JP4270556B2

JP4270556B2 - 可変速三点曲げ衝撃試験装置

Info

Publication number: JP4270556B2
Application number: JP2004118443A
Authority: JP
Inventors: 武内田
Original assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Current assignee: Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2005300389A

Description

本発明は、標準万能試験機における設定速度（８.３×１０^−３ｍ／ｓ以下）といった低い設定速度での破壊試験から油圧式衝撃試験機での設定速度（１５ｍ／ｓ程度）を超える２０ｍ／ｓといった高い設定速度での衝撃破壊試験を、小型かつシンプルな構造の１台の試験機で行うことができる可変速三点曲げ衝撃試験装置に関する。

従来、高分子材料を初め多くのプラスチック系材料が、電気機器部品、医療機器、機械部品、自動車部品等として使用されている。一方、近年、自動車の衝突に対する安全基準が強化されており、国土交通省の平成１４年度自動車等安全性能評価実施要領によれば、オフセット前面衝突では６４ｋｍ／ｈｒ（１８ｍ／ｓ）の速度での自動車構成部材わけてもプラスチック製部材の耐衝撃性の確認が要求されている。衝撃破壊エネルギは速度の二乗に比例する処から、高速度域での衝撃試験が重要である。

従来、破壊試験を行う試験機として、次のような試験機が知られている。
（１）標準のねじ式万能試験機では５００ｍｍ／分（８.３×１０^−３ｍ／ｓ）以下のハンマ変位速度での破壊試験が可能である。また、サーボ機構を備えた標準の油圧式試験機で１ｍ／ｓ程度以内の変位速度において、高精度の変位・荷重制御下での破壊試験が可能であるが、衝撃試験に見合う変位速度での試験ができない。

（２）シャルピー衝撃試験機やアイゾット衝撃試験機においては、一般に、３ｍ／ｓ〜５ｍ／ｓのハンマ変位速度での衝撃試験を行うべく、ハンマ（打撃刃）の持ち上げ角度が規格化されている。ハンマの自由落下（正確には、ハンマアーム基部の回転軸回りでの自由回転）による慣性力を利用した機構である。これら衝撃試験機にあっては、ハンマ重量の変更ができるほか、ハンマ持ち上げ角度の変更によって変位速度を変えることはできるが、それらを実施するための操作性に難があるのみならず、高速衝撃試験に見合う変位速度を出せない。また、標準仕様の場合、試験片破壊後のハンマ振り上げ角度を目盛り板を読み取ることによって試験片の破壊に要したエネルギを算出しているが、読み取り精度に問題があるほか、破壊過程での荷重挙動ならびに、試験片の変形挙動を捉えることができない（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−０８８７２４公報

（３）ホプキンソン棒式衝撃試験機においては、圧縮空気などを利用して飛翔体を高速で発射することによって１０ｍ／ｓ程度の高変位速度での衝撃試験ができるが、試験装置全体が大きくなり占有面積の点で難があるほか低変位速度での試験ができない問題がある。

（４）油圧式衝撃試験機の中には、高速度衝撃試験用に特別仕様の装置があり、１５ｍ／ｓ程度までの変位速度での衝撃試験が可能であるが、高速度用であるために低変位速度での衝撃試験には不向きであるのみならず非常に高価であるという問題がある。

本発明は、１台の試験機で静的破壊試験から２０ｍ／ｓといった高変位速度での衝撃試験までを行うことができるとともに、試験片破壊過程における荷重挙動、変位挙動などの検出が可能な、小型かつシンプルな構造の可変速三点曲げ衝撃試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、所定の設定速度での回転が得られるモータと、先端に固定されている打撃刃で試験片を衝撃して衝撃試験すべく機能する回転体と、設定速度で回転している前記モータの出力軸の回転を前記回転体に伝達する少なくとも電磁クラッチを有する連結ユニットと、前記回転体の位置および速度を検出するロータリエンコーダと、前記打撃刃による試験片への衝撃荷重を検出するロードセルと、試験片の亀裂開口間隔変化量および変化速度を検出するクリップゲージとを有する可変速三点曲げ衝撃試験装置である。

請求項２に記載の発明は、連結ユニットに加えて電磁ブレーキを併設したものである請求項１に記載の可変速三点曲げ衝撃試験装置である。

請求項３に記載の発明は、所定の設定速度での回転が得られるモータと、先端に固定されている打撃刃で試験片を衝撃して衝撃試験すべく機能する回転体と、設定速度で回転している前記モータの出力軸の回転を前記回転体に伝達する電磁クラッチ及び回転体の制動を行う電磁ブレーキを有する連結ユニットと、前記回転体の位置および速度を検出するロータリエンコーダと、前記打撃刃による試験片への衝撃荷重を検出するロードセルと、試験片の亀裂開口間隔変化量および変化速度を検出するクリップゲージと、前記打撃刃の変位軌跡が試験片上面にほぼ垂直となるよう試験片が打撃刃に追随する試験片揺動機構とを有する可変速三点曲げ衝撃試験装置である。

本発明によれば、標準のねじ式万能試験機での設定速度（８.３×１０^−３ｍ／ｓ以下）から２０ｍ／ｓ程度までの変位速度での破壊試験が可能である。本発明の衝撃試験装置は、構造、機構がシンプルでありかつ小型で占有面積が小さくて済むほか安価である。

モータの回転トルクを電磁クラッチおよび電磁ブレーキを装備した連結ユニットで伝達するユニークな構造でありながら、動力伝達機構の信頼性が高い。また、三点曲げのほか打撃刃ならびに試験片装着機構の交換によって衝撃引張り試験を行うことができる。さらに、打撃刃に歪ゲージを貼付することによって計装化が可能となる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。本発明の可変速三点曲げ衝撃試験装置は、高い精度で所望の回転速度設定が可能なモータと、その先端に固定されている打撃刃で試験片を衝撃して破壊試験すべく機能する回転体と、設定速度で回転しているモータの出力軸の回転を前記回転体に伝達すべく機能する少なくとも電磁クラッチを有する連結ユニットを主たる構成要素とする。

以下、一実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。図１乃至図３に本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験装置を示す。図１は、本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験装置の斜視図、図２はその正面図、図３は側面図である。

図１乃至図３において、１はベース、２は支柱であって、回転体支持部材３を介して中央に配設されている回転体１２の軸１３を回転自在に支承する。４は連結ユニット用支柱、５は連結ユニット支持台であり、この実施例においては、電磁クラッチ及び電磁ブレーキからなる連結ユニット３１を支持・固定する。１１は打撃刃であって回転体１２の先端に固定され、試験片Ｓを衝撃すべく機能する。回転体１２は、回転体支持部材３に回転自在に支承されている軸１３に固定されている。而して、回転体１２は１回転以上の回転が可能である。１４はフランジであり、連結ユニット３１と回転体１２を連結している。１５はベアリングであって回転体支持部材に装着され、軸１３を回転自在に支承している。

２１は試験片支持部材であり、試験片Ｓ厚さ方向に延在して試験片Ｓを２点で支持する。２２は角度緩和用支持部材であって弧状上面を有し、試験片支持部材２１を前記弧状上面に倣って揺動自在に支持して試験片Ｓが衝撃刃１１の変位軌跡に追随して揺動し、衝撃荷重を試験片Ｓ上面に垂直に作用せしめるべく機能する。２３は試験片支持フレームであり、角度緩和用支持部材２２および試験片支持部材２１を介して試験片Ｓを支持する。

２４はロードセルであって、試験片支持フレーム２３を介して試験片Ｓに適用される衝撃荷重を検出すべく、ベース１上にロードセル支持板２５を介して載置される。２６はクリップゲージであり、歪ゲージが貼付されこれによって試験片Ｓに刻設されているＶノッチが打撃刃１１による衝撃荷重によってその開口間隔を変化させるときの開口間隔およびその速度を検出すべく機能する。２７はロータリエンコーダであって、回転体１２を回転させる軸１３の端部に付設され回転体１２の回転角度およびその変化速度（角速度）を検出する。

本発明においてはまた、試験片Ｓに刻設されているＶノッチ先端と試験片Ｓの上面となるべき面の間の一側面に金属ペーストをたとえばスパッタリングによって導電線を鉛直方向において所定間隔を置いて水平方向に延在するごとく複数本形成するとともに、この複数本の導電線を抵抗要素として並列抵抗回路を形成して両極間に電圧を印加し、試験片Ｓに打撃刃１１によって衝撃荷重が適用されてＶノッチ先端から亀裂が進行し導電線を順次切断していくことで総合抵抗値が変化するのを測定することによって亀裂先端の位置および亀裂進行速度を検出する。

３１は連結ユニットであり、この実施例においては、電磁クラッチおよび電磁ブレーキを併設装備している。電磁クラッチはモータ３５の回転をプーリ３４、チェーンベルト３３、およびプーリ３２を介して伝達されこれを回転体１２オン・オフすべく機能する。チェーンベルト３３はモータ３５の回転をスリップなく伝達する。

回転体１２の回転による衝撃荷重が試験片Ｓに適用されて衝撃試験が遂行され、１サイクルの衝撃試験が完了した後は回転体１２の回転を速やかに停止することが望ましい。本発明においては、連結ユニット３１を構成する電磁ブレーキが回転体１２に制動力を適用する。

モータ３５は、所望の回転速度が得られるよう速度制御がなされる。モータ３５が交流機である場合は、極数変換、一次電圧制御、一次周波数制御、二次抵抗制御、セルビウス制御方式、クレーマー制御方式等それ自体周知の速度制御手段を採ることができる。また、直流機およびその速度制御手段を採用することも勿論できる。

本発明の可変速三点曲げ衝撃試験装置は、打撃刃および試験片Ｓの装着を取り替えることによって衝撃引張り試験を行うこともできる。即ち、衝撃刃を平面でみて二股形状とし、試験片Ｓを縦断面でみてＩ形状とするとともに上端を固定し、下端に水平に延在する部材を固定し、その水平部材に二股打撃刃による衝撃荷重を適用して試験片Ｓの衝撃引張り試験を行う。

試験片Ｓに衝突する打撃刃１１の変位軌跡は、試験片Ｓの上面に垂直であることが望ましい。そのためには、回転体１２の回転半径（アーム長）を大きく（究極的には無限大）すればよいが、試験装置のコンパクト化と相容れない。そこで本発明においては、図４に示すように、試験片支持部材２１が角度緩和用支持部材２２の弧状上面に沿って転動し、試験片Ｓが打撃刃１１の変位軌跡に追随して揺動するよう構成している。この機構によって打撃刃１１が試験片Ｓに直線的に変位・衝突するよう試験片Ｓが追随する。

以下、本発明の可変速三点曲げ衝撃試験装置の動作を説明する。試験片Ｓは、図１乃至図３に示すように、試験片支持部材２１、角度緩和用支持部材２２を介して試験片支持フレーム２３に支持され、この状態で回転体１２の先端に固定されている打撃刃１１によって衝撃される。本発明は、いわゆる三点曲げ衝撃試験装置である。回転速度を高い精度で制御されるモータ３５の回転は、プーリ３４、チェーンベルト３３、およびプーリ３２を介して連結ユニット３１における電磁クラッチによって回転体１２に伝達される。

回転体１２が１回転する間に、打撃刃１１が試験片Ｓを衝撃する位置において所定の打撃刃速度となるように、回転体１２のディメンジョンに応じてモータ３５の回転速度が設定される。また、プーリ３２とプーリ３４の直径比を、たとえば打撃刃１１の低変位速度での衝撃試験の場合は１０：１、高変位速度での衝撃試験の場合は２：１に設定することで、モータ３５を適正速度域で使用することを可能ならしめるとともに負荷トルクを高めることができる。

回転体１２を回転させる軸１３の一端（図３でみて左端）にはロータリエンコーダ２７が付設されており、このロータリエンコーダ２７を所定の打撃刃１１の変位速度を得るための検出端として機能せしめるとともに打撃刃１１が試験片Ｓに衝突した後の回転体１２の回転角速度変化を検出すべく機能させる。

低速度領域での破壊試験として、標準のねじ式万能試験機におけるハンマ変位速度である１０ｍｍ／分（１.７×１０^−４ｍ／ｓ）で本発明の可変速三点曲げ衝撃試験機を用いてアクリル樹脂製試験片で破壊試験を行った。満足すべき試験結果が得られた。

高速度領域での衝突破壊試験として、標準のシャルピー衝撃試験機におけるハンマ変位速度である５ｍ／ｓならびに自動車の衝突試験速度である５０ｋｍ／ｈｒ（１３.９ｍ／ｓ）での衝撃破壊試験を行った。プラスチック材料を試験片にした高速衝撃破壊試験は良好な試験結果を得ることができた。

本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験機を示す斜視図本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験機の正面図本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験機の側面図本発明の一実施例に係る可変速三点曲げ衝撃試験機における試験片揺動機構を示す部分拡大正面図

符号の説明

１ベース
２支柱
３回転体支持部材
４連結ユニット支柱
５連結ユニット支持台
１１打撃刃
１２回転体
１３軸
１４フランジ
１５ベアリング
２１試験片支持部材
２２角度緩和支持部材
２３試験片支持フレーム
２４ロードセル
２５ロードセル支持板
２６クリップゲージ
２７ロータリエンコーダ
３１連結ユニット
３２プーリ
３３チェーンベルト
３４プーリ
３５モータ
Ｓ試験片

Claims

所望の設定速度での回転が得られるモータと、先端に固定されている打撃刃で試験片を衝撃して衝撃試験すべく機能する回転体と、設定速度で回転している前記モータの出力軸の回転を前記回転体に伝達する少なくとも電磁クラッチを有する連結ユニットと、前記回転体の位置と速度を検出するロータリエンコーダと、前記打撃刃による試験片への衝撃荷重を検出するロードセルと、試験片の亀裂開口間隔変化量および亀裂開口間隔変化速度を検出するクリップゲージとを有することを特徴とする可変速三点曲げ衝撃試験装置。
連結ユニットが、電磁クラッチに加えて電磁ブレーキを併設したものである請求項１に記載の可変速三点曲げ衝撃試験装置。
所望の設定速度での回転が得られるモータと、先端に固定されている打撃刃で試験片を衝撃して衝撃試験すべく機能する回転体と、設定速度で回転している前記モータの出力軸の回転を前記回転体に伝達する電磁クラッチ及び回転体の制動を行う電磁ブレーキを有する連結ユニットと、前記回転体の位置と速度を検出するロータリエンコーダと、前記打撃刃による試験片への衝撃荷重を検出するロードセルと、試験片の亀裂開口位置と亀裂開口変位速度を検出するクリップゲージと、前記打撃刃の変位軌跡が試験片上面にほぼ垂直となるよう試験片が打撃刃に追随する試験片揺動機構とを有することを特徴とする可変速三点曲げ衝撃試験装置。