JP4669874B2 - ホイルローダ - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホイルローダに関する。
【０００２】
従来より、作業機械としてホイルローダが知られている。ホイルローダでは、車体に枢軸されたブームの先端にバケット等のアタッチメントが設けられ、当該ブームがブームシリンダによって上下動可能に設けられ、バケットがいわゆるＺバーリンクを介して駆動される。
Ｚバーリンクは、図１２に示すように、ブーム１０の略中央に回動可能に枢軸されたベルクランク１１と、ベルクランク１１の上端側および図示しない車体間を連結するチルトシリンダ（一点鎖線参照）と、ベルクランク１１の下端側およびバケット２０の背部を連結する連結リンク１３とで構成されている。
【０００３】
なお、図１２では、図面が複雑になるのを避けるためにブームシリンダおよびチルトシリンダの図示を省略してある。また、チルトシリンダの車体の構造体との枢軸位置（ピボット位置）Ｚは、図面ではブーム１０上に描かれているが、実際には図示しない車体に存在し、ブーム１０上に存在する訳ではない。そして、図１２においては、バケット２０の地上位置、中間位置、および最も上方のトップ位置での状態が示されている。
【０００４】
このような構成のホイルローダでは、バケット２０を地上位置近辺にして掘削作業を行い、中間位置あるいはトップ位置からダンプさせてトラックへの積込作業を行う。
さらに、掘削作業の他、ホイルローダを用いて泥土や家畜のし尿等を汲み上げる場合もある。この場合には、図１２に示すように、バケット２０を地上位置でチルトさせておき、流動性のある泥土などをこぼれにくくして効率的に汲み上げるようにしている。
【０００５】
このようなホイルローダにおいて、Ｚバーリンクにフォークを組み合わせたホイルローダも知られている（例えば、特許文献１）。
このホイルローダは、図１３に示すように、バケット２０からフォーク３０に交換可能であり、交換する際に、図示しないチルトシリンダを幾分伸ばした状態にし、この状態でフォーク３０を取り付けるようにしている。すなわち、チルトシリンダの伸ばし量は、二点鎖線で示すように、バケット２０でのオフセット角度ａ分に相当し、この位置でフォーク３０を連結リンク１３に取り付ける。
こうすることでＺバーリンクを用いたホイルローダであっても、地上位置からトップ位置までアタッチメント角度が略一定に維持されて角度特性を改善でき、フォーク３０での作業を可能にしている。
［０００６］
特許文献１：特開昭６３−２２４９９号公報
［発明の開示］
［発明が解決しようとする課題］
［０００７］
しかしながら、前記特許文献１に記載のＺバーリンクにフォークを組み合わせたホイルローダは、フォークの代わりにバケットを装着し、バケットを最高位置までリフトさせると、水平面に対するバケットの下面の先端部分の下がり角度が大きくなってしまう。
このため、掘削等によりバケット内に土砂を積み込み、ダンプトラック等の荷台に土砂を積み込もうとしても、ブームの上昇に伴ってバケットが意図に反してダンプしてしまい、意図した高さでのダンプ積み込み作業ができない。
【０００８】
本発明の目的は、通常のバケット類及びフォークが交換可能であり、かつバケット類を最高位置にリフトさせてもほぼ水平を保ち、意図した高さからのダンプ積み込み作業が可能なホイルローダを提供することにある。
【０００９】
本発明のホイルローダは、
一端が作業機を支持する構造体に取り付けられたブームと、
前記ブームの他端に取り付けられたバケットと、
前記ブームの長手方向の途中に取り付けられたベルクランクと、
一端が前記構造体に枢軸され、他端が前記ベルクランクの一方の端部に取り付けられたチルトシリンダと、
前記ベルクランクの他方の端部および前記バケットを連結する連結リンクとを備え、
前記バケットはフォークと交換可能であり、
前記バケットを地上水平位置とし、前記バケットの下面を地上面に置いたときに、前記チルトシリンダは、他端が前記ベルクランクの上端部分に取り付けられており、
前記連結リンクは、前記ベルクランクの下端部分に連結されており、
前記ベルクランクにおける、前記ブームとの枢軸位置及び前記連結リンクとの枢軸位置を結ぶ第１線分と、前記ベルクランクにおける、前記ブームとの枢軸位置及び前記チルトシリンダとの枢軸位置を結ぶ第２線分とのなす角度θが、バケット側で、
１５５（deg）≦θ≦１７６（deg）であり、
前記第２線分と、前記ベルクランクにおける前記チルトシリンダとの枢軸位置及び前記チルトシリンダの前記構造体に対する枢軸位置を結ぶ線分とのなす角度αが、
５３．５（deg）≦α≦７２．３（deg）であり、
前記バケットを地上水平位置とし、前記バケットの下面を地上面に置いた状態で、前記バケットの前記ブームとの取付位置及び前記バケットの前記連結リンクとの取付位置を結ぶ線分と、当該線分が前記バケットの前記ブームとの取付位置を通る鉛直線とのなす角度δが、
５≦δ≦２３．３（deg）であり、
前記バケットを地上水平位置とした状態から前記チルトシリンダを操作することなく最高位置としたときに、水平面に対する前記バケットの下面先端の下がり角度ωが、
ω≦４．５（deg)である
ことを特徴とする。
［００１０］
ここで、最高位置における許容される下がり角度は、積み込まれた土砂とバケットの内側底面との間の最大静止摩擦係数μと、作業機械の作業機を動作した時に、バケットに作用する加速度Ｇに基づいて定められる。
【００１１】
このような本発明によれば、ベルクランクの第１線分及び第２線分のバケット側でなす角度θを１７６（deg）以下とし、ベルクランクの第２線分及びチルトシリンダの中心線の角度αを７２．３（deg）以下とすることにより、バケット類を最高位置にチルトしても、バケット類の掘削面先端の下がり角度ωを４．５以下とすることができるため、バケット類を最高位置にチルトしても、積み込んだ土砂がバケット類から脱落することがなく、バケット類及びフォーク類双方を使用できるホイルローダとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るホイルローダの構造を表す側面図。
【図２】前記実施形態におけるホイルローダの構造を表す斜視図。
【図３】前記実施形態におけるホイルローダのバケット類の地上水平位置、地上最高位置の状態を表す模式図。
【図４】前記実施形態におけるバケット類の下がり角度及び摩擦係数の関係を表す模式図。
【図５】前記実施形態における角度α及び下がり角度ωの関係を表すグラフ。
【図６】前記実施形態における角度α及び角度θの関係を表すグラフ。
【図７】前記実施形態における角度α及び下がり角度ωの関係を表すグラフ。
【図８】前記実施形態における角度α及びジオメトリ回転角度δの関係を表すグラフ。
【図９】前記実施形態のホイルローダに他のアタッチメントを装着した際の地上水平位置、中間位置、地上最高位置の状態を表す模式図。
【図１０】前記実施形態におけるタイプＡに係るホイルローダのバケットを装着した際の地上水平位置、地上最高位置の状態と、フォークを装着した際の地上水平位置、中間位置、地上最高の状態を表す模式図。
【図１１】前記実施形態におけるタイプＢに係るホイルローダのバケットを装着した際の地上水平位置、地上最高位置の状態と、フォークを装着した際の地上水平位置、中間位置、地上最高の状態を表す模式図。
【図１２】従来のＺバーリンクの構造を表す模式図。
【図１３】従来のＺバーリンクにフォークが取り付けられた構造を表す模式図。
【符号の説明】
【００１３】
１…ホイルローダ、１０…ブーム、２０…バケット、１１…ベルクランク、１２…チルトシリンダ、１３…連結リンク、Ｌ１…第１線分、Ｌ２…第２線分、Ｌ３…線分。
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るホイルローダ１の全体を示す側面図、図２は、ホイルローダ１の作業機２を示す外観斜視図である。ここで、作業機２とは、図２から構造体１６Ａを除いた部分をいう。なお、各図において、背景技術で説明した構成部材については同一符号を付してある。
ホイルローダ１は、前後のタイヤ１４，１５で自走可能な車体１６を有しているとともに、車体１６の前方（図中の左側）にバケット２０を含む作業機２を支持する構造体１６Ａと、バケット２０駆動用のブーム１０およびＺバーリンク式のリンク機構とを備えている。
【００１５】
ブーム１０は、基端が構造体１６Ａに枢軸されてブームシリンダ１７で駆動され、ブーム１０の先端には前記バケット２０が枢軸されている。Ｚバーリンク式のリンク機構は、ブーム１０の長手方向の途中に枢軸された「く」の字形状のベルクランク１１と、ベルクランク１１の上端側（バケット２０が地上位置にあるときの上端側）を駆動するチルトシリンダ１２と、ベルクランク１１の下端側およびバケット２０を連結する連結リンク１３とで構成され、チルトシリンダ１２がベルクランク１１および構造体１６Ａを連結するように取り付けられている。
【００１６】
この際、チルトシリンダ１２の基端側は構造体１６Ａに枢軸されており、チルトシリンダ１２の構造体１６Ａとの枢軸位置Ｚは、ブーム１０を上昇させた際、バケット２０のアタッチメント角度が地上位置からトップ位置の間でずれない位置に設定され、本実施形態では、ブーム１０の構造体１６Ａとの枢軸位置Ｓのやや下方に設定されている。このことにより、地上位置で水平あるいはチルト状態のバケット２０の角度特性を向上させている。
【００１７】
一方、このようなホイルローダ１において、ベルクランク１１は、ブーム１０との枢軸位置Ｙおよび連結リンク１３との枢軸位置Ｘを結ぶ第１線分Ｌ１と、チルトシリンダ１２との枢軸位置Ｗおよび枢軸位置Ｙを結ぶ第２線分Ｌ２とのなす角の角度θがバケット２０側で、次の式（１）の範囲に設定されている。
【００１８】
［式１］
０（deg）＜θ≦１７６（deg)・・・（１）
【００１９】
また、図１に示されるように、バケット２０を地上水平位置として、バケット２０の下面２１を地上面に置いた状態で、チルトシリンダ１２の構造体１６Ａとの枢軸位置Ｚ、及び、チルトシリンダ１２の先端のベルクランク１１のチルトシリンダ１２との枢軸位置Ｗを結ぶ線分Ｌ３と、前述した第２線分とのなす角の鋭角側の角度αが、次の式（２）の範囲に設定されている。
【００２０】
［式２］
α≦７２．３（deg）・・・（２）
【００２１】
ここで、ピンと孔とを備えて構成されるリンクは、一般的に、リンクアーム部材間の角度が１５（deg）以下になると摩擦の影響が大きくなり、動作がスムーズでなくなるため、角度αの値も１５（deg）を超えることが望ましい。
【００２２】
さらに、バケット２０を地上水平位置として、バケット２０の下面２１を地上面に置いた状態で、バケット２０のブーム１０との取付位置ＰＰ１と、バケット２０の連結リンク１３との取付位置ＰＰ２を結ぶ線分Ｌ４が取付位置ＰＰ１を通る鉛直線Ｖとなす角を、仮にこの角度をジオメトリ回転角度δと称すると、このジオメトリ回転角度δは、次の式（３）の範囲に設定されている。
【００２３】
［式３］
δ≦２３．３（deg）・・・（３）
【００２４】
前述した角度θ、α、δは、次のように定められている。
まず、図３に示されるように、バケット２０を最高位置Ｔまでリフトしたときに、バケット２０内に積み込まれた土砂が滑り落ちては、ダンプトラック等の荷台に土砂を積み込むことができないので、この点について検討する。
図３において、バケット２０を、チルトシリンダ１２を伸縮させることなくブームシリンダ１７のみにより、地上水平位置Ｅから最高位置Ｔまでリフトさせたときに、バケット２０の下面２１先端の水平面Ｈに対する下がり角度ωがどのようになるかについて検討する。
【００２５】
水平面Ｈに対してバケット２０の下面２１先端の下がり角度ωを変化させたときに、土砂が滑り落ちない条件は、図４に示されるように、下がり角度ωが大きくなるに従って、土砂とバケット２０の内側底面２２（図３参照）との最大静止摩擦係数μが大きくなるグラフＧ１のような関係となり、この関係は、Ｗを荷の質量、ｇを重力加速度、ｂを水平方向加速度とすると、以下の式（４）で表される。
【００２６】
［式４］
Ｗ・ｇ・ｓｉｎω＋Ｗ・ｂ・ｃｏｓω＝（Ｗ・ｇ・ｃｏｓω−Ｗ・ｂ・ｓｉｎω）×μ・・・（４）
【００２７】
ここで、ホイルローダ１を後退させる際の加速度、すなわち、バケット２０に水平後退方向に生じる加速度は、概ね０．０２Ｇ〜０．１Ｇであるが、土砂等をトラックの荷台にダンプする際には、土砂等が滑り落ちる危険を避けるためには、０．０２Ｇと考えて差し支えない。従って、図４は、加速度を０．０２Ｇとした場合の下がり角度ω及び最大静止摩擦係数μの関係を表している。
【００２８】
一方、土砂とバケット２０の内側底面２２の最大静止摩擦係数μは、内側底面２２の塗装や表面の目荒らしによって調整することは可能であるが、永年使用すれば、内側底面２２は摩耗してバケット２０を構成する鋼材の面に近い最大静止摩擦係数μを取ることとなり、通常の最大静止摩擦係数μとしては、土砂等が滑り落ちる危険を避けることを考慮し、０．１を取ると考えられる。
以上のことから、図４のグラフを参照すると、バケット２０の下がり角度ωは、最大静止摩擦係数μが０．１であると考えれば、４．５（deg）以下としなければ、バケット２０内に積み込んだ土砂が滑り落ちる可能性が高くなることが判る。
【００２９】
次に、フォーク３０装着時において、地上水平位置Ｅ、中間位置、最高位置Ｔでの水平面Ｈに対するフォーク３０の下面の先端部分の上がり角度が、角度θを変化させてもそれぞれの位置で同一であるように保ちつつ、ベルクランク１１の第１線分Ｌ１及び第２線分Ｌ２のなす角度θを変化させたときに、角度αと、最高位置Ｔにおけるバケット２０の下がり角度ωの関係は、下記表１及び図５に示されるグラフＧ２、Ｇ３に表される。図５及び後述の図６のグラフ上の点Ｐ１におけるバケット２０、フォーク３０の状態をそれぞれ図１０Ａ、図１０Ｂに、点Ｐ２におけるバケット２０、フォーク３０の状態をそれぞれ図１１Ａ、図１１Ｂに示す。グラフ上の点Ｐ１、Ｐ２以外の点においては、θが変化してもフォーク３０装着時角度変化を同じにするため、Ｚの位置も移動している。なお、図１０Ｂおよび図１１Ｂにおけるω’は、フォーク３０の下面の先端部分の上がり角度を示している。
【００３０】
【表１】

【００３１】
ここで、バケット２０の下がり角度ωを検討するに当たり、ブーム寸法等の異なる２種類のホイルローダ１（図５ではタイプＡ、タイプＢとし、タイプＡのグラフがＧ２、タイプＢのグラフがＧ３である。）でシミュレーションを行っている。また、図５において、縦軸のバケット２０の下がり角度ωは、ω＜０（deg）がバケット２０の下面２１の先端が水平面よりも下がっている状態を表し、ω＞０（deg）がバケット２０の下面２１の先端が水平面よりも上がっている状態を表している。
図５に示されるグラフＧ２、Ｇ３によれば、バケット２０の下がり角度ωが４．５（deg）となるのは、タイプＡでは角度αが７４．６（deg）、タイプＢでは角度αが７２．３（deg）であることが判る。
【００３２】
また、このシミュレーションにおけるタイプＡ及びタイプＢの角度αとベルクランク１１の角度θとの関係は、図６のグラフＧ４、Ｇ５で与えられる。このグラフＧ４、Ｇ５によれば、タイプＡでは角度αが７４．６（deg）以下となるベルクランク１１の角度θは、Ｇ４から１７６（deg）以下であり、タイプＢでは角度αが７２．３（deg）以下となる角度θは、Ｇ５から１７６（deg）以下であることが判る。
従って、タイプＡ（Ｇ４）及びタイプＢ（Ｇ５）のいずれのタイプのホイルローダ１でも、最高位置Ｔでのバケットの下がり角度ωを４．５（deg）以下とするには、角度αを７２．３（deg）以下とし、ベルクランク１１の角度θを１７６（deg）以下とすればよいことが判る（図６のハッチングの内側部分）。
以上のことから、角度θが前記式（１）を満たし、角度αが前記式（２）を満たすことを必要条件とすることにより、図３に示される最高位置Ｔにおけるバケット２０の下がり角度ωを４．５（deg）以下とすることができるので、チルトシリンダ１２の伸縮量を調整することなく、また、バケット２０に積み込んだ土砂が滑り落ちることなしに、バケット２０を最高位置Ｔにリフトすることができるのである。
【００３３】
次に、フォーク３０装着時において、地上水平位置Ｅ、中間位置、最高位置Ｔでの水平面Ｈに対するフォーク３０の下面の先端部分の上がり角度ω’が、角度θを変化させてもそれぞれの位置で同一であるように保ちつつ、ジオメトリ回転角度δを変化させたときに、角度αと、最高位置Ｔにおけるバケット２０の下がり角度ωの関係は、下記表２及び図７に示されるグラフＧ６、Ｇ７に表される。尚、グラフＧ６は、ホイルローダ１のタイプＡの変化を表し、グラフＧ７は、ホイルローダ１のタイプＢの変化を表している。
ジオメトリ回転角度δを変化させることにより、ブーム端点ＰＰ１を中心として連結リンク１３とベルクランク１１が回転移動し、枢軸位置Ｘの位置も移動している。グラフにおける点Ｐ１、Ｐ２以外の点においては、ジオメトリ回転角度δを変化させても、フォーク３０装着時における水平面Ｈに対するフォーク３０の下面の先端部分の上がり角度ω’を同じにする為にＺの位置も移動している。
【００３４】
【表２】

【００３５】
図７に示されるグラフＧ６、Ｇ７によれば、バケット２０の下がり角度ωがほぼ４．５（deg）となるのは、タイプＡでは角度αが７４．６（deg）であることが判るが、タイプＢについては、ωが４．５（deg）を挟むように、角度αが７２．２４（deg）の場合にωが４．３８（deg）となり、角度αが７２．７８（deg）の場合にωが４．６０となっている。これらの値で一次近似を行ってωが４．５（deg)となる位置を求めてみると、角度αは７２．５３であることが判る。
【００３６】
また、このシミュレーションにおけるタイプＡ及びタイプＢの角度αとジオメトリ回転角度δとの関係は、図８のグラフＧ８、Ｇ９で与えられる。このグラフＧ８、Ｇ９によれば、タイプＡでは角度αが７４．６（deg）以下となるジオメトリ回転角度δは２３．３（deg）以下であり、タイプＢでは角度αが７２．２４（deg）以下となるジオメトリ回転角度δは２７．６（deg）以下であることが判る。
従って、タイプＡ（Ｇ８）及びタイプＢ（Ｇ９）のいずれのタイプのホイルローダ１でも、最高位置Ｔでバケットの下がり角度ωを４．５（deg）以下とするには、前述と同様に角度αを７２．３（deg）以下とし、ジオメトリ回転角度δを２３．３（deg）以下とすればよいことが判る（図８のハッチングの内側部分）。
以上のことから、角度αが前記式（２）を満たし、ジオメトリ回転角度δが前記式（３）を満たすことを必要条件とすることにより、図３における最高位置Ｔにおけるバケット２０の下がり角度ωを４．５（deg）以下とすることができるので、角度θ及び角度αの場合と同様に、チルトシリンダ１２の伸縮量を調整することなく、また、バケット２０に積み込んだ土砂が滑り落ちることなしに、バケット２０を最高位置Ｔにリフトすることができるのである。もちろんより望ましくは、式（１）、（２）、及び式（３）を満たせば、より確実に下がり角度ωが４．５（deg）以下のホイルローダ１とすることができる。
【００３７】
このような条件を満たす一例として、タイプＡのホイルローダ１の角度αが５５．４（deg）、ジオメトリ回転角度δが７．０（deg）、下がり角度ωが３．０（deg）となるものについて、図９に示されるように、アタッチメントをフォーク３０に変更して、フォーク３０を地上水平位置Ｅから中間位置Ｍ、最高位置Ｔまでチルトさせた状態でシミュレーションを行った。
【００３８】
シミュレーションの結果、フォーク３０の先端部分の水平面に対する上がり角度ω’は、地上水平位置Ｅで０（deg）、中間位置Ｍで１．６（deg）、最高位置Ｔで７．８（deg）となり、最高位置Ｔにおいても、フォーク３０に積載した荷物等がフォーク３０の先端から脱落することはなく、前記条件を満たすホイルローダ１であれば、アタッチメントにバケット２０及びフォーク３０のいずれを用いても、積み込んだ土砂や、積載した荷物がアタッチメントから脱落することなく、最高位置Ｔであっても荷下ろしやダンプ等を確実に行えることが確認された。
【００３９】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、ホイルローダ１について本発明を適用していたが、これに限られず、いわゆるＺバーリンクを備えた作業機械であれば本発明を適用することができる。
また、本発明における角度θ、α、及びジオメトリ回転角度δは、前記実施形態に示されるものに限定されるものではなく、要するに最高位置におけるバケット２０の下がり角度が４．５（deg）以下となればよく、前記条件を満たす範囲で種々の組合せを採用することができる。
その他、本発明の具体的な構造及び形状等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ホイルローダに利用することができる他、自走式や定置式に限定されないあらゆる建設機械及び土木機械にも利用できる。

Claims (1)

1. 一端が作業機を支持する構造体に取り付けられたブームと、
   前記ブームの他端に取り付けられたバケットと、
   前記ブームの長手方向の途中に取り付けられたベルクランクと、
   一端が前記構造体に枢軸され、他端が前記ベルクランクの一方の端部に取り付けられたチルトシリンダと、
   前記ベルクランクの他方の端部および前記バケットを連結する連結リンクとを備え、
   前記バケットはフォークと交換可能であり、
   前記バケットを地上水平位置とし、前記バケットの下面を地上面に置いたときに、前記チルトシリンダは、他端が前記ベルクランクの上端部分に取り付けられており、
   前記連結リンクは、前記ベルクランクの下端部分に連結されており、
   前記ベルクランクにおける、前記ブームとの枢軸位置及び前記連結リンクとの枢軸位置を結ぶ第１線分と、前記ベルクランクにおける、前記ブームとの枢軸位置及び前記チルトシリンダとの枢軸位置を結ぶ第２線分とのなす角度θが、バケット側で、
   １５５（deg）≦θ≦１７６（deg）であり、
   前記第２線分と、前記ベルクランクにおける前記チルトシリンダとの枢軸位置及び前記チルトシリンダの前記構造体に対する枢軸位置を結ぶ線分とのなす角度αが、
   ５３．５（deg）≦α≦７２．３（deg）であり、
   前記バケットを地上水平位置とし、前記バケットの下面を地上面に置いた状態で、前記バケットの前記ブームとの取付位置及び前記バケットの前記連結リンクとの取付位置を結ぶ線分と、当該線分が前記バケットの前記ブームとの取付位置を通る鉛直線とのなす角度δが、
   ５≦δ≦２３．３（deg）であり、
   前記バケットを地上水平位置とした状態から前記チルトシリンダを操作することなく最高位置としたときに、水平面に対する前記バケットの下面先端の下がり角度ωが、
   ω≦４．５（deg)である
   ことを特徴とするホイルローダ。

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