JP6648657B2 - 疲労・耐久試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、試験片等の供試体を加振することにより疲労試験を行い、あるいは、部品等の供試体を加振することにより耐久試験を行う疲労・耐久試験装置に関する。

例えば、自動車部品や完成車メーカーを中心とする輸送機業界では、堅牢かつ軽量な新素材や新機構の研究開発が進んでいることから、安全性と信頼性を高める目的で様々な部品に対する耐久性評価のニーズが高まっている。このような耐久試験には、従来、油圧サーボ機構を備えた疲労・耐久試験装置が使用されてきた。しかしながら、油圧式の疲労・耐久試験装置においては、作動油の定期交換やバルブの定期交換が必要となるばかりではなく、その占有スペースも大きなものとなる。

このため、近年、モータ駆動方式の疲労・耐久試験装置も多用されている。このような疲労・耐久試験装置は、モータと、このモータの駆動により回転するボールねじと、このボールねじと螺合するナットと、このナットに連結されたピストンとを備え、ボールねじの回転運動をピストンの往復運動に変換することにより、供試体に対して負荷を付与する構成を有する。

特許文献１には、疲労・耐久試験装置にも使用できる電動アクチュエータが開示されている。この電動アクチュエータは、ボールねじ軸の外周面にボールスプライン溝を設けた複合軸に、スプライン用外筒、ボールねじナットおよび中空モータを組み込み、中空のモータ駆動軸を、ベアリングを介してケーシングに相対回転自在に支持すると共に、モータ本体とスプライン用外筒を、ケーシングに対して軸方向及び回転方向に移動不能に固定し、中空のモータ駆動軸の端部にボールねじナットを一体的に連結し、モータ駆動軸の回転駆動力を、ボールねじナットを介して複合軸の軸方向推力に変換し、推力の軸方向反力を中空モータのベアリングで支持して複合軸を直線運動させ、複合軸に作用する軸方向荷重をボールねじナットで負荷すると共にトルクをスプライン用外筒で支持し、全方向のラジアル荷重およびモーメント荷重をスプライン用外筒およびボールねじナットで支持して位置決めを行っている。

この種の電動アクチュエータにおいては、ボールねじとナットの潤滑のためにグリスが使用される。しかしながら、ボールねじがわずかな角度だけ往復回転することによりボールねじとナットとが微摺動するときには、グリスの粘性によりグリスが摺動部に十分に行き渡らないことから、潤滑切れ現象が発生することがある。また、電動アクチュエータを連続的に高速で駆動していると、ボールねじとナット部分の摩擦により熱が発生し、その周囲の温度ひいては電動アクチュエータ全体の温度が上昇するので、各種部品の使用限界に達することがある。

このため、ボールねじやナットの温度をセンサにより測定し、その温度が許容温度を超えたときに装置を停止することも考えられる。しかしながら、回転するボールねじや往復移動するナットの温度を測定することは容易ではない。このため、ボールねじやナットの近傍に温度センサを配設することも考えられるが、大気は熱伝導率が低いことから、このようなセンサによりボールねじやナットの温度を測定することは困難である。

特許文献２には、振動試験に使用可能な電動アクチュエータが開示されている。この電動アクチュエータは、ボールねじとナットとを収容するケース内に充填される潤滑油と、ケース内に収容される弾性部材とを備えている。この電動アクチュエータによれば、ボールねじとナットとが潤滑油に油浸され、常時、両者の潤滑が行われる。そして、出力筒がケース内で出入りしても、弾性部材の体積変化によって出力筒が円滑に移動することが可能となり、微振幅で伸縮するような場合でも、フレッティングが発生せず、電動アクチュエータの劣化を防止することができる。

特開平６−３００１０６号公報 特開２０１６−５４６１８号公報

特許文献２に記載の電動アクチュエータによれば、ケース内に貯留された潤滑油により十分な潤滑が実現され、また、潤滑油によりボールねじやナットの昇温を抑制することが可能となる。

ここで、一般に、疲労・耐久試験装置を使用して疲労・耐久試験を行う場合には、高速の往復運動を何日間にもわたって連続で実行する必要がある。このような場合には、ボールねじとナットとの摺動部で摩擦熱が発生し、この摩擦熱が長い時間にわたって蓄積されることにより、ボールねじやナットの温度が許容温度を超えてしまう場合がある。このように、許容温度を超えた状態で疲労・耐久試験を続けた場合には、ボールねじやナットが損傷するばかりではなく、発煙または発火の可能性もある。このような現象は、特許文献２に記載したように、ケース内に潤滑油を貯留した場合においても同様に生ずる可能性がある問題である。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、疲労・耐久試験を安全に実行することが可能な疲労・耐久試験装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、モータと、前記モータの駆動により回転するボールねじと、前記ボールねじと螺合するナットと、前記ナットに連結されたピストンとを備え、前記ボールねじの回転運動を前記ピストンの往復運動に変換することにより供試体に対して負荷を付与する疲労・耐久試験装置であって、前記ボールねじおよび前記ナットを囲い、内部に潤滑油を貯留したケーシングと、前記ケーシング内に貯留された潤滑油の温度を検出する温度検出器と、前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度に基づいて、前記モータの回転を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の疲労・耐久試験装置において、前記ピストンの前記ボールねじの軸心を中心とした回転を規制する回転規制機構を、前記ケーシングの外部に備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の疲労・耐久試験装置において、前記回転規制機構は、前記ピストンとともに往復移動する連結部材と、前記連結部材における前記ボールねじの軸心を中心とした回転を規制する回転規制部材とを備えるとともに、前記連結部材の往復移動時の位置を検出するセンサをさらに備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の疲労・耐久試験装置において、前記制御部は、前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度が設定温度以上となったときに、前記ボールねじの回転を停止させる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の疲労・耐久試験装置において、前記制御部は、前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度に応じて、前記ボールねじの回転速度を変更し、または、前記ボールねじを間欠的に回転させる。

請求項１から請求項５に記載の発明によれば、温度検出器により潤滑油を介してボールねじおよびナットの温度が上昇したことを検知することが可能となる。このため、潤滑油の温度に応じてボールねじの回転を停止し、あるいは、ボールねじの回転を制御することにより、ボールねじやナットの損傷や発火等の問題を防止して、疲労・耐久試験を安全に実行することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、ボールスプライン等を使用することなくピストンおよびそこに連結されたナットの回転を防止することができる。このため、ピストン付近においてケーシング内の潤滑油が外部に漏洩することを防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、回転規制機構における連結部材の位置を検出することにより、ピストンの位置を認識することが可能となる。

この発明に係る疲労・耐久試験装置の概要図である。 この発明に係る疲労・耐久試験装置の主要な制御系を示すブロック図である。 この発明の第２実施形態に係る疲労・耐久試験装置の概要図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る疲労・耐久試験装置の概要図である。

この疲労・耐久試験装置は、モータ１１と、このモータ１１の駆動により回転するボールねじ１３と、このボールねじ１３と螺合するボールねじ用のナット１４と、このナット１４に連結された中空状のピストン１８とを備える。ボールねじ１３やピストン１８等は、筒状のケーシング１０内に収納されている。そして、このケーシング１０内には、潤滑油が貯留されている。なお、この潤滑油は、ピストン１８の往復運動によるケーシング１０内の容積の変化に対応するため、ケーシング１０内の容積の８０パーセント程度を満たす量となっている。

モータ１１としては、ＡＣサーボモータが採用される。このモータ１１の内部には、後述するエンコーダ３１が配設されている。このモータ１１の回転軸１２は、カップリング２１および連結軸１９を介して、ボールねじ１３と接続されている。なお、連結軸１９は、ベアリング２２により回転可能に軸支されている。また、ケーシング１０の一端には、連結軸１９が貫通可能な孔部を有する蓋部材２６が配設されている。この蓋部材２６と連結軸１９との間には、オイルシール１６が配設されており、潤滑油の外部への漏洩が防止されている。

また、蓋部材２６には、ケーシング１０内に貯留された潤滑油の温度を検出するための温度センサ１５が配設されている。この温度センサ１５としてはサーミスタや測温抵抗体、熱電対などの電気式温度センサを使用することができる。

ボールねじ１３におけるモータ１１とは逆側の端部は、ピストン１８における中空部内に侵入している。ピストン１８は、案内部材２３により、軸心方向（図１における左右方向）にスライド可能に支持されている。このピストン１８は、ロードセル２４を介して供試体２５と接続されている。ピストン１８と案内部材２３との間には、オイルシール１７が配設されており、潤滑油の外部への漏洩が防止されている。

ピストン１８におけるケーシング１０の外部領域の一端には、連結部材４１が配設されている。この連結部材４１は、ケーシング１０の外部に配設されたリニアブッシュ４３により摺動可能に支持されたリニアシャフト４２の端部と接続されている。この連結部材４１、リニアシャフト４２およびリニアブッシュ４３の作用により、ピストン１８およびナット１４がその軸心を中心として回転することが規制される。このような回転規制機構を採用することにより、ピストン１８の外周部に、潤滑油の漏洩の原因となるボールスプライン等を配設する必要はない。

リニアシャフト４２には、ストロークセンサ３２の移動部４４が固定されている。また、ケーシング１０の外周部に配設された支持部４６には、ストロークセンサ３２の固定部４５が支持されている。このストロークセンサ３２により、連結部材４１の移動量を検出することにより、ピストン１８の移動量を検出することが可能となる。

図２は、この発明に係る疲労・耐久試験装置の主要な制御系を示すブロック図である。

この疲労・耐久試験装置は、論理演算を実行するプロセッサーとしてのＣＰＵ、装置の制御に必要な動作プログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等を備え、装置全体を制御する制御部３０を備える。この制御部３０は、モータ１１と、このモータ１１によるボールねじ１３の回転状態を検出するためのエンコーダ３１と、供試体２５に負荷される試験力を検出するためのロードセル２４と、ケーシング１０内に貯留された潤滑油の温度を検出するための温度センサ１５と、ピストン１８の移動量を検出するためのストロークセンサ３２と接続されている。また、この制御部３０は、後述する警告表示を表示し、または、警告音を発生するための警告部３３と接続されている。

この発明に係る疲労・耐久試験装置により疲労試験あるいは耐久試験を実行するときには、モータ１１の駆動により、ボールねじ１３を時計回り方向および反時計回り方向に往復して回動させる。このボールねじ１３の回転に伴って、ナット１４がボールねじ１３の軸心方向（図１における左右方向）に往復移動する。これにより、ナット１４に接続されたピストン１８が直線的に往復移動し、供試体２５には、ロードセル２４を介して、往復振動による試験負荷が付与される。

このときの供試体２５の変位量は、エンコーダ３１により検出したボールねじ１３に回転状態に基づいて制御部３０により演算され、また、ストロークセンサ３２により検出される。また、このときの供試体２５への試験負荷の大きさは、ロードセル２４により測定され、制御部３０に送信される。

このような試験を連続して実行した場合には、互いに摺動するボールねじ１３とナット１４の温度が上昇する。しかしながら、この疲労・耐久試験装置においては、ケーシング１０内に貯留された潤滑油の作用により、ボールねじ１３およびナット１４が冷却される。そして、潤滑油を媒体として、ボールねじ１３およびナット１４の発熱をケーシング１０全体から大気放熱することができるので、ボールねじ１３およびナット１４の温度上昇を抑制することができる。このとき、ボールねじ１３およびナット１４は、ケーシング１０内の貯留された潤滑油内に浸漬されていることから、この潤滑油により十分な潤滑が実現される。

ボールねじ１３およびナット１４の温度は、熱伝導率が高い潤滑油を介して、温度センサ１５により検出される。そして、温度センサ１５により検出した潤滑油の温度に応じて、モータ１１によるボールねじ１３の回転を制御する。より具体的には、この疲労・耐久試験装置においては、温度センサ１５により検出した潤滑油の温度が第１の設定温度以上になったときには、モータ１１によるボールねじ１３の回転速度を低下させる低速運転、または、モータによるボールねじ１３の回転を間欠的に実行する間欠運転のいずれかを実行する。また、制御部３０は、警告部３３に信号を送信し、潤滑油の温度が第１の設定温度に達した旨の警告を警告表示または警告音等により実行する。

また、潤滑油の温度がさらに上昇し、上述した第１の設定温度より高い第２の設定温度以上となったときには、制御部３０は、モータ１１の回転を停止することにより、疲労試験あるいは耐久試験を停止する。また、制御部３０は、警告部３３に信号を送信し、潤滑油の温度が第２の設定温度に達し、試験が停止した旨の警告を警告表示または警告音等により実行する。

このような構成を採用した場合においては、潤滑油の温度に応じてボールねじ１３の回転を制御することにより、ボールねじ１３およびナット１４の温度が過度に上昇しない範囲において疲労試験または耐久試験を実行することが可能となる。これにより、ボールねじ１３やナット１４の損傷を防止することができる。また、潤滑油の温度がさらに高温となった場合には、試験を停止することにより、ボールねじ１３とナット１４の螺合部分からの発煙や発火の問題を防止することができる。このため、疲労・耐久試験を安全に実行することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、潤滑油の温度が第１の設定温度以上となったときに低速運転または間欠運転のいずれかを実行し、潤滑油の温度が第２の設定温度以上となったときに試験を停止する構成を採用しているが、低速運転または間欠運転を行うことなく、試験を停止する構成としてもよい。

次に、この発明の他の実施形態について説明する。図３は、この発明の第２実施形態に係る疲労・耐久試験装置の概要図である。なお、上述した第１実施形態と同様の部材については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

上述した第１実施形態においては、温度センサ１５を蓋部材２６に配設した構成を有する。このような構成を採用した場合においては、蓋部材２６が上側に配置される状態で疲労・耐久試験を実行した場合においては、温度センサ１５により潤滑油の温度を測定することが不可能となる。このため、この第２実施形態においては、温度センサ１５を、ケーシング１０の中央部付近に配置した構成を有する。

上述したように、潤滑油は、ピストン１８の往復運動によるケーシング１０内の容積の変化に対応するため、ケーシング１０内の容積の８０パーセント程度を満たす量となっている。このため、このような構成を採用した場合においては、ケーシング１０を縦方向に配置した場合においても、温度センサ１５により潤滑油の温度を測定することが可能となる。また、ケーシング１０を水平方向に配置した場合においては、ケーシング１０の軸心回りの角度位置を調整することにより、温度センサ１５により潤滑油の温度を測定することが可能となる。

なお、例えば、温度センサ１５を、図１および図３に示す両方の位置に配設するなど、複数の温度センサ１５を使用することにより、いずれかの温度センサ１５で潤滑油の温度を測定可能とする構成を採用してもよい。

１０ ケーシング
１１ モータ
１２ 回転軸
１３ ボールねじ
１４ ナット
１５ 温度センサ
１６ オイルシール
１７ オイルシール
１８ ピストン
２２ ベアリング
２３ 案内部材
２４ ロードセル
２５ 供試体
３０ 制御部
３１ エンコーダ
３２ ストロークセンサ
３３ 警告部
４１ 連結部材
４２ リニアシャフト
４３ リニアブッシュ

Claims (5)

1. モータと、前記モータの駆動により回転するボールねじと、前記ボールねじと螺合するナットと、前記ナットに連結されたピストンとを備え、前記ボールねじの回転運動を前記ピストンの往復運動に変換することにより供試体に対して負荷を付与する疲労・耐久試験装置であって、
   前記ボールねじおよび前記ナットを囲い、内部に潤滑油を貯留したケーシングと、
   前記ケーシング内に貯留された潤滑油の温度を検出する温度検出器と、
   前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度に基づいて、前記モータの回転を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする疲労・耐久試験装置。
2. 請求項１に記載の疲労・耐久試験装置において、
   前記ピストンの前記ボールねじの軸心を中心とした回転を規制する回転規制機構を、前記ケーシングの外部に備える疲労・耐久試験装置。
3. 請求項２に記載の疲労・耐久試験装置において、
   前記回転規制機構は、前記ピストンとともに往復移動する連結部材と、前記連結部材における前記ボールねじの軸心を中心とした回転を規制する回転規制部材とを備えるとともに、
   前記連結部材の往復移動時の位置を検出するセンサをさらに備える疲労・耐久試験装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の疲労・耐久試験装置において、
   前記制御部は、前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度が設定温度以上となったときに、前記ボールねじの回転を停止させる疲労・耐久試験装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の疲労・耐久試験装置において、
   前記制御部は、前記温度検出器により検出した前記潤滑油の温度に応じて、前記ボールねじの回転速度を変更し、または、前記ボールねじを間欠的に回転させる疲労・耐久試験装置。
   

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