JP6470052B2

JP6470052B2 - 荷重負荷装置、荷重計測装置及び航空機の荷重負荷方法

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Publication number: JP6470052B2
Application number: JP2015010861A
Authority: JP
Inventors: 中川　勇; 勇中川
Original assignee: Mitsubishi Aircraft Corp
Current assignee: Mitsubishi Aircraft Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: BR102015031096A2; JP2016136089A; US9995651B2; BR102015031096B1; US20160214740A1

Description

本発明は、供試体に鉛直方向に荷重を負荷する装置に関する。

供試体に鉛直方向に荷重を負荷する装置は、鉛直方向から偏心した荷重の影響を排除するために、自在継手（ユニバーサル）により供試体を支持したり、球座と球座受けの組み合わせにより供試体を支持したりしている（例えば、特許文献１，２）。

荷重を負荷する対象である供試体が、荷重を受けても鉛直方向にのみ変位又は変形するものであれば、自在継手又は球座と球座受けの組み合わせによるピン結合によって支持すれば、ある程度の正確な計測結果を得ることができる。

特開平２−２０３２４１号公報特開平６−１６０２５８号公報

ところが、供試体が水平方向に変位する場合には、ピン結合しただけでは、以下説明するように、鉛直荷重を正確に負荷することができない。なお、供試体が水平方向の変位を拘束されていないと、供試体は負荷試験中に水平方向に変位し得る。例えば、供試体を宙吊りに保持しながら、供試体による鉛直方向の荷重を加えることによって生じ得る。

図８（ａ）に示すように、供試体Ｓによる鉛直荷重Ｆ_Ｖを負荷する試験装置１００が、油圧アクチュエータ１０１と、油圧アクチュエータ１０１の上部及び下部のそれぞれで油圧アクチュエータ１０１を支持する支持部材１０３，１０４と、上部の支持部材１０３と油圧アクチュエータ１０１のピストンロッド１０２との間に介在されるロードセル１０５と、備えている。支持部材１０３，１０４は、それそれ、ピン結合部ＰＪを備えている。この試験装置１００により鉛直荷重を負荷している最中に、図８（ｂ）に示すように、供試体Ｓが水平方向Ｈに変位したとすると、油圧アクチュエータ１０１には、鉛直荷重Ｆ_Ｖに加えて、水平方向の荷重Ｆ_Ｈが生ずる。このように、供試体Ｓには、鉛直荷重Ｆ_Ｖと水平荷重Ｆ_Ｈが合成された荷重が生じるので、供試体Ｓに鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを正確に負荷することができない。

そこで本発明は、供試体が水平方向に変位したとしても、供試体へ加える鉛直荷重のみを正確に負荷することができる荷重負荷装置を提供することを目的とする。
また本発明は、そのような荷重負荷装置を用いて、航空機の機体へ加える鉛直荷重のみを正確に負荷することのできる航空機の荷重負荷方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の荷重負荷装置は、供試体に荷重を加えるアクチュエータと、アクチュエータを鉛直方向に沿って支持する支持構造体と、支持構造体を水平方向に倣って案内する水平案内面と、支持構造体と水平案内面の間に介在し、支持構造体が水平案内面に対して、相対的に水平方向に変位可能に支承する支承器と、を備える。そして、本発明の支承器は、独立して転動が可能に支持された複数の転動体を備えており、これらの転動体が、支持構造体、又は、水平案内面に接するように、保持されることを特徴としている。

本発明の荷重負荷装置は、支承器が摩擦抵抗の小さい転動体を備えており、この転動体を介して、支持構造体が水平案内面に対して、水平方向に変位することができる。よって、供試体による鉛直方向の荷重を計測している最中に、供試体が水平方向に変位したとしても、アクチュエータを支持する支持構造体が、供試体の変位に追従して無理なく変位するので、供試体には水平荷重が生じないか、生じたとしても微小である。
また、本発明の荷重負荷装置は、支持構造体でアクチュエータを鉛直方向に支持しており、支持構造体が水平方向に変位してもアクチュエータは鉛直方向から傾くことがないので、供試体には安定して鉛直荷重が作用する。
したがって、本発明の荷重負荷装置によると、供試体が水平方向に変位したとしても、鉛直荷重のみを高い精度で負荷することができる。

本発明の荷重負荷装置は、支承器を設ける対象として、二つの形態を有している。一方の形態（第１形態）は、支持構造体の側に支承器を設けるものであり、他方の形態（第２形態）は、水平案内面の側に支承器を設けるものである。
第１形態は、転動体が水平案内面に接し、支持構造体は支承器とともに水平案内面に倣って水平方向に変位する。また、第２形態は、転動体が支持構造体に接し、支持構造体は水平案内面に設けられた支承器に倣って水平方向に変位する。
本発明は、第１形態と第２形態のいずれをも適用でき、アクチュエータを支持する支持構造体が、供試体の変位に追従して変位する機能は等価である。ただし、支持構造体が同じ量だけ変位することを前提にすれば、第２形態は、変位する範囲にわたって転動体を設ける必要があるのに対して、第１形態は、変位する範囲よりも狭い範囲だけに転動体を設ければ足りるので、支承器を小型にすることができる利点がある。

本発明の荷重負荷装置は、供試体の水平方向の変位が、特定の方向に限って生ずる場合に加えて、任意の方向に生ずる場合に対応できる。
変位が特定の方向に限られる場合には、転動体としてころを用い、複数のころを回転軸に直交する方向に一列に並べ、この支承器が当該特定の方向に沿うように配置すればよい。
変位が任意の方角に生ずる場合には、転動体として球体を用い、複数のこの球体を任意の方角に転動可能に支持することが好ましい。これにより、アクチュエータを支持する支持構造体が、供試体の水平方向のいかなる方角の変位にも追従して水平方向に変位する際の、摩擦抵抗を小さくできる。この観点から、複数の球体は放射状に配置されることがより好ましい。

本発明の荷重負荷装置は、油圧アクチュエータを支持する位置を境にして、支持構造体の水平方向の変位が生じる主たる方向の両側に支承器がそれぞれ配置されることが好ましく、アクチュエータを支持する位置を対称の中心として、４つの支承器が点対称をなす位置に設けられることがより好ましい。加えて、支持構造体は油圧アクチュエータの背丈の中心部を支持することで、油圧アクチュエータをより安定して支持することができる。

また、本発明の荷重負荷装置は、水平案内面を、所定の高さだけかさ上げして設けることができる。そうすれば、アクチュエータが鉛直方向において装置の基礎部分あるいは地面と干渉するのを避けることができる。

本発明の荷重負荷装置が適用される用途は任意であるが、供試体として航空機の機体を適用することが好ましい。航空機の荷重試験は、機体を吊り下げた状態で鉛直方向に荷重を加えるために、水平方向に変位し易いが、本発明の荷重負荷装置を用いれば、水平荷重を微小にして、鉛直荷重のみを高い精度で負荷できる。

本発明の荷重負荷装置によると、供試体が水平方向に変位したとしても、鉛直荷重のみを高い精度で負荷することができる。

本実施形態における荷重負荷装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図である。図１の荷重負荷装置の構成要素を分離して示し、（ａ）は油圧アクチュエータを支持する支持構造体を示し、（ｂ）は水平案内面を備える架台を示し、（ｃ）は支承器を示している。図１の荷重負荷装置に用いられる支承器を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は背面図である。図１の荷重負荷装置を用いて供試体Ｓから受ける鉛直荷重を計測する様子を示す図であり、（ａ）は水平方向の変位が生じていない状態を示し、（ｂ）は長さ方向に水平方向に変位している状態を示している。図１の荷重負荷装置を用いて供試体Ｓから受ける鉛直荷重を計測する様子を示す図であり、（ａ）は水平方向の変位が生じていない状態を示し、（ｂ）は幅方向に水平方向に変位している状態を示している。本実施形態における荷重負荷装置を用いて航空機の機体に作用する鉛直荷重を計測している様子を示している。本実施形態の変形例を示す図である。従来の荷重負荷装置により水平荷重が生じることを示す図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
本実施形態における荷重負荷装置１は、供試体Ｓに鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを負荷するものであり、供試体Ｓが水平方向に変位しても、水平荷重Ｆ_Ｈの影響を可能な限り排除して、鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを高い精度で負荷することを目的とする。

以下、図１〜図３を参照して、荷重負荷装置１の構成を説明する。
荷重負荷装置１は、油圧アクチュエータ１０と、油圧アクチュエータ１０を支持する支持構造体２０と、支持構造体２０に設けられる支承器３０と、支承器３０を介して支持構造体２０を水平方向に沿って案内する水平案内面４１を備える架台４０と、を備えている。なお、ここでは油圧アクチュエータ１０を用いているが、電動によるアクチュエータ、エア圧によるアクチュエータを用いることもできる。

油圧アクチュエータ１０は、シリンダ１１と、ピストンロッド１３と、ロードセル１５と、フランジ１７と、を備えている。
シリンダ１１は、内部に作動油が収容される筒状の空隙が設けられており、この空隙にピストロッド１３の図示を省略するピストンが配置される。ロードセル１５は、ピストンロッド１３の上端に固定され、供試体Ｓ（図４，図５参照）を支持することで、供試体Ｓに加わる鉛直荷重Ｆ_Ｖを計測する。
フランジ１７はシリンダ１１の外周に向けて張り出すように設けられ、支持構造体２０に油圧アクチュエータ１０を支持するのに用いられる。

次に、支持構造体２０は、図１及び図２に示すように、幅方向Ｗに所定の間隔を隔てて配置される支持梁２１，２１と、支持梁２１，２１の各々の端部を繋ぐ連結材２３，２３とを組み合わせることで、額縁状に形成されている。支持構造体２０は、供試体Ｓからの反力を受けても、変形しないように、剛性が確保されている。後述する支承器３０、架台４０も同様である。
支持構造体２０は、上面２１Ａと下面２１Ｂを備え、平面視して、一対の支持梁２１，２１と一対の連結材２３，２３で囲まれる領域は、上面２１Ａと下面２１Ｂを貫通するアクチュエータ収容スペース２５を形成する。油圧アクチュエータ１０は、アクチュエータ収容スペース２５を貫通して、支持構造体２０に支持される。つまり、油圧アクチュエータ１０を支持する位置を境にして、支持構造体２０の水平方向の変位が生じうる長手方向Ｌ及び幅方向Ｗの左右の両側に支承器３０が配置されている。
また、支持構造体２０は、支持梁２１，２１のそれぞれの両端部の下面２１Ｂには、支承器３０が固定される支承器固定部２７が、上面２１Ａの側に向けて窪んで設けられる。支承器固定部２７は、幅方向Ｗに連なって設けられる。

次に、支承器３０は、図３に示すように、転動体として球体３１を用いるタイプのものであり、複数の球体３１と、それぞれの球体３１が独立して転動自在に収容する収容凹部３２が形成された支持器３３と、支持器３３に設けられる荷重伝達軸３５と、を備えている。
円筒状をなす支持器３３は、収容凹部３２が形成されるおもて面３４Ａと、おもて面３４Ａの反対側であるうら面３４Ｂと、を備え、球体３１はおもて面３４Ａの側に設けられ、荷重伝達軸３５はうら面３４Ｂの側に設けられる。支承器３０は、おもて面３４Ａの側が架台４０に対向し、うら面３４Ｂの側が支持構造体２０に対向するように、配置される。

支承器３０は、おもて面３４Ａの側に、複数の収容凹部３２が放射状に設けられ、各々の収容凹部３２に一つずつ球体３１の半分程度が収容され、残りの半分程度はおもて面３４Ａから外部に露出する。複数の球体３１は、放射状に配置され、このおもて面３４Ａから露出する球体３１が、後述する架台４０の水平案内面４１に接する。
なお、球体３１を収容凹部３２に保持させる構造は、小さい抵抗で球体３１が転動可能にされている限り任意であり、公知の手段を適宜採用することができる。

支承器３０は、荷重伝達軸３５の先端３７が支承器固定部２７に固定されることにより、支持構造体２０と一体となって変位することができる。

次に、架台４０は、図１及び図２に示すように、荷重負荷装置１の長手方向Ｌに所定の間隔をあけて設けられ、それぞれが水平案内面４１を備えるガイド板４２と、ガイド板４２を支持する柱４４と斜材ブレース４５とからなる支持構造４３と、支持構造４３の下端側が固定される板状の基礎４７と、を備えている。

架台４０は、ガイド板４２の水平案内面４１が上向きで、かつ、水平に沿うように配置され、一方の水平案内面４１にて二つの支承器３０を支持し、他方の水平案内面４１にて他の二つの支承器３０を支持する。このように、支持構造体２０は、鉛直方向Ｖの変位は拘束されるが、水平方向Ｈに変位可能な、両端が支持された梁構造体をなしている。支持構造体２０に支持される油圧アクチュエータ１０は、アクチュエータ収容スペース２５を貫通して下面２１Ｂから下向きに突出するが、そこは、支持構造４３，４３の間であるから、架台４０に干渉することがない。また、水平案内面４１は、基礎４７から所定の高さだけかさ上げして設けられているので、油圧アクチュエータ１０のシリンダ１１が基礎４７と干渉するのを避けることができる。
なお、水平案内面４１の周縁に沿って、支持構造体２０の変位量を規制するための衝立を設けてもよい。

次に、荷重負荷装置１を用いて供試体Ｓに鉛直荷重Ｆ_Ｖを負荷する際の、荷重負荷装置１の動作を、図４及び図５を参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、供試体Ｓに白抜き矢印で示される鉛直荷重が、支持構造体２０に支持された油圧アクチュエータ１０により加わるとロードセル１５により鉛直荷重Ｆ_Ｖを計測する。図４（ａ）に示すように、供試体Ｓが厳密に鉛直荷重だけを受けていれば、油圧アクチュエータ１０を支持する支持構造体２０は当初の位置に留まっている。しかし、鉛直荷重として現実に加えられる荷重は鉛直方向からずれることもあり、供試体Ｓが水平方向への変位が拘束されていない場合には、供試体Ｓは水平方向に変位しうる。図４（ｂ）は、供試体Ｓが長手方向Ｌに変位した例を示している。荷重負荷装置１は、支持構造体２０と架台４０の間に支承器３０が設けられている。したがって、供試体Ｓの変位に追従して、支持構造体２０が架台４０に対して当初の位置から水平案内面４１に倣って変位する際に、支承器３０の球体３１が架台４０の水平案内面４１の上を転動するので、支承器３０と架台４０の間の摩擦による抵抗は小さく、供試体Ｓには水平荷重Ｆ_Ｈが加わらないか、加わったとしても微小である。また、荷重負荷装置１は、支持構造体２０で油圧アクチュエータ１０を鉛直方向に支持しており、支持構造体２０が水平方向に変位しても油圧アクチュエータ１０は鉛直方向から傾くことがないので、供試体Ｓには安定して鉛直荷重が作用する。
したがって、本実施形態の荷重負荷装置１によると、供試体Ｓが水平方向に変位したとしても、油圧アクチュエータ１０を介して鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを高い精度で負荷することができる。

また、荷重負荷装置１は、支持構造体２０が油圧アクチュエータ１０を支持する位置を境にして、支持構造体２０の水平方向の変位が生じうる左右の両側に支承器３０が配置されている。特に、荷重負荷装置は、油圧アクチュエータ１０を支持する位置を対称の中心として、４つの支承器３０が点対称をなす位置に設けられる。これにより、油圧アクチュエータ１０は、より安定して支持されるので、鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを高い精度で負荷することができる。

図４は、油圧アクチュエータ１０を支持する支持構造体２０が長手方向Ｌに変位する例を示したが、本実施形態の支承器３０は、球体３１を転動体として備えている。したがって、図５に示すように、供試体Ｓが幅方向Ｗに変位しても、支持構造体２０はこれに追従して幅方向Ｗに無理なく変位することができるので、鉛直荷重Ｆ_Ｖのみを高い精度で負荷することができる。
なお、ここでは、最も典型的な例として長手方向Ｌと幅方向Ｗについて説明したが、球体３１を用いているので、水平方向の任意の方角に支持構造体２０が無理なく変位することができる。

本実施形態の荷重負荷装置１が適用される用途は任意であるが、例えば航空機の機体の強度試験に適用することができる。この航空機の強度試験は、図６に示すように、実際の機体を模擬した強度試験用の機体３を用いて行われるが、飛行している状態を再現するために、機体３の複数個所にワイヤを取り付けて宙吊りにする。したがって、機体３は水平方向の変位が拘束されていないので、鉛直方向の荷重だけを機体３に加えようとしても、機体３は水平方向に変位する。

さて、強度試験は、図６に示すように、胴体４の前方に設けられる前脚５と、胴体４の中央部分に設けられる左右の主脚６，６と、合わせて３点をそれぞれ荷重負荷装置１で支持して行われる。なお、前脚５及び左右の主脚６，６ともに、車輪は取り付けられていない。
以上のように、機体３を３点支持した状態で機体３の各所に鉛直荷重を加えて、それぞれの荷重負荷装置１において、鉛直荷重Ｆ_Ｖを負荷する。つまり、それぞれの荷重負荷装置１における油圧アクチュエータ１０は、これら航空機の脚を模擬したものである。このとき、機体３は水平方向の任意の向きに変位し得るが、支持構造体２０と架台４０の間に支承器３０が介在しているので、負荷される鉛直荷重Ｆ_Ｖは精度が高い。

以上、好適な実施形態に基づいて本発明を説明したが、上記実施形態以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

例えば、荷重負荷装置１は、支持構造体２０の側に支承器３０を設けているが、支持構造体２０が架台４０に対して水平方向に変位できるのであれば、支承器３０を架台４０の側に設けることもできる。つまり、図７（ａ）に示すように、複数の球体３１を架台４０のガイド板４２に転動可能に支持することで、ガイド板４２に支承器３０の役割を持たせることができる。この場合にも、支持構造体２０は、水平案内面４１に倣って水平方向に変位するが、球体３１を介しているので、無理なく変位することができる。
ここで、支持構造体２０が同じ量だけ変位することを前提にすれば、図７（ａ）の形態は、変位する範囲にわたって球体３１を設ける必要があるのに対して、前述した形態は、変位する範囲よりも狭い範囲だけに球体３１を設ければ足りるので、支承器３０を小型にすることができる利点がある。
一方で、図７（ａ）の形態は、支持構造体２０が広範囲に繰り返し変位する場合、球体３１の摩耗が少ない利点がる。

また、荷重負荷装置１は、転動体として球体３１を用いたが、供試体Ｓが水平方向に変位する向きが定まっているのであれば、図７（ｂ）に示すように、複数の円柱状のころ３９を転動体として用いることができる。この場合、特定の変位方向ｄに対して、ころ３９の回転軸３９Ｃが直交するように、ころ３９を支持器３３で支持すれば、摩擦による抵抗を低く抑えることができる。
その他、荷重負荷装置１を構成する油圧アクチュエータ１０、支持構造体２０，支承器３０及び架台４０の構成はあくまでも一例にすぎず、試験の条件に応じて構造を変更することができる。

１荷重負荷装置
３機体
４胴体
５前脚
６主脚
１０油圧アクチュエータ
１１シリンダ
１３ピストンロッド
１５ロードセル
１７フランジ
２０支持構造体
２１支持梁
２１Ａ上面
２１Ｂ下面
２３連結材
２５アクチュエータ収容スペース
２７支承器固定部
３０支承器
３１球体
３２収容凹部
３３支持器
３４Ａおもて面
３４Ｂうら面
３５荷重伝達軸
３７先端
３９ころ
３９Ｃ回転軸
４０架台
４１水平案内面
４２ガイド板
４３支持構造
４４柱
４５斜材ブレース
４７基礎
１００試験装置
１０１油圧アクチュエータ
１０２ピストンロッド
１０３，１０４支持部材
１０５ロードセル
Ｆ_Ｈ水平荷重
Ｆ_Ｖ鉛直荷重
ＰＪピン結合部
Ｓ供試体

Claims

供試体に荷重を負荷するアクチュエータと、
前記アクチュエータを鉛直方向に沿って支持する支持構造体と、
前記支持構造体を水平方向に沿って案内する水平案内面と、
前記支持構造体と前記水平案内面の間に介在し、前記支持構造体が前記水平案内面に対して、相対的に水平方向に変位可能に支承する支承器と、を備え、
前記支承器は、独立して転動が可能に支持された複数の転動体を備え、複数の前記転動体が、前記支持構造体、又は、前記水平案内面に接するように、保持され、
前記アクチュエータは、
前記アクチュエータに載せられる前記供試体に鉛直方向の上向きに荷重を負荷する、
ことを特徴とする荷重負荷装置。
複数の前記転動体が前記水平案内面に接し、
前記支持構造体は前記支承器とともに、前記水平案内面に倣って変位する、
ことを特徴とする請求項１の荷重負荷装置。
前記支承器は、
前記転動体として球体を用い、複数の前記球体を任意の方向に転動可能に支持する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷重負荷装置。
複数の前記球体は放射状に配置される、
ことを特徴とする請求項３に記載の荷重負荷装置。
前記アクチュエータを支持する位置を境にして、前記支持構造体の水平方向の変位が生じる主たる方向の両側に前記支承器がそれぞれ設けられている、
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の荷重負荷装置。
前記アクチュエータを支持する位置を対称の中心として、４つの前記支承器が点対称をなす位置に設けられる、
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の荷重負荷装置。
前記水平案内面は、所定の高さだけかさ上げして設けられる、
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の荷重負荷装置。
前記アクチュエータは、
航空機の機体が備える脚を模擬するものである、
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の荷重負荷装置。
アクチュエータにより供試体に荷重を負荷する荷重負荷装置と、
前記供試体からの鉛直方向の反力を測定する荷重計測手段と、を備え、
前記荷重負荷装置として、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の荷重負荷装置を用いる、
ことを特徴とする荷重計測装置。
航空機の機体に加える鉛直方向の荷重を、前記機体が備える複数の脚を荷重負荷装置により支持しながら、負荷する航空機の荷重負荷方法であって、
前記荷重負荷装置として、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の荷重負荷装置を用いることを特徴とする、
航空機の荷重負荷方法。