JP2009115523A - 疲労試験用リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】電動シリンダの出力を油圧シリンダの出力がアシストするものであって、連続した正確な往復直線運動によって供試体に負荷をかけ続けることが可能な疲労試験用リニアアクチュエータを提供すること。
【解決手段】回転ロッド１２と推力ブロック１５，１６との間にボールネジを構成し、駆動モータ２からの回転によって繰り返し荷重となる推力を発生させる電動シリンダと、閉じた油圧回路３５，３６に接続され、油圧ポンプ３３から送り出される作動油の圧力を受けてピストンロッド３２の往復直線運動を出力する油圧シリンダ３１とを有し、その電動シリンダと油圧シリンダとの動作が駆動モータ２の出力によって同期し、油圧シリンダ３１の出力が、電動シリンダから発生される推力ブロック１５，１６の推力をアシストする疲労試験用リニアアクチュエータ１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動シリンダによって発生する力に油圧シリンダによる力を加えて供試体に圧縮荷重や引張り荷重を連続して繰り返し負荷する疲労試験用リニアアクチュエータに関し、特に、一つの駆動モータによって電動シリンダと油圧シリンダとの動作を同期させ、往復運動による荷重を供試体に対して連続して作用させる疲労試験用リニアアクチュエータに関する。

例えば自動車のボディ、サスペンション或いはシャーシなどについて、その寿命信頼性を評価するものとして従来から疲労試験が行われている。疲労試験では、試験対象となる供試体に対して往復直線運動による圧縮荷重や引張り荷重が連続して作用し、それが破断するまで繰り返される。そして、こうした一定の荷重波形を出力する疲労試験用のアクチュエータには、従来から油圧アクチュエータが多く利用されており、例えば下記特許文献１には図２に示す疲労試験機が開示されている。

この疲労試験機１００は、フレーム１０１に油圧シリンダからなるアクチュエータ１０２が設けられ、ロードセル１０３を介してフレーム１０１とアクチュエータ１０２との間で供試体Ｓを保持するよう構成されている。アクチュエータ１０２には、油圧源１０４から送られる作動油が供給されるが、サーボ弁１０５の切り替えによってロッド１１０が往復運動し、これによって供試体Ｓに連続して繰り返し負荷が加えられる。その際、供試体Ｓに加えられる荷重は前記ロードセル１０３によって検出され、変位や歪みが変位計１０６や歪ゲージ１０７によって検出されている。そして、この検出荷重や変位及び歪みの値に基づき、制御部１０８によってサーボアンプ１０９を介したサーボ弁１０５の動作制御が行われる。
特開平１１−６４１９３号公報 特開２００３−５３５８７号公報

しかし、油圧シリンダからなる従来の疲労試験用アクチュエータは、必要な荷重を発生させるための油圧ポンプや、それを駆動させる駆動モータ、更にオイルタンクなどからなる油圧源の構造が大きくなってしまい、全体が大型化する問題があった。また、従来の疲労試験用アクチュエータは、油圧ポンプから配管を通って油圧シリンダまで作動油が流れ、そこで荷重を出力するため、途中の配管内で生じるエネルギロスが大きいという問題もあった。

そこで、疲労試験用アクチュエータを油圧シリンダから電動シリンダに切り替えることが考えられる。しかし、疲労試験機では、例えば２〜５ｔｏｎ程度の荷重を、供試体に対して連続して与え続けなければならないため、回転力を推力に変換するボールネジへの負荷が大きい。従って、ボールネジ部の摩耗が激しいため寿命は短く、しかも連続して荷重を負荷している間に、一定周期の荷重波形に歪みが生じてしまって試験精度を低下させることになる。そのため、電動シリンダ単体は、疲労試験用アクチュエータとして現実できではない。

この点に関し、上記特許文献２には、電動プレス装置ではあるが、電動シリンダの出力に油圧を加えてアシストするアクチュエータが開示されている。具体的には、図３に示すように構成されたものであり、電動シリンダ制御装置２０１の制御によってモ−タ２０２が駆動し、予めプログラムされたピストンロッド２０３の移動量まで前進して押付停止する。一方、アキュムレ−タ２０５には油圧ポンプ２０６によって圧力が予め畜圧され、その油圧が切替弁２０７への通電によってシリンダチュ−ブ２０８の負荷側及び反負荷側に作用し、その面積差により押圧力を発生させる。

このアクチュエータ２００は、電動シリンダの出力を油圧がアシストすることにより、ネジ機構２１０に加わる荷重は軽減され、寿命を延ばすことができるという効果がある。しかし、油圧回路が比較的大型なものであって、しかもアキュムレータ２０５の蓄圧を利用したアシストでは、連続して負荷をかけ続ける疲労試験には利用できない。よって、電動シリンダの出力を油圧でアシストするものを考えた場合、疲労試験機に適応した疲労試験用アクチュエータの開発が必要になる。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、電動シリンダの出力を油圧シリンダの出力がアシストするものであって、連続した正確な往復直線運動によって供試体に負荷をかけ続けることが可能な疲労試験用リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、供試体に対して荷重を連続して繰り返し負荷するものであり、回転ロッドと推力ブロックとの間にボールネジを構成し、駆動モータから回転ロッドに与えられる回転によって、推力ブロックから前記繰り返し荷重となる推力を発生させる電動シリンダと、閉じた油圧回路に接続され、油圧ポンプから送り出される作動油の圧力を受けてピストンロッドの往復直線運動を出力する油圧シリンダとを有し、前記電動シリンダを動作させる駆動モータは、前記油圧ポンプに連結され、前記油圧シリンダのピストンロッドは、前記推力ブロックに連結され、前記電動シリンダと前記油圧シリンダとの動作が前記駆動モータの出力によって同期し、前記油圧シリンダの出力が、電動シリンダから発生される前記推力ブロックの推力をアシストするようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、前記推力ブロックが、前記回転ロッドの軸方向に沿って複数が配置されたものであり、供試体に荷重を伝達するためのシャフトに対し、各推力ブロックが所定の間隔をあけて固定されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、アクチュエータ本体内に、軸受けを介して前記回転ロッドが回転可能に支持され、前記推力ブロックがその回転ロッドに沿って移動するように設けられ、更に、そのアクチュエータ本体内に前記油圧シリンダが設けられたものであることが好ましい。

また、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、前記アクチュエータ本体が、その内周面側に、前記回転軸の軸方向に沿ってガイドレールが設けられ、前記推力ブロックは、そのガイドレールに沿って転がるガイドボールを保持したものであることが好ましい。
また、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、前記ガイドレールが、前記回転軸の軸方向に沿って配置されたレール部材であって、そのレール部材が、前記回転ロッドの径方向への位置調整を行う調整ネジによって前記アクチュエータ本体に取り付けられたものであることが好ましい。
また、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータは、供試体に荷重を伝達するために前記推力ブロックに固定されているシャフトに対し、そのシャフトの径方向変化を検出する変位センサを有し、径方向に生じたシャフトの変化を検出するようにしたものであることが好ましい。

よって、本発明の疲労試験用リニアアクチュエータは、供試体の疲労試験に当たって駆動モータの回転方向を連続して切り替えると、電動シリンダの推力ブロックと油圧シリンダとがその都度同期させ、供試体に対し押圧力と引張り力とを繰り返し作用させることになる。そして、本発明によれば、電動シリンダの推力に油圧シリンダの出力をアシストさせた荷重を作用させるものであって、連続した正確な往復直線運動によって供試体に負荷をかけ続けることが可能な疲労試験用リニアアクチュエータを提供することができる。

また、本発明によれば、供試体に荷重を伝達するためのシャフトに対して、複数の推力ブロックが所定の間隔をあけて固定されているため、それぞれに推力ブロックが保持するボールへの負荷が軽減でき、ボールの摩耗によって荷重波形の精度を低下させたり、騒音が生じるなどの問題を改善することができる。
また、推力ブロックをガイドボールとガイドレールとによって軸方向にスムーズに移動させるので、横荷重が作用しても安定した荷重波形によって供試体に対し繰り返して荷重を作用させることができる。
また、ガイドボールの摩耗などによる変化を変位センサで検出することができ、その検出結果に基づいてガイドレールの位置調整を行うことにより、ガタ防止などによって安定した荷重波形による繰り返し荷重を作用させることができる。

次に、本発明に係る疲労試験用リニアアクチュエータの一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の疲労試験用リニアアクチュエータを示した構成図である。
この疲労試験用リニアアクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」という）１は、駆動モータ２の回転運動を往復直線運動に変換して出力する電動シリンダと、油圧ポンプによる作動油の油圧によって往復直線運動を出力する油圧シリンダとが一体に構成されたものである。特に、１つの駆動モータ２が油圧ポンプを動作させ、両シリンダの動作を同期させるよう構成されている。

アクチュエータ１は、円筒形状のアクチュエータ本体１１内に、その中心を通って回転ロッド１２が挿入されている。回転ロッド１２は、アクチュエータ本体１１内のベアリング１３によって回転可能に支持され、駆動モータ２との間で、互いのプーリにベルト１４が掛け渡たされている。また、駆動モータ２の回転出力を受ける回転ロッド１２は、アクチュエータ本体１１内の推力ブロック１５，１６を貫通し、両者の間にボールネジが構成されている。すなわち、回転ロッド１２と推力ブロック１５，１６とに形成された溝に、複数のボール１７が入れられた摺動部が形成され、回転ロッド１２の回転が推力ブロック１５，１６の軸方向の移動に変換され、推力を発生するよう構成されている。

推力ブロック１５，１６には、軸方向にアクチュエータ本体１１を突き抜けた２本から４本程度のシャフト１８が固定され、そのシャフト１８の先端には、供試体に加えられる荷重を計測するためのロードセル１９が取り付けられている。疲労試験の対象となる供試体には、不図示の治具を介してロードセル１９が連結される。なお、アクチュエータ１は、供試体に対しロードセル１９によって荷重制御を行う場合と、シャフト１８に対して設けた差動トランス２０によってストローク制御を行う場合とがある。

本実施形態では、２つの推力ブロック１５，１６が前後に配置され、回転ロッド１２を介して得られる推力を２カ所で発生させるようにしている。これは、供試体に対して荷重をかけた場合、その反力が摺動部のボール１７に大きな負荷となって作用するため、推力の発生箇所を分散させて各ボール１７が受ける負荷を軽減させるようにしている。また、推力ブロック１５，１６は、直進安定性を良くするため、ある程度の距離をとって配置されている。なお、このシャフト１８は、その端部が推力ブロック１５に突き当てられるようにして固定され、もう一方の推力ブロック１６には貫通した状態で固定されている。

推力ブロック１５，１６は、アクチュエータ本体１１に合わせた円柱形状をしたものであり、複数のシャフト１８が回り止めになるとともに、アクチュエータ本体１１とのガイド機構も回り止めになっている。すなわち、推力ブロック１５，１６の外周側には、アクチュエータ本体１１の間に複数のガイドボール２１が、軸方向に並べて保持されている。複数のガイドボール２１からなるボール列は、推力ブロック１５，１６についてそれぞれ、円周方向に見て例えば９０度間隔で４列もうけられている。

このガイド機構は、疲労試験中のシャフト１８に対し径方向に力が作用した場合でも、推力ブロック１５，１６がアクチュエータ本体１１とこじれないで、スムーズな往復直線運動が確保できるように構成されたものである。つまり、このアクチュエータ１による押圧力或いは引張力Ｆが傾いた供試体の作用面に働く場合、シャフト１８にはモーメントが作用してしまう。そのため、こうした横荷重を受けた場合でも、ガイドボール２１によって推力ブロック１５，１６のスムーズな移動を確保するようにしている。

ガイドボール２１は、アクチュエータ本体１１の内周面側に設けられたガイドレール２２と、推力ブロック１５，１６との間に配置されている。このガイドレール２２は、アクチュエータ本体１１とは別体であって、アクチュエータ本体１１に螺設されたハンドル付きの調整ネジ２３によって支持されている。つまり、ガイドボール２１は、前述したようにモーメントによる横荷重を受けながら回転するため、そのことにより摩耗してガタが生じたり、摩耗量に偏りが生じてシャフト１８を傾けたりして試験精度を落とすことになる。そこで、本実施形態では、調整ネジ２３のねじ込み位置の調整によって、径方向に生じる推力ブロック１５，１６のガタや傾きを防止しようとするものである。

そして、このアクチュエータ本体１１には、各シャフト１８に近接センサなどの変位センサ２５が設けられ、各シャフト１８の変位を検出するよう構成されている。なお、変位センサ２５は、複数あるそれぞれのシャフト１８に対し、推力ブロック１５，１６の間の位置と、アクチュエータ本体１１から飛び出した位置との２箇所で検出するように配置されている。更に、この変位センサ２５は、検出結果を表示する不図示の表示装置に接続されており、ガイド機構によるガタやシャフト１８の傾きに関する情報が示されるようになっている。その結果、作業者が調整ネジ２３を操作し、ガイドレール２２の変位によってガタを吸収し、傾きが調整できるようになっている。

ところで、供試体に対し押圧力や引張力を作用させる疲労試験中は、アクチュエータ１による連続した往復直線運動を停止させることはできない。そこで、本実施形態では、変位センサ２５による検出値を観察することにより、ガイドボール２１などの部品交換について、そのタイミングを計るようにすることもできる。そのため、ある閾値を設定し、変位センサ２５による検出値が当該閾値を超えた場合には、不図示の交換用警報ランプを点滅させるなどするようにしてもよい。

続いて、本実施形態のアクチュエータ１は、ボールネジを利用した電動シリンダに加え、油圧シリンダが構成として加えられている。つまり、推力ブロック１５，１６によってシャフト１８に与えられる推力に、油圧シリンダ３１による出力を加えて、供試体に対する荷重をアシストするように構成されている。その油圧シリンダ３１は、アクチュエータ本体１１内に、２個以上が円周方向に等間隔でバランスよく配置され、そのシリンダチューブがアクチュエータ本体１１に対して固定されている。そして、各油圧シリンダ３１は、ピストンロッド３２が軸方向に突き出し、特に一端が推力ブロック１５に連結固定されている。

複数の油圧シリンダ３１には、共通の油圧回路が接続されている。この油圧回路は、油圧ポンプ３３を有し、それに押圧側配管３５と引張り側配管３６とが接続されている。各油圧シリンダ３１は、ピストンを挟んで押圧側の油圧室と引張り側の油圧室とが構成されており、押圧側配管３５と引張り側配管３６とがそれぞれに接続されている。すなわち、複数ある油圧シリンダ３１に対し、油圧ポンプ３２から各１本の押圧側配管３５と引張り側配管３６とが接続され、図示するように閉じた油圧回路が構成されている。

アクチュエータ１は、油圧ポンプ３２が電動シリンダと共通の駆動モータ２に連結されており、推力ブロック１５，１６の推進に同期して油圧シリンダ３１のピストンロッド３２の運動が出力されるようになっている。そして、この閉じた油圧回路では、駆動モータ２の回転方向に従って油圧ポンプ３２による作動油の流れ方向が決定され、それが推力ブロック１５，１６の移動方向に合わせた油圧シリンダ３１の出力を発生させることができるようになっている。

また、この閉じた油圧回路にはオイルタンク３７が設けられ、押圧側配管３５及び引張り側配管３６から分岐してオイルタンク３７に接続された配管に、それぞれリリーフ弁３８ａ，３８ｂとチェック弁３９ａ，３９ｂが設けられている。そのため、油圧ポンプ３２から油圧シリンダ３１への作動油は、リリーフ弁３８ａ，３８ｂの設定圧に従って供給されるが、設定圧を超えた油圧が作用した場合には、リリーフ弁３８ａ，３８ｂが開き、オイルタンク３７へと流れるようになっている。例えば、押圧側配管３５へ供給される作動油が設定圧を超えた場合には、リリーフ弁３８ａが開き、オイルタンク３７を経てチェック弁３９ａから引張り側配管３６へと流れ、これにより油圧ポンプ３３に戻る循環が生じるようになっている。

そこで、本実施形態のアクチュエータ１によれば、駆動モータ２の回転がシャフト３から出力されると、アクチュエータ本体１１内の回転ロッド１２に回転が伝えられるとともに、油圧モータ３３が駆動される。従って、回転ロッド１２の回転が、推力ブロック１５，１６を軸方向に移動させて推力を発生させる一方、油圧モータ３３の駆動により、閉じた油圧回路内を作動油が所定方向に流れ、その油圧によって油圧シリンダ３１のピストンロッド３２が所定方向に突き出される。

具体的には、推力ブロック１５，１６が図面左側へ移動して押出力を発生させる際、油圧ポンプ３３からは押圧側配管３５へ作動油が送り出される。そして、油圧シリンダ３１のピストンが図面左側へ加圧され、そのピストンロッド３２が推力ブロック１５，１６を、その移動方向に押圧してアシストする。また、駆動モータ２が逆方向の回転を出力すれば、推力ブロック１５，１６が図面右側へ移動する引張り力を発生させ、同時に油圧ポンプ３３からは引張り側配管３６へ作動油が送り出される。そして、油圧シリンダ３１のピストンが図面右側へ加圧され、そのピストンロッド３２が推力ブロック１５，１６を、その移動方向に引っ張ってアシストする。

よって、本実施形態のアクチュエータ１では、供試体の疲労試験に当たって駆動モータ２の回転方向を連続して切り替えると、推力ブロック１５，１６と油圧シリンダ３１とがその都度同期して、供試体に対し押圧力と引張り力とを繰り返し作用させることになる。従って、本実施形態によれば、電動シリンダの推力に油圧シリンダの出力をアシストさせる構造であって、連続した正確な往復直線運動によって供試体に負荷をかけ続けることが可能なアクチュエータ１を提供することが可能になった。

そして、アクチュエータ１は、推力ブロック１５，１６の推力に油圧シリンダ３１の出力をアシストさせるため、推力ブロック１５，１６においてボールネジを構成するボール１７への負荷が軽減され、摩耗の低減によって寿命を延ばすことが可能になった。更に、推力ブロック１５，１６を分割してかかる負荷を分散させたことによっても、ボール１７への負荷を軽減することができるようになった。従って、疲労試験では、微小な往復の滑り運動によってボールネジのボールに摩耗が生じ、供試体に与える荷重の波形精度を低下させたり、騒音になるなどの問題が生じ得るが、本実施形態では、前述したようにネジ部にかかる負荷を軽減させたことで、そうした問題に対する改善を図ることができた。

また、推力ブロック１５，１６をガイドボール２１とガイドレール２２とによって軸方向にスムーズに移動させることで、横荷重が作用しても安定した荷重波形によって供試体に対し繰り返して荷重を作用させることができるようになった。
また、ガイドボール２１の摩耗などによる変化を変位センサ２５で検出し、その検出結果に基づいてガイドレール２２の位置調整を行うよう構成したため、この点でもガタ防止などによって安定した荷重波形による繰り返し荷重を作用させることができるようになった。

また、１つの駆動モータ２によって推力ブロック１５，１６などからなる電動シリンダと、油圧シリンダ３１などからなる油圧シリンダの動作を同期させるようにしたため、複雑な制御は必要としない。そして、構造を簡素化し、かつアクチュエータ本体１１内に油圧シリンダを組み込むことなどから、全体を小型化することができるようになった。
更に、本実施形態では、閉じた油圧回路内を作動油が方向を変えて流れることによって油圧シリンダ３１を動作させるものであるため、配管を流れる作動油によるエネルギロスは小さく、全体としてエネルギ効率が良いものとすることができた。

以上、本発明にかかる疲労試験用リニアアクチュエータの一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では２分割した推力ブロック１５，１６を示したが、一つの推力ブロックであってもよく、また３分割以上であってもよい。

疲労試験用リニアアクチュエータの実施形態を示した構成図である。 油圧シリンダをアクチュエータとした従来の疲労試験機の構成を示した図である。 電動プレス装置の構造を示した図である。

符号の説明

１ 疲労試験用リニアアクチュエータ
２ 駆動モータ
１１ アクチュエータ本体
１２ 回転ロッド
１５，１６ 推力ブロック
１７ ボール
１８ シャフト
１９ ロードセル
２１ ガイドボール
２２ ガイドレール
２３ 調整ネジ
２５ 変位センサ
３１ 油圧リンダ
３２ ピストンロッド
３３ 油圧ポンプ
３５ 押圧側配管
３６ 引張り側配管

Claims (6)

1. 供試体に対して荷重を連続して繰り返し負荷する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   回転ロッドと推力ブロックとの間にボールネジを構成し、駆動モータから回転ロッドに与えられる回転によって、推力ブロックから前記繰り返し荷重となる推力を発生させる電動シリンダと、
   閉じた油圧回路に接続され、油圧ポンプから送り出される作動油の圧力を受けてピストンロッドの往復直線運動を出力する油圧シリンダとを有し、
   前記電動シリンダを動作させる駆動モータは、前記油圧ポンプに連結され、前記油圧シリンダのピストンロッドは、前記推力ブロックに連結され、
   前記電動シリンダと前記油圧シリンダとの動作が前記駆動モータの出力によって同期し、前記油圧シリンダの出力が、電動シリンダから発生される前記推力ブロックの推力をアシストするようにしたものであることを特徴とする疲労試験用リニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   前記推力ブロックは、前記回転ロッドの軸方向に沿って複数が配置されたものであり、供試体に荷重を伝達するためのシャフトに対し、各推力ブロックが所定の間隔をあけて固定されたものであることを特徴とする疲労試験用リニアアクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   アクチュエータ本体内に、軸受けを介して前記回転ロッドが回転可能に支持され、前記推力ブロックがその回転ロッドに沿って移動するように設けられ、更に、そのアクチュエータ本体内に前記油圧シリンダが設けられたものであることを特徴とする疲労試験用リニアアクチュエータ。
4. 請求項３に記載する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータ本体は、その内周面側に、前記回転軸の軸方向に沿ってガイドレールが設けられ、前記推力ブロックは、そのガイドレールに沿って転がるガイドボールを保持したものであることを特徴とする疲労試験用リニアアクチュエータ。
5. 請求項４に記載する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   前記ガイドレールは、前記回転軸の軸方向に沿って配置されたレール部材であって、そのレール部材が、前記回転ロッドの径方向への位置調整を行う調整ネジによって前記アクチュエータ本体に取り付けられたものであることを特徴とする疲労試験用リニアアクチュエータ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載する疲労試験用リニアアクチュエータにおいて、
   供試体に荷重を伝達するために前記推力ブロックに固定されているシャフトに対し、そのシャフトの径方向変化を検出する変位センサを有し、径方向に生じたシャフトの変化を検出するようにしたものであることを疲労試験用リニアアクチュエータ。

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