JP2009068843A - 摩擦計測装置及び摩擦計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振れ回り等を起こす回転体であっても、回転体の摩擦係数等を計測する。
【解決手段】固定部３に第１〜第４ロッドＲ１〜Ｒ４を介して支持され、回転体２０が接触する被接触リング２と、被接触リング２の９０度回転位相差のある位置を第１検出位置と第２検出位置とし、この第１検出位置と第２検出位置の径方向に作用する径方向力を検出する第１径方向ひずみゲージ１０及び第２径方向ひずみゲージ１２と、第１検出位置と第２検出位置の接線方向に作用する接線方向力を検出する第１接線方向ひずみゲージ１１及び第２接線方向ひずみゲージ１３と、各ひずみゲージ１０〜１３の検出値より回転体２０の摩擦係数を算出する演算手段４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の摩擦係数や摩擦力を計測する摩擦計測装置及び摩擦計測方法に関する。

この種の従来の摩擦計測装置５０は、図６に示すように、固定側の半円リング部５１と、Ｘ方向に移動自在な可動側の半円リング部５２と、可動側の半円リング部５２に作用するＸ方向の力ＦＸを検出する第１ロードセル５３と、可動側の半円リング部５２に作用するＹ方向の力ＦＹを検出する第２ロードセル５４とを備えている。

双方の半円リング部５１，５２の間に回転体５５を挿入し、可動側の半円リング部５２を固定側の半円リング部５１に近接するＸ方向に移動し、双方の半円リング部５１，５２に回転体５５を接触させる。すると、第１ロードセル５３より回転体５５の径方向力のＸ成分ＦＸが、第２ロードセル５４より回転体５５のねじり力（接線方向力）Ｆθがそれぞれ検出される。摩擦係数μ＝ねじり力Ｆθ／径方向力ＦＸの演算式より摩擦係数μを求めることができる。

尚、上記従来例と同様に、荷重検出器の出力のみから摩擦力を求める技術が特許文献１に開示されている。

特開２００１−３３６９９７号公報

上記従来の摩擦計測装置５０では、回転体５５が双方の半円リング部５１，５２に常時面接触している場合には摩擦係数μを計測できる。しかし、図７に示すように、回転体５５が振れ回りを起こす等の理由によって点接触と離間を繰り返す場合には摩擦係数μを計測できない。つまり、回転体５５が点接触する場合には、第２ロードセル５４には回転体５５のねじり力Ｆθの他に径方向力のＹ方向成分ＦＹが乗るため、ねじり力Ｆθを検出できないからである。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、振れ回り等を起こす回転体であっても、回転体の摩擦に関する値を計測できる摩擦計測装置及び摩擦計測方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、固定部に支持され、回転体が接触する被接触リングと、前記被接触リングの９０度回転位相差のある位置を第１検出位置と第２検出位置とし、この第１検出位置と第２検出位置の径方向に作用する径方向力を検出する径方向力検出手段と、第１検出位置と第２検出位置の少なくとも一方の接線方向に作用する接線方向力を検出する接線方向力検出手段と、前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段の検出値より前記回転体の摩擦に関する値を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする摩擦計測装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載の摩擦計測装置であって、前記演算手段は、前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段が検出した第１及び第２検出位置の径方向力より前記回転体の接触点における抗力を算出すると共に、第１検出位置の接線方向力と第２検出位置の径方向力、又は、第２検出位置の接線方向力と第１検出位置の径方向力より前記回転体の接触点におけるねじり力を算出し、前記回転体の抗力とねじり力より前記回転体の摩擦係数を算出することを特徴とする摩擦計測装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の摩擦計測装置であって、前記被接触リングは、９０度回転間隔に配置された４本のロッドによって前記固定部に支持され、前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段は、９０度回転位相差のある位置に配置された２本の前記ロッドに設けられ、前記各ロッドのひずみを検出するひずみゲージにてそれぞれ構成されたことを特徴とする摩擦計測装置である。

請求項４の発明は、固定部に支持された被接触リング内に回転体を挿入し、回転する前記回転体が前記被接触リングに接触すると、前記被接触リングの９０度回転位相差のある第１検出位置と第２検出位置における径方向力と、前記第１検出位置と前記第２検出位置の少なくとも一方の接線力をそれぞれ検出し、検出した第１及び第２検出位置の径方向力、及び、第１及び第２検出位置の少なくとも一方の接線方向力より前記回転体の摩擦に関する値を算出することを特徴とする摩擦計測方法である。

請求項５の発明は、請求項４記載の摩擦計測方法であって、第１検出位置と第２検出位置の径方向力より前記回転体の接触点における抗力を算出すると共に、第１検出位置の接線方向力と第２検出位置の径方向力、又は、第２検出位置の接線方向力と第１検出位置の径方向力より前記回転体の接触点におけるねじり力を算出し、前記回転体の抗力とねじり力より前記回転体の摩擦係数を算出することを特徴とする摩擦計測方法である。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５記載の摩擦計測方法であって、第１及び第２検出位置における接線方向力と径方向力は、各ひずみゲージの出力より検出することを特徴とする摩擦計測方法である。

請求項１の発明によれば、振れ回り等によって回転体が被接触リングに接触と離間を繰り返し、被接触リングに点接触でしか接触しない場合にあっても、第１及び第２検出位置の第１径方向力検出手段及び第２径方向力検出手段が回転体の抗力の分力成分のみを検出し、第１径方向力検出手段及び第２径方向力検出手段の検出値より回転体の抗力を算出でき、又、第１検出位置又は第２検出位置の第１接線方向力検出手段又は第２接線方向力検出手段が回転体の抗力の分力成分とねじり力成分の合力を検出するため、一方の接線方向力検出手段の検出値より他方の径方向力検出手段の検出値を減算することによって回転体のねじり力成分を算出できる。従って、振れ回り等を起こす回転体であっても、回転体の摩擦に関する値を計測できる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明にあって、回転体の抗力とねじり力より回転体の摩擦係数及び摩擦力を計測できる。

請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の発明の効果に加え、ひずみゲージは低コストであるため、摩擦計測装置を低コスト化できる。又、ひずみゲージはロッドに貼り付ければ装着可能であるため、装着作業が容易である。

請求項４の発明によれば、振れ回り等によって回転体が被接触リングに接触と離間を繰り返し、被接触リングに点接触でしか接触しない場合にあっても、第１及び第２検出位置の第１径方向力検出手段及び第２径方向力検出手段が回転体の抗力の分力成分のみを検出し、第１径方向力検出手段及び第２径方向力検出手段の検出値より回転体の抗力を算出でき、又、第１検出位置又は第２検出位置の第１接線方向力検出手段又は第２接線方向力検出手段が回転体の抗力の分力成分とねじり力成分の合力を検出し、一方の接線方向力検出手段の検出値より他方の径方向力検出手段の検出値を減算することによって回転体のねじり力成分のみを算出できる。従って、振れ回り等を起こす回転体であっても、回転体の摩擦に関する値を計測できる。

請求項５の発明によれば、請求項４の発明にあって、回転体の抗力とねじり力より回転体の摩擦係数及び摩擦力を計測できる。

請求項６の発明によれば、請求項４又は請求項５の発明の効果に加え、ひずみゲージは低コストであるため、摩擦計測装置を低コスト化できる。又、ひずみゲージはロッドに貼り付ければ装着可能であるため、装着作業が容易である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明の実施の形態を示し、図１は摩擦計測装置の要部斜視図、図２は摩擦計測装置の縦断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は演算手段の摩擦係数算出のフローチャート、図５は回転体が点接触した際に、被接触リングに及ぼす抗力及びねじり力と、これら外力によって第１及び第２ロッドに作用する径方向力及び接線方向力を示す図である。

図１〜図３に示すように、摩擦計測装置１は、回転体２０が接触される被接触リング２と、この被接触リング２を９０度回転位置で固定部３に対してそれぞれ支持する４本の第１〜第４ロッドＲ１〜Ｒ４と、第１ロッドＲ１に貼着された第１径方向力検出手段である第１径方向ひずみゲージ１０及び第１接線方向力検出手段である第１接線方向ひずみゲージ１１と、第２ロッドＲ２に貼着された第２径方向力検出手段である第２径方向ひずみゲージ１２及び第２接線方向力検出手段である第２接線方向ひずみゲージ１３と、これらひずみゲージ１０〜１３の検出出力が導かれる演算手段４とを備えている。

被接触リング２は、真円のリング形状であり、剛性の非常に高い材質より形成されている。

各ロッドＲ１〜Ｒ４は、撓み変形が可能な断面正方形の角材ロッドである。各ロッドＲ１〜Ｒ４の４面は同一向きに設定されている。そして、互いに直交する二面の方向を、説明の便宜上Ｘ，Ｙ方向（図３に示す）として以下説明する。

被接触リング２の９０度回転位相差に位置する第１ロッドＲ１と第２ロッドＲ２の各支持位置が第１検出位置と第２検出位置とされている。そして、各ひずみゲージ１０〜１３は、第１及び第２ロッドＲ１，Ｒ２の長手方向の中間位置に貼着されている。各ひずみゲージ１０〜１３は、第１ロッドＲ１及び第２ロッドＲ２の貼着面の撓み変形量より第１検出位置及び第２検出位置の径方向力及び接線方向力を検出する。つまり、第１ロッドＲ１及び第２ロッドＲ２は、被接触リング２の第１検出位置及び第２検出位置に作用する径方向力及び接線方向力に比例してそれぞれ撓み変形するため、各たわみ変形量より被接触リング２の第１及び第２検出位置における径方向力及び接線方向力を検出するよう構成されている。

具体的には、第１径方向ひずみゲージ１０は、被接触リング２の第１検出位置に作用する径方向力を検出する。第１接線方向ひずみゲージ１１は、被接触リング２の第１検出位置に作用する接線方向力を検出する。第２径方向ひずみゲージ１２は、被接触リング２の第２検出位置に作用する径方向力を検出する。第２接線方向ひずみゲージ１３は、被接触リング２の第２検出位置に作用する接線方向力を検出する。

演算手段４は、各ひずみゲージ１０〜１３の検出出力を基に、図４の摩擦係数算出フローによって摩擦係数μを算出する。この摩擦係数算出フローの内容については、下記の動作説明の箇所で詳述する。

次に、摩擦計測装置１の動作を説明する。回転体２０を被接触リング２内に挿入し、挿入した回転体２０を回転させる。ここで、回転体２０が振れ回り等によって被接触リング２に対し接触と離間を繰り返すものとする。回転体２０が被接触リング２に点接触すると、被接触リング２は回転体２０から抗力（回転体２０の点接触位置における径方向力）Ｆとねじり力（回転体２０の点接触位置における接線方向力）Ｆθを受ける。

演算手段４は、回転体２０が被接触リング２に点接触で接触した際の各ひずみゲージ１０〜１３の検出出力を取得する（ステップＳ１）。

ここで、回転体２の抗力Ｆは、図５に示すように、Ｘ方向の分力ＦｘとＹ方向の分力Ｆｙに分けることができる。又、被接触リング２は、剛体で、且つ、４本のロッドＲ１〜Ｒ４によって等方支持されているものと仮定する。この仮定によって、第１〜第４ロッドＲ１〜Ｒ４は、回転体２からの抗力Ｆ及びねじり力Ｆθを均等に受けると考えることができる。

すると、図５に示すように、第１径方向ひずみゲージ１０は、被接触リング２に作用する抗力の内のＦｘ成分のみを検出する。第１接線方向ひずみゲージ１１は、被接触リング２に作用する抗力の内のＦｙ成分とねじり力Ｆθ成分を検出する。第２径方向ひずみゲージ１２は、被接触リング２に作用する抗力の内のＦｙ成分のみを検出する。第２接線方向ひずみゲージ１３は、被接触リング２に作用する抗力の内のＦｘ成分とねじり力Ｆθ成分を検出する。

演算手段４は、第１径方向ひずみゲージ１０と第２径方向ひずみゲージ１２の検出値より図４の（１）式を演算する。これによって、被接触リング２が回転体２０から受ける抗力Ｆを算出する（ステップＳ２）。

次に、演算手段４は、第１接線方向ひずみゲージ１１と第２径方向ひずみゲージ１２の検出値より図４の（２）式を演算する。これによって、被接触リング２が回転体２０から受けるねじり力、つまり、摩擦力Ｆθを算出する（ステップＳ３）。又、第２接線方向ひずみゲージ１３と第１径方向ひずみゲージ１０の検出値より図４の（３）式を演算し、ねじり力Ｆθを算出しても良い。尚、図４の（２）式と（３）式の両方を演算し、その平均値をねじり力Ｆθとしても良い。

最後に、演算手段４は、被接触リング２が回転体２０から受ける抗力Ｆとねじり力Ｆθより図４の（４）式を演算する。これによって、回転体２０の摩擦係数μを算出する（ステップＳ４）。

以上、説明したように、本発明の摩擦計測装置１及び摩擦計測方法では、第１及び第２検出位置の第１径方向ひずみゲージ１０及び第２径方向ひずみゲージ１２が回転体２０の抗力ＦのＦｘ及びＦｙ成分のみを検出し、第１径方向ひずみゲージ１０及び第２径方向ひずみゲージ１２の検出値より回転体２０の抗力Ｆを算出できる。又、第１検出位置又は第２検出位置の第１接線方向ひずみゲージ１１及び第２接線方向ひずみゲージ１３が回転体２０の抗力ＦのＦｙ成分とねじり力Ｆθ成分の合力、又は、抗力ＦのＦｘ成分とねじり力θ成分の合力を検出し、一方の接線方向力ひずみゲージ１１（又は１３）の検出値より他方の径方向ひずみゲージ１２（又は１０）の検出値を減算することによって回転体２０のねじり力Ｆθ成分のみを算出できる。従って、振れ回り等を起こす回転体２０であっても、摩擦に関する値である摩擦係数μ及びねじり力（摩擦力）Ｆθを計測できる。

尚、回転体２０が振れ回りせずに常時接触する場合にも摩擦係数等を計測できることはもちろんである。

この実施の形態では、第１ロッドＲ１と第２ロッドＲ２に各接線方向ひずみゲージ１１，１３を設け、双方の接線方向力を共に検出した。しかし、いずれか一方にのみひずみゲージを設け、いずれか一方の接線方向力のみを検出するようにしても良い。

この実施の形態では、径方向力検出手段及び接線方向力検出手段は、被接触リング２を９０度回転位相差のある位置で支持する第１及び第２ロッドにそれぞれ設けたひずみゲージ１０〜１３にて構成されている。各ひずみゲージ１０〜１３は低コストであるため、径方向力検出手段及び接線方向力検出手段、ひいては摩擦計測装置１を低コスト化できる。又、各ひずみゲージ１０〜１３は第１及び第２ロッドＲ１，Ｒ２に貼り付ければ装着可能であるため、装着作業が容易である。尚、径方向力検出手段及び接線方向力検出手段は、被接触リング２の第１および第２検出位置に作用する径方向力および接線方向力を検出できるものであれば良い。例えばロードセルによって構成しても良いことはもちろんである。

尚、この実施の形態では、４本の第１〜第４ロッドＲ１〜Ｒ４は、断面四角形の角材であるが、断面円形の丸材等であっても良い。

本発明の一実施の形態を示し、摩擦計測装置の要部斜視図である。 本発明の一実施の形態を示し、摩擦計測装置の縦断面図である。 本発明の一実施の形態を示し、図２のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施の形態を示し、演算手段の摩擦係数算出のフローチャートである。 本発明の一実施の形態を示し、回転体が点接触した際に、被接触リングに作用する抗力及びねじり力と、この抗力及びねじり力によって第１及び第２ロッドにそれぞれ作用する径方向力及び接線方向力を示す図である。 従来例の摩擦計測装置の概略平面図である。 従来例の摩擦計測装置にあって、回転体の振れ回り時の接触状態を示す図である。

符号の説明

１ 摩擦計測装置
２ 被接触リング
３ 固定部
４ 演算手段
１０ 第１径方向ひずみゲージ（第１径方向力検出手段）
１１ 第１接線方向ひずみゲージ（第１接線方向力検出手段）
１２ 第２径方向ひずみゲージ（第２径方向力検出手段）
１３ 第２接線方向ひずみゲージ（第２接線方向力検出手段）
Ｒ１ 第１ロッド（ロッド）
Ｒ２ 第２ロッド（ロッド）
Ｒ３ 第３ロッド（ロッド）
Ｒ４ 第４ロッド（ロッド）

Claims (6)

1. 固定部に支持され、回転体が接触する被接触リングと、
   前記被接触リングの９０度回転位相差のある位置を第１検出位置と第２検出位置とし、この第１検出位置と第２検出位置の径方向に作用する径方向力を検出する径方向力検出手段と、
   第１検出位置と第２検出位置の少なくとも一方の接線方向に作用する接線方向力を検出する接線方向力検出手段と、
   前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段の検出値より前記回転体の摩擦に関する値を算出する演算手段とを備えたことを特徴とする摩擦計測装置。
2. 請求項１記載の摩擦計測装置であって、
   前記演算手段は、前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段が検出した第１及び第２検出位置の径方向力より前記回転体の接触点における抗力を算出すると共に、第１検出位置の接線方向力と第２検出位置の径方向力、又は、第２検出位置の接線方向力と第１検出位置の径方向力より前記回転体の接触点におけるねじり力を算出し、前記回転体の抗力とねじり力より前記回転体の摩擦係数を算出することを特徴とする摩擦計測装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の摩擦計測装置であって、
   前記被接触リングは、９０度回転間隔に配置された４本のロッドによって前記固定部に支持され、
   前記径方向力検出手段及び前記接線方向力検出手段は、９０度回転位相差のある位置に配置された２本の前記ロッドに設けられ、前記各ロッドのひずみを検出するひずみゲージにてそれぞれ構成されたことを特徴とする摩擦計測装置。
4. 固定部に支持された被接触リング内に回転体を挿入し、回転する前記回転体が前記被接触リングに接触すると、前記被接触リングの９０度回転位相差のある第１検出位置と第２検出位置における径方向力と、前記第１検出位置と前記第２検出位置の少なくとも一方の接線力をそれぞれ検出し、検出した第１及び第２検出位置の径方向力、及び、第１及び第２検出位置の少なくとも一方の接線方向力より前記回転体の摩擦に関する値を算出することを特徴とする摩擦計測方法。
5. 請求項４記載の摩擦計測方法であって、
   第１検出位置と第２検出位置の径方向力より前記回転体の接触点における抗力を算出すると共に、第１検出位置の接線方向力と第２検出位置の径方向力、又は、第２検出位置の接線方向力と第１検出位置の径方向力より前記回転体の接触点におけるねじり力を算出し、前記回転体の抗力とねじり力より前記回転体の摩擦係数を算出することを特徴とする摩擦計測方法。
6. 請求項４又は請求項５記載の摩擦計測方法であって、
   第１及び第２検出位置における接線方向力と径方向力は、各ひずみゲージの出力より検出することを特徴とする摩擦計測方法。

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