制振キャスターの制振メカニズム分析（設計選定および故障解析の参考用）

公開日：Sep 19,2025

1. エラストマーのエネルギー吸収

ホイールの表面には、高遅延損失ゴムまたは鋳込みウレタンを優先的に使用し、分子鎖セグメントの緩和によって機械エネルギーを熱エネルギーに変換します。硬度は調整可能（ショアA 65～95）、10～40％の圧縮ひずみ範囲で非線形剛性を提供し、「ソフトランディング」を実現します。

2. スプリング蓄エネルギー

金属製のスパイラルスプリングまたはベルヴィル積層スプリングが、ホイールフレームとホイールシャフトの間に配置され、ストローク-荷重曲線に従って段階的に分類される。

- 軽荷重段：剛性 0.8–1.2 N/mm、8–15 Hz の地面振動を隔離；

- 荷重段：剛性 3–5 N/mm、過剰変位を 3 mm 以上としないよう制限。

多段並列接続により、0.1 g～5 g の衝撃スペクトルをカバー可能。

3. ダンピング散逸

3.1 材料の減衰：損失係数 tan δ が 0.15 以上のゴムは、20 °C、50 Hz において、振動エネルギーの30 % 以上を熱に変換できます。

3.2 油圧ダンピング：シリンダー径15～25 mm、粘度32 cStのシリコーンオイルを使用し、速度指数0.3～0.5の粘性ダンピングを提供。臨界減衰比ζは0.25に達し、30～200 Hzの共振ピークを顕著に抑制します。

4. 構造防振

4.1 独立懸架：アーム+ピボット構造により、各輪の自由度がデカップリングされ、路面の不整度伝達率が ≤ 0.4（ISO 2631 加重値）。

4.2 複数輪による均等荷重：4点または6点配置で、静不定構造により単一輪の動的荷重係数を1/√n（n=輪数）に低下させるとともに、転倒モーメントも低減します。

5. 硬度勾配と多層複合

「ソフト-ハード-ソフト」のサンドイッチ構造を採用：

- タイヤ表面 ShA 75、高い摩擦力と初期の衝撃吸収を提供；

- 中間 ShA 95、過剰変形を制御；

- ホイールベアリング ShD 65、旋回精度を保証します。

有限要素解析の結果、500 N の径方向荷重下で、グラデーション設計は均質構造に比べて振動ピーク加速度が18％低下しました。

6. 流体弾性ユニット

6.1 ゴムタイヤ：予備空気圧0.25～0.35 MPa、等価剛性は空気圧-体積の非線形特性を示し、5～20 mmの起伏路面における加速度減衰率は55～70％です。

6.2 液体充填：50 % エチレングリコール溶液、体積弾性率2.2 GPa、スロット孔により0.15 MPaの減衰背圧を発生させ、10～50 kgの精密機器に適し、二次衝撃振幅の抑制が25 dB以上です。

結びの言葉

制振キャスターは、「弾性変形－ばね蓄エネルギー－減衰散逸－構造的デカップリング」という4段階の直並列モデルにより、広帯域のランダム振動を60～90％減衰させ、機器の寿命を2～4倍向上させるとともに、ISO 2372 の A 級振動限界値を満たします。選定時には、荷重－速度－地面スペクトルに応じて剛性と減衰を適切にマッチングすることで、信頼性の高い制振効果を得ることができます。

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