JP4029514B2

JP4029514B2 - 衝撃試験装置

Info

Publication number: JP4029514B2
Application number: JP05047899A
Authority: JP
Inventors: 朗早坂; 資博加藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000249620A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被試験体に衝撃を与える衝撃試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の衝撃試験装置としては、所定の質量を有した衝突体の衝突により被試験体に衝撃パルスを与える方式のものが広く見受けられる。衝突体の加速方法としては自由落下方式、振子方式、高圧ガス射出方式等様々である。これらの方式では得られる衝撃パルスの大きさが主に衝突体の衝突速度によって決まる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの方式で大きな衝撃パルスを得ようとすれば衝突体の衝突速度を大きくする必要がある。このため、例えば落下方式では落下高さを大きくしたり、振子方式では振子の落下高さを増大したり、高圧ガス射出方式ではガス圧を高くする方法がある。
【０００４】
しかし、いずれの方法も装置の大型化を招き、大規模かつ複雑なシステム構成を招来するなど、弊害が多い。また一般には高圧ガスの取扱いは不便で、これを用いない機械的な装置の方が実用面では好ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る衝撃試験装置は、被試験体が載置され、所定高さ位置に上昇可能に保持された載置台と、この載置台の下方に設けられ、衝突体を上昇方向に発射して加速し、上記載置台に衝突させる発射手段であって、上記衝突体を所定高さ位置に固定する破断ボルトと、シリンダにより圧縮されて上記衝突体に上昇方向に向かう力を付与するバネと、バネ圧縮時に上記シリンダにより上昇されて上記衝突体に当接し、上記バネの圧縮量を規定すると共に上記破断ボルトに破断のためのシリンダ力を付与する当接部材とからなる発射手段とを備えたものである。
【０００６】
これにおいては、破断ボルトの破断によりバネに蓄積されていた弾性エネルギが一気に解放され、衝突体の加速を生じさせる。発射手段は機械的かつ簡便な装置であり、これが単に載置台の下方にあるだけなので装置全体の小型化が達成される。高圧ガスを用いない点で実用面でも非常に有効である。
【０００７】
ここで、上記衝突体又は上記載置台の少なくとも一方の当たり面に、衝突時のパルス幅を調整するための調整部材が設けられるのが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて詳述する。
【０００９】
図１に本実施形態にかかる衝撃試験装置を示す。図示するように、床上に基台１が設置され、基台１から複数本の支持柱２が起立されている。図２に示すように支持柱２はここでは４本設けられ、支持柱２に載置台３が昇降可能に支持される。載置台３は四角形状のテーブル部４とその四隅に配された管部５とから一体的になり、管部５が支持柱２の外側に摺動自在に嵌合し、載置台３の支持柱２に沿った昇降を可能としている。ただし支持柱２には図示しない落下防止ストッパが設けられ、これにより載置台３は図示する高さ位置に一定に保持され、落下しない。つまりこの静止位置からは上昇のみが可能である。テーブル部４の上に被試験体６が載置される。テーブル部４は所定の厚みを有した平板状で、その上面、下面ともに平面である。支持柱２の頂部には載置台３の上昇を停止させる上昇ストッパ２４が設けられる。
【００１０】
載置台３の下方かつ基台１上に、衝突体７を上昇方向に発射して加速し、載置台３のテーブル部４下面に衝突させる発射手段８が設けられる。発射手段８は、衝突体７を所定高さ位置に固定する破断ボルト９と、シリンダ１０（ここでは油圧シリンダ）により圧縮されて衝突体７に上昇方向に向かう力を付与するバネ１１と、バネ圧縮時にシリンダ１０により上昇されて衝突体７に当接し、バネ１１の圧縮量を規定すると共に破断ボルト９に破断のためのシリンダ力を付与する当接部材１２とから主に構成される。
【００１１】
この詳細を説明すると、まず、基台１の中心部で基台１から固定柱１３が突出され、これに破断ボルト９を介して衝突体７が取り付けられる。衝突体７は被試験体６に衝撃パルスを発生させるための質量体である。衝突体７も載置台３同様四隅に管部１４を有し、これら管部５が支持柱２の外側に摺動自在に嵌合されることで支持柱２に沿って昇降可能となっている。ただし破断ボルト９の存在によって図示位置からの上昇は規制されている。衝突体７の中心部が断面凹状に窪まされ、その凹部１５の底部にボルト挿通穴１６が貫通形成されると共に、ボルト挿通穴１６に破断ボルト９が上方から挿通され、凹部１５に破断ボルト９の頭部２５が収容される。破断ボルト９の先端の雄ネジ部１７が、固定柱１３の上端面から中心に沿って形成された雌ネジ穴２６に螺合される。
【００１２】
固定柱１３の外側に前記当接部材１２が昇降可能に配設される。当接部材１２は、固定柱１３の外側に嵌合される筒部材１８とスペーサリング２０とから構成される。スペーサリング２０は筒部材１８の上端に載置され、衝突体７の凹部１５の底面外周縁部に当接可能となっている。筒部材１８の下端にフランジ部１９が一体に形成され、フランジ部１９の下方に周方向等間隔で複数のシリンダ１０が設けられる。シリンダ１０は固定ブラケット２２により基台１上に固定され、伸長方向に駆動されたときフランジ部１９を上方に押圧する。
【００１３】
フランジ部１９上に周方向等間隔で複数のバネ１１が設けられる。バネ１１は衝突体７とフランジ部１９との間に挟まれて高さ方向に延出され、上端が衝突体７の凹部（図示せず）内に、下端がフランジ部１９の凹部（図示せず）内にそれぞれ収容され位置決めされる。バネ１１は多数の皿バネ１１ａを積み重ねて構成される。各皿バネ１１ａがリング状とされ、その中心穴に図示しない支持棒が挿通されることで段積み状態が維持される。
【００１４】
衝突体７の上面に、衝突時のパルス幅を調整するための調整部材２３が固着されている。調整部材２３はゴム、軟金属等で形成されるパッドである。調整部材２３は衝突体７又は載置台３の少なくとも一方の当たり面に設けるのがよい。従って衝突体７の上面のほか、載置台３のテーブル部４の下面に設けることもできる。
【００１５】
衝撃試験前の本装置の組み付けに際し、まず、シリンダ１０を収縮させた状態で破断ボルト９を最後まで締め込む。こうすると雄ネジ部１７全体が固定柱１３の雌ネジ穴２６に螺合されるようになる。この段階でバネ１１はまだ若干圧縮されているに止どまり、スペーサリング２０と衝突体７との間にも隙間ができている。一方衝突体７は破断ボルト９の頭部２５が引っ掛かっているので上昇が規制され、図示位置に固定される。
【００１６】
次に、シリンダ１０を伸長させると、筒部材１８とスペーサリング２０つまり当接部材１２全体が上昇され、バネ１１が圧縮される。そしてやがてスペーサリング２０が衝突体７に当接するとシリンダ１０は伸長できなくなる。この時点でバネ１１の圧縮が終了し、その圧縮量が以降一定に保たれる。
【００１７】
こうしてシリンダ１０が伸長不可となってもなお引き続きシリンダ１０の伸長方向の駆動を続行する。すると破断ボルト９に徐々に高い引張力が作用し、やがて引張力が所定値に達した時点で破断ボルト９が瞬時に破断する。こうなるとバネ１１に蓄積されていた弾性エネルギ（弾性力の位置エネルギ）が一気に解放され、衝突体７が上方に発射され、バネ１１により加速されつつ上昇し、調整部材２３を介して載置台３に衝突する。これによって被試験体６には衝撃パルスが与えられるようになる。
【００１８】
このように本装置では、発射手段８が機械的かつ簡便な装置であり、これが単に載置台３の下方にあるだけなので装置全体が小型化され、小規模且つ簡素なシステム構成となる。また高圧ガスを用いないので実用面でも非常に有効である。バネ１１に蓄積した高い弾性エネルギを利用して衝突体７を強制的に加速するので、載置台３の下方の狭い高さスペース内でも衝突体７を十分に高速まで加速できる。
【００１９】
特にこのような衝突方式の場合、衝突体７の衝突寸前の速度が高速であれば大きなパルスピークが得られ、衝突体７の加速の過程で長時間を要しても問題はない。そこで本装置では、皿バネ１１ａを比較的多段に積み重ねてバネ１１全体のバネ定数を低く設定すると共に、長ストローク圧縮可能とし、加速時に比較的時間をかけて衝突体７を加速し、衝突体７の最大速度は確保することとした。こうするとシリンダ１０の推力を小さくできると共に、破断ボルト９も細径にすることができ、装置の小型化、簡単化に多大に貢献できる。
【００２０】
これの意味するところを以下の従来装置との比較において説明する。図４に示すように、この従来装置は、載置台ｋを直接かつ瞬時に加速し、その上に載せられた被試験体ａに直接的に衝撃パルスを付与するものとなっている。この従来装置の加速原理は本装置の発射手段８とほぼ同様である。
【００２１】
図示するように、固定フレームｃに筒部ｄが設けられ、筒部ｄにロッド体ｅが昇降自在に嵌合される。ロッド体ｅはシリンダｆによって昇降移動される。ロッド体ｅの頂部に破断ボルトｇのネジ部ｈが螺合され、破断ボルトｇの頭部ｉが可動フレームｊの上面に引っ掛かっている。載置台ｋは可動フレームｊ上に一体的に設けられる。可動フレームｊと固定フレームｃの床面との間に、支持棒ｌに挿通された複数の皿バネｍが介設される。筒部ｄの上端にストッパｎが設けられる。皿バネｍの積み重ね段数は本装置より少なく、皿バネｍ全体としてバネ定数は本装置より高く、圧縮ストロークも小さい。
【００２２】
シリンダｆが伸長されるとロッド体ｅ、破断ボルトｇ、可動フレームｊ、載置台ｋ及び被試験体ｂが一体的に下降し、同時に皿バネｍが圧縮される。可動フレームｊがストッパｎに当接すると下降が終了し、皿バネｍが一定の圧縮量に保持される。これでもなおシリンダｆの伸長方向の駆動を続行することにより、破断ボルトｇに引張力が加えられ、やがて破断ボルトｇが破断する。すると皿バネｍに蓄積されていた弾性エネルギが一気に解放され、載置台ｋが上昇方向に急加速する。これによって被試験体ａには瞬間的な高衝撃が与えられる。
【００２３】
この従来装置では被試験体の加速を皿バネで直接行う。即ち、大きなシリンダ力で高いバネ定数の皿バネ全体を短ストローク圧縮し、これを一気に解放して急加速を行う。本従来装置は質量体を衝突させて衝撃パルスを得るものではなく、被試験体を直接加速して衝撃パルスを得る直接加速方式を採用する。この場合、パルスピークとパルス幅はバネ荷重とバネ定数で決まるため、高いパルスピークと短いパルス幅を得るには耐荷重が高く、高いバネ定数のバネで瞬時に加速する必要があり、このために前記の如き皿バネを用いている。一般的にコイルバネのようなバネではバネ定数が低く、耐荷重も大きくできないので採用できない。
【００２４】
いま、本装置のバネのバネ定数及び圧縮ストロークをｋ₁，ｘ₁とし、従来装置の皿バネのバネ定数及び圧縮ストロークをｋ₂，ｘ₂とする。これらバネによる弾性エネルギが等しいとすると、1/2 ｋ₁ｘ₁ ²＝1/2 ｋ₂ｘ₂ ² …▲１▼が成立する。本装置の衝突体７ないし従来装置の被試験体ａを加速するのに必要な弾性エネルギは等しいと考えることができるので、この式は本装置と従来装置との比較においてそのまま成り立つ。
【００２５】
一方、本装置のバネを圧縮するときの力はＦ₁＝ｋ₁ｘ₁、従来装置の皿バネを圧縮するときの力はＦ₂＝ｋ₂ｘ₂である。これを上式に代入するとＦ₁ｘ₁＝Ｆ₂ｘ₂となり、これを変形してＦ₁／Ｆ₂＝ｘ₂／ｘ₁となる。ｋ₁＜ｋ₂、ｘ₁＞ｘ₂が前提なのでＦ₂＞Ｆ₁となる。つまり本装置におけるバネの方が同じ弾性エネルギを生成するのに力は少なくて済む。これにより本装置はシリンダの推力が小さくて済むのである。
【００２６】
▲１▼式で分かるように、弾性エネルギは圧縮ストロークの２乗で利いてくる。従って同等の弾性エネルギを得るには、バネ定数を大きくするよりも圧縮ストロークを大きくとった方が圧縮に要する力が少なくて済み、有利となる。よって本装置は従来装置より有利である。従来装置で耐荷重が高くバネ定数の高い皿バネを用いるのは、被試験体に衝撃が与えられたときと同等の加速を生じさせるためである。このため加速が極めて短時間で瞬間的に行われる必要がある。これに対し本装置の場合、加速させるのは質量体であり被試験体ではない。よって加速の過程で時間がかかっても問題とならない。要は質量体を衝突寸前で十分に高速にまで加速できればよいのである。
【００２７】
ここで、本装置では圧縮ストロークが大きいため、圧縮ストロークに誤差があってもその誤差分が全体量に対して占める割合は少ない。しかも弾性エネルギが圧縮ストロークの２乗で利くため、エネルギ全体でみればさらに誤差割合は小さくなる。このように本装置では測定誤差が少なく、再現性の良い試験が可能である。
【００２８】
一方、図３に示すように、シリンダ力Ｆの上昇につれ、Ｆ＝Ｆａとなったときバネが最大圧縮（ストッパが当接）し、Ｆ＝Ｆｂとなったとき破断ボルトが破断したとする。ＦｂはＦａより大きければよい。ただしできるだけＦａに近くとった方がシリンダ力が少なくて済み、有利である。
【００２９】
上述の理由（Ｆ₂＞Ｆ₁）から、本装置は従来装置よりＦａの値を小さくできる。よってＦｂの値も小さくでき、破断ボルトが細径化できるのである。
【００３０】
ところで、高いパルスピークを得ようとした場合、本装置ではバネの圧縮ストロークを大きくしていけばよいが、従来装置では皿バネによる圧縮ストロークをそれほど大きくできないので、バネ定数を上げていかなければならない。この点、シリンダ力と弾性エネルギとの関係で本装置は一層有利となる。
【００３１】
ここで、本装置では衝突時のパルス幅を調整するため調整部材２３が設けられる。衝突体７と載置台３とは一般に硬質金属で作られるが、調整部材２３がないと硬質金属同士の衝突となり、短いパルス幅しか得られなくなると共に、金属内部で振動が発生し綺麗なパルス形状が得られない。そこでこのような調整部材２３を設けることで、パルス幅が広くしかも綺麗な衝撃パルスが得られる訳である。そしてそのパルス幅の変更も調整部材２３を適宜交換することにより任意に変えられる。
【００３２】
従来装置ではパルス幅の変更を皿バネの組み替えによって行わなければならない。本装置ではバネを組み替えることなく調整部材２３を交換するだけでよいので、パルス幅の変更が大変容易に行える。
【００３３】
同様に、本装置では、パルスピークの変更も、高さ寸法の異なるスペーサリング２０に交換しバネ１１の圧縮量を変えればよいので、容易に行える。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態は上述のものに限られない。例えばバネは皿バネ以外にコイルバネ等を用いることもできる。本発明に係る衝撃試験装置はあらゆる被試験体に適用可能で、大重量の被試験体にも好適である。
【００３５】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば以下の如き優れた効果が発揮される。
【００３６】
（１）装置全体が小型化され、小規模且つ簡素なシステム構成となる。
【００３７】
（２）高圧ガスを用いないので取扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す部分縦断正面図である。
【図２】載置台を示す斜視図である。
【図３】バネの最大圧縮時及び破断ボルトの破断時におけるシリンダ力を示すグラフである。
【図４】従来の衝撃試験装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
３載置台
６被試験体
７衝突体
８発射手段
９破断ボルト
１０シリンダ
１１バネ
１２当接部材
２３調整部材

Claims

被試験体が載置され、所定高さ位置に上昇可能に保持された載置台と、該載置台の下方に設けられ、衝突体を上昇方向に発射して加速し、上記載置台に衝突させる発射手段であって、上記衝突体を所定高さ位置に固定する破断ボルトと、シリンダにより圧縮されて上記衝突体に上昇方向に向かう力を付与するバネと、バネ圧縮時に上記シリンダにより上昇されて上記衝突体に当接し、上記バネの圧縮量を規定すると共に上記破断ボルトに破断のためのシリンダ力を付与する当接部材とからなる発射手段とを備えたことを特徴とする衝撃試験装置。
上記衝突体又は上記載置台の少なくとも一方の当たり面に、衝突時のパルス幅を調整するための調整部材が設けられた請求項１記載の衝撃試験装置。