JP2014178189A - Excitation apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ボールねじ機構を利用して機械や構造物等の加振対象物を加振させる加振装置に関する。 The present invention relates to a vibration device that vibrates a vibration target such as a machine or a structure using a ball screw mechanism.
本発明者は、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と水等の液体とを混在させて封入して、液体の表面張力に抗して多孔質体の細孔へ液体を流出入させて、機械的エネルギーを散逸させるようにしたコロイダルダンパーの実用化を目指しており、その動特性および耐久性を、電磁加振機および電動油圧加振機を用いて調べている（例えば、特許文献１〜４参照。）。 The present inventor mixed and sealed a porous body such as silica gel with a liquid such as water in a sealed space, and allowed the liquid to flow into and out of the pores of the porous body against the surface tension of the liquid, Aiming at the practical application of colloidal dampers that dissipate mechanical energy, its dynamic characteristics and durability are investigated using electromagnetic and electric hydraulic exciters (for example, Patent Documents 1 to 4).
市販されている電磁加振機および電動油圧加振機は非常に高価（電磁加振機１，０００万円程度、電動油圧加振機６００万円程度）である。また、電磁加振機を使用した場合、エアブロ装置や空気圧縮機の騒音レベルが非常に高く、また、振動実験開始前にコロイダルダンパーのピストンの初期位置を精密に調整できないという問題がある。また、電動油圧加振機を使用した場合、油圧ポンプの騒音レベルが高く、また、油タンクの過熱を防ぐための冷却装置を設置することを避けるために油流量を制限しており、比較的に短い１０ｍｍ程度のピストンストロークでしか振動実験および耐久性実験を行えないという問題がある。 Commercially available electromagnetic vibrators and electric hydraulic vibrators are very expensive (electromagnetic vibrators of about 10 million yen, electric hydraulic vibrators of about 6 million yen). Further, when an electromagnetic exciter is used, there is a problem that the noise level of the air blower or the air compressor is very high, and the initial position of the piston of the colloidal damper cannot be precisely adjusted before the start of the vibration experiment. In addition, when using an electric hydraulic shaker, the noise level of the hydraulic pump is high, and the oil flow rate is limited to avoid installing a cooling device to prevent overheating of the oil tank. There is a problem that vibration experiments and durability experiments can be performed only with a short piston stroke of about 10 mm.
そこで、本発明においては、低コストで騒音レベルが低く、初期位置の精密な調整が可能であり、かつ長いストロークでの加振を行うことが可能な加振装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a vibration device that is low-cost, has a low noise level, can be adjusted precisely at an initial position, and can perform vibration with a long stroke. .
本発明の加振装置は、モーターの回転運動をロッドの直線運動に変換するボールねじアクチュエーターであり、ロッドの先端部に加振対象物が連結されるボールねじアクチュエーターと、モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークでロッドが往復運動するようにモーターを正転および逆転させる制御装置とを有するものである。 The vibration device of the present invention is a ball screw actuator that converts the rotational motion of a motor into a linear motion of a rod, a ball screw actuator in which a vibration target is connected to the tip of a rod, and a control device that controls the motor And a control device for rotating the motor forward and backward so that the rod reciprocates at a set cycle and stroke.
本発明の加振装置によれば、モーターの正転および逆転を制御することで、ボールねじアクチュエーターのロッドの先端部に連結した加振対象物へ、設定された周期およびストロークで加振することが可能となる。また、モーターを回転させることで、ボールねじアクチュエーターのロッドの先端部の初期位置を任意に変更することが可能であり、モーターの回転角度を調整することで、ロッドの先端部の初期位置の精密な調整が可能となる。また、ボールねじアクチュエーターでは、モーターを回転させた分に応じてロッドが伸縮するため、ロッドのストロークはロッドの長さに応じて任意に調節可能である。そのため、長いストロークを確保することが容易であり、長いストロークでの加振を行うことが可能である。 According to the vibration device of the present invention, by controlling forward and reverse rotation of the motor, the vibration object connected to the tip of the rod of the ball screw actuator is vibrated at a set cycle and stroke. Is possible. In addition, the initial position of the tip of the ball screw actuator rod can be changed arbitrarily by rotating the motor, and the initial position of the rod tip can be precisely adjusted by adjusting the rotation angle of the motor. Adjustment is possible. In the ball screw actuator, since the rod expands and contracts according to the amount of rotation of the motor, the stroke of the rod can be arbitrarily adjusted according to the length of the rod. Therefore, it is easy to ensure a long stroke, and vibration with a long stroke can be performed.
また、本発明の加振装置は、さらに、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを検出する機械式リミットスイッチを有し、制御装置は、機械式リミットスイッチによりロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されるとモーターを停止させるものであることが望ましい。ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを機械的リミットスイッチにより検出してモーターを停止させることで、必要以上にロッドが伸縮するのを防止することができる。 Further, the vibration exciter of the present invention further includes a mechanical limit switch that detects that the tip end of the rod has reached a set position, and the control device causes the tip end of the rod to be moved by the mechanical limit switch. It is desirable to stop the motor when it is detected that the set position has been reached. By detecting that the tip of the rod has reached the set position with a mechanical limit switch and stopping the motor, it is possible to prevent the rod from expanding and contracting more than necessary.
ここで、機械的リミットスイッチにより検出する設定された位置とは、ロッドが許容範囲を超えて伸縮するのを防止できる位置や、許容範囲内で任意の位置などとすることができる。ボールねじアクチュエーターは、モーターを回転させた分に応じてロッドが伸縮するため、万一制御装置に不具合が発生してロッドの伸縮範囲が許容範囲を超えた場合、加振対象物を破壊してしまう可能性がある。そこで、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを機械的リミットスイッチにより検出してモーターを停止させることで、必要以上にロッドが伸縮するのを防止して、加振対象物を保護することが可能となる。 Here, the set position detected by the mechanical limit switch can be a position where the rod can be prevented from expanding and contracting beyond the allowable range, or an arbitrary position within the allowable range. In the ball screw actuator, the rod expands and contracts according to the amount of rotation of the motor, so if a malfunction occurs in the control device and the rod expansion and contraction range exceeds the allowable range, the object to be excited is destroyed. There is a possibility. Therefore, by detecting that the tip of the rod has reached the set position with a mechanical limit switch and stopping the motor, the rod is prevented from expanding and contracting more than necessary, and the object to be excited is protected. It becomes possible to do.
（１）モーターの回転運動をロッドの直線運動に変換するボールねじアクチュエーターであり、ロッドの先端部に加振対象物が連結されるボールねじアクチュエーターと、モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークでロッドが往復運動するようにモーターを正転および逆転させる制御装置とを有する加振装置によれば、安価かつ騒音レベルが低いボールねじアクチュエーターを利用して、初期位置の精密な調整が可能であり、かつ長いストロークでの加振を行うことが可能な加振装置が得られる。 (1) A ball screw actuator that converts the rotational motion of the motor into a linear motion of the rod, a ball screw actuator in which an object to be vibrated is connected to the tip of the rod, and a control device that controls the motor. According to the vibration exciter having the control device for rotating the motor forward and backward so that the rod reciprocates at a predetermined cycle and stroke, an accurate initial position can be obtained using a ball screw actuator that is inexpensive and has a low noise level. An excitation device that can be adjusted and can perform excitation with a long stroke is obtained.
（２）さらに、ロッドの先端部が設定された位置に到達したことを検出する機械式リミットスイッチを有し、制御装置が、機械式リミットスイッチによりロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されるとモーターを停止させるものであることにより、必要以上にロッドが伸縮するのを防止して、加振対象物を保護することが可能となる。 (2) Furthermore, it has a mechanical limit switch that detects that the tip of the rod has reached the set position, and the control device has reached the position where the tip of the rod has been set by the mechanical limit switch. When this is detected, the motor is stopped, so that the rod can be prevented from expanding and contracting more than necessary, and the object to be excited can be protected.
図１は本発明の実施の形態における加振装置の概略構成図である。図１において、本発明の実施の形態における加振装置２０は、加振対象物の加振試験を行うものである。なお、本実施形態においては、加振対象物としてコロイダルダンパー１を用いた例について説明する。コロイダルダンパー１は、詳細は後述するが、密閉空間にシリカゲル等の多孔質体と水等の液体とを混在させて封入して、液体の表面張力に抗して多孔質体の細孔へ液体を流出入させて、機械的エネルギーを散逸させるようにしたダンパーであり、自転車、自動車、バイク、トラック、ブルドーザや飛行機等の乗り物のサスペンション（懸架装置）用ダンパー、免震や制震等の耐震システム用ダンパー等として利用されるものである。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a vibration exciter according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a vibration device 20 according to an embodiment of the present invention performs a vibration test of a vibration object. In the present embodiment, an example in which the colloidal damper 1 is used as a vibration target will be described. Although the details will be described later, the colloidal damper 1 contains a porous body such as silica gel mixed with a liquid such as water in a sealed space and encloses the liquid to the pores of the porous body against the surface tension of the liquid. Is a damper that dissipates and dissipates mechanical energy, dampers for suspensions (suspension devices) of vehicles such as bicycles, automobiles, motorcycles, trucks, bulldozers and airplanes, and seismic isolation and seismic control It is used as a system damper.
加振装置２０は、ボールねじアクチュエーター３０と、制御装置４０と、ボールねじアクチュエーター３０および制御装置４０の動作用の電源５０とを有する。ボールねじアクチュエーター３０は、主に、モーター（電動機）３１と、ボールねじ機構３２と、モーター３１の回転をボールねじ機構３２に伝達するベルト歯車３３とによって構成されている。 The vibration device 20 includes a ball screw actuator 30, a control device 40, and a power supply 50 for operating the ball screw actuator 30 and the control device 40. The ball screw actuator 30 mainly includes a motor (electric motor) 31, a ball screw mechanism 32, and a belt gear 33 that transmits the rotation of the motor 31 to the ball screw mechanism 32.
ボールねじアクチュエーター３０は、モーター３１の回転運動をボールねじ機構３２のロッド３４の直線運動に変換するものである。コロイダルダンパー１は、ロッド３４の先端部に連結される。ボールねじアクチュエーター３０およびコロイダルダンパー１は、それぞれのロッド３４およびピストン４の中心軸が同軸上かつストローク方向が水平（Ｘ軸）となるように、土台６０上に固定される。なお、鉛直（垂直）方向をＺ軸、図１の奥行き方向をＹ軸方向とする。 The ball screw actuator 30 converts the rotational motion of the motor 31 into the linear motion of the rod 34 of the ball screw mechanism 32. The colloidal damper 1 is connected to the tip of the rod 34. The ball screw actuator 30 and the colloidal damper 1 are fixed on the base 60 so that the central axes of the rods 34 and the pistons 4 are coaxial and the stroke direction is horizontal (X axis). The vertical direction is the Z axis, and the depth direction in FIG. 1 is the Y axis direction.
また、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部には、土台６０上に設置された機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂに接触することで、ロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことを検出するためのリミットスイッチ接触用継手３５が設けられている。機械式リミットスイッチ６１ａはロッド３４が伸長しすぎる際に働くものであり、機械式リミットスイッチ６１ｂはロッド３４が縮退しすぎる際に働くものである。また、コロイダルダンパー１のピストン４とリミットスイッチ接触用継手３５との間には、ロードセル３６が備えられている。また、土台６０上には、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の変位を測定するための変位計６２が備えられている。 Further, the tip of the rod 34 of the ball screw actuator 30 is in contact with the mechanical limit switches 61a and 61b installed on the base 60, so that the tip of the rod 34 has reached the set position. A limit switch contact joint 35 for detection is provided. The mechanical limit switch 61a works when the rod 34 extends too much, and the mechanical limit switch 61b works when the rod 34 retracts too much. A load cell 36 is provided between the piston 4 of the colloidal damper 1 and the limit switch contact joint 35. A displacement meter 62 for measuring the displacement of the rod 34 of the ball screw actuator 30 is provided on the base 60.
制御装置４０は、モーター３１を制御する装置であり、設定された周期およびストロークでボールねじアクチュエーター３０のロッド３４が往復運動するようにモーター３１を正転および逆転させるものである。なお、制御装置４０は、機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂによりロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことが検出されると、モーター３１を停止させる。 The control device 40 is a device that controls the motor 31, and rotates the motor 31 forward and backward so that the rod 34 of the ball screw actuator 30 reciprocates at a set cycle and stroke. The control device 40 stops the motor 31 when it is detected by the mechanical limit switches 61a and 61b that the tip of the rod 34 has reached the set position.
次に、コロイダルダンパー１について、図２〜図４を参照して説明する。図２はコロイダルダンパー１の断面図、図３はコロイダルダンパー１のフィルタ部分の断面図、図４はコロイダルダンパー１の多孔質体の断面図である。 Next, the colloidal damper 1 will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view of the colloidal damper 1, FIG. 3 is a cross-sectional view of a filter portion of the colloidal damper 1, and FIG. 4 is a cross-sectional view of a porous body of the colloidal damper 1.
コロイダルダンパー１は、図２に示すように、シリンダ２と、このシリンダ２に往復動自在に案内支持され、シリンダ２と協働して密閉空間３を形成するピストン４と、密閉空間３に連通されてシリンダ２とともに密閉空間３を形成する補助容器５と、シリンダ２と補助容器５との間に密閉空間３を二分するように設けられた隔壁としてのフィルタ６とを備える。 As shown in FIG. 2, the colloidal damper 1 communicates with a cylinder 2, a piston 4 that is guided and supported by the cylinder 2 so as to reciprocate, and forms a sealed space 3 in cooperation with the cylinder 2. An auxiliary container 5 that forms a sealed space 3 together with the cylinder 2 and a filter 6 as a partition wall provided so as to bisect the sealed space 3 between the cylinder 2 and the auxiliary container 5.
フィルタ６は、図３に示すように、２枚の銅製ガスケット６ａ間に接着剤により接合されている。２枚の銅製ガスケット６ａは、フィルタ６を保持するフレームとして機能する。この構成のフィルタ６は、シリンダ２と補助容器５との間に挟み込まれて固定されることにより、銅製ガスケット６ａが変形してシリンダ２と補助容器５とに密着し、シリンダ２内の密閉空間３と補助容器５内の密閉空間３とをシールする。 As shown in FIG. 3, the filter 6 is joined between two copper gaskets 6a by an adhesive. The two copper gaskets 6 a function as a frame that holds the filter 6. The filter 6 having this configuration is sandwiched and fixed between the cylinder 2 and the auxiliary container 5, so that the copper gasket 6 a is deformed to be in close contact with the cylinder 2 and the auxiliary container 5, and the sealed space in the cylinder 2. 3 and the sealed space 3 in the auxiliary container 5 are sealed.
また、密閉空間３内には、液体７と、多数の細孔８ａを有する多孔質体８とが収容されている。多孔質体８は、シリカゲル、アエロゲル、セラミックス、多孔質ガラス、ゼオライト、多孔質ＰＴＦＥ、多孔質蝋、多孔質ポリスチレン、アルミナやカーボン（黒鉛、木炭、フラーレンおよびカーボンナノチューブを含む。）等からなる略球形粒状物であり、図４に示すように、複数の細孔８ａと、略中央に形成された中空部８ｂとを有する。細孔８ａは、一端で中空部８ｂに開口し、他端で多孔質体８外に開口して、中空部８ｂから放射方向に伸びている。 In the sealed space 3, a liquid 7 and a porous body 8 having a large number of pores 8 a are accommodated. The porous body 8 is substantially made of silica gel, aerogel, ceramics, porous glass, zeolite, porous PTFE, porous wax, porous polystyrene, alumina, carbon (including graphite, charcoal, fullerene, and carbon nanotube). As shown in FIG. 4, it is a spherical granular material, and has a plurality of pores 8a and a hollow portion 8b formed substantially at the center. The pore 8a opens to the hollow portion 8b at one end, opens to the outside of the porous body 8 at the other end, and extends in the radial direction from the hollow portion 8b.
多孔質体８のそれぞれの外面８ｃ、細孔８ａの内面８ｄ、並びに中空部８ｂの内面８ｅは、液体７に対して疎液性物質であって分子鎖が線形な物質である、例えば、−Ｓｉ−（ＢＡＳＥ）2−（ＢＯＤＹ）m−（ＨＥＡＤ）のような有機疎水物質で被覆されている。但し、ｍ＝０〜２３であり、胴部（ＢＯＤＹ）と頭部（ＨＥＡＤ）との組み合わせは、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＨ2，ＣＨ3］、［ＣＦ2，ＣＦ3］、［ＯＳｉ（ＣＨ3）2，ＯＳｉ（ＣＨ3）3］、または［ＯＳｉ（ＣＦ3）2，ＯＳｉ（ＣＦ3）3］である。また、基部（ＢＡＳＥ）は、−（ＢＯＤＹ）m−（ＨＥＡＤ）よりも短い分子鎖長で、炭素数１〜３のアルキル基、フッ素樹脂基またはフェニル基である。なお、本実施形態においては、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＦ2，ＣＦ3］、ｍ＝７、ならびに（ＢＡＳＥ）＝［ＣＦ3］のような有機疎水物質で被覆されている。 Each of the outer surface 8c of the porous body 8, the inner surface 8d of the pore 8a, and the inner surface 8e of the hollow portion 8b are lyophobic substances with respect to the liquid 7 and have a linear molecular chain. It is coated with an organic hydrophobic material such as Si- (BASE) 2- (BODY) m- (HEAD). However, m = 0 to 23, and the combination of the body (BODY) and the head (HEAD) is [(BODY), (HEAD)] = [CH 2 , CH 3 ], [CF 2 , CF 3. ], [OSi (CH 3 ) 2 , OSi (CH 3 ) 3 ], or [OSi (CF 3 ) 2 , OSi (CF 3 ) 3 ]. The base (BASE) is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a fluororesin group, or a phenyl group having a shorter molecular chain length than-(BODY) m- (HEAD). In this embodiment, [(BODY), (HEAD)] = [CF 2 , CF 3 ], m = 7, and (BASE) = [CF 3 ] are coated with an organic hydrophobic material. .
液体７は、高い表面張力を有する液体が望まれており、代表的には水を挙げることができる。水以外の液体としては、水と不凍剤との混合液、例えばエタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン等から選ばれた少なくとも一種以上を、多くとも６７容量％混入させた水を用いることができる。この場合、０℃以下の環境でもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。また、水と、水よりも蒸発しにくい物質、例えばジメチルフォルムアミド、フォルムアミド等との混合液を使用することができる。この場合、１００℃以上の環境でもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。さらに、水と消泡剤との混合液、例えばシリコン系の消泡剤、非シリコン系の消泡剤、オイル系の消泡剤等から選ばれた少なくとも一種以上を、多くとも５０ｐｐｍ混入させた水を用いることができる。この場合、シールから空気が密閉空間３に流入してもコロイダルダンパーを利用することができるようになる。細孔８ａの平均内径ｄ１は、液体分子の平均自由行程をＬｐとしたときのクヌーセン数Ｋｎ＝Ｌｐ／（ｄ１・１／２）が０．０３４よりも大きく、０．１１９（好ましくは０．０９７）よりも小さい範囲で決定される。また、多孔質体８の平均外径ｄ２は、この細孔８ａの平均内径ｄ１の１０倍以上であって１０，０００倍以下の範囲で決定される。 The liquid 7 is desired to be a liquid having a high surface tension, and representative examples thereof include water. As the liquid other than water, a mixture of water and an antifreeze, for example, water in which at least 67% by volume of at least one selected from ethanol, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, and the like is mixed is used. it can. In this case, the colloidal damper can be used even in an environment of 0 ° C. or lower. Further, a mixed solution of water and a substance that is harder to evaporate than water, such as dimethylformamide, formamide, or the like can be used. In this case, the colloidal damper can be used even in an environment of 100 ° C. or higher. Further, at least 50 ppm of at least one selected from a mixed solution of water and an antifoaming agent, for example, a silicon-based antifoaming agent, a non-silicone-based antifoaming agent, or an oil-based antifoaming agent was mixed. Water can be used. In this case, the colloidal damper can be used even if air flows into the sealed space 3 from the seal. The average inner diameter d1 of the pores 8a is such that the Knudsen number Kn = Lp / (d1 · 1/2) when the average free path of the liquid molecules is Lp is larger than 0.034 and 0.119 (preferably 0.1. 097). Further, the average outer diameter d2 of the porous body 8 is determined in the range of 10 times or more and 10,000 times or less of the average inner diameter d1 of the pores 8a.
なお、多孔質体８は、フィルタ６よりも図２の上側すなわち補助容器５側の密閉空間３内にのみ収容されている。フィルタ６は、多孔質体８の平均外径ｄ２よりも小さな径の細孔が多数形成されたものであり、多孔質体８を通過させず、液体７のみを通過させる。このフィルタ６の細孔によって、多孔質体８はシリンダ２とピストン４との摺動部９から隔離され、液体７のみがシリンダ２と補助容器５の密閉空間３を自由に移動することができるようになっている。 In addition, the porous body 8 is accommodated only in the sealed space 3 on the upper side in FIG. The filter 6 is formed with a large number of pores having a diameter smaller than the average outer diameter d2 of the porous body 8, and does not pass the porous body 8, but allows only the liquid 7 to pass. Due to the pores of the filter 6, the porous body 8 is isolated from the sliding portion 9 between the cylinder 2 and the piston 4, and only the liquid 7 can freely move in the sealed space 3 between the cylinder 2 and the auxiliary container 5. It is like that.
多孔質体８と液体７とは、多孔質体８の細孔８ａの全容積をＶPとし、液体７の体積をＶLとすると、その比ＶP／ＶLが０．２以上であって２．５以下の範囲をもって収容されている。なお、本実施形態においては、比ＶP／ＶLが実質的に１となるように密閉空間３に収容されている。 In the porous body 8 and the liquid 7, when the total volume of the pores 8a of the porous body 8 is V P and the volume of the liquid 7 is V L , the ratio V P / V L is 0.2 or more. The range is 2.5 or less. In this embodiment, the sealed space 3 is accommodated so that the ratio V P / V L is substantially 1.
また、本実施形態におけるコロイダルダンパー１は、ピストン４の摺動面をシールする往復動用パッキン１０と、往復動用パッキン１０の変形を制限するバックアップリング１１と、往復動用パッキン１０を固定する固定具１２と、この固定具１２とシリンダ２の外側との接触面をシールするＯリング１３と、このＯリング１３の外周に配設されるメタル製リング１４と、固定具１２の外側からピストン４の摺動面への塵埃の浸入を防止するためのダストシール１５とを備える。 Further, the colloidal damper 1 in this embodiment includes a reciprocating packing 10 that seals the sliding surface of the piston 4, a backup ring 11 that restricts deformation of the reciprocating packing 10, and a fixture 12 that fixes the reciprocating packing 10. An O-ring 13 that seals the contact surface between the fixture 12 and the outside of the cylinder 2, a metal ring 14 disposed on the outer periphery of the O-ring 13, and a slide of the piston 4 from the outside of the fixture 12. And a dust seal 15 for preventing dust from entering the moving surface.
また、図２に示すように、本実施形態におけるコロイダルダンパー１は、シリンダ２に、密閉空間３内の圧力を測定するための高圧力計１６と、温度を測定するための熱電対１７とが設けられている。 As shown in FIG. 2, the colloidal damper 1 in this embodiment includes a high pressure gauge 16 for measuring the pressure in the sealed space 3 and a thermocouple 17 for measuring temperature. Is provided.
この構成のコロイダルダンパー１では、ピストン４に力Ｆが加えられると、この力Ｆがピストン４を介して液体７に加えられ、液体７が加圧される。この加圧により液体７は、補助容器５の密閉空間３内の多孔質体８の細孔８ａからその表面張力に抗して流入する。これにより、ピストン４は、密閉空間３の容積を減少するように移動する。また、このコロイダルダンパー１では、力Ｆに関する振動や衝撃のエネルギーが細孔８ａへの液体７の流入により消費されるために、ピストン４を移動させる力Ｆを減衰させる。 In the colloidal damper 1 having this configuration, when a force F is applied to the piston 4, the force F is applied to the liquid 7 via the piston 4 and the liquid 7 is pressurized. By this pressurization, the liquid 7 flows in against the surface tension from the pores 8 a of the porous body 8 in the sealed space 3 of the auxiliary container 5. Thereby, the piston 4 moves so as to reduce the volume of the sealed space 3. Further, in the colloidal damper 1, since the energy of vibration and impact related to the force F is consumed by the inflow of the liquid 7 into the pore 8a, the force F that moves the piston 4 is attenuated.
一方、ピストン４へ付与された力Ｆがなくなると、表面張力に抗して細孔８ａへ流入した液体７は、その表面張力により細孔８ａから多孔質体８の外へ流出する。これにより、ピストン４は逆に密閉空間３の容積を増大するように移動し、初期位置へと復帰する。このとき、多孔質体８はフィルタ６の細孔を通過せずに補助容器５の密閉空間３に留め置かれ、液体７のみがフィルタ６の細孔を通過する。したがって、このコロイダルダンパー１では、多孔質体８がシリンダ２の密閉空間３内へ流入しないので、シリンダ２とピストン４との摺動部９への多孔質体８の流入が防止される。 On the other hand, when the force F applied to the piston 4 disappears, the liquid 7 that has flowed into the pores 8a against the surface tension flows out of the porous body 8 from the pores 8a due to the surface tension. As a result, the piston 4 moves to increase the volume of the sealed space 3 and returns to the initial position. At this time, the porous body 8 does not pass through the pores of the filter 6 but remains in the sealed space 3 of the auxiliary container 5, and only the liquid 7 passes through the pores of the filter 6. Therefore, in this colloidal damper 1, the porous body 8 does not flow into the sealed space 3 of the cylinder 2, so that the porous body 8 is prevented from flowing into the sliding portion 9 between the cylinder 2 and the piston 4.
上記構成の加振装置２０では、モーター３１の正転および逆転を制御することで、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部に連結したコロイダルダンパー１等の加振対象物へ、設定された周期およびストロークで加振することが可能である。また、モーター３１を回転させることで、ボールねじアクチュエーター３０のロッド３４の先端部の初期位置を任意に変更することが可能であり、モーター３１の回転角度を調整することで、ロッド３４の先端部の初期位置の精密な調整が可能である。 In the vibration device 20 having the above-described configuration, a set period is applied to the vibration target such as the colloidal damper 1 connected to the tip of the rod 34 of the ball screw actuator 30 by controlling forward and reverse rotation of the motor 31. It is possible to vibrate with a stroke. Further, by rotating the motor 31, it is possible to arbitrarily change the initial position of the tip of the rod 34 of the ball screw actuator 30, and by adjusting the rotation angle of the motor 31, the tip of the rod 34 can be changed. Precise adjustment of the initial position is possible.
また、ボールねじアクチュエーター３０では、モーター３１を回転させた分に応じてロッド３４が伸縮するため、ロッド３４のストロークはロッド３４の長さに依存する。そのため、コロイダルダンパー１等の加振対象物に応じて長いストロークを確保することが容易であり、長いストロークでの加振を行うことが可能である。 In the ball screw actuator 30, the rod 34 expands and contracts according to the amount of rotation of the motor 31, so the stroke of the rod 34 depends on the length of the rod 34. Therefore, it is easy to ensure a long stroke according to the vibration target such as the colloidal damper 1, and it is possible to perform vibration with a long stroke.
また、ボールねじアクチュエーター３０は、上述のようにモーター３１を回転させた分に応じてロッド３４が伸縮するため、伸縮させすぎた場合、コロイダルダンパー１等の加振対象物を破壊してしまう可能性がある。そこで、本実施形態における加振装置２０では、ロッド３４の先端部が設定された位置に到達したことを機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂにより検出してモーター３１を停止させることで、必要以上にロッド３４が伸縮するのを防止して、コロイダルダンパー１等の加振対象物を保護する。このモーター３１を停止させる位置は、機械式リミットスイッチ６１ａ，６１ｂの位置を変更することで設定可能である。 Moreover, since the rod 34 expands and contracts in accordance with the amount of rotation of the motor 31 as described above, the ball screw actuator 30 may destroy the vibration target such as the colloidal damper 1 if it is excessively expanded or contracted. There is sex. Therefore, in the vibration device 20 according to the present embodiment, the rod 31 is more than necessary by detecting that the tip of the rod 34 has reached the set position by the mechanical limit switches 61a and 61b and stopping the motor 31. 34 is prevented from expanding and contracting, and an object to be excited such as the colloidal damper 1 is protected. The position where the motor 31 is stopped can be set by changing the positions of the mechanical limit switches 61a and 61b.
なお、上記実施形態においては、ボールねじアクチュエーター３０および加振対象物（コロイダルダンパー１）を、それぞれのストローク方向が水平となるように土台６０上に固定しているが、これらは図５に示すように、任意の方向に配置することが可能である。図５のαは図１のＸＹ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＸ軸となす角度、βは図１のＺＸ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＸ軸となす角度、γは図１のＹＺ平面内でボールねじアクチュエーター３０の中心軸がＹ軸となす角度である。α、βおよびγは０°〜３６０°の範囲内で任意に選択可能である。 In the above embodiment, the ball screw actuator 30 and the object to be vibrated (colloidal damper 1) are fixed on the base 60 so that the respective stroke directions are horizontal. These are shown in FIG. Thus, it can be arranged in any direction. 5 is an angle formed by the central axis of the ball screw actuator 30 in the XY plane of FIG. 1 and the X axis, β is an angle formed by the central axis of the ball screw actuator 30 in the ZX plane of FIG. Is an angle between the central axis of the ball screw actuator 30 and the Y axis in the YZ plane of FIG. α, β and γ can be arbitrarily selected within the range of 0 ° to 360 °.
また、図６に示すように、複数のボールねじアクチュエーター３０を加振対象物７０と土台７１との間に並列配置することが可能である。ｎ個のボールねじアクチュエーター３０を並列配置することで、全てのボールねじアクチュエーター３０は並列的に働き、加振力をｎ倍に拡大することが可能である。あるいは、図７に示すように、複数のボールねじアクチュエーター３０を加振対象物７２に対して直列配置することが可能である。この場合、最も端の第１のボールねじアクチュエーター３０のみを土台７３に固定し、加振対象物７２との間の第２〜第ｎのボールねじアクチュエーター３０をレール等により軸方向にスライド可能に配置する。これにより、全てのボールねじアクチュエーター３０は直列的に働き、加振距離（ストローク）をｎ倍に拡大することができる。 Further, as shown in FIG. 6, a plurality of ball screw actuators 30 can be arranged in parallel between the vibration object 70 and the base 71. By arranging n ball screw actuators 30 in parallel, all the ball screw actuators 30 work in parallel, and the excitation force can be increased n times. Alternatively, as shown in FIG. 7, a plurality of ball screw actuators 30 can be arranged in series with respect to the vibration target 72. In this case, only the first ball screw actuator 30 at the extreme end is fixed to the base 73, and the second to nth ball screw actuators 30 between the object to be vibrated 72 can be slid in the axial direction by a rail or the like. Deploy. Thereby, all the ball screw actuators 30 work in series, and the excitation distance (stroke) can be increased n times.
また、図８に示すように、加振対象物７４に対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの２軸方向あるいは３軸方向からボールねじアクチュエーター３０により加振する構成とすることも可能である。これにより、２次元加振試験または３次元加振試験が可能となる。 Further, as shown in FIG. 8, the object to be vibrated 74 may be vibrated by the ball screw actuator 30 from the two-axis direction or the three-axis direction of the X-axis, Y-axis, and Z-axis. Is possible. Thereby, a two-dimensional vibration test or a three-dimensional vibration test becomes possible.
また、図９に示すように、加振対象物７５に対して、ボールねじアクチュエーター３０を間隔Ｌで並列配置し、互いに逆方向に加振する構成とすることも可能である。これにより、加振対象物７５に対して１軸の回転加振試験を行うことが可能となる。あるいは、図１０に示すように、加振対象物７５に対して、ボールねじアクチュエーター３０を間隔Ｌで加振対象物７５を挟んで中心軸が平行となるように配置し、それぞれのボールねじアクチュエーター３０からみて同じ方向、すなわち加振対象物７５からみた場合には互いに逆方向に加振する構成とすることも可能である。これにより、図９の場合と同様に、加振対象物７５に対して１軸の回転加振試験を行うことが可能となる。なお、図示しないが、図８で説明したように、加振対象物７５に対して、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうちの２軸方向あるいは３軸方向から図９または図１０に示すようにボールねじアクチュエーター３０を配置することで、２軸あるいは３軸の回転加振試験を行うことも可能である。 Moreover, as shown in FIG. 9, it is also possible to arrange the ball screw actuators 30 in parallel at intervals L with respect to the object to be vibrated 75 so as to vibrate in directions opposite to each other. Thereby, it is possible to perform a uniaxial rotational vibration test on the vibration object 75. Alternatively, as shown in FIG. 10, the ball screw actuator 30 is arranged with respect to the vibration object 75 so that the central axis is parallel to the vibration object 75 with the interval L interposed therebetween. It is also possible to adopt a configuration in which vibration is performed in the same direction as viewed from 30, that is, in directions opposite to each other when viewed from the vibration object 75. As a result, similarly to the case of FIG. 9, it is possible to perform a uniaxial rotational vibration test on the vibration object 75. Although not shown, as illustrated in FIG. 8, the vibration object 75 is shown in FIG. It is also possible to perform a biaxial or triaxial rotational vibration test by disposing the ball screw actuator 30 on the shaft.
このように、ボールねじアクチュエーター３０は加振対象物７５に対して任意の方向に複数個を設置することが容易であり、このようなボールねじアクチュエーター３０を用いた本実施形態における加振装置２０では、様々な条件により試験を行うことが可能である。 As described above, it is easy to install a plurality of ball screw actuators 30 in an arbitrary direction with respect to the vibration object 75, and the vibration device 20 in this embodiment using such a ball screw actuator 30. Then, it is possible to perform the test under various conditions.
上記加振装置２０を用いて自動車の後輪懸架装置用コロイダルダンパー１の振動試験を行った。ボールねじアクチュエーター３０はＴｈｏｍｐｓｏｎ製の（型番：ＥＣＴ１３−６３ＮＳ０３ＰＢ４０１０）を用いた。このボールねじアクチュエーター３０の最大加振力は２１．５ｋＮ、最大伸縮距離は２，０００ｍｍ、最大走行速度は０．４４ｍ／ｓ、モーター３１の最大回転速度は１００Ｈｚである。なお、加振試験では、モーター３１の回転速度は、ｎ＝５，１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０Ｈｚ、伸縮サイクル（往復運動）の周期は、Ｔ＝０．６，０．８，１．０，１．２ｓとした。図１１は、ボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクルの波形を示している。 The vibration test of the colloidal damper 1 for a rear wheel suspension device of an automobile was performed using the vibration device 20. The ball screw actuator 30 was made of Thompson (model number: ECT13-63NS03PB4010). The maximum excitation force of the ball screw actuator 30 is 21.5 kN, the maximum expansion / contraction distance is 2,000 mm, the maximum traveling speed is 0.44 m / s, and the maximum rotation speed of the motor 31 is 100 Hz. In the vibration test, the rotation speed of the motor 31 is n = 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 Hz, and the cycle of the expansion / contraction cycle (reciprocating motion) is T = 0.6, 0.8, 1.0, 1.2 s. FIG. 11 shows the waveform of the expansion / contraction cycle of the ball screw actuator 30.
図２に示したコロイダルダンパー１は、中心軸が水平（Ｘ軸）方向になるように土台６０上に固定され、中心軸方向に対して密閉空間３がフィルタ６で左右に分割された結果、補助容器５側の密閉空間３が一定体積室（コロイド用容器）、シリンダ２側の密閉空間３が可変体積室（水容器）となっている。コロイダルダンパー１に使用する多孔質体８としてのシリカゲルは、多孔質体８の平均外径ｄ２が２０μｍ、細孔８ａの平均内径ｄ１が１１．６ｎｍ、細孔８ａの比表面積２０５ｍ2／ｇ、細孔８ａの比容積５８１ｍｍ3／ｇの特性を持ち、［（ＢＯＤＹ），（ＨＥＡＤ）］＝［ＣＦ2，ＣＦ3］、ｍ＝７、ならびに（ＢＡＳＥ）＝［ＣＦ3］のような有機疎水物質（フッ素樹脂）で疎水化処理（疎水化処理分子の接合密度２．１ｇｒｏｕｐｓ／ｎｍ2）を行ったものである。なお、本実施例においては、中空部８ｂを持っていない多孔質体８を使用した。シリカゲルは、実験開始前にＭ＝８ｇを一定体積室に供給した。伸縮サイクルの周波数はモーター３１の回転速度と周期に関係するが、０．７−１．４Ｈｚの範囲内で変動していった。 The colloidal damper 1 shown in FIG. 2 is fixed on the base 60 so that the central axis is in the horizontal (X-axis) direction, and the sealed space 3 is divided into left and right by the filter 6 with respect to the central axis direction. The sealed space 3 on the auxiliary container 5 side is a constant volume chamber (colloid container), and the sealed space 3 on the cylinder 2 side is a variable volume chamber (water container). The silica gel as the porous body 8 used for the colloidal damper 1 has an average outer diameter d2 of the porous body 8 of 20 μm, an average inner diameter d1 of the pores 8a of 11.6 nm, a specific surface area of 205 m 2 / g of the pores 8a, An organic material such as [(BODY), (HEAD)] = [CF 2 , CF 3 ], m = 7, and (BASE) = [CF 3 ] having the characteristic of the specific volume of the pore 8a of 581 mm 3 / g. Hydrophobic treatment (bonding density of hydrophobized molecules 2.1 groups / nm 2 ) was performed with a hydrophobic substance (fluororesin). In this example, the porous body 8 having no hollow portion 8b was used. Silica gel supplied M = 8 g to the constant volume chamber before the start of the experiment. The frequency of the expansion / contraction cycle was related to the rotational speed and period of the motor 31, but fluctuated within the range of 0.7-1.4 Hz.
図１に示す加振装置２０の変位計６２によりピストン４のストロークＳを、ロードセル３６により減衰力Ｆを、高圧力計１６によりシリンダ２内部の圧力ｐをそれぞれ測定し、ヒステリシス（ストロークと荷重との関係グラフ）の面積より、コロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥを求めた。 The stroke S of the piston 4 is measured by the displacement meter 62 of the vibration device 20 shown in FIG. 1, the damping force F is measured by the load cell 36, and the pressure p inside the cylinder 2 is measured by the high pressure gauge 16, respectively. The dissipated energy E of the colloidal damper 1 was obtained from the area of the relationship graph.
図１２および図１３にＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１４にＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１５にＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１６にＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合のコロイダルダンパー１のヒステリシスを示した。高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力ｐとピストン４の断面積との掛け算で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドのみの影響を、ロードセル３６で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドと共に働く摩擦の影響を表している。負の減衰力とは、コロイダルダンパー１が加圧（ロッド３４の伸長）時にエネルギーを吸収し、コロイダルダンパー１が減圧（ロッド３４の縮退）時にエネルギーの一部を還元することを言う。図１４（ｈ）、図１５（ｆ）および図１６（ｆ）を比較してみると、伸縮サイクルの周期Ｔを０．８ｓから１．２ｓまで増加した場合、コロイド溶液を働かせるための必要なモーター３１の回転速度が４５Ｈｚから３０Ｈｚまで減少することが分かる。モーター３１の回転速度が増加するにつれてピストン４のストロークＳが長くなるので、ヒステリシスの面積が大きくなる。しかし、ボールねじアクチュエーター３０の最大走行速度が制限されているので、Ｔ＝０．６ｓの場合、モーター３１の回転速度を５０Ｈｚから６０Ｈｚまで増加してもストロークＳが長くならないといった現象が起こる。ピストン停止時（０ｍｍと最大ストローク時）に、クーロン摩擦ヒステリシスのような縦方向の直線が見られる。 12 and 13, T = 0.6 s and n = 10-60 Hz, FIG. 14 T = 0.8 s and n = 10-45 Hz, FIG. 15 T = 1.0 s and n = 10− In the case of 35 Hz, FIG. 16 shows the hysteresis of the colloidal damper 1 when T = 1.2 s and n = 5-30 Hz. The load (negative damping force) obtained by multiplying the internal pressure p of the cylinder 2 measured by the high pressure gauge 16 and the cross-sectional area of the piston 4 is influenced only by the colloid, and the load obtained by the load cell 36 (negative (Damping force) represents the effect of friction working with the colloid. The negative damping force means that the colloidal damper 1 absorbs energy when pressurized (extension of the rod 34), and the colloidal damper 1 reduces a part of the energy when decompressed (degeneration of the rod 34). Comparing FIG. 14 (h), FIG. 15 (f) and FIG. 16 (f), when the period T of the expansion / contraction cycle is increased from 0.8 s to 1.2 s, it is necessary to work the colloidal solution. It can be seen that the rotational speed of the motor 31 decreases from 45 Hz to 30 Hz. As the rotational speed of the motor 31 increases, the stroke S of the piston 4 becomes longer, so the area of hysteresis increases. However, since the maximum traveling speed of the ball screw actuator 30 is limited, when T = 0.6 s, a phenomenon occurs in which the stroke S does not become long even if the rotational speed of the motor 31 is increased from 50 Hz to 60 Hz. When the piston is stopped (at 0 mm and the maximum stroke), a vertical straight line such as Coulomb friction hysteresis is seen.
次に、図１２〜図１６からコロイドによる散逸量と摩擦による散逸量との割合を調べた。図１７（ａ）はＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１７（ｃ）はＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１７（ｅ）はＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１７（ｇ）はＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合の変位計６２で測定したピストン４のストロークと高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力との関係グラフ(コロイドのみの影響)を示している。また、図１７（ｂ）はＴ＝０．６ｓとｎ＝１０−６０Ｈｚの場合、図１７（ｄ）はＴ＝０．８ｓとｎ＝１０−４５Ｈｚの場合、図１７（ｆ）はＴ＝１．０ｓとｎ＝１０−３５Ｈｚの場合、図１７（ｈ）はＴ＝１．２ｓとｎ＝５−３０Ｈｚの場合の変位計６２で測定したピストン４のストロークとロードセル３６で測定した減衰力との関係グラフ（コロイドと共に働く摩擦の影響）を示している。 Next, the ratio between the amount of dissipation due to colloid and the amount of dissipation due to friction was examined from FIGS. 17A shows a case where T = 0.6 s and n = 10-60 Hz, FIG. 17C shows a case where T = 0.8 s and n = 10-45 Hz, and FIG. In the case of 0 s and n = 10-35 Hz, FIG. 17G shows the stroke of the piston 4 measured by the displacement meter 62 and the cylinder 2 measured by the high pressure gauge 16 in the case of T = 1.2 s and n = 5-30 Hz. The relationship graph with the internal pressure (effect of colloid only) is shown. 17B shows a case where T = 0.6 s and n = 10-60 Hz, FIG. 17D shows a case where T = 0.8 s and n = 10-45 Hz, and FIG. In the case of 1.0 s and n = 10-35 Hz, FIG. 17 (h) shows the stroke of the piston 4 measured by the displacement meter 62 and the damping force measured by the load cell 36 in the case of T = 1.2 s and n = 5-30 Hz. The relationship graph (effect of friction working with colloids) is shown.
図１７より、モーター３１の回転速度が増加すると、最大作動圧力（荷重）、最大ストローク、ならびにヒステリシスの面積が大きくなる。そこで、図１８（ａ）に様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期においてモーター３１の回転速度とストロークとの関係を示す。逆に、モーター３１の回転速度が増加すると、加振装置２０の作動周波数が小さくなる（図１８（ｂ）参照。）。 From FIG. 17, when the rotational speed of the motor 31 increases, the maximum operating pressure (load), the maximum stroke, and the area of hysteresis increase. FIG. 18A shows the relationship between the rotation speed of the motor 31 and the stroke in the period of various expansion / contraction cycles of the ball screw actuator 30 (pressurization / decompression cycle of the colloidal damper 1). Conversely, when the rotational speed of the motor 31 increases, the operating frequency of the vibration device 20 decreases (see FIG. 18B).
図１８（ａ）より、通常は同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、ストロークが長くなっていることが分かる。しかし、加振装置２０の最大走行速度が制限されているので、Ｔ＝０．６ｓの場合、モーター３１の回転速度を５０Ｈｚから６０Ｈｚまで増加してもストロークが長くならない、といった現象が起こる。また、図１８（ａ）より、通常は同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、加振装置２０の作動周波数が低くなっていることが分かる。 From FIG. 18A, it can be seen that the stroke is usually longer when the cycle is longer at the same rotational speed of the motor 31. However, since the maximum traveling speed of the vibration device 20 is limited, when T = 0.6 s, a phenomenon occurs in which the stroke does not become long even if the rotational speed of the motor 31 is increased from 50 Hz to 60 Hz. Further, from FIG. 18A, it can be seen that the operating frequency of the vibration exciter 20 is usually lowered when the cycle becomes longer at the same rotational speed of the motor 31.
様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期において、図１９（ａ）にモーター３１の回転速度と部分散逸エネルギー（コロイドのみの影響：Ｅc）、図１９（ｂ）にモーター３１の回転速度と全体散逸エネルギーＥt（コロイドの影響：Ｅcと共に摩擦の影響：Ｅf）との関係を示す。図１８（ａ）と同様に、同じモーター３１の回転速度で周期が長くなると、散逸エネルギーが大きくなっているが、Ｔ＝０．６ｓの場合、限界速度がｎ＝５０Ｈｚとなることが分かる。 FIG. 19A shows the rotational speed of the motor 31 and the partial dispersion energy (effect of colloid only: E c ), in the expansion / contraction cycle of the various ball screw actuators 30 (the pressurization / decompression cycle of the colloidal damper 1). FIG. 19B shows the relationship between the rotational speed of the motor 31 and the overall dissipation energy E t (influence of colloid: E c and friction effect: E f ). Similarly to FIG. 18A, when the cycle is increased at the same rotational speed of the motor 31, the dissipated energy increases, but it can be seen that the limit speed is n = 50 Hz when T = 0.6 s.
様々なボールねじアクチュエーター３０の伸縮サイクル（コロイダルダンパー１の加圧・減圧サイクル）の周期において、図２０（ａ）にコロイドによる無次元化散逸エネルギー（コロイドによる部分散逸エネルギーと全体散逸エネルギーとの比率）、図２０（ｂ）に摩擦による無次元化散逸エネルギー（摩擦による部分散逸エネルギーと全体散逸エネルギーとの比率）とモーター３１の回転速度との依存性を示した。図２０より、モーター３１の回転速度が上がるにつれてコロイドによる無次元化散逸エネルギーが増加する。逆に、摩擦による無次元化散逸エネルギーが減少することが分かる。しかし、あるモーター３１の回転速度（例：Ｔ＝０．６ｓの場合は３０Ｈｚ）を超えると、コロイドによる散逸エネルギーの割合は８２％前後、摩擦による散逸エネルギーの割合は１８％前後になることが明らかとなっている。 FIG. 20 (a) shows the non-dimensionalized energy dissipated by the colloid (the ratio of the partial energy dissipated by the colloid and the total energy dissipated) in the period of the expansion / contraction cycle of the various ball screw actuators 30 (pressurization / decompression cycle of the colloidal damper 1) ), FIG. 20B shows the dependence of the non-dimensionalized dissipated energy (the ratio of the partial dissipated energy and the total dissipated energy due to friction) on the rotation speed of the motor 31 due to friction. From FIG. 20, the non-dimensionalized dissipated energy due to the colloid increases as the rotational speed of the motor 31 increases. Conversely, it can be seen that the non-dimensionalized dissipated energy due to friction decreases. However, if the rotational speed of a certain motor 31 (for example, 30 Hz in the case of T = 0.6 s) is exceeded, the proportion of dissipated energy due to colloids may be around 82% and the proportion of dissipated energy due to friction may be around 18%. It is clear.
以上のように、振動実験開始前にコロイダルダンパー１のピストン４の初期位置を調整し、長いピストンストローク（５６ｍｍまで）の振動試験を行った。コロイドによる散逸量と摩擦による散逸量との割合を調べ、コロイダルダンパー１の散逸エネルギー転化メカニズムをより明らかにした。あるモーター３１の回転速度を超えると、コロイドによる散逸エネルギーの割合は８２％前後、摩擦による散逸エネルギーの割合は１８％前後となった。つまり、コロイド溶液が完全に働くような加振条件が分かった。 As described above, the initial position of the piston 4 of the colloidal damper 1 was adjusted before the start of the vibration experiment, and a vibration test for a long piston stroke (up to 56 mm) was performed. By investigating the ratio between the amount of dissipated by colloid and the amount of dissipated by friction, we clarified the dissipative energy conversion mechanism of colloidal damper 1. When the rotational speed of a certain motor 31 was exceeded, the proportion of dissipated energy due to colloid was around 82%, and the proportion of dissipated energy due to friction was around 18%. In other words, the vibration conditions were such that the colloidal solution worked perfectly.
次に、加振装置２０を用いてコロイダルダンパー１の耐久性試験を行った。フィルタ６は一定体積室から疲労破壊した多孔質体８の浸透を防ぐため、フィルタ６のオリフィスの直径は２Ｒ0＝２μｍのものを使用する。このようなコロイド用容器とフィルタ６の構造を用いると、応用的な立場より十分な寿命を有するコロイダルダンパー１が得られる。 Next, the durability test of the colloidal damper 1 was performed using the vibration device 20. In order to prevent permeation of the porous body 8 fatigued and destroyed from the constant volume chamber, the filter 6 has an orifice diameter of 2R 0 = 2 μm. When such a colloid container and the structure of the filter 6 are used, the colloidal damper 1 having a sufficient life from an application standpoint can be obtained.
このコロイダルダンパー１の振動実験を２時間程度続けると，コロイダルダンパー１の耐久性実験となる。実験ではコロイダルダンパー１を加振装置２０に設置し、モーター３１の回転速度：ｎ＝３５Ｈｚ、ならびに伸縮（加圧・減圧）サイクルの周期：Ｔ＝１．０ｓを制御装置４０で調整した。ピストン４を往復運動させることによってコロイドの加圧・減圧が得られる。 If the vibration experiment of the colloidal damper 1 is continued for about 2 hours, the durability test of the colloidal damper 1 is performed. In the experiment, the colloidal damper 1 was installed in the vibration device 20, and the rotation speed of the motor 31: n = 35Hz and the period of expansion / contraction (pressurization / decompression) cycle: T = 1.0s were adjusted by the control device 40. By reciprocating the piston 4, pressurization / decompression of the colloid can be obtained.
図１に示す加振装置２０の変位計６２によりピストン４のストロークＳを、ロードセル３６により減衰力Ｆ、高圧力計１６によりシリンダ２内部の圧力ｐをそれぞれ測定し、ヒステリシス（ストロークと荷重との関係グラフ）の面積より、時間経過に対してコロイダルダンパー１の散逸エネルギーＥを求めた。 1, the stroke S of the piston 4 is measured by the displacement meter 62 of the vibration device 20 shown in FIG. 1, the damping force F is measured by the load cell 36, and the pressure p inside the cylinder 2 is measured by the high pressure gauge 16, respectively. From the area of the relationship graph), the dissipated energy E of the colloidal damper 1 was obtained over time.
Ｔ＝１．０ｓとｎ＝３５Ｈｚの加振条件において、図２１（ａ）は加振時間ｔ＝０ｍｉｎの場合、図２１（ｂ）は加振時間ｔ＝１５ｍｉｎの場合、図２１（ｃ）は加振時間ｔ＝３０ｍｉｎの場合、図２１（ｄ）は加振時間ｔ＝４５ｍｉｎの場合、図２２（ｅ）は加振時間ｔ＝６０ｍｉｎの場合、図２２（ｆ）は加振時間ｔ＝７５ｍｉｎの場合、図２２（ｇ）は加振時間ｔ＝９０ｍｉｎの場合、図２２（ｈ）は加振時間ｔ＝１０５ｍｉｎの場合、図２２（ｉ）は加振時間ｔ＝１２０ｍｉｎの場合のコロイダルダンパー１のヒステリシスを示している。 FIG. 21 (a) shows a case where the vibration time t = 0 min, FIG. 21 (b) shows a case where the vibration time t = 15 min, and FIG. 21 (c) shows the vibration conditions of T = 1.0 s and n = 35 Hz. Fig. 21 (d) shows an excitation time t = 30min, Fig. 21 (d) shows an excitation time t = 45min, Fig. 22 (e) shows an excitation time t = 60min, and Fig. 22 (f) shows an excitation time t. = 75min, FIG. 22 (g) shows the case where the vibration time t = 90min, FIG. 22 (h) shows the case where the vibration time t = 105min, and FIG. 22 (i) shows the case where the vibration time t = 120min. The hysteresis of the colloidal damper 1 is shown.
高圧力計１６で測定したシリンダ２の内部の圧力ｐとピストン４の断面積との掛け算で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドのみの影響を、ロードセル３６で得られた荷重（負の減衰力）はコロイドと共に働く摩擦の影響を表している。加振時間の経過に対して一定の最大ピストンストロークＳmax＝５６±０．０７ｍｍ、一定の作動周波数ｆ＝０．７±０．００５Ｈｚが得られたが、図２１および図２２に示すようにコロイダルダンパー１のヒステリシスの形状変化が見られた。そこで、簡便のため、様々な加振時間において、高圧力計１６で得られたヒステリシス、つまり、コロイドのみの影響を図２３に示し、ロードセル３６で得られたヒステリシス、つまり、コロイドと共に働く摩擦の影響を図２４に示した。 The load (negative damping force) obtained by multiplying the internal pressure p of the cylinder 2 measured by the high pressure gauge 16 and the cross-sectional area of the piston 4 is influenced only by the colloid, and the load obtained by the load cell 36 (negative (Damping force) represents the effect of friction working with the colloid. A constant maximum piston stroke S max = 56 ± 0.07 mm and a constant operating frequency f = 0.7 ± 0.005 Hz were obtained with the lapse of the excitation time. As shown in FIGS. A change in the shape of the hysteresis of the colloidal damper 1 was observed. Therefore, for the sake of simplicity, the hysteresis obtained by the high pressure gauge 16 at various excitation times, that is, the influence of only the colloid is shown in FIG. 23, and the hysteresis obtained by the load cell 36, that is, the friction that works with the colloid. The effect is shown in FIG.
図２３および図２４によれば、加振時間経過に対するヒステリシスの形状は、（１）最大作動圧力の変化、（２）低圧領域では段差の発生、（３）多孔質体８（シリカゲル）の細孔８ａに液体７（水）が吸着時の段差に関する右ずれ、といった変化が見られた。最大作動圧力の変化をさらに明らかにするために、図２５に最大作動圧力と加振時間との関係グラフを示した。図２３〜図２５より、０−２０ｍｉｎの範囲内に最大作動圧力が増加するが、その後、単調的に減少することが見られる。原因として、加振実験ではコロイダルダンパー１の加熱が起こり、温度上昇に対して液体７（水）の膨張挙動と金属部分（シリンダ２、補助容器５、高圧力計１６に使用する継ぎ手等）の膨張挙動が異なることが考えられる。 According to FIGS. 23 and 24, the shape of the hysteresis with respect to the passage of vibration time is as follows: (1) change in maximum operating pressure, (2) generation of a step in the low pressure region, (3) fineness of porous body 8 (silica gel). There was a change in the hole 8a such that the liquid 7 (water) was shifted to the right with respect to the level difference during adsorption. In order to further clarify the change in the maximum operating pressure, FIG. 25 shows a relationship graph between the maximum operating pressure and the vibration time. 23 to 25, it can be seen that the maximum operating pressure increases within the range of 0-20 min, but then decreases monotonically. As a cause, in the vibration experiment, the colloidal damper 1 is heated, and the expansion behavior of the liquid 7 (water) and the metal parts (cylinder 2, auxiliary container 5, joint used for the high pressure gauge 16) and the like with respect to the temperature rise. It is conceivable that the expansion behavior is different.
体積変化ΔＴ＝Ｖ0αΔＴ（αは体積膨張係数である。）は、温度変動ΔＴおよび初期体積Ｖ0に比例する。そこで、０−２０ｍｉｎの範囲内に起こる現象を検討してみると、コロイドの初期体積が小さいが、コロイドの温度上昇速度が速い。水の高い温度変動の影響で、水の膨張速度が金属部品の膨張速度より高くなると考えられる。その結果、最大作動圧力が増加する。２０−１２０ｍｉｎの範囲内には、金属部品の高い初期体積の影響で、水の膨張速度が金属部品の膨張速度より低くなると考えられる。その結果、最大作動圧力が単調的に減少する。上記ヒステリシスの形状変化の（３）もこのような体積変化につながると考えられる。例えば、２０−１２０ｍｉｎの範囲内には、シリンダ２および補助容器５にある密閉空間３の体積が液体７（水）およびコロイド溶液の体積より大きくなるので、多孔質体８（シリカゲル）の細孔８ａに液体７（水）が吸着できるまで無駄なストロークが長くなると考えられる。ヒステリシスの形状変化の（２）の原因は、多孔質体８（シリカゲルの粒子）でフィルタ６の細孔が詰まって、低圧領域では段差が発生していったと考えられる。 Volume change ΔT = V 0 αΔT (α is a volume expansion coefficient) is proportional to temperature fluctuation ΔT and initial volume V 0 . Therefore, when the phenomenon occurring in the range of 0-20 min is examined, the initial volume of the colloid is small, but the temperature rise rate of the colloid is fast. It is considered that the expansion rate of water becomes higher than the expansion rate of metal parts due to the influence of high temperature fluctuation of water. As a result, the maximum operating pressure increases. Within the range of 20-120 min, the expansion rate of water is considered to be lower than the expansion rate of the metal part due to the high initial volume of the metal part. As a result, the maximum operating pressure decreases monotonically. The shape change (3) of the hysteresis is also considered to lead to such a volume change. For example, since the volume of the sealed space 3 in the cylinder 2 and the auxiliary container 5 is larger than the volume of the liquid 7 (water) and the colloidal solution within the range of 20 to 120 min, the pores of the porous body 8 (silica gel) It is considered that the useless stroke becomes longer until the liquid 7 (water) can be adsorbed to 8a. It is considered that the cause of the change in the shape of the hysteresis (2) is that the pores of the filter 6 are clogged with the porous body 8 (silica gel particles) and a step is generated in the low pressure region.
図２６（ａ）は加振時間経過に対する部分散逸エネルギー（コロイドによる散逸：Ｅc）、および全体散逸エネルギー（コロイドによる散逸：Ｅc足す摩擦による散逸：Ｅf）の変化を示している。コロイダルダンパー１のヒステリシスの形状は大幅に変化したが、部分散逸エネルギーと共に全体散逸エネルギーが、特に４５−１２０ｍｉｎの範囲内に、ほとんど変動しないことが分かる。また、部分散逸エネルギーのグラフを縦軸に対して滑らせると、全体散逸エネルギーのグラフにほぼ重なるので、思ったように摩擦による散逸が加振時間経過に対してほぼ変動しないことが分かる。このような特徴は、図２６（ｂ）で、さらに確認できる。図２６（ｂ）は加振時間経過に対する無次元化散逸エネルギーの変化を示している。コロイドによる無次元化散逸エネルギーＥc／Ｅtが８１．５−８４．４％の範囲内、摩擦による無次元化散逸エネルギーＥf／Ｅtが１８．５−１５．６％の範囲内で変動した。 FIG. 26A shows changes in the partial dispersion energy (dissipation by colloid: E c ) and the total dissipation energy (dissipation by colloid: E c, dissipation due to friction added: E f ) with the lapse of excitation time. Although the shape of the hysteresis of the colloidal damper 1 has changed significantly, it can be seen that the total dissipated energy as well as the partial dissipated energy hardly fluctuate, especially in the range of 45-120 min. Further, when the graph of partial dispersion energy is slid with respect to the vertical axis, it almost overlaps with the graph of overall dissipation energy, so that it can be seen that the dissipation due to friction does not substantially change with the passage of the excitation time as expected. Such a feature can be further confirmed in FIG. FIG. 26 (b) shows the change of the non-dimensionalized dissipative energy with the lapse of excitation time. Non-dimensionalized dissipative energy E c / E t due to colloid is within the range of 81.5-84.4%, and non-dimensional dissipative energy E f / E t due to friction is within the range of 18.5 to 15.6%. It fluctuated.
次に、本実施例の加振装置２０と従来の加振装置（比較例１（エアブロー装置および空気圧縮機を用いた電磁加振機）および比較例２（歯車油圧ポンプを用いた電動油圧加振機））との性能比較を行った。 Next, the vibration device 20 of the present embodiment and a conventional vibration device (Comparative Example 1 (electromagnetic vibration device using an air blower and an air compressor)) and Comparative Example 2 (electric hydraulic vibration using a gear hydraulic pump). We compared the performance with that of the shaking machine)).
図２７は電動油圧加振機（比較例２）にコロイダルダンパー１を装着した状態を示す断面図である。図２７に示すように、この試験装置は、コロイダルダンパー１のピストン４に圧力を加えるための低圧力シリンダ１８と、低圧力シリンダ１８を動作させるための油圧装置（手動ポンプおよび電動ポンプ）を、切替弁（図示せず。）を介してそれぞれに並列に接続する油圧装置用上ソケット１９ａおよび油圧装置用下ソケット１９ｂとを備える。 FIG. 27 is a cross-sectional view showing a state where the colloidal damper 1 is mounted on the electrohydraulic vibrator (Comparative Example 2). As shown in FIG. 27, this test apparatus includes a low pressure cylinder 18 for applying pressure to the piston 4 of the colloidal damper 1, and a hydraulic device (manual pump and electric pump) for operating the low pressure cylinder 18. A hydraulic device upper socket 19a and a hydraulic device lower socket 19b are connected in parallel to each other via a switching valve (not shown).
なお、このコロイダルダンパー１のピストン４の直径Ｄは２０ｍｍ、密閉空間３内の最大許容圧力は１２０ＭＰａである。また、低圧力シリンダ１８は、手動ポンプ１９ｃまたは電動ポンプ１９ｄのポンプ圧力の油圧アンプである。低圧力シリンダ１８の直径Ｄhaは８０ｍｍであるため、ポンプ圧力の倍率は（Ｄha／Ｄ）2＝１６となる。この試験装置では、手動ポンプ１９ｃを使用して、ピストン４の低速度（１０ｍｍ／ｓ以下）で静的試験を行うことができる。また、電動ポンプ１９ｄを使用して１０Ｈｚの周波数まで、つまり０．４ｍ／ｓの速度まで動的試験を行うことができる。なお、この試験装置では、ピストン４のデッドストロークを防ぐために、密閉空間３を初期的に加圧した後に、与えられた最大圧力の下での動的試験を行った。 The diameter D of the piston 4 of the colloidal damper 1 is 20 mm, and the maximum allowable pressure in the sealed space 3 is 120 MPa. The low pressure cylinder 18 is a hydraulic amplifier for the pump pressure of the manual pump 19c or the electric pump 19d. Since the diameter D ha of the low pressure cylinder 18 is 80 mm, the magnification of the pump pressure is (D ha / D) 2 = 16. In this test apparatus, it is possible to perform a static test at a low speed (10 mm / s or less) of the piston 4 using the manual pump 19c. Further, the dynamic test can be performed up to a frequency of 10 Hz, that is, a speed of 0.4 m / s using the electric pump 19d. In this test apparatus, in order to prevent the dead stroke of the piston 4, the sealed space 3 was initially pressurized, and then a dynamic test was performed under a given maximum pressure.
図２８は大型電磁加振機（比較例１）にコロイダルダンパー１を装着した状態を示す平面図、図２９は正面図である。この試験装置では、図２７の低圧力シリンダ１８に代えて大型電磁加振機８０を使用する。大型電磁加振機８０は、地面８１にエア振動絶縁装置８２を介して立設された左支持部８３ａおよび右支持部８３ｂに対して水平方向の回転軸８４回りに回転可能に支持されたものである。コロイダルダンパー１は、左支持部８３ａおよび右支持部８３ｂ上に架け渡されたテーブル８５上にシリンダ２が固定され、ピストン４が大型電磁加振機８０の頭部に連結されている。 FIG. 28 is a plan view showing a state in which the colloidal damper 1 is mounted on a large electromagnetic vibrator (Comparative Example 1), and FIG. 29 is a front view. In this test apparatus, a large electromagnetic exciter 80 is used instead of the low pressure cylinder 18 of FIG. The large electromagnetic exciter 80 is supported by a left support part 83a and a right support part 83b which are erected on the ground 81 via an air vibration isolator 82 so as to be rotatable around a horizontal rotation shaft 84. It is. In the colloidal damper 1, the cylinder 2 is fixed on a table 85 spanned on the left support portion 83 a and the right support portion 83 b, and the piston 4 is connected to the head of the large electromagnetic exciter 80.
表１は、本実施例の加振装置２０（ボールねじ加振機）、比較例１の電磁加振機および比較例２の電動油圧加振機の性能比較の結果を示している。なお、騒音レベルの測定距離は１ｍとした。ｄＢ（Ａ）とは、騒音レベルのデシベル単位ｄＢにＡタイプの周波数重みフィルタをかけたものである。このような周波数重みフィルタを使用すると、低周波数域および高周波数域では人間の耳の周波数感度に合わせて騒音レベルのデシベル単位ｄＢが補正される。 Table 1 shows the results of performance comparison of the vibration device 20 (ball screw shaker) of this example, the electromagnetic shaker of Comparative Example 1, and the electrohydraulic shaker of Comparative Example 2. The measurement distance of the noise level was 1 m. dB (A) is obtained by applying an A type frequency weighting filter to a decibel unit dB of the noise level. When such a frequency weighting filter is used, the decibel unit dB of the noise level is corrected in accordance with the frequency sensitivity of the human ear in the low frequency range and the high frequency range.
表１の結果から、本実施例の加振装置２０（ボールねじ加振機）が最も騒音レベルが低く、安価であることが分かる。また、最大ストロークに関する誤差も小さく、初期位置の精密な調整が可能であることが分かる。 From the results in Table 1, it can be seen that the vibration device 20 (ball screw shaker) of this example has the lowest noise level and is inexpensive. It can also be seen that the error relating to the maximum stroke is small, and that the initial position can be precisely adjusted.
本発明の加振装置は、コロイダルダンパーその他のダンパー等の懸架装置などの機械や構造物等の加振対象物を加振させる装置として有用である。 The vibration device of the present invention is useful as a device for vibrating a vibration target such as a machine or a structure such as a suspension device such as a colloidal damper or another damper.
１ コロイダルダンパー
２ シリンダ
３ 密閉空間
４ ピストン
５ 補助容器
６ フィルタ
６ａ 銅製ガスケット
７ 液体
８ 多孔質体
８ａ 細孔
８ｂ 中空部
８ｃ 多孔質体の外面
８ｄ 多孔質体の細孔の内面
８ｅ 多孔質体の中空部の内面
９ 摺動部
１０ 往復動用パッキン
１１ バックアップリング
１２ 固定具
１３ Ｏリング
１４ メタル製リング
１５ ダストシール
１６ 高圧力計
１７ 熱電対
１８ 低圧力シリンダ
１９ａ 油圧装置用上ソケット
１９ｂ 油圧装置用下ソケット
１９ｃ 手動ポンプ
１９ｄ 電動ポンプ
２０ 加振装置
３０ ボールねじアクチュエーター
３１ モーター
３２ ボールねじ機構
３３ ベルト歯車
３４ ロッド
３５ リミットスイッチ接触用継手
３６ ロードセル
４０ 制御装置
６０ 土台
６１ａ，６１ｂ 機械式リミットスイッチ
６２ 変位計
７０，７２，７４，７５ 加振対象物
７１，７３ 土台
８０ 大型電磁加振機
８１ 地面
８２ エア振動絶縁装置
８３ａ 左支持部
８３ｂ 右支持部
８４ 回転軸
８５ テーブル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Colloidal damper 2 Cylinder 3 Sealed space 4 Piston 5 Auxiliary container 6 Filter 6a Copper gasket 7 Liquid 8 Porous body 8a Pore 8b Hollow part 8c Porous body outer surface 8d Porous body pore inner surface 8e Porous body Inner surface of hollow portion 9 Sliding portion 10 Packing for reciprocating motion 11 Backup ring 12 Fixing tool 13 O-ring 14 Metal ring 15 Dust seal 16 High pressure gauge 17 Thermocouple 18 Low pressure cylinder 19a Upper socket for hydraulic device 19b Lower socket for hydraulic device 19c Manual pump 19d Electric pump 20 Excitation device 30 Ball screw actuator 31 Motor 32 Ball screw mechanism 33 Belt gear 34 Rod 35 Limit switch contact joint 36 Load cell 40 Controller 60 Base 61a, 61b Mechanical limit switch 62 displacement meter 70,72,74,75 vibrating object 71, 73 base 80 large electromagnetic vibrator 81 ground 82 air vibration isolators 83a left support portion 83b right support portion 84 rotating shaft 85 table
Claims (2)
前記モーターを制御する制御装置であり、設定された周期およびストロークで前記ロッドが往復運動するように前記モーターを正転および逆転させる制御装置と
を有する加振装置。 A ball screw actuator that converts the rotational motion of the motor into a linear motion of the rod, and a ball screw actuator in which an object to be vibrated is connected to the tip of the rod;
A vibration control device that controls the motor and has a control device that rotates the motor forward and backward so that the rod reciprocates at a set cycle and stroke.
前記制御装置は、前記機械式リミットスイッチにより前記ロッドの先端部が設定された位置に到達したことが検出されると前記モーターを停止させるものである
請求項１記載の加振装置。 Furthermore, it has a mechanical limit switch that detects that the tip of the rod has reached a set position,
The vibration control device according to claim 1, wherein the control device stops the motor when it is detected by the mechanical limit switch that the tip of the rod has reached a set position.
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