JPS6042904B2 - 引張・圧縮疲れ試験機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は機械や構造物を構成する各種材料に所定の応
力を繰返し負荷して、応力と破断までの繰返数の関係を
求める疲れ試験機に関するものである。

実用の機械部品の疲れ破壊は運転中に突然起るので大事
故の原因となることが多く、疲れ破壊に対する安全性の
確保の面から疲れ試験は重要な試験である。

疲れ試験機は繰返し応力の種類によつて曲げ、ねじり、
および引張・圧縮の三種に大別され、そのうちの引張・
圧縮用については過去において引張・圧縮の疲れ破断の
起る率が実用機械に比較的低かつたことと、試験に当り
試験片断面での応力勾配がほとんど無いので比較的小径
の試験片についても可成りの大荷重を要し、かつ試験片
の変形量が僅少などの理由で疲れ現象の基礎研究に限ら
れていた傾向にあつたが、近年航空機・原子力関係のほ
か各種産業の発達に伴ない引張・圧縮疲れ試験の重要性
が高まり、大荷重が容易に発生させ、かつその荷重を電
気的指令にて自由に制御できる電気油圧式疲れ試験機な
どによつて盛んに行なわれるようになつた。これを用い
て第１口Λ、８に示すように引張または圧縮の最大応力
１σｔｍａｘｇｃｍａｘが一定値で、それぞれの応力σ
を９σｃが繰返し加わる単純繰返し部分片振り試験は、
その試験結果が実用機械部品の実働において受ける複雑
な変動応力に対する疲れ強さの評価となるのでしばしば
行なわれる試験であり、この試験は第１図のような正弦
波だけでなく任意の波形も含め、高・低サイクルにわた
るだけでなく、高温◆低温・真空・特殊ガスあるいは腐
食液中などのいわゆる特殊ふんい気中でも行なわれてい
るものである。しかしながら、第１図８のように大きい
圧縮動荷重（前述のとおり小径試験片でも大荷重を要す
ため）を連続的に試験片に加える疲れ試験は、その加圧
機構特にその治具が従来のものでは試験片が比較的細長
い（たとえばＩＳＯが推奨するＬ（標点間距離）≦４ｄ
（断面直径）ｄは６〜１２朗位のような）円柱状では曲
がり、あるいは坐屈を生じ正しい疲れ強度の測定ができ
ないという基本的な問題がある。このため試験片に曲が
りや坐屈を起させす疲れ試験をするには従来第２図６に
示すような円柱状試験片１をその両端に互いに直角な耳
部２，３を設けた特殊な形状とし、第２図８のコの字形
治具４の先端４ａ，４ｂを上記耳部３の両方に当て、つ
ぎに第２図Ｃのコの字形治具５の先端５ａ，５ｂを耳部
２の両方に当てがい、第２図０のように２個の治具４，
５と試験片１の両端面間にＧｌ，ｇ２の間隙を残し、一
端を固定し、他端からＰｅの繰返し圧縮荷重を加えると
試験片１には第１図６のσｔのように繰返し引張り応力
が負荷てきる片振り（または部分片振り）引張試験を行
なうのが通例であるが、試験片が第２図Ａのように特殊
形状のため製作費が高くつく欠点がある。さらに第１図
８に示すような圧縮疲れ試験が特に必要な場合、試験片
に坐屈を起させず試験するには試験片両端のチャック部
を当りとして上．下加圧板を２本以上のボルトで緊締し
、試験片に所要の初期圧縮静荷重を加えつぎに上記チャ
ック部にブルロッドを直結し、試験片と締結ボルトとも
ども繰返し引張応力を負荷する方法があるが、この方法
は加圧板装着に手間がかかり非能率であ！るだけでなく
、個々のボルト材質の不均質、締結力の不揃いなどの理
由から、試験結果の信頼性に問題がありあまり行なわれ
ていない。この発明は以上の現況に鑑み比較的小径の円
柱状試験片にいささかの曲がりや坐屈を起させず引１張
・圧縮疲れ試験を大荷重によつて行なうについて小形・
軽量にして構造簡単で、試験片の装着し、これに圧縮ま
たは引張の初期荷重を正確に加える操作およびこれを試
験機本体に取り付ける作業が容易で、かつ剛性が大で大
荷重・高サイクルその他各種の疲れ試験に耐える試験治
具を備えた疲れ試験機を提供することを目的とするもの
である。すなわち薄肉の筒状部材の両端に加圧板を有し
、この加圧板の中心に円柱状の試験片を把持し、上記筒
部外壁または加圧板に設けたねじ部とこれに螺合する締
結部材との締結力によつて上記試験片に引張または圧縮
の初期静荷重を負荷するようにし、かつ前記円筒部材の
一方側端部を機枠ノに固定して試験片に引張または圧縮
の繰返し荷重を負荷しうるようにしてなる引張・圧縮疲
れ試験機にかかるものである。以下図面によつてこの発
明の一実施例を詳説する。

第３図はこの発明に係る引張疲れ試験機の構、成と作動
を説明する一部断面を含む矢視図で１は試験片で前述し
たように引張・圧縮疲れ試験片としてＩＳＯ（万国標準
協会）が推奨する形状の円形断面でｄ＝５ｍ，．Ｌ＝２
０ｗＬのもので、両端平行部に雄ねじ１ａ，１ｂが螺設
してあり、また軸中心の１ｃはこの発明の一要件である
試験片貫通孔で、この孔１ｃを繰返し圧縮荷重を伝導す
るワイヤ６が通る。ワイヤ６の材質は供試材により異な
り、これより比強度の大きいものを使う。７は締付けナ
ットで試験片１の上部ねじ１ａと螺合し、かつこれを引
張治具８の上部加圧板８ａと螺合によつて支承するもの
で、これを矢印Ａ方向に締付けることによつて試験片１
を上方に引張るように、このナット７の雄ねじ７ａと雌
ねじ７ｂがその方向とピッチを工夫してある。

試験片１を引張治具８の下部加圧板８ｂにねじ込み、ロ
ックナット９で固定したのち、上記締付けナット７を緊
締することによつて図示しないが試験片１に装着したひ
ずみ検出素子の検出値によつて所定の初期引張荷重Ｐｔ
を容易かつ正確に設定しうるものである。引張治具８は
図示のごとく薄肉円筒状で上下に部厚い加工板８ａ，８
ｂを溶接などの方法で取付け、上記のように試験片１に
所定の初期荷重を加えるもので、材質は供試材質および
試験の種類（たとえば高温試験なら耐熱鋼）により異な
る。この引張治具８の特徴は８ｃの薄肉円筒部であり、
これを同一断面積を有する同一材料の中実円柱と曲げ剛
性（ＥＩｚ）について比較すると縦弾性係数すなわちヤ
ング係数Ｅは同一であるので断面二次モーメントｈの比
となり、中実円柱のそれをワ。とし、その直径をｄ１薄
肉円筒の断面二次モーメントをｈ１とし、内径をｄ１外
径を↓とし、ｄ１／Ｄ２＝ｎとすれば曲げ剛性の比は次
式で求められる。この（２）式を（１）式に代人すると 今第３図の円筒の肉厚を１．５？とし、ｄ１＝７７顛、
↓＝８０ＴＩｒ！ｎにすると、ｎ＝０．９６２５１ｚ１
／ＩｚＯキ５２となり、薄肉円筒の曲げ剛性の大きさを
示している。

これがこの発明の治具を用い疲れ試験をしたとき初期荷
重を安定に保持し、大荷重、高サイクルにおいても信頼
性の高い試験結果が得られる理由．であり、この発明の
要件の一つである。

１０は上記引張治具支持ロッドでボルト●ナットで１１
の治具支持板を支承し１２の支持具に直結されており、
１２の支持具は図示しない試験機台に固定されている。

１３はワイヤ６の下端に係合された圧縮加圧具でワイヤ
６によつて伝達されるアクチュエータ（往復動油圧シリ
ンダ）１４のピストンロッド１５の上下運動による繰返
し圧縮応力を治具８ともども試験片１に負荷するものて
ある。１６はロードセルでひずみゲージなどを内蔵し上
記繰返し圧縮荷重を検出し、その検出信号を試験機制御
系に伝送するものである。

図示しないがふんい気試験たとえば低温試験とか腐食試
験の場合は引張治具４部分を中心に治具支持ロッド１０
の中間位までを密閉容器に収容し、この容器に寒剤や腐
食液を充填して試験する。以上がこの発明に係る引張荷
重を初期荷重とする引張圧縮疲れ試験の説明であり、つ
ぎに第４図によつてこの発明の今一つの試験治具である
圧縮荷重を初期荷重とする同じく引張圧縮疲れ試験の場
合の治具の一実施例を説明する。

第３図と同一記号、同一符号のものは説明を省略する。
１５ａは試験片上部つかみ具で、アクチュエータ１４か
らロードセル（図示せず）を介して連結するブルロッド
１５の先端に溶接などで固定され、下部固定ロッド１７
の先端に同じく固定されている下部つかみ具１７ａの断
面に示すごとく試験片１の上端平行部に設けた雄ねじ１
ａ（図示しない）と螺合する。

１８は２個のロックナットで試験片１の両端１ａ，１ｂ
を上記つかみ具１５ａ，１７ａに緊締するもの。

１９，２０，２１はこの発明の要件の一つである圧縮治
具であり、１９は下部円筒容器で薄肉円筒の外壁の一部
に雄ねじ１９ａが設けてあり、かつ底部１９ｂの中心に
上記下部固定ロッド１７が遊合する孔１９ｃを有してい
る。

上部円筒容器２０は同じく薄肉の円筒外壁の下縁に雄ね
じ２０ａを設け、蓋部２０ｂの中心にロッド１５が遊合
する孔２０ｃを有している。２１は締付けリングで上記
上下円筒容器２０，１９を結合し、時計方向（Ｂ方向）
に回わすことによつて１９は（Ｃ方向）、２０は（Ｄ方
向）に互いにに摺動嵌合するようその内壁に雌ねじ２１
ａ，２１ｂが螺設してある。

試験片１を上記の構成で上下のつかみ具１５ａ，１７ａ
に固定したのち上下円筒容器２０，１９を締付けリング
２１で締付けることによつて試験片１に所定の初期圧縮
荷重を加えることができるものである。なおこの圧縮治
具１９，２０，２１は図示しないが適当な方法で試験機
機台に固定される。つぎにアクチュエータ１４の上下運
動によつて試験片１に上記圧縮治具ともども繰返し引張
荷重を負荷することによつて第１図８のような圧縮疲れ
試験が行なえるものである。ふんい気試験は圧縮治具を
密閉容器に収容し、上下のロッド１５，１７の貫通部は
ベローズ・を用い密閉する。以上がこの発明に係る圧縮
荷重を初期荷重とする圧縮疲れ試験の構成と作動の説明
てあり、前述の引張疲れ試験と共通している点は試験片
に圧縮または引張の初期荷重を加えるについて薄肉の円
・筒体が従来の治具の中実棒材に置換えたことであり、
前述したとおり、中空円筒部材は同一材質同一断面積の
中実棒部材に比し、前述のように曲げ剛性が大であり、
棒材に比し大荷重および高サイクルの疲れ試験に適して
おりこれを上記のようなノ構造で試験治具として用いた
ことがこの発明の要点である。

なお引張の場合の治具（第３図）においては必ずしも円
筒でなくて角状筒（４角以上の多角筒）でもよいが円筒
形が作り易い。また以上の説明では疲れ試験機が電気油
圧式であつたが、この発明の試験機は電気油圧式疲れ試
験機用に限定されるものではなく、電磁共振型疲れ試験
機など引張・圧縮疲れ試験が行なえる試験機のいずれに
も使用しうるものであることはいうまでもない。この発
明は以上のように構成されているので引張・圧縮疲れ試
験に原則として用いられる比較的細長い円柱状試験片に
大荷重においても曲がりや坐屈を含まない圧縮疲れ試験
ができる圧縮治具あるいは中空の試験片を用い引張応力
の下にある試験片に繰返し圧縮応力を負荷することによ
つて引張疲れ試験が一方向からできる引張治具を備えた
疲れ試験機を提供したもので、従来の試験機に比し、小
形、軽量、構造簡素で試験片の着脱および試験機の組込
みが容易で、堅牢で疲れ試験の信頼性と能率向上の効果
を奏する疲れ試験機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図８，８は引張または圧縮の部分片振り疲れ試験の
応力波形の一例図、第２図３〜Ｏは従来の引張疲れ試験
に用いられている圧縮荷重による引張試験治具の説明図
、第３図はこの発明の一実施例の引張試験治具の構造図
、第４図は同じく一実施例の圧縮試験治具の構造図であ
る。 １・・・・・・試験片、２，３・・・・・・試験片耳部
、４，５・・・・引張試験治具、（１対）、６・・・・
・・ワイヤ、７・・・・・・締付けナット、８・・・・
・・円筒形引張治具、９・・・・ロックナット、１０・
・・・・・引張治具支持ロッド、１１・・・・・・治具
支持板、１２・・・・・・治具支持具、１３・・・・ワ
イヤ６に係合する可動加圧具、１４・・・・アクチュエ
ータ（往復動油圧シリンダ）、１５・・・・・・ププル
ロツド、１６・・・・・・ロードセル、１７・・・・・
下部固定ロッド、１８・・・・ロックナット、１９・・
・・・・下部円筒容器、２０・・・・・上部円筒容器、
２１・・・・・締付けリング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 薄肉の筒状部材の両端に加圧板を有し、この加圧板
   の中心に円柱状の試験片の両端を把持し、上記筒部外壁
   または加圧板に設けたねじ部とこれに螺合する締付部材
   との締結力によつて上記試験片に引張または圧縮の初期
   静荷重を負荷するようにし、かつ前記円筒部材の一方側
   端部を機枠に固定して試験片に引張または圧縮の繰返し
   荷重を負荷しうるようにしてなる引張・圧縮疲れ試験機
   。 ２ 試験片の軸方向中心に貫通孔を設け、この貫通孔に
   ワイヤを通し、このワイヤを介して試験片に繰返し荷重
   を負荷しうるようにした特許請求の範囲第１項記載の引
   張・圧縮疲れ試験機。 ３ それぞれ加圧板を有する１対の薄肉円筒容器の外壁
   に雄ねじを設け、この両方の雄ねじに螺合する締付けリ
   ングの締付けによつて上記１対の薄肉円筒容器が摺動嵌
   合し、試験片に圧縮の初期静荷重を負荷するようにした
   特許請求の範囲第１項記載の引張・圧縮疲れ試験機。