(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下端に第１の試験片が取り付けられる移動部材と、
前記移動部材の下端の下側に配置されており、前記第１の試験片に対向するように第２の試験片が載せられるベースと、
前記移動部材に対して下方に荷重を負荷する荷重負荷手段と、
前記第１の試験片が第２の試験片を連続して打撃するように、前記移動部材を鉛直方向に沿って往復直線運動させる往復運動手段と、
を備え、前記第２の試験片の前記第１の試験片に対向する部分に潤滑剤を配置させる潤滑剤配置手段をさらに備える連続打痕試験機。
【請求項２】
前記移動部材の往復直線運動をガイドするリニアガイドをさらに備える請求項１に記載の連続打痕試験機。
【請求項３】
前記潤滑剤配置手段が、前記ベース上に設けられた油浴であり、前記第２の試験片が、油浴中に配置される請求項１又は２に記載の連続打痕試験機。
【請求項４】
前記往復運動手段が一方向に回転する歯車を備え、かつ前記移動部材に歯車の歯部に係合する係合部が取り付けられるとともに、
回転する前記歯車の歯部により前記係合部を介して、前記移動部材を上方に移動させるとともに、前記歯部の前記係合部への係合が外れることで前記移動部材を下方に移動させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の連続打痕試験機。
【請求項５】
前記荷重負荷手段が、バネにより下方に荷重を負荷する請求項１〜４のいずれか１項に記載の連続打痕試験機。
【請求項６】
前記第１の試験片の前記第２の試験片に対向する外周面が、球面又は円周面である請求項１〜５のいずれか１項に記載の連続打痕試験機。
【請求項７】
前記打撃による振動又は音を検知し、第１及び第２の試験片の少なくともいずれかに疲労が発生したことを検出する疲労検出手段をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の連続打痕試験機。
【請求項８】
移動部材の下端に第１の試験片を取り付けるとともに、前記移動部材の下端の下側に配置されたベースの上に、前記第１の試験片に対向するように第２の試験片を載せるとともに、前記第２の試験片の前記第１の試験片に対向する部分に潤滑剤を存在させ、
前記移動部材に下方に荷重を負荷しつつ、前記移動部材を鉛直方向に沿って往復運動させて、前記第１の試験片を第２の試験片に連続して打撃させ、
前記第１及び第２の試験片の少なくともいずれかの疲労を評価する、疲労寿命評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続打痕試験機、及び連続打痕試験機を用いた疲労寿命評価方法に関し、例えば、潤滑剤存在下で使用される軸受け、歯車等の機械部品の疲労寿命を評価するための連続打痕試験機及び疲労寿命評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種分野で使用される機械部品は、潤滑剤を介して部品同士が接触して使用されるものが多く、部品同士の接触により疲労が発生する。そのため、従来、機械部品に外力を繰り返し加えて、機械部品に発生する疲労を評価する様々な疲労評価試験が知られている。例えば、特許文献１では、軸継手のフレッチング疲労を調べる疲労試験機が開示されている。
また、機械部品としては、歯車、ベアリング等が広く使用されるため、これらの疲労を評価する様々な方法も知られている。例えば、歯車では、実際に機械に使用する歯車を用いたＦＺＧ歯車試験機による試験が広く行われている。また、ベアリングでも、実際の機械に使用するベアリングを用いたベアリング疲労試験機による試験が広く行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特昭６４−２０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したＦＺＧ歯車試験機やベアリング疲労試験機では、疲労が生じるまで１週間程度かかるために、疲労寿命を評価するのに長時間を要するという問題がある。
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、例えば、歯車、ベアリング等において、潤滑剤を介して互いに接触して使用される機械部品の疲労寿命を短期間で評価することが可能な試験機、及び評価方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、検討の結果、歯車、ベアリング等は、例えば、歯車では歯数×歯幅分だけ接触点があるように、接触点が無数にあるから、疲労が生じるまで時間がかかることがわかった。そこで、本発明者は、さらに鋭意検討した結果、接触箇所を1箇所にし、かつその接触箇所を連続的に打撃して疲労を早期に生じさせることで、短期間で疲労寿命を評価できることを見出し、以下の本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の連続打痕試験機を提供する。
下端に第１の試験片が取り付けられる移動部材と、前記移動部材の下端の下側に配置されており、前記第１の試験片に対向するように第２の試験片が載せられるベースと、前記移動部材に対して下方に荷重を負荷する荷重負荷手段と、前記第１の試験片が第２の試験片を連続して打撃するように、前記移動部材を鉛直方向に沿って往復直線運動させる往復運動手段とを備える連続打痕試験機。
また、本発明は、以下の疲労寿命評価方法を提供する。
移動部材の下端に第１の試験片を取り付けるとともに、前記移動部材の下端の下側に配置されたベースの上に、前記第１の試験片に対向するように第２の試験片を載せるとともに、前記第２の試験片の前記第１の試験片に対向する部分に潤滑剤を存在させ、
前記移動部材に下方に荷重を負荷しつつ、前記移動部材を鉛直方向に沿って往復運動させて、前記第１の試験片を第２の試験片に連続して打撃させ、
前記第１及び第２の試験片の少なくともいずれかの疲労を評価する、疲労寿命評価方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明では、潤滑剤を介して互いに接触して使用される機械部品の疲労寿命を短期間で評価することが可能な試験機、及び評価方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態の連続打痕試験機を示す模式図である。
【図２】リニアガイドの一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る連続打痕試験機を示す模式図である。
連続打痕試験機１０は、移動部材２０と、移動部材２０の下端の下側に配置されるベース３０と、移動部材２０に対して下方に荷重を負荷する荷重負荷手段４０と、移動部材２０を往復運動させる往復運動手段５０とを備える。
【０００９】
連続打痕試験機１０は、第１の試験片１１を第２の試験片１２に連続的に打撃させ、これらに疲労を生じさせて、疲労寿命を評価するものである。なお、疲労とは、亀裂、割れ、剥がれ等の損傷が試験片に発生することを意味する。第１の試験片１１は、移動部材２０の下端に取り付けられるとともに、第２の試験片１２は、第１の試験片１１に対向するように、ベース３０の上に載せられる。
本実施形態における移動部材２０はシャフトから構成され、シャフトはその軸方向が鉛直方向に沿うように配置される。また、移動部材２０には、後述する歯車５１に係合するための係合部２１が設けられる。係合部２１は、シャフトの中途部分に設けられるフランジである。
【００１０】
荷重負荷手段４０は、バネ４１と、バネ荷重モータ４２とを備え、バネ４１により発生するバネ荷重により下方に向かって一定の荷重を負荷する。本実施形態においてバネ４２は、コイルバネからなる。コイルバネは、内部にシャフトを挿通させつつ、係合部２１を構成するフランジの上に載せられる。バネ荷重モータ４２は、上下に変位することでバネ４１を伸縮させるものであり、バネ４１により負荷される荷重を調整する。荷重負荷手段４０は、実際の装置にて発生する荷重に近似するように荷重を調整すればよいが、第１の試験片１１が第２の試験片１２に負荷する荷重が好ましくは５〜１００００Ｎ、より好ましくは１０〜５０００Ｎとなるように、荷重を調整する。
【００１１】
往復運動手段５０は、第１の試験片１１が第２の試験片１２を連続して打撃するように、移動部材２０（シャフト）を鉛直方向に沿って往復直線運動させる。本実施形態において往復運動手段５０は、複数の歯部５２を有する歯車５１を備える。
歯車５１は、歯部５２を移動部材２０の係合部２１に係合させて移動部材２０を支持するとともに、一方向（図１では時計回り）に回転することで、係合部２１を介して移動部材２０を上方に移動させる。また、歯車５１は、歯部５２が係合部２１に係合する状態から、さらに一方向に回転すると、歯部５２の係合部２１への係合が外れ、移動部材２０が重力とバネ荷重により下方に移動し、第１の試験片１１が、第２の試験片１２を打撃する。歯車５１は、一方向に回転し続けることで、このような動作が繰り返され、移動部材２０は規則的に上下に往復直線運動する。そのため、第１の試験片１１は、一定の周期で連続的に第２の試験片１２を打撃する。
【００１２】
また、上記往復直線運動により、第１の試験片１１は、第２の試験片１２を打撃した後上方に移動するため、第２の試験片１２から一旦離れ、次の打撃時に再度、第２の試験片１２に接触する。すなわち、第１の試験片１１は、第２の試験片１２に対して接触と離間を繰り返す。往復運動手段５０は、打撃回数が好ましくは１．０×１０8回／時間以下、より好ましくは１．０×１０7回／時間以下となるように移動部材２０を往復直線運動させる。
なお、移動部材２０には、上記したように、荷重負荷手段４０により、第１の試験片１１が第２の試験片１２を打撃するとき、一定の荷重が負荷される。
【００１３】
連続打痕試験機１０は、第２の試験片１２の第１の試験片１１に対向する部分に潤滑剤を配置させるための潤滑剤配置手段３４を備える。潤滑剤は、通常、試験片１１、１２の疲労を防止するものであり、耐疲労性を評価する評価対象とすることが可能である。潤滑剤としては、潤滑油が挙げられる。潤滑油は、合成油、鉱油、若しくはこれらの混合物、又はこれらに適宜添加剤が添加されたもの等が挙げられる。
本実施形態では、ベース３０の上面に、潤滑油が溜められた油浴３１が設けられ、この油浴３１が潤滑剤配置手段３４として機能する。すなわち、第２の試験片１２は、油浴３１中に配置され、それにより、第２の試験片１２の上面（すなわち、第１の試験片１１に対向する部分）には、定常的に潤滑油が存在する。そのため、第１の試験片１１が第２の試験片１２を打撃するとき、第１及び第２の試験片１１、１２の接触部分には潤滑油が存在することになり、潤滑油の評価が適切に行なえる。
【００１４】
また、ベース３０には、ベース３０上の空間を密閉空間にするためのカバー部材３５が取り付けられている。カバー部材３５は、油浴３１の上に一定の空間が形成されるように、ベース３０の上面を覆う部材である。カバー部材３５には、図示しないが、接続管が設けられる。カバー部材３５の内部の空間には、接続管から雰囲気ガスが導入され、カバー部材３５内部の空間を加圧にすることが可能である。また、接続管を介して内部の空気を吸引して内部空間を減圧にすることも可能である。そのため、本試験機１０では、例えば、歯車、ベアリング等の機械部品が加圧下、減圧下で使用される場合であっても、実際の使用に近い条件下で疲労寿命を評価することが可能である。また、カバー部材３５には、圧力ゲージ等からなる圧力センサも取り付けられており、カバー部材３５内部の空間の圧力が検知される。
【００１５】
上記密閉空間内の雰囲気ガスは、空気であってもよいし、窒素、アルゴン等の不活性ガスであってもよい。また、カバー部材３５内部の空間が加圧にされる場合、冷凍機に使用される各種冷媒を雰囲気ガスとして使用してもよい。冷媒としては、フッ化炭化水素等のフロン類、二酸化炭素、アンモニア、プロパン等が挙げられる。潤滑油が冷凍機油である場合には、内部空間を加圧とし、かつ雰囲気ガスとして冷媒を使用することで、冷凍機の使用環境下に近い条件で疲労寿命を評価できる。なお、雰囲気ガスとして冷媒を使用する場合、通常、潤滑油には冷媒の一部が溶解される。
なお、上記した接続管に、冷媒等の雰囲気ガスが充填されたタンクが接続されるとともに接続管に弁が設けられてもよい。これにより、例えば、カバー部材３５の内部の空間が加圧にされる場合に、移動部材２０と、後述する挿通孔３６の内周面３６Ａとの間から雰囲気ガスが漏れても、タンクから雰囲気ガスが供給され、カバー部材３５内部の空間の圧力が一定に維持される。
【００１６】
ベース３０には、さらに油浴３１を加熱するための温調ヒータ３２が埋め込まれている。油浴３１中には、図示しない温度センサが設けられる。連続打痕試験機１０は、温度センサが検出した油浴の温度に基づいて温調ヒータ３２をコントロールするコントローラを備え、これにより、油浴３１中の潤滑油の温度が所定の温度に調整される。
また、ベース３０の上面には、第２の試験片１２の形状に一致する凹部３３が形成される。凹部３３は、油浴３１の底面に設けられる。第２の試験片１２は、凹部３３に嵌合されてベース３０上に固定されている。そのため、第２の試験片１２は、第１の試験片１１によって打撃されたときに位置がずれることが防止される。
【００１７】
カバー部材３５には、移動部材２０が挿通されるための挿通孔３６が設けられており、移動部材２０は、挿通孔３６の内周面３６Ａに摺動しながら上下に往復直線運動する。また、挿通孔３６の内周面３６Ａには、図示しないが、移動部材２０と挿通孔３６の間をシールするためのシール部材が設けられる。シール部材は、Ｏリング等の公知のシール部材を使用すればよい。シール部材により、カバー部材３５の内部を密閉空間に維持することが可能である。なお、移動部材２０は、その下端がカバー部材３５の外部に出ないように往復運動する。
【００１８】
連続打痕試験機１０は、さらにリニアガイド６０を有する。リニアガイド６０は、移動部材２０の往復直線運動をガイドするものである。移動部材２０とリニアガイド６０の構成の模式的な断面図を図２に示す。図２に示すように、リニアガイド６０には、鉛直方向に沿って延在する溝６４、６５が設けられる。一方、移動部材２０の外周面には、溝６４、６５それぞれに挿入される突起２４、２５が設けられる。突起２４、２５は、周方向に沿う長さが溝２４、２５と略同じであり、移動部材２０の鉛直方向以外への移動を規制する。これにより、移動部材２０は、高い精度で鉛直方向に沿って直線運動することが可能になる。そのため、第１の試験片１１は、第２の試験片１２の同じ位置を連続して打撃することが可能になる。
【００１９】
本試験機を用いた疲労寿命評価試験は、例えば歯車同士の噛み合いによる歯部での疲労や、ベアリングにおける転動体とリテーナー、転動体とレース等の接触による疲労を想定して行うものである。したがって、第１の試験片１１は、歯車の歯部や、ベアリングの転動体等を想定した部材であり、これらを形成する材料と同一の金属材料で形成されることが好ましい。また、第２の試験片１２は、歯車、リテーナー、レース等を想定した部材であり、これらに使用される材料と同一の金属材料で形成されることが好ましい。具体的には、第１の試験片１１は、鉄、鉄鋼等の材料で形成される。また、第２の試験片１２は鉄、鉄鋼等の材料で形成される。
【００２０】
さらに、第１の試験片１１の形状は、第２の試験片１２との接触部分が点接触、又は線接触となるような形状を有する。具体的には、第１の試験片１１の形状は、第２の試験片１２に対向する外周面（すなわち、下面側の面）が、球面、又は円周面となることが好ましい。したがって、第１の試験片１１は、球形、半球形、円柱形、半円柱形等であることが好ましく、球形、円柱形がより好ましい。
一方、第２の試験片１２は、第１の試験片１１と接触する上面が平面となる試験片であればよく、例えば、ブロック状の試験片を使用する。下側の面が球面又は円周面の第１の試験片１１が、上面が平面である第２の試験片１２に接触すると、その接触は点接触又は線接触となる。このように、点接触、線接触により、第１の試験片１１と第２の試験片１２が接触すると、実際の機械部品で起こる接触モードと同じになるため、正確な疲労寿命を評価しやすくなる。
【００２１】
次に、連続打痕試験機１０を用いた疲労寿命評価方法の一実施形態を説明する。
本実施形態の疲労寿命評価方法では、まず、移動部材２０の下端に第１の試験片１１を取り付けるとともに、移動部材２０の下端の下側に配置されたベース３０の上に、第１の試験片１１に対向するように、第２の試験片１２を載せる。また、第２の試験片１２は、油浴３１中に配置されており、第２の試験片１２の第１の試験片１１と対向する部分には、潤滑剤が存在する。
【００２２】
次いで、移動部材２０に下方に荷重を負荷しつつ、移動部材２０を鉛直方向に沿って往復直線運動させ、第１の試験片１１を第２の試験片１２に連続して打撃させる。本方法では、一定期間毎（例えば、１時間毎）や一定打撃回数毎に、移動部材２０の往復直線運動を停止して、第１及び第２の試験片１１，１２の少なくともいずれか一方の状態を観察する。そして、試験片の疲労の有無を確認し、疲労が発生するまでの時間又は打撃回数を測定する。
【００２３】
なお、疲労の有無の確認は、第１及び第２の試験片１１、１２の両方を観察して行ってもよいし、片方のみ観察して行ってもよい。また、カバー部材３５の内部空間の圧力は上記のように適宜調整可能であり、また、油浴３１（すなわち、第１及び第２の試験片１１、１２の間に存在する潤滑剤）の温度は温調ヒータ３２によって調整可能である。したがって、本方法においては、実際に使用される条件を想定して、試験片１１、１２が配置される空間の圧力、及び油温を適宜設定可能である。
【００２４】
以上の本実施形態の測定方法では、第１の試験片１１の同一箇所が、第２の試験片１２の同一箇所を連続的に打撃する。したがって、第１及び第２の試験片１１、１２には早期に疲労が発生するため、これら試験片１１、１２の疲労寿命を短期間で評価可能である。そして、本実施形態では、試験片１１、１２の間に潤滑剤が存在しており、各種機械部品で使用される潤滑剤の性能、すなわち、潤滑剤の耐疲労性を評価することが可能になる。
【００２５】
以上、本発明について実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更が可能である。
上記実施形態では、疲労の評価は、打撃を止めて第１及び第２の試験片１１、１２を観察して行ったが、それ以外の構成により行ってもよい。例えば、連続打痕試験機１０が、第１及び第２の試験片１１、１２の少なくともいずれかに疲労が発生したことを検知する疲労検出手段をさらに備えてもよい。疲労検出手段は、打撃時に発生する振動や音を検知して、疲労が発生したことを検出するものである。試験片に亀裂、割れ、剥がれ等の疲労が生じると、打撃時に発生する振動や音が、正常時に発生する振動や音から変化するため、打撃時の振動や音の変化を読み取ることで、疲労の発生を検出可能である。
【００２６】
具体的な疲労検出手段としては、振動を検知する加速度計、音を検知する音響計等が挙げられる。加速度計は、例えば、ベース３０に取り付けることで、第２の試験片１２の打撃により発生する振動を検知し、第２の試験片１２の疲労の発生の有無を検知する。また、加速度計は、移動部材２０に取り付けられることで、第１の試験片１１の打撃により発生する振動を検知し、第１の試験片１１の疲労の発生の有無を検知できる。
また、音響計は、例えば、ベース３０から所定の距離をおいて配置され、第１の試験片１１が第２の試験片１２に打撃されるときの音を検知し、音の変化により、第１の試験片１１又は第２の試験片１２の疲労が発生したか否かを検知できる。
疲労検出手段を使用すれば、途中で止めることなく打撃を連続して行い、疲労が検出されるまでの時間を測定することで、疲労寿命を評価することが可能であるので、疲労寿命の評価が簡単になる。
【００２７】
また、上記した実施形態では、カバー部材３５が設けられ、第１及び第２の試験片１１、１２、油浴３１が密閉空間内に配置されたが、カバー部材３５は省略され、第１及び第２の試験片１１、１２、油浴３１が開放空間内に配置されてもよい。カバー部材３５を省略した構成では、油浴３１、試験片１１、１２が常圧下に置かれることになるので、潤滑剤が常圧下で使用される場合の評価に適している。
【００２８】
また、上記した実施形態では、潤滑剤配置手段として、第2の試験片１２が内部に配置された油浴を用いたが、油浴以外の手段を用いてもよい。例えば、滴下または噴霧等により、第２の試験片１２の上に、断続的又は連続的に潤滑油を供給することで、定常的に第２の試験片の第1の試験片に対向する部分に潤滑油を配置させてもよい。また、上記では潤滑剤が潤滑油である例を示したが、グリース等であってもよい。グリースは、例えば第２の試験片１２の上面に塗布して、第２の試験片１２の第１の試験片１１に対向する部分に存在させればよい。
さらに、第２の試験片１２は、第１の試験片１１に打撃されても位置ずれが生じないようにベース３０の上に載せられていればよく、凹部３３以外の構成により、ベース３０の上に固定されていてもよい。
【００２９】
また、荷重負荷手段及び往復運動手段の構成は、下方に荷重を負荷しつつ、移動部材を鉛直方向に沿って往復直線運動させて、第１の試験片を第２の試験片に連続して打撃させる構成であれば、上記に限定されない。例えば、荷重負荷手段に使用されるバネをコイルバネ以外にしてもよい。また、荷重負荷手段及び往復運動手段を一体的な機構としてもよい。さらに、試験機１０は、移動部材を連続的に往復直線運動させる駆動手段と、ロードセルとを備え、ロードセルを用いて調整された一定の荷重を移動部材に負荷しつつ、駆動手段により移動部材を直線運動させて第１の試験片を第２の試験片に連続して打撃させてもよい。
【００３０】
また、リニアガイド６０の構成も上記に限定されず、移動部材２０に鉛直方向に延在する溝を設けるとともに、リニアガイド６０に各溝に挿入される突起を設けてもよい。また、移動部材、又はリニアガイドに設けられる溝、突起の数は、図２に示すように、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。また、リニアガイドは、溝や突起以外の部材でガイドしてもよく、例えば、移動部材２０の外周面に沿うように設けられた案内面によってガイドしてもよい。さらに、第１の試験片１１が、第２の試験片１２の同一箇所を打撃できる限り、リニアガイド６０は省略してもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  連続打痕試験機
１１  第１の試験片
１２  第２の試験片
２０  移動部材
２１  係合部
３０  ベース
３１  油浴
３４  潤滑剤配置手段
３５  カバー部材
４０  荷重負荷手段
４１  バネ
４２  バネ荷重モータ
５０  往復運動手段
５１  歯車
６０  リニアガイド
【図１】
0006665393.tif 000002
【図２】
0006665393.tif 000003