JP2003114179A - 部材支持用自在継手及びそれを用いた引張り・ねじり試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部材に軸方向荷重およびねじり荷重の何れか
一方または双方が負荷されるときに荷重を支持する自在
継手に起因する偏心量が事実上零である自在継手および
曲げモーメントや軸方向に垂直な面に働くせん断力発生
のない引張り・ねじり試験機を提供すること。 【解決手段】 円錐状支持部材の頂点または楔型柱状支
持部材の稜線でフランジ（荷重受け台）を支持する点支
持または線支持とする支持部材対によって相互に直交す
る２つの回転軸心をもつ自在継手を構成し、荷重軸心の
偏心量を実質的に零とし、曲げモーメントの生成をなく
した。また、この自在継手を試験片の上下に接続する構
造の引張り・ねじり試験機を構成し、曲げモーメントの
ない高精度の引張り・ねじり試験を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば試験片に
軸方向荷重およびねじり荷重の何れか一方または双方を
負荷して強度試験を行う場合に望まれるように、部材に
偏心荷重に起因する曲げモーメントを負荷することな
く、部材に軸方向荷重およびねじり荷重の何れか一方ま
たは双方を負荷することができる部材支持用自在継手及
びそれを用いた引張り・ねじり試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、材料強度や継手性能を試験するた
めに、引張り試験やねじり試験が行われる。その際、部
材（試験片）に荷重の偏心に起因する曲げモーメントや
軸方向に垂直な面に働くせん断力が作用すると、それが
外乱となるから試験結果の精度や信頼性を低下させる。
わけても、試験片が降伏することなく破断に至る脆性破
壊を起こす材料である場合は、測定上の強度は曲げモー
メントや軸方向に垂直な面に働くせん断力の影響を受け
た結果となるが、曲げモーメントや軸方向に垂直な面に
働くせん断力の大きさが不明である場合が多いので、試
験結果が信頼性のないものとなる。接着剤を用いた継手
では、溶接継手に比し継手寸法の割に強度が低くかつ脆
性的な破断を示す場合が多い。このように、偏心荷重に
起因する曲げモーメントや軸方向に垂直な面に働くせん
断力が無いか或いはきわめて小さな、材料や継手の試験
手段が望まれていた。

【０００３】従来、材料や継手といった部材に軸方向荷
重やねじり荷重を負荷するときに、曲げモーメントや軸
方向に垂直な面に働くせん断力を小さくする手段とし
て、部材の軸心或いは中立軸に垂直なかつ直交する２つ
の回転軸心をもつ自在継手が用いられている。たとえ
ば、特開平５−１０７１６４号公報には、試験機におい
て、荷重が負荷される試験片の軸心に垂直かつ相互に直
交する２つの回転軸心が共通の交点を、荷重が負荷され
る試験片の軸心上に有する如く構成された自在継手を有
するモーメント無し締付け装置が開示されている。この
先行技術においては、自在継手には、軸受けピンおよび
軸が採用されている。

【０００４】この先行技術にあっては、軸受けピンや軸
などの可動部が理想的に機能することが前提となってい
る。軸受けピンや軸における潤滑が良好かつ試験片に負
荷される荷重が大きい試験条件の下では、全荷重に占め
る偏心荷重の比率は小さく高精度の試験を行えるが、試
験片に負荷される荷重が小さい場合は、全荷重に占める
偏心荷重の割合が無視できない大きさになる場合があ
る。このような偏心荷重が発生するのは、軸受けピンや
軸の直径の大きさに依存する偏心量が存在するためであ
る。軸受けピンや軸に僅かでも摩擦が存在すると、軸受
けピンや軸の直径が大きいものの方が大きな偏心量を生
じる。

【０００５】一方、軸受けピンや軸の直径を小さくすれ
ば、偏心量の減少が期待される。しかしながら、きわめ
て直径の小さな軸受けピンや軸を用いた自在継手は、試
験機に実用化されていない。これは、従来の継手構造で
は、軸受けピンや軸の直径を減少させることが直接に自
在継手の強度を低下させることになるからである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、部材に軸方
向荷重やねじり荷重が負荷されるときに、荷重を支持す
る自在継手構造に起因する偏心量がきわめて小さいか或
いは事実上零である自在継手及びそれを用いた引張り・
ねじり試験機を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１に記載の発明は、部材に、その軸方向荷重お
よび軸心回りのねじり荷重の何れか一方または双方が負
荷されるときの荷重を支持する手段の自在継手であっ
て、前記部材の軸方向の一端に連結される第一のフラン
ジと、前記部材の他端側に配置される、前記部材がその
軸方向に挿通自在な孔を有する第二のフランジの、前記
部材の軸方向における間隙に円錐状またはその稜線が直
線状に延在する楔型柱状の第一の支持部材を、前記部材
の軸心を挟んで対向する位置にかつその頂点または稜線
を結ぶ線が前記部材の軸心と交叉する如く配置するとと
もに、前記第二のフランジと、該第二のフランジよりも
前記部材の他端側に配置される、前記部材がその軸方向
に挿通自在な孔を有する第三のフランジの前記部材の軸
方向における間隙に、円錐状またはその稜線が直線状に
延在する楔型柱状の第二の支持部材を、前記部材の軸心
を挟んで対向する位置にかつその頂点または稜線を結ぶ
線が前記部材の軸心と交叉する如くかつ前記第一の支持
部材の頂点または稜線を結ぶ線とは直交する如く配置
し、前記第一のフランジおよび第二のフランジをそれぞ
れ第一の支持部材対および第二の支持部材対の頂点また
は稜線を結ぶ線を回転中心として揺動自在に構成してな
る部材支持用自在継手である。

【０００８】請求項２に記載の発明は、第一の支持部材
および第二の支持部材の頂点または稜線が相対するフラ
ンジに、前記頂点または稜線の尖頭部が嵌合する凹部ま
たは溝が形成されているとともに、第一の支持部材およ
び第二の支持部材の底面部が相対するフランジに固定さ
れている請求項１に記載の部材支持用自在継手である。

【０００９】請求項３に記載の発明は、試験片に軸方向
荷重およびねじり荷重の何れか一方または双方を負荷す
る手段と、試験片の軸方向の一端に固着される第一のフ
ランジと、前記試験片の軸方向他端側に、円錐状または
その稜線が直線状に延在する楔型柱状の第一の支持部材
を、試験片の軸心を挟んで対向する位置にかつその頂点
間または稜線を結ぶ線が試験片の軸心と交叉する如く配
置される第一の支持部材を介して配置されるとともに、
前記試験片がその軸方向に挿通自在な孔を有する第二の
フランジと、試験片の軸心を挟んで対向する位置にかつ
その頂点間または稜線を結ぶ線が試験片の軸心と交叉す
る如くかつ前記第一の支持部材の頂点または稜線を結ぶ
線とは直交する如く前記試験片の軸方向他端側に配置さ
れる、円錐状またはその稜線が直線状に延在する楔型柱
状の第二の支持部材を介して配置されるとともに、前記
試験片がその軸方向に挿通自在な孔を有する第三のフラ
ンジからなり、該第三のフランジが試験片に軸方向荷重
を負荷するための可動式部材に固定される第一の自在継
手と、前記試験片の軸方向の他端に固着される、第一の
フランジと、前記試験片の軸方向他端側に、円錐状また
はその稜線が直線状に延在する楔型柱状の第一の支持部
材を、試験片の軸心を挟んで対向する位置にかつその頂
点間または稜線を結ぶ線が試験片の軸心と交叉する如く
配置される第一の支持部材を介して配置されるととも
に、前記試験片がその軸方向に挿通自在な孔を有する第
二のフランジと、試験片の軸心を挟んで対向する位置に
かつその頂点間または稜線を結ぶ線が試験片の軸心と交
叉する如くかつ前記第一の支持部材の頂点または稜線を
結ぶ線とは直交する如く前記試験片の軸方向他端側に配
置される、円錐状またはその稜線が直線状に延在する楔
型柱状の第二の支持部材を介して配置されるとともに、
前記試験片がその軸方向に挿通自在な孔を有する第三の
フランジからなり、該第三のフランジが前記ねじり荷重
を試験片に負荷する手段に連結されたねじり負荷回転軸
に固定される第二の自在継手を有してなる引張り・ねじ
り試験機である。

【００１０】

【作用】本発明は叙上の構成になるから、軸受構造にお
ける接触部を円錐状支持部材の頂点または楔型柱状支持
部材の稜線に限定し、偏心量に及ぼす軸受寸法の影響を
排除することができる。また、円錐状支持部材の頂点ま
たは楔型柱状支持部材の稜線とそれぞれの支持部材の広
い底面で荷重を支持し伝達するため、底面積を増加させ
れば円錐状支持部材または楔型柱状支持部材にかかる応
力を低下させることができる。特に、楔型柱状支持部材
の場合は、その断面形状である三角形の形状、寸法を変
化させることなく、楔型柱状支持部材の長さを大きくす
ることによって、軸受部の精度を保持して軸受部の強度
を増加させることができる。

【００１１】請求項２に記載の発明においては、軸受台
であるフランジに円錐状支持部材の頂点または楔型柱状
支持部材の稜線を受ける凹部または溝を設けているか
ら、円錐状支持部材または楔型柱状支持部材は軸受台上
で横滑りしなくなり、ねじり荷重を伝達できる。

【００１２】たとえば試験片といった部材の軸心（中立
軸）を挟んで軸心に垂直かつ対称的に対向する位置に固
定される円錐状支持部材または楔型柱状支持部材の頂点
または稜線を結ぶ直線を回転軸心として、この回転軸心
と部材の軸心は交点を持ちさらに、この回転軸心ともう
１組の回転軸心が前記回転軸心と直交して同一交点を通
るようにフランジ及び支持部材を配置すれば、荷重軸心
はこれら３軸心の共通交点を中心とする運動をする。換
言すれば、試験片といった部材は、荷重軸心上の１点で
支持されているときと同じ運動をする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、試験片といった
部材の軸方向両端に自在継手を取付け、試験機における
引張り荷重および／またはねじり荷重負荷手段に接続す
れば、試験片（部材）は、荷重軸心の２点から荷重を受
けたのと同じ運動をするため、全く偏心のない状態で試
験される。

【００１４】ただし、自在継手におけるフランジ揺動の
回転軸心の位置の精度は、円錐状支持部材の頂点または
楔型柱状支持部材の稜線の先端形状とフランジ（受け
台）に刻設される凹部または溝の寸法に依存する。従っ
て、十分な精度で荷重軸心を支持するためには、円錐状
支持部材の先端または楔型柱状支持部材の稜を十分に鋭
くする必要がある。

【００１５】相互に直交する２つの回転（揺動）中心を
もつ１組の自在継手には、平面中央に試験片を挿通でき
る孔が穿設されている。自在継手は、試験片への荷重軸
心と交点を有するように、荷重軸心と線対称に荷重軸心
に垂直な方向に円錐状支持部材または楔型柱状支持部材
が配置された板状体（フランジ）が２枚、荷重軸心方向
において所与の間隔を置いて積層され、さらにその上に
円錐状支持部材の頂点または楔型柱状支持部材の稜線に
対応する凹部または溝が刻設された板状体（フランジ）
を積層することによって構成されている。このように、
本発明の部材支持用自在継手は、３つの部品を重ねただ
けの簡単な構造であるため分解が容易であり、荷重支持
部分の分解掃除を伴う保守や整備が実に簡単である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその好ましい実施
形態に則して説明する。

【００１７】

【実施例】実施例１ 図１に、円柱状試験片（部材）を取り付けた本発明の自
在継手の平面を、図２に、縦断面を示す。図３は側面図
である。図１乃至図３において、１は試験片（部材）で
あって、この実施例においては、円柱状を呈している。
試験片１の上端部は、この実施例においては、正方形平
面を有する第１フランジ２の平面中心に刻設されている
雌ねじ部に螺入され固定されている。そして、第１フラ
ンジ２の裏面には、試験片１の荷重軸心Ｉを貫通し荷重
軸心Ｉに垂直な方向に延びる回転軸心IIIに一致する方
向に、楔型柱状支持部材５ａ、５ｂの稜線に対応する溝
が刻設されている。この溝が第１フランジ２を回転軸心
III回りに揺動自在に支持する楔型柱状支持部材５ａ、
５ｂの軸受として機能する。

【００１８】２つの楔型柱状支持部材５ａ、５ｂは、そ
れぞれの稜が第１フランジ２裏面の溝に、第１フランジ
２を回転軸心III回りに揺動自在に支持すべく嵌合し、
それぞれの底面は、図３に示すように、第２フランジ３
の上面に固定されている。この支持構造によって、試験
片１は第２フランジ３に対して回転軸心III回りに揺動
自在に支承される。第２フランジ３は、図２および図３
に示すように、第１フランジ２が嵌入される如く凹部を
有する構造となっている。

【００１９】第２フランジ３は、図１乃至図３に示すよ
うに、荷重軸心Iを貫通しかつ回転軸心IIIと直交する回
転軸心IIを有する。即ち、図２および図３に示すよう
に、第３フランジ４上面にその底面が固定される楔型柱
状支持部材６ａ、６ｂの、回転軸心IIと一致する方向に
延びる稜線に対応する溝が第２フランジ３の裏面に刻設
されている。これらの溝は、楔型柱状支持部材６ａ、６
ｂの稜と嵌合し、軸受として機能する。而して、第２フ
ランジ３は、第３フランジ４に対し、回転軸心II回りに
揺動自在に支承される。第３フランジ４も、図２および
図３に示すように、第２フランジ３を嵌入せしめる凹部
を有する構造となっている。

【００２０】図２および図３に示すように、第２フラン
ジ３および第３フランジ４の形状を工夫して、回転軸心
IIと回転軸心IIIが荷重軸心I上の１点で交叉するように
すると、試験片１は第３フランジ４に対し、これら３軸
心の交点を回転中心とする球面運動ができる。この実施
例においては、試験片１の中立軸と荷重軸心Iは同じで
あるから、試験片１はその中立軸上の１点で支持されて
いるのと同じ動きができる。試験片１の下端部も上記構
造の自在継手に装着されるから、試験片１はその中立軸
上の２点で、中立軸に平行な方向の荷重を受けた場合、
試験片１には偏心荷重は生じることなく従って曲げモー
メントも軸方向に垂直な面に働くせん断力も生じない。

【００２１】実施例２ 図４に、本発明の自在継手を用いた引張り・ねじり試験
機を示す。試験片１の上下両端に本発明の自在継手１
２、２０が接続されている。試験片１に対する引張り荷
重は、上部自在継手１２が載置、固定されている可動式
上部板１３を上昇させることによって負荷される。可動
式上部板１３は、スライドベアリング３０によって昇降
自在に支持され、モータ１７の回転をカップリング１８
および減速機１９を介してボールスクリュージャッキ１
６を回転させて上下変位を生ぜしめることによって、引
き上げ梁１５、引き上げ腕１４を介して上昇せしめられ
る。２９は支柱である。

【００２２】試験片１の下端部に接続されている下部自
在継手２０は、ロードセル２１を介してねじり荷重伝達
用回転軸２２に接続されている。ねじり荷重伝達用回転
軸２２は、第１ベアリングユニット２３、第２ベアリン
グユニット２４によって上下運動を拘束され、回転運動
をロードセル２１および下部自在継手２０を介して試験
片１に伝達する。ねじり荷重伝達用回転軸２２の回転運
動は、モータ２８の回転をカップリング２７および減速
機２６さらに第２カップリング２５を介してもたらされ
る。

【００２３】モータ１７およびモータ２８の回転速度検
出器や試験片１の荷重検出器（ロードセル２１）はパー
ソナルコンピュータＰＣに接続され、パーソナルコンピ
ュータＰＣによってモータ１７およびモータ２８のトル
クや回転速度が制御される。

【００２４】前記引張り・ねじり試験機に丸棒試験片を
取付け、試験片１の外周面の周方向９０°ピッチで取り
付けた４枚のストレインゲージの出力を、負荷応力で整
理した試験結果を図５に示す。ストレインゲージの測定
精度は、歪み計の表示精度である１マイクロである。歪
み測定値に１マイクロ以上の差は認められなかった。

【００２５】

【発明の効果】本発明の部材支持用自在継手によれば、
部材に軸方向荷重およびねじり荷重の何れか一方または
双方を負荷するに際し、部材に曲げモーメントや軸方向
に垂直な面に働くせん断力を生じることがない。

【００２６】請求項３に記載の発明によれば、実際上偏
心量が零の荷重負荷が可能であるから、曲げモーメント
を生じることなく高精度下に試験片の軸方向（引張り、
圧縮）荷重試験やねじり荷重試験を行うことができる引
張り・ねじり試験機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の部材支持用自在継手の平面図

【図２】本発明の部材支持用自在継手の、回転軸心IIに
沿う縦断面図

【図３】本発明の部材支持用自在継手の側面図

【図４】本発明の引張り・ねじり試験機の正面図

【図５】本発明の引張り・ねじり試験機に取り付けた試
験片の外周面における周方向の異なる位置での歪みを比
較し、偏心の有無を調べた結果を示すグラフ

【符号の説明】

１ 試験片（部材） ２ 第１フランジ ３ 第２フランジ ４ 第３フランジ ５ａ 楔型柱状支持部材 ５ｂ 楔型柱状支持部材 ６ａ 楔型柱状支持部材 ６ｂ 楔型柱状支持部材 １２ 上部自在継手 １３ 可動式上部板 １４ 引き上げ腕 １５ 引き上げ梁 １６ ボールスクリュージャッキ １７ モータ １８ カップリング １９ 減速機 ２０ 下部自在継手 ２１ ロードセル ２２ ねじり荷重伝達用回転軸 ２３ 第１ベアリングユニット ２４ 第２ベアリングユニット ２５ 第２カップリング ２６ 減速機 ２７ カップリング ２８ モータ ２９ 支柱 ３０ スライドベアリング

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 部材に、その軸方向荷重および軸心回り
   のねじり荷重の何れか一方または双方が負荷されるとき
   の荷重を支持する手段の自在継手であって、前記部材の
   軸方向の一端に連結される第一のフランジと、該第一の
   フランジよりも前記部材の他端側に配置される、前記部
   材がその軸方向に挿通自在な孔を有する第二のフランジ
   の、前記部材の軸方向における間隙に円錐状またはその
   稜線が直線状に延在する楔型柱状の第一の支持部材を、
   前記部材の軸心を挟んで対向する位置にかつその頂点ま
   たは稜線を結ぶ線が前記部材の軸心と交叉する如く配置
   するとともに、前記第二のフランジと、該第二のフラン
   ジよりも前記部材の他端側に配置される、前記部材がそ
   の軸方向に挿通自在な孔を有する第三のフランジの前記
   部材の軸方向における間隙に、円錐状またはその稜線が
   直線状に延在する楔型柱状の第二の支持部材を、前記部
   材の軸心を挟んで対向する位置にかつその頂点または稜
   線を結ぶ線が前記部材の軸心と交叉する如くかつ前記第
   一の支持部材の頂点または稜線を結ぶ線とは直交する如
   く配置し、前記第一のフランジおよび第二のフランジを
   それぞれ第一の支持部材対および第二の支持部材対の頂
   点または稜線を結ぶ線を回転中心として揺動自在に構成
   してなる部材支持用自在継手。
2. 【請求項２】 第一の支持部材および第二の支持部材の
   頂点または稜線が相対するフランジに、前記頂点または
   稜線の尖頭部が嵌合する凹部または溝が形成されている
   とともに、第一の支持部材および第二の支持部材の底面
   部が相対するフランジに固定されている請求項１に記載
   の部材支持用自在継手。
3. 【請求項３】 試験片に軸方向荷重およびねじり荷重の
   何れか一方または双方を負荷する手段と、試験片の軸方
   向の一端に固着される第一のフランジと、前記試験片の
   軸方向他端側に、円錐状またはその稜線が直線状に延在
   する楔型柱状の第一の支持部材を、試験片の軸心を挟ん
   で対向する位置にかつその頂点間または稜線を結ぶ線が
   試験片の軸心と交叉する如く配置される第一の支持部材
   を介して配置されるとともに、前記試験片がその軸方向
   に挿通自在な孔を有する第二のフランジと、試験片の軸
   心を挟んで対向する位置にかつその頂点間または稜線を
   結ぶ線が試験片の軸心と交叉する如くかつ前記第一の支
   持部材の頂点または稜線を結ぶ線とは直交する如く前記
   試験片の軸方向他端側に配置される、円錐状またはその
   稜線が直線状に延在する楔型柱状の第二の支持部材を介
   して配置されるとともに、前記試験片がその軸方向に挿
   通自在な孔を有する第三のフランジからなり、該第三の
   フランジが試験片に軸方向荷重を負荷するための可動式
   部材に固定される第一の自在継手と、前記試験片の軸方
   向の他端に固着される、第一のフランジと、前記試験片
   の軸方向他端側に、円錐状またはその稜線が直線状に延
   在する楔型柱状の第一の支持部材を、試験片の軸心を挟
   んで対向する位置にかつその頂点間または稜線を結ぶ線
   が試験片の軸心と交叉する如く配置される第一の支持部
   材を介して配置されるとともに、前記試験片がその軸方
   向に挿通自在な孔を有する第二のフランジと、試験片の
   軸心を挟んで対向する位置にかつその頂点間または稜線
   を結ぶ線が試験片の軸心と交叉する如くかつ前記第一の
   支持部材の頂点または稜線を結ぶ線とは直交する如く前
   記試験片の軸方向他端側に配置される、円錐状またはそ
   の稜線が直線状に延在する楔型柱状の第二の支持部材を
   介して配置されるとともに、前記試験片がその軸方向に
   挿通自在な孔を有する第三のフランジからなり、該第三
   のフランジが前記ねじり荷重を試験片に負荷する手段に
   連結されたねじり負荷回転軸に固定される第二の自在継
   手を有してなる引張り・ねじり試験機。