JP2012117989A - 摩擦摩耗試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦摩耗試験中の試料と摩擦面との接触部位の観察や計測を光やＸ線を用いて行う際に、接触部位の空間的なずれを抑えて正確な計測を可能とする。
【解決手段】回転駆動される従動軸１３に取り付けた摩擦円盤体１５はその側周面が平滑化された摩擦面であり、従動軸１３と平行に配置された試料軸１６に装着された円盤状の試料１７は、従動軸１３及び試料軸１６の各中心軸を通り両中心軸に直交する方向に押圧されて、摩擦円盤体１５の側周面に押し付けられる。その両者の接触部位にＸ線照射部２０から略平行化されたＸ線が照射され、接触部位の狭い間隙を通り抜けたＸ線が検出器２１で検出され、接触部位の間隙サイズなどが求められる。試料１７を押圧する荷重が変化しても円盤体１５や従動軸１３の傾きや変形が生じにくいので、接触部位は空間的に移動せず、常に正確な計測が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種の摺動部材に対する摩擦摩耗試験を行うとともに、それに伴う部材表面の状態の変化や摩擦摩耗特性の計測などを行うための摩擦摩耗試験装置に関し、特に、トライボロジー分野に係る研究、試験、評価に有用な摩擦摩耗試験装置に関する。

従来、摺動部材の摩擦係数等の摩擦摩耗特性を測定する手法として、ピンオンディスク方式がよく知られている（特許文献１など参照）。図４はピンオンディスク方式の摩擦摩耗試験装置の原理説明図である。

この試験装置では、一方の測定対象であるディスク体３０は回転軸を中心に一方向に一定速度で回転駆動され、円柱ピン形状体３２の先端に装着された他方の測定対象である試験片３３がディスク体３０の表面に所定荷重で押し付けられる。このときの押し付け荷重と周方向に作用する摩擦力とから動摩擦係数が計算されるとともに、一定回転速度で規定時間後の摩耗量を測定することで所定距離摺動後の摩耗量が得られる。

上記のような摩擦摩耗試験装置において高い精度を維持するには、試料片３３とディスク体３０との接触状態を一定に保つ必要がある。そのため、従来の装置では、ディスク体３０の表面の平滑度を高くすること、ディスク体３０や回転軸３１の剛性を上げること、試料片３３押し付け時における回転トルクを一定に維持すること、など様々な点で配慮がなされている。

しかしながら、上記のような摩擦摩耗試験装置では次のような問題がある。
即ち、円柱ピン形状体３２に圧力を掛けると、試験片３３を介してディスク体３０を傾ける力が作用する。てこの原理でこの力は非常に大きくなる可能性があり、ディスク体３０や回転軸３１の剛性を高くしても、これらがごく僅か傾斜したり変形したりした状態で回転する場合がある。機械的に摩擦力を計測する場合には、ディスク体３０や回転軸３１の多少の傾きや変形は殆ど問題とならない。また、摩擦痕の観察や分析も、回転を停止してディスク体３０と試験片３３とを離した状態で行うので何ら問題はない。しかしながら、ディスク体３０と試験片３３との接触部位を光やＸ線などを用いて非接触で観察・測定しようとする場合、ディスク体３０や回転軸３１の傾きや変形が生じると正確に接触部位を観察・測定できなくなるおそれがある。

試験片３３の押し付けによるディスク体３０や回転軸３１の傾き・変形は、試験片３３の接触部位をディスク体３０の外周側にするほど大きくなる。したがって、試験片３３の接触部位をディスク体３０の内周側にすれば上記傾きや傾斜を小さくすることができる。しかしながら、その場合、ディスク体３０上で試験片３３が描く軌跡が小さくなるため、回転摩擦における斜めすべりの要素が大きくなり、正確な測定に支障をきたす。

上記のような摺動部材の摩擦摩耗特性の測定などを含め、より広く、２個の物体が直接的に接触しながら或いは潤滑油等を介して接触しながら相対運動をしている場合の、その物体間の接触部における様々な現象、即ち、摩擦摩耗、潤滑、表面損傷などを取り扱う工学分野がトライボロジーであり、この分野における研究・開発、試験・評価技術の進展は、様々な機械や装置の性能向上のほか、省エネルギー、省資源などに寄与するものである。こうしたトライボロジー分野の研究や試験・評価のためには、相対運動する２つの物体の接触面の組成や凹凸、接触の圧力や雰囲気、相対運動速度などを変化させながら現象をリアルタイムで調べることが重要である。上記のような従来の摩擦摩耗試験装置もこのトライボロジーの研究、試験等に利用できるツールではあるものの、その利用はかなり限定されたものである。

具体的に言うと、上記のような摩擦摩耗試験装置では、ディスクには非常に高い剛性が要求されるとともに、広いディスク表面の精密加工が要求される。そのため、ディスクはその材質（組成）が自由に変更可能であるような配慮がなされておらず、実際にディスクの材質等を変更することも困難である。つまり、相対運動する２物体のうちの一方の材質が大幅に限定されることになり、トライボロジーとして十分な評価が行えない。また、トライボロジーのin-situ 計測（その場計測）では２物体の界面の計測・観測が必要となるが、上述したように、計測・観測部位の空間的変動を抑えることが困難であるために安定的で高精度の計測・観測は実施されていない。

特開２００６−２３４７００号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その第１の目的とするところは、測定対象物の摩擦摩耗試験を実施しながら、その接触部位の摩擦や摩耗に関連した情報を、非接触且つリアルタイムで、さらには高い精度で以て得ることができる摩擦摩耗試験装置を提供することである。また、本発明の第２の目的は、試験条件の自由度を増しつつ、相対運動する２物体の接触部位をその場計測可能とすることで、トライボロジーの研究や試験、評価などに好適な摩擦摩耗試験装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る摩擦摩耗試験装置は、
a)中心軸を中心に回転駆動され、少なくともその側周面が第１の試料である円柱形状体と、
b)該円柱形状体の側周面に対し前記中心軸に直交する方向に第２の試料を押圧する試料押圧手段と、
c)該試料押圧手段により押圧状態にある、第２の試料と前記円柱形状体の側周面をなす第１の試料との接触部位に測定用の光、Ｘ線、又は粒子線を照射し、その照射に応じて前記接触部位を通過してきた光、Ｘ線、又は粒子線を検出して前記接触部位における摩擦摩耗に関する情報を取得する計測手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る摩擦摩耗試験装置の好ましい態様として、前記第２の試料は円盤形状又は円環形状であって前記円柱形状体の中心軸と平行である試料軸に取り付けられ、前記試料押圧手段は前記中心軸及び前記試料軸の中心軸を通りそれら中心軸に直交する方向に前記第２の試料を押圧する構成とするとよい。

本発明に係る摩擦摩耗試験装置では、円柱形状体を回転駆動する回転軸に直交する方向に第２の試料が押圧され、該円柱形状体の側周面をなす第１の試料に対し第２の試料が押し付けられるので、該円柱形状体や回転軸の傾きや変形が起こりにくく、それ故に回転振れも生じにくい。また、上記の好ましい態様においては、中心軸と平行な試料軸に取り付けられた第２の試料が、その中心軸及び試料軸の中心軸を通り、且つそれら中心軸に直交する方向に押圧されるので、該第２の試料自体や試料軸の傾きや変形も起こりにくい。また、一般に円柱形状体（扁平円柱形状体を含む）の円環状である側周面は円盤状部材の平面である円形面と比較して平滑加工が容易であるため、円柱形状体の側周面の平滑度をかなり高くすることができる。

そうしたことから、第２の試料を第１の試料に対して押圧する荷重の大小に拘わらず、第２の試料と円柱形状体の側周面（第１の試料）との接触部位、つまり計測手段による計測対象部位の空間的な位置の変化は小さくて済む。したがって、本発明に係る摩擦摩耗試験装置によれば、計測手段において接触部位に照射する光、Ｘ線、又は粒子線の径を絞っても、それらが接触部位を外れることがなく、常に正確に接触部位の摩擦や摩耗に関する計測が可能となる。

また、本発明に係る摩擦摩耗試験装置では、円柱状形体の変形等を抑えるために特段に高い剛性を要することもないので、従来の装置とは異なり、第１の試料の材質（組成）もかなり自由に設定することができる。それにより、第１の試料と第２の試料との組成の組み合わせの幅が広がる。

また本発明に係る摩擦摩耗試験装置では、ピンオンディスク方式の装置などと異なり、２つの試料の接触部位の周囲に空間を広く確保することができ、上記計測手段やそれ以外の観測手段（例えばカメラ等）を設置するのが容易である。

さらにまた、本発明に係る摩擦摩耗試験装置では、第２の試料を第１の試料（円柱状形体側周面）に対して軸方向に移動させれば、第１の試料の未だ摩耗していない新鮮な面が第２の試料との摺動面となる。こうした試料の軸方向の移動は試験実行中に他の試験条件（圧力や相対速度など）を変更したり試験を一時的に中断したりすることなく行うことができるから、例えば長時間に亘る精度の高い試験を行うのに有効である。
上述のように２つの試料の接触部位の空間的な位置ずれが小さく高精度のその場計測が可能であることに加えて、以上のような利点から、本発明に係る摩擦摩耗試験装置はトライボロジーの研究、試験、評価に特に有用である。

なお、本発明に係る摩擦摩耗試験装置ではさらに、前記円柱形状体及び／又は前記試料の摺動面に対し可視レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、該可視レーザ光が前記摺動面で反射してきた像を投影するスクリーンと、をさらに備える構成とすることができる。レーザ光は平行光である一方、レーザ光の被照射面は凸状曲面であり、さらに摺動痕には微細な凹凸があるので、反射光は拡がりを有する散乱光となる。そのため、スクリーン上には摺動面の拡大像が投影される。このとき、この拡大像のサイズは照射位置とスクリーンとの間の距離にほぼ比例する。

この構成では、スクリーンに摺動面の拡大像が簡易的に投影されるため、測定者はリアルタイムで摺動面及び摺動痕の状態を視認できる。例えば円柱形状体の側周面や試料の摺動面の摩耗の状態或いは異物の付着などによる異常状態などを迅速に認識することができる。それによって、例えば適切な結果を得られない場合や逆に必要な結果が得られた後等に、無駄な摩擦摩耗試験を行うことがなくなる。

本発明の一実施例である摩擦摩耗試験装置の試験部の概略斜視図。 図１の試験部を含む装置全体の概略構成図。 摺動面の表面状態を簡易的手法により観察したときの投影像の一例。 従来のピンオンディスク方式の摩擦摩耗試験装置の原理説明図。

以下、本発明に係る摩擦摩耗試験装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の摩擦摩耗試験装置の試験部の概略斜視図であり、図２は試験部を含む装置全体の概略構成図である。

図１に示すように、モータ１０により回転駆動される駆動軸１１には弾性円盤体１２が固定され、弾性円盤体１２の側周面は従動軸１３に固定されている伝達円盤体１４の側周面と適度な摩擦を有して接している。そのため、モータ１０の回転駆動力は弾性円盤体１２、伝達円盤体１４を介して従動軸１３に伝達される。弾性円盤体１２はゴム等の弾性体からなり、駆動軸１１の振動を吸収するため、従動軸１３は円滑に且つがたつくことなく回転する。

従動軸１３には伝達円盤体１４とは別に、一方の測定対象である摩擦円盤体（本発明における円柱形状体且つ第１の試料に相当）１５が固定されており、摩擦円盤体１５は従動軸１３と同じ速度で回転する。従動軸１３と平行に延伸する試料軸１６にはもう一方の測定対象である円盤状の試料（本発明における第２の試料に相当）１７が固定されている。試料軸１６は図示しない軸受により支承され、さらにこの試料軸１６は該試料軸１６の延伸方向及び試料軸１６の中心軸と従動軸１３の中心軸との両方に直交する方向に移動可能となっている。後者は図１中に矢印で示す押圧方向及びそれと反対方向である。従動軸１３に対して試料軸１６を平行に保ちつつ、試料１７の側周面が摩擦円盤体１５の側周面に押し付けられるように試料軸１６を移動させて所定の荷重を与える。それにより、試料１７の側周面と摩擦円盤体１５の側周面（摩擦面）との間に摩擦が生じる。なお、摩擦円盤体１５はそれ全体が第１の試料から成る必要はなく、試料１７と接触する側周面のみが第１の試料から成るものでもよい。

上述のような試料１７と摩擦円盤体１５との接触部位（摺動部位）の状態を観察・分析するために、その接触部位に対しＸ線照射部２０から発生したＸ線束を照射する。接触部位には微視的な間隙が存在するため、そうした間隙を直接的に又は反射しながら通り抜けたＸ線などが反対側から出てくる。そうしたＸ線は接触部位における微小間隙のサイズなどの情報を含むから、検出器２１により例えば通り抜けてきたＸ線の強度を検出し、その強度に基づいて接触部位における間隙サイズ等を求める。図２の例では、接触部位へのＸ線の入射は接触部位における摩擦円盤体１５及び試料１７の周面の接線方向と一致しているが、目的によっては、Ｘ線照射部及び検出器を図２中の符号２２、２３の位置に配置し、Ｘ線の入射方向を試料軸１６及び従動軸１３に平行な方向としてもよい。

また接触部位に比較的大きな間隙がある場合には、Ｘ線の代わりに紫外領域等の短波長の光を用いることもできる。また、Ｘ線や光の代わりに、イオンビームや電子ビームなどを用いて接触部位の間隙サイズや表面形状などの情報を得ることもできる。ただし、イオンビームや電子ビームを用いる場合には、真空雰囲気の下で測定を行う必要がある。

上述したように試料１７を摩擦円盤体１５の側周面に押し付けたときに、その押圧方向は従動軸１３の中心軸を通る方向で且つ該中心軸に直交する方向であるため、或る程度高い圧力で押し付けを行った場合でも、試料１７や摩擦円盤体１５の傾きや回転振れが生じにくい。そのため、接触部位が空間的に移動することがなく、Ｘ線や光などを細径で接触部位に照射した場合でもその照射位置が接触部位からずれることを避けることができる。それによって、リアルタイムで接触部位の観察や分析を行う場合に高精度の観察・分析が可能となる。

また、この摩擦摩耗試験装置は、試料１７との摩擦によって摩耗してくる摩擦円盤体１５の側周面（摺動面）の表面状態を簡易的に且つリアルタイムで確認するために、その側周面の所定位置に斜め方向から細径の可視レーザ光を照射するレーザ光照射部２４と、さらにその所定位置から反射して来た可視光による像を投影するスクリーン２５とを備える。照射光は平行光であり被照射部位は凸状曲面で且つ微細凹凸があるため、反射光は拡散光となり、摩擦円盤体１５の側周面上のレーザ光照射位置から離れた位置にスクリーン２５を配置することにより、摺動面の拡大像（例えば４００倍程度）が投影される。

図３は実際の投影像の一例を示す図である。これら図から、摩擦による筋状の摩耗痕が濃淡で明瞭に現れていることが分かる。摩擦摩耗試験中に測定者が摺動面の表面状態をほぼリアルタイムで観察することにより、例えば長時間に亘る試験において摩擦円盤体１５の摺動面の摩耗がひどくなって摩擦円盤体１５上の摺動面を変更する必要があることや、摩擦円盤体１５の摺動面に意図しない異物が付着して試料１７表面を傷付ける可能性があることなどを迅速に認識して適切な対策を講じることができる。

本実施例に係る摩擦摩耗試験装置では、摩擦円盤体１５の軸方向の幅（厚さ）を試料１７の軸方向の幅に比べて十分に（少なくとも２倍以上）大きくしておくことにより、例えば摩擦摩耗試験中に試料１７と接する摩擦円盤体１５の摺動面の状態が悪くなった場合に、試料軸１６をその軸の延伸方向に移動させ、試料１７を摩擦円盤体１５の側周面の別の部位に接触させるようにすることができる。また、時間経過に従って少しずつ試料軸１６をその軸の延伸方向に移動させるようにして、摩擦円盤体１５の側周面全体が平均的に摩耗するようにすることもできる。それによって、長時間に亘る摩擦摩耗試験が可能となる。なお、従来のディスク（円盤面）では、試料の摺動位置をずらすと回転半径が変化し、これにより相対速度が変化するので同じ条件での試験を続けることが困難である。

また、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１０…モータ
１１…駆動軸
１２…弾性円盤体
１３…従動軸
１４…伝達円盤体
１５…摩擦円盤体
１６…支持軸
１７…試料
２０、２２…Ｘ線照射部
２１、２３…検出器
２４…レーザ光照射部
２５…スクリーン

Claims (3)

1. a)中心軸を中心に回転駆動され、少なくともその側周面が第１の試料である円柱形状体と、
   b)該円柱形状体の側周面に対し前記中心軸に直交する方向に第２の試料を押圧する試料押圧手段と、
   c)該試料押圧手段により押圧状態にある、第２の試料と前記円柱形状体の側周面をなす第１の試料との接触部位に測定用の光、Ｘ線、又は粒子線を照射し、その照射に応じて前記接触部位を通過してきた光、Ｘ線、又は粒子線を検出して前記接触部位における摩擦摩耗に関する情報を取得する計測手段と、
   を備えることを特徴とする摩擦摩耗試験装置。
2. 請求項１に記載の摩擦摩耗試験装置であって、
   前記第２の試料は円盤形状又は円環形状であって前記円柱形状体の中心軸と平行である試料軸に取り付けられ、前記試料押圧手段は前記中心軸及び前記試料軸の中心軸を通りそれら中心軸に直交する方向に前記第２の試料を押圧することを特徴とする摩擦摩耗試験装置。
3. 請求項１又は２に記載の摩擦摩耗試験装置であって、
   前記円柱形状体及び／又は前記試料の摺動面に対し可視レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、該可視レーザ光が前記摺動面で反射してきた像を投影するスクリーンと、をさらに備えることを特徴とする摩擦摩耗試験装置。