(57)【要約】【課題】接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価すること。【解決手段】接触部材モデルを作成(S1)、次に接触部材モデルにおいて各接触面の内部の所定部位を基準として所定面圧で接触させた状態で各接触部材を接触面に沿う方向に相対移動させ各接触面の内部での各接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析(S2)、次に接触部材モデルにおいて各接触面の各相対滑り量および各面圧のピーク値を含む所定範囲に凝着を設定(S3)、次に各接触部材を各接触面に沿う方向に相対移動させ各接触面の内部での各接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析し各応力特異場を取得(S4)、次に各凝着端部での深さ方向の応力分布により疲労限を求め当該疲労限に応力特異場パラメータを導入し各接触面の亀裂の発生有無を評価(S5)、次に亀裂の発生有無の評価に基づき実測された各接触面の相対滑り量および面圧に伴うフレッティング疲労限度を解析(S6)。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に接触する平坦な接触面を有する各接触部材を表現する接触部材モデルを作成する工程と、
次に、前記接触部材モデルにおいて各前記接触面の内部の所定部位を基準として所定面圧で接触させた状態で各前記接触部材を前記接触面に沿う方向に相対移動させ、各前記接触面の内部での各前記接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析する工程と、
次に、前記接触部材モデルにおいて各前記接触面の各前記相対滑り量および各前記面圧のピーク値を含む所定範囲に凝着を設定する工程と、
次に、凝着した状態で各前記接触部材を各前記接触面に沿う方向に相対移動させ、各前記接触面の内部での各前記接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析し、各応力特異場を取得する工程と、
次に、各凝着端部での深さ方向の応力分布により疲労限を求め、当該疲労限に応力特異場パラメータを導入し、各前記接触面の亀裂の発生有無を評価する工程と、
次に、亀裂の発生有無の前記評価に基づき実測された各前記接触面の相対滑り量および面圧に伴うフレッティング疲労限度を解析する工程と、
を含むことを特徴とするフレッティング疲労評価方法。
【請求項２】
接触部材モデルにおいて各接触部材の複数の材料物性での各前記工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のフレッティング疲労評価方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のフレッティング疲労評価方法をコンピュータに実行させるフレッティング疲労評価用プログラムを記憶する記憶部と、
前記記憶部から前記フレッティング疲労評価用プログラムを取得し、当該フレッティング疲労評価用プログラムを実行する制御部と、
を含むことを特徴とするフレッティング疲労評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触面圧をもって相対移動する機械要素に生じるフレッティング疲労を評価するフレッティング疲労評価方法およびフレッティング疲労評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１は、フレッティング疲労試験装置およびフレッティング疲労推定方法について示されている。フレッティング疲労試験装置は、試験片に対して所定の面圧をもって接触させるパッドと、このパッドおよび試験片を相対移動させる加振手段と、試験片のフレッティング疲労が発生する部分であってパッドとの接触部以外に設けた歪みゲージと、を備えるものである。また、フレッティング疲労推定装置は、試験片に面圧をもってパッドを接触させ、この試験片に発生するフレッティング疲労を評価するにあたり、試験片とパッドとの接触端部に生じるフレッティング疲労発生時のピーク応力を取得し、このピーク応力を用いてフレッティング疲労限度を推定するものである。
【０００３】
特許文献１では、フレッティング疲労における応力は、試験片とパッドとの接触端部でピーク値を示し、この接触端部から亀裂が生じる点に着目して、試験片のフレッティング疲労が発生する部分に歪みゲージを設け、ピーク応力を直に取得するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１の段落０００８に記載のように、パッドとの接触部分に歪みゲージを取り付けることはできない。このため、特許文献１では、パッドとの接触部分を避けて可能な限り近傍に歪みゲージを設置するようにし、取得したピーク応力に基づいてフレッティング疲労限度を推定する。
【０００６】
特許文献１による推定方法は、比較的高い精度でフレッティング疲労限度を推定することが可能であるが、近年では、設計評価として、歪みゲージを取り付けることのできない接触部分である接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価することが切望されている。
【０００７】
本発明は上述した課題を解決するものであり、接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価することのできるフレッティング疲労評価方法およびフレッティング疲労評価装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明におけるフレッティング疲労評価方法は、相互に接触する平坦な接触面を有する各接触部材を表現する接触部材モデルを作成する工程と、次に、前記接触部材モデルにおいて各前記接触面の内部の所定部位を基準として所定面圧で接触させた状態で各前記接触部材を前記接触面に沿う方向に相対移動させ、各前記接触面の内部での各前記接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析する工程と、次に、前記接触部材モデルにおいて各前記接触面の各前記相対滑り量および各前記面圧のピーク値を含む所定範囲に凝着を設定する工程と、次に、凝着した状態で各前記接触部材を各前記接触面に沿う方向に相対移動させ、各前記接触面の内部での各前記接触面に沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析し、各応力特異場を取得する工程と、次に、各凝着端部での深さ方向の応力分布により疲労限を求め、当該疲労限に応力特異場パラメータを導入し、各前記接触面の亀裂の発生有無を評価する工程と、次に、亀裂の発生有無の前記評価に基づき実測された各前記接触面の相対滑り量および面圧に伴うフレッティング疲労限度を解析する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
このフレッティング疲労評価方法によれば、各接触面の接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価することができる。
【００１０】
また、本発明におけるフレッティング疲労評価方法は、接触部材モデルにおいて各接触部材の複数の材料物性での各前記工程を行うことを特徴とする。
【００１１】
このフレッティング疲労評価方法によれば、一方の接触部材側においてフレッティング疲労限界の高い材料物性や、他方の接触部材側においてフレッティング疲労限界の高い材料物性を評価することができ、フレッティング疲労限界のより高い実機を設計するためのフレッティング疲労の評価をより高い精度で行うことができる。
【００１２】
上述の目的を達成するために、本発明におけるフレッティング疲労評価装置は、上記のフレッティング疲労評価方法をコンピュータに実行させるフレッティング疲労評価用プログラムを記憶する記憶部と、前記記憶部から前記フレッティング疲労評価用プログラムを取得し、当該フレッティング疲労評価用プログラムを実行する制御部と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
このフレッティング疲労評価装置によれば、上記フレッティング疲労評価方法を実施することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るフレッティング疲労評価が行われる接触部材の構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るフレッティング疲労評価装置の構成を示す説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係るフレッティング疲労評価方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図４は、接触部材を微小要素に分割した接触部材モデルの一例を示す図である。
【図５】図５は、接触面の滑り量を示すグラフである。
【図６】図６は、接触面の面圧を示すグラフである。
【図７】図７は、接触部材モデルにおける接触面の滑り量および面圧のピーク値を含む部分に凝着を設定した一例を示す図である。
【図８】図８は、凝着により発生する応力特異場を示すグラフである。
【図９】図９は、応力特異場パラメータを示すグラフである。
【図１０】図１０は、応力特異場パラメータの導入により求める疲労限を示すグラフである。
【図１１】図１１は、相対滑り量および面圧に伴う各接触面のフレッティング疲労限度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るフレッティング疲労評価が行われる接触部材の構成図である。本実施形態において示す接触部材１，２は、相互に接触する平坦な接触面１ａ，２ａを有するもので、図１では、一例としてエンジンのピストンロッドを示している。このピストンロッドは、一方の接触部材１である連接棒（以下、接触部材１と同じく符号「１」を付す）と、他方の接触部材２である上部冠（以下、接触部材２と同じく符号「２」を付す）とを有する。連接棒１は、先端にピストン（図示せず）が接合されるピストン接合穴を有し、基端に接触面１ａが形成されている。上部冠２は、クランク軸（図示せず）に接合されるクランク軸接合穴を有し、外周の一部に接触面２ａが形成されている。これら連接棒１と上部冠２とは、相互の接触面１ａ，２ａがスペーサ３を挟んで合わされ、２箇所をボルト４により締結される。なお、スペーサ３は、接触面１ａ，２ａへの応力集中を抑制するためのものである。本実施形態では、スペーサ３を適用した構成であるが、当該スペーサ３を設けなくてもよい。また、上部冠２は、クランク軸への接合にあたりクランク軸接合穴を開放するように２分割されており、相互がボルト５により締結されている。
【００１８】
このようなピストンロッドは、ピストンが図１の紙面上下方向（接触面１ａ，２ａが接触する方向）に移動することで連接棒１が上下に移動し、これに伴い上部冠２がクランク軸を回転させる。このとき、繰り返し負荷により連接棒１および上部冠２の接触面１ａ，２ａの部分が図１の紙面左右方向（接触面１ａ，２ａに沿う方向）に変形する場合、各接触面１ａ，２ａに、各接触面１ａ，２ａに沿う方向の滑りが生じる。また、各接触面１ａ，２ａは、ボルト４の締結によりボルト４の周囲に局所的に高い面圧が生じている。このため、接触面１ａ，２ａのボルト４の周囲にフレッティング疲労による亀裂が発生するおそれがある。
【００１９】
このようなピストンロッドでは、フレッティング疲労を低減できるように設計されることが好ましい。以下、このフレッティング疲労を低減するためのフレッティング疲労評価を行うフレッティング疲労評価装置およびフレッティング疲労評価方法について説明する。
【００２０】
図２は、本実施形態に係るフレッティング疲労評価装置の構成を示す説明図である。図２に示すように、フレッティング疲労評価装置１０は、コンピュータ１１と端末装置１４とを有する。
【００２１】
コンピュータ１１は、制御部１２と記憶部１３とを有する。制御部１２は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit：中央演算装置）である。制御部１２は、モデル作成部１２Ａ、滑り量・面圧解析部１２Ｂ、凝着位置設定部１２Ｃ、応力特異場パラメータ導入部１２Ｄおよびフレッティング疲労解析部１２Ｅを有する。これら、モデル作成部１２Ａと、滑り量・面圧解析部１２Ｂと、凝着位置設定部１２Ｃと、応力特異場パラメータ導入部１２Ｄと、フレッティング疲労解析部１２Ｅとは、電気的に接続され、相互にデータのやり取りを行うことが可能である。この制御部１２は、端末装置１４からの命令またはデータの入力を受けたり、フレッティング疲労評価結果を記憶部１３に記憶させたりする。
【００２２】
記憶部１３は、一例として、ハードディスク装置または半導体記憶デバイスである。本実施形態のフレッティング疲労評価方法の処理手順を含むフレッティング疲労評価用プログラム（図３に示すフレッティング疲労評価方法を実行するためのプログラム）や、材料物性などのデータが記憶される。記憶部１３は、コンピュータ１１と通信回線を通じて接続されるもの（例えば、データサーバー）であってもよい。
【００２３】
端末装置１４は、制御部１２に接続されており、表示部１４Ａと、入力部としてのキーボード１４Ｂおよびマウス１４Ｃとを有する。表示部１４Ａは、制御部１２による処理結果を表示する。入力部としてのキーボード１４Ｂおよびマウス１４Ｃは、本実施形態のフレッティング疲労評価方法を実行するための必要なデータを制御部１２に与える。
【００２４】
次に、このフレッティング疲労評価装置１０を用いて、本実施形態のフレッティング疲労評価方法を実現する手順を説明する。図３は、本実施形態に係るフレッティング疲労評価方法の処理手順を示すフローチャートであり、図４は、接触部材を微小要素に分割した接触部材モデルの一例を示す図であり、図５は、接触面の滑り量を示すグラフであり、図６は、接触面の面圧を示すグラフであり、図７は、接触部材モデルにおける接触面の滑り量および面圧のピーク値を含む部分に凝着を設定した一例を示す図であり、図８は、凝着により発生する応力特異場を示すグラフであり、図９は、応力特異場パラメータを示すグラフであり、図１０は、応力特異場パラメータの導入により求める疲労限を示すグラフであり、図１１は、相対滑り量および面圧に伴う各接触面のフレッティング疲労限度を示すグラフである。
【００２５】
図３に示すステップＳ１で、制御部１２のモデル作成部１２Ａは、図１に示す連接棒１、上部冠２およびスペーサ３を有限要素法（ＦＥＭ：Finite  Element  Method）に基づく複数の微小要素で表現した、図４に示す実機（ピストンロッド）を模擬した接触部材モデルを作成する。図４に示す接触部材モデルは、図１に太い二点鎖線で囲む部分に相当する。また、図４に示す接触部材モデルにおいて、符号４ａで示す一点鎖線は、ボルト４の中心線である。また、図４に示す接触部材モデルは、接触面１ａ，２ａのボルト４の周囲にフレッティング疲労による亀裂が発生するおそれがあることが分かっていることから、接触面１ａ，２ａのボルト４の周囲をより細かな微小要素で表現している。
【００２６】
また、モデル作成部１２Ａは、接触部材モデルにおいて各接触部材である連接棒１および上部冠２を各接触面１ａ，２ａの内部の所定部位（ボルト４の中心線４ａ）を基準として所定面圧（荷重）で接触させる。本実施形態では、スペーサ３を適用しているため、連接棒１および上部冠２を各接触面１ａ，２ａの面圧はスペーサ３を介在したものとなる。
【００２７】
このモデル作成部１２Ａは、接触部材モデルを、プリポストプロセッサを構成するコンピュータプログラムを実行することで作成する。また、接触部材モデルが予め記憶部１３やデータサーバーに記憶されていてもよく、この場合、モデル作成部１２Ａは、記憶部１３やデータサーバーから接触部材モデルを取得する。
【００２８】
次に、図３に示すステップＳ２で、制御部１２の滑り量・面圧解析部１２Ｂは、各接触部材である連接棒１および上部冠２を各接触面１ａ，２ａに沿う方向（図４に示す矢印Ａおよび矢印Ｂ方向）に相対移動させ、各接触面１ａ，２ａの各相対滑り量および面圧を解析する。この解析により、図５に破線で示す相対滑り量および図６に破線で示す面圧を取得することができる。図５および図６において、横軸は図４に示す連接棒１の中心Ｃからの接触面１ａ，２ａに沿う方向の距離であり、一点鎖線はボルト４の中心線４ａを示している。なお、図５および図６は、接触部材である連接棒１の接触面１ａについて示したものであり、図には明示しないが同様に接触部材である上部冠２の接触面２ａについても相対滑り量および面圧を取得することができる。
【００２９】
次に、図３に示すステップＳ３で、制御部１２の凝着位置設定部１２Ｃは、ステップＳ２で取得した相対滑り量および面圧から、図７に示すように、これらのピーク値（本実施形態ではボルト４の中心線４ａ付近）を含む所定範囲について、各接触面１ａ，２ａに凝着Ｇを設定する。凝着Ｇの所定範囲は、入力部としてのキーボード１４Ｂおよびマウス１４Ｃにより入力することができ、例えば、実機であるピストンロッドにおいて亀裂が発生した部分を凝着Ｇにおける凝着端部とする。
【００３０】
次に、図３に示すステップＳ４で、制御部１２の滑り量・面圧解析部１２Ｂは、各接触面１ａ，２ａを凝着した状態で、各接触部材である連接棒１および上部冠２を各接触面１ａ，２ａに沿う方向（図７に示す矢印Ａおよび矢印Ｂ方向）に相対移動させ、各接触面１ａ，２ａの各相対滑り量および各面圧を解析し、応力特異場を取得する。各相対滑り量および各面圧の解析により、図５に実線で示す相対滑り量および図６に実線で示す面圧を取得することができる。なお、図５および図６は、接触部材である連接棒１の接触面１ａについて示したものであり、図には明示しないが同様に接触部材である上部冠２の接触面２ａについても相対滑り量および面圧を取得することができる。そして、図８に示すように、凝着Ｇにより発生した応力特異場を取得することができる。図８において、横軸は図４に示す連接棒１の中心Ｃからの接触面１ａ，２ａに沿う方向の距離であり、一点鎖線はボルト４の中心線４ａを示している。なお、図８は、接触部材である連接棒１の接触面１ａについて示したものであり、図には明示しないが同様に接触部材である上部冠２の接触面２ａについても凝着Ｇにより発生した応力特異場を取得することができる。
【００３１】
次に、図３に示すステップＳ５で、制御部１２の応力特異場パラメータ導入部１２Ｄは、各凝着端部（凝着Ｇの端部）での深さ方向の応力分布により疲労限を求め、この疲労限に応力特異場パラメータを導入し、各接触面１ａ，２ａの亀裂の発生有無を評価する。疲労限は、図９に示す凝着端部における接触面１ａ，２ａの深さｒ（図７に示す）方向の応力分布Δσｘの関係により求められる。具体的には、図９に示すように、接触面１ａ，２ａの深さｒ方向に応力を生じない範囲が接触面１ａ，２ａに亀裂発生なしとなり、接触面１ａ，２ａの深さｒ方向に応力を生じる範囲が接触面１ａ，２ａに亀裂発生ありとなる。また、応力特異場パラメータは、応力特異場の強さΔＨ、および特異性の指数λであり、下記式（１）であらわされ、解析や実験により確認することができる。そして、図１０に示すように、亀裂発生有無の境である疲労限に、応力特異場パラメータを導入することで、接触面１ａ，２ａの亀裂発生有無を評価することができる。なお、図９および図１０は、接触部材である連接棒１の接触面１ａについて示したものであり、図には明示しないが同様に接触部材である上部冠２の接触面２ａについても疲労限を求め亀裂の発生有無を評価することができる。
【００３２】
Δσｘ＝ΔＨ・ｒ-λ・・・（１）
【００３３】
次に、図３に示すステップＳ６で、制御部１２のフレッティング疲労解析部１２Ｅは、ステップＳ５における亀裂の発生有無の評価に基づき、実機を模擬した試験装置により図１１に示す実測された各接触面１ａ，２ａの相対滑り量ΔＳおよび面圧Ｐに伴うフレッティング疲労限度を解析する。図１１において、破線が連接棒１の接触面１ａでの相対滑り量ΔＳおよび面圧Ｐに伴うフレッティング疲労限度を示し、相対滑り量ΔＳや面圧Ｐが小さい側が亀裂発生なしの領域であり、相対滑り量ΔＳや面圧Ｐが大きい側が亀裂発生ありの領域である。また、図１１において、実線が上部冠２の接触面２ａでの相対滑り量ΔＳおよび面圧Ｐに伴うフレッティング疲労限度を示し、相対滑り量ΔＳや面圧Ｐが小さい側が亀裂発生なしの領域であり、相対滑り量ΔＳや面圧Ｐが大きい側が亀裂発生ありの領域である。そして、連接棒１の接触面１ａおよび上部冠２の接触面２ａの双方が亀裂発生無しの範囲（図１１の斜線部分）となる相対滑り量ΔＳおよび面圧Ｐに設計することで、フレッティング疲労を低減することが可能になる。
【００３４】
なお、実機を模擬した試験装置は、図には明示しないが、図１に示す上部冠２の上下に、中心Ｃを一致させて連接棒１をそれぞれボルト４の締め付け力により所定面圧を付加して接合し、各連接棒１の先端を中心Ｃに沿って上下に負荷を掛けることで、各連接棒１の各接触面１ａと、上部冠２の各接触面２ａとを接触面１ａ，２ａに沿う方向の滑り量を実測する。
【００３５】
このように、本実施形態のフレッティング疲労評価方法は、相互に接触する平坦な接触面１ａ，２ａを有する各接触部材としての連接棒１および上部冠２を表現する接触部材モデルを作成する工程と、次に、接触部材モデルにおいて各接触面１ａ，２ａの内部の所定部位を基準として所定面圧で接触させた状態で連接棒１および上部冠２を接触面１ａ，２ａに沿う方向に相対移動させ、各接触面１ａ，２ａの内部での各接触面１ａ，２ａに沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析する工程と、次に、接触部材モデルにおいて各接触面１ａ，２ａの各相対滑り量および各面圧のピーク値を含む所定範囲に凝着を設定する工程と、次に、凝着した状態で連接棒１および上部冠２を各接触面１ａ，２ａに沿う方向に相対移動させ、各接触面１ａ，２ａの内部での各接触面１ａ，２ａに沿う方向の各相対滑り量および各面圧を解析し、各応力特異場を取得する工程と、次に、各凝着端部での深さｒ方向の応力分布Δσｘにより疲労限を求め、当該疲労限に応力特異場パラメータΔＨ，λを導入し、各接触面１ａ，２ａの亀裂の発生有無を評価する工程と、次に、亀裂の発生有無の評価に基づき実測された各接触面１ａ，２ａの相対滑り量および面圧に伴うフレッティング疲労限度を解析する工程と、を含む。
【００３６】
このフレッティング疲労評価方法によれば、接触面１ａ，２ａの接触面内でのフレッティング疲労をより高い精度で評価することが可能になる。
【００３７】
また、本実施形態のフレッティング疲労評価方法は、接触部材モデルにおいて各接触部材としての連接棒１および上部冠２の複数の材料物性での上記各工程を行う。
【００３８】
このフレッティング疲労評価方法によれば、連接棒１側においてフレッティング疲労限界の高い材料物性や、上部冠２側においてフレッティング疲労限界の高い材料物性を評価することができ、フレッティング疲労限界のより高い実機を設計するためのフレッティング疲労の評価をより高い精度で行うことが可能になる。
【００３９】
また、本実施形態のフレッティング疲労評価装置は、上記フレッティング疲労評価方法をコンピュータに実行させるフレッティング疲労評価用プログラムを記憶する記憶部１３と、記憶部１３からフレッティング疲労評価用プログラムを取得し、当該フレッティング疲労評価用プログラムを実行する制御部１２と、を含む。
【００４０】
このフレッティング疲労評価装置によれば、上記フレッティング疲労評価方法を実施することが可能になる。
【符号の説明】
【００４１】
１  連接棒（接触部材）
１ａ  接触面
２  上部冠（接触部材）
２ａ  接触面
３  スペーサ
４  ボルト
４ａ  中心線
１０  フレッティング疲労評価装置
１１  コンピュータ
１２  制御部
１２Ａ  モデル作成部
１２Ｂ  滑り量・面圧解析部
１２Ｃ  凝着位置設定部
１２Ｄ  応力特異場パラメータ導入部
１２Ｅ  フレッティング疲労解析部
１３  記憶部
１４  端末装置
１４Ａ  表示部
１４Ｂ  キーボード
１４Ｃ  マウス
【図１】
2014013200.tif 000003
【図２】
2014013200.tif 000004
【図３】
2014013200.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2014013200.tif 000008
【図７】
2014013200.tif 000009
【図８】
2014013200.tif 000010
【図９】
2014013200.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2014013200.tif 000013