JP7003814B2 - 接線力付与装置および疲労試験システム - Google Patents

Description

本発明は、試験片の表面に接線力を付与する接線力付与装置、および試験片の表面に接線力を付与しつつ疲労試験を行うための疲労試験システムに関する。

新幹線等の鉄道車両では、従来、ディスクブレーキが用いられているものがある。例えば、特許文献１に開示されているように、ディスクブレーキは、車軸または車輪に固定されるブレーキディスクと、摩擦部材を有するブレーキライニングと、ブレーキライニングを移動させるブレーキキャリパとを備えている。

特許文献１に開示されているように、ディスクブレーキでは、ブレーキキャリパによってブレーキライニングを移動させて、ブレーキディスクの表面に摩擦部材を押し付けることによって制動力を発生させることができる。これにより、車輪または車軸の回転を制動し、車両を減速することができる。

特開２０１２－２５１５９７号公報

特許文献１にも記載されているように、制動時には、ブレーキディスクと摩擦部材との接触部は摩擦によって発熱し、ブレーキディスクに熱応力が生じる。従来、制動を行うごとに繰り返し発生する熱応力がブレーキディスクの疲労損傷に大きく影響していると考えられており、熱応力と疲労損傷との関係について数多くの研究がなされている。

一方で、本発明者による種々の検討の結果、熱応力だけでは、ブレーキディスクの疲労損傷の発生メカニズムを適切に説明できない場合があることが分かった。この点に関して、本発明者は、ブレーキディスクの表面における摩擦部材の摺動も、ブレーキディスクの疲労損傷の発生に影響していると考えた。ブレーキディスクの表面における摩擦部材の摺動の影響を調査するためには、例えば、試験片の表面に接線力を付与しつつ試験片に対して引張応力および圧縮応力を付与して疲労試験を行うことが考えらえる。

そこで、本発明は、疲労試験中の試験片に対して接線力を付与することができる接線力付与装置、およびそれを備えた疲労試験システムを提供することを目的としている。

本発明は、下記の接線力付与装置および疲労試験システムを要旨とする。

（１）引張荷重および圧縮荷重を付与可能な疲労試験装置に保持された板状の試験片に、前記試験片の厚み方向における一方側から接触する摩擦材と、
前記試験片の前記厚み方向における他方側から前記試験片に接触する押し部材と、
前記試験片よりも前記一方側において前記摩擦材に連結されかつ前記摩擦材を回転させる駆動機構と、
前記試験片よりも前記他方側に設けられかつ前記押し部材を保持する保持部と、
前記駆動機構と前記保持部とを連結する連結部と、
前記連結部を支持する第１支持部と、を備え、
前記厚み方向から見て、前記摩擦材の回転中心は、前記試験片の幅方向における中心から前記幅方向に離れており、
前記連結部は、前記駆動機構および前記保持部を前記厚み方向において互いに近付く方向に付勢する付勢部を有し、
前記第１支持部は、本体部と、前記本体部に対して前記連結部が前記厚み方向に相対的に移動できるように前記連結部を支持する第１ガイド部とを有する、接線力付与装置。

（２）前記連結部は、
前記保持部の前記一方側において前記駆動機構を支持し、かつ前記第１ガイド部に支持される第２支持部と、
前記保持部の前記他方側に設けられ、かつ前記付勢部から前記他方側に向かう力を受ける受け部と、
前記受け部および前記第２支持部が前記厚み方向に一体的に移動するように前記受け部および前記第２支持部を接続する接続部と、
前記受け部に対して前記保持部が前記厚み方向に相対的に移動できるように前記保持部を支持する第２ガイド部と、をさらに有し、
前記付勢部は、前記保持部と前記受け部との間に設けられかつ前記保持部および前記受け部を前記厚み方向において互いに離れる方向に付勢する、上記（１）に記載の接線力付与装置。

（３）前記付勢部は、前記厚み方向に反力を発生する１以上の弾性部材と、前記厚み方向における両側から前記１以上の弾性部材を挟む一対の狭持板と、前記一対の狭持板を前記厚み方向に相対的に移動可能に支持する第３ガイド部と、を有し、
前記受け部は、前記接続部によって前記第２支持部に接続された板状部と、前記板状部を前記厚み方向に貫通するようにかつ前記板状部に対して前記厚み方向に移動可能に設けられた調整ねじと、を有し、
前記一対の狭持板のうち前記一方側に位置する狭持板の前記一方側への移動は前記保持部によって規制され、
前記一対の狭持板のうち前記他方側に位置する狭持板が前記調整ねじによって前記一方側に押されることによって、前記１以上の弾性部材において反力が発生し、前記保持部および前記板状部が前記厚み方向において互いに離れる方向に付勢される、上記（２）に記載の接線力付与装置。

（４）前記本体部の水平面に対する傾斜角度を調整する調整部をさらに備える、上記（１）から（３）のいずれかに記載の接線力付与装置。

（５）板状の試験片に対して引張荷重および圧縮荷重を付与可能な疲労試験装置と、上記（１）から（４）のいずれかに記載の接線力付与装置と、を備えた疲労試験システム。

本発明によれば、疲労試験中の試験片に対して接線力を付与することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る疲労試験システムを示す正面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る疲労試験システムを示す側面図である。 図３は、図２のIII－III線断面図である。 図４は、図３のIV－IV線断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る接線力付与装置およびそれを備えた疲労試験システムについて説明する。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る疲労試験システムを示す概略図である。なお、図１は、疲労試験システム１００の正面図であり、図２は、疲労試験システム１００の側面図（図１において紙面右側から見た図）である。

図１および図２に示すように、疲労試験システム１００は、疲労試験装置１０および接線力付与装置２０を備えている。まず、疲労試験装置１０について簡単に説明する。

疲労試験装置１０は、下架台１２と、上架台１４と、支柱１６ａ，１６ｂと、チャック１８ａ，１８ｂと、駆動機構１９とを備えている。上架台１４は、下架台１２の上方に配置されている。上架台１４は、支柱１６ａ，１６ｂを介して下架台１２に支持されている。チャック１８ａは下架台１２に支持され、チャック１８ｂは上架台１４に支持されている。本実施形態では、チャック１８ｂは、駆動機構１９を介して上架台１４に支持されている。

疲労試験装置１０においては、チャック１８ａ，１８ｂによって、板状の試験片１が保持されている。本実施形態では、駆動機構１９によってチャック１８ｂが上下動され、試験片１に引張荷重および圧縮荷重が付与される。なお、図１および後述の図３においては、試験片１の幅方向が矢印Ｘで示され、図２～図４においては、試験片１の厚み方向が矢印Ｙで示されている。以下においては、試験片１の幅方向を幅方向Ｘと記載し、試験片１の厚み方向を厚み方向Ｙと記載する。

なお、疲労試験装置の構成は上述の例に限定されず、試験片１に対して引張荷重および圧縮荷重を付与できる公知の種々の疲労試験装置を利用することができる。なお、試験片１は、例えば、鉄道車両用ブレーキディスクの素材を用いて形成される。

次に、接線力付与装置２０について説明する。接線力付与装置２０は、疲労試験装置１０による疲労試験時に、試験片１に接線力を付与するための装置である。図３は、図２のIII－III線断面図であり、図４は、図３のIV－IV線断面図である。なお、図３および図４においては、疲労試験装置１０の図示は省略している。また、図面が煩雑になることを避けるために、後述するロードセル４０および付勢部４２にはハッチングを付していない。

図１～図４に示すように、接線力付与装置２０は、疲労試験装置１０に保持された試験片１に接線力を付与するための装置である。本実施形態では、接線力付与装置２０は、摩擦材２２と、押し部材２４と、駆動機構２６と、保持部２８（図３，４参照）と、連結部３０と、第１支持部３２（図１，２参照）と、調整部３４（図１，２参照）とを備えている。

図３および図４に示すように、摩擦材２２は、厚み方向Ｙにおける一方側から試験片１に接触するように設けられている。本実施形態では、摩擦材２２は、円環状の摺動面２２ａを有し、該摺動面２２ａが試験片１に接触する。図１および図３に示すように、本実施形態では、摺動面２２ａは、摺動面２２ａの中心から径方向にずれた位置において試験片１に接触している。本実施形態では、摩擦材２２は、例えば、鉄道車両用ディスクブレーキのブレーキライニングの摩擦材の素材を用いて形成される。

図３および図４に示すように、押し部材２４は、厚み方向Ｙにおける他方側から試験片１に接触するように設けられている。すなわち、本実施形態では、厚み方向Ｙにおいて試験片１を挟むように、摩擦材２２と押し部材２４とが設けられている。これにより、摩擦材２２によって試験片１に接線力を付与する際に、試験片１が厚み方向Ｙに撓むことを抑制することができる。なお、以下においては、厚み方向Ｙにおける一方側を単に一方側と記載し、厚み方向Ｙにおける他方側を単に他方側と記載する。

本実施形態では、押し部材２４と試験片１との間の動摩擦係数が十分に小さくなるように（０に十分近くなるように）、押し部材２４の素材が決定される。本実施形態では、押し部材２４としては、例えば、超高分子量ポリエチレンから形成された板材が用いられる。

駆動機構２６は、摩擦材２２を回転駆動する。本実施形態では、駆動機構２６は、出力軸６０ａを有するモータ６０と、トルクメータ６２と、トルクメータ６２を介して出力軸６０ａに連結される伝達軸６４とを有している。伝達軸６４の厚み方向Ｙにおける他端側の端部に、摩擦材２２が固定されている。

本実施形態では、モータ６０によって発生された回転駆動力が、出力軸６０ａ、トルクメータ６２および伝達軸６４を介して摩擦材２２に伝達され、摩擦材２２が回転駆動される。図１および図３に示すように、摩擦材２２の回転中心は、試験片１の幅方向における中心から、試験片１の幅方向に離れている。このため、摩擦材２２（摺動面２２ａ）において試験片１に接触する部分は、試験片１の表面上において円弧状に移動するように摺動する。これにより、鉄道車両用ディスクブレーキにおける摩擦材とブレーキディスクとの接触状態（摩擦状態）を再現することができる。

なお、詳細な説明は省略するが、本実施形態では、トルクメータ６２によって検出されるトルクに基づいて、モータ６０が制御される。これにより、適切な回転駆動力で摩擦材２２を回転させることができる。

本実施形態では、図３に示すように、伝達軸６４は、ベアリング６６を介して後述する壁部４４ｃに回転可能に支持されている。

なお、駆動機構２６の構成は上述の例に限定されず、摩擦材２２を回転駆動することができればよい。したがって、例えば、モータ６０から摩擦材２２への回転駆動力の伝達経路において、１または複数の軸継手が設けられてもよい。

保持部２８は、試験片１よりも他方側に設けられ、かつ押し部材２４を保持している。連結部３０は、駆動機構２６と保持部２８とを連結している。連結部３０の詳細は後述する。第１支持部３２は、連結部３０を支持する。本実施形態では、第１支持部３２は、板状の本体部３２ａと複数の第１ガイド部３２ｂとを有している。本実施形態では、第１ガイド部３２ｂは、厚み方向Ｙに延びるように本体部３２ａ上に固定されたガイドレールである。連結部３０の後述する第２支持部４４の支持板４４ａは、本体部３２ａに対して厚み方向Ｙに相対的に移動できるように、複数の第１ガイド部３２ｂによって支持されている。

本体部３２ａは、調整部３４を介して基台２００に支持されている。調整部３４は、複数の調整ねじ３４ａと、複数の調整ナット３４ｂとを有している。本実施形態では、各調整ねじ３４ａは、基台２００に支持され、かつ本体部３２ａを貫通するように設けられている。各調整ナット３４ｂは、本体部３２ａを下方から支持するように、調整ねじ３４ａにはめ込まれている。本実施形態では、調整ねじ３４ａの軸方向における調整ナット３４ｂの位置を調整することによって、本体部３２ａの水平面に対する傾斜角度を調整することができる。これにより、摩擦材２２を試験片１に適切に接触させることができる。

図２および図３に示すように、連結部３０は、ロードセル４０（図３参照）と、付勢部４２（図３参照）と、第２支持部４４と、受け部４６と、接続部４８と、第２ガイド部５０とを有している。

図３に示すように、ロードセル４０は、保持部２８（図３参照）の他方側に設けられている。付勢部４２は、ロードセル４０の他方側に設けられている。

図３および図４に示すように、付勢部４２は、厚み方向Ｙに反力を発生する複数の弾性部材４２ａと、厚み方向Ｙにおける両側から複数の弾性部材４２ａを挟む一対の狭持板４２ｂ，４２ｃと、一対の狭持板４２ｂ，４２ｃを厚み方向Ｙに相対的に移動可能に支持する第３ガイド部４２ｄとを有している。

本実施形態では、一対の狭持板４２ｂ，４２ｃはそれぞれ円板形状を有している。第３ガイド部４２ｄは、一対の狭持板４２ｂ，４２ｃを厚み方向Ｙに貫通する複数の柱状部材４２ｅを含む。詳細な説明は省略するが、本実施形態では、例えば、狭持板４２ｂ，４２ｃの周方向に並ぶように、４つの弾性部材４２ａが設けられる。なお、弾性部材４２ａの数は、１～３個であってもよく、５個以上であってもよい。また、図３および図４においては、弾性部材４２ａの一例としてコイルばねを用いる場合について説明したが、弾性部材４２ａはコイルばねに限定されず、種々のばねを用いることができる。また、弾性部材４２ａは、例えば、定荷重ばねを用いて構成してもよい。

図２および図３に示すように、第２支持部４４は、保持部２８の一方側において駆動機構２６を支持している。図２に示すように、本実施形態では、第２支持部４４は、厚み方向Ｙに延びる支持板４４ａ、および支持板４４ａから上方に延びるように設けられた壁部４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを有している。壁部４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは、支持板４４ａに固定されている。

本実施形態では、厚み方向Ｙにおいて一方側から他方側に向かって順に壁部４４ｂ，４４ｃ，４４ｄが設けられている。モータ６０は、壁部４４ｂに固定されている。図３に示すように、伝達軸６４は、上述したように、ベアリング６６を介して壁部４４ｃに回転可能に支持されている。また、壁部４４ｄには、厚み方向Ｙに貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔に伝達軸６４が通されている。

図３および図４に示すように、受け部４６は、保持部２８の他方側に設けられている。受け部４６は、付勢部４２から他方側に向かう力を受ける。本実施形態では、受け部４６は、板状部４６ａと、調整ねじ４６ｂと、調整ナット４６ｃとを有している。

板状部４６ａは、厚み方向Ｙにおいて狭持板４２ｃと対向するように、狭持板４２ｃの他方側に設けられている。調整ねじ４６ｂは、板状部４６ａを貫通するようにかつ板状部４６ａに対して厚み方向Ｙに移動可能に設けられている。調整ナット４６ｃは、板状部４６ａの他方側において調整ねじ４６ｂに螺号されている。本実施形態では、調整ねじ４６ｂの軸方向における調整ナット４６ｃの位置を調整することによって、厚み方向Ｙにおいて、板状部４６ａに対する調整ねじ４６ｂの位置を調整することができる。

図２および図３に示すように、接続部４８は、受け部４６および第２支持部４４が厚み方向Ｙに一体的に移動するように、受け部４６および第２支持部４４を接続する。図３に示すように、本実施形態では、接続部４８は、一対の板状部材４８ａを有している。一対の板状部材４８ａは、幅方向Ｘにおける板状部４６ａの両端部と、幅方向Ｘにおける壁部４４ｄの両端部とを接続するように厚み方向Ｙに延びている。

図３および図４に示すように、第２ガイド部５０は、受け部４６に対して保持部２８が厚み方向Ｙに相対的に移動できるように保持部２８を支持している。本実施形態では、第２ガイド部５０は、一対のガイドレール５０ａを有している。各ガイドレール５０ａは、厚み方向Ｙに延びるように、板状部材４８ａの側面に固定されている。保持部２８は、一対のガイドレール５０ａによって、厚み方向Ｙに移動自在に支持されている。これにより、保持部２８は、受け部４６に対して厚み方向Ｙに相対的に移動できる。

本実施形態では、付勢部４２は、厚み方向Ｙにおいて、保持部２８と受け部４６との間に設けられている。付勢部４２の狭持板４２ｂの一方側への移動は、保持部２８によって規制されている。具体的には、保持部２８は、ロードセル４０を介して狭持板４２ｂの一方側への移動を規制している。このような構成において、狭持板４２ｃが調整ねじ４６ｂによって一方側に押されると、狭持板４２ｃが狭持板４２ｂに近付くように一方側に移動する。これにより、複数の弾性部材４２ａにおいて反力が発生し、保持部２８が一方側に付勢され、板状部４６ａが他方側に付勢される。板状部４６ａは、接続部４８および第２支持部４４を介して駆動機構２６に連結されているので、板状部４６ａが他方側に付勢されることによって、駆動機構２６も他方側に付勢される。このようにして、付勢部４２は、駆動機構２６および保持部２８を厚み方向Ｙにおいて互いに近付く方向に付勢することができる。したがって、適切な弾性係数（ばね定数）の弾性部材４２ａを用いることによって、摩擦材２２と試験片１とを適切に接触させることができ、試験片１に接線力を適切に付与することができる。

また、本実施形態では、付勢部４２が駆動機構２６および保持部２８を厚み方向Ｙにおいて互いに近付く方向に付勢しているので、摩擦材２２が摩耗した場合には、摩耗した分だけ摩擦材２２を他方側に移動させることができる。これにより、摩擦材２２が摩耗した場合でも、試験片１に接線力を適切に付与することができる。

また、本実施形態では、保持部２８と付勢部４２との間にロードセル４０が設けられているので、ロードセル４０の検出値に基づいて調整ねじ４６ｂの位置を調整することによって、試験片１に付与される接線力を容易かつ適切に調整することができる。

なお、上述の実施形態では、保持部２８と受け部４６との間に付勢部４２を設ける場合について説明したが、付勢部の位置は上述の例に限定されない。具体的には、付勢部は、駆動機構２６と保持部２８との間の力の伝達経路（試験片１を通る伝達経路を除く）のうちの任意の位置に設けることができる。なお、上述の実施形態では、付勢部４２は、厚み方向Ｙにおいて互いに離れる方向に反力を発生するように構成されている。しかしながら、付勢部の設置位置によっては、厚み方向Ｙにおいて互いに近付く方向に反力を発生するように付勢部を構成して、駆動機構２６および保持部２８を厚み方向Ｙにおいて互いに近付く方向に付勢する場合もある。

本発明によれば、疲労試験中の試験片に対して接線力を付与することができる。

１ 試験片
１０ 疲労試験装置
２０ 接線力付与装置
２２ 摩擦材
２４ 押し部材
２６ 駆動機構
２８ 保持部
３０ 連結部
３２ 第１支持部
３４ 調整部
４０ ロードセル
４２ 付勢部
４４ 第２支持部
４６ 受け部
４８ 接続部
５０ 第２ガイド部
１００ 疲労試験システム

Claims (5)

1. 引張荷重および圧縮荷重を付与可能な疲労試験装置に保持された板状の試験片に、前記試験片の厚み方向における一方側から接触する摩擦材と、
   前記試験片の前記厚み方向における他方側から前記試験片に接触する押し部材と、
   前記試験片よりも前記一方側において前記摩擦材に連結されかつ前記摩擦材を回転させる駆動機構と、
   前記試験片よりも前記他方側に設けられかつ前記押し部材を保持する保持部と、
   前記駆動機構と前記保持部とを連結する連結部と、
   前記連結部を支持する第１支持部と、を備え、
   前記厚み方向から見て、前記摩擦材の回転中心は、前記試験片の幅方向における中心から前記幅方向に離れており、
   前記連結部は、前記駆動機構および前記保持部を前記厚み方向において互いに近付く方向に付勢する付勢部を有し、
   前記第１支持部は、本体部と、前記本体部に対して前記連結部が前記厚み方向に相対的に移動できるように前記連結部を支持する第１ガイド部とを有する、接線力付与装置。
2. 前記連結部は、
   前記保持部の前記一方側において前記駆動機構を支持し、かつ前記第１ガイド部に支持される第２支持部と、
   前記保持部の前記他方側に設けられ、かつ前記付勢部から前記他方側に向かう力を受ける受け部と、
   前記受け部および前記第２支持部が前記厚み方向に一体的に移動するように前記受け部および前記第２支持部を接続する接続部と、
   前記受け部に対して前記保持部が前記厚み方向に相対的に移動できるように前記保持部を支持する第２ガイド部と、をさらに有し、
   前記付勢部は、前記保持部と前記受け部との間に設けられかつ前記保持部および前記受け部を前記厚み方向において互いに離れる方向に付勢する、請求項１に記載の接線力付与装置。
3. 前記付勢部は、前記厚み方向に反力を発生する１以上の弾性部材と、前記厚み方向における両側から前記１以上の弾性部材を挟む一対の狭持板と、前記一対の狭持板を前記厚み方向に相対的に移動可能に支持する第３ガイド部と、を有し、
   前記受け部は、前記接続部によって前記第２支持部に接続された板状部と、前記板状部を前記厚み方向に貫通するようにかつ前記板状部に対して前記厚み方向に移動可能に設けられた調整ねじと、を有し、
   前記一対の狭持板のうち前記一方側に位置する狭持板の前記一方側への移動は前記保持部によって規制され、
   前記一対の狭持板のうち前記他方側に位置する狭持板が前記調整ねじによって前記一方側に押されることによって、前記１以上の弾性部材において反力が発生し、前記保持部および前記板状部が前記厚み方向において互いに離れる方向に付勢される、請求項２に記載の接線力付与装置。
4. 前記本体部の水平面に対する傾斜角度を調整する調整部をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の接線力付与装置。
5. 板状の試験片に対して引張荷重および圧縮荷重を付与可能な疲労試験装置と、請求項１から４のいずれかに記載の接線力付与装置と、を備えた疲労試験システム。
   

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