JPH07917Y2 - 計器化された落下重錘衝撃試験機 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 考案の分野 本考案は計器化された落下重錘衝撃試験機に係わる。こ
の落下重錘衝撃試験機は定規と、光電池と、A/D変換器
と、試験機と、圧力変換器と、マイクロプロセッサと、
電力増幅器と、オシロスコープと、ディスクドライバ
と、プリンタと、及びプロッタから成る。

先行技術 従来形衝撃試験機には２種のタイプがある。

振子式（IZOD及びCHARPYなど）と落下重錘式である。振
子式は単純かつ迅速な試験ができるが、被験材料の破壊
時に吸収されるエネルギを測定することに限られ、破壊
過程中の材料の実際的変化を知ることはできない。ま
た、実際の物体の形状を模擬した試料をテストすること
ができない。なぜなら衝撃速度及び試料形状が決まって
いるからである。従来形の落下重錘式の場合は、極めて
多数の試料を用意する必要がある。そのうえ試験が時間
がかかり、複雑な統計的解析を使用しなければならな
い。得られたデータも振子式のデータに劣る。

最近の情報科学並びに自動制御技術の進歩は、単純、迅
速かつ所要試料数の少ない計算機化された落下重錘衝撃
法の適用を実現した。センサ及びコンピュータの援用に
より、実際の破壊過程のデータ及び高衝撃速度での衝撃
抵抗特性が得られる。これらのタイプの衝撃試験機は機
械式衝撃試験装置、圧力変換器及び信号表示部材から成
る。この種の装置の有効性並びに正確度は個々の部材の
機能と構成の方法に左右される。残念ながらこれらの先
行技術の落下重錘衝撃試験機はエネルギに対する速度の
影響を無視している。材料の破壊時に吸収されるエネル
ギＥ＝∫FVdtを計算するとき、広く使用されている方法
の１つは補正係数によって修正された、ストライカーの
落下速度が衝撃過程中一定であると仮定して結果を得る
ことである。他の方法では、初衝撃速度Ｖ＝√2ghは自
由落下物体の運動方程式に従って得られ、さらに様々な
点における速度は一般物理学の運動方程式を用いて得ら
れ、次に衝撃時に吸収されるエネルギを積分し、Ｅの値
を求める。これら２つの方法によって理論的に引出され
る速度値は実際の計器測定によって得られる値と完全に
異なる。

先行技術のこれらの欠点を克服するため、本発明者は研
究調査を実施し、テスト用模型を製造し、最後に計器化
された落下重錘衝撃試験機のための新規な速度測定装置
を完成した。それはストライカーの速度値変化の測定を
可能にする。

本考案の要約 本考案の主たる目的は、衝撃過程中に様々な点でストラ
イカーの実際の速度値を測定する手段を提供することで
ある。これらの測定値は実際の衝撃条件をよりよく代表
するだろう。

本考案のもう一つの目的は、用途の広い、自動式の、さ
らに高精度の動力学的計器化落下重錘衝撃試験機を提供
することである。

これらの目的は、本考案によれば、フレーム手段、圧力
変換器、A/D変換器、マイクロプロセッサ、及び表示手
段を含む、計器化された落下重錘衝撃試験器であって、
該落下重錘衝撃試験器には光電池速度測定装置が衝撃過
程中の速度を測定するために備えられており、この光電
池速度測定装置は試験器のフレーム手段上の試料ホルダ
に隣接する溝付き案内棒上に高低位置の間で調整可能な
凹形光電池装置と、ストライカーに取り付けられ該スト
ライカーが落下するときにその速度を測定するための定
規とを具備しており、前記定規は前記溝付き案内棒に沿
って鉛直に案内されて前記光電池装置を通過し、該光電
池装置は、コンパレータによる比較を介して速度測定ト
リガ手段を作動させ、さらに適正なソフトウェアと協力
して速度変化値を計算し、そして最後に、収集された圧
力データと関連してソフトウェア及び前記マイクロプロ
セッサのハードウェアの作動を介して衝撃試験過程の間
種々の関連データを計算するべく、前記定規の通過によ
って生じる光源からの光線の遮断又は強度の変化に従っ
て信号を発出することを特徴とする、計器化された落下
重錘衝撃試験器によって達成される。

上記構成にてなる落下重錘衝撃試験器においては、前記
ストライカーが落下すると、該ストライカーに取り付け
られた前記定規は前記溝付き案内棒に沿って鉛直に案内
されて前記光電池装置を通過し、該光電池装置は前記定
規の通過によって生じる光源からの光線の遮断又は強度
の変化に従って信号を発出する。該信号は、コンパレー
タによる比較を介して、速度測定トリガ手段を作動さ
せ、更に適正なソフトウェアと協力して速度化値を計算
し、そして最後に、収集された圧力データと関連してソ
フトウェア及び前記マイクロプロセッサのハードウェア
の作動を介して衝撃試験過程の間種々の関連データを計
算する。

本考案の改良された構造、特徴及び実際的操作は、図面
を参照した以下の詳しい説明から明らかとなるだろう。

具体例 第１図及び第２図に示す通り、本考案に使用されている
圧力変換器は10,000Ibsの範囲内の圧力抵抗をもつ。電
圧で表わされた受容衝撃圧力は変換器１にキャッチさ
れ、電力増幅器２内で増幅されて正確なデータを提供す
る。衝撃エネルギは落下ストライカー３に釣り合い錘を
付加することによって衝撃強度の源に変化する。本考案
では衝撃エネルギは2.8J〜253Jの範囲内にある。ストラ
イカーヘッド４は、その機能が振子式衝撃試験機［IZOD
（３″）又はCHARPY（３″）］かあるいは他の形式の衝
撃試験機の機能と同であるような他の形式のものに取換
えることができる。ストライカーヘッド４の特徴は様々
な操作の必要によって変化する。落下ストライカー３の
位置はラッチ装置５及びラッチはずし装置６によって調
節されることができる。ラッチはずし装置６を回すこと
によって第３図に示す通りストライカーを落下させるこ
とができる。ベアリング７はストライカーが落下すると
きの摩擦を減じるために用いられる。定規８はストライ
カー３の側面に取付けられている。それは光電池装置の
受容及び伝達作用原理に従って設計され、遮光スリット
定規、光反射スリット定規又は光反射表示定規のいずれ
かであり得る。前の２つの定規は狭い水平スリットをも
つのに対し、後者は明と暗の目盛をもつ。また、定規８
は設計上線形でも非線形でもよい。第４図に示す通り、
鉛直溝付き案内棒９が、ストライカー３の落下するとき
光電池装置11を通して定規を案内する。遮光スリット定
規の場合は、定規８が光電池装置の凹部を通過すると
き、その狭いスリットが光源を遮断し電位差を生じる。
光反射スリット定規又は光反射定規の場合は、その部分
での明暗縞が強度の変わるパルスを生じる。これらの電
位差又は強度の変わるパルスはコンパレータを通過す
る。比較の後、コンパレータは信号を発生してA/D変換
器14を作動させ、一方では様々な間隔で圧力値をとら
え、他方で速度測定装置18を作動させて、各スリットに
おいて光が遮断されるに要する時間を測定する。次に速
度値がすでにプログラム化された式を用いて計算され
る。ストライカー３の高さはステンレス鋼のスケール上
の目盛によって決定されることができる。試料ホルダー
12は操作条件あるいは試料の実際の形状によって円、平
行アンビル又はＶ字溝であり得る。試料ホルダーの両側
には締付けリング又はプレート、及びねじりレンチが取
付けられており、試料内の一様な圧力分布を確保する。
停止板13は衝撃を和らげるために備えられている。それ
は試料の寸法及び形状によって様々な厚さのアルミニウ
ム板の層から成る。この停止板はストライカーヘッドの
ための停止高さの調節を行なう。各停止板の頂上のPU柔
軟性プレートは衝撃力を和らげ、ストライカーヘッド３
を保護するためのものである。従って全体的構造は、ス
トライカーヘッドが、試料の衝撃後に地面又は鋼板に打
当たり、ストライカー内の変換器１を破損するのを防ぐ
ための保護装置である。

新規速度測定装置を取付けた計算器化された落下重錘衝
撃試験機の機能及び操作は、第１図〜第５図、特に第２
図及び第５図に示す。操作に当って試料はまずホルダー
12上に置かれる。次にラッチはずし装置６を廻わすと、
ストライカー３は自由に落下できる状態になる。ストラ
イカーの側面に取付けられた定規は案内棒の溝に沿って
下方へ滑動する。ストライカーヘッド４が試料にまさに
接触しようとするとき、定規８は凹形光電池装置11をま
さに通過しようとする。定規が遮光スリット定規であれ
ば、そこの狭いスリットが光源を遮断して電位差を生じ
る。定規は光反射スリット定規あるいは光反射定規であ
れば、強度の変わるパルスを発生する。コンパレータは
これらの電位差もしくは強度の変わるパルスを比較した
後、一方ではA/D変換器14を、他方では速度測定及び信
号トリガ装置18を作動させる信号を送る。時間軸発生器
15はどれだけの時間間隔で変換器が単一データを集める
かを決定する。本考案では10μｓ〜2560μｓの範囲で25
6個の選択データ収集時間間隔が存在し、毎秒最大100,0
00個のデータを提供する。ストライカーヘッド４が試料
を衝撃するとき、試料の受ける圧力はストライカーヘッ
ド４内の圧力変換器１によって電圧信号に変換され、そ
れらは電力増幅器２に伝送される。前記電力増幅器２は
回路を形成するマイクロプロセッサ22に接続する抵抗コ
イルから成り、このことはシステムの安定と適正圧力範
囲の選択を自動的に行なうことを可能にする。変換器１
からの微弱電圧は電力増幅器２によって増幅され、次に
試料抜取り及び保存装置14′を介してA/D変換器14に伝
達される。信号は変換器14によって12ビット形にディジ
タル化され、データ記憶システム16内に一杯になるまで
蓄積される。他方では、速度測定及び信号トリガ装置18
によって各遮光スリットで収集される時間値は予めプロ
グラム化された式によって速度値に変換され、さらにカ
ウンタ22によって計数された後、マイクロプロセッサの
ランダムアクセスメモリ内に記憶される。線形定規か非
線形定規８かどちらかが用いられようと、様々なストラ
イカーの実際速度値は、様々なプログラムに速度計算用
公式を組込むことによって得ることができる。基本的に
遮光スリット定規は、定規が光電池装置11を通過すると
きの光格子による光源の遮断を利用している。これは光
電池装置内の受容器によって受取られる一連のパルスを
生じ、比較のためコンパレータ17に伝達される。反対に
光反射スリット定規又は光反射定規は角度付け光電池装
置11から発出される光源を利用する。前記定規が光電池
装置11を通過するときは、光格子又は明暗縞による光の
反射から信号が発出される。これらの信号は受信器によ
って受信された後に変換され、次に比較のためコンパレ
ータ17に伝達される。光反射スリット定規又は光反射定
規が有効であるためには、それらを作る材料が受信器に
よって受信され得る波長内で光を反射することができな
ければならない。通例では、ステンレス鋼、アルミニウ
ム、銅、合金、光反射塗料のコーティング、白黒縞又は
反射のコントラストの高い印刷材料がこの種の使用に適
した材料である。

データ記憶システム内に予め蓄積された圧力及び速度デ
ータは、ディスクドライバ25をマイクロプロセッサ22と
同一ライン化することによってディスク内に記憶されて
もよい。これらのデータは試験結果を処理するためのマ
イクロプロセッサのソフトウェアに直接的に組込まれて
もよく、その後さらに解析を受けるためにプリンタ23又
はプロッタ24上でプリントアウトされる。他方では、こ
れらのデータはA/D変換器を介してＸ−Ｙ記録計20、オ
シロスコープ又はコンピュータ画面上に表示されてもよ
い。

第6A、6B及び6C図は、新規速度測定装置を取付けた計器
化された落下重錘衝撃試験機から得られた結果を図示す
る。第6A図で使用された試料は、長さと幅がそれぞれ10
cm、厚さ2.6cmの炭素繊維／エポキシ樹脂の複合材料で
作られている。第6A図は圧力−時間及びエネルギ−時間
の関係を示す。カーブの変化から、材料の最大耐久圧力
は2790.984N、破壊開始損傷エネルギは6.0955J、過程中
の伝播損傷エネルギは7.936J及び全衝撃吸収エネルギは
14.031Jであることが分かる。発生時間は0.45msec.及び
延性率（ductility index）すなわち材料のねばり強さ
又はもろさを決定する係数は1.302である。

第6B図に使用されている試料は、第6A図のそれと同じ材
料すなわち炭素繊維／エポキシ樹脂の複合材料である。
これらのグラフは、負荷−たわみ及びエネルギ−たわみ
の関係を表わす。さらに第6B図は第6A図に類似のデータ
情報を提供し、全破壊過程中に材料がたわむ程度に対し
て負荷の大きさがどのように影響するかを示している。
第6C図は速度−時間及びたわみ−時間の関係を示す。こ
れらの曲線から、速度−時間及びたわみ−時間の間には
それぞれ非線関係及び不規則挙動が存在することが分っ
た。これらは、速度変化値は全総合エネルギ操作に大き
な影響を及ぼすことを示している。

従って、この計器化された落下重錘衝撃試験機は速度変
動値を正確に測定することができ（現行の衝撃試験機で
は得られない実績である）、さらに解析及び設計技術者
に現実の生きた衝撃情報を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の計器化された落下重錘衝撃試験機の一
実施例の透視図、第２図は本発明の計器化された落下重
錘衝撃試験機の一実施例の正面立面図、第３図は本発明
の計器化された落下重錘衝撃試験機の一実施例の上部を
示す拡大透視図、第４図は光電池速度測定装置の透視
図、第５図は本発明の計器化された落下重錘衝撃試験機
の一実施例の流れ構成図、第6A、6B及び6C図は本発明の
計器化された落下重錘衝撃試験機の一実施例による実際
の対象物の試験から得られた試験結果を示すグラフであ
る。 １……変換器、２……電力増幅器、３……ドロップスト
ライカー、４……ストライカーヘッド、５……ラッチ機
構、７……ベアリング、８……定規、10……スケール、
11……光電池装置、12……ホルダー、14……A/Dコンバ
ータ、16……データ記憶装置、18……速度測定装置、22
……マイクロプロセッサ。

Claims (10)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】フレーム手段、圧力変換器、A/D変換器、
   マイクロプロセッサ、及び表示手段を含む、計器化され
   た落下重錘衝撃試験器であって、 該落下重錘衝撃試験器には光電池速度測定装置が衝撃過
   程中の速度を測定するために備えられており、この光電
   池速度測定装置は試験器のフレーム手段上の試料ホルダ
   に隣接する溝付き案内棒上に高低位置の間で調整可能な
   凹形光電池装置と、ストライカーに取り付けられ該スト
   ライカーが落下するときにその速度を測定するための定
   規とを具備しており、 前記定規は前記溝付き案内棒に沿って鉛直に案内されて
   前記光電池装置を通過し、 該光電池装置は、コンパレータによる比較を介して速度
   測定トリガ手段を作動させ、さらに適正なソフトウェア
   と協力して速度変化値を計算し、そして最後に、収集さ
   れた圧力データと関連してソフトウェア及び前記マイク
   ロプロセッサのハードウェアの作動を介して衝撃試験過
   程の間種々の関連データを計算するべく、前記定規の通
   過によって生じる光源からの光線の遮断又は強度の変化
   に従って信号を発出することを特徴とする、計器化され
   た落下重錘衝撃試験器。
2. 【請求項２】前記定規が遮光スリット定規である、実用
   新案登録請求の範囲第１項に記載の落下重錘衝撃試験
   器。
3. 【請求項３】前記遮光スリット定規が線形に設計されて
   いる、実用新案登録請求の範囲第２項に記載の落下重錘
   衝撃試験器。
4. 【請求項４】前記遮光スリット定規が非線形に設計され
   ている、実用新案登録請求の範囲第２項に記載の落下重
   錘衝撃試験器。
5. 【請求項５】前記定規が光反射スリット定規である、実
   用新案登録請求の範囲第１項に記載の落下重錘衝撃試験
   器。
6. 【請求項６】前記光反射スリット定規が線形に設計され
   ている、実用新案登録請求の範囲第５項に記載の落下重
   錘衝撃試験器。
7. 【請求項７】前記光反射スリット定規が非線形に設計さ
   れている、実用新案登録請求の範囲第５項に記載の落下
   重錘衝撃試験器。
8. 【請求項８】前記定規が光反射スリット定規である、実
   用新案登録請求の範囲第１項に記載の落下重錘衝撃試験
   器。
9. 【請求項９】前記光反射スリット定規が線形に設計され
   ている、実用新案登録請求の範囲第８項に記載の落下重
   錘衝撃試験器。
10. 【請求項１０】前記光反射スリット定規が非線形に設計
    されている、実用新案登録請求の範囲第８項に記載の落
    下重錘衝撃試験器。