JPH07334071A - 遠心力発生装置およびその装置におけるアーム形状の決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】アームの空気抵抗の低減と強度低下の防止を図
る。 【構成】モノコック構造の回転アーム２の先端に被験体
搭載用容器６が取り付けられる。アーム２の少なくとも
先端側において回転中心からの距離が大きくなるとアー
ム２の高さが小さくなる。そのアーム２に回転径方向に
沿って空気抵抗低減用曲面が形成され、アーム２の少な
くとも先端においてアーム２の縦方向寸法に対する曲面
形成部分の縦方向寸法の割合が１／２以上になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機パイロットや宇
宙飛行装置の搭乗者の耐加速度用訓練装置や、実験動物
に遠心力を作用させるための装置として利用できる遠心
力発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機パイロット等用の耐加速度訓練装
置や、実験動物に遠心力を作用させるための装置とし
て、縦軸中心に回転駆動されるアームと、このアームの
先端に取り付けられる被験体搭載用容器とを備え、その
アームの回転により容器に加速度を作用させる遠心力発
生装置が従来より用いられている。そのアームは板材か
ら形成されるモノコック構造とされ、回転径方向に垂直
な断面の外周形状は略矩形とされ、その回転径方向に沿
う四隅部分の外面は板材を曲げることで形成される程度
の曲面とされていた（米国特許５０５１０９４号公報参
照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近年の航空機等の運動
性能の向上に伴い、遠心力発生装置においても従来にな
い高い加速度を短時間で被験体搭載用容器に作用させる
ことが要求され、そのため、例えば全長略８ｍのアーム
が毎分６０回転して被験体搭載用容器が１８１ｋｍ／時
という高周速で回転することが必要とされている。

【０００４】しかし、従来のアームにおいては回転径方
向に垂直な断面の外周形状は略矩形とされているため、
高速で回転させるとアームの後流側に強い渦が発生し、
それがアームを振動させるという問題がある。さらに、
アームが受ける空気抵抗が増大するため、回転動力のロ
スや風切り音による騒音も無視できなくなるという問題
がある。

【０００５】本発明は、上記課題を解決することのでき
る遠心力発生装置およびその装置におけるアーム形状の
決定方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の遠心力発生装置
は、上下方向軸中心に回転駆動されるアームと、そのア
ームの先端に取り付けられる被験体搭載用容器とを備
え、そのアームはモノコック構造とされ、そのアームの
少なくとも先端側における縦方向寸法は回転中心からの
距離が大きくなると小さくされ、そのアームの上方側と
回転方向前方側との間の回転径方向に沿う部分の外面は
上方に向かうに従い回転方向後方に向かう曲面とされ、
そのアームの上方側と回転方向後方側との間の回転径方
向に沿う部分の外面は上方に向かうに従い回転方向前方
に向かう曲面とされ、そのアームの下方側と回転方向前
方側との間の回転径方向に沿う部分の外面は下方に向か
うに従い回転方向後方に向かう曲面とされ、そのアーム
の下方側と回転方向後方側との間の回転径方向に沿う部
分の外面は下方に向かうに従い回転方向前方に向かう曲
面とされ、そのアームの少なくとも先端における縦方向
寸法に対する曲面形成部分の縦方向寸法の割合は１／２
以上とされている。

【０００７】本発明方法は、請求項１に記載の遠心力発
生装置のアーム形状を決定するに際し、そのアームの先
端の回転径方向に垂直な断面における縦横比に対するア
ームが受ける空気抵抗の関係と、その縦横比に対するア
ームの先端に作用する鉛直面内の曲げモーメントによる
曲げ応力の関係とを求め、その縦横比に対する空気抵抗
の変化割合に基づいてその縦横比の上限値を求め、その
縦横比に対する曲げ応力の変化割合に基づいてその縦横
比の下限値を求めることを特徴とする。

【０００８】

【発明の作用および効果】本発明の構成において、アー
ムの少なくとも先端側において回転中心からの距離が大
きくなると縦方向寸法が小さくされることで、回転方向
に垂直な面へのアームの投影面積を周速の大きなアーム
の先端において低減できる。これにより、周速の大きな
アームの先端の抗力係数（Ｃ_D 値）を小さくできる。な
お、アームが受ける空気抵抗が問題になるのは周速の大
きな先端側であるので、アームの少なくとも先端側にお
ける縦方向寸法が回転中心からの距離が大きくなると小
さくされれば足りる。一方、アームの回転中心側近傍で
は、アームが片持ち構造のため曲げモーメントが大きく
なり、縦方向の剛性が大きくないとたわみや損傷の原因
となるため縦方向の断面二次モーメントを大きくする構
造を採用する必要がある。よって、アームは先端と回転
中心側とでは形状が異なるものとする必要があり、その
ため、アームの少なくとも先端側における縦方向寸法は
回転中心からの距離が大きくなると小さくされ、縦方向
寸法は回転中心側で先端側より大きくされる。

【０００９】そのアームの上方側と回転方向前方側との
間の回転径方向に沿う部分の外面は上方に向かうに従い
回転方向後方に向かう曲面とされ、そのアームの上方側
と回転方向後方側との間の回転径方向に沿う部分の外面
は上方に向かうに従い回転方向前方に向かう曲面とさ
れ、そのアームの下方側と回転方向前方側との間の回転
径方向に沿う部分の外面は下方に向かうに従い回転方向
後方に向かう曲面とされ、そのアームの下方側と回転方
向後方側との間の回転径方向に沿う部分の外面は下方に
向かうに従い回転方向前方に向かう曲面とされ、そのア
ームの少なくとも先端における縦方向寸法に対する曲面
形成部分の縦方向寸法の割合は１／２以上とされている
ので、従来のアームのように回転径方向に垂直な断面の
外周形状が略矩形であるのに比べ、周速の大きなアーム
の先端のＣ_D 値を小さくできる。なお、アームが受ける
空気抵抗が問題になるのは周速の大きさ先端側であるの
で、少なくとも先端においてその割合が１／２以上とさ
れていれば足りる。

【００１０】そのアームの先端でのＣ_D 値の低減により
アームの後流側に発生する空気の渦を少なくし、アーム
の振動や回転動力のロスや風切り音による騒音を低減で
きる。さらに、アームの先端に向かうに従いアームの縦
方向寸法に対する曲面形成部分の縦方向寸法の割合を大
きくできるので、Ｃ_D 値を小さくするだけでなく、アー
ムの先端における質量を減少させ、アームの先端に作用
する鉛直面内の曲げモーメントによる曲げ応力に対する
アームの強度に余裕を持たせることができ、さらに、慣
性モーメントを低減してアームの駆動力にも余裕を持た
せることができる。

【００１１】アームが受ける空気抵抗を低減する上で
は、アームの先端の回転径方向に垂直な断面において縦
方向寸法を横方向寸法に対し小さくすればよい。また、
アームの強度を向上する上では、アームの先端の回転径
方向に垂直な断面において縦方向寸法を横方向寸法に対
し大きくすればよい。一方、そのアームの断面における
横方向寸法に対する縦方向寸法の縦横比の大きさがある
程度以下になると、アームの先端に作用する鉛直面内の
曲げモーメントによる曲げ応力の増加割合が急激に大き
くなる。よって、その縦横比に対する空気抵抗の変化割
合に基づいてその縦横比の上限値を求め、その縦横比に
対する曲げ応力の変化割合に基づいてその縦横比の下限
値を求めるのが、アームが受ける空気抵抗を低減すると
共にアームの強度低下を防止する上で好ましい。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。

【００１３】図１は耐加速度用訓練装置として利用され
る遠心力発生装置１を示し、回転アーム２と、そのアー
ム２を縦軸心のシャフト３を介し支持する駆動装置４
と、そのアーム２の一端にジンバル機構５を介し取り付
けられるカプセル（被験体搭載用容器）６とを備える。
そのアーム２の他端はシャフト３に一体化される連結部
材１４に溶接され、その連結部材１４にカウンタウエイ
ト７が前記カプセル６と回転周方向に関し１８０度離れ
た位置に取り付けられている。その駆動装置４にインバ
ータモータと、そのモータの回転をアーム２に伝達する
ギヤ機構とが内蔵され、そのモータによりアーム２が図
中矢印Ｎ方向に回転駆動されることで、カプセル６に遠
心力が印加される。そのカプセル６の内部は航空機のコ
ックピットを模した構造とされ、訓練者（被験体）８が
搭乗可能とされている。そのジンバル機構５は、アーム
２の先端に溶接されたヨーク９と、このヨーク９に水平
方向軸心の第１シャフト１０を介し回転可能に支持され
るフレーム１１とを有し、そのフレーム１１に第１シャ
フト１０の軸心に直交する軸心を有する第２シャフト１
２を介し回転可能にカプセル６が支持される。そのカプ
セル６の姿勢変化を航空機の姿勢変化に対応させ、航空
機が昇降や旋回等の運動を行なった時にパイロットに加
速度が作用するのと同様に訓練者８に加速度を作用させ
ることが可能とされている。

【００１４】そのアーム２は、図２の側面、図３の
（１）のアーム２の前記ヨーク９に溶接される先端にお
ける回転径方向に垂直な断面、図３の（２）のアーム２
の前記連結部材１４に溶接される回転中心側端部におけ
る回転径方向に垂直な断面に示すように、回転径方向に
沿う内部空間を有するモノコック構造とされている。そ
のアーム２の上下面２ｅ、２ｆが回転中心からの距離が
大きくなるに従い互いに近接するよう水平面に対し傾斜
することで、そのアーム２の縦方向寸法は回転径方向に
沿う全長に亘り回転中心からの距離が大きくなるに従い
小さくされる。そのアーム２の回転方向前後の面は互い
に平行でアーム２の回転径方向に沿うものとされてい
る。

【００１５】図３に示すように、そのアーム２の上方側
と回転方向前方側との間の回転径方向に沿う部分の外面
は、上方に向かうに従い回転方向後方（図３において左
方）に向かう第１曲面２ａとされている。そのアーム２
の上方側と回転方向後方側との間の回転径方向に沿う部
分の外面は、上方に向かうに従い回転方向前方に向かう
第２曲面２ｂとされている。そのアーム２の下方側と回
転方向前方側との間の回転径方向に沿う部分の外面は、
下方に向かうに従い回転方向後方に向かう第３曲面２ｃ
とされている。そのアーム２の下方側と回転方向後方側
との間の回転径方向に沿う部分の外面は、下方に向かう
に従い回転方向前方に向かう第４曲面２ｄとされてい
る。各曲面２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは円周の１／４に沿
う互いに等しい曲率半径Ｒを有するものとされている。
また、アーム２の先端における回転径方向に垂直な断面
においては、第１曲面２ａと第２曲面２ｂとは連続して
連なり、第３曲面２ｃと第４曲面２ｄとは連続して連な
り、アーム２の縦方向寸法ｄ₀ に対するその曲面２ａ、
２ｂ、２ｃ、２ｄが形成されている部分の縦方向寸法２
Ｒの割合は１とされている。また、アーム２の回転中心
側端部における回転径方向に垂直な断面においては、第
１曲面２ａと第３曲面２ｃとは上下方向に沿う平端面２
ｇを介し連なり、第２曲面２ｂと第４曲面２ｄとは上下
方向に沿う平端面２ｈを介し連なり、アーム２の縦方向
寸法ｄ₀ に対するその曲面２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが形
成されている部分の縦方向寸法２Ｒの割合は１より小さ
く１／２よりも大きくされ、アーム２の縦方向寸法ｄ₀
と横方向寸法ｄ₁ との比ｄ₀ ／ｄ₁ は１とされている。

【００１６】上記アーム２は上下２部材２Ａ、２Ｂを溶
接することで構成されている。その上部材２Ａと下部材
２Ｂとの接合部２ｉ、２ｊは回転方向前方側と回転方向
後方側とにあり、それぞれ回転径方向に沿う。その上下
各部材２Ａ、２Ｂは、図４に示すように、矩形のアルミ
の板材２′を図中一点鎖線で示す接合部２ｉ、２ｊに沿
う箇所を切断してハッチングで示す部分を除去し、曲げ
加工により各曲面２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを形成するこ
とで構成される。すなわち、矩形の板材を直線に沿って
切断して曲げ加工した部材を溶接するだけでアーム２と
することができ、その製造は容易なものである。

【００１７】そのアーム２の先端の回転径方向に垂直な
断面における縦方向寸法と横方向寸法との比ｄ₀ ／ｄ₁
は、０・３５≦ｄ₀ ／ｄ₁ ≦０．６とされている。これ
により、アーム２が受ける空気抵抗を低減すると共にア
ーム２の強度低下を防止している。すなわち、アーム２
が受ける空気抵抗を低減する上では、アーム２の先端の
回転径方向に垂直な断面における縦方向寸法ｄ₀ を横方
向寸法ｄ₁ に対し小さくすればよい。また、アーム２の
強度を向上する上では、アーム２の先端の回転径方向に
垂直な断面における縦方向寸法ｄ₀ を横方向寸法ｄ₁ に
対し大きくすればよい。一方、その縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ の
大きさがある程度以下になると、その縦横比ｄ₀ ／ｄ₁
に対するアーム２の先端に作用する鉛直面内の曲げモー
メントによる曲げ応力の増加割合が急激に大きくなる。
よって、その縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ に対する空気抵抗の変化
割合に基づいてその縦横比の上限値を求め、その縦横比
ｄ₀ ／ｄ₁ に対する曲げ応力の変化割合に基づいてその
縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ の下限値を求めるのが、アーム２が受
ける空気抵抗を低減すると共にアーム２の強度低下を防
止する上で好ましい。これを以下の表１、表２、図５〜
図７を参照して詳細に説明する。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】その表１、図５、図６において、ｄ₀ ／ｄ
₁ は上記アーム２の先端の回転径方向に垂直な断面にお
ける縦横比を、Ｃ_D は図５の（１）に示す縦横比がアー
ム２の先端と等しいｄ₀ ／ｄ₁ である長方形断面柱の抗
力係数を、Ａは回転方向に垂直な面へのアーム２の投影
面積を、Ａ₀ はその縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ が１の場合の投影
面積を、Ａ／Ａ₀ はその投影面積比を、Ｃ_D0はその縦横
比ｄ₀ ／ｄ₁ が１の場合のその抗力係数Ｃ_D をそれぞれ
示す。図５の（２）は、その長方形断面柱の縦横比ｄ₀
／ｄ₁ とＣ_D 値との関係を示し、その関係は日本機会学
会編、機械工学便覧、１９８７年４月１５日新版発行、
Ａ５編の図２００から求めたものであり、この図から表
２におけるＣ_D 値を求めた。その長方形断面柱の抗力係
数Ｃ_D とアーム２の先端の回転径方向に垂直な断面にお
ける抗力係数Ｃ_D ′との比Ｃ_D ／Ｃ_D ′は略一定になる
と仮定する。この仮定は縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ が小さくなる
と成立しなくなるが、実際のアーム２にあっては後述の
ように強度上から縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ の下限が定められる
ので、その仮定が成立しない程に縦横比ｄ₀ ／ｄ₁が小
さくなることはない。また、アーム２に作用する抗力を
Ｄ、空気密度をρ、アーム２の先端における周速をｖと
して、Ｄ＝Ｃ_D ′・１／２・ρ・ｖ² ・Ａが成立し、そ
のρとｖは一定であってその抗力ＤはＣ_D ′・Ａに比例
すると仮定する。この仮定はレイノルズ数がある範囲を
超えると成立しないが、実施のアーム２の周速に対応す
るレイノルズ数の範囲では成立する。これより、表１に
おける（Ｃ_D Ａ）／（Ｃ_D0Ａ₀ ）はアーム２の先端に作
用する抗力に対応する無次元量となる。図６は、そのア
ーム２の先端の回転径方向に垂直な断面における縦横比
ｄ₀ ／ｄ₁ とアーム２の先端が受ける空気抵抗（Ｃ
_D Ａ）／（Ｃ_D0Ａ₀ ）との関係を実線で示し、また、そ
の縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ と前記投影面積比Ａ／Ａ₀ との関係
を破線で示す。

【００２１】その図６より、アーム２の先端の回転径方
向に垂直な断面における縦横比ｄ₀／ｄ₁ が０．６より
大きい範囲では、縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ が減少すると空気抵
抗の減少割合が増加するが、縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ が０．６
より小さい範囲では、縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ の値に拘らず空
気抵抗の減少割合は前記投影面積比Ａ／Ａ₀ の減少割合
に略一致することが確認される。すなわち、縦横比ｄ₀
／ｄ₁ が０．６より小さい範囲では、アーム２に前記第
１〜第４曲面２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを設けたことによ
る空気抵抗の低減効果は殆どなく、回転方向に垂直な面
へのアーム２の投影面積を減少させることで空気抵抗を
低減させることができるに過ぎない。これに対し縦横比
ｄ₀ ／ｄ₁ が０．６より大きい範囲では、回転方向に垂
直な面へのアーム２の投影面積の減少によい空気を低減
させる以上に、縦横比ｄ₀ ／ｄ₁の減少に伴い空気抵抗
を低減効果させることができる。よって、縦横比ｄ₀ ／
ｄ₁ の上限値は０．６とするのが、前記第１〜第４曲面
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを設けたことによる空気抵抗の
低減効果を最大限に奏する上で好ましい。

【００２２】上記表２および図７において、ｔはアーム
２の肉厚を示し、σはアーム２の先端に作用する鉛直面
内の曲げモーメントＭによる曲げ応力を示し、Ｉはアー
ム２の先端の回転径方向に垂直な断面における断面２次
モーメントを示し、その断面における縦横比ｄ₀ ／ｄ₁
が１の場合にＩ＝Ｉ₀ 、σ＝σ₀ とする。なお、Ｉとσ
は下記式により求められる。

【００２３】Ｉ＝π〔ｄ₀ ⁴ −（ｄ₀ −２ｔ）⁴ 〕／６
４＋（ｄ₁ −ｄ₀ ）〔ｄ₀ ³ −（ｄ₀−２ｔ）³ 〕／１
２

【００２４】σ＝Ｍｄ₀ ／（２Ｉ）

【００２５】その曲げ応力σの値はアーム２の肉厚ｔに
応じ変化するが、ｔ＝０．１５ｄ₀を超えるとアーム２
の重量が過大になって実用に供することが困難で、ｔ＝
０．０５ｄ₀ 未満になると座屈の発生のおそれがあるた
め実用に供することが困難である。そのｔが０．１５ｄ
₀ 〜０．０５ｄ₀ の範囲では、図７に示すように、アー
ム２の先端の回転径方向に垂直な断面における縦横比ｄ
₀ ／ｄ₁ が０．３５より小さい範囲で、曲げ応力σの急
激な増大が認められる。よって、その縦横比ｄ₀ ／ｄ₁
の下限値は０．３５とするのがアーム２の強度低下を防
止する上で好ましい。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に限定されな
い。たとえば、アーム２に形成される各曲面２ａ、２
ｂ、２ｃ、２ｄは楕円面や他の曲面に沿うものであって
もよい。また、アーム２の回転中心側端部における回転
径方向に垂直な断面においては、アーム２の縦横比ｄ₀
／ｄ₁ は１に限定されない。

【００２７】

【本発明の実施態様】本発明の遠心力発生装置におい
て、そのアームの先端の回転径方向に垂直な断面におけ
る縦横比ｄ₀ ／ｄ₁ が０・３５≦ｄ₀ ／ｄ₁ ≦０．６と
され、アームの肉厚ｔはアームの高さｄ₀ に対し０．０
５ｄ₀ ≦ｔ≦０．１５ｄ₀ とされるのが、アームが受け
る空気抵抗を低減すると共にアームの強度低下を防止す
る上で好ましい。

【００２８】本発明の遠心力発生装置は、アームに形成
される前記各曲面の曲率は回転径方向に亘って一定とさ
れ、そのアームは上下２部材を溶接することで構成さ
れ、その上部材と下部材との接合部は回転方向前方側と
回転方向後方側とにあって回転径方向に沿う直線上にあ
るのが好ましい。そのアームにおける曲面の曲率が回転
径方向に亘って一定とされることで製造を容易化でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の耐加速度用訓練装置の斜視図

【図２】その実施例のアームの側面図

【図３】そのアームの（１）は先端における回転径方向
に垂直な断面図、（２）は回転中心側における回転径方
向に垂直な断面図

【図４】そのアームの構成部材の平面図

【図５】（１）は長方形断面柱の断面図、（２）は長方
形断面柱の縦横比に対する抗力係数Ｃ_D0の関係を示す図

【図６】そのアームの先端における縦横比と空気抵抗と
の関係を示す図

【図７】そのアームの先端における縦横比と曲げモーメ
ントとの関係を示す図

【符号の説明】

２ アーム ６ カプセル（被験体搭載用容器）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 英文 京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株 式会社島津製作所三条工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 縦軸中心に回転駆動されるアームと、そ
   のアームの先端に取り付けられる被験体搭載用容器とを
   備え、そのアームはモノコック構造とされ、そのアーム
   の少なくとも先端側における縦方向寸法は回転中心から
   の距離が大きくなると小さくされ、そのアームの上方側
   と回転方向前方側との間の回転径方向に沿う部分の外面
   は上方に向かうに従い回転方向後方に向かう曲面とさ
   れ、そのアームの上方側と回転方向後方側との間の回転
   径方向に沿う部分の外面は上方に向かうに従い回転方向
   前方に向かう曲面とされ、そのアームの下方側と回転方
   向前方側との間の回転径方向に沿う部分の外面は下方に
   向かうに従い回転方向後方に向かう曲面とされ、そのア
   ームの下方側と回転方向後方側との間の回転径方向に沿
   う部分の外面は下方に向かうに従い回転方向前方に向か
   う曲面とされ、そのアームの少なくとも先端における縦
   方向寸法に対する曲面形成部分の縦方向寸法の割合は１
   ／２以上とされている遠心力発生装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の遠心力発生装置のアー
   ム形状を決定するに際し、そのアームの先端の回転径方
   向に垂直な断面における縦横比に対するアームが受ける
   空気抵抗の関係と、その縦横比に対するアームの先端に
   作用する鉛直面内の曲げモーメントによる曲げ応力の関
   係とを求め、その縦横比に対する空気抵抗の変化割合に
   基づいてその縦横比の上限値を求め、その縦横比に対す
   る曲げ応力の変化割合に基づいてその縦横比の下限値を
   求めることを特徴とする遠心力発生装置におけるアーム
   形状の決定方法。