JP4530068B2 - 長尺材の曲げ剛性評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、長尺材の曲げ剛性評価方法及び長尺材の曲げ剛性評価用治具に関するものである。特に、電線などにおける大きな変形に対する剛性の評価方法及び評価用治具に関するものである。

電線の剛性評価試験方法として、たわみ試験が利用されている（例えば非特許文献1）。これは、図３に示すように、特定長の試験材400の両端または片端を固定し、重りを試験材の中心または固定していない自由端に吊り下げ、重りを吊り下げる前後における試験材400のたわみ量の変化から曲げ剛性を算出する方法である。例えば、曲げ剛性EIは最大たわみv、荷重W、試験材長ｌから、EI＝Wl³/48vで求められる。

また、光ファイバに関しては、大きく曲げられた場合の曲げ剛性の評価方法が利用されている（例えば非特許文献２）。これは、図４(A)に示すように、平行に配された２つの水平面500の間にU型に屈曲した試験材510を挟みこみ、この試験材510の円弧の曲げ径Dと水平面に作用する反発力Wとの関係から、各曲げ径Dでの剛性EI(D)をEI(D)＝0.3483WD²という解析解を用いて求める。

機械工学便覧 A4編 p27-32 1987年 古河電工時報107号 p31-34「所内用細径光ファイバコードの開発」 平成13年１月

しかし、上記の従来技術では、次のような問題があった。

(1)非特許文献１の方法では、大きく曲げられた際の曲げ剛性を評価できない。
電線や光ファイバといった試験材をわずかに曲げた場合、曲げる際に与えた力に比例して試験材の変形が大きくなり、力を解放すると元の直線状に復帰する。この場合、どの曲げ径で測定しても曲げ剛性EIは同じである。しかし、細径の電線や光ファイバは、極度に曲げられて使用されることが多く、この場合は永久変形を生じ、曲げ径に応じて曲げ剛性が変化する。そのため、各曲げ径に対して各々剛性を評価する必要がある。しかし、試験材に対して微小なたわみしか付与できない非特許文献１の試験方法では試験材に大きな曲げを加えた場合の曲げ剛性を評価することができない。

(2)非特許文献２の方法では、精度よく曲げ剛性を評価できないことがある。
非特許文献２の方法では、水平面で試験材をU型に屈曲させる際、屈曲した試験材を水平面に垂直に保持する必要がある。試験材の設置時に、その配置が適切に行われていないと、図４(B)に示すように試験材510が倒れ、水平面500と試験材510が垂直にならないことがある（破線が倒れた試験材）。特に、試験材自体に癖があると、試験材が水平面の間でずれ、やはり水平面と試験材を垂直に保持することが難しい。試験材が倒れた状態では、水平面の間隔から求めた試験材の曲げ径よりも実際の曲げ径が大きくなり、曲げ剛性EIが小さく評価されてしまう。また、この状態では試験材の曲げ方向が水平面に対して垂直方向になっていないため、この曲げ方向のずれにより反発力はそのうちの垂直方向成分しか測定されず、一層曲げ剛性EIが小さく評価されて、評価精度が低下することになる。

従って、本発明の主目的は、簡易な手段で、大きな曲げ時の曲げ剛性を正確に評価できる曲げ剛性の評価方法を提供することにある。

本発明は、長尺の試験材でループを形成することにより曲げを付与し、このループに作用する物理量に基づいて曲げ剛性を評価することで上記の目的を達成する。

本発明長尺材の曲げ剛性評価方法は、回転軸で回転自在に保持された第一挿通部材に長尺材の一端側を固定し、長尺材の中間部にループを形成して、前記回転軸と共通の回転軸を有すると共に第一挿通部材とは独立して回転する第二挿通部材に長尺材の他端側を固定する。また、長尺材がループから元の形状に復帰しようとする力により第一挿通部材と第二挿通部材とが互いに逆方向に回転される際に生じるトルクを測定する。そして、前記ループの径とトルクとを用い、そのループ径における長尺材の曲げ剛性を求めることを特徴とする。

長尺材をループ状に形成すると、元の形状、例えば直線状に復帰しようとする。この復帰しようとする力を利用して、共通する回転軸を有して独立に回転する第一挿通部材と第二挿通部材を互いに反対方向に回転させる。その回転時、両挿通部材間に生じるトルクとループ径を測定することで、その曲げ径における長尺材の曲げ剛性を求めることができる。例えば、互いに逆方向に回転された両挿通部材を平行にする際の保持力をW、一方の挿通部材に生じるトルクをM、回転軸から一方の挿通部材端までの距離をHとすると、トルクM＝H・W/2となり、曲げ剛性EIは、EI＝M・D/2で求められる。

この構成において、ループの形成は、例えば長尺材の一端を固定しておき、中間部を円形状に曲げて長尺材同士の交差箇所を形成し、長尺材の他端を、固定した一端側とは反対側に導くようにすればよい。長尺材の一端側の固定は、第一円筒部材から露出した長尺材を第一挿通部材の内径よりも大きなクランプで挟み込むなどの手段により行えばよい。

トルクの計測には、共通する回転軸で独立して回転自在に支持された計測治具を用いる。例えば、第一挿通部材と、第二挿通部材と、両挿通部材を回転自在に支持する回転軸とからなる計測治具を用いる。各挿通部材は、長尺材が挿通される第一・第二円筒部を有する。両円筒部は、長手方向にずれた状態で並列した構造が好適である。この治具を用いるには、第一円筒部に長尺材の一端を挿通して固定する。ループは第一円筒部から引き出された長尺材が第二円筒部に挿通されるまでの間に形成する。続いて、第二円筒部に長尺材を挿通し、その他端側を第二円筒部より引き出す。そして、各円筒部から露出した長尺材の各端部を固定する。この固定は、挿通部材から露出した長尺材を挿通部材の内径よりも大きなクランプで挟み込むなどの手段により行えばよい。トルクの計測時、長尺材の少なくとも一端側は、容易に固定・解除が可能なようにしておくことで、順次長尺材の曲げ径を変えた計測を行うことができる。固定・解除が容易にできる固定手段としては、長尺材の端部を塑性変形して折り曲げて挿通部材の開口に掛けたり、長尺材にピンを貫通させてピンを挿通部材の開口に当て止めること等が挙げられる。

本発明長尺材の曲げ剛性評価装用治具は、長尺材にループを形成し、このループに作用する物理量に基づいて、そのループ径における長尺材の曲げ剛性を評価するために用いる曲げ剛性評価用治具であって、第一挿通部材と、第二挿通部材と、両挿通部材を独立して回転可能に支持する共通の回転軸と、第一挿通部材と第二挿通部材とが回転される際の荷重を測定する荷重計測手段とを有する。第一挿通部材は、長尺材の一端側が挿通された状態で固定される第一円筒部を有する。第二挿通部材は、第一円筒部とは長手方向にずれた状態で並列されると共に、第一円筒部を通ってループを形成した長尺材の他端側が挿通された状態で固定される第二円筒部を有する。そして、荷重計測手段は、長尺材がループから元の形状に復帰しようとする力により第一挿通部材と第二挿通部材とを互いに逆方向に回転させる際の荷重を計測する。

第一円筒部と第二円筒部とを長手方向にずれた状態で並列することで、小径のループを容易に形成できる。また、このような配列の第一円筒部と第二円筒部との間にループを形成することで、ループ形状を保持することが可能である。荷重計測手段には、両挿通部材を重なり合う位置となるように保持する平行板と、平行板に設けられたロードセルなどが利用できる。そして、互いに逆方向に回転しようとする両挿通部材を平行に保持した状態で、平行板に作用する荷重をロードセルなどで計測すれば良い。

上記本発明方法により曲げ剛性を測定する評価対象試料には、電線や光ファイバがあげられる。電線の具体例としては、ワイヤハーネス用電線、配電線などが挙げられる。特に、導体径が2mm以下の比較的径の小さい電線での曲げ剛性の評価に好適である。

本発明曲げ剛性評価方法によれば、ループ状に形成した長尺材が元の形状に復帰しようとする際の力を第一挿通部材と第二挿通部材が回転するトルクとして取り出し、このトルクを測定することで、簡易な構成にて、精度よく長尺材の曲げ剛性を評価することができる。

また、本発明曲げ剛性の評価用治具によれば、上記本発明方法を容易に実施することができる。特に、第一円筒部と第二円筒部とを長手方向にずれた状態で並列することで、小径のループを形成でき、大きく曲げられた際の曲げ剛性を正確に計測することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

ループ状に形成した長尺材が復帰しようとする際の力をトルクとして取り出し、そのトルクに基づいて曲げ剛性を評価する本発明長尺材の曲げ剛性評価方法を説明する。

この評価方法に用いる計測治具（曲げ剛性評価用治具）を図１に示す。図１に示すように、本発明評価方法に用いる計測治具200は、第一挿通部材210と、第一挿通部材210とは独立して回転する第二挿通部材220とからなる。説明の便宜上、図１では、第一挿通部材210と第二挿通部材220の回転位置をずらして表示している。

第一挿通部材210は、円筒部211と、半円筒部212とが直列に一体化された部材で、円筒部211を貫通する回転軸230により回転自在に支持されている。第二挿通部材220は、一端側から順に、半円筒部221、円筒部222、半円筒部223、円筒部224が直列に一体化された部材である。この第二挿通部材220は、第一挿通部材210よりも短く、半円筒部221を貫通すると共に第一挿通部材210と共通の回転軸230により回転自在に支持されている。これら第一・第二挿通部材210,220は第一挿通部材の円筒部211と半円筒部212との境界が、第二挿通部材の半円筒部221と円筒部222との境界と直線上に位置するように並列され、互いに独立して回転される。

この計測治具200を用いて長尺材の曲げ剛性を評価するには、図２に示すように、計測治具200に長尺材を挿通してループを形成する。図２中において、長尺材300は太い破線で示している。まず、長尺材300の端部を第一挿通部材の円筒部211に挿通し、半円筒部212の上部で上方に屈曲する。この長尺材300の端部を今度は下方に屈曲してループを形成し、さらに第二挿通部材220の２つの円筒部222,224に挿通し、この円筒部224から引き出す。ループは極力円形に近づくように調整する。この状態において、長尺材300の一端側が第一挿通部材の円筒部211から引き出され、他端側が第二挿通部材の円筒部224から引き出された状態となる。

ここで、第一挿通部材の円筒部211から露出する長尺材300を第一挿通部材210に固定する。例えば、長尺材300を円筒部211の内径より大きなクランプで挟むことで固定する。長尺材300が電線などのように被覆材を有するものであれば、この被覆にピンを貫通させ、そのピンを円筒部211の開口に掛けることで長尺材300の固定を行ってもよい。同様の手段により、第二挿通部材の円筒部224から露出する長尺材300も第二挿通部材220に固定する。

この固定が行われた状態において、長尺材300の一端側は、直線状に復帰しようとする力により第一挿通部材における円筒部211上端の内面を押圧して第一挿通部材210を図２の左回りに回転させる。また、長尺材300の他端側は、直線状に復帰しようとする力により第二挿通部材の円筒部224下端の内面を押圧して第二挿通部材220を図２の右回りに回転させる。図２では、第一・第二挿通部材210,220が互いに逆方向に回転し始めようとする状態を模式的に示しており、この回転は、第一挿通部材210の下端が垂直線よりも右側に、第二挿通部材220の下端が垂直線よりも左側にずれた位置で止められる。

両挿通部材210,220に作用するトルクを測定するには、互いに逆方向に回転して回転位置がずれた両挿通部材210,220を重なり合う位置となるように保持する。例えば、両挿通部材210,220の下端部を適宜な平行板などで挟みつけて保持する。その際、この両挿通部材210,220が重なり合う位置となるように保持するための荷重を測定する。荷重測定は、例えば平行板の一方にロードセル（図示せず）を設けておけばよい。この荷重が得られれば、トルクを求めることができる。すなわち、互いに逆方向に回転された両挿通部材を平行にする際の保持力をW、両挿通部材210,220の間に生じるトルクをM、回転軸から一方の挿通部材端までの距離をHとすると、トルクM＝H・W/2となり、曲げ剛性EIは、EI＝M・D/2で求められる。

本発明長尺材の曲げ剛性評価方法は、電線や光ファイバなど、比較的細い径の長尺材に対して適用されることが期待できる。

本発明評価方法に用いる計測治具を示し、（A）はその側面図、（B）はその平面図である。 本発明評価方法に用いる計測治具の使用状態を示し、（A）はその側面図、（B）はその平面図である。 従来の曲げ剛性評価方法の説明図である。 従来の曲げ剛性評価方法の説明図である。

符号の説明

200 計測治具 210 第一挿通部材 211 円筒部 212 半円筒部
220 第二挿通部材 221 半円筒部 222 円筒部
223 半円筒部 224 円筒部 230 回転軸
300 長尺材
400 試験材
500 水平面 510 試験材

Claims (3)

1. 回転軸で回転自在に保持された第一挿通部材に長尺材の一端側を固定し、長尺材の中間部にループを形成して、前記回転軸と共通の回転軸を有すると共に第一挿通部材とは独立して回転する第二挿通部材に長尺材の他端側を固定し、
   長尺材がループから元の形状に復帰しようとする力により第一挿通部材と第二挿通部材とが互いに逆方向に回転される際に生じるトルクを測定し、
   前記ループの径とトルクとを用い、そのループ径における長尺材の曲げ剛性を求めることを特徴とする長尺材の曲げ剛性評価方法。
2. 第一挿通部材は、長尺材の一端側が挿通して固定される第一円筒部を有し、
   第二挿通部材は、第一円筒部とは長手方向にずれた状態に並列される第二円筒部を有し、
   第一円筒部から引き出された長尺材が第二円筒部に挿通されるまでの間にループが形成され、
   第二円筒部に長尺材の他端側が挿通して固定されることを特徴とする請求項１に記載の長尺材の曲げ剛性評価方法。
3. 長尺材にループを形成し、このループに作用する物理量に基づいて、そのループ径における長尺材の曲げ剛性を評価するために用いる曲げ剛性評価用治具であって、
   第一挿通部材と、
   第二挿通部材と、
   両挿通部材を独立して回転可能に支持する共通の回転軸と、
   第一挿通部材と第二挿通部材とが回転される際の荷重を測定する荷重計測手段とを有し、
   第一挿通部材は、長尺材の一端側が挿通された状態で固定される第一円筒部を有し、
   第二挿通部材は、第一円筒部とは長手方向にずれた状態で並列されると共に、第一円筒部を通ってループを形成した長尺材の他端側が挿通された状態で固定される第二円筒部を有し、
   荷重計測手段は、長尺材がループから元の形状に復帰しようとする力により第一挿通部材と第二挿通部材とを互いに逆方向に回転させる際の荷重を計測することを特徴とする長尺材の曲げ剛性評価用治具。

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