JP2022147376A - 軸部材の嵌合孔への嵌合構造、及びフレッティング疲労試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができるフレッティング疲労試験方法を提供する。【解決手段】応力集中係数Ｋtが所定値以下となる形状の応力逃がし溝２Ａが形成された軸部材２のフレッティング疲労試験方法は、軸部材２に相当する試験片１２の外周面に接触片１１を接触させ、試験片１２に加振装置１３で高周波振動を印加し、試験片１２の変位を変位検出センサ１５で検出し、試験片１２と接触片１１に電気回路２０で通電し、試験片１２と接触片１１との分離電圧を電位差計２５で検出し、変位検出センサ１５が検出した試験片１２の変位からクラックの発生を検知するとともに、電位差計２５が検出した分離電圧によって試験片１２と接触片１１間に形成される潤滑油による境界膜３０の生成状態と試験片１２の疲労強度との関係を求める。【選択図】図４

Description

本発明は、接触部材に形成された嵌合孔に圧入される軸部材の嵌合孔への嵌合構造、及びフレッティング疲労試験方法に関する。

機械の設計にはフレッティングの問題を考慮する必要がある。ここで、フレッティングとは、面圧が作用している機械の構造物同士の接触面間において、摩擦力を伴った微小（数μｍ～数１０μｍ程度）な相対滑りが繰り返して発生する現象である。例えば、蒸気タービンの翼根と翼溝との嵌合部においては、蒸気タービンの運転時に面圧が作用した状態で微小な相対滑りが繰り返し発生し、フレッティングによる疲労（フレッティング疲労）が生じる。

上記のようなフレッティング疲労によって構造物にクラックが発生したり、構造物が破壊されたりすることがある。このようなフレッティング疲労を伴う場合には、構造部材の強度がフレッティング疲労を伴わない場合に比して大幅に低下するため、構造部材の設計に際しては考慮するべき問題の１つとされている。

また、フレッティングは、「微動摩耗」と称されているように潤滑剤が摩耗領域に供給されにくく、摩耗を防ぐための締付荷重の増加は亀裂（クラック）の発生を助長し、疲労亀裂へと成長させてしまうことになる。

ところで、構造部材のフレッティング疲労強度を測定する手法としては、今までに種々の提案がなされている(例えば、特許文献１及び非特許文献１～３参照）。

すなわち、特許文献１には、フレッティング疲労試験装置として、一対のパッドに押圧子を取り付け、これらのパッドに挿通するボルトを締め付けて押圧子で試験片を押圧した状態で該試験片に高周波ねじり振動を印加して疲労試験を行うものが提案されている。

また、非特許文献１には、新幹線車両の車軸の嵌合部に応力逃がし溝とオーバーハング部を形成する構成が提案されており、これによれば高いフレッティング疲労強度が得られるとされている。

さらに、非特許文献２，３には、フレッティング疲労強度向上に及ぼす応力逃がし溝の形状の影響に関する研究結果が報告されている。

特許第６２９６８６０号公報

新幹線車両用車軸の疲労特性 新日鉄住金技報 第３９５号（２０１３年）Ｐ．５６～Ｐ．６３） フレッティング疲労強度向上に及ぼす応力逃がし溝形状の影響と溝形状選定条件 材料Vol56,No.12,pp.1156-1162,Dec.2007 フレッティング疲労強度向上に及ぼす応力逃がし溝形状の影響 日本機械学会論文集 No.068-1（'06-3-17,九州支部第５９期総会講演会）

ところで、特許文献１には、超音波加振によって疲労強度を迅速に評価することができるフレッティング疲労試験装置が提案されているが、微摺動部の近傍の応力逃がし溝に適用可能であるか否かが明らかにされていない。

また、非特許文献１～３には、応力逃がし溝が形成されていない場合に比して、応力逃がし溝を形成した場合には、その形状によって高いフレッティング疲労強度が得られると報告されているが、何れも実験結果によって示されるものであって、経験的な方法であり、さらに１０^７程度の疲労強度であるため、微摺動部近傍の応力逃がし溝の簡便な設計手法に適用が限定される。

他方、フレッティング疲労強度の向上には、潤滑剤や表面テクスチャリング（摺動面上に加工された微細な凹凸）が効果的であることが知られているが、その効果を確認するための手法や潤滑効果を含めた超高サイクル疲労強度を迅速に確認することができるフレッティング試験装置が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、軸部材のフレッティング疲労強度を高めることができる軸部材の嵌合構造を提供することにある。また、本発明の他の目的は、潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができる軸部材のフレッティング疲労試験方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、接触部材（１）に形成された嵌合孔（１ａ）に嵌合する軸部材（２）の前記嵌合孔（１ａ）への嵌合構造であって、引張力を付加した場合の主応力（σ_1.333）と押付力のみを付加した場合の主応力(σ_1.0）との差（σ_1.333－σ_1.0）を最小断面における公称応力（σ_n）で割った値（（σ_1.333－σ_1.0）／σ_n）を応力集中係数Ｋｔと定義した場合、前記軸部材（２）における前記接触部材（１）の軸方向端部に対応する箇所に、前記応力集中係数Ｋｔが所定値以下となる形状の応力逃がし溝（２Ａ）を設け、前記接触部材（１）と前記軸部材（２）との接触面に潤滑剤（Ｌ）を介在させた状態で前記接触面を分離電圧が発生する圧力で接触させるように構成したことを特徴とする。

本発明にかかる軸部材の嵌合孔への嵌合構造によれば、接触部材に形成された嵌合孔に嵌合する軸部材の前記嵌合孔への嵌合構造において、前記接触部材と前記軸部材との接触面に潤滑剤を介在させた状態において、前記接触面を分離電圧が発生する圧力で接触させるように構成したことで、接触面における潤滑剤による効果を適切に発揮させることができるので、フレッティング疲労強度を向上させることが可能となる。

ここで、前記接触面における前記軸部材（２）と前記接触部材（１）の何れか一方に表面テクスチャリングが形成されていることが望ましい。

これによれば、接触面に形成された表面テクスチャリングによって接触面における潤滑剤による効果をより適切に発揮させることができるので、フレッティング疲労強度を更に向上させることが可能となる。

ここで、前記接触部材（１）の嵌合孔（１ａ）の軸方向中間位置に、少なくとも１つの逃げ溝（１Ａ）を全周に亘って形成することが望ましい。

上記構成によれば、軸部材と接触部材との固着領域が逃げ溝を形成しない場合に比して小さくなり、これらの軸部材と接触部材との固着が一様になされるために両者を一様に強固に固着させることができる。

また、前記接触部材（１）の軸方向端部を、前記軸部材（２）に形成された前記応力逃がし溝（２Ａ）へと軸方向にオーバーハングさせることが望ましい。

上記構成によれば、接触部材の軸方向端部を軸部材の応力逃がし溝へと軸方向にオーバーハングさせることによって、応力集中や接触面圧の分布、相対滑り量の変化などによって軸部材のフレッティング疲労強度が高められる。

さらに、前記軸部材（２）における前記接触部材（１）の軸方向端部よりも軸方向外側であって、且つ、軸方向において前記応力逃がし溝（２Ａ）に隣接する箇所に、当該軸部材（２）の前記接触部材（１）の前記嵌合孔（１ａ）に嵌合する部分と同径の鍔部（２ａ）を形成しても良い。

上記構成によれば、鍔部によって軸部材の剛性が応力逃がし溝に及ぼす影響を小さく抑えることができ、軸部材の鍔部から軸方向外側に沿って延びる部分の径を小さくすることができる。

また、本発明は、接触部材（１）に形成された嵌合孔（１ａ）に圧入され、引張力を付加した場合の主応力（σ_1.333）と押付力のみを付加した場合の主応力(σ_1.0）との差（σ_1.333－σ_1.0）を最小断面における公称応力（σ_n）で割った値（（σ_1.333－σ_1.0）／σ_n）を応力集中係数Ｋｔと定義した場合、前記接触部材（１）の軸方向端部に対応する位置に、前記応力集中係数Ｋｔが所定値以下となる形状の応力逃がし溝（２Ａ）が形成された軸部材（２）のフレッティング疲労試験方法であって、前記軸部材（２）に相当する試験片（１２）の外周面に接触片（１１）を接触させ、前記試験片（１２）に加振装置（１３）で高周波振動を印加し、前記試験片（１２）の変位を変位検出センサ（１５）で検出し、前記試験片（１２）と前記接触片（１１）に電気回路（２０）で通電し、前記試験片（１２）と前記接触片（１１）との接触面に潤滑剤（Ｌ）を介在させた状態で前記試験片（１２）と前記接触片（１１）との分離電圧を電位差計（２５）で検出し、前記変位検出センサ（１５）が検出した前記試験片（１２）の変位からクラックの発生を検知するとともに、前記電位差計（２５）が検出した分離電圧によって前記接触面に形成される潤滑剤（Ｌ）による境界膜（３０）の生成状態と前記試験片（１２）の疲労強度との関係を求めることを特徴とする。

本発明によれば、潤滑剤や表面テクスチャリングによって試験片と接触片との接触面における潤滑剤による境界膜の生成状態を、試験片と接触片との分離電圧を検出することによって把握し、この境界膜の生成状態と、試験片の変位から求められるフレッティング疲労強度との関係を把握することによって、潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができる。

ここで、前記試験片（１２）と前記接触片（１１）との接触面における前記試験片（１２）と前記接触片（１１）の何れか一方に表面テクスチャリングが形成されていることが望ましい。

上記構成によれば、試験片と接触片との間に潤滑剤による境界膜の生成状態を確認することができ、潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができる。

また、前記試験片（１２）には、応力集中係数Ｋtが１．８以下となる形状の応力逃がし溝（１２Ａ）が形成されていることが望ましい。

上記構成によれば、試験片（つまりは、軸部材）のフレッティング疲労を低く抑えてその耐久寿命を延ばすことができる。

さらに、前記接触片（１１）の前記試験片（１２）との接触面の軸方向中間位置に少なくとも１つの逃げ溝（１１Ａ）を形成することが望ましい。

上記構成によれば、接触片（接触部材）と試験片（軸部材）との固着領域が逃げ溝を形成しない場合に比して小さくなり、これらの接触片（接触部材）と試験片（軸部材）との固着が一様になされるために両者を一様に強固に固着させることができる。

また、前記接触片（１１）の軸方向端部を前記試験片（１２）に形成された前記応力逃がし溝（１２Ａ）へとオーバーハングさせることが望ましい。

上記構成によれば、接触片（接触部材）の軸方向端部を試験片（軸部材）の応力逃がし溝へとオーバーハングさせることによって、応力集中や接触面圧の分布、相対滑り量の変化などによって試験片（軸部材）のフレッティング疲労強度が高められる（非特許文献１～３においても報告されている）。

また、前記試験片（１２）における前記接触片（１１）の軸方向端部よりも軸方向外側であって、且つ、軸方向において前記応力逃がし溝（１２Ａ）に隣接する箇所に、当該試験片（１２）の前記接触片（１１）の前記嵌合孔（１１ａ）に嵌合する部分と同径の鍔部（１２ａ）を形成することが望ましい。

上記構成によれば、鍔部によって軸部材の剛性が応力逃がし溝に及ぼす影響を小さく抑えることができ、軸部材の鍔部から軸方向外側に沿って延びる部分の径を小さくすることができる。

本発明にかかる軸部材の嵌合構造によれば、軸部材のフレッティング疲労強度を高めることができる。また、本発明にかかる軸部材のフレッティング疲労試験方法によれば、潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができるという効果が得られる。

軸部材のフレッティング疲労低減構造を示す図である。 （ａ）は図１のＡ部拡大詳細図、（ｂ）は逃げ溝がない場合の（ａ）と同様の図である。 軸部材のフレッティング疲労低減構造の別形態を示す図である。 本発明に係るフレッティング疲労試験装置の基本構成を示す図である。 （ａ）は押圧治具の斜視図、（ｂ）は接触片の斜視図である。 試験片の詳細と応力分布を示す図である。 本発明に係るフレッティング疲労試験装置の一部の概略構成を示す図である。 （ａ）は本発明に係るフレッティング疲労試験装置に設けられた電気回路及び接触片と試験片の一部を示す図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大詳細図である。 分離電圧と荷重及び摩擦力の経時変化を示す図である。 試験片と接触片の１／４モデル図である。 試験片の応力逃がし溝の諸元と接触片のオーバーハング量に基づく３種の応力集中係数Ｋｔ_1.31，Ｋｔ_1.60，Ｋｔ_1.96を示す図である。 応力逃がし溝の各軸方向位置における応力集中係数Ｋｔの変化を示す図である。 応力集中係数Ｋｔと疲労強度との関係を従来例と共に示す図である。 最大ヘルツ面圧と分離電圧との関係を示す図である。 各種試験片に対する疲労強度を示すＳ－Ｎ線図である。 本発明に係るフレッティング疲労試験装置による試験手順を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

［軸部材のフレッティング疲労低減構造］
先ず、軸部材のフレッティング疲労低減構造を図１及び図２に基づいて以下に説明する。

図１は軸部材のフレッティング疲労低減構造を示す図、図２（ａ）は図１のＡ部拡大詳細図、図２（ｂ）は逃げ溝がない場合の図２（ａ）と同様の図である。

図１及び図２に示す軸部材２のフレッティング疲労低減構造は、図１に示すように、微振動を繰り返す円筒状の接触部材１に形成された円孔状の嵌合孔１ａに丸棒状の軸部材２が圧入されている機械構造物に採用されている。具体的には、軸部材２における接触部材１の軸方向両端近傍に曲率半径Ｒ、深さｄ、幅ｗの断面が円弧曲面状の応力逃がし溝２Ａがそれぞれ形成されている。また、接触部材１の嵌合孔１ａの軸方向中間位置には、断面矩形の１つの逃げ溝１Ａが嵌合孔１ａに沿って全周に亘って形成されている。

また、図２（ａ）に詳細に示すように、接触部材１の軸方向端部は、軸部材２に形成された応力逃がし溝２Ａへと図示のδだけそれぞれオーバーハングしている。

ここで、軸部材２に軸方向の引張力を付加した場合の主応力σ_1・333と軸方向の押付力のみを付加した場合の主応力σ_1.0との差（σ_1．333－σ_1．0）を、当該軸部材２の最小断面における公称応力σ_nで割った値Ｋt、つまり、次式（１）にて求められる値Ｋt：
Ｋt＝（σ_1．333－σ_1．0）／σ_n …（１）
を「応力集中係数」と定義した場合、軸部材２における接触部材１の軸方向端部に対応する位置に、応力集中係数Ｋtが１．８以下となる形状の応力逃がし溝２Ａが形成されている。

ところで、接触部材１に微振動が繰り返し印加される場合、接触部材１と軸部材２との接触面（嵌合面）には、図２（ａ）に示すように、接触部材１と軸部材２との間に相対滑りが発生しない固着域Ｓ１と相対滑りが発生する滑り域Ｓ２とが存在し、両者Ｓ１，Ｓ２の境界付近からクラックが発生することが知られている。

ここで、前述のように接触部材１の嵌合孔１ａの軸方向中間位置に断面矩形の逃げ溝１Ａを嵌合孔１ａに沿って全周に亘って形成したため、図２（ａ）に示すように、軸部材２には図示の部位に固着域Ｓ１と滑り域Ｓ２が存在することになる。これに対して、図２（ｂ）に示すように、接触部材１に図２（ａ）に示す逃げ溝１Ａが形成されない場合には、軸部材２の図示の領域に固着域Ｓ１１と滑り域Ｓ１２が存在するが、固着域Ｓ１１が逃げ溝１Ａを形成した場合（図２（ａ）参照）に比して拡大する。このように固着域Ｓ１１が拡大すると、寸法精度や表面粗さによっては接触部材１と軸部材２との固着が一様になされない可能性がある。このため、前述のように接触部材１の嵌合孔１ａの軸方向中間位置に断面矩形の逃げ溝１Ａを全周に亘って形成することによって、接触部材１と軸部材２とを一様に強固に固着させることができる。

また、前述のように、接触部材１の軸方向端部を軸部材２に形成された応力逃がし溝２Ａへと図２（ａ）に示すδだけオーバーハングさせると、応力集中や接触面圧の分布、相対滑り量の変化などによって軸部材２のフレッティング疲労強度が高められる。このことは実験的に確かめられている（非特許文献１～３においても報告されている）。

図３は、軸部材のフレッティング疲労低減構造の別形態を示す図である。同図に示す形態では、軸部材２の接触部材１の軸方向端部よりも軸方向外側であって、且つ、軸方向において応力逃がし溝２Ａに隣接する箇所に、当該軸部材２の接触部材１の嵌合孔１ａに圧入される部分と同径の鍔部２ａを形成している。

上述のように、軸部材２に鍔部２ａを形成すれば、鍔部２ａによって当該軸部材２の剛性が応力逃がし溝２Ａに及ぼす影響を小さく抑えることができ、軸部材２の鍔部２ａから軸方向に延びる部位２ｂの径を小さくすることができる。

［軸部材のフレッティング疲労試験装置］
次に、本発明に係る軸部材のフレッティング疲労試験装置について説明する。

図４は本発明に係るフレッティング疲労試験装置の基本構成を示す図であり、図示のフレッティング疲労試験装置１０は、以下の構成要素を備えている。

１）軸部材２に相当する試験片１２の外周面に接触するように該試験片１２に固定される接触片１１
２）高周波振動を発生する加振装置１３
３）加振装置１３が発生する高周波振動を増幅して試験片１２に印加する増幅器１４
４）試験片１２の変位を検出する変位検出センサ１５
５）試験片１２と接触片１１に通電する電気回路２０
６）試験片１２と接触片１１との分離電圧を検出する電位差計２５
７）変位検出センサ１５が検出した試験片１２の変位からクラックの発生を検知するとともに、電位差計２５が検出した分離電圧によって試験片１２と接触片１１間に形成される境界膜３０の生成状態と試験片１２の疲労強度との関係を求めるコンピュータ（ＰＣ）１７
８）コンピュータ（ＰＣ）１７からの指令信号を受けて加振装置１３に対して高周波のパルス信号を発信する発信器１８

コンピュータ（ＰＣ）１７は、変位検出センサ１５によって検出されて変位測定器１６によって求められた試験片１２の変位からクラックの発生を検知する機能と、電位差計２５によって検出される試験片１２と接触片１１との分離電圧からこれらの試験片１２と接触片１１との接触面に生成される潤滑油による境界膜３０の生成状態を把握し、この境界膜３０の生成状態から潤滑剤や表面テクスチャリングの効果を含む試験片１２（軸部材２）のフレッティング疲労強度を求める機能を有する。

また、本発明に係るフレッティング試験装置１０においては、接触片１１は、図５に示す押圧治具４０によって所定の荷重で押圧されているが、この押圧治具４０の構成を図５に基づいて以下に説明する。

図５（ａ）は押圧治具の斜視図、図５（ｂ）は接触片の斜視図である。図５（ａ）に示すように、押圧治具４０は、矩形プレート状の一対のパッド４１を備えており、これらのパッド４１は、試験片１２を両側から挟むように配置されている。そして、一対のパッド４１の相対向する内面には、図５（ｂ）に示すような接触片１１が取り付けられており、一方のパッド４１の外面には歪ゲージ４２が貼着されている。また、一対のパッド４１には、試験片１２を境としてこれの両側にボルト４３がそれぞれ挿通しており、これらのボルト４３の端部に螺合するナット４４をそれぞれ締め付けることによって、試験片１２が接触片１１よって所定の押圧力で押圧される。このとき、接触片１１から試験片１２に加えられる押圧力は、歪ゲージ４２によって検出され、その検出信号は、コンピュータ（ＰＣ）１７に送信される。すると、コンピュータ（ＰＣ）１７は、接触片１１から試験片１２に加えられる押圧力を算出する。

図６は、試験片の詳細と応力分布を示す図である。同図に示すように、試験片１２には、ＳＣＭ４２０Ｈ材に熱処理（９００℃（保持４５分）油焼き入れ後に＋１８０℃（１２０分）焼き戻したものが使用され、そのヤング率は２０３ＧＰａ、引張強度は１１９５ＭＰａ、耐力は８５５ＭＰａ、破壊ひずみは５．８％、ビッカース硬さは約４５０ＨＶである。

試験片１２は、軸方向両端部の大径の頭部１２ａと、軸方向中央の小径の軸部１２ｂと、頭部１２ａと軸部１２ｂとを接続する円弧凹曲面状の曲面部１２ｃとで構成されており、応力が一定である中央の軸部１２ｂに接触片１１が押圧治具４０（図５参照）を用いて押圧される。

図７は、本発明に係るフレッティング疲労試験装置の一部の概略構成を示す図である。フレッティング疲労試験装置１０は、同図に示すように、接触片１１及び試験片１２が容器２７内に貯留された潤滑油（潤滑剤）Ｌ内に浸された状態で試験を行うことができるように構成されている。これにより、試験片１２に対する接触片１１の接触部分（接触面）をウェット状態（潤滑環境下）に置いた状態でフレッティング疲労試験を行うことができ、当該接触部分に潤滑油Ｌによる境界膜３０が存在していることの効果を確認することができる。なお、図７の符号２６は接触片１１の温度を測定するための熱電対であり、符号２８は容器２７内の潤滑油Ｌを攪拌する撹拌機（ローター）であり、符号４２は接触片１１に取り付けられた歪ゲージである。

ここで、図４に示す電気回路２０の構成を図８に基づいて説明する。図８（ａ）は電気回路の構成図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＢ部拡大詳細図である。同図に示す電気回路２０は、試験片１２と接触片１１に通電してこれらの試験片１２と接触片１１との間の分離電圧（接触抵抗による電圧降下）を計測するものであって、電源２１と、２つのコンデンサＣ１，Ｃ２と、３つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３と、３端子レギュレータ２２と、直流増幅器２３と、記録計２４と、分離電圧を検出する電位差計２５とを含んで構成されている。

ところで、試験片１２と接触片１１との接触面における試験片１２と接触片１１の何れか一方には、ホーニング加工などによって表面テクスチャリング（微小な凹凸）が形成されている。また、図８（ｂ）に示すように、試験片１２と接触片１１との接触面には、電気絶縁性の高い潤滑油（潤滑剤）Ｌによる薄い境界膜３０が生成される。なお、潤滑剤としては、潤滑油Ｌ以外にも、固体潤滑材、コーティング剤、潤滑性塗料などを使用することができる。

上述のように試験片１２と接触片１１との接触面に潤滑油Ｌによる境界膜３０が生成されると、この境界膜３０は、非導電性であるために電位差計２５によって検知される電位差が大きくなり、このことによって境界膜３０の生成を検知することができる。

ここで、接触片１１に一定の荷重を加えた場合の試験片１２と接触片１１との間の分離電圧と摩擦力の経時変化を図９に示す。同図グラフでは、横軸に経過時間ｔを取り、縦軸に分離電圧、接触片１１から試験片１２にかかる荷重、試験片１２と接触片１１との接触面間に発生する摩擦力を取っている。このグラフに示すように、分離電圧は、時間ｔの経過と共に増加して試験片１２と接触片１１との接触面に境界膜３０が次第に形成されてゆくが、時間ｔ１において分離電圧が上限値に達して一定値を示し、この状態においては試験片１２と接触片１１とは電気的な絶縁状態にある。また、試験片１２と接触片１１との接触面間に発生する摩擦力は、図示のように所定の幅で増減を繰り返すが、時間ｔの経過と共にその増減幅が大きくなる。

次に、上記の式（１）によって定義される応力集中係数Ｋtの算出方法を図１０～図１２に基づいて以下に説明する。

図１０は試験片と接触片の１／４モデル図、図１１は試験片の応力逃がし溝の諸元と接触片のオーバーハング量に基づく３種の応力集中係数Ｋｔ_1.31，Ｋｔ_1.60，Ｋｔ_1.96を示す図、図１２は応力逃がし溝の各軸方向位置における応力集中係数Ｋｔの変化を示す図である。

応力集中係数Ｋｔの算出に際しては、図１０に示すように、試験片１２に引張力（３３．３ＭＰａ）を付加した場合の主応力σ_1.333と接触片１１から試験片１２に押付力（３６．７ＭＰａ）のみを付加した場合の主応力σ_1.0との差（σ_1.333－σ_1.0）を試験片１２の最小断面における公称応力σ_nで割ることによって応力集中係数Ｋｔが求められる（式（１）参照）。

試験片１２に形成された応力逃がし溝１２Ａの種々の諸元に対して求められる応力集中係数Ｋｔを図１１に示す。

すなわち、接触片１１のオーバーハング量δ＝約２５０μｍと一定とした状態で、応力逃がし溝１２Ａの曲率半径Ｒと深さｄを変化させた場合の応力集中係数Ｋｔの結果は以下の通りである。

１）Ｒ＝２．０ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ→Ｋt＝１．３１（この値をＫｔ_1.31とする）
２）Ｒ＝１．０ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ→Ｋt＝１．６０（この値をＫｔ_1.60とする）
３）Ｒ＝０．５ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ→Ｋt＝１．９６（この値をＫｔ_1.96とする）
ここで、応力逃がし溝１２Ａの軸方向位置における応力集中係数Ｋｔ（Ｋｔ_1.31、Ｋｔ_1.60、Ｋｔ_1.96）の変化を図１２に示す。

図１２に示すように、応力逃がし溝１２Ａの幅ｗに対する軸方向位置ｙの比率ｙ／ｗに対して応力集中係数Ｋｔ（Ｋｔ_1.31、Ｋｔ_1.60、Ｋｔ_1.96）は図示のようにサインカーブを描いて変化するが、何れの応力集中係数Ｋｔ_1.31、Ｋｔ_1.60、Ｋｔ_1.96においても応力逃がし溝１２Ａの中央（ｙ／ｗ＝０．５）において最大値１．３１、１．６０、１．９６をそれぞれ示す。

次に、図４乃至図８に示すフレッティング疲労試験装置１０を用いて行ったフレッティング疲労強度の試験結果を図１３乃至図１５に示す。

図１３は応力集中係数Ｋｔと疲労強度との関係を従来例と共に示す図である。同図のグラフでは、横軸に応力集中係数Ｋｔを取り、縦軸に疲労強度を取っている。そして、グラフ中の折れ線Ｘと折れ線Ｙは、本発明にかかるフレッティング疲労試験装置１０で１０^９回の繰り返し荷重を付加した場合の値であり、さらに折れ線Ｘは、接触片１１有りの場合のフレッティング部起点の疲労強度を示し、折れ線Ｙは、接触片１１無しの場合の溝部起点の疲労強度を示す。また、グラフ中の折れ線Ｘと折れ線Ｙとの間にある網掛け部分Ｚは、接触片１１有りかつ潤滑油Ｌ有りの場合の疲労強度の分布を示している。

同図のグラフにおいて折れ線Ｘにて示すように、応力集中係数Ｋｔが１．８以下の範囲において高い疲労強度が得られる。このことが、応力集中係数Ｋｔが１．８以下となる形状の応力逃がし溝２Ａ（１２Ａ）を形成することの根拠となっている。また、接触片（押圧子）１１と試験片１２を潤滑状態にして分離電圧を測定し、潤滑油由来の境界反応膜の有無を確認しながら疲労試験を実施し、潤滑無の状態と比較することで潤滑油（潤滑剤）Ｌによる境界膜３０の効果を確認できる。なおこのとき、試験片１１にホーニング等の表面テクスチャリングを設けることによる潤滑性向上の手法を併用すれば、その効果も確認することができる。

ここで、試験片１２と接触片１１との接触部（嵌合部）の最大ヘルツ面圧（ＧＰａ）と分離電圧との関係を図１４に示す。同図より明らかなように、最大ヘルツ面圧が約０．７ＧＰａ以下の範囲では分離電圧が飽和して最大値を示し、この分離電圧が一定の最大値を示す領域では試験片１２と接触片１１との間に生成される潤滑油の境界膜３０の効果が発揮される。そして、この領域は、図１３における網掛け部分Ｚの領域となる。

したがって、フレッティング疲労強度向上に対する潤滑剤や表面テクスチャリングの効果を確認するためには、応力集中係数Ｋｔが１．８以下の形状の応力逃がし溝１２Ａが形成された試験片１２を用いれば良いことが分かる。

図１５は各種試験片に対する疲労強度を示すＳ－Ｎ線図であり、横軸に繰り返し数Ｎ、縦軸に応力振幅Ｓを取っている。なお、同図のグラフは、試験片１２単体の解析結果より端部変位振幅と試験片応力振幅の関係を計算した結果である。また、縦軸の応力振幅Ｓは、試験片１２の中央断面の応力振幅を示している。このグラフから明らかなように、各試験片１２の１０^９回の疲労強度は下記の通りである。

・応力逃がし溝の無い押圧しない試験片（平滑材）：約４４５ＭＰａ
・応力逃がし溝の無い押圧しない試験片：約１３６ＭＰａ
・応力集中係数１．３１の形状となる応力逃がし溝を設けた試験片：約２５３ＭＰａ
・応力集中係数１．６の形状となる応力逃がし溝を設けた試験片：約２６０ＭＰａ
・応力集中係数１．９６の形状となる応力逃がし溝を設けた試験片：約２２０ＭＰａ

この試験結果から、フレッティング疲労破壊するのは、応力集中係数１．８以下の形状となる応力逃がし溝を設けた試験片であることがわかる。したがって、フレッティング疲労強度向上に対する潤滑油（潤滑剤）や表面テクスチャリングの効果を確認するには、応力集中係数Ｋｔが１．８以下の形状となる応力逃がし溝１２Ａを設けた試験片１２を用いればよい。したがって、本発明にかかるフレッティング試験装置及び試験方法によって潤滑油（潤滑剤）や表面テクスチャリングの効果を評価できることがわかる。

図１６は本発明に係るフレッティング疲労試験装置による試験手順を示すフローチャートである。以上説明した手順をまとめると図１６に示すようになる。すなわち、試験が開始されると、加振装置１３と増幅器１４によって試験片１２に高周波振動が印加され（ステップＳ１）、試験片１２の変位が変位検出センサ１５によって検出されるとともに（ステップＳ２）、試験片１２と接触片１１との間の分離電圧が電位差センサ２５によって検出される（ステップＳ５）。

ステップＳ２において試験片１２の変位が検出されると、検出された変位の急変（急増）によってクラックが発生したか否かがコンピュータ（ＰＣ）１７によって判断され（ステップＳ３）、クラックが発生すると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、そのときに試験片１２に付加された荷重が試験片１２の疲労強度とされる（ステップＳ４）。なお、クラックが発生しない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）には、試験片１２の変位が引き続き検出される（ステップＳ２）。

他方、ステップＳ５において分離電圧が検出されると、試験片１２と接触片１１との接触面に生成される境界膜３０の生成状態が把握され（ステップＳ６）、コンピュータ（ＰＣ）１７は、境界膜３０の生成状態と試験片１２のフレッティング疲労強度との関係を把握し（ステップＳ７）、このことから潤滑油（潤滑剤）や表面テクスチャリング（境界膜３０を生成させる因子）と試験片１２のフレッティング疲労強度との関係を把握し（ステップＳ８）、結果的に潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含む軸部材１２のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができ（ステップＳ９）、一連のフレッティング疲労試験が終了する（ステップＳ１０）。

以上の説明で明らかなように、本発明に係るフレッティング疲労試験装置１０によれば、潤滑剤や表面テクスチャリングによって試験片１２と接触片１１との接触面に生成される境界膜３０の生成状態を、試験片１２と接触片１１との分離電圧を検出することによって把握し、この境界膜３０の生成状態と、試験片１２の変位から求められるフレッティング疲労強度との関係を把握することによって、潤滑剤や表面テクスチャリングによる効果を含めた軸部材１２のフレッティング疲労強度を迅速に計測することができる。

本発明は、以上説明した実施の形態に適用が限定されるものではなく、特許請求の範囲および明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

１ 接触部材
１Ａ 接触部材の逃げ溝
１ａ 接触部材の嵌合孔
２ 軸部材
２Ａ 応力逃がし溝
２ａ 軸部材の鍔部
１０ フレッティング疲労試験装置
１１ 接触片
１１Ａ 接触片の逃げ溝
１２ 試験片
１２Ａ 試験片の応力逃がし溝
１３ 加振装置
１４ 増幅器
１５ 変位検出センサ
１６ 変位測定器
１７ コンピュータ（ＰＣ）
１８ 発信器
２０ 電気回路
２５ 電位差計
３０ 境界膜
ｄ 応力逃がし溝の深さ
Ｋt 応力集中係数
Ｒ 応力逃がし溝の曲率半径
ｗ 応力逃がし溝の幅
δ 接触部材のオーバーハング量

Claims (11)

1. 接触部材に形成された嵌合孔に嵌合する軸部材の前記嵌合孔への嵌合構造であって、
   引張力を付加した場合の主応力と押付力のみを付加した場合の主応力との差を最小断面における公称応力で割った値を応力集中係数Ｋｔと定義した場合、
   前記軸部材における前記接触部材の軸方向端部に対応する箇所に、前記応力集中係数Ｋｔが所定値以下となる形状の応力逃がし溝を設け、
   前記接触部材と前記軸部材との接触面に潤滑剤を介在させた状態で前記接触面を分離電圧が発生する圧力で接触させるように構成したことを特徴とする軸部材の嵌合孔への嵌合構造。
2. 前記接触面における前記軸部材と前記接触部材の何れか一方に表面テクスチャリングが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸部材の嵌合孔への嵌合構造。
3. 前記接触部材の前記嵌合孔の軸方向中間位置に、少なくとも１つの逃げ溝を全周に亘って形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の軸部材の嵌合構造。
4. 前記接触部材の軸方向端部を、前記軸部材に形成された前記応力逃がし溝へと軸方向にオーバーハングさせたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸部材の嵌合構造。
5. 前記軸部材における前記接触部材の軸方向端部よりも軸方向外側であって、且つ、軸方向において前記応力逃がし溝に隣接する箇所に、当該軸部材の前記接触部材の前記嵌合孔に嵌合する部分と同径の鍔部を形成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸部材の嵌合構造。
6. 接触部材に形成された嵌合孔に圧入され、引張力を付加した場合の主応力と押付力のみを付加した場合の主応力との差を最小断面における公称応力で割った値を応力集中係数Ｋｔと定義した場合、前記接触部材の軸方向端部に対応する位置に、前記応力集中係数Ｋｔが所定値以下となる形状の応力逃がし溝が形成された軸部材のフレッティング疲労試験方法であって、
   前記軸部材に相当する試験片の外周面に接触片を接触させ、
   前記試験片に加振装置で高周波振動を印加し、
   前記試験片の変位を変位検出センサで検出し、
   前記試験片と前記接触片に電気回路で通電し、
   前記試験片と前記接触片との接触面に潤滑剤を介在させた状態で前記試験片と前記接触片との分離電圧を電位差計で検出し、
   前記変位検出センサが検出した前記試験片の変位からクラックの発生を検知するとともに、前記電位差計が検出した分離電圧によって前記接触面に形成される潤滑剤による境界膜の生成状態と前記試験片の疲労強度との関係を求める
   ことを特徴とする軸部材のフレッティング疲労試験方法。
7. 前記試験片と前記接触片との接触面における前記試験片と前記接触片の何れか一方に表面テクスチャリングを形成することを特徴とする請求項１に記載の軸部材のフレッティング疲労試験方法。
8. 前記試験片には、応力集中係数Ｋtが１．８以下となる形状の応力逃がし溝を形成することを特徴とする請求項６又は７に記載の軸部材のフレッティング疲労試験方法。
9. 前記接触片の前記試験片との接触面の軸方向中間位置に少なくとも１つの逃げ溝を形成することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の軸部材のフレッティング疲労試験方法。
10. 前記接触片の軸方向端部を前記試験片に形成された前記応力逃がし溝へとオーバーハングさせることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の軸部材のフレッティング疲労試験方法。
11. 前記試験片における前記接触片の軸方向端部よりも軸方向外側であって、且つ、軸方向において前記応力逃がし溝に隣接する箇所に、当該試験片における前記接触片の前記嵌合孔に嵌合する部分と同径の鍔部を形成することを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の軸部材のフレッティング疲労試験方法。

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