JP2007212416A

JP2007212416A - 衝撃試験装置

Info

Publication number: JP2007212416A
Application number: JP2006035632A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Takahashi; 伸一郎高橋; Hidekatsu Kanehashi; 秀豪金橋; 猛 ▲濱▼田; Takeshi Hamada; Tomokazu Nakagawa; 知和中川
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-13
Also published as: JP4620602B2

Abstract

【課題】自動車等車両の構造体、特に衝突部材を、衝突エネルギー吸収性能や軽量化の観点からみた最適接合構造面から正確に設計するために、各種接合部材の衝撃強度を精度良く簡便に計測できる衝撃試験装置を提供する。
【解決手段】円筒形状を有する打撃体３と、この打撃体３を高速に加速させる発射装置４と、前記打撃体３を内部に収納して飛翔させる発射管２と、前記打撃体３内を貫通して延設されたパイプ状のガイド５と、このガイド５内を貫通して延設され歪ゲージ８を貼着された出力棒７と、前記発射管２の終端側にあって飛来する打撃体３を受け止める衝撃ブロック６とを備え、前記出力棒７の終端と衝撃ブロック３との間に連結部材を介して試験体１０を連結し、高速で飛来した前記打撃体３を前記衝撃ブロック６に衝突させることによって前記試験体１０に高速で引張荷重を負荷し、前記歪ゲージ８により出力棒に発生した歪を検出する衝撃試験装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等車両用構造部材のうち、衝突安全部品に用いられる接合部強度を試験するための衝撃試験装置に関する。

近年、自動車等車両の設計に当たっては、衝突安全性の確保は重要な設計要件となっている。一方、燃費の改善や排出炭酸ガスの低減のため、車両の軽量化が急務となっている。前記衝突安全性を確保するためには、必要十分な強度を有する材料を、十分な接合強度を有する適切な接合方法によって接合された構造が必要である。このことは、多くの場合、車体重量の増加を招く結果となる。

また、車両の衝突における衝突エネルギー吸収部材の変形は衝撃的であるにも拘わらず、衝突エネルギー吸収部材の接合構造設計は、静的接合強度データやこれまでの経験値に基づいて行われているのが現状である。このような衝突安全性の向上と燃費等の改善のための軽量化を両立させる車両構造体を設計するには、材料や接合部の高速変形下の機械的特性を正確に評価する必要がある。

しかしながら、従来の高速引張試験装置においては、試験中に衝撃荷重を試験体に負荷するため衝撃弾性波が発生し、試験体の変形応力の計測系にこの衝撃弾性波が重なり、試験体の正確な高速変形特性が計測できないというという基本的な問題点を有していた。このため、より正確な構造体を設計するために、高速変形下の応力−歪特性について種々の試験方法や試験体形状が提案され始めている。

このような従来の衝撃試験方法や試験体形状に関し、図１３の従来例に係る高速引張試験機における計測器の部分の構成を示す模式図を参照しながら以下説明する。図１３において、本従来例に係る計測方法は、両端のつかみ装置５１を介して試験片５０を引っ張り、高歪速度領域で材料の機械的特性を測定する引張試験において、試験片５０のつかみ部の片側または両側の衝撃負荷の下で、十分弾性範囲である延長部位に歪ゲージ５２を貼着し、この歪ゲージ５２により歪ゲージ出力−時間関係を得て、前記ゲージ出力を変換して荷重信号となし、もって高歪速度領域での試験片の応力と歪の関係を得る方法である。

また、この従来例に係る引張試験片は、つかみ部の幅をＢ、平行部の幅をＷとするとき、Ｂ≧２．０×Ｗとするのが好ましい。そして、前記平行部を挟んで両側にあるつかみ部の片側または両側の衝撃負荷の下で、十分弾性範囲である延長部位に歪ゲージを貼着して構成される（特許文献１参照）。

ところが、このような従来例に係る衝撃試験方法においては、試験片平行部よりつかみ部の方が断面積が広く衝撃弾性波の影響が緩和されるが、試験体の変形応力の計測系にこの衝撃弾性波が重なり、正確な高速変形特性が計測できないというという従来の基本的な問題点が解消し得る訳ではない。

このような問題点を解消するため、試験体を取り付けた金属製出力棒の弾性変形に基づいて試験体の応力を計測する試験方法において、前記出力棒の端部から２００ｍｍ以内を拘束しながら、１０^２／ｓ以上の歪速度を付与する従来例に係る高速変形時の引張または圧縮応力の精密計測方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平１０−３１８８９４号公報特開２００４−４０３２号公報

しかしながら、車両構造体は、薄鋼板やアルミニウム合金板等の板材料をプレス成型し、主としてスポット溶接によって接合組立されているため、接合部の高速変形下の強度特性をも正確に評価することもできなければ、正確な構造体の設計はなし得ない。

しかも、このような接合部には、剥離力やせん断力等の荷重成分が複合された荷重が作用するため、単純剥離モードや単純せん断モードのみの評価では不十分で、これらが複合化された荷重下での接合部材の強度特性を評価することが必要である。ところが、このようなスポット溶接を初めとする接合部の高速変形下の特性については、まだ殆ど検討されていないのが現状である。

従って、本発明の目的は、自動車等車両の構造体、特に衝突部材を、衝突エネルギー吸収性能や軽量化の観点から最適な接合構造を設計するために、現状主たる接合方法であるスポット溶接を初めとする各種接合部材に着目し、その衝撃強度を精度良く簡便に計測できる衝撃試験装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る衝撃試験装置が採用した手段は、
円筒形状を有する打撃体と、この打撃体を高速に加速して飛翔させる発射装置と、この発射装置に始端を接続され、前記打撃体をその内部に収納して終端方向に向かって飛翔させる発射管と、この発射管内を飛翔する打撃体の空洞部を貫通して延設されたパイプ状のガイドと、このガイドの内部空間を貫通して延設され歪ゲージを貼着された出力棒と、前記発射管の終端側にあって、前記ガイドに導かれて飛来する打撃体を受け止める衝撃ブロックとを備えている。

同時に、前記出力棒の終端と衝撃ブロックとの間に連結部材を介して試験体を連結し、高速で飛来した前記打撃体を前記衝撃ブロックに衝突させることによって、この衝撃ブロックを衝撃的に移動させて前記試験体に高速で引張荷重を負荷し、試験体に作用した衝撃架重を前記歪ゲージにより出力棒に発生した歪を検出するよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の請求項２に係る衝撃試験装置が採用した手段は、請求項１項記載の衝撃試験装置において、前記発射装置が、タンク内部に蓄圧した高圧空気を噴出口から瞬時に放圧させる放圧機構を有する空圧装置であって、この放圧された高圧空気を、前記噴出口から前記打撃体の背面に負荷することによって前記打撃体を加速し、前記発射管内を高速で飛翔させるよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の請求項３に係る衝撃試験装置が採用した手段は、請求項２項記載の衝撃試験装置において、前記空圧装置のタンクが両端に底部を有する円筒形状に形成されるとともに、前記放圧機構が、前記タンク内部を一部の連通部を有する円筒状隔壁で略同心状に仕切られて、外層シリンダーと内層シリンダーとを形成する二層式シリンダーであって、前記外層および内層シリンダーの各々に圧空供給孔を備えるとともに、前記内層シリンダーが前記円筒状隔壁に内接するピストンと内部の高圧空気を大気開放する放気弁とを備えている。

また同時に、前記放圧機構は、前記ピストンが前記内層シリンダーに備えた圧空供給孔から供給された高圧空気により前進した状態では、前記ピストンのヘッドがタンク底部に設けられた前記噴出口を密着シールして、前記外層シリンダーに備えた圧空供給孔から供給された高圧空気によりこの外層シリンダー内に高圧空気を蓄圧し、前記放気弁を開放して前記内層シリンダー内圧力を低下させることにより前記ピストンヘッドを瞬時に後退させ、前記噴出口から高圧空気を噴射して前記打撃体の背面に負荷しこの打撃体を高速で発射させることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る衝撃試験装置が採用した手段は、請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の衝撃試験装置において、前記出力棒が、試験体に作用する衝撃荷重による歪範囲が弾性範囲内以上である直径あるいは強度（弾性範囲）を有する材料で構成され、前記試験体の破壊に要する時間より、前記出力棒中を伝播する縦弾性波動がこの出力棒の他端で反射して前記歪ゲージ位置に戻って来るまでの時間の方が長くなる十分な長さとを有するものである。

同時に、前記出力棒の試験体連結部材に連結されている終端からの距離が、この出力棒直径の少なくとも３倍以上の位置に前記歪ゲージを貼着し、この歪ゲージによって前記試験体に作用する衝撃力を、前記出力棒内を伝播する一次元弾性波動による歪として検出し、予め求められた歪と荷重との静的な関係を示す校正係数を前記歪検出値に乗じることによって、衝撃荷重の時刻暦変化を測定できるよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の請求項５に係る衝撃試験装置が採用した手段は、請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の衝撃試験装置において、溶接、接着または機械的接合等により接合された薄板接合継手からなる試験体の接合部に対し、この試験体を連結する前記連結部材が、出力棒の終端と衝撃ブロックとの間に介在して、前記引張荷重方向が任意の方向に作用するよう構成され、前記試験体に高速で引張荷重を負荷させて、せん断モードや剥離モード等任意の負荷モードにおける衝撃接合強度を測定できるよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る衝撃試験装置は、円筒形状を有する打撃体と、発射装置に始端を接続され、前記打撃体をその内部に収納して終端方向に向かって飛翔させる発射管と、この発射管内を飛翔する打撃体の空洞部を貫通して延設されたパイプ状のガイドと、このガイドの内部空間を貫通して延設され歪ゲージを貼着された出力棒とを備え、打撃体を飛翔させる装置主要部が円筒形状を構成されてなるので、芯出し調整等の手間を要せず、常に組立精度が確保されてメンテナンスも容易な衝撃試験装置を提供できる。

また、本発明の請求項２に係る衝撃試験装置によれば、前記発射装置が、タンク内部に蓄圧した高圧空気を噴出口から瞬時に常圧まで放圧させる放圧機構を有する空圧装置であって、この放圧された高圧空気を、前記噴出口から前記打撃体の背面に負荷することによって前記打撃体を加速し、前記発射管内を高速で飛翔させるよう構成したので、前記高圧空気の圧力レベルを変えることによって、前記打撃体の衝撃初速度や試験体に負荷する衝撃エネルギーを可変とすることができる。

更に、本発明の請求項３に係る衝撃試験装置によれば、前記空圧装置のタンクが両端に底部を有する円筒形状に形成されるとともに、前記放圧機構が、前記タンク内部を一部の連通部を有する円筒状隔壁で略同心状に仕切られて、外層シリンダーと内層シリンダーとを形成する二層式シリンダーをなしている。

同時に、この衝撃試験装置は、内層シリンダーに設けられた放気弁を開放して前記内層シリンダー内圧力を低下させることにより、内層シリンダーに設けられたピストンヘッドを後退させ、前記噴出口から高圧空気を噴射して前記打撃体の背面に負荷させるよう構成したので、前記噴出口の開放を瞬間的に行える。その結果、瞬間的な衝撃力を前記打撃体背面に付与して、打撃体の加速を瞬時に与えることができる。

更にまた、本発明の請求項４に係る衝撃試験装置によれば、前記出力棒が、試験体に作用する衝撃荷重による歪範囲が弾性範囲内以上である直径あるいは強度（弾性範囲）を有する材料で構成され、前記試験体の破壊に要する時間より、前記出力棒中を伝播する縦弾性波動がこの出力棒の始端で反射して前記歪ゲージ位置に戻って来るまでの時間の方が長くなる十分な長さとを有するものである。

同時に、前記出力棒の試験体連結部材に連結されている終端からの距離が、この出力棒直径の少なくとも３倍以上の位置に前記歪ゲージを貼着し、この歪ゲージによって前記試験体に作用する衝撃力を、前記出力棒内を伝播する一次元弾性波動による歪として検出して、予め求められた歪と荷重との静的な関係を示す校正係数を前記歪検出値に乗じることによって、衝撃荷重の時刻暦変化を測定できるよう構成したので、打撃体の衝突によって発生する反射波の影響が及ばない範囲で、前記試験体に作用した衝撃引張荷重の時刻暦変化を得ることができる。

本発明の請求項５に係る衝撃試験装置によれば、溶接、接着または機械的接合等により接合された薄板接合継手からなる試験体の接合部に対し、この試験体を連結する前記連結部材が、出力棒の終端と衝撃ブロックとの間に介在して、前記引張荷重方向が任意の方向に作用するよう構成され、前記試験体に高速で引張荷重を負荷させて、せん断モードや剥離モード等任意の負荷モードにおける衝撃接合強度を測定できるよう構成したので、スポット溶接をはじめ各種接合部材の剥離力やせん断力等の荷重成分が複合化された荷重下での接合部材の強度特性を評価することが可能となった。

以上、本発明に係る衝撃試験装置によれば、車両用構造部材、特に衝突部材を、衝突エネルギー吸収性能や軽量化の観点から最適な接合方法による接合部強度を、従来にない正確さで試験評価し、かつ最適接合構造を設計することができるようになった。

先ず、本発明の実施の形態に係る衝撃試験装置の概要を、図１および図２を用いて以下説明する。図１は本発明の実施の形態に係る衝撃試験装置の一部を断面で示す模式的正面図、図２は本発明の実施の形態に係る衝撃試験装置において、打撃体が衝撃ブロックに衝突した状態を示す模式的正面図である。

図１において、符号１は本発明に係る衝撃試験装置を示す。図１は、架台１１に支持された発射管２の始端に発射装置４が接続され、前記発射管２内に収納された打撃体３が、前記発射装置４によって高速に加速され、前記発射管２の終端方向に飛翔開始した状態を示している。前記打撃体３は円筒形状を有しており、摺動抵抗を低減するため、その外径の一部のみを前記発射管２に内接するよう形成するのが良い。

また、この打撃体３は、前記発射管２内にあって打撃体３の内径にその外径を接して貫通され、前記発射管２の始端から終端に略対応する長さに延設されたパイプ状のガイド５に導かれて飛翔し、前記発射管２の終端側に配置された衝撃ブロック６に衝突させる構成をなしている。

また、パイプ状をなす前記ガイド５の内部空間を貫通して、前記発射管２の始端から終端までに略対応する長さの出力棒７が延設され、この出力棒７には歪ゲージ８が貼着されている。この出力棒７の終端と前記衝撃ブロック６との間には、後述するように連結部材を介して試験体１０が装着されている。

そして、前記発射管２内を高速で飛来した打撃体３は、図２に示す如く、衝撃ブロック６に衝突する。この衝撃ブロック６は、フリーローラ９上に配置されており、前記打撃体３の衝突によってこのフリーローラ６上を後方に移動させられ、後述する連結部材を介して前記試験体１０に高速で引張荷重を負荷する。このような打撃体３の衝撃ブロック６への衝突による試験体１０への引張荷重の作用については、後ほど図１２を用いて詳述する。尚、図２においては計測系の図示を省略している。

発射管２内に収納された前記打撃体３は円筒形状を有し、上述したようにその内径空洞部を貫通して前記ガイド５が延設されている。即ち、円筒形状を有する打撃体３に内接する前記ガイド５はパイプ形状であるのが好ましい。そして、この円筒形状の打撃体３内径が、前記ガイド５の外径と微小な隙間を有し、前記打撃体３の内径空洞部にこのガイド５を挿入して摺動面を形成するのが好ましい。

更に、前記出力棒７は、円形断面を有する形状が好ましい。そして、前記出力棒７は、後述する図１２に示すように、前記ガイド５の内径と等しい外径を有し、前記出力棒７外径と等しい内径を有する複数個のリング状支持部材１８を、前記ガイド５と出力棒７との隙間に挿入して同心状に支持される構成をなすのが好ましい。このような構成をなすことによって、芯出し調整等の手間を要せず、常に組立精度が確保される。

打撃体３が衝撃ブロック６へ衝突することによって発生する試験体１０への引張荷重は、前記試験体１０を連結した連結部材によって、前記出力棒に一次元縦弾性波（歪波）として伝播する。この歪の時刻暦変化を、出力棒７に貼着された歪ゲージ８で検出し、図１に示す如く、ホィートストンブリッジ回路１２、歪アンプ１３を経てデジタルオシロスコープ１４へ送信し、かつ記録する。そして、得られた歪波の時刻暦デジタルデータをパソコンへ転送し、校正係数を乗じることで試験体に作用した衝撃荷重が求められる。

ここで、前記出力棒７は、試験体１０に作用する衝撃荷重による歪範囲が弾性範囲内以上である直径あるいは強度（弾性範囲）を有する材料で構成され、前記試験体１０の破壊に要する時間より、前記出力棒７中を伝播する縦弾性波動がこの出力棒７の始端で反射して前記歪ゲージ８の位置に戻って来るまでの時間の方が長くなる十分な長さとを有する金属棒が好ましい。

また、前記歪ゲージ８は、連結部材に連結されている前記出力棒７の終端からの距離が、この出力棒７の直径の少なくとも３倍以上の位置に貼着されるのが好ましい。連結部材に結合された出力棒端面では、断面内の歪分布が一様でない可能性がある。従って、経験的な理論ではあるが、サンブナンの原理から前記位置に貼着されるのが好ましい。

更に、この歪ゲージ８によって、前記試験体１０に作用する衝撃力を、前記出力棒７内を伝播する一次元弾性波動による歪として検出して、予め求められた歪と荷重との静的な関係を示す校正係数を前記歪検出値に乗じることによって、衝撃荷重の時刻暦変化を測定できるよう構成するのが好ましい。

このような構成をなすことによって、打撃体３の衝突によって発生する反射波の影響が及ばない範囲で、前記試験体１０を破壊することができる。衝撃引張荷重波形は、試験体１０の接合部が破断することによって急激に減少することから、それまで生じた最大荷重が、試験体１０接合部の衝撃強度として得られる訳である。

そしてまた、図１に示す如く、発射管２の終端直前の長手方向２箇所には、ある距離を隔てて光電管１５ａ，１５ｂが取り付けられ、前記打撃体３が夫々の光電管１５ａ，１５ｂを通過する時刻を検知するよう構成されている。この検知された時刻信号は、アンプ１６を介してデジタルオシロスコープ１７に送信・記録される。

この２個の光電管１５ａ，１５ｂ間距離と検知された通過時間から、前記打撃体３の衝撃初速度Ｖを求めることができる。前記衝撃初速度Ｖを求めることによって、打撃体３の質量ｍとから、試験体１０に負荷される衝撃エネルギーＥが次式（１）として得られる。
Ｅ＝（１／２）ｍＶ^２（１）

次に、本発明の実施の形態に係る発射装置４に関して、以下図３〜５を用いて説明する。図３は、前記発射装置の内層シリンダーに高圧空気を供給し噴出口をシールする過程を示した模式的断面図、図４は、前記発射装置の噴出口のシールを完了し外層シリンダーに高圧空気を充填する過程を示した模式的断面図、図５は、前記発射装置の内層シリンダーに設けた放気弁を開放し、噴出口から高圧空気が噴射する状態を示した模式的断面図である。

先ず、この発射装置４は、図３〜５に示したように、タンク２０に設けられた圧空供給孔２３より高圧空気を内部に充填蓄圧し、この蓄圧した高圧空気を噴出口２１から瞬時に放圧させる放圧機構２２を有する空圧装置として構成される。そして、このように放圧された高圧空気を、前記噴出口２１から発射管内にある打撃体の背面に、瞬間的に負荷することによって前記打撃体を加速し、前記発射管内を高速で飛翔させるように構成されている。

前記放圧機構２２の実施の形態を更に具体的に述べるならば、前記空圧装置のタンク２０が、両端に底部２４ａ，２４ｂを有した円筒形状に形成されている。そして、前記放圧機構２２は、前記タンク２０内部を、前記発射管に接続される底部２４ａ側に連通部２５ａを有する円筒状隔壁２５で略同心状に仕切られて、外層シリンダー２６と内層シリンダー２７とをなす二層式シリンダーを形成している。

更に、前記内層シリンダー２７には、前記円筒状隔壁２５に気密に内接するピストン２９と、前記内層シリンダー２７内部に高圧空気を供給するための圧空供給孔２８と、この高圧空気を大気開放する放気弁３０とが設けられている。

前記放圧機構２２の作用は、先ず、図３に示したように、前記内層シリンダー２７に圧空供給孔２８より高圧空気を供給される。すると、供給された高圧空気の圧力により、内層シリンダー２７内部に設けられた前記ピストン２９が、タンク底部２４ａ方向に前進して行く。

そして、図４に示したように、前記ピストン２９が高圧空気の圧力により更に前進しタンク底部２４ａに密着すると、ピストンヘッド２９ａによって前記タンク底部２４ａに設けられた噴出口２１がシールされる。そして、外層シリンダー２６に設けられた圧空供給孔２３から高圧空気を供給することにより、外層シリンダー２６内に高圧空気が蓄圧される。

打撃体３を発射する際には、図５に示す如く、前記放気弁３０を開放することによって内層シリンダー２７の空気圧が急激に低下し、外層シリンダー２６との差圧がピストンヘッド２９ａに作用してピストン２９を瞬時に後退させ、タンク底部２４ａに設けられた噴出口２１から高圧空気を噴射して前記打撃体３の背面に負荷させる。このように、噴射口２１の開放を瞬時に行える放圧機構２２を採用することによって、瞬間的な衝撃力を前記打撃体３背面に付与して、打撃体３の加速を瞬間的に行うことができるのである。

このような二層式シリンダーにより構成された放圧機構を採用することによって、打撃体を瞬間的に加速することが可能となるのである。仮に、一層式の空気タンクを適用した場合は、電磁バルブを用いたとしても噴射口の開放に秒オーダーの時間を要し、打撃体に瞬間的に加速する空気噴射力を得ることはできない。

次に、本発明の実施の形態に係る試験体に関して、以下図６〜８を用いて説明する。図６は本発明の衝撃試験装置に係る試験体の実施の形態を示す正面図、図７は前記試験体の実施の形態を示す側面図、図８は前記試験体の実施の形態を示す平面図である。

図６〜８は、スポット溶接により２枚の薄板４０ａ，４０ｂを接合した試験体１０を示し、この試験体１０は、「コ」の字状に加工された前記２枚の薄板４０ａ，４０ｂ各々の凸部を突き合わせて、スポット溶接４１により接合されている。そして、２枚の薄板４０ａ，４０ｂの夫々には、連結孔４２ａ，４２ｂが開孔され、この連結孔４２ａ，４２ｂにピンやボルトを貫通して、次に説明する連結部材と連結されるのである。

次に、本発明の実施の形態に係る試験体の連結部材に関して、以下図９〜１１を用いて説明する。図９は本発明の衝撃試験装置に係る試験体のせん断モード試験用連結部材を示す正面図、図１０は前記試験体の剥離モード試験用連結部材を示す正面図、図１１は前記試験体のせん断−剥離混合モード試験用連結部材を示す正面図である。

図９〜１１において、前記試験体１０は、薄板４０ａ，４０ｂの夫々に形成された連結孔４２ａ，４２ｂに図示しないピンやボルトを貫通して、後述する負荷モードに応じて各々連結部材４３，４４，４５と連結される。そして、引張荷重が矢印方向に作用したときは、夫々次のように接合部に作用するのである。

即ち、図９に示したせん断モード試験用連結部材４３によれば、矢印方向に作用する引張荷重によって、試験体１０を構成する一方の薄板４０ａと他方の薄板４０ｂの接合面に、せん断方向の引張力が働くので、結果としてスポット溶接部にせん断力が作用する。

また、図１０に示した剥離モード試験用連結部材４４によれば、矢印方向に作用する引張荷重によって、試験体１０を構成する一方の薄板４０ａと他方の薄板４０ｂの接合面に、垂直方向の引張力が働くので、結果としてスポット溶接部を引き剥がそうとする剥離力が作用する。

更に、図１１に示したせん断−剥離混合モード試験用連結部材４５によれば、矢印方向に作用する引張荷重によって、試験体１０を構成する一方の薄板４０ａと他方の薄板４０ｂの接合面に、前記引張荷重方向とある角度をなす引張力が働き、結果としてスポット溶接部をせん断力および剥離力の両者が同時に負荷されるせん断−剥離混合力が作用する。

以上のように、試験体を連結する前記連結部材を、前記引張荷重方向が任意の方向に作用するよう構成し、前記試験体に高速で引張荷重を負荷させて、せん断モードや剥離モード等任意の負荷モードにおける衝撃接合強度を測定できるよう構成したので、剥離力やせん断力等の荷重成分が複合化された荷重下での接合部材の強度特性を評価することが可能となるのである。

次に、本発明の実施の形態に係る試験体連結部材を用いて、打撃体が衝撃ブロックに衝突し試験体に衝撃荷重が作用する詳細について、図１２を参照しながら以下説明する。図１２は、打撃体が衝撃ブロックに衝突し試験体に剥離モードの衝撃荷重が作用する状況を示す部分断面図である。

先ず、図１２（ａ）は、出力棒７の終端と衝撃ブロック６との間に剥離モード試験用連結部材４４を介して試験体１０が装着され、発射管２の終端に飛来した打撃体３が、前記衝撃ブロック６に衝突する直前の状態を示している。そして、前記打撃体３は空洞部３ａを有しているので、前記連結部材４４とこれに連結された試験体１０を回避しつつ直進して衝撃ブロック６に衝突する。

そして、この衝撃力により前記衝撃ブロック６が図中左方向に移動され、前記連結部材４４に高速の引張荷重を付与し、この連結部材４４を介して試験体１０に高速で剥離力が作用する（図１２（ｂ））。その際、前記出力棒７に貼着された歪ゲージ８によって、前記引張荷重により出力棒７に発生した高速歪が検出されるのである。そして、前記打撃体３の慣性により衝撃ブロック６が更に移動されると、前記試験体１０の接合部が破断して試験体１０の破壊に至る（図１２（ｃ））。

以上の如く、本発明に係る衝撃試験装置は、車両等構造部材の応力−歪動特性評価に限らず、スポット溶接等の薄板接合継手の強度を衝撃下で、しかも剥離モード、せん断モード及び両者の混合モード等の様々な負荷モードに対する強度を測定することができる。

また、打撃体を加速させる発射装置を、駆動源を高圧空気とする空圧装置として構成したので、供給する空気量を変更することによって、負荷速度を任意に設定することができるとともに、電気系回路が不要なため計測系にノイズを生じることがない。更に、前記空圧装置を構成する放圧機構が放気弁の手動開閉で作動できるため、機構が簡単である。

そして更に、本発明に係る衝撃試験装置によって得られた接合衝撃強度を、コンピュータによる車両構造体の衝突シミュレーションにおける接合部荷重と照査することにより、高精度な衝突シミュレーションを行うことができ、車両構造設計あるいは部材設計における衝突性能の予測精度の向上が期待される。その結果、社会的問題である車両の安全性の確保および燃費低減のための車体軽量化とを融合した最適構造の創出に資することができる。

本発明の実施の形態に係る衝撃試験装置の一部を断面で示す模式的正面図である。本発明の実施の形態に係る衝撃試験装置において、打撃体が衝撃ブロックに衝突した状態を示す模式的正面図である。本発明の実施の形態に係る発射装置の内層シリンダーに高圧空気を供給し、噴出口をシールする過程を示した模式的断面図である。本発明の実施の形態に係る発射装置の噴出口のシールを完了し、外層シリンダーに高圧空気を充填する過程を示した模式的断面図、本発明の実施の形態に係る発射装置の内層シリンダーに設けた放気弁を開放し、噴出口から高圧空気が噴射する状態を示した模式的断面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体の実施の形態を示す正面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体の実施の形態を示す側面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体の実施の形態を示す平面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体のせん断モード試験用連結部材を示す正面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体の剥離モード試験用連結部材を示す正面図である。本発明の衝撃試験装置に係る試験体のせん断−剥離混合モード試験用連結部材を示す正面図である。本発明の衝撃試験装置に係る打撃体が衝撃ブロックに衝突し、試験体に剥離モードの衝撃荷重が作用する状況を示す部分断面図である。従来例に係る高速引張試験機における計測器の部分の構成を示す模式図である。

符号の説明

１…衝撃試験装置，２…発射管，
３…打撃体，３ａ…空洞部，
４…発射装置，５…ガイド，６…衝撃ブロック，７…出力棒，
８…歪ゲージ，９…フリーローラ，１０…試験体，１１…架台，
１２…ホィートストンブリッジ回路，１３…歪アンプ，
１４，１７…デジタルオシロスコープ，１５ａ，１５ｂ…光電管，１６…アンプ，
１８…リング状支持部材，２０…タンク，２１…噴出口，２２…放圧機構，２３，２８…圧空供給孔，２４ａ，２４ｂ…底部，
２５…円筒状隔壁，２５ａ…連通部，
２６…外層シリンダー，２７…内層シリンダー，
２９…ピストン，２９ａ…ピストンヘッド，
３０…放気弁，４０ａ，４０ｂ…薄板，４１…スポット溶接部，
４２ａ，４２ｂ…連結孔，
４３…せん断モード試験用連結部材，４４…剥離モード試験用連結部材，
４５…せん断−剥離混合モード試験用連結部材

Claims

円筒形状を有する打撃体と、この打撃体を高速に加速して飛翔させる発射装置と、この発射装置に始端を接続され、前記打撃体をその内部に収納して終端方向に向かって飛翔させる発射管と、この発射管内を飛翔する打撃体の空洞部を貫通して延設されたパイプ状のガイドと、このガイドの内部空間を貫通して延設され歪ゲージを貼着された出力棒と、前記発射管の終端側にあって、前記ガイドに導かれて飛来する打撃体を受け止める衝撃ブロックとを備え、前記出力棒の終端と衝撃ブロックとの間に連結部材を介して試験体を連結し、高速で飛来した前記打撃体を前記衝撃ブロックに衝突させることによって、この衝撃ブロックを衝撃的に移動させて前記試験体に高速で引張荷重を負荷し、前記歪ゲージにより出力棒に発生した歪を検出するよう構成したことを特徴とする衝撃試験装置。
前記発射装置が、タンク内部に蓄圧した高圧空気を噴出口から瞬時に放圧させる放圧機構を有する空圧装置であって、この放圧された高圧空気を、前記噴出口から前記打撃体の背面に負荷することによって前記打撃体を加速し、前記発射管内を高速で飛翔させるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の衝撃試験装置。
前記空圧装置のタンクが両端に底部を有する円筒形状に形成されるとともに、前記放圧機構が、前記タンク内部を一部の連通部を有する円筒状隔壁で略同心状に仕切られて、外層シリンダーと内層シリンダーとを形成する二層式シリンダーであって、前記外層および内層シリンダーの各々に圧空供給孔を備えるとともに、前記内層シリンダーが前記円筒状隔壁に内接するピストンと内部の高圧空気を大気開放する放気弁とを備え、前記ピストンが前記内層シリンダーに備えた圧空供給孔から供給された高圧空気により前進した状態では、前記ピストンのヘッドがタンク底部に設けられた前記噴出口を密着シールして、前記外層シリンダーに備えた圧空供給孔から供給された高圧空気によりこの外層シリンダー内に高圧空気を蓄圧し、前記放気弁を開放して前記内層シリンダー内圧力を低下させることにより前記ピストンヘッドを瞬時に後退させ、前記噴出口から高圧空気を噴射して前記打撃体の背面に負荷しこの打撃体を高速で発射させることを特徴とする請求項２に記載の衝撃試験装置。
前記出力棒が、試験体に作用する衝撃荷重による歪範囲が弾性範囲内以上である直径ないしは強度を有する材料であって、前記試験体の破壊に要する時間より、前記出力棒中を伝播する縦弾性波動がこの出力棒の他端で反射して前記歪ゲージ位置に戻って来るまでの時間の方が長くなる十分な長さとを有するとともに、前記出力棒の試験体連結部材に連結されている終端からの距離が、この出力棒直径の少なくとも３倍以上の位置に前記歪ゲージを貼着し、この歪ゲージによって前記試験体に作用する衝撃力を、前記出力棒内を伝播する一次元弾性波動による歪として検出し、予め求められた歪と荷重との静的な関係を示す校正係数を前記歪検出値に乗じることによって、衝撃荷重の時刻暦変化を測定できるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一つの項に記載の衝撃試験装置。
溶接、接着または機械的接合等により接合された薄板接合継手試験体の接合部に対し、この試験体を連結する前記連結部材が、出力棒の終端と衝撃ブロックとの間に介在して、前記引張荷重方向が任意の方向に作用するよう構成され、前記試験体に高速で引張荷重を負荷させて、せん断モードや剥離モード等任意の負荷モードにおける衝撃負荷の下での接合強度を測定できるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一つの項に記載の衝撃試験装置。