JP3720775B2

JP3720775B2 - 金属材料の衝撃捩り試験機

Info

Publication number: JP3720775B2
Application number: JP2002039897A
Authority: JP
Inventors: 隆彦佐伯; 寿雄大西; 良和河端; 智加朗華井; 欣成嬉野
Original assignee: JFE Steel Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2005-11-30
Anticipated expiration: 2022-02-18
Also published as: JP2003240692A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料の衝撃捩り試験機に係わり、特に、自動車等のドライブ・シャフト用鉄鋼材料の衝撃捩れ性を評価するに有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料は、その用途に応じて予め該材料の種々の特性（強度、ねじれ、伸び等）を把握しておく必要がある。そのため、従来より引張試験、圧縮試験、捩り試験、衝撃試験等の各種試験方法が定められ、それを実施するための試験機も多々開発され、実用化されている。
【０００３】
ところで、自動車等の車両は、いずれも、その車輪を回転、駆動させるために、鉄鋼材料からなるドライブ・シャフトを備えている。従って、該ドライブ・シャフトの優劣は、それら車両の性能評価において重要なポイントになっている。それは、車両にとって最も重要な部品の一つだからである。従来、このドライブ・シャフトの製作に使用される鉄鋼材料は、既存の材料試験機でその特性を測定し、その測定値が基準に合格した材料だけが使用される。また、近年、自動車等の燃費低減の観点から、ドライブ・シャフトを中空にすることが指向されている。
【０００４】
しかしながら、自動車等が急発進すると、ドライブ・シャフトには大きな衝撃捩れが加えられるが、現在の材料試験機には、ねじれ及び衝撃を個別に測定するものはあっても、衝撃と捩れが同時に作用する場合を評価するものは存在しない。また、一般に材料試験は、試験片が実物よりかなり小さく、その測定結果から推定される実物の特性と実際の特性が一致しない場合も起こり得る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事情に鑑み、金属材料に同時に作用する衝撃及び捩れに対する抵抗力を評価できるだけでなく、実物のスケールで試験が行なえる金属材料の衝撃捩れ試験方法及び衝撃捩れ試験機を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者は、上記目的を達成するため、従来の各種試験機を参考に鋭意研究を重ね、その成果を本発明に具現化した。
【０００７】
すなわち、本発明は、試験片の一端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた駆動軸と、前記駆動軸に取付けられ、その回転エネルギーを貯えるフライ・ホイールと、該駆動軸を回転させる駆動手段と、前記試験片の他端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた回転軸と、前記回転軸に取付けられた回転アームと、該回転アームに瞬間的に衝撃を加えてその回転を停止させるストッパとを備えたことを特徴とする金属材料の衝撃捩り試験機である。
【０００８】
この場合、前記フライ・ホイールが、重量可変式であったり、あるいは前記駆動軸に回転計を設けると共に、前記駆動軸及び前記回転軸には歪計を取り付けるのが好ましい。また、上記した回転アーム及びストッパに代え、前記回転軸にディスク・ブレーキを設けても良い。さらに、本試験機は、鉄鋼材料に適用するのが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、金属材料の衝撃ねじれ性が、その用途に応じた実物大の試験片で測定できるようになる。その結果、本発明は、車両等の中空ドライブ・シャフトの開発に大いに貢献すると期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
発明者は、試験片を衝撃で捩る手段を検討し、試験片の一端を固定し、他端を瞬間的に回転させるか、あるいは試験片を回転させておき、その一端の回転を瞬間的に停止させるかの２通りあると結論した。そして、いずれの手段も具体化させる価値があるが、ここでは、後者の手段を採用することにして、図１に示すような試験機を開発した。
【００１２】
それは、図１に示したように、試験片１を境にして左右２分した各種手段の組合せで構成される。まず、図１において、試験片１の右側には、軸を水平にしてスプライン付カップリング２を取り付けるようにした。ここで、スプライン付カップリング２とは、円筒体の内面に、その円周に沿って長手方向に延びる凹状の溝を多数刻設した部材である。従って、試験片１の断面を円形にして、該試験片１の一端の表面に、該凹条溝に嵌るよう長手方向に延びる凸状の突起を多数設けると、突起を凹溝にただ差し込むだけで試験片１を支えることが可能となる。
【００１３】
このスプライン付カップリング２は、駆動軸３の一端に取り付けられており、他端側には、該駆動軸３を回転させる駆動手段４を設けるようにした。これにより、試験片１が所定の回転速度で回転できるようになる。この駆動手段４としては、図１に示したように、プーリ５、モータ６等を利用したもので良い。また、この駆動軸３には、その回転エネルギーを貯えるためのフライ・ホイール７を取付けてある。このフライ・ホイール７は、ホイールの数を変更することで、その重量を変化させるできる。これは、試験片１の大きさによって、貯えるネネルギーを変更する必要があるからである。
【００１４】
次ぎに、試験片１の左側にある手段について説明すると、そこにも試験片１の一端（この場合、他端）を嵌め込むスプライン付カップリング２を備えた回転軸８が設けられる。そして、該回転軸８には、軸に直交する方向に長い回転アーム９が取付けられている。従って、上記した左右のスプライン付カップリング２に試験片１を嵌め込み、前記駆動手段４により駆動軸３を回転させると、何らかの停止力が働かない限り、試験片１はその軸を中心にして回転を続けることになる。
【００１５】
ところで、本発明は、前記したように、試験片１を回転させておき、その一端の回転を瞬間的に停止させるものであるから、その停止手段が必要である。そのために、前記回転アーム９を有効に利用するようにしたのである。つまり、本発明では、該回転アーム９に瞬間的に衝撃を加えてその回転を停止させるストッパ１０を設けるようにした。該ストッパ１０を瞬間的に回転アーム９の位置に押し込むことで、回転アーム９は停止するからである。なお、ストッパ１０の押し込みは、例えば油圧シリンダを利用すれば良い。その結果、試験片１の一端に繋がる回転軸８は回転を停止し、他端に繋がる駆動軸３は回転しているので、試験片１の軸を中心にして衝撃的捩りが起き、試験片１は破断される。
【００１６】
なお、本発明の試験対象である金属材料は、必ずしも鉄鋼材料に限る必要はない。アルミニウム、銅、その他各種の合金材料でも、鉄鋼材料の場合と同様に試験できるからである。また、本発明では、実物大の大きな試験片１での測定も可能にするように、試験片１を境にして左右の各手段を水平方向に移動自在にしてある。２つのスプライン付カップリング２の間の距離を変更できるようにすれば、試験片１の大きさを可変にできるからである。さらに、前記した回転軸８の停止手段としては、回転アーム９及びストッパ１０に代え、図２に示すようなディスク・ブレーキ１１を用いても良い。その方が安全性の面では優れているからである。
【００１７】
次に、かかる衝撃捩り試験機を用いて、実際に試験片の衝撃捩り性を測定する方法について説明する。
【００１８】
まず、図１に示したように、駆動軸３及び回転軸８にテレメータ１２を取付け、歪ゲージを貼った試験片１を２つのスプライン付カップリング２の間にセットする。前記テレメータ１２に歪ゲージを接続し、発信状況を確認する。そして、順次ゼロ点調整等のキャリブレーションを行なう。試験片１の大きさに対応させてフライ・ホイール７の重量を決め、枚数を設定する。次に、回転アーム９を停止させる前記ストッパ１０及びエアー・クラッチ１６の作動をテストで確認する。その後、漸く駆動手段４のモータ６等を起動し、設定回転数まで上げてフライ・ホイール軸の回転数が安定することを確認する。回転軸が設定回転数に達したら、モータ６のクラッチを切り、フライホイール７をフリーにする。その後、速やかにストッパ１０を操作して、回転アーム９の回転を瞬時に停止する。その後、前記エアー・クラッチ１６を入れ、モータ６の回転数を「０」にする。試験片の歪ゲージ用リード線をテレメータ１２から取り外し、破断した試験片１をスプライン付カップリング２から除く。
【００１９】
この試験を行なう間に、回転計１３でフライ・ホイール７の回転速度がリアルタイムとして、また、駆動軸３の歪計で測った歪−時間線図からの換算で、フライ・ホイール軸の捩りトルクが測定される。さらに、試験片１の歪−時間線図及び衝撃荷重が測定される。なお、衝撃荷重の測定は、図１に示したように、前記ストッパ１０にロード・セル１４を取り付ければ良い。これらの測定値は、後に整理し、所謂衝撃靭性を試験片が吸収した吸収エネルギー（トルク×歪の面積）で評価するのに使用される。
【００２０】
【実施例】
引張り強度が１４７０ＭＰａで、焼鈍ずみのＣを０．３〜０．４５質量％含有してなる鋼管（外径３５．０ｍｍφ×肉厚８ｍｍ）及び円柱状鋼材（外径３５．０ｍｍ）から、長さ１５０ｍｍの試験片４を採取した。そして、両端の表面に、前記スプライン・カップリングに嵌るように、凸状突起を加工し、本発明に係る衝撃捩り試験に供した。使用した試験機は、図１に示したと同様なものである。なお、フライ・ホイール７としては、重量が９８０〜９８００Ｎ，回転トルクが９８００Ｎ・ｍ以上のものを用い、その回転数は９４〜９４０ｒｐｍであった。
【００２１】
得られた歪、トルク等のデータ（図３参照）を整理したところ、図４に示す曲線になった。図４より、これらの曲線と横軸とが囲む面積、つまり試験片に衝撃捩りを負荷した際の吸収エネルギーが容易に求められることが明らかである。また、外径が同一の場合、ねじれ性は鋼材の中心部より表層部の方が影響が大きいと従来より言われているので、図４の結果は、本発明に係る衝撃捩れ試験機が妥当なものであることを証明している。
【００２２】
このように、本発明によれば、今までは不可能であった金属材料の衝撃捩り性が容易に評価できるようになる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、金属材料に同時に作用する衝撃及び捩れに対する抵抗力が評価できるばかりでなく、実物のスケールで衝撃捩じれ試験が行なえるようになる。その結果、本発明は、車両等の中空ドライブ・シャフトの開発に大いに貢献するものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属材料の衝撃捩り試験機の全体を示す横断面図である。
【図２】図１の回転アーム及びストッパに代えて、回転軸を停止させるのに利用可能なディスク・ブレーキを示す図である。
【図３】本発明の実施で得たデータの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施で得た試験片の吸収エネルギーを評価する関係を示す図である。
【符号の説明】
１試験片
２スプライン付カップリング
３駆動軸
４駆動手段
５プーリ
６モータ
７フライ・ホイール
８回転軸
９回転アーム
１０ストッパ
１１ディスク・ブレーキ
１２テレメータ
１３回転計
１４ロード・セル
１５軸受け
１６エアー・クラッチ

Claims

試験片の一端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた駆動軸と、前記駆動軸に取付けられ、その回転エネルギーを貯えるフライ・ホイールと、該駆動軸を回転させる駆動手段と、前記試験片の他端を嵌め込むスプライン付カップリングを備えた回転軸と、前記回転軸に取付けられた回転アームと、該回転アームに瞬間的に衝撃を加えてその回転を停止させるストッパとを備えたことを特徴とする金属材料の衝撃捩り試験機。
前記フライ・ホイールが、重量可変式であることを特徴とする請求項１記載の金属材料の衝撃捩り試験機。
前記駆動軸に回転計を設けると共に、前記駆動軸及び前記回転軸には歪計を取り付けてなることを特徴とする請求項１又は２記載の金属材料の衝撃捩り試験機。
請求項１記載の回転アーム及びストッパに代え、前記回転軸にディスク・ブレーキを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属材料の衝撃捩り試験機。