JP5353767B2

JP5353767B2 - 耐久試験装置

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Publication number: JP5353767B2
Application number: JP2010047538A
Authority: JP
Inventors: 省吾郎岩切
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: JP2011180106A

Description

この発明は、供試体に対して振動を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置に関し、特に、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して耐久試験を行う耐久試験装置に関する。

供試体に対して油圧シリンダ等を利用して振動を付与することにより供試体を加振し、これにより供試体の耐久力を試験する耐久試験装置は、例えば、車両の耐久試験等において利用されている（特許文献１参照）。

このような耐久試験装置におけるサーボ制御機構は、供試体に対する負荷の大きさや供試体の変位量を常に測定しており、その目標値とフィードバック信号との差（偏差）に対して所定の制御ゲインを乗算したものを制御信号として、油圧シリンダ等のアクチュエータを制御している。

ここで、供試体が試験片であったり、応力が付与されることにより変形する受動部品であった場合には、フィードバック制御に利用される制御ゲインは、供試体の剛性に大きく依存する。すなわち、供試体の剛性が高い場合には、アクチュエータは少ないストローク量で大きな荷重が発生することになるため、制御ゲインを小さく設定する必要がある。これに対して、供試体の剛性が低い場合には、荷重を発生させるために必要となるアクチュエータのストロークが大きくなることから、制御ゲインを大きく設定する必要がある。

特開２００７−３０３８９３号公報

上述した特許文献１に記載の耐久試験装置は、車両等の静止した供試体を対象としている。これに対して、供試体に対してモータ等のアクチュエータを搭載し、供試体がアクチュエータによる駆動を実行した状態で耐久性を評価する必要がある場合も生ずる。図４は、アクチュエータによる駆動を実行した供試体７２に対して耐久性を評価する耐久試験装置の実施形態を示す概要図である。これらの耐久試験装置は、アクチュエータにより伸縮する移動部材７３を備えた供試体７２に対して耐久試験を行うためのものである。なお、この供試体７２は、ベース７１上に固定されている。

図４（ａ）に示す耐久試験装置は、供試体７２における移動部材７３に対して、重錘８２をワイヤー８１を介して接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、供試体７２における移動部材７３を往復運動させることにより、この移動部材７３に対して、常に一定の引っ張り荷重を負荷した状態で、耐久試験を実行することが可能となる。

図４（ｂ）に示す耐久試験装置は、油圧シリンダ８３におけるシリンダロッド８４を、ロードセル等の荷重検出器８５を介して供試体７２における移動部材７３に接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、供試体７２における移動部材７３を往復運動させるとともに、油圧シリンダ８３内の圧力をリリーフ弁などを使用して一定圧力に保つことにより、一定負荷を付与した状態での耐久性試験を実行することが可能となる。

図４（ｃ）に示す耐久試験装置は、バネ８６に接続されたロッド８７を、ロードセル等の荷重検出器８５を介して供試体７２における移動部材７３に接続した構成を有する。この耐久試験装置においては、移動部材７３のストローク量に比例した負荷を供試体７２に付与することが可能となる。

ところで、例えば図４（ｂ）に示す耐久試験装置にサーボバルブのような制御弁を取り付け、アクチュエータにより駆動された供試体７２に対して振動を付与することにより、耐久性を評価する耐久試験を実行する場合においては、供試体７２における移動部材７３の移動ストロークに併せて耐久試験装置における油圧シリンダ８３のシリンダロッド８４を移動させながら、供試体７２に対して荷重を発生させる必要が生ずる。このような場合においては、供試体７２の剛性が高い場合においても、供試体７２における移動部材７３の移動ストロークが大きい場合には、油圧シリンダ８３のシリンダロッド８４も大きなストロークで移動させる必要が生ずることから、上述した、供試体の剛性が高い場合に制御ゲインを小さく設定するという関係が成り立たなくなる。

このような場合においては、通常のサーボ制御を行う場合に、剛性の高い供試体における移動部材を移動させながら、耐久試験装置の油圧シリンダ８３を利用して荷重制御を実行しようとすると、耐久試験装置の油圧シリンダ８３がこれに追従することができず、供試体におけるアクチュエータが過負荷状態になってしまう場合がある。また、耐久試験装置における油圧シリンダ８３の追従性を向上させるために制御ゲインを大きくすると、ハンチング現象を発生するという問題がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して振動を付与するときに、ハンチング現象の発生を防止しながら、振動付与部材の追従性を向上させることが可能な耐久試験装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して、前記移動部材を往復移動させながらこの移動部材に振動を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置であって、前記供試体における移動部材を連続して押圧および牽引することにより、当該移動部材に対して振動を付与する振動付与部材と、前記供試体における移動部材と前記振動付与部材との間に配設されるとともに、剛性が、前記供試体の剛性より低く、かつ、前記振動付与部材が前記移動部材を押圧するときと牽引するときにおいて同一である弾性機構とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記弾性機構は、その両端が前記移動部材または前記振動付与部材の一方に接続されるとともに、その中央部が前記移動部材または前記振動付与部材の他方に接続された弾性部材を備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記弾性部材は、板状または棒状の形状を有する金属から構成される。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記弾性部材の両端は、前記移動部材または前記振動付与部材の一方に対して、揺動可能な状態で接続される。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の発明において、前記振動付与部材は、油圧シリンダである。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の発明において、前記供試体におけるアクチュエータは、モータである。

請求項１乃至請求項６に記載の発明によれば、アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して振動を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置において、ハンチング現象の発生を防止しながら、振動付与部材の制御ゲインを大きく設定することができる。このため、振動付与部材の追従性を向上させた状態で耐久性試験を実行することが可能となる。

ここで、請求項２乃至請求項４に記載の発明によれば、簡易かつ耐久性を有する構成でありながら、振動付与部材が移動部材を押圧するときの剛性と牽引するときの剛性とを同一とすることが可能となる。

この発明に係る耐久試験装置の概要図である。弾性機構４０を、供試体２０のロッド２２および油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２等と共に示す図である。板バネ４１の平面図である。アクチュエータによる駆動を実行した供試体７２に対して耐久性を評価する耐久試験装置の実施形態を示す概要図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る耐久試験装置の概要図である。

この耐久試験装置は、ベース１１上に固定された供試体２０に対して耐久試験を実行するものである。なお、この供試体２０としては、アクチュエータとしてのモータ２１を備え、移動部材としてのロッド２２を所定ストロークで往復移動させる構成を有する。このような供試体は、産業用ロボットや、輸送機の操舵装置、あるいは、パワーアシスト装置等に使用される。

この発明に係る耐久試験装置３０は、供試体２０に対する振動付与部材としての油圧シリンダ３１を備える。この油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２は、ロードセル１２、および、この発明の特徴部分である弾性機構４０を介して、供試体２０のロッド２２と接続されている。また、この耐久試験装置３０は、シリンダロッド３２の往復移動を制御するための制御弁３３と、シリンダロッド３２の移動ストロークを検出するためのストローク検出器３５とを備える。

図２は、弾性機構４０を、供試体２０のロッド２２および油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２等と共に示す図である。ここで、図２(ａ)は弾性機構４０の平面図であり、図２(ｂ)はその側面図である。

この弾性機構４０は、この発明に係る弾性部材としての板バネ４１を備える。この板バネ４１の両端部は、各々、取付具４４と押さえ板４２とにより挟持された状態で３本のネジ４３により固定されている。また、一対の取付具４４は、ベアリング４５を介してベアリングホルダー４６に回動自在に取り付けられている。そして、ベアリングホルダー４６はベース板４７に取り付けられており、このベース板４７は油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の先端部に、ロードセル１２を介して接続されている。また、板バネ４１の中央部は、フランジ２３を介して、供試体２０のロッド２２と接続されている。

図３は、板バネ４１の平面図である。

この板バネ４１は、板状の形状を有する金属から構成される。この板バネ４１の両端部には、取付具４４との接続を可能とするための孔部４９が形成されており、板バネ４１の中央部には、フランジ２３との接続を可能とするための孔部４８が形成されている。なお、この板バネ４１のかわりに、適度の剛性(弾性力）を有する金属丸棒または金属角柱等からなる棒状の弾性部材を使用してもよい。

また、この実施形態においては、板バネ４１の両端部を油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２に連結する取付具４４に接続するとともに、板バネ４１の中央部を供試体２０のロッド２２に連結するフランジ２３に接続しているが、これとは逆に、板バネ４１の両端部を供試体２０のロッド２２側に接続するとともに、板バネ４１の中央部を油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２に接続するようにしてもよい。

なお、この板バネ４１は、取付具４４およびフランジ２３に対して、着脱自在となっている。このため、供試体２０に付与する荷重の大きさや荷重の変化速度等に対応して複数個の板バネを準備しておき、これらの板バネのうちから適切な板バネを選択して使用することが可能となる。

この弾性機構４０においては、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２と供試体２０のロッド２２との距離が変化した場合には、その変化量に応じて板バネ４１が撓むことになる。このとき、板バネ４１の両端部を支持する取付具４４は、ベアリング４５の作用により回動自在となっている。このため、板バネ４１に撓みが発生した場合には、板バネ４１の両端部は、取付具４４の回動に伴って揺動する。すなわち、この板バネ４１は、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２に対して、ロードセル１２等を介して、揺動可能な状態で接続されていることになる。このような構成を有する弾性機構４０においては、その剛性は、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２が供試体２０のロッド２２を押圧するときと牽引するときにおいて同一となっている。

以上のような構成を有する耐久試験装置において供試体２０の耐久試験を実行するときに、供試体２０のモータ２１を位置保持制御してロッド２２を固定した状態で、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２を往復移動させることにより、ロッド２２を連続して押圧および牽引して供試体２０に振動を付与した場合には、供試体２０は油圧シリンダ３１による負荷力により変形する。これにより、通常の耐久試験装置の場合と同様に耐久試験を行うことができる。

一方、供試体２０のロッド２２を往復移動させながら耐久試験を行う場合においては、供試体２０のロッド２２の往復運動に対応させて、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２も往復移動させた状態で耐久試験を行う必要がある。この場合には、供試体２０の機械的剛性が高い場合等においては、上述したように、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２の移動が供試体２０のロッド２２の往復移動速度に追従することができず、供試体２０におけるモータ２１が過負荷となってしまう場合がある。また、これに対応するために、油圧シリンダ３１を制御するための制御ゲインを大きくすると、ハンチング現象が発生して制御が不安定となる。

しかしながら、この発明に係る耐久試験装置においては、油圧シリンダ３１のシリンダロッド３２と供試体２０のロッド２２との間に、弾性機構４０が介在していることから、制御ゲインを大きく設定した場合においても、ハンチング現象の発生を防止することが可能となる。

すなわち、上述した耐久試験装置において、供試体２０の剛性をＫ１とし、弾性機構４０の剛性をＫ２とした場合に、耐久試験装置における油圧シリンダ３１から見た負荷系全体の剛性Ｋは、下記の式（１）で表される。

Ｋ＝Ｋ１×Ｋ２／（Ｋ１＋Ｋ２）・・・（１）

ここで、弾性機構４０の剛性Ｋ２を供試体２０の剛性Ｋ１に対して１／１０〜１／１００というような低い値に設定した場合には、負荷系全体の剛性Ｋは弾性機構４０の剛性Ｋ２に近い値となり、負荷系全体の剛性Ｋを小さな値とすることができる。これにより、耐久試験装置における油圧シリンダ３１の制御ゲインを大きな値に設定した場合においても、ハンチング現象の発生を防止することができる。従って、供試体２０におけるモータ２１のロッド２２の往復移動に対する追従性を向上させながら、制御の安定性を得ることが可能となる。

なお、上述した供試体２０の剛性Ｋ１とは、供試体２０全体の機械的な剛性であり、アクチュエータとしてのモータ２１と、このモータ２１により往復移動するロッド２２とを含む供試体２０の見かけ上の剛性を意味する。

一方、弾性機構４０の剛性Ｋ２は、板バネ４１の幅をｂ、板バネ４１の厚さをｔ、板バネ４１の長さをＬ、板バネ４１の素材のヤング率をＥとした場合、下記の式（２）で表される。

Ｋ２＝４Ｅｂｔ^３／Ｌ^３・・・（２）

この弾性機構４０の剛性Ｋ２は、低いほど制御の安定性を得ることはできるが、これを過度に低くすると、供試体２０に必要な負荷を付与するために必要な油圧シリンダ３１のストローク量が増えてしまうという問題が生ずる。

ここで、所定の荷重Ｐを付与したときの板バネ４１の変形量ｄは、下記の式（３）で表される。

ｄ＝Ｐ／Ｋ２・・・（３）

耐久試験装置における油圧シリンダ３１のストローク速度は、装置ごとに決まっている。このため、上記変形量ｄと必要な荷重速度とに基づいて弾性機構４０の剛性を決定する必要がある。

なお、上述した実施形態においては、供試体２０におけるアクチュエータとしてのモータ２１の駆動により、移動部材としてのロッド２２を所定ストロークで往復移動させながら耐久試験を行っている。しかしながら、アクチュエータの駆動による移動部材の移動は、必ずしも往復運動である必要はない。すなわち、一方向にのみ移動する移動部材を有する供試体に対して振動を付与することにより耐久試験を行う耐久試験装置に、この発明を適用することも可能である。

１１ベース
１２ロードセル
２０供試体
２１モータ
２２ロッド
３０耐久試験装置
３１油圧シリンダ
３２シリンダロッド
３３制御弁
３５ストローク検出器
４０弾性機構
４１板バネ
４２押さえ板
４３ネジ
４４取付具
４５ベアリング
４６ベアリングホルダー
４７ベース板

Claims

アクチュエータの駆動により移動する移動部材を備えた供試体に対して、前記移動部材を往復移動させながらこの移動部材に振動を付与することにより、耐久試験を行う耐久試験装置であって、
前記供試体における移動部材を連続して押圧および牽引することにより、当該移動部材に対して振動を付与する振動付与部材と、
前記供試体における移動部材と前記振動付与部材との間に配設されるとともに、剛性が、前記供試体の剛性より低く、かつ、前記振動付与部材が前記移動部材を押圧するときと牽引するときにおいて同一である弾性機構と、
を備えたことを特徴とする耐久試験装置。
請求項１に記載の耐久試験装置において、
前記弾性機構は、その両端が前記移動部材または前記振動付与部材の一方に接続されるとともに、その中央部が前記移動部材または前記振動付与部材の他方に接続された弾性部材を備える耐久試験装置。
請求項２に記載の耐久試験装置において、
前記弾性部材は、板状または棒状の形状を有する金属から構成される耐久試験装置。
請求項３に記載の耐久試験装置において、
前記弾性部材の両端は、前記移動部材または前記振動付与部材の一方に対して、揺動可能な状態で接続される耐久試験装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の耐久試験装置において、
前記振動付与部材は、油圧シリンダである耐久試験装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の耐久試験装置において、
前記供試体におけるアクチュエータは、モータである耐久試験装置。