JP4953126B2 - ねじり試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、単一軸方向の圧縮又は引っ張り荷重を負荷することで、試験片にねじりトルクのみが作用するねじり試験装置に関する。

シャフトなどのあらゆる軸の設計において、ねじり荷重に対する破断強度等を評価するために、ねじり試験が行われている。
この種の従来のねじり試験機は、試験片の両端をチャックし、試験片にねじりトルクを負荷しなければならないために、負荷機構が複雑で試験機が大型化し、高価であった。
一方、万能試験機等と呼ばれる、圧縮又は引っ張り荷重を負荷する材料試験機は、比較的安価で、多くの試験機関に普及している。
そこで、本願発明者らは、この万能試験機を用いて、ねじり試験ができないか誠意検討した結果、本発明に至った。
特開平４−１０６４５２号公報には、一軸方向可動の駆動源を有する試験機でねじり試験を行う技術を開示するが、試験片に、ねじりトルクと、圧縮又は引っ張り荷重とを複合的に負荷するのが目的であり、純粋なねじり試験を行うことが出来ないものであった。

特開平４−１０６４５２号公報

本発明は上記技術的課題に鑑みて、単一軸方向に圧縮又は引っ張り荷重を負荷するだけで、試験片にねじりトルクのみを作用させることができる、純粋なねじり試験装置の提供を目的とする。

本発明に係る、ねじり試験装置は、ネジ杆に螺合したナットプレートに連結した回転部材と、当該回転部材に対向配置した固定部材を備え、回転部材と固定部材とは、スラストベアリングを介して相互の距離を一定に保持しつつ相互に回転自在に配置してあり、回転部材と固定部材とで試験片の両端を保持し、ネジ杆を軸方向に前進又は後退移動させることで、試験片にねじり力のみを負荷するものであることを特徴とする。
これにより、万能試験機のアッパーテーブルでネジ杆を上下移動させるだけで、純粋なねじり試験ができる。

ここで、ネジ杆とナットプレートとを螺合したのは、単一軸方向の前進又は後退移動を回転部材の回転運動に変換するのが目的であり、一般的には、回転部材を円筒体を用いてナットプレートに連結し、ネジ杆の先端を円筒体に呑み込ませつつ、回転部材を連結したこの円筒体と固定部材との間に、スラストベアリングを介在させるのが設計しやすい。
ネジ杆側に固定部材を連結し、ナットプレートを前進又は後退移動させても良いが、その場合には、相対移動するネジ杆と干渉しないようにナットプレートを移動させなければならないので、万能試験機を用いる場合に設計がやや複雑になる。
ネジ杆とナットプレートとの螺合手段は、バックラッシが少ないのが特徴である、ボールねじであることが好ましい。
ボールねじは通常回転運動を直進運動に変換するのに広く用いられているが、本発明では、ネジ杆を軸方向に移動させることで、直進運動を回転運動に変換した点にも特徴がある。
ネジ杆とナットプレートは、軸方向荷重をねじり荷重のみに変換するものであれば、ネジ機構を用いたもの以外の、例えば円筒カム機構を用いても良いが、試験精度等を考慮する必要がある。

請求項３記載のねじり試験装置の発明は、回転部材と固定部材は試験片の回転を規制し、少なくとも一方は試験片の軸方向の移動を自在にしてあることを特徴とする。
本発明では、回転部材と固定部材とを、スラストベアリングを介して相互の距離を一定に保持しつつ相互に回転自在に配置したので、試験片には、軸方向の外力が加わらないが、試験片の材質によっては、ねじり変化に伴い、試験片の両端間隔が伸縮する場合がある。
そこで、請求項３記載の発明では、試験片の伸び、縮が自由になるようにした。

請求項４記載のねじり試験装置の発明は、回転部材と固定部材の少なくとも一方は、軸方向に滑動自在な転がり案内手段を有し、転がり案内手段を介して試験片を取り付けて試験片の回転を規制しつつ試験片の軸方向の移動を自在にしてあることを特徴とする。
転がり案内手段を用いて試験片の回転を規制しつつ試験片の軸方向の移動を自在にする方法としては、軸方向に滑動自在なコロ状ローラーを試験片の取付け位置を挟んで一対設けて、このコロ状ローラーを軸回転方向に移動規制しながら、コロ状ローラー同士の間にバネ付勢力等で試験片を挟む方法や、あるいは、軸方向に滑動するように設けたＬＭガイド（Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｉｏｎ Ｇｕｉｄｅ）を介して、試験片をクランプするクランプ手段を設ける方法等が考えられる。

本発明に係るねじり試験装置においては、ネジ杆に螺合したナットプレートに連結した回転部材と、当該回転部材に対向配置した固定部材とを有し、回転部材と固定部材とは、スラストベアリングを介して相互の距離を一定に保持しつつ相互に回転自在に配置してあり、回転部材と固定部材とで試験片の両端を保持したので、ネジ杆を軸方向に直進運動させるだけで、試験片の両端間に軸方向の外力を加えることなく、ねじりトルクのみ作用させた純粋なねじり試験ができる。
これにより、万能試験機のベーステーブルに本発明に係る、ねじり試験装置を取り付け、アッパーテーブルで、ネジ杆の上端に圧縮荷重又は、引っ張り荷重を負荷するだけで、ねじり試験をすることができる。

特に、ネジ杆とナットプレートとの螺合手段として、ボールねじを用いると、バックラッシ分の変位補正量が少なくて済み、摩擦力も小さいので、ネジ杆の軸方向直進移動量と回転移動量の関係、及び直進荷重とトルク荷重との関係の変換精度が高くなる。

回転部材と固定部材とは、それぞれ試験片の回転を規制するが、少なくとも一方が試験片の軸方向の移動を自在にしたものとすると、試験片のねじり変形に伴う軸方向の長さ変位を吸収でき、さらに純粋なねじり試験をすることができる。

特に試験片をローラーで挟んだりＬＭガイドを介してクランプして、軸方向にスムーズに移動自在に保持すると、試験片位置を安定させつつ更に精度良く試験が出来る。

本発明に係る、ねじり試験装置１０について、図１の構造説明図を用いて説明する。
図１は、一般的に万能試験機と呼ばれる材料試験機の荷重負荷部（アッパーテーブル）１とベーステーブル２との間にねじり試験装置１０を装着した状態を描いてある。
図１は、ねじり試験装置１０の縦方向断面を模式的に描いてあり、分かりやすくするためにネジ杆１１、ネジ杆テーブル１１ａ、ナット部１２ａ、試験片２０等は外観を描いてある。
万能試験機は、荷重負荷部１とベーステーブル２の間で被測定物に圧縮荷重又は引っ張り荷重を負荷するもので、荷重負荷部１とベーステーブル２のみを描いて他は図示省略してある。
荷重負荷部１は、アクチュエータ駆動により、上下方向に移動制御することで、圧縮又は引っ張り方向に荷重を負荷する。
ねじり試験装置１０は、それぞれ鉛直方向にネジ杆１１と、ナットプレート１２のナット部１２ａとを螺合させてある。
このネジ杆１１とナット部１２ａはボールねじ機構を用いて螺合してバックラッシを少なくし、後述する軸方向荷重のねじり荷重への変換精度を高くすると良い。
そして、ナットプレート１２は平面視略筒形の円筒体１３と同軸に連結して、円筒体１３は略同径で平面視環形のスラストベアリング１４に同軸に連結してある。
スラストベアリング１４と円筒体１３の下部は、平面視略筒形のガイド１５ｃの内側に嵌めて、スラストベアリング１４の円筒体１３に対する軸方向反対側はガイド１５ｃを立設させてある固定部材１５に連結してある。
ネジ杆１１の上端にはネジ杆テーブル１１ａが連結してあり、ネジ杆１１はこのネジ杆テーブル１１ａを介して荷重負荷部１に接触あるいは取り付けてある。
このネジ杆テーブル１１ａと荷重負荷部１とは、荷重負荷部１がベーステーブル２に対して軸方向に離間したり、あるいは接近する際に荷重負荷部１との接続状態を保持するもので、荷重負荷部１をベーステーブル２に接近させる場合には荷重を支持出来るものとし、荷重負荷部１がベーステーブル２から離間する場合にはボルト連結等で連結する。
固定部材１５の下端は同様にベーステーブル２に取り付けてあり、これにより、ねじり装置１０を荷重負荷部１とベーステーブル２の間に装着してある。
図１に示すねじり試験装置１０は、荷重負荷部１をベーステーブル２に接近させてねじり試験を行う場合の実施例を示す。
円筒体１３内には測定する試験片２０の一端を取り付けるための回転部材１６が連結してある。
回転部材１６に設けてある回転取付部１６ａは軸中心位置に試験片２０の一端を取り付け出来るようにしてある。
固定部材１５には測定する試験片２０の他端を軸中心位置で取り付ける固定取付部１５ａが設けてある。

ねじり試験装置１０は、このようにネジ杆１１とナットプレート１２からなるネジ機構を円筒体１３を介してスラストベアリング１４に同軸に連結することで、ネジ杆１１に加わる軸方向荷重をナットプレート１２に対するねじり荷重に変換し、ネジ杆１１とスラストベアリング１４との間でナットプレート１２とともに円筒体１３を回転させるようにしてある。
よって、ねじ杆テーブル１１ａと固定部材１５との間隔を軸方向に変位させることで、円筒体１３を固定部材１５に対して回転させるようにしてある。
そして、このように円筒体１３を固定部材１５に対して回転させることで、円筒体１３内に連結してある回転部材１６を固定部材１５に対して回転させる。
これにより、回転部材１６の軸中心位置に回転取付部１６ａで一端を取り付けてあり、他端を軸中心位置となるように固定部材１５の固定取付部１５ａに取り付けてある試験片２０に、ねじり荷重を加えるようにしてある。

この円筒体１３の回転を滑らかに行うために、固定部材１５のガイド１５ｃと円筒体１３との間にはラジアルベアリング１９を設けたり、あるいはグリース等の潤滑材を注入しておくと良い。
また、ナットプレート１２が回転する際の反作用で荷重負荷部１との当接面が滑って回転しないように、ねじ杆テーブル１１ａの当接面には滑り止め用のやすり１１ｂを貼り付けたり、あるいは凹凸形状等を設けておくと良い。

図２（ａ）に、このねじり試験装置１０でねじり試験をするための試験片２０の外観説明図を示す。
試験片２０は、丸棒状の評価部２１の両端につかみ部２２を設けてある。
この試験片２０のサイズはねじり試験装置１０に合わせて自由に設定すればよいが、ボールネジ機構への負担を低減したい場合には、評価部２１がより細い試験片２０を用いると良い。
例えば評価部２１の半径を２分の１にすると、破断トルクを約８分の１にして必要なねじり荷重をより小さく出来る。
図では説明しやすくするために、試験片２０をねじり試験装置１０に比較して大きく、太く描いてある。
図３に試験片取付け手順の説明図を示す。
試験片２０は、まず、ナットプレート１２を外して上方を開口させた円筒体１３内に入れて、図４に示すようにその下部のつかみ部２２を固定取付部１５ａ内に挿入して固定する。
次に回転部材１６を上方から円筒体１３内に挿入し、試験片上部のつかみ部２２に回転取付部１６ａを嵌合しつつ、これを図１に示す位置決段部１３ａに載せる。
その後ロックボルト１７で円筒体１３内に回転部材１６を固定する。
図２（ｂ）は、回転部材１６上方から見た試験片２０のねじり試験装置１０への取付け状態の説明図を示す。
つかみ部２２の断面形状は、回転取付部１６ａの断面形状に合わせた嵌め合い形状である略矩形状に形成してあり、回転部材１６との相対的な軸回転を規制して回転部材１６が回転することでねじれ荷重がつかみ部２２に加わるようにしてある。
そして、図４に示すようにこの回転部材１６側のつかみ部２２の上方および下方は開放状態で移動可能であり、例えば評価部２１がねじれによって短くなったり、また長くなった際等に下方向および上方向に所定距離移動出来るようにしてある。
固定部材１５側のつかみ部２２の断面形状は、固定取付部１５ａの断面形状に合わせた嵌め合い形状である略矩形状に形成してあり、相対的な軸回転を規制するようにしてある。
そして、固定取付部１５ａは試験片２０の下端を底面１５ｂで受けて保持するようにしてある。
このように、回転取付部１６ａと固定取付部１５ａは、試験片２０を試験時に軸方向に移動自在としながらねじれ荷重を加えることができるようにしてある。

材料試験機に、このねじり試験装置１０を装着してするねじり試験は、材料試験機のアクチュエータ駆動により荷重負荷部１を圧縮方向に軸方向駆動することで、ネジ杆テーブル１１ａと固定部材１５の間隔を接近変位させて、円筒体１３および回転部材１６を固定部材１５に対して回転させて試験片２０にねじり荷重を加えて行う。
このねじり試験は、スラストベアリング１４を挟んで相対的に回転する回転部材１６と固定部材１５に試験片２０の両端をそれぞれ取り付けて、その中心軸位置で行うために試験片２０の取付部分を軸方向に全く移動させずに行うことが出来る。
そして、回転取付部１６ａと固定取付部１５ａは、試験片２０を軸方向に移動自在としながらねじれ荷重を加えることが出来る。
ここで荷重負荷部１の圧縮荷重は、ねじり試験装置を介して材料試験機の底部に伝わり逃げるので、試験片２０には圧縮や引張方向の軸方向荷重を全く加えない純粋なねじり試験をすることができる。
ねじり試験の内容としては、例えば円筒体１３に図３に示すような覗き窓１８を設けて試験片２０の状態を目視観察出来るようにしたり、試験片２０のねじり荷重に対する機械的強度を、例えば試験片２０に直接ストレンゲージ等の測定素子等を取り付けたり、試験片２０の一端をロードセル等を介して回転部材１６や固定部材１５に取り付けたり、あるいはねじり試験装置１０を装着した試験機が被測定物の機械的強度を測定するために有している測定手段の測定値からねじりモーメントや、ねじれ角を例えばコンピューター処理等で算出する方法等が考えられる。

図５はねじり試験装置の別の実施例を示す。
図５（ａ）は測定のために取り付けた試験片２０を周方向に囲む平面視略筒形のケース部１５ｄを固定部材１５に設けて、ケース部１５ｄ上でスラストベアリング１４を介して円筒体１３を回転させる場合を示す。
図５（ｂ）は、引張荷重を試験装置に加える場合のねじり試験装置の実施例を示し、引張荷重を受けるために円筒体１３につば１３ｂを設けて、このつば１３ｂをスラストベアリング１４ａで受けてある。
ねじり試験装置は、軸方向荷重をネジ機構でねじり荷重に変換して、試験片の両端をスラストベアリングの回転両側に軸中心位置となるように取り付けて、スラストベアリングの回転に伴って試験片をねじるものであればよいため、その形態はこのように実施例で示すものに限定されない。

また、試験片にねじり荷重を加えながら、試験片を軸方向に移動自在にする構造も嵌め合いによるものに限定されない。
図６は回転部材の他の実施例を示し、回転部材３０ａの回転取付部３１ａ部分の説明図を示す。
回転部材３０ａは、コロ状ローラー３２を有するクランプブロック３３を弾性付勢して回転取付部３１ａ内に一対設けて、このコロ状ローラー３２同士の間に試験片を挟むように設けた場合で、図６（ａ）は回転取付部３１ａ部分の縦断面の説明図を示し、図６（ｂ）は回転取付部３１ａ部分の横断面の説明図を示す。
クランプブロック３３は、ブロックガイド溝３５に嵌めてコロ状ローラー３２を試験片２０に押し付け出来るようにバネ３６で弾性付勢してある。
これにより試験片２０を、コロ状ローラー３２同士の間に挟んで回転部材３０ａに対して相対的に回転規制しつつ、コロ状ローラー３２により軸方向の移動自在としている。
図７は別の回転部材３０ｂの回転取付部３１ｂ部分の説明図を示す。
回転部材３０ｂは、回転取付部３１ｂ内にＬＭガイド３７を介して試験片２０をクランプするクランプブロック３４を設けた場合で、図７（ａ）は回転取付部３１ｂ部分の縦断面の説明図を示し、図７（ｂ）は回転取付部３１ｂ部分の横断面の説明図を示す。
ＬＭガイド３７のガイドレール３７ａは回転取付部３１ｂの内壁に軸方向に向けて設けてあり、レールブロック３７ｂを軸方向に滑動自在としてある。
クランプブロック３４は、試験片２０を嵌める嵌合孔３８と、嵌合孔３８に嵌めた試験片２０を挟んで固定する挟持ボルト３９を設けてレールブロック３７ｂに連結してある。
これにより、試験片２０をクランプブロック３４の挟持ボルト３９で挟持固定して回転部材３０ｂに対して相対的に回転規制しつつ、ＬＭガイド３７により軸方向の移動自在としている。

図８に、荷重負荷部１の駆動で生じさせた軸方向荷重と、その軸方向荷重から変換したねじり荷重の試験片への伝達状態を説明するための説明図を示す。
わかりやすくするために、ねじり荷重に変換されずにねじり試験装置を介してベーステーブルに抜ける軸方向荷重は図示省略してある。
ネジ機構はネジ対偶のネジ杆とナットプレートの一方Ａを、荷重負荷部あるいはベーステーブルのいずれかに接続してある。
ネジ機構の他方Ｂは、スラストベアリングとジャーナルよりなるスラストベアリング機構の対偶のいずれか一方Ｃに、円筒体１３を介す等して回転を伝達するように連結してある。
スラストベアリング機構の対偶の他方Ｄは、ベーステーブルと荷重負荷部の内のネジ機構と接続していない方に接続してある。
試料片２０の一端を取り付ける回転部材１６はＢＣ間の円筒体１３や、あるいはＢ，Ｃに回転を伝達するように連結し、試料片２０の他端を取り付ける固定部材１５はＤとともに固定してある。
ネジ機構は軸方向荷重をねじり荷重に変換し、このねじり荷重は円筒体１３を介すなどして試料片２０の一端に伝達する。
試料片２０の他端は、スラストベアリング機構を跨った回転しない側に取り付けてあるため、試料片２０には軸方向の荷重を加えずにねじり荷重を加えることが出来る。
この軸方向荷重とねじり荷重との関係を変換するプログラムを組み込むとよい。

本発明に係るねじり試験装置の構造説明図を示す。 （ａ）試験片の外観説明図を示し、（ｂ）回転部材上方から見た試験片の取付け状態を示す 試験片取付け手順の説明図を示す。 試験片の回転取付部及び固定取付部への取付け状態の説明図を示す。 別のねじり試験装置の構造説明図を示す。 回転部材の回転取付部内にコロ状ローラーを有するクランプブロックを弾性付勢して設けた場合の説明図を示す。 回転部材の回転取付部内にＬＭガイドを介して試験片をクランプするクランプブロックを設けた場合の説明図を示す。 軸方向荷重から変換したねじり荷重の試験片への伝達状態を説明するための説明図を示す

符号の説明

１ 荷重負荷部
２ ベーステーブル
１０、１０ａ、１０ｂ ねじり試験装置
１１ ねじ杆
１１ａ ねじ杆テーブル
１１ｂ やすり
１２ ナットプレート
１２ａ ナット部
１３ 円筒体
１３ａ 位置決め段部
１３ｂ つば
１４、１４ａ スラストベアリング
１５ 固定部材
１５ａ 固定取付部
１５ｂ 底面
１５ｃ ガイド
１５ｄ ケース部
１６ 回転部材
１６ａ 回転取付部
１７ ロックボルト
１８ 覗き窓
１９ ラジアルベアリング
２０ 試験片
２１ 評価部
２２ つかみ部
３０ａ、３０ｂ 回転部材
３１ａ、３１ｂ 回転取付部
３２ コロ状ローラー
３３、３４ クランプブロック
３５ ブロックガイド溝
３６ バネ
３７ ＬＭガイド
３７ａ ガイドレール
３７ｂ レールブロック
３８ 嵌合孔
３９ 挟持ボルト

Claims (4)

1. ネジ杆に螺合したナットプレートに連結した回転部材と、当該回転部材に対向配置した固定部材を備え、
   回転部材と固定部材とは、スラストベアリングを介して相互の距離を一定に保持しつつ相互に回転自在に配置してあり、回転部材と固定部材とで試験片の両端を保持し、ネジ杆を軸方向に前進又は後退移動させることで、試験片にねじり力のみを負荷するものであることを特徴とするねじり試験装置。
2. ネジ杆とナットプレートとの螺合手段は、ボールねじであることを特徴とする請求項１記載のねじり試験装置。
3. 回転部材と固定部材は試験片の回転を規制し、少なくとも一方は試験片の軸方向の移動を自在にしてあることを特徴とする請求項１又は２記載のねじり試験装置。
4. 回転部材と固定部材の少なくとも一方は、軸方向に滑動自在な転がり案内手段を有し、転がり案内手段を介して試験片を取り付けて試験片の回転を規制しつつ試験片の軸方向の移動を自在にしてあることを特徴とする請求項３記載のねじり試験装置。

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