专利名称：锁具的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及锁具(latch)。更具体地，本公开内容涉及用于将矿山和工程机械的工具例如液压挖掘机的拇指臂(thumb)保持在贮备位置的锁具。
背景技术：
矿山和工程机械采用各种工具例如铲斗、撞锤、叉、抓斗、拇指臂等，以执行不同的操作。这些工具通常通过活动接头例如铰接接头附装在机器上，并在致动器的作用下相对于机器运动。当不需要工具执行操作时，操作员希望将工具移动到非工作的贮备位置。
例如，当液压挖掘机的斗杆上附装有铲斗和拇指臂时，操作员可使用拇指臂来辅助抓取物料，例如树桩或破坏残骸，这是通过使拇指臂紧靠铲斗地夹取物料而实现的。但是当不需要使用拇指臂抓取物料或执行其它操作而是操作员想要使用铲斗来挖掘时，操作员会希望将拇指臂移动到非工作的贮备位置。可通过使拇指臂向后卷起直到它叠靠在斗杆上而将拇指臂移动到这样的非工作贮备位置。
可主要通过由致动器施加在工具上的力而使工具相对于机器移动到非工作贮备位置。作为非限制性示例，致动器可以是液压缸或丝杠。
一些类型的致动器能够使工具移动到其非工作贮备位置，但是不适合用于将工具保持在该位置。例如，液压缸可用于使挖掘机斗杆上的拇指臂向后朝向斗杆卷起。拇指臂可贮备于此而处在一不形成障碍的位置，直到再次需要拇指臂为止。但是液压缸不适合用于将拇指臂保持在该位置。由于液压流体在密封件和阀周围的泄漏，液压缸会随着时间的逝去而发生移位。如果液压缸发生移位，工具会无意识地从其贮备位置移开。挖掘机的操作员需要通过控制液压缸的修正运动而修正拇指臂的移位。频繁地修正这种移位是冗烦的，并且会分散操作员的注意力。
锁具有时用于通过防止移位而将工具锁定在它们的非工作贮备位置。已使用并提出了多种用于该用途的锁具。一种简单类型的锁具是将工具固定在机器上的手动销。要用这种类型的锁具锁住工具，机器的操作员通常必须离开驾驶室，进入与要锁定的工具邻近的位置，并在工具和机器之间手动插入销。由于操作员插入销需要时间和精力，因此手动销并不具有吸引力。
其它的锁具——例如在授予Rockland Inc.的美国专利No.6,209,237中提出的一种锁具——是可以对工具进行锁定和/或解锁而无需操作员离开驾驶室的自动锁具。在Rockland专利中所述的自动锁具允许将挖掘机上的拇指臂自动锁定在非工作的贮备位置。为了自动锁定拇指臂，首先通过液压缸或其它致动器将拇指臂移动到贮备位置。将拇指臂移动到贮备位置使得锁具自动接合，并将拇指臂自动锁定在贮备位置。由于操作员可从挖掘机的驾驶室内控制拇指臂移动到贮备位置而完成锁定，所以该锁定是自动的。此外，在Rockland专利中所述的自动锁具可使拇指臂从其贮备位置自动解锁。为了使拇指臂自动解锁，操作员控制液压缸向拇指臂施加力以使其从贮备位置移开。来自液压缸的力克服锁具的解锁力使之自动脱开，并使拇指臂自动解锁。
尽管Rockland专利中的锁具提供了自动锁定和解锁并且可与特定的拇指臂一起工作，但是它不适于与其它拇指臂一起工作。例如，Rockland专利中锁具的定位方式会限制用于使拇指臂定位的(液压)缸可附装在斗杆上的位置。另外，对于非常大而且重的拇指臂而言，Rockland专利中的锁具难以获得足够大的解锁力。此外，尽管Rockland专利中的锁具提供了自动解锁，但是难以对其进行手动解锁。对Rockland专利的锁具进行手动解锁将需要较大的力并且很困难。在维修操作期间需要使锁具手动脱开以移动拇指臂的技术人员比较重视简单的手动解锁。
发明内容
相反地，本发明的锁具十分适合于与多种不同类型的拇指臂和其它工具一起工作，这是由于其相对于工具定位的柔性方式以及它能够实现较高的解锁力，从而可用于大而重的拇指臂和其它工具。本发明的锁具构造、安装和维护也很简单，成本低，并且比其它自动锁具更易于手动解锁。
图1是液压挖掘机的斗杆、铲斗和拇指臂的组合以及本发明锁具示例的轴测视图。
图2是图1的锁具的放大视图。
图3是图1的锁具的另一个放大轴测视图。
图4是单独示出与挖掘机分离的图1的锁具的轴测视图。
图5是图4的锁具的一部分的平面视图。
具体实施例方式
下面是对一个示例性实施例的详细说明，其有助于阐明本发明的原理和应用。但是，该示例性实施例并非用于限定本发明的全部范围，因为可为本领域普通技术人员所理解的其它实施例也是可行的。本发明的预期范围由所附的权利要求限定。
图1示出液压挖掘机的斗杆、铲斗和拇指臂的组合，其中根据本发明的锁具用于将拇指臂相对于斗杆保持在非工作的贮备位置。附图和说明书使用该环境来展示所述锁具的一个应用。当然，所述锁具的其它应用也是可行的，包括用作挖掘机、反铲挖土机或轮式装载机的铲斗的锁具，或用作工程或矿山机械上的其它工具的锁具。如本领域普通技术人员所能理解的那样，所述锁具可用在期望使用锁具的任意环境中。这样，用于展示本发明的对液压挖掘机的斗杆、铲斗和拇指臂组合的描述不应理解为对本发明范围的限制。如前所述，本发明的预期范围由所附的权利要求限定。
在图1中部分示出挖掘机动臂100。挖掘机动臂100以标准的方式附装在液压挖掘机(未示出)上。斗杆200以标准的方式在铰接接头110处可枢转地安装在挖掘机动臂100上。铲斗300以标准的方式在铰接接头(未示出)处可枢转地安装在斗杆200上。铲斗300可用于从挖掘地点挖、铲和运送物料，例如泥土和石头，并将物料倾卸成堆或倾卸到卡车中。液压缸(从图中省略)或其它类型的致动器可用于以标准方式进一步将动臂100连接至挖掘机、将斗杆200连接至动臂100，以及将铲斗300连接至斗杆200。
拇指臂400也在铰接接头(未示出)处可枢转地安装在斗杆200上。拇指臂400可在其第一端部401处、在用于将铲斗300安装至斗杆的同一铰接接头处安装在斗杆200上。或者，拇指臂400可以在单独的铰接接头处安装至斗杆200。液压缸410进一步将拇指臂400连接至斗杆200。也可使用另一种类型的致动器来代替液压缸410。液压缸410的一个端部412连接在拇指臂400上。与端部412相对的另一个端部411以任意期望方式连接至斗杆200(已省略端部411至斗杆200的连接)。随着液压缸410的长度增大或减小，拇指臂400相对于斗杆200转动或卷动。在附图中所示的结构中，拇指臂400和铲斗300可通过各自单独的致动器而彼此独立地运动。拇指臂400在其与第一端部401相对的第二端部402处可包括一组适合用于挖掘、切削、砍凿或夹取的齿。齿403可以是常设的，或者是可拆卸和可替换的。在拇指臂400的第二端部402上还可形成锯齿区404。这些锯齿可辅助拇指臂抓取物体。
拇指臂400可与铲斗300配合使用以将物品或物料捕集在它们之间，从而辅助铲斗拾取和输送负载物。该操作例如可用于在场地清理作业中拾取树桩或原木并将它们放到卡车中。拇指臂400还能够以许多其它方式使用，并且十分有效地拓展挖掘机的性能以及提高挖掘机的效率。
在某些操作期间，将无需使用拇指臂400。实际上，在某些操作中拇指臂400会妨碍铲斗300的正常使用。对于这些操作，操作员希望将拇指臂400卷起到非工作的贮备位置，在该位置它将不会对铲斗300的运动形成障碍并且不会接触动臂100。在图1中拇指臂400相对于斗杆200的定向是非工作贮备位置的一个示例。
液压缸410或其它致动器可用于使拇指臂400向后朝向斗杆200卷起并进入该非工作贮备位置。但是，在某些情况下，液压缸410无法将拇指臂400保持在该位置。液压缸以及其它致动器都会随着时间的逝去而发生移位，并使得拇指臂400无意识地运动。为了修正拇指臂400的移位和无意识运动，操作员需要反复致动液压缸410以迫使拇指臂400回到贮备位置。这种修正动作是冗烦的，并且会分散操作员的注意力。
锁具500在拇指臂400和斗杆200之间工作以将拇指臂锁止或锁定在其贮备位置。如本领域普通技术人员所能理解的那样，锁具500也可用于其它的不同应用场合。
现在参照图2和3，锁具500可包括钩组件510和锁组件520。在所示应用中，钩组件510或锁组件520之一应当附装在挖掘机斗杆200上，而钩组件510或锁组件520中的另一个应当附装在拇指臂400上。优选地，钩组件510附装在斗杆200上，而锁组件520附装在拇指臂400上。
钩组件510的一有利安装位置是在斗杆200的侧板210上。斗杆200是带有顶板220、底板(未示出)和两个侧板210(只示出一个)的箱形截面的焊接件。铲斗300和拇指臂400绕穿过各个侧板210的轴线转动。钩组件510安装在侧板210之一上，从而它不会妨碍拇指臂400向后卷起并进入紧靠斗杆200的贮备位置。Rockland专利(上文引述的美国专利No.6,209,237)中的设计所述的使锁具位于斗杆的底板上是不利的。对于附装在底板中间的锁具，用于拇指臂的液压缸不能在这样的部位处安装在斗杆上——其中当拇指臂卷起到贮备位置时拇指臂的端部会延伸超出该部位——否则锁具和液压缸会发生冲突。如图2和3所示地装设的锁具500允许在将锁具用于不同类型的拇指臂结构时具有更大的柔性，因为它不会妨碍将拇指臂的液压缸安装到斗杆上。
现在参照图4和5，钩组件510包括安装件、窄长顺应(compliant)延伸臂和钩部。所述安装件可以具有如本领域普通技术人员所认知的任意尺寸或形状，并且可适用于特定应用场合。在所示实施例中，所述安装件为安装板511。安装板511适于简便地定位、焊接或栓锁在侧板210上。在所示实施例中，安装板511是矩形金属板并且包括夹具512。夹具512可用于夹持和紧固窄长顺应延伸臂的第一端部。
在所示实施例中，所述窄长顺应延伸臂由板簧组件513形成。其它结构也可用于顺应延伸臂，可能包括卷簧。如本领域普通技术人员所能理解，可对要使用的延伸臂的类型进行选择并使之适于特定的应用。延伸臂将钩部530与安装件隔开。延伸臂还是顺应性的，以便使钩部在锁具接合和脱开期间可以移动。优选地，延伸臂具有沿其长度可变的弯曲抗力或刚度。下面将对该变化刚度的用途进行说明。
板簧组件513的第一端部513a由夹具512保持。板簧组件513的与第一端部513a相对的第二端部513b安装在钩部530上。钩部530可通过如图5所示用紧固件531夹持在板簧组件513的两侧上而牢固地附装在板簧组件513的端部。也可以使用其它的附装方法。钩部530包括具有凹槽(detent)533的钩表面532。一凸轮表面534邻接钩表面532形成并部分地形成在该钩表面之下。
板簧组件513可包括一块或多块由柔性材料例如钢制成的板。这些板的厚度小于它们的宽度。在附图中示出三块板514、515和516作为示例。每块板514、515和516都附装在钩部530上。每块板514、515和516的长度相继减小。所述长度是沿安装板511和钩部530之间的延展方向测量的。只有板514附装在安装板511上。板515和516只在钩部530到安装板511的距离的一部分上延伸。随着从安装板511到钩部530向下移动，板簧组件513的有效厚度由于相继加入的板515和516而增大。板簧组件513的增加的有效厚度导致可变的刚度。至少在钩部在锁具接合和脱开期间位移的方向上，板簧组件513的刚度在钩部530附近比在安装板511附近要大。该变化的弯曲抗力也能以其它方式实现，例如通过增加板簧组件513的实际厚度，而不是通过加入其它板来增加有效厚度。该变化的弯曲抗力还可通过沿板簧组件513的长度增加其宽度来实现，例如使钩部530附近的宽度大于安装板511附近的宽度。
现在转到图3和4所示的锁组件520，该锁组件附装在拇指臂400的端部402附近。锁组件520可包括一对隔开的板521。锁组件还包括在锁具接合和脱开期间与钩部530接触的锁定构件。在所示实施例中，锁定构件是固定并悬设在板521之间的杆522。如本领域普通技术人员所能理解，其它结构也可用于锁定构件，当然，其它结构也可用于定位所述杆522。在附图中杆522示出为具有圆形横截面，但是也可使用其它形状。
自动锁定为了使锁具500自动接合并将拇指臂自动锁定在其贮备位置，拇指臂400在液压缸410的力的作用下向后朝斗杆200卷起。在拇指臂400向后作卷起运动时杆522朝钩部530摆动。杆522首先在凸轮表面534接触钩部530。杆522的运动相对于凸轮表面534的倾斜角度在钩部530上沿图4和5中的箭头F的方向产生力。由杆522和凸轮表面534在钩部530上产生的力使得板簧组件531弯曲，从而允许钩部530朝图4和5中的左边方向位移。最终，杆522滑动通过凸轮表面534，并且钩部530弹回到图4中所示的位置。这是锁具500的接合位置，也是拇指臂400的锁定位置。锁定力是由杆522在锁定过程中施加在钩部530上使该钩部位移足够距离以允许所述杆滑动通过所需的力。
自动解锁为了使锁具500自动脱开并使拇指臂400从其贮备位置自动解锁，拇指臂在液压缸410的作用下远离斗杆地卷动。杆522接触钩表面532。杆522的运动基本垂直于钩表面532。这样，杆522在钩表面532上施加的力最初沿箭头F的方向产生的使钩部530移动的力非常小。在钩表面532上可设置凹槽533以确保杆522成一角度地接触钩表面，该角度最初沿箭头F的方向产生非常小的力。
由于杆522在钩表面532上施加力，沿图4和5中的箭头M的方向会绕钩部530产生一力矩，从而趋向于使钩部沿图4和5中的顺时针方向转动。但是，由于板簧组件513在钩部附近的弯曲抗力较高，所以只有加在钩部530上的较大的力才会引起转动。由于钩部530沿箭头M的方向稍微转动，所以钩表面532也稍微转动。由于钩表面532稍微转动，所以杆522靠着钩表面的运动角度发生变化。这导致杆522加在钩部530上的力的分量主要保持为朝向平行于板簧组件513的向下的方向，但是也导致施加在钩部上的沿箭头F的方向并垂直于板簧组件的力增加。沿箭头F的方向的较小的力使得板簧组件513沿该力的方向弯曲。该弯曲主要发生在板簧组件513的附装在安装板511上的第一端部513a附近，这是因为在组件的该区域内沿箭头F方向的弯曲抗力更小。这样，对于杆522施加在钩表面532上的较高力，钩部沿箭头M的方向只会稍微转动并且沿箭头F的方向移动。最终，杆522施加在钩表面532上的足够大的力会使钩部530沿箭头F的方向位移一段允许杆522从钩表面532上滑落的距离——该力就是解锁力。当解锁时，拇指臂400可在液压缸410的力的作用下自由地向前卷动并用于与铲斗300一起操作。
如果拇指臂400向下移位或者在液压缸410的作用下有意地向前卷动，则当杆522接触钩表面532时拇指臂会被阻止，直到锁具500的解锁力被克服。
由于凸轮表面534和钩表面532之间相对于杆522的运动的角度不同，所以解锁力在大小上比锁定力要大许多倍。
手动解锁由于钩部530的转动和板簧组件513的弯曲之间的关系，板簧组件沿箭头F方向的较小的弯曲抗力可抵抗杆522施加在钩表面532上的非常大的力。这导致这样的能力，即人们通过抓住钩部530并沿箭头F的方向拉动它以使钩部移动越过杆522而简便地手动脱开锁具500并使拇指臂400解锁。拉动钩部530越过杆522所需的力可低至30lbs，而由杆施加在钩部上以克服锁具的解锁力并使拇指臂自动解锁将需要上述力的一百倍(100X)或更高。只有拇指臂400通过操作员的控制在液压缸410作用下的有意运动才会在锁具500上产生大到足以克服解锁力的力。拇指臂400的无意识移位——即使拇指臂较大且重——也无法克服解锁力并使锁具500脱开。
操作员比较重视使拇指臂400自动解锁的能力，因为可以不用离开驾驶室而实现解锁。能够简便地使拇指臂400手动解锁的能力为技术人员所重视，这些技术人员在维修操作期间当无法从液压缸410获取动力时需要使拇指臂解锁并移动。
工业实用性锁具500可用于在无需使用拇指臂400时将其保持在非工作的贮备位置。当操作员有意地使拇指臂400从其贮备位置移开，由此拇指臂致动器作用在锁具上的力使锁具脱开时，锁具500将使拇指臂自动解锁。锁具500可抵抗较高的解锁力，从而可防止拇指臂400发生移位。只有拇指臂致动器的有意致动能克服锁定力并导致自动解锁。然而锁具500也允许由技术人员简便地手动解锁。这些特征中的每一个都有助于改善机器例如液压挖掘机的功用。
权利要求
1.一种适于可操作地设置在两个结构件之间的锁具，该锁具包括安装件，该安装件适于固定在第一结构件上；钩部，该钩部具有凸轮表面和钩表面；窄长顺应延伸臂，该延伸臂在所述安装件和所述钩部之间延伸，所述延伸臂的第一端部固定在所述安装件上，所述延伸臂的与所述第一端部相对的第二端部固定在所述钩部上，所述延伸臂对于沿垂直于伸展方向的第一方向的弯曲具有抵抗力，该抵抗力随着所述延伸臂的长度变化，抵抗沿所述第一方向的弯曲的抵抗力在所述第二端部附近比在所述第一端部附近大；以及锁定构件，该锁定构件在使所述锁具接合时抵靠所述凸轮表面并沿所述第一方向推动所述钩部，而在使所述锁具脱开时抵靠所述钩表面并沿所述第一方向推动所述钩部。
2.根据权利要求1所述的锁具，其特征在于，当所述锁定构件向所述钩部施加锁定力时，所述钩部沿所述第一方向移动一段足以允许所述锁定构件滑动通过所述凸轮表面并使所述锁具接合的距离；当所述锁定构件向所述钩部施加解锁力时，所述钩部沿所述第一方向移动一段足以允许所述锁定构件滑动通过所述钩表面并使所述锁具脱开的距离；所述解锁力大于所述锁定力。
3.根据权利要求2所述的锁具，其特征在于，所述解锁力比所述锁定力大至少十倍。
4.根据权利要求1所述的锁具，其特征在于，所述窄长延伸臂包括板簧组件，该板簧组件在其第一端部固定在所述安装件上，并且在其第二端部固定在所述钩部上，所述板簧包括多块厚度比宽度小的板，所述多块板中的每一块都固定在所述钩部上，但是所述多块板中固定在所述安装件上的板的数量较少。
5.根据权利要求4所述的锁具，其特征在于，所述钩表面包括一凹槽。
6.根据权利要求4所述的锁具，其特征在于，当所述锁定构件向所述钩部施加锁定力时，所述钩部沿所述第一方向移动一段足以允许所述锁定构件滑动通过所述凸轮表面并使所述锁具接合的距离；当所述锁定构件向所述钩部施加解锁力时，所述钩部沿所述第一方向移动一段足以允许所述锁定构件滑动通过所述钩表面并使所述锁具脱开的距离；所述解锁力大于所述锁定力。
7.根据权利要求6所述的锁具，其特征在于，所述解锁力比所述锁定力大至少十倍。
8.一种机器，包括具有箱形横截面的杆，该杆包括顶板、底板以及一对连接所述顶板和底板的侧板；铲斗，该铲斗安装在所述杆上以相对于该杆并且独立于所述作转动运动，该铲斗适于挖掘和铲取物料；拇指臂，该拇指臂安装在所述杆上以相对于该杆并且独立于所述铲斗作转动运动，该拇指臂设置成靠向所述铲斗而夹取物品；锁具，该锁具具有安装在所述一对侧板之一上的顺应延伸臂和安装在所述拇指臂上的锁定构件。
9.根据权利要求8所述的机器，其特征在于，所述锁定构件抵靠所述顺应延伸臂施加锁定力，以使所述顺应延伸臂沿第一方向移动并使所述锁具接合；所述锁定构件抵靠所述顺应延伸臂施加解锁力，以使所述顺应延伸臂沿所述第一方向移动并使所述锁具脱开；以及所述锁定力小于所述解锁力。
10.一种使液压挖掘机上的拇指臂自动锁定和手动解锁的方法，该方法包括使所述拇指臂向后朝所述挖掘机的斗杆卷起，所述拇指臂在拇指臂致动器的力的作用下向后卷起；用锁定构件使钩部和顺应延伸臂位移以使锁具接合，所述钩部和顺应延伸臂安装在所述拇指臂或斗杆中的一个上，所述锁定构件安装在所述拇指臂或斗杆中的另一个上；用所述锁具使所述拇指臂相对于所述斗杆保持在贮备位置；以及通过由技术人员拉动所述延伸臂或钩部并使所述钩部位移从而使所述锁定构件移动越过所述钩部而使所述锁具手动脱开。
全文摘要
本发明涉及一种锁具，该锁具能够自动锁定和解锁一工具，例如用在液压挖掘机的斗杆上的拇指臂。所述拇指臂可通过操作员移动到非工作的贮备位置并由所述锁具自动锁定或锁止在该位置。为了使所述锁具自动接合并将所述拇指臂保持在其贮备位置，操作员使所述拇指臂在拇指臂致动器的作用下移动到其贮备位置。为了使所述锁具自动脱开并使所述拇指臂解锁，操作员使所述拇指臂从其贮备位置移开。所述拇指臂加在所述锁具上的力将克服所述锁具的解锁力。但是所述拇指臂的无意识移位不会在所述锁具上产生大到足以克服所述解锁力并使所述锁具脱开的力。另外，所述锁具可由技术人员简便地手动脱开。
文档编号E02F3/40GK101054808SQ20071009641
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月13日 优先权日2006年4月13日
发明者G·A·塞尔杰斯塔德 申请人:卡特彼勒公司