JP5930472B2 - 疲労試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、疲労試験装置に係り、特に、金属、ガラス、セラミックス等の板状製品の疲労寿命を把握するための疲労試験装置に関する。

自動車や飛行機等の輸送機器や産業機械等においては、振動や繰り返し駆動によって、使用される材料に繰り返し応力が負荷される。このため、使用される材料の疲労寿命を把握することは重要であり、一般的に疲労試験が実施される。

従来の疲労試験は、１×１０^７回の繰り返し応力の負荷により寿命を予測することが一般的であったが、近年、輸送機器や産業機械の高寿命化が望まれ、種々研究がなされた結果、例えば、金属においては、内在する金属介在物等の影響から、１×１０^９回の繰り返し応力を疲労限界応力として評価するようになってきた。

従来の疲労試験は、引張−圧縮応力型と、曲げ応力型と、ねじり応力型とに大別される。丸棒等の形状の試験片で実施される引張−圧縮応力型疲労試験においては、機械駆動に加えて油圧駆動等の高速型負荷が可能な疲労試験装置があり、応力によっては１０００Ｈｚ以上の高速試験が可能である。近年では、超音波振動子等を用いた高速疲労試験装置が開発されており、ギガサイクルの疲労試験に対応している。しかし、これらの疲労試験装置においては、試験周波数を上昇させると、試験片のひずみによる発熱が起こる場合があり、試験片の冷却システム等も必要となる。

一方、板状の試験片においては、引張−圧縮応力型疲労試験やねじり応力型疲労試験を行うのが困難であるため、曲げ応力型疲労試験が一般的に行われる。板状の試験片に曲げ応力を負荷する方法としては、回転体にクランクを接続し、試験片の両端を機械的に曲げる両振り疲労試験や、試験片の片方の端部を固定し反対側の端部を機械的に振動させて行う疲労試験が一般的である。このため、試験周波数は駆動モーター等の回転数や発熱防止性能に制約されるため１８００ｓｐｍが限界で、１×１０^７回の繰り返し応力の負荷を実施するには２〜５日程度の試験日数を要し、１×１０^９回の繰り返し応力の負荷を実施するにはさらにこれの１００倍の日数が必要となる。さらに、疲労亀裂が発生した場合の応力低下を検知するためには、高精度のロードセル等の検出器を必要とし、疲労試験装置のコストも増大する。

これに対し、特許文献１には、ギガサイクルの疲労試験を容易に短時間で実施できる疲労試験装置が記載されている。この疲労試験装置は、固定治具により基端側を固定された試験片に対して、高周波モーターにより駆動されるパルス発生部から発せられるパルス状の圧力波を当てることにより試験片を振動させて疲労試験を実施するものである。このとき、圧力波の圧力変化の周波数が試験片の共振周波数に一致するように調整することにより、試験片の振動周波数は共振周波数となる。

特開２０１２−１４９９７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の疲労試験装置では、試験片の基端側を固定治具に固定させるのみで試験片を振動させているので、試験片の振動周波数の調整がうまくいかない場合には、試験片の振動の振幅が大きすぎて大きな応力がかかり試験片が破壊してしまうおそれがあるといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、試験片に必要以上の応力がかかることを防止できる疲労試験装置を提供することを目的とする。

この発明に係る疲労試験装置は、試験片を振動させて試験片の疲労寿命を試験する疲労試験装置であって、試験片が片持ち状態で固定される第１固定面を有する第１固定治具と、試験片に圧縮ガスをパルス状にブローさせて試験片を振動させる加振器と、試験片の振動変位を検出する変位検出器とを備え、試験片は、少なくとも試験片が固定された部分以外で第１固定面との間に間隔が存在するように、第１固定面に固定され、試験片は、加振器による振動により、試験片の全体が第１固定面に接し、第１固定治具には、第１固定面で開口する第１貫通孔が設けられ、変位検出器は、第１貫通孔を通して試験片の振動変位を検出する。
第１固定面は、試験片が固定された部分から離れるにつれて、第１固定面と試験片との間の間隔が大きくなるような曲面形状を有してもよい。
試験片を第１固定治具と挟むように固定する第２固定治具をさらに備え、第２固定治具は、第１固定面との間で試験片が片持ち状態で固定される第２固定面を有し、試験片は、少なくとも試験片が固定された部分以外で第２固定面との間にも間隔が存在するように、第１固定面と第２固定面との間に固定され、試験片は、加振器による振動により、試験片の全体が第２固定面に接し、第２固定治具には、第２固定面で開口する第２貫通孔が設けられ、加振器は、第２貫通孔を通して試験片に圧縮ガスをブローさせてもよい。
第２固定面は、試験片が固定された部分から離れるにつれて、第２固定面と試験片との間の間隔が大きくなるような曲面形状を有してもよい。
試験片は板状であってもよい。

この発明によれば、試験片は、少なくとも試験片が固定された部分以外で第１固定面との間に間隔が存在するように、前記第１固定面に固定されることにより、試験片が振動するときに試験片の振動の振幅が大きすぎても、試験片の全体が第１固定面に接することよって試験片の振動が抑制されるので、試験片に必要以上の応力がかかることを防止することができる。

この発明の実施の形態に係る疲労試験装置の構成を示す模式図である。 この実施の形態に係る疲労試験装置の下治具の断面図である。 この実施の形態に係る疲労試験装置の上治具の断面図である。 この実施の形態に係る疲労試験装置で試験される試験片の平面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、疲労試験装置１は、第１固定治具である下治具２と、第２固定治具である上治具３とからなる固定部材４を備えている。下治具２と上治具３とはボルト５により固定されており、試験片である板状の金属板６が下治具２と上治具３との間に挟まれるようにして片持ち状態で固定されている。

下治具２は、金属板６が固定される固定面２ａ（第１固定面）を有しており、固定面２ａは、金属板６が固定面２ａ上において固定された部分から離れるにつれて、固定面２ａと金属板６との間隔が大きくなるような曲面形状を有している。上治具３も、金属板６が固定される固定面３ａ（第２固定面）を有しており、固定面３ａは、金属板６が固定面３ａ上において固定された部分から離れるにつれて、固定面３ａと金属板６との間隔が大きくなるような曲面形状を有している。金属板６の固定されていない端部は、固定面２ａ，３ａ間に位置している。

図２に示されるように、下治具２は、固定面２ａと略対向する底面２ｂを有している。下治具２には、底面２ｂから固定面２ａにかけて下治具２を貫通するように、ボルト５（図１参照）が挿入される固定用孔２１と、後述する近接センサ１１のセンサ部１１ａ（図１参照）が挿入される検知用孔２２（第１貫通孔）とが形成されている。固定用孔２１は、底面２ｂに対して垂直になっている。検知用孔２２は、固定面２ａ近傍で検知用孔２２が固定面２ａにおおよそ垂直となるような角度で固定用孔２１に対して傾いている。

図３に示されるように、上治具３は、固定面３ａと略対向する上面３ｂを有している。上治具３には、上面３ｂから固定面３ａにかけて上治具３を貫通するように、ボルト５（図１参照）が挿入される固定用孔３１と、後述する高速エアバルブ９の吐出ノズル９ａ（図１参照）が挿入されるエア供給用孔３２（第２貫通孔）とが形成されている。固定用孔３１及びエア供給用孔３２はそれぞれ、上面３ｂに対して垂直になっている。

図１に示されるように、上治具３のエア供給用孔３２には、高速エアバルブ９の吐出ノズル９ａが上面３ｂ側から挿入されている。高速エアバルブ９の供給ノズル９ｂには、エア供給管１５の一端が接続され、エア供給管１５の他端には、コンプレッサ１０が接続されている。高速エアバルブ９には信号パワーレベル変換インターフェース８が電気的に接続されており、信号パワーレベル変換インターフェース８にはファンクションジェネレータ７が電気的に接続されている。ファンクションジェネレータ７と、信号パワーレベル変換インターフェース８と、高速エアバルブ９と、コンプレッサ１０とは、後述する動作で金属板６を振動させるので、金属板６を振動させる加振器を構成する。

下治具２の検知用孔２２には、変位検出器である近接センサ１１のセンサ部１１ａが底面２ｂ側から挿入されている。近接センサ１１にはカウンター１２が電気的に接続されており、カウンター１２はファンクションジェネレータ７に電気的に接続されている。

図４に示されるように、金属板６は、略長方形の薄い板状の形状を有し、長手方向に対して一端側には、ボルト５（図１参照）が挿入される固定用穴６ａが形成されている。一例として金属板６のサイズを挙げると、長手方向の長さが４５ｍｍ、幅が１０ｍｍ、厚さが０．３５ｍｍである。

次に、この実施の形態に係る疲労試験装置による疲労試験の方法を説明する。
図１に示されるように、ファンクションジェネレータ７で所定の周波数のパルス波を発生させ、そのパルス波を信号パワーレベル変換インターフェース８にて高速エアバルブ９の動作信号に変換し、高速エアバルブ９の内部に設けられた図示しないバルブを周期的に開閉させる。また、コンプレッサ１０がエアを吸引し、エア供給管１５を介して供給ノズル９ｂから高速エアバルブ９に圧縮エアを供給する。高速エアバルブ９に供給された圧縮エアは、高速エアバルブ９の内部に設けられたバルブの開閉動作に応じて、吐出ノズル９ａから周期的に吐出される。吐出ノズル９ａから周期的に吐出された圧縮エアは、エア供給用孔３２を通って金属板６に噴き付けられる。

金属板６に圧縮エアが噴き付けられると、金属板６は、固定面２ａ，３ａ間で固定された部分とは反対側の端部側が固定面２ａに向かって曲げられる。この際、圧縮エアが金属板６を曲げる力がいくら大きくても、金属板６全体が固定面２ａに接するように曲がるのが最大となり、それ以上の曲がりが抑制される。金属板６が固定面２ａに向かって曲がった後は、金属板６自身の弾性により、金属板６は固定面３ａに向かって戻っていく。この際も、金属板６全体が固定面３ａに接するように曲がるのが最大となり、それ以上の曲がりは抑制される。そのため、金属板６に必要以上の応力がかからなくなる。その後、金属板６は再び固定面２ａに向かって曲がっていくが、再び圧縮エアが金属板６に噴き付けられると、金属板６は上記動作を繰り返し、結果的に、固定面２ａ，３ａ間で振動するようになる。

金属板６がこのように振動する間、近接センサ１１は、検知用孔２２を通して、金属板６が固定面２ａに近づいて遠ざかること、すなわち金属板６の振動変位を検知する。この回数をカウンター１２がカウントすることにより、金属板６の曲げ回数を検知することができる。

金属板６に疲労亀裂が発生すると、金属板６が固定面２ａに向かって曲がった後に金属板６自身の弾性によって固定面３ａに向かって戻る力が弱くなるので、金属板６の振動が大きく異なるようになる。例えば、疲労亀裂が大きいと、金属板６はほとんど固定面３ａに向かって戻らなくなるので、カウンター１２によるカウントが停止する。カウンター１２によるカウントの停止をファンクションジェネレータ７が検知したら、ファンクションジェネレータ７はパルス波の発生を停止し、それに続いて高速エアバルブ９のバルブの開閉動作及びコンプレッサ１０の稼働を停止することにより、疲労試験装置１による疲労試験を終了する。疲労試験終了時のカウンター１２のカウント数から、金属板６に疲労亀裂が発生するまでの曲げ回数を知ることができる。

このように、金属板６は、少なくとも金属板６が固定された部分以外で固定面２ａとの間に間隔が存在するように、固定面２ａに固定されることにより、金属板６が振動するときに金属板６の振動の振幅が大きすぎても固定面２ａによって金属板６の振動が抑制されるので、金属板６に必要以上の応力がかかることを防止することができる

この実施の形態では、金属板６が下治具２及び上治具３に挟まれるようにして固定されていたが、この形態に限定するものではない。上治具３が存在せず、下治具２の固定面２ａ上に金属板６を片持ち状態で固定してもよい。また、上治具３が存在しない場合には、固定面２ａが鉛直方向上方に向くように下治具２を配置することに限定するものではなく、固定面２ａが鉛直方向下方や水平方向等に向くように下治具２を配置してもよい。

この実施の形態では、固定面２ａ，３ａがそれぞれ、金属板６が固定された部分から離れるにつれて、金属板６との間隔が大きくなるような曲面形状を有していたが、この形態に限定するものではない。金属板６が固定された部分以外で固定面２ａ，３ａとの間で金属板６が振動できる間隔が形成されるのであれば、固定面２ａ，３ａの形状はどのような形状であってもよい。

この実施の形態では、試験片は、アルミニウムやステンレス等の金属板６であったが、金属製の試験片に限定するものではない。板状の試験片であれば、ガラスやセラミックス等、任意の材料からなるものであってもよい。

１ 疲労試験装置、２ 下治具（第１固定治具）、２ａ 固定面（第１固定面）、３ 上治具（第２固定治具）、３ａ 固定面（第２固定面）、６ 金属板（試験片）、７ ファンクションジェネレータ（加振器）、８ 信号パワーレベル変換インターフェース（加振器）、９ 高速エアバルブ（加振器）、１０ コンプレッサ（加振器）、１１ 近接センサ（変位検出器）、２２ 検知用孔（第１貫通孔）、３２ エア供給用孔（第２貫通孔）。

Claims (5)

1. 試験片を振動させて該試験片の疲労寿命を試験する疲労試験装置であって、
   前記試験片が片持ち状態で固定される第１固定面を有する第１固定治具と、
   前記試験片に圧縮ガスをパルス状にブローさせて前記試験片を振動させる加振器と、
   前記試験片の振動変位を検出する変位検出器と
   を備え、
   前記試験片は、少なくとも前記試験片が固定された部分以外で前記第１固定面との間に間隔が存在するように、前記第１固定面に固定され、
   前記試験片は、前記加振器による振動により、前記試験片の全体が前記第１固定面に接し、
   前記第１固定治具には、前記第１固定面で開口する第１貫通孔が設けられ、前記変位検出器は、前記第１貫通孔を通して前記試験片の振動変位を検出する疲労試験装置。
2. 前記第１固定面は、前記試験片が固定された部分から離れるにつれて、前記第１固定面と前記試験片との間の間隔が大きくなるような曲面形状を有する、請求項１に記載の疲労試験装置。
3. 前記試験片を前記第１固定治具と挟むように固定する第２固定治具をさらに備え、
   該第２固定治具は、前記第１固定面との間で前記試験片が片持ち状態で固定される第２固定面を有し、
   前記試験片は、少なくとも前記試験片が固定された部分以外で前記第２固定面との間にも間隔が存在するように、前記第１固定面と前記第２固定面との間に固定され、
   前記試験片は、前記加振器による振動により、前記試験片の全体が前記第２固定面に接し、
   前記第２固定治具には、前記第２固定面で開口する第２貫通孔が設けられ、前記加振器は、前記第２貫通孔を通して前記試験片に圧縮ガスをブローさせる、請求項１または２に記載の疲労試験装置。
4. 前記第２固定面は、前記試験片が固定された部分から離れるにつれて、前記第２固定面と前記試験片との間の間隔が大きくなるような曲面形状を有する、請求項３に記載の疲労試験装置。
5. 前記試験片は板状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の疲労試験装置。

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