JP2011089862A - 曲げ疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で曲げ応力を与えるようにすることにより、小型化を図ることができる曲げ疲労試験装置を提供する。
【解決手段】試験片１０に繰り返し曲げ応力を付与して、当該試験片１０の曲げに対する疲労試験を行う曲げ疲労試験装置において、固定部１１に固定される固定ロッド１４と、この固定ロッド１４と同軸上に配置され、その軸方向に摺動可能に支持される可動ロッド１５と、基端が固定ロッド１４に回転可能に支持され、先端に試験片１０の一端を取り付け可能とする固定側アーム１７と、基端が可動ロッド１５に回転可能に支持され、先端に試験片１０の他端を取り付け可能とする可動側アーム１９と、可動ロッド１５をその軸方向に摺動させる偏心カム１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験片に対して、曲げ応力を繰り返し与えることにより、試験片の疲れ強さを試験することができる曲げ疲労試験装置に関する。

疲労試験は、疲労を考慮した機械設計を行うための基礎資料を得るために行うものであって、一定の寸法の材料に実際に対応した変動応力を加えて、破壊するまでの繰り返し数を求め、その変動応力に対応する材料の強さを評価するものである。このような疲労試験に用いられる応力負荷形式には、曲げ、引張、圧縮、ねじりがあり、これらは、試験の目的に応じて使い分けられている。

そして、それらのうち、試験片に曲げ応力を繰り返し与えるものとして、従来から、種々の曲げ疲労試験装置が提供されている。このような、曲げ疲労試験装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開昭６０−６６１３３号公報

上記従来の曲げ疲労試験装置では、固定された試験片の上端に、駆動機によって揺動可能な揺動軸を連結しており、その揺動軸を揺動させることにより、試験片に曲げ応力を繰り返し与えるようにしている。しかしながら、従来の装置においては、試験片と揺動軸とを直列に連結すると共に、試験片の長さに対して揺動軸の長さが非常に長いため、試験片の大きさに比べて、装置全体の大きさが非常に大きくなるという問題がある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、簡素な構成で曲げ応力を与えるようにすることにより、小型化を図ることができる曲げ疲労試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
試験片に繰り返し曲げ応力を付与して、当該試験片の曲げに対する疲労試験を行う曲げ疲労試験装置において、
固定部に固定される固定ロッドと、
前記固定ロッドと同軸上に配置され、その軸方向に摺動可能に支持される可動ロッドと、
基端が前記固定ロッドに回転可能に支持され、先端に試験片の一端を取り付け可能とする固定側アームと、
基端が前記可動ロッドに回転可能に支持され、先端に試験片の他端を取り付け可能とする可動側アームと、
前記可動ロッドをその軸方向に摺動させるロッド可動手段とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
前記固定側アームと前記可動側アームとを固定側及び可動側で一対とし、
前記固定ロッド及び前記可動ロッドの軸方向と直交する方向に、前記固定側アーム及び前記可動側アームを複数対設ける
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
複数対の前記固定側アーム及び前記可動側アームは、前記固定ロッド及び前記可動ロッドの軸方向と直交する方向において、試験片の取付位置が左右交互になるように配置される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
前記可動ロッドの変位量を調整可能とする変位量調整手段を備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
前記固定側アームの前記固定ロッドに対する回転中心位置及び前記可動側アームの前記可動ロッドに対する回転中心位置を、それぞれの長手方向において調整可能とする回転中心位置調整手段を備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る曲げ疲労試験装置は、
前記固定側アームの基端と前記可動側アームの基端との間に、ばねを伸長状態で介在させる
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る曲げ疲労試験装置によれば、試験片の両端を、固定ロッドに回転可能に支持される固定側アームと、可動ロッドに回転可能に支持される可動側アームとによって、それぞれ取り付け可能とすることにより、簡素な構成で試験片に曲げ応力を与えることができるので、小型化を図ることができる。

本発明の第１実施例に係る曲げ疲労試験装置の正面図である。 試験片に曲げ応力が与えられたときの様子を示した図であって、（ａ）は可動ロッドが下位に移動したときにおける試験片の曲げ状態を示した図、（ｂ）は可動ロッドが上位に移動したときにおける試験片の曲げ状態を示した図である。 試験片が破断したときの様子を示した図である。 本発明の第２実施例に係る曲げ疲労試験装置の正面図である。 本発明の第２実施例に係る曲げ疲労試験装置の側面図である。 図４のＡ−Ａ矢視断面図である。 左右両側の試験片に曲げ応力が与えられたときの様子を示した図であって、（ａ）は可動ロッドが下位に移動したときにおける試験片の曲げ状態を示した図、（ｂ）は可動ロッドが上位に移動したときにおける試験片の曲げ状態を示した図である。

以下、本発明に係る曲げ疲労試験装置について、図面を用いて詳細に説明する。

先ず、本発明の第１実施例に係る曲げ疲労試験装置について、図１乃至図３を用いて詳細に説明する。

図１に示すように、曲げ疲労試験装置１の上方には、固定部１１が設けられている。一方、曲げ疲労試験装置１の下方には、偏心カム（ロッド可動手段）１２が図示しない駆動源によって回転可能に支持されており、その偏心カム１２の上方には、スラストベアリング１３が設けられている。

固定部１１の下面には、固定ロッド１４が固定されている。また、スラストベアリング１３内には、可動ロッド１５が固定ロッド１４と同軸上に摺動可能に支持されており、この可動ロッド１５の下端は、偏心カム１２のカム面に当接している。従って、駆動源を駆動して、偏心カム１２を回転させることにより、可動ロッド１５を上下方向（ロッド軸方向）に移動させることができる。即ち、可動ロッド１５における上下方向の変位量δは、偏心カム１２の偏心量によって設定されることになる。なお、可動ロッド１５の変位量δを調整する場合には、別に用意した異なった偏心量を有する偏心カム１２に交換すればよい（変位量調整手段）。

固定ロッド１４の下端には、ベアリング１６が設けられており、このベアリング１６には、固定側アーム１７が、上下方向に回転可能で、且つ、その長手方向に移動可能に支持されている。同様に、可動ロッド１５の上端には、ベアリング１８が設けられており、このベアリング１８には、可動側アーム１９が上下方向に回動可能で、且つ、その長手方向に移動可能に支持されている。

つまり、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の基端側には、回転軸１７ａ，１９ａが設けられており、この回転軸１７ａ，１９ａは、ベアリング１６，１８内に回転可能に支持されている。そして、固定側アーム１７及び可動側アーム１９は、その回転軸１７ａ，１９ａ（回転中心）の位置を、その長手方向において調整可能とする図示しない回転中心位置調整機構（回転中心位置調整手段）を有している。

一方、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の先端には、切欠状の取付部１７ｂ，１９ｂが形成されており、これら取付部１７ｂ，１９ｂ間には、一定の寸法に形成された板状の試験片１０が着脱可能に取り付けられている。そして、回転軸１７ａ，１９ａの軸心と取付部１７ｂ，１９ｂに取り付けられた試験片１０の幅方向中心との間は、距離Ｌに設定されており、この距離Ｌは、上述したように、回転軸１７ａ，１９ａを固定側アーム１７及び可動側アーム１９の長手方向において調整することにより、変更可能となっている。

また、固定側アーム１７の基端と可動側アーム１９の基端との間には、詳細は後述するが、試験片破面保護用のばね２０が介装されている。このとき、ばね２０は伸長状態で介装されているため、固定側アーム１７の基端と可動側アーム１９の基端との間には、互いに接近するように、ばね２０の圧縮作用が働いている。

更に、固定側アーム１７の上面には、ひずみゲージ２１が設けられている。このひずみゲージ２１は、固定側アーム１７のひずみ（変形）量を検出するものであって、この固定側アーム１７のひずみ量に基づいて、試験片１０のひずみ量及び試験片１０に負荷した曲げ応力が、解るようになっている。

ここで、試験片１０に負荷する曲げ応力（曲げ応力振幅、または、最大曲げ応力）の設定は、可動ロッド１５の変位量δや、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の距離Ｌを調整することにより可能となっている。つまり、可動ロッド１５の変位量δを大きくするに従って、曲げ応力を漸次大きくすることができ、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の距離Ｌを長くするに従って、曲げ応力を漸次小さくすることができる。

従って、試験片１０の曲げ疲労試験を行う場合には、先ず、所定の曲げ応力が試験片１０に負荷されるように、変位量δや距離Ｌを調整した後、固定側アーム１７の取付部１７ｂと可動側アーム１９の取付部１９ｂとの間に試験片１０を取り付ける。

次いで、偏心カム１２を回転させることにより、可動ロッド１５を上下方向に往復移動させる。このとき、試験片１０の両端が固定側アーム１７の取付部１７ｂ及び可動側アーム１９の取付部１９ｂに取り付けられているため、図２（ａ）に示すように、可動ロッド１５が下降したときには、固定側アーム１７の先端が下方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端が上方に回動することになり、試験片１０は装置外側に向けて湾曲するように変形する。これにより、試験片１０には、所定の曲げ応力が与えられることになる。

一方、図２（ｂ）に示すように、可動ロッド１５が上昇したときには、固定側アーム１７の先端が上方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端が下方に向けて回動することになり、試験片１０は装置内側に向けて湾曲するように変形する。これにより、試験片１０には、所定の曲げ応力が与えられることになる。

また、試験片１０の両端を、回転可能に支持された固定側アーム１７及び可動側アーム１９によって支持しているので、曲げ応力振幅時における試験片１０は、全体が均一に曲げられた状態（純曲げ）となり、そのどの部位においても、同じ大きさの曲げ応力を与えることができる。このように、試験片１０への局所的な曲げ応力負荷を防止することにより、試験片１０に対して高精度に曲げ応力を与えることができる。

そして、上述したように、可動ロッド１５を上下方向に往復移動させて、試験片１０に曲げ応力を繰り返し与えていくと、所定の繰り返し数において、その試験片１０は破断する。このとき、図３に示すように、試験片１０が破断したときには、ばね２０の圧縮作用によって、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の基端同士が引き付けられるため、固定側アーム１７の先端は、上方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端は、下方に向けて回動することになる。

この結果、破断した一方の試験片１０と他方の試験片１０との接触を防止することができるので、破断した試験片１０の両破面を保護することができる。これにより、試験片１０の破面観察を高精度に行うことができる。

次いで、別に用意しておいた同じ寸法の複数の試験片１０に対して、それぞれ異なった曲げ応力を設定し、上述したような曲げ疲労試験をそれぞれ行う。そして、所定回数の曲げ疲労試験を行った後、設定した各曲げ応力と、これに対応する繰り返し数を用いて、縦軸に曲げ応力（曲げ応力振幅または最大曲げ応力）をとる共に、横軸に繰り返し数をとることによって、繰り返し曲げ応力が与えられた場合の金属材料の強度を示す、所謂、Ｓ−Ｎ曲線を得ることができる。

従って、本発明に係る曲げ疲労試験装置１によれば、試験片１０の両端を、固定ロッド１４に回転可能に支持される固定側アーム１７と、可動ロッド１５に回転可能に支持される可動側アーム１９とによって、それぞれ取り付け可能とすることにより、簡素な構成で試験片１０に曲げ応力を与えることができるので、小型化を図ることができる。

また、異なった偏心量を有する偏心カム１２に交換することにより、可動ロッド１５の変位量δを調整することができるので、曲げ応力を容易に設定することができる。更に、回転軸１７ａ，１９ａを固定側アーム１７及び可動側アーム１９の長手方向において調整することができるので、曲げ応力を高精度に調整することができる。

次に、本発明の第２実施例に係る曲げ疲労試験装置について、図４乃至図７を用いて詳細に説明する。なお、本実施例においては、第１実施例において説明した部材と同一の部材には、同一の符号を付し、重複した説明を省略してある。

図４乃至図６に示した曲げ疲労試験装置２は、複数本（図では４本）の試験片１０に対して、同時に曲げ応力を与えて、曲げ疲労試験を行うものである。

固定部１１の下面には、固定ロッド３１が固定されている。また、スラストベアリング１３内には、可動ロッド３２が固定ロッド３１と同軸上に摺動可能に支持されており、この可動ロッド３２の下端は、偏心カム１２のカム面に当接している。

固定ロッド３１の下端には、固定側支持部材３３が設けられる一方、可動ロッド３２の上端には、可動側支持部材３４が設けられている。これら固定側支持部材３３の下部及び可動側支持部材３４の上部には、上下一対の凹状の溝部３３ａ，３４ａが、試験片１０の数量に応じて形成されている。

各上下一対の溝部３３ａ，３４ａには、ベアリング１６，１８を介して、上下一対の固定側アーム１７及び可動側アーム１９がそれぞれ回転可能に支持されている。これら上下複数対の固定側アーム１７及び可動側アーム１９は、固定側支持部材３３及び可動側支持部材３４の長手方向、即ち、固定ロッド３１及び可動ロッド３２の軸方向と直交する方向において、その取付部１７ｂ，１９ｂの位置が左右交互となるように配置されている。そして、各上下一対の取付部１７ｂ，１９ｂ間には、試験片１０がそれぞれ取り付けられている。

更に、各上下一対の固定側アーム１７の基端と可動側アーム１９の基端との間には、ばね２０が伸長状態でそれぞれ介装されており、各上下一対の固定側アーム１７及び可動側アームのいずれか一方には、ひずみゲージ２１がそれぞれ設けられている。

従って、複数本の試験片１０の曲げ疲労試験を行う場合には、先ず、所定の各曲げ応力が各試験片１０のそれぞれに負荷されるように、変位量δや各距離Ｌを調整した後、各上下一対の固定側アーム１７の取付部１７ｂと可動側アーム１９の取付部１９ｂとの間に、試験片１０をそれぞれ取り付ける。

次いで、偏心カム１２を回転させることにより、可動ロッド３２を上下方向に往復移動させる。このとき、試験片１０の両端が固定側アーム１７の取付部１７ｂ及び可動側アーム１９の取付部１９ｂに取り付けられているため、図７（ａ）に示すように、可動ロッド３２が下降したときには、固定側アーム１７の先端が下方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端が上方に回動することになり、各試験片１０は装置外側に向けて湾曲するように変形する。これにより、各試験片１０には、所定の各曲げ応力がそれぞれ与えられることになる。

一方、図７（ｂ）に示すように、可動ロッド３２が上昇したときには、固定側アーム１７の先端が上方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端が下方に向けて回動することになり、各試験片１０は装置内側に向けて湾曲するように変形する。これにより、各試験片１０には、所定の各曲げ応力がそれぞれ与えられることになる。

また、各試験片１０の両端を、回転可能に支持された上下一対の固定側アーム１７及び可動側アーム１９によってそれぞれ支持しているので、曲げ応力振幅時における各試験片１０は、全体が均一に曲げられた状態（純曲げ）となり、各試験片１０におけるどの部位においても、同じ大きさの曲げ応力を与えることができる。このように、各試験片１０への局所的な曲げ応力負荷を防止することにより、各試験片１０に対して高精度に曲げ応力を与えることができる。

そして、上述したように、可動ロッド３２を上下方向に往復移動させて、各試験片１０に同時に曲げ応力を繰り返し与えていくと、所定の繰り返し数において、それら試験片１０は順次破断する。このとき、試験片１０が破断したときには、ばね２０の圧縮作用によって、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の基端同士が引き付けられるため、固定側アーム１７の先端は、上方に向けて回動すると共に、可動側アーム１９の先端は、下方に向けて回動することになる（図３参照）。

この結果、破断した一方の試験片１０と他方の試験片１０との接触を防止することができるので、破断した試験片１０の両破面を保護することができる。これにより、試験片１０の破面観察を高精度に行うことができる。

次いで、所定回数の曲げ疲労試験を行った後、設定した各曲げ応力と、これに対応する繰り返し数を用いて、縦軸に曲げ応力（曲げ応力振幅または最大曲げ応力）をとる共に、横軸に繰り返し数をとることによって、繰り返し曲げ応力が与えられた場合の金属材料の強度を示す、所謂、Ｓ−Ｎ曲線を得ることができる。

従って、本発明に係る曲げ疲労試験装置２によれば、複数本の試験片１０に対して、同時にそれぞれ異なった曲げ応力を与えて、曲げ疲労試験を行うことができるので、試験時間を短縮することができると共に、試験費用の低減を図ることができる。

なお、固定側アーム１７及び可動側アーム１９の先端間に試験片１０を取り付ける場合には、その各先端とこれらに対応した取付板との間に試験片１０を挟み込み、先端と取付板との間をボルト固定するようにしても構わない。また、偏心した偏心カム１２の回転によって、可動ロッド１５，３２を上下方向に摺動可能としたが、エアシリンダや油圧シリンダ（ロッド可動手段、変位量調整手段）の作動によって、可動ロッド１５，３２を摺動させても構わない。このとき、可動ロッド１５，３２の変位量δは、シリンダ作動量によって調整可能となる。更に、距離Ｌを調整する場合には、回転軸１７ａ，１９ａを固定側アーム１７及び可動側アーム１９の長手方向において調整するようにしたが、所望の距離Ｌに設定された固定式回転軸を有する固定側アーム及び可動側アームに交換しても構わない（回転中心位置調整手段）。

本発明は、試験片着脱作業の簡素化を図ることができる曲げ疲労試験装置に適用可能である。

１，２ 曲げ疲労試験装置
１０ 試験片
１１ 固定部
１２ 偏心カム
１３ スラストベアリング
１４ 固定ロッド
１５ 可動ロッド
１６，１８ ベアリング
１７ 固定側アーム
１７ａ 回転軸
１７ｂ 取付部
１９ 可動側アーム
１９ａ 回転軸
１９ｂ 取付部
２０ ばね
２１ ひずみゲージ
３１ 固定ロッド
３２ 可動ロッド
３３ 固定側支持部材
３３ａ 溝部
３４ 可動側支持部材
３４ａ 溝部

Claims (6)

1. 試験片に繰り返し曲げ応力を付与して、当該試験片の曲げに対する疲労試験を行う曲げ疲労試験装置において、
   固定部に固定される固定ロッドと、
   前記固定ロッドと同軸上に配置され、その軸方向に摺動可能に支持される可動ロッドと、
   基端が前記固定ロッドに回転可能に支持され、先端に試験片の一端を取り付け可能とする固定側アームと、
   基端が前記可動ロッドに回転可能に支持され、先端に試験片の他端を取り付け可能とする可動側アームと、
   前記可動ロッドをその軸方向に摺動させるロッド可動手段とを備える
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。
2. 請求項１に記載の曲げ疲労試験装置において、
   前記固定側アームと前記可動側アームとを固定側及び可動側で一対とし、
   前記固定ロッド及び前記可動ロッドの軸方向と直交する方向に、前記固定側アーム及び前記可動側アームを複数対設ける
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。
3. 請求項２に記載の曲げ疲労試験装置において、
   複数対の前記固定側アーム及び前記可動側アームは、前記固定ロッド及び前記可動ロッドの軸方向と直交する方向において、試験片の取付位置が左右交互になるように配置される
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の曲げ疲労試験装置において、
   前記可動ロッドの変位量を調整可能とする変位量調整手段を備える
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の曲げ疲労試験装置において、
   前記固定側アームの前記固定ロッドに対する回転中心位置及び前記可動側アームの前記可動ロッドに対する回転中心位置を、それぞれの長手方向において調整可能とする回転中心位置調整手段を備える
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の曲げ疲労試験装置において、
   前記固定側アームの基端と前記可動側アームの基端との間に、ばねを伸長状態で介在させる
   ことを特徴とする曲げ疲労試験装置。

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