JPH0361834A - 多モード疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、材料試験片に任意方向の静荷重歪や任意荷重
波形の繰り返し振動を与えることができる多モード疲労
試験機に関する。

（従来の技術） 従来、各種素材試験片、及び桁・縦通材・リベット結合
部材等の一次構造材の材料試験は、一般に試験材の一端
を固定、他端を油圧式又は電動式の荷重アクユエータに
接続し、一方向による引っ張り、圧縮、曲げ、捻り等の
変位量をダイヤルゲージを用いて計測する静的外力によ
る疲労試験又は動的外力による繰り返しく周期的）荷重
にょる疲労破壊試験が中心であった。

一方、近年航空宇宙機構造部材として、従来のチタン合
金、リチュウム・アルミ合金等の金属系のみならず、セ
ラミックス等の無機系、高分子系、及びこれらの複合系
と種々の材料が採用されてきている。特に、近時複合材
料の発達はめざましく、傾斜機ｉ複合材の耐熱材１ｗ＆
維強化プラスチック、繊維強化金属、カーボン・エポキ
シ複合材等積々の新材料が開発されてきている。従来、
これらの材料の航空宇宙機への適用に際しての評価は、
上記のような試験機による静的及び動的試験により物理
的強度を評価している。

しかしながら、これらの複合材料は素材が幾重にも積層
成形されているので、従来の金属材料では生じ得ない眉
間剥離等特有の損傷破壊形態や破壊の伝播速度を有し、
従来の線形波形荷重による疲労試験のみでは十分に新素
材の材料特性を把握することが困難であり、新たな評価
法が求められてきている。それに応えるものとして、最
近、油圧シリンダを４本平面内に十字状に設け、そのセ
ンターに試験片を置いて各シリンダに固定し、四方から
力を加える非線形波形荷重による２次元繰り返し曲げ疲
労試験機が開発されている。

（発明が解決しようとする問題点） 近年、特に複合材料は用途：加工技術において目覚まし
い発展を遂げている。しかしながら、複雑な積層構造を
有しているため１本格的に宇宙航空機等の一次構造材と
して信頼して利用できるようにするには、熱強度、眉間
剥離等の損傷形態問題点について、実験的検証を行なう
必要がある。

それには、実際に起り得る複雑な振動に見合った新しい
評価試験方法が必要であり、該要求を満たすような複雑
な多分力の静的、動的複合荷重（例えば、ランダム、８
字形軌跡等の非線形荷重）が任意に加えられる試験装置
が必要である。上記提案されている２次元繰り返し曲げ
疲労試験機は、該要望に応えようとするものであるが、
正弦波や矩形波等ある所定の非線形荷重を与えることは
できるが、任意の非線形荷重を適宜設定して与えること
は困難であり未だ満足するものではない。しかも、油圧
式のためアクチュエータの力が油圧温度変化によって左
右される問題があり、それを防ぐには水冷式等の大がか
りな冷却装置が必要であると共に、長時間にわたる疲労
試験を行なうことは出来ない。また、装置は大変高価な
ものであり、保守点検も大変である。

さらに、航空宇宙機等は、摩擦熱による高温発生等過酷
な熱的負荷を伴うが、従来試験片を加熱しながら長時間
にわたって非線形荷重の動的複合荷重を加えることがで
きる総合試験装置はなく、実際の状況を満足に実験的検
証を行なうことができなかった。

本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、各
種素材及び−次構造材に、任意方向の静荷重蓋や、ラン
ダム・８字型・歳差運動等任意の非線形繰り返し荷重を
、長時間にわたって一定に与えることができ、しかも構
造がコンパクトで高加振力が得られ、荷重の波形・振＠
（変位）・速度、及び雰囲気温度等が簡単に制御できる
多モード疲労試験装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記問題点を解決する本発明の多モード疲労試験装置は
、各種試験片の一端部を締着する締着装置と他端部を締
着する締着装置を有し、両締着装置の何れか一方の締着
装置には荷重を検出するロードセルが設けられ、また何
れか一方の締着装置は荷重アクチュエータの台座に固定
されてなる疲労試験装置であって、前記荷重アクチュエ
ータは、前記台座を、２次元面の並進移動、該２次元面
内に対して垂直移動及び前記２次元面内に垂直な軸回り
の回転の４自由度を有して睨動制御可能な複合偏心型電
動直接駆動位置決め装置からなることを特徴とする構成
を有している。

また、前記台座に固定する締着装置を自在継手を介して
台座に固定することによって、片持ち梁状層での多モー
ドの疲労試験が効果的に行なうことができる。

さらに、支持枠には、試験片の歪量を計測する複合偏心
型電動直接駆動位置決め装置を介してダイヤルゲージを
設けることによって、荷重時における試験片の歪量を正
確に且つ容易に実測する事が出来る。さらにまた、前記
試験片を加熱する加熱装置を設けて、長時間、繰返し荷
重による熱強度を定量的に把握できるようにした。

（作用） 荷重アクチュエータである複合偏心型電動直接開動位置
決め装置の出力軸のｘ−ｙ平面（台座面と平行な平面）
内の可動範囲は、偏心ロータを外側偏心ロータ及び内側
偏心ロータで構成した場合、内外の偏心ロータの偏心量
の和を半径とする円内となる。今、外側偏心ロータ及び
内側偏心ロータの偏心量を共にｒとし、内外の偏心ロー
タの回転角度を±９０’の範囲内とすれば出力軸の可動
範囲は第９図に示すようになり、出力軸中心の移動は、
一端が直交座標の原点に回動自在にピボットされた長さ
ｒのリンクａの他端にピボット結合された長さｒのリン
クｂの他端Ｐが描く軌跡と等価であり、その位置はリン
クａ、ｂの長さ及び回転角θ８、θ２．即ち外側偏心ロ
ータ及び内側偏心ロータの偏心量ｒ及び回転角θ□、θ
２によって決定される。例えば、θ１、θ２が共Ｏ＠で
あれば、Ｐは原点にあり、θ□：’＋６０＠、　　θ、
＝−６０”であればＰ点はＸ軸上のｒ点に位置し、又θ
１＝Ｏ°でθ２＝±９０＠で回動すれば、Ｐ点の軌跡は
半径ｒの半円となる。以上のように、出力軸の運動は、
外側及び内側の偏心ロータの回転角によって決定され、
内外のロータに夫々独立した駆動信号を与えることによ
って種々の荷重モードが得られる。第１０図には各ロー
ターの回転運動に対する出力軸の軌跡の代表的な例を列
挙しである。上記各偏心ロータは３６０°の回転が自在
にできるが、例えば内外のロータの偏心量を夫々２５ｎ
ｎとすれば、内外のロータの回転角±９０＠も動かせば
、加振有効範囲を５Ｏｎａ位とることができ、曲げ疲労
試験では実用上は十分である。なお、捻りを伴う試験、
例えば歳差運動を与える場合は、内側ロータを３６０”
回転させるようにすれば良い。

このように１本位置決め装置からなる荷重アクチュエー
タによれば、出力軸に、ランダムな振動は勿論、任意の
角度を有する直線、Ｓ字形、８字形等の軌跡を有する振
動を与えることができ、これらの振動モードを予めプロ
グラミングしてＲＯＭに格納しておけば、試験時に任意
に選択し、且つ、コンピュータ制御により振幅、振動速
度及び振動数を設定し、試験片に必要な振動を簡単に与
えることができる。複合偏心ロータを開動する電動直接
能動モータの制御は、各ロータ及び出力軸に設けられた
エンコーダによって変位角を検出することによって行な
われるが、電動直接能動であるのでバックラッシ等がな
く極めて精密な制御ができ、高分解能（致方パルス以上
）のエンコーダを使用すれば、１μｍ単位の超精密な位
置決めができる。ま−た、各ロータ及び出力軸は、電動
直接廓動モータによって廓動されるため、非常に応答性
に優れていると共に高トルクが得られ、しかも出力軸は
これらのモータで開動される偏心ロータの複合運動によ
って能動されるので、小型に形成しても２次元面内の非
常に高い並進移動力が得られる。従って、本複合偏心型
電動直接能動位置決め装置は、前記各モータの回転を制
御することによって、出力軸に非常に複雑の動きを与え
ることができ、所定の振幅及び振動数を有する振動を長
時間にわたって与えることもでき、また所定の位置に長
時間留まることもでき、その間従来の油圧廓動方式と相
違して荷重の変動はなく、長時間安定して正確な疲労試
験ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の多モード繰り返し曲げ疲労試験機の実
施例を示し、図中、１は枠台であり、該枠台に後述する
荷重アクチュエータ２が取り付けられている。３は荷重
アクチュエータの出力軸の頂端に形成された台座２９に
着脱自在に固定された下部締着装置であり、試験片の形
状や試験の種類によって適宜交換可能になっている。例
えば、曲げや歳差運動による疲労試験を、片持ち梁状前
で行なう場合は、第５図のように、チャック４を自在継
手１０を介して出力軸に固定するようにしたものを採用
し、両端支持梁状態で行なう場合は、第６図に示すよう
に軸端部が動かないようにチャック４を直接台座に固定
できるようにしたものを採用する。５は上下に移動して
任意の高さに設定することができる上部ヘッド６に固定
された上部締着装置であり、試験片に作用する多分力を
検出するロートセルフを介してチャック８が取り付けら
れている。該上部線着装Ｗ５も、試験片の形状に応じて
従来公知の適宜のものが採用でき、例えば図示の実施例
のように試験片が長い円柱体の場合は、試験片が該締着
装置を貫通することができるように、中央部に貫通孔を
有するものを採用する。１１は荷重アクチュエータを制
御するコントローラであり、予め設定されている荷重モ
ードの選択、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の振幅、Ｚ軸回りの
回転量及び振動速度を任意にプリセットできるようにな
っている。また、該コントローラは外部のコンピュータ
に接続され、外部より任意の荷重波形、振幅、振動数等
を任意に制御でき、且つロードセルの出力を逐次記録又
は表示する。それにより、変位量に対する荷重が認識で
きる。そして、定荷重による疲労試験を行なう場合は、
ロードセルの出力で荷重アクチュエータ２をフィードバ
ック制御することにより、常に定荷重の変位量が確保さ
れる。また、後述するダイヤルゲージの出力もロードセ
ルの出力と並行して逐次記録される。

１２は台枠に立設された支持枠１３に取り付けられたダ
イヤルゲージであり、前記荷重アクチュエータと基本構
造が類似する超小型の複合偏心型位置決め装置４１の出
力軸に固定され、該位置決め装置によって測定子の微細
な位置決めができる。

１５は、試験片を加熱する加熱装置であり、適宜の加熱
手段が採用できる。なお１図示の例は、材料試験を高温
雰囲気で行なう場合であるが、低温雰囲気で行なう場合
は、例えば試験片の周囲を囲ってチャンバー状にし、該
チャンバー内に窒素ガスを充填して材料を冷却する等適
宜の手段が採用でき、材料試験を任意の温度算量で出来
るようになっている。

次に上記荷重アクチュエータ２の構造について詳細に説
明する０本発明において荷重アクチュエータは、複合偏
心型電動直接駆動位置決め装置を採用し、その一実施例
が第２図に示されている。

図中、２０は電動直接駆動複合偏心位置決め装置であり
、２１は固定フレームを兼ねる固定子フレーム、２２は
該固定子フレームに回転自在に軸受けされた外側偏心ロ
ータ、２３は該外側偏心ロータの偏心位置に回転自在に
軸受けされた内側偏心ロータである。また、２４は内側
偏心ロータの偏心位置に軸受けされた出力軸ロータ、２
５は該出力軸ロータの中心部に軸受けされた出力軸並進
ロータ、２６は該出力軸並進ロータ２５に軸方向移動可
能に螺合され、且つその下部は内側偏心ロータ２３に回
転せずにスライドのみできるスプライン等適宜のスライ
ド手段２７を介して嵌合され、その上部外周部にボール
ネジ２８が形成され、内部が中空で且つ上部に出力軸を
固定するフランジ２９が形成されている出力軸並進ロン
ドである。

３０は該出力軸並進ロッド２６に上下動自在で且つ回転
不可能に嵌合された出力軸である。該出力軸の頂部には
締着装置固定用の台座３１が形成されている。該台座３
１と出力軸並進ロッド２６のフランジ２９をボルトによ
り結合することによって、出力軸と出力軸並進ロッドが
一体になり、出力軸は出力軸並進ロンドと一体に上下す
るが、結合を解除すると出力軸は出力軸並進ロッドとは
無関係に前記スライド手段を介して自由に上下できる。

上記各ロータ及び出力軸の嵌合部には、ブラシレスモー
タ等の電動直接開動モータ３３１〜３３４を形成するよ
うに、回転子側に永久磁石３４を固定子側にステータコ
イル３５が配置されている。

従って、第１の電動直接駆動モータ３３１により外側偏
心ロータ２２が、第２の電動直接駆動モータ３３３によ
り内側偏心ロータ２３が、第３の電動直接駆動モータ３
３３により出力軸ロータ２４が、第４の電動直接駆動モ
ータ３３４により出力軸並進ロータ２５が夫々独立して
回転鹿動される６上記の構成により出力軸３０は、外側
偏心ロータ２２及び内側偏心ロータ２３の回転により、
夫々の偏心回転が複合されて夫々の偏心量の和を半径と
する２次元面上の円内の任意の位置に移動させることが
できる。また、出力軸並進ロータ２５が回転すると、出
力軸並進ロンド２６は、ボールネジ機構によってその軸
方向に並進し、そのフランジと出力軸のフランジ３１を
結合された状態で、出力軸３０をその軸方向に移動させ
ることができる。さらに、出力軸３０は、第３の電動直
接廃動モータ３３．により出力軸ロータが回転すると一
体となって回転する。従って、該複合偏心位置決め装置
の出力軸３０は、各電動直接駆動モータにより、３次元
面又は２次元面内の並進移動と、その軸回りの回転の４
自由度の動きを与えることができ、４軸の位置決めが任
意にできる。なお、３７は各ロータを固定するディスク
ブレーキ装置であり、ロータ又は固定子の一方に固定さ
れたブレーキディスク３９と、該ブレーキディスクと圧
接する他方に固定されたアクチュエータ３８とからなり
、静的疲労試験において出力軸が所定位置に位置決めさ
れると、該ブレーキ装置が作動して各ロータをその位置
で固定し、試験片を長時間一定の負荷の基で維持するよ
うになっている。

上記電動直接駆動モータの制御は１例えば、コンピュー
タに入力される出力軸の位置決め情報に基づいて、各モ
ータの回転角を演算して各モータの能動回路に出力し、
各モータの出力軸に設けられたエンコーダ３２によって
変位角を検出して。

フィードバック制御によって行なう等、適宜の手段が採
用できる。また、試験片の部分破壊等によって起る危険
を防止する対策としてロードセルの出力を該位置決め装
置のコントローラにフィードバックして、ロードセルの
出力が急に変化した場合、自動的に振幅を小さくしたり
、斧正したりするようになっている。

第３図は前記ダイヤルゲージ１２の一実施例を示すもの
であり、ゲージ本体４０を小型の複合偏心型電動直接駆
動位置決め装置４１の出力軸４２に固定しである。第４
図は前記位置決め装置４１の実施例を示し、基本的構造
は前記位置決め装置２０と類似し、外側偏心ロータ４３
及び内側偏心ロータ４４の複合運動により、出力軸４２
を２次元面内の並進移動と軸回りの回転させて３自由度
の位置決めができる。なお、４５□〜４５．は電動直接
駆動モータ、４６はディスクブレーキ装置、４７は該位
置決め装置を疲労試験装置の支持枠に取り付けるための
取付杆である。

次に以上のように構成された装置による試験例を第１図
及び第５図により説明する。

図示の例は、丸棒状の試験片を片持ち梁状態で支持して
、加熱しから歳差運動に近い状態の荷重を与えて高温で
の曲げ疲労試験を行なう場合である。出力軸を原点に位
置させた状態で試験片５０の上部を上部締着装置５に貫
通させてチャック８により固定し、下端を自在継手１０
を介して台座３１に連結された締着装置のチャック４に
固定する。その場合、前記台座３１と出力軸並進ロッド
のフランジ２９とは連結されてなく、出力軸３０は自由
に上下動できるようになっている。この状態で荷重アク
チュエータである位置決め装置２０に出力軸が歳差運動
を行なう信号を入力すれば、出力軸は入力信号に基づき
軸回りの捻り回転θ２（該回転は所定の回転角度の範囲
で正逆にねじるようにする）しながら、２次元面内を所
定の半径で円運動を所定の速度で行ない、試験片に所定
の歳差運動に近い運動が繰り返し負荷される。その際、
試験片の下端は自在継手を介して連結されて、角度が自
在に変化するので、試験片は上部が固定された片持ち梁
状になる。また、出力軸は軸方向に移動自在であるから
、試験片の曲げによる上部締着具と下部締着具との距離
の変化に追従することができ、試験片に変位量の大きい
曲げを与えることが可能である。その間に上部締着装置
に作用する６分力がロートセルフによって検出される。

第６図は、両端固定支持梁状態で上記と同様な疲労試験
を行なう場合を示す、この場合は、下部締着具３を直接
出力軸の台座３１にボルトにより固定し、試験片の下端
を拘束することによって、試験片は上下の締着具間に両
端固定支持梁状に支持される。従って、この状態で前記
と同様な繰り返し荷重を与えれば、両端固定支持状態で
の疲労試験ができる。

本実施例装置は、以上の他１例えば第１０図に示すよう
な荷重波形等任意の線形及び非線形の繰り返し荷重を与
えることができる。また、引っ張り荷重や圧縮荷重を与
える場合は、前記台座と出力軸並進ロンドのフランジを
固定して、出力軸並進ロータを回転させてボールネジ機
構により、出力軸並進ロンドを上下させれば、それに応
じて出力軸も上下し、試験片に引っ張り荷重又は圧縮荷
重を作用させることができる。従って、原点位置で引っ
張り荷重を加えれば、通常の引っ張り試験機と同様に引
っ張り試験を行なうことができる。

また、本実施例では、各モータは独立して駆動制御され
るので、台座をＸ−Ｙ面で変位させて曲げを与えた状態
での静的引っ張り試験や、繰り返し曲げ応力を与えなが
らの引っ張り試験、及び軸方向の繰り返し荷重を与える
等、種々の複合荷重を同時に与えることが可能である。

第７図は１本発明の他の実施例を示し、長さが５〜１０
ｍ位の大きい構造物の疲労試験を行う大型疲労試験機で
あり、図示の例では飛翔棒翼構造物５６の疲労試験を行
っている。このような大型疲労試験装置の場合、荷重ア
クチュエータとしての複合偏心型電動直接駆動位置決め
装置５３は。

例えば外径２ｍ程度のロータを有するもの採用して出力
軸作動範囲直径を１ｍ程度確保する。該実施例での上部
締着装置は、翼先端断面部を締着できるチャック５１を
有し、該チャック５１を単体のロードセル５５の組合せ
からなる多分力検出装置を介して支持し、チャック５１
に作用する多分力を検出できるようになっている。また
、下部締着装置は、翼先端断面部を締着するチャック５
２を有し、複合偏心型電動直接駆動位置決め装置５３の
出力軸先端の台座５４に固定されている。該装置による
種々の試験法は前記の実施例と同様である。該装置によ
り、従来の試験装置では不可能であった翼構造物に任意
の振動波形を有する荷重を与えることができ、新素材を
適用した翼構造物の疲労による眉間剥離等の損傷経過に
ついて、実際に即した状態で定量的に把握することが可
能である。第８図は、横型の疲労試験装置を示し、横型
である点を除き前記と同様な構成であるので、第７図と
同一符号を付記しである。

以上、本発明の種々の実施例を示したが、本発明は該実
施例に限らず、特許請求範囲の記載の範囲で種々の設計
変更が可能である。

（効果） 本発明は、以上のような構成からなり、次のような顕著
な効果を奏する。

各種素材及び−次構造材に、任意方向の静荷重型や、ラ
ンダム・８字型波形・歳差運動・ねじり等任意の非線形
繰り返し荷重を、長時間にわたって一定に与えることが
できる。しかも構造がコンパクトで高加振力が得られ、
荷重の波形・振幅（変位）・速度等が簡単に制御できる
。

また、荷重アクチュエータは、電動直接駆動であるので
バックラッシュ等がなく極めて精密な制御ができ、高分
解能（数百パルス以上）のエンコーダを使用すれば、１
μ■単位の超精密な位置決めができ、試験片に所定歪を
正確に与えることができ、精密な静的疲労試験を行なう
ことができる。

さらに、出力軸は電動直接駆動モータで駆動される偏心
ロータの複合運動によって駆動されるので、従来の油圧
駆動方式と相違して荷重の変動はなく、しかも複雑な翻
動部がないので保守点検も殆ど必要とすることなく長時
間安定して正確な疲労試験ができる。

請求項２記載の構成によれば、片持ち梁状前での疲労試
験が可能である。

請求項３記載の構成によれば、ダイヤルゲージの測定子
の位置が簡単に正確に設定することができ、試験片の歪
量正確に検出することができる。

さらに請求項４記載の構成によれば、試験片を所定温度
に加熱して疲労試験を行なうことができ。

損傷形態等における熱強度の実験的検証ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は本発明の多モー
ド疲労試験装置の実施例の斜視図、第２図はそのアクチ
ュエータである複合偏心型電動直接能動位置決め装置の
側断面図、第３図はダイヤルゲージ装置の斜視図、第４
図は該ダイヤル装置の複合偏心型電動直接駆動位置決め
装置の側断面図、第５図は第１図の多モード疲労試験装
置の片持ち梁状前での疲労試験状態を示す要部正面図、
第６図は両端固定支持梁状態での疲労試験状態を示す要
部正面図、第７図は翼の疲労試験状態を示す多モード疲
労試験装置の他の実施例の斜視図、第８図はさらに他の
実施例の横型多モード疲労試験装置の斜視図、第９図は
複合偏心型電動直接駆動位置決め装置の出力軸の可動範
囲を示す説明図、第１０図は複合偏心型電動直接駆動位
置決め装置の入力信号に対する出力軸の軌跡を示す表で
ある。 １：枠台　　２：荷重アクチュエータ　　３：下部締着
装置　　４．７，５１：チャック５．５５：上部締着装
置　　６：上部ベツド７＝ロードセル　　ｌｌ：コント
ローラ１３：支持枠　　１５：加熱装置　　２０，４１
：複合偏心型電動直接駆動位置決め装置２２．４３：外
側偏心ロータ２３．４４：内側偏心ロータ　　２４：出
力軸ロータ　　３０．４２：出力軸　　　３１：台座　
　３３．４５：電動直接駆動モータ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）各種試験片の一端部を締着する締着装置と他端部を
   締着する締着装置を有し、両締着装置の何れか一方の締
   着装置には荷重を検出するロードセルが設けられ、また
   何れか一方の締着装置は荷重アクチュエータによって駆
   動される台座に固定されてなる疲労試験装置であって、
   前記荷重アクチュエータは、電動直接駆動される複合偏
   心ロータ及び該複合偏心ロータによって２次元面に並進
   移動される出力軸を有し、該出力軸の端部に台座を固定
   し、該台座に２次元面の並進移動、該２次元面内に対し
   て垂直移動及び前記２次元面内に垂直な軸回り回転の４
   自由度を有して駆動制御する複合偏心型電動直接駆動位
   置決め装置からなることを特徴とする多モード疲労試験
   装置。 ２）前記台座に固定する締着装置が自在継手を介して台
   座に固定されている請求項１記載の多モード疲労試験装
   置。 ３）支持枠に試験片の歪量を計測する複合偏心型電動直
   接駆動位置決め装置を介してダイヤルゲージが設けられ
   ていることを特徴とする請求項１記載の多モード疲労試
   験装置。 ４）試験片を加熱する加熱装置を備えている請求項１、
   ２又は３記載の多モード疲労試験装置。