JP2000130687A - 電気粘性流体を使用した潤滑特性制御装置及び制御方法 - Google Patents

電気粘性流体を使用した潤滑特性制御装置及び制御方法

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JP2000130687A JP10304969A JP30496998A JP2000130687A JP 2000130687 A JP2000130687 A JP 2000130687A JP 10304969 A JP10304969 A JP 10304969A JP 30496998 A JP30496998 A JP 30496998A JP 2000130687 A JP2000130687 A JP 2000130687A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電気粘性流体を使用した潤滑油の潤滑特性を良
好に制御することができ、かつ適用することができる潤
滑特性制御装置及び制御方法を提供すること 【解決手段】2つの被潤滑材間2,3の接触領域4の潤
滑油膜5の潤滑特性を制御する制御装置であって、前記
潤滑油を電気粘性流体を含有する潤滑油で構成し、前記
接触領域の潤滑油に電場を印加するための一対の電極
6,7を前記接触領域を挟んで電極を前記2つの被潤滑
材に非接触に備えることとし、電場が一方の電極6から
接触領域4を通って他方の電極7に達する電界の経路パ
ターンを含むようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は潤滑油の潤滑特性を制
御する技術に関するものである。この技術は一般産業用
機械などに適用することができる。
【0002】
【従来の技術】機械システムには、回転する軸などの相
対運動する物体があり、そのほとんどが油で潤滑されて
いる。潤滑工学は学際的な領域であり、未知の部分が比
較的多いうえ、潤滑特性がその機械システムの性能を左
右するなど非常に重要な技術である。潤滑管理を改善す
ると莫大な経済効果を得られるという試算もある。従来
の潤滑油を使用した場合、潤滑環境の変化や潤滑油の劣
化により潤滑特性が変化する。また、機械システムの高
精度・高性能化に伴い、潤滑特性を制御する需要も発生
している。従来の潤滑油を使用した潤滑システムは、一
定の潤滑状態を保持する能力も、瞬間的に潤滑状態を変
化させる能力も有していないため、今後求められる潤滑
性能を満足できない恐れがある。そこで最近は、電気粘
性流体を潤滑油として使用し、電場を印加することによ
り潤滑特性を変化させることが考えられている。(参考
文献:中野、木村、森下、加藤:液晶の潤滑特性(第4
報)、トライボロジー会議 ’93 春予稿集(199
3),373)この電気粘性流体を潤滑油として使用し
て潤滑特性を制御する新たに提案された技術は電気粘性
流体を使用した潤滑油に電圧を印加し、潤滑油の内部せ
ん断応力を変えることによって潤滑特性を変化させるも
のである。
【0003】
【解決すべき課題】しかるに、従来の電気粘性流体を使
用した潤滑油に電圧を印加して潤滑特性を制御する技術
では、電圧を印加する際に電極を被潤滑材に接触させて
通電している。したがって、この従来の方法では高速運
動する物体や微小物体など直接通電できないものについ
ては潤滑特性を変化させることができない。また、近年
機械材料として使用されているセラミックや複合材など
の非導電体の潤滑にも適用することができない。
【0004】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、電気粘性流体を使用した潤滑油の潤滑
特性を良好に制御することができ、かつ電極を離して配
置することによって、高速運動する物体や微小物体など
直接通電できないものの潤滑特性を変化させることがで
き、また、近年機械材料として使用されているセラミッ
クや複合材などの非導電体の潤滑にも適用することがで
きる潤滑特性制御装置及び制御方法を提供することを目
的とするものである。
【0005】
【課題を解決すべき手段】この目的に対応して、この発
明の電気粘性流体を使用した潤滑特性制御装置は、2つ
の被潤滑材間の接触領域の潤滑特性を制御する制御装置
であって、前記潤滑油を電気粘性流体を含有する潤滑油
で構成し、前記接触領域の潤滑油に電場を印加するため
の一対の電極を前記接触領域を挟んで前記2つの被潤滑
材に非接触に備えることを特徴としている。またこの発
明の電気粘性流体を使用した潤滑特性制御方法は、2つ
の被潤滑材間の接触領域の潤滑特性を制御する制御装置
であって、前記潤滑油を電気粘性流体を含有する潤滑油
で構成し、前記接触領域の潤滑油に電場を印加するため
の一対の前記接触領域を挟んで電極を前記2つの被潤滑
材に非接触に備えることとし、電場が一方の電極から接
触領域を通って他方の電極に達する電界の経路パターン
を含むようにしたことを特徴としている。
【0006】
【実施の態様】以下、この発明の詳細を一実施例を示す
図面について説明する。図1に示す実施例において、潤
滑される部材は、一方の被潤滑材2と他方の被潤滑材3
からなっている。この実施例では一方の被潤滑材2は軸
受の内輪又は外輪を模似する円板であり、他方の被潤滑
材3は軸受の転動体を模似する球(中心を10m残して
カットしたもの)である。一方の被潤滑材2と他方の被
潤滑材3との間が接触領域4であって、この部分が潤滑
の対象部位である。接触領域4に潤滑油5が満たされて
いる。潤滑油5は電気粘性流体からなり、または電気粘
性流体を一成分として含有するものである。電気粘性流
体は電場を印加することによってせん断応力が変化して
みかけの粘度が変化する新機能性材料で、そのような材
料の一例としては液晶が知られている。
【0007】接触領域4を挟んで配置された一対の電極
6,7が設けられている。一対の電極6,7は一方の被
潤滑材2及び他方の被潤滑材3に対して非接触である。
この電極6,7は接触領域の潤滑油に電場を印加するた
めのもので、このとき、両被潤滑材2,3の一方または
両方が非導電性の材料で構成されている場合は、電界の
経路パターンが一方の電極6から接触領域4を通って他
方の電極7に達するようにする。またはそのような経路
パターンが他の経路パターンよりも優勢であるようにす
る。また、両被潤滑材2,3が導電性材料で構成されて
いる場合は、電界の経路パターンが一方の電極6から一
方の被潤滑材3、接触領域4、他方の被潤滑材2を順次
通って他方の電極7に達するようにする。またはそのよ
うな経路パターンが他の経路パターンよりも優勢である
ようにする。
【0008】被潤滑材2,3が導電性材料で構成される
場合のこのような経路パターンを形成し、またはそのよ
うな経路パターンが他の経路パターンよりも優勢である
ようにするために、この実施例では、電極6,7の配置
を次のようにする。
【0009】一方の電極6と一方の被潤滑材3との最短
距離をa、他方の電極7と一方の被潤滑材3との最短距
離をb、一方の電極6と他方の被潤滑材2との最短距離
をc、他方の電極7と他方の被潤滑材2との最短距離を
dとして、a<bにする。
【0010】このように構成された潤滑特性制御装置に
おいて、潤滑油の潤滑特性を制御する場合の操作は次の
通りである。被潤滑材2,3の接触領域4に潤滑油5を
充填し、電極6,7により電場を印加する。一方の電極
6から一方の被潤滑材3、接触領域4、他方の被潤滑材
2を順次通って他方の電極6に達する経路パターンが他
の経路パターンとともに形成され、電圧の大きさにより
潤滑領域における潤滑油の内部せん断応力が変化し、粘
度変化に相当する潤滑特性変化が見られる。 (実験例1)平板と球を相対運動させて潤滑し、その接
触領域に液晶を使用した潤滑油膜を形成した。この潤滑
油膜に電界を印加しない場合(図2a)と電界を印加さ
せた場合(図2b)を比較すると、図2bの場合に油膜
厚が増加しているのが判る。 (実験例2) 2.1 供試流体 電気力線可視化実験に用いたER流体は、流動パラフィ
ンに澱粉を混合したもので、澱粉濃度は実験時に適宜調
整した。観測結果確認のための油膜観察実験には、前項
(実験例1)と同じ液晶を使用した。 2.2 試験装置 電気力線可視化実験に使用した装置の概要を図3に示
す。これは、前項(実験例1)で使用した潤滑試験装置
の接触領域を鋼円板の回転軸方向に切断してできる面を
模擬したものであり、鋼球とガラス板の各々に相当する
垂直板と水平板、電極から構成されている。垂直板は、
縦横10mm,長さ50mmで、その水平板側の端面は
鋼球同様に半径25.4mmの曲面である。材質は鋼と
アクリルの2種類を使用した。水平板は、縦26mm,
横76mm,厚さ1.1mmのガラス製で、クロムコー
ティングしたもの(以下Crガラス)としないもの(以
下ガラス)を使用した。垂直板は長さ方向に自由度があ
り、水平板との距離を任意に設定できる。電極は銅製
で、水平板と平行に自由度があり、垂直板との距離を任
意に設定できる。
【0011】数値解析には、スーパーコンピュータ C
ray C90と電磁解析ソフトウェア「Magne
t」を使用した。
【0012】確認のための油膜観察実験には、前項(実
験例1)と同じBall−on−Disk型潤滑試験装
置を使用した。 2.3 実験条件 電気力線可視化実験の条件を表1に示す。表中のa,
b,c,dは、電極と垂直板、水平板との距離で、図4
に詳細を示す。なお、垂直板と水平板の距離は1mmと
した。
【0013】また、数値解析に用いた比誘電率の値を表
2に、油膜観察実験の条件を表3に示す。 2.4実験方法 電気力線可視化実験は前述の試験装置を用いて、次の方
法により実験を行った。まず、水平板と垂直板の材質の
違いが接触領域の電界に与える影響を調べるため、表1
(a)に示す材料を使用した。このとき、電極配置はa
=b=c=d=1mmとした。電圧を印加するとER流
体の分散質が電気力線に沿って並ぶので、これを高倍率
CCDカメラで観測した。次に、電極配置の違いが接触
領域の電界に与える影響を調べるため、表1(b)に示
す寸法に電極を配置した。このとき、垂直板は鋼、水平
板はCrガラスを使用した。
【0014】以上の可視化実験を確証するために、有限
要素法による数値計算を行った。モデルは、電気力線可
視化装置と同一の形状を使用し、接触領域における電界
の向きと強さを計算した。
【0015】さらに、電気力線解析実験の結果を確認す
るために、前項(実験例1)で使用した潤滑試験装置を
用い、表3の速度・荷重条件と表1(b)に示す電極配
置で油膜観察実験を行った。
【0016】
【表1】
【表2】
【表3】 3.1 電気力線観測結果(板材質の影響) 図5(a)に、垂直板が鋼で水平板がCrガラスの場合
の電気力線の様子を示す。接触領域では垂直方向の電界
が存在することがわかった。図5(b)に、垂直板がア
クリルで水平板がガラスの場合を示す。接触領域の電界
は水平方向であった。その他の組み合わせの場合、電気
力線は図5に示す二者の中間の形状となった。この結果
から、垂直板に鋼、水平板にCrガラスを使用したとき
が、液晶のER効果を最大にできることが判った。図6
(a),(b)にそれぞれ図5(a),(b)に対応す
る数値解析による電界の向きを示す。解析結果は実験結
果とよく一致した。 3.2 電気力線観測結果(電極配置の影響) 両方の板材質を導電体にすることで、大きなER効果が
得られることが判ったので、電極配置の影響を調べる実
験では垂直板に鋼,水平板にCrガラスを使用した。図
7(a)にa=b=1=mm、図7(b)にa=1m
m,b=4mmの場合の電気力線の様子を示す。図7
(b)の方が接触領域における電気力線が密であり、電
界強さが大きいことを示している。同様の条件で数値解
析した結果を図8(a),(b)に示す。解析結果は実
験結果と定性的に一致した。 3.3 潤滑油膜観察実験 図9に、u=252mm/s,w=6N,V=3000
V,a=c=d=1mmの場合のbと最少油膜厚さ増加
量Δhの関係を示す。bを大きくした方がΔhが大きく
なることが確認できた。以上の結果から、図10に示す
電界の経路パターンを考えた場合、の割合を増やすた
めには両板を導電体にして片方の電極を遠ざければよい
ことが判った。さらに、前報で報告した油膜厚さの増加
は、液晶分子が接触領域で鉛直方向に配向して起こった
ことも確認できた。また、実際に応用する際に潤滑され
る二物体に直接通電できない場合でも、電極の配置によ
っては大きなER効果を得られるものと考える。
【0017】
【発明の効果】以上の説明から明らかな通り、この発明
によれば、電気粘性流体を使用した潤滑油の潤滑特性を
良好に制御することができ、かつ電極を離して配置する
ことによって、高速運動する物体や微小物体など直接通
電できないものの潤滑特性を変化させることができる。
また、近年機械材料として使用されているセラミックや
複合材などの非導電体の潤滑にも適用することができる
潤滑特性制御装置及び制御方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の潤滑特性制御装置を示す構成説明
図。
【図2】潤滑油膜の厚さの変化を示す説明図。
【図3】電気力線可視化装置を示す構成説明図。
【図4】電極配置のパラメータを示す説明図。
【図5】接触領域における電気力線観測結果を示す説明
図。
【図6】接触領域における電気力線解析結果を示す説明
図。
【図7】接触領域における電気力線観測結果を示す説明
図。
【図8】接触領域における電界強さ解析結果を示す説明
図。
【図9】電極間距離bと油膜厚さ増加量の関係を示すグ
ラフ。
【図10】電界の経路パターンを示す説明図。
【符号の説明】
2 一方の被潤滑材 3 他方の被潤滑材 4 接触領域 5 一方の電極 6 他方の電極 7 潤滑油
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C10N 40:16 (72)発明者 水谷 八郎 茨城県つくば市並木1丁目2番地 工業技 術院機械技術研究所内 Fターム(参考) 4H104 BA02A CB19C PA13

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2つの被潤滑材間の接触領域の潤滑特性
    を制御する制御装置であって、 前記接触領域の潤滑油を電気粘性流体を含有する潤滑油
    で構成し、 前記接触領域の潤滑油に電場を印加するための一対の電
    極を前記接触領域を挟んで前記2つの被潤滑材に非接触
    に備えることを特徴とする電気粘性流体を使用した潤滑
    特性制御装置。
  2. 【請求項2】 前記一対の電極のうちの一方の電極と一
    方の被潤滑材との距離を他方の電極と前記一方の被潤滑
    材との距離よりも小さくしてなることを特徴とする請求
    項1記載の電気粘性流体を使用した潤滑特性制御装置。
  3. 【請求項3】 2つの被潤滑材間の接触領域の潤滑特性
    を制御する制御装置であって、前記接触領域の潤滑油を
    電気粘性流体を含有する潤滑油で構成し、 前記接触領域の潤滑油に電場を印加するための一対の電
    極を前記接触領域を挟んで前記2つの被潤滑材に非接触
    に備えることとし、電場が前記一対の電極のうちの一方
    の電極から前記接触領域を通って他方の電極に達する電
    界の経路パターンを含むようにしたことを特徴とする電
    気粘性流体を使用した潤滑特性制御方法。
  4. 【請求項4】 電場が前記一対の電極のうちの一方の電
    極から一方の被潤滑材、接触領域、他方の被潤滑材を順
    次通って他方の電極に達する電界の経路パターンを含む
    ようにしたことを特徴とする請求項3記載の電気粘性流
    体を使用した潤滑特性制御方法。
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