JP5750351B2 - ねじり試験機 - Google Patents

Description

本発明は、供試体にトルク（ねじり荷重）を与えるねじり試験機に関連し、特に、常用域の繰り返し荷重を長時間に渡って供試体に与える疲労試験と、破壊域の大荷重を供試体に与える破壊試験の両方を行うことができるねじり試験機に関する。

従来、プロペラシャフト等の動力伝達部品の疲労試験（ねじり試験）では、高い周波数で変動する繰り返し荷重を発生可能な油圧式の試験装置が主として使用されてきた。しかしながら、破壊試験（ねじ切り試験）において必要となる、大トルク且つ大変位の駆動を油圧式で実現する為には、巨大な油圧システムを設ける必要があり、破壊試験では電動モータ式の試験機が主に使用されている。

また、近年、高い周波数の変動トルクを発生可能な低慣性型サーボモータが実用化され、特許文献１に記載されているようなサーボモータ式の疲労試験機が使用され始めている。

特開２００７−１０７９５５号公報

しかしながら、疲労試験と破壊試験では、必要なトルクの大きさやトルク変動の周波数が異なるため、１台の試験機で両試験を行うことができなかった。

本発明の実施形態によれば、供試体の一端を回転可能に保持する駆動部と、供試体の他端を固定する反力部とを備え、駆動部により供試体の一端を回転させることにより供試体にねじり荷重を与えるねじり試験機が提供される。駆動部は、サーボモータと、サーボモータの回転を第１の減速比で減速する第１の減速機と、第１の減速機の出力を伝達するシャフトと、入力軸にシャフトが固定されたクラッチと、クラッチの出力軸の回転を第２の減速比で減速する第２の減速機と、回転可能に支持されたチャックと、シャフト及び第２の減速機の出力軸の一方を切り換え可能にチャックに連結する連結手段と、を備え、クラッチの入力軸と出力軸とを切り離し、連結手段によりシャフトをチャックに連結したときに、第１のモードで動作し、クラッチの入力軸と出力軸とを連結し、連結手段により第２の減速機の出力軸をチャックに連結したときに、第２のモードで動作する。例えば、第１のモードは、供試体に繰り返し荷重を与える疲労試験モードであり、第２のモードは、供試体に破壊荷重を与える破壊試験モードである。

この構成によれば、高い周波数で変動する比較的に小さな大きさの繰り返し荷重を供試体に加える疲労試験と、例えば供試体の破壊荷重まで一定の角速度で供試体をねじる破壊試験とを、１つのねじり試験機で行うことが可能となる。

また、クラッチ及び第２の減速機には、シャフトが貫通する中空部が回転軸上に形成されている構成としてもよい。

この構成によれば、第１のモードで使用される駆動軸（シャフト）と第２のモードで使用される駆動軸（クラッチ及び第２の減速機）とを同軸に配置することができるため、小型の比較的に簡単な機構により２つのモードの切り替えが実現する。

また、連結手段は、チャックを回転自在に、且つ、チャックがシャフトの先端と当接する第１の位置とチャックがシャフトの先端から離れる第２の位置との間で回転軸方向へスライド自在に支持するスライド手段を備え、チャックを第１の位置に配置して、チャックをシャフトの先端に固定したときに、第１のモードで動作し、チャックを第２の位置に配置して、チャックを第２の減速機の出力軸に固定したときに、第２のモードで動作する構成としてもよい。

この構成によれば、簡単な機構により、第２のモードにおいてチャックに連結されないシャフトとチャックとの干渉を防止しつつ、２つのモードの切り替えが可能となる。

また、スライド手段は、一端がチャックに固定された軸部と、シャフトの先端部に設けられ、軸部を回転自在かつスライド自在に支持する軸受と、を備える構成としてもよい。

この構成によれば、簡単な機構により、チャックをスライド自在に支持することができる。また、シャフトにチャックを支持させる構成でありながら、第２のモードにおいて、チャックの回転がシャフトの回転により干渉を受けることが防止される。

また、チャックを第２の位置に配置するときに、チャックとシャフトの先端との距離を保持するスペーサを備え、チャックを第２の位置に配置するときに、チャックは、第２の減速機の出力軸との間でスペーサを挟み込んだ状態で、第２の減速機の出力軸に固定される構成としてもよい。

この構成によれば、簡単な仕組みにより，モードの切り替えが可能になる。

また、スペーサの少なくとも一部が第２の減速機の出力軸とチャックとの間に配置される有効位置と、スペーサが第２の減速機の出力軸とチャックとの間から退避する退避位置との間でスペーサを移動可能に支持するスペーサ支持部を備える構成としてもよい。

この構成によれば、スペーサの移動という簡単な動作のみで、モードの変更が可能になる。

また、クラッチはフレームに支持された固定部を備え、クラッチの固定部、入力軸、出力軸が、この順で回転軸方向に配列され、クラッチの固定部及び出力軸は、それぞれシャフトを回転自在に支持する軸受を備え、フレームに支持された第２の減速機のケースは、クラッチの出力軸を回転自在に支持する一対の軸受を備え、クラッチの出力軸の軸受が、第２の減速機の一対の軸受の間に配置されている構成としてもよい。

この構成によれば、クラッチ及びシャフトを高い剛性で回転自在に支持することが可能になる。

必要なトルクやトルク変動の周波数が異なる２つの試験（例えば、疲労試験と破壊試験）を１台の試験機で行うことが可能になる。

図１は、本発明の実施の形態のねじり試験装置の側面図である。 図２は、第１のモードにおける本発明の実施の形態のねじり試験装置の駆動部の側断面図である。 図３は、第２のモードにおける本発明の実施の形態のねじり試験装置の駆動部の側断面図である。 図４は、本発明の実施の形態のねじり試験装置の駆動部の正面図である。 図５は、本発明の実施の形態のねじり試験装置の反力部の背面図である。 図６は、図５の部分拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態のねじり試験装置１００の側面図である。図１に示されるように、本実施形態のねじり試験装置１００は、ベース１１０の上に駆動部１２０と反力部１３０とが設けられた構造となっている。駆動部１２０と反力部１３０には夫々チャック１２１、１３１が設けられている。チャック１２１、１３１に供試体を取り付け、駆動部１２０によってチャック１２１を回転駆動することにより、供試体にねじり荷重を加えることができるようになっている。反力部１３０は供試体の固定端として機能するものであり、反力部１３０に設けられたトルクセンサ１３２によって、供試体に加わるトルクが計測できるようになっている。

駆動部１２０は、サーボモータ１２２、第１減速機１２３、クラッチ１２４及び第２減速機１２５を有する。本実施形態の駆動部１２０は、クラッチ１２４を操作することによって、サーボモータ１２２の回転軸に対するチャック１２１の減速比を切り替えることができるようになっている。すなわち、サーボモータ１２２の回転軸が第１減速機１２３のみに連結して小さな減速比を得る第１のモードと、サーボモータ１２２の回転軸が第１減速機１２３と第２減速機１２５に直列に連結して大きな減速比を得る第２のモードとを切り替えることができるようになっている。第１のモードは高い周波数の繰り返し荷重を供試体に加える耐久試験に、第２のモードは大トルクを供試体に加えて破壊する破壊試験（ねじ切り試験）に使用される。

第１のモードと第２のモードとを切り替える為の機構について以下に説明する。図２は、第１のモードにおける駆動部１２０の側断面図である。

サーボモータ１２２の出力軸（不図示）は、第１減速機１２３の入力軸（不図示）に固定されている。また、第１減速機１２３の出力端１２３ａには、シャフト１２６の入力端１２６ａが固定されている。サーボモータ１２２の出力軸の回転運動は、第１減速機１２３によって減速されて、シャフト１２６に伝達される。シャフト１２６には、中心軸上に延びる貫通孔１２６ｃが設けられており、外径を大きくして高いねじれ剛性を確保しつつ、イナーシャが低く抑えられており、高い周波数で反転駆動できるように構成されている。また、第１減速機１２３のケース１２３ｃは、ベース１１０と共に剛性の高い装置フレームを構成する駆動部側フレーム１２７に固定されている。

クラッチ１２４は、固定部１２４ａ、入力軸１２４ｂ、出力軸１２４ｃ及び可動連結軸１２４ｄを備えている。固定部１２４ａは、駆動部側フレーム１２７に固定され、支持されている。固定部１２４ａ、入力軸１２４ｂ、出力軸１２４ｃ及び可動連結軸１２４ｄには、それぞれ中心軸上にシャフト１２６が通される貫通穴が形成されている。固定部１２４ａ及び出力軸１２４ｃの貫通穴内には、それぞれ軸受１２４ｅ及び１２４ｆが設けられており、シャフト１２６は、軸受１２４ｅ及び１２４ｆを介して、固定部１２４ａ及び出力軸１２４ｃにそれぞれ回転自在に支持されている。また、入力軸１２４ｂの内周面はシャフト１２６の外周面に固定されており、入力軸１２４ｂはシャフト１２６と一体となって固定部１２４ａに対して回転可能となっている。また、固定部１２４ａには、ソレノイド（不図示）が埋め込まれている。可動連結軸１２４ｄの出力軸１２４ｃと対向する面には、出力軸１２４ｃの入力端（図２における左端）を収容する凹部が形成されている。また、出力軸１２４ｃの入力端の外周面と、可動連結軸１２４ｄの凹部の内周面には、回転軸方向へ延びる噛み合い歯が形成されており、可動連結軸１２４ｄは出力軸１２４ｃの入力端の外周面のスプラインに沿って回転軸方向（図２における左右方向）へ摺動可能となっている。また、可動連結軸１２４ｄと出力軸１２４ｃとの噛み合い歯は常に係合しているため、可動連結軸１２４ｄが回転すると、出力軸１２４ｃは可動連結軸１２４ｄと共に回転する。また、可動連結軸１２４ｄは磁性体から形成されており、固定部１２４ａのソレノイドが励磁されると、可動連結軸１２４ｄは固定部１２４ａ側への磁気吸引力を受けて、入力軸１２４ｂに密着する。入力軸１２４ｂと可動連結軸１２４ｄの互いに対向する面にも、それぞれ半径方向に延びる噛み合い歯（クラッチ面）が形成されており、可動連結軸１２４ｄが入力軸１２４ｂに密着すると、噛み合い歯同士が係合して、可動連結軸１２４ｄ及び出力軸１２４ｃが入力軸１２４ｂと一体に回転する（すなわちクラッチ１２４が連結する）。また、可動連結軸１２４ｄはコイルばね（不図示）により固定部１２４ａ側に付勢されている。そのため、ソレノイドを消磁すると、可動連結軸１２４ｄが入力軸１２４ｂから離れて、入力軸１２４ｂとの噛み合い歯の係合が解かれ、入力軸１２４ｂの駆動力は可動連結軸１２４ｄ及び出力軸１２４ｃには伝達されなくなる（すなわちクラッチ１２４が切り離される）。また、出力軸１２４ｃは、第２減速機１２５の入力ギア１２５ａに連結されている。クラッチ１２４が連結されると、入力軸１２４ｂの駆動力は、可動連結軸１２４ｄ及び出力軸１２４ｃを介して、第２減速機１２５の入力ギア１２５ａに伝達される。第１のモードでは、クラッチ１２４が切り離されるため、入力軸１２４ｂの駆動力は、第２減速機１２５には伝達されない。

また、図２に示される第１のモードでは、チャック１２１は、ボルトＢ１を介してシャフト１２６の先端部に固定される。そのため、第１のモードでは、チャック１２１はシャフト１２６と一体に回転する。このように、第１のモードでは、サーボモータ１２２の出力軸の回転運動は、第１減速機１２３のみによって減速されてチャック１２１に伝達されることになる。なお、シャフト１２６の先端は、第２減速機１２５の出力軸１２５ｃの先端面（図２における右端）から僅かに突出しており、チャック１２１をシャフト１２６の先端部に固定に固定したときにチャック１２１が第２減速機１２５の出力軸１２５ｃと干渉することはない。

次に、第２のモードについて説明する。図３は、第２のモードにおける駆動部１２０の側断面図である。また、図４は、チャック１２１側から見た駆動部１２０の正面図である。

第２のモードでは、クラッチ１２４の入力軸１２４ｂと可動連結軸１２４ｄのクラッチ面同士が係合しており、入力軸１２４ｂの駆動力は、可動連結軸１２４ｄを介して、出力軸１２４ｃに伝達される。また、ボルトＢ１（図２）が取り外されてシャフト１２６とチャック１２１との連結が外れており、且つボルトＢ２によってチャック１２１が第２減速機１２５の出力端１２５ｃに固定された状態となっている。前述のように、クラッチ１２４の出力軸１２４ｃは第２減速機１２５の入力ギア１２５ａと連結しているので、第２のモードでは、サーボモータ１２２の出力軸の駆動力は、第１減速機１２３及び第２減速機１２５を介してチャック１２１に伝達される。すなわち、第２のモードにおいては、サーボモータ１２２の出力軸の回転が第１減速機１２３及び第２減速機１２５によって二重に減速されることになるため、第１のモードと比べてより高い減速比で（すなわち、より大きなトルクで）チャック１２１が回転駆動される。

なお、第２のモードにおいても、シャフト１２６は（チャック１２１よりも高い回転数で）回転駆動されている。また、シャフト１２６の出力端は、第２減速機１２５の出力軸１２５ｃの先端面から突出しているため、シャフト１２６の出力端にチャック１２１が接触して摩擦が生じないよう、チャック１２１は、第１のモード時よりも手前側（図３において右側）に引き出された状態で第２減速機１２５の出力端１２５ｃに固定されるようになっている。また、第２のモードでは、チャック１２１が手前側に引き出された状態を保持できるよう、チャック１２１と第２減速機１２５の出力端１２５ｃの間には、スペーサプレート１２９ａが挟み込まれている。

図４に示されるように、スペーサプレート１２９ａは、第２減速機１２５の出力端１２５ｃに固定されている一対のガイドレール１２９ｂに挟まれた状態で、ガイドレール１２９ｂに沿った方向（すなわち、ねじり試験装置１００のねじり軸に直交する一方向）にスライド自在に保持されている。スペーサプレート１２９ａはチャック１２１の回転中心を挟み込むように一対設けられており、第１のモードにおいては、一対のスペーサプレート１２９ａは、それぞれチャック１２１から離れる方向へ移動し（図４における二点鎖線部）、チャック１２１と干渉しないようになっている。

第１のモード（図２）から第２のモード（図３）に切り替えるには、クラッチ１２４を入れてシャフト１２６と第２減速機１２５とを連結し、ボルトＢ１を取り外してチャック１２１を手前に引き出し、スペーサプレート１２９ａを互いに近づける方向にスライドさせ、スペーサプレート１２９ａを介してチャック１２１をボルトＢ２によって第２減速機１２５の出力端１２５ｃに固定する。一方、第２のモードから第１のモードに切り替えるには、クラッチ１２４を切ってシャフト１２６と第２減速機１２５との連結を解除し、ボルトＢ２を取り外し、スペーサプレート１２９ａをスライドさせてチャック１２１の外側に引き出し、チャック１２１を奥側（図２、図３における左側）に押し込んだ後、ボルトＢ１によってシャフト１２６に固定する。

以上のように、本実施形態においては、第１のモードと第２のモードとを切り替える際に、チャック１２１を回転軸方向に移動させる。図２及び図３に示されるように、チャック１２１のシャフト１２６と対向する面には、回転軸上に延びる軸部１２１ａが設けられている。軸部１２１ａは、シャフト１２６の貫通孔１２６ｃよりも僅かに小径に形成されており、貫通孔１２６ｃ内に収容される。また、貫通孔１２６ｃの、軸部１２１ａが差し込まれるシャフト１２６の先端付近には、軸部１２１ａを回転自在かつ回転軸方向にスライド自在に支持する無給油ブッシュ１２６ｄが埋め込まれている。第１のモード及び第２のモードの何れにおいても、チャック１２１の軸部１２１ａはシャフト１２６の貫通孔１２６ｃに差し込まれた状態となる。そのため、動作モードを切り替える際にチャック１２１を回転軸方向に移動しても、チャック１２１が脱落しないようになっている。

本実施形態のねじり試験装置１００は、様々な寸法の供試体に対するねじり試験（耐久試験及びねじ切り試験）を行うことができるよう、反力部１３０を軸方向（図１における左右方向）に移動させて、チャック１２１と１３１との間隔を調整可能となっている。

図５は、反力部１３０の背面図（図１における右側から見た図）である。図５に示されているように、ベース１１０の上面には、一対の溝１１１が形成されている。この溝１１１とボルトＢ３とを用いて、反力部１３０がベース１１０に固定される。

ボルトＢ３による反力部１３０の固定機構につき、以下、詳説する。図６は、図５のボルトＢ３近傍を拡大した図である。図６に示されるように、溝１１１は、上部１１１ａの幅より下部１１１ｂの幅が大きく形成された、断面が逆Ｔ字状の段差付きの溝である。また、ボルトＢ３は、溝１１１の下部１１１ｂに配置されているナット１３３と、反力部１３０の底部プレート１３４の上に配されている油圧ナット１３５ａにねじ込まれるようになっている。ナット１３３の幅方向寸法は、溝１１１の下部１１１ｂの幅よりもわずかに小さく、上部１１１ａの幅よりは大きいので、ボルトＢ３ａをナット１３３にねじ込んだ状態で油圧ナット１３５ａによってボルトＢ３の締め付けを行うと、油圧ナット１３５ａとナット１３３の間で底部プレート１３４と溝１１１の上部１１１ａとが締めつけられる。この結果、反力部１３０がベース１１０に強固に固定される。一方、油圧ナット１３５ａを用いてボルトＢ３を緩めることにより、底部プレート１３４とベース１１０との締め付けが緩められ、反力部１３０が溝１１１に沿って軸方向に移動可能となる。

油圧ナット１３５ａは、外部から供給される作動油の油圧によってボルトＢ３の締め付け／緩めを行う手段である。そのため、反力部１３０を移動／固定する際は作動油の油圧を変動させるのみでよく、手動でナットを緩める必要はない。

反力部１３０の移動機構について以下に説明する。ベース１１０上には、チェーン１３８ａが溝１１１と平行な向きとなるよう配置されている。チェーン１３８ａの両端はベース１１０に固定されている。反力部１３０には、チェーン１３８ａと係合するスプロケット１３８ｂが取り付けられており、油圧ナット１３５ａを緩めて反力部１３０を移動可能とした状態でスプロケット１３８ｂを図示しないハンドルで回転させることによって、チェーン１３８ａに沿って反力部１３０を移動させることができる。

また、図１に示されるように、反力部１３０のチャック１３１及びトルクセンサ１３２は、トルクセンサ１３４に固定された固定軸１３７を介して、底部プレート１３４に直立して固定されている反力板１３６に固定されるようになっている。図５に示されるように、反力板１３６には、丸穴１３６ａ及び、丸穴１３６ａから半径方向外側に延びるスリット１３６ｂが形成されている。また、反力板１３６には、スリット１３６ｂと交差するように形成されたボルト穴１３６ｃを有する。丸穴１３６ａの径は固定軸１３７の径よりもわずかに大きい程度であるため、ボルト穴１３６ｃにボルトＢ４を通して油圧ナット１３５ｂで締め付けを行うことにより、スリット１３６ｂの幅が狭まって丸穴１３６ａの径が縮小し、丸穴１３６ａ内で固定軸１３７がクランプされて固定される。

前述のように、反力部１３０の固定機構と同様、固定軸１３７のクランプも油圧ナット１３５ｂを用いて行われる。そのため、例えば供試体の使用や試験内容に応じてトルクセンサ１３２やチャック１３１の交換を行う等の作業を手作業によるボルト締め／緩めを行うことなく容易且つ素早く行うことが可能となる。

また、図１に示されるように、駆動部１２０と反力部１３０の中間の位置の上方には、非接触式の温度センサ１４１が配置されている。温度センサ１４１は、ねじり試験の軸方向（図１における左右方向）と略平行に延びるアーム１４２を介して駆動部側フレーム１２７に保持されている。温度センサ１４１は、アーム１４２に沿って軸方向に移動可能であり、供試体の所望の位置の温度を計測することができるようになっている。

１００ ねじり試験装置
１１０ ベース
１２０ 駆動部
１２１ チャック
１２２ サーボモータ
１２３ 第１減速機
１２４ クラッチ
１２５ 第２減速機
１２６ シャフト
１２９ａ スペーサプレート
１２９ｂ ガイドレール
１３０ 反力部
１３１ チャック
１３２ トルクセンサ
１３３ ナット
１３５ａ 油圧ナット
１３５ｂ 油圧ナット
１３７ 固定軸
１３８ａ チェーン
１３８ｂ スプロケット
１４１ 温度センサ
１４２ アーム
Ｂ１〜Ｂ４ ボルト

Claims (8)

1. 供試体の一端を回転可能に保持する駆動部と、供試体の他端を固定する反力部とを備え、前記駆動部により供試体の一端を回転させることにより供試体にねじり荷重を与えるねじり試験機であって、
   前記駆動部は、
   サーボモータと、
   前記サーボモータの回転を第１の減速比で減速する第１の減速機と、
   前記第１の減速機の出力を伝達するシャフトと、
   入力軸に前記シャフトが固定されたクラッチと、
   前記クラッチの出力軸の回転を第２の減速比で減速する第２の減速機と、
   回転可能に支持されたチャックと、
   前記シャフト及び前記第２の減速機の出力軸の一方を切り換え可能に前記チャックに連結する連結手段と、を備え、
   前記クラッチの入力軸と出力軸とを切り離し、前記連結手段により前記シャフトを前記チャックに連結したときに、第１のモードで動作し、
   前記クラッチの入力軸と出力軸とを連結し、前記連結手段により前記第２の減速機の出力軸を前記チャックに連結したときに、第２のモードで動作する、
   ことを特徴とするねじり試験機。
2. 前記クラッチ及び前記第２の減速機には、前記シャフトが貫通する中空部が回転軸上に形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のねじり試験機。
3. 前記連結手段は、前記チャックを回転自在に、且つ、前記チャックが前記シャフトの先端と当接する第１の位置と前記チャックが前記シャフトの先端から離れる第２の位置との間で回転軸方向へスライド自在に支持するスライド手段を備え、
   前記チャックを前記第１の位置に配置して、前記チャックを前記シャフトの先端に固定したときに、前記第１のモードで動作し、
   前記チャックを前記第２の位置に配置して、前記チャックを前記第２の減速機の出力軸に固定したときに、前記第２のモードで動作する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のねじり試験機。
4. 前記スライド手段は、
   一端が前記チャックに固定された軸部と、
   前記シャフトの先端部に設けられ、前記軸部を回転自在かつスライド自在に支持する軸受と
   を備える、ことを特徴とする請求項３に記載のねじり試験機。
5. 前記チャックを第２の位置に配置するときに、前記チャックと前記シャフトの先端との距離を保持するスペーサを備え、
   前記チャックを第２の位置に配置するときに、前記チャックは、前記第２の減速機の出力軸との間で前記スペーサを挟み込んだ状態で、前記第２の減速機の出力軸に固定される、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のねじり試験機。
6. 前記スペーサの少なくとも一部が前記第２の減速機の出力軸と前記チャックとの間に配置される有効位置と、前記スペーサが前記第２の減速機の出力軸と前記チャックとの間から退避する退避位置との間で前記スペーサを移動可能に支持するスペーサ支持部を備える、ことを特徴とする請求項５に記載のねじり試験機。
7. 前記クラッチはフレームに支持された固定部を備え、
   前記クラッチの固定部、入力軸、出力軸が、この順で回転軸方向に配列され、
   前記クラッチの固定部及び出力軸は、それぞれ前記シャフトを回転自在に支持する軸受を備え、
   前記フレームに支持された前記第２の減速機のケースは、前記クラッチの出力軸を回転自在に支持する一対の軸受を備え、
   前記クラッチの出力軸の軸受が、前記第２の減速機の一対の軸受の間に配置されている、ことを特徴とする請求項２及び請求項２を引用する請求項３から請求項７のいずれか一項に記載のねじり試験機。
8. 前記第１のモードは、供試体に繰り返し荷重を与える疲労試験モードであり、
   前記第２のモードは、供試体に破壊荷重を与える破壊試験モードである、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のねじり試験機。

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