JP2009294050A - 転がり摩擦係数測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が複雑ではなく簡易的に、転がりにおける摩擦係数を精度よく求めることを可能とする。
【解決手段】回転する第１評価対象物１１６に対して第２評価対象物１２２を接触させて転動させた際の摩擦係数を計測する転がり摩擦係数測定装置１００において、前記第１評価対象物１１６は、板状に形成されて第１回転軸Ｏを有し、前記第２評価対象物１２２は、該第１評価対象物１１６と接触する面形状が少なくとも円錐の側面形状の一部に形成されて、その中心に該第１評価対象物１１６の回転に従い回転するための第２回転軸Ｑを有し、前記第１回転軸Ｏと該第２回転軸Ｑと該円錐の母線ｍが全て１点Ｃで交差するように、前記第２評価対象物１２２を回転可能に支持する支持部材１２４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦係数のうちの転がり摩擦係数を測定するための転がり摩擦係数測定装置に関する。

動力伝達機構を有する機械装置において、動力伝達のための金属接触部では滑りあるいは転がりの現象が起こっている。滑りあるいは転がりの現象により、動力伝達の効率は大きく変わるため、滑りあるいは転がり摩擦係数の測定は重要である。このため、従来、滑り及び転がり摩擦係数の測定が数多くなされている。

そのうちの転がり摩擦係数は、以下に示すように測定される。２つの評価対象物において、回転する一方（第１評価対象物と称する）に対して、もう一方(第２評価対象物と称する)を接触させて転動させる。その際、第２評価対象物から第１評価対象物にかかる荷重と、第１評価対象物の回転接線方向への力とを測定する。得られた荷重で接線方向への力を除することで、転がり摩擦係数を求めることができる。ここで、第１評価対象物と第２評価対象物との間に潤滑剤を介在させた場合には、当該潤滑剤を含めた転がり摩擦係数を求めることができる。又、第１評価対象物にかかる荷重と第１評価対象物の回転する速さを調整することで、所望の荷重と速度における転がり摩擦係数を求めることができる。

転がり摩擦係数を測定するための装置は、滑り摩擦係数の測定装置に比べてわずかな数ではあるが、２球式、４球式、２円筒式等の装置が考案されている。例えば、特許文献１においては、円筒形状の第１、第２評価対象物をその外周面において互いに接触させて回転した際の加重と回転接線方向への力を測定することで転がり摩擦係数を測定する、２円筒式と４円筒式の転がり摩擦係数測定装置が提案されている。又、特許文献２においては、複数の球形状の第２評価対象物を固定せずに、第１評価対象物の表面に載せて、冶具の中で揺動運動させて、滑りを伴う転がり摩擦力を求めることが提案されている。

特公平５−７７０１８号公報 特開２００３−２４７９１５号公報

しかしながら、特許文献１においては、円筒形状の第１、第２評価対象物の外周面において互いに接触させて回転させる関係上、その構成が大型化して大掛かりとなる。又、摩擦係数を測定する上で、潤滑剤を含めて評価する場合が多く、円筒形状の第１、第２評価対象物では回転の遠心力により、第１、第２評価対象物の外周面に潤滑剤を保持することが困難である。仮に潤滑剤を含めて摩擦係数を評価する場合には、潤滑剤の条件を一定にすべく、第１、第２評価対象物の外周面に絶えず一定量の潤滑剤を塗布するという構成を取る。このため、更にその構成が大掛かりとなると共に、潤滑剤を大量に使用することとなる。

又、特許文献２においては、第２評価対象物が磨耗した場合、磨耗箇所が偏り、形状を球形に保つことは極めて困難となる。つまり、第２評価対象物の磨耗により、転がり摩擦を測定したつもりでも、転がり摩擦と滑り摩擦とが一緒になって測定されることとなる。このため、転がり摩擦係数を精度良く測定することは困難であると考えられる。

そこで、本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、構成が複雑ではなく簡易的に、転がりにおける摩擦係数を精度よく測定することを可能とする転がり摩擦係数測定装置を提供することを課題とする。

本発明は、回転する第１評価対象物に対して第２評価対象物を接触させて転動させた際の摩擦係数を計測する転がり摩擦係数測定装置において、前記第１評価対象物は、板状に形成されて第１回転軸を有し、前記第２評価対象物は、該第１評価対象物と接触する面形状が少なくとも円錐の側面形状の一部に形成されて、その中心に該第１評価対象物の回転に従い回転するための第２回転軸を有し、前記第１回転軸と該第２回転軸と該円錐の母線が全て１点で交差するように、前記第２評価対象物を回転可能に支持する支持部材を備えることにより前記課題を解決したものである。

本発明は、回転する板状の第１評価対象物に、第１評価対象物と接触する面形状が少なくとも円錐の側面形状の一部に形成された第２評価対象物を、回転可能に保持した構成である。このため、構成が大掛かりでも複雑でもなく、小型で簡易的に構成することができる。

又、支持部材は、第１回転軸と第２回転軸と円錐の母線が全て１点で交差するように、第２評価対象物を回転可能に支持する。このため、第１評価対象物が回転しても、第１評価対象物と第２評価対象物との接触部分に滑りが生じない。ゆえに、滑り摩擦の影響を除去して、転がり摩擦係数を測定することができる。そして、滑り摩擦と転がり摩擦を完全に分離できるので、滑り摩擦に対する転がり摩擦の挙動の差異を明確にすることができる。

又、転がり摩擦により、第１評価対象物及び第２評価対象物が磨耗しても、滑り摩擦がもともと生じていないので磨耗は均一となる。つまり、第１評価対象物及び第２評価対象物の磨耗は僅かとなる。このため、長時間の測定、高速回転での測定、重荷重での測定など、負荷が大きい場合においても、滑り摩擦の影響を除去して転がり摩擦係数を安定して測定することができる。

更に、第１評価対象物は板状であり、回転した際には潤滑剤が第１評価対象物の回転中心から外周に移動する。しかし、その移動方向が第１評価対象物の半径方向と一致するので、潤滑剤が保持されやすい。このため、潤滑剤を保持させる構成を設けることも容易に行うことができる。潤滑剤が飛散した際にも、少なくとも第１評価対象物が板状であることから、潤滑剤の飛散範囲は狭く、その防止と回収が、簡易的な構成で容易に実現することができる。

本発明によれば、構成が複雑ではなく簡易的に、転がりにおける摩擦係数を精度よく測定することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明に係る実施形態について、図１から図５を用いて説明する。図１は本実施形態に係る転がり摩擦係数測定装置の一例を概略的に示す斜視図、図２は図１の転がり摩擦係数測定装置の断面図、図３は転がり摩擦係数測定装置の第２評価対象物を概略的に拡大した側面図と断面図、図４は転がり摩擦係数測定装置を用いた転がり摩擦係数の測定結果の一例を示す図、図５は比較のために行った滑り摩擦係数の測定結果の一例を示す図、図６は図５の滑り摩擦係数を測定する際に用いたボール・オン・ディスク型滑り摩擦係数測定装置の模式図、である。

最初に、本実施形態の全体構成を概略的に説明する。

転がり摩擦係数測定装置１００は、主に図１、図２に示す如く、回転する第１評価対象物１１６に対して第２評価対象物１２２を接触させて転動させた際の摩擦係数を計測する。第１評価対象物１１６は、板状（平面形状の円板）に形成されて第１回転軸（回転軸Ｏ）を有する。第２評価対象物１２２は、第１評価対象物１１６と接触する面形状が少なくとも円錐の側面形状の一部（円錐台）に形成されて、その中心に第１評価対象物１１６の回転に従い第２評価対象物１２２が回転するための第２回転軸Ｑを有する。そして、転がり摩擦係数測定装置１００は、第１回転軸（回転軸Ｏ）と第２回転軸Ｑと円錐の母線ｍ（後述）が全て１点Ｃで交差するように、第２評価対象物１２２を回転可能に支持する支持部材１２４を備えている。

以下、各構成要素について詳細に説明する。

回転台１０８は、図１、図２に示す如く、回転支柱１１０と試料ステージ１１２とガイド１１４と第１評価対象物ホルダ１１８とを備える。回転支柱１１０と試料ステージ１１２とガイド１１４とは、一体に形成されている。回転支柱１１０は、試料ステージ１１２を下から支持し、回転台１０８全体を第１回転軸（回転軸Ｏ）を中心に回転させる。試料ステージ１１２は、回転支柱１１０の上端に設けられた円板部分であり、第１回転軸（回転軸Ｏ）を中心に第１評価対象物１１６が置載される。試料ステージ１１２の最外周には、ガイド１１４が設けられている。ガイド１１４は円筒形状である。潤滑剤が用いられた際に、第１評価対象物１１６と第２評価対象物１２２の回転による潤滑剤の飛散を、ガイド１１４は防止して、潤滑剤を回収することができる。

第１評価対象物１１６は、図２に示す如く、外径ｒ３である平面形状の円板（板状）である。試料ステージ１１２上面において、第１評価対象物１１６の中心が第１回転軸（回転軸Ｏ）に合わせられて配置される。即ち、第１回転軸（回転軸Ｏ）が第１評価対象物１１６の回転軸（以降、第１回転軸Ｏと称する）となる。第１評価対象物１１６は、第１評価対象物ホルダ１１８によって保持される。

第１評価対象物ホルダ１１８は、図１、図２に示す如く、第１評価対象物１１６を収容することができる円環形状を有する。又、第１評価対象物ホルダ１１８には、段差Ｄで半径Ｒ１の開口部１１８Ａが形成されている。第１評価対象物ホルダ１１８は、ボルト１２０によって、試料ステージ１１２に対して固定される。図２に示す如く、第１評価対象物１１６の外径ｒ３は第１評価対象物ホルダ１１８の開口部１１８Ａの半径Ｒ１よりも大きい。このため、第１評価対象物ホルダ１１８は、第１評価対象物１１６の縁を押えて、試料ホルダ１１２に固定することができる。そして、第１評価対象物ホルダ１１８に形成された段差Ｄにより、潤滑剤が塗布されて第１評価対象物１１６が回転した際においても、潤滑剤を第１評価対象物ホルダ１１８の開口部１１８Ａの内側に保持した状態とすることができる。すなわち、潤滑剤の浪費を防止して、潤滑剤を考慮した転がり摩擦係数の安定した測定を行うことができる。

第２評価対象物１２２は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す如く、第１評価対象物１１６と接触する面形状が円錐台（円錐の側面形状の一部）の側面形状に形成されている。つまり、第２評価対象物１２２は、図２に示す如く、第１評価対象物１１６上での接触位置Ａで半径ｒ１、接触位置Ｂで半径ｒ２である円錐台を含む形状に形成されている。そして、第２評価対象物１２２は、図３（Ｂ）に示す如く、その中心軸Ｑを回転軸（第２回転軸Ｑと称する）として有し、第２回転軸Ｑに沿って貫通孔１２２Ａを備える。なお、第２回転軸Ｑは、傾斜角θである円錐台の母線ｍと点Ｃで交差する。今、半径ｒ１で規定される底面（上底と呼ぶ）と半径ｒ２で規定される底面（下底と呼ぶ）との母線ｍに沿っての長さｓを規定する。すると、第２評価対象物１２２は、次の式を満たすこととなる。

ｒ２＝ｒ１＋ｓ×ｓｉｎθ …（１）

支持部材１２４は、図１、図２に示す如く、保持部材１２６と押え板１２８と軸ピン１３０と軸受１３２と保持支柱１４０とを有する。保持部材１２６は、第２評価対象物１２２を遊嵌するためにコの字形状に形成されている。そして、保持部材１２６には、第２回転軸Ｑに沿って孔１２６Ａ、１２６Ｂが設けられている。そのコの字形状の空隙部分１２６Ｃに第２評価対象物１２２が遊嵌されて、第２回転軸Ｑ上（図２の右側）から軸ピン１３０が挿入される。軸ピン１３０の外周には２つの軸受１３２が設けられて、第２評価対象物１２２に形成された貫通孔１２２Ａと接する。このため、第２評価対象物１２２が回転自在に固定されて、第２評価対象物１２２は、極めて低い回転抵抗で回転することができる。軸ピン１３０は、押え板１２８によって保持部材１２６の外側から押えられる。そして、軸ピン１３０と押え板１２８とは、ボルト１３４、１３６によって保持部材１２６に固定される。保持部材１２６は、保持支柱１４０の下端に取り付けられる。

保持支柱１４０は、図２に示す如く、第１回転軸Ｏと平行な保持軸Ｐに沿って、点Ｃが第１回転軸Ｏ上に来るように固定される。即ち、第１回転軸（回転軸Ｏ）と第２回転軸Ｑと円錐の母線ｍが全て１点Ｃで交差することとなる。このため、次式が成立する。

Ｌ２−Ｌ１＝ｓ …（２）
ｒ１＝Ｌ１×ｓｉｎθ …（３）

ここで、Ｌ１は第１回転軸Ｏから接触位置Ａまでの距離、Ｌ２は第１回転軸Ｏから接触位置Ｂまでの距離、である。

即ち、第２評価対象物１２２は、式（３）を満たす形状となる。このため、母線ｍに沿っての長さｓは任意にとることができる。

具体的な例を示せば、例えば、距離Ｌ１が１４．６ｍｍで、半径ｒ１が５ｍｍとすると、式（３）より、第２評価対象物１２２における傾斜角θは２０°となる。このとき、第１評価対象物１１６が１回転すると、第２評価対象物１２２の半径ｒ１の部分は、２．９２回転する。同時に、第２評価対象物１２２の半径ｒ２の部分も、同じく２．９２回転する。

このようにして定められた第２評価対象物１２２は、滑りがなく均一に第１評価対象物１１６と接触し回転するので、その磨耗量は少ない。又、母線ｍに沿っての長さｓは自在にとることができるので、長さｓを大きくすれば摩耗量を低減でき、大きな負荷となる場合においても安定した摩擦係数を求めることができる。

負荷調節器１４２は、図１に示す如く、保持支柱１４０の上端に固定されている。そして、負荷調節器１４２は、第２評価対象物１２２を介して、第１評価対象物１１６に垂直に荷重Ｗをかけると共に、その負荷Ｗを測定することができる。又、負荷調節器１４２は、第２評価対象物１２２を介して、第１評価対象物１１６の回転接線方向Ｔへの力Ｆを検出することができる。なお、負荷調節器１４２は、保持支柱１４０の根元に取り付けられているが、保持部材１２６と保持支柱１４０との間に設けられていても構わない。負荷調節器１４２は、第２評価対象物１２２を３軸方向に調整可能なステージ等に取り付けられている。

次に、本実施形態に係る転がり摩擦係数測定装置の動作を説明する。

図１、図２に示す如く、潤滑剤が塗布された第１評価対象物１１６上に、支持部材１２４によって保持された第２評価対象物１２２を押し付けて、所望の荷重Ｗを加える。次に、第１評価対象物１１６を必要な回転速度で第１回転軸Ｏを中心に回転させる。このとき、第２評価対象物１２２は、２つの軸受１３２によって軸ピン１３０に対して回転可能とされているので、極めて低い回転抵抗で回転する。第２評価対象物１２２は、第１評価対象物１１６上での接触位置Ａで半径ｒ１、接触位置Ｂで半径ｒ２である円錐台を含む形状に形成されている。そして、支持部材１２４が第１回転軸Ｏと第２回転軸Ｑと円錐の母線ｍが全て１点Ｃで交差するように、第２評価対象物１２２を回転可能に支持している。このため、第２評価対象物１２２は、滑りを伴うことなく、第１評価対象物１１６の回転に従い、第２回転軸Ｑを中心にして転がる。

そして、負荷調節器１４２によって第１評価対象物１１６が回転している回転接線方向Ｔへの力Ｆを求める。そして、荷重Ｗで力Ｆを割ることによって、滑り摩擦の影響なく、正確に精度よく転がり摩擦係数を求めることができる。

このように、転がり摩擦係数測定装置１００は、回転する円板形状の第１評価対象物１１６に、第１評価対象物１１６と接触する面形状が円錐台の側面形状（円錐の側面形状の一部）に形成された第２評価対象物１２２を、回転可能に保持した構成である。このため、構成が大掛かりでも複雑でもなく、小型で簡易的に構成することができる。

又、支持部材１２４は、第１回転軸Ｏと第２回転軸Ｑと円錐の母線ｍが全て１点Ｃで交差するように、第２評価対象物１２２を回転可能に支持する。このため、第１評価対象物１１６が回転しても、第１評価対象物１１６と第２評価対象物１２２との接触部分に滑りが生じない。ゆえに、滑り摩擦の影響を除去して、転がり摩擦係数を測定することができる。そして、滑り摩擦と転がり摩擦を完全に分離できるので、滑り摩擦に対する転がり摩擦の挙動の差異を明確にすることができる。以下に、具体的な測定例を示す。

図４に、本実施形態の転がり摩擦係数測定装置１００を用いて得られた具体的な結果を示す。第１評価対象物１１６には冷間金型用合金工具鋼ＳＫＤ１１を使用し、第２評価対象物１２２には高炭素クロム軸受鋼鋼材ＳＵＪ２を使用して、距離２０００ｍまで、潤滑剤（潤滑剤Ｉ、II）のみを変えて転がり摩擦係数を測定した。なお、速度は１秒当たり２５ｃｍであり、その荷重Ｗは１０Ｎである。潤滑剤Ｉは、測定開始より２０００ｍまでほぼ同じ転がり摩擦係数（０．０１０）を示している。しかし、潤滑剤IIでは転がり摩擦係数が徐々に下がり、２０００ｍでは０．００３まで低下していることを明らかにすることができた。

図５には、参考として、滑り摩擦の測定結果を示す。第１評価対象物１１６は同一、第２評価対象物１２２の形状は異なるが同一の材質であり、２つの潤滑剤はそれぞれ同一のものを使用している。測定装置としては、図６に示したボール・オン・ディスク型滑り摩擦係数測定装置２を用いる。ボール・オン・ディスク型滑り摩擦係数測定装置２は、回転する平面円板の第１評価対象物１６上で、第２評価対象物２２であるボールを滑らせて、第２評価対象物２２を介して第１評価対象物１６の回転接線方向への力と第１評価対象物１６にかかる荷重とを求めて、滑り摩擦係数を求める。

測定結果として、２０００ｍ摺動後、潤滑剤Ｉは摩擦係数０．０５４であるのに対して、潤滑剤IIでは摩擦係数０．０９４となっており、潤滑剤IIの方が滑り摩擦係数は大きくなっていることがわかる。

このようにして、転がり摩擦係数と滑り摩擦係数とでは、同じ潤滑剤であってもその振る舞いが全く異なることを明らかにすることができる。

又、転がり摩擦により、第１評価対象物１１６及び第２評価対象物１２２が磨耗しても、滑り摩擦がもともと生じていないので磨耗は均一となる。つまり、第１評価対象物１１６及び第２評価対象物１２２の磨耗は僅かとなる。このため、長時間の測定、高速回転での測定、重荷重での測定など、負荷が大きい場合においても、滑り摩擦の影響を除去して、転がり摩擦係数を安定して測定することができる。なお、第２評価対象物１２２が磨耗した場合には、式（３）に従い、磨耗量に応じて接触位置Ａをずらすようにしてもよい。その場合には、たとえ第２評価対象物１２２及び第１評価対象物１１６の磨耗が存在しても、精度良く転がり摩擦係数を継続して求めることができる。

更に、第１評価対象物１１６は円板形状であり、回転した際には潤滑剤が第１評価対象物１１６の中心から外周に移動する。しかし、その移動方向が第１評価対象物１１６の半径方向Ｘと一致するので、潤滑剤が保持されやすい。このため、潤滑剤を保持させる構成（第１評価対象物ホルダ１１８の段差Ｄなど）を設けることも容易に行うことができ、それによって潤滑剤を長期間保持することができる。潤滑剤が飛散した際にも、少なくとも第１評価対象物１１６が円板形状であることから、潤滑剤の飛散範囲は狭く、その防止と回収がガイド１１４を設けるといった簡易的な構成で容易に実現することができる。

即ち、本発明によれば、構成が複雑でなく簡易的に、転がりにおける摩擦係数を精度良く測定することが可能となる。

本発明について本実施形態を挙げて説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。即ち本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、本実施形態においては第１評価対象物１１６が平面形状の円板であったが（図７（Ａ））、本発明はこれに限定されない。本発明は、第２評価対象物が、第１評価対象物と接触する面形状として少なくとも円錐の側面形状の一部に形成されて、その中心に第１評価対象物の回転に従い回転するための第２回転軸を有し、第１回転軸と第２回転軸と円錐の母線が全て１点で交差するように、第２評価対象物を回転可能に支持する支持部材を備える限りにおいて、第１評価対象物が、図７（Ｂ）に示すような凸形状や、図７（Ｃ）に示すような凹形状の板状に形成されていてもよい。なお、図７（Ａ）に示す本実施形態の第１評価対象物１１６は、加工が容易であり、低コスト化や、回転速度や荷重の測定が容易で、図６に示したボール・オン・ディスク型滑り摩擦係数測定装置２との互換性も高いという利点を有する。図７（Ｂ）に示す第１評価対象物１１６Ａは、潤滑剤の保持がし易いこと、図７（Ｃ）に示す第１評価対象物１１６Ｂは、転がり摩擦係数の測定において第１評価対象物上のごみや磨耗粉などの粒子の影響を低減できるといった優れた効果を、それぞれ有する。

本発明の本実施形態に係る転がり摩擦係数測定装置の一例を概略的に示す斜視図 同じく図１の転がり摩擦係数測定装置の断面図 同じく転がり摩擦係数測定装置の第２評価対象物を概略的に拡大した側面図と断面図 同じく転がり摩擦係数測定装置を用いた転がり摩擦係数の測定結果の一例を示す図 比較のために行った滑り摩擦係数の測定結果の一例を示す図 滑り摩擦係数を測定するボール・オン・ディスク型滑り摩擦係数測定装置の模式図 本発明に係る第１評価対象物の形状を模式的に示す側面図

符号の説明

１００…転がり摩擦係数測定装置
１０８…回転台
１１０…回転支柱
１１２…試料ステージ
１１４…ガイド
１６、１１６、１１６Ａ、１１６Ｂ…第１評価対象物
１１８…第１評価対象物ホルダ
１２０、１３４、１３６、１３８…ボルト
２２、１２２…第２評価対象物
１２４…支持部材
１２６…保持部材
１２８…押え板
１３０…軸ピン
１３２…軸受
１４０…保持支柱
１４２…負荷調節器
Ｏ…第１回転軸（回転軸）
Ｐ…保持軸
Ｑ…第２回転軸
Ｔ…回転接線方向
Ｘ…第１評価対象物の半径方向

Claims (2)

1. 回転する第１評価対象物に対して第２評価対象物を接触させて転動させた際の摩擦係数を計測する転がり摩擦係数測定装置において、
   前記第１評価対象物は、板状に形成されて第１回転軸を有し、
   前記第２評価対象物は、該第１評価対象物と接触する面形状が少なくとも円錐の側面形状の一部に形成されて、その中心に該第１評価対象物の回転に従い回転するための第２回転軸を有し、
   前記第１回転軸と該第２回転軸と該円錐の母線が全て１点で交差するように、前記第２評価対象物を回転可能に支持する支持部材を備える
   ことを特徴とする転がり摩擦係数測定装置。
2. 請求項１において、
   前記第２評価対象物と接触する前記第１評価対象物が平面形状である
   ことを特徴とする転がり摩擦係数測定装置。

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