JPH06103249B2 - 多モード疲労試験装置 - Google Patents

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ュエータに
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（周期的）荷重
による疲労破壊試験が中央であった。

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、傾斜機能複合材の耐熱材、繊維
強化プラスチック、繊維強化金属、カーボン・エポキシ
複合材等種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層
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、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、層間
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
種素材及び一次構造材に、任意方向の静荷重歪や、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
幅（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自由度を有して駆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、片持ち梁状態での多モー
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駆動位置
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θ_１、θ_２、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_１、θ_２
によって決定される。例えば、θ_１、θ_２が共０°であ
れば、Ｐは原点にあり、θ_１＝＋60°、θ_２＝−60°で
あればＰ点はＸ軸上のｒ点に位置し、又θ_１＝０°でθ
_２＝±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てある。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25mm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50mm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、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
角度を有する直接、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。複合偏心ロータを駆動する電動直接駆
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、電動直接駆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（数万パルス以上）
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
駆動モータによって駆動されるため、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、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
直接駆動位置決め装置は、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、その間従来の油圧駆動方式と相違し
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、片持ち梁状態で
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
するロードセル７を介してチャック８が取り付けられて
いる。該上部締着装置５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、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
温度雰囲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。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、25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ッドである。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31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
並進ロッ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
タ等の電動直接駆動モータ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33
₁により外側偏心ロータ22が、第２の電動直接駆動モー
タ33₂により内側偏心ロータ23が、第３の電動直接駆動
モータ33₃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
回転駆動される。

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、出力軸並進ロッド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の電動直接駆動モータ33₃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、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駆動回路に出力し、
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、停止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に固定してある。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次元内面の並進
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、45₁〜45₃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、加熱しが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θｚ（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
分力がロードセル７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、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ッドのフランジを固
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、出力軸並進ロッドを上下させれば、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、本発明の他の実施例を示し、長さが５〜10m
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、図示の例では飛翔体翼構造物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、翼基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ツク52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層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
付記してある。

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。

各種素材及び一次構造材に、任意方向の静荷重歪や、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（数万パルス以上）のエンコーダを使用すれば、１
μｍ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、しかも複雑な駆
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、片持ち梁状態での疲労試
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駆動位置決め装置の
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
置の片持ち梁状態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:上部ヘッ
ド、7:ロードセル、11: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

フロントページの続き (72)発明者 中谷 輝臣 東京都町田市本町田2379 木曽住宅ホー６ ―212 (72)発明者 鈴木 誠三 東京都三鷹市新川３―８―４ (72)発明者 坂井 義典 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工業 株式会社岐阜工場内 (72)発明者 丹羽 宣治 岐阜県各務原市川崎町１番地 川崎重工業 株式会社岐阜工場内 (56)参考文献 特開 昭62−254036（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−5146（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。