JP7367047B2 - 作業機 - Google Patents

Description

本発明は、駆動部の動力を、筒部の内部で複数の軸受部材によって支持される軸を介して、作業部に伝達する作業機に関する。

例えば、特開昭５３－６２６２７号公報、特開平１１－２５７３３５号公報及び特許第５２９７６４６号公報には、内燃機関等の駆動部の動力を、筒部に内挿され、複数の軸受部材によって支持された軸を介して、刈刃等の作業部に伝達する携帯型の作業機が開示されている。

ところで、駆動部の動力が軸を介して作業部に伝達され、該作業部が所定の作業を行う場合、加振源としての駆動部又は作業部の振動に起因して、軸、複数の軸受部材及び筒部が一体的に振動する。この場合、軸、複数の軸受部材及び筒部の構造体の固有周波数と、駆動部又は作業部の振動の周波数とが近接する場合、該構造体の振動が共振して一層大きくなる。作業機の筒部の外周面には、作業者が把持するハンドルがハンドル支持部を介して連結されているので、構造体の振動がハンドル支持部を介してハンドルに伝わってしまう。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、軸及び筒部の振動を低減することができる作業機を提供することを目的とする。

本発明の態様は、駆動部と、前記駆動部の動力によって駆動する作業部と、前記駆動部の動力を前記作業部に伝達する軸と、前記駆動部と前記作業部との間に配置され、内部に前記軸が挿通する筒部と、前記筒部の内部で前記軸を支持する複数の軸受部材とを備える作業機であって、複数の前記軸受部材は、前記筒部の内部において、前記軸又は前記筒部に発生する振動の節側に配置される。

本発明によれば、振動の節側に複数の軸受部材を配置することで、軸と筒部との間での振動伝達率を低減することができる。これにより、軸、複数の軸受部材及び筒部の構造体が一体的に振動することを回避することができる。この結果、軸及び筒部の振動を低減することができる。すなわち、軸及び筒部が独立したモード（曲げ振動モード）で振動するので、軸又は筒部に発生する振動の周波数を、加振源としての駆動部又は作業部の振動の周波数からシフトすることができる。これにより、軸及び筒部での共振の発生を抑制することができる。

本実施形態に係る作業機の斜視図である。 図１の作業機の内部の側面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４Ａは、比較例での軸受部材の配置及び振動の発生を模式的に図示した説明図であり、図４Ｂは、第１実施例での軸受部材の配置を模式的に図示した説明図であり、図４Ｃは、第２実施例での軸受部材の配置を模式的に図示した説明図である。 比較例で発生する振動の説明図である。 第１実施例で発生する振動の説明図である。 第１実施例での周波数と振動加速度との関係を示す図である。 第２実施例で発生する振動の説明図である。 第２実施例で発生する振動の説明図である。

以下、本発明に係る作業機について、好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら説明する。

［１．本実施形態の概略構成］
本実施形態に係る作業機１０は、図１及び図２に示すように、携帯型作業機としての刈払機であり、駆動部１２と、駆動部１２の動力によって駆動する作業部１４と、駆動部１２の動力を作業部１４に伝達する軸１６と、駆動部１２と作業部１４との間に配置され、内部に軸１６が挿通する筒部１８と、筒部１８の内部で軸１６を支持する複数の軸受部材２０とを備える。筒部１８の外周面の駆動部１２側には、ハンドル支持部２２を有するフローティングボックス２４が設けられている。ハンドル支持部２２には、作業者が把持するハンドル２６が支持されている。

駆動部１２は、例えば、内燃機関を駆動源として軸１６及び筒部１８の基端部側に設けられている。軸１６は、例えば、鋼鉄製の棒状のシャフトであり、基端部がクラッチ２８を介して駆動部１２の駆動源に連結され、先端部が変速ギヤ２９を介して作業部１４に連結されている。駆動部１２の動力（回転力）は、クラッチ２８、軸１６及び変速ギヤ２９を介して作業部１４に伝達される。従って、駆動部１２と作業部１４とは、変速ギヤ２９によって、異なる周波数で振動する場合がある。また、作業機１０を実際に使用する場合、作業部１４は、１２０Ｈｚ程度の周波数で所定の作業を行う。筒部１８は、例えば、アルミニウム製のパイプであり、基端部が駆動部１２に連結され、先端部が作業部１４に連結されている。

複数の軸受部材２０は、図２及び図３に示すように、筒部１８の内部において、軸１６と筒部１８とが略同軸となるように、軸１６を回転可能に支持する。各軸受部材２０は、オイルを含浸した筒状の金属部材からなり、軸１６の外周面に接触するブッシュ２０ａと、耐油性の筒状のゴム部材からなり、ブッシュ２０ａの外周面と筒部１８の内周面との間に配置される弾性部材２０ｂとから構成される。なお、筒部１８の内部における複数の軸受部材２０の配置位置については、後述する。

作業部１４は、例えば、軸１６の先端部に連結される回転刈刃であり、駆動部１２からクラッチ２８及び軸１６を介して伝達される動力で駆動（回転力で回転）することにより、所定の作業を行う。ハンドル２６には、作業者が作業時に把持する左右一対のグリップ３０が設けられている。一方のグリップ３０には、駆動部１２の動力を調整するスロットルレバー３２が設けられている。

筒部１８の基端部には、駆動部１２に接続され、クラッチ２８及び筒部１８の基端部を覆う第１保持部３４が設けられている。また、軸１６の長手方向に沿って、筒部１８の基端部から作業部１４側に所定距離だけ離間した箇所には、筒部１８の外周面を取り囲む第２保持部３６が設けられている。フローティングボックス２４は、第１保持部３４と第２保持部３６との間に挟まれるように、筒部１８の基端部側に配置されている。

フローティングボックス２４の基端部は、第１振動吸収部材３８を介して第１保持部３４に連結され、フローティングボックス２４の先端部は、第２振動吸収部材４０を介して第２保持部３６に連結されている。ハンドル支持部２２は、フローティングボックス２４の第２保持部３６側の先端部に取り付けられている。第１振動吸収部材３８及び第２振動吸収部材４０は、ゴム等の弾性体であり、筒部１８の基端部側からハンドル支持部２２を介してハンドル２６に伝わる振動を抑制するために設けられる。

［２．本実施形態の特徴的な構成］
次に、本実施形態に係る作業機１０の特徴的な構成について説明する。特徴的な構成とは、筒部１８の内部における複数の軸受部材２０の配置に関するものである。図４Ａ（比較例）は、従来の作業機４２における複数の軸受部材２０の配置を図示したものであり、図４Ｂ（第１実施例）及び図４Ｃ（第２実施例）は、本実施形態に係る作業機１０における複数の軸受部材２０の配置を図示したものである。なお、図４Ａ～図４Ｃでは、軸１６に対する複数の軸受部材２０の配置位置を強調して図示するため、作業機１０、４２の構成を模式的に図示している。また、比較例と第１及び第２実施例との説明において、同じ構成要素に対しては、同じ参照符号を付けて説明する場合がある。

比較例においては、図４Ａに示すように、複数の軸受部材２０は、筒部１８（図１～図３参照）の内部において、軸１６の長手方向に沿って、均等な間隔で配置されていた。これに対して、本実施形態では、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、複数の軸受部材２０は、筒部１８の内部において、軸１６の長手方向に沿って、不均等な間隔で配置されている。不均等な間隔で配置する理由は、以下の通りである。

図４Ａ及び図５に示すように、比較例でも、軸１６と筒部１８（図１～図３参照）とは、複数の軸受部材２０を介して連結されている。また、軸１６の基端部は、駆動部１２に連結され、軸１６の先端部は、変速ギヤ２９を介して、作業部１４に連結されている。そのため、加振源としての駆動部１２又は作業部１４に振動が発生した場合、該振動に起因して、軸１６、複数の軸受部材２０及び筒部１８が一体的に振動する。この場合、軸１６、複数の軸受部材２０及び筒部１８の構造体４４の固有周波数と、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数とが近接すれば、該構造体４４の振動が共振して一層大きくなる。筒部１８の外周面には、第２保持部３６及び第２振動吸収部材４０を介してハンドル支持部２２が配置され、ハンドル支持部２２にハンドル２６が支持されているので、比較例の場合、共振した構造体４４の振動は、第２保持部３６から第２振動吸収部材４０及びハンドル支持部２２を介してハンドル２６に伝わってしまう。

なお、図４Ａ及び図５では、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数と構造体４４の固有周波数とがいずれも１２０Ｈｚである場合に、該構造体４４に発生する振動を太線で模式的に図示している。また、図４Ａの細線は、軸１６が単独で振動する場合を模式的に図示している。

このように、比較例では、構造体４４に発生する振動のモード（曲げ振動モード）を何ら考慮せず、軸１６の長手方向に沿って、複数の軸受部材２０を均等に配置している。そのため、例えば、任意の軸受部材２０が振動の腹の位置に配置されている場合、共振した振動が軸１６から軸受部材２０を介して筒部１８に伝わり、より大きな振動がハンドル２６に伝わってしまう。

そこで、本実施形態では、図４Ｂ（第１実施例）及び図４Ｃ（第２実施例）に示すように、複数の軸受部材２０を軸１６又は筒部１８に発生する振動の節側に配置する。振動の節は、振動が小さい箇所であるため、軸１６と筒部１８との間での振動の伝達が抑制される。すなわち、複数の軸受部材２０は、軸１６の振動と筒部１８の振動とを分離させる部材として機能し、軸１６と筒部１８との間での振動伝達率を低減させる。これにより、軸１６と筒部１８とが独立したモード（曲げ振動モード）で振動することになるので、共振の発生が抑制されると共に、構造体４４が一体的に振動することを回避することができる。

また、本実施形態では、複数の軸受部材２０を軸１６の長手方向に沿って不均等な配置にすることで、構造体４４の固有周波数を任意の周波数に変更することができる。これにより、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数に対して、構造体４４の固有周波数が異なる周波数域に変化するので、構造体４４での共振の発生を回避することができる。

具体的に、図４Ｂの第１実施例では、構造体４４での振動の複数の節の近傍、すなわち、図４Ａ～図４Ｃ中、破線で囲った部分に、それぞれ、２つ又は３つの軸受部材２０を集約して配置する。なお、第１実施例では、複数の節の近傍について、それぞれ、複数の軸受部材２０が集約して配置されていればよい。また、図４Ｃの第２実施例では、構造体４４での振動の複数の節の近傍に、それぞれ、１つの軸受部材２０を配置した場合を図示している。

図６及び図７は、第１実施例の結果を示している。図７において、実線は、第１実施例での周波数に対する振動加速度の変化を示し、破線は、比較例での周波数に対する振動加速度の変化を示している。

図６及び図７では、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数を１２０Ｈｚ、構造体４４の固有周波数を１４２Ｈｚとしている。すなわち、第１実施例では、構造体４４の固有周波数を１２０Ｈｚから１４２Ｈｚにシフトしている。これにより、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数と、構造体４４の固有周波数とがずれるので、１２０Ｈｚ周辺での筒部１８の振動加速度が抑制され、ハンドル２６の振動加速度も抑制される。

また、第１実施例では、振動の節側に複数の軸受部材２０が配置されている。これにより、軸１６と筒部１８との間での振動伝達率が低減され、ハンドル２６に伝達される振動を好適に低減することができる。

図８及び図９は、第２実施例の結果を示している。図８は、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数を１２０Ｈｚ、構造体４４の固有周波数を１４０Ｈｚとしている。また、図９では、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数を１２０Ｈｚ、構造体４４の固有周波数を９９Ｈｚとしている。

第２実施例では、図４Ａの均等配置と比較して、複数の軸受部材２０の配置間隔を極端に広げている。これにより、駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数に対して、構造体４４の固有周波数がシフトし、軸１６と筒部１８とが独立したモードで振動する。従って、第２実施例でも、第１実施例と同様に、共振の発生を抑制すると共に、軸１６と筒部１８との間での振動伝達率を低減させ、ハンドル２６に伝達される振動を好適に低減することができる。

［３．本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態に係る作業機１０は、駆動部１２と、駆動部１２の動力によって駆動する作業部１４と、駆動部１２の動力を作業部１４に伝達する軸１６と、駆動部１２と作業部１４との間に配置され、内部に軸１６が挿通する筒部１８と、筒部１８の内部で軸１６を支持する複数の軸受部材２０とを備える。この場合、複数の軸受部材２０は、筒部１８の内部において、軸１６又は筒部１８に発生する振動の節側に配置される。

このように、振動の節側に複数の軸受部材２０を配置することで、軸１６と筒部１８との間での振動伝達率を低減することができる。これにより、軸１６、複数の軸受部材２０及び筒部１８の構造体４４が一体的に振動することを回避することができる。この結果、軸１６及び筒部１８の振動を低減することができる。すなわち、軸１６及び筒部１８が独立したモード（曲げ振動モード）で振動するので、軸１６又は筒部１８に発生する振動の周波数を、加振源としての駆動部１２又は作業部１４の振動の周波数からシフトすることができる。これにより、軸１６及び筒部１８での共振の発生を抑制することができる。

この場合、複数の軸受部材２０は、節の近傍に密集して配置される。軸１６において、２つの節の間は、自由に振動することが可能な部分（腹の部分となる自由長部）となる。そのため、２つの節のそれぞれに軸受部材２０を密集して配置することで、各々の軸受部材２０にかかる負荷が減少するので、自由長部の振動変位を抑制しつつ、軸受部材２０の劣化を抑制することができる。

また、振動の複数の節のうち、少なくとも１つの節の近傍に３つの軸受部材２０を集約して配置してもよい。その場合、集約配置した箇所に振動の腹が発生することを抑制することができる。この結果、軸受部材２０の劣化を抑制しつつ、軸１６の曲げ振動モードの次数をコントロールすることができる。例えば、３つの軸受部材２０を集約配置している部分には振動の腹が発生せず、軸受部材２０の間隔が広い自由長部で軸１６と筒部１８とが独立して自由に振動する。このように、軸受部材２０を集約配置した部分と自由長部との配置間隔を適宜調整することにより、軸１６の曲げ振動モードの次数をコントロールし、構造体４４の固有周波数のシフト量を調整することが可能となる。

また、作業機１０は、筒部１８の外周面に連結されるハンドル支持部２２と、ハンドル支持部２２に支持され、作業者が把持するハンドル２６とをさらに備える携帯型の作業機である。前述のように、ハンドル２６への振動の伝達が抑制されるので、該作業機１０の商品性を向上させることができる。

また、本実施形態では、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析を活用することで、曲げ振動モードと共振周波数とを確認しながら、複数の軸受部材２０の最適な配置を検討することが可能である。また、作業機１０の各部について、基本骨格、重量、慣性マス等のパラメータを適宜調整することで、どのようなタイプの作業機においても、軸受部材２０の配置の最適化を検討することが可能である。ＣＡＥ解析を利用すれば、１つの作業機１０のパターンに対して、短時間の解析で最適な軸受部材２０の配置が特定されるので、実験ベースでの検討と比較して、検討工数を大幅に削減することができる。

［４．その他の構成等］
なお、本実施形態に係る作業機１０では、複数の軸受部材２０は、筒部１８の内部において、軸１６の長手方向に沿って、不均等な間隔で配置されている。具体的に、第２保持部３６と向かい合う軸１６の部分、すなわち、該第２保持部３６を軸１６に投影した部分を領域Ａとし、領域Ａを軸１６に発生する振動の腹に対応させる。そして、複数の軸受部材２０は、筒部１８の内部において、軸１６の長手方向に沿った領域Ａ以外の箇所に配置する。具体的には、複数の軸受部材２０のうち、軸１６の長手方向に沿った領域Ａの両側に、２つの軸受部材２０を配置する。領域Ａを含み、２つの軸受部材２０の間隔に対応する軸１６の長手方向に沿った領域（２つの軸受部材２０に挟まれている軸１６の領域）を第１領域５０と定義する。つまり、２つの軸受部材２０の間隔は、軸１６の長手方向に沿った第１領域５０（領域Ａ）の外側において、第１領域５０を囲い、且つ、第１領域５０よりも広い間隔で配置されている。

振動の腹は、振動が大きい箇所であるので、第１領域５０を筒部１８から独立して自由に振動させる腹の部分とする。これにより、駆動部１２又は作業部１４の振動に起因して軸１６に振動が発生する場合、駆動部１２又は作業部１４の振動による加振エネルギーは、第１領域５０に流れ、第１領域５０は、加振エネルギーによって大きく振動する。そのため、加振エネルギーが複数の軸受部材２０を介して筒部１８に流れることを回避することができる。この結果、筒部１８の振動が抑制され、ハンドル支持部２２を介してハンドル２６に伝わる振動が低減される。

第１領域５０の両端に配置された２つの軸受部材２０の間隔は、軸１６に発生する振動の周波数に応じた長さに設定されている。これにより、例えば、２つの軸受部材２０の間隔を、作業部１４の振動の周波数に応じた長さに設定すれば、作業部１４の振動による加振エネルギーは、第１領域５０に流れ、第１領域５０は、該加振エネルギーによって大きく振動する。

また、本実施形態では、軸１６において、第１領域５０とは別に第２領域５２を設けてもよい。この場合、第２領域５２は、第１領域５０に対応する周波数の振動とは異なる周波数の振動の腹に対応させる。そして、複数の軸受部材２０のうち、第２領域５２の両端の近傍に、２つの軸受部材２０を配置する。

第２領域５２は、筒部１８から独立して自由に振動させる腹の部分とする。これにより、駆動部１２又は作業部１４の振動に起因して軸１６に振動が発生する場合、駆動部１２又は作業部１４の振動による加振エネルギーは、第２領域５２に流れ、第２領域５２は、加振エネルギーによって大きく振動する。この場合も、加振エネルギーが複数の軸受部材２０を介して筒部１８に流れ、該筒部１８が振動することを抑制し、第２保持部３６、第２振動吸収部材４０及びハンドル支持部２２を介してハンドル２６に伝わる振動を低減することができる。

また、２つの軸受部材２０の間隔は、第２領域５２の長さに対応している。この場合、例えば、２つの軸受部材２０の間隔を、駆動部１２の振動の周波数に応じた長さに設定すれば、駆動部１２の振動による加振エネルギーは、第２領域５２に流れ、第２領域５２は、該加振エネルギーによって大きく振動する。

なお、１つの軸１６に第１領域５０と第２領域５２との２つの領域が形成される場合に限らず、本実施形態では、第１領域５０及び第２領域５２のうち、少なくとも一方の領域が１つの軸１６に形成されていればよい。

このように、低減したい振動の周波数に合わせて、第１領域５０の両端近傍における２つの軸受部材２０の間隔を適宜調整することで、第１領域５０を、筒部１８に対して独立に、且つ、作業部１４の振動周波数に同調して振動させることができる。それにより、作業部１４の振動による加振エネルギーは、第１領域５０に流れるので、第２保持部３６の位置（応答点）での筒部１８の振動は抑制される。この結果、ハンドル２６に伝わる振動を低減することができる。従って、本実施形態の手法を用いることで、例えば、作業部１４を駆動させる変速ギヤ２９の減速比が設計変更され、作業部１４の振動周波数が変化した場合でも、第１領域５０の両端近傍における２つの軸受部材２０の間隔を適宜調整することで、振動低減の最適化を図ることが可能となる。

さらに詳しく説明すると、上記の手法は、反共振現象（反共振周波数）を効果的に活用することで振動を低減している。ここで、反共振周波数とは、ある応答点（第２保持部３６の位置）において、隣接した共振周波数の間に存在する振動が極小値となる周波数をいう。

すなわち、複数の軸受部材２０の配置を調整することにより、所定の加振周波数を挟んで低周波側と高周波側とで軸１６及び筒部１８をそれぞれ共振させる。つまり、２つの固有周波数の共振に分離させる。この場合、低周波側及び高周波側のうち、一方側で軸１６及び筒部１８を同じ位相で変化させ、他方側で軸１６及び筒部１８を逆位相で変化させる。

従って、低周波側と高周波側とで２つの固有周波数に分離し、他方側で軸１６の位相に対して筒部１８の位相を反転させることにより、筒部１８の振動の変位について、加振周波数で反共振を発生させることができる。つまり、分離した２つの固有周波数の間に、振動の変位が極小値となる周波数域を生成することができる。

このように、第１領域５０の固有周波数について、振動が極小となる周波数域にすることで、例えば、１２０Ｈｚの作業部１４の加振周波数に対して、効果的に振動を低減することができる。なお、他の固有周波数に対しても、同様の原理により、振動を低減することができる。

なお、第２領域５２のように、筒部１８に対して、独立して軸１６が振動する領域が、振動を低減したい応答点（筒部１８における第２保持部３６の位置）からずれた箇所に設置されている場合、２つの軸受部材２０の間隔によって決まる第２領域５２の固有周波数と、応答点で振動が最も低減される周波数域との間にずれが生じる。この場合、ＣＡＥ解析等を活用し、応答点での周波数応答を確認しながら、低振動化のために最適な軸受部材２０の配置を検討すればよい。

また、低減したい振動の周波数に応じて２つの軸受部材２０の間隔を変更する場合、該周波数以下の低周波領域に対する影響を低く抑えることができる。これは、軸受部材２０の配置調整による筒部１８と軸１６との振動モードの分離効果が、筒部１８の３次曲げモード以上の高次の曲げモードで顕著に現れるため、曲げの次数が低い低周波域では、軸受部材２０の配置調整を行っても、筒部１８と軸１６との振動モードの分離効果が小さいからである。従って、本実施形態では、他の実用回転数域の周波数域に影響を及ぼすことなく、実用上、使用頻度の高い高周波域において、低減したい周波数の振動を低減することが可能である。

なお、本発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることは勿論である。

Claims (4)

1. 駆動部（１２）と、
   前記駆動部の動力によって駆動する作業部（１４）と、
   前記駆動部の動力を前記作業部に伝達する軸（１６）と、
   前記駆動部と前記作業部との間に配置され、内部に前記軸が挿通する筒部（１８）と、
   前記筒部の内部で前記軸を支持する複数の軸受部材（２０）と、
   を備える作業機（１０）において、
   複数の前記軸受部材は、前記筒部の内部において、前記軸又は前記筒部に発生する振動の節側で、前記軸の長手方向に沿って不均等な間隔で配置される、作業機。
2. 請求項１記載の作業機において、
   複数の前記軸受部材は、前記節の近傍に密集して配置される、作業機。
3. 請求項２記載の作業機において、
   前記振動の複数の前記節のうち、少なくとも１つの節の近傍に３つの前記軸受部材を集約して配置する、作業機。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の作業機において、
   前記作業機は、前記筒部の外周面に連結されるハンドル支持部（２２）と、前記ハンドル支持部に支持され、作業者が把持するハンドル（２６）とをさらに備える携帯型の作業機である、作業機。

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