JP2008019680A

JP2008019680A - 作業機械用ブームの動作助力機構

Info

Publication number: JP2008019680A
Application number: JP2006194456A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yoshino; 鉄也芳野
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】無駄なエネルギーロスを防ぎ、さらに燃料生産性を向上させることのできる技術を提供しようとする。
【解決手段】ブーム１の上げ動作時に、その反力を付勢力として利用できるように、弾性体３の一端を車体２に、他端をブーム１にそれぞれ直接または間接的に固定させた。
【選択図】図１

Description

この発明は、作業機械のブームの上下動作を助力するための機構に関する。

油圧ショベル等の作業機械の動作は、フロント作業装置（例えばブーム、アーム等）の上下動作と、上部旋回体の旋回動作との複合動作となる。例えば、油圧ショベルの掘削土砂積み込み作業は、(1)掘削及び土砂のバケットの充填を行う工程、(2)バケットに充填した土砂をトラックへ積み込む位置まで移動させる工程、(3)バケットの土砂をトラックに落とす工程（以下、排土工程という）、(4)バケットをトラック上から掘削位置まで戻す工程（以下、リターン工程という）の４工程からなるが、(1)ではブーム、アーム、バケットの上下動作、(2)ではブームの上げ動作と旋回動作、(3)ではアーム及びバケットの上下動作、(4)ではブーム下げ動作と旋回動作が行われる。

ところで、これら動作中、いったん持ち上げたブームを下げる際、急激な下げ動作を回避するために、ブームシリンダヘッド側の戻り圧油をコントロールバルブで絞っている。
特開２００６−９８８８号（０００２段）

これをエネルギー移動の見地から見ると、フロント作業装置の高所にあった位置エネルギーが、コントロールバルブの絞りスプールの油路で熱エネルギーとして変換され損失してしまっていた。すなわち、フロント作業装置の下げ動作時には、無駄にエネルギーを損失しているという問題が内在していた。

また、作業機械の工程には負荷に差がありすぎるため、エンジンの負荷率が均一化できず、燃料生産性が悪化するという問題もあった。例えば、上記油圧ショベルの作業で見ると、(1)と(2)の動作時には各動作部に高負荷（エンジン負荷率）がかかっているが、(3)の排土工程後、特に(4)のリターン工程においては空バケットを下げて旋回する動作だけとなって低負荷となる。作業機械のエンジンは、最大負荷（最大馬力）時に燃料効率（単位燃料に対する仕事率の割合）が最大となるように設計されるので、(1)や(2)の高負荷時には燃料効率が良好な一方、(4)のリターン工程時のような極端に低負荷となる時には、燃料効率も極端に低下してしまう。低負荷が維持される動作は、燃料生産性が悪化してしまうのである。

この発明は、従来技術の以上のような問題に鑑み創案されたもので、無駄なエネルギーロスを防ぎ、さらに燃料生産性を向上させることのできる技術を提供しようとする。

このため、この発明に係る作業機械用ブームの動作助力機構は、ブームの上げ動作時に、その反力を付勢力として利用できるように、弾性体の一端を車体に、他端をブームにそれぞれ直接または間接的に固定させたことを特徴とするものである。

ここで、間接的に固定とは、他の部材を介して固定されることをいう。後述する実施形態例に示すように、既存の部材（例えばブームシリンダ）を介しても良いし、新たな部材（例えば可動動作を行うリンク部材）を配置させ、その部材を介しても良い。

本発明では、弾性体の反力を利用してブーム上げ動作を付勢する。弾性体は、ブーム上げ動作方向に反力を生じるように配置されており、これは換言すれば、ブーム下げ動作時には、弾性体にたわみを生じさせることを意味する。ブーム下げ動作時にたわみを生じさせるエネルギーは、少なくとも、ブーム自重による位置エネルギー（厳密には、ある高さに生じていたブームの位置エネルギーと、下げた位置の位置エネルギーとの変位量）であり、これが弾性体のたわみとして保存される。すなわち、本発明では、ブームの位置エネルギーを反力の源として利用している。そして、この位置エネルギーは、上述のように、従来、油圧回路の絞りによる熱エネルギーとして損失していたものである。このように本発明は、従来無駄に損失していたエネルギーを有効に活用する機構となっている。

また、ブーム下げ動作時には、弾性体のたわみ分ブームシリンダのロッド側圧力が増すため、従来に比して、ブーム下げ時に要する負荷が増加することになり、高負荷となる他の作業時との負荷偏重が是正される。これにより、エンジンの負荷率の偏重も是正され、燃料生産性が向上する。

以上のように、本発明に係る機構では、ブームの上げ動作時に、弾性体の反力を上げ動作の助力として利用するものであるが、この構成に、さらなる助力を付加させても良い。従来、ブーム下げ時のアクチュエータ速度の向上とポンプ流量の節減を図るために、ブームシリンダのヘッド側からロッド側に圧油を戻す、いわゆる再生回路が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この再生回路では、シリンダ縮み方向動作時、シリンダヘッド側からロッド側に作動油を戻す再生が行われるが、同様の回路において、シリンダ伸張方向動作時、シリンダロッド側からヘッド側に作動油を流してやれば、その圧油分、ブームの上げ動作時の助力となる。そこで、そのような構成を請求項２の発明とする。すなわち、請求項２の発明は、前記構成に加え、ブームシリンダのロッド側ポートとヘッド側ポートを直接結ぶ油路を形成させ、ブーム上げ動作時に、ロッド側ポートからヘッド側ポートに圧油が流れるように制御させたことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、ブーム下げ時に損失していた位置エネルギーをブーム上げ時に利用することができ、無駄なエネルギー損失を防止して、効果的な燃費低減が図れる。

また、ブーム下げ時の荷重が従来より増すので、他の作業時との間の負荷偏重が是正され、これによりエンジン負荷率の偏重も是正されて、作業機械の燃料生産性も向上する。

本発明に係る具体的形態の一例を図面に基づき説明する。以下の例はいずれも油圧ショベルのブームに適用された例であるが、これを他の作業機械に適用してももちろん良い。

図１は第１形態例を示す。本形態例は、弾性体として圧縮スプリング3を用い、その上端をブーム1の底に、下端をブーム1下側の機体2にそれぞれ直接固定した例である（なお4はアームであり、該アーム4の先端には図示しないがバケットが接続される）。

本形態例では、ブーム１上げ動作時の付勢力として圧縮スプリング3の伸張力を利用する。その伸張力はスプリング3の反力として作用することになるものであることから、用いるバネのバネ力の選定が重要となる。

そこで、このバネ力選定について図２を用いて説明する。図２は、ブーム1の動作範囲を示し、（ア）がブームの最高位置、（イ）が水平位置、（ウ）が最低位置（掘削開始位置）である。スプリング（弾性体）のバネ定数をｋ、たわみ量をＸとすると、ブームの重さＭ、高さｈにあるときのブーム1の位置エネルギーＵは、次式で表される。

この位置エネルギーが保存され、かつブーム1が上げ動作の時にスプリングの伸張力が作用するためには、スプリングの反力となる伸張力は、最低限、ブーム1が水平位置（イ）より低い位置（ウ側）の時の方が大きいことが必要である。もっとも、作業時に、ブーム1を水平位置（イ）から、その位置よりさらに高い位置（ア側）に上げることはあるから、伸張力は、最低位置（ウ）のときが最大、最高位置（ア）のときが最小となるのがより好ましい。

本形態例では、このような条件を満たすものとして、ブーム最高位置（ア）のときに伸張力が最小となり（最適は自然長であるが、現実には若干たわみがあっても良い）、ブームがほぼ水平位置（イ）のときにブーム自重と釣り合うようなバネ力のスプリングを用いている。なお、各位置においてスプリングに保存される位置エネルギーの量は、同図(b)のとおりとなる。

したがって、本形態例において、例えば掘削作業をしようとして、ブーム1を最高位置（ア）から掘削開始地点（ウ）まで下げるとき、ブーム1には、高さＨ分の位置エネルギーがスプリング3に縮み（たわみ）として保存されている。このため、バケット（図示なし）で土砂をすくった後、ブーム1を上げるときには、スプリング3に縮み（たわみ）として保存された位置エネルギーが反力としての伸張力となって、その上げ動作を付勢することになる。この付勢分、ブーム1上げ動作に対するエネルギーが不要となることから、ポンプからのブームシリンダ5に供給する油動力を減らすことができ、燃費改善に繋がる機構となる。

また、エンジン負荷が極端に低下する動作である、バケットが空状態でブーム1を下げるような動作のとき（例えば上記(4)のリターン工程）、スプリング3に縮み（たわみ）を生じさせる分、負荷が増えるので、他の作業時の間の負荷偏重が是正され、これによりエンジン負荷率の偏重も是正されて、作業機械の燃料生産性も向上する。

前記第１形態例では、付勢力となる弾性体の反力が伸張力となって表れる形態を示したが、その反力はブーム1の上げ動作に付勢すればよいことから、必ずしも伸張力である必要はなく、むしろ多様な形態が考えられる。例えば、図３は、ブーム1の背側にスプリング30を固着することで（他端は機体ブラケット20に固着）、ブーム1上げ時には、スプリング30の反力としての縮み力を利用する形態となっている。この形態例では、ブーム1が下がるとスプリング30には伸び（たわみ）として位置エネルギーが保存される。また、図４は、ブーム1の中心軸10にうずまきバネ31の内端部を固着することで（外端は機体2に直接固着）、ブーム1上げ時には、渦巻きバネ31の反力としての開放力を利用する形態である。この形態では、ブーム1が下がると、渦巻きバネ31には圧縮という形で位置エネルギーが保存される。

またスプリング等の弾性体の固定も他の部材を介して間接的に行う形態でも良い。例えば、図５から図１０に示すように、ブーム1の上下動作に連動するリンク部材60〜69を配置させ、そのリンク部材60〜69（なお、70,71は補助部材である）にスプリング32〜37の一端を固定し、他端を機体2に固定する態様でも良い（もちろん機体側も他部材を介して固定しても良い）。固定は、固定部材にピンで止めても良いし（例えば32a,33a,35a,37a）、揺動部材に止めてその端部が揺動しても良い。

さらに、機体2に既に備えられる部材を介して固定しても良く、その一例が図１１に示す形態例である。これを第２形態例とするが、本形態例では、ブームシリンダ5のロッド50にスプリング38を嵌挿させた状態で、その一端をブーム1に、他端をバレル端部51にそれぞれ固定している。この形態例も基本的に前記第１形態例と同様、スプリング38の伸張力を反力として、ブーム1上げ時の動作付勢を行うものであるが、この形態例のさらなる特徴は、ブームシリンダ5の油路に従来のいわゆる再生回路に類似した戻り油路を形成している点にある。

すなわち、図１１に示すように、ブームシリンダの油路は、ヘッド側ポートがポンプ6に、ロッド側ポートがタンク7に接続されるが、その回路にヘッド側ポートとロッド側ポートを直接結ぶ戻り油路を形成させ、そこにロッド側からヘッド側に圧油が戻る再生弁8と逆止弁9を配置させている。そして、シリンダロッド5が伸びる際、つまりブーム1上げ時に、図示しないコントローラ（制御手段）により、この戻り油路に圧油が流れるように制御し、それによりブーム1上げ動作時の助力とする。この戻り油と、前記スプリング38の反力の付勢によって、ブーム1上げ動作に要するポンプ6からの油量を削減させることができ、より顕著な節減効果が得られる形態となっている。なお、この戻り油路は従来の再生回路を利用しても良い。

なお、以上説明した形態例は、本願請求項に係る発明の一具体例を示したものであり、適用される作業機械、用いる弾性体・油圧回路、その他の構成を用いて他の形態になりうることは当然である。

この発明は、ブームを備えた作業機械に適用可能である。

第１形態例の説明図である。ブームの高さと位置エネルギーとの関係を説明した図であり、(a)はブームの状態図、(b)は(a)の各状態における位置エネルギー量を示したグラフである。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。他の形態例の説明図である。第２形態例の説明図であり、油圧回路である。

符号の説明

1 ブーム
2 機体
3,30〜38 弾性体
5 ブームシリンダ

Claims

ブームの上げ動作時に、その反力を付勢力として利用できるように、弾性体の一端を車体に、他端をブームにそれぞれ直接または間接的に固定させたことを特徴とする作業機械用ブームの動作助力機構。
ブームシリンダのロッド側ポートとヘッド側ポートを直接結ぶ油路を形成させ、ブーム上げ動作時に、ロッド側ポートからヘッド側ポートに圧油が流れるように制御させたことを特徴とする請求項１の作業機械用ブームの動作助力機構。