農用ラグ車輪用外力測定装置の開発（第1報） : 直 交円孔型片持ちばり式トランスデューサについて
その他（別言語等）
のタイトル
Development of devices for measuring external forces acting on agricultural lugged wheels (part 1) : Characteristics of transducers of orthogonally holed cantilever type
著者 岸本 正, 坂井 純, 谷口 哲司, 石本 和重
雑誌名 帯広畜産大学学術研究報告. 第I部
巻 17
号 3
ページ 271‑277
発行年 1991‑11‑30
URL http://id.nii.ac.jp/1588/00002001/
帯大研報Ⅰ，17（j991〕：271〜277
農用ラグ車輪用外力測定装置の開発（第1報）
一 直交ド抒L型片持ちばり式トランスデューサについて
堤本 正1・坂井 純2・谷∩ 荷司1・石本 和音1
（受理：1991年5月31日）
Developmentofdevicesformeasuringextcrnalforces actingonagriculturalluggedwheels（partl）
CharacteristicsoftransducersoforthogonallyholedぬntilcverLypep
TadashiKISfHMUTOl，JunSAI（Aド
TeLsujiTANIGUCⅢl，KazushigeIsHIMOTOl
摘 要
農用車輪に作補する諸外力測定ゎために，実験用申輪のみならず耕転機等の車軸部分にも装 着可能な2分力測定崩の「直交円孔型片持ちばり式トランスデューサ」の設計開発と試作およ びその特性について検討した。装置は駆動車輪用と自由転載串輪用の2樺観である÷Jトランス デューサにひずみゲージを貼付した時の測定原理を示し，4ゲージ法により作間点の位置に影 響されずに力を削崖できることを確認した。
トランスデューサの客分力計で校了Eを行ったところ，ひずみと荷重との相関係数は0．拍拍程 度となり，ヒステリシスが少なく直線惚が優れていることが判明した。また，直交する分力計 間叫∴渉を測定したが殆ど発生せず，さらに．種々の力を懸けた時に測建値と計算値が一致し，
実掛こl・分な精度で供試できることが判明した。
キーワード トランスデューサ，駆動車輪 自由転勤車線車輪工学，農用車輪
l帯広畜廠大学畜産学部畜産環境科学科（08D 帯広市稲㌶町西2線11）
2九州人学農学部農業工学科（別2 福岡市東区箱崎610−1）
LUcpartInenIofAgroeTIViroIlmenLalSciencc，ObihiroUnjveT只1ty（｝fAgricultureEmdVeterinaryMedicine，
Oblhiro O80，Japan．
21）epartmentofAgTiculturalEngineering，FacultyofAgricl】1ture，KyushuUnivcrsitylFuktlOka8］2・
Japan．
81一
∠72
岸本JE・坂井 純・谷口哲司一石本和垂
緒 言
今比 農薬機械は大型化が進みトラクタのけん引力
増加のためにラグ付車輪が多く使粗されている。この ラグ車輪に作用する外力として，従来ころが、り抵抗や
推進力あるいは接地荷雲反力等が知られており．これ
らは農業機械の作業運行に大きな影響を与えている。
農用車輪に関する研究ほ多くの場合は水平方向の運 動を表現する進行低下率を含んだトロコイド運動とし
て膵折されてきたが，垂虐方向の運動を示す上昇低下 率Ⅰ■を導入し作用特性を解析した轄鼠岡1に示すラ グを構成す思各面（AB、月C，C工）およぴDE面）は 各々作用が異なっていることか判明セ】射し，この結果 より．AB面の設計理論式巷斬、たd）。従って．単軸全 体に作用する外力と共に，ラグに作用する外力を各面 で独動こ測定することで，これらの作用解析や設計理 論の妥当性を実証する必要がある。
0
トランスデューサの構造 本測定装置は2次元分力柳定何であるが，自由転勤
皐嘩用および感動車輪用でば構造等がやや異なる。ト ランスデューサ感知部は角如で製作されており，基本
的には．円孔力良計鋸を応用したものである。
（1）自由転勤車輪用トランスデューサ
本装置はころがり挽抗および接地荷重反力測定用で ある。図2に自由転勤車輪用トランスデューサを示す。
この装圃は車輪叔付弥と感知部より構成されている円 卓繭取り付け用フランジはム軸受右介して軸に装着さ れており，車輪は自由に也転できるように′なっでいる。
従って．車軸に直接車輪を装着するのではないので，
耕転機やトラクタ等を使用して実験を行う鳩舎で、も，
申輪の回転に伴う本磯波遠戚尊等による機械内祁の瓶 抗痘考慮する必要がなく，ころがり抵抗接地荷重反
力を面橡計測可能である
園2 自由転勤車鎗用トランデューサ
トランスデューサは基本的には片持ちぼりの構造で
あるが、岡上鋸こおけるころがり抵抗係数が軋1〜0．48）
であることを考慮し，大きい値の接地荷電反力と小雀 い伯でそ〃〕作間方向がgOO：変賽Lているころがり抵抗 を同時に計測可能な構造となっている。しかも，感知 部が直交しているので，ころがり舷抗および接地荷竜
反力を独正に測定することが可能である。つまり、図 2にホしたように、橡地荷車反力測定用としては工つ
の門札を設けてあるがtころがり抵抗測定用乏しては．
ニれに盾交し灯闊乱こ2つの円孔をヰ巨列連結した形状 e）ものが設けてあり，ころがり抵抗測温凍の感度が高
くなるように設計してある。
なお，いずれの外力測定においても4ゲージでブリ
ッジ回頗を組み山刀を得るようになっている、。
園lラダ車輪の設計寸法角度要素
そこで本研究ではコ 車輪合体に作用する外力を潮定
する「直交円才L塑片持ちばり式トラン芥デューサ と
ぅグに作用する外力を3血（∠ゝB，B（〕，〔エロ血）で独立に戸別足する」ラダ3面用小型トランスデューサの 設計開発患よび測定原理等について検討Lた。
なお本職でば第1報として，塵輪全体に作用する外
力測定の美めの 直交円一札型片瀬ちばり式トランスヂ
。L−−サにっいて報鳶する つ
一 緒
農用ラグ申輪用外力測定装眉の開発
（2）駆動車輪用トランスデューサ
本装置は正味推進力および接地荷重反力測定用であ る。図3に駆動輪用トランスデューサを′Jけ（】この装
置は感知部の両端にフランジが溶接されており，トル ク感知闘九軸側が申輸取付用，他方が駆動軸側である。
感知部は自由転勤車輪用と同様に角鋼を用いた片持 ちばり式であり．1つの円孔を直交した2ケ所に設け
た構造である。ただし躯動車輪の楊台には，車輪回転 に伴いトランスデューサ本体も回転するので，次節で 述べるように，捉促された直交する2力を車輪回転角 により，推進力と接地荷重圧力に変換する必要がある。
なお，トルクは角軸の 偲を切削し中東丸軸に加「二し
た部分で感知するようになっている。
いずれの測定においても，4ゲージでブリッジ回路
を細み出力を得るようになっている。
C D
∩ l ‖ 1 ‖ ‖
d
C
b ころがり抵抗 鼠4 ひずみゲージ貼付位層
y軸カ 向のカセ ）・の作用点からa，bの位置（A，
8点）の上ドにひずみゲージが貼付してある。‡■yが 作用する軋 A風にあるゲージG仙 GJ2．R点にあ るゲージG紬 Gβ2においては．それぞれ出力2倍と 温度揃債がなされ，中心線方向の圧縮・引張ひずみは 消去される7二。また，Fyが作用した時．一般には片 持ちばりでは図5 aのように変形するが，円孔を設 けた場合にほ図5bのように変形する5
。 F y
Gd− ト） Gβ上（1）
（；」2（） G帽（∵）
畠 片 持 ち ば り
図ユ 駆動車輪用トランスデューサ 測 定 原 理
m 日和転勤車輪欄トランスデューサ
前節で述べたトランスデューサは，基應的には什持
ちばりによる脚デモーメントにより出力を得ているら 図4にひずみゲⅣジの貼付付置を示すりなお，座裾
系は師折を適して，車輪進行方向をⅩ鰍 ヒ方「占Jをy 軸とする。
GdL ＝） G打1（）
C昭（） c呵（十）
Fy AB
b
a b 円孔がある片持ちばり
囲5 トランスデューサの変形模式図 a 接地軒垂反力
舶
27」
岸本 正・坂井 耗・谷∪哲司・石本和電
囲5 bにおいてG。1．GA2に生じる樅ひずみg…
吉昭はβ〕式（川こなる。
py・a Fy・a
McM♪
F x＝
cd
以上より，自由転勤車輪に作用する接地荷重反カを Fy，ころがり抵抗をFxとして作用点の位置に影響き れずに測定可能である。
（2ト喝動車輪用トランスデューサ
庭動車輪用装置では2つの円孔の大ききを同一にし てあるので，式（5）（7伸のゲージ閤距粗が同一（a−b
＝ed）とな軋 これを考慮すれば式（5）および式（7）
により，Fx，Fyを表わすことが可能である。しかし，
これらの力は感知部が聞達きれた場合の力であ軋 自
由転勤車輪に関しては問題ないが，駆動車軸では感知 部が車輪と共に回転するので，回転率横系かち固定座 標系へ変換しなければならない。そこで，図督に示す ように車軸の直卜者卓翰回転為ゼロとし，駆動輪の回 転座標系上の力Fx，Fyをそれぞれ推進力F〟および 接地荷重反力Fvへ事棉回転角￠を用いて変換を行う
と，次式で表現される。E・Z」 E・Z」
また，G81，Gβヱでは式（2日こなる。
Fy・b Fy・b
（2）
ト：・∴I E・Zβ
ここで，
Eニ縦弾性係数
ZA，Z8：Å．B各点でめ断面係数 武皿動こより，Fyは次式で表わきれる。
b、2
a
1 （3）
（占β2 占β1）Zβ1
ゲージ月占付紐置〔A，B点）が円孔中心より周一距 離であれば，これらの点での断面係数は等しくなる。
こ由時の断面係数をZとすれば，式（引は次式となる。
（≡：）＝（
C O＄ゆ，
S、in㊥．
E・Z
圧盲パE。雲）ノ（￡∧月2己β．）1
（4）
Fy
2〔′a−b）
式（4ほこり，FyはA，B各点のひずみが得られれば 作用点の位置に影響されずに．，ゲージ貼付位置の断面 係数 A，B点に貼付されているゲージ間の距離より 求めることができる。
また，A，B点が受けるモーメ∨ントをそれぞれMA，
ふIβとすれば，
喜（長月・ど」鵡＝恒亡βl）E＝ 魁
Z
これより一 式（・4）は次のように表現される。
M山M月 ab
FI＝ ヽ
囲6 匡ほ座標系と回転座標系
よって，式（8）より卓輪に作用する正味推進力および
接地荷重反力が測定可能であるの
トルク汎定については如0のクロスゲージを用いて
4ゲージ法で測虚した。装置の校正
トルク測定桐ひずみゲージの較正は車輪取付用プラ
次に，Ⅹ軸方向のカグxについて考えるや図4に示 したように，ゼⅩの作用点からc，dの位置（C．D 点）の上下にひずみゲージが貼付してある。アyと同
様にF罵を求めると，E・Z
（（丘。】ど。之）（gβ2−￡βt）‡
（6）
2（仁d）
式（隠をモーメントM。，MDで表現すると，
一 朗 −
2了5
農相ラダ専輸用外力測定装置の閲発
用トランスデューサに灯Lて樺々の方向から既知の荷 重を感けた時に，ころがり抵抗と接地荷重反カの2分 力が正確に測定可能であるか．また，駆動車輪用トラ
ンスデューサでは座標系の変換により正味推進力と横 地荷車反力がそれぞれ正確に測定できるかを換討す
る。
（1）自由転勤車輪用トランスデューサ y軸にβの傾きで，トランスデューサに荷車Fを作 用させる。この時の水平成分Fx．垂直成分Fyは以卜 のようになる。
Fx＝F・5in（，
柑1‥・・ 一
式酬10仰の∂を変えた時に．これらの式で与えられ るFx，FyとトランスデコL−−サでの漁l度値が一致すれ ばよい。そこで．これを確認するために∂を変化して
トランスデューサに力を懸けて測定を行った。これら の値の測定は，トランスデューサにノ」を作用させた時
の出力をストレーンメータで増幅し，その数値をデジ タルテスタで直接読み取る万凌で行った。なおく．作用 させる力は，実験を通してg8．59下とした。
βをOじから900に変化した疇頑拙走結果および計 算結果を義3に示す。計算帖と測定値との間には若干 ロ〕業が認められるが，これはトランスデューサの設置 伏態笹より∂に務差が含まれるためである。しかし，
この場合でも計算値とi利達値′と♂〕羞は3％程度となり
実用上では十分精度が董り，実験に供試可能である．）
蓑3 自由転勤車輪用トランスデューサでの結果 ンジに長さa朗mmのアームを装着し，その先端に荷重
を懸けて行った。また，トルケを除く車軸型トランス
デューサは各測定部に荷重を懸けて行った。
装置の校正の一例を図7に示す。また．校肝．結果を 衷1および義2に示す。これより，各装置の相関係数 ほ0．鮒紺と高く，ヒステlトンスが少なく感知部の精進 め高きを示しているじまた，直交する力量計との干渉
も発生Lておらず，2分力計として十う）構慶があるこ とをが分かるく。
20U
ひずみ（ス1n R）
図7 トランスデューサ較正の一例
義1自由転勤車輪用トランスデューサの較正結果
計 算 値［Ⅳ］
測定値［か］1泊．59 98．43 2．096
イ9．3n 怨2．83 49．紹
］帽nβ「F裳1Fも由∂LFy」 Fx F）・ n 85．39 鯛．30 85．39 46，58 阻69 0 9臥59 −3．1′用 97．36
センサ 儀塵荷車夜力 係 数 相関係数 良．76P O．泊99 ころがり抵抗 2，4の2 0．999g
単位はN／str乱主n
表2 駆動車輪用トランスデューサの改正結果
係 数 相関係数 セ ン サ
脚靡動車輪用トランスデューサ
トランスデューサに常に下向き￠）ノ」．Fを作隅させ車
輪を回転すると，F又とFyの制定イ隠は回転に伴い変化 すると考えられる。Lかし，これらの捌定植巻武：8）の Fx，Fyとして計算すれば，
fl〟＝0，Fレ‥−F
となり，Fの人ききを求めることができるはずである。
つまり．式廟かふ求簸たFrとトランえデューサにド
Fx 7．糾2 軋999g
Fy 9▲215 り儲99
ト ル タ
0．2り17 軋9999鞘出札や＝N佃rain，トルク＝N−¶／ 如ai∫1
測定値精度の検討
装置を実験に決議する前段階として，自由奉云勃車輪
紙
∠76
岸本 正・坂井 耗・谷口酉司■石本和重 向きに作用させたFの大きさが一致すればよい。騒動
車輪での測定も自由転動車輪と同様の方法で行った。
Fの大きさを98．59Nとした時のトランスデューサ の回転に伴うFx，FyおよぴFの測定結果を図召に示
す。これより，回転角3300付近では装置の設置の仕 方や測定誤差等により，Fと測定値との間に若干の差 が認められるが．その他の区間では3％程度であり，
莫験に供試可能である。
国8 駆動車絵用トランスデューサでの測定結果
3．駆動専輪用測定装置セは．直交する同径の2円
孔により曲げ巷測定する力量計の構造とした。車輪回
転時における推進力と接地荷重反力は．式（4）からけ）で得られる2分力を式（8）で変換して得た。
4，各装置で校正を行った。荷育とひずみとの関係 は相関係数が0．999g以上の値となり，ヒステリシスが 少なく1分力計としては精度が高いことが明らかにな
った￠また，直交する分力計との干渉も殆ど発生しな いことが分かった。
5．各装置に種々の荷電を懸け測定精度を検討した ところ．測定他と計算値ははぼ一致し実験に十分に供 試できることが判明した。
謝 辞
本装置の校正および測定値検討のための実験にあた
っては，畜産環境科学科機械実習⊥場の神田晃文部技 官および卒業生である渡連勝彦君（現北海道日本電気
㈱ソフトウェア），間野正彦君（親帯広頚重大学大学
結 古
事輪全体に作用する外力を測定するために，車軸部 分にひずみゲージを貼付し力量計とLて「直交円孔型
片持ちばり式トランスデューサ」を設計試作した。試 作装置について．その測定原理を片棒ちばりでのひず
み発ヰとして解析すると共に校正を行い，さらに実際
に荷重を感けて測定精度の検討を行った。これより得
られた結果は仁王として次のとおりであるっ
1．自由転勤車輪用トランスデューサは，直交する 円孔の形状を変えることにより感度の異なる2分力用 力量計とし，ころがり捻抗と接地荷重反力のようにオ ーダが1桁迷う外力の測定が可能なように設計した。
2．トランスデューサを片涛ちばりと考え．ひずみ
ゲージを貼付した時の測定原理を明らかにした。これ より．測定する2分力を式（利から（7）で示し，4ゲージ
法により力の作用点の付置に影響されずに力の人きさ
が測定できることを示した。
− さ6 l
農用ラグ車輪用外力測定法置の開発
隊）に多大な協力を頂いた。記して謝意を表わします。
参 考 文 献
1）坂井 範，岸本 正，スリン・ポンスパサミット：
慶用葦輸の設計理論に関する研究（第1報），農 業機械学会鼠 算5け巻6年，11−18，】9弛 2）岸本 正，井ヒ英二坂井 純，松尾隆明：農用
専輪の設計理論に関する研究（第2轍），農菓機 械等会誌，第52巻4且1119，1990．
3）岸本 正，坂井 絶井上英二．松尾障明：農用 車輪の設計理論に関する研究（第4報）．農業機 械学会誌，第53巻3号．25弘19鋸．
4）岸本 正，坂井 絶甘ヒ英二：鹿用車輪の設計 理論に関する研究（第3報）′ 農業機械学会誌，
第53巻2号，ユ11．柑91．
5）谷 泰弘畑村洋太肌長尾高明：切削用小型3 方向ロードセルの開免 R本機械学会論文集
（C編），48巻432号，12651274，1982．
6）農業機械学会：改汀農業機械ハンドブック，コロ ナ社，315，19了5．
7）渡辺 甥：ひずみゲージとその応用，日干り工業新 聞社1即 77，19隠
8）黒木刷司郎：材料力学，森北山坂株式会社，
19，4259，1977．
Sllmmary
ThedesignpdsLructureaLndfeatureofthetrial lr8．nSducer革Werediscussed．Tbe specialtrans−
ducersorwheelax1日tyI】eWhichl代redescrit〉edas the 〜13rthogonallyhcrlpd cantilcvertype were develol〉edseparatelyroratracしionandatrans portwheelinordertomeasurer（汀CeSaC山gon 昭rlCulturalwheel＄．Themeasurlngprl汀Clples orthもd帥i恍￡uShgsけaingaugeswerealsodls c11SSed．
．Thedevices＼l・ereSuitablerr汀me8．Suringrorces withllttlei【lt（）rfく汀enCe and hysteresis，孔S WaS eviderltfromtherestlltsf）rCalibratiDnWhichgave O．9鍾90fcoeげicientoreofrelationbetweenstraln andlord．
兄錯．月厄〃．Cめ〃誠n）Lh五・．∴し〃川柳ノニg〃〜gr／
87
