JP2022010541A - 球面継手、加振装置および振動試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法を抑えながら大きな負荷容量を持つ球面継手を得る。【解決手段】球面継手２０は、軸４を備える内輪１と、内輪１を内包する外輪２とを備え、外輪２は、内輪１と摺動する円環状摺動部５と、内輪１の軸４が貫通するように形成された開口部３とを有し、円環状摺動部５に潤滑油が供給される。軸４の中心線５１を含む断面において、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの軸方向径Ｄ２ａと、内輪１の外周段面を近似する楕円Ｂの軸方向径Ｄ１ａとの差が、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの軸垂直方向径Ｄ２ｒと、内輪１の外周段面を近似する楕円Ｂの軸垂直方向径Ｄ１ｒとの差よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、球面継手、加振装置および振動試験機に関する。

多次元の方向に加振する振動試験機においては、例えば油圧アクチュエータによる一次元方向の運動が多次元方向の運動に変換される。このため、振動試験機においては、複数の方向に傾動自在な継手が用いられる。複数の方向に傾動自在な継手構造（多自由度の継手構造）としては、１方向に傾動する軸受を直交させて配置するスイベル継手構造や、球面の凹部に球面の凸部を摺動可能に組み合せる球面継手構造のものなどがある。

スイベル継手構造のものは、回転ジョイントの組み合わせによって多自由度を得るものであるため、構造が複雑で大型化する。

そこで、振動試験機においては、球面継手構造のものが多く使用されている。球面継手構造のものにおいては、摺動性を良好に保ちながら、加振性能を損なわないように、外輪と内輪との接触面の剛性を高くするため、摺動面を静圧軸受式の構造とした静圧軸受式の球面継手とすることがある。この種の従来技術としては、特許第３３８８９７３号公報（特許文献１）に記載のものなどがある。

特許第３３８８９７３号公報

上記特許文献１に記載の球面継手のものでは、内輪または外輪の一方に複数の油溝が１８０°対向する位置に形成され、また各油溝にそれぞれ連通する給油孔が内外輪の一方を支持する支持部材に設けられている。球面継手の負荷容量は、対応する位置の前記油溝に供給される潤滑油の圧力により影響されるが、この圧力を適正なものにする手段については配慮されていない。このため、特許文献１に記載の球面継手は、同じ外形寸法で大きな負荷容量を必ずしも得られないという課題がある。
本発明の目的は、外形寸法を抑えながら大きな負荷容量を持つ球面継手を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、軸を備える内輪と、前記内輪を内包する外輪と、を備え、前記外輪は、前記内輪と摺動する円環状摺動部と、前記内輪の軸が貫通するように形成された開口部と、を有し、前記軸の中心線を含む断面において、前記外輪の内周断面を近似する楕円の前記中心線に沿う方向の径と、前記内輪の外周段面を近似する楕円の前記中心線に沿う方向の径との差が、前記外輪の内周断面を近似する楕円の前記中心線に垂直な方向の径と、前記内輪の外周段面を近似する楕円の前記中心線に垂直な方向の径との差よりも大きく、前記円環状摺動部に潤滑油が供給される、球面継手である。

本発明によれば、外形寸法を抑えながら大きな負荷容量を持つ球面継手を得ることができる効果が得られる。
また、本発明の加振装置や振動試験機によれば、球面継手の部分を小型化することにより、装置全体を小型化できる効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る球面継手を示す概略断面図。 変形例に係る球面継手を示す概略断面図。 本実施形態の球面継手において内輪にかかる力を示す図。 本実施形態の球面継手において内輪にかかる力と負荷容量との関係を示す図。 変形例に係る球面継手を示す概略断面図。 本実施形態の球面継手を振動試験機に適用した例を示す概略平面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

本発明の球面継手の一実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る球面継手２０の概略構成を示す断面図である。本実施形態の球面継手２０は、例えば、地震を模擬する振動試験機用の加振装置等に好適なものである。

本実施形態の球面継手２０は静圧軸受式の球面継手（球面連結継手）である。
図１に示すように、球面継手２０は、球形の内輪１とその周りに配設した略球形の内面を持つ外輪２とを有している。内輪１には、外輪２に設けられた開口部３を通して軸４が接続されている。外輪２の内周面には、軸４の中心線５１に垂直で内輪１の中心を通る平面５２を挟んで対向する一対の円環状摺動部５（５ａ，５ｂ）が設けられている。したがって、球面継手２０は、複数方向に傾動自在な多自由度の継手構造となっている。

円環状摺動部５ａ，５ｂの部分には、それぞれ複数の給油溝６（６ａ，６ｂ）が設けられている。給油溝６ａ，６ｂには、それぞれ、油ポンプ１１から給油配管１２（１２ａ，１２ｂ）を介して、高圧の潤滑油（以下、単に「油」と言うこともある）が供給される。

また、外輪２に形成されている開口部３は、カバー７により外部と遮断されており、内輪１とカバー７との間には円環状排油溜り８が形成されている。更に、開口部３側の円環状排油溜り８と内輪１を挟んで反対側には円形状排油溜り９が形成されている。円形状排油溜り９は、円環状摺動部５ａの内周側の内輪１と外輪２との間に形成されている。

本実施形態においては、円環状排油溜り８と円形状排油溜り９とを連通するように、外輪２内に通油路１０が形成されている。なお、通油路１０は、複数本あってもよい。また、円環状摺動部５ａおよび５ｂへ供給され、それぞれの中間に漏出した油を円形状排油溜り９側に流出させるために、外輪２内の図４中の下部には排油路１３が形成されている。円形状排油溜り９内の油は、排油出口１４からドレン配管１５を介して、油タンク１６に戻される。

なお、外輪２内に通油路１０が形成されるのに代えて、内輪１内に通油路が形成されてもよい。図２は、変形例に係る球面継手２０ａを示す概略断面図である。図２に示す変形例では、円環状排油溜り８と円形状排油溜り９とを連通するように、内輪１および軸４内に、それぞれ通油路１０ａ，１０ｂが形成されている。

図１に示すように、油ポンプ１１からの高圧の潤滑油は、給油溝６ａ，６ｂに到達した後、円環状摺動部５ａ，５ｂに供給される。これらの円環状摺動部５ａ，５ｂでは、潤滑油の圧力によって、内輪１と外輪２とは非接触となる。このため、軸４は、開口部３の範囲で、自由な角度に傾動することが可能となり、球面継手としての機能を実現することができる。

ここで、軸４の中心線５１を含む平面で切断した場合の断面において、外輪２の内周断面を近似する楕円をＡ、内輪１の内周断面を近似する楕円をＢとする。なお、円は、楕円の長径と短径が同じ場合であり、楕円に含まれるものとする。

また、楕円Ａの軸方向径（軸４の中心線５１に沿う方向の径）をＤ２ａ、楕円Ｂの軸方向径をＤ１ａ、楕円Ａの軸垂直方向径（軸４の中心線５１に垂直な方向の径）をＤ２ｒ、楕円Ｂの軸垂直方向径をＤ１ｒとする。このとき、本実施形態では、（Ｄ２ａ－Ｄ１ａ）＞（Ｄ２ｒ－Ｄ１ｒ）となるように構成されている。すなわち、楕円Ａおよび楕円Ｂの軸方向径の差が、軸垂直方向径の差よりも大きくなるように構成されている。

このように構成することにより、内輪１に対して軸方向（軸４の中心線５１に沿う方向）に荷重Ｆｏ（図３参照）が負荷されたときの球面継手２０の負荷容量を高めることが可能となる。一般に、球面継手の負荷容量を高めるには、球面継手を大型化すればよいが、本実施形態によれば、球面継手を大型化することなく、負荷容量を高めることができるため、小型でありながら負荷容量の大きな球面継手を実現可能である。

球面継手２０の負荷容量について、図３および図４を用いて説明する。

図３には、内輪１にかかる力を示している。内輪１の中心を通り、軸４の中心線５１に垂直な線を線２２、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの中心を通り、軸４の中心線５１に垂直な線を線２３とする。線２２と線２３との距離を内輪変位δとする。内輪変位δは、線２３よりも線２２が図３の紙面の右にある場合に正符号を付けて表すものとする。図２は、内輪変位δの符号が負の場合を示したものである。このとき、内輪１は円環状摺動部５ａに近づくため、給油溝６ａ内の潤滑油の圧力は上昇する。一方で、内輪１は円環状摺動部５ｂに対しては離れるため、給油溝６ｂ内の潤滑油の圧力は低下する。円環状摺動部５ａの潤滑油圧力を積分した力をＦａとし、円環状摺動部５ｂの潤滑油圧力を積分した力をＦｂとする。内輪１に働く力Ｆは、ＦａとＦｂの合力となる。

図４は、内輪１にかかる力と負荷容量との関係を示している。同図の横軸は、図３に示した内輪変位δである。図４に細い実線で示した曲線は、内輪１と外輪２の軸方向の半径すきまＧａ（図１参照）が？である場合の油膜反力ＦａおよびＦｂを示している。油膜反力は、図３において右側に向いている場合を正としているため、Ｆａは正の値をとり、Ｆｂは負の値をとる。ＦａおよびＦｂのどちらも、内輪１が外輪２に近づくとその絶対値が大きくなるため、図４中では右下がりとなる。内輪１に働く合成油膜反力である力Ｆは、ＦａとＦｂを足し合わせたものであり、これも右下がりの曲線となる。このとき、Ｆの最大値と最小値との差をＷとすると、（Ｗ／２）が球面継手２０の負荷容量を示す。

図４には、軸方向の半径すきまＧａ（図１参照）が、？よりも小さく、軸垂直方向（軸４の中心線５１に垂直な方向）の半径すきまＧｒ（図１参照）と同じ？１の場合のＦ１、Ｆ１ａおよびＦ１ｂを点線で示している。内輪１が円環状摺動部５ａに最も近づいたときの油膜反力は軸方向の半径すきまＧａに関わらず同じであるため、Ｆ１ａの最大値はＦａの最大値と同じとなっている。一方、内輪１が円環状摺動部５ａから最も離れたときは、軸方向の半径すきまＧａが小さいほうが油膜反力が大きくなる。Ｆ１ｂとＦｂの関係も、Ｆ１ａおよびＦａとは符号が反転するが、同様である。したがって、Ｆ１の最大値および最小値の絶対値は、それぞれ、Ｆの最大値および最小値の絶対値よりも小さくなるため、負荷容量（Ｗ１／２）は、（Ｗ／２）よりも小さくなる。以上のように、負荷容量を大きくするためには、軸方向の半径すきまＧａは大きくしたほうが良い。なお、ここで示した関係が成り立つのは、軸方向の半径すきまＧａが内輪１の半径の概ね０．５／１０００倍の場合である。これは、軸方向の半径すきまＧａをあまり大きくすると理論上負荷容量が低下してしまうためである。

なお、図１に示すように、外輪２の内周断面は、必ずしも厳密な楕円でなくとも良く、軸４の中心線５１に垂直な平面５２で分断された２つの半円と、それらの端部同士をつなぐ直線からなる形状であってもよい。この場合、外輪２の内周断面は、いわゆる長円（トラック形状）を呈するが、外輪２の内周断面を近似する楕円として捉えることができる。これは、外輪２の内周断面が真円となるように外輪２を加工しておき、２分割された外輪２の合わせ面にシム等の板材を挟んでボルト等で２分割された外輪２を締結することにより実現可能である。したがって、製造が容易になるとともに、軸方向の半径すきまＧａが調整可能となる。

図５は、変形例に係る球面継手２０ｂを示す概略断面図である。図５に示すように、外輪２における中心線５１に垂直となる外壁面１８ａ，１８ｂは、中心線５１に向かうほど内輪１の方向に入り込むように形成された窪み部１７ａ，１７ｂを有している。外壁面１８ａ，１８ｂは、軸４の中心線５１に垂直で内輪１の中心を通る平面５２を挟んで対向してそれぞれ設けられている。窪み部１７ａは、開口部３とは反対側に位置する外壁面１８ａに、円錐面を持つ凹状に形成されている。窪み部１７ｂは、開口部３のある外壁面１８ｂに、開口部３の周囲に円錐面を持つ面取り形状に形成されている。このようにして、円環状排油溜り８や円形状排油溜り９に接し、円環状摺動部５ａ，５ｂの背面に当たる部分の外輪２に、窪み部１７ａ，１７ｂが設けられている。これにより、内輪１が円環状摺動部５ａまたは円環状摺動部５ｂに近づいた場合には、油膜力により押されることで外輪２が弾性変形する。このため、実質的に外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの軸方向径（軸４の中心線５１に沿う方向の径）が大きくなる。したがって、図５に示すように窪み部１７ａ，１７ｂを設けた場合、楕円Ａの軸方向径Ｄ２ａ（図１参照）は、外輪２の弾性変形分を考慮して設定する必要がある。なお、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａにおいて、図５では軸方向径Ｄ２ａは軸垂直方向径Ｄ２ｒよりも大きいが、外輪２の弾性変形分を調整することで軸方向径Ｄ２ａを軸垂直方向径Ｄ２ｒに等しい円としてもよい。

ところで、内輪１の外周面と、外輪２の内周面とを、それぞれ真球面にて構成した場合には、軸方向（軸４の中心線５１に沿う方向）のすきまを変えることは、同時に軸垂直方向（軸４の中心線５１に垂直な方向）のすきまも変えることになる。しかしながら、軸垂直方向のすきまを大きくすることは、摺動部から潤滑油が漏出しやすくなるため、給油量が増えるというデメリットがある。これに対し、本実施形態では、軸４の中心線５１を含む断面において、外輪２の内周断面を近似する楕円をＡ、内輪１の外周断面を近似する楕円をＢとしたときに、ＡおよびＢの軸方向径の差が、軸垂直方向径の差よりも大きくなるように構成されている。このため、軸方向のすきまは、軸垂直方向のすきまとは独立して変えることができる。したがって、軸方向のすきまを広げて負荷容量を増加させながら、給油量を抑えることが可能となる。

前記したように、本実施形態に係る球面継手２０，２０ａ，２０ｂは、軸４を備える内輪１と、内輪１を内包する外輪２とを備え、外輪２は、内輪１と摺動する円環状摺動部５と、内輪１の軸４が貫通するように形成された開口部３とを有し、円環状摺動部５に潤滑油が供給される。そして、軸４の中心線５１を含む断面において、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの軸方向径Ｄ２ａと、内輪１の外周段面を近似する楕円Ｂの軸方向径Ｄ１ａとの差が、外輪２の内周断面を近似する楕円Ａの軸垂直方向径Ｄ２ｒと、内輪１の外周段面を近似する楕円Ｂの軸垂直方向径Ｄ１ｒとの差よりも大きい。
このような本実施形態によれば、小型かつ給油量を抑えながら負荷容量の大きな球面継手を実現することができる。

図６は、本実施形態の球面継手２０，２０ａ，２０ｂを振動試験機４０に適用した例を示す概略平面図である。
図６には、上述した実施形態に示すような球面継手２０，２０ａ，２０ｂを加振装置３０Ａ，３０Ｂの球面継手２０Ａ，２０Ｂに適用し、該加振装置３０Ａ，３０Ｂを振動試験機４０に適用した例が示されている。この図４において、図１～図５と同一符号を付した部分は、前記実施形態と同様の部分を示しており、図６に示す振動試験機４０の説明においては、前記実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図６は、地震等を模擬する振動試験機４０を示す図であり、加振装置３０Ａ，３０Ｂの部分のみ、図１と同様に断面で示している。
加振装置３０Ａ，３０Ｂは、二つの球面継手２０Ａ，２０Ｂと、これらの球面継手２０Ａ，２０Ｂの内輪１同士を接続する加振ロッド３１と、球面継手２０Ａ，２０Ｂの一方（この例では球面継手２０Ｂ）に接続された加振機３２とを備えている。球面継手２０Ａ，２０Ｂとしては、前記実施形態の球面継手２０，２０ａ，２０ｂが適用されている。加振ロッド３１は、内輪１に接続された軸４（図１参照）を構成している。加振機３２は、加振装置３０Ａ，３０Ｂが作動した時に発生する反力を受ける反力壁３３に固定されている。これにより、前記実施形態の球面継手２０，２０ａ，２０ｂを利用して加振ロッド３１の軸方向に加振する加振装置３０Ａ，３０Ｂを実現できる。

図６に示すように、加振装置３０Ａ，３０Ｂが、振動試験機４０のテーブル（振動テーブル）４１の直交する２側面に２台ずつの組となって設けられている。図６に示す加振装置３０Ａで加振される方向はＸ方向（一方の水平方向）であり、加振装置３０Ｂで加振される方向はＹ方向（他方の水平方向）である。更に、図示してはいないが、テーブル４１の下面には、該テーブル４１を鉛直方向（図６の紙面に直交する方向）に加振する加振装置も設けられている。すなわち、振動試験機４０には、テーブル４１をＸ方向、Ｙ方向及び鉛直方向（Ｚ方向）にそれぞれ加振する加振装置が備えられている。加振装置の一端側は側壁や基礎部などの反力壁３３に固定されており、他端側はテーブル４１の側面及び下面に取り付けられている。また、試験対象物は、テーブル４１上に載置されて加振される。これにより、テーブル４１を三次元の方向に加振する振動試験を行うことができる。

このように、テーブル４１を加振する加振装置３０Ａ，３０Ｂに、上述した実施例１の球面継手２０を採用することにより、地震等を模擬する三次元の振動試験機４０の小型化を実現することができる。また、多数設けられる加振装置３０Ａ，３０Ｂにおける二つの球面継手２０Ａ，２０Ｂへ給油される油量を少なくすることができる。したがって、振動試験機４０における給油のためのポンプやオイルクーラなどの補機を大幅に簡素化できる効果も得られる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した振動試験機４０の実施形態では三次元の振動試験機である場合について説明したが、本発明は、三次元の振動試験機に限らず、二次元または一次元の振動試験機等にも同様に適用できるものである。これにより、テーブル４１を二次元または一次元の方向に加振する振動試験を行うことができる。

また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。更に、上記した実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１ 内輪
２ 外輪
３ 開口部
４ 軸
５１ 中心線
５２ 平面
５ 円環状摺動部
５ａ 円環状摺動部
５ｂ 円環状摺動部
１８ａ，１８ｂ 外壁面
１７ａ，１７ｂ 窪み部
２０，２０ａ，２０ｂ 球面継手
２０Ａ，２０Ｂ 球面継手
３０Ａ，３０Ｂ 加振装置
３１ 加振ロッド（軸）
３２ 加振機
４０ 振動試験機
４１ テーブル
Ａ，Ｂ 楕円
Ｄ１ａ 楕円Ｂの軸方向径（中心線に沿う方向の径）
Ｄ２ａ 楕円Ａの軸方向径（中心線に沿う方向の径）
Ｄ１ｒ 楕円Ｂの軸垂直方向径（中心線に垂直な方向の径）
Ｄ２ｒ 楕円Ａ軸垂直方向径（中心線に垂直な方向の径）

Claims (6)

1. 軸を備える内輪と、
   前記内輪を内包する外輪と、を備え、
   前記外輪は、前記内輪と摺動する円環状摺動部と、前記内輪の軸が貫通するように形成された開口部と、を有し、
   前記軸の中心線を含む断面において、前記外輪の内周断面を近似する楕円の前記中心線に沿う方向の径と、前記内輪の外周段面を近似する楕円の前記中心線に沿う方向の径との差が、前記外輪の内周断面を近似する楕円の前記中心線に垂直な方向の径と、前記内輪の外周段面を近似する楕円の前記中心線に垂直な方向の径との差よりも大きく、
   前記円環状摺動部に潤滑油が供給される、球面継手。
2. 請求項１に記載の球面継手であって、
   前記外輪の内周断面は、前記中心線に垂直な平面で分断された２つの半円と、２つの前記半円の端部同士を接続する直線とからなることを特徴とする球面継手。
3. 軸を備える内輪と、
   前記内輪を内包する外輪と、を備え、
   前記外輪は、前記内輪と摺動する円環状摺動部と、前記内輪の軸が貫通するように形成された開口部と、を有し、
   前記外輪における前記軸の中心線に垂直となる外壁面は、前記中心線に向かうほど前記内輪の方向に入り込むように形成された窪み部を有しており、
   前記円環状摺動部に潤滑油が供給される、球面継手。
4. 二つの、請求項１～３の何れか一項に記載の球面継手と、
   二つの前記球面継手の前記内輪同士を接続する加振ロッドと、
   二つの前記球面継手の何れか一方に接続された加振機と、を備え、
   前記加振ロッドは、前記軸を構成することを特徴とする加振装置。
5. 請求項４に記載の加振装置と、
   試験対象物を載置するテーブルと、を備え、
   前記加振装置は、前記テーブルを加振することを特徴とする振動試験機。
6. 請求項５に記載の振動試験機であって、
   前記加振装置は、前記テーブルを二次元または三次元の方向に加振することを特徴とする振動試験機。

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