JP7228493B2 - construction machinery - Google Patents
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Description
本発明は、建設機械における角度センサの取付構造に関する。 The present invention relates to an angle sensor mounting structure for construction machinery.
ホイールローダは、主として地上に積み上げられた鉱物や土砂をすくい上げ、ダンプトラックの荷台に積み 込む作業を繰り返している。ホイールローダが土砂をすくい上げる動作は、まずホイールローダの先端に取り付けられたバケットを地上から少し上げた高さで前方に倒した状態でホイールローダを前進させて土砂の地上付近に当て、車体速度の慣性を利用して土砂にバケットを食い込ませる。次にバケットの角度を調整するバケットシリンダとバケットの高さを調整するアームシリンダの長さを操作し、バケットの角度を手前に起こしながらバケットの高さを上げることで、土砂をすくい上げる。そして、すくい上げた土砂をダンプトラックの荷台に放土する。 Wheel loaders mainly scoop up minerals and sand piled up on the ground and load them onto dump trucks. When the wheel loader scoops up the earth and sand, the bucket attached to the tip of the wheel loader is tilted forward at a height that is slightly raised from the ground, and the wheel loader is advanced to hit the earth and sand near the ground, and the vehicle speed increases. Make the bucket bite into the earth and sand using inertia. Next, by manipulating the length of the bucket cylinder that adjusts the angle of the bucket and the arm cylinder that adjusts the height of the bucket, the angle of the bucket is raised and the height of the bucket is raised to scoop up the earth and sand. Then, the scooped up earth and sand are dumped onto the loading platform of the dump truck.
このような一連のホイールローダの積込動作を行うため、ホイールローダの構成は車体に対して回動可能にアームが取り付けられ、アームに対して回動可能にバケットが取り付けられている。積込動作においてバケットの位置や角度を制御するために、バケットやアームのようにホイールローダを構成する可動部材の回動角度を角度センサにより検出し、検出結果に基づきコントローラで所要の処理を実施している。 In order to perform such a series of loading operations of the wheel loader, the wheel loader has an arm rotatably attached to the vehicle body and a bucket rotatably attached to the arm. In order to control the position and angle of the bucket during the loading operation, an angle sensor detects the rotation angle of the movable parts that make up the wheel loader, such as the bucket and arm, and the controller performs the required processing based on the detection results. are doing.
角度センサのセンサ軸は、伝達部材として機能するアーム部を介して検出対象となる可動部材と連結され、この検出対象の可動部材とともに回転することにより回転角度に対応する電圧を出力する。従来技術として、回転角度を正確に検出するために、検出対象の可動部材の回転を支持している連結軸の軸線上に角度センサを取り付けることで、可動部材の角度を取得する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
The sensor shaft of the angle sensor is connected to the movable member to be detected via an arm functioning as a transmission member, and outputs a voltage corresponding to the rotation angle by rotating together with the movable member to be detected. As a conventional technique, in order to accurately detect the rotation angle, a technique is known in which an angle sensor is attached on the axis of the connecting shaft that supports the rotation of the movable member to be detected, thereby obtaining the angle of the movable member. (See
しかし、特許文献1に記載の角度センサの取付構造では、検出対象となる可動部材にアーム部を介して角度センサのセンサ軸を剛体連結しているため、振動により故障を発生するという問題がある。例えばホイールローダに適用した場合、車体慣性を利用して土砂にバケットを食い込ませる動作などで各部材が振動する。角度センサのアーム部が振動すると、角度センサ内部で抵抗体と電極の間が振動して摩耗してしまい、検出電圧に誤差が生じてしまう。
However, in the mounting structure of the angle sensor described in
取得した角度に誤差が含まれるとホイールローダのコントローラが所要の制御を実行できず、例えばホイールローダのバケットの角度を制御するときに、あるべき角度よりも前傾して土砂をこぼしてしまうといった問題を引き起こしてしまう。以上のように角度センサが検出対象の角度を精度良く得られず問題を引き起こす状態を、ここでは角度センサの故障とする。 If the acquired angle contains an error, the controller of the wheel loader cannot perform the required control. For example, when controlling the angle of the bucket of the wheel loader, it tilts forward more than it should and spills earth and sand. it will cause problems. A failure of the angle sensor is defined as a state in which the angle sensor cannot accurately obtain the angle to be detected as described above and causes a problem.
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、稼働中に車体に発生した振動が伝達部材を介して角度センサに伝達される事態を回避でき、これにより振動に起因する角度センサの故障を未然に防止することができる建設機械を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and its object is to avoid the situation in which the vibration generated in the vehicle body during operation is transmitted to the angle sensor via the transmission member. It is therefore an object of the present invention to provide a construction machine capable of preventing failure of the angle sensor due to vibration.
上記の目的を達成するため、本発明の建設機械は、第1の部材と第2の部材とを連結軸を中心として相対回動可能に連結し、前記第1の部材にセンサ本体を固定すると共に、前記連結軸の軸線上に前記センサ本体のセンサ軸を配設して伝達部材の一端を固定し、前記伝達部材の他端を前記第2の部材に連結してなる角度センサを備えた建設機械において、前記伝達部材の他端に形成された第1の係合部と前記第2の部材に形成された第2の係合部とが、前記連結軸の軸線を中心とした半径方向及び周方向を含む平面内で相対変位可能に形成され、前記第1の係合部は、前記伝達部材の他端に形成された係合孔であり、前記第2の係合部は、前記第2の部材に立設されて、前記係合孔内に挿入された係合ピンであり、前記係合孔と前記係合ピンとの間には、所定量のガタが形成されて前記係合孔と前記係合ピンとの間が離間することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the construction machine of the present invention connects a first member and a second member so as to be relatively rotatable about a connecting shaft, and fixes a sensor main body to the first member. and an angle sensor formed by arranging the sensor shaft of the sensor main body on the axis of the connecting shaft, fixing one end of the transmission member, and connecting the other end of the transmission member to the second member. In the construction machine, the first engaging portion formed at the other end of the transmission member and the second engaging portion formed at the second member are arranged radially about the axis of the connecting shaft. and the circumferential direction, the first engaging portion is an engaging hole formed in the other end of the transmission member, and the second engaging portion is the an engaging pin erected on a second member and inserted into the engaging hole, wherein a predetermined amount of backlash is formed between the engaging hole and the engaging pin; A space is provided between the hole and the engaging pin .
本発明の建設機械によれば、稼働中に車体に発生した振動が伝達部材を介して角度センサに伝達される事態を回避でき、これにより振動に起因する角度センサの故障を未然に防止することができる。 According to the construction machine of the present invention, it is possible to avoid a situation in which the vibration generated in the vehicle body during operation is transmitted to the angle sensor via the transmission member, thereby preventing failure of the angle sensor due to the vibration. can be done.
以下、本発明をホイールローダに具体化した一実施形態を説明する。
図1は本実施形態のホイールローダを示す側面図である。
ホイールローダ1は、バケット3、ベルクランク4(第2の部材)、バケットシリンダ5、アーム6(第1の部材)、アームシリンダ7、前輪タイヤ8、角度センサ12などを有する前部車体1aと、運転室2、エンジン室10、後輪タイヤ9などを有する後部車体1bとで構成される。アーム6は前部車体1aに対して上下方向に回動可能に取り付けられ、アームシリンダ7の伸縮によって回動駆動される。バケット3はアーム6の先端において、アーム6に対して上下方向に回動可能に取り付けられ、バケットシリンダ5の伸縮によってベルクランク4を介して回動駆動される。
An embodiment in which the present invention is embodied in a wheel loader will be described below.
FIG. 1 is a side view showing the wheel loader of this embodiment.
The
[第1実施形態]
図2は第1実施形態の角度センサを示す図1のA部詳細図、図3は角度センサを示す図2のB矢視図である。
アーム6に設けられたブラケット6aに対してベルクランク4は連結軸13により相対回動可能に連結されており、ブラケット6a上に角度センサ12のセンサ本体14が固定されている。センサ本体14からは連結軸13の軸線C上に沿ってセンサ軸15が側方に突出し、センサ軸15にはクランク状に折曲形成されたアーム部16(伝達部材)の一端が固定されている。アーム部16の他端はベルクランク4上に重ねられて円形状の係合孔17(第1の係合部)が貫設され、係合孔17内には、ベルクランク4上に立設された断面円形状をなす係合ピン18(第2の係合部)が挿入されている。係合ピン18の外径は係合孔17の内径よりも小さく設定され、これにより係合孔17内において係合ピン18の周囲には所定量のガタ(遊び)が形成されている。このガタにより係合孔17と係合ピン18とは、連結軸13の軸線Cを中心とした半径方向及び周方向を含む平面内で相対変位可能になっている。
[First embodiment]
2 is a detailed view of part A in FIG. 1 showing the angle sensor of the first embodiment, and FIG. 3 is a view of the angle sensor as viewed from arrow B in FIG.
The
ガタの大きさは、ホイールローダ1の積込動作により発生するベルクランク4とアーム6との振動による相対変位量よりも大きな値、例えば10mmに設定されている。アーム6に対して連結軸13の軸線Cを中心としてベルクランク4が回動すると、その回動が係合ピン18からアーム部16に伝達されて、アーム部16を介してセンサ軸15が同一方向及び角度で回動し、センサ本体14から回動角度に対応する電圧が出力される。
The amount of backlash is set to a value larger than the amount of relative displacement due to vibration between the
このようにアーム部16の係合孔17と係合ピン18との間に所定量のガタが設けられているため、ベルクランク4とアーム6との間に所定量のガタの大きさ以下の振幅の相対振動が生じても、その振動はアーム部16のガタの範囲内に収まって吸収される。振動は種々の方向に生じるが、係合孔17と係合ピン18との間が離間していることから、どのような方向の振動でもガタにより吸収される。このためアーム部16に振動が伝達される事態を回避でき、振動に起因する角度センサ12の故障を未然に防止することができる。
Since a predetermined amount of backlash is provided between the
図4はバケット3を地上付近で最も手前に倒した状態(以下、最下点と称する)からアームシリンダ7を最伸長し、バケット3を最も奥に倒した状態(以下、最上点と称する)にしたときのホイールローダ1の姿勢変化と、それに対応する角度センサ12のアーム部16の角度変化を示した図である。なお図2には、最下点のアーム部16を実線で示すと共に、この最下点から最上点まで移動するときのアーム部16を破線で示している。
FIG. 4 shows a state in which the
図4に実線で示すように、最下点ではバケット3が地表付近で最も手前に倒されており、図2に示すように、このときセンサ軸15の軸線Cに対する係合ピン18の角度線L1(以下、ピン角度線L1と略す)とセンサ軸15の軸線Cを通る鉛直線L2(以下、鉛直線L2と略す)とが成す角A(以下、初期角A1と称する)は、例えば10°である。この姿勢から、バケットシリンダ5とアームシリンダ7のいずれを操作しても、ピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角Aは増える方向である。アームシリンダ7を伸長する側に最大まで操作すると、図中のリフト操作で示した矢印分、アーム6やバケット3やベルクランク4の位置が変化し、センサ軸15も回動する。さらにバケットシリンダ5を前方に倒れる側に最大まで操作すると、バケット操作で示した矢印分だけ位置が変化し、最上点までホイールローダ1の姿勢が変化する。このときピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角A(以下、最終角A2と称する)は、例えば160°である。
As shown by the solid line in FIG. 4, at the lowest point, the
結果として、最下点から最上点までの係合ピン18の回動域(換言すると、アームに対するベルクランク4の回動角度)は150°であり、この回動域内では係合ピン18が鉛直線L2を超えない位置に保たれる。なお、後述するようにガタが回動角度の検出値に影響しないためには、回動中において係合ピン18が係合孔17の同じ部位に常に接触している必要がある。つまり回動域が鉛直線L2を超えないようにベルクランク4のリンク機構を設計するか、鉛直線L2を超えた以降の検出値を無効化する必要がある。
As a result, the rotation range of the
図2に示すように重力によるアーム部16の回動方向は、鉛直線L2より図中の左側にある場合は常に反時計まわりである。このため、図4に示したホイールローダ1の最下点から最上点まで姿勢変化する範囲において、図2中に実線及び破線で示すように、角度センサ12のアーム部16は常に反時計回りの方向で重力の作用を受けて係合ピン18に接し続ける。
As shown in FIG. 2, the rotation direction of the
図5は上記した初期角A1=10°の設定例と初期角A1=50°の設定例とを比較した特性図であり、横軸はピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角Aであり、縦軸は角度センサ12による検出角度θである。
実線で示す初期角A1=10°の場合、角度センサ12のアーム部16は常に反時計回りの方向で重力の作用を受けて係合ピン18に接し続け、これにより係合ピン18の回動域(10~160°)内で、係合ピン18とアーム部16とが同一の位置関係に保たれる。このため、ピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角Aに対応する正確な検出角度θが得られている。
FIG. 5 is a characteristic diagram comparing the setting example of the initial angle A1=10° and the setting example of the initial angle A1=50°. The horizontal axis is the angle A between the pin angle line L1 and the vertical line L2. , and the vertical axis is the angle θ detected by the
In the case of the initial angle A1=10° indicated by the solid line, the
これに対して破線で示す初期角A1=50°の場合には、係合ピン18が鉛直線L2を超えた時点(A=180°)でアーム部16に作用する重力の方向が時計回りに反転する。このため、図2に仮想線で示すように係合ピン18とアーム部16との位置関係が変化し、係合ピン18と係合孔17との間のガタ分だけ、係合ピン18とは別個にアーム部16が回動する。図5ではガタ分に相当するアーム部16の回動を2°として例示しているため、係合ピン18が鉛直線L2を超えた時点から最終角A2に到達するまでの領域では+2°の検出誤差が発生し、例えば最終角A2=200°では検出角度θ=202°として検出されてしまう。本来なら、回動域が鉛直線L2を超えないようにベルクランク4のリンク機構を設計するべきであるが、バケットは様々な形状・寸法のものに交換されるため、すべてに対応したリンク機構の設計は困難な場合もある。そこで本実施形態では、係合ピン18が鉛直線L2を超えた時点以降のセンサ検出角度の出力を無効化する。
On the other hand, when the initial angle A1=50° indicated by the dashed line, the direction of gravity acting on the
本実施形態では、図5において係合ピン18が鉛直線L2を超えた時点(A=180°)で発生するセンサ検出角度の不連続な変化を検出して、それ以降のセンサ検出角度信号を無効化する。具体的には、角度センサは例えば光電素子を用いており、そのセンサ素子の検出信号はセンサ内部に組み込まれたシグナルプロセッサにて信号処理されて出力されるので、検出値の不連続変化を検知することが可能である。この不連続変化を検知した以降の出力信号をシグナルプロセッサにて無効化すれば、結果として、ピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角Aに対応する正確な検出角度θが得られ、良好な回動角度の検出精度を実現することができる。また、シグナルプロセッサとは別に外付けの信号処理手段を接続して、検出角度信号の不連続変化を検知して無効化してもよい。検出角度信号の不連続変化はバケットの回動のたびに繰り返し発生する可能性があるが、一度不連続変化を検知した次の不連続変化は、係合ピン18が再び鉛直線L2を超えて計測対象域に復帰したことを示しており、検出角度信号出力の有効/無効を不連続変化を検知するごとに切り替えることも可能である。
一方、係合孔17内で係合ピン18の周囲にガタが形成されることにより、角度センサ12の取付作業を容易に実施できるという別の効果も得られる。
In this embodiment, a discontinuous change in the sensor detection angle that occurs when the
On the other hand, by forming backlash around the engaging
[第2実施形態]
図6は第2実施形態の角度センサ12を示す図2に対応する詳細図である。
重力を利用した第1実施形態に対し、本実施形態では圧縮バネ21の付勢力を利用して係合ピン18とアーム部16とを同一の位置関係に保っている。図6に実線で示すように本実施形態の係合孔22(第1の係合部)は四角状をなし、係合孔22内において係合ピン18の周囲には所定量のガタが形成されている。そしてセンサ軸15の軸線Cを中心として、係合孔22内の時計回り側(図中の左側)に係合ピン18が配設され、係合孔22内の反時計回り側(図中の右側)に圧縮バネ21が配設されている。結果として、角度センサ12のアーム部16は常に反時計回りの方向で圧縮バネ21の付勢力の作用を受けている。
なお、圧縮バネ21によるアーム部16の付勢方向は反時計周りに限るものではなく、センサ軸15の軸線Cを中心とした周方向に付勢するものであれば良い。従って、時計回りに圧縮バネ21の付勢力を作用させてもよい。
[Second embodiment]
FIG. 6 is a detailed view corresponding to FIG. 2 showing the
In contrast to the first embodiment that utilizes gravity, this embodiment utilizes the biasing force of the
The direction in which the
圧縮バネ21の付勢力は、ベルクランク4とアーム6との間に生じた振動を受けたときに撓み、且つ係合孔22内での係合ピン18の移動を規制できる程度の強さに設定されている。このため、ベルクランク4とアーム6との間に生じた振動は、圧縮バネ21を撓ませながらアーム部16のガタの内側に収まって吸収される。結果として、アーム部16に振動が伝達される事態を回避でき、振動に起因する角度センサ12の故障を未然に防止することができる。
The biasing force of the
一方、本実施形態では初期角A1は第1実施形態と同一の10°であるが、最終角A2は200°に設定されている。このため図5に基づき述べたように、係合ピン18が鉛直線L2を超えると、アーム部16に作用する重力の方向は時計回りに反転する。しかし、圧縮バネ21により反時計回りに付勢力を受け続けることから、最終角A2までの係合ピン18の全ての回動域内で、係合ピン18とアーム部16とが同一の位置関係に保たれる。結果として本実施形態では、圧縮バネ21の付勢力を利用することにより、係合ピン18とアーム部16の係合孔22との間のガタに影響されることなく、ピン角度線L1と鉛直線L2とが成す角Aに対応する正確な検出角度θが得られ、良好な回動角度の検出精度を実現することができる。
On the other hand, in this embodiment, the initial angle A1 is 10 degrees, which is the same as in the first embodiment, but the final angle A2 is set at 200 degrees. Therefore, as described with reference to FIG. 5, when the engaging
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ホイールローダ1のアーム6に対するベルクランク4の回動角度を検出する角度センサとしたが、例えば前部車体1aに対するアーム6の回動角度を検出する角度センサとして具体化してもよいし、他の建設機械に適用してもよい。
Although the description of the embodiment is finished above, the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above-described embodiment, the angle sensor detects the rotation angle of the bell crank 4 with respect to the
また上記実施形態では、第1の係合部としてアーム部16の他端に係合孔17を形成し、第2の係合部としてベルクランク4上に係合ピン18を立設したが、双方を逆転させてもよいし、互いの間のガタを形成する他の形状の係合部としてもよい。或いは、例えばベルクランク4に係合ピン18を一体形成してもよい。
In the above embodiment, the
1 ホイールローダ(建設機械)
4 ベルクランク(第2の部材)
6 アーム(第1の部材)
12 角度センサ
13 連結軸
15 センサ軸
16 アーム部(伝達部材)
17,22 係合孔(第1の係合部)
18 係合ピン(第2の係合部)
21 圧縮バネ
1 Wheel loader (construction machinery)
4 bellcrank (second member)
6 Arm (first member)
12
17, 22 engagement hole (first engagement portion)
18 engagement pin (second engagement portion)
21 compression spring
Claims (5)
前記伝達部材の他端に形成された第1の係合部と前記第2の部材に形成された第2の係合部とが、前記連結軸の軸線を中心とした半径方向及び周方向を含む平面内で相対変位可能に形成され、
前記第1の係合部は、前記伝達部材の他端に形成された係合孔であり、
前記第2の係合部は、前記第2の部材に立設されて、前記係合孔内に挿入された係合ピンであり、
前記係合孔と前記係合ピンとの間には、所定量のガタが形成されて前記係合孔と前記係合ピンとの間が離間する
ことを特徴とする建設機械。 A first member and a second member are connected so as to be relatively rotatable about a connecting shaft, a sensor main body is fixed to the first member, and a sensor shaft of the sensor main body is aligned on the axis of the connecting shaft. is disposed to fix one end of the transmission member, and the other end of the transmission member is connected to the second member,
A first engaging portion formed at the other end of the transmission member and a second engaging portion formed at the second member extend radially and circumferentially around the axis of the connecting shaft. formed to be relatively displaceable within a plane containing
the first engaging portion is an engaging hole formed at the other end of the transmission member;
The second engaging portion is an engaging pin erected on the second member and inserted into the engaging hole,
A predetermined amount of backlash is formed between the engagement hole and the engagement pin to separate the engagement hole and the engagement pin.
A construction machine characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。The construction machine according to claim 1, characterized in that:
前記係合ピンは、前記第1の部材と前記第2の部材との回動域内において前記センサ軸の軸線を通る鉛直線を超えない位置に保たれる
ことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。 The first member and the second member have a rotational range of less than 180° about the connecting shaft,
2. The method according to claim 1 , wherein the engaging pin is kept at a position not exceeding a vertical line passing through the axis of the sensor shaft within the rotation range of the first member and the second member. Construction equipment as described.
前記伝達部材は、前記圧縮バネにより前記センサ軸の軸線を中心とした周方向に付勢されている
ことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。 A compression spring is disposed in the engagement hole together with the engagement pin,
2. The construction machine according to claim 1 , wherein said transmission member is biased in a circumferential direction around the axis of said sensor shaft by said compression spring.
ことを特徴とする請求項1に記載の建設機械。 2. The construction machine according to claim 1 , wherein said angle sensor includes signal processing means for detecting a discontinuous change in the detected angle and nullifying an output signal after detecting said discontinuous change.
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