JP2007127551A - 弾性体の摩擦係数計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性体の摩擦係数を正確かつ高精度に計測する。
【解決手段】半球型の試験片１６を回転するセーフティーウォーク路面２０に押し付け、力検出器２８で円盤１４の接線方向の力を計測し、荷重（Ｗ）と接線方向の力（Ｆ）とから動的な摩擦係数（μ＝Ｆ／Ｗ）を演算する。試験片１６を半球型としているので、直方体や円盤の試験片のように、接地端部で接触圧が急増する現象がなく、また接地端部が局所的に摩耗する現象が生じず、さらには、接地端部が局所的に浮き上がる現象も無いので、正確かつ精度の高い摩擦係数値を得ることが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性体の摩擦係数計測方法にかかり、特に、ゴム等の弾性体の動摩擦係数をより正確かつ高精度に計測可能とする弾性体の摩擦係数計測方法に関する。

従来、ゴムと路面の摩擦係数を測定する際の試験片としては、直方体または薄い円盤形状のものが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平３―１６５２３２号公報

しかしながら、ゴムは路面からの力を受けることにより、特に入力側端部において、部分的な剪断、巻き込み変形を生じ、接触領域内において不均一な接触圧分布をしてしまうことが知られている。摩擦係数は接触圧の依存性があるため、この場合、接触領域内において一定条件の摩擦駅数を計測しているとは言えない。さらに、計測中にこれらの端部が摩耗してしまうため、計測精度が低下することになる。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、弾性体の摩擦係数を正確かつ高精度に計測可能とする弾性体の摩擦係数計測方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、回転する平板に弾性体からなる試験片を押し付けて摩擦係数を測定する弾性体の摩擦係数計測方法であって、前記試験片は、前記平板との接触部分が半球型に形成されており、半球型部分が前記平板に押し付けられる、ことを特徴としている。

次に、請求項１に記載の弾性体の摩擦係数計測方法を説明する。
請求項１の弾性体の摩擦係数計測方法では、従来通り、試験片を所定の力（荷重）で平板に押し付けながら平板を回転させ、試験片に作用する力を計測して摩擦係数の測定を行う。

ここで、図６（Ａ）に示すように、試験片の形状が、直方体（従来例）の場合、接線力の入力側端部において局所的な剪断、巻き込み変形を生じ、接触圧が極端に上昇する現象が起きる。さらに、入力出側端部においては、曲げ変形の影響で浮き上がりが生じる。このため、ゴム接触表面が不均一な接触圧分布を持ち、さらに偏った摩耗が進展してしまうことになる。これによって、摩擦係数が大きな誤差を含むという問題がある。

また、試験片の形状が、図６（Ｂ）に示すように円盤（従来例）の場合、ゴムが薄い分、浮き上がりを抑制できるが、接線力の入力側の局所変形は依然として回避することができない問題がある。

一方、請求項１に記載の弾性体の摩擦係数計測方法では、図６（Ｃ）に示すように、試験片の、平板と接触する部分の形状を半球型としているので、直方体や円盤の試験片のように、端部で接触圧が急増する現象がなく、端部が局所的に摩耗する現象が生じず、また、端部が局所的に浮き上がる現象も無いので、正確かつ精度の高い摩擦係数値を得られる。

なお、ここでいう半球形状とは、半径が必ずしも一定でなくても良く、試験片の中心部が最も平板側に凸で、外周に向けて徐々に平板から離間するような、例えば、断面で見たときの形状が半楕円形状、放物線等の湾曲形状であっても良いものとする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の弾性体の摩擦係数計測方法において、半球型部分の半径が各々異なる複数種類の前記試験片を用いて摩擦係数を測定する、ことを特徴としている。

次に、請求項２に記載の弾性体の摩擦係数計測方法を説明する。
半球型部分の半径が異なる複数種類の試験片を用いて、摩擦係数の測定を行うと、各々の試験片において平板との接触面積が異なることになり、単位面積当たりの荷重（即ち、平板に対する接触圧）が異なることになる。弾性体の摩擦係数は、接触圧依存性があることが知られており、これにより、試験片に付加する荷重を変更することなく、様々な接触圧における摩擦計測が可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の弾性体の摩擦係数計測方法において、前記試験片と前記平板との接触面積は、前記試験片に塗料を塗布して前記平板または前記平板とは異なる他の平面部材に押し付け、前記平板または前記平面部材に付着した塗料の面積から求める、ことを特徴としている。

次に、請求項３に記載の弾性体の摩擦係数計測方法を説明する。
請求項３に記載の弾性体の摩擦係数計測方法では、試験片にインクや墨等の塗料を塗布して平板、または平板とは異なる他の平面部材に押し付け、平板または平面部材に付着した塗料の面積から試験片と平板との接触面積を求めることが出来る。

請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の弾性体の摩擦係数計測方法において、前記試験片と前記平板との接触面積は、ヘルツ接触の理論式より求める、ことを特徴としている。

次に、請求項４に記載の弾性体の摩擦係数計測方法を説明する。
周知のように、弾性体の接触面積は、ヘルツ接触の理論式より求めることが出来るので、請求項４に記載の弾性体の摩擦係数計測方法においては、このヘルツ接触の理論式を用いて試験片と平板との接触面積を計算により求めている。
図７（Ａ）に示すようなゴムの球１００と球１０２とを図７（Ｂ）に示すように接触させた場合の接触面積を求めるヘルツ接触の理論式は以下の通りである。

上記式でＥ_１、Ｅ_２は球のヤング率、ν_１、ν_２は球のポアソン比、Ｆ_Ｚは荷重、Ｒ_１、Ｒ_２は球の半径、ａは接触領域の半径、Ａｒｅａは接触面積、ｒは接触領域の中心からの距離、Ｐは接触圧分布である。
ここで、下側の球１０２を高剛性の平板に置き換えると（Ｅ_１はゴムのヤング率、ν_１＝０．４９、Ｅ_２＝∞、Ｒ_２＝∞）、接触面積Ａｒｅａ＝πａ^２は（５）式の様になり、この（５）式に試験片の半径Ｒ_１、荷重Ｆ_Ｚ、試験片のヤング率Ｅ_１の各々の値を代入すれば接触面積が求められる。
なお、荷重を接触面積で割ることにより、平均接触圧を求めることが出来る。

以上説明したように本発明の弾性体の摩擦係数測定方法によれば、弾性体の摩擦係数を正確かつ高精度に計測することができる、という優れた効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の摩擦係数測定装置１０は、モータ１２で回転する円盤１４と、試験片１６を取り付ける測定装置本体１８を備えている。
この円盤１４の上面にはセーフティーウォーク路面２０が形成されている。

測定装置本体１８は支柱２２を備えており、支柱２２には荷重調整装置（図示せず）が内蔵されている。荷重調整装置にはアーム２４が取り付けられており、アーム２４の先端には試験片１６を取り付ける台座２６が設けられている。この台座２６には図示しない力検出器を備えている。

荷重調整装置は、アーム２４を上下方向に移動させると共に、台座２６の下面に取り付けた試験片１６を所定の荷重で円盤１４のセーフティーウォーク路面２０に押し付けることが出来、力検出器は、台座２６（試験片１６）に作用する力の大きさ、および方向を検出することが出来る。

次に、この摩擦係数計測装置１０を用いたゴム等の弾性体の摩擦係数計測方法を説明する。
本試験方法では、試験片１６の形状を半球型とし、図１に示すように、台座２６の下面に下向きに取り付ける（試験片１６の平面部分を台座の下面に固定する。）。

次に、円盤１４を一定の速度で回転させると共に、アーム２４を下降させ、試験片１６の下端を一定の力（力検出器２８で測定可）でセーフティーウォーク路面２０に押し付ける。
この状態で、力検出器２８で円盤１４の接線方向（半径方向と直交方向）の力を計測し、上記荷重（Ｗ）と接線方向の力（Ｆ）とから動的な摩擦係数（μ＝Ｆ／Ｗ）を演算して得ることができる。

本実施形態の摩擦係数計測方法では、試験片１６を半球型としているので、直方体や円盤の試験片のように、接地端部で接触圧が急増する現象がなく、また接地端部が局所的に摩耗する現象が生じず、さらには、接地端部が局所的に浮き上がる現象も無いので、正確かつ精度の高い摩擦係数値を得ることが出来る。

ここで、半球型部分の半径の異なる複数種類の試験片１６を用いて、摩擦係数の測定を行うと、各々の試験片１６においてセーフティーウォーク路面２０との接触面積が異なることになり、単位面積当たりの荷重（即ち、平板に対する接触圧）が異なることになる。これにより、試験片１６に付加する荷重を変更することなく、様々な接触圧（単位面積当たりの）における摩擦計測が可能となる。

なお、試験片１６とセーフティーウォーク路面２０との接触面積を調べるには、例えば、試験片１６にインクや墨等の塗料を塗布して円盤１４（または円盤１４の上に置いた紙、板等）に試験時と同じ荷重で押し付け、円盤１４に付着した塗料の面積から求めることが出来る。また、試験片１６とセーフティーウォーク路面２０との接触面積は、前述したヘルツ接触の理論式を用いて計算により求めても良い。

（試験例１）
本発明の効果を確かめるために、形状の異なる３種類の試験片を用いて摩擦係数を求めた。
試験片Ａ（従来例１）：図２（Ａ）に示すように、１０ｍｍ×２５ｍｍ×２０ｍｍの立法体である。
試験片Ｂ（従来例２）：図２（Ｂ）に示すように、半径１２．５ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板である。
試験片Ｃ（本発明）：図２（Ｃ）に示すように、半径２５ｍｍの半球である。

試験は、垂直荷重２００Ｎ、路面速度１０ｋｍ／ｈ（試験片接地位置にて）、計測時間１．０秒の条件において実施し、計測後の表面摩耗形状を比較した。
図２に示すように、試験片Ａと試験片Ｂ（従来例）は、不均一な接触圧分布により、偏った形状（いわゆる偏摩耗）を示しているのに対し、試験片Ｃ（本発明）は、均一な形状（摩耗）をしていることが分かる（下側の図は、試験後の試験片の摩耗状態を示しており、下面の２点鎖線は試験前、実線は試験後を示している。また、下面の下側に記載されている数値は摩耗量（ｍｍ）である。）。

各々の試験片に関して、計測開始後、０．２秒後と１．０秒後の摩擦係数の減少量を比較したところ、試験片Ａ：０．１２、試験片Ｂ：０．０８、試験片Ｃ：０．０３となり、試験片Ｃが他に比較して安定した状態にあることが分かった。

また、摩擦係数（計測時間中の平均値）を算出すると、Ａ：１．１０、試験片Ｂ：１．１７、試験片Ｃ：１．２６となり、試験片Ａと試験片Ｂは、過小評価されてしまうことが確認された。
さらに、上記条件において、異なる半径を有する試験片Ｃを用いることにより、様々な接触圧（ＭＰａ）における摩擦係数計測が可能であった（一例：半径２５ｍｍで０．６ＭＰａ、半径１０ｍｍで１．３ＭＰａ）。

（試験例２）
また、半球型の試験片と立法体の試験片とを用い、静止状態で垂直荷重を付与した際の接触圧分布と、垂直荷重をかけた状態で路面と平行に滑らせた場合の接触圧分布を比較した。

図３（Ａ）は、ひら押し時（静止時）の半球型の試験片に作用した接地圧分布を濃度の違いで示したものであり、図３（Ｂ）は、すべり時の半球型の試験片に作用した接地圧分布を濃度の違いで示したものである（濃度の高い部分が接地圧が高い。）。また、図４は、半球型の試験片に作用した接地圧分布をグラフ化したものである（実線は平押し時、２点鎖線はすべり時）。

一方、図３（Ｃ）は、ひら押し時（静止時）の立方体の試験片に作用した接地圧分布を濃度の違いで示したものであり、図３（Ｄ）は、すべり時の立方体の試験片に作用した接地圧分布を濃度の違いで示したものである。また、図５は、立方体の試験片に作用した接地圧分布をグラフ化したものである（実線は平押し時、２点差線はすべり時）。

試験結果から、半球型の試験片では、局所的な接地圧の上昇が無く、かつ静止時とすべり時との接地圧分布に違いがないことが分かる。

本発明の摩擦係数計測方法を実現するための摩擦係数測定装置の斜視図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、試験片の形状、及び摩耗状態を示す説明図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、半球型の試験片の接地圧分布を示す説明図である。 半球型の試験片の接地圧分布（静止時、及び接線力付与時）を示すグラフである。 立法体の試験片の接地圧分布（静止時、及び接線力付与時）を示すグラフである。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、接線力付与時の各試験片の接地圧分布を示した説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、ヘルツ接触を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ 摩擦係数測定装置
１４ 円盤（平板）
１６ 試験片

Claims (4)

1. 回転する平板に弾性体からなる試験片を押し付けて摩擦係数を測定する弾性体の摩擦係数計測方法であって、
   前記試験片は、前記平板との接触部分が半球型に形成されており、半球型部分が前記平板に押し付けられる、ことを特徴とする摩擦係数計測方法。
2. 半球型部分の半径が各々異なる複数種類の前記試験片を用いて摩擦係数を測定する、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性体の摩擦係数計測方法。
3. 前記試験片と前記平板との接触面積は、前記試験片に塗料を塗布して前記平板または前記平板とは異なる他の平面部材に押し付け、前記平板または前記平面部材に付着した塗料の面積から求める、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性体の摩擦係数計測方法。
4. 前記試験片と前記平板との接触面積は、ヘルツ接触の理論式より求める、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性体の摩擦係数計測方法。

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