JP2010256195A - 摩擦摩耗試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の摩擦力測定が可能な摩擦摩耗試験機を提供する。
【解決手段】回転するディスクに球またはブロック，チップ等を押し付けて摩擦する摩擦摩耗試験機において、試料とするディスクと連結したシャフトと、連結シャフトに対して回転しながらディスクとは一定の距離を保つアームを備え、アームには連結シャフトの回転軸に平行な方向に動く試験片ホルダを装着し、アームの回転力を摩擦力として測定する。軽荷重から高荷重までの広範囲な摩擦係数を精度良く測定することができる摩擦磨耗試験機を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試験片と、円盤，平板などとを摺動させたときに発生する摩擦力を測定し、また試験片の磨耗を評価する摩擦磨耗試験機に関する。

２つ以上の材料を接触させ摺動，摩擦する際の摩擦力や摩耗の評価に用いる装置として、（１）リング形状の部材同士を回転接触させる方式、（２）回転する平板あるいは円盤に、試験片（小さなボール，ピン，ブロック（チップ）など）を接触摩擦させる方式、（３）往復する平板に試験片を接触摩擦させる方式、などがある。

円盤に試験片を接触摩擦させる方式（２）では、接触部に負荷となる荷重をかける必要があり、天秤や錘を利用して静的な一定荷重を与える方法や、バネ力を利用する方法、空気圧や油圧シリンダを用いて外部から荷重を制御して加える方法などがある。

さらに、摩擦力を測定する際には、円盤との摩擦で試験片に加わるトルクを測定する。トルク検出方法としては、試験片を固定するホルダやアームの歪みを直接測定する方法や、自由に移動する試験片ホルダやアームの動きをばね秤や圧力センサ，天秤などの力センサに伝えて検出する方法などがある。

図３（ａ）は円盤と試験片を接触させる方式であり、固定するアームの歪みを直接測定することで摩擦力を測定する装置を示す図である。試験片２０１はアーム２０４に固定された試験片ホルダ２０３に固定され、アーム２０４は上部支柱２０７と上下ヒンジ２０６で上下するように接続されている。試験片ホルダ２０３に錘を載せることで加圧力２１１を得ることができる。ディスク（円盤）２０２の回転によって試験片２０１に加わる摩擦力が試験片ホルダ２０３を介してアーム２０４に伝わりアーム２０４が変形する際の変位を歪みゲージを利用したトルクセンサで検出し、トルク力に換算する。図３（ａ）の方式では、加圧力を小さくすることができるが、円盤の回転軸と摩擦力によるアームの変位方向が一致せず、摩擦力の方向と摺動痕が変化する。

図３（ｂ）は、図３（ａ）と同様の方式であるが、試験片２０１は、ディスク２０２の回転軸と一致する回転軸を持つ同軸シャフト２０５にアーム２０４を介して取り付けられ、回転するディスク２０２に押し付けられる。加圧力２１１は、同軸シャフト２０５に錘やバネ、空気圧や油圧により加えられる。同軸シャフト２０５は上部支柱２０７とは自由に動き、上下／回転が可能である。このような装置構成により、摩擦力による試験片２０１の動きを摺動痕の円と合致させるように調整することができる。同軸シャフト２０５に伝わる回転力をトルクセンサ２０８で検出し、摩擦力を測定する。

図３（ｂ）の加圧力２１１を加える機構を同軸シャフト２０５とアーム２０４に一体化したものが図３（ｃ）の方式である。特開２００１−１０８６０８号公報（特許文献１）にはこの方式が記載されており、同軸シャフト２０５を、上部支柱に対して回転のみ可能であって、上下に移動しないように取り付けている。加圧機構２０９には油圧が用いられ、試験片ホルダはアーム２０４に対し自由に上下可能である。また、さらに特許文献１では、図３（ｂ）のアームをドラム状に変更し、測定精度を高めている。該ドラムはディスクの回転軸と軸方向に自在に摺動可能で、かつ回転可能に系合している。ドラムには、外部から油圧により荷重を負荷している。

特開２００１−１０８６０８号公報

図３（ａ）の方式では、ディスク２０２の回転により試験片２０１が接触する円軌道と、摩擦力によりアーム２０４が変形して試験片２０１が移動する軌跡が合致していない。すなわち試験片２０１が移動する軌跡は円弧状であり、かつその中心はディスク２０２の外周より外側になる。接触円軌道と試験片の移動する軌跡のずれは、摩擦力に軌道変化分の力を加えてアームに伝えることになり、摩擦力の測定に誤差が生じる。

図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、試験片がディスクの回転軸と同じ中止を通る円周に沿って移動するように工夫した場合はこの誤差を軽減することができる。しかしながら、ディスク２０２の回転中心と試験片２０１の回転中心を合わせるための同軸シャフト２０５の中心を正確に合わせる必要がある。また、高荷重の試験においては、摩擦力も増大し、上部支柱２０７および同軸シャフト２０５，アーム２０４の強度が不足すると軸心がずれ摩擦力の測定制度が低下する。従って、上部支柱２０７および同軸シャフト２０５，アーム２０４の強度，加工や組立精度を向上させなければならない。さらに、ドラム状の機構を設けたとしても、構造物の構成要素が多くなり軽荷重の試験を行うには限界がある。

本発明の目的は、小さな押し付け荷重から大きな押し付け荷重までの広範囲の摩擦力を高精度に測定する方法を提供することにある。

本発明の摩擦摩耗試験装置は、回転するディスク（円盤または平板）と、回転するディスクに締結されたシャフトと、シャフトに対して自由に回転し軸方向に移動しないように制限して取り付けたアームと、回転軸とは異なる部位で該アームに取り付けられ、アームの回転軸と平行な方向に自在に摺動する試験片ホルダと、アームの運動と同期して取り付けられており、荷重が加えられる加圧機構と、アームの回転力を制限する反力を外部から計測する摩擦力測定装置と、を有する摩擦磨耗試験機にある。試験片の形状は、球，ブロック，チップ，ピン等の種々の形状を採用することができる。

回転するディスクに締結されたシャフトに、試験片を取り付けたアームが回転可能に取り付けられることにより、接触円軌道と摩擦力による試験片の移動する軌跡にズレが生じない。さらに、アームはシャフトの軸方向に移動せずアームの重さをシャフトが支え、試験片や試験片ホルダがアームの回転軸と平行な方向に自在に摺動することにより試験片に余分な荷重がかからない。

加圧機構はアーム上に設置する。アームを介してシャフトが加圧機構の重さを負担するため、試験片に余分な荷重が加わることがなく、試験片に加わる下限の押し付け力を小さくすることができる。

摩擦力の測定は、シャフトに対して自由に回転するアームの回転を止める力を外部から加えることにより直接測定できる。摩擦力測定装置はトルクセンサなど種々の機器を使用できる。軽荷重における小さな摩擦力を測定する場合は、試験片よりも外周までアームを長くし、テコの原理を用いることで精度が向上する。

試験片の移動する軌道、すなわち摺動半径が、シャフトとアームの摩擦力発生部の半径よりも大きいため、シャフトとアームの回転摩擦は試験片とディスクの摩擦力に影響しにくい。

本発明によれば、軽荷重から高荷重までの広範囲な摩擦係数を精度良く測定することができる摩擦磨耗試験機を提供できる。

本発明の摩擦摩耗試験機を模式的に示す斜視図である。 本発明による実施例１の摩擦摩耗試験機の断面図である。 従来の摩擦摩耗試験機の斜視図である。 本発明による摩擦摩耗試験機の試験片取付部の一例である。 本発明による実施例３で用いた摩擦力測定装置の斜視図である。

上述のとおり、本発明は摩擦摩耗試験機であって、回転するディスクに球またはブロック，チップ等を押し付けて摩擦させたとき、ディスクと、連結したシャフトと、連結シャフトに対して回転しながらディスクとは一定の距離を保つアームを備え、アームには連結シャフトの回転軸に平行な方向に動く試験片ホルダを装着し、試料とディスクとの摺動により生ずるアームの回転力を摩擦力として測定するものである。以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に関わる摩擦摩耗試験機の一例を示す斜視図である。架台１０を水平とし、架台に垂直な回転軸で回転するディスク２と、連結シャフト５とは連結されている。ディスクとシャフトは一体で形成してもよいが、ネジまたは接着などによって固定されていてもよい。シャフト５にはアーム４が連結されており、アーム４はボールベアリングや樹脂軸受などの低摩擦軸受を介してシャフト５の周りを自由に回転することができる。アーム４とディスク２の距離が変化しないように、アーム４のシャフト５貫通部の上下にはストッパーを設けている。試験片ホルダ３は、アーム４のシャフト穴からディスクを摩擦摺動させたい半径分離れた部分に、アーム４とはシャフト５の回転軸と平行な方向に自由に動くような直動軸受や低摩擦材などを介して取り付けられる。

試験片１は、試験内容に応じて球またはブロック，ピンなど、所望の形状を採用可能である。試験片１は試験片ホルダにネジなどの治具を介して取り付けることができる。試験片をディスクに押し付ける力は、加圧力１１，試験片１および試験片ホルダ３の自重を加算したものである。

加圧力１１は、錘によって加えられる。また、他の加圧方法として、錘またはバネの締め付け力、あるいは摩擦中に加圧力を任意に変化させるためにバネの締め付け力をモータ駆動で調節する機構やピエゾアクチュエータ，空気圧や油圧シリンダなどの加圧機構を用いることができる。ただし、加圧機構の制御ケーブル，空気圧または油圧のラインは、アーム４の回転を妨げないように充分な自由度を持ち、かつ最小限の力で滑らかに動くように設置しなければならない。

試験片をディスクに押し付ける力を最小限にしたい場合は、試験片ホルダ３にアルミ合金や樹脂などの軽量材を用いる。さらに、試験片１や試験片ホルダ３の自重が加わらないように、天秤やバランスウェイトをアーム上に配置し軽減することが有効である。天秤を用いる場合の支点部はアーム上に装着し、天秤の上下動がシャフト５の回転軸と同一平面内とすると、前述の直動軸受は必須ではない。

試験片１とディスクの摩擦力により、試験片ホルダ３を介してアーム４に伝わるトルクは、トルクセンサ８で検知する。トルクセンサ８は、アーム４の回転を止めるようにアームの回転方向に設置した。ディスク２の回転中心から試験片１までの距離と、該回転中心からトルクセンサの連結される点までの距離の比で、トルクセンサの表示値を換算することにより摩擦力を算出できる。

トルクセンサ８としては、バネ秤、圧縮力測定用のロードセル、横方向の力を測定するように改造した天秤，バランサーなどを用いることができる。また、アーム４の回転を引き戻して止めるように、アーム４にリンク機構（ワイヤーや糸，棒など）を取り付けて、バネ秤や引っ張り力測定用のロードセルなどを設置し、トルクセンサとしても良い。なお、アーム４と試験片ホルダ３の遊びが大きい場合は、試験片１にトルクセンサを連結させて摩擦力を測定してもよい。

アーム４の回転を安定させるため、棒状のほか円盤状にすることもできる。一方、アーム４の回転慣性力が大きいと摩擦力の微小な変化が検出しにくい。よって、アルミ合金や高強度樹脂でアーム４を構成し、アーム４の自重を軽くすることが好ましい。また、アーム４を棒状，トラス状としたり、肉盗み構造などを利用して軽量化することが可能である。

上記の摩擦磨耗試験機では、高精度で摩擦力を測定することが可能である。さらに、従来の方式よりも部品数が少なく簡便な機構により小型化できる。また、軽荷重時の回転摩擦の摩擦力を高精度に測定することができる。操作も容易であることから、摩擦材料の要素評価だけでなく、摩擦摩耗の現象を理解するための教材としても有効である。以下、実施例を用いてさらに詳細を説明する。

図２に、実際に製作した本実施例の摩擦摩耗試験機の断面図を示す。

ディスク２は、中央に穴を開けた直系２００mmのステンレス円盤である。ディスク２は、ディスクを取り付けるためのフランジを持つ連結シャフト５にネジで締結されている。連結シャフト５は、架台１０にシャフト回転軸受１９により回転可能に取り付けられており、落下防止のスペーサー１９を挿入してある。連結シャフト５の下部には調芯カプラ２０を介して駆動用の回転モータ軸２１に取り付けられている。

試験片１は直径６mmの鋼球で、丸棒状の試験片ホルダ３に試験片取付キャップ１５により取り付ける。試験片取付キャップ１５は内側にネジ山があり、先端は試験片１の鋼球の径より小さい穴を開け、丸棒状の試験片ホルダ３にボールを固定できるようにした。試験片ホルダ３は予め、直動軸受１４を挿入したアーム４に挿入しておいた。試験片１および試験片ホルダ３を挿入したアーム４は、連結シャフト５の上部にアーム回転軸受１６を介して挿入した。アーム４がディスク２に接触しないようにアーム落下止めリング１７をアーム４とディスク２の間に挿入し、連結シャフト５にアーム落下止めリング１７を側面からのネジで固定した。

試験片ホルダ３の試験片１の反対側には、錘落下止めリング１３を挿入固定し、リング状の錘１２を乗せることで試験片１の押し付け力とした。なお、試験片１および試験片ホルダ３，試験片取付キャップ１５，錘落下止めリング１３を合わせた自重は３００ｇに調整した。

ディスク２を回転させ、試験片取付キャップ１５の先端から突出した鋼球（試験片１）はディスク２と接触摺動する。試験片１は連結シャフト５の軸心から８０mmのディスク２の円周上で摺動させた。ディスク２の回転速度は毎分６０回転であり、約０.５ｍ／ｓである。摩擦力はアーム４の回転軸から８０mmのアーム側面に最大測定力５Ｎのデジタルフォースゲージを水平に当てて摩擦によるアームの回転力を測定した。

錘を乗せない最低荷重３００ｇの場合、ディスクが乾燥した状態で大気中において摩擦力を測定し、摩擦係数に換算した結果、摩擦係数は０.８４であった。試験片１およびディスク２を新しいものに交換し、食用のサラダオイルを滴下して、同様に最低荷重と毎分６０回転で摩擦係数を測定した。サラダオイルを使用した場合の摩擦係数は約０.００３であり、大気中乾燥状態に比べて２桁小さくなった。さらに、試験片１の鋼球を新しいものに交換し、ディスク２をステンレス上に硬質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボンまたはＤＬＣ）を厚さ約１μｍ形成したものに交換して大気中乾燥条件で摩擦係数を測定した結果、摩擦係数は０.０８５であり、硬質炭素膜は無潤滑状態で摩擦を軽減できることがわかった。

上記のように、本実施例の摩擦摩耗試験機は広範囲な摩擦力を測定できた。

実施例２では、試験片１をブロックに変えて、ディスクとの面接触による摩擦力を測定する例を示す。摩擦摩耗試験機の基本的な構成は実施例１と同様である。図４は、ブロックを均等に面接触させるための試験片取付部を示す。丸棒状の試験片ホルダ３の先端を滑らかな球面に加工し、ブロック試験片１の背面に試験片ホルダ挿入穴を設けて挿入した。荷重はブロックに点で加えられるため、片当りせず均一にブロックがディスクに接触する。ブロックはアルミ合金で作成した。ディスク２は、表面粗さ（Ｒａ）が１０μｍのステンレス材とした。摩擦条件は大気中で、表面が乾燥した無潤滑状態、荷重は試験片ホルダ３と試験片１の自重のみの１３５ｇとした。

ディスク２の回転数を変化させて摩擦係数の測定を実施した。ディスク２の回転数が毎分３５回転までの摩擦係数は約０.６であった。さらに回転数を高くすると摩擦係数が小さくなり、毎分５０回転以上では摩擦係数が０.００１以下になった。毎分５０回転以上では、アーム４は軽く手で押すだけで自由に回転した。この状態はディスクと試験片面の間に空気による潤滑層流れが形成されたためであると推察される。

空気潤滑はハードディスクの記録面とヘッドなどの高速で微小な荷重の接触条件で知られている。しかし従来の摩擦摩耗試験機では軽荷重の磨耗試験は困難であり、毎分６０回転（摺動速度０.５ｍ／ｓ程度）で空気潤滑状態が確認された報告例はない。

このことからも、本発明の摩擦摩耗試験機が軽荷重において小さな摩擦係数を測定するために有効であることがわかった。

本実施例は、実施例２と同様にブロックを用いるとともに、錘を用いた大荷重条件下で、ディスクと面で接触する試験片の摩擦を観察した。実施例１記載の装置に、実施例２記載の図４の試験片ホルダとブロック試験片を装着した。試験片ホルダに錘落下止めリング１３を装着した。ディスク２は、表面を耐水エメリーペーパー＃４００で研磨したステンレス製とした。試験片の押し付け荷重は５００ｇになるように錘で調節した。

大気中において表面が乾燥した無潤滑状態での摩擦と、ディスク２の表面に水を滴下して、ディスクを濡らした状態での摩擦を比較した。無潤滑状態での摩擦係数は約０.８であった。水を滴下した場合は、回転数が毎分４０回転以上で０.００１以下になった。水を用いてもディスクとブロック試験片の間には水の潤滑膜が形成され流体潤滑になることを確認した。

上記の結果より、この実験での摩擦力は、乾燥状態で４００ｇ、水潤滑状態では０.５ｇ以下と約１０００倍の変化があることがわかった。

水潤滑で水の滴下を止め、ディスク表面の水分が蒸発乾燥して少なくなってくると、摩擦係数は１を超え、さらに摩擦力が大きくなりモータの回転力を上回ってディスクの回転が停止した。水潤滑では、ディスクの回転速度の変化により、摩擦力が急峻に大きく変化することを確認した。以上のように、本実施例の摩擦摩耗試験機は潤滑状態の変化を感度良く検出し観察することができる。

一般的なバネ秤では、秤の最大荷重が大きい秤は小さな荷重の感度が悪い。本実施例では、摩擦係数を測定する装置の例を説明する。図５に天秤の原理を応用した摩擦力測定装置の斜視図を示す。この摩擦力測定装置はトルクセンサであり、アームの側面に接触させ広範囲な摩擦力の変化を簡便に観察することができる。

このセンサは、基台１０１に貫通して取り付けられた３箇所の屈曲部を持つ指示棒１０３と、基台１０１に接合される支持板１０２を貫通して片端を丸めた作用棒１０４が作用点１０５で自由に動くように組み合わされた構造になっている。指示棒１０３は下方に感度調整用の錘１０６が取り付けられ錘の高さを調整することができ、基台１０１の貫通部では自由に回転することができる。作用棒１０４は支持板１０２の貫通穴を左右に滑るように取り付ける。作用棒の左端に力１１０が加わることで作用棒１０４は右側に移動し、指示棒１０３の上部を作用点１０５で押し出して指示棒１０３を回転させ、図５に破線で示すように作用点に力が働いた時の錘の移動位置の例１１１まで変化する。指示棒１０３の回転角度は作用点１０５に加わる力、すなわち力１１０と指示棒１０３および錘１０６によって構成される重心に働く重力のバランスで一義的に決まる。力１１０が小さい時は、指示棒１０３の回転角度の変化が大きく、力１１０が大きくなるほど指示棒１０３の回転角度の変化は小さくなる。

図５に示す摩擦力測定装置の作用棒１０４の先端をアームの任意の側面に接触させ、実施例３と同様にアームに働くトルク、すなわち摩擦力を測定した。摩擦力測定装置の指示棒１０３に取り付けた錘１０６は、力１１０が摩擦係数１相当の時に垂直より６０度上昇する位置に調節した。

水による潤滑膜が充分に形成されている時、指示棒の動きは不安定であり、垂直から数度上昇する程度で、摩擦力が小さいことを目視で観察できた。また、水による潤滑が不十分となった場合や、ディスクの表面が乾燥した状態では指示棒が大きく回転上昇し、摩擦力が大きいことが目視で観察できた。

本実施例では、潤滑膜の存在を確認するための装置構成について説明する。実施例３の装置で、アーム４と試験片ホルダ３の間に挿入している直動軸受１４の周囲に、さらに絶縁性のスリーブを挿入して試験片１をディスク２と電気的に絶縁した。また、ディスク２と試験片１に電極を取り付け、電極間に抵抗計を取り付けた。これによりディスク２と試験片１の接触状態を電気抵抗値で観察することができる。

乾燥雰囲気での摩擦磨耗試験の場合は、電気抵抗は小さく、数Ω程度であった。一方、水を滴下し摩擦係数が小さくなった状態では、電気抵抗が数十キロΩまで増大した。

上記のように電気抵抗値測定を組み合わせることで、さらに摩擦試験の摺動状態を明確にすることが可能となる。

１，２０１ 試験片
２，２０２ ディスク
３，２０３ 試験片ホルダ
４，２０４ アーム
５ 連結シャフト
８，２０８ トルクセンサ
９，２０９ 加圧機構
１０，２１０ 架台
１１，２１１ 加圧力
１２，１０６ 錘
１３ 錘落下止めリング
１４ 直動軸受
１５ 取付キャップ
１６ アーム回転軸受
１７ アーム落下止めリング
１８ スペーサー
１０１ 基台
１０２ 支持板
１０３ 指示棒
１０４ 作用棒
１０５ 作用点
１１０ 力
１１１ 作用点に力が働いた時の錘の移動位置の例（破線）
２０５ 同軸シャフト
２０６ 上下ヒンジ
２０７ 上部支柱

Claims (8)

1. 回転するディスクと、ディスクに押し付けた試験片とで発生する摩擦力を検出する摩擦摩耗試験装置であって、
   前記ディスクの回転軸上に設けられたシャフトと、前記シャフトに回転可能に取り付けられ、軸方向に移動しないアームと、前記アームに取り付けられ、試験片を固定する試験片ホルダと、試験片に荷重を加えるための加圧機構と、前記ディスクと試験片とで発生する摩擦を計測する摩擦測定装置を備え、
   該試験片ホルダはディスクの回転軸に平行にアームと摺動可能であることを特徴とする摩擦摩耗試験装置。
2. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、前記摩擦測定装置はトルクセンサであることを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
3. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記アームは、円盤、または棒状の形状を有することを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
4. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記アームと前記試験片ホルダとの取り付け部に、直動軸受または低摩擦材が設けられていることを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
5. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記加圧装置は、試験片ホルダに荷重をかける手段であることを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
6. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記シャフトと前記アームとはボールベアリングまたは樹脂軸受を介して取り付けられていることを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
7. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記加圧装置はアーム上に配置されていることを特徴とする摩擦磨耗試験装置。
8. 請求項１に記載された摩擦磨耗試験装置であって、
   前記試験および前記ディスクの間の電気的接続を確認する抵抗計を有することを特徴とする摩擦磨耗試験装置。

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