JP6254022B2

JP6254022B2 - 試験装置

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Publication number: JP6254022B2
Application number: JP2014045523A
Authority: JP
Inventors: 憲生竹田; 将平渡部; 忠興瀧井
Original assignee: Shimadzu Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Shimadzu Corp; Hitachi Ltd
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-03-07
Also published as: EP2930493B1; JP2015169578A; EP2930493A1; US20150253227A1; CN104897468B; US9423329B2; CN104897468A

Description

本発明は強度の試験装置に関する。

自動車や鉄道などの輸送機械、ショベルやダンプなどの建設機械、風力発電や波力発電など自然エネルギ発電システムの構造系には様々な原因で稼働時に複雑な負荷が繰返し作用する。この繰返し負荷は、時間とともに負荷波形の振幅が変化し、かつ負荷方向も変化する多軸繰返し負荷であり、場合によっては前記機械に疲労破壊を引き起こす。このような疲労破壊を避けるためには、多軸繰返し負荷に対する疲労現象の把握が重要である。こうした目的で、多軸繰返し負荷での疲労試験を可能とする多軸強度試験装置が発明、開発されてきた。

最も一般的な多軸強度試験装置は、棒状や円筒状の試験片の一端は固定し、一端に軸方向負荷（引張り・圧縮負荷）とねじり負荷の２軸負荷を与えて試験をする構成の装置である。後述する他の多軸強度試験装置が２軸以上の試験軸を有するのに対し、このタイプの多軸試験装置は試験軸が１軸である。このタイプの多軸試験装置は、軸方向負荷用の直動アクチュエータとねじり負荷用のロータリーアクチュエータの２個のアクチュエータを有している。これらアクチュエータによる軸方向負荷波形とねじり負荷波形の位相を変えることで、試験片に発生する多軸応力の主応力方向が時間とともに変化する多軸負荷（非比例負荷と呼ばれる）での試験が可能である。ただし、このタイプの試験装置では、試験片上に実現できる多軸応力状態が限られる。具体的には、最大主応力σ１、最小主応力σ３から求められる主応力比λ＝σ３／σ１が、−１≦λ≦０の範囲に入る多軸応力状態での試験が、このタイプの装置で可能である。

この主応力比の範囲を超える試験を実施するために、非特許文献１に書かれた構成の多軸試験装置が開発されている。この装置では、概ね十字形状の試験片に対し、十字の端部４箇所にそれぞれ負荷を与えるために１個ずつ、合計４個の直動アクチュエータが配置されている。２個のアクチュエータが対向する形で配置されて１軸試験構成を成しており、２組の１軸試験構成で２軸負荷の多軸疲労試験を可能としている。対向する２個のアクチュエータの軸中心を通る試験軸は、もう一対のアクチュエータで構成される試験軸と１点で交わり、その点が試験片中心と一致する。各アクチュエータによる負荷を制御することで、試験片中心を含む試験片の中央領域に多軸応力状態を発生させることができる。この装置では、前述の主応力比が−１≦λ≦１の範囲の多軸応力状態で試験を実施することができるが、前述の非比例負荷に関しては、一部の非比例負荷の試験のみが可能である。また、２個のアクチュエータで１軸試験構成を成しているため、試験片中心を試験軸の交点に維持するために対向するアクチュエータを高精度で制御する必要がある。

特許文献１では、機械的負荷用の１軸試験構成を３組以上含み、かつ磁性材料の磁気特性測定手段を備えた装置を開示している。この装置により、任意の多軸応力状態での磁性材料の磁気特性評価が可能である。３組以上の１軸試験構成に対応して３本以上存在する試験軸はある１点で交差し、その交点は試験片の中央領域に存在する。提案されている応力印加手段によって、試験片の中央領域に多軸応力状態を発生させることができる。この特許で示されている装置構成では、主応力比が−１≦λ≦１の範囲の多軸応力状態を実現でき、また多軸応力の主応力を任意の方向に向けることができる。試験片の形状は、試験軸の数、軸の方向に合わせて、試験片中央から放射状に端部を延出させた形状である。この特許文献の実施例では試験片の端部に引張荷重および圧縮荷重を作用させるための負荷手段（おもりや油圧アクチュエータ）を設けた装置構成が示されている。これは、非特許文献１と同様に、２個のアクチュエータで１軸試験構成を成すことを意味している。

特許文献２では、特許文献１と同様に、１軸試験構成を複数備えた多軸万能試験装置を開示している。１軸試験構成の数と同数存在する試験軸はある１点で交差するように装置は構成される。各軸の両端には電動アクチュエータが備えられていることから、２個のアクチュエータで１軸試験構成を成すという観点では、この装置は非特許文献１と同様の装置構成を有している。特許文献１と同様に、主応力比が−１≦λ≦１の範囲の多軸応力状態を実現でき、また多軸応力の主応力を任意の方向に向けることができる。

特開２０１２−２０２９７４号公報特表２００７−５１０１５１号公報

「十字型試験片を用いた高温二軸低サイクル疲労に関する研究」材料、第３７巻、第４１４号、ｐｐ３４０〜３４６、１９８８年

２軸以上の試験軸を有し、かつ試験軸がある１点で交差するように装置を構成する場合、試験軸の交点に試験片の中央領域を配置し、その中央領域に多軸応力状態を発生させる。したがって、試験軸の交点に試験片の中央領域が配置されるように、試験片を装置に固定し、荷重を与える必要がある。非特許文献１、特許文献１および２に記載の試験装置は、１軸の試験構成を得るために２個の荷重負荷装置（アクチュエータなど）を対向させて配置している。このような１軸試験構成を採用する場合、対向する荷重負荷装置の負荷のバランスが崩れると、試験片中央領域と試験軸の交点に位置ずれが生じる。特許文献１のように、多軸応力状態を発生させることを目的とする場合は、試験片中央領域と試験軸の交点の多少の位置ずれは問題とならない。しかし、多軸負荷による疲労現象を解明するためには、試験片の中央領域に繰返し多軸応力を発生させ、試験片の中央領域を疲労破壊させなければならない。試験片中央から放射状に端部を延出させた形状（試験軸が２軸の場合は十字形状）の試験片の場合、装置にチャックされる試験片端部から中央に至る部分をアーム部と呼ぶとすると、試験片中央領域と試験軸交点の位置ずれが生じるとアーム部には曲げ荷重が作用する。この曲げ荷重によって、試験片の中央領域で疲労破壊をする前に、アーム部の付け根で疲労破壊が生じてしまう恐れがある。このような試験片の望ましくない箇所での疲労破壊を避けるために、非特許文献１、特許文献１および２に記載の試験装置では、試験軸の交点が常に試験片中央領域に含まれるように、対向する荷重負荷装置の負荷を厳密に制御しなければならない。

また、本来、１軸の試験構成を実現するためには、一般的な単軸の強度試験装置で採用されているように、砂時計型やダンベル型などの試験片の一端は固定し、他端に荷重を与えるアクチュエータを配置した装置構成を採用すればよい。すなわち、１軸の試験構成を成すためには最低１個の荷重負荷装置があれば良い。これに対し、非特許文献１、特許文献１および２に記載の装置では、１軸の試験構成に２個の荷重負荷装置が含まれており、試験軸の数が増えると装置が非常に高価になる。

本発明は、上述した従来技術において、かかる点に鑑みなされたものであり、より具体的には、試験軸を複数有する試験装置において、荷重負荷装置の数が少なく安価であり、かつ、試験中に試験軸の交点が試験片の中央領域に自動調整される強度の試験装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明では、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、直線可動して試験片に負荷を与えるアクチュエータと、当該アクチュエータを所定の位置に保持するアクチュエータ固定台と、当該アクチュエータの端部に設けられたつかみ具と対をなして前記試験片をつかむ他方のつかみ具を備えた反力台と、当該アクチュエータ固定台と当該反力台を連結するベースから成る１軸試験構成を複数組含み、前記複数組の１軸試験構成の各アクチュエータの概ね軸中心を通る試験軸が全て１点で交わり、かつ同一平面に含まれるように前記複数組の１軸試験構成を配置し、前記複数組の１軸試験構成のうちの１つの１軸試験構成は固定されており、他の１軸試験構成は２軸リニアガイドにより試験軸を含む平面と平行に可動である試験装置が提案される。

また、他の一例を挙げるならば、直線可動して試験片に負荷を与えるアクチュエータと、当該アクチュエータを所定の位置に保持するアクチュエータ固定台と、当該アクチュエータの端部に設けられたつかみ具と対をなして前記試験片をつかむ他方のつかみ具を備えた反力台と、当該アクチュエータ固定台と当該反力台を連結するベースから成る１軸試験構成を複数組含み、前記複数組の１軸試験構成の各アクチュエータの概ね軸中心を通る試験軸が全て１点で交わり、かつ同一平面に含まれるように前記複数組の１軸試験構成を配置し、前記複数組の各１軸試験構成は１軸リニアガイドにより試験軸の方向に可動である試験装置が提案される。

本発明によれば、１軸の試験構成に含まれる荷重負荷装置は１個であるため、たとえ１軸試験構成を３組用意しても、必要なアクチュエータの数は３個であり、そのため、安価で安定した試験が可能な多軸強度試験装置が提供できる。また、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

強度試験装置の全体を示す模式図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す平面図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例のうち、４５゜軸の試験構成のみを抽出して示す斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例のうち、０゜軸の試験構成のみを抽出して示す斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す正面図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例に試験片を装着した場合の斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例で供試される試験片を示す斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例から派生する構造例を示す斜視図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例から派生する構造例を示す正面図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す模式図である。第１の実施形態による強度試験装置の第１の構造例から派生した構造例を示す模式図である。第１の実施形態による強度試験装置の第２の構造例を示す模式図である。第２の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す斜視図である。第２の実施形態による強度試験装置の第１の構造例のうち、０゜軸の試験構成のみを抽出して示す斜視図である。第２の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す模式図である。第２の実施形態による強度試験装置の第２の構造例を示す模式図である。第３の実施形態による強度試験装置の第１の構造例を示す模式図である。第３の実施形態による強度試験装置の第２の構造例を示す模式図である。第４の実施形態による強度試験装置の構造例を示す模式図である。上記第４の実施形態による強度試験装置の他の構造例を示す一部拡大平面図である。

以下、添付の図面を用いて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に共通する強度試験装置１００の全体構成を説明する。本体フレーム１０１には、試験片に荷重を与えるためのアクチュエータ１０２、荷重を検出するためのロードセル１０３が取り付けられている。本体フレーム１０１は、試験中にアクチュエータ１０２とロードセル１０３をある位置に保持するため、アクチュエータ１０２の発生する荷重に対して十分に剛な構造を有している。アクチュエータ１０２とロードセル１０３は、試験軸の数に応じて複数個が本体フレーム１０１に配置される。アクチュエータ１０２には可動部が直動する直動アクチュエータが適用される。アクチュエータ１０２を油圧で駆動する場合は、強度試験装置１００に油圧源１０５が含まれる。ただし、本発明の強度試験装置１００は、油圧駆動のアクチュエータだけでなく、電動アクチュエータや、その他の荷重負荷装置でも構成できる。アクチュエータ１０２は、制御装置１０４で荷重あるいは直動のストローク量を制御される。制御装置１０４は、ロードセル１０３や、図示されていない他の検出器（変位計など）の出力を監視しながら、アクチュエータ１０２が所定の荷重やストローク量を発生するようにフィードバック制御を行う。アクチュエータ１０２の数と同数の制御装置１０４を使用する場合もあれば、複数のアクチュエータ１０２を同時制御可能な制御装置１０４が適用される場合もある。データ収集システム１０５は、制御装置１０４が監視制御する荷重やストローク量などを記録しておくためのシステムであり、ＰＣなどが用いられる。制御装置１０４によって、図示されていない検出器の出力が監視制御される場合は、その出力をデータ収集システム１０５で記録することもできる。

〔実施の形態１〕
以下、図２〜１１を用いて、本発明の第１の実施形態による強度試験装置の、第１の構造例について説明する。図２は強度試験装置の本体フレームの斜視図、図３は図２の本体フレームを本体フレーム設置面（全ての試験軸を含む平面と平行な面）と垂直な方向から見た平面図、図４および５は図２の本体フレームから異なる１軸試験構成を抽出して示した図、図６は図２の本体フレームを設置面と水平な方向から見た正面図、図７は図２の本体フレームに試験片を装着した場合の斜視図、図８は試験片の斜視図、図９は図２の本体フレームに補剛部材を取り付けた場合の斜視図、図１０は図２と同様の方向から見た図９の正面図、図１１は図２の本体フレームの主要構成要素を模式的に示した図である。

図２、３に示すように本体フレーム１０１は、３個のアクチュエータ１、２、３と、３個のアクチュエータ固定台４０、４１、４２と、３個の反力台７、８、９と、３個のベース４、５、６を含んでおり、３組の１軸試験構成を有している。すなわち、アクチュエータ１、アクチュエータ固定台４０、反力台７がベース４に連結されて０゜軸１３の試験構成、アクチュエータ２、アクチュエータ固定台４１、反力台８がベース５に連結されて４５゜軸１４の試験構成、アクチュエータ３、アクチュエータ固定台４２、反力台９がベース６に連結されて９０゜軸１５の試験構成が実現されている。これら３組の１軸試験構成は、図３の平面図において０゜軸１３と４５゜軸１４が角度４５゜、４５゜軸１４と９０゜軸１５が角度４５゜をなすように配置されている。アクチュエータ１、２、３の概ね軸中心を通る試験軸が０゜軸１３、４５゜軸１４および９０゜軸１５であり、それらは軸交点２０で交わっており、同一平面に含まれている。

図４と５はそれぞれ、図２の本体フレームから４５゜軸１４の試験構成５１と０゜軸１３の試験構成５０を抽出した図である。アクチュエータ１、２、３は直線可動して試験片に与える荷重を発生し、端部につかみ具１１ａが装着されている。このつかみ具１１ａと対をなすつかみ具１１ｂが反力台７、８、９に装着され、つかみ具１１ａ、１１ｂによって試験片がチャックされる。また、アクチュエータが発生する荷重の大きさを検出するため、ロードセル１０３がアクチュエータとつかみ具１１aの間に装着されている。この構造例では、ロードセル１０３はアクチュエータとつかみ具１１ａの間に装着されているが、反力台７、８、９とつかみ具１１ｂの間にロードセル１０３を配置しても良い。

４５゜軸１４の試験構成に含まれるベース５は位置が固定されている。一方、０゜軸１３の試験構成に含まれるベース４と、９０゜軸の試験構成に含まれるベース６には、図５に示すように、２軸リニアガイド１２が装着されている。また、ベース４、５および６は試験軸１３、１４および１５を含む平面と平行に配置されており、図６に示すように、ベース４と５には距離ｈ２、ベース４と６には距離ｈ１の間隔が設けられている。このように各ベースが干渉しないように配置され、かつ２軸リニアガイド１２によって、ベース４を含む０゜軸１３の試験構成とベース６を含む９０゜軸１５の試験構成は、試験片が取り付けられていない状態において、試験軸１３、１４および１５を含む平面と平行に可動する。

図７に示すように、図８の試験片１６は、軸交点２０を通り、かつ試験軸１３、１４および１５を含む平面と垂直な軸２１が試験片中心２２を通るように、つかみ具でチャックして供試される。試験片１６は試験片中央から試験軸方向である０゜、４５゜および９０゜方向に端部を延出させた形状である。試験片１６の中央領域１９には、アクチュエータ１、２および３によって、構造物を構成する板の表面に現れる任意の多軸応力状態を再現することができる。

ここで、３組の１軸試験構成による多軸応力の発生原理を簡単に説明する。０゜軸１３の試験構成に含まれるアクチュエータ１の荷重１ｋNによって試験片の中央領域１９に発生する０゜、４５゜および９０゜方向の垂直応力を「σ0-0ACT」、「σ45-0ACT」および「σ90-0ACT」と定義する。同様に、４５゜軸１４の試験構成に含まれるアクチュエータ２の荷重１ｋNによる０゜、４５゜および９０゜方向の垂直応力を「σ0-45ACT」、「σ45-45ACT」および「σ90-45ACT」、９０゜軸１５の試験構成に含まれるアクチュエータ３の荷重１ｋNによる０゜、４５゜および９０゜方向の垂直応力を「σ0-90ACT」、「σ45-90ACT」および「σ90-90ACT」と定義する。アクチュエータ１、２、３の発生荷重がそれぞれ「αｋN」、「βｋN」および「γｋN」の場合、試験片の中央領域１９に生じる多軸応力は、以下の式（１）〜（３）として書ける。
σ0＝α・σ0-0ACT＋β・σ0-45ACT＋γ・σ0-90ACT …（１）
σ45＝α・σ45-0ACT＋β・σ45-45ACT＋γ・σ45-90ACT …（２）
σ90＝α・σ90-0ACT＋β・σ90-45ACT＋γ・σ90-90ACT …（３）

ここで、式（１）〜（３）の「σ0」、「σ45」、「σ90」は、それぞれ、試験片の中央領域１９に発生する０゜、４５゜および９０゜方向の垂直応力である。「σ0-0ACT」、「σ45-0ACT」、「σ90-0ACT」、「σ0-45ACT」、「σ45-45ACT」、「σ90-45ACT」、「σ0-90ACT」、「σ45-90ACT」および「σ90-90ACT」を予め実験や数値解析で把握しておけば、上記の式（１）〜（３）から明らかなように、アクチュエータ１、２および３の荷重を変化（α、βおよびγを変化）させることにより、中央領域１９に任意の多軸応力「σ0」、「σ45」および「σ90」を発生させることができる。

このような多軸応力状態で疲労試験を行うために、試験片１６の中央領域１９の板厚は、チャック部やアーム部２３、２４よりも板厚が薄くなっており、中央領域１９から疲労破壊が発生しやすくなっている。ベース４と６に可動する機構が備えられていない場合、アーム部２３、２４に曲げ荷重が作用し、アーム部２３、２４の付け根１７、１８に高い応力が発生する。このようなアーム部２３、２４の曲げ変形は、試験片１６の面内で生じる変形である。このような面内曲げ変形の結果、多軸応力状態で疲労試験を行うという本来の目的に反し、多軸応力状態ではない付け根１７、１８で疲労破壊が発生する。本構造例ではベース４、６が可動することにより、試験中に試験軸の交点２０が試験片の中央領域１９に自動調整されるため、中央領域１９から疲労破壊を生じさせることができる。

また、ベースの剛性を高くしないと、アクチュエータの発生する荷重でベースが大きく変形し、場合によっては試験片１６が板厚方向に変形し、中央領域１９に想定外の応力が発生する。このような試験片１６の面外変形を防ぐためには、ベース４、５および６に高剛性となる構造を採用すれば良い。ただし、可動する試験構成に含まれるベース４、６の剛性を高くした結果、これらの質量が大きくなると、可動する０゜軸と９０゜軸の試験構成の可動性が悪くなるため、高い繰返し周波数での疲労試験が難しくなる。このような場合、図９、１０に示すように、アクチュエータ側の固定台（４０、４１、４２）と反力台（７、８、９）を補剛部材（４３、４４、４５）で接続すれば、ベースの剛性のみを高くする場合に比べて軽量で試験片１６の面外変形を防ぐことができる。補剛部材４３、４４および４５の接続にボルト締結などを採用して着脱可能にすることで、試験片１６のチャック時や取り外し時には補剛部材を取り外した状態で作業を行うことができる。図１０において、補剛部材４３、４４および４５（図示されていない）はそれぞれ干渉しないように隙間を設けて接続されているため、ベース４、６の可動を補剛部材が妨げることはない。図９、１０では、１軸の試験構成に対し、補剛部材２本でアクチュエータ側の固定台と反力台が接続されており、補剛部材の断面形状は全て長方形となっている。補剛部材の数や断面形状は、この構造例に限らず、アクチュエータの発生する荷重、ベースの剛性、試験片の剛性に応じた数や形状に定めることができる。

図１１は本構造例について、本体フレーム１０１の主要構成要素であるアクチュエータ（１、２、３）、反力台（７、８、９）、ベース（４、５、６）および２軸リニアガイド１２の平面配置を示す模式図であり、試験軸の角度位置は図３の平面図と同様に正確に描かれている。アクチュエータ１とアクチュエータ２は角度の間隔が１３５゜、１と３は角度の間隔が９０゜となるように配置されているが、図１２に示すようにアクチュエータ１とアクチュエータ２の角度間隔を４５゜、アクチュエータ１とアクチュエータ３の角度間隔が９０゜となるように配置しても良い。すなわち、同じベースに連結されるアクチュエータと反力台は軸交点２０を境としてどちら側に配置しても、本構造例と同様に、試験片１６の付け根１７、１８に曲げ荷重による高応力を発生させることなく、中央領域１９に多軸応力状態を発生させることができる。また、本構造例では９０゜軸試験構成に含まれるベース６が、図３、１１および１２の平面図では紙面から最も手前側、図６の正面図では最も紙面上の上方に配置されている。これに対し、０゜軸の試験構成に含まれるベース４が平面図において最も手前側、正面図において最も上方に配置されても、やはり本構造例と同じような装置の機能を実現することができる。このように、ベース４、５および６の試験軸を含む平面と垂直方向の位置関係は、ベースが互いに干渉しないにように配置できれば、特に本構造例に限定されることなく、本発明の効果を得ることができる。さらに、本構造例では４５゜軸の試験構成の位置を固定し、ベース４と６に２軸リニアガイド１２を装着して０゜軸と９０゜軸の試験構成を可動としたが、どの軸を選択して位置を固定しても、他の２軸の試験構成を可動とすれば、やはり本発明の効果を得ることができる。

本構造例のように、１軸の試験構成３組を、図３および１１に示す平面において０゜、４５゜および９０゜の角度位置に配置するメリットとして、０゜軸１３の試験構成と９０゜軸１５の試験構成のみを利用すれば、非特許文献１に記載されている２軸負荷の強度試験を実施できる点も挙げられる。

次に、図１３を用いて、本発明の第１の実施形態による強度試験装置の、第２の構造例について説明する。図１３は、第１の構造例を模式図１１で示したように、第２の構造例について本体フレームの主要構成要素を模式的に示した図である。

第１の実施形態の第１の構造例と同様に、アクチュエータ１、３２、３３、反力台７、３８、３９およびベース４、３５、３６が含まれており、３軸の試験構成が実現されている。アクチュエータの概ね軸中心を通る試験軸１３、３１、３４は軸交点２０で交わっており、同一平面に含まれている。ただし、第１の構造例では試験軸が、図３、１１に示すように試験軸を含む平面において０゜、４５゜および９０゜の角度位置に配置されていたが、第２の構造例では試験軸が同様の平面において０゜、６０゜および１２０゜の角度位置に配置されている。このような１軸試験構成の配置であっても、第１の構造例と同様の発明の効果を得ることができる。この第２の構造例のメリットとして、試験軸間の角度を４５゜から６０゜に広げることができるため、本体フレーム１０１の構成要素を第１の実施形態の第１の構造例よりも余裕をもって配置することができる。また、試験片５６は試験片中央から試験軸方向である０゜、６０゜および１２０゜方向に端部が延出された形状を採用するが、この形状では図８の形状と比べて、試験片のアーム部間角度が全て６０゜になるため、曲げ荷重に起因する高応力によるアーム部の付け根１７の疲労破壊を防ぎやすい。

〔実施の形態２〕
次に、図１４〜１６を用いて本発明の第２の実施形態による強度試験装置の、第１の構造例について説明する。図１４は本構造例による本体フレーム１０１の斜視図、図１５は本体フレームから１軸の試験構成を抽出して示した図、図１６は本構造例の本体フレームのうち、主要な構成要素のみを示した模式図である。図１６についても、図１１〜１３の模式図と同様に、試験軸を含む平面における構成要素の角度位置は正しく描かれている。全ての試験軸が同一平面に含まれ、かつ軸交点２０の１点で交わっていること、試験軸が含まれる平面と平行に可動な１軸試験構成が動く、といった特徴も第１の実施形態と同様である。

１軸の試験構成を３組用意するため、第１の実施形態と同様に、本体フレーム１０１はアクチュエータ（１、２および３）、アクチュエータ固定台（４０、４１、４２）、反力台（７、８および９）およびベース（４、５および６）を含んでいる。また、第１の実施形態の第１の実施例について図６で示したように、ベース４、５および６は、試験軸を含む平面と垂直をなす方向に、互いに異なる位置に配置されており、試験構成が可動であってもベース同士が互いに干渉しない点も第１の実施形態の構造例と同様である。ただし、第１の実施形態と異なり、全ての１軸試験構成が試験軸の方向に可動に設置されている。すなわち、０゜軸１３の試験構成は０゜軸方向に直線可動するように１軸リニアガイド２５が取り付けられている。４５゜軸１４と９０゜軸１５の試験構成に対しても同様に、４５゜軸および９０゜軸方向に直線可動するように、１軸リニアガイド２５がベースに装着されている。このようなベース４、５および６へのリニアガイド配置によって、アクチュエータ１、２および３によって試験片１６に荷重が作用し、試験片１６が変形しても、１軸リニアガイド２５によって軸交点２０は常に同じ位置に保持される。その結果、試験片１６のアーム部に曲げ荷重が作用しないため、試験中に試験片１６のアーム部の付け根１７、１８から想定外の疲労破壊が発生することはない。

図１６では、９０゜軸１５の試験構成に含まれるベース６が紙面から最も手前側に描かれ、４５゜軸１４の試験構成に含まれるベース５が最も奥側に描かれているが、第１の実施形態と同様に、試験軸を含む平面と垂直方向のベースの位置関係は、図１４と１６に示した位置関係に限られない。例えば、ベース４あるいは５が図１６において紙面から最も手前側に位置されていても、本発明による効果は問題なく得られる。

この第２の実施形態では、１軸リニアガイドなど、ある１軸方向への可動機構のみで本体フレーム１０１を構成できる。１軸リニアガイドは２軸リニアガイド１２に比べて寸法が小さいため、第１の実施形態で示した図６のベース間距離ｈ１やｈ２を小さくできる。ベース間距離ｈ１やｈ２が小さくできれば、試験時に反力台やベースに作用する曲げ荷重が小さくなるため、軽量で剛性の高い試験構成が実現でき、高い繰返し周波数での疲労試験が可能な強度試験装置を提供することができる。第１の実施形態では、図２に示すように、位置が固定されるベース５の上に２軸リニアガイド１２を介して可動する０゜軸と９０゜軸の試験構成を設置できる。一方、第２の実施形態では、全ての１軸試験構成が可動することになるため、４５゜軸の試験構成に含まれるベース５にも１軸リニアガイドを配置する必要がある。

図１７に第２の実施形態の第２の構造例を示す。この構造例は、図１３に示した第１の実施形態の第２の構造例と同様に、試験軸を含む平面において３本の試験軸が角度６０゜の間隔をなすように、３個のベース４、３５および３６が配置されている。ただし、図１３に示した構造例とは異なり、各ベースには１軸リニアガイド２５が装着されており、試験軸方向に各１軸試験構成は直線可動する。本構造例でも、第２の実施形態の第１の構造例と同様に、１軸リニアガイド２５によって試験中に軸交点２０は常に同じ位置に保たれ、試験片５６のアーム部に曲げ荷重が作用することがない。また、第１の構造例と比較して、試験軸間の角度間隔が広いため、余裕を持って試験装置の構成要素を配置することができる。

〔実施の形態３〕
次に、図１８を用いて本発明の第３の実施形態による強度試験装置の、第１の構造例について説明する。図１８は本構造例の本体フレーム１０１のうち、主要な構成要素のみを示す模式図である。図１８についても、図１１〜１３の模式図と同様に、試験軸を含む平面における構成要素の角度位置は正しく描かれている。全ての試験軸が同一平面に含まれ、かつ軸交点２０の１点で交わっていること、試験軸が含まれる平面と平行にベースが動く、といった特徴も第１および第２の実施形態と同様である。

第３の実施形態の強度試験装置では、本体フレーム１０１は２組の１軸試験構成を有している。第１、２の実施形態と同様に、各試験構成はアクチュエータ（１、３）、アクチュエータ固定台（図１８に示されていない）、反力台（７、９）およびベース（４、６）を主な構成要素として含んでいる。図１８の構造例では、０゜軸１３の試験構成と９０゜軸１５の試験構成の２組の１軸試験構成を含んでいる。０゜軸１３の試験構成は位置が固定されているが、９０゜軸１５の試験構成ではベース６に２軸リニアガイド１２が取り付けられており、試験軸を含む平面に平行に可動する。このような本体フレーム構造により、非特許文献１に記述されている２軸試験と同様の試験が、２個のアクチュエータで実施できる。したがって、第３の実施形態の強度試験装置で試験に供する試験片６６の形状は、中央領域から十字にアーム部が伸びた十字形である。この構造例では、図２に示した第１の実施形態のように、位置が固定されているベース４の上に、２軸リニアガイド１２を介して可動する９０゜軸１５の試験構成を配置できるため、可動する１軸試験構成を配設するために、試験軸を含む平面と平行な設置面を新たに用意する必要がない。

図１９に、第３の実施形態の第２の構造例を示す。この構造例は、図１８の構造例と同様に、２組の１軸試験構成を含んでおり、アクチュエータ（１、３）、アクチュエータ固定台（図１９に図示されていない）、反力台（７、９）およびベース（４、６）が各試験構成の主な構成要素である。０゜軸１３の試験構成に含まれるベース４と、９０゜軸１５の試験構成に含まれるベース６には１軸リニアガイド２５が設置されており、０゜軸１３と９０゜軸１５の試験軸方向への直線可動を実現している。このようなリニアガイド配置により、第２の実施形態と同様に、アクチュエータにより試験片６６に荷重が与えられ、試験片６６が変形しても、１軸リニアガイドが可動することで軸交点２０が動くことはない。その結果、試験片６６のアーム部に曲げ荷重が作用しないので、アーム部の付け根に想定外の高応力が発生し、そこから想定外の疲労破断が生じることはない。

第３の実施形態の構造例１、２の模式図１８、１９では、紙面から最も手前側に９０゜軸１５の試験構成が配置されているが、０゜軸１３の試験構成が紙面から手前側に配置されていても同様の発明の効果を得ることができる。

〔実施の形態４〕
更に、図２０を用いて、本発明の第４実施形態になる強度試験装置の構造例について説明する。なお、この図２０においても、上記と同様の構成要件は、同じ参照符号を付して示されている。図からも明らかなように、それぞれのアクチュエータ１、３と反力台７、９の端部には、つかみ具１１ａと１１ｂが取り付けられ、また、アクチュエータ側にはロードセル１０３が設けられている。当該第４実施形態では、上述した実施の形態と異なり、可動する１軸試験構成については、アクチュエータ固定台（４０、４２）と反力台（７、９）を板状のベースではなく、棒状のベース（４、６）で連結している。加えて、他の実施の形態では１軸試験構成を可動とするために１軸もしくは２軸のリニアガイドをベースに配置したが、当該の実施形態ではベースではなく、アクチュエータ固定台４０、４２と反力台７、９にリニアガイド２５を配置している。

図２０の構造例の主要な構成要素のみを模式図で示すと、図１９と同様の図になる。図１９ではベース４と６が板状のように描かれているが、これを棒状のベースと解釈すれば、各１軸構成要素の角度関係、可動方向に関して図２０の構造例は図１９の構造例と同じである。こうして、図２０のように棒状のベースを採用し、リニアガイドをアクチュエータ固定台、反力台に配置する構造であっても、第１から第３の実施形態（図１１、１２、１３、１６、１７、１８および１９）と同様の機能・作用を達成することが可能である。つまり、図２０の構造例では、０゜軸の試験構成と９０゜軸の試験構成を有する２軸構造を示したが、しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、例えば、０゜軸、９０゜軸、そして４５゜軸に沿って配置した３軸構造とすることも可能である。図２１には、上述した第４実施形態になる強度試験装置を三軸構造にした場合の、試験片１６を中心として、その一部を拡大した平面構成が示されている。第４の実施形態では、全ての試験軸を含む平面を境として異なる２つの側に棒状のベースを配置できるので、図９、１０で示した補剛部材の適用よりも効果的に試験片の面外曲げを防止することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…アクチュエータ（０゜軸用）、２…アクチュエータ（４５゜軸用）、３…アクチュエータ（９０゜軸用）、４…ベース（０゜軸用）、５…ベース（４５゜軸用）、６…ベース（９０゜軸用）、７…反力台（０゜軸用）、８…反力台（４５゜軸用）、９…反力台（９０゜軸用）、１１ａ…つかみ具（アクチュエータ側）、１１ｂ…つかみ具（反力台側）、１２…２軸リニアガイド、１３…０゜試験軸、１４…４５゜試験軸、１５…９０゜試験軸、１６…試験片（０゜、４５゜、９０゜アーム形）、１７…試験片アーム付け根（０゜−４５゜間）、１８…試験片アーム付け根（０゜−９０゜間）、１９…試験片中央領域、２０…試験軸交点、２１…試験軸交点を通り、試験軸を含む平面と垂直な軸、２２…試験片中心、２３…試験片アーム部（０゜、４５゜）、２４…試験片アーム部（９０゜）、２５…１軸リニアガイド、３１…６０゜試験軸、３２…アクチュエータ（６０゜軸用）、３３…アクチュエータ（１２０゜軸用）、３４…１２０゜試験軸、３５…ベース（６０゜軸用）、３６…ベース（１２０゜軸用）、３８…反力台（６０゜軸用）、３９…反力台（１２０゜軸用）、４０…アクチュエータ固定台（０゜軸用）、４１…アクチュエータ固定台（４５゜軸用）、４２…アクチュエータ固定台（９０゜軸用）、４３…補剛部材（０゜軸用）、４４…補剛部材（４５゜軸用）、４５…補剛部材（９０゜軸用）、４６…本体フレーム設置面、５０…１軸試験構成（０゜軸用）、５１…１軸試験構成（４５゜軸用）、５６…試験片（０゜、６０゜、１２０゜アーム形）、６６…試験片（十字形）、１００…強度試験装置、１０１…本体フレーム、１０２…アクチュエータ、１０３…ロードセル、１０４…制御装置、１０５…油圧源、１０６…データ収集システム

Claims

直線可動して試験片に負荷を与えるアクチュエータと、当該アクチュエータを所定の位置に保持するアクチュエータ固定台と、当該アクチュエータの端部に設けられたつかみ具と対をなして前記試験片をつかむ他方のつかみ具を備えた反力台と、当該アクチュエータ固定台と当該反力台を連結するベースから成る１軸試験構成を複数組含み、
前記複数組の１軸試験構成の各アクチュエータの概ね軸中心を通る試験軸が全て１点で交わり、かつ同一平面に含まれるように前記複数組の１軸試験構成を配置し、
前記複数組の１軸試験構成のうちの１つの１軸試験構成は固定されており、他の１軸試験構成は２軸リニアガイドにより試験軸を含む平面と平行に可動であることを特徴とする試験装置。
直線可動して試験片に負荷を与えるアクチュエータと、当該アクチュエータを所定の位置に保持するアクチュエータ固定台と、当該アクチュエータの端部に設けられたつかみ具と対をなして前記試験片をつかむ他方のつかみ具を備えた反力台と、当該アクチュエータ固定台と当該反力台を連結するベースから成る１軸試験構成を複数組含み、
前記複数組の１軸試験構成の各アクチュエータの概ね軸中心を通る試験軸が全て１点で交わり、かつ同一平面に含まれるように前記複数組の１軸試験構成を配置し、
前記複数組の各１軸試験構成は１軸リニアガイドにより試験軸の方向に可動であることを特徴とする試験装置。
請求項１又は２に記載の試験装置において、
前記複数組の１軸試験構成として前記１軸試験構成を３組含み、当該３組の1軸試験構成の各アクチュエータの概ね軸中心を通る３本の前記試験軸が０°、４５°、９０°の角度関係を有するように配置したことを特徴とする試験装置。
請求項１から３の何れか１項に記載の試験装置において、
前記アクチュエータ固定台と前記反力台が、全ての前記試験軸を含む平面を境として異なる２つの側の空間内で前記ベースあるいは補剛部材によって接続されたことを特徴とする試験装置。