JP2004234962A - 電線の屈曲寿命予測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分的に被覆材が取り除かれてなるロングストリップ電線の屈曲寿命を予測する。
【解決手段】素線１３と同材質で形成された単線の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を予め得、予測対象となるロングストリップ電線１１内の複数本の素線１３のうち、曲げの最も内側の素線１２の最大歪み変化量を算出し、この最大歪み変化量を相関関係に照合する。これにより、ロングストリップ電線１１のうちの最も断線しやすい内側の素線１２の屈曲寿命を正確に予測できる。複数の素線１３を有する場合に、単一の曲げの最も内側の１本の素線１２のみの屈曲寿命のみを予測すればよいため、予測処理が容易である。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロングストリップ電線の屈曲による断線に至るまでの屈曲寿命を予測する電線の屈曲寿命予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、自動車や産業機器には多くの電線が使用されている。電線には、例えば自動車のドア部やシート部のように屈曲を受ける位置に配置されているものもあり、このような電線については、繰り返し曲げ変形を受けることによって断線に至ることがある。このような事態を事前に予測するため、実際に試料を用いて試験（ベンチ試験）する方法もあるが、電線の歪み変化量に対する屈曲寿命曲線を予め用意しておき、被覆材や芯線中心の素線１本の歪み変化量を計算して屈曲寿命曲線に対応付けることで屈曲寿命予測を行う方法がある。
【０００３】
例えば、常温下での繰り返し曲げ変形に起因する電線やこれを束ねた電線束の屈曲寿命予測方法としては、特開２００２−２６０４６０公報（従来技術１）、特開２００２−２６０４５９公報（従来技術２）等が公開されており、また、冷温を含む低温下における電線等の屈曲寿命予測方法としては、国際特許出願公開ＷＯ−０１／０８１７２明細書（従来技術３）が公開されている。
【０００４】
これらの屈曲寿命予測方法によると、実際に試験を実施しなくても、コンピュータを用いるなどして机上でシミュレートしながら、屈曲性能についての評価及び設計検討を行うことができるので、電線設計期間を短縮することができ、ひいては、この電線を搭載する自動車等の設計期間を短縮することに寄与する。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２６０４６０公報
【特許文献２】
特開２００２−２６０４５９公報
【特許文献３】
国際特許出願公開ＷＯ−０１／０８１７２号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、複数本の素線が束ねられてなる芯線が被覆材で被覆されて構成される被覆電線において、外周の保護層をなす被覆材を部分的に取り除いた電線（以下、ロングストリップ電線）が存在する。かかるロングストリップ電線の断線評価及び設計検討を行う場合、上記従来技術１〜３のように、被覆材や芯線中心の素線１本の歪み変化量を計算することで屈曲寿命予測を行うだけでは、正確な屈曲寿命を予測することができないことがわかってきた。
【０００７】
その理由のひとつとして、ロングストリップ電線では、被覆材が部分的に取り除かれていることから、被覆材の歪み変化量に基づいて屈曲寿命予測を行うことは不可能である。
【０００８】
また、他の理由として、被覆材が取り除かれた部分では、被覆材に覆われた部分に比べてロングストリップ電線の被覆のない部分の曲げ半径が大幅に小さくなる可能性があることから、図７のように、複数本の素線１が束ねられて構成される芯線２の断面中心に位置する１本の素線の曲げ半径Ｒｃと、最も内周の曲げ半径Ｒｅとを比較した場合に、ＲｃとＲｅの比率が大きくなってしまい、歪み変化量の計算時に大きな誤差が生じて正確な屈曲寿命予測を行うことができない。
【０００９】
これらのことから、ロングストリップ電線の場合は、実際に試料を用いて試験（ベンチ試験）することで、屈曲寿命予測を行うしか方法がなかった。
【００１０】
そこで、この発明の課題は、ロングストリップ電線について正確な屈曲寿命予測を行うことのできる電線の屈曲寿命予測方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、複数本の素線が束ねられてなる芯線が被覆材で被覆されて構成される電線において、前記被覆材の一部が取り除かれてなるロングストリップ電線の屈曲寿命を予測する電線の屈曲寿命予測方法であって、前記素線と同材質で形成された単線の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を予め得る第１の工程と、予測対象となるロングストリップ電線内の複数本の素線のうち、曲げの最も内側の素線の最大歪み変化量を算出する第２の工程と、算出された前記曲げの最も内側の素線の前記最大歪み変化量を前記相関関係に照合することによって前記電線の屈曲寿命を予測する第３の工程とを備える。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電線の屈曲寿命予測方法であって、前記第１の工程が、前記素線と同材質で形成された前記単線について繰り返し曲げを施して、当該単線の断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求める。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の電線の屈曲寿命予測方法であって、前記最大歪み変化量を算出する工程において、前記曲げの最も内側の素線の半径をｒとし、前記曲げの最も内側の素線の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の曲げ半径をＲ_１とし、最も伸長した状態の曲げ半径をＲ_２として、次式により前記最大歪み変化量（Δε）を算出する。
【００１４】
Δε＝ｒ・（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２）
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本的な考え方について説明する。本発明者等は、ロングストリップ電線の屈曲寿命を支配する因子について鋭意検討を行った。その結果、次の知見が得られた。
【００１６】
まず、図１及び図２の如く、ロングストリップ電線１１の屈曲寿命は、複数本の素線１３が束ねられて構成される芯線１１のうち、最初の１本の素線１３が断線するまでの寿命を言うものである。
【００１７】
ところで、ロングストリップ電線１１を屈曲してその寿命を検束する試験を行うと、被覆材のない部分の曲げの最も内側の１本の素線１２が切れることがほとんどであった。これは、曲げの最も内側となる１本の素線１２が、最も歪み変化量の大きい素線であることに起因する。
【００１８】
そして、最も内側の１本の素線１２の屈曲寿命特性は、単純に、被覆材のない他の素線１３の屈曲寿命特性と同じである。
【００１９】
したがって、ＣＡＥ解析（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を用いて、最も内側の素線１２の表面の歪み変化量を計算し、これを、単線である素線１３の屈曲寿命特性に対照することで、最も内側の素線１２の屈曲寿命を推定することが可能であり、ひいては、これがロングストリップ電線１１の屈曲寿命に帰着する。即ち、その曲げの最も内側の１本の素線１２と同等の屈曲寿命特性を有する素線１３の歪み変化量と屈曲寿命との間の相関関係を予め実験的に求めておけば、様々な製品条件下の曲げの最も内側の１本の素線１２についてその最大歪み変化量を解析するだけで、ロングストリップ電線１１の全体としての屈曲寿命を予測することができることとなる。本発明は、かかる知見に基づいて完成されたものである。
【００２０】
尚、このロングストリップ電線１１の屈曲寿命予測方法では、芯線が複数本の素線１３が束ねられて構成されていることを前提に説明を行う。
【００２１】
図３は、この屈曲寿命予測方法の手順を示すフローチャートである。
【００２２】
まず事前工程としてのステップＳ１で、単一の素線１３と同材料の単線の屈曲寿命と歪み変化量との相関関係を示すマスターカーブを予め取得する。即ち、マスターカーブは、図４のように、実際に使用される素線１３と同一材料の例えば銅製の単線１４について、所定の治具Ｚ１，Ｚ２を用いるなどして繰り返し曲げを施し（図４の例では治具Ｚ２を治具Ｚ１に対して矢示方向に往復移動させる）、その歪み変化量を例えばＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析等によって解析し、様々な歪み変化量について、屈曲寿命（断線に至るまでの屈曲回数）を実際に測定することによって取得される。
【００２３】
図５は、素線（単線）１３の歪み変化量の概念について説明するための図である。ロングストリップ電線１１中の絶縁層の内部の素線１３の半径をｒとする。素線１３は曲げ変形を受けており、その曲げ半径をＲとすると、曲率ＫはＫ＝１／Ｒで表される。このときに素線１３の表面に生じている歪みεは次の（１）式のように表される。
【００２４】

ここで、最も屈曲した状態の素線１３の曲げ半径をＲ_１とし、最も伸長した状態の素線１３の曲げ半径をＲ_２として、この最も屈曲した状態と最も伸長した状態との間で素線１３に繰り返し曲げを施したときの当該素線１３の表面の歪み変化量をΔεとすると、Δεは次の（２）式にて表される。
【００２５】

なお、（２）式においてΔＫは素線１３に繰り返し曲げを施したときの曲率の変化量であり、繰り返し曲げ時の素線１３の形状変化から有限要素法を用いたコンピュータ解析（いわゆるＣＡＥ解析）によって算出することができる。その算出されたΔＫを、素線１３の各部位についてリストアップし、最も値の大きいΔＫを採用して、（２）式から素線１３の表面の最大歪み変化量Δεを求めることができる。
【００２６】
例えば、自動車のドアのヒンジ部等にロングストリップ電線１１を配策するような場合、ドアの開閉動作に伴ってロングストリップ電線１１の伸屈動作が行われることになるが、このときのロングストリップ電線１１の最も屈曲する部位において、曲げの最も内側の１本の素線１２の、最も屈曲した状態と最も伸長した状態との間で素線１３に繰り返し曲げを施したときの当該素線１３の表面の歪み変化量がΔεとして定義される。
【００２７】
一方、屈曲寿命については、素線１３と同一材料の単線１４に繰り返し曲げを施して（図４）、断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することによって求める。ロングストリップ電線１１の各素線１３の断線は、その金属疲労破壊に主として支配されているものであるが、屈曲寿命には温度依存性がある場合には、屈曲寿命の測定について必要な温度ごとに行うことが望ましい。
【００２８】
上述のように、マスターカーブの決定のために使用する単線１４としては、実際の予測対象のロングストリップ電線１１に使用されている素線１３と同一の材料のものである必要があるが、その径については、必ずしも予測対象のロングストリップ電線１１に使用されているものと同一である必要がない。これは、素線の径が異なる試料でマスターカーブを求めておいても、予測対象となる素線１３の径に拘わらず当該マスターカーブを適用できるという知見を、本願出願人による実験の結果得られたからである。
【００２９】
図６は、素線１３と同一材料の単線１４について断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することによって得られたマスターカーブの一例を示す図である。同図の横軸は単線１４の表面の歪み変化量を示し、縦軸は屈曲寿命（断線に至るまでの屈曲回数）を示している。
【００３０】
図３に戻り、マスターカーブを取得した後、ステップＳ２に進み、屈曲寿命を予測する対象としているロングストリップ電線１１の曲げの最も内側の１本の素線１２の最大歪み変化量Δεを算出する。予測対象としているロングストリップ電線１１中の曲げの最も内側の１本の素線１２の最大歪み変化量Δεは、コンピュータを用いた形状シミュレーションによって算出され、そのロングストリップ電線１１の取り付け状態、取り付け形状および取り付け後に受ける曲げ変形の態様等に基づいて、有限要素法を用いたＣＡＥ解析により算出する。なお、ここで算出する曲げの最も内側の１本の素線１２の最大歪み変化量Δεは、マスターカーブを取得したときと同様の工程により求める。
【００３１】
具体的に、予測対象としているロングストリップ電線１１の曲げの最も内側の１本の素線１２の最大歪み変化量Δεは、例えばまずロングストリップ電線１１の初期形状を有限要素モデルとして仮想的にコンピュータ内に再現し、また実際のロングストリップ電線１１の屈曲状況を設置される場所の動き（例えばドアの開閉動作等）をシミュレーションし、曲げの最も内側の１本の素線１２について最も曲率半径の変化（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２）が大きい点について、上記（２）式に基づいて、その部分の最大歪み変化量Δεを求める。尚、このような有限要素法によるコンピュータ解析の工程においては、ロングストリップ電線１１の実際の状況を有限要素モデルに再現することが重要であるため、曲げの最も内側の１本の素線１２だけでなく、複数本の素線１３が束ねられた状態での曲げ弾性等のさまざまな物性をも考慮して曲げ半径（曲率半径）Ｒ（即ち、Ｒ_１，Ｒ_２）を考慮する。
【００３２】
例えば、複数本の素線１３を束ねた芯線１１全体の断面半径を用いて、これを単一の太い単線と仮定した仮想的な芯線材料（以下「仮想的線部材」と称す）を想定する。そして、かかる１本の仮想的線部材の半径及びその曲げ半径を想定して形状を決定する。
【００３３】
このような工程を経た後、この実施の形態では、図５のように、ロングストリップ電線１１の曲げの最も内側の１本の素線１２のみについての曲率半径Ｒ（すなわち、（２）式におけるＲ_１，Ｒ_２）を求めて、その最も内径部分に位置する素線１２のＲ_１，Ｒ_２を求める。
【００３４】
そして、このＲ_１，Ｒ_２に基づいて、当該素線１２の最大歪み変化量（（２）式中のΔε）を算出する。
【００３５】
次に、算出された予測対象となる素線１２の最大歪み変化量を上記のマスターカーブ（図６）に照合することによって、そのロングストリップ電線１１の全体としての屈曲寿命を予測する（ステップＳ３）。既述したように、ロングストリップ電線１１の屈曲寿命と、最も内側の素線１２の最大歪み変化量Δεとの間の相関関係は、ロングストリップ電線１１及び曲げの最も内側の１本の素線１２の形状に依存しない。従って、曲げの最も内側の１本の素線１２の最大歪み変化量Δεを算出することができれば、ロングストリップ電線１１の径の如何によらず、その屈曲寿命を正確に予測することができることになる。なお、このことは本発明にかかるロングストリップ電線１１の屈曲寿命予測方法がロングストリップ電線１１の径を全く考慮していないことを意味しているのではなく、素線１２のＲ_１，Ｒ_２を算出する段階においてそれを考慮している。
【００３６】
このようにすれば、ロングストリップ電線１１の径等の製品条件によらず、その屈曲寿命を正確に予測することができるため、ワイヤーハーネスの設計等にその予測結果を反映することによって事前に机上検討が可能となり、最適設計、開発期間の短縮を図ることができる。
【００３７】
以上のように、極めて容易にロングストリップ電線１１の屈曲寿命予測を行うことができ、コンピュータの解析処理にかかる負荷を大幅に低減し、且つ比較的正確に屈曲寿命を予測できる。
【００３８】
以上この発明の各実施の形態について説明したが、この発明の範囲は上記実施例に限られるものではなく、添付された請求の範囲によって規定される。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１ないし請求項３に記載の発明によれば、複数本の素線が束ねられてなる芯線が被覆材で被覆されて構成される電線において、被覆材の一部が取り除かれてなるロングストリップ電線の屈曲寿命を予測する場合に、まず素線と同材質で形成された単線の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を予め得ておき、予測対象となるロングストリップ電線内の複数本の素線のうち、曲げの最も内側の素線の最大歪み変化量を算出して、この算出された曲げの最も内側の素線の最大歪み変化量を相関関係に照合することによって電線の屈曲寿命を予測するので、全ての芯線についての屈曲寿命を予測せずに、曲げの最も内側の１本の素線の屈曲寿命のみを予測するだけでよいので、例えば有限要素法を用いたコンピュータ解析処理等で屈曲寿命の予測を行うような場合に、有限要素モデルの設定及び最大歪み変化量の計算等のコンピュータの計算処理負荷を大幅に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】比較的大きい曲げ半径で湾曲した状態のロングストリップ電線を示す斜視図である。
【図２】比較的小さい曲げ半径で湾曲した状態のロングストリップ電線を示す斜視図である。
【図３】この発明の一の実施の形態に係るロングストリップ電線の屈曲寿命予測方法を示すフローチャートである。
【図４】マスターカーブを得るために行われる単線の屈曲試験を示す図である。
【図５】曲げの最も内側の１本の素線を示す図である。
【図６】マスターカーブを示す図である。
【図７】ロングストリップ電線の被覆のない部分が屈曲した状態を示す図である。
【符号の説明】
１１ ロングストリップ電線
１２，１３ 素線

Claims (3)

1. 複数本の素線が束ねられてなる芯線が被覆材で被覆されて構成される電線において、前記被覆材の一部が取り除かれてなるロングストリップ電線の屈曲寿命を予測する電線の屈曲寿命予測方法であって、
   前記素線と同材質で形成された単線の歪み変化量と屈曲寿命の実測値との相関関係を予め得る第１の工程と、
   予測対象となるロングストリップ電線内の複数本の素線のうち、曲げの最も内側の素線の最大歪み変化量を算出する第２の工程と、
   算出された前記曲げの最も内側の素線の前記最大歪み変化量を前記相関関係に照合することによって前記電線の屈曲寿命を予測する第３の工程とを備えることを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
2. 請求項１に記載の電線の屈曲寿命予測方法であって、
   前記第１の工程が、前記素線と同材質で形成された前記単線について繰り返し曲げを施して、当該単線の断線に至るまでの屈曲回数を実際に測定することにより前記相関関係を求めることを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
3. 請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の電線の屈曲寿命予測方法であって、
   前記最大歪み変化量を算出する工程において、前記曲げの最も内側の素線の半径をｒとし、前記曲げの最も内側の素線の屈曲を受ける領域内で最も大きく屈曲変化する位置において最も屈曲した状態の曲げ半径をＲ_１とし、最も伸長した状態の曲げ半径をＲ_２として、次式により前記最大歪み変化量（Δε）を算出することを特徴とする電線の屈曲寿命予測方法。
   Δε＝ｒ・（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２）

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