JP2007178151A - 疲労試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】水素雰囲気中での疲労試験と大気中での疲労試験を１台の疲労試験機により容易に行う。
【解決手段】上つかみ具３１と下つかみ具３２との間に支持された試験片ＴＰに対して負荷を与える負荷アクチュエータ１６と、負荷アクチュエータ１６に対向して横架され、昇降装置２１ａ，２１ｂにより一対の支柱１２ａ，１２ｂに沿って昇降する負荷ヨーク１３と、負荷ヨーク１３の上面に設置され、上つかみ具３１が連結される反力取り治具３０と、負荷ヨーク１３の上面に設置され、反力取り治具３０と試験片ＴＰを所定環境下に密閉するチャンバ１５と、負荷ヨーク１３の上方に設けられ、チャンバ１５を昇降させる機構１４，２２ａ，２２ｂとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素雰囲気中等、所定環境下での疲労試験を行うことが可能な疲労試験機に関する。

水素などの雰囲気中で疲労試験を行う疲労試験機が知られている。この試験機は、テーブル上に立設された一対の支柱と、この支柱に沿って一対の油圧シリンダにより昇降する上クロスヨークと、上クロスヨークとテーブルとの間で支柱にボルト締結された下クロスヨークと、テーブルに設置した負荷アクチュエータとを備えている。下クロスヨークの上面には櫓状の反力籠が設置され、この反力籠はチャンバで覆われている。チャンバは上クロスヨークで吊り上げ可能に構成されている。

負荷アクチュエータのピストンロッドにはロードセルが取り付けられ、さらにロードセルに連結された負荷ロッドは、下クロスヨークを貫通してチャンバ内まで延在し、その端部に下つかみ具が取り付けられている。この下つかみ具と、反力籠に取り付けた上つかみ具との間に試験片が取り付けられる。

このように構成された疲労試験機において、チャンバ内に水素ガスを封入して水素雰囲気中で疲労試験を行う。試験片を交換するには、上クロスヨークを上昇させて上クロスヨークでチャンバで吊り上げ、試験片を大気中に曝して行われる。なお、水素雰囲気中で行う疲労試験に関する先行技術文献としては以下のものがある。

特開２００４−２８６５８６号公報

ところで、水素雰囲気中での疲労試験では、密封装置の性能上の限界から繰り返し負荷の周波数に限界がある。一方、一台の疲労試験機により、水素雰囲気中での低周波数の疲労試験だけでなく、大気中での繰り返し周波数の高い疲労試験を行いたいという要求がある。ここで、上述した従来の疲労試験機により大気中での疲労試験を行う場合は、下クロスヨークと負荷アクチュエータとの間に試験空間を設定し、下クロスヨークの下面にロードセルと上つかみ具を付け替え、試験片を大気中で加振することが想定される。しかし、下クロスヨークは支柱にボルト締結されており、下クロスヨークの位置変更が煩雑である。また、密封装置を取り外す必要もあり、作業が繁雑となる。

本発明による疲労試験機は、上つかみ具と下つかみ具との間に支持された試験片に対して負荷を与える負荷アクチュエータと、負荷アクチュエータに対向して横架され、昇降装置により一対の支柱に沿って昇降する負荷ヨークと、負荷ヨークの上面に設置され、上つかみ具が連結される反力取り治具と、負荷ヨークの上面に設置され、反力取り治具と試験片を所定環境下に密閉するチャンバと、負荷ヨークの上方に設置され、チャンバを昇降させる機構とを備えることを特徴とする。
試験片に負荷される荷重を検出する荷重検出器を備え、荷重検出器の下面側には、負荷アクチュエータを着脱可能に連結する連結手段が設けられ、上面側には、上端に下つかみ具が取り付けられる負荷ロッドの下端が締結されるとともに、負荷ヨークに締結する締結手段が設けられ、負荷ヨークの下面には、締結手段を介して荷重検出器を取り付ける手段が設けられるようにすることもできる。

本発明によれば、負荷アクチュエータに対向して横架される負荷ヨークを昇降装置により昇降可能とし、さらにチャンバを昇降させる機構を負荷ヨークの上方に設けるので、負荷ヨークの位置調整が容易であり、負荷ヨークの下方においても容易に疲労試験を行うことができる。

以下、図１〜図３を参照して本発明による疲労試験機の実施の形態について説明する。
図１（ａ），（ｂ）は、本実施の形態に係る疲労試験機の構成を示す正面図および側面図である。試験機本体１０は、基台１１の上方に一対の支柱１２ａ，１２ｂを立設し、この支柱１２ａ，１２ｂに沿って昇降可能に横架された負荷ヨーク１３と、負荷ヨーク１３の上方にて支柱１２ａ，１２ｂに沿って昇降可能に横架された補助ヨーク１４とを備える。負荷ヨーク１３の上面にはチャンバ１５が設けられ、チャンバ１５内において図２に示すように試験片ＴＰが支持される。チャンバ１５内には例えば水素ガスが充填される。

基台１１には試験片ＴＰに負荷を与えるための油圧アクチュエータ１６が設置されている。油圧アクチュエータ１６は、図示しないサーボ弁の駆動により圧油方向と圧油量が制御され、ピストンロッド１７を伸縮する。ピストンロッド１７の伸縮により、ロードセル１８，フランジ１９，負荷ロッド２０を介して試験片ＴＰに負荷が作用する。

試験片ＴＰに作用する負荷はロードセル１８により検出され、油圧アクチュエータ１６のストローク、すなわち試験片ＴＰの変位は、油圧アクチュエータ１６に取り付けられた図示しない差動トランスにより検出される。これら差動トランスおよびロードセル１８からの信号は図示しないコントローラに取り込まれ、コントローラで所定の処理が実行されてサーボ弁が制御され、疲労試験が行われる。なお、コントローラにおける処理は周知であり、説明を省略する。

基台１１の側端部には一対の下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂが支持され、補助ヨーク１４の側端部には一対の上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂが支持されている。補助ヨーク１４の下面には、円筒形状の一対のカラー２３ａ，２３ｂが各支柱１２ａ，１２ｂの外周面に沿って摺動可能に取り付けられている。上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂのロッドの下端は負荷ヨーク１３に取り付けられ、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂの伸縮により負荷ヨーク１３に対して補助ヨーク１４が昇降する。

一方、下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂのロッドの上端は負荷ヨーク１３に取り付けられ、下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂの伸縮により負荷ヨーク１３が昇降するとともに、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂと補助ヨーク１４が一体に昇降する。負荷ヨーク１３は油圧クランプ２４ａ，２４ｂにより支柱１２ａ，１２ｂに固定される。支柱１２ａ，１２ｂにはチャンバ１５の落下防止用のストッパ２５ａ，２５ｂが設けられる。なお、ストッパ２５ａ，２５ｂは後述するようにチャンバ１５を上昇させた状態で、チャンバ１５の底面よりも下方に設けられる。

図２はチャンバ１５内の構成を示す正面図である。負荷ヨーク１３の上板１３ａおよび下板１３ｂの中央にはそれぞれ貫通孔１３ｃ，１３ｄが開口され、上板１３ａの上面にはボルト２６を介してチャンバ１５のベース１５ａが取り付けられている。ベース１５ａの下面には円筒部１５ｃが設けられ、円筒部１５ｃは負荷ヨーク１３の貫通孔１３ｃ，１３ｄを貫通し、その端部は負荷ヨーク１３の下面よりも下方に突出している。ベース１５ａの下面は貫通孔１３ｃに嵌合し、負荷ヨーク１３に対しベース１５ａが位置決めされている。

ベース１５ａの上面には、図示しないボルトによりチャンバ本体１５ｂが気密に取り付けられ、チャンバ本体１５ｂの内部に密閉空間ＳＰ１が形成されている。チャンバ本体１５ｂの上面にはロッド２７が突設され、ロッド２７は補助ヨーク１４に締結されている。これにより補助ヨーク１４の昇降によりロッド２７を介してチャンバ１５が昇降可能である。ベース１５ａの上面には櫓状の反力取り治具３０が立設され、反力取り治具３０の上部に上つかみ具３１が支持されている。

上つかみ具３１には試験片ＴＰの一端が把持され、他端は下つかみ具３２に把持されている。下つかみ具３２は負荷ロッド２０の上端に支持されている。負荷ロッド２０はベース１５ａの円筒部１５ｃを貫通し、その下端はフランジ１９に連結されている。円筒部１５ｃの下端部内周面と負荷ロッド２０の外周面との間にはシール材３３が介装され、このシール材３３により負荷ロッド２０の外周面がシールされている。円筒部１５ｃの下端部外周面にはねじが形成され、このねじにキャップ３４が螺合し、シール材３３が保持されている。

フランジ１９は上フランジ部１９ａとそれより大径の下フランジ部１９ｂとを有する。上フランジ部１９ａの外周面は負荷ヨーク１３の貫通孔１３ｄの径とほぼ等しく、図３に示すようにフランジ１９を最大に上昇させた場合には、上フランジ部１９ａが貫通孔１３ｄに嵌合し、負荷ヨーク１３に対するフランジ１９の位置が規制される。貫通孔１３ｄの周囲の負荷ヨーク１３の下板１３ｂにはねじ部１３ｅが設けられており、このねじ部１３ｅに下フランジ部１９ｂを貫通したボルト３５を螺合することで、フランジ１９を負荷ヨーク１３の下面に位置決めした状態で取り付けることができる。図２において、上フランジ部１９ａの上面にはボルト３６を介して負荷ロッド２０が締結され、下フランジ部１９ｂの下面にはボルト３７を介してロードセル１８が連結され、ロードセル１８の下面には締結部３８を介してピストンロッド１７の上端部が着脱可能に連結されている。なお、上フランジ部１９ａと負荷ロッド２０、下フランジ部１９ｂとロードセル１８は軸心が調整されており、通常の段取り換えにおいては、その締結部を解くことはない。

（１）水素雰囲気中での疲労試験
以上の疲労試験機を用いて、例えば燃料電池車用の部品等、水素雰囲気に曝される素材を試験片として疲労試験を行う。すなわちチャンバ１５を上昇させた状態で、下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂの伸縮により負荷ヨーク１３の高さを調整し、上つかみ具３１と下つかみ具３２の間に試験片ＴＰをセットするとともに、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂの縮退により補助ヨーク１４と一体にチャンバ１５を降下させ、試験片ＴＰの周囲にチャンバ１５によって密閉空間ＳＰ１を形成する。そして、空間ＳＰ１内を所定圧力の水素ガスで満たした状態で、油圧アクチュエータ１６により試験片ＳＰに対し繰り返し荷重を負荷する。

試験片ＴＰを交換する場合には、密閉空間ＳＰ１内から水素ガスを取り除いた後、ベース１５ａとチャンバ本体１５ｂとを締結するボルトを取り外し、チャンバ本体１５ｂをベース１５ｂから分割可能とする。その状態で、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂの駆動により補助ヨーク１４と一体にチャンバ本体１５ｂを上昇させ、試験片ＴＰを露出させた状態とする。この場合、支柱１２ａ，１２ｂに沿って補助ヨーク１４と一体にカラー２３ａ，２３ｂも上昇する。このため、補助ヨーク１４を支柱１２ａ，１２ｂの高さよりもカラー２３ａ，２３ｂの長さ分だけ上方に上昇させることができ、支柱１２ａ，１２ｂの長さをその分短くすることができる。

次いで、上つかみ具３１および下つかみ具３２から試験片ＴＰを取り外し、試験片ＴＰを交換する。この際、チャンバ本体１５ｂの下方において支柱１２ａ，１２ｂにストッパ２５ａ，２５ｂ（図１）を取り付ける。これにより上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂの油のリーク等によりチャンバ本体１５ｂが落下したとしても、その落下はストッパ２５ａ，２５ｂで受け止められ、試験片ＴＰの交換時にチャンバ本体１５ｂの落下を防止できる。したがって、補助ヨーク１４を支柱１２ａ，１２ｂに固定するための油圧クランプは不要であり、補助ヨーク１４を軽量化できる。

（２）大気中での疲労試験
本実施の形態に係る疲労試験機は、大気中で高サイクルの疲労試験を行うこともできる。以下、この点について説明する。水素雰囲気中での疲労試験の後、大気中で高サイクルの疲労試験を行う場合、まず、ロードセル１８の締結部３８を緩めてロードセル１８をピストンロッド１７から分離する。また、負荷ヨーク１３の上板１３ａのボルト２６を緩めてチャンバ１５（ベース１５ａ）を負荷ヨーク１３から分離する。次いで、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂを伸長させて補助ヨーク１４を上昇する。これによりチャンバ１５と一体に負荷ロッド２０，フランジ１９，およびロードセル１８が上昇する。

フランジ１９が上昇して、上フランジ部１９ａが貫通孔１３ｄに嵌合し、下フランジ部１９ｂの上面が負荷ヨーク１３の下面に当接すると、油圧シリンダ２２ａ，２２ｂの伸長動作を停止し、図３に示すようにフランジ１９を負荷ヨーク１３にボルト３５によって固定する。次いで、下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂの伸縮により負荷ヨーク１３の高さを調整し、負荷ヨーク１３と基台１１との間に疲労試験を行うための所定の空間ＳＰ２を設ける。この際、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂは負荷ヨーク１３に支持されているため、上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂを操作することなく、補助ヨーク１４およびチャンバ１５を介してフランジ１９が負荷ヨーク１３と一体に昇降する。

次いで、図３に示すようにロードセル１８の下方に上つかみ具４１を取り付け、ピストンロッド１７の上方に下つかみ具４２を取り付け、上つかみ具４１と下つかみ具４２の間に試験片ＴＰをセットする。さらに支柱１２ａ，１２ｂに取り付けた固定具４３ａ，４３ｂをチャンバ１５のベース１５ａにボルト４４により締結する。これにより固定具４３ａ，４３ｂを介してチャンバ１５は支柱１２ａ，１２ｂに支持され、疲労試験時のチャンバ１５の振動を防止できる。この状態で油圧アクチュエータ１６の駆動によりピストンロッド１７を高い繰り返し周波数で伸縮させて、高サイクルの疲労試験を行う。この場合、ロードセル１８はフランジ１９を介して負荷ヨーク１３に固定され、静止しているため、試験時の振動ノイズの影響を受けにくく、試験力の検出精度が優れる。

以上の実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂにより負荷ヨーク１３を昇降可能としたので、負荷ヨーク１３と油圧アクチュエータ１６の間の空間ＳＰ２の調整が容易であり、この空間ＳＰ２に試験片ＴＰをセットして大気中での疲労試験を容易に行うことができる。
（２）ロードセル１８とフランジ１９と負荷ロッド２０を互いに連結したまま、大気中での疲労試験を行うので、疲労試験機の設定変更作業が煩雑とならずにすむ。すなわち負荷ヨーク１３の上方の密閉空間ＳＰ１内に試験片ＴＰをセットした状態から負荷ヨーク１３の下方の空間ＳＰ２内に試験片ＴＰをセットする状態へと容易に設定変更することができる。
（３）大気中での高サイクルの疲労試験時には、フランジ１９が負荷ヨーク１３に固定され、シール材３３に対して負荷ロッド２０が摺動しないため、シール材３３の寿命低下を防ぐことができる。
（４）大気中で高サイクル疲労試験を行う際に、ロードセル１８を負荷ヨーク１３に固定するので、ロードセル１８が加振側になく、高サイクル疲労試験時の振動ノイズの影響を低減することができ、ロードセル１８の力検出精度が高まる。
（５）試験片ＴＰの上端を上つかみ具３１を介して籠型の反力取り治具３０に接続し、下端を下つかみ具３２を介して負荷ロッド２０に接続する構成では、反力取り治具３０及び負荷ロッド２０を含む系の剛性が低く固有振動数は低いため、高サイクル疲労試験を行った際に反力取り治具３０や負荷ロッド２０が共振し、試験ができなくなる。また、反力取り治具３０と負荷ロッド２０により力を伝達するため、試験装置の変形が大きくなり、エネルギロスが大きくなる。これに対し、本実施の形態では、負荷ヨーク１３の下面にフランジ１９を取り付け、フランジ１９の下方にて試験片ＴＰを支持し、高サイクル疲労試験を行うので、反力取り治具３０や負荷ロッド２０の共振は問題とならず、負荷枠全体の変形を小さくすることができる。

なお、上記実施の形態では、基台１１に設置した油圧アクチュエータ１６により試験片ＴＰに負荷を与えるようにしたが、負荷アクチュエータはいかなるものでもよい。油圧アクチュエータ１６に対向して負荷ヨーク１３を横架し、この負荷ヨーク１３を下油圧シリンダ２１ａ，２１ｂにより支柱１２ａ，１２ｂに沿って昇降するようにしたが、昇降装置の構成はこれに限らない。負荷ヨーク１３の上方に補助ヨーク１４を横架し、この補助ヨーク１４を上油圧シリンダ２２ａ，２２ｂにより昇降させてチャンバ１５を昇降させるようにしたが、チャンバ１５を昇降させる機構の構成はこれに限らない。

チャンバ１５内を水素雰囲気に密閉して疲労試験を行うようにしたが、他の所定環境下に密閉して疲労試験を行ってもよい。ロードセル１８以外の荷重検出器を用いて試験片に負荷される荷重を検出するようにしてもよい。ロードセル１８の下面側に締結部３８を介してピストンロッド１７を着脱可能に連結したが、他の連結手段を用いて負荷アクチュエータを着脱可能としてもよい。ロードセル１８の上面に締結したフランジ１９をボルト３５を介して負荷ヨーク１３に締結可能としたが、他の締結手段を用いてもよい。負荷ヨーク１３の下面にボルト３５に対応してねじ孔１３ｅを設けたが、荷重検出器を取り付ける手段はこれに限らない。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の疲労試験機に限定されない。なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係になんら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係る疲労試験機の構成を示す正面図および側面図。 図１の要部構成を示す正面図。 大気中での疲労試験を説明する図。

符号の説明

１２ａ，１２ｂ 支柱
１３ 負荷ヨーク
１４ 補助ヨーク
１５ チャンバ
１６ 油圧アクチュエータ
１８ ロードセル
２１ａ，２１ｂ 下油圧シリンダ
２２ａ，２２ｂ 上油圧シリンダ
３０ 反力取り治具
３１ 上つかみ具
３２ 下つかみ具
３５，３７ ボルト
ＴＰ 試験片

Claims (2)

1. 上つかみ具と下つかみ具との間に支持された試験片に対して負荷を与える負荷アクチュエータと、
   前記負荷アクチュエータに対向して横架され、昇降装置により一対の支柱に沿って昇降する負荷ヨークと、
   前記負荷ヨークの上面に設置され、前記上つかみ具が連結される反力取り治具と、
   前記負荷ヨークの上面に設置され、前記反力取り治具と試験片を所定環境下に密閉するチャンバと、
   前記負荷ヨークの上方に設けられ、前記チャンバを昇降させる機構とを備えることを特徴とする疲労試験機。
2. 請求項１に記載の疲労試験機において、
   前記試験片に負荷される荷重を検出する荷重検出器を備え、
   前記荷重検出器の下面側には、前記負荷アクチュエータを着脱可能に連結する連結手段が設けられ、上面側には、上端に前記下つかみ具が取り付けられる負荷ロッドの下端が締結されるとともに、前記負荷ヨークに締結する締結手段が設けられ、
   前記負荷ヨークの下面には、前記締結手段を介して前記荷重検出器を取り付ける手段が設けられていることを特徴とする疲労試験機。

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