ｂ、２１ｂを有するほぼコ字条で、その横板２１ａに切欠部３４が形成してある。
補助部材２１の一対の縦片２１ｂ、２１ｂが図９に示すように主アーム本体部材２０の後部寄りの両側縦板に裏板３５を介して溶接されて断面三角形状としてある。
前記バケット連結用ブラケット２３は図１０に示すように、断面三角形状の中空形状であり、その前端部にピン挿通孔４０が形成され、中間部両側面にピン係合孔４１がそれぞれ形成され、後端部に三角形状の連結用突起４２が一体的に設けてある。
前記主アーム本体部材２０とバケット連結用ブラケット２３は図１１に示すように、主アーム本体部材２０（アーム本体２２）の長手方向一端開口縁をバケット連結用ブラケット２３の連結用突起４２に嵌合して溶接用開先４３を形成し、その部分を溶接する。前記主アーム本体部材２０の長手方向一端開口縁２０ｃは他の部分２０ｄよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さが得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることで、主アーム本体部材２０の板厚を薄くして軽量化してもバケット連結用ブラケット２３を高強度で溶接できる。
前記バケットシリンダ用ブラケット２５は図１０に示すように、一対の縦片４４、４４を横片４５で連結したコ字状で、その一対の縦片４４、４４がアーム本体２２の円弧状となった上面２２ａに図１２に示すように溶接してある。このようであるから、アーム本体２２のバケットシリンダ用ブラケット２５の取付部分の剛性が確保され、その部分の板厚が薄くともバケットシリンダ反力によって変形することがない。
前記アームシリンダ用ブラケット２４は図１０に示すように、アーム本体２２の長手方向他端開口縁と同一の三角形状の取付部５０と、この取付部５０の下部に一体的に設けた横板５１と、前記取付部５０と横板５１とに亘って一体的に設けた一対の縦片５２、５２を有している。
前記取付部５０にはほぼ三角形状の連結用突起５３が一体的に設けられ、横板５１にはほぼコ字状の連結用突起５４が前記連結用突起５３と連続して一体的に設けてある。前記連結用突起５３がアーム本体２２の長手方向他端開口縁に図１３に示すように嵌合して溶接用開先５５を形成し、溶接してある。
前記横板５１の連結用突起５４が図１４、図１５、図１６に示すように、補助部材２１の切欠部３４に嵌合して溶接用開先５６を形成し、溶接してある。
前記ブーム取付用ブラケット２６は図１０に示すように、下横片６０と一対の縦片６１、６１と円弧状の上横片６２で中空形状としてある。その一対の縦片６１、６１にピン嵌合孔６３が形成してある。前記一対の縦片６１、６１と上横片６２はアーム本体２２の円弧状の切欠凹部２７と同一曲率の円弧状で、上横片６２に円弧状の連結用突起６４が一体的に設けてある。図１７に示すように、連結用突起６４をアーム本体２２の切欠凹部２７に嵌合して溶接用開先６５を形成し、溶接される。
以上のように、アームを形成するアーム本体２２は横断面三角形状であるから、断面矩形形状の場合と異なり、断面の変形強度を決定する要素は三角形各辺部の面内方向の剛性のみで決定される。例えば、図８、図９で底辺を固定し、頂部に矢印で示す荷重Ｆが作用した場合に、図１８に模式的に示すように底辺ｈと頂部ｉを結ぶ一方の辺ｊに圧縮力が作用して縮み変形し、他方の辺ｋに引っ張り力が作用して延び変形し、その２つの辺ｊ、ｋには面外方向の力が作用しない。つまり辺ｊと辺ｋとの引張り、圧縮に対する剛性（面内剛性）は面外方向の曲げ（面外剛性）よりも大きいので、前述の横断面三角形状のアームの断面剛性は従来の矩形断面のアームの断面剛性よりも大きいことになる。
板厚を低減した場合の作業機の強度は材料力学の一般式においては、断面の大きさを大きくすることにより、矩形断面も三角断面も同様に断面強度を確保することが可能であるが、断面の変形を考えた場合、矩形断面では板厚低減による角部剛性および辺部面外方向剛性は、板厚低減比率の３乗に比例し低下するのに対して、三角断面では板厚低減比率に比例し低下するので、横断面三角形状のアームの板厚の低減による断面剛性の変化は矩形断面のアームの断面剛性の変化よりも少なくなる。
このようなことから、断面三角形状のアームであれば、板厚を薄くしても断面変形が断面矩形形状の従来構造のものに対し、著しく断面の変形を小さくすることができ、このことによりアームを軽量化することが可能になるということである。
また、図８、図９に示すように２辺の会合部ｅ、ｆ、ｇがそれぞれ円弧状である断面三角形状とすることで、アームの断面を大きくでき、十分な断面性能を確保できる。つまり、図１９に仮想線で示すように機械上での作業機の配置と機動性およびオペレータの視認性等から制約されたスペース（断面の高さ、幅）の矩形の内面に円弧状の各会合部ｅ、ｆ、ｇを内接するようにして断面を大きくできる。
特に上記のように、ブームへ取付けるためのブーム取付用ブラケット２６をアーム本体２２の下面に取付けた場合、アーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、ブラケット２６に対しては上面側よりも下面側の方が近いため、負荷の負担は、力の伝達経路の短い下面側が大となる傾向がある。従って前述のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。また上下方向の負荷（図１のＦ１）の場合も、下面の荷重分担が大となるため、下面が三角形状の底面となるような配置を採用すれば断面性能を一段と効率良く発揮できる。
次に主アーム本体部材２０の製造方法を説明する。
図２０に示すように、鋼板を切断して相対向した二つの長辺７０、７０と相対向した二つの短辺７１、７１で囲まれ、その長辺７０は一側寄り７０ａと他側寄り７０ｂでほぼＶ字状となり、かつ他側寄り７０ｂに円弧状の切欠部７２を有する形状で、ほぼひし形の板材７３を製作する。前記板材７３の板厚は一方の短辺７１寄り部分７３ａが他の部分７３ｂよりも厚くしてある。具体的には図２１に示すように、所定の形状に切断した板７４の長手方向一端部に厚肉部と薄肉部を有するバー材７５をそれぞれ裏波溶接で接合して板材７３としてある。
次に図２２に示すように、二つの円弧面８０ａ、８０ａと、それらをつなぐ直面８０ｂを有し、その直面８０ｂの中心に曲率の大きな円弧面８０ｃを有するダイス８０と、二つの円弧面８１ａ、８１ａとそれらをつなぐ直面８１ｂを有するポンチ８１を用いて、板材７３の長辺寄りにおける一側寄り部７０ａを折り線イに沿って折り曲げて図２３に示すようにほぼコの字状とする。
次に図２４に示すように、前述のダイス８０と新しいポンチ８２を用いて板材７２の中央部を折り線ロに沿って折り曲げて図２５に示すようにほぼ菱形とする。このように同一ダイスを用いるので位置ずれ等を生じないので折り曲げ加工精度を確保できる。
次に図２６に示すように、ダイス８３に折り曲げた板材７３をセットし、一対のポンチ８４、８４を左右・上下方向に移動して三角形状に折り曲げ、板材７３の二つの長辺７０、７０における一側寄り７０ａを図２７に示すように突き合わせる。この状態を保持しながら一対のポンチ８４、８４間に沿って溶接トーチ８５を移動して突き合わせ部を溶接する。
このように、板材７３を最終形状に折り曲げ成形すると同時に溶接するので、溶接部の突き合わせ精度を確保できる。
前記主アーム本体部材２０（アーム本体２２）は図２８（ａ）（ｂ）に示すように、２枚の板材を折り曲げて頂部側部材８７と底辺側部材８８を製作し、両部材を接合して製造してもよい。
前記主アーム本体部材２０（アーム本体２２）は図２９（ａ）（ｂ）に示すように、３枚の板材を折り曲げて３つの部材８９を製作し、３つの部材を接合して製造してもよい。
図２８（ａ）（ｂ）に示すように２枚の板材で製作する場合には、図３０に示すように底部が円弧状のほぼＶ字状となった凹部９０を有するダイス９１と、この凹部９０と同様な形状のポンチ９２を用いて一枚の板材９３を折り曲げて頂部側部材８７とする。
図３１に示すように、円弧面９４を有する固定ダイス９５と、この円弧面９４と連続する円弧面９６を有する可動ダイス９７と、この可動ダイス９７を固定ダイス９５と離すスプリング９８と、クッションパッド９９と、クッションパッド９９を押し上げるクッションピン１００でダイス１０１とする。前記連続した２つの円弧面９４、９６と同一の円弧面１０２を有するポンチ１０３に、可動ダイス９７をスプリング９８に抗して移動するカム１０４を設ける。前記ポンチ１０３が上方位置の時にはクッションパッド９９はクッションピン１００で押し上げられて可動ダイス９７の上面と面一となる。
前述のダイス１０１とポンチ１０３を用いて一枚の板材１０５を折り曲げて底辺側部材８８とする。具体的には、可動ダイス９７とクッションパッド９９の上に板材１０５を載置し、ポンチ１０３を下降する。ポンチ１０３とクッションパッド９９で板材１０５を挟持しながらポンチ１０３の下降とともにクッションパッド９９が下降し、固定ダイス９５の円弧部９４で板材１０５の両端部を順次折り曲げる。
ポンチ１０３が所定位置まで下降するとカム１０４で可動ダイス９７がスプリング９８に抗して移動されて板材１０５を所定形状に折り曲げて底辺側部材９７とする。
図３２に示す突き合せ治具を用いて頂部側部材８７と底辺側部材８８を突き合わせて裏波溶接する。
前記突き合せ治具は、Ｖ字溝１１０を有する本体１１１と、この本体１１１のＶ字溝１１０左右両側に設けた一対の側部押え片１１２、１１２と、この各側部押え片１１２を移動する一対の第１シリンダ１１３、１１３と、本体１１１のＶ字溝１１０上部両側に設けた一対の上部押え片１１４、１１４と、この各上部押え片１１４を移動する一対の第２シリンダ１１５、１１５と、Ｖ字溝１１０に沿って設けられ本体１１１の両端に設けた支え軸（図示せず）で支承される裏当て材１１６を備えている。
前記裏当て材１１６は上面に開口した水冷ジャット１１７と、下部の支え部１１８を有し、上面には受けプレート１１９が水冷ジャット１１７の上部を覆うように取付けてある。この水冷ジャット１１７には冷却水が流通する。本体１１１のＶ字溝１１０の上部には溶接トーチ１２０が移動可能に設けてある。
次に裏波溶接の動作を説明する。前述のようにして折り曲げ加工した頂部側部材８７と底辺側部材８８を三角形状に合せてＶ字溝１１０と裏当て材１１６との間に挿入する。
各側部押え片１１２を中心に向けて移動し、各上部押え片１１４を下方に移動して頂部側部材８７の一端部８７ａと底辺側部材８８の一端部８８ａを受けプレート１１９の上面で突き合せる。溶接トーチ１２０を移動して前記突き合せ部を裏波溶接する。
各側部押え片１１２を側方に向けて移動し、各上部押え片１１４を上方に移動して各部材と離隔し、一端部８７ａ、８８ａを溶接した頂部側部材８７と底辺側部材８８をＶ字溝１１０と裏当て材１１６の間から引き抜きする。
引き抜いた頂部側部材８７と底辺側部材８８を回転して図３３に示すように再びＶ字溝１１０と裏当て材１１６の間に挿入し、前述と同様にして他端部８７ｂ、８８ｂを裏波溶接する。
これによって、２部材からなる主アーム本体部材２０（アーム本体２２）を製作できる。
また、図２９（ａ）（ｂ）に示すように３枚の板材で製作する場合には、前述の図３０で示すと同様なダイス９１とポンチ９２を用いて一枚の板材をそれぞれ折り曲げて３つの部材８９を製作し、その３つの部材８９を前述の図３２に示す突き合せ治具を用いて順次３ヶ所を裏波溶接することで製作する。
また、アーム本体２２は図３４（ａ）（ｂ）に示すように上方の会合部ｅを２つの円弧部Ｘ、Ｙと平坦部Ｙ、曲率の小さな２つの円弧部Ｚ−１と曲率の大きな円弧部Ｚ−２で形成しても良い。
なお、図示していないが、３つの会合部の全て、又は１つ、２つを前述の形状としても良いし、それぞれの会合部を異なる形状の組み合せとしても良い。
前述の図３４（ａ）に示す平坦部Ｙを有する形状とすれば、バケットシリンダ用ブラケット２５を平坦部Ｙに溶接できるから、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりバケットシリンダ用ブラケット２５の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので、溶接強度が維持できる。
前記アーム本体２２（主アーム本体部材２０）は図３５に示すように、３つの辺を直線ではなく曲率Ｒの大きな円弧でふくらみを有する形状としても良い。また、３つの辺のそれぞれにふくらみの有る形状と直線形状の組み合せとしても良い。
前記溶接方法は、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ ＡｃｔｉｖｅＧａｓ）溶接やＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ ＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接を前提として溶接継手等を説明しているが、溶接継手を変更することにより、レーザ溶接や電子ビーム溶接等の高エネルギー溶接を適用することも可能である。そしてこのような高エネルギ密度熱源を用いる場合、主アーム本体部材２０開口縁２０ｃに設けていた厚肉部分の形成を省略し、これらを他の部分２０ｂと同厚さにすると共に、各連結用突起４２、５３、５４、５５、５６、６４を省略し、これらの部分を突合せ裏波溶接する構成としてもよい。
なお上記においては油圧ショベルのアームを例にして実施の形態を説明しているが、この発明は他の構造のバケット式掘削機においても、またアーム以外の作業機用構造物に対しても上記したのと略同様に適用可能である。
Claims (10)
- 油圧ショベルのようなバケット式掘削機におけるアーム等の作業機用構造物において、その本体（２２）の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴とするバケット式掘削機の作業機用構造物。
- 上記本体（２２）の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴とする請求の範囲第１項記載のバケット式掘削機の作業機用構造物。
- 先端側にバケットが取付けられると共に、ブームに枢支されるバケット式掘削機のアームにおいて、アーム本体（２２）の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴とするバケット式掘削機のアーム。
- 上記アーム本体（２２）の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴とする請求の範囲第３項記載のバケット式掘削機のアーム。
- 上記アーム本体（２２）の横断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となる三角形状とし、その長手方向下面にブーム取付用ブラケット（２６）が接合されていることを特徴とする請求の範囲第４項記載のバケット式掘削機のアーム。
- 上記二辺の会合部が円弧状に構成された上面にバケットシリンダ用ブラケット（２５）を接合したことを特徴とする請求の範囲第５項記載のバケット式掘削機のアーム。
- 上記アーム本体（２２）の横断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この頂部の平坦部にバケットシリンダ用ブラケット（２５）を接合したことを特徴とする請求の範囲第５項記載のバケット式掘削機のアーム。
- 上記アーム本体（２２）の長手方向一端部にバケット連結用ブラケット（２３）を接合し、その長手方向他端部にアームシリンダ用ブラケット（２４）を接合したことを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項記載のバケット式掘削機のアーム。
- 二つの長辺（７０）（７０）と二つの短辺（７１）（７１）を有する板材（７３）を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺（７０）（７０）の突き合わせ部を溶接することにより本体（２２）を構成することを特徴とするバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法。
- 上記本体（２２）は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴とする請求の範囲第８項記載のバケット式掘削機の作業機用構造物の製造方法。
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