JP2017021002A - 摩耗状態評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し摺動摩擦を加えた試験片の摺動面の摩耗状態をその原因と共に詳細に評価する。
【解決手段】移動側試験片Ｔｍが移動方向Ｘに一往復移動する度に、コントローラ１９が、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの各移動ストロークにおける、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力を算出する。また、レーザ走査光ＬＢで走査した摺動面Ｓの形状を、コントローラ１９により、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの各移動ストロークに対応付けて、摩擦力と同じサイクル分（例えば１００サイクル分）測定する。そして、算出した摩擦力や測定した摺動面Ｓの形状について、時間微分や空間微分を行って、その結果から、摩擦力の変化の原因等を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試験片に繰り返し摺動摩擦を加えて試験片の摺動面の摩耗状態を評価する摩耗状態評価方法に関する。

滑り軸受やシリンダ、カム機構等の繰り返し摺動を伴う機械要素の摩耗状態を評価する方法として、例えば、固定側試験片上を繰り返し摺動する移動側試験片の摺動位置と両試験片間にかかる摩擦力とをそれぞれ測定し、両者を関連付けて記録する方法が知られている。この評価方法によれば、特定の摺動位置における摩擦力の時間変化から、摺動面の摩耗の状態を評価することができる（特許文献１，２）。

特開平６−５８８６７号公報 特開平６−３０８０１７号公報

ところで、固定側試験片と移動側試験片との摺動面は一定の面積を有しており、上述した両試験片間にかかる摩擦力は、両試験片の摺動面で起こる全ての摩擦の情報を含んでいる。したがって、両試験片間にかかる摩擦力の時間変化を評価するだけでは、両試験片の摺動面における摩耗の状態を詳細に評価することができない。

また、両試験片間に摩擦力がかかる原因としては、摺動面に発生する凝着による突起やアブレシブ摩耗による掘り起こし、あるいは、摺動面上で転動する摩耗粉等が挙げられるが、このような原因を、上述した摩擦力の時間変化による摩耗状態の評価では特定することができない。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、繰り返し摺動摩擦を加えた試験片の摺動面の摩耗状態をその原因と共に詳細に評価することができる摩耗状態評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様による摩耗状態評価方法は、
コンピュータが、摺動摩擦が繰り返し加えられる試験片にかかる摩擦力を、前記試験片の摺動面の前記摺動摩擦が加わる摺動位置と関連付けて、前記摺動摩擦の繰り返し周期毎にセンサにより取得する摩擦力取得ステップと、
前記コンピュータが、前記摺動面の形状を非接触測定センサにより、前記摺動摩擦の繰り返し周期毎に取得する形状取得ステップと、
前記コンピュータが、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力と前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状とのうち少なくとも一方の、時間及び空間のうち少なくとも一方における変化の解析処理結果から、前記摺動面の特定の摺動位置における摩耗状態を評価する評価ステップと、
を含んでいる。

本発明の第１の態様による摩耗状態評価方法によれば、試験片の摺動摩擦が加えられる部分は一定の面積を有しており、摩擦力取得ステップにより取得される各摺動位置の摩擦力は、摺動摩擦が同時に加えられる部分で起こる全ての摩擦の情報を含んでいる。一方、形状取得ステップにより非接触測定で取得される摺動面の形状は、試験片の摺動摩擦が加えられる部分の具体的形状を含んでいる。

このため、摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力と形状取得ステップで取得した摺動面の形状とのうち少なくとも一方について、時間上の変化や空間上の変化を解析することで、一定の面積を有する特定の摺動位置においてどのような形状変化が生じたかを具体的に把握することができる。

よって、繰り返し摺動摩擦を加えた試験片の摺動面の摩耗状態をその原因と共に詳細に評価することができる。

なお、本発明の第１の態様による摩耗状態評価方法における前記評価ステップは、本発明の第２の態様による摩擦状態評価方法のように、前記コンピュータが、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力と前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状とのうち少なくとも一方の、時間微分及び空間微分のうち少なくとも一方の結果から、前記特定の摺動位置における摩耗状態を評価するものとすることができる。

また、本発明の第３の態様による摩擦状態評価方法は、本発明の第１の態様による摩耗状態評価方法において、
前記コンピュータが、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力から、前記特定の摺動位置における摩耗状態の評価に用いる摩擦力の周期を複数決定する評価周期決定ステップをさらに含み、
前記コンピュータは、前記評価ステップにおいて、前記評価周期決定ステップで決定した各周期の前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状の変化から、前記特定の摺動位置における摩耗状態を評価する。

本発明の第３の態様による摩擦状態評価方法によれば、本発明の第１の態様による摩耗状態評価方法において、評価周期決定ステップにおいて決定される特定の摺動位置における摩耗状態の評価に用いる摩擦力の複数の周期について、形状取得ステップで取得した摺動面の特定の摺動位置の形状を比較してその変化を解析することで、一定の面積を有する特定の摺動位置においてどのような形状変化が生じたかを具体的に把握することができる。

よって、繰り返し摺動摩擦を加えた試験片の摺動面の摩耗状態をその原因と共に詳細に評価することができる。

また、本発明の第４の態様による摩耗状態評価方法は、本発明の第１、第２又は第３の態様による摩耗状態評価方法において、前記形状取得ステップでは、前記摺動摩擦と同期して前記摺動面を繰り返し走査する走査信号により前記摺動面の形状を取得する。

本発明の第４の態様による摩耗状態評価方法によれば、本発明の第１、第２又は第３の態様による摩耗状態評価方法において、摺動摩擦と同期した走査信号による走査により摺動面の形状が取得されるので、試験片にかかる摩擦力が取得される各摺動位置について試験片の摺動面の形状を容易に取得することができる。

本発明の摩耗状態評価方法によれば、繰り返し摺動摩擦を加えた試験片の摺動面の摩耗状態をその原因と共に詳細に評価することができる。

本発明の一実施形態に係る摩耗状態評価方法を実行するのに用いられる往復摩擦試験装置の概略構成を示す説明図である。 図１の往復摩擦試験装置により摺動摩擦が加えられる試験片を示す説明図である。 図１のコントローラが常温において算出した図２の試験片にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像の画像を示す説明図である。 図３の摩擦力像を特定のサイクル部分について図１のコントローラが測定した図２の試験片の表面形状画像を示す説明図である。 図１のコントローラが７００°Ｃにおいて算出した図２の試験片にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像の画像と、特定のストローク部分について図１のコントローラが測定した図２の試験片の表面形状画像とを示す説明図である。 （ａ）は常温における摩擦力像の特定のサイクル部分に特徴的な縞模様が現れている状態を拡大して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のサイクルにおいて現れる摩擦力のパターンから特定されるアブレシブ摩擦を模式的に示す説明図である。 （ａ）は図５の７００°Ｃにおける摩擦力像の特定のストローク部分に特徴的な縞模様が現れている状態を拡大して示す説明図、（ｂ）は（ａ）のストローク部分において現れる摩擦力のパターンから特定される凝着摩耗を模式的に示す説明図である。 図１のコントローラが測定した図２の試験片のあるストローク箇所のあるサイクルにおける表面形状を示す説明図である。 （ａ）は図２の試験片における表面形状の変化のパターンを模式的に示す説明図、（ｂ）は図２の試験片に（ａ）のパターンの変化が生じた場合の表面形状の時間微分変化のパターンを模式的に示す説明図、（ｃ）は図２の試験片に（ａ）のパターンの変化が生じた場合の表面形状の空間微分変化のパターンを模式的に示す説明図である。 図１の往復摩擦試験装置を用いて行う本発明の一実施形態に係る摩耗状態評価方法の手順を示すフローチャートである。 図１０の評価ステップの具体的な手順を示すフローチャートである。 図１１の摩耗種別特定ステップの具体的な手順を示すフローチャートである。 図１１のアブレシブ摩耗評価ステップの具体的な手順を示すフローチャートである。 （ａ）は図１のコントローラが測定した図２の試験片における表面形状の空間微分により算出される凸部の体積のサイクルによる変化パターンを示すグラフ、（ｂ）は図１のコントローラが測定した図２の試験片における表面形状の空間微分により算出される凸部のエッジの面積のサイクルによる変化パターンを示すグラフである。 図１１の凝着摩耗評価ステップの具体的な手順を示すフローチャートである。 （ａ）は図１のコントローラが算出した図２の試験片にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像から抽出した摩擦力のストローク方向における変化点と変化量とをエッジ及びコントラストで表したエッジ抽出画像の説明図、（ｂ）は図１のコントローラが算出した図２の試験片にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像の画像を示す説明図である。 図１のコントローラが図１６（ｂ）の摩擦力像の画像をサイクル方向及びストローク方向のそれぞれについて空間微分して算出した凸部のエッジを示す説明図である。 図１の往復摩擦試験装置を用いて行う本発明の他の実施形態に係る摩耗状態評価方法の手順を示すフローチャートである。 図１８の評価周期決定ステップにおいて図１のコントローラが摩擦力像から評価周期を決定する手順を示す説明図である。 図２の試験片の摩耗状態の評価に図１９の１５、５５及び８７サイクルの摩擦力を用いる場合の各サイクルにおいて測定した試験片の摺動面の形状を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る摩耗状態評価方法を実行するのに用いられる往復摩擦試験装置の概略構成を示す説明図である。

図１中引用符号１で示す本実施形態の往復摩擦試験装置は、円柱状の固定側試験片Ｔｓに対して平板状の移動側試験片Ｔｍを繰り返し往復摺動させて、両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかる摩擦力と、固定側試験片Ｔｓに摺接する移動側試験片Ｔｍの摺動面の形状とを測定するものである。なお、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍは、摩耗状態を評価する対象の繰り返し摺動を伴う機械要素（図示せず）に用いられる金属材料で形成される。

そして、往復摩擦試験装置１は、移動側試験片Ｔｍを保持する移動側保持部３と、移動側保持部３を水平方向に往復直線移動させるアクチュエータ５と、固定側試験片Ｔｓを保持する固定側保持部７とを有している。

アクチュエータ５は、例えば、モータ等の回転駆動源と、モータの回転運動を移動側試験片Ｔｍの直線運動に変換する送りねじ機構等によって構成することができる。固定側保持部７は、固定側試験片Ｔｓの周面が、移動側保持部３に保持された移動側試験片Ｔｍの上面に、固定側試験片Ｔｓの中心軸と平行な直線上で当接するように、固定側試験片Ｔｓを保持する。

したがって、アクチュエータ５が固定側保持部７に対して移動側保持部３を往復移動させると、図２の説明図に示すように、固定側試験片Ｔｓに対して移動側試験片Ｔｍが図中の方向Ｘに往復移動する。これにより、移動側試験片Ｔｍの上面の摺動面Ｓに摺動摩擦が繰り返し加えられる。なお、図２中では図面の簡略化のため固定側試験片Ｔｓの形状を円柱状でなくブロック状で示している。

なお、図１に示すように、各試験片Ｔｍ，Ｔｓの内部には、加熱用のヒータと温度センサを一体化した加熱測温ユニット９，１１がそれぞれ装着されている。この加熱測温ユニット９，１１を往復摩擦試験装置１が有することで、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍの温度を温度センサにより確認し、必要に応じてヒータにより固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍを所望の温度に加熱することができる。

このため、常温（室温）の状態だけでなく、常温よりも高い任意の温度に加熱した状態についても、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍの摺動面の摩耗状態を評価することができる。

また、各保持部３，７は、保持対象の各試験片Ｔｍ，Ｔｓを往復摩擦試験装置１側の熱から遮断する断熱材３ａ，７ａを有している。また、図２に示す移動方向Ｘへの移動側試験片Ｔｍの移動ストロークは、移動方向Ｘにおける移動側試験片Ｔｍの位置を検出する不図示の位置検出センサの出力信号を用いてコントローラ１９（請求項中のコンピュータに相当）により算出される。

本実施形態の往復摩擦試験装置１は、さらに、固定側試験片Ｔｓから移動側試験片Ｔｍに加わる荷重を測定する負荷検出用圧電センサ１３と、両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかるせん断力を測定するせん断力検出用圧電センサ１５とを、固定側保持部７の支持機構１７中に有している。

これらの圧電センサ１３，１５は、上述した加熱測温ユニット９，１１と共に、コントローラ１９に接続されている。このコントローラ１９は、両加熱測温ユニット９，１１の温度センサの出力により温度を確認しつつ、必要に応じて、両加熱測温ユニット９，１１のヒータを用いて固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍを所望の温度に加熱する。これと共に、コントローラ１９は、各圧電センサ１３，１５の出力を用いて、両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかる摩擦力を算出する。

加えて、本実施形態の往復摩擦試験装置１はレーザセンサ２１を有している。このレーザセンサ２１は支持機構１７に固定されている。レーザセンサ２１は、図２に示す、固定側試験片Ｔｓが摺接する移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓに、測距用のレーザ走査光ＬＢを照射する。このレーザ走査光ＬＢは、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘと直交する幅方向Ｙにおいて、摺動面Ｓの全体を直線状に走査する光である。

移動側試験片Ｔｍからのレーザ走査光ＬＢの反射光は、図１に示すように、レーザセンサ２１で受光され、その受光量に応じた測距信号がレーザセンサ２１からコントローラ１９に出力される。コントローラ１９は、レーザセンサ２１からの測距信号に基づいて、移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの形状を測定する。

なお、図２に示す移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓは、固定側試験片Ｔｓによって常に一部が覆われる。このため、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの往復移動に伴ってレーザ走査光ＬＢは、固定側試験片Ｔｓの１つ分だけ摺動面Ｓよりも小さい範囲を、移動方向Ｘに繰り返し走査する。よって、図１のコントローラ１９がレーザセンサ２１からの測距信号に基づいて測定する摺動面Ｓの形状も、固定側試験片Ｔｓの１つ分だけ摺動面Ｓよりも小さい範囲の形状となる。

また、支持機構１７には、中間部が不図示の支点で支持されたフレーム２３の一端が連結されており、フレーム２３の他端にはバランスウエイト２５が取り付けられている。このフレーム２３及びバランスウエイト２５により、支持機構１７の重量が固定側保持部７を介して固定側試験片Ｔｓから移動側試験片Ｔｍに荷重となって加わらないようにしている。

次に、コントローラ１９が各圧電センサ１３，１５の出力を用いて算出する両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかる摩擦力から把握できる情報について、図３乃至図７を参照して説明する。

まず、図３は、コントローラ１９が常温において算出した両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像の画像を示す説明図である。この摩擦力像では、縦軸に移動側試験片Ｔｍの往復移動のサイクル（周期）を取り、横軸に移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの移動ストロークを示している。なお、移動ストローク＝０は、移動方向Ｘにおける摺動面Ｓの中間点である。

図３の摩擦力像では、コントラストが低い部分ほど摩擦力が大きいことを示している。そして、この摩擦力像では、摩擦力の変化により周辺の摩擦力像との間に顕著なコントラスト差が生じた特徴的な縞模様が、横方向（ストローク方向）に出現している。

そこで、この特徴的な縞模様が横方向（ストローク方向）に出現しているサイクルについて、コントローラ１９が常温において測定した移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの形状を見ると、図４の表面形状画像の説明図に示すように、図３の摩擦力像で横方向に特徴的な縞模様が出現したストローク箇所に、アブレシブ摩擦が観察された。

次に、図５の左半部は、コントローラ１９が７００°Ｃにおいて算出した両試験片Ｔｓ，Ｔｍ間にかかる摩擦力を往復摩擦の１００サイクル分並べた摩擦力像の画像を示す説明図である。この摩擦力像でも、コントラストが低い部分ほど摩擦力が大きいことを示している。そして、この摩擦力像では、摩擦力の変化によるコントラスト差で縦方向（サイクル方向）に特徴的な縞模様が出現している。

そこで、この特徴的な縞模様が縦方向（サイクル方向）に出現しているストロークについて、コントローラ１９が７００°Ｃにおいて測定した移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの形状を見ると、摩擦力像において縦方向に特徴的な縞模様が出現したストローク箇所に、最も早いサイクルにおいて、図５の右半部の下側に示す説明図のように、凝着摩耗が生じていた。

そして、その後のサイクルにおいてコントローラ１９が測定した移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの同じストローク箇所における形状を見ると、図５の右半部の上側に示す説明図のように、凝着摩耗の成長が認められた。

ここで、図６（ａ）の説明図に示すような、常温における摩擦力像の特定のサイクル部分に横方向の特徴的な縞模様が出現する理由は、図６（ｂ）の説明図に模式的に示すように、固定側試験片Ｔｓが移動側試験片Ｔｍに対する相対移動によって摺動面Ｓの表層を掘り起こしながら進むことで、アブレシブ摩耗が発生しているためであると考えられる。

また、アブレシブ摩擦は次以降のサイクルで発生しないことが多く、特徴的な縞模様が摩擦力像の縦方向（サイクル方向）に連続しないので、摩擦力像の横方向（ストローク方向）に特徴的な縞模様が出現するものと思われる。

一方、図７（ａ）の説明図に示すような、７００°Ｃにおける摩擦力像の特定のサイクル部分に縦方向の特徴的な縞模様が出現する理由は、図７（ｂ）の説明図に模式的に示すように、固定側試験片Ｔｓが移動側試験片Ｔｍに対する相対移動によって摺動面Ｓの凝着箇所Ａｄを繰り返して通過することで、同じストローク部分で摩擦力が連続したサイクルに亘って上昇するためであると考えられる。

続いて、コントローラ１９がレーザセンサ２１からの測距信号に基づいて測定する移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの形状から把握できる情報について、図８及び図９を参照して説明する。

まず、図８は、コントローラ１９が測定した移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓのあるストローク箇所のあるサイクルにおける表面形状を示す説明図である。この表面形状の画像から画像処理により抽出した凸部が、サイクルを重ねるうちに、例えば、図９（ａ）に示すパターンで変化した場合を想定する。

即ち、図９（ａ）に示すパターンでは、当初は摺動面Ｓの表面形状画像を高さ方向に画像処理しても凸部が抽出されないが、あるサイクルにおいて３つの凸部Ａ１〜Ａ３が抽出されるようになり、さらにその後のサイクルで２つの凸部Ａ１，Ａ２が抽出されなくなる。

ここで、図９（ａ）に示すパターンで変遷した凸部の抽出画像から各凸部Ａ１〜Ａ３のエッジを抽出し、さらに、そのエッジ抽出画像を時間微分して、直前のサイクルにおける抽出画像との差分を抽出する。

すると、図９（ｂ）に示すように、当初は差分が発生した画素が存在しないのが、３つの凸部Ａ１〜Ａ３が抽出されたタイミングでそれらの凸部Ａ１〜Ａ３のエッジ部分の画素に差分が生じ、さらに、２つの凸部Ａ１，Ａ２が抽出されなくなった時点で、それら凸部Ａ１，Ａ２のエッジ部分の画素に再び差分が生じる。

即ち、図９（ｂ）に示す時間微分では、凸部Ａ１〜Ａ３の発生と消滅とを把握することができる。図９（ｂ）では例示していないが、凸部Ａ１〜Ａ３の形状変化も時間微分により把握することができる。そして、発生した後に消滅した凸部Ａ１，Ａ２は、凝着により摺動面Ｓ上に定着したものではなく、例えばアブレシブ摩耗により生じた摩耗粉であると推定することができる。

但し、凸部Ａ１，Ａ２が発生した後に消滅するまでの間に、凸部Ａ１，Ａ２の形状に変化が確認できた場合は、凸部Ａ１，Ａ２はアブレシブ摩耗により生じた摩耗粉ではなく、むしろ、凝着により摺動面Ｓ上に一旦定着し、その後に摺動面Ｓ上から剥離したものと推定することができる。

また、発生してそのまま残った凸部Ａ３は、凝着により摺動面Ｓ上に定着したものと推定することができる。

続いて、図９（ａ）に示すパターンで変遷した凸部の抽出画像から各凸部Ａ１〜Ａ３のエッジを抽出し、さらに、そのエッジ抽出画像を空間微分して、各サイクルにおける摺動面Ｓ上の凸部Ａ１〜Ａ３の有無を抽出する。

すると、図９（ｃ）に示すように、当初は凸部が存在しないのが、３つの凸部Ａ１〜Ａ３が抽出されたタイミングでそれらの凸部Ａ１〜Ａ３のエッジ部分が抽出され、さらに、２つの凸部Ａ１，Ａ２が抽出されなくなった時点で、それら凸部Ａ１，Ａ２のエッジが抽出されなくなる。

即ち、図９（ｃ）に示す空間微分では、凸部Ａ１〜Ａ３が存在するサイクルではそれらのエッジが抽出されるので、凸部Ａ１〜Ａ３の形状変化を把握することができる。但し、凸部Ａ１〜Ａ３のエッジは、それが凝着でも、アブレシブ摩耗等により生じた摩耗粉でも、同じように抽出される。

そこで、図９（ｃ）に示す空間微分を、凸部Ａ１〜Ａ３の高さに対応するエッジ抽出画像のコントラストの変化についても行ってもよい。これにより、凸部Ａ１〜Ａ３の高さの変化をさらに把握して、その有無から凝着（成長による高さ変化あり）と摩耗粉（高さ変化なし）との区別を推定することができる。

次に、上述したように構成された往復摩擦試験装置１を用いて行う本発明の一実施形態に係る摩耗状態評価方法の手順を、図１０のフローチャートを参照して説明する。

図１０に示すように、本実施形態の摩耗状態評価方法では、摩擦力取得ステップ（ステップＳ１）、形状取得ステップ（ステップＳ３）及び評価ステップ（ステップＳ５）を順次行う。

そして、ステップＳ１の摩擦力取得ステップでは、摺動面Ｓに摺動摩擦が繰り返し加えられる移動側試験片Ｔｍと固定側試験片Ｔｓとの間にかかる摩擦力を、摺動面Ｓの固定側試験片Ｔｓが摺動する位置と関連付けて、摺動摩擦の繰り返し周期毎に取得する。

具体的には、移動側試験片Ｔｍが移動方向Ｘに一往復移動する度に、コントローラ１９が、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの各移動ストロークにおける、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力を算出する。これにより、図３に示す摩擦力像が得られる。

また、ステップＳ３の形状取得ステップでは、摺動面Ｓに摺動摩擦が繰り返し加わる周期に同期して、摺動面Ｓの形状を非接触測定により繰り返し周期毎に取得する。

具体的には、固定側試験片Ｔｓによって覆われてレーザ走査光ＬＢで走査できない、固定側試験片Ｔｓの１つ分だけ摺動面Ｓよりも小さい範囲を、移動方向Ｘに繰り返しレーザ走査光ＬＢで走査する。そして、コントローラ１９により固定側試験片Ｔｓの１つ分だけ摺動面Ｓよりも小さい範囲の形状を、移動側試験片Ｔｍの移動方向Ｘへの各移動ストロークに対応付けて、摩擦力と同じサイクル分（例えば１００サイクル分）取得する。これにより、図８に示す、摺動面Ｓよりも小さい範囲の表面形状が、各サイクルの各ストローク部分について得られる。

さらに、ステップＳ５の評価ステップでは、ステップＳ１の摩擦力取得ステップで取得した、図３に示す固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力像と、ステップＳ３の形状取得ステップで取得した、図８に示す摺動面Ｓよりも小さい範囲の表面形状とを用いて、摺動面Ｓに生じた摩耗状態を評価する。

具体的には、図１１のフローチャートに示すように、摩耗種別特定ステップ（ステップＳ５１）、アブレシブ摩耗評価ステップ（ステップＳ５３）及び凝着摩耗評価ステップ（ステップＳ５５）を行う。

ステップＳ５１の摩耗種別特定ステップでは、図１２のフローチャートに示すように、図１０のステップＳ３において取得した各サイクルの各ストローク部分についての摺動面Ｓよりも小さい範囲の表面形状の画像から画像処理によりエッジを抽出し（ステップＳ５１１）、エッジの抽出画像をさらに画像処理して、エッジを凸部単位でグループ化する処理を行う（ステップＳ５１３）。

そして、凸部単位にグループ化したエッジ抽出画像を時間微分して、図９（ｂ）の説明図を参照して説明したような、凸部の発生や消滅、形状変化から凸部が凝着であるかアブレシブ摩耗等により生じた摩耗粉であるか等の種別を特定する処理を行って（ステップＳ５１７）、ステップＳ５１の摩耗種別特定ステップを終了する。

また、図１１のステップＳ５３のアブレシブ摩耗評価ステップでは、図１３のフローチャートに示すエッジ抽出面積取得処理（ステップＳ５３１）及びアブレシブ摩耗評価処理（ステップＳ５３３）を行う。

ここで、アブレシブ摩耗等による摩耗粉が発生すると、摺動面Ｓ上の凸部が数及び体積において増加する。しかし、図１０のステップＳ３において取得した表面形状の画像からエッジ抽出される凸部の体積（例えば、図９（ｃ）に示す空間微分をエッジ抽出画像のコントラスト変化についても行って凸部の形状及び高さの変化を把握することで計測可能）を監視しても、図１４（ａ）のグラフに示すように、摩耗粉の発生を示唆するような特徴的な体積変動は現れない。

一方、図１２のステップＳ５１１で抽出してステップＳ５１３でグループ化した凸部毎のエッジで囲まれる部分の面積を監視すると、図１４（ｂ）のグラフに示すように、面積変動が無い状態から急激に面積が増加する特徴的な変化が現れる。このような凸部の面積の急激な増加は、凝着の発生や成長では起こりにくく、むしろ、アブレシブ摩耗等により新たな摩耗粉が発生したことで起こったものと推定することができる。

そこで、図１３のステップＳ５３１のエッジ抽出面積取得処理では、図１２のステップＳ５１３でグループ化した凸部毎のエッジで囲まれる部分の面積を算出し、ステップＳ５３３のアブレシブ摩耗評価処理では、凸部毎のエッジで囲まれる部分の面積に大きな変化が生じているか否かによって、アブレシブ摩耗による摩耗粉が発生したかどうかを評価する。そして、アブレシブ摩耗評価ステップを終了する。

さらに、図１１のステップＳ５５の凝着摩耗評価ステップでは、図１５のフローチャートに示す空間微分処理（ステップＳ５５１）及び凝着摩耗評価処理（ステップＳ５５３）を行う。

ここで、図１０のステップＳ１において取得した固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力像から抽出した摩擦力のストローク方向における変化点と変化量とをエッジ及びコントラストで表した、図１６（ａ）のエッジ抽出画像を、サイクル方向において空間微分すると、凝着により発生した凸部の起点を推定することができる。

そして、起点を推定した凝着により発生した凸部について、図１０のステップＳ１において取得した、図１６（ｂ）の固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力像を、ストローク方向において空間微分すると、図９（ｃ）の説明図を参照して説明したように、凝着による凸部の大きさを推定することができる。

そこで、ステップＳ５５１の空間微分処理では、図１６（ａ），（ｂ）を参照して説明したような空間微分処理を行い、ステップＳ５５３の凝着摩耗評価処理では、ステップＳ５５１の処理によって凝着により発生したものと特定した凸部の形状変化から、凝着の進行等について評価する。そして、凝着摩耗評価ステップを終了する。

なお、図１２のステップＳ５１３でグループ化した凸部毎のエッジの抽出画像をサイクル及びストロークの両方向について空間微分すると、凸部のエッジ部分の高さの傾きが分かる。

例えばこれを、図１０のステップＳ１において取得した固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力像から抽出した、対応するサイクルにおける凸部のエッジ部分の摩擦力と対応付けると、凝着による凸部を固定側試験片Ｔｓが乗り越えるときの凸部の高さと固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力との相関を推定できる可能性がある。

そこで、このような処理を、ステップＳ５５１の空間微分処理とステップＳ５５３の凝着摩耗評価処理とで行うようにしてもよい。

以上に説明した本実施形態の摩耗状態評価方法によれば、各サイクルの摩擦力では評価できない移動側試験片Ｔｍの幅方向Ｙにおける摩耗状態についても、詳細に評価することができる。また、摺動面Ｓの摩耗状態の変化が凝着の進行によるものか摩耗粉の摺動面Ｓ上での転動によるものか等、摩耗状態の変化の理由を、摺動面Ｓの形状の変化から詳細に特定することができる。

特に、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍ間の摩擦力像や、各サイクルの各ストローク部分についての摺動面Ｓよりも小さい範囲の表面形状の画像、あるいは、その表面形状画像から画像処理により抽出した凸部のエッジ抽出画像を、時間微分したり空間微分することで、凸部の種類が凝着であるか摩耗粉であるかの判別や、凝着の成長の評価等を、詳細に行うことができる。

次に、上述したように構成された往復摩擦試験装置１を用いて行う本発明の他の実施形態に係る摩耗状態評価方法の手順を、図１８のフローチャートを参照して説明する。

なお、図１８に示す本実施形態の摩耗状態評価方法では、図１０のフローチャートにおける摩擦力取得ステップ（ステップＳ１）及び形状取得ステップ（ステップＳ３）を行った後、評価周期決定ステップ（ステップＳ４）を行って、その後、評価ステップ（ステップＳ５Ａ）を行う。

そして、ステップＳ４の評価周期決定ステップでは、ステップＳ１の摩擦力取得ステップで取得した各サイクル（周期）の摩擦力から、特定の移動ストロークにおける摩擦力の変化に注目すべき傾向が認められる複数のサイクルを、摺動面Ｓの摩耗状態の評価に利用する摩擦力のサイクルとして決定する。

図１９の説明図では、左半部の枠で囲んだ移動ストローク部分が、ステップＳ３の形状取得ステップにおいて、レーザセンサ２１からのレーザ走査光ＬＢを用いて摺動面Ｓの形状を取得できる移動ストロークの範囲を示している。そこで、本実施形態では、図１９の説明図における枠で囲んだ左半部の移動ストローク部分において、特定の移動ストローク部分における摩擦力の変化に、注目すべき傾向が認められるサイクルを抽出する。

本実施形態では、或る移動ストローク部分に摩擦力が発生して増加する傾向を示す１５サイクル、５５サイクル及び８７サイクルの摩擦力を、摺動面Ｓの摩耗状態の評価に利用する摩擦力のサイクルとして決定するものとする。

さらに、ステップＳ５Ａの評価ステップでは、ステップＳ４の評価周期決定ステップで決定した１５サイクル、５５サイクル及び８７サイクルにおいて、レーザセンサ２１からのレーザ走査光ＬＢを用いてコントローラ１９で取得した、特定の移動ストローク部分における摺動面Ｓの形状の変化から、その移動ストローク部分における摩耗状態を評価する。

図２０は、１５サイクル、５５サイクル及び８７サイクルにおいてそれぞれ取得した、摺動面Ｓのレーザ走査光ＬＢにより走査可能な範囲の形状を示す説明図である。図２０に示す１５サイクル目における摺動面Ｓの形状には、一点鎖線で囲んだ部分に、横に拡大して示すように、凝着によるわずかな凹凸が認められる。これが、摺動摩擦の５５サイクル目では、摩耗粉による周辺部分の損傷により凝着の範囲が広がっており、８７サイクル目では、その拡大がほぼ収束している。

したがって、これらのサイクルにおいてレーザ走査光ＬＢにより非接触測定した摺動面Ｓの形状を用いることで、各サイクルの摩擦力では評価できない移動側試験片Ｔｍの幅方向Ｙにおける摩耗状態についても、詳細に評価することができる。また、摺動面Ｓの摩耗状態の変化が凝着の進行によるものか摩耗粉の摺動面Ｓ上での転動によるものか等、摩耗状態の変化の理由を、摺動面Ｓの形状の変化から詳細に特定することができる。

また、往復摺動摩擦のサイクル間での摩擦力の変化から、摺動面Ｓの形状の変化に注目すべきサイクルを特定することができ、また、特定したサイクルで測定された摺動面Ｓの形状から、摩擦力に変化が生じた原因を特定することができる。

なお、以上に説明した各実施形態では、レーザセンサ２１を支持機構１７に固定して、固定側試験片Ｔｓによる移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの摺動箇所の近傍を、摺動面Ｓの摺動摩擦と同期してレーザセンサ２１からのレーザ走査光ＬＢが走査するようにした。しかし、固定側試験片Ｔｓによる移動側試験片Ｔｍの摺動面Ｓの摺動摩擦と同期させずに、レーザセンサ２１からのレーザ走査光ＬＢで摺動面Ｓを走査するようにしてもよい。

また、レーザセンサ２１に代えて、光干渉法を利用した測定法やステレオカメラを利用した測定法によって、摺動面Ｓの形状を非接触測定するようにしてもよい。

そして、本発明の摩耗状態評価方法を実行する際に、本実施形態で説明した往復摩擦試験装置１以外の装置を用いてもよいことは、無論のことである。例えば、本実施形態では、往復摩擦試験装置１が加熱測温ユニット９，１１を有しており、固定側試験片Ｔｓ及び移動側試験片Ｔｍの温度を温度センサにより測定したりヒータにより加熱できるものとした。しかし、それらを省略した往復摩擦試験装置を、本発明の摩耗状態評価方法を実行する際に用いてもよい。

１ 往復摩擦試験装置
３ 移動側保持部
３ａ，７ａ 断熱材
５ アクチュエータ
７ 固定側保持部
９，１１ 加熱測温ユニット
１３ 負荷検出用圧電センサ
１５ せん断力検出用圧電センサ
１７ 支持機構
１９ コントローラ
２１ レーザセンサ
２３ フレーム
２５ バランスウエイト
ＬＢ レーザ走査光
Ｓ 摺動面
Ｔｍ 移動側試験片
Ｔｓ 固定側試験片
Ｘ 移動方向
Ｙ 幅方向

Claims (4)

1. コンピュータが、摺動摩擦が繰り返し加えられる試験片にかかる摩擦力を、前記試験片の摺動面の前記摺動摩擦が加わる摺動位置と関連付けて、前記摺動摩擦の繰り返し周期毎にセンサにより取得する摩擦力取得ステップと、
   前記コンピュータが、前記摺動面の形状を非接触測定センサにより、前記摺動摩擦の繰り返し周期毎に取得する形状取得ステップと、
   前記コンピュータが、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力と前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状とのうち少なくとも一方の、時間及び空間のうち少なくとも一方における変化の解析処理結果から、前記摺動面の特定の摺動位置における摩耗状態を評価する評価ステップと、
   を含む摩耗状態評価方法。
2. 前記コンピュータは、前記評価ステップにおいて、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力と前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状とのうち少なくとも一方の、時間微分及び空間微分のうち少なくとも一方の結果から、前記特定の摺動位置における摩耗状態を評価する請求項１記載の摩耗状態評価方法。
3. 前記コンピュータが、前記摩擦力取得ステップで取得した各周期の摩擦力から、前記特定の摺動位置における摩耗状態の評価に用いる摩擦力の周期を複数決定する評価周期決定ステップをさらに含み、
   前記コンピュータは、前記評価ステップにおいて、前記評価周期決定ステップで決定した各周期の前記形状取得ステップで取得した前記摺動面の形状の変化から、前記特定の摺動位置における摩耗状態を評価する、
   請求項１記載の摩耗状態評価方法。
4. 前記形状取得ステップでは、前記摺動摩擦と同期して前記摺動面を繰り返し走査する走査信号により前記摺動面の形状を取得する請求項１、２又は３記載の摩耗状態評価方法。