(57)【要約】【課題】  ＦＲＰなどの新材料は、繰返し負荷の周期に依存した疲労特性が見られるため、使用環境に合わせた試験を行う必要がある。しかしながら、油圧を使った従来の試験装置では、高速に試験を行うことができず、短周期の疲労試験を行うことができない。また、鋼材のように負荷周期の影響が小さい材料においても、高サイクルの疲労試験に時間を要する。【解決手段】  固定治具に固定された試験体と試験体に荷重を与える付加質量材で構成された試験装置において、固定用治具を加振台に接続し、加振台の加振方向と試験体が捩り負荷を受ける回転軸とが略直交するように配置する。【選択図】  図１
2016161300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定治具に固定された試験体と、
前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、
前記固定用治具が加振台に接続され、前記加振台の加振方向と前記試験体が捩りを受ける回転軸とが略直交することを特徴とする試験装置。
【請求項２】
請求項１の試験装置において、
前記試験体の中央部の径が端部の径よりも、小径となっていることを特徴とする試験装置。
【請求項３】
請求項１の試験装置において、
前記付加質量部材は前記試験体の回転中心から端部に向かうにつれて、徐々に幅が狭くなっていることを特徴とする試験装置。
【請求項４】
請求項１の試験装置において、
前記付加質量部材は、前記試験体の軸方向の剛性が、試験体の軸直角方向の剛性よりも高いことを特徴とする試験装置。
【請求項５】
請求項４の試験装置において、
前記付加質量部材の剛性を実現する手段として、前記付加質量部材の断面がＨ型をしていることを特徴とする試験装置。
【請求項６】
請求項１の試験装置において、
前記試験装置を囲うように恒温槽を配置したことを特徴とする試験装置。
【請求項７】
請求項１の試験装置において、
前記付加質量の端部に軸受けを設置したことを特徴とする試験装置。
【請求項８】
請求項１の試験装置において、
前記試験体の端部に軸受けを設置したことを特徴とする試験装置。
【請求項９】
請求項１の試験装置において、
前記試験体を延長するように前記付加質量治具の反対側に追加部材を配置したことを特徴する試験装置。
【請求項１０】
請求項１の試験装置において、
前記付加質量部材と前記固定治具の中立面が同一平面に無いことを特徴とする試験装置。
【請求項１１】
請求項9の試験装置において、
前記付加質量部材と前記固定治具の中立面が４５度をなすことを特徴とする試験装置。
【請求項１２】
固定治具に固定された試験体と、
前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、
前記付加質量部材に対して対称の位置に一対の前記固定治具を設け、前記固定治具と前記付加質量部材の間に試験体を配置したことを特徴とする試験装置。
【請求項１３】
固定治具に固定された試験体と、
前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、
前記付加質量部材に対して対称の位置に一対の固定治具試験体を配置し、
前記付加質量部材が前記試験体の回転中心に対して対称形状であることを特徴とする試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，捩り疲労試験を行う試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や航空機などの輸送機械や油圧ショベルやダンプトラックなどの建設機械では、軽量化による燃費低減を目的として、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ、以下ＦＲＰと呼ぶ)に代表される高分子材料や樹脂材料を、構造物に適用する検討が進められている。ＦＲＰは鋼材に比べて軽量である他、腐食耐性に優れるといった特徴がある。一方、繰返し負荷を高速に受けると発熱する特徴があり、材料内部に蓄積した熱によって疲労寿命の低下を引き起こす。したがって、疲労試験機で強度評価を行う場合は、使用環境にあわせた繰返し負荷を与える必要がある。
【０００３】
捩り疲労試験を行う装置として、例えば（特許文献１）に開示された装置がある。引張・圧縮疲労試験機に、軸芯を一致させた２つの円筒状の円盤を配置した補助装置を配置することで、円盤の内部に配置した試験体に捩り負荷を与える疲労試験を行うことができる。また、（特許文献２）には、車両の駆動系に装備されるデファレンシャルケースに、実際の動力伝達時と同様の捩り負荷を加えるため、疲労試験機に負荷棒を設置した装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−１１５１３５号報
【特許文献２】実開平５−３９７４号報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の試験装置は、いずれも油圧式である。油圧式の疲労試験機は１００００ｋＮを超える荷重を与えられる一方で、高速に繰返し負荷を与えることができない。その結果、繰返し負荷の上限は２０Ｈｚ程度に限られるため、高速の繰返し負荷が加わる使用環境を再現できず、疲労寿命を危険側に見積もる可能性がある。また、負荷周期の影響が小さい鋼材の捩り疲労試験においても、10７〜10８回程度の高サイクル試験を行う場合に、長時間を要する課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記の実状に鑑みてなされたものであり、ＦＲＰのように負荷周期に応じて疲労寿命が変化する新材料については、使用環境に合わせた捩り疲労試験を実施すると共に、鋼材のように負荷周期の影響を受けにくい材料については、高速で捩り試験を実施することができる試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明は固定治具に固定された試験体と、前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、前記固定用治具が加振台に接続され、前記加振台の加振方向と前記試験体が捩りを受ける回転軸とが略直交することを特徴とするものである。
【０００８】
更に、本発明は試験装置において、前記試験体の中央部の径が端部の径よりも、小径となっていることを特徴とするものである。
【０００９】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量部材は前記試験体の回転中心から端部に向かうにつれて、徐々に幅が狭くなっていることを特徴とするものである。
【００１０】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量部材は、前記試験体の軸方向の剛性が、試験体の軸直角方向の剛性よりも高いことを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量部材の剛性を実現する手段として、前記付加質量部材の断面がＨ型をしていることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明は試験装置において、前記試験装置を囲うように恒温槽を配置したことを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量の端部に軸受けを設置したことを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明は試験装置において、前記試験体の端部に軸受けを設置したことを特徴とするものである。
【００１５】
更に、本発明は試験装置において、前記試験体を延長するように前記付加質量治具の反対側に追加部材を配置したことを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量部材と前記固定治具の中立面が同一平面に無いことを特徴とするものである。
【００１７】
更に、本発明は試験装置において、前記付加質量部材と前記固定治具の中立面が４５度をなすことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明は固定治具に固定された試験体と、前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、前記付加質量部材に対して対称の位置に一対の前記固定治具を設け、前記固定治具と前記付加質量部材の間に試験体を配置したことを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明は固定治具に固定された試験体と、前記試験体に荷重を与える付加質量部材によって構成された試験装置において、前記付加質量部材に対して対称の位置に一対の固定治具試験体を配置し、前記付加質量部材が前記試験体の回転中心に対して対称形状であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、負荷周期の影響を受けるＦＲＰなどの新材料については、使用環境に合わせた疲労試験を実施できる他、鋼材のように負荷周期の影響が少ない材料については、高速に疲労試験を実施することが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る全体構造図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る全体構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る詳細構造を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る寸法制約を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る共振時の変形形状を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る全体構成図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る全体構成図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る全体構成図である。
【図９】本発明の第６実施形態に係る全体構成図である。
【図１０】本発明の第７実施形態に係る全体構成図である。
【図１１】本発明の第８実施形態に係る全体構成図である。
【図１２】本発明の第９実施形態に係る全体構成図である。
【図１３】本発明の第９実施形態に係る付加質量部材を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の各実施形態について図面を用いて説明する。なお、いずれの実施形態においても、試験体１の軸方向をＸ方向、軸直角方向のうち固定治具３の中立面と並行になるものをＹ方向、固定治具３の厚み方向をＺ方向と定める。
【実施例１】
【００２３】
図1は、本発明の実施例１に係る全体構造図である。固定治具３に試験体１が固定され、試験体１には付加質量部材２が固定された構造である。以下、この構造を捩り試験装置と呼ぶ。固定治具３は加振台４に固定されており、加振台４の上下運動によって付加質量部材２が試験体１の軸を中心に円弧を描くように振動し、試験体１に捩り負荷が繰返し加わる。加振周波数を任意に定めた場合、加振力を付加質量部材２の振動に効率良く伝えることができない。加振力を付加質量部材２の振動に変換するためには、加振台４および付加質量部材２に設置した加速度センサー５によって両者の加速度をモニターし、試験体１に捩り負荷が加わる振動モードが発生する周波数付近で、両者の位相差が９０度になるように調節して、共振を起こす必要がある。このように、捩り試験装置の共振を利用することで、加振台４の加振力以上の負荷で捩り負荷を与えることができる。なお、耐久試験中は試験体１の発熱や剛性低下によって共振周波数が変化するため、制御装置によって加速度をモニターし、常に共振状態を維持する必要がある。また、図1では試験装置を加振台４の端に設置した構造となっているが、加振台４上であれば、いずれの位置でも問題ない。
【実施例２】
【００２４】
図２〜５を用いて、本発明の実施例２について説明する。図２は、実施例２に係る全体構造である。概略は第１実施形態と同じであるが、試験体１の形状、付加質量部材２の形状および付加質量部材２の先端に配置した錘６を特徴とする。
【００２５】
図３を用いて、捩り試験装置の詳細形状について説明する。図３(a)が捩り試験装置の全体構造、図３（ｂ）が試験体１の詳細構造、図３（ｃ）が付加質量部材２の断面構造である。図３（ｂ）に示すように、試験体１は中央部が端部よりも小径の構造になっている。これにより、試験体１に捩りが加わった際、試験体１の中央部に最も高い応力を発生させることができ、き裂発生位置を中央部に制御できる。また、付加質量部材２の断面構造はＨ型となっている。この構造により、鉛直方向(Ｚ方向)に変形する曲げ剛性を低く、水平方向(Ｘ方向)に変形する曲げ剛性を高くすることできる。その結果、試験体１に捩り負荷を加える振動モードと試験体１に曲げ負荷を加える振動モードの共振周波数を分離することができ、加振器による上下方向（Ｚ方向）加振によって、捩り負荷を加える振動モードのみを発生させることが可能となる。さらに、分離したモードのうち、捩り負荷を加えるモードの共振周波数が低周波側になるため、捩り負荷を効率良く与えることができる。付加質量部材２については、回転軸から先端に近づくほど幅が狭い構造となっている。耐久試験では、付加質量部材２にも曲げ応力が発生するため、一様な断面形状とした場合に付加質量部材２の回転軸付近に大きな応力が発生する。そこで、先端に向けて徐々に幅が狭くなるように断面を調節することにより、付加質量部材２の剛性を変化させて、回転軸付近に高い応力が発生しない構造になっている。さらに、付加質量部材２の先端には錘６を配置した。これにより、試験装置の共振周波数を調節することができる。なお、錘６として付加質量部材の下側に平板を1枚配置する構造を例示したが、上側にも同様に配置することができ、さらに組合せも可能である。なお、共振周波数は錘６によって調節できる他、付加質量部材２の全長を変更することにより、調節することができる。
【００２６】
図４を用いて、付加質量部材２の寸法制約を説明する。付加質量部材２は、先端に行くほど細い構造となっている。従って、先端の縦寸法ａと後端の縦寸法ｂとの間には、ａ＜ｂの関係が成立する。たとえば、先端の縦寸法ａが5ｍｍ、後端の縦寸法bが15ｍｍなどである。また、試験体１に捩り負荷を加えるためには、試験体１に捩りトルクを発生させる必要がある。そこで、付加質量部材２の後端の縦寸法ａと横寸法ｃの間には、ａ<ｃの関係が成立する。たとえば、付加質量部材２の後端の縦寸法bが15ｍｍの場合は、付加質量部材２の横寸法ｃは150ｍｍなどである。
【００２７】
図５を用いて、捩り試験装置が共振した際の変形形状を説明する。実施例２の形状を用いた場合、１次モードに試験体１に捩り負荷が加わるモード(振動方向は（１）)、２次モードに試験体１に曲げ負荷が加わるモード（振動方向は（２））、３次モード以降に付加質量部材２の変形モードが発生する（３次の振動方向は（３））。たとえば、上記の寸法で固有振動数を導出した場合は、（表１）のようになる。このように各振動モードを分離することができ、純粋な捩り疲労試験を実施することができる。
【００２８】
【表１】
2016161300.tif 000003
【実施例３】
【００２９】
図６を用いて、本発明の実施例３について説明する。実施例1との相違は、固定治具３および試験体１が２つあることである。付加質量部材２を両側から支持する構造にすることで、付加質量部材２の重量に起因して試験体１に加わっていた曲げ負荷を軽減できる。さらに、試験体１の両端が接続された構造となるため、試験体１の曲げモードの共振周波数が高周波側にシフトし、試験体１の捩りと曲げモードが同時に発生してしまう現象を回避することができる。また、実施例１のように付加質量部材２を１本の試験体１で片持ちする構造では、試験準備時の予期せぬ外力によって破損する危険性が高いが、両持ちにすることで危険性を回避することができる。
【実施例４】
【００３０】
図７を用いて、本発明の第４実施形態について説明する。第３実施形態との相違は、付加質量部材２が２つあることである。付加質量部材２が追加されたことで、付加質量部材２の重量による試験体１の曲げ負荷が増加してしまうが、第３実施形態よりも高いトルクで捩り負荷を与えることができる。なお、第３実施形態と同様に、試験体１の両端が接続された構造となるため、試験体１の曲げモードの共振周波数が高周波側にシフトし、試験体１の捩りと曲げモードが同時に発生してしまう現象を回避することができる。また、試験準備時の予期せぬ外力によって破損する危険性を回避することができる。
【実施例５】
【００３１】
図８を用いて、本発明の実施例５について説明する。実施例１との違いは、捩り試験装置を恒温槽７の中に配置した点である。これにより、使用環境に合わせた温度および雰囲気で試験を実施することができ、クリープや腐食などを再現した試験が可能となる。
【実施例６】
【００３２】
図９を用いて、本発明の実施例６について説明する。実施例１との違いは、付加質量部材２を支持する軸受け８を配置した点である。これによって、付加質量部材２の重量による試験体１の曲げ負荷を無くすことができ、試験体１に曲げ負荷を与える振動モードの発生を防止することができる。これにより、純粋な捩り疲労試験が可能となる。
【実施例７】
【００３３】
図１０を用いて、本発明の実施例７について説明する。実施例6との違いは、試験体１を支持する軸受け８を配置した点である。これによって、付加質量部材２の重量による試験体１の曲げ負荷を無くすことができ、試験体１に曲げ負荷を与える振動モードの発生を防止することができる。これにより、純粋な捩り疲労試験が可能となる。
【実施例８】
【００３４】
図１１を用いて、本発明の実施例８について説明する。実施例1との違いは、試験体１に曲げ負荷を与える追加部材９を加えた点である。実施例１〜実施例７では、捩り負荷のみを発生させることを目指した。しかしながら、実際の使用環境では、純粋な捩りの負荷が加わることは少なく、曲げ負荷などが重畳する場合が多い。そこで、追加部材９を加え、試験体１に曲げ負荷を積極的に発生させることで、捩り負荷に曲げ負荷が重畳した場合の疲労試験を行うことが可能となる。
【実施例９】
【００３５】
図１２および図１３を用いて、本発明の実施例９について説明する。図12に示すように、実施例１との違いは、付加質量部材２と固定治具３の中立面が同一平面に無い点である。これにより、上下方向(Ｚ方向)に加えて水平方向（Ｙ方向）の加振力を組み合わせて、捩り負荷を与える振動モードを発生させることができる。その結果、各加振器に求められる加振力を小さくでき、加振器の小型化を図ることができる。
【００３６】
図13に付加質量部材２の構造を示す。1本の場合は、水平から45度下方に配置することで、図１２に示す加振力１と加振力２を効率良く伝えることができる。さらに、２本の場合は、正面から見た形状が対称となるように、水平から４５度下方に配置することで、加振力を効率良く伝えることができる。これにより、試験体１に加わる捩り負荷を増幅させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  試験体
２  付加質量部材
３  固定治具
４  加振台
５  加速度センサー
６  錘
７  恒温槽
８  軸受け
９  追加部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016161300.tif 000009
【図７】
2016161300.tif 000010
【図８】
2016161300.tif 000011
【図９】
2016161300.tif 000012
【図１０】
2016161300.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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