JP4774479B2 - 動的にバランスしたハンドガイド式こて - Google Patents

Description

本発明はコンクリート仕上げこて、特に、操作者の労力を軽減するため動的にバランスせしめたハンドガイド式回転コンクリート仕上げこてに関するものである。

ハンドガイド式こてはコンクリート面を仕上げるためのものとして一般に知られている。ハンドガイド式こては、地面に載せた複数のこて刃より成るロータを含む。このロータはロータに乗せたフレームまたは“ケージ”に設けたモータによって駆動される。このこては、ケージから数フィート延びるハンドルを介して操作者によって制御される。回転こて刃は、中間サイズや大きなコンクリート版を仕上げるためには極めて効果的なものである。

然しながら、従来のハンドガイド式こてには幾つかの欠点がある。

例えば、回転刃は或る大きさの力またはトルクをケージに与え、操作者はハンドルを介してこれに対抗する必要がある。即ち、刃の回転はケージとハンドルに力即ちトルクを加え、ハンドルは半時計方向または操作者の右側に回動されるようになる。更に、刃の回転は機械全体を直線的に後方に押すようになり、これに抗して操作者はハンドルを前方に押す必要がある。操作者に耐え得る合成力は、養生コンクリートの“湿気”によって変る、回転刃によって生ずる動的摩擦係数により増加する。これらの力に対する抵抗は、一回に数時間操作される機械の場合操作者に極めて大きな疲労をもたらす。

本発明者は、操作者が耐えなければならない半動力を減少するための技術を研究し、これらの力は、こての重心の中心が僅か後方で、回転軸の左側にあるハンドガイド式こての場合こてが静的にバランスしていれば減少できることを理論づけた。即ち、こての重心の中心を前方にづらせば反動力を減少できることを見出した。然しながら、このようにづらせばこての操作の間に作られる反動力が実際上増加することも見出した。

本発明の目的は、従来のハンドガイド式こてよりもより容易に操縦し制御できるハンドガイド式回転こてを得るにある。

本発明の他の目的はハンドガイド式こての操縦と制御を行なう操作者の労力を減少することにある。

本発明のハンドガイド式回転こては、こてを制御しガイドするため耐えなければならない操作者が受ける力を最小にするため良好な“動的バランスを”有する。静的及び動的操作とそのバランスはコンクリート仕上げの操作特性に影響を及ぼす。摩擦、エンジントルク、機械の重心、ガイドハンドルの位置に留意すべきである。この結果、動的バランスによる反動力の減少は、機械の重心を代表的な機械の重心に対しづらせば良いことが判明した。即ち、従来のハンドガイド式回転こてに比較してガイドハンドルアセンブリに対しエンジンの向きを反対とし、またエンジンは従来のものより右方にづらすことによって上記の目的を達成できた。上記のづらしによって従来のものより操作者が耐えなければならない力を少なくとも５０％減少できた。これによって操作者の疲労は十分に減少される。

以下図面によって本発明の実施例を説明する。

（１．こての構造）

図１〜図３は本発明のハンドガイド式こて１０を示す。一般にハンドガイド式こて１０は、ロータ１２と、このロータ１２によって支持したフレームまたは“ケージ”１４と、ケージ１４によって支持したモータまたはエンジン１６と、このモータ１６をロータ１２に結合するための駆動ギヤ１８と、こて１０を制御し操縦するハンドルアセンブリ２０とを有する。図２に示すようにロータ１２は、垂直軸またはロータ入力軸２６によって駆動されるハブ２４から半径方向に延びる複数のこて刃２２を含む。

モータ１６はロータ１２上のケージ１４に取り付けた内燃エンジンを含む。図１〜図３に示すモータ１６はハンドガイド式こてに用いる通常のタイプのものであって、クランクケース３０と、燃料タンク３２と、空気供給システム３４と、マフラ３６と、引っ張りコード型スタータ３８と、出力軸（図示せず）等を有する。駆動ギヤ１８はエンジン出力軸から駆動トルクをロータ入力軸２６に伝達するためのものである。また、モータ出力軸に結合した遠心クラッチ（図示せず）と、クラッチからトルクをロータ入力軸２６に伝達するためのギヤボックス４０とを有する。このギヤボックス４０は図１に示すようにベルト駆動アセンブリ４２によってクラッチに結合する。好ましいギヤボックス４０はハンドガイド式こてに普通に用いられる型のウォームギヤボックスである。

ハンドルアセンブリ２０はポスト４４とガイドハンドル４６とを有する。ポスト４４は、ギヤボックス４０に取り付けた下端４８と、この下端４８から数フィート上方及び後方に配置した上端５０とを有する。ガイドハンドル４６はポスト４４の上端５０に取り付ける。刃ピッチ調節ノブ５２をポスト４４の上端５０に取り付ける。スロットル制御、キルスイッチ等をポスト４４及びまたはガイドハンドル４６に取り付ける。

ケージ１４は、複数の垂直方向に離間した同心状のリング５４と、デッキ５６と、夫々デッキ５６の底部から最下部のリング５４に向って下方に延びる多数のアングルアーム５８とによって構成される。リング５４は、こて１０を支持し、管や板またはロータ１２を保護するに好ましい剛性と強さを有する他の構成のものから作る。重量を所望の方法で配分するため、リング５４の１つまたはそれ以上を、比較的軽い管の１つまたはそれ以上の弧状のセグメントと、厚い板の他のセグメントとにより構成する。アングルアーム５８の１つまたはそれ以上を同様にしてセグメントから構成しても良い。付加的な重量配分を達成するためケージ１４に重りを取り付けても良い。

（２．重心オフセット）

図１〜図３に示すように、こての重心“Ｃ／Ｇ”をロータの回転軸“Ａ”に対して横方向及び縦方向にオフセットする。即ち、重心を回転軸Ａから後方及び右方に離す。この位置決めと好ましい位置は後述する。実際の動的バランスは２つのオフセットによって好ましくは達成できる。第１に、従来のものに比べ、モータ１６をハンドルアセンブリ２０に対し１８０°回転せしめる。従って、燃料タンク３２は後方を向き操作者に近づくようになり、空気供給システム３４とマフラ３６は操作者から離れて前方を向くようになる。更に、トルク伝達システムである駆動ギヤ１８を操作者の左側に位置決めする。従って、モータ１６は“後方フェーシング”から“前方フェーシング”となる。この結果、こての重心Ｃ／Ｇはこての幾何学的中心の右側になる。また、ギヤボックス４０も１８０°回転せしめる。上記各部分の配向の変更により従来のものに比べ重心Ｃ／Ｇが右方にでれることになる。また、重心Ｃ／Ｇはロータの回転軸Ａから更に後方に移るようになる。

こて刃の直径が４８″の実施例の場合、好ましい結果は重心Ｃ／Ｇをこての回転軸Ａの後方に３．７５インチ、右方に０．３７５インチづらすようにモータ１６をづらすことによって得られる。縦方向及び横方向のオフセット値“ｄ”と“ｃ”を図２及び図３に夫々示す。即ち、後述するように好ましいバランス効果は０．１２５インチという小さな横方向（Ｘ）オフセットによって達成できる。

上記再配向によってガイドハンドル４６に加わる直線力は略消去され、操作者はハンドルに加わる回転トルクとこれに起因する直線力に対してのみ対抗すれば良いようになる。この効果は図４のグラフによって説明する。このグラフは、上述した本発明の構成のこてに加えられる力と４８″のこて刃を有する従来のこての力とを比較したものである。これらの力は鋼板上で操作される標準の刃を用いて測定した。比較のカーブ６０〜６４は、エンジン回転数ＲＰＭと操作者が耐える力の合計が約６５〜７５ポンドから２０〜３０ポンドに減少したことを示している。カーブ６２と６６の比較から明らかなように重心の移動によって回転刃のトルクによる直線力が約４０〜４５ポンドが１０ポンド以下に減少するようになる。

モータ再配向の副次的効果は、機械からの熱の蒸気が操作者に向わない方向に放散されるため操作者の快適さを増加させることである。

（３．重心オフセットの決定）

ロータの回転軸Ａに対する好ましい横方向及び縦方向の重心オフセット“ｃ”と“ｄ”、即ちこての設計のための好ましい重心位置は試行錯誤の経験によって与えられた。更に、これらは機械の幾何学的構造と、コンクリート養生の間の動的摩擦係数の変化を考慮して計算によって決定された。これらの計算と以下ハンドガイド式こての操作の間に発生する力を示す図５Ａから図５Ｃによって説明する。

動的バランスによりこてのハンドルに加わる力を減少できる。図５Ａは水平面ＸＹを示し、ライン７０はこて刃である。各こて刃７０に作用する力の中心とロータの回転軸Ａ間の距離を“ａ”と仮定する。ライン７２は側面（Ｘ）内のガイドハンドル、“ｅ”は図１〜図３に示す中心ポスト４４両側である。即ち、ガイドハンドルの横方向長さは２ｅで示される。ハンドル１２は、ライン７４によって示されるガイドハンドル上のグリップとロータの回転軸Ａの間に縦方向長さ“ｂ”を有する。操作に際しては、４個の刃が摩擦水平力F_Af，F_Bf，F_Cf，F_Df を夫々発生し、この結果回転軸Ａの周りにモーメントaF_Af，aF_Bf，aF_Cf，aF_Df が加わる。ハンドル１２には縦（Ｙ）水平力F_H2 と F_H3 及び横（Ｘ）力 F_H1が加わる。

ハンドルＸ方向に加わる力は数１を用いてバランスしまたは零にできる。

ハンドルにＹ方向に加わる力は数２を用いてバランスしまたは零にできる。

ＸＹ面のモーメントは数３を用いてバランスしまたは零にできる。

残りの面における力のバランスも同様にして成し得る。図５Ｂは、ＸＺ面内のこてを示し、ハンドルに加わる垂直（Ｚ）力は数４を用いてバランスまたは零にできる。

なお、F_AZ，F_BZ，F_CZ，及びF_DZ は刃に作用する垂直力、F_H4 及びF_H5 はガイドハンドルの端部に加わる垂直力、F_w はこての重心を通して作用する重力、ｃはロータの回転軸Ａに合致するこての中心とこての重心Ｃ／Ｇ間の横（Ｘ）方向オフセットである。

ＸＺ面内のモーメントは数５を用いてバランスしまたは零にできる。

ここでｈはガイドハンドルの高さである（図５Ｂのライン７６参照）。

図５ＣはＹＺ面内のこてを示し、ＹＺ面のモーメントは数６を用いてバランスしまたは零にできる。

ここでｄは、ロータの回転軸Ａと合致するこての中心とこての重心Ｃ／Ｇ間の縦（Ｙ）方向オフセットである。

上記パラメータを使用し、左右の重心、ハンドルに加わる力の関数であるｃ、こての大きさ、仕上げるべき表面の摩擦係数μは数７で示される。

刃の回転よって加えられる力F_H1 はこての重心の調節によって消去することはできない。然しながら、残りの力F_H2，F_H3，F_H4，F_H5 を零とするように数７を単純化すれば、これらの力を消去するために望まれる横方向オフセットｃは、数８によって決定できる。

ここでａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、
ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離であり、
ｃは横方向オフセットであり、
ｈはガイドハンドルの高さであり、
μは仕上げ面の動的摩擦係数である。

同様にして前後重心、ハンドルに加わる力の関数であるｄ、こての大きさ、仕上げ面の摩擦係数μは数９で示される。

力F_H2，F_H3，F_H4，及び F_H5 を零とするように数９を単純化すれば、数１０が得られる。

ここでｄは縦方向にオフセットであり、
ａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、
ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離である。

即ち、数８と数１０によって定めた値ｃとｄだけロータの回転軸Ａであるこての中心から重心Ｃ／Ｇを横方向及び縦方向にオフセットすれば、こての操作中ハンドルに加わる力は理論的には零となる。

この理論値ｃとｄは従来の多くのハンドガイド式こてには適用できないが幾つかのものには適用できる。例えば、理論的に最良である横方向オフセットｃは、モータがこての一側から片持支持されるようにローラ回転軸Ａから離れる距離である。

ｃとｄがオフセットの範囲を互いに越えたときの効果を定めること及び動的バランスの所望の最適なゴールを得るためのｃとｄの実際の値を選択することが実際上必要となる。このことは、以下のスッテプによって成し得る。

第１に、最小及びまたは比較的に生ずることが少ない、問題が少ない力を割引くことによって計算を簡単にするため、刃を時計方向に回転することによって加えられたトルクを和らげるため操作者の左手でのみハンドルを押した場合、ガイドハンドル４６に加えられる捩れ力が零になり（即ちF_H4 ＝ F_H5）、F_H3 ＝０となるものとする。この結果、縦方向の力F_H2 と F_H3 の合成力を実際の縦方向オフセット値ｄの夫々のため数１１を用いて定めることができる。

ここでF₂₃ はガイドハンドルに加えられる縦方向の力の合計であり、
ｄは縦方向オフセットであり、
F_Wはこての重心を通る重力であり、
ａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、
ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離であり、
F₄₅はガイドハンドルに加わる垂直な力の合計であり、
ｈはガイドハンドルの高さであり、
ｅはガイドハンドルの横方向長さの半分であり、
μは仕上面の動的摩擦係数である。

第２に、垂直力F₁₄ と F₁₅ の合成力を実際の縦方向オフセット値ｄと横方向オフセット値ｃを数１２を用いて定めることができる。

ここでｃは横方向オフセットである。

F₂₃ とF₄₅ は間に最良のバランスを与えるオフセット値ｃとｄを選択するためデザイナのための表１を以下に示す。デザイナは例えばF₂₃ の減少を犠牲にしながらF₄₅ を減少せしめるオフセット値を選択することができる。

この解析のオリフィス値及び実際に実行した値は表１から得られる。表１には、従来のオフセット値、しきい値、３６インチと４８インチのこての両者のため直前に示した方法を用いて選択した実際のオフセット値が示されており、ここで正の値はロータの回転軸Ａの後方または右方、負の値は回転軸Ａの前方または左方に位置することを示す。“３６インチこて”と“４８インチこて”は従来のこての寸法よりも標準のサイズである。また、“４６インチこて”も“４８インチこて”と同様一般的に知られている。

（４．こての操作）

こて１０の通常の操作において、トルクはエンジン出力軸からクラッチ、駆動ギヤ、ギヤボックス４０及びロータに伝えられる。

刃２２は回転され、仕上げられるコンクリート面に接してこれを平滑ならしめる。コンクリートによって加えられる摩擦抵抗は、例えばロータの回転速度、表面を仕上げるため用いた刃の型、表面に対する刃の向き、表面の摩擦係数によって変化する。操作者は、ガイドハンドを用いて操作の間表面に沿ってこて１０をガイドする。従来のハンドガイド式こては操作者は合計６０〜７５ポンドの抵抗を受けた。然しながら、上述のようにこて１０を動的にバランスせしめたので操作者が耐える合計の力は２０〜３０ポンドとなり５０％以上減少する。

本発明のハンドガイド式回転こての斜視図である。 図１に示すこての側面図である。 図１に示すこての正面図である。 種々の操作条件における力対回転数の関係を示すグラフである。 ハンドガイド式こての操作において生ずる力の説明図である。 ハンドガイド式こての操作において生ずる力の説明図である。 ハンドガイド式こての操作において生ずる力の説明図である。

符号の説明

１０ ハンドガイド式こて
１２ ロータ
１４ ケージ
１６ エンジン
１８ 駆動ギヤ
２０ ハンドルアセンブリ
２２ こて刃
２４ ハブ
２６ 垂直軸
３０ クランクケース
３２ 燃料タンク
３４ 空気供給システム
３６ マフラ
３８ スタータ
４０ ギヤボックス
４２ ベルト駆動アセンブリ
４４ ポスト
４６ ガイドハンドル
４８ 下端
５０ 上端
５２ 調節ノブ
５４ リング
５６ デッキ
５８ アングルアーム

Claims (14)

1. （Ａ）フレームと、
   （Ｂ）上記フレーム上に取り付けられた、回転出力を作るモータと、
   （Ｃ）操作者によって制御されるガイドハンドルと、
   （Ｄ）複数の刃を含むロータと、
   より成るこてであって、
   上記こてを後方より見たとき上記ガイドハンドルが上記フレームから直線状に後方に延び、上記ロータの刃が、上記フレームの略中心で下方に延びる回転軸の周りに回転可能であり、
   上記こての重心が、上記ロータの回転軸から縦方向後方及び横方向右方にオフセットされており、仕上げるべき表面に接した刃の回転によって上記ハンドルに伝達される力が、減少されることを特徴とするコンクリート仕上げこて。
2. 上記刃の直径が３６インチであり、重心が上記ロータの回転軸から０．００インチ〜２．００インチ右方にあることを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
3. 重心が上記ロータの回転軸から２．００インチ〜４．５０インチ後方にあることを特徴とする請求項２記載のコンクリート仕上げこて。
4. 重心が上記ロータの回転軸から０．７５インチ右方で、３．８７５インチ後方にあることを特徴とする請求項３記載のコンクリート仕上げこて。
5. 上記刃の直径が４８インチであり、重心が上記ロータの回転軸から０．００インチ〜１．５０インチ右方にあることを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
6. 重心が上記ロータの回転軸から２．００インチ〜４．５０インチ後方にあることを特徴とする請求項５記載のコンクリート仕上げこて。
7. 重心が上記ロータの回転軸から０．３７５インチ右方で、３．７５０インチ後方にあることを特徴とする請求項６記載のコンクリート仕上げこて。
8. 上記縦方向及び横方向のオフセットがこての幾何学的構造及び質量をベースとして互いに独立に定められることを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
9. 上記横方向及び縦方向のオフセットが、ガイドハンドルの長さと位置及び発生トルクに応じて定められることを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
10. 上記横方向及び縦方向のオフセットが、仕上げ面の摩擦係数に応じて定められることを特徴とする請求項９記載のコンクリート仕上げこて。
11. 上記縦方向オフセットが数１０をベースとして定められる、（ここでｄは縦方向にオフセットであり、ａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離である）ことを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
    

    
12. 上記横方向オフセットが数８をベースとして定められる、（ここでａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離であり、ｃは横方向オフセットであり、ｈはガイドハンドルの高さであり、μは仕上げ面の動的摩擦係数である）ことを特徴とする請求項１記載のコンクリート仕上げこて。
    

    
13. （Ａ）フレームと、
    （Ｂ）上記フレーム上に取り付けられた、回転出力を作るモータと、
    （Ｃ）操作者によって制御されるガイドハンドルと、
    （Ｄ）複数の刃を含むロータと、
    より成るこてであって、
    上記こてを後方より見たとき上記ガイドハンドルが上記フレームから直線状に後方に延び、上記ロータの刃が、上記フレームの略中心で下方に延びる回転軸の周りに回転可能であり、
    上記こての重心が、上記ロータの回転軸から縦方向後方及び横方向右方にオフセットされており、仕上げるべき表面に接した刃の回転によって上記ハンドルに伝達される力が、減少され上記モータが右方を向く出力軸と前方を向くマフラを有することを特徴とするコンクリート仕上げこて。
14. 上記縦方向及び横方向オフセットが数１１及び数１２をベースとして定められる、
    （ここでF ₂₃ はガイドハンドルに加えられる縦方向の力の合計であり、
    ｄは縦方向オフセットであり、
    F _W はこての重心を通る重力であり、
    ａはこて刃の１つに加わる力の中心とロータの回転軸間を結ぶ水平ラインの長さであり、各こて刃で同一であり、
    ｂはこての回転軸とガイドハンドル間の縦方向の距離であり、
    F ₄₅ はガイドハンドルに加わる垂直な力の合計であり、
    ｈはガイドハンドルの高さであり、
    ｅはガイドハンドルの横方向長さの半分であり、
    μは仕上面の動的摩擦係数であり、
    ｃは横方向オフセットである）ことを特徴とする請求項１３記載のコンクリート仕上げこて。
    

    

    

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