JP3751566B2 - Metal material impact torsion tester - Google Patents
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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。該車両にとっては、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が評価できるばかりでなく、実物のスケールで試験が行なえる金属材料の衝撃捩り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。
【0008】
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固定ブロックと、該固定ブロックに離隔して対向させ、該試験片の他端を嵌め込むスプライン付カップリングに連結した回転自在なカップリングと、該回転自在なカップリングに連結した捩り付与軸と、該捩り付与軸を支える互いに離隔した2つの軸受けと、これら軸受けの間の前記捩り付与軸に取付けられ、衝撃を受ける面が軸心から離隔した平坦面を有する受けアームと、該平坦面に衝撃を与える衝撃付与手段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。この場合、前記衝撃付与手段が、先端が前記受けアームの平坦面を押すプッシャー・ロッドと、該プッシャー・ロッドの後端に瞬間的な衝撃を加える油圧シリンダとで形成したり、あるいは前記衝撃付与手段が、振り子方式のハンマと、該ハンマの後端を支える回転軸と、該回転軸を回転し、ハンマの先端を持ち上げる駆動手段と、該駆動手段と前記回転軸との連結を断つクラッチとで形成しているのが好ましい。また、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】
まず、発明者は、試験片を捩る手段を検討し、試験片の一端を固定し、他端を回転させることにした。そして、図2に示すような試験片の保持部分の構成を考えた。
【0012】
それは、基盤1の上にボルト留めした固定ブロック2を設け、そこに軸を水平にしてスプライン付カップリング3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3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4の断面を円形にして、該試験片4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4を支えることが可能となる。
【0013】
一方、試料の他端は、回転自在に支える必要がある。そこで、発明者は、試験片4の他端を嵌め込むため、上記と同じスプライン付カップリング3をもう一つ設けると共に、該スプライン付カップリング3を回転自在な別のカップリング5で支えることにした。そして、このカップリング5を2つの軸受6で支持した回転可能な軸(以下、これを捩り付与軸7という)の一端に取付けるようにした。
【0014】
本発明では、試験片4の保持する部分をこのような構成にしたので、前記捩り付与軸7が何らかの原因で回転すると、試験片4は一端を固定した状態で他端に回転力が付与され、その軸を中心にして捩りが起きることになる。
【0015】
本発明の目的によれば、前記捩りは衝撃的なものである必要がある。そのため、発明者は、前記捩り付与軸7を衝撃的に回転させることについて検討し、以下のような衝撃付与手段を採用することにした。
【0016】
それは、図3に示すように、前記捩り付与軸7の一部をその先端で押す棒体(以下、プッシャー・ロッド8という)と、該プッシャー・ロッド8の後端に瞬間的な打撃を加える油圧シリンダ9とで形成されている。しかしながら、このような衝撃付与手段で単純に前記捩り付与軸7の一部を衝撃的に押しても、必ずしも該捩り付与軸7が安定して回転するとは限らない。押される位置によって回転する場合もあるが、捩り付与軸7が曲がってしまう恐れの方が大きいからである。そこで、発明者は、該プッシャー・ロッド8の先端で押される捩り付与軸7に工夫を凝らし、回転モーメントの観点より、該軸7の中心より半径方向でできるだけ離隔した位置を押せるようにした。つまり、前記図2に示すように、2つの軸受6の間に相当する捩り付与軸7の一部を、衝撃の受けアーム10として構成することにしたのである。その受けアーム10は、柱体からなり、その一部を切欠いて、断面視で図3に示すような平坦面11を形成するようにした。これにより、前記プッシャー・ロッド8の先端で、平坦面11において、受けアーム10の軸12から離れた位置(記号A)を安定して押すことができるようになり、捩り付与軸7が押し曲がらず、確実に回転するようになる。
【0017】
そして、発明者は、以上述べた各手段をまとめて、図1に平面的に示す本発明に係る衝撃捩り試験機を完成したのである。
【0018】
さらに、本発明では、衝撃付与手段について別形態のものも考えた。それは、金属材料の衝撃破壊抵抗を測定するために利用する所謂シャルピー試験機に着眼したものである。すなわち、図4に示すように、衝撃の付与を振り子方式のハンマ13で行なうようにした。この場合、該ハンマ13を駆動させるためには、該ハンマ13の後端を支える回転軸14と、図5に示すような該回転軸14を回転し、ハンマ13の先端を持ち上げる駆動手段15と、該駆動手段15と前記回転軸14との連結を断つクラッチ16とが必要になる。この振り子方式のハンマ13を用いても、前記油圧方式のプッシャー・ロッド8と同様に、前記受けアーム10の平坦面11の所定位置に確実に衝撃を加えることができ、金属材料の衝撃捩り性を測定できる。
【0019】
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4での測定も可能にするように、固定ブロック2の位置を水平方向に移動して、回転可能なスプライン付カップリング3の位置と固定ブロック2に取付けた固定されたスプライン付カップリング3の位置との間隙を変更できるようにもしてある。つまり、固定ブロック2を基盤に留めるボルト孔17を、図2に示すように、水平方向に多数配設したのである。
【0020】
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。
【0021】
まず、試験機に試験片4をセットし、図2及び図4に示したように、該試験片4の歪を検出する歪ゲージ18を試験片4及び捩れ付与軸7に貼り付け、衝撃荷重を検出するロード・セル19を、プッシャー・ロッド8あるいはハンマ13に取付ける。また、図示していないが、速度を測定するレーザー距離計並びに回転計あるいはトルク・メータの他、測定データを記録する歪計、データ・レコーダ等も設置する。さらに、図2に示した受けアーム位置決め金具20で、衝撃を受ける平坦面11の位置を定める。そして、油圧シリンダ9の駆動あるいはハンマ13の持ち上げ、落下で、受けアーム10の平坦面11に衝撃を加え、試験片4を瞬間的に破壊する。その間に試験片4の歪変化が前記データレコーダに記録されるので、後にデータを整理し、所謂衝撃靭性を試験片4が吸収した吸収相当エネルギー(トルク×歪の面積)で評価する。なお、油圧シリンダ9の使用に際しては、予め必要な速度になるように、空運転で粗調整しておき、実測定の歪−時間チャートで歪速度を確認し、且つレーザー距離計でプッシャー・ロッド等の速度を確認しながら油圧の速度調整弁を変更してシリンダ9の速度を微調整する。
【0022】
【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35mmφ×肉厚8mm)及び円柱状鋼材(外径35mm)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3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1〜3に示した衝撃を油圧シリンダ9で加えるものである。
【0023】
得られた歪、トルク等のデータ(図6参照)を整理したところ、図7に示す曲線になった。図7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7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。
【0024】
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。
【0025】
【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平面図である。
【図2】図1のA−A矢視図である。
【図3】図1のB−B矢視図である。
【図4】振り子式のハンマを用いた衝撃付与手段を示す横断面図である。
【図5】図4のC−C矢視図である。
【図6】本発明の実施で得たデータの一例を示す図である。
【図7】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 基盤
2 固定ブロック
3 スプライン付カップリング
4 試験片
5 カップリング
6 軸受
7 捩り付与軸
8 棒体(プッシャー・ロッド)
9 油圧シリンダ
10 受けアーム
11 平坦面
12 受けアームの軸
13 ハンマ
14 回転軸
15 駆動手段
16 クラッチ
17 ボルト孔
18 歪ゲージ
19 ロード・セル
20 受けアーム位置決め金具
21 レーザー距離計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shock torsion testing machine metallic materials, in particular, to a technique effective in assessing the impact torsion of the steel material for the drive shaft of an automobile or the like.
[0002]
[Prior art]
It is necessary to grasp in advance various characteristics (strength, twist, elongation, etc.) of the metal material according to its use. For this reason, various test methods such as a tensile test, a compression test, a torsion test, and an impact test have been defined, and many testing machines have been developed and put into practical use.
[0003]
By the way, all vehicles, such as a motor vehicle, are provided with the drive shaft which consists of steel materials in order to rotate and drive the wheel. Therefore, the superiority or inferiority of the drive shaft is an important point in the performance evaluation of these vehicles. This is because it is one of the most important parts for the vehicle. Conventionally, the steel material used for manufacturing the drive shaft is measured only with a material whose measuring value has passed the standard by using an existing material testing machine. In recent years, from the viewpoint of reducing fuel consumption of automobiles and the like, it has been directed to hollow the drive shaft.
[0004]
However, when an automobile or the like starts suddenly, a large impact torsion is applied to the drive shaft, but even though current material testing machines measure torsion and impact individually, the impact and torsion act simultaneously. There is nothing to evaluate when to do it. In general, the material test may occur when the test piece is considerably smaller than the actual product and the actual property estimated from the measurement result does not match the actual property.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In view of such circumstances, not only can evaluate resistance to impact and twisting simultaneously acts on the metal material, that is tested in real scale to provide a test machine Ri torsional shocks allow metallic materials It is aimed.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the inventor conducted intensive studies with reference to various conventional testing machines, and realized the results in the present invention.
[0008]
That is, the present invention is connected to a fixed block having a splined coupling into which one end of a test piece is fitted, and to the fixed block so as to be spaced apart and connected to a coupling with a spline into which the other end of the test piece is fitted. A rotatable coupling, a torsion imparting shaft connected to the rotatable coupling, two bearings that are spaced apart from each other to support the torsion imparting shaft, and the torsion imparting shaft between these bearings. A metal material impact torsion tester comprising: a receiving arm having a flat surface whose receiving surface is separated from an axis; and an impact applying means for applying an impact to the flat surface. In this case, the impact applying means is formed by a pusher rod whose tip pushes the flat surface of the receiving arm and a hydraulic cylinder that applies an instantaneous impact to the rear end of the pusher rod, or the impact applying means The means includes a pendulum type hammer, a rotating shaft that supports the rear end of the hammer, a driving means that rotates the rotating shaft and lifts the tip of the hammer, and a clutch that disconnects the driving means and the rotating shaft. It is preferable to form by. The testing machine is preferably applied to steel materials.
[0009]
According to the present invention, the impact torsion of a metal material can be measured with a full-size test piece corresponding to the application. As a result, the present invention can be expected to greatly contribute to the development of hollow drive shafts for vehicles and the like.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0011]
First, the inventor studied means for twisting the test piece, decided to fix one end of the test piece and rotate the other end. And the structure of the holding part of a test piece as shown in FIG. 2 was considered.
[0012]
It is provided with a
[0013]
On the other hand, the other end of the sample needs to be rotatably supported. In order to fit the other end of the test piece 4, the inventor then provides another
[0014]
In the present invention, since the portion held by the test piece 4 has such a configuration, when the
[0015]
According to the object of the invention, the torsion needs to be shocking. For this reason, the inventor has studied to rotate the
[0016]
As shown in FIG. 3, a rod body (hereinafter referred to as a pusher rod 8) that pushes a part of the
[0017]
The inventor has completed the above-described means and completed the impact torsion tester according to the present invention shown in a plan view in FIG.
[0018]
Furthermore, in the present invention, another form of impact applying means has been considered. It focuses on the so-called Charpy tester used to measure the impact fracture resistance of metal materials. That is, as shown in FIG. 4, the impact is applied by a
[0019]
In addition, the metal material which is a test object of this invention does not necessarily need to be restricted to a steel material. This is because aluminum, copper, and other various alloy materials can be tested in the same manner as in the case of steel materials. Further, in the present invention, the position of the fixed
[0020]
Next, a method of actually measuring the impact torsion property of a test piece using such an impact torsion tester will be described.
[0021]
First, the test piece 4 is set in a test machine, and as shown in FIGS. 2 and 4, a
[0022]
【Example】
A test with a length of 150 mm from a steel pipe (outside diameter 35 mmφ ×
[0023]
When the obtained data such as strain and torque (see FIG. 6) were arranged, the curve shown in FIG. 7 was obtained. From FIG. 7, it is clear that the area surrounded by these curves and the horizontal axis, that is, the absorbed energy when an impact torsion is applied to the test piece is easily obtained. In addition, when the outer diameter is the same, it has been said that the torsion is more affected by the surface layer than the center of the steel material. Therefore, the results of FIG. 7 show that the impact torsion tester according to the present invention is appropriate. It proves that
[0024]
Thus, according to the present invention, it is possible to easily evaluate the impact torsion of a metal material, which has been impossible until now.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible not only to evaluate the resistance against impact and torsion acting simultaneously on the metal material, but also to perform an impact torsion test on a real scale. As a result, the present invention can be expected to greatly contribute to the development of hollow drive shafts for vehicles and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing the entirety of an impact torsion tester for a metal material according to the present invention.
FIG. 2 is a view taken in the direction of arrows AA in FIG.
FIG. 3 is a view taken along arrow BB in FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an impact applying means using a pendulum type hammer.
FIG. 5 is a view taken along the line CC in FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram showing an example of data obtained by the implementation of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship for evaluating the absorbed energy of a test piece obtained by carrying out the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
9
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