大型落錘試験装置による
小衝突エネルギー試験技術の確立

これまで当社は衝撃吸収部材の評価のため写真1に示す落錘衝撃試験機をもちいた試験を行ってきた。保有している試験機は、第1表に示すとおり、供試体を設置する定盤の大きさが3000mm×1200mm、重錘重量が最大で500kg、落下高さが最大15.7mであり、供試体の大きさに合わせて400mm、600mm、800mmと幅の異なる3つの重錘用ガイドレールを有する構造となっている。

第1図に試験機の模式図を示す。重錘の重量は重錘フレームと呼ばれる落下用治具に、設定する総重量となるように最小50kgの重錘を組み合わせて調整を行う。重錘フレームの重量は100kg程度のため、重錘総重量は150kg～500kgの範囲で調整可能となる。

重錘の高さは、試験機に備わっているウィンチで巻き上げて10mm単位で調整を行い、切り離し装置にて重錘フレーム以下を切り離して自由落下させて運動エネルギーとして供試体へ作用させる機構となっている。

重錘フレームにはガイドローラーが備わっており、落下中および落下後の重錘フレームのガイド保持と、できるだけ自由落下に近い状態とするために摩擦抵抗を少なくする工夫が施されている。

負荷可能な運動エネルギーは、最大72kJでありハイテンなどに代表される高強度鋼板を主とした自動車用フレーム材の開発に利用可能である。

本装置は、重錘の落下高さが最大15.7mで10mm単位で調整可能であるものの、落錘可能な重錘重量が最小150kgであるため、最大速度60km/hでは運動エネルギーとしては22kJ～72kJの負荷範囲となり比較的大型な衝撃負荷装置である。そのため、上記以下のエネルギーを負荷する場合は、試験速度を落として試験を実施する必要があり、材料特性や構造特性として強度の速度依存性を評価する場合で、比較的低エネルギー状態で高速に衝撃負荷を与える必要のある試験には適さない装置となっていた。

過去には樹脂製緩衝材の評価や小型の飛翔体の衝突を模擬した試験など、低エネルギー負荷を高速に与える場合に第2図に示すように軽量の重錘をワイヤーで吊り下げて落下させる試験を考えて実施したこともあった。この時、重錘は重錘フレームに吊り下げた状態で重錘フレームごと落下させ、重錘フレームはストッパーで受けて軽量の重錘の衝撃負荷のみが供試体に作用するようにしていた。しかし、この方法の場合、重錘の落下姿勢が不安定であったり、落下後に跳ね返る重錘が自由に暴れたりするため、試験精度や安全面で使用条件が限定されるものであった。

衝撃力の検出は、これまでロードセルをもちいた方法で行ってきた。それは、試験状況に応じて第6図に示すように供試体直下に設置したロードセルで検出する場合と、落下する重錘と負荷子との間に設置したロードセルで検出する場合の2通りの方法である。前者の場合は、今回開発した軽量の重錘の落下試験においても適用可能な方法である。しかし、後者のほうは、ロードセルの設置が困難であったり、設置できた場合でもロードセル部で十分な反力が得られなかったり、衝撃力の検出が困難であった。

そのため、供試体の直下で衝撃力の検出が難しい場合に適用できる新たな検出方法を検討し、その結果、重錘に生じる応答加速度から衝撃力に換算する方法を採用した。

第7図に口型断面の鋼材に対して20kgの重錘を高さ10mから落下させた際の結果を示すが、負荷エネルギー2kJに対して荷重－変位履歴より求めた吸収エネルギーは2kJとなっており検出方法としても満足する結果が得られている。

本方法をもちいることによって、従来の部分構造物の衝撃圧壊試験のみならず、小型飛翔体の衝突を想定した試験など試験速度を考慮した試験にも対応可能としている。