JP4812879B2 - 振動試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両やトレーラー等の車軸に上下方向の圧縮静荷重を加えながら振動させる振動試験装置に関する。

鉄道やトレーラーなどの貨物車両に走行時と同等の振動を加え、主として車両の車軸の軸受の挙動を観察したり、この軸受の疲労試験を行うため、特開２００５−２７４２１１号公報１のような振動試験装置が使用されている。

上記公報に記載の振動試験装置は、軌条輪の上に車両を載せ、軌条輪を回転駆動して車両の車輪を回転させると共に、軌条輪を車軸方向に加振することによって車両の軸受に負荷を加えている。

発明の概要

このように、従来の振動試験装置は、車両全体、すなわち台車に車体が取り付けられた状態で振動試験を行っていたため、試験を行うために大きなスペースを必要としていた。また、車体の重量／車輪数の荷重が各軌条輪に加わるため、車両を上下方向に振動させる場合は、この大荷重に耐えられるだけの大出力の加振機構を必要とする。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は振動試験を行うためのスペースが小さく、且つ大出力の加振機構を用いずに車両の軸受を上下方向に振動させることができる振動試験装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る振動試験装置は、車両の台車の車軸を回転可能に支持する軸受ユニットと、車軸を回転させる車軸駆動機構と、軸受ユニットを上下方向に加振する上下方向加振ユニットと、軸受ユニットに上向きの荷重を加えるエアシリンダ機構と、台車を上から押さえつける反力フレームとを有する。

本発明の実施形態に係る振動試験装置によれば、エアシリンダ機構と反力フレームの間に車両の台車が挟まれている。このため、エアシリンダ機構を駆動することにより、台車の車軸の軸受に車体の重量／車輪数相当の圧縮静荷重を加えることができる。このため、本発明の実施形態に係る振動試験装置は、車両全体を振動させる必要はなく、台車のみを試験装置に取り付けて加振を行うことができる。このため、振動試験を行うためのスペースを大幅に小さくすることができる。また、エアシリンダ機構により台車が下から支えられるので、上下方向加振ユニットは、台車を上下方向に振動させる際の慣性に十分耐えられる程度の、比較的小出力のものでよい。

また、軸受ユニットが車軸の車輪取り付け位置で車軸を支持する構成とすることにより，台車を車両に取り付けたときの台車の状態を精度よく再現可能である。

また、軸受ユニットが、自動調心ころ軸受によって車軸を回転可能に支持する構成とすることが好ましい。このような構成とすると、車軸に直交する方向に大荷重が加わっている車軸を回転可能に支持可能である。

好ましくは、上下方向加振ユニットは、サーボモータと送りねじ機構によって軸受ユニットを上下方向に加振する。

また、本発明においては、軸受ユニットは振動テーブルの上に固定されており、上下方向加振ユニットは振動テーブルを上下方向に加振する。

また，振動テーブルを台車の車軸方向に加振する車軸方向加振ユニットと、振動テーブルを上下方向加振ユニットに対して車軸方向にスライド可能に連結する第１の連結手段と、振動テーブルを車軸方向加振ユニットに対して上下方向にスライド可能に連結する第２の連結手段とを更に有することが好ましい。このような構成によれば、クロストーク無く振動テーブルを上下方向と車軸方向の双方に同時に加振可能となる。

また、車軸駆動機構が、モータによって回転駆動される駆動プーリと、台車の車軸に取り付けられる従動プーリと、駆動プーリと従動プーリとに巻回されている無端ベルトとを有する構成とすることが好ましい。このように、ベルト機構によって車軸を駆動する構成であるため、台車を振動させながら車軸を回転させることが可能である。従動プーリは、例えば台車の車軸の略中央に取り付けられている。

好ましくは、反力フレームは、台車の横梁の車軸方向両側で台車と当接して台車を上から押さえつけることによって，台車に下向きの荷重を加えている。例えば、反力フレームは、略直立する直立部と、該直列部の上端において台車の側梁に略平行な二方向に延びるよう形成された押圧部とを有し、押圧部の下面が台車の横梁に当接して台車が下方に押さえつけられる。

また、第１及び第２の連結手段は夫々、レールと該レールに係合し且つ該レールに沿ってスライド可能なランナーブロックを備えたリニアガイド機構によってテーブルと上下方向加振ユニット及び車軸方向加振ユニットとをスライド可能に連結する構成としてもよい。

また、ランナーブロックが、レールを囲む凹部と、凹部においてランナーブロックの移動方向に沿って形成された溝と、ランナーブロックの内部に形成され、溝と閉回路を形成するように溝の前記移動方向両端と繋がっている退避路と、閉回路を循環するとともに、前記溝に位置するときは前記レールと当接するようになっている複数のボールとを有する構成とすることが好ましい。さらに、ランナーブロックには閉回路が４つ形成されており、４つの閉回路のうち２つの閉回路の溝の夫々に配置されたボールが、レールとランナーブロックを備えたガイド機構のラジアル方向に対して略±４５度の接触角を有し、他の２つの閉回路の溝の夫々に配置されたボールはリニアガイド機構の逆ラジアル方向に対して略±４５度の接触角を有する構成とすることがより好ましい。

このような構成のリニアガイド機構は、そのラジアル方向、逆ラジアル方向及び横方向に大荷重が加わったとしても、ランナーブロックをレールに沿ってスムーズに移動させることができる。そして、このようなリニアガイド機構を介してテーブルと上下方向及び車軸方向加振ユニットが連結されるので、大重量の台車を加振する場合であっても、テーブルはがたつくことなく、スムーズにレールに移動可能である。

或いは、ランナーブロックが、レールを囲む凹部と、その円筒面が前記レールと凹部の間に挟み込まれるように配置される複数のローラと、凹部に取り付けられ、ローラの軸方向両端をガイドして該ローラがランナーブロックのスライド方向に転動する転動溝を形成するローラ保持部材と、ランナーブロックの内部に形成され、転動溝と閉回路を形成するように転動溝の前記スライド方向両端と繋がっている退避路とを有し、複数のローラは閉回路を循環するような構成としてもよい。好ましくは、ランナーブロックには閉回路が４つ形成されており、４つの閉回路の夫々に配置された４列のローラは、その軸がレールの軸に直交する面上において９０°おきとなるよう配置されている。さらに好ましくは、ローラの径は、転動溝における前記ランナーブロックとレールとの間隔より小さく、その差は１マイクロメートル以下である。

このような構成のリニアガイド機構は、ランナーブロックに大荷重が加わったとしても、ランナーブロックをレールに沿ってスムーズに移動させることかできる。また、各ローラとレール及びランナーブロックは、比較的大きい接触面積で当接しており、上下方向及び車軸方向加振ユニットからの振動を応答遅れなくテーブルに伝達させることができる。このため、数１００Ｈｚ以上の比較的高い振動数でテーブルを振動させることができる。

また、隣接する２つのローラの間には、該ローラ同士の接触を防止するためのリテーナが設けられている構成とすることがより好ましい。さらに好ましくは、リテーナが、ローラの円筒面と当接する円筒凹面を有している。

リテーナを有さないようなリニアガイド機構においては、ローラ同士が比較的小さい接触面積にて接触するため、接触部には大きな応力が加わる。これに対し、本発明の実施形態において使用されるリニアガイド機構は、ローラとリテーナの円筒面同士が比較的広い接触面積にて接触し、この接触によってローラに加わる応力は比較的小さく保たれる。そのため、リテーナを有さないリニアガイド機構と比べ、ローラの破損や磨耗を抑えることができる。

さらに、本発明の実施形態において使用されるリニアガイド機構は、ローラ同士が直接接触しないようになっている。ローラ同士が直接接触すると騒音が発生するが、本発明の実施形態において使用されるリニアガイド機構においては、ローラの間にリテーナが配置されているため、このような騒音を抑えることができる。

また、レールがその軸方向に沿って配列される複数の貫通孔を有し、貫通孔の夫々にボルトを通してテーブル、上下方向加振ユニット又は車軸方向加振ユニットにレールが固定され、ボルトの取り付け間隔は、前記レールの幅の５０〜８０％である。好ましくは、ボルトの取り付け間隔が、レールの幅の６０〜７０％である。

このように、ボルトの取り付け間隔を比較的短くすることによって、レールは撓むことなくテーブル、上下方向加振ユニット又は車軸方向加振ユニットに強固に固定される。

本発明の実施の形態に係る振動試験装置の上面図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置の正面図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置の側面図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置の車軸方向加振ユニットを一部切り欠いた上面図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置の上下方向加振ユニットを一部切り欠いた正面図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置のリニアガイド機構において、ランナーブロック及びレールをレールの長軸方向に垂直な一面で切断した断面図である。 図６のＩ−Ｉ断面図である。 本発明の実施形態に係るリニアガイド機構のレールの取り付け構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置の変形例において、ランナーブロック及びレールをレールの長軸方向に垂直な一面で切断した断面図である。 図９のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図９のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 本発明の実施の形態の変形例で使用されるリニアガイド機構のランナーブロックのローラの斜視図である。 本発明の実施の形態に係る振動試験装置のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１、図２及び図３は、夫々本実施形態の台車用振動試験装置の上面図、正面図及び側面図である。

本実施形態の振動試験装置１は、鉄道車両の台車１００を加振するための装置である。台車１００は、一対の車軸１１２、各車軸の両端に取り付けられている軸箱１１４（図２、３）、及び台車フレーム１２０を有している。

台車フレーム１２０は、車軸１１２に垂直かつ略水平な方向（すなわち、車両の進行方向）に延びる一対の側梁１２２（図１、２）と、車軸１１２に略平行な方向に延びる一対の横梁１２４とを有している。横梁１２４はその両端部付近で側梁１２２の略中央部に連結されている。

一対の横梁１２４は、その両端部で天板１２５及び底板１２６（図２）を介して連結されている。天板１２５の上には、空気ばね取り付け部１２７が設けられており、従来の振動試験装置にあっては、車両の車体が、この空気ばね取り付け部１２７において空気ばねを介して台車１００に連結されるが、本実施形態の振動試験装置では、車両の車体は取り付けられていない。

軸箱１１４には、複列外向き円すいころ軸受１１６（図３）が内蔵されており、車軸１１２はこの軸受１１６を介して軸箱１１４に回転可能に支持されている。また、軸箱１１４の上面と側梁１２２の端部とは、コイルばね１３２（図２、３）を介して連結している。すなわち、台車フレーム１２０は、コイルばね１３２を介して軸箱１１４に支持されることになる。以上の説明から明らかなように、台車１００は、図１の上方から見ると、一対の車軸１１２と一対の側梁１２２とによって構成される略矩形体となっており、一対の車軸１１２間の略中央部に、該車軸１１２と平行に一対の横梁１２４が、側梁１２２間に跨って配置された構成となっている。尚、図１においては、上下方向加振ユニット２０、車軸方向加振ユニット３０などが図中に現れるようにする為、右側の車軸１１２の図示が省略されている。

図３に示されるように、車軸１１２は、車輪取り付け部１１２ａの位置において、軸受ユニット１２に支持されている。すなわち、軸受ユニット１２は、車軸ごとに２つずつ、計４つ設けられている。軸受ユニット１２には、自動調心ころ軸受１２ａが内蔵されており、上下方向に大荷重の加わる車軸１１２を回転可能に支持する。

軸受ユニット１２の夫々は、振動テーブル１４上に固定されている。また、軸受ユニット１２と振動テーブル１４の間には、荷重センサ１６が設けられており、台車１００に加わる上下方向、車軸方向、車両進行方向に沿った荷重の大きさを計測することができる。

図１に示されるように、４つの振動テーブル１４のうち、各車軸１１２の一端側（図１中下側）の２つには、振動テーブル１４を上下方向に加振する上下方向加振ユニット２０と、振動テーブル１４を車軸方向に加振する車軸方向加振ユニット３０とが設けられている。各車軸１１２の他端側（図１中上側）の２つの振動テーブルには、上下方向加振ユニット２０のみが設けられている。

車軸方向加振ユニット３０の構造について以下説明する。図４は、本実施形態の車軸方向加振ユニット３０の拡大上面図である。図４に示されるように、車軸方向加振ユニット３０は、固定フレーム３１、サーボモータ３２、ボールねじ３３、カップリング３４、軸受部３５、及びボールナット３７を有している。カップリング３４は、サーボモータ３２の駆動軸３２ａとボールねじ３３とを連結するものである。また、軸受部３５は、固定フレームの上面板３１ａから上下方向に伸びるように溶接された軸受支持プレート３１ｂに固定されており、ボールねじ３３を回転可能に支持するようになっている。ボールナット３７は、ボールねじ３３と係合すると共に、その軸回りに移動されないよう支持されている。そのため、サーボモータ３２を駆動すると、ボールねじが回転して、ボールナット３３がその軸方向（すなわち車軸方向）に進退する。このボールナット３７の運動が、レール４４とランナーブロック４６からなる連結機構を介して振動テーブル１４に伝達されることによって、振動テーブル１４は車軸方向に駆動される。そして、短い周期でサーボモータ３２の回転方向を切り換えるようサーボモータ３２を制御することによって、振動テーブル１４を所望の振幅及び周期で車軸方向に振動させることができる。

固定フレーム３１の上面板３１ａの上面には、上下方向に伸びるモータ支持プレート３１ｃが溶接されている。モータ支持プレート３１ｃは、サーボモータ３２の軸方向に略垂直となるように設けられており、その一面（振動テーブル１４に対して遠位となる面）にサーボモータ３２が片持ち支持されている。モータ支持プレート３３ｃには、開口部３１ｄが設けられており、サーボモータ３２の駆動軸３２ａはこの開口部３１ｄを貫通し、モータ支持プレート３１ｃの他面側でボールねじ３３と連結される。

なお、サーボモータ３２がモータ支持プレート３１ｃに片持ち支持されているため、モータ支持プレート３１ｃ、特に上面板３１ａとの溶接部には大きな曲げ応力が加わる。この曲げ応力を緩和するために、上面板３１ａとモータ支持プレート３１ｃとによって形成されるコーナーには、リブ３１ｅが設けられている。

軸受部３５は、正面組合せで組み合わされた一対のアンギュラ球軸受３５ａ、３５ｂを有している。アンギュラ球軸受３５ａ、３５ｂは、軸受支持プレート３１ｂの中空部の中に収納されている。アンギュラ球軸受３５ｂの一面（振動テーブル１４に対して近位となる方向）には、軸受押圧プレート３５ｃが設けられており、この軸受押圧プレート３５ｃをボルトを用いて軸受支持プレート３１ｂに締結することによって、アンギュラ球軸受３５ｂはサーボモータ３２に向かう方向に押し込まれる。また、ボールねじ３３において、カップリング３４に近位となる側の円筒面には、ねじ部３３ａが形成されており、このねじ部３３ａに、内周にめねじが形成されたカラー３５ｄが取り付けられるようになっている。カラー３５ｄをボールねじ３３に対して回動させてカップリング３４から離れる方向に移動させることによって、アンギュラ球軸受３５ａはボールナット３７に向かう方向に押し込まれる。このように、アンギュラ球軸受３５ａと３５ｂが、互いに近づく方向に押し込まれるようになっているので、両者が互いに密着して好適なプリロードが軸受３５ａ、３５ｂに付与される。

次いで、振動テーブル１４と車軸方向加振ユニット３０を連結する連結部４０の構成について説明する。連結部４０は、ナットガイド４２、一対のレール４４、及びレール４４の夫々に取り付けられる一対のランナーブロック４６を有している。

ナットガイド４２は、ボールナット３７に固定されている。また、サーボモータ３２から振動テーブル１４に向かう方向に延びる一対のレール３８が、ボールナット３７及びナットガイド４２を挟むように並んで固定フレーム３１の上面板３１ａに固定されている。また、ナットガイド４２の底面には、このレール３８に向かう方向に広がるランナーブロック取付プレート４３が固定されている。レール３８と係合するランナーブロック４５が、このランナーブロック取付プレート４３の底面に固定されており、ランナーブロック取付プレート４３及びナットガイド４２は、レール３８に沿って、振動テーブル１４に対して進退する方向のみにスライド可能となっている。このように、ナットガイド４２の移動方向が振動テーブル１４に対して進退する方向、すなわちボールねじ３３の軸方向のみに規制されているため、ボールねじ３３を回転させると、ナットガイド４２が振動テーブル１４に対して進退する。

連結部４０のレール４４は上下方向に延びており、ランナーブロック４６はこのレール４４に沿って上下方向に移動可能となっている。そして、ランナーブロック４６は振動テーブル１４に固定されている。このため、後述する上下方向加振ユニット２０によって振動テーブル１４が上下方向に移動すると、ランナーブロック４６がレール４４に沿ってスライドするため、車軸方向加振ユニット３０に上下方向の荷重が加わることはなく、このような上下方向の荷重に起因する曲げ応力がボールねじ３３に加わることはない。一方、ボールねじ３３の駆動によってナットガイド４２を進退させることができるが、この変位はレール４４及びランナーブロック４６を介して振動テーブル１４に伝わる。このように、本実施形態の構成によれば、振動テーブル１４が上下方向に振動しているような状態であっても、車軸方向加振ユニット３０によって振動テーブル１４を車軸方向に、クロストークなく振動させることができる。

なお、上下方向に延びるレール４４及び、このレール４４に係合するランナーブロックは、図１に示されるように、振動テーブル１４と上下方向加振ユニット２０の間にも設けられており、これによって振動テーブル１４を上下方向にスムーズに動かすことができるようになっている。

ランナーブロック取付プレート４３の、一方の側面（図４においては右側）４３ａには、位置検出手段３９が配置されている。位置検出手段３９は、サーボモータ３２から振動テーブル１４に向かう方向に一定間隔で並べられた３つの近接センサ３９ａ、ランナーブロック取付プレート４３の側面４３ａに設けられた検出用プレート３９ｂ、及び近接センサ３９ａを支持するセンサ支持プレート３９ｃを有している。近接センサ３９ａは、各々の近接センサの前に何らかの物体が近接して（例えば１ミリメートル以内）いるかどうかを検出可能な素子である。ランナーブロック取付プレート４３の側面４３ａと近接センサ３９ａとは充分に離れているため、近接センサ３９ａは、各々の近接センサ３９ａの前に検出用プレート３９ｂがあるかどうかを検知することができる。振動試験装置１の図示しない制御手段は、例えば近接センサ３９ａの検出結果を用いてサーボモータ３２をフィードバック制御することができる。

また、固定フレーム３１の上面板３１ａの上には、ランナーブロック取り付けプレート４３をナットガイド４２の進退方向両側から挟むように配置された規制ブロック４７が設けられている。この規制ブロック４７は、ナットガイド４２の移動範囲を規制するためのものである。すなわち、サーボモータ３２を駆動させてナットガイド４２を振動テーブル１４に向って移動させ続けると、最終的には、振動テーブル１４に対して近位側に配置された規制ブロック４７とランナーブロック取付プレート４３とが接触し、それ以上ナットガイド４２は振動テーブル１４に向かう方向に移動できなくなる。ナットガイド４２を振動テーブル１４から離れる方向に向って移動させ続ける場合も同様であり、振動テーブル１４に対して遠位側に配置された規制ブロック４７とランナーブロック取付プレート４７とが接触して、それ以上ナットガイド４２は振動テーブル１４から離れる方向に移動できなくなる。

次いで、振動テーブル１４を上下方向に駆動する上下方向加振ユニット２０の構造について説明する。図５は、本実施形態の上下方向加振ユニット２０の一部切り欠いた正面図である。なお、振動テーブル１４の駆動機構を明確に示すため、後述するエアシリンダ７２（図１、２）は図５においては省略されている。

図５に示されるように、上下方向加振ユニット２０は、固定フレーム２１、サーボモータ２２、ボールねじ２３、カップリング２４、軸受部２５、及びボールナット２７を有している。固定フレーム２１は、図示しない装置ベースに固定される底板２１ａ、底板２１ａから上下方向に伸びるよう溶接された複数のはり２１ｂ、及び、このはり２１ｂの上を覆うようにはり２１ｂに溶接された上面板２１ｃを有している。また、軸受部２５を取り付けるための軸受支持プレート２１ｄが、天板２１ｃの上に図示しないボルトを介して固定されている。

カップリング２４は、サーボモータ２２の駆動軸２２ａとボールねじ２３とを連結するものである。また、軸受部２５は、前述の軸受支持プレート２１ｄに固定されており、ボールねじ２３を回転可能に支持するようになっている。ボールナット２７は、ボールねじ２３と係合すると共に、その軸回りに移動されないよう支持されている。そのため、サーボモータ２２を駆動すると、ボールねじ２３が回転して、ボールナット２７がその軸方向（すなわち上下方向）に進退する。このボールナット２７の運動が振動テーブル１４に伝達されることによって、振動テーブル１４は上下方向に駆動される。そして、短い周期でサーボモータ２２の回転軸２２ａの回転方向を切り換えるようサーボモータ２２を制御することによって、振動テーブル１４を所望の振幅及び周期で上下方向に振動させることができる。

軸受支持プレート２１ｄの下面には、２枚の連結プレート２１ｅを介して、略水平方向に広がるモータ支持プレート２１ｆが固定されている。モータ支持プレート２１ｆの下面には、サーボモータ２２が吊り下げられ、固定されている。モータ支持プレート２１ｆには、開口部２１ｇが設けられており、サーボモータ２２の駆動軸２２ａはこの開口部２１ｇを貫通し、モータ支持プレート２１ｆの上面側でボールねじ２３と連結される。

軸受部２５は、軸受支持プレート２１ｄを貫通するように設けられている。なお、軸受部２５の構造は、車軸方向加振ユニット３０における軸受部３５（図４）と同様であるので、説明は省略する。

次いで、ボールナット２７と振動テーブル１４を連結する連結部６０の構成につき説明する。連結部６０は、可動フレーム６２、車軸方向に延びる一対のレール６４、及び、このレール６４に沿って移動可能なランナーブロック６６を有している。

可動フレーム６２は、ボールナット２７に固定されている枠部６２ａ、枠部６２ａの上端に固定された天板６２ｂ、及び天板６２ｂの側梁１２２方向（図中左右方向）両縁から下方に伸びるよう固定された側壁６２ｃを有している。一対のレール６４は、可動フレーム６２の天板６２ｂの上面に、側梁１２２方向に並べられて固定されている。また、レール６４と係合するランナーブロック６６は、テーブル１４の下面に固定されている。このため、車軸方向加振ユニット３０によって振動テーブル１４が車軸方向に移動すると、ランナーブロック６６がレール６４に沿ってスライドするため、上下方向加振ユニット２０に車軸方向の荷重が加わることはなく、このような車軸方向の荷重に起因する曲げ応力がボールねじ２３に加わることはない。一方、ボールねじ２３の駆動によってボールナット２７及び可動フレーム６２を進退させることができるが、この変位はレール６４及びランナーブロック６６を介して振動テーブル１４に伝わる。このように、本実施形態の構成によれば、振動テーブル１４が軸受方向に振動しているような状態であっても、上下方向加振ユニット２０によって振動テーブル１４を上下方向に、クロストークなく振動させることができる。

なお、本実施形態においては、ランナーブロック６６は、図１に示されるように、レール６４一本に対して２つずつ、計４つ設けられている。可動フレーム６２には比較的大重量の振動テーブル１４及び台車の重量が加わるため、ランナーブロック６６の数を４として、各ランナーブロック６６に過大な荷重が加わらないようにしている。

次いで、可動フレーム６２を支持するための構造について説明する。可動フレーム６２の側壁６２ｃには、夫々一対（図１及び図５）のレール５４が固定されている。このレール５４は、上下方向に伸びるレールである。図５に示されるように、このレール５４には、ランナーブロック５６が係合し、レール５４に沿って上下方向にスライド可能となっている。ランナーブロック５６は、ランナーブロック取付部材６５を介して固定フレーム２１の天板２１ｂ上に固定されるようになっている。ランナーブロック取付部材６５は、可動フレーム６２の側壁６２ｃと略平行な側板６５ａと、この側板６５ａの下端に固定された底板６５ｂとを有しており、全体としてはＬ字断面形状となっている。また、本実施形態においては、特に重心の高く且つ大重量のワークを振動テーブル１４の上に固定すると、水平方向に延びる軸回りの大きなモーメントが可動フレーム６２に加わりやすくなっている。ランナーブロック取付部材６５は、この回転モーメントに耐えられるよう、リブによって補強されている。具体的には、ランナーブロック取付部材６５の両端（図３及び図５参照）における側板６５ａと底板６５ｂとが成すコーナーに、一対の第１リブ６５ｃが設けられ、さらに、この一対の第１リブ６５ｃの間に渡された第２リブ６５ｄが設けられている。

このように、ランナーブロック５６が固定フレーム２１に対して固定されており、且つ可動フレーム６２に固定されたレール６４に対して上下方向にスライド可能となっている。従って、可動フレーム６２は、上下方向にスライド可能であるとともに、可動フレーム６２の上下方向以外の移動は規制される。このように、可動フレーム６２の移動方向が上下方向のみに規制されているため、サーボモータ２２を駆動してボールねじ２３を回動させると、可動フレーム６２及びこの可動フレーム６２とレール６４及びランナーブロック６６を介して連結された振動テーブル１４は、上下方向に進退する。

また、車軸方向加振ユニット３０の位置検出手段３９（図４）と同様の位置検出手段（不図示）が上下方向加振ユニット２０にも設けられている。振動試験装置１の図示しない制御手段は、この位置検出手段の検出結果に基づいて、可動フレーム６２の高さが所定の範囲内となるように制御することができる。

以上のように、本実施形態においては、上下方向加振ユニット２０と車軸方向加振ユニット３０とが、夫々クロストークなく振動テーブル１４を同時に加振できるようになっている。このため、車軸方向と上下方向の振動が合成された複雑な振動を台車１００に与えることができる。

次に、本実施形態によるレール４４及びランナーブロック４６から構成されるリニアガイド機構について、図面を用いて詳細に説明する。なお、レール３４とランナーブロック３６、レール５４とランナーブロック５６、及びレール６４とランナーブロック６６もまた、レール４４及びランナーブロック４６と同一の構造である。

図６は、レール４４及びランナーブロック４６を、レール４４の長軸方向に垂直な一面（すなわち水平面）で切断した断面図であり、図７は図４のＩ−Ｉ断面図である。図
６及び図７に示されるように、ランナーブロック４６にはレール４４を囲むように凹部が形成されており、この凹部にはレール４４の軸方向に延びる４本の溝４６ａ、４６ａ’が形成されている。この溝４６ａ、４６ａ’には、多数のステンレス鋼製のボール４６ｂが収納されている。レール４４には、ランナーブロック４６の溝４６ａ、４６ａ’と対向する位置にそれぞれ溝４４ａ、４４ａ’が設けられており、ボール４６ｂが溝４６ａと溝４４ａ、又は溝４６ａ’と溝４４ａ’との間に挟まれるようになっている。溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’の断面形状は円弧状であり、その曲率半径はボール４６ｂの半径と略等しい。このため、ボール４６ｂは、あそびのほとんど無い状態で溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’に密着する。

ランナーブロック４６の内部には、溝４６ａの夫々と略平行な４本のボール退避路４６ｃ、４６ｃ’が設けられている。図７に示されるように、溝４６ａと退避路４６ｃとは、夫々の両端でＵ字路４６ｄを介して接続されており、溝４６ａ、溝４４ａ、退避路４６ｃ、及びＵ字路４６ｄによって、ボール４６ｂを循環させるための循環路が形成される。溝４６ａ’、溝４４ａ’及び退避路４６ｃ’によっても、同様の循環路が形成されている。

このため、ランナーブロック４６がレール４４に対して移動すると、多数のボール４６ｂが溝４６ａ、４６ａ’、４４ａ、４４ａ’を転がりながら循環路を循環する。このため、レール軸方向以外の方向に大荷重が加わっていたとしても、多数のボールでランナーブロックを支持可能であると共にボール４６ｂが転がることによりレール軸方向の抵抗が小さく保たれるので、ランナーブロック４６をレール４４に対してスムーズに移動させることができる。なお、退避路４６ｃ及びＵ字路４６ｄの内径は、ボール４６ｂの径よりやや大きくなっている。このため、退避路４６ｃ及びＵ字路４６ｄとボール４６ｂとの間に発生する摩擦力はごくわずかであり、それによってボール４６ｂの循環が妨げられることはない。

図示されているように、溝４６ａと４４ａに挟まれた二列のボール４６ｂの列は、接触角が略±４５°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。この場合の接触角とは、溝４６ａ及び４４ａがボール４６ｂと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイド機構のラジアル方向（ランナーブロックからレールに向かう方向であり、図６における下方向）に対してなす角度である。このように形成されたアンギュラ玉軸受は、逆ラジアル方向（レールからランナーブロックに向かう方向であり、図６における上方向）及び横方向（ラジアル方向及びランナーブロックの進退方向の双方に直交する方向であり、図６における左右方向）の荷重を支持することができる。

同様に、溝４６ａ’と４４ａ’に挟まれた二列のボール４６ｂの列は、接触角（溝４６ａ’及び４４ａ’がボール４６ｂと接触する接触点同士を結んだ線が、リニアガイド機構の逆ラジアル方向に対してなす角度）が略±４５°となる正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。このアンギュラ玉軸受は、ラジアル方向及び横方向の荷重を支持することができる。

また、溝４６ａと４４ａの一方（図中左側）と、溝４６ａ’と４４ａ’の一方（図中左側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４６ｂの列もまた、正面組み合わせ型のアンギュラ玉軸受を形成する。同様に溝４６ａと４４ａの他方（図中右側）と、溝４６ａ’と４４ａ’の他方（図中右側）にそれぞれ挟まれた二列のボール４６ｂの列もまた、正面組合せ型のアンギュラ玉軸受を形成する。

このように、本実施形態においては、ラジアル方向、逆ラジアル方向、横方向のそれぞれに働く荷重に対して、多数のボール４６ｂを有する正面組合せ型のアンギュラ玉軸受が支持することになり、レール軸方向以外の方向に加わる大荷重を十分支持できるようになっている。

次いで、本実施形態に採用されているリニアガイド機構のレールの取り付け構造について説明する。図８は、ナットガイド４２に取り付けられたレール４４を示す斜視図である。なお、このレールの取り付け構造は、本実施形態の振動試験装置で使用されている他のレールについても同様である。

図８に示されるように、ナットガイド４２には、レール４４と略同じ幅の溝４２ａが形成されており、レール４４は、この溝４２ａに嵌め込まれている。レール４４には、その軸方向に並んで配置された複数の貫通孔４４ｂが形成されている。また、図中には示されていないが、溝４２ａの底の貫通孔４４ｂに対応する位置には、複数のボルト穴が形成されている。レール４４は、貫通孔４４ｂにボルト４４ｃを通して、ナットガイド４２のボルト穴にねじ込むことによって、ナットガイド４２に固定される。

本実施形態においては、レール４４の貫通孔４４ｂの間隔（及び天坂のボルト穴の間隔）ｓは、レール４４の幅ｗの５０〜８０％、好ましくは６０〜７０％と比較的短くなっている。このように、ボルト４４ｃの取り付け間隔を比較的短くすることによって、レール４４は撓むことなくナットガイド４２に強固に固定される。

以上説明した本実施形態のリニアガイド機構においては、ボール４６ｂの転動によってランナーブロック４６をレール４４に対してスライドさせるものであるが、本発明の実施形態は上記の構成に限定されるものではない。以下に説明する変形例のように、ボール４６ｂの代わりにローラ２４６ｂを使用し、このローラ２４６ｂの転動によってランナーブロック２４６をレール２４４に対してスライドさせるリニアガイド機構を使用してもよい。

本発明の実施形態の変形例を図９から図１２に示す。図９は、ランナーブロック２４６及びレール２４４を、レール２４４の長軸方向に垂直な一面で切断した断面図である。図１０及び１１は、夫々図９のＩＩ−ＩＩ断面図及びＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図９に示されるように、ランナーブロック２４６にはレール２４４を囲むように凹部２４６ｅが形成されている。この凹部２４６ｅとレール２４４の外周面との間には、ローラ保持部材２４６ｆが挟み込まれている。このローラ保持部材２４６ｆによって、凹部２４６ｅとレール２４４の外周面との隙間に、軸方向に延びる４本の転動溝２４６ａ、２４６ａ’が形成される。この転動溝２４６ａ、２４６ａ’には、多数のステンレス鋼製のローラ２４６ｂが収納されている。ローラ２４６ｂは、その軸方向両端がローラ保持部材２４６ｆによって保持され、円筒面がランナーブロック２４６の凹部とレール２４４の外周面の双方に当接するようになっている。ランナーブロック２４６の凹部とレール２４４の外周面との間隔は、ローラ２４６ｂの径に略等しく、ローラ２４６ｂは、あそびのほとんど無い状態でランナーブロック２４６の凹部２４６ｅ及びレール２４４の外周面に密着する。

ランナーブロック２４６の内部には、転動溝２４６ａの夫々と略平行なレール退避路２４６ｃ’が２本設けられている。図１０に示されるように、レール退避路２４６ｃ’は、ローラ２４６ｂを収容するチューブをＣ字形状に屈曲して形成したものである。転動溝２４６ａと退避路２４６ｃ’とは、夫々の両端で接続されており、ローラ２４６ｂを循環させるための循環路を形成する。また、図１１に示されるように、ランナーブロック２４６の内部には、転動溝２４６ａ’の夫々と略平行なレール退避路２４６ｃが２本設けられており、退避路２４６ｃ及び転動溝２４６ａ’もまた、同様の循環路を形成する。

このため、ランナーブロック２４６がレール２４４に対して移動すると、多数のローラ２４６ｂが転動溝２４６ａ、２４６ａ’を転がりながら循環路を循環する。このため、レール軸方向以外の方向に大荷重が加わっていたとしても、多数のローラ２４６ｂでランナーブロック２４６を支持可能であると共にローラ２４６ｂが転がることによりレール軸方向の抵抗が小さく保たれるので、ランナーブロック２４６をレール２４４に対してスムーズに移動させることができる。

本変形例においては、ランナーブロック２４６の凹部２４６ｅとレール２４４の外周面との間隔ｄ（図１０、図１１）は、ローラ２４６ｂの径よりわずかに（１マイクロメートル以下）大きい程度の長さとなっている。このような状態においては、ランナーブロック２４６及びレール２４４にローラ２４６ｂからのプリロードが加わって、ローラ２４６ｂの外周面がランナーブロック２４６の凹部２４６ｅ及びレール２４４の外周面に密着した状態となる。そして、レール２４４の軸方向以外の方向の荷重がランナーブロック２４６及びレール２４４の一方に加わった場合、その荷重はローラ２４６ｂを介して、応答遅れを殆ど起こすことなく他方に伝達される。このため、上下方向加振ユニット２０及び車軸方向加振ユニット３０を数１００Ｈｚ程度の高い周波数で往復駆動させたとしても、その振動は中間ステージを介して確実に振動テーブル１４に伝達される。すなわち、本実施形態の振動試験装置１によれば、高周波で振動テーブル１４を振動させることができる。

図９に示されているように、４本の転動溝２４６ａ、２４６ａ’に配置された４列のローラ２４６ｂは、その軸が、レール２４４の軸に直交する面上において９０°おきとなるよう配置されている。

各ローラ２４６ｂがこのように配置されているため、ランナーブロック２４６からレール２４４の上面に向かう方向（図９において上から下に向かう方向）の荷重が加わる場合、この荷重は、主として２本の転動溝２４６ａに配置された２列のローラ２４６ｂが受ける。また、ランナーブロック２４６に、レール２４４の上面から離れるような方向（図９において下から上に向かう方向）の荷重が加わる場合は、この荷重は、主として２本の転動溝２４６ａ’に配置された２列のローラ２４６ｂが受ける。

また、ランナーブロック２４６に、その一方の側面（図中左側）から他方の側面（図中右側）に向かう方向の荷重が加わる場合は、その荷重は、主として転動溝２４６ａ’及び２４６ａのランナーブロック一方側（図中左側）に配置されている２列のローラ２４６ｂが受ける。一方、ランナーブロック２４６に、その他方の側面から一方の側面に向かう方向の荷重が加わる場合は、その荷重は、主として転動溝２４６ａ’及び２４６ａのランナーブロック他方側（図中右側）に配置されている２列のローラ２４６ｂが受ける。

さらに、ランナーブロック２４６に、レール２４４の軸方向周りのねじり荷重が加わる場合、そのねじり荷重の方向が図９中時計回りであれば、その荷重は、主として転動溝２４６ａのランナーブロック他方側（図中右側）に配置されるローラ２４６ｂと、転動溝２４６ａ’のランナーブロック一方側（図中左側）に配置されるローラ２４６ｂが受ける。ねじり荷重の方向が図９中反時計回りであれば、その荷重は、主として転動溝２４６ａのランナーブロック一方側に配置されるローラ２４６ｂと、転動溝２４６ａ’のランナーブロック他方側に配置されるローラ２４６ｂが受ける。

このように、本変形例においては、ランナーブロック２４６に図９中上下方向、左右方向、ねじり方向の荷重の何れが加わった場合であっても、それらの荷重は常に２列のローラ２４６ｂが受けるようになっている。このため、本変形例のリニアガイド機構は、これらの方向に大荷重が加わったとしても、特定の列のローラ２４６ｂのみに荷重が加わってローラ２４６ｂが破損に至ることはなく且つスムーズに転動可能であり、ローラ２４６ｂによってランナーブロック２４６はレール２４４に沿ってスムーズに移動可能である。

ランナーブロック２４６のローラ２４６ｂの斜視図を図１２に示す。図１２に示されるように、本実施形態の振動試験装置１に使用されるランナーブロックのローラ同士の間には、リテーナ２４６ｇが設けられている。リテーナ２４６ｇは、隣接する二本のローラ２４６ｂの外周面と当接する二つの円筒面を有し、この円筒面を介してリテーナ２４６ｇはローラ２４６ｂに接触する。リテーナ２４６ｇの２円筒面の軸は、互いに平行となっている。そして、リテーナ２４６ｇがその前後でローラ２４６ｂに接触しているため、循環路中のローラ２４６ｂはその軸方向が平行となるように整列される。このため、ローラ２４６ｂは循環路内をガタつくことなくスムーズに循環する。

また、リテーナ２４６ｇを有さないようなリニアガイド機構においては、ローラ２４６ｂ同士が比較的小さい接触面積にて接触するため、接触部には大きな応力が加わる。これに対し、本変形例のリニアガイド機構は、ローラ２４６ｂとリテーナ２４６ｇの円筒面同士が比較的広い接触面積にて接触し、この接触によってローラ２４６ｂに加わる応力は比較的小さく保たれる。そのため、本変形例のリニアガイド機構は、リテーナを有さないものと比べ、ローラ２４６ｂの破損や磨耗を抑えることができる。

さらに、本実施形態の変形例で使用されるリニアガイド機構は、ローラ２４６ｂ同士が直接接触しないようになっている。ローラ２４６ｂ同士が直接接触すると騒音が発生するが、本実施形態においては、ローラ２４６ｂの間にリテーナ２４６ｇが配置されているため、このような騒音を抑えることができる。

本実施形態に係る振動試験装置１は、エアシリンダ機構７０（図１〜３）により、各振動テーブル１４に上向きの静荷重を加えることができる。また、台車１００の横梁１２４は、反力フレーム８０（図２）によって上から押さえつけられている。すなわち、台車１００は反力フレーム８０とエアシリンダ機構７０によって上下方向から挟まれた状態となっており、エアシリンダ機構７０を作用させて振動テーブル１４に上向きの荷重を加えると、反力フレーム８０から下向きの荷重が台車１００に加えられることになる。また、エアシリンダ機構によって台車１００が下から支えられることになるため、反力フレーム８０から台車１００に加えられる下向きの荷重及び台車１００自身の重量が上下方向加振ユニット２０のナット２７、送りねじ２３及びサーボモータ２２に加わることはない。従って、サーボモータ２２のトルクは、台車１００の上下方向の振動による慣性に対して十分大きい程度でよい。すなわち、サーボモータ２２のトルクは、車軸方向加振ユニット３０のサーボモータ３２のトルクと同程度でよい。

図１〜３に示されるように、本実施形態の反力フレーム８０は、側梁１２２方向略中央下部に配置された装置フレーム１１の上から直立する梁である。反力フレーム８０の上端には、側梁１２２方向両側に分岐して延びる押圧部８１が形成されており、反力フレーム８０は全体としてＴ字形状となっている。この押圧部８１の下面が、一対の横梁１２４に当接してこれを上から押さえつけている。なお、図１、３に示されているように、反力フレーム８０は横梁１２４の車軸方向両側に一つずつ設けられており、台車１００は、各横梁１２４の車軸方向両側、すなわち計４カ所で反力フレーム８０によって押さえつけられる。

エアシリンダ機構７０は、各上下方向加振ユニット２０の固定フレーム２１と可動フレーム２８との間に８つずつ設けられているエアシリンダ７２（図１）と、このエアシリンダ７２にエアを供給するエアタンク７４とを有している。図１に示されるように、エアタンク７４は、上下方向加振ユニット２０毎に１つずつ設けられており、エアタンク７４からエアシリンダ７２に供給されるエアの圧力を調整することによって、振動テーブル１４毎に加える荷重を調整することができる。エアシリンダ機構７０による荷重の大きさは、荷重センサ１６によって計測されており、振動試験装置１のコントローラ（後述）が、荷重センサ１６の計測結果に基づいて、エアシリンダ７２に送られるエアの圧力を調整するようになっている。

本実施形態においては、走行中の鉄道車両における台車の挙動を再現できるように、車軸駆動機構９０によって台車１００の車軸１１２を回転させながら、台車１００を加振できるようになっている。車軸駆動機構９０の構成について以下説明する。

車軸駆動機構９０は、サーボモータ９２と、第１〜第４のプーリ９３〜９６とを有している。第１のプーリ９３は、サーボモータ９２の駆動軸に固定されており、サーボモータ９２によって回転駆動される。第４のプーリ９６は、車軸１１２の略中央部に取り付けられている。第２及び第３のプーリ９４、９５は、サーボモータ９２の真上且つ第４のプーリ９６と略同一高さに配置されている（図３）。図１〜３に示されているように、第２のプーリ９４と第３のプーリ９５は、共通の回転軸９１に固定されており、一体となって回転する。また、回転軸９１を支持する軸受及びサーボモータ９２は、共に装置フレーム１１上に固定されている。

図３に示されるように、第１のプーリ９３と第２のプーリ９４には第１の無端ベルト９７が巻回されている。同様に、第３のプーリ９５と第４のプーリ９６には第２の無端ベルト９８が巻回されている。従って、サーボモータ９２を駆動すると、その駆動軸の回転運動は第１の無端ベルト９７を介して第１のプーリ９３から第２のプーリ９４に伝わり、第２のプーリ９４及び第３のプーリ９５が回転する。そして、第３のプーリ９５の回転運動は、第２の無端ベルト９８を介して第４のプーリ９６に伝達され、これによって車軸１１２が回転する。このように、本実施形態の構成においては、第１及び第２のプーリ９３、９４と第１の無端ベルト９７、及び第３及び第４のプーリ９５、９６と第２の無端ベルト９８から構成される２組のベルト−プーリ機構を介して、車軸１１２を回転させることができるようになっている。このように、ベルト−プーリ機構によって車軸１１２を回転させる構成であるため、加振によって第４のプーリ９６が他のプーリ９３〜９５に対して上下方向及び車軸方向に多少変位したとしても、第２のベルト９８が第３、第４のプーリ９５、９６に対して緩むことはない。従って、本実施形態に係る振動試験装置１は、車軸１１２を回転させると同時に、台車１００を上下方向及び車軸方向に振動させることができる。

次に、本実施形態の振動試験装置１の制御について説明する。図１３は、本実施形態の振動試験装置１のブロック図である。図１３に示されるように、振動試験装置１は、コントローラ２、電源３、及びサーボアンプ４を有している。サーボアンプ４は、電源３から電力の供給を受けて三相の交流電流を生成し、これをサーボモータ２２、３２及び９２に供給する。コントローラ２はサーボアンプ４を制御して、各サーボモータ２２、３２、９２に供給する交流電流の振幅及び周波数を調整可能である。これにより、各サーボモータ２２、３２、９２の回転数が制御される。

また、コントローラ２は、振動テーブル１４（図２）に設けられた加速度センサ１８の検出結果に基づいて、振動テーブル１４の変位、速度、加速度振幅をフィードバック制御することが可能である。なお、加速度センサ１８の代わりに、変位や速度を計測する他のセンサを用いても良い。

前述のように、エアシリンダ７２が振動テーブル１４を持ち上げる荷重は荷重センサ１６によって計測されており、コントローラ２は、荷重センサ１６の計測結果に基づいて、エアタンク７４とエアシリンダ７２の間に設けられたバルブ７６（図１、３）の開度をフィードバック制御にて調整する。このフィードバック制御によって、車両の荷重に相当する静荷重を台車１００に加えることができる。

Claims (13)

1. 車両の台車に上下方向の圧縮静荷重を加えながら該台車を加振する振動装置であって、
   前記台車の車軸を回転可能に支持する軸受ユニットと、
   前記車軸を回転させる車軸駆動機構と、
   前記軸受ユニットを上下方向に加振する上下方向加振ユニットと、
   前記軸受ユニットに上向きの荷重を加えるエアシリンダ機構と、
   前記エアシリンダ機構との間で前記台車が上下方向に挟み込まれるように前記台車を上から押さえつける反力フレームと
   を備える振動試験装置。
2. 前記軸受ユニットは、前記車軸の車輪取り付け位置で該車軸を支持することを特徴とする請求項１に記載の振動試験装置。
3. 前記軸受ユニットは、自動調心ころ軸受によって前記車軸を回転可能に支持することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動試験装置。
4. 前記上下方向加振ユニットは、サーボモータと送りねじ機構によって前記軸受ユニットを上下方向に加振することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動試験装置。
5. 前記軸受ユニットが固定される振動テーブルを更に備え、
   前記上下方向加振ユニットは前記振動テーブルを上下方向に加振する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動試験装置。
6. 前記振動テーブルを前記台車の車軸方向に加振する車軸方向加振ユニットと、
   前記振動テーブルを前記上下方向加振ユニットに対して車軸方向にスライド可能に連結する第１の連結手段と、
   前記振動テーブルを前記車軸方向加振ユニットに対して上下方向にスライド可能に連結する第２の連結手段と
   を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の振動試験装置。
7. 前記第１及び第２の連結手段は夫々、レールと該レールに係合し且つ該レールに沿ってスライド可能なランナーブロックを備えたリニアガイド機構を備え、
   前記リニアガイド機構が、前記テーブルと前記上下方向加振ユニット及び車軸方向加振ユニットとをスライド可能に連結することを特徴とする請求項６に記載の振動試験装置。
8. 前記車軸駆動機構が、
   モータによって回転駆動される駆動プーリと、
   前記台車の車軸に取り付けられる従動プーリと、
   前記駆動プーリと前記従動プーリとに巻回される無端ベルトと
   を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の振動試験装置。
9. 前記従動プーリは、前記台車の車軸の略中央に取り付けられていることを特徴とする請求項８に記載の振動試験装置。
10. 前記反力フレームは、前記台車の横梁の車軸方向両側で該台車と当接して該台車を上から押さえつけることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の振動試験装置。
11. 前記反力フレームは、略直立する直立部と、該直列部の上端において前記台車の側梁に略平行な二方向に延びるよう形成された押圧部とを有し、
    前記押圧部の下面が前記台車の横梁に当接して前記台車が下方に押さえつけられる
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の振動試験装置。
12. 前記レールは、その軸方向に沿って配列される複数の貫通孔を有し、
    前記レールの夫々は、前記貫通孔の夫々に通されたボルトにより、前記テーブル、前記上下方向加振ユニット又は前記車軸方向加振ユニットに固定され、
    前記ボルトの取り付け間隔は、前記レールの幅の５０〜８０％である
    ことを特徴とする請求項７に記載の振動試験装置。
13. 前記ボルトの取り付け間隔は、前記レールの幅の６０〜７０％であることを特徴とする請求項１２に記載の振動試験装置。

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