JP2020046405A

JP2020046405A - クランク軸の疲労試験装置

Info

Publication number: JP2020046405A
Application number: JP2018177509A
Authority: JP
Inventors: 弘樹政家; Hiroki Seike; 明徳山田; Akinori Yamada
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-03-26

Abstract

【課題】曲がり変形していないクランク軸と同様に、曲がり変形したクランク軸の疲労限度を求めることができる疲労試験装置を提供する。【解決手段】クランク軸１の疲労試験装置１００は、上方から垂下されて配置され、試験片１０の両端部を保持する左右一対の保持部材２０，２１と、保持部材２０，２１に対してクランク軸１の軸方向に振動Ｅを与えることで、試験片１０に対して引張曲げ応力Ｆ１及び圧縮曲げ応力Ｆ２を繰り返し付加する振動発生器３０と、保持部材２０，２１の一方に設けられ、クランク軸１の軸方向において保持部材２０，２１の重心位置を変更するウェイト４０，４１と、を備える。【選択図】図４

Description

本開示は、クランク軸の疲労試験装置に関する。

一般的に、クランク軸の疲労試験装置は、クランク軸の試験片の両端部を保持する一対の保持部材と、保持部材に対して振動を与えることで、試験片に対して引張及び圧縮曲げ応力を繰り返し付加する振動発生器と、を備える。

例えば、この疲労試験装置では、振動発生器からの曲げ応力によって試験片に歪みを生じさせることにより、クランク軸の疲労限度を求める。

特開昭５７−７０４２８号公報

ところで、疲労試験装置の保持部材としては、上方から垂下されて配置されて、試験片の端部を保持するものが考えられる。

しかしながら、試験片が最初から曲がっており、例えば試験片の両端部の軸の向きが上向きに傾いている場合、保持部材が鉛直方向に対して傾いた状態になってしまう。この場合、試験片に対して保持部材の荷重による初期荷重が応力付加前から加わるため、曲がり変形していないクランク軸と同様に疲労限度を求めることができない虞がある。

そこで、本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、曲がり変形していないクランク軸と同様に、曲がり変形したクランク軸の疲労限度を求めることができる疲労試験装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、クランク軸の疲労試験装置であって、上方から垂下されて配置され、左右方向に延びる前記クランク軸の試験片の両端部を保持する左右一対の保持部材と、前記一対の保持部材の少なくとも一方に対して前記クランク軸の軸方向に振動を与えることで、前記試験片に対して引張曲げ応力及び圧縮曲げ応力を繰り返し付加する振動発生器と、前記一対の保持部材の少なくとも一方に設けられ、前記クランク軸の軸方向において前記保持部材の重心位置を変更するウェイトと、を備えることを特徴とする疲労試験装置が提供される。

好ましくは、前記保持部材は、前記試験片の端部に垂直に固定され、前記試験片は、両端部の軸の向きが下向きに傾くように曲がり変形され、前記ウェイトは、前記保持部材における前記試験片側の反対側の下端部に設けられ、前記保持部材の重心位置を前記反対側に変更する。

好ましくは、前記引張曲げ応力及び前記圧縮曲げ応力によって前記試験片に生じる歪みを測定するための歪みゲージを更に備え、前記歪みゲージは、前記ウェイトが前記保持部材の重心位置を変更した状態で前記試験片に取り付けられる。

本開示によれば、曲がり変形していないクランク軸と同様に、曲がり変形したクランク軸の疲労限度を求めることができる。

クランク軸を示す概略側面図である。図１のＩＩ部に対応する部分の試験片を示す拡大図である。疲労試験装置の全体構成を示す概略側面図である。図３のＩＶ部を示す拡大図である。図４のＶ−Ｖ断面図である。（ａ）は、試験片が曲がり変形しておらず、且つウェイトが無い場合の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、試験片が曲がり変形しており、且つウェイトが無い場合の測定結果を示すグラフである。試験片が曲がり変形しており、且つウェイトが無い場合を示す概略図である。ウェイトの作用を示す概略図である。第１変形例の疲労試験装置の構成を示す概略側面図である。第１変形例の試験片を示す概略側面図である。第１変形例においてウェイトが無い場合を示す概略図である。第１変形例においてウェイトが無い場合の測定結果を示すグラフである。第１変形例におけるウェイトの作用を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１は、クランク軸１を示す概略側面図であり、図２は、図１のＩＩ部（破線部）に対応する部分の試験片１０を示す拡大図である。また、図３は、疲労試験装置１００の全体構成を示す概略側面図である。また、図４は、図３のＩＶ部を示す拡大図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。なお、これら図中に示す前後左右の各方向は、説明の便宜上定められたものに過ぎないものである。

図１に示すように、クランク軸１は、直列四気筒エンジンに用いられるクランク軸である。クランク軸１は、軸方向において、互いに並列して配置された５つのジャーナル部１１と、ジャーナル部１１の間の位置に配置された４つのピン部１２と、を備える。また、クランク軸１は、軸方向に対して垂直に延びて、ジャーナル部１１とピン部１２とを連結する８つのアーム部１３を備える。符号１４は、アーム部１３におけるジャーナル部１１側の端部から延出されたバランスウェイトである。但し、クランク軸１の形状は、エンジンの種類によって変更可能である。

図１中のＩＩ部（破線部）に示すように、試験片１０は、クランク軸１の１気筒分を切り取って構成される。すなわち、試験片１０は、両端部に位置する一組のジャーナル部１１と、その間に位置する１つのピン部１２と、これらのジャーナル部１１及びピン部１２を連結する一組のアーム部１３と、を有する。但し、試験片１０は、クランク軸１の任意の部分であって良く、例えば、両端部に一組のピン部１２が配置され、その間に１つのジャーナル部１１が配置された部分であっても良い。

また、図１中のＩＩ部に示すように、通常の試験片１０は、曲がり変形しておらず、両端部が水平方向に延びている。

一方、図２に示すように、本実施形態の試験片１０は、両端部の軸Ａの向きが上向きに傾くように曲がり変形されている。すなわち、水平方向に延びるピン部１２の両端にアーム部１３が垂直に接続されておらず、左右のアーム部１３が鉛直方向に対して左右方向外側にハの字状に傾いて下方に延びている。その結果、アーム部１３の下端部に垂直に接続されたジャーナル部１１が、水平方向に対して上向きに傾いて延びている。なお、図示例の試験片１０は、曲がり変形を誇張して表したものである。

図３に示すように、クランク軸１の疲労試験装置１００は、上方から垂下されて配置され、左右方向に延びるクランク軸１の試験片１０の両端部を保持する左右一対の保持部材２０，２１を備える。また、疲労試験装置１００は、右側の保持部材２１に対してクランク軸１の軸方向に振動Ｅを与えることで、試験片１０に対して引張曲げ応力Ｆ１及び圧縮曲げ応力Ｆ２を繰り返し付加する振動発生器３０を備える。また、疲労試験装置１００は、左右の保持部材２０，２１のそれぞれに設けられ、クランク軸１の軸方向において保持部材２０，２１の重心位置を変更するウェイト４０，４１を備える。

また、図３及び図４に示すように、疲労試験装置１００は、引張曲げ応力Ｆ１及び圧縮曲げ応力Ｆ２により試験片１０に生じる歪みを測定するための測定用歪みゲージ５０を備える。測定用歪みゲージ５０は、特許請求の範囲にいう歪みゲージに該当する。一方、図４に示す符号５１は、振動発生器３０の振動を制御するための制御用歪みゲージである。

測定用歪みゲージ５０は、ピン部１２の下面部と左側のアーム部１３の右側面部との接続部分に貼設される。一方、制御用歪みゲージ５１は、ピン部１２の下面部における軸方向の中央部分に貼設される。これらの歪みゲージ５０，５１は、それぞれの部分で検出した歪みを測定用モニター等（不図示）に出力するように構成される。

また、図３に示すように、本実施形態の疲労試験装置１００は、振動発生器３０が載置される本体ベース６０と、本体ベース６０の左右の両端部に起立して設けられた複数の支柱６１と、を備える。また、疲労試験装置１００は、左右方向に延びて複数の支柱６１に架設された吊り下げ用フレーム６２と、吊り下げ用フレーム６２の左右方向の中央部分に設けられたベルト取付具６３と、ベルト取付具６３に取り付けられて垂下された吊り下げ用ベルト６４と、を備える。ベルト取付具６３及び吊り下げ用ベルト６４は、それぞれ左右一対ずつ設けられる。

図４及び図５に示すように、左右の保持部材２０，２１は、それぞれ上下方向に延びる角柱状に形成され、互いに対向して配置される。保持部材２０，２１は、鉄等の金属材料で形成されており、試験片１０に曲げ応力を付加する重錘として機能する。

右側の保持部材２１の下部には、後述する振動発生器３０の加振軸３１を取り付けるための取付孔２２が、左右方向に貫通して形成される。但し、取付孔２２は、任意の位置であって良く、例えば、右側の保持部材２１の上部に形成されても良い。なお、各保持部材２０，２１は、取付孔２２の有無以外は、全て左右対称に形成される。

各保持部材２０，２１の上面部には、フック２３がそれぞれ設けられる。各保持部材２０，２１は、対応する左右の吊り下げ用ベルト６４の下端部をフック２３に引っ掛けることで、上方から垂下される。

また、各保持部材２０，２１は、試験片１０の両端部（ジャーナル部１１）に垂直に固定される。

具体的には、各保持部材２０，２１の上部には、試験片１０のジャーナル部１１が挿入される挿通孔２４が形成される。挿通孔２４は、保持部材２０，２１の左側面部から右側面部にかけて、長手方向に対して垂直に貫通して形成される。挿通孔２４の内周面には、ジャーナル部１１を挿入させて固定するための環状部材２５が、挿通孔２４と同軸状に設けられる。なお、環状部材２５は、鉄等の金属材料で形成され、試験片１０のジャーナル部１１の外径よりも僅かに大きい内径を有する。

また、図５に示すように、各保持部材２０，２１の上部には、左側面部から右側面部にかけて長手方向に延びて、前後方向の隙間（不図示）を形成する切り込み２６と、前面部から後面部にかけて前後方向に延びるボルト挿通孔２７と、が設けられる。本実施形態では、ボルト挿通孔２７に挿通したボルト２７ａの両端にナット２７ｂが締め込まれることで、環状部材２５が把持固定される。

図４及び図５に示すように、振動発生器３０は、左方向に延びる加振軸３１を有するまた、図示しないが、振動発生器３０は、加振軸３１を軸方向に振動させるモータ（例えば、サーボモータ）を有する。また、詳細は後述するが、振動発生器３０は、制御用歪みゲージ５１で検出される歪みの値が、ゼロを中心に等しい大きさで引張側と圧縮側に繰り返し変化（振動）するように制御される。

加振軸３１は、先端部を右側の保持部材２１の取付孔２２に挿通させて取り付けられる。具体的には、加振軸３１の先端部には、雄ネジ部３１ａが形成される。そして、取付孔２２から左方向に突出した雄ネジ部３１ａにナット３１ｂが締め込まれることで、加振軸３１が右側の保持部材２１に固定される。なお、図示しないが、振動発生器３０は、任意の種類、構造等であって良く、例えば、加振軸３１を有しないで、右側の保持部材２１に直接固定される小型の振動発生器であって良い。また、振動発生器３０は１つに限定されず、左側の保持部材２０に振動を与える振動発生器が別に設けられても良い。

各ウェイト４０，４１は、保持部材２０，２１における試験片１０側の下端部に設けられる。具体的には、左側のウェイト４０は、左側の保持部材２０の下端部右側面に固定される。また、右側のウェイト４１は、右側の保持部材２１の下端部左側面に固定される。

また、各ウェイト４０，４１は、鉄等の金属材料で形成されており、ネジ４２によって保持部材２０，２１に脱着可能に取り付けられる。但し、各ウェイト４０，４１は、任意の位置、材質及び固定方法であって良い。

また、詳細は後述するが、各ウェイト４０，４１は、保持部材２０，２１の重心位置を試験片１０側に変更する。また、測定用歪みゲージ５０は、ウェイト４０，４１が保持部材２０，２１に取り付けられた後、保持部材２０，２１の重心位置を変更した状態で、試験片１０に取り付けられる。

次に、本実施形態に係る疲労試験装置１００の作用効果について説明する。図７は、試験片１０が曲がり変形しており、且つウェイト４０，４１が無い場合を示す概略図であり、図８は、ウェイト４０，４１の作用を示す概略図である。なお、図示例の保持部材２０，２１は、鉛直方向に対する角度を誇張して表している。

図３〜図５に示したように、疲労試験装置１００を用いてクランク軸１の疲労試験を行う際には、先ず、左右の保持部材２０，２１の環状部材２５に試験片１０のジャーナル部１１を挿入して固定する。そして、制御用歪みゲージ５１で検出される歪みの値が、ゼロを中心に等しい大きさで引張側と圧縮側に繰り返し変化（振動）するように、振動発生器３０から右側の保持部材２１に振動を与える。これにより、試験片１０に対して一定の引張曲げ応力Ｆ１及び圧縮曲げ応力Ｆ２が繰り返し付加されて、試験片１０に引張歪み及び圧縮歪みが生じる。これらの歪みは、測定用歪みゲージ５０で検出されて、測定用モニターに出力される。

図６（ａ）は、試験片１０が曲がり変形しておらず、且つウェイト４０，４１が無い場合の測定結果を示したグラフである。また、図６（ｂ）は、試験片１０が曲がり変形しており、且つウェイト４０，４１が無い場合の測定結果を示したグラフである。

図６中、縦軸は、歪みε（μｍ）であり、横軸は、振動が繰り返された回数Ｘ（回）である。また、＋のεは引張歪みを表し、−のεは圧縮歪みを表す。また、図６中の符号Ａは、歪みの所定の単位量（Ａ＞０）を表す。また、符号ε₁は、引張歪みの最大値を示し、符号ε₂は、圧縮歪みの最小値を示し、符号ε₀は、これらの歪みの最大値ε₁と最小値ε₂の平均値ないし中心値を示す。

図６（ａ）に示すように、曲がり変形していない通常の試験片１０であって、且つウェイト４０，４１が無い場合には、引張歪みの最大値ε₁と圧縮歪みの最小値ε₂の絶対値が等しくなり、ゼロを中心として同じ振幅になる。そして、歪みεの値と振動が繰り返された回数Ｘとの関係から、クランク軸１の疲労限度（疲労強度）が求められる。

一方、図２に示したように、本実施形態の試験片１０は、ジャーナル部１１の軸Ａの向きが上向きに傾くように曲がり変形されている。すなわち、クランク軸１の疲労試験では、曲がり変形していない試験片だけでなく、曲がり変形した試験片についても、疲労限度を求める要請がある。

ここで、図７に示すように、試験片１０が最初から曲がり変形しており、且つウェイト４０，４１が無い場合には、ジャーナル部１１に垂直に固定された保持部材２０，２１が、鉛直方向に対して左右方向外側にハの字状に傾いて下方に延びることになる。そして、保持部材２０，２１の上端位置Ｂよりも重心位置Ｃ１が左右方向外側になることで、アーム部１３に対して保持部材２０，２１がもたれ掛かるようになる。その結果、アーム部１３とピン部１２との接続部分に対して、保持部材２０，２１の荷重による初期荷重が応力付加前から加わることになる。

そのため、この場合には、図６（ｂ）に示すように、引張歪みの最大値ε₁と圧縮歪みの最小値ε₂の絶対値が等しくならず、ゼロに対して振幅が圧縮側に偏ってしまう。

これに対して、本実施形態では、ウェイト４０，４１を設けたことで、図８に矢印Ｄで示すように、ピン部１２とアーム部１３との接続部分を支点に、保持部材２０，２１の下端部を左右方向内側に回動させることができる。その結果、保持部材２０，２１により、接続部分の曲がり変形を矯正しつつ、重心位置Ｃ２を左右方向内側に変更させることができる。

これにより、本実施形態では、アーム部１３に対して保持部材２０，２１がもたれ掛かるのを抑制できる。そのため、ピン部１２とアーム部１３との接続部分に対して、保持部材２０，２１の荷重による初期荷重が応力付加前から加わるのを抑制できる。

よって、本実施形態であれば、図６（ａ）に示した曲がり変形していない場合と同じく、引張歪みの最大値ε₁と圧縮歪みの最小値ε₂の絶対値を等しくし、ゼロを中心に同じ振幅となる測定結果を得ることができる。すなわち、曲がり変形していない場合と同様に、曲がり変形したクランク軸１の疲労限度を求めることが可能になる。

他方、上述した基本実施形態は、以下のような変形例またはその組合わせとすることができる。下記の説明においては、上記の実施形態と同一の構成要素に同じ符号を用い、それらの詳細な説明は省略する。

（第１変形例）
図９に示すように、第１変形例のウェイト４０，４１は、保持部材２０，２１における試験片１０側の反対側の下端部に設けられ、保持部材２０，２１の重心位置を試験片１０側の反対側に変更する。

具体的には、図１０に示すように、第１変形例の試験片１０は、両端部の軸Ａの向きが下向きに傾くように曲がり変形されている。そのため、図１１に示すように、第１変形例では、仮にウェイト４０，４１が無い場合、保持部材２０，２１が鉛直方向に対して左右方向内側に傾いて下方に延びる。そして、保持部材２０，２１の上端位置Ｂよりも重心位置Ｃ１が左右方向内側になることで、保持部材２０，２１がアーム部１３を外側に引っ張るようになる。

従って、図１２に示すように、第１変形例において仮にウェイト４０，４１が無い場合には、引張歪みの最大値ε₁と圧縮歪みの最小値ε₂の絶対値が等しくならず、ゼロに対して振幅が引張側に偏ってしまう。

しかしながら、第１変形例では、図１３に示すように、ウェイト４０，４１を設けたことで、保持部材２０，２１の下端部を外側に回動させて、重心位置Ｃ２を外側に変更させることができる。その結果、基本実施形態で図６（ａ）に示したように、引張歪みの最大値ε₁と圧縮歪みの最小値ε₂の絶対値を等しくして、ゼロを中心に同じ振幅となる測定結果を得ることができる。

（第２変形例）
図示しないが、疲労試験装置１００は、曲がり変形していない試験片に用いられても良い。すなわち、第２変形例の保持部材は、曲がり変形していない試験片の両端部に固定されており、ウェイトが無ければ鉛直方向に延びる。そして、第２変形例の保持部材は、ウェイトによって重心位置を変更させることで、鉛直方向に対して傾くようになる。

従って、第２変形例であれば、曲がり変形していない試験片に対して、曲がり変形した試験片と同じ条件で疲労限度を求めることができる。

（第３変形例）
可能であれば、ウェイト４０，４１は、左右の保持部材２０，２１の何れか一方から省略しても良い。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態は上述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って、本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１クランク軸
１０試験片
１１ジャーナル部
１２ピン部
１３アーム部
２０，２１保持部材
２２取付孔
２３フック
２４挿通孔
２５環状部材
２７ａボルト
２７ｂナット
３０振動発生器
３１加振軸
４０，４１ウェイト
５０測定用歪みゲージ（歪みゲージ）
５１制御用歪みゲージ
６４吊り下げ用ベルト
１００疲労試験装置

Claims

クランク軸の疲労試験装置であって、
上方から垂下されて配置され、左右方向に延びる前記クランク軸の試験片の両端部を保持する左右一対の保持部材と、
前記一対の保持部材の少なくとも一方に対して前記クランク軸の軸方向に振動を与えることで、前記試験片に対して引張曲げ応力及び圧縮曲げ応力を繰り返し付加する振動発生器と、
前記一対の保持部材の少なくとも一方に設けられ、前記クランク軸の軸方向において前記保持部材の重心位置を変更するウェイトと、を備える
ことを特徴とする疲労試験装置。
前記保持部材は、前記試験片の端部に垂直に固定され、
前記試験片は、両端部の軸の向きが上向きに傾くように曲がり変形され、
前記ウェイトは、前記保持部材における前記試験片側の下端部に設けられ、前記保持部材の重心位置を前記試験片側に変更する
請求項１に記載の疲労試験装置。
前記引張曲げ応力及び前記圧縮曲げ応力によって前記試験片に生じる歪みを測定するための歪みゲージを更に備え、
前記歪みゲージは、前記ウェイトが前記保持部材の重心位置を変更した状態で前記試験片に取り付けられる
請求項１または２に記載の疲労試験装置。