JP2012193969A - 二度打ち防止機構を備えた衝撃試験装置および衝撃試験装置の二度打ち防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加振後の被測定物とハンマとの再接触を防止する機構を備えた衝撃試験装置を提供する。
【解決手段】本発明による衝撃試験装置は、被測定物を上面に固定するためのプレートと、プレートの下面を打撃するためのハンマと、を具備し、ハンマがプレートを打撃することによってプレートが上昇して上死点に到達し、その後、自由落下によってプレートが落下する衝撃試験装置において、その衝撃試験装置はプレートの落下を制限するための制限手段をさらに具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は打撃式衝撃試験装置に関し、特に加振後の被測定物とハンマとの再接触（二度打ち）を防止する技術に関する。

使用環境において大きな衝撃が加わる機器には、その機器の対衝撃性能を保証するために、衝撃試験が行われる。この衝撃試験においては、使用環境条件が衝撃応答スペクトル(shock response sector、以下ＳＲＳ)で与えられ、使用環境条件を満たす衝撃が被測定物に対して加えられる。ＳＲＳ波形の一例を図５に示す。

図６は先行技術による打撃式衝撃試験装置の一例を概略的に示した図である。具体的な試験方法としては、被測定物を剛性が十分に高いプレートに固定し、前記プレートに対してハンマなどを用いて衝撃を加える方法がある。被測定物には加振方向に対して検出軸が平行になるように加速度センサを取り付け、センサから得られた加速度の時間応答結果からＳＲＳ波形を算出する。一般的に衝撃応答スペクトルは図５に示したように、１０００［Ｇ］オーダの衝撃力が必要とされるため、衝撃を加える手段として、簡単な構成でかつ安価に大きな衝撃力が得られるというという利点からエアハンマが用いられる。

上記のような衝撃試験において問題となるのがハンマ落下した後の跳ね返りによって被測定物を固定したプレートに再接触する二度打ちである。二度打ちが発生すると、正確なＳＲＳ波形が得られないだけでなく、被測定物に対して試験時に定められた回数以上の衝撃が加わり、被測定物に余分な負荷が加わる恐れがある。図７ａ〜７ｆは、従来技術による衝撃試験装置の二度打ちの発生過程を示した図である。

二度打ちを防ぐための手段の一例が特許文献１に開示されている。図１で示されている衝撃試験装置の加振部分には、砲身の中間に空気排出口が設けられている。圧搾流体によって砲身中の固体弾を加速した場合、空気排出口以降の固体玉は慣性力のみの運動になるため、固体玉が被測定物に衝突した後、固体玉は反発力と重力によって落下する。

二度打ちを防ぐための手段の別の例が、特許文献２に開示されている。振動伝達テーブルはショックアブソーバを介して固定リングに結合されている。一方で、衝撃伝達テーブルは中空シリンダを介して固定リングに連結されている。ショックアブソーバの特性は、衝突初期にはショック吸収を避け、衝撃伝達テーブルが自由落下を開始した際にテーブルの落下速度を制限し、衝撃伝達テーブルが振動伝達テーブルの上に軟着座するような、逆吸収特性を持たせている。さらに、特許文献２の装置には、衝突体を急速に引き戻すための構成が設けられており、前述のショックアブソーバとの相互作用によって二度打ちを防止している。

特開平６−１１８０７０号公報 特開２０００-１７１３４２号公報

しかしながら、特許文献１の装置では加振側に二度打ちを防止するための構造が備わっているため、固体弾の形状や質量を変更する場合に、射出口の形状や排気口の位置によってその変更範囲が制限される。このため、衝撃力に関するパラメータの変更範囲が制限されるという課題がある。

一方で特許文献２の装置では、衝突体を急速に引き戻すための構成が必要となるため、装置の構成が複雑となる。また、衝突条件変更のために、衝突体の質量を変更した場合、それにともなって、ショックアブソーバの特性も変更しなければならないことも考えられる。そのために容易に試験条件を変更することができないという課題がある。

上記の課題を解決するために、本発明は、被測定物を上面に固定するためのプレートと、プレートの下面を打撃するためのハンマと、を具備し、ハンマがプレートを打撃することによってプレートが上昇して上死点に到達し、その後自由落下によってプレートが落下する衝撃試験装置において、その衝撃試験装置はプレートの落下を制限するための制限手段をさらに具備していることを特徴とする衝撃試験装置を提供する。

また、本発明は、被測定物をプレート上面に固定し、プレートの下面をハンマで打撃することによりプレート上の被測定物に衝撃を与え、打撃によりプレートが上昇して上死点に到達し、その後自由落下する衝撃試験方法において、プレートが落下する際に、プレートの落下を制限するステップを含んでいることを特徴とする衝撃試験装置の二度打ち防止方法を提供する。

本発明により、衝撃試験装置の二度打ちが防止される。これによって、衝撃試験の精度および再現性が向上するとともに、作業の効率化および被測定物の品質の保証が可能となる。

本発明の第１実施形態による二度打ち防止機構を備えた衝撃試験装置を概略的に示した図である。 本発明の第１実施形態による二度打ち防止機構を備えた衝撃試験装置の動作を概略的に示した図である。（ａ）は試験開始時の状態を示している。（ｂ）はハンマによって被測定物固定プレートに打撃を加えた状態を示している。（ｃ）は打撃により被測定物固定プレートが上昇するとともに、ハンマが落下している状態を示している。（ｄ）は被測定物固定プレートが上死点に到達するとともに、ハンマに連結されたピストンがシリンダ底部に衝突した状態を示している。（ｅ）は被測定物固定プレートが落下するとともに、ハンマが反発により再上昇している状態を示している。（ｆ）は被測定物固定プレートが停止するとともに、ハンマが再下降している状態を示している。 本発明の第２実施形態による二度打ち防止機構を備えた衝撃試験装置を概略的に示した図である。 本発明の第２実施形態による二度打ち防止機構を備えた衝撃試験装置の動作を概略的に示した図である。（ａ）は試験開始時の状態を示している。（ｂ）はハンマによって被測定物固定プレートに打撃を加えた状態を示している。（ｃ）は打撃により被測定物固定プレートが上昇するとともに、ハンマが落下している状態を示している。（ｄ）は被測定物固定プレートが上死点に到達するとともに、ハンマに連結されたピストンがシリンダ底部に衝突した状態を示している。（ｅ）は被測定物固定プレートが落下するとともに、ハンマが反発により再上昇している状態を示している。（ｆ）はシリンダ内の空気が徐々に流出して被測定物固定プレートが落下するとともに、ハンマが再下降している状態を示している。 衝撃応答スペクトル(shock response sector)の一例を示した図である。 従来技術による衝撃試験装置を概略的に示した図である。 従来技術による衝撃試験装置における二度打ち動作の発生過程を概略的に示した図である。（ａ）は試験開始時の状態を示している。（ｂ）はハンマによって被測定物固定プレートに打撃を加えた状態を示している。（ｃ）は打撃により被測定物固定プレートが上昇するとともに、ハンマが落下している状態を示している。（ｄ）は被測定物固定プレートが上死点に到達するとともに、ハンマに連結されたピストンがシリンダ底部に衝突した状態を示している。（ｅ）は被測定物固定プレートが落下するとともに、ハンマが反発により再上昇している状態を示している。（ｆ）は被測定物固定プレートとハンマとが再接触している状態を示している。

以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態による二度打ち防止機構を取り付けた衝撃試験装置を示している。衝撃試験装置は測定部２、解析部３、打撃装置４、二度打ち防止機構５、およびフレーム６を具備している。

測定部２は被測定物固定プレート２ａと、衝撃吸収用バネ２ｂと、およびシャフト２ｃと、を含んでいる。本実施形態においては、衝撃吸収用バネ２ｂはコイルバネであり、被測定物固定プレート２ａとフレーム６との間に設けられている。シャフト２ｃは被測定物固定プレート２ａの下面から垂直に且つ下向きに延出している。測定部２は、シャフト２ｃが衝撃吸収用バネ２ｂとフレーム６に設けられたガイド（図示略）とを貫通するようにフレーム６に組み付けられており、被測定物固定プレート２ａはフレーム６に対して上下方向にスライド可能とされている。

解析部３は被測定物１に取り付けられる加速度センサ３ａと、加速度センサ３ａからの信号を解析するための解析装置３ｂと、を含んでいる。打撃装置４はハンマ４ａと、ピストン４ｂと、シリンダ４ｃと、ピストンロッド４ｄと、を含んでいる。ハンマ４ａとピストン４ｂとはピストンロッド４ｄによって連結されており、ピストン４ｂとピストンロッド４ｄとはシリンダ４ｃ内に収容されている。この打撃装置４は、ハンマ４ａと被測定物固定プレート２ａの下面とが互いに向かい合うように設けられている。これにより、ハンマ４ａは被測定物固定プレート２ａに対して垂直に打撃を与えることが可能である。

二度打ち防止機構は防振ゴム５ａと、シリンダ５ｂと、ピストン５ｃと、弁５ｄと、ピストンロッド５ｅと、を含んでいる。ピストンロッド５ｅの一端は防振ゴム５ａを介して被測定物固定プレート２ａに接続されている。ピストンロッド５ｅの反対側の端部にはピストン５ｃが連結されている。ピストン５ｃとピストンロッド５ｅとはシリンダ５ｂ内に収容されており、ピストン５ｃはシリンダ５ｂ内において上下方向にスライド可能とされている。シリンダ５ｂはフレーム６に固定されている。シリンダ５ｂの長手軸はシャフト２ｃの長手軸と平行であるので、被測定物固定プレート２ａの上下移動と同期してピストン５ｃは上下移動する。

シリンダ５ｂには弁５ｄが設けられている。弁５ｄは逆止弁のような一方向弁であり、シリンダ５ｂの内側に向かってのみ開放可能とされている。本実施形態においては、ピストン５ｃの上昇時のみに弁５ｄが開放され、ピストン５ｃの下降時には弁５ｄが閉じるように形成されている。これにより、ピストン５ｃの上昇時には周囲の空気がシリンダ５ｂ内に流入するが、ピストン５ｃの下降時にはシリンダ５ｂ内の空気は外部に流出しないように構成されている。本実施形態においては、シリンダ５ｂ内に流入する媒体は装置周囲の空気であるが、オイル等の他の媒体を使用することも可能である。

シリンダ５ｂには排出弁５ｇがさらに設けられている。排出弁５ｇは手動または自動により開閉操作することが可能である。排出弁を開放することで、シリンダ内に流入した媒体をシリンダ外に排出することが可能である。

次に、本発明の第１実施形態に係る衝撃試験装置の動作について説明する。図２ａ〜２ｆには本発明の第１実施形態に係る衝撃試験装置の一連の動作が示されている。被測定物１を被測定物固定プレート２ａの上面に固定し、加速度センサ３ａを被測定物１上に固定する（図１参照）。次に、シリンダ４ｃ内に圧縮空気を流入させてピストン４ｂと、ピストン上部のハンマ４ａと、を高速で駆動する（図２ａ）。これにより、ハンマ４ａは被測定物固定プレート２ａと接触し、被測定物固定プレート２ａに衝撃を与える（図２ｂ）。この衝撃は被測定物固定プレート２ａを介して被測定物１に伝わり、加速度センサ３ａはこの衝撃によって被測定物１に発生した加速度を測定する。これまでの動作において、シリンダ５ｂ内の弁５ｄは閉じたままである（図２ａ、２ｂ）。

ハンマ４ａが被測定物固定プレート２ａの下面を打撃することによって、ハンマ４ａの運動量が被測定物固定プレート２ａに伝わり、これによって被測定物固定プレート２ａは上昇を始める（図２ｃ）。被測定物固定プレート２ａの上昇に追従して、防振ゴム５ａを介して被測定物固定プレート２ａに連結されたピストンロッド５ｅとピストン５ｃとが上昇する。ピストン５ｃの上昇によって、ピストン５ｃの下側のシリンダ５ｂ内に空間５ｆが形成される。この空間５ｆの圧力は大気圧に対して負圧となるため、弁５ｄはシリンダ内に向かって開放され、シリンダ内に空気が流入する（図２ｃ）。

被測定物固定プレート２ａが上死点に到達すると、被測定物固定プレート２ａは自由落下を開始する（図２ｄ）。それと同時に弁５ｄが閉じる。このとき、空間５ｆの圧力は大気圧と等しくなっている。被測定物固定プレート２ａの落下に追従して、防振ゴム５ａを介して被測定物固定プレート２ａに連結されたピストンロッド５ｅおよびピストン５ｃも下降する。ピストン２ｃの下降によって、空間５ｆは圧縮される（図２ｅ）。この圧縮により、空間５ｆの圧力は大気圧に対して陽圧となり、空間５ｆ内の空気はシリンダ５ｂ外に流出しようとする。しかし、弁５ｄはシリンダ５ｂ内部に向かってのみ開放可能な構成とされているので、空気はシリンダ５ｂ外に流出することができず、これによってピストン５ｃ、ピストンロッド５ｅおよび防振ゴム５ａを介して被測定物固定プレート２ａの落下速度が制限される（図２ｅ）。

さらに被測定物固定プレート２ａが落下すると、シリンダ内の空間５ｆはさらに圧縮される。一方で、空間５ｆ内の空気はシリンダ５ｂ外に流出することができないため、空間５ｆの圧力はさらに増大する。最終的に、被測定物固定プレート２ａの荷重を含んだピストン５ｃにかかる荷重が空間５ｆ内の圧力と等しくなった位置において、被測定物固定プレート２ａの落下は停止する（図２ｆ）。被測定物固定プレート２ａが打撃時における高さよりも高い位置において停止するように、シリンダ内径を決定することが可能である。

一方で、ハンマ４ａは被測定物固定プレート２ａに衝突した後、衝突の反発力と重力とにより落下する（図２ｃ）。ピストンロッド４ｄを介してハンマ４ａと連結されたピストン４ｂもハンマ４ａと一体となって落下し、その後ピストン４ｂはシリンダ４ｃの底部と衝突する（図２ｄ）。この衝突によってピストン４ｂは反発して再度上昇し、ピストン４ｂに連結されたハンマ４ａもピストン４ｂと一体となって上昇する（図２ｅ）。

ハンマ４ａが再上昇して到達する最大高さは、エネルギ損失により、打撃時における高さよりも低いものとなる。一方で、被測定物固定プレート２ａは上死点に到達した後、落下してくるが、前術の通り、打撃時の高さよりも高い位置において停止する。したがって、ハンマ４ａが被測定物固定プレート２ａと再度接触することは無く、二度打ちが防止される。また、次の試験を行う場合には、排出弁５ｇを開放してシリンダ内の空気を排出することで、被測定物固定プレート２ａを初期位置に戻す。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態を示した図である。第２実施形態において、第１実施形態と同一の部材には同一の参照符号が付されている。

第２実施形態の構成は第１実施形態の構成と大部分は同一であるが、第２実施形態の弁５ｄ´が多孔質素材を用いて形成されている点が異なっている。多孔質素材を利用することで、被測定物固定プレート２ａの落下時に空間５ｆの空気はシリンダ５ｂ外に流出することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態に係る衝撃試験装置の動作について説明する。図４ａ〜４ｆには本発明の第２実施形態に係る衝撃試験装置の一連の動作が示されている。第２実施形態においても、被測定物固定プレート２ａが上死点に到達するまでは第１実施形態と同一の動作である（図４ａ〜４ｄ）。

被測定物固定プレート２ａが落下を開始すると同時に弁５ｄ´が閉じる（図４ｄ）。被測定物固定プレート２ａの落下に追従して、防振ゴム５ａを介して被測定物固定プレート２ａに連結されたピストンロッド５ｅとピストン５ｃとも下降する。ピストン２ｃの下降によって、空間５ｆは圧縮され、ピストン５ｃの下降速度は制限される（図４ｅ）。その結果、被測定物固定プレート２ａの荷重を含んだピストン５ｃにかかる荷重が空間５ｆ内の圧力と等しくなった位置において、被測定物固定プレート２ａの落下は一旦停止する（図４ｅ）

しかしながら、圧縮された空気は弁５ｄ´の孔を介してシリンダ５ｂ外へと徐々に流出する。したがって、ピストン５ｃは再度下降を開始するが、その下降速度は自由落下の速度と比較して大幅に遅くなっている。これによってピストン５ｃと連結された被測定物固定プレート２ａも徐々に下降し（図４ｅ、４ｆ）、被測定物固定プレート２ａは初期位置へ復帰する。

一方で、第２実施形態におけるハンマ４ａの動作は、第１実施形態におけるハンマ４ａの動作と同一である。ハンマ４ａが再上昇して最大高さに到達したとき、被測定物固定プレート２ａは打撃時の高さまで下降していない（図４ｅ）。したがって、ハンマ４ａが被測定物固定プレート２ａと再度接触することは無く、二度打ちが防止される。

本発明によれば、使用環境で大きな衝撃が加わる機器の品質を保証するための衝撃試験において、プレートを二度打ちすること無く衝撃を加えることが可能である。また、本発明は加振側に特別な構成を必要としないため、加振側の衝撃の条件を変更することが容易であり、様々な衝撃条件において衝撃試験が可能となる。

１ ・・・被測定物
２ ・・・測定部
２ａ ・・・被測定物固定プレート
２ｂ ・・・衝撃吸収用バネ
２ｃ ・・・シャフト
３ ・・・解析部
３ａ ・・・加速度センサ
３ｂ ・・・解析装置
４ ・・・打撃装置
４ａ ・・・ハンマ
４ｂ ・・・ピストン
４ｃ ・・・シリンダ
４ｄ ・・・ピストンロッド
５ ・・・二度打ち防止機構
５ａ ・・・防振ゴム
５ｂ ・・・シリンダ
５ｃ ・・・ピストン
５ｄ、５ｄ´ ・・・弁
５ｅ ・・・ピストンロッド
５ｆ ・・・空間
５ｇ ・・・排出弁
６ ・・・フレーム

Claims (7)

1. 被測定物を上面に固定するためのプレートと、
   該プレートの下面を打撃するためのハンマと、を具備し、
   該ハンマが前記プレートを打撃することによって前記プレートが上昇して上死点に到達し、その後自由落下によって前記プレートが落下する衝撃試験装置において、
   該衝撃試験装置は前記プレートの落下を制限するための制限手段をさらに具備していることを特徴とする衝撃試験装置。
2. 前記制限手段は、前記プレートの下面に対して垂直且つ下向きに延出したロッドと、該ロッドの下端に接続されたピストンと、該ピストンが内部に収容されたシリンダと、を具備し、
   前記プレートは前記ロッドを介して前記ピストンと連結され、前記ピストンは前記シリンダ内部において摺動可能とされた衝撃試験装置において、
   前記シリンダには弁が設けられ、該弁は、前記プレートが上昇することによって前記ピストンが前記シリンダ内上方に移動する際に開放されて、前記シリンダ内へ媒体が自由に流入することを許容し、且つ前記プレートが落下することによって前記ピストンが前記シリンダ内下方に移動する際に閉じられて、前記シリンダ内に流入した媒体が流出することを制限することを特徴とする請求項１に記載の衝撃試験装置。
3. 前記弁は閉じられた状態において前記媒体の流出を遮断し、前記ピストンの下降を防止することで前記プレートを落下の中間位置において停止させることを特徴とする請求項２に記載の衝撃試験装置。
4. 前記シリンダには媒体排出機構が設けられており、前記プレートが落下の中間位置において停止した後に、前記媒体排出機構を操作して前記シリンダ内の媒体を排出して前記プレートを初期位置に復帰させることが可能であることを特徴とする請求項３に記載の衝撃試験装置。
5. 前記弁は多孔質素材から成り、前記弁が閉じられた状態においても前記多孔質素材の孔を介して前記媒体が通過可能であり、前記媒体が孔を通過する際の抵抗が前記ピストンの下降速度を制限することで、前記プレートの落下速度が制限されることを特徴とする請求項２に記載の衝撃試験装置。
6. 被測定物をプレート上面に固定し、該プレートの下面をハンマで打撃することにより前記プレート上の被測定物に衝撃を与え、前記打撃によりプレートが上昇して上死点に到達し、その後自由落下する衝撃試験方法において、
   前記プレートが落下する際に、前記プレートの落下を制限するステップを含んでいることを特徴とする衝撃試験装置の二度打ち防止方法。
7. 前記プレートが落下する際に、前記プレートを落下の中間位置において停止させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項６に記載の衝撃試験装置の二度打ち防止方法。

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