JP6772679B2 - 疲労試験装置及び疲労試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、疲労試験装置及び疲労試験方法に関し、より詳しくは、特に薄板試験片の軸力疲労特性を測定することができる疲労試験装置及び疲労試験方法に関する。

構造部材として使用される鋼材料に必要とされる特性として、疲労強度がある。構造材料の中でも、特に自動車足回り部材で使用されるホイールは、薄板鋼板から制作され、タイヤの回転時に両振り繰返し負荷を受ける。このため、ホイールに用いられる薄板鋼板には完全両振りの軸力疲労特性が要求される。しかし、薄板鋼板の軸力疲労試験は試験片のねじりや座屈の影響を受けるため、正しい試験を行うことが難しく、曲げ試験しかできない。

特開昭６２−２８６３７号公報には、供試材に曲げやねじりを加えず、かつ供試材を小径の素材から得られるようにした供試材つかみ具が開示されている。

特開２０１２−１４９９４３号公報には、一対のつかみ具によって把持された試験片に対して、引張・圧縮試験及びねじり試験を行う材料試験機が記載されている。この材料試験機は、一対の油圧シリンダが接続されたクロスヘッドを備えている。クロスヘッドには、軸心調整装置やロードセルを介して、試験片の上端を保持する上つかみ具が配置されている。同公報には、一対の油圧シリンダを伸縮させてクロスヘッドを昇降させることにより、試験片に引張・圧縮負荷を加えることが記載されている。

特開昭６０−２２８０５１号公報には、一対の爪の拡縮動に伴ってワークを脱着するつかみ装置が記載されている。

特開昭６２−２８６３７号公報 特開２０１２−１４９９４３号公報 特開昭６０−２２８０５１号公報

G. Sine, "Behavior of Metals Under Complex static and Alternating Stresses", in Metal Fatigue, G. Sine and J. L. Waisman (Eds.), McGraw-Hill, New York, 1959, pp.145-169

一般的な軸力疲労試験装置は、試験片の両端部を把持し、一方の端部を油圧シリンダで上下運動させて、軸方向に繰返し負荷を加える。油圧シリンダは、摩擦抵抗を生じないように、シリンダチューブに対してピストンロッドが軸方向のまわりに回転するように設計されている。ピストンロッドが回転すると、試験片にねじり応力が加わる。

曲げ疲労試験において、静的なねじり応力が降伏応力以上になると疲労強度が低下することが知られている（G. Sine, "Behavior of Metals Under Complex static and Alternating Stresses", in Metal Fatigue, G. Sine and J. L. Waisman (Eds.), McGraw-Hill, New York, 1959, pp.145-169)。軸力疲労試験においても、試験片に加わる静的なねじり応力を降伏応力よりも小さくする必要がある。

丸棒や厚板の試験片を用いた測定では、試験片に十分なねじり剛性があるため、ねじり応力による影響は比較的小さい。しかし、薄板試験片を用いた測定では、板厚の減少に伴うねじり剛性の低下が顕著になる。

具体的には、板中央部に発生する最大せん断応力τ_ｍａｘは、下記の式で表される。

ここで、Ｍ_ｔは負荷トルク、ｂは板幅、ｈは板厚である。ξは寸法によって変化する係数で、ｂ／ｈが１〜∞のときに０．２０８〜０．３３３の値をとる。このとき、ねじり剛性はξｂｈ^２で表されｈ^２に比例するため、板厚が減少すると剛性が低下する。剛性が低下すると、最大せん断応力が高くなり、試験片がねじり変形によって降伏しやすくなる。

特開昭６２−２８６３７号公報は供試材つかみ具（チャック）に関するものであり、シリンダ（ピストンロッド）の回転に起因するねじりを防ぐことはできない。

特開２０１２−１４９９４３号公報は、引張・圧縮試験に関するものである。同公報には、一対の油圧シリンダを伸縮させてクロスヘッドを昇降させることで、試験片に引張・圧縮応力を加えると記載されている。しかし、疲労試験では均等な応力を加えることが要求されるため、一対の油圧シリンダを用いるこの方法は、疲労試験には適さない。

本発明の目的は、試験片にねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる疲労試験装置を提供することである。

本発明の一実施形態による疲労試験装置は、試験片の疲労特性を測定する疲労試験装置であって、軸方向に沿って移動するピストンロッドを含むシリンダと、前記ピストンロッドの端部に固定され、前記試験片を把持するチャックと、前記ピストンロッドの軸方向と平行に延びるガイド軸と、前記ガイド軸と摺動する軸受けと、前記ピストンロッド及び前記チャックの少なくとも一方、並びに前記軸受けに固定された連結部材とを備える。

本発明によれば、試験片にねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態による疲労試験装置の構成を示す正面図である。 図２は、図１の疲労試験装置の構成から、回転抑制治具を抜き出して示す斜視図である。 図３は、図１の疲労試験装置のピストンロッド、チャック、連結部材、及び軸受けが移動した状態を示す正面図である。 図４は、本発明の第２の実施形態による疲労試験装置の構成を示す正面図である。 図５は、面外変形防止治具の構成を示す分解斜視図である。 図６は、実施例で作製した試験片の寸法を示す図である。 図７は、実施例の疲労試験によって得られたＳ−Ｎ線図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による疲労試験装置１の構成を示す正面図である。疲労試験装置１は、シリンダ１１、チャック１２及び１３、ロードセル１４、クロスヘッド１５、一対の支柱１６、並びに回転抑制治具２０を備えている。

シリンダ１１は、シリンダチューブ１１１及びピストンロッド１１２を備えている。シリンダ１１は、シリンダチューブ１１１に供給される作動流体によって、ピストンロッド１１２を軸方向に移動させることができる。シリンダ１１は、例えば油圧シリンダである。ピストンロッド１１２の移動方向は通常、鉛直方向である。

チャック１２及び１３は、試験片Ｓを把持する。チャック１２は、ピストンロッド１１２に固定されている。ピストンロッド１１２が移動すると、これに伴ってチャック１２も移動する。一方、チャック１３は、ロードセル１４を介してクロスヘッド１５に固定されている。この構成によれば、ピストンロッド１１２を移動させることで、試験片Ｓに引張応力又は圧縮応力を加えることができる。また、ロードセル１４によって、試験片Ｓに加わる荷重を測定することができる。

チャック１２及び１３には、任意の機構を用いることができる。軸力疲労試験では、試験片Ｓの軸方向とピストンロッド１１２の軸方向とを平行にすることが好ましい。試験片Ｓが薄板試験片である場合、試験片Ｓの厚さ方向とピストンロッド１１２の軸方向とを垂直にすることが好ましい。チャック１２及び１３は、そのような軸心の調整機構を備えていることが好ましい。チャック１２及び１３は、例えばコレットチャックであり、より好ましくは油圧式のコレットチャックである。

クロスヘッド１５は、一対の支柱１６に固定されている。クロスヘッド１５の位置を変えることで、チャック１２とチャック１３との距離を調整することができる。この構成によれば、大きさの異なる試験片を測定することができる。

回転抑制治具２０は、チャック１２がピストンロッド１１２の軸方向のまわりに回転するのを抑制する。図２は、疲労試験装置１の構成から、回転抑制治具２０を抜き出して示す斜視図である。回転抑制治具２０は、スライドレール２１、連結部材２２、及び固定部材２３を備えている。

スライドレール２１は、ガイド軸２１１及び軸受け２１２を備えている。ガイド軸２１１は、シリンダ１１（図１）のピストンロッド１１２の軸方向と平行に配置されている。軸受け２１２は、ガイド軸２１１と摺動し、ガイド軸２１１に沿って移動する。軸受け２１２は、例えばボールベアリングである。

連結部材２２は、チャック１２（図１）及び軸受け２１２に固定されている。

連結部材２２は、より具体的には、第１部材２２１、第２部材２２２、及び第３部材２２３を備えている。第２部材２２２及び第３部材２２３は、チャック１２（図１）を両側から挟むことができるように形成されている。第２部材２２２及び第３部材２２３には、両部材を貫通するネジ穴が設けられている。このネジ穴にネジ２２５を通すことで、第２部材２２２と第３部材２２３とが締結されるとともに、両部材が第１部材２２１に固定される。

連結部材２２は、第２部材２２２と第３部材２２３との隙間の内側でチャック１２（図１）が動いたり、滑ったりしないように、チャック１２を強固に固定できることが好ましい。そのため例えば、第２部材２２２及び／又は第３部材２２３の内周面にキー溝２２ａを設けて、チャック１２との間にキーを配置し、チャック１２が連結部材２２に対して相対的に回転しないようにしてもよい。

連結部材２２の他方の端部は、軸受け２１２に固定されている。この構成によって、連結部材２２は、ガイド軸２１１に沿って軸受け２１２と一体的に移動する。上述のとおり、連結部材２２はチャック１２（図１）とも固定されており、チャック１２はピストンロッド１１２（図１）とも固定されている。そのため、軸受け２１２、連結部材２２、チャック１２、及びピストンロッド１１２は、すべて連動して一体的に移動する。

固定部材２３は、スライドレール２１を支柱１６（図１）に固定する。固定部材２３の一方の端部は、スライドレール２１のガイド軸２１１に固定されている。固定部材２３の他方の端部は、支柱１６に固定できるように構成されている。具体的には、固定部材２３は、第１部材２３１及び第２部材２３２を備え、第１部材２３１及び第２部材２３２が支柱１６を挟むことができるように形成されている。第１部材２３１と第２部材２３２とは、ネジ２３５によって締結され、支柱１６に固定される。

［疲労試験方法及び疲労試験装置１の効果］
図１を参照して、疲労試験装置１を用いた疲労試験方法を説明する。チャック１２及び１３によって試験片Ｓを把持した状態で、シリンダ１１のピストンロッド１１２を所定の振幅及び振動数で往復運動させる。これによって、試験片Ｓに繰返し負荷が加えられる。疲労試験装置１によれば、所定のサイクル数で試験片Ｓが破断するかどうかを確認したり、試験片Ｓが破断するまでのサイクル数を測定したりすることができる。

疲労試験装置１は、回転抑制治具２０を備えている。回転抑制治具２０は、チャック１２が回転するのを抑制する。この構成によれば、試験片Ｓにねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。

回転抑制治具２０によってチャック１２の回転が抑制される理由は、以下のとおりである。まず、ピストンロッド１１２が軸方向のまわりに回転しようすると、ピストンロッド１１２の端部に固定されたチャック１２、及びチャック１２に固定された連結部材２２も、ピストンロッド１１２の軸方向のまわりに回転しようとする。

ピストンロッド１１２の軸方向は、ガイド軸２１１の軸方向と平行である。そのため、ピストンロッド１１２が軸方向のまわりに回転しようとすることで軸受け２１２に加わる力は、常にガイド軸２１１の軸方向と垂直である。軸受け２１２は、ガイド軸２１１の軸方向と垂直な方向には移動することができない。そのため、連結部材２２は回転することができず、連結部材２２に固定されたチャック１２も回転することができない。これによって、チャック１２の回転を抑制することができる。

一方、ピストンロッド１１２が軸方向に沿って移動する際には、図３に示すように、ピストンロッド１１２、チャック１２、連結部材２２、及び軸受け２１２が、すべて連動して一体的に移動する。そのため、ピストンロッド１１２の軸方向のストロークを確保したまま、チャック１２の回転だけを抑制することができる。

なお、ピストンロッド１１２が回転しようとすることで軸受け２１２に加わる力は、ピストンロッド１１２とガイド軸２１１との距離に比例して小さくなる。そのため、軸受け２１２からガイド軸２１１に加わるラジアル荷重を小さくすることができる。この構成によれば、軸受け２１２がガイド軸２１１に沿って移動する際、ラジアル荷重によってガイド軸２１１と軸受け２１２との間の摩擦抵抗が増加するのを抑制することができる。

以上、疲労試験装置１の構成、疲労試験装置１を用いた疲労試験方法、及び疲労試験装置１の効果について説明した。本実施形態によれば、試験片Ｓにねじり応力が加わるのを抑制して、軸力疲労特性を測定することができる。前述のとおり、試験片の厚さが薄くなるほどねじり剛性が低下し、ねじり応力の影響が大きくなる。そのため、本実施形態による疲労試験方法は、薄板試験片の疲労試験に好適に用いることができる。特に、試験片が厚さ３ｍｍ以下の板状試験片であって、厚さに対する幅の比率が３以上である場合に好適に用いることができる。

上記の実施形態では、連結部材２２がチャック１２に固定されている場合を説明した。しかし、連結部材２２は、ピストンロッド１１２に固定されていてもよい。チャック１２はピストンロッド１１２に固定されているため、ピストンロッド１１２の回転を抑制することで、チャック１２の回転も抑制することができる。また、連結部材２２は、ピストンロッド１１２及びチャック１２の両方に固定されていてもよい。

上記の実施形態では、連結部材２２が第１部材２２１、第２部材２２２、及び第３部材２２３を備え、第２部材２２２と第３部材２２３とがネジ２２５で締結されることによって、チャック１２に固定される構成を説明した。しかし、チャック１２及びピストンロッド１１２の少なくとも一方と、連結部材２２とを固定する方法は、これに限定されない。例えば、チャック１２及びピストンロッド１１２の少なくとも一方と連結部材２２とは、バネで固定してもよい。また、連結部材２２は、単一の部品から構成されていてもよい。

上記の実施形態では、連結部材２２を板状に図示した。しかし、連結部材２２の形状は任意である。連結部材２２は、チャック１２及びピストンロッド１１２の少なくとも一方、並びに軸受け２１２に固定されていればよい。

上記の実施形態では、スライドレール２１が固定部材２３によって支柱１６に固定されている構成を説明した。この構成によれば、回転抑制治具２０の着脱を容易にできる。しかし、スライドレール２１を固定するための構成は限定されない。例えば、スライドレール２１をネジなどで直接、疲労試験装置１に固定してもよい。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態による疲労試験装置２の構成を示す正面図である。疲労試験装置２は、疲労試験装置１（図１）の構成に加えて、面外変形防止治具３０をさらに備えている。

図５は、面外変形防止治具３０の構成を示す分解斜視図である。面外変形防止治具３０は、試験片Ｓを挟む一対の板状スペーサ３１と、一対の板状スペーサ３１によって挟まれた試験片Ｓを挟む一対の板状部材３２とを備えている。面外変形防止治具３０は、ボルト３５及びナット３６によって締結される。

板状スペーサ３１は、固体潤滑材で形成されている。板状スペーサ３１は例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や黒鉛である。

板状部材３２の材質は特に限定されないが、試験片Ｓに加わる面圧を均一にするため、板状部材３２は、板状スペーサ３１よりも剛性の高い部材であることが好ましい。また、平面度が低いとたわむ可能性があるため、板状部材３２は、平面度の高い部材であることが好ましい。板状部材３２は例えば、アルミニウムやステンレスである。

一対の板状部材３２が一対の板状スペーサ３１によって挟まれた試験片Ｓを挟む面圧（以下「締結面圧」という。）は、好ましくは１０〜２５ＭＰａである。締結面圧が高すぎると、板状スペーサ３１が摩耗したり破損したりする場合がある。また、締結面圧が低すぎると、試験片Ｓの面外変形を防止することができない場合がある。締結面圧の上限は、より好ましくは２０ＭＰａである。

［疲労試験方法及び疲労試験装置２の効果］
疲労試験装置２を用いた疲労試験方法は、疲労試験装置１の場合と同じである。

疲労試験装置２は、面外変形防止治具３０を備えている。面外変形防止治具３０は、試験片Ｓが座屈するのを防止する。試験片が座屈すると、試験片Ｓは曲げ変形してしまうため、軸力疲労特性を正しく測定することができない。本実施形態によれば、試験片Ｓの座屈を防止することができる。

疲労試験の際、試験片Ｓが伸縮し、試験片Ｓと面外変形防止治具３０とが摺動する。このとき、面外変形防止治具３０に潤滑性がないと、摩擦によって試験片Ｓに傷が生じる場合がある。試験片に傷が生じると、その傷を起点に破壊が進行し、軸力疲労特性を正しく測定できない。一方、液状の潤滑材を塗布して試験片Ｓと面外変形防止治具３０との潤滑性を確保しようとすると、潤滑材がチャック１２に流れ込んで試験片Ｓがチャック１２から抜けてしまう可能性がある。本実施形態によれば、固体潤滑材で形成された板状スペーサ３１を用いることで、試験片Ｓと面外変形防止治具３０との潤滑性を確保することができる。

以上、疲労試験装置２の構成及び効果を説明した。試験片Ｓが薄板で、かつ、疲労試験が引張−圧縮の疲労試験である場合、試験片Ｓは特に座屈しやすい。そのため、疲労試験装置２を用いた疲労試験方法は、試験片Ｓが薄板で、かつ、疲労試験が引張−圧縮の疲労試験である場合に、特に好適に用いることができる。本実施形態によれば、試験片が厚さ３ｍｍ以下の薄板試験片であって、かつ厚さに対する幅の比率が３以上であっても、引張−圧縮の疲労試験を実施することができる。

上記の実施形態では、面外変形防止治具３０がボルト３５及びナット３６によって締結されている場合を説明した。しかし、面外変形防止治具３０を締結する手段は任意である。面外変形防止治具３０は、例えばバネによって締結される構成としてもよい。

上記の実施形態では、試験片Ｓの一部が露出するように、板状スペーサ３１及び板状部材３２に切り欠きが設けられているように図示した。これは、疲労試験の際、試験片Ｓに伸び計を接触させるためのものである。しかし、板状スペーサ３１及び板状部材３２の形状は任意であり、これに限定されない。

以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。

表１に示す化学組成を有する供試材から、厚さ１．２ｍｍの薄板試験片を作製した。この供試材は、ＤＰ鋼、３％Ｓｉ鋼、及び低合金マルテンサイト鋼で、引張強度はそれぞれ５７０〜７００ＭＰａ、４００ＭＰａ、及び１７００〜１９００ＭＰａである。薄板試験片の形状を図６に示す。図中の寸法の単位はｍｍである。

作製した試験片を、上述した第２の実施形態に準じた方法によって疲労試験を実施した。試験条件は、引張−圧縮の完全両振り、軸力荷重制御で応力比Ｒ＝−１、周波数１０ｋＨｚ、正弦波波形とした。なお、面外変形防止治具３０の板状スペーサ３１として、厚さ約１ｍｍのＰＴＦＥのシートを使用した。また、締結面圧は１５ＭＰとした。

その結果、応力振幅５００ＭＰａでも試験片が座屈することなく測定をすることができた。この試験により得られた、ＤＰ鋼のＳ−Ｎ線図を図７に示す。比較のため、同じ強度の鋼材から平行部の寸法が幅２０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板状試験片を作製して測定した結果を合わせて示す。図７において、中実のマークは厚さ１．２ｍｍの試験片を本実施形態によって測定したデータであり、白抜きのマークは厚さ５ｍｍの試験片によるデータである。図７に示すように、本実施形態によれば、薄板試験片であっても、厚さ５ｍｍの試験片の場合と同様の測定結果を得られることを確認した。また、破断面形態からも、座屈やフィレッティング疲労することなく疲労破壊していることを確認した。

［実施例２］
次に、供試材、試験片の寸法、及び面外変形防止治具の締結面圧を変えて、疲労試験を実施した。試験条件及び試験結果を表２に示す。表２に記載していない条件は実施例１の場合と同じである。

表２に示すように、締結面圧が１０ＭＰａ以上であれば、試験片の座屈を安定して防止できることがわかった。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

１，２ 疲労試験装置
１１ シリンダ
１１１ シリンダチューブ
１１２ ピストンロッド
１２，１３ チャック
１４ ロードセル
１５ クロスヘッド
１６ 支柱
２０ 回転抑制治具
２１ スライドレール
２１１ ガイド軸
２１２ 軸受け
２２ 連結部材
２３ 固定部材
３０ 面外変形防止治具
３１ 板状スペーサ
３２ 板状部材
Ｓ 試験片

Claims (5)

1. 試験片の疲労特性を測定する疲労試験装置であって、
   軸方向に沿って移動するピストンロッドを含むシリンダと、
   前記ピストンロッドの端部に固定され、前記試験片を把持する第１のチャックと、
   支柱と、
   前記支柱に固定されたクロスヘッドと、
   前記クロスヘッドに固定され、前記試験片を把持する第２のチャックと、
   前記ピストンロッドの軸方向と平行に延びるガイド軸と、
   前記ガイド軸と摺動する軸受けと、
   前記ピストンロッド及び前記第１のチャックの少なくとも一方、並びに前記軸受けに固定された連結部材とを備える、疲労試験装置。
2. 請求項１に記載の疲労試験装置であって、
   固体潤滑材から形成され、前記試験片を挟む一対の板状スペーサと、
   前記一対の板状スペーサによって挟まれた前記試験片を挟む一対の板状部材とをさらに備える、疲労試験装置。
3. 請求項２に記載の疲労試験装置であって、
   前記一対の板状部材が前記一対の板状スペーサによって挟まれた前記試験片を挟む面圧が１０〜２５ＭＰａである、疲労試験装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の疲労試験装置を用いて前記試験片の疲労特性を測定する、疲労試験方法。
5. 請求項４に記載の疲労試験方法であって、
   前記試験片は、厚さが３ｍｍ以下の板状試験片であって、厚さに対する幅の比率が３以上である、疲労試験方法。

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