JP2005172508A - ばね性ある供試体の試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期ばね高さと最大変形ばね高さを入力して試験を行う試験機を提供すること。
【解決手段】 上保持具２１と下保持具２２を互いに当接させた位置をばね高さカウンタ３８のばね高さゼロとする。ばね高さカウンタ３８のカウンタ値がばね供試体ＴＰの初期高さとなるように上下保持具間の距離を調節し、上保持具２１と下保持具２２間にばね供試体ＴＰをセットする。ばね高さカウンタ３８のカウント値が初期ばね高さを示す状態と予め定めた最大ばね変形量を示す状態との間で、ばね供試体ＴＰにサーボモータ１６で負荷を与えながら、ロードセル１９とパルスエンコーダ１８の検出値を採取する。
【選択図】 図１

Description

この発明は材料試験機を用いたばね性ある供試体の試験方法に関するものである。

供試体の負荷−変位特性を測定する材料試験機を用いて、たとえば圧縮コイルばねを圧縮してばね試験を行うことは、従来より行われている（例えば、特許文献１）。また、ばね試験を行うことができる材料試験機として、負荷枠のたわみ補正を行い、供試体の負荷−変位特性を正確に測定するものがある（例えば、特許文献２）。

特開平１１−２５９５号公報 特開平３−３３６３７号公報

従来の材料試験機を用いたばね試験では、クロスヘッドの移動量からばね変形量を測定している。すなわち、試験開始時のクロスヘッド移動量はゼロに設定表示され、ばねを変形する際のクロスヘッド移動量がばね変形量として表示される。このため、ばね供試体の高さを直接表示することができず、ばねを初期高さより所定量（％）まで圧縮する過程において、ばね長さを表示しながらばね試験を行うことができない。

すなわち、従来から知られている材料試験機では、初期ばね高さを検出できないので、初期ばね高さから最大ばね変形高さまで、ばね高さを検出しながらばね高さ（ばね変形量）と荷重の特性を計測するようなばね試験を行うことができない。

なお、ダンベル型供試体や丸棒型供試体では、レバー式変位計等を供試体に装着してその変形量を直接測定できるが、圧縮コイルばねや引張コイルばねには変位計を装着することができないから、変形量を直接測定することができない。

この発明は、一対の対向部材の間にばね性の供試体を設置して負荷する負荷枠と、供試体を負荷するアクチュエータと、供試体の負荷荷重を検出する荷重検出手段と、一対の対向部材間の離接距離を検出する距離検出手段と、一対の対向部材間にセットされた供試体をアクチュエータで負荷しながら荷重検出手段で検出した負荷荷重と距離検出手段で検出した離接距離を取得するデータ取得手段とを備えた材料試験機を用いたばね性供試体の試験方法に適用される。
この試験方法は次のような手順を含む。一対の対向部材を互いに当接させた位置を距離検出手段のゼロ点位置とし、距離検出手段の検出値が供試体の初期寸法となるように一対の対向部材間の距離を調節し、一対の対向部材間にばね性供試体をセットし、距離検出手段の検出値が初期寸法を示す状態と予め定めた目標変形寸法を示す状態との間で、供試体にアクチュエータで負荷を与えながら、荷重検出手段と距離検出手段の検出値をデータ取得手段により採取する。

この発明によるばね性供試体の試験方法では、好ましくは、距離検出手段の検出値が初期寸法を示す状態から予め定めた目標変形寸法を示すまで、そして、目標変形寸法を検出した後は、距離検出手段が初期寸法を示すまで供試体への負荷を低減しながらデータを採取する。

この発明によるばね性供試体の試験方法では、更に好ましくは、一対の対向部材を互いに当接させ、その状態でアクチュエータで負荷枠に負荷をかけながら荷重検出手段と距離検出手段の検出値を採取することにより負荷枠たわみ特性を取得して記憶し、記憶した負荷枠たわみ特性に従って距離検出手段の検出値より負荷枠たわみ量をキャンセルする補正を行い、真の供試体の変形量を検出する。

この発明によるばね性供試体の試験方法によれば、供試体の初期寸法と目標点として目標変形寸法を設定し、距離検出手段の検出値が供試体の初期寸法を示す状態と予め定めた目標変形寸法を示す状態との間でばね性供試体に負荷を与えながら荷重検出手段と距離検出手段の検出値を採取することができる。たとえば、供試体が圧縮ばねとすれば、初期高さと最大変形高さをそれぞれ入力し、圧縮しながらばね高さ寸法と荷重を採取することが可能となる。

図１は、この発明によるばね性供試体の試験方法によりばね試験を行う材料試験機を示している。固定テーブル１１の上には左右一対のねじ棹１２，１３が立設され、このねじ棹１２，１３の上部にはヨーク１４が横架されている。各ねじ棹１２，１３とクロスヘッド１５の左右両側に設けられた一対のナット（不図示）とは螺合しており、これによりクロスヘッド１５がねじ棹１２，１３で昇降可能に支持される。固定テーブル１１内に配設されたサーボモータ１６は、材料試験機の作動を制御する制御装置３０に接続される。モータ１６の出力軸は、伝達装置１７を介してねじ棹１２，１３に結合される。モータ１６の出力軸にはパルスエンコーダ１８が接続され、このパルスエンコーダ１８は制御装置３０に接続される。制御装置３０は、マイクロコンピュータやその周辺回路などで構成される。

クロスヘッド１５の下面にはロードセル１９を介して上保持具２１が、固定テーブル１１の上面には下保持具２２がそれぞれ相対向して取り付けられており、これら上保持具２１および下保持具２２の間でばね供試体ＴＰが保持される。なお、基台１１、ねじ棹１２，１３、クロスヘッド１５により負荷枠ＬＦが構成される。

そして、制御装置３０からの制御信号に基づき、モータ１６が所定方向に回転するのにともない、伝達装置１７を介してねじ棹１２，１３が同一方向に回転し、これらねじ棹１２，１３に螺合されたクロスヘッド１５が昇降する。これにより、上保持具２１および下保持具２２により保持されたばね供試体ＴＰに負荷、ここでは圧縮荷重が加えられる。このとき、クロスヘッド１５に取り付けられたロードセル１９により検知された圧縮荷重は、パルスエンコーダ１８で検知されたサーボモータ１６の回転量、すなわち、ばね供試体ＴＰの変形量とともに制御装置３０に入力される。後述するように、ばね変形量に基づいてばね高さが算出される。

なお、ばね供試体ＴＰは、圧縮ばね、引張ばねの何れでもよく、下保持具２２、上保持具２１は、図示の圧縮ばねの場合にはばね巻端を受け持つばね座部材のようなものになり、引張ばねの場合にはばねフックを係止される止め具のようなものになる。

制御装置３０には、オペレーションに関する指示内容や測定結果である荷重値や各種解析内容などを表示する表示装置３２、オペレータからの指示などを入力する入力装置３１が接続される。

制御装置３０は、ロードセル１９およびパルスエンコーダ１８からの検出信号を入力し、サーボモータ１６へ操作量信号を出力する全体的な制御を行う。そのため制御装置３０は、試験条件に応じた負荷パターン波形を発生する試験波形発生部３３と、ロードセル１９によって検出された負荷荷重とパルスエンコーダ１８によって検出されたクロスヘッド１５の位置を取得する測定データ取得部３４と、サーボモータ１６の駆動信号を出力する負荷指令出力部３５とを備えている。

負荷指令出力部３５は、試験波形発生部３３から発生する負荷パターン波形が示す負荷指令値とロードセル１９が検出した負荷検出値との偏差を算出したり、試験波形発生部３３から発生するばね高さ変位パターン波形が示す変位指令値とパルスエンコーダ１８が検出したばね変形量に基づくばね高さとの偏差を算出して、サーボモータ１６へ駆動信号を出力する。

制御装置３０は、ばね高さカウンタ３８、初期ばね高さ設定部３９、最大ばね変形量設定部４０を有する。ばね高さカウンタ３８のカウント値はばね高さを表し、後述するように、下保持具２２と上保持具２１とが互いに当接した位置をばね高さゼロとする。初期ばね高さ設定部３９には、入力装置３１より入力されるばね試験条件に応じた初期ばね高さＨｉが設定され、最大ばね変形量設定部４０には、入力装置３１より入力されるばね試験条件に応じた最大ばね変形量Ｈｍが設定される。

制御装置３０はさらに、たわみデータ記憶部４１とたわみ補正部３６とを備えている。たわみデータ記憶部４１には、試験に先立ってあらかじめ記憶した負荷枠ＬＦのたわみ特性データが記憶されている。たわみ特性データの作成手法は後述する。データたわみ補正部３６は、たわみデータ記憶部４１に記憶されている負荷枠ＬＦの負荷枠たわみ特性データに従ってパルスエンコーダ１８により検出されたばね高さに含まれる負荷枠たわみ量をキャンセルして真のばね高さを検出する。

すなわち、制御装置３０は、測定データ取得部３４で所定のサンプリング間隔で取得したロードセル１９による負荷検出値と、たわみ補正部３６によってリアルタイムにたわみ補正された真のばね高さとをリアルタイムでモニタ３２に数値表示、グラフ表示する出力処理を行う。また、制御装置３０は、負荷検出値とたわみ補正した真のばね高さとを、負荷−変位特性として試験結果記憶部３７に格納する。

たわみ補正部３６のたわみ補正は次のように行われる。上述したように、ばね供試体ＴＰを負荷したときにパルスエンコーダ１８から出力されるばね高さの検出値、すなわちばね高さカウンタ３８のカウント値は負荷枠ＬＦのたわみを含んでいる。そこで、カウント値であるばね高さが取得されたときの荷重を求め、この荷重を引数としてたわみデータ記憶部４１のたわみデータからたわみ量を算出する。そして、ばね高さカウンタ３８のばね高さからたわみ量を減算した値を真のばね高さとする。

ばね試験に先立って負荷枠たわみ特性を作成するには、入力装置３１によりばね試験モードを選択する。たわみ補正モードを選択した後、スタートボタンを操作すると、サーボモータ１６によって上保持具２１が降下し、上保持具２１が下保持具２２に当接したことをロードセル１９の出力信号より判断する。たとえば、ロードセル１９の出力値が０．０１Ｎを示すときを上下保持具２１および２２が接触したものとする。このときのパルスエンコーダ１８の検出値がゼロとなるようばね高さカウンタ３８をゼロリセットする。このとき、表示装置３２の高さ表示部３２ａには０．０ｍｍを表示し、負荷枠ＬＦの変形量をゼロと認識する。

つぎに、サーボモータ１６によって負荷枠ＬＦに所定荷重まで負荷をかけ、その後、除荷する。たとえば、表示装置３２の荷重表示部３２ｂの表示値を目視しながら、ロードセル１９の最大容量の９５％程度まで負荷をかけ、その後、ばね高さ表示部３２ａの表示値がゼロを示すまで除荷する。この間、所定のサンプリング間隔で荷重データと変形量データ読み込んでたわみデータ記憶部４１に格納する。これにより、図２に符号Ａで示すような負荷枠ＬＦのたわみ特性が作成される。図２の横軸は負荷枠のたわみ（変形量とも呼ぶ）を、縦軸は負荷枠に作用する荷重（試験力、負荷などとも呼ぶ）を示す。なお、図２では負荷枠のたわみ量をαで示す。

ばね試験の手順について説明する。入力装置３１のモード選択ボタンによりばね試験モードを選択し、同じく入力装置３１に設けられているスタートボタンを操作するとばね試験が開始される。ばね試験では、初期ばね高さと最大ばね変形高さを予め入力しておく。そして、ばね高さカウンタ３８のばね高さが初期ばね高さ設定部３９に設定されている初期ばね高さＨｉになるまで、サーボモータ１６によって上保持具２１を上昇させる。これにより、上保持具２１と下保持具２２との間隔（離間距離）が初期ばね高さＨｉに設定される。このとき、表示装置３２のばね高さ表示部３２ａにはばね初期高さＨｉが表示される。

この状態で、上保持具２１と下保持具２２との間にばね供試体ＴＰをセットし、再びスタートボタンを押すとばね試験が開始される。ばね試験が開始されると、たわみ補正された真のばね高さが、最大ばね変形量設定部４０に予め定められている最大ばね変形量Ｈｍと一致するまで、ばね高さ変位パターン波形にしたがってばね供試体ＴＰが圧縮される。この間、測定データ取得部３４は、ロードセル１９とパルスエンコーダ１８の検出値を所定のサンプリング間隔で採取する。このとき、たわみ補正部３６で真のばね高さを算出してばね高さカウンタ３８を更新する。

真のばね高さが最大ばね変形量Ｈｍに到達した後は、真のばね高さが再び初期ばね高さＨｉを示すまでサーボモータ１６によって上保持具２１を上昇移動させてばね供試体ＴＰへの負荷を低減させる。すなわち、除荷する。この間も、ロードセル１９とパルスエンコーダ１８の検出値を所定のサンプリング間隔で測定データ取得部３４で採取し、上述したようにばね高さカウンタ３８を更新する。

このようにばね試験のデータ採取の間、たわみ補正部３６により算出された真のばね高さは、負荷枠たわみ特性にしたがってリアルタイムでたわみ補正され、たわみ補正後の実際のばね高さと試験荷重とが、リアルタイムでモニタ３２に数値表示、グラフ表示される。

なお、図２において、符号Ｂはたわみ補正前の検出値による負荷−ばね変形量特性を、符号Ｃはたわみ補正後の負荷−ばね変形量特性を示している。

上述したように、この実施の形態によるばね試験法では次のような作用効果を奏することができる。

（１）ばね試験条件としてばね初期高さおよびばね最大変形高さを指定することが可能になる。
（２）ばね高さの何％まで圧縮すると云うような試験を行うことができる。
（３）試験中、表示装置３２にばね高さを表示できる。
（４）予め負荷枠ＬＦのたわみデータを測定し、検出されるばね高さデータから負荷枠のたわみ分をリアルタイムで補正した真のばね高さを求めることができ、正確なばね試験を行うことができる。とくに、ばね圧縮から除荷する切替点が真のばね高さにより正確となる。

以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り種々の変形が可能である。たとえば、サーボモータで一対のねじ棹を駆動して負荷を加える試験機について説明したが、油圧シリンダ、油圧ラムあるいは電磁アクチュエータで負荷を加える試験機にも本発明を適用できる。さらに、ばね試験に限らず、弾性マットなどの評価試験にも本発明を適用できる。

この発明によるばね性供試体の試験方法で試験を行う材料試験機の一例を示す図である。 ばね試験における負荷−ばね変形量特性を示すグラフである。

符号の説明

１５ クロスヘッド
１６ サーボモータ
１８ パルスエンコーダ
１９ ロードセル
２１ 上保持具
２２ 下保持具
３０ 制御装置
３１ 入力装置
３２ 表示装置
３３ 試験波形発生部
３４ 測定データ取得部
３５ 負荷指令出力部
３６ たわみ補正部
３７ 試験結果記憶部
３８ ばね高さカウンタ
３９ 初期ばね高さ設定部
４０ 最大ばね変形量設定部
４１ たわみデータ記憶部

Claims (3)

1. 一対の対向部材の間にばね性を有する供試体（以下、ばね性供試体）を設置して負荷する負荷枠と、
   前記供試体を負荷するアクチュエータと、
   前記供試体の負荷荷重を検出する荷重検出手段と、
   前記一対の対向部材間の離接距離を検出する距離検出手段と、
   前記一対の対向部材間にセットされた前記供試体を前記アクチュエータで負荷しながら前記荷重検出手段で検出した負荷荷重と前記距離検出手段で検出した離接距離を取得するデータ取得手段とを備えた材料試験機を用いたばね性供試体の試験方法において、
   前記一対の対向部材を互いに当接させた位置を前記距離検出手段のゼロ点位置とし、
   前記距離検出手段の検出値が前記供試体の初期寸法となるように前記一対の対向部材間の距離を調節し、
   前記一対の対向部材間に前記供試体をセットし、
   前記距離検出手段の検出値が前記初期寸法を示す状態と予め定めた目標変形寸法を示す状態との間で、前記供試体に前記アクチュエータで負荷を与えながら、前記荷重検出手段と前記距離検出手段の検出値を前記データ取得手段により採取することを特徴とするばね性供試体の試験方法。
2. 請求項１記載のばね性供試体の試験方法において、
   前記目標変形寸法を検出した後は、前記距離検出手段が前記初期寸法を示すまで前記供試体への負荷を低減しながら前記荷重検出手段と前記距離検出手段の検出値を採取することを特徴とするばね性供試体の試験方法。
3. 請求項１または２記載のばね性供試体の試験方法において、
   前記一対の対向部材を互いに当接させ、その状態で前記アクチュエータで前記負荷枠に負荷をかけながら前記荷重検出手段と前記距離検出手段の検出値を採取することにより負荷枠たわみ特性を取得して記憶し、
   前記記憶した負荷枠たわみ特性に従って前記距離検出手段の検出値より負荷枠たわみ量をキャンセルする補正を行い、真の供試体寸法を検出することを特徴とするばね性供試体の試験方法。

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