JP2010127766A - 摩擦試験装置および摩擦試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適正且つ信頼性の高い評価を行えるようにした摩擦試験装置および摩擦試験方法を提供する。
【解決手段】スライドテーブル３に載せた試験片Ｓに対し摩擦子２４を所定の負荷条件にて当接させ、スライドテーブル３を水平方向に往復移動させて試験を行う摩擦試験装置である。スライドテーブル３の往復移動に基づく試験片Ｓと摩擦子２４との相対摺動回数の増加に併せて、摺動面がＭのように摩耗することを考慮し、スライドテーブル３の往復動ストロークがＳ１〜Ｓ３のように次第に小さくなるように設定してある。例えば、スライドテーブルの往復回数１０００回毎に、ストロークを片側１．０ｍｍずつ合計で２．０ｍｍ短縮し、試験終了までストロークが段階的に小さくなるように制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、摺動部材の耐摩耗性や摩擦力の評価のための摩耗試験装置および摩擦試験方法に関する。

水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を負荷機構による所定の負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを水平方向に往復移動させて耐摩耗性の評価を行う試験装置が知られている。そして、そのテーブルを往復移動させるための駆動手段としていわゆるスライダ−クランク機構を用いたものが特許文献１に、上記駆動手段としていわゆるラック＆ピニオン機構あるいはボールねじを用いたものが特許文献２，３にそれぞれ記載されている。
のものが提案されている。
特開平８−１８９８８５号公報 特許第３９７７７６６号公報 特許第３６７０９４７号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載の試験装置では、試験片の摩耗が進行するとスティックスリップ現象が発生しやすくなるばかりでなく、そのスティックスリップ現象が発生した際に、摩擦子の上下方向の振動が増幅されてバウンド現象が発生することがある。そして、バウンド現象が発生すると、予め設定した負荷荷重よりも大きな負荷荷重が加わることにより、摩耗や摩滅が促進されるだけでなく、適正な試験結果を得ることができず、結果として信頼性の高い評価を行うことができないという問題がある。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、従来の不具合を解消して、適正且つ信頼性の高い評価を行えるようにした摩擦試験装置および摩擦試験方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて試験を行う摩擦試験装置であって、上記テーブルの往復移動に基づく試験片と摩擦子との相対摺動回数の増加に併せてテーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて試験を行う摩擦試験装置であって、上記試験片と摩擦子との相対摺動に伴う試験片の摩耗量を検出する摩耗量検出手段を備えていて、その摩耗量検出手段による実測値の増大に併せてテーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることを特徴とする。

より具体的には、請求項３に記載のように、上記試験片の摺動面についてその摺動方向の摩耗深さを連続的に計測し、摺動面の摺動方向中央部に対する摺動方向両端部の高低差が予め定めてある管理限界値となったときに、その管理限界値となった摺動方向両端部の少なくとも一部を除外するように、テーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることが望ましい。

この場合において、試験そのものがテーブルの往復移動に大きく依存していることから、請求項４に記載のように、上記テーブルの往復動ストロークを二分するストロークセンタ位置は不変であって、そのストロークセンタ位置から往復動ストロークの両端までの距離が段階的に小さくなるように設定してあることが望ましい。

また、先に述べたような試験中の上下方向の振動を抑制する上では、装置の具体的な構造として請求項５に記載の構造とすることが望ましい。

すなわち、請求項５に記載の発明は、上記テーブルに載せた試験片に対して摩擦子を負荷機構による負荷条件にて垂直に当接させるようになっていて、上記負荷機構は、上記テーブルの上方においてその長手方向を当該テーブルの移動方向に一致させて配置した少なくとも上下二本のバランスアームと、上記摩擦子のほかその摩擦子に加わる力を検出する歪み計を有して、バランスアームの一端に連結された測定ヘッド部と、上記バランスアームを揺動可能に支持していて、そのバランスアームおよび測定ヘッド部とともに四節平行リンク機構を形成している支持体と、上記下側のバランスアームのうち支点をはさんで測定ヘッド部とは反対側の端部に固定されたカウンタウエイトと、を備えているものとする。その上で、上記カウンタウエイトは、その軸線が下側のバランスアームの長手方向に対して直角となり、且つそれ自体の重心が下側のバランスアームよりも下側となるように取り付けてある。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の技術を摩擦試験方法として捉えたものであって、水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて摩擦試験を行う方法として、上記テーブルの往復移動に基づく試験片と摩擦子との相対摺動回数の増加に併せてテーブルの往復動ストロークを次第に小さくすることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の技術を摩擦試験方法として捉えたものであって、水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて摩擦試験を行う方法として、試験中における試験片と摩擦子との相対摺動に伴う試験片の摩耗量を検出し、その摩耗量の実測値の増大に併せてテーブルの往復動ストロークを次第に小さくすることを特徴とする。

ここで、上記のようにテーブルの往復移動に基づいて試験片と摩擦子とを相対摺動動作させた場合、試験片の摺動面での摩耗深さは、負荷荷重の大きさだけでなくテーブルの移動速度にも依存する。その速度特性は、往復動の駆動手段によっても異なり、例えば駆動手段がスライダ−クランク機構の場合には、速度特性はいわゆるサインカーブ状のものになるのに対して、駆動手段がラック＆ピニオン機構あるいはボールねじ機構の場合には速度特性は略台形状のものとなる。

そして、特に駆動手段がラック＆ピニオン機構あるいはボールねじ機構の場合には、往復動ストロークの両端部は加速または減速区間となることから、往復動ストロークの中央部分が速度的に最も安定した定速摺動区間となる。それに伴って試験片の摺動面の摩耗についても、定速摺動区間に相当する部分での摩耗量が最大となり、加速または減速区間に相当する部分では摩耗深さが漸次増大または減少するいわゆる徐変部分となる。

摩耗深さの変化は摩擦子の上下方向の動きにほかならず、振動発生の原因となる。その上、摩耗深さの変化が大きいと、相対的に摩耗深さが小さい部位で持ち上げられた摩擦子が摺動方向の反転後に下降するかたちとなるため、ミクロ的にはその運動エネルギー成分が負荷加重として上乗せされ、局所的な摩耗を促進するとともに、異常摩耗へとつながり、先に述べたような摩擦子の振動現象あるいはバウンド現象を引き起こすことになる。

このようなことから、請求項１，２に記載の発明のように、試験片と摩擦子との相対摺動回数の増加に併せて、あるいは摩耗量検出手段による実測値の増大に併せてテーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあると、試験片の摩耗が進行したとしても、摩耗深さが漸次増大または減少するいわゆる徐変部分の影響を受けにくくなり、結果として摩擦子の上下方向での振動現象が抑制されて、バウンド現象が発生しにくいものとなる。

なお、往復動ストロークのうち速度的に最も安定した定速摺動区間での試験結果をもって例えば耐摩耗性等を評価するので、往復動ストロークが次第に小さくなることは何ら問題となることはない。

請求項１，２および請求項６，７に記載の発明によれば、試験片の摩耗が進行したとしても、摩擦子の上下方向での振動やバウンド現象が抑制されて、適正且つ信頼性の高い摩擦評価を行うことができるようになる。

請求項３に記載の発明によれば、摩耗量の実測値に応じてストローク調整量が決定されるので、ストローク調整のタイミングとその調整量が最適化されて、安定した試験結果を得ることができるとともに、適正且つ信頼性の高い摩擦評価を行う上で一段と有利となる。

請求項４に記載の発明によれば、テーブルの往復動ストロークは変化してもそのストロークセンタ位置は不変であるため、試験片と摩擦子との安定した相対摺動動作が行われる。

請求項５に記載の発明によれば、スティックスリップ現象または振動現象が発生した際に摩擦子が試験片から浮き上がるような挙動をしたとしても、それに伴うバランスアームおよびカウンタウエイトの変位によって摩擦子を元の状態に戻すような復元力が作用するため、摩擦子が上下方向に振動するのを抑制または減衰することができるとともに、摩擦子の振動が摩擦評価に与える影響を低減することが可能となり、これによってもまた一段と適正且つ信頼性の高い摩擦評価を行うことができるようになる。

[第１の実施の形態]
図１〜５および表１は本発明のより具体的な第１の実施の形態を示し、特に図１，２には耐摩耗性試験のための摩擦試験装置の一例を示している。ここでの摩擦試験装置は、後述するように、水平なスライドテーブル３に載せた試験片Ｓに対して摩擦子２４を負荷機構１１による所定の負荷条件にて垂直に当接させ、その状態でスライドテーブル３を水平方向に往復移動させて試験を行うものである。

図１に示すように、台座１上に、試験片Ｓをサンプルホルダ２を介して載置するための水平なスライドテーブル３と、そのスライドテーブル３を水平方向に往復移動させるための駆動源であるサーボモータ（以下、単に「モータ」と言う。）４とを搭載してあるとともに、両者をボールねじ５にて接続してある。スライドテーブル３はその下方のスライダ６に固定してあるとともに、スライダ６はリニアガイド７にスライド可能に案内支持させてある。また、モータ４の出力軸にはカップリング８を介してボールねじ５のスクリューシャフト９を連結してあるとともに、そのスクリューシャフト９はスライダ６側の図示しないナット部材に螺合させてある。

したがって、モータ４によりスクリューシャフト９を正転または逆転駆動することで、スライドテーブル３がスライダ６とともに所定ストロークのもとで往復移動することになる。そして、以上の説明から明らかなように、モータ４とボールねじ５とでスライドテーブル駆動装置１０を形成してある。

台座１上には上記ボールねじ５のスクリューシャフト９と干渉しないように負荷機構１１の主要素となる支持体としてのポスト１２を直立姿勢にて立設してある。このポスト１２には支点となるピン１３と図示外の軸受を介して互いに平行な上下二本のバランスアーム１４，１５をシーソー式に揺動または旋回可能に支持させてある。そして、上下二本のバランスアーム１４，１５の長手方向はスライドテーブル３のスライド方向と一致していて、それらのバランスアーム１４，１５の一端にはピン１６と図示外の軸受とをもってスライドテーブル３の上方に位置するように測定ヘッド部１７を連結してあるとともに、他端には同じくピン１８と図示外の軸受とをもってリンク１９を連結してある。さらに、上側のバランスアーム１４の他端には、これを延長するように突出するねじ軸２０に微調整用のウエイト２１を位置調整可能に螺合させてあるとともに、下側のアーム１５の他端には所定重量のカウンタウエイト２２を取り付けてある。

これらの要素のうち、上下二本のバランスアーム１４，１５はポスト１２や測定ヘッド部１７とともに四節平行リンク機構を構成していて（以下、このリンク機構を「右側の四節平行リンク機構」と称する。）、同時に上下二本のバランスアーム１４，１５はポスト１２やリンク１９とともに四節平行リンク機構を構成している（以下、このリンク機構を「左側の四節平行リンク機構」と称する。）。その結果、バランスアーム１４，１５の傾斜あるいは姿勢の変化にかかわらず、測定ヘッド部１７の軸線はスライドテーブル３に対して直角となるように設定してある。

ここで、上下一対のバランスアーム１４，１５について、測定ヘッド部１７との連結部からリンク１９との連結部までの距離である総スパンＬ１の中間位置にポスト１２との連結位置を設定してあり、結果として図１の測定ヘッド部１７寄りのアーム長Ｌ２とリンク１９寄りのアーム長Ｌ３とは共に等しく設定してある。

カウンタウエイト２２は測定ヘッド部１７との重量バランスをとるために例えば中実円筒状または角筒状に形成されているもので、下側のバランスアーム１５の他端の下面に直接固定してある。このカウンタウエイト２２の軸心は下側のバランスアーム１５の長手方向に対して直角となり、且つそれ自体の重心Ｇが下側のバランスアーム１５よりも下側に位置するように設定してある。

測定ヘッド部１７は、ヘッド部本体２３の下端に装着されて且つその下方の試験片Ｓと直接接触することになる摩擦子２４とともに、その摩擦子２４に加わる力を検出するための歪み計としてのロードセル２５を装着したものである。そして、ヘッド部本体２３の上端の支持ロッド２６には、実際の試験に際しての定格荷重相当分のウエイト２７が着脱可能に装着されることになる。なお、試験片Ｓと摩擦子２４とが相対移動する際にその摩擦子２４に加わる摩擦力がロードセル２５によって検出され、その検出出力は例えばパーソナルコンピュータ等にて形成された後述の制御コントローラ３０（図２参照）のデータ記録部３１に記録される。

図２は上記摩擦試験装置におけるスライドテーブル３の駆動系のブロック回路図を示し、周知のようにモータ４はロータリーエンコーダ等の位置検出器２８を位置フィードバック要素として有していて、サーボコントローラ２９からの指令によりその正逆転駆動が行われる。その結果として、スライドテーブル３が所定のストロークのもとで往動と復動とを繰り返すことになる。サーボコントローラ２９の上位側の制御コントローラ３０は、先に述べたデータ記録部３１のほか、メイン制御部３２と、スライドテーブル３の往復動ストロークを可変制御するためのストローク短縮範囲演算部３３を有しているとともに、初期条件入力装置３４と補正条件入力装置５が付帯している。

ここでは、後述するように、スライドテーブル３の往復移動に基づく試験片Ｓと摩擦子２４との相対摺動回数の増加に併せてあるいは連動して、スライドテーブル３の往復動ストロークが次第に小さくなるように積極的に可変制御するものである。ただし、スライドテーブル３の往復動ストロークを二分するストロークセンタ位置は不変であって、そのストロークセンタ位置から往復動ストロークの始終両端までの距離が共に等しく且つ段階的に小さくなるように制御するものとする。

そのため、図２ほか表１に示すように、初期条件入力装置３４からは、スライドテーブル３の設定速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、サイクル時間（ｍｓ／往復）、初期ストローク（ｍｍ）、および初期反転時間（ｍｓ）が入力されて、メイン制御部３２に設定値指令として与えられる。なお、上記反転時間とは、スライドテーブル３が往動から復動、あるいはその反対に復動から往動に反転する際の待機時間のことである。

その一方、補正条件入力装置３５からは上記のようなスライドテーブル３の往復動ストロークの可変制御に必要な情報、すなわちスライドテーブル３の往復動ストロークを段階的に小さくするのに必要なストローク調整時期とストローク調整幅、および反転時間調整量がそれぞれに入力されて、ストローク短縮範囲演算部３３の補正条件指令として与えられる。

ここでは、表１に示すように、摩擦子２４と試験片Ｓとの相対摺動回数（往復回数）として例えば２００００回程度を想定していて、スライドテーブル３のｎ回の往復動ストロークにつき一回、つまり、スライドテーブル３のｎ回の往復回数毎に、上記のようにストロークセンタ位置から往復動ストロークの始終両端までの距離が共に等しく且つ段階的に小さくなるようにストロークを可変制御するものとし、ストローク調整時期として上記ｎ回に相当する回数（例えば、１０００回）と、ストローク調整幅（例えば、片側１．０ｍｍずつ減ずる場合には合計で２．０ｍｍ）とを、上記補正条件入力装置３５から入力して、ストローク短縮範囲演算部３３に設定することになる。

この場合において、表１に示すように、例えば往復回数が１０００回となった時に減ずるストローク調整幅を２．０ｍｍとすると、往復回数が２０００回となった時に減ずるストローク調整幅は合計で４．０ｍｍ、往復回数が３０００回となった時に減ずるストローク調整幅は合計で６．０ｍｍ、となる。表１のストロークの欄における括弧内数字はこれらのストローク調整幅を示しており、例えば「９８．０（−２．０）」は、それまで１００ｍｍであったストロークを片側１．０ｍｍずつ減じて両側で２．０ｍｍ短縮して、９８．０ｍｍにする、ことを表している。同様に、「９６．０（−４．０）」は、それまで９８．０ｍｍであったストロークをさらに片側１．０ｍｍずつ減じて両側で２．０ｍｍ短縮して、９６．０ｍｍにする、ことを表している。

このことは、表１の反転時間についても同様であって、１サイクルあたりの所要時間が一定となるように、ストロークが短くなった分だけ反転時間が漸次増加するように設定している。例えば表１の反転時間の欄における「５８（＋８）」は、それまで５０ｍｓであった反転時間を８ｍｓ増加させて５８ｍｓにする、ことを表している。同様に、「６６（＋１６）」は、それまで５８ｍｓであった反転時間をさらに８ｍｓ増加させて６６ｍｓにする、ことを表している。

そして、ストローク短縮範囲演算部３３は、モータ４側の位置検出器２８からの回転位置情報をもとにスライドテーブル３の往復動回数を計数・積算する機能を有していて、スライドテーブル３の往復動回数が上記の設定回数に達したならば、同じく上記のように予め設定されているストローク調整幅をもってストローク補正条件を演算し、その補正データをもって既存のストローク指令を補正するべく、メイン制御部３３に対して補正フィードバック指令として出力することになる。なお、上記反転時補正についても同様である。

このように構成された摩擦試験装置によれば、試験に先立って、測定ヘッド部１７の支持ロッド２６にウエイト２７が装着されていない状態で、測定ヘッド部１７とカウンタウエイト２２とが釣り合ってバランスアーム１４，１５が水平姿勢となるようにバランス調整を行う。その際に、必要に応じて微調整用のウエイト２１の位置を調整する。

バランス調整を終えたならば、スライドテーブル３上に例えば平板状のゴムあるいはＴＰＯ等の弾性材料の試験片Ｓをセットし、後述するような摩擦子２４との相対摺動によっても容易に移動することがないようにその試験片Ｓをサンプルホルダ２に固定する。その上で、測定ヘッド部１７の支持ロッド２６に対して定格荷重のウエイト２７を載せて、その定格荷重を試験片Ｓに負荷する。なお、ここでは、試験片Ｓとしてドアグラスランに代表されるような自動車用のシール部材のサンプルを用い、その耐摩耗性評価を想定している。

この後にスライドテーブル駆動装置１０のモータ４を起動して実際の試験に移行する。すなわち、モータ４の正逆転駆動によりボールねじ５のスクリューシャフト９の正転と逆転とを交互に繰り返して、所定ストロークおよび所定速度のもとでスライドテーブル３を往復移動させる。スライドテーブル３の往復移動に伴い所定の摩擦力をもって試験片Ｓと摩擦子２４とが相対的な摺動動作を繰り返し、その相対摺動方向において摩擦子２４に加わる加重すなわち摩擦力がロードセル２５によってリアルタイムで且つ連続的に検出されて耐摩耗性評価データとして図２のデータ記録部３１に記録される。

この場合において、表１に示すように、例えば初期段階ではスライドテーブル３の設定速度を２４０ｍｍ／ｓｅｃ、サイクル時間を１０００ｍｓ／往復、ストロークを１００ｍｍ、反転時間を５０ｍｓとして試験を開始する。そして、スライドテーブル駆動装置１０の動力源としてボールねじ５を採用しているが故に、試験片Ｓの摺動面の摩耗状況は先にも述べたようにスライドテーブル３の速度特性に依存し、図３に示すように往復動ストロークの中央部ではその摩耗深さ（摩耗量）Ｍが比較的一定しているものの、ストロークの始終両端部では摩耗深さＭが漸次増大または減少するいわゆる徐変部分Ｑの発生が不可避となる。

そこで、上記徐変部分Ｑの少なくとも一部をその摩耗進行に併せて往復動ストロークの範囲から除外するべく、図３に示すように、スライドテーブル３の往復動ストロークをＳ１からＳ２へ、さらにＳ２からＳ３へと順次段階的に変化させるものとする。すなわち、上記徐変部分Ｑの少なくとも一部をその摩耗進行に併せて往復動ストロークの範囲から除外するべく、スライドテーブル３の往復動ストロークの回数で１０００回ごとに、ストロークを２．０ｍｍ（片側１．０ｍｍ）ずつ段階的に短縮し、同時に反転時間を８ｍｓずつ段階的に増加させる。

この結果、本試験での規定の往復動ストロークの回数（摩擦子２４と試験片Ｓとの相対摺動往復回数）を例えば２００００回とした場合、試験末期に至ってその回数が１９０００回を超えた段階では、表１に示すように、当初は１００ｍｍであったストロークが６２．０ｍｍまで短縮され、同時に当初は５０ｍｓであった反転時間が２０２ｍｓまで増加することになる。これによって、ストロークが短くなった分だけ反転時間を増加させることで、１サイクルあたりの所要時間がほぼ一定したものとなる。

このように、試験片Ｓと摩擦子２４との相対摺動往復回数の増加に併せて、スライドテーブル３の往復動ストロークが漸次段階的に小さくなるように設定してあると、試験片Ｓの摩耗が進行したとしても、摩耗深さＭが漸次増大または減少するいわゆる徐変部分Ｑの影響を受けにくくなり、結果として摩擦子２４の上下方向での振動現象が抑制されて、バウンド現象が発生しにくいものとなる。なお、往復動ストロークが次第に小さくなることは耐摩耗性評価の上で何ら支障はない。

さらに、所定の定格加重の負荷条件のもとで試験片Ｓに対して圧接している摩擦子２４を含む測定ヘッド部１７は、それらの測定ヘッド部１７やポスト１２とともに四節平行リンク機構を形成している上下二本のバランスアーム１４，１５に支持されていることから、バランスアーム１４，１５が傾斜姿勢にあるか水平姿勢にあるかにかかわらず測定ヘッド部１７の軸心は鉛直方向を指向していて変化することはない。したがって、試験中において試験片Ｓが摩耗することがあっても、試験片Ｓに対して摩擦子２４を常時直角に押し当てることができるから、試験中において試験片Ｓに対する摩擦子２４側の面圧が変化してしまうことがなく、負荷条件の安定化が図れるようになる。

また、試験片Ｓと摩擦子２４とが相対摺動する過程において、試験片Ｓの材質等によっては摩擦子２４を含む測定ヘッド部１７がいわゆるスティックスリップ現象を生ずることがある。このスティックスリップ現象を放置すると、測定ヘッド部１７が周期的に試験片Ｓから浮き上がり気味となり、次第に測定ヘッド部１７全体の上下方向の振動へと増幅されてしまい、測定ヘッド部１７全体が周期的なバウンド現象を生ずる結果、摩擦試験による適性な評価を行うことが困難となることがあることは先に述べたとおりである。

これに対して本実施の形態では、スティックスリップ現象の発生により測定ヘッド部１７が試験片Ｓから浮き上がり気味となると、それと同時に図４に示すようにバランスアーム１４，１５が反時計回り方向に左下がりのかたちで揺動してカウンタウエイト２２が下降することになる。このバランスアーム１４，１５の揺動に伴いカウンタウエイト２２の軸心が傾き、当該カウンタウエイト２２の重心Ｇが所定量だけ従前よりも支点１３側に近付くことになる。なお、図４では、説明の都合上、バランスアーム１４，１５の傾きを誇張して描いてある。

すなわち、図４のほか図５から明らかなように、下側のバランスアーム１５が反時計回り方向に揺動する前と後とでは、その下側のバランスアーム１５とカウンタウエイト２２との相対位置関係は不変であるから、下側のバランスアーム１５の反時計回り方向への揺動に伴ってカウンタウエイト２２の重心Ｇが支点１３寄りに近付くことは、支点１３からカウンタウエイト２２の重心Ｇの位置までの距離（アーム長）が従前よりも所定量αだけ小さくなる故に、そのアーム長とカウンタウエイト２２の重量との積である回転モーメントが従前よりも小さくなることを意味する。

そうすると、図４，５に示すように、バランスアーム１４，１５が反時計回り方向に揺動したことによる反動として、上記のようにカウンタウエイト２２側での回転モーメントが従前よりも小さくなることで、相対的に一対のバランスアーム１４，１５を時計回り方向側に揺動させて元の状態に戻そうとする復元力Ｆが作用することになる。この復元力Ｆは、先にも述べたようにスティックスリップ現象の発生に伴い一旦は試験片Ｓから浮き上がろうとした測定ヘッド部１７を再び試験片Ｓに押し付ける方向に作用する。

なお、図６に示すように、下側のバランスアーム１５にカウンタウエイト２２が固定されてはいても、カウンタウエイト２２の重心Ｇの位置がバランスアーム１５の長手方向と一致していたり、あるいはバランスアームよりも上方にあると、所定量αがきわめて小さいために上記復元力Ｆを期待することはできない。

上記復元力Ｆが積極的に発生する結果として、試験中のスティックスリップ現象の発生によって、測定ヘッド部１７の上下方向の振動が増幅されてしまうことがなく、逆に上記の復元力Ｆが測定ヘッド部１７の上下方向の振動を減衰または収束（抑制）するように作用することから、無用な振動が摩擦試験ひいては耐摩耗性試験の評価に及ぼす影響を抑制することが可能となる。

ここで、上記実施の形態では、ボールねじ５によりスライドテーブル３を往復移動させるようにしているが、スライドテーブル３の往復駆動手段は特に特に問わないものである。例えば、上記のボールねじ５に代えてラック＆ピニオン機構にてスライドテーブル３を往復駆動するようにしても所期の目的を達成することができる。

また、図２の補正条件入力装置３５から入力される数値条件は、任意の値に適宜変更できることは言うまでもない。

[第２の実施の形態]
表２は本発明の第２の実施の形態を示し、ストローク調整時期およびストローク調整幅ともに表１と比べて１／１０にして、いわゆるよりきめ細かな制御を行うようにしたものである。

すなわち、表２では、スライドテーブル３の往復動ストロークの回数で１００回ごとに、そのストロークを０．２ｍｍ（片側０．１ｍｍ）ずつ段階的に短縮し、同時に反転時間を１ｍｓずつ段階的に増加させるよにしたものである。この結果、本試験での規定の往復動ストロークの回数（摩擦子２４と試験片Ｓとの相対摺動往復回数）を上記と同様に例えば２００００回とした場合、試験末期に至ってその回数が１９９００回を超えた段階では、表２に示すように、当初は１００ｍｍであったストロークが６０．２ｍｍまで短縮され、同時に当初は５０ｍｓであった反転時間が２０９ｍｓまで増加することになる。

[第３の実施の形態]
図７〜９および表３は本発明の第３の実施の形態を示し、図７において図２と共通する部分には同一符号を付してある。

この第３の実施の形態では、試験片Ｓの摩耗量を実測してその変化を監視し、その実測値に応じてストロークや反転時間を可変制御するようにしたものである。

すなわち、表３から明らかなように、試験片Ｓの摺動面におけるストローク方向中央部が摩耗深さ（摩耗量）設定値である１００μｍ摩耗する毎に、ストロークを１０．０ｍｍ（片側５．０ｍｍ）ずつ短縮するとともに、反転時間を４０ｍｓずつ増加させるようにしたものである。したがって、上記摩耗深さ設定値、ストローク調整幅および反転時間調整量を入力するための図７の補正条件入力装置３５の機能は図２のものと同様である。

図８において、測定ヘッド部１７におけるロードセル２５の外側には、摩擦子２５に近接して光学式等の非接触式の変位センサ（測距センサ）３６を下向きに装着してある。この変位センサ３６は試験中であるか否かにかかわらずスライドテーブル３の上面までの距離、ここではサンプルホルダ２の上面までの距離を摩擦子２４の高さ位置として連続的に検出可能となっていて、その検出出力は図７の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７に取り込まれる。つまり、試験片Ｓにおける摺動面の摩耗に伴ってその摺動面に当接している摩擦子２４が高さ位置が変化するので、摩擦子２４の高さ変位は上記摩耗深さ（摩耗量）の実測値にほかならず、上記摩擦子２４の高さ変位が上記摩耗深さの実測値として摩耗深さ演算部３７に取り込まれることになる。

図７の摩耗深さ演算部３７には、変位センサ３６の検出出力のほかモータ４側の位置検出器２８の回転位置情報が取り込まれるようになっていて、これらの情報に基づいて、図３に示したように試験片Ｓにおけるストローク全域の摺動面の摩耗深さＭが算出される。

本実施の形態では、図８に示すように、試験開始前に、スライドテーブル３が往復動ストロークの中間位置にある状態で、サンプルホルダ２の上面までの距離を初期高さＨ１として検出し、この値を図７の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７に記憶・保持しておく。

その一方、試験中において、スライドテーブル３の往復移動に伴い試験片Ｓと摩擦子２４とが相対摺動している過程では、スライドテーブル３が往復動ストロークの全域において、図９に示すようにサンプルホルダ２の上面までの距離を試験中高さＨ２としてリアルタイムで検出して、図７の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７側に取り込む。この試験中高さＨ２のデータは例えば図３に示すような摩耗した摺動面の波形に相当する時系列のデータであり、例えば往動および復動のその都度または一往復毎にそれらのデータのうちストローク方向中央部のデータを抽出した上で先の初期高さＨ１と比較して両者の差分を摩耗深さ実測値Ｍとして算出し、そのままストローク短縮範囲演算部３３に対して出力する。

また、ストローク短縮範囲演算部３３では、先に補正条件入力装置３５から入力されている摩耗深さ設定値（１００μｍ）が予め記憶・設定されているので、上記摩耗深さ実測値Ｍが摩耗深さ設定値と一致したか否かを常時監視している。摩耗深さ実測値Ｍが摩耗深さ設定値と一致すると、同じく上記のように予め設定されているストローク調整幅をもってストローク補正条件を演算し、その補正データをもって既存のストローク指令を補正するべく、メイン制御部３２に対して補正フィードバック指令として出力することになる。なお、上記反転時補正についても同様である。

その結果として、表３にも示すように、試験片Ｓの摺動面における中央部が１００μｍ摩耗する毎に、ストロークを１０．０ｍｍ（片側５．０ｍｍ）ずつ短縮するとともに、反転時間を４０ｍｓずつ増加させることになる。すなわち、表３に示すように、当初は１００ｍｍであったストロークが、摩耗量が４００μｍに達するようになる段階では、６０ｍｍまで短縮され、同時に当初は５０ｍｓであった反転時間が２１０ｍｓまで増加することになる。

この第３の実施の形態においても、先の第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

[第４の実施の形態]
表４は本発明の第４の実施の形態を示し、摩耗深さ設定値およびストローク調整幅ともに表３と比べて１／１０にして、いわゆるよりきめ細かな制御を行うようにしたものである。

表４では、試験片Ｓの摺動面における中央部が１０μｍ摩耗する毎に、ストロークを１．０ｍｍ（片側０．５ｍｍ）ずつ短縮するとともに、反転時間を４ｍｓずつ増加させている。すなわち、表４に示すように、当初は１００ｍｍであったストロークが、摩耗量が４９０μｍに達するようになる段階では、５１ｍｍまで短縮され、同時に当初は５０ｍｓであった反転時間が２４６ｍｓまで増加することになる。

[第５の実施の形態]
図１０および表５は本発明の第５の実施の形態を示すものである。なお、図１０において図７と共通する部分には同一符号を付してある。

この第５の実施の形態では、試験片Ｓにおける摺動面の中央部の摩耗深さＭ（図３，９参照）が例えば１００μｍ（この値を、摩耗深さ設定値とする。）に到達した場合に、図３に示すようなストロークの始終両端部の徐変部分Ｑであって且つ摩耗深さが例えば５０μｍ（この値を、除外する範囲の深さ基準値とする。）以下となる領域を往復動ストロークから除外するようにしたものである。それ以降は、試験片Ｓにおける摺動面の中央部が例えば５０μｍ（この値も、摩耗深さ設定値とする。）摩耗する毎に、上記除外する範囲の摩耗深さ基準値を５０μｍずつ増大させるものとする。こうすることにより、実往復動ストローク内における摺動面の高低差は５０μｍ以下の範囲に抑えることが可能となる。

なお、この実施の形態では、試験片Ｓにおける摺動面の摺動方向中央部に対する摺動方向両端部の高低差が所定の値となったときにストロークを短縮することにほかならず、上記摩耗深さ設定値や除外する範囲の摩耗深さ基準値は予め定めてある管理限界値として機能する。

図１０において、制御コントローラ３０に付帯する補正条件入力装置３５からはストローク短縮範囲演算部３３に対して、上記の摩耗深さ設定値と除外する範囲の深さ基準値のほか、ストローク調整幅および反転時間調整量がそれぞれ入力されて設定・記憶される。なお、表５から明らかなように、摩耗深さの増大とともに、除外する範囲の深さ基準値およびストローク調整幅ともに、段階的に徐変させるようにしてある。

また、制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７には、先の実施の形態と同様に、変位センサ３６の検出出力のほかモータ４側の位置検出器２８の回転位置情報が取り込まれるようになっていて、これらの情報に基づいて、図３に示したように試験片Ｓにおけるストローク全域の摺動面の摩耗深さＭが算出される。

本実施の形態においても、図８に示すように、試験開始前に、スライドテーブル３が往復動ストロークの中間位置にある状態で、サンプルホルダ２の上面までの距離を初期高さＨ１として検出し、この値を図１０の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７に記憶・保持しておく。

その一方、試験中において、スライドテーブル３の往復移動に伴い試験片Ｓと摩擦子２４とが相対摺動している過程では、スライドテーブル３の往復動ストロークの全域において、図９に示すようにサンプルホルダ２の上面までの距離を試験中高さＨ２としてリアルタイムで検出して、図１０の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７側に取り込む。この試験中高さＨ２のデータは例えば図３に示すような摩耗した摺動面の波形に相当するストローク方向の時系列のデータであり、例えば往動および復動のその都度または一往復毎に、先の初期高さＨ１と比較して両者の差分を摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データを生成し、そのままストローク短縮範囲演算部３３に対して出力する。

また、ストローク短縮範囲演算部３３では、先に補正条件入力装置３５から入力されている摩耗深さ設定値（１００μｍ）等が予め記憶・設定されているので、上記のように摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データが入力されるとそれらのデータのうちからストローク方向の中央部のデータを抽出した上で、摩耗深さ設定値と一致したか否かを常時監視している。ここで、ストローク方向の中央部のデータとは、試験片Ｓにおける摺動面のストローク方向中央部の摩耗深さＭにほかならない。

この試験片Ｓにおける摺動面のストローク方向中央部の摩耗深さＭが摩耗深さ設定値と一致したならば、同じく摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データのうちストローク方向の始終両端部において、先に述べたような除外する範囲の深さ基準値（上記の例では５０μｍ）以下の範囲を特定して、ストロークの始終両端部において当該ストロークから除外する（短縮する）範囲を特定する。そして、そのストローク除外範囲に基づくストローク補正条件を演算し、その補正データをもって既存のストローク指令を補正するべく、メイン制御部３２に対して補正フィードバック指令として出力することになる。なお、上記反転時補正についても同様である。

その結果として、メイン制御部３２からモータ４に対して出力されるテーブルの往復動ストロークに関する駆動指令が更新され、表５にも示すように、試験片Ｓの摺動面における中央部の摩耗深さＭが摩耗深さ設定値である１００μｍに到達した場合に、図３に示すようなストロークの始終両端部の徐変部分Ｑであって且つ除外する範囲の深さ基準値であるところの５０μｍ以下となる領域が往復動ストロークから除外され、同時に反転時間が４０ｍｓだけ増加することになる。そして、以降は、試験片Ｓにおける摺動面の中央部が例えば５０μｍ摩耗する毎に、上記のような除外する範囲の摩耗深さ基準値も５０μｍずつ増加することになる。

表５では、当初は１００ｍｍであったストロークが、摩耗量が４５０μｍに達するようになる段階では５４ｍｍまで短縮され、同時に当初は５０ｍｓであった反転時間が２３４ｍｓまで増加することになる。

ここで、上記表５の条件よりもさらに決め細かく制御することももちろん可能であり、この場合には図１０の補正条件入力装置３５から入力される各種数値条件を適宜変更すれば良い。

例えば、試験片Ｓにおける摺動面の中央部の摩耗深さＭが例えば２０μｍに到達した場合に、図３に示すようなストロークの始終両端部の徐変部分Ｑであって且つ摩耗深さＭが例えば１０μｍ以下となる領域を往復動ストロークから除外するようにする。それ以降は、試験片Ｓにおける摺動面の中央部が例えば１０μｍ摩耗する毎に、上記のような除外する範囲の摩耗深さ基準値を１０μｍずつ増大させるものとする。こうすることにより、表５よりも一段ときめ細かく制御することができ、実往復動ストローク内における摺動面の高低差は１０μｍ以下の範囲に抑えることが可能となる。

[第６の実施の形態]
図１１は本発明の第６の実施の形態を示す図で、先の図１０と共通する部分には同一符号を付してある。この第６の実施の形態では、図１１におけるストローク短縮範囲演算部３３の処理方式を図１０のものとは異ならせて、後述するように摩耗深さの平均変化率を採用して、ストロークを段階的に短縮するようにしたものである。

最初に、経験的にまたは事前のトライアル等により獲得したデータに基づいて摩耗深さの平均変化率設定値を決定し、図１１の補正条件入力装置３５から摩耗深さの平均変化率設定値として例えば０．０１という数値を入力して、ストローク調整幅および反転時間調整量とともにストローク短縮範囲演算部３３に予め記憶・設定しておく。その上で、スライドテーブル３の往復動ストロークである初期ストロークを先のいくつかの実施の形態と同様に例えば１００ｍｍに設定しておく。

試験中において、スライドテーブル３の往復移動に伴い試験片Ｓと摩擦子２４とが相対摺動している過程では、スライドテーブル３の往復動ストロークの全域において、サンプルホルダ２の上面までの距離を試験中高さＨ２としてリアルタイムで検出して図１１の制御コントローラ３０の摩耗深さ演算部３７側に取り込む。この試験中高さＨ２のデータは例えば図３に示すような摩耗した摺動面の波形に相当するストローク方向の時系列のデータであり、例えば往動および復動のその都度または一往復毎に、先の初期高さＨ１と比較して両者の差分を摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データを生成し、そのままストローク短縮範囲演算部３３に対して出力する。なお、ここまでの処理は先の第５の実施の形態と同様である。

図１１の制御コントローラ３０におけるストローク短縮範囲演算部３３では、ストローク全域（ストローク長１００ｍｍ分）の摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データを５．０ｍｍピッチの複数の区間に細分割し、それぞれの区間内での摩耗深さの差（摩耗深さの最大値と最小値との差で、その区間での高低差とも言うべきもの）を算出した上で、各区間の平均変化率を算出する。例えば、ピッチが５．０ｍｍの特定の区間の摩擦深さの差が１００μｍであった場合には、その区間の平均変化率として０．１０ｍｍ／５．０ｍｍ＝０．０２を算出する。その上で、算出した平均変化率と予め設定してある平均変化率設定値とを比較する。

例えば、スライドテーブル３の往復回数が４０００回前後の時点で、上記のようにストロークの始終両端部のうちいずれか一方の最も端に位置する区間の平均変化率が平均変化率設定値を超えた場合に、ストロークの始終両端部の最も端に位置するピッチ５．０ｍｍの区間を除外するべく、メイン制御部３２に付与すべきストロークの補正データを作成するものとする。そして、その補正データをメイン制御部３２に対して補正フィードバック指令として出力することになる。その結果として、スライドテーブル３のストロークとして初期ストロークが１００ｍｍであったものを、片側５．０ｍｍずつ合計で１０．０ｍｍ短縮して、ストロークを９０ｍｍに更新したことになる。

以降も同様の処理を行い、先に述べたようにストローク全域の摩耗深さ実測値Ｍの時系列の波形データを５．０ｍｍピッチの複数の区間に細分割し、それぞれの区間内での摩耗深さの平均変化率を算出した上で平均変化率設定値と比較し、ストロークの始端または終端における摩耗深さの平均変化率が平均変化率設定値を超えた場合には、その都度ストロークを片側５．０ｍｍずつ合計で１０．０ｍｍ短縮して、ストロークを摩耗進行に併せて段階的に短くするものとする。

ここで、ストロークの始端または終端における摩耗深さの平均変化率が平均変化率設定値を超えた場合には、その都度ストロークの片側だけでなく両側のストロークを短縮しているのは、先にも述べたように、スライドテーブル３の往復動ストロークを二分するストロークセンタ位置は不変とし、そのストロークセンタ位置から往復動ストロークの始終両端までの距離が共に等しくなるようにするためである。

したがって、そのストロークセンタ位置から往復動ストロークの始終両端までの距離が共に等しいことが条件とされない場合には、ストロークの始端または終端における摩耗深さの平均変化率が平均変化率設定値を超えた場合に、その平均変化率が平均変化率設定値を超えた片側についてのみストロークを短縮することももちろん可能である。

本発明に係る摩擦試験装置の第１の実施の形態を示す構成説明図。 図１に示したスライドテーブル駆動系のブロック回路図。 図１における試験片の摩耗進行状態を示す説明図。 図１の摩擦試験装置の挙動を誇張して示す説明図。 図４の要部拡大図。 図５の構造に対して好ましくない比較例を示す要部構成説明図。 本発明に係る摩擦試験装置の第３の実施の形態を示す図で、スライドテーブル駆動系のブロック回路図。 （Ａ）は摩擦子と試験片との相互関係を示す要部拡大説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の側面説明図。 （Ａ）は図８の（Ａ）の状態から摩耗が進行した状態を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の側面説明図。 本発明に係る摩擦試験装置の第５の実施の形態を示す図で、スライドテーブル駆動系のブロック回路図。 本発明に係る摩擦試験装置の第５の実施の形態を示す図で、スライドテーブル駆動系のブロック回路図。

符号の説明

３…スライドテーブル（テーブル）
４…サーボモータ
５…ボールねじ
１０…スライドテーブル駆動装置
１１…負荷機構
１２…ポスト（支持体）
１３…ピン（支点）
１４，１５…バランスアーム
１７…測定ヘッド部
２２…カウンタウエイト
２４…摩擦子
２５…ロードセル（歪み計）
２８…位置検出器
２９…サーボコントローラ
３０…制御コントローラ
３２…メイン制御部
３３…ストローク短縮範囲演算部
３４…初期条件入力装置
３５…補正条件入力装置
３６…変位センサ（摩耗量検出手段）
Ｇ…重心
Ｓ…試験片

Claims (7)

1. 水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて試験を行う摩擦試験装置であって、
   上記テーブルの往復移動に基づく試験片と摩擦子との相対摺動回数の増加に併せてテーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることを特徴とする摩擦試験装置。
2. 水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて試験を行う摩擦試験装置であって、
   上記試験片と摩擦子との相対摺動に伴う試験片の摩耗量を検出する摩耗量検出手段を備えていて、
   その摩耗量検出手段による実測値の増大に併せてテーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることを特徴とする摩擦試験装置。
3. 上記試験片の摺動面についてその摺動方向の摩耗深さを連続的に計測し、
   摺動面の摺動方向中央部に対する摺動方向両端部の高低差が予め定めてある管理限界値となったときに、その管理限界値となった摺動方向両端部の少なくとも一部を除外するように、テーブルの往復動ストロークが次第に小さくなるように設定してあることを特徴とする請求項２に記載の摩擦試験装置。
4. 上記テーブルの往復動ストロークを二分するストロークセンタ位置は不変であって、
   そのストロークセンタ位置から往復動ストロークの両端までの距離が段階的に小さくなるように設定してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摩擦試験装置。
5. 上記テーブルに載せた試験片に対して摩擦子を負荷機構による負荷条件にて垂直に当接させるようになっていて、
   上記負荷機構は、
   上記テーブルの上方においてその長手方向を当該テーブルの移動方向に一致させて配置した少なくとも上下二本のバランスアームと、
   上記摩擦子のほかその摩擦子に加わる力を検出する歪み計を有して、バランスアームの一端に連結された測定ヘッド部と、
   上記バランスアームを揺動可能に支持していて、そのバランスアームおよび測定ヘッド部とともに四節平行リンク機構を形成している支持体と、
   上記下側のバランスアームのうち支点をはさんで測定ヘッド部とは反対側の端部に固定されたカウンタウエイトと、
   を備えていて、
   上記カウンタウエイトは、その軸線が下側のバランスアームの長手方向に対して直角となり、且つそれ自体の重心が下側のバランスアームよりも下側となるように取り付けてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摩擦試験装置。
6. 水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて摩擦試験を行う方法であって、
   上記テーブルの往復移動に基づく試験片と摩擦子との相対摺動回数の増加に併せてテーブルの往復動ストロークを次第に小さくすることを特徴とする摩擦試験方法。
7. 水平なテーブルに載せた試験片に対して摩擦子を予め設定した負荷条件にて当接させ、その状態でテーブルを予め設定したストロークのもとで水平方向に往復移動させて摩擦試験を行う方法であって、
   試験中における試験片と摩擦子との相対摺動に伴う試験片の摩耗量を検出し、
   その摩耗量の実測値の増大に併せてテーブルの往復動ストロークを次第に小さくすることを特徴とする摩擦試験方法。

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