(57)【要約】【課題】  側壁に貫通孔が設けられる建設機械のフレームにおいて、その重量及び費用の大幅な増加を避けながら前記貫通孔の周囲の応力集中を有効に緩和する。【解決手段】  建設機械のフレーム４０の側壁４４に設けられる貫通孔４６の孔形状を工夫することにより応力集中を緩和する。具体的に、貫通孔４６の形状は、その貫通孔４６の形成位置に円形孔を仮想したときにこの円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での孔周縁の曲率が、円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定する。【選択図】      図１
2006248756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁にその内外を貫通する貫通孔が設けられるとともに、当該側壁に特定方向の荷重が加えられる建設機械のフレームにおいて、前記貫通孔の形状は、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記特定方向の荷重の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定されていることを特徴とする建設機械のフレーム。
【請求項２】
請求項１記載の建設機械のフレームにおいて、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状が設定されていることを特徴とする建設機械のフレーム。
【請求項３】
請求項１または２記載の建設機械のフレームにおいて、前記貫通孔は、その中間部分に任意の方向に直線的に延びる直線部をもつ長孔であり、当該直線部を除く部分の曲率が前記円形孔の周囲の応力分布に基づいて設定されていることを特徴とする建設機械のフレーム。
【請求項４】
下部走行体上に旋回支持部を介して旋回可能に搭載され、当該旋回支持部に接合される箇所から水平方向に離れた荷重支持箇所に鉛直方向の力が付加されるクレーンの上部旋回フレームにおいて、前記旋回支持部に接合される箇所から前記荷重支持箇所までの領域内に貫通孔を有する側壁を備えるとともに、前記貫通孔のうちの少なくとも一つの貫通孔の形状が、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記荷重支持箇所への鉛直方向の力の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定されていることを特徴とするクレーンの上部旋回フレーム。
【請求項５】
請求項４記載のクレーンの上部旋回フレームにおいて、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状が設定されていることを特徴とするクレーンの上部旋回フレーム。
【請求項６】
請求項４または５記載のクレーンの上部旋回フレームにおいて、前記貫通孔は、その中間部分に任意の方向に直線的に延びる直線部をもつ長孔であることを特徴とするクレーンの上部旋回フレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動式クレーン等の建設機械を構成するフレームに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されるような建設機械のフレームの側壁には、種々の目的で貫通孔が設けられることが多い。例えば、当該側壁の内外に油圧配管や電気配線を通す場合や、他の部材との溶接を施工する場合、軽量化を図る場合等に、種々の貫通孔が前記フレームの側壁に設けられることになる。
【特許文献１】特開２０００−１４３１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記のように側壁に貫通孔が設けられたフレームに対して外力が加えられた場合、当該貫通孔の周囲には一般に応力集中が発生する。
【０００４】
例えば、図６に記載されるように、クレーンの下部走行体２上に旋回軸受４を介して旋回可能に設置される上部旋回フレーム６において、その後端にブームの吊り荷重を支持するための荷重支持部７が設けられている場合、この荷重支持部７には鉛直方向の力である上向きの引張力Ｆが作用するが、このとき、前記上部旋回フレーム６の後部（前記荷重支持部７と前記旋回軸受４との間の部分）の側壁６ａに円形の貫通孔８が設けられていると、この貫通孔８の周囲には上記引張力Ｆに起因して応力集中が発生する。具体的には、前記上部旋回フレーム６において前記旋回軸受４に接合されている部分よりも後側の部分を、その自由端部に上向きの垂直荷重（引張力Ｆ）を受ける片持ち梁とみなすと、この片持ち梁には曲げ応力が発生し、貫通孔８の周縁にはその特定の角度位置で応力の絶対値が著しく上昇する応力集中が生ずる。
【０００５】
このような応力集中が発生する場合に、その最大応力を基準としてフレーム設計をすると、フレーム全体の肉厚が相当大きくなり、その重量及び材料費の増大は避けられない。また、前記応力集中が発生する部分に補強板を貼って局所的に断面積及び断面係数を増やすようにしても、その溶接施工に伴う疲労評価の低下も考慮すると補強板の厚みはかなり大きく設定しなければならず、補強構造は重厚なものとなってしまう。従って、当該補強構造に起因する重量及び費用の増加を抑制することは難しい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、側壁に貫通孔が設けられる建設機械のフレームにおいて、その重量及び費用の大幅な増加を避けながら前記貫通孔の周囲の応力集中を有効に緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一般に、孔の形状が円形以外の形状である場合、すなわち、孔周縁の曲率が全周にわたって一定でない場合、その曲率が大きい（すなわち曲率半径が小さい）位置ほど応力集中が著しくなる傾向がある。換言すれば、応力集中が著しい位置での孔周縁形状の曲率を小さく（曲率半径を大きく）すれば、その応力集中度を緩和することが可能になる。
【０００８】
本発明は、このような観点からなされたものであり、側壁にその内外を貫通する貫通孔が設けられるとともに、当該側壁に特定方向の荷重が加えられる建設機械のフレームにおいて、前記貫通孔の形状は、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記特定方向の荷重の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定されているものである。
【０００９】
この構成によれば、前記貫通孔の形成位置に仮想される円形孔の周囲において応力の絶対値が最大となる最大応力角度位置での実際の貫通孔の孔周縁の曲率が最小応力角度位置での曲率よりも小さく設定されることにより、当該貫通孔の周囲における応力の最大値と最小値との差が縮められる。従って、当該貫通孔の周囲に補強を施すことなく、また補強をするとしても簡単な補強のみで、貫通孔周囲の応力集中を効果的に緩和することができる。
【００１０】
さらに、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状を設定すれば、応力最大値をより有効に低減することができる。
【００１１】
なお、前記貫通孔は、その中間部分に任意の方向に直線的に延びる直線部をもつ長孔であってもよく、その場合には、前記直線部を除く部分の曲率が前記円形孔の周囲の応力分布に基づいて設定されていればよい。
【００１２】
本発明は、種々の建設機械のフレームに適用し得るものであるが、特に、下部走行体上に旋回支持部を介して旋回可能に搭載され、当該旋回支持部に接合される箇所から水平方向に離れた荷重支持箇所に鉛直方向の力が付加されるクレーンの上部旋回フレームでは、その旋回支持部に接合される箇所から前記荷重支持箇所までの領域が大きな曲げ荷重を受ける片持ち梁となるため、この領域内に貫通孔を有する側壁を備える場合に、前記貫通孔のうちの少なくとも一つの貫通孔の形状を、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記荷重支持箇所への鉛直方向の力の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定することにより、本発明の効果を如何なく発揮することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、側壁に貫通孔が設けられる建設機械のフレームにおいて、当該貫通孔の孔周縁の曲率を適正に設定することにより、フレーム全体の重量及び費用の大幅な増加を避けながら前記貫通孔の周囲の応力集中を有効に緩和することができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る移動式クレーン１０の全体構造を示したものである。
【００１５】
このクレーン１０は、左右クローラ１１を有する下部走行体１２と、その上に旋回軸受１４を介して旋回可能に設置される上部旋回体１６とを備えている。
【００１６】
この上部旋回体１６の前端部にはブーム取付部１６ａが設けられ、このブーム取付部１６ａを支点としてブーム１８が起伏可能に支持されている。このブーム１８は、図例ではラチスブームであり、その先端部からは主フック２０及び図略の補フックが吊り下げられている。
【００１７】
一方、上部旋回体１６には第１ウインチ２２、第２ウインチ２４、及びブームウインチ２６が搭載されている。そして、前記第１ウインチ２２による巻上げワイヤロープ２７の巻取りにより前記主フック２０が吊上げられ、前記第２ウインチ２４による図略の巻上げワイヤロープの巻取りにより前記補フックが吊上げられる。また、前記ブームウインチ２６によるワイヤロープ２８の巻取り／巻出しにより、前記ブーム１８が前記ブーム取付部１６ａを支点として回動動作（起伏動作）をするようになっている。
【００１８】
具体的に、前記上部旋回体１６の後部にはブーム起伏用のガントリ３０が設けられている。このガントリ３０は、傾斜姿勢で配される前側の圧縮部材３１と、立直姿勢で配される後側の引張部材３２とが山型に組まれてその上端部同士が連結されたものであり、当該ガントリ３０の頂部にシーブ３４が回転可能な状態で設けられるとともに、このシーブ３４にブームウインチ２６から引き出されたワイヤロープ２８が掛けられている。一方、前記ブーム１８の先端にはガイケーブル３６の一端がつながれ、このガイケーブル３６の他端側と前記ガントリ３０側とにそれぞれ上下スプレッダ３７，３８が取付けられており、当該スプレッダ３７，３８に含まれるシーブ同士の間に前記ワイヤロープ２８が掛け回されている。
【００１９】
従って、このクレーン１０では、前記ブームウインチ２６によるワイヤロープ２８の巻取り（または巻出し）によりスプレッダ３７がスプレッダ３８に対して接近する（またはスプレッダ３８から離れる）ように移動することによりブーム１８が起伏するとともに、このブーム１８や前記主フック２０、補フック、ワイヤロープ２７等の自重及びそのブーム１８の先端の吊り荷Ｗによる荷重に起因して、前記ガントリ３０を構成する圧縮部材３１には圧縮力Ｆｃが、引張部材３２には引張力Ｆｔがそれぞれ作用するようになっている。
【００２０】
次に、前記上部旋回体１６を構成する上部旋回フレーム４０の構造を説明する。
【００２１】
この上部旋回フレーム４０は、中空断面を有する箱型形状を有し、その前半部の底壁が前記旋回軸受１４に接合されている。また、左右の側壁４４の前側部上端に圧縮部材取付孔４１が設けられ、後端上部に引張部材取付孔４２が設けられている。
【００２２】
前記圧縮部材取付孔４１には、この上部旋回フレーム４０と前記ガントリ３０の圧縮部材３１とを連結するための図略のピンが挿通され、同様に、前記引張部材取付孔４２には、この上部旋回フレーム４０と前記ガントリ３０の引張部材３２とを連結するための図略のピンが挿通される。従って、この上部旋回フレーム４０において前記引張部材取付孔４２が設けられている箇所は、その引張部材３２に作用する鉛直方向の力である上向きの引張力Ｆｔが付加される荷重支持箇所となっており、この荷重支持箇所は前記旋回軸受１４の接合箇所から水平方向後側に大きく離間した位置に存在している。すなわち、この上部旋回フレーム４０のうち前記旋回軸受１４よりも後側の部分は、その自由端部である後端部に上向き荷重が加えられて曲げモーメントＭが発生する片持ち梁の状態となっている。
【００２３】
なお、このような曲げ状態が発生するのは、図示のようなガントリタイプのブーム支持構造に限られない。例えば、特開平１０−１９４６８１号公報に示されるように、上部旋回体に揺動可能なマストを備え、このマストとブーム先端とをガイケーブルで連結するとともに、上部旋回フレームの後部に小ガントリを設け、この小ガントリの頂部と前記マストの先端部との間に滑車機構を設けてこの滑車機構をウインチの駆動で伸縮させることによりブームを起伏させるクレーンにおいても、その上部旋回フレームに前記と同様の曲げ状態が発生することになる。従って、このようなクレーンにおいても本発明を有効に適用することが可能である。
【００２４】
図１及び図２に説明を戻すと、前記のような曲げ荷重を受ける上部旋回フレーム４０は、左右に対なす側壁４４を備え、これらの側壁４４において、前記旋回軸受１４から前記引張部材取付孔４２に至るまでの水平方向の領域中に、当該側壁４４の内外を連通する貫通孔４６，４８が設けられている。
【００２５】
図３に示すように、前記貫通孔４６の孔周縁の形状は、その角度位置に応じて曲率が変化しており、当該曲率は、この貫通孔４６の周囲における応力の集中度合いが緩和されるように設定されている。具体的には、前記貫通孔４６の形成位置に当該貫通孔４６の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに、前記引張部材取付孔４２が設けられている荷重支持箇所に上向きの引張力Ｆｔが付加されるのに伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔４６の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔４６の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、当該貫通孔４６の形状が設定されている。
【００２６】
図４（ａ）は、前記貫通孔４６に対応する円形孔４６′を仮想したときの上部旋回フレーム側壁４４の曲げ変形状態を誇張して表したものであり、同図（ｂ）は当該曲げ変形状態における前記円形孔４６′の周囲の応力分布を有限要素法で解析した結果を示したものである。同図（ｂ）では、各分割要素に付されている網目の密度が細かいほど応力の絶対値が高いことを示している。
【００２７】
本来、円形孔４６′をもつフレーム側壁４４が前記円形孔４６′を通る線を中立軸として曲げ変形した場合、当該円形孔４６′の周囲にはほぼ４５°方向の４つの角度位置で応力集中が最大となるが、図例では、円形孔４６′の下端からフレーム下縁までの縦寸法が小さいため、図４（ｂ）に示すように、実際の応力集中度は、円形孔４６′の下端近傍であって少し後端寄りの角度位置の要素Ｅ１で最大（約41kg/mm2）となっている。
【００２８】
このような応力特性に鑑み、実際の貫通孔４６の形状は、図５（ａ）（ｂ）に示されるように、前記のような最大応力角度位置の近傍の角度位置及びこれと対向する位置（１８０°離間した位置）で孔周縁形状の曲率が最小となり、これと直交する方向の角度位置（前記最大応力角度位置から９０°離間した角度位置）であって応力が最小となる角度位置の近傍の角度位置で前記曲率が最大となるように、設定されている。
【００２９】
このような形状の貫通孔４６であると、図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）に示す円形孔４６′に比べて孔周囲の応力最大値（図では要素Ｅ２で約37kg/mm2）が効果的に低減し、また、高応力領域も有効に削減されることとなる。従って、フレーム全体の重量及び材料費の大幅な増加を避けながら前記貫通孔４６の周囲の応力集中を有効に緩和することができる。
【００３０】
一方、貫通孔４８の形状は、前記貫通孔４６の形状を水平方向に延ばした形状となっている。すなわち、この貫通孔４８はその水平方向中間部分に当該水平方向に直線的に延びる直線部４８ｂを有し、その両側端部４８ａが前記貫通孔４６と同様に前記円形孔４６′の応力分布に基づいて曲率を変化させた形状となっている。換言すれば、この貫通孔４８は横長の小判形状の左右両端部を変形させた形状を有している。このように、中間部分に任意の方向に延びる直線部を有する長孔であっても、その両側部分の曲率が適正に設定されることによって、応力集中を有効に緩和することが可能になる。
【００３１】
なお、前記貫通孔４６の形成位置に仮想される円形孔４６′の周囲の応力分布は、その形成位置によって当然に変化するから、その応力分布によって適宜貫通孔４６の形状を設定すればよい。例えば、円形孔４６′の上下両側におけるフレーム４０の縦寸法が当該円形孔４６′の直径に比して十分に大きいモデルを想定すると、上述のように、当該円形孔４６′の周囲にはほぼ４５°方向の４つの角度位置で応力の絶対値が最大となるから、その最大応力角度位置に対応する部分での曲率を最小にするように、貫通孔４８の形状を例えば略菱形形状（ただし菱形の４つの頂点に相当する部分に極度の応力集中が発生しないようにその頂点部分は小さな曲率半径をもつ円弧にしておくのが好ましい。）とすることにより、大掛かりな補強をすることなく、孔周囲の応力集中を効果的に緩和することができる。
【００３２】
なお、本発明では必ずしも円形孔の最大応力角度位置で曲率を最小にしなくてもよく、少なくとも前記最大応力角度位置での貫通孔の周縁の曲率が最小応力角度位置での周縁の曲率よりも小さくなる孔形状とすれば、応力の絶対値の最大値と最小値との差を縮める（すなわち応力集中度を低減させる）ことが可能である。ただし、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状を設定すれば、応力最大値をより有効に低減することが可能になる。
【００３３】
また、図示の上部旋回フレーム４０は、その荷重支持箇所に上向きの引張力Ｆｔが付加されるものとなっているが、逆にその荷重支持箇所に下向きの押付力が加えられて当該押付力が強度設計上支配的であるようなフレームについても、本発明を有効に適用することが可能である。
【００３４】
さらに、本発明はクレーンの上部旋回フレームに限らず、油圧ショベル等のその他の建設機械の上部旋回フレームや、下部走行体を構成するフレーム等、運転時に特定方向の荷重を受ける種々のフレームにおいて、その側壁に種々の目的で貫通孔が設けられる場合に、広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る移動式クレーンの全体構成を示す正面図である。
【図２】前記移動式クレーンの全体構成を示す平面図である。
【図３】前記移動式クレーンに含まれる上部旋回フレームの要部を示す正面図である。
【図４】（ａ）は前記上部旋回フレームの側壁における貫通孔の形成位置に円形孔を仮想した場合の当該側壁の曲げ変形状態を模式的に示した図、（ｂ）は当該曲げ変形状態における前記円形孔の周囲の応力分布を示す図である。
【図５】（ａ）は前記上部旋回フレームの側壁の曲げ変形状態を模式的に示した図、（ｂ）は当該曲げ変形状態における前記上部旋回フレームの貫通孔の周囲の応力分布を示す図である。
【図６】従来の上部旋回フレームの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    移動式クレーン
１２    下部走行体
１４    旋回軸受（旋回支持部）
１６    上部旋回体
１８    ブーム
３０    ガントリ
３２    引張部材
４０    上部旋回フレーム
４２    引張部材取付孔
４４    フレーム側壁
４６，４８  貫通孔
４６′  円形孔
４８ｂ  直線部
【図１】
2006248756.tif 000003
【図２】
2006248756.tif 000004
【図３】
2006248756.tif 000005
【図４】
2006248756.tif 000006
【図５】
2006248756.tif 000007
【図６】
2006248756.tif 000008