(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の一端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた固定ブロックと、該固定ブロックに離隔して対向させ、該試験片の他端を嵌め込むスプライン付カップリングに連結した回転自在なカップリングと、該回転自在なカップリングに連結した捩り付与軸と、該捩り付与軸を支える互いに離隔した２つの軸受けと、これら軸受けの間の前記捩り付与軸に取付けられ、衝撃を受ける面が軸心から離隔した平坦面を有する受けアームと、該平坦面に衝撃を与える衝撃付与手段とを備えたことを特徴とする金属材料の衝撃捩り試験機。
【請求項２】
前記衝撃付与手段が、先端が前記受けアームの平坦面を押すプッシャー・ロッドと、該プッシャー・ロッドの後端に瞬間的な衝撃を加える油圧シリンダとで形成してなることを特徴とする請求項１記載の金属材料の衝撃捩り試験機。
【請求項３】
前記衝撃付与手段が、振り子方式のハンマと、該ハンマの後端を支える回転軸と、該回転軸を回転し、ハンマの先端を持ち上げる駆動手段と、該駆動手段と前記回転軸との連結を断つクラッチとで形成してなることを特徴とする請求項１記載の金属材料の衝撃捩り試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の衝撃捩り試験機に係わり、特に、自動車等のドライブ・シャフト用鉄鋼材料の衝撃捩れ性を評価するに有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料は、その用途に応じて予め該材料の種々の特性（強度、ねじれ、伸び等）を把握しておく必要がある。そのため、従来より引張試験、圧縮試験、捩り試験、衝撃試験等の各種試験方法が定められ、それを実施するための試験機も多々開発され、実用化されている。
【０００３】
ところで、自動車等の車両は、いずれも、その車輪を回転、駆動させるために、鉄鋼材料からなるドライブ・シャフトを備えている。従って、該ドライブ・シャフトの優劣は、それら車両の性能評価において重要なポイントになっている。該車両にとっては、最も重要な部品の一つだからである。従来、このドライブ・シャフトの製作に使用される鉄鋼材料は、既存の材料試験機でその特性を測定し、その測定値が基準に合格した材料だけが使用される。また、近年、自動車等の燃費低減の観点から、ドライブ・シャフトを中空にすることが指向されている。
【０００４】
しかしながら、自動車等が急発進すると、ドライブ・シャフトには大きな衝撃捩れが加えられるが、現在の材料試験機には、ねじれ及び衝撃を個別に測定するものはあっても、衝撃と捩れが同時に作用する場合を評価するものは存在しない。また、一般に材料試験は、試験片が実物よりかなり小さく、その測定結果から推定される実物の特性と実際の特性が一致しない場合も起こり得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、金属材料に同時に作用する衝撃及び捩れに対する抵抗力が評価できるばかりでなく、実物のスケールで試験が行なえる金属材料の衝撃捩り試験機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、従来の各種試験機を参考に鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。
【０００８】
すなわち、本発明は、試験片の一端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた固定ブロックと、該固定ブロックに離隔して対向させ、該試験片の他端を嵌め込むスプライン付カップリングに連結した回転自在なカップリングと、該回転自在なカップリングに連結した捩り付与軸と、該捩り付与軸を支える互いに離隔した２つの軸受けと、これら軸受けの間の前記捩り付与軸に取付けられ、衝撃を受ける面が軸心から離隔した平坦面を有する受けアームと、該平坦面に衝撃を与える衝撃付与手段とを備えたことを特徴とする金属材料の衝撃捩り試験機である。この場合、前記衝撃付与手段が、先端が前記受けアームの平坦面を押すプッシャー・ロッドと、該プッシャー・ロッドの後端に瞬間的な衝撃を加える油圧シリンダとで形成したり、あるいは前記衝撃付与手段が、振り子方式のハンマと、該ハンマの後端を支える回転軸と、該回転軸を回転し、ハンマの先端を持ち上げる駆動手段と、該駆動手段と前記回転軸との連結を断つクラッチとで形成しているのが好ましい。また、本試験機は、鉄鋼材料に適用するのが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、金属材料の衝撃ねじれ性が、その用途に応じた実物大の試験片で測定できるようになる。その結果、本発明は、車両等の中空ドライブ・シャフトの開発に大いに貢献すると期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
まず、発明者は、試験片を捩る手段を検討し、試験片の一端を固定し、他端を回転させることにした。そして、図２に示すような試験片の保持部分の構成を考えた。
【００１２】
それは、基盤１の上にボルト留めした固定ブロック２を設け、そこに軸を水平にしてスプライン付カップリング３を取り付けるようにした。ここで、スプライン付カップリング３とは、円筒体の内面に、その円周に沿って長手方向に延びる凹状の溝を多数刻設した部材である。従って、試験片４の断面を円形にして、該試験片４の一端の表面に、該凹条溝に嵌るよう長手方向に延びる凸状の突起を多数設けると、突起を凹溝にただ差し込むだけで試験片４を支えることが可能となる。
【００１３】
一方、試料の他端は、回転自在に支える必要がある。そこで、発明者は、試験片４の他端を嵌め込むため、上記と同じスプライン付カップリング３をもう一つ設けると共に、該スプライン付カップリング３を回転自在な別のカップリング５で支えることにした。そして、このカップリング５を２つの軸受６で支持した回転可能な軸（以下、これを捩り付与軸７という）の一端に取付けるようにした。
【００１４】
本発明では、試験片４の保持する部分をこのような構成にしたので、前記捩り付与軸７が何らかの原因で回転すると、試験片４は一端を固定した状態で他端に回転力が付与され、その軸を中心にして捩りが起きることになる。
【００１５】
本発明の目的によれば、前記捩りは衝撃的なものである必要がある。そのため、発明者は、前記捩り付与軸７を衝撃的に回転させることについて検討し、以下のような衝撃付与手段を採用することにした。
【００１６】
それは、図３に示すように、前記捩り付与軸７の一部をその先端で押す棒体（以下、プッシャー・ロッド８という）と、該プッシャー・ロッド８の後端に瞬間的な打撃を加える油圧シリンダ９とで形成されている。しかしながら、このような衝撃付与手段で単純に前記捩り付与軸７の一部を衝撃的に押しても、必ずしも該捩り付与軸７が安定して回転するとは限らない。押される位置によって回転する場合もあるが、捩り付与軸７が曲がってしまう恐れの方が大きいからである。そこで、発明者は、該プッシャー・ロッド８の先端で押される捩り付与軸７に工夫を凝らし、回転モーメントの観点より、該軸７の中心より半径方向でできるだけ離隔した位置を押せるようにした。つまり、前記図２に示すように、２つの軸受６の間に相当する捩り付与軸７の一部を、衝撃の受けアーム１０として構成することにしたのである。その受けアーム１０は、柱体からなり、その一部を切欠いて、断面視で図３に示すような平坦面１１を形成するようにした。これにより、前記プッシャー・ロッド８の先端で、平坦面１１において、受けアーム１０の軸１２から離れた位置（記号Ａ）を安定して押すことができるようになり、捩り付与軸７が押し曲がらず、確実に回転するようになる。
【００１７】
そして、発明者は、以上述べた各手段をまとめて、図１に平面的に示す本発明に係る衝撃捩り試験機を完成したのである。
【００１８】
さらに、本発明では、衝撃付与手段について別形態のものも考えた。それは、金属材料の衝撃破壊抵抗を測定するために利用する所謂シャルピー試験機に着眼したものである。すなわち、図４に示すように、衝撃の付与を振り子方式のハンマ１３で行なうようにした。この場合、該ハンマ１３を駆動させるためには、該ハンマ１３の後端を支える回転軸１４と、図５に示すような該回転軸１４を回転し、ハンマ１３の先端を持ち上げる駆動手段１５と、該駆動手段１５と前記回転軸１４との連結を断つクラッチ１６とが必要になる。この振り子方式のハンマ１３を用いても、前記油圧方式のプッシャー・ロッド８と同様に、前記受けアーム１０の平坦面１１の所定位置に確実に衝撃を加えることができ、金属材料の衝撃捩り性を測定できる。
【００１９】
なお、本発明の試験対象である金属材料は、必ずしも鉄鋼材料に限る必要はない。アルミニウム、銅、その他各種の合金材料でも、鉄鋼材料の場合と同様に試験できるからである。また、本発明では、実物大の大きな試験片４での測定も可能にするように、固定ブロック２の位置を水平方向に移動して、回転可能なスプライン付カップリング３の位置と固定ブロック２に取付けた固定されたスプライン付カップリング３の位置との間隙を変更できるようにもしてある。つまり、固定ブロック２を基盤に留めるボルト孔１７を、図２に示すように、水平方向に多数配設したのである。
【００２０】
次に、かかる衝撃捩り試験機を用いて、実際に試験片の衝撃捩り性を測定する方法について説明する。
【００２１】
まず、試験機に試験片４をセットし、図２及び図４に示したように、該試験片４の歪を検出する歪ゲージ１８を試験片４及び捩れ付与軸７に貼り付け、衝撃荷重を検出するロード・セル１９を、プッシャー・ロッド８あるいはハンマ１３に取付ける。また、図示していないが、速度を測定するレーザー距離計並びに回転計あるいはトルク・メータの他、測定データを記録する歪計、データ・レコーダ等も設置する。さらに、図２に示した受けアーム位置決め金具２０で、衝撃を受ける平坦面１１の位置を定める。そして、油圧シリンダ９の駆動あるいはハンマ１３の持ち上げ、落下で、受けアーム１０の平坦面１１に衝撃を加え、試験片４を瞬間的に破壊する。その間に試験片４の歪変化が前記データレコーダに記録されるので、後にデータを整理し、所謂衝撃靭性を試験片４が吸収した吸収相当エネルギー（トルク×歪の面積）で評価する。なお、油圧シリンダ９の使用に際しては、予め必要な速度になるように、空運転で粗調整しておき、実測定の歪−時間チャートで歪速度を確認し、且つレーザー距離計でプッシャー・ロッド等の速度を確認しながら油圧の速度調整弁を変更してシリンダ９の速度を微調整する。
【００２２】
【実施例】
引張り強度が１４７０ＭＰａで、焼鈍ずみのＣを０．３〜０．４５質量％含有してなる鋼管（外径３５ｍｍφ×肉厚８ｍｍ）及び円柱状鋼材（外径３５ｍｍ）から、長さ１５０ｍｍの試験片４を採取した。そして、両端の表面に、前記スプライン・カップリング３に嵌るように、凸状突起を加工し、本発明に係る衝撃捩り試験に供した。使用した試験機は、図１〜３に示した衝撃を油圧シリンダ９で加えるものである。
【００２３】
得られた歪、トルク等のデータ（図６参照）を整理したところ、図７に示す曲線になった。図７より、これらの曲線と横軸とが囲む面積、つまり試験片に衝撃捩りを負荷した際の吸収エネルギーが容易に求められることが明らかである。また、外径が同一の場合、ねじれ性は鋼材の中心部より表層部の方が影響が大きいと従来より言われているので、図７の結果は、本発明に係る衝撃捩れ試験機が妥当なものであることを証明している。
【００２４】
このように、本発明によれば、今までは不可能であった金属材料の衝撃捩り性が容易に評価できるようになる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、金属材料に同時に作用する衝撃及び捩れに対する抵抗力が評価できるばかりでなく、実物のスケールで衝撃捩じれ試験が行なえるようになる。その結果、本発明は、車両等の中空ドライブ・シャフトの開発に大いに貢献するものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属材料の衝撃捩り試験機の全体を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】振り子式のハンマを用いた衝撃付与手段を示す横断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ矢視図である。
【図６】本発明の実施で得たデータの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施で得た試験片の吸収エネルギーを評価する関係を示す図である。
【符号の説明】
１    基盤
２    固定ブロック
３    スプライン付カップリング
４    試験片
５    カップリング
６    軸受
７    捩り付与軸
８    棒体（プッシャー・ロッド）
９    油圧シリンダ
１０  受けアーム
１１  平坦面
１２  受けアームの軸
１３  ハンマ
１４  回転軸
１５  駆動手段
１６  クラッチ
１７  ボルト孔
１８  歪ゲージ
１９  ロード・セル
２０  受けアーム位置決め金具
２１  レーザー距離計
【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】
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【図７】
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