JP6942302B2

JP6942302B2 - 振動試験機

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Publication number: JP6942302B2
Application number: JP2017154047A
Authority: JP
Inventors: 悠太中村
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-08-09
Also published as: JP2019032261A

Description

本発明は、振動試験機に関する。

振動試験機は、直動型のアクチュエータを備えており、このアクチュエータで試験体を加振して振動試験を行う。振動試験機に用いられるアクチュエータは、たとえば、油圧シリンダとされており、シリンダと、シリンダ内に移動自在に挿入されてシリンダ内に二つの作動室を区画するピストンと、ピストンに連結されるピストンロッドと、油圧ポンプと、油圧ポンプが吐出する圧油を前記作動室へ供給するサーボ弁とを備えている。そして、振動試験機は、前記サーボ弁を制御する制御部を備えており、アクチュエータを駆動して試験体に所望する振動を与えるようになっている。

アクチュエータのピストンは、シリンダに摺接し、さらに、ピストンロッドの外周にはシリンダに保持されるシール部材が摺接しているので、アクチュエータの可動部であるピストンとピストンロッドのシリンダに対する変位の際には絶えず摩擦が生じる。

そして、アクチュエータの伸縮の切換わりでは、可動部がシリンダに対して静止するので動き始めるまでは静止摩擦による摩擦力が可動部の動きに対して抵抗となり、可動部が動き始めると今度は動摩擦による摩擦力が可動部の動きに対する抵抗となる。一般に、静止摩擦による摩擦力は、動摩擦による摩擦力よりも大きいため、アクチュエータの伸縮の切換わりでは必ず摩擦力の変動が発生するために、試験体に与える振動波形に前記摩擦力の変動に起因する歪みが生じる。

そこで、アクチュエータの可動部に錘を取り付けて可動する部品全体（可動部と錘）の質量を大きくして、摩擦力の急変の影響による振動波形の歪みを緩和する振動試験機が提案されるに至っている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０００−７４７８０号公報

このようにアクチュエータの可動部品の質量を大きくすれば摩擦力に起因する振動波形の歪みは緩和されるが、錘に作用する重力によるバイアスフォースが常に可動部に負荷されているので前記振動波形にバイアスフォースに起因する別の歪みが生じてしまう。

そこで、本発明は、振動波形の歪みを低減可能な振動試験機の提供を目的としている。

上記した目的を達成するため、本発明の振動試験機は、試験体へ振動を与える可動部を有する直動型のアクチュエータと、可動部へ質量体の回転による慣性質量を付加する慣性質量付加部とを備えているので、摩擦等の外乱による振動波形の歪のみならずバイアスフォースに起因する歪も解消でき、振動波形の歪みを低減できる。

また、振動試験機における慣性質量付加部は、可動部に設けた螺子部と、螺子部に螺合されるボールナットと、ボールナットの回転運動が伝達される質量体と、質量体を回転支持する支持部とを備えていてもよい。このように構成された振動試験機によれば、簡単な構成で可動部の軸方向の直線運動を円滑に質量体の回転運動に変換して、可動部に質量体の回転による慣性質量を効率的に付加できる。

さらに、振動試験機における慣性質量付加部は、可動部に設けたラックと、ラックに歯合するピニオンギアと、ピニオンギアの回転運動が伝達される質量体と、質量体を回転支持する支持部とで構成されてもよい。このように構成された振動試験機によれば、簡単な構成で可動部の軸方向の直線運動を円滑に質量体の回転運動に変換して、可動部に質量体の回転による慣性質量を効率的に付加できる。

本発明の振動試験機によれば、振動波形の歪みを低減できる。

一実施の形態における振動試験機の側面図である。一実施の形態の一変形例における振動試験機の側面図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図１に示すように、一実施の形態における振動試験機１は、試験体を加振するアクチュエータＡと、慣性質量付加部Ｍと、アクチュエータＡを駆動制御する制御部としてのコントローラＣとを備えて構成されている。

以下、各部について詳細に説明する。アクチュエータＡは、架台Ｂ上に設置された門型のフレームＦに取付けられている。フレームＦは、架台Ｂから立ち上がる左右一対の柱２，３と、柱２，３に架け渡されてアクチュエータＡを保持する梁４とを備えている。また、フレームＦの梁４の上方には、一対の支柱５，６が設けられており、支柱５，６に対して昇降可能にクロスヘッド７が装着されている。クロスヘッド７には、試験体を保持可能なクランプ８が設けられており、クロスヘッド７の昇降により長さの異なる試験体の取付を可能としている。

アクチュエータＡは、シリンダ１０と、シリンダ１０内に摺動自在に挿入されてシリンダ１０内を伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の二つの作動室に区画するピストン１１と、シリンダ１０内に移動自在に挿入されてピストン１１に連結されるとともに両端がそれぞれシリンダ１０の両端から外方へ突出するピストンロッド１２と、ポンプ１３と、タンク１４と、サーボ弁１５とを備えている。アクチュエータＡは、所謂両ロッド型の直動シリンダ装置とされているが、片ロッド型とされてもよい。また、作動流体は、作動油の他、気体や水、水溶液とされてもよい。なお、アクチュエータＡは、本例では、流体圧を利用したシリンダ装置とされているが、電動リニアアクチュエータであってもよい。

シリンダ１０は、シリンダ本体１０ａと、シリンダ本体１０ａの両端の開口部を閉塞するとともにピストンロッド１２の移動を案内するロッドガイド１０ｂ，１０ｃとを備え、内部が密閉状態に維持されている。また、ピストンロッド１２は、図１中上端に試験体を保持するクランプ１２ａを備え、図１中下端にはアクチュエータＡが伸縮してもシリンダ１０内に進入しない位置に螺子部１２ｂを備えている。ポンプ１３は、タンク１４から作動流体を吸込んでサーボ弁１５側へ向けて作動流体を吐出するようになっている。

そして、サーボ弁１５は、電磁差圧制御弁とされておりコントローラＣによって制御されており、ポンプ１３を選択的に伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の一方に連通しつつタンク１４を選択的に伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の他方に連通して、伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の圧力差を制御できるようになっている。

たとえば、サーボ弁１５を駆動して、作動流体を伸側室Ｒ１へ供給しつつ作動流体を圧側室Ｒ２からタンク１４へ排出させると、ピストン１１およびピストンロッド１２でなる可動部Ｐを図１中下方へ移動せしめてアクチュエータＡを収縮させ得る。反対に、サーボ弁１５を駆動して、作動流体を圧側室Ｒ２へ供給しつつ作動流体を伸側室Ｒ１からタンク１４へ排出させると、可動部Ｐを図１中上方へ移動せしめてアクチュエータＡを伸長させ得る。

そして、シリンダ１０は、フレームＦにおける梁４に固定されていて、ピストンロッド１２は、梁４に設けた開口孔４ａ内に挿通されていてクランプ１２ａをクロスヘッド７に設けたクランプ８に対向させている。よって、試験体の一端をクランプ８に取付け、試験体の他端をクランプ１２ａに取付けて、アクチュエータＡを伸縮させれば、試験体に図１中で上下方向の振動を与えて加振できるようになっている。

慣性質量付加部Ｍは、可動部Ｐにおけるピストンロッド１２に設けた螺子部１２ｂと、螺子部１２ｂに螺合されるボールナット１６と、ボールナット１６の回転運動が伝達される質量体１７と、質量体１７を回転支持する支持部１８とを備えて構成されている。

質量体１７は、本例では環状であって、内周側にピストンロッド１２が挿通されており、図１中下方にボールナット１６が装着されている。そして、支持部１８は、本例では、架台Ｂ上に設置されており、ベアリング１９を介してボールナット１６を回転自在に保持して質量体１７の重量を支持している。よって、ボールナット１６は、軸方向となる図１中上下方向への移動が支持部１８によって拘束されるが周方向への回転は許容されている。このように、質量体１７は、支持部１８によって回転自在に支持されており、可動部Ｐには、ボールナット１６および質量体１７の質量による図１中下向きのバイアスフォースが作用しないようになっている。

そして、アクチュエータＡの伸縮に伴って可動部Ｐが図１中上下動すると、螺子部１２ｂに螺合するボールナット１６が周方向へ回転し、質量体１７も同じく回転する。ボールナット１６および質量体１７が回転するとこれらの慣性によって可動部Ｐに対して動的な慣性抵抗が負荷される。

計算を簡単とするため、摩擦による抵抗がなくボールナット１６の質量を無視し質量体１７を円盤として、螺子部１２ｂのリードをＬ、質量体１７の直径をＤ、質量体１７の質量をｍとすると、質量体１７の可動部Ｐに移動方向の慣性質量は、（π^２・Ｄ^２・ｍ）／（２Ｌ^２）となる。よって、リードＬの値に比して質量体１７の直径Ｄは非常に大きい。単に可動部Ｐに質量体１７を取り付けた場合の質量体１７の慣性質量はｍであるから、慣性質量付加部Ｍにて可動部Ｐに付加できる慣性質量は、質量体１７の質量ｍよりも非常に大きな質量になる。よって、小さな質量体１７を用いて可動部Ｐに大きな慣性質量を付加できる。なお、慣性質量付加部Ｍは、可動部Ｐの直線運動を質量体１７の回転運動へ変換できればよいので、可動部Ｐの直線運動に伴って回転するボールナット１６の回転運動を質量体１７へ伝達する伝達機構を有していてもよい。伝達機構は、たとえば、ベルト、チェーン、歯車といった機構で構成されればよい。

他方、コントローラＣは、本例では、シリンダ１０内の伸側室Ｒ１と圧側室Ｒ２の差圧を検知する圧力検知部２０と、アクチュエータＡの可動部Ｐの加速度を検知する加速度センサ２１と、前記差圧と前記加速度に基づいてサーボ弁１５を駆動する制御指令を求める制御演算部２２と、制御指令に基づいてサーボ弁１５を駆動する駆動部２３とを備えている。コントローラＣは、差圧フィードバックによってサーボ弁１５を駆動してアクチュエータＡを目標波形通りに伸縮させる。なお、詳細な制御方法の一例として、特開２０００−７４７８０に開示された制御方法を利用できる。具体的には、制御演算部２２は、試験体へ負荷すべき振動波形を指示する目標波形から目標差圧を求め、目標差圧と圧力検知部２０が検知した差圧との偏差から目標加速度を求め、目標加速度と加速度センサ２１が検知した可動部Ｐの加速度との偏差から制御指令を求める。

圧力検知部２０が検知する差圧は、アクチュエータＡが発揮する推力に比例するので、差圧フィードバックすれば、外乱入力を無視すればアクチュエータＡに目標波形を実現する推力を発揮させ得る。しかし現実には、可動部Ｐには摩擦力等による外乱が入力されるので、コントローラＣは、この外乱に対応するために加速度フィードバックを行って振動波形の歪を緩和する制御を行っている。このようなフィードバック制御を行えば、振動試験機１のシステムにおける共振周波数、共振点における減衰特性、共振周波数以下の低周波領域の特性を調整できるが、制御のみでは高周波領域の特性の変更はできない。

ところが、本発明の振動試験機１では、可動部Ｐに対して慣性質量付加部Ｍによって慣性質量を付加できる。このように慣性質量を付加すれば、可動部Ｐの質量に慣性質量を加えた質量がアクチュエータＡの可動する部分の全質量となるので高周波領域の特性の変更が可能となる。そして、慣性質量を大きくすれば、摩擦等の外乱による振動波形の歪を小さくできる。また、本発明の振動試験機１では、慣性質量付加部Ｍは慣性質量の負荷にあたり、可動部Ｐに錘を取り付けるのではなく、可動部Ｐに質量体１７の回転による慣性質量を付加するので、質量体１７の自重によるバイアスフォースが可動部Ｐに作用せず、振動波形にバイアスフォースに起因する歪を生じさせずに済む。

以上より、本発明の振動試験機１によれば、試験体へ振動を与える可動部Ｐを有する直動型のアクチュエータＡと、可動部Ｐへ質量体１７の回転による慣性質量を付加する慣性質量付加部Ｍとを備えているので、摩擦等の外乱による振動波形の歪のみならずバイアスフォースに起因する歪も解消でき、振動波形の歪みを低減できる。

また、慣性質量付加部Ｍは、質量体１７の回転によって慣性質量を可動部Ｐに付加するから、質量体１７の質量ｍよりも非常に大きな慣性質量を可動部Ｐに付加できる。よって、質量体１７の質量ｍを小さくできるから、振動試験機１を軽量にできるとともに質量体１７の交換による特性のチューニング作業も容易となる。

また、本例では、慣性質量付加部Ｍが可動部Ｐに設けた螺子部１２ｂと、螺子部１２ｂに螺合されるボールナット１６と、ボールナット１６の回転運動が伝達される質量体１７と、質量体１７を回転支持する支持部１８とを備えている。このように構成された振動試験機１によれば、簡単な構成で可動部Ｐの軸方向の直線運動を円滑に質量体１７の回転運動に変換して、可動部Ｐに質量体１７の回転による慣性質量を効率的に付加できる。

なお、慣性質量付加部Ｍは、質量体１７の回転による慣性質量を可動部Ｐへ負荷できればよいので、他の構成で実現されてもよい。たとえば、図２に示すように、慣性質量付加部Ｍ１は、可動部Ｐにおけるピストンロッド１２に形成されるラック１２ｃと、ラック１２ｃに歯合するピニオンギア２５と、ピニオンギア２５の回転運動が伝達される質量体２６と、質量体２６を回転支持する支持部２７とで構成されてもよい。

質量体２６とピニオンギア２５とは、軸２８で連結されており、軸２８が架台Ｂ上に設置された支持部２７に回転自在に支持されている。このように、質量体２６、ピニオンギア２５および軸２８の重量は、支持部２７によって支持されているので、可動部Ｐに直接にこれらの重量は負荷されない。ピストンロッド１２には、螺子部１２ｂの代わりにラック１２ｃが設けられていて、ラック１２ｃにピニオンギア２５が歯合している。よって、アクチュエータＡが可動部Ｐを駆動すると、可動部Ｐの直線運動がラック１２ｃとピニオンギア２５によって質量体２６の回転運動に変換され、可動部Ｐに対して質量体２６の回転による慣性質量が付加される。

このように、質量体２６は、支持部２７によって回転自在に支持されており、可動部Ｐには、ピニオンギア２５、質量体２６および軸２８の質量による図２中下向きのバイアスフォースが作用しないようになっている。

よって、慣性質量付加部Ｍ１が可動部Ｐに設けたラック１２ｃと、ラック１２ｃに歯合するピニオンギア２５と、ピニオンギア２５の回転運動が伝達される質量体２６と、質量体２６を回転支持する支持部２７とで構成されても、摩擦等の外乱による振動波形の歪のみならずバイアスフォースに起因する歪も解消でき、振動波形の歪みを低減できる。このように構成された振動試験機１によれば、簡単な構成で可動部Ｐの軸方向の直線運動を円滑に質量体２６の回転運動に変換して、可動部Ｐに質量体２６の回転による慣性質量を効率的に付加できる。

また、慣性質量付加部Ｍ１は、質量体２６の回転によって慣性質量を可動部Ｐに付加するから、質量体２６の質量よりも非常に大きな慣性質量を可動部Ｐに付加できる。よって、質量体２６の質量を小さくできるから、振動試験機１を軽量にできるとともに質量体２６の交換による特性のチューニング作業も容易となる。

なお、慣性質量付加部Ｍ１は、可動部Ｐの直線運動を質量体２６の回転運動へ変換できればよいので、可動部Ｐの直線運動に伴って回転するピニオンギア２５の回転運動を質量体２６へ伝達する伝達機構を有していてもよい。伝達機構は、たとえば、ベルト、チェーン、歯車といった機構で構成されればよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、及び変更が可能である。

１・・・振動試験機、１２ｂ・・・螺子部、１２ｃ・・・ラック、１６・・・ボールナット、１７，２６・・・質量体、１８，２７・・・支持部、２５・・・ピニオンギア、Ａ・・・アクチュエータ、Ｍ，Ｍ１・・・慣性質量付加部、Ｐ・・・可動部

Claims

試験体へ振動を与える可動部を有する直動型のアクチュエータと、
前記可動部の直線運動に伴って回転駆動される質量体を有して前記可動部へ前記質量体の回転による慣性質量を付加する慣性質量付加部とを備えた
ことを特徴とする振動試験機。
前記慣性質量付加部は、
前記可動部に設けた螺子部と、
前記螺子部に螺合されるボールナットと、
前記ボールナットの回転運動が伝達される前記質量体と、
前記質量体を回転支持する支持部とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動試験機。
前記慣性質量付加部は、
前記可動部に設けたラックと、
前記ラックに歯合するピニオンギアと、
前記ピニオンギアの回転運動が伝達される前記質量体と、
前記質量体を回転支持する支持部とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の振動試験機。