JP4090398B2 - トーションばね試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トーションばね（捻りばね、以下単に「ばね」という。）の回転トルクを測定するためのばね試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トーションばねを必要とする顧客（発注者）は、指定捻れ角時のモーメントをばね製造者（受注者）に指定する。これを受け、ばね設計者は、発注者が指定した指定捻れ角度において所定のトルクを発生するように設計する。
【０００３】
受注者及び発注者は、それぞれが各自のトーションばね試験機を用いて、完成したトーションばねの回転トルクを測定し、指定捻れ角において所定のトルク値が得られているかどうかをテストする。このため、測定器の精度は重要である。
【０００４】
ＪＩＳ規格で１級のトーションばね試験機を作るためには、測定誤差１％以内の精度が要求される。そのためには、少なくとも有効数字４桁の精度で測定しなければならない。
【０００５】
このため、従来のトーションばね試験機は、指定捻れ角で停止させ、この時の静止状態でトルクを測定していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
トーションばねは、端末形状や摩擦などによってトルクにヒステリシスが内在している。このため、受注者がＪＩＳ１級のトーションばね試験機で評価して、検査に合格したばねを納品しても、発注者が実際に使用すると、指定捻れ角度で所望のトルクを得ることができないという問題があった。また、受発注者間で測定方法が異なると、双方の間で測定結果が大きく異なるという問題があった。
【０００７】
検査時のトルク値と実際の使用時のトルク値とが異なるのは、測定器の精度に起因するものではなく、ばね自身にヒステリシス（ばね自身の摩擦及び測定器の摩擦に起因して起こる捻り方向と戻し方向で発生するトルク差）が内在しているためである。
【０００８】
摩擦には静止摩擦と動摩擦とがある。静止摩擦は、最大静止摩擦以下の範囲で、動摩擦状態から静止状態に移行する際の減速の程度や静止時の停止精度によってその値が変化する。このため、測定器のトルク測定の精度を高めようと、ばねを静止状態にすると静止摩擦状態のばらつきが発生し、却って再現性のない測定となっていたのである。
【０００９】
ところで、従来のトーションばね試験機は、ヒステリシスの大小をトーションばねの特性として評価することができなかった。このため、表示されたトルク値が得られる唯一のトルク情報であり、ヒステリシスの大きさはばね特性を示す基本データに含められていなかった。
【００１０】
このため、受発注者間で測定値が食い違うと、測定器の再現性（又は精度）が低いためなのか、或は、ばね自身のヒステリシスが原因で再現性が低いためなのか、いずれが原因なのかを判断することができなかった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、従来よりも再現性の高いトーションばね試験機を提供することを第１の目的とし、トーションばね自身のヒステリシスを評価できるトーションばね試験機を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るトーションばね試験機は、トーションばねのトルクを測定する際の摩擦状態のばらつきによる再現性の悪さを低減するために以下のような構成を備えている。
【００１３】
本発明に係るトーションばね試験機は、トーションばねを回転させるための回転テーブル１と、前記回転テーブルの中心に設けられ前記トーションばねの円筒部分に嵌め込んでトーションばねを設置するための案内棒２と、前記回転テーブルの回転面に設けられ前記トーションばねの一端を固定するための捻りピン３と、前記回転テーブルの外側に設けられ前記トーションばねの他端を固定するためとともに前記トーションばねのトルクを測定するトルク測定手段が接続されたトルク測定ピン４と、前記トーションばねの捻り角を測定する計測器５とを備え、予め設定された指定捻り角α_１において前記回転テーブルを静止させることなく前記ばねを捻りながらトルクＴ_１を測定するトルク測定手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
このような構成を備えていると、発注者が実際に使用する状態に近い状態で測定できるため、トルク測定の精度が高められる。また、回転しながら測定するためトーションばねは動摩擦状態で測定されるので、測定の再現性が高められる。すなわち「静止させることなく」とは、静止摩擦状態に移行せず動摩擦状態で測定することを意味する。
【００１５】
なお、この回転テーブルはモーター等の回転手段により回転することでトーションばねの捻り角を変更することができる。また、指定捻り角α_１を近傍でのテーブルの回転速度はできるだけ一定速度であることが好ましい。また、指定捻り角α_１における回転スピードは受発注者間の協定により予め統一しておくことが好ましい。
【００１６】
上記ばね試験機は、指定捻り角α_１を通過するときのトルク測定を往路（捻り方向）と復路（戻し方向）のそれぞれにおいてトルクＴ_Ｐ及びＴ_Ｑを測定し、両者を算術平均したトルク値を指定捻り角α_１における平均トルク値Ｔａｖとして出力する手段をさらに備えていてもよい。
【００１７】
上記ばね試験機は、指定捻り角α_１を通過するときの往復のトルク差ΔＴ＝｜Ｔ_Ｐ−Ｔ_Ｑ｜を、前記平均トルク値Ｔ_ａｖで除した値Ｒ_ＴＨ＝ΔＴ÷Ｔ_ａｖを計算する計算手段及び出力手段をさらに備えていてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（トーションばね試験機の基本構成）
図１（ａ）は、トーションばね試験機の一例を示した全体図である。また、図１（ｂ）は、トーションばね試験機のトルク測定機構部を拡大した図である。トルク測定機構部の基本的構成は、トーションばねＳ（以下、単に「ばねＳ」という。）を回転させるための回転テーブル１と、回転テーブル１の中心に設けられ、ばねＳの円筒部分に嵌め込んで設置するための案内棒２と、回転テーブル１の回転面に設けられトーションばねＳの一端を固定するための捻りピン３と、前記回転テーブルの外側に設けられ前記トーションばねの他端を固定するためとともにばねＳのトルクを測定するロードセル６（トルク測定手段の一例）が接続されたトルク測定ピン４と、ばねＳの捻り角を測定する計測器５とを備えている。さらに装置全体としては、測定したトルク値を表示するための表示器７、測定条件などの設定値を入力するための入力パネル８、測定結果などを印刷するプリンター９を備えている。
【００１９】
回転テーブルを駆動させるための駆動手段（例えばモーターなど）、回転数を調整するための減速機（回転数調整手段）を備えていてもよい。計測器５は、モーターなどの回転テーブルの駆動系に接続して回転角度が測定できるロータリーエンコーダなどを用いることができるがその他の方式であってもよい。
【００２０】
さらに、測定データを解析したり試験条件を登録するためのコンピュータプログラムやメモリー（例えばＲＯＭ：リードオンリーメモリーなど）及び、それらのプログラムを実行させるためのコンピュータなどが含まれていてもよい。これらを含んでいると、駆動系の制御の精度が向上したり、複雑な統計処理を自動的に行うことができる利点がある。但し、摩擦による測定値の再現性を抑えるという本発明の課題に鑑みれば、コンピュータ制御ではない原始的な手動のトーションばね試験機も、後述する測定機構を備えているものは、本発明に含まれる。
【００２１】
図２（ａ）は、本発明のトーションばね試験機全体のブロックダイヤグラムを示したものである。また、図２（ｂ）は、このうち、回転駆動系１０のブロックダイヤグラムを例示したものである。モーター１０Ａと、減速機１０Ｂと、回転テーブル１０Ｃ（＝１）を含む回転駆動系１０をトーションばねＳに適用し、指定捻り角α_１におけるトルクを測定する。
【００２２】
（測定機構）
本発明のトーションばね試験機は、回転テーブル１を回転させることにより予め設定された指定捻り角α_１においてトーションばねを静止させることなくばねを捻りながらトルクＴ_１を測定するトルク測定手段を備えている。これは、図２（ａ）ブロックダイヤグラムの例では、モーター制御を行うためのプログラムなどにより実現される。
【００２３】
従来は、指定捻り角α_１で回転テーブルを停止させて測定していたが、このように、指定捻り角α_１に達しても回転テーブルを停止させることなく回転を続ける。そして、指定捻り角α_１におけるトルク値Ｔ_１を読みとる。回転テーブルを停止させ、静止状態とすると、ばね自体に存在する摩擦、或は、案内棒とばねとの摩擦が測定の再現性を低下させる。これは、動摩擦状態から静止摩擦状態に移行するとき、減速の程度や停止精度によって測定のばらつきが発生するためである。
【００２４】
図３（ａ）及び（ｂ）は、捻り角を横軸に、トーションばねの発生トルクを縦軸に表わしたグラフを示す図である。なお、通常のトーションばね試験機ではこのようにグラフを描画することはなく、測定するとトルク値が表示されるのみであるが、今回は実験のために特別にグラフ化したものである。（ａ）は密巻きのトーションばね、（ｂ）は粗巻きのトーションばねについて測定した結果である。
【００２５】
ここで、図５を参照してトーションばねの角度の表示の仕方について定義しておく。トーションばねを捻ったときの角度は、ばね両端の直線部分のなす角（これを「外周角θ」とよぶ。）で表わす場合と、トルクを得る部分と円筒中心部とのなす角（これを「中心角φ」とよぶ。）で表わす場合など、種々の表示方法がある（図５（ａ）参照）。
【００２６】
しかし、捻り角αは、外周角θの差と定義できるので、本発明において捻り角αとは、α＝θ_０−θ_１（但し、θ_０は自然状態の外周角、θ_１は捻りトルクを加えた状態における外周角を表わす（図５（ｂ）参照）。
【００２７】
図３（ａ）の結果から明らかなように、往路と復路でトルク値が大きく異なっている。例えば、指定捻り角α_１＝４０°のときのトルクを測定しようとした場合でも、往路と復路でトルク値に大きな差がみられる。この差がヒステリシスというものである。ヒステリシスは、ばねの形状等により大きく依存するが、一般に指定捻り角α_１が大きいほど大きい。一方、図３（ｂ）は、ほとんどヒステリシスが存在しない。これは、ばね自身の摩擦が小さいばねである。このばねは、ほぼ９９％の再現性がある優れたばねであるといえる。
【００２８】
同じ指定捻り角α_１でも往復でトルク値が異なるので、往路又は復路のみを測定してもよいが、より精度を高めるために往路と復路との２値を算術平均したものを平均トルクＴ_ａｖとして出力するようにしてもよい。算術平均の方法は、最も簡単な方法は相加平均を取ることであるが、データ解析によって最適な計算式を求めることもできる。
【００２９】
−比較例−
図４は、従来のトーションばね試験機を用いて測定した捻り角とトルクの関係を示す図である。この例では、指定捻り角α_１＝４０°におけるトルクＴを正確に求めることが目的である。トーションばね試験機の回転台をゆっくりと回転させ、捻り角α_１が４０°となった時点で回転を停止し、その時表示されたトルク値を読みとる。
【００３０】
しかし、図中の点ＡにおけるトルクＴ_１を読みとることが理想的であるが、捻り角を増大していき、やがて停止したときは、トルク値が一定の範囲内で低下する。このとき低下するトルク値の大きさは、例えば回転台の停止速度や停止位置の精度など、わずかな条件の違いに起因して毎回変動する。このため、点Ａの位置から、ある時はグラフ上の点Ｂの位置までトルクが低下し、ある時は点Ｃの位置までトルクが低下する。逆に、捻り角を減少していき、やがて停止したときは、トルク値が一定の範囲内で増大する（不図示）。
【００３１】
（ばねの再現性を数値化する手段について）
ヒステリシスが大きいトーションばねは、ヒステリシスが小さいトーションばねよりも、指定捻り角α_１におけるトルク値が、測定のたび毎にある一定の幅を持って変動するため、トルク値の再現性が悪い。
【００３２】
従来のトーションばね試験機は、ヒステリシスの大小をトーションばねの特性として評価することができなかったため、表示されたトルク値を読みとるしかなく、ヒステリシスはばね特性を示す基本データに含められていなかった。
【００３３】
上述のごとく、ヒステリシスが発生する原因は以下の２点にあると考えられる。１つは、ばねと試験機の案内棒との摩擦、他の１つは、トーションばね自身の摩擦によるものである。特に、トーションばね自身の摩擦は、トーションばねが密に巻かれているものほど大きい。その他、形状に起因する要素などもあり、実際にはかなり複雑である。
【００３４】
測定の際、トーションばねは、初めの静止状態からまず最大静止摩擦を超える力が加えられると、その後動摩擦状態で捻られていき、やがて所定の角度に達すると停止し、静止状態となる。
【００３５】
摩擦はばねの形状やばね試験機の機構に依存して変動する。例えば、ばねが密巻きであるほど、ばね自体の摩擦は大きい。また、案内棒が回転テーブルとともに回転する方式の場合は、案内棒とばねとの間の摩擦の影響は小さいが、回転テーブルが回転しても案内棒が回転せず固定される方式の場合は、案内棒とばねとの摩擦は大きい。
【００３６】
そこで、本発明では、従来にはない新規なパラメータとして、「トルクヒステリシス含有率Ｒ_ＴＨ」を定義する。Ｒ_ＴＨの計算式は以下のようにして求められる。
【００３７】
Ｒ_ＴＨ＝ΔＴ÷Ｔａｖ ×１００ ［％］
【００３８】
ここで、ΔＴとは、指定捻り角α_１における往路のトルク値Ｔ_Ｐと復路のトルク値Ｔ_Ｑの差（ΔＴ＝Ｔ_Ｐ−Ｔ_Ｑ）であり、Ｔａｖとは、往路のトルク値Ｔ_Ｐと復路のトルク値Ｔ_Ｑの算術平均値（Ｔａｖ＝ｆ（Ｔ_Ｐ、Ｔ_Ｑ）、但し、ｆは算術平均関数。）を表わす。算術平均関数とは、例えば相加平均つまり、ｆ＝０．５×（Ｔ_Ｐ＋Ｔ_Ｑ）などが考えられる。一方の値を加重平均したり、二乗平均などグラフの解析によって最適な計算式をフィッティングすることで、算術平均関数は種々の計算式が可能である。
【００３９】
（公差との相違）
なお、ばねに公差（基準に対する誤差の許容範囲）を設定し、プラスマイナス何パーセントの公差というように表現されることがあるが、上述のヒステリシス含有率は、公差とは全く別違のものである。もし、ヒステリシスを含めて公差を設定するとなると、指定捻り角α_１におけるヒステリシスの巾（ΔＴ）を含むさらに広い範囲で公差を設定しなければならないからである。このように、ヒステリシスの巾を動摩擦状態で測定した指定捻り角α_１における往復算術平均値の割合で示すことにより、従来は表現し得なかったヒステリシス含有率というものを数値で表現できるようになる。トーションばねの測定方法は、受渡当事者間の協定により統一した測定方法を採用することが好ましいが、その上で、ヒステリシス含有率を明記して受渡しすることで、再現性の悪さがばね自身のヒステリシスに起因するものであることが明確に受注者に伝えられる。
【００４０】
（その他）
測定時の回転テーブルの回転スピードは、ばねによって変えられるべきである。これらの測定条件は受渡当事者間（受注者と発注者など）の双方が同一条件で測定できるように予め協定しておくことが好ましい。実験では、往復で３０秒程度の時間で測定するように構成した。なお、測定点（指定捻れ角度）付近で一定の速度が保たれることが必要であり、測定点に至る往路或は測定点から帰る復路は高スピードで回転しても構わない。このようにすると、測定時間が短縮化される。これは当業者が任意に設計しうる事項の範囲である。
【００４１】
トルクの測定はロードセルを用いてもトルクセルを用いてもいずれでもよい。ロードセルを用いるとアームの長さを長くすることによって測定範囲が広げられるメリットもあるため、実施例としてはロードセルを用いた例を示した。なお、トルクセルを用いると回転トルクを直接測定できるメリットがあるため、分解能が許容範囲内であるならばトルクセルを用いることもできる。いずれを用いても一長一短であり、トルク測定手段であれば、これら以外の方式であってもよい。
【００４２】
測定プログラムはＲＯＭ（リードオンリーメモリー）その他の媒体に保存して提供することもできる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明に係るトーションばね試験機によると、再現性の高い高精度のトーションばね試験機を提供することができ、さらに、トーションばね自身のヒステリシス含有率を含む出力を持ったトーションばね試験機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトーションばね試験機の一例を示し、（ａ）はその全体図である。（ｂ）は、トーションばね試験機のトルク測定機構部を拡大した図である。
【図２】（ａ）は、本発明のトーションばね試験機全体のブロックダイヤグラムを示す図である。（ｂ）は、回転駆動系のブロックダイヤグラムを示す図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、捻り角を横軸に、トーションばねの発生トルクを縦軸として測定したグラフを示す図である。
【図４】従来のトーションばね試験機を用いて測定した捻り角とトルクの関係を示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、トーションばねの角度の表示の仕方について説明するための図である。
【符号の説明】
１ 回転テーブル
２ 案内棒
３ 捻りピン
４ トルク測定ピン
５ 捻り角計測器
６ ロードセル
７ 表示器
８ 入力パネル
９ プリンター
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 回転駆動系の各ブロック
Ｓ トーションばね

Claims (3)

1. トーションばねを回転させるための回転テーブル１と、前記回転テーブルの中心に設けられ前記トーションばねの円筒部分に嵌め込んでトーションばねを設置するための案内棒２と、前記回転テーブルの回転面に設けられ前記トーションばねの一端を固定するための捻りピン３と、前記回転テーブルの外側に設けられ前記トーションばねの他端を固定するためとともに前記トーションばねのトルクを測定するトルク測定手段が接続されたトルク測定ピン４と、前記トーションばねの捻り角を測定する計測器５とを備え、予め設定された指定捻り角α_１において前記回転テーブルを静止させることなく前記ばねを捻りながらトルクＴ_１を測定するトルク測定手段を備えていることを特徴とするトーションばね試験機。
2. 前記指定捻り角α_１を通過するときのトルク測定を往路と復路のそれぞれにおいてトルク値Ｔ_Ｐ及びＴ_Ｑを測定し、両者を算術平均したトルク値を指定捻り角α_１における平均トルク値Ｔ_ａｖとして出力する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のトーションばね試験機。
3. 前記指定捻り角α_１を通過するときの往復のトルク差ΔＴ＝｜Ｔ_Ｐ−Ｔ_Ｑ｜を、前記平均トルク値Ｔ_ａｖで除した値Ｒ_ＴＨ＝ΔＴ÷Ｔ_ａｖを計算する計算手段及びその出力手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載のトーションばね試験機。

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