JP2508846Y2

JP2508846Y2 - 学習用振動実験装置

Info

Publication number: JP2508846Y2
Application number: JP2659590U
Authority: JP
Inventors: 英一菊地
Original assignee: 英一菊地
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2005-03-15
Also published as: JPH03117263U

Description

【考案の詳細な説明】産業上の利用分野本考案は、振動工学を学習するに際して使用する振動
実験装置に関するものであり、特に、自動車、鉄道車
両、その他種々の機械における二自由度振動系の、実際
に近い状態での振動の観察が可能な学習用振動実験装置
に関するものである。

従来の技術従来、振動工学を学習するに際して、視覚的に観察
し、理解をより容易とするために、幾つかの学習用振動
実験装置が利用されている。

このような学習用振動実験装置は、上端が支持部材に
支持され、垂直方向に配置されたコイルばねと、ばね下
端に接続された重り（質量）とからなるものであり、手
でコイルばね下端を操作し、振動系に初動を与え、垂直
方向の、即ち、コイルばねの軸線方向に振動を発生せし
めるものである。

この学習用振動実験装置は、一自由度振動理論とばね
定数の理解、或はばね定数の等しい２個のばねによる共
振現象の理解を、目視観察を通じてより容易に行なわん
とするものである。

考案が解決しようとする課題このような従来の学習用振動実験装置は、自動車、鉄
道車両、その他種々の機械における防振手段を構成する
二自由度振動系の振動実験は不可能である。

例えば自動車の防振手段は、一般には第11図（イ）に
図示されるように、空気入りタイヤＴ及び該タイヤＴを
車体本体Ｂに取り付けるサスペンション機構Ｓとからな
る。このような構成の防振手段は、全体的に見れば、第
11図（ロ）に図示されるような二自由度の振動系を構成
している。つまり、重量（質量）W₁を有する車体本体Ｂ
は、等価的にコイルばねC₁とされるサスペンション機構
Ｓに接続され、該サスペンション機構ＳはタイヤＴに支
持されるが、該タイヤＴは、等価的にコイルばねC₂と見
なされる。このとき、タイヤＴには、更に、サスペンシ
ョンの重量及びタイヤ自体が有する質量などを加算した
重量（質量）W₂が負荷される。

このような二自由度振動系からなる振動は、極めて複
雑な運動を行うものであり、斯かる振動理論を理解し、
又、固有振動数、振幅或は伝達係数の周波数特性などの
理解を深めるには、目視による観察、更にはデータ測定
などによる考察が好ましい。

従来の上記学習用振動実験装置にて、このような二自
由度系の振動を実現することはできず、従って従来の実
験装置では、このような二自由度系振動の工学的学習及
び実習は不可能である。

従って、本考案の目的は、目視による観察或はデータ
測定などによる考察を容易に行うことができ、二自由度
振動系の振動理論を理解し、又、固有振動数、振幅或は
伝達係数の周波数特性などの理解を深めることができる
学習用振動実験装置を提供することである。

課題を解決するための手段上記目的は本考案に係る学習用振動実験装置にて達成
される。要約すれば本考案は、基台と、該基台に対して
垂直に取り付けられた垂直支持台と、同じ長さの平行リ
ンクにて構成され、一端が枢着手段にて前記垂直支持台
に片持ち態様にて揺動自在に取り付けられた垂直方向に
整列して配置された第１、第２及び第３平行運動機構
と、前記第１、第２及び第３平行運動機構の他端に設け
られた第１、第２及び第３取付台と、前記第１取付台に
着脱自在に載置される第１の重りと、前記第２取付台に
着脱自在に載置される第２の重りと、前記第１取付台と
第２取付台との間に配置される第１コイルばねと、前記
第２取付台と第３取付台との間に配置される第２コイル
ばねと、前記第３取付台を所定の振動数及び振幅にて上
下方向に駆動する加振手段とを具備することを特徴とす
る学習用振動実験装置である。

本考案の好ましい態様によると、前記第２取付台に荷
重検出手段を設け、そして少なくとも前記第１及び第２
平行運動機構に変位検出手段を設け、第１及び第２コイ
ルばねに加わる荷重並びに少なくとも第１及び第２取付
台の変位量を検出するようにし、好ましくは、前記荷重
検出手段及び変位検出手段は電気抵抗線式歪ゲージとさ
れる。

実施例次に、本考案に係る学習用振動実験装置を図面に則し
て更に詳しく説明する。

第１図及び第２図には、本考案に係る学習用振動実験
装置の一実施例が図示される。本実施例において、本考
案に係る学習用振動実験装置１は、例えばアルミニウム
形材などにて形成されたフレームワークからなる基台２
と、該基台２に取り付けられた垂直支持台４とを有す
る。該垂直支持台４も、アルミニウム形材などにて形成
することができる。

本実施例にて、垂直支持台４には、垂直方向に整列し
て且つ互いに平行に配置された第１、第２及び第３平行
運動機構６、８、10が片持ち支持態様にて揺動自在に取
り付けられる。該第１、第２及び第３平行運動機構６、
８、10は、実質的に同じ構造とされるので、第１平行運
動機構６について、第３図〜第５図をも参照してその構
造を説明する。

第１平行運動機構６は、互に平行に配置された同じ長
さとされるリンク6a、6b、6c、6dを有し、各リンク6a〜
6dの一端は、Ｌ型支持アングル12にボルト・ナット或は
リベットなどのような枢着手段14を介して枢動自在に取
り付けられ、又該支持アングル12は垂直支持台４に設け
られた横板部材16に固着される。

又、各リンク6a〜6dの他端は、つまり、上下に平行に
配置されたリンク6a、6bの他端はＬ型の支持アングル18
に、又、リンク6c、6dの他端はＬ型の支持アングル20
に、それぞれボルト・ナット手段22、24を介して枢動自
在に取り付けられる。支持アングル22、24には、詳しく
は後述するが、Ｌ型形状とされるアルミニウム板材にて
形成された第１取付台26が一体に取り付けられる。第１
取付台26の水平支持部材26aには第１の質量（重り）W₁
がボルト・ナット手段50にて着脱自在に取り付けられ
る。

第１平行運動機構６は、このように構成することによ
り、第５図に図示するように、枢着手段14を支点として
平行運動を行うことができ、平行リンク6a〜6dの揺動角
度が小さい範囲においては、第１取付台26は、実質的に
上下方向に直線運動を行うものと見なすことができる。

なお、本実施例においては、第３図に図示するよう
に、平行運動機構６の剛性を増大するために少なくとも
上方の平行リンク6a、6cは、アルミニウム帯材などにて
形成される斜行部材30によって互いに固定される。

上述したように、第２平行運動機構８及び10は、実質
的に前記第１平行運動機構６と同じ構造とされる。つま
り、第２平行運動機構８は、同じ長さの平行に配置され
たリンク8a、8b、8c、8dにて構成され、第１平行運動機
構６と同じように、一端に設けられた枢着手段14を支点
として平行運動を行うことができる。第２平行運動機構
８の他端には第２取付台32が固定されており、平行リン
ク8a〜8dの揺動角度が小さい範囲においては、該取付台
32は実質的に上下方向の直線運動を行うことができる。
ただ、第２平行運動機構８の第２取付台32はアルミニウ
ム板材にてＥ型形状に構成され、３つの水平支持板部材
32a、32b、32cを有し（第１図を参照せよ）、中央の水
平支持部材32bに第２の質量（重り）W₂が保持され、両
端の水平支持部材32a、32cには、後で詳しく説明する
が、ばね受け34、36が取り付けられる。

第３平行運動機構10も又実質的に前記第１平行運動機
構６と同じ構造とされる。つまり、第３平行運動機構10
は、同じ長さの且つ互いに平行に配置されたリンク10
a、10b、10c、10dにて構成され、第１平行運動機構６と
同じように、一端に設けられた枢着手段14を支点として
平行運動を行うことができる。第３平行運動機構10の他
端は第３取付台36が固定されており、平行リンク10a〜1
0dの揺動角度が小さい範囲においては、第３取付台は実
質的に上下方向に直線運動を行うことができる。第３取
付台36は、アルミニウム板材にてＬ型形状とされ、水平
支持部材36aの下面には、後述する加振手段50の連結軸5
8が取り付けられる。

前記第１、第２及び第３平行運動機構６、８、10のリ
ンク長さは同じとすることもできるし、異なるように設
計することも可能である。

第２平行運動機構８の第２取付台32の上側水平支持部
材32aの上面には、第６図及び第７図に図示すようなば
ね受け34が取り付けられる。

該ばね受け34は、本実施例では、板材を概略Ｕ字形状
に折り曲げ、中央部が台形状に突出したばね座部材40を
有する。このばね座部材40は、水平支持部材32aに固着
されたＬ形状アングル42に対してピン44にて揺動自在に
取り付けられる。従って、ばね座部材40は該ピン44を中
心として矢印方向に揺動可能とされる。該ピン44の軸線
方向は、第２平行運動機構８の第２取付台、つまりＬ型
アングル32の基線（折り曲げ線）に対して平行となるよ
うに配置されている。このような構成により、第２取付
台32に対するばね力は、ピン44を介してアングル42へと
伝達され、ばねが多少倒れたとしても、取付台における
力作用位置は変動せず、常に正しい荷重測定が可能とな
る。

又、ばね座部材40の外周部上面には、ばね下端部が好
適に着座し得るように、凹所45が形成される。更に又、
ばね座部材40へのピン44の挿入位置は、ばね着座中心位
置より僅かに内側に、即ち、第１コイルばねC₁の内方へ
と距離（ｅ）だけズレて位置するのが好適である。この
ようにすることにより、ばねの圧縮力に多少偏心があっ
ても、ばね座部材40が安定し、倒れにくくなるという利
点がある。

又、ばね座部材40は、種々のばねを好適に着座し得る
ように、複数個用意し、ピン44を外すことにより取り換
えることができる。

第２取付台32の下側水平支持部材32cの下面には、ば
ね受け34と同じ構成のばね受け36が設けられる。該ばね
受け36は、下側水平支持部材32cの下面に固着されたア
ングル46にピン48を介して揺動自在に取り付けられる。

更に、本考案に従えば、上述したように、第１平行運
動機構６の第１取付台26の水平支持部材26aの上面には
第１の質量W₁が、又、第２平行運動機構８の第２取付台
32の水平支持部材32bの上面には第２の質量W₂が、それ
ぞれボルト・ナット50、52にて着脱自在に取り付けられ
る。これら第１及び第２質量W₁、W₂は所望に応じて任意
の大きさのものとされる。

又、第１平行運動機構６の第１取付台26と、第２平行
運動機構８の第２取付台32、即ち上側水平支持部材32a
との間には第１のコイルばねC₁が、第２平行運動機構８
の第２取付台32の下側水平支持部材32cと、第３平行運
動機構10の第３取付台36、即ち水平支持部材36aとの間
には第２のコイルばねC₂が取り付けられる。このとき、
上述したように、第１コイルばねC₁の下端はばね受け34
に押さえリング34aにて固定され、コイルばねC₁の上端
はばね止め27にて第１取付台26、即ち、水平支持部材26
aの下面に固定される。又、第２コイルばねC₂の上端は
ばね受け36に押さえリング36aにて固定され、第２コイ
ルばねC₂の下端は第３取付台36、即ち水平支持部材36a
の上面にばね止め37にて固定される。これにより、各コ
イルばねC₁、C₂は、特に共振時に、ばね座から浮き上が
り実験装置から外れるのが防止され、正確な振動を実現
し得る。

更に、本考案によれば、第３平行運動機構10の第３取
付台36、即ち水平支持部材36aには、加振手段50が接続
される。加振手段50は、本考案の装置が自動車などの防
振手段を具現化するものである場合には、路面の凹凸に
相当する振動数及び振幅を有した振動源とされる。

加振手段50は、特に第２図を参照すると理解されるよ
うに、本実施例では、駆動モータ52と、偏心円板式半径
可変クランク機構54とを有している。駆動モータ52の回
転力は、連結軸56にて偏心円板式半径可変クランク機構
54に伝達される。該偏心円板式半径可変クランク機構54
の出力は、連結軸58にて第３平行運動機構10に伝達され
る。つまり、連結軸58の一端58aは、該偏心円板式半径
可変クランク機構54のクランクピン59に回転自在に連結
され、連結軸58の他端58bは、第３平行運動機構10の水
平支持部材36aの下面に設けられたＵ字形支持部60にピ
ン62を介して回転自在に接続される。

前記駆動モータ52及び該偏心円板式半径可変クランク
機構54は、基台２の適所に固定される。

第３平行運動機構10に付与される振動数及び振幅は、
駆動モータ52及び偏心円板式半径可変クランク機構54を
調整することにより種々に変更し得る。駆動モータ52と
しては、可変速モータを好適に使用することができ、例
えば基台２に取り付けられた調整つまみ51（第１図）を
操作することによって加振振動数を連続的に変更するこ
とがてきる。又、偏心円板式半径可変クランク機構54
は、二つの円板の位相を変えることによりクランク半径
を段階的に変えることのできる機構であって、当業者に
は周知のものであるので、詳しい説明は省略する。

又、加振手段50としては、上記偏心円板式半径可変ク
ランク機構54以外にも種々の手段を使用し得ることは明
らかである。

上記構成とされる本考案に係る学習用振動実験装置に
よれば、駆動モータが付勢されると、連結軸56を介して
偏心円板式半径可変クランク機構54が駆動され、更に連
結軸58を介して第３平行運動機構10に所定の振動数及び
振幅にて振動が加えられる。

これにより、第３平行運動機構10は、支点14を中心と
して揺動運動を行い第２コイルばねC₂を上下方向に運動
せしめる。

第２コイルばねC₂による振動は、所定の重量（質量）
W₂が負荷されている第２平行運動機構８に、又、第１コ
イルばねC₂を介して、所定の重量（質量）W₁が負荷され
ている第１平行運動機構６に伝達され、二自由度系の振
動が達成される。

本考案によると、第１、第２及び第３平行運動機構
６、８、10は、横揺れなどを行わず、一つの鉛直平面内
にて実質的に直線的な上下運動を確実に行なうことがで
きるので、質量W₁、W₂或はばねC₁、C₂を種々に変え、そ
のときの振動現象の差異を観察することができる。

更に、本考案によれば、このような実験における振動
現象を測定データとして入手することもできる。

つまり、第１図にて理解されるように、第２平行運動
機構の第２取付台32の上側水平支持部材32a及び下側水
平支持部材32cに、好ましくは各水平支持部材32a、32c
の両面にそれぞれ荷重検出手段、本実施例では、電気抵
抗線式歪ゲージ70を貼りつけ、該各水平支持部材32a、3
2cの撓み量から、第１及び第２ばねC₁、C₂に伝わる荷重
を間接的に測定することができる。

このとき、本実施例によれば、上述したように、ばね
受け34、36は、ピン44にて水平支持部材32a、36aに対し
て常に平行となるように揺動されるために、伸縮運動す
るばねの傾きにより悪影響を受けることはなく、ばねの
荷重は正確に水平支持部材32a、32cへと伝達されるとい
う利点がある。

更に、第１図、第３図、第８図及び第９図に図示され
るように、第１、第２及び第３平行運動機構６、８、10
にも、変位検出手段、本実施例では電気抵抗線式歪ゲー
ジ70を取り付け、第１、第２及び第３取付台26、32、36
の変位量を測定することができる。第３取付台36の変位
量は、後述するように、加振手段50の振幅と同じである
ので、省略することもできる。

更に説明すると、本実施例によれば、歪ゲージ70は、
第８図及び第９図に図示すような、例えば燐青銅薄板材
からなるばね板72に取り付けられる。該ばね板72は、そ
の一端72aが垂直支持台４の横板部材16に押さえ板73と
共にボルト・ナット手段74にて取り付けられる。又、ば
ね板72の他端72bは、スリットにより三分割され、その
外側の二つの舌片76aと、内側の一つの舌片76bとはそれ
ぞれ逆向きに山形に折り曲げられ、各舌片の先端湾曲部
が、横板部材78を弾性的に挟持するように構成される。
該横板部材78は、第１平行運動機構６の上側平行リンク
6a、6cの補強用斜行部材30に固定されており、従って、
第１平行運動機構６の上下運動に伴って上下方向に運動
する。

このように、本実施例によれば、横板部材78が第１平
行運動機構６の上下運動に伴って上下方向に運動するこ
とにより、ばね板72を、第９図に図示するように、撓ま
せる。このようなばね板72の撓み量は該ばね板72の、好
ましくは両表面に貼り付けられた歪ゲージ70により測定
される。

このとき、本実施例によれば、ばね板72は、横板部材
78に線接触の状態にて弾性的に接続されており、そのた
めに、横板部材78との接触部にガタが発生したりするこ
とはなく、しかも横板部材78との接触位置と歪ゲージ70
との間の距離は、ばね板71の変形量の如何に拘らず常に
一定に保たれており、正確な測定が可能である。

この測定結果は、表示・記録装置（図示せず）により
第１平行運動機構６の変位量として、即ち、第１取付台
26（即ち、第１質量W₁）の変位量として表示され、又、
必要によりプリントアウトされる。

同様に、第２及び第３平行運動機構８、10にも、電気
抵抗線式歪ゲージの如き変位検出手段70を貼り付けたば
ね板72が配置される。従って、第２平行運動機構８の電
気抵抗線式歪ゲージ70にて第２取付台32（即ち、第２質
量W₂）の変位量が測定され、第３平行運動機構10の電気
抵抗線式歪ゲージ70にて第３取付台36の変位量が測定
し、記録される。この測定結果は、表示・記録装置（図
示せず）により表示され、必要に応じてプリントアウト
される。

上記実施例では、第１、第２及び第３平行運動機構
６、８、10は、各々４本の平行リンクにて構成されるも
のとして説明したが、第10図に図示するように、例えば
第１平行運動機構６においては上側の２本のリンク6a、
6c及び下側の２本のリンク6b、6dを、それぞれ、アルミ
ニウム板材をプレス打ち抜き加工するか或は折り曲げ加
工により形成した一体の、即ちワンピース部品6A、6Bに
て構成した平行リンクにて作製することも可能である。
第２及び第３平行運動機構８、10についても同じであ
る。

第12図及び第13図は、本考案に係る学習用振動実験装
置にて達成されるばね下（第２質量W₂）の振動及びばね
上（第１質量W₁）振動の周波数特性が、理論値とおおよ
そ一致することを示すグラフである。

なお、実験条件は次の通りであった。

第１の重量（W₁）:2.0Kgf 第２の重量（W₂）:0.36Kgf 第１コイルばね（C₁）のばね定数:0.046Kgf/mm 第２コイルばね（C₂）のばね定数:0.5Kgf/mm 加振手段（50）の振幅:1.4mm 更に、本考案の学習用振動実験装置によれば、第14図
及び第15図に図示するように、第１取付台26の水平支持
部材26aと、第２取付台32の水平支持部材32bとの間に、
アングル及びピンからなる枢着手段82を介して粘性減衰
器（ショックアブソーバ）80を取り付けることにより、
より実際の構造に近い振動実験を行うこともできる。

考案の効果以上の如くに構成される本考案に係る学習用振動実験
装置は実際の状況に近い二自由度振動系を実現してお
り、斯る振動現象を目視による観察或はデータの測定・
記録などを容易に行うことによって、二自由度振動系の
振動理論を理解し、又、固有振動数、振幅或は伝達係数
の周波数特性などの理解を深めることができ、振動現象
を学習するに際して極めて有効に利用することができ、
実用上その効果は大である。更に、本考案の装置は、小
形、軽量に構成することができ、運搬、組立が容易で、
教室での教材として手軽に使用することができるという
特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係る学習用振動実験装置の側面図で
ある。第２図は、本考案に係る学習用振動実験装置の正面図で
ある。第３図は、平行運動機構の平面図である。第４図は、平行運動機構の概略構成を示す斜視図であ
る。第５図は、平行運動機構の揺動態様を説明する図であ
る。第６図は、ばね受けの斜視図である。第７図は、ばね受けの正面図である。第８図は、変位検出手段の概略斜視図である。第９図は、変位検出手段の動作態様を説明する図であ
る。第10図は、平行運動機構の他の実施例の概略構成を示す
斜視図である。第11図（イ）、（ロ）は、自動車の振動系を説明する図
であり、第11図（イ）は自動車の防振手段の一例を示
し、第11図（ロ）は斯かる防振手段の振動系を等価的に
示すものである。第12図は、本考案に実験装置を使用した場合と理論値に
基づく第２質量の振動周波数特性を示すグラフである。第13図は、本考案に実験装置を使用した場合と理論値に
基づく第１質量の振動周波数特性を示すグラフである。第14図は、本考案に係る学習用振動実験装置の他の実施
例を示す部分側面図である。第15図は、第14図の学習用振動実験装置の部分正面図で
ある。 2:基台 4:垂直支持台６、８、10:第１、第２、第３平行運動機構 26、32、36:第１、第２、第３取付台 50:加振手段 70:荷重、変位検出手段 80:ショックアブソーバ

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】基台と、該基台に対して垂直に取り付けら
れた垂直支持台と、同じ長さの平行リンクにて構成さ
れ、一端が枢着手段にて前記垂直支持台に片持ち態様に
て揺動自在に取り付けられた垂直方向に整列して配置さ
れた第１、第２及び第３平行運動機構と、前記第１、第
２及び第３平行運動機構の他端に設けられた第１、第２
及び第３取付台と、前記第１取付台に着脱自在に載置さ
れる第１の重りと、前記第２取付台に着脱自在に載置さ
れる第２の重りと、前記第１取付台と第２取付台との間
に配置される第１コイルばねと、前記第２取付台と第３
取付台との間に配置される第２コイルばねと、前記第３
取付台を所定の振動数及び振幅にて上下方向に駆動する
加振手段とを具備することを特徴とする学習用振動実験
装置。
【請求項２】前記第２取付台に荷重検出手段を設け、そ
して少なくとも前記第１及び第２平行運動機構に変位検
出手段を設け、第１及び第２コイルばねに加わる荷重並
びに少なくとも第１及び第２取付台の変位量を検出する
ようにしたことを特徴とする請求項１記載の学習用振動
実験装置。
【請求項３】前記荷重検出手段及び変位検出手段は電気
抵抗線式歪ゲージである請求項２記載の学習用振動実験
装置。