JP6576820B2 - 作業機械の旋回フレームの設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、作業機械の旋回フレームの設計方法に関する。

特許文献１に記載されるパワーショベルなどの作業機械は、下部走行体と上部旋回体を有している。上部旋回体は、下部走行体の上に旋回ベアリングを介して垂直軸回りに水平方向に旋回することが可能である。

上部旋回体は、台座部分として、旋回ベアリングに連結された旋回フレームを有する。上記の旋回フレームには、エンジンなどの機械類が取り付けられる。

旋回フレームは、底板と、当該底板に前後方向に延びるように立設された一対の縦板とを備えている。底板は、その前側の部分において、旋回ベアリングに拘束される非拘束部分を有する。一対の縦板は、底板の上面に溶接などによって固定されている。一対の縦板の後端部にはそれぞれ、カウンターウェイトが取付け可能なカウンターウェイト取付部分が連結されている。

特開２００３−２７５２２号公報

特許文献１記載の旋回フレームでは、上記のように、底板の前方側に旋回ベアリングに拘束される非拘束部分を有し、前後方向に延びる縦板の後端部にカウンターウェイト取付部分が連結されている。そのため、作業機械の使用時では、旋回フレームの縦板は、前方側を旋回ベアリングに拘束された状態で後方側がカウンターウェイトの荷重を受けるので、片持ち梁のように曲げ荷重を受ける。したがって、縦板は、この曲げ荷重に耐え得る曲げ剛性を必要とする。

しかし、縦板の曲げ剛性を向上するために、縦板全体の厚さを厚くすれば、旋回フレームの重量が増加するので、旋回フレームの軽量化と剛性確保とを両方させることが難しい。

本発明はかかる問題を解消するためになされたものであり、軽量化と剛性確保とを両立させることが可能な旋回フレームの設計方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明の作業機械の旋回フレームの設計方法は、下部走行体の上部に旋回ベアリングを介して旋回自在に取り付けられた作業機械の旋回フレームであって、前記旋回フレームの底部を構成する底板であって、当該底板の前側の部分において、前記旋回ベアリングに固定されることによって当該旋回ベアリングに拘束される被拘束部分を有する底板と、前記底板の前後方向に延びるように当該底板に立設された一対の縦板と、前記縦板の後端部に連結され、カウンターウェイトが取り付け可能な形状を有する一対のカウンターウェイト取付け部と、前記縦板を補強する補強部とを備えた旋回フレームの設計方法であって、前記補強部を、前記縦板において、前記一対のカウンターウェイト取付け部に取り付けられる前記カウンターウェイトによって前記一対の縦板に与えられる荷重によって前記縦板の内部に生じる主応力に基づいて求められた線状の力線の少なくとも一部に沿う位置に、配置する工程を含んでおり、前記工程では、前記線状の力線を、前記縦板と前記旋回ベアリングとの垂直方向における交差位置、前記カウンターウェイトの重心位置、および前記カウンターウェイトが前記カウンターウェイト取付け部に締結される締結位置が設定された状態で、前記カウンターウェイトの重心位置に荷重を与えるという条件をコンピュータに与えることによって、前記旋回フレームの応力解析を行い、ついで、応力解析結果の総和から前記縦板に発生するひずみエネルギー分布と主応力ベクトル線図を求め、前記主応力ベクトル線図に基づいて前記力線の角度を決定し、さらに、前記ひずみエネルギー分布に基づいて前記ひずみエネルギーが高い箇所を前記力線の始点あるいは終点として設定することによって、求める、ことを特徴とする。

本発明は、縦板がカウンターウェイトから受ける曲げ荷重によって当該縦板に生じる内部応力（あるいはひずみ）が大きい部分に補強部を選択的に設けることにより、旋回フレームの軽量化と剛性との両立を達成するものである。本発明者は、このような内部応力（あるいはひずみ）が大きい部分を線状につなげたものを力線として把握することによって当該力線との関係において補強部の配設位置を決定することが可能であることを見出した。

すなわち、本発明の旋回フレームの設計方法では、一対のカウンターウェイト取付け部にカウンターウェイトが取り付けられた状態では、カウンターウェイトによって一対の縦板に与えられる荷重によって縦板の内部に生じる主応力に基づいて線状の力線が一義的に求める。具体的には、線状の力線を、縦板と旋回ベアリングとの垂直方向における交差位置、カウンターウェイトの重心位置、およびカウンターウェイトがカウンターウェイト取付け部に締結される締結位置が設定された状態で、カウンターウェイトの重心位置に作用する荷重を与えるという条件をコンピュータに与えることによって、旋回フレームの応力解析を行い、ついで、応力解析結果の総和から縦板に発生するひずみエネルギー分布と主応力ベクトル線図を求め、主応力ベクトル線図に基づいて力線の角度を決定し、さらに、ひずみエネルギー分布に基づいてひずみエネルギーが高い箇所を力線の始点あるいは終点として設定することによって、求める。縦板におけるこの力線が通る部分では、内部応力（あるいはひずみ）が大きいので、その部分は他の部分と比較して補強する必要性が高い。そこで、本発明の設計方法では、上記のように、縦板における補強がとくに必要な力線に沿う位置に補強部を設けることにより、縦板全体を厚くして剛性を上げる必要が無くなり、その結果、旋回フレームの軽量化および剛性確保の両立を達成している。

上記の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、前記一対の縦板は、それぞれ、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面を有するテーパ部分を有しており、前記補強部は、前記テーパ部分において、前記力線のうち、前記底板の前記被拘束部分を拘束する前記旋回ベアリングと前記テーパ部分とが垂直方向において交差する交差位置から前記テーパ部分の前記上面へ延びる部分に沿って設けられた部分を含むのが好ましい。

縦板のテーパ部分の前側の部分は、後側の部分と比べて高くなっているので、当該前側の部分に補強部を設ければ補強部の高さを確保しやすくなる。そこで、補強部は、テーパ部分において、力線の最も前側の部分、すなわち、力線の起点となる旋回ベアリングとテーパ部分とが垂直方向において交差する交差位置から、テーパ部分の上面へ延びる力線の部分に沿って設けられる部分を含むことによって、少ない補強部によって旋回フレームの軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

上記の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、前記補強部は、前記力線のうちの前記縦板の前記後端部と前記カウンターウェイト取付け部との連結部分の上端から前記縦板の下面へ延びる部分に沿って設けられた部分を含むのが好ましい。

補強部は、縦板において、力線の最も後側の部分、すなわち、力線の終点となる縦板の後端部とカウンターウェイト取付け部との連結部分の上端から、前記縦板の下面へ延びる部分に沿って部分的に設けられることによって、少ない補強部によって旋回フレームの軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

上記の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、前記一対の縦板は、それぞれ、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面を有するテーパ部分と、当該テーパ部分の後端から後方へ前記テーパ部分の前記上面の傾斜角度よりも小さい傾斜角度で延びる上面を有し、エンジンを下方から支持することが可能な高さを有する支持部分と、を有しており、前記カウンターウェイト取付け部は、前記支持部分の後端部に連結され、前記補強部は、前記力線のうちの前記テーパ部分の前記上面と前記支持部分の前記上面との境界部から前記縦板の下面へ延びる部分に沿って設けられた部分を有するのが好ましい。

一対のカウンターウェイト取付け部にカウンターウェイトが取り付けられた状態では、縦板において垂直断面の断面積の変化率が最も大きく変化する部分である、テーパ部分の上面と支持部分の上面との境界部に応力集中が発生しやすく、上記の力線が当該境界部を通る位置に存在することが旋回フレームの応力解析によって確認されている。そこで、上記のように、補強部が、力線のうちの上記の境界部から縦板の下面へ延びる部分に沿って設けられた部分を有することにより、少ない補強部によって旋回フレームの軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

上記の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、前記補強部は、前記縦板に対して前記力線に沿って固定された長尺の部材で構成されるのが好ましい。かかる構成によれば、既存の旋回フレームの縦板に長尺の部材で構成された補強部を力線に沿って固定することにより、既存の旋回フレームを利用して軽量化および剛性確保の両立した旋回フレームを得ることが可能である。

上記の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、前記補強部は、前記縦板と一体形成され、当該縦板の側面から突出したものであるのが好ましい。かかる構成によれば、補強部を縦板と一体形成することにより、補強部の取付け作業が不要になるとともに補強部が縦板から脱落するおそれが無い。

以上説明したように、本発明の作業機械の旋回フレームの設計方法によれば、旋回フレームの軽量化と剛性確保とを両立させることが可能である。

本発明の設計方法で設計される作業機械の旋回フレームの側面図である。 図１の旋回フレームの正面図である。 図１の旋回フレームの平面図である。 （ａ）は図１の旋回フレームにおいて、カウンターウェイトの荷重によって縦板に生じるひずみエネルギー分布から導き出された力線を示す図、（ｂ）は（ａ）の旋回フレームの平面図である。 図１の旋回フレームにおいて、旋回ベアリングと縦板との交差位置Ｐから縦板のテーパ部分の上面へ斜め上後方へ延びる力線の部分に沿って補強部が配置された状態を示す図である。 図１の旋回フレームにおいて、縦板の後端部の上端から縦板の下面へ斜め下前方へ延びる力線の部分に沿って補強部が配置された状態を示す図である。 図１の旋回フレームにおいて、テーパ部分の上面と支持部分の上面との境界部から縦板の下面へ斜め下前方へ延びる力線の部分に沿って補強部が配置された状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の作業機械の旋回フレームの設計方法の実施形態についてさらに詳細に説明する。

図１〜３に示される本実施形態の設計方法で設計される作業機械の旋回フレーム１は、下部走行体および上部旋回体を有する作業機械（例えば、パワーショベルなど）における当該上部旋回体の台座部分を構成する。旋回フレーム１は、下部走行体の上部に旋回ベアリングＢを介して旋回自在に取り付けられる。

旋回フレーム１は、当該旋回フレーム１の底部を構成する底板２と、一対の縦板３と、一対のカウンターウェイト取付け部４と、複数のエンジンマウント５と、当該一対の縦板３を補強する補強部６とを備えている。

底板２は、その前側において、旋回ベアリングＢに固定されることによって当該旋回ベアリングＢに拘束される被拘束部分２ａを有する。被拘束部分２ａは、旋回ベアリングＢの外周円よりも大きい面積を有する。

一対の縦板３は、底板２に対して直角に立設されている。具体的には、一対の縦板３は、互いに離間した位置で平行状態を維持しながら底板２の前後方向に延びるように底板２の上に立てられ、底板２に溶接などによって接合されている。

一対の縦板３は、それぞれ、テーパ部分３ａと、支持部分３ｂとを有する。テーパ部分３ａは、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面３ａ１を有する、支持部分３ｂは、当該テーパ部分３ａの後端から後方へ水平に延びる上面３ｂ１を有する。支持部分３ｂの高さは、エンジンＥを下方から支持することが可能な高さに設定されている。

なお、支持部分３ｂの上面３ｂ１は、テーパ部分３ａの上面３ａ１の傾斜角度よりも小さい傾斜角度で後方へ延びていればよく、本発明では支持部分３ｂの上面３ｂ１が水平に延びることに限定されない。

一対のカウンターウェイト取付け部４は、カウンターウェイトＣＷが取り付け可能な形状（例えば直方体の箱形形状など）を有する。カウンターウェイト取付け部４は、支持部分３ｂの後端部に連結されている。

複数（本実施形態では４個）のエンジンマウント５は、それぞれ、エンジンＥを載置することが可能な形状を有する。図１および図３では、４個のエンジンマウント５のうち旋回フレーム１の前方側の２個のエンジンマウント５は、テーパ部分３ａにおける境界部３ｃの直前の位置に連結され、後方側の２個のエンジンマウント５は、支持部分３ｂに連結されている。４個のエンジンマウント５の上面の高さは、同じ高さになるように設定される。したがって、エンジンＥは、４個のエンジンマウント５の上面に載置されてねじなどで当該エンジンマウント５に固定される。これにより、エンジンＥは、４個のエンジンマウント５によって、支持部分３ｂおよび境界部３ｃの上方の位置で安定した状態で水平に支持される。

補強部６は、一対の縦板３の側面（例えば、当該一対の縦板３の互いに向かい合う面と反対側の旋回フレーム外側を向く面）に設けられている。本実施形態における旋回フレーム１の設計方法によれば、補強部６は、一対のカウンターウェイト取付け部４に取り付けられるカウンターウェイトＣＷによって一対の縦板３に与えられる曲げ荷重によって縦板３の内部に生じる主応力の向きと大きさから求められた力線Ｌに沿う位置に、配置される。図１に示される力線Ｌは、縦板３の内部を前方から後方側へ向けてジグザグに延びた形状を有する。なお、力線Ｌの求め方については後段で具体的に説明する。

この力線Ｌは、縦板３がカウンターウェイトＣＷから受ける曲げ荷重によって当該縦板３に生じる内部応力（あるいはひずみ）が大きい部分を線状につなげたものに対応するものである。本実施形態の旋回フレーム１の設計方法では、この力線Ｌに沿って補強部６を配置することにより、旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を達成するものである。

すなわち、一対のカウンターウェイト取付け部４にカウンターウェイトＣＷが取り付けられた状態では、カウンターウェイトＣＷによって一対の縦板３に与えられる曲げ荷重によって縦板３の内部に主応力が生じるが、その主応力の向きと大きさから縦板３の内部を通る力線Ｌが一義的に求められる。縦板３におけるこの力線Ｌが通る部分では、内部応力（あるいはひずみ）が大きいので、その部分は他の部分と比較して補強する必要性が高い。そこで、本実施形態の旋回フレーム１の設計方法では、上記のように、縦板３における補強がとくに必要な力線に沿う位置に補強部６を設ける工程を含むことにより、縦板３全体を厚くして剛性を上げる必要が無くなり、その結果、旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を達成している。

縦板３に設けられる補強部６は、縦板３の内部を前後方向にジグザグに延びる力線Ｌに沿う形状を有している。具体的には、補強部６は、ジグザグに延びる力線Ｌの各線分ごとに沿う複数の直線的な帯状部分６ａ〜６ｅを有する。

補強部６の幅や断面形状は、カウンターウェイトＣＷによって一対の縦板３に与えられる曲げ荷重による縦板３の撓み量等を考慮して、以下のようにして決定される。

まず縦板３の剛性の目標として定めた縦板３の撓み量がδＦ としたとき、補強部６が
固定されていない状態の縦板３のみの撓み量が例えば１．１δＦになっている場合を想定する。そのとき、力線Ｌに沿って発生している主応力が σｎとすると、このσｎを１０％減らすことで縦板３の撓み量が１０％低減する。ここで、縦板３に固定される補強部６の形状を決定するためには、力線Ｌに沿って設けられる補強部６の幅を例えばＷとすると、縦板３の力線Ｌに沿う部分の幅Ｗの部分の断面積Ａに対して、縦板３と補強部６の断面積の総和を断面積Ａの１．１倍になるように設定する（例えば、縦板３の厚さに対して０．１倍の厚さを有する補強板６を取り付けたり、または、当該補強板６を縦板３と一体形成する）。これにより、縦板３の力線Ｌに沿って発生する主応力を１０％低減することが可能となる。ただし、縦板３に対しては曲げによる荷重によって主応力が発生しているため、曲げによる応力を低減するために断面２次モーメントを１０％向上させる必要がある。これらの、断面積、断面２次モーメントを考慮して、補強部６の幅や形状を決定することが可能である。図１の力線Ｌで考えた場合、力線Ｌに直交する断面Ｂでは主応力低減のための断面積を考慮し、縦板３における垂直方向の断面Ａでは曲げ荷重によって断面Ａにおいて発生する曲げモーメントによる曲げ応力低減のために断面２次モーメント（すなわち断面係数）を考慮する必要がある。

補強部６の帯状部分６ａ〜６ｅは、すべて縦板３の表面に配置されてもよいし、これら帯状部分６ａ〜６ｅのうちのいずれか１つまたは数個が配置されてもよい。例えば、図５〜７に示されるように、補強部６の帯状部分６ａ〜６ｅのうちの帯状部分６ａ、６ｅ、６ｃのみを縦板３に設けてもよい。

すなわち、図１および図５に示されるように、補強部６の帯状部分６ａは、縦板３のテーパ部分３ａにおいて、力線Ｌのうち、底板２の被拘束部分２ａを拘束する旋回ベアリングＢとテーパ部分３ａとが垂直方向において交差する交差位置Ｐ（図４〜５参照）からテーパ部分３ａの上面３ａ１へ斜め上後方に向けて延びる部分に沿って設けられている。

上記のように図１に示される旋回フレーム１では、縦板３のテーパ部分３ａの前側の部分は、後側の部分と比べて高くなっているので、当該前側の部分に補強部６を設ければ補強部６の高さを確保しやすくなる。そこで、補強部６は、テーパ部分３ａにおいて、力線Ｌの最も前側の部分、すなわち、力線Ｌの起点となる旋回ベアリングＢとテーパ部分３ａとが垂直方向において交差する交差位置Ｐから、テーパ部分３ａの上面３ａ１へ延びる力線Ｌの部分に沿って設けられる帯状部分６ａを含むことによって、少ない補強部６によって旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

また、図１および図６に示されるように、補強部６の帯状部分６ｅは、力線Ｌのうちの縦板３の後端部とカウンターウェイト取付け部４との連結部分７の上端７ａから縦板３の下面（具体的には支持部分３ｂの下面３ｂ２）へ斜め下前方へ向けて延びる部分に沿って設けられている。したがって、縦板３において、力線Ｌの最も後側の部分、すなわち、力線Ｌの終点となる縦板３の後端部とカウンターウェイト取付け部４との連結部分７の上端７ａから、縦板３の下面３ｂ２へ延びる部分に沿って補強部６の帯状部分６ｅが部分的に設けられることによって、少ない補強部６によって旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

また、図１および図７に示されるように、補強部６は、力線Ｌのうちのテーパ部分３ａの上面３ａ１と支持部分の上面３ｂ１との境界部３ｃから縦板３の下面（具体的には、テーパ部分３ａの下面３ａ２および支持部分３ｂの下面３ｂ２）へ斜め下前方（または斜め下後方）へ延びる部分に沿って設けられた帯状部分６ｃを有する。

一対のカウンターウェイト取付け部４にカウンターウェイトＣＷが取り付けられた状態では、縦板３において垂直断面の断面積の変化率が最も大きく変化する部分である、テーパ部分３ａの上面３ａ１と支持部分の上面３ｂ１との境界部３ｃに応力集中が発生しやすく、上記の力線Ｌが当該境界部３ｃを通る位置に存在することが後述の旋回フレーム１の応力解析によって確認されている。そこで、上記のように、補強部６が、力線Ｌのうちの上記の境界部３ｃから縦板３の下面（例えばテーパ部分３ａの下面３ａ２）へ延びる部分に沿って設けられた帯状部分６ｃを有することにより、少ない補強部６によって旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を効果的に達成することが可能になる。

本実施形態の設計方法により設計される旋回フレーム１では、補強部６は、縦板３に対して力線Ｌに沿って固定された長尺の部材で構成されているので、既存の旋回フレームの縦板３に長尺の部材で構成された補強部６を力線Ｌに沿って固定することにより、既存の旋回フレームを利用して軽量化および剛性確保の両立した旋回フレームを得ることが可能である。この場合、補強部６は、縦板３と異なる材料で製造することも可能であり、補強部６の材料選定の範囲が拡大される。

なお、補強部６は、鋳造などによって縦板３と一体形成され、当該縦板３の側面から突出したものであってもよい。この場合、補強部６の取付け作業が不要になるとともに補強部６が縦板３から脱落するおそれが無い。

（力線の求め方についての説明）
本実施形態の旋回フレーム１の設計方法では、縦板３における補強部６の位置を決める基準となる力線Ｌを、以下のように旋回フレーム１の応力解析によって決定する。

ここでは、旋回フレーム１が受ける荷重のうち、カウンターウェイトＣＷから受ける荷重が最も大きいので、カウンターウェイトＣＷから受ける荷重に着目して、旋回フレーム１の応力解析が行なわれる。

旋回フレーム１は、カウンターウェイトＣＷがカウンターウェイト取付け部４に取り付けられた状態では、カウンターウェイトＣＷから下方向への荷重を常時受けている。

また、旋回フレーム１は、作業機械の動作中では、底板２が旋回ベアリングＢに結合された状態で、上下方向にゆれたり、左右方向に旋回したり、または上部旋回体ととともに前後方向に移動する。このとき、旋回フレーム１は、カウンターウェイト取付け部４に取り付けられたカウンターウェイトＣＷが上下、左右、前後方向に移動するときに発生する荷重をそれぞれの方向に受ける。

そのため、旋回フレーム１は、カウンターウェイトからの上記の荷重を受けることによって揺れや変形をするおそれがある。そこで、これらの揺れや変形を抑えるために縦板３での剛性を確保する必要性がある。

そこで、縦板３の軽量化および剛性確保を両立するために、以下のような応力解析を用いて図４（ａ）に示される縦板３の内部に生じる力線Ｌを求め、当該力線Ｌに沿って補強部６を配置する。

なお、ここでいう力線Ｌとは、縦板３の内部の応力場の流れを表す応力線に相当するものであり、当該力線Ｌは縦板３に発生する主応力方向から求められる。より具体的には、発生する主応力ベクトル図から主応力ベクトルの大きさと方向から力線Ｌが求められる。

まず応力解析をする前の事前の準備として、図４（ａ）に示されるように、旋回フレーム１の縦板３と旋回ベアリングＢとの垂直方向における交差位置Ｐ、カウンターウェイトＣＷの重心位置Ｇ，およびカウンターウェイトＣＷがカウンターウェイト取付け部４に締結される締結位置Ｋが設定される。

これらの位置を設定後、カウンターウェイトＣＷの上下、左右、前後方向における一方向のみ（例えば下方向のみ、左方向のみなど）にそれぞれの方向について、カウンターウェイトＣＷの重心位置に荷重を与えるという条件をコンピュータに与えることによって、旋回フレーム１の応力解析を行う。

次いで、カウンターウェイトＣＷの上下、左右、前後方向についてのそれぞれの方向に荷重をかけた場合の応力解析結果に基づいて、これらの応力解析結果の総和から縦板３に発生するひずみエネルギー分布と主応力ベクトル線図が求められる。

そして、これらのひずみエネルギー分布と主応力ベクトル線図から縦板３の内部に生じる力線Ｌが想定される。例えば、主応力ベクトル線図に基づいて、力線Ｌの角度が決定される。また、ひずみエネルギー分布に基づいて、ひずみエネルギーが高い箇所が力線Ｌの始点あるいは終点として設定される。この手法の順序をとることで、例えば図４（ａ）に示される力線Ｌが想定される。すなわち、力線Ｌは、コンピュータなどによる応力解析で求めた主応力の分布のうち当該主応力が大きい部分を結んだ線状の部分によって画定される。

上記のように縦板３を応力解析した場合、曲げを受ける梁部材に近いひずみエネルギー分布、主応力ベクトルが示される。そのため、想定される力線Ｌは、図４（ａ）に示されるようにトラス構造のようになる。具体的には、図４（ａ）に示される力線Ｌは、縦板３の内部を前方から後方側へ向けてジグザグに延びた形状を有する。より具体的には、力線Ｌは、異なる方向に延びながら互いにつながる５本の直線で構成される。

図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、旋回フレーム１の前後方向において、力線Ｌの前側の端部は、縦板３と旋回ベアリングＢとの垂直方向における交差位置Ｐに位置する。力線Ｌは、この交差位置Ｐを始点として、後方へジグザグに延び、境界部３ｃを経由した後、支持部分３ｂの上面３ｂ１の後端を終点として終わる。

具体的には、力線Ｌは、まず、交差位置Ｐから斜め上後方延びてテーパ部分３ａの上面３ａ１の位置３ｄに当たる。力線Ｌは、さらに、力線Ｌが当たった上面３ａ１の位置３ｄで折れ曲がって斜め下後方へ延びてテーパ部分３ａの下面３ａ２の位置３ｅに当たる。そして、力線Ｌは、力線Ｌが当たった下面３ａ２の位置３ｅで折れ曲がって斜め上後方へ延びてテーパ部分３ａの上面３ａ１と支持部分３ｂの上面３ｂ１との境界部３ｃに当たる。そして、力線Ｌは、境界部３ｃで折れ曲がって斜め下後方へ延びて支持部分３ｂの下面３ｂ２に当たる。そして、力線Ｌは、下面３ｂ２における力線Ｌが当たった位置３ｆで折れ曲がって斜め上後方へ延びて支持部分３ｂの上面３ｂ１の後端、すなわち、縦板３の後端部とカウンターウェイト取付け部４との連結部分７の上端７ａに当たって終わる。

なお、上記の力線Ｌは、５本の直線で構成されているが、これに限定されない。旋回フレーム１の寸法および縦板３の寸法次第では、力線Ｌを構成する直線は、３本あるいは４本になることがある。

縦板３において上記の力線Ｌが通る部分は、縦板３内部における主応力の分布のうち当該主応力が大きい部分であり、言い換えれば、内部応力（あるいはひずみ）が大きい。したがって、この力線Ｌに沿う部分は、他の部分と比較して補強する必要性が高い。そこで、上記の図１に示される旋回フレーム１の設計方法のように、縦板３における補強がとくに必要な力線Ｌに沿う位置に補強部６が選択的に設けることにより、旋回フレーム１の軽量化および剛性確保の両立を達成している。

なお、上記の縦板３は、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面を有するテーパ部分３ａと、当該テーパ部分３ａの後端から後方へ当該テーパ部分３ａの上面３ａ１の傾斜角度よりも小さい傾斜角度で延びる上面３ｂ１を有し、エンジンを下方から支持することが可能な高さを有する支持部分３ｂとを有しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明では、一対の縦板は、底板の前後方向に延びるように当該底板に立設されたものであれば、これら縦板の形状は限定されない。したがって、本発明の縦板には、例えば、前方端部から後方端部まで全体的に連続的に低くなる上面を有するテーパ状の縦板、または全体的に平坦な上面を有する矩形の縦板なども含まれる。これらの場合も、力線Ｌに沿う位置に補強部６を設けることにより、旋回フレーム１の軽量化と剛性確保との両立を達成することが可能である。

１ 旋回フレーム
２ 底板
２ａ 被拘束部分
３ 縦板
３ａ テーパ部分
３ｂ 支持部分
３ｃ 境界部
４ カウンターウェイト取付け部
６ 補強部
６ａ〜６ｅ 帯状部分
Ｂ 旋回ベアリング
ＣＷ カウンターウェイト
Ｅ エンジン
Ｌ 力線
Ｐ 交差位置

Claims (6)

1. 下部走行体の上部に旋回ベアリングを介して旋回自在に取り付けられた作業機械の旋回フレームであって、前記旋回フレームの底部を構成する底板であって、当該底板の前側の部分において、前記旋回ベアリングに固定されることによって当該旋回ベアリングに拘束される被拘束部分を有する底板と、前記底板の前後方向に延びるように当該底板に立設された一対の縦板と、前記縦板の後端部に連結され、カウンターウェイトが取り付け可能な形状を有する一対のカウンターウェイト取付け部と、前記縦板を補強する補強部とを備えた旋回フレームの設計方法であって、
   前記補強部を、前記縦板において、前記一対のカウンターウェイト取付け部に取り付けられる前記カウンターウェイトによって前記一対の縦板に与えられる荷重によって前記縦板の内部に生じる主応力に基づいて求められた線状の力線の少なくとも一部に沿う位置に、配置する工程を含んでおり、
   前記工程では、前記線状の力線を、前記縦板と前記旋回ベアリングとの垂直方向における交差位置、前記カウンターウェイトの重心位置、および前記カウンターウェイトが前記カウンターウェイト取付け部に締結される締結位置が設定された状態で、前記カウンターウェイトの重心位置に荷重を与えるという条件をコンピュータに与えることによって、前記旋回フレームの応力解析を行い、ついで、応力解析結果の総和から前記縦板に発生するひずみエネルギー分布と主応力ベクトル線図を求め、前記主応力ベクトル線図に基づいて前記力線の角度を決定し、さらに、前記ひずみエネルギー分布に基づいて前記ひずみエネルギーが高い箇所を前記力線の始点あるいは終点として設定することによって、求める、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
2. 請求項１に記載の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、
   前記一対の縦板は、それぞれ、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面を有するテーパ部分を有しており、
   前記補強部は、前記テーパ部分において、前記力線のうち、前記底板の前記被拘束部分を拘束する前記旋回ベアリングと前記テーパ部分とが垂直方向において交差する交差位置から前記テーパ部分の前記上面へ延びる部分に沿って設けられた部分を含む、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
3. 請求項１または２に記載の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、
   前記補強部は、前記力線のうちの前記縦板の前記後端部と前記カウンターウェイト取付け部との連結部分の上端から前記縦板の下面へ延びる部分に沿って設けられた部分を含む、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、
   前記一対の縦板は、それぞれ、前方から後方へ向かうにつれて低くなる上面を有するテーパ部分と、当該テーパ部分の後端から後方へ前記テーパ部分の前記上面の傾斜角度よりも小さい傾斜角度で延びる上面を有し、エンジンを下方から支持することが可能な高さを有する支持部分と、を有しており、
   前記カウンターウェイト取付け部は、前記支持部分の後端部に連結され、
   前記補強部は、前記力線のうちの前記テーパ部分の前記上面と前記支持部分の前記上面との境界部から前記縦板の下面へ延びる部分に沿って設けられた部分を有する、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、
   前記補強部は、前記縦板に対して前記力線に沿って固定された長尺の部材で構成される、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の作業機械の旋回フレームの設計方法であって、当該方法により設計されている前記旋回フレームでは、
   前記補強部は、前記縦板と一体形成され、当該縦板の側面から突出したものである、
   作業機械の旋回フレームの設計方法。
   

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