JPH0446237A - ゴム球を利用した非線型弾性支持体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 現在，各種コイルばねや板ばね，り、７ションシート，
タイヤ，靴などによって．車両や重量物，人体などの弾
性支持や防振支持・衝撃吸収が実施されており．その中
には荷重と変形との関係が非線型特性となるもの（重ね
板ばね，並列組み合わせばねや不等ピッチのコイルばね
。

皿ばねなど）が利用される場合がある。

本発明は．ゴム球の荷重と圧縮変位の関係が著しい非線
型特性を示すことを主として利用して．ゴム球を一個以
上並列に面上に置き，球相互がばらばらに離れないよう
に薄い可撓体等でたがいに連結し，その結果．表裏に半
球状の凸部を有するシート状の可撓体である．球の代わ
りに半球を可撓板上に配置するものも本発明に含む．こ
れを床と物体との間などに置いて，その荷重−変位の非
線型特性を主として利用し。

物体の弾性支持・衝撃吸収を意図する。

この非線ヤ特性を主として活用して車のバンパーやタイ
ヤ、靴裏などの模様に利用することも考えられ、利用分
野は広い、（靴裏等の模様を主として摩擦を利用して凸
部を配置したものは本発明の対象外である。） 〔従来の技術・発明の課題〕 ばねなど弾性支持体の衝撃などの緩和にはエネルギーの
吸収が大きいほどよく、ばね定数の小さいものが望まれ
る。ばね定数の小さいものはまた高い振動数の外力に対
しては地震針のように共振しにくいという利点もある。

一方。

大きな外力に対して大きな変位が生じる欠点もある。硬
化スチフネス型非線型ばねは、小さい外力に対しては上
記の長所を有し、大きな外力（衝撃力）に対してたわみ
を小さくとれるものである１重ね板ばね、並列組み合わ
せばね、コイル径の不等な円錐コイルばね、つづみ形コ
イルばね、たる形コイルばねなどがその例である。

しかしながら、これらのばねは本体が概ね太きく、狭い
空間に設置しに＜＜、また、そのたわみ（圧縮変位）も
数センチメートル以上の値で概ね大きいなどの欠点があ
る１重ね板ばねの荷重−たわみ特性は線型に近く１並列
組み孔わせばねのそれも折線であり、不等コイル径ばね
においては低中荷重域で線型の特性である。コイルばね
の場合は減衰要素を内在していないのも難点であろう。

〔課題を解決するための手段〕

低架橋度の軟軟な天然ゴムからなる中実球を単純圧縮す
る場合（二つの硬い平板間で押しつけるとき）、その荷
重−圧縮変位特性は、低荷重域ではヘルツの理論に従っ
て荷重は変位の１．５乗に比例するが、圧縮が進むにつ
れて。

ゴム弾性による復元力が急激に増加し、中荷重域では荷
重（弾性復元力）は変位の約３乗に比例し、高荷重域で
は変位の約５乗に比例する。

そのたわみは球の直径の値を越えることは絶対に無く、
それ以下の範囲で荷重はたわみの１．５東から５乗まで
のいちぢるしい非線型特性を示す（図１参照）、ゴムの
板または直方体の単純圧縮では１　ゴム弾性論で知られ
るように荷重は圧縮変位の約２乗に比例して増加するが
ゴム球の大変形においては、ヘルツの式には修正項が必
要になり（付録の文献１参照）、かつ圧縮ゴムの硬化ス
チフネス型非線型弾性が作用し１．上記のようないちぢ
るしい非線型特性を示すことになる。

その荷重−変位の理論式（文献１，２．３＃照）は付録
に記すが、この５連立非線型方程式の解と、ゴムの組成
・荷重変位特性（低荷重域でのヤング率）、ゴム球の直
径から、−ゴム球の荷重−変位関係の設計を綿密に行う
ことが可能である。

本発明はゴム球のこの特性を利用して１−個または並列
に並べた複数個（この場合適当な可撓体で体間を連結す
るのが実用的である）のゴム球（または球にちがい形状
のもの）からなるシート状可撓体を弾性支持体、衝撃吸
収体として利用することを意図するものである。使用荷
重と使用空間が与えられると、付録に記す五つの理論式
を用いてパソコンなど計算機を使用して、ゴム自体の硬
さまたはヤング率（天然ゴムと硫黄などの架橋剤との重
量比で決まる）４球径を決定することができる。

複数の球を並列に並べる場合の荷重は一球の場合の球数
倍に等しい、また、半球など分割球の場合はその全圧縮
変位は球の全圧縮変位に比例し、かつ厚みにほぼ比例す
る。半球の変位は球のほぼ半分とみなせる。これらの条
件から本弾性支持体を設計でき、用途に応じて、金型で
一体成形することができよう。

〔発明の新規性と効果〕

ゴム球の荷重−変位の実験例は従来行われたことはあり
うるが９図１に示すＪうな広範囲の荷重・変位でのその
いちぢるしい非線型特性の指摘は学術上新しく、その非
線型特性を利用する弾性支持器・衝撃緩和器は新規の発
明になると考えられる。

本発明は荷重方向の厚みがゴム球の直径またはそれ以下
であるので数センチメートルから数ミリメートルの範囲
にとることができ、従来のコイルばねなどよりその長手
方向の大きさを格段に小さくできる長所がある。また、
ゴム材料の粘性によりエネルギー吸収が同時にできる利
点もある。

さらに、ゴム球の圧縮には２球の大変形問題と非線形問
題が含まれ、そのため従来は未開発であり、したがって
１弾性支持体としての設計に至らなかったが１文献１．
　２．　３　（本付録参照）に示すように、ゴム球の荷
重−圧縮変位の実験と合致する理論式が本発明者によっ
て最近えられ、その力学とメカニズムがかなり明らかに
されてきたので、その設計が可能となった。

本発明はこの理論式によるゴム球ばね設計法である。

〔実施例〕

図１は、直径２ｃｍの天然ゴムの中実球の圧縮試験にお
ける荷重−アプローチ（全圧縮変位の半分）関係を示す
、丸印が実験データ、実線が付録の式（１）（２）（３
）（４）（５）による理論値である。ただし、ヤング率
Ｅ＝１２ＯＮ／（！＋！　（実測値）、ポアソン比０．
４８．球半径Ｒ＝　ｌａｎを用いた。

ゴム組成は２重量比で天然ゴム（Ｒ３ＳＮｏ、３）１０
０．硫黄２．４．カーボン・ブラック１．可硫促進剤Ｍ
ＳＡ−Ｆ０．８゜ＴＴＯ，Ｌ亜鉛華加硫助剤５．ステア
リン酸ｌである。これを、特注した金型中で１３５℃で
３０分熱処理して可硫ゴム球が合成された。

可硫ゴムの硬さ（ヤング率）は、硫黄含有量にほぼ比例
し、ゴム１００に対して硫黄１．５から１６がゴム弾性
を示す範囲である。

図１に示されるように、理論と実験は非常に広い範囲の
変位（または荷重）で、非常によく一致している。

なお１図１には、荷重−接触面積線図および荷重−側面
膨張線図の実測値（丸印）と、理論値（実線）が示され
ている。これらの理論値は理論式（１）（２）（３）（
４）（５）から。

荷重−変位の計算と同時に計算される。理論式からの計
算方法は、パソコンのプログラムを含めて２文献３に詳
記されている。

手続補正力（方式） ２、特許請求の範囲 １、　事件の表示　　平成２年　特許願　第１５４３８
８号２、　発明の名称　　ゴム球を利用した非線梨弾性
支持体３　　補正をする者 事件との関係　特許出願人 補正の対象 １、適正な願書 イ１発明の名称を明細書のものと一致させることハ、特
許出願人の氏名及び住所を正確Ｃ二記載したもの１、明
細書の図面の簡単な説明のｌａ（項目を含む）を正確に
記載した書面（何を表す図であるかの説明を記載のこと
、１（＠１図の！！明）１、明細書の特許請求の範囲 ６、　補正の内容 別紙の通り。

５゜ ゴムまた：よゴム様材料の中実の球または半球状の６訃
か面上に配置され薄い可撓板などで互いに連結された構
造であって、その荷重変位線図が硬化スチフネス型の非
線型特性であることを特徴とする弾性支持体もしくは衝
撃吸収体 ２−ゴム球の荷重−圧縮変位（またはアブロ千）の関係
を、付録に記す五個の理論式を利用して設計すること １、明Ｉ！書９ベーン末行に次の記載を加入する。

【図面の簡単な説明】

図１　　（Ｆｉｇ、Ｉ）は、半径１ｃｍの天然ゴム中大
球を剛体二手面間で圧縮する場合の種々の変位に関する
理論と実験の比較を示す。 荷重＜ｐ）に対するアプローチ（圧縮変位の半分）（理
論値Ｔ、実験値７ｅｘ）を下横軸と左縦軸に示し、荷重
に対する接触面の半径（理論値ａ゛、実験値ａ’　　ａ
ｘ）を上横軸と左縦軸に示し１　また荷重に対する球中
心位置での側面の横方向膨張変位（理論値Ｕ　（Ｒ）　
、実験値Ｕ　（Ｒ）ｅｘ）を上横軸と左縦軸に示す。 実線（ｒ、　　ａ’　）は、付録Ｂに示す理論式（１）
（２）（３）（４）（５）の連立方程式の解である（ヤ
ング率Ｅ、ポアソン比９球半径Ｒ１荷重Ｐを与える）、
さらに、　　Ｕ　（Ｒ）の式への代入からＵ　（Ｒ）が
得られる。白丸と黒丸は圧縮試験機などによる実測値で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ゴムまたはゴム様材料からなる中実球または半球が
   面上に並列配置され薄い可撓板などで互いに連結された
   構造であって、その圧縮荷重−変位線図がいちぢるしい
   硬化スチフネス型の非線型特性であることを特徴とする
   弾性支持体もしくは衝撃吸収体 ２　一ゴム球の荷重−圧縮変位（またはアプローチ）の
   関係を、付録に記す五個の理論式、（１）（２）（３）
   （４）（５）を基礎として利用して設計すること