研究成果 - 機械機能設計研究室

カム機構を利用した動的圧縮試験機の開発
金沢大学
理工研究域
樋
口
理
機械工学系
宏
本研究は競輪の補助（26-139）
を受けて実施しました．
Kanazawa University
Dr. Masahiro HIGUCHI
はじめに
万能材料試験機
??
Compressive stress / MPa
103
SHPB
ABS
PC
D3O
102
Epoxy
100:50
100:80
100:100
101
100
10-1
10-2 -4 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 10 101 102 103 104
Strain rate /s -1
種々の樹脂材料の変形応力（ひずみ0.1時）とひずみ速度の関係
目
的
1~10 /s の中ひずみ速度域における応力－ひずみ関係を得るための
カム機構を用いた動的圧縮試験機の設計・開発
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Dr. Masahiro HIGUCHI
2／10
試験機の基本構造
Load cell
Drive pulley
Motor
Specimen
Piston
Coil spring
Inverter
Timing belt
Electromagnetic clutch
Roller follower
Cam
Driven pulley
1.
2.
3.
4.
交流モータを所定の回転数で駆動（インバータで制御）
プーリ＆タイミングベルトによりモータの動力を伝達・減速
電磁クラッチを締結し，カム軸を回転
カム軸の回転運動をカム＆フォロアにより直動運動に変換
 カムの設計
 モータの選定
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3／10
Normalized displacement,max
カムの設計 #1
1.2
Stage (I)
(III)
(IV)
1.0
90 [deg]
0.8
MCV50
（変形等速度）
0.6
0.4
0.2
0
Normalized velocity, v / (max )
(II)
90
180
270
Rotation angle,  [deg]
360
1.5
Stage (I)
(II)
(III)
(IV)
1.0
0.5
0.0
-0.5
90 [deg]
-1.0
-1.5
0
90
180
270
Rotation angle,  [deg]
360
タイミングチャート
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4／10
カムの設計 #2
 最大変位：4 mm
 圧力角：3°以下
 許容面圧荷重：15 kN
E =206 GPa, n = 0.3, sc=980 MPaとして計算
プリハードン鋼 (NAK55, 大同特殊鋼)
からNCワイヤー放電加工により製作
接触幅：30 mm
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5／10
モータの選定
■ カム軸の駆動トルク
Tcam    F  u
  t , u  vt  V maxt 
Tcam  F  ( maxV )
 48.7 [ N  m]
最大荷重:
F = 15 kN
最大変位 :
max = 4 mm
最大無次元速度:
(MCV50)
V = 0.812
※ 軽自動車の最大トルク: 60 Nm 程度
減速比を大きくすれば，低容量（交流モータの場合，低トルク≒低出力）のモータでも
カム軸の駆動トルクは得られるが，高い動力は得られない
 F  h  
 7.5[kW]
最大荷重:
F = 15 kN
試験片高さ: h = 5 mm
ひずみ速度: ė = 100 /s
試験片を小さくすれば，必要動力を小さくできる
Torque [N m]
W  Tcam  
50
40
7.5 kW
8
39.8 Nm
6
30
4
20
2
10
Power [kW]
■ カム軸の動力
60 Hz
モータ
：SF-HRCA-7.5kW-4P-200V，三菱電機
インバータ：FR-D720-7.5K，三菱電機
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0
0
600 1200 1800 2400 3000 3600
Rotational frequency of motor [rpm]
6／10
装置の仕様
～駆動系～
印加周波数
（インバータ制御）
モータ回転数
Inverter
Pulley & Timing belt
（三相 4極）
3 ~ 120 Hz
90 ~ 3600 rpm
(1.5 ~ 60 rps)
Motor
Reduction ratio 1:3
カム軸回転数
（減速比1:3）
Follower
変位速度
(MCV50, 割付角90o)
Clutch
Cam
Capacity: 100 Nm
1800 rpm
ひずみ速度
v






h

最大荷重:
30 ~ 1200 rpm
(0.5 ~ 20 rps)
10 ~ 400 mm/s
2 ~ 90 /s
( h = 5 mm )
1.7 ~ 70 /s
( h = 6 mm )
F = 15 kN
最大変位 : max = 4 mm
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装置の仕様
～測定系～
Base block, (S45C,  50×160)
Shaft holder
Semiconductor gage
(Kyowa, KSP-2-120-E4)
Load cell
(SUJ2)
25
 20×50
Specimen
Displacement
transducer
(Tokyo sokki, CE-5)
Platen
50×65 (SUJ2)
LM stroke
Shaft holder
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8／10
性能評価試験
試験片：軟質エポキシ樹脂 AXSON, TRUNSLUX D150
■ 重量配合比，主剤：硬化剤＝ 100 : 80
■ 硬化条件，25 oC, 96 hours
Diameter ：12 mm
Height ： 6 mm
Al/PTFE mold
試験条件
モータ回転数カム軸回転数公称ひずみ速度
[rpm]
[rpm]
[1/s]
8
240
80
80
2400
800
4.5
v
 
h
45
Load cell
0.5 mm
印加周波数
[Hz]
Platen
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9／10
得られた応力－ひずみ線図の一例
800 [rpm]
50
4
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
3
10
2
5
1
0
0
-5
-1
-2
-10
-3
-15
-20
0
Stress
Strain rate
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Compressive nominal strain
-4
-5
0.6
Nominal strain rate, 1/s
Compressive nominal stress, MPa
15
5
Compressive nominal stress, MPa
4.5 [1/s]
20
35 [1/s]
50
-10
-10
-20
-20
-30
-30
-40
-50
0
Stress
Strain rate
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Compressive nominal strain
Nominal strain rate, 1/s
80 [rpm]
-40
-50
0.6
1~10 /s オーダーの中ひずみ速度域における
応力－ひずみ関係を高精度で測定可能
本研究は競輪の補助（26-139）
を受けて実施しました．
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