JP2017096845A - 摩擦試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの試料片を容易に面接触させることができる摩擦試験機を提供する。
【解決手段】摩擦試験機１は、試料台２４と、制御装置４と、荷重センサー２６と、トルクセンサー２３とを備える。試料台２４は、凹部２４ａが形成された載置面を有する。凹部２４ａは、第１試料片３１に対向する。第２試料片３２の載置面に、薄板状の第２試料片３２が、凹部２４ａを覆うように載置される。摩擦試験機１は、第１試料片３１を回転させつつ、第１試料片３１へ向けて試料台２４を移動させる。この動作により、回転する第１試料片３１によって、第２試料片３２が塑性変形する。制御装置４は、第２試料片３２を第１試料片３１に押し付ける荷重を増加させる。荷重センサー２６は、第２試料片３２を第１試料片３１に押し付ける荷重を検出する。トルクセンサー２３は、第１試料片３１に作用するトルクを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦試験機に関する。

機械には必ず相対運動を行う２面（２つの運動面）が存在する。そして、２面が相対運動する部分（摺動部）には、摩擦及び摩耗が発生する。摩擦及び摩耗が起こる要素には下記の４つがあり、摩擦及び摩耗には様々な要因が関わってくる。
＜１＞摺動部の材料とその組合せ（固体の材質、表面粗さ、硬さ、形状）
＜２＞潤滑膜（潤滑剤の物理的・化学的性質）
＜３＞摺動部及び潤滑膜を取り巻く環境（大気中か真空中か、ガスの種類、湿度、温度）
＜４＞摺動部を支える機械の剛性と作動条件（剛性や荷重、すべり速度など）

摩擦及び摩耗により、エネルギー及び資源の損失、騒音及び振動の発生、並びに、機能、性能及び信頼性の低下などが起こる。これらの問題を避けるには、摺動部における摩耗及び摩擦に関するデータを測定し、測定したデータに基づいて摩擦及び摩耗を制御する必要がある。摩耗及び摩擦に関するデータを測定するための摩擦試験機として代表的なものに、チムケン式測定装置、曽田式四球型、及びファレックス試験機がある。

チムケン式測定装置、曽田式四球型、及びファレックス試験機は、２つの試料片（テストピース）を点接触又は線接触させて、２つの試料片を摩擦する。しかし、実際は、２つの運動面は面接触することが多い。一方、摩擦及び摩耗対策を見出すには、対象となる現象がどのような環境にあるかを分析し、それに近い条件で評価試験を行うことで、摩擦及び摩耗現象に影響を及ぼす要因を把握することが必要になる。

特許文献１には、２つの試料片を面接触させて摩擦する摩擦試験機が開示されている。具体的には、特許文献１に開示された摩擦試験機は、円柱状の第１試料片と、凹部（曲面部）が形成された第２試料片とを使用する。第２試料片の凹部は、第１試料片の側面（円柱の側面）と同等の曲率を有する。特許文献１に開示された摩擦試験機は、回転する第１試料片の側面に対して、第２試料片の凹部を面接触させて、第１試料片と第２試料片とを摩擦する。

特開２０１４−１８５９１６号公報

しかしながら特許文献１に開示されているように、一方の試料片に、他方の試料片の曲面と同等の曲率を有する凹部を形成するには、高度な加工技術が必要となる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２つの試料片を容易に面接触させることができる摩擦試験機を提供することにある。

本発明の摩擦試験機は、第１駆動装置と、載置面と、第２駆動装置と、制御装置と、荷重センサーと、トルクセンサーとを備える。前記第１駆動装置は、第１試料片を回転させる。前記載置面は、凹部を有する。前記凹部は、前記第１試料片に対向する。前記第２駆動装置は、前記第１試料片へ向けて前記載置面を移動させて、前記凹部を覆うように前記載置面に載置された薄板状の第２試料片を、回転する前記第１試料片によって塑性変形させる。前記制御装置は、前記第２試料片を前記第１試料片に押し付ける荷重が増加するように前記第２駆動装置の動作を制御する。前記荷重センサーは、前記荷重に応じた信号を生成する。前記トルクセンサーは、前記第１試料片に作用するトルクの大きさに応じた信号を生成する。

ある実施形態において、前記摩擦試験機は、湿式潤滑剤を収容可能な収容槽を更に備える。前記載置面は前記収容槽内に配置される。前記第２駆動装置は、前記収容槽を移動させることにより、前記載置面を移動させて、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤を介して前記第１試料片と前記第２試料片とを接触させる。

ある実施形態において、前記摩擦試験機は、第１温度センサーと、加熱部材と、温度コントローラーとを更に備える。前記第１温度センサーは、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤の温度に応じた信号を生成する。前記加熱部材は、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤に熱を供給する。前記温度コントローラーは、前記第１温度センサーが生成する信号に基づき、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤の温度が所定の温度で保持されるように、前記加熱部材による加熱を制御する。

ある実施形態では、前記第１試料片のうちの前記第２試料片と接触する部分、及び、前記第２試料片のうちの前記第１試料片と接触する部分のうちの少なくとも一方が、固体潤滑剤によって覆われている。

ある実施形態において、前記制御装置は、前記トルクセンサーが生成する信号に基づき、前記トルクの測定値を取得する。また、前記荷重センサーが生成する信号に基づき、前記荷重の測定値を取得する。

ある実施形態において、前記摩擦試験機は、前記トルクの測定値と、前記荷重の測定値とに基づき、焼き付き荷重を検出する演算装置を更に備える。

ある実施形態において、前記演算装置は、前記トルクの測定値から、前記トルクの微分値を算出する。また、前記トルクの微分値が閾値以上となる前記荷重の測定値を前記焼き付き荷重として検出する。

ある実施形態において、前記摩擦試験機は、前記第２試料片の温度に応じた信号を生成する第２温度センサーを更に備える。前記制御装置は、前記第２温度センサーが生成する信号に基づき、前記第２試料片の温度の測定値を取得する。

ある実施形態において、前記第２温度センサーは、前記凹部の近傍に配置される。

ある実施形態において、前記第１試料片は曲面を含み、前記凹部は前記曲面に対向する。前記第２試料片は、回転する前記曲面によって塑性変形する。

ある実施形態において、前記曲面は、球面の一部を切り取った形状をしている。また、前記曲面は、前記第１試料片の下端部の外面に形成されている。前記第１駆動装置は、前記曲面の中心まわりに前記第１試料片を回転させる。

ある実施形態において、前記第１試料片は、球体である。

本発明によれば、２つの試料片を容易に面接触させることができる。

本発明の第１実施形態に係る摩擦試験機の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る第１試料片に作用するトルクと押し付け荷重との典型的な関係を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係る収容槽を示す側面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る試料台を示す平面図である。（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る試料台を示す断面図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係る収容槽の収容部を示す平面図である。（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る収容槽の収容部を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る収容部の位置調整を実行する際の摩擦試験機を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る第１試料片を示す図である。 本発明の実施形態に係る第１試料片の他例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による摩擦試験機の実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されない。図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る摩擦試験機の構成を示す図である。第１実施形態に係る摩擦試験機１は、第１試料片３１を回転させるとともに、回転する第１試料片３１に対し、湿式潤滑剤３３を介して第２試料片３２を押し付けて、摩擦試験を行う。摩擦試験機１は、湿式潤滑剤３３の耐焼き付き性の評価に使用し得る。具体的には、摩擦試験機１は、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重を測定する。

図１に示すように、摩擦試験機１は、本体部２、制御装置４、演算装置５、及び出力装置６を備える。更に、摩擦試験機１は、温度コントローラー７を備える。まず、本体部２について説明する。

本体部２は、第１駆動装置２１、支持軸２２、トルクセンサー２３、試料台２４、収容槽２５、荷重センサー２６、プレッシャーロッド２７、及び第２駆動装置２８を備える。本体部２は更に、試料片温度センサー２９、潤滑剤温度センサー７１、及び加熱部材７２を備える。

第１駆動装置２１は、例えばモーターであり、支持軸２２を所定の回転速度で回転させる。好適には、第１駆動装置２１は、第１試料片３１と第２試料片３２との相対速度が実際の摩擦条件に適合する回転速度で、支持軸２２を回転させる。例えば第１駆動装置２１は、支持軸２２を１０００ｒｐｍ以下の回転速度で回転させ得る。

支持軸２２は、第１軸２２ａ、第２軸２２ｂ、及び試料片ホルダー２２ｃを含む。トルクセンサー２３は、第１軸２２ａと第２軸２２ｂとの間に配置されて、第１軸２２ａ及び第２軸２２ｂに接続される。第１駆動装置２１が駆動すると、第１軸２２ａが回転し、第１軸２２ａから第２軸２２ｂへ、トルクセンサー２３を介して動力が伝達される。その結果、第２軸２２ｂが回転する。トルクセンサー２３には、回転トルクメーターを使用し得る。回転トルクメーターにより、第１軸２２ａと第２軸２２ｂとは同軸上に配置される。

支持軸２２は、第１試料片３１を支持して、第１試料片３１を試料台２４に対向させる。第１実施形態では、試料片ホルダー２２ｃが、第２軸２２ｂの先端側に取り付けられて、第１試料片３１を保持する。試料片ホルダー２２ｃは、例えばナットを含み得る。試料片ホルダー２２ｃが第１試料片３１を保持する構成を採用することにより、例えば支持軸そのものを交換する構成と比べて、第１試料片３１の交換が容易になる。したがって、第１試料片３１の材質やサイズ等の変更が容易になる。

第１試料片３１は、曲面を有する。試料片ホルダー２２ｃは、第１試料片３１の曲面が試料台２４に対向するように、第１試料片３１を保持する。第１駆動装置２１が駆動すると、支持軸２２（第２軸２２ｂ）の軸心を中心として第１試料片３１の曲面が回転する。

トルクセンサー２３は、回転する第１試料片３１に作用するトルクの大きさに応じた信号を生成する。トルクの大きさは、第１試料片３１に第２試料片３２を押し付ける力（負荷荷重）によって変化する。第１実施形態では、回転する支持軸２２（第２軸２２ｂ）に作用するトルクが、回転する第１試料片３１に作用するトルクとして検知される。例えば、トルクセンサー２３は、第１軸２２ａと第２軸２２ｂとのねじれの程度に応じた信号を生成する。なお、第１軸２２ａと第２軸２２ｂとは同軸上に配置されることが好ましい。第１軸２２ａと第２軸２２ｂとを同軸上に配置することにより、トルクの測定精度を高めることができる。

第１実施形態において、第１試料片３１は球体であり、第１試料片３１（球体）の一部が試料片ホルダー２２ｃから突出する。換言すると、試料片ホルダー２２ｃから球面の一部（曲面の一例）が突出する。したがって、第１駆動装置２１が駆動することにより、試料片ホルダー２２ｃから突出する球面の一部（第１試料片３１の曲面）が、支持軸２２（第２軸２２ｂ）の軸心を中心に回転する。球体の直径は、例えば８ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。なお、第１試料片３１の曲面の曲率は、一定に限定されるものではない。

第１試料片３１の曲面の中心は、支持軸２２（第２軸２２ｂ）の軸心上に位置することが好ましい。換言すると、第１試料片３１（球体）は、第１試料片３１の曲面（試料片ホルダー２２ｃから突出する球面の一部）の中心まわりに回転することが好ましい。第１試料片３１の曲面の中心が支持軸２２の軸心上に位置することにより、第１試料片３１に作用するトルクの測定精度を高めることができる。

試料台２４は、第２試料片３２が載置される載置面を有する。試料台２４は、載置面が第１試料片３１に対向するように収容槽２５内に配置される。試料台２４の載置面は、凹部２４ａを有する。試料台２４は、第１試料片３１の曲面（試料片ホルダー２２ｃから突出する球面の一部）が凹部２４ａに対向するように配置される。試料台２４は、無垢のステンレスを加工して作製し得る。試料台２４は、例えば直方体状である。この場合、試料台２４の載置面は矩形状である。試料台２４が直方体状である場合、試料台２４を平面視したときのサイズ（面積）、即ち、載置面のサイズは、例えば６０ｍｍ×６０ｍｍであり得る。また、試料台２４の高さは、例えば１０ｍｍであり得る。

第２試料片３２は薄板状であり、凹部２４ａを覆うように試料台２４の載置面に載置される。第２試料片３２の厚みは、例えば１ｍｍ以下であり得る。試料台２４の載置面が矩形状である場合、第２試料片３２の外形は矩形状であり得る。また、直方体状の試料台２４を平面視したときのサイズが６０ｍｍ×６０ｍｍである場合、第２試料片３２を平面視したときのサイズ（面積）は、６０ｍｍ×６０ｍｍであり得る。

試料台２４の凹部２４ａは、切削加工によって形成し得る。試料台２４の凹部２４ａの形状は特に限定されない。例えば、凹部２４ａの形状は、球面の一部を切り取った形状、四角錐、又は三角錐であり得る。あるいは、凹部２４ａは、断面視したときの形状がＶ字形であり得る。また、凹部２４ａを平面視したときの形状は、円形、矩形、又は菱形（ダイヤモンド形）であり得る。

収容槽２５は、試料台２４（載置面）と、第２試料片３２と、湿式潤滑剤３３とを収容する。収容槽２５に試料台２４を収容する構成を採用することにより、例えば第１試料片３１の曲面のサイズ及び形状に応じて、試料台２４の凹部２４ａのサイズ及び形状を変更することが容易となる。

第２試料片３２は、収容槽２５に収容された試料台２４の載置面上に載置される。収容槽２５は、少なくとも第１試料片３１と第２試料片３２との接触部（摺動部）を湿式潤滑剤３３中に浸漬可能な大きさに形成された収容凹部を有する。例えば、収容槽２５は、試料台２４と第２試料片３２とを収容した状態で２ｃｃの湿式潤滑剤３３を収容可能な収容凹部を有する。

荷重センサー２６は、収容槽２５とプレッシャーロッド２７との間に配置される。第２駆動装置２８は、プレッシャーロッド２７をその長手方向に変位させて、収容槽２５を第１試料片３１へ向けて移動させる。換言すると、試料台２４（載置面）と第２試料片３２とを第１試料片３１へ向けて移動させる。第２駆動装置２８は、油圧式のアクチュエータ、空圧式のアクチュエータ、又は電動式のアクチュエータであり得る。あるいは、第２駆動装置２８は、モーターと、ボールねじとを含み得る。

第２駆動装置２８が駆動すると、第２試料片３２（載置面）、試料台２４、収容槽２５、及び荷重センサー２６の位置がプレッシャーロッド２７の長手方向に沿って変位する。その結果、回転する第１試料片３１の曲面に第２試料片３２が押し付けられて、第２試料片３２が塑性変形する。具体的には、試料台２４の凹部２４ａに対応する位置で、第２試料片３２の一部が凹む。換言すると、第１試料片３１の曲面（球面の一部）に第２試料片３２の一部が面接触（密着）する。

第２試料片３２の凹みの深さは、第２試料片３２を第１試料片３１に押し付ける荷重（以下、押し付け荷重と記載する場合がある。）、及び第２試料片３２の厚みや材質等によるが、典型的には、数μｍ程度である。換言すると、試料台２４（プレッシャーロッド２７）の変位量は、数μｍ程度である。

試料台２４の凹部２４ａの形状及びサイズは、第２試料片３２の塑性変形を阻害しない限り、適宜に設定可能である。例えば、試料台２４の凹部２４ａの形状及びサイズは、第１試料片３１の材質、形状及びサイズや、第２試料片３２の材質及び厚み等に応じて設定され得る。具体的には、第１試料片３１（球体）の半径が１０ｍｍであり、第２試料片３２の厚みが１ｍｍである場合、凹部２４ａは、半径１１ｍｍ以下の球面の一部を切り取った形状であり得る。また、凹部２４ａの開口面（上面）の直径は２ｍｍ以下であり得る。なお、凹部２４ａの中心は、支持軸２２の軸心と一致することが好ましい。凹部２４ａの中心が支持軸２２の軸心と一致することにより、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重の測定精度を高めることが可能となる。

荷重センサー２６は、押し付け荷重（負荷荷重）に応じた信号を生成する。荷重センサー２６は、例えばロードセルである。なお、プレッシャーロッド２７の軸心は、支持軸２２の軸心と一致することが好ましい。プレッシャーロッド２７の軸心が支持軸２２の軸心と一致することにより、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重の測定精度を高めることが可能となる。

試料片温度センサー２９は、第２試料片３２の温度に応じた信号を生成する。第１実施形態において、試料片温度センサー２９は、収容槽２５の壁部（収容凹部を区画する壁部）に設けた孔を介して、試料台２４に設けた孔に挿入される。より詳しくは、試料片温度センサー２９の温度感知部が、凹部２４ａの近傍に配置される。具体的には、試料片温度センサー２９の温度感知部は、凹部２４ａから８ｍｍ以内の範囲に位置し得る。好適には、第１試料片３１の曲面（試料片ホルダー２２ｃから突出する球面の一部）の回転中心軸上に、試料片温度センサー２９の温度感知部を位置させる。例えば、試料片温度センサー２９の温度感知部は、凹部２４ａの最深部の直下に位置し得る。第１試料片３１の曲面の回転中心軸上に試料片温度センサー２９の温度感知部が位置することにより、第２試料片３２の温度測定の精度を高めることが可能となる。なお、試料片温度センサー２９は、例えば熱電対又はサーミスターである。

潤滑剤温度センサー７１は、収容槽２５（収容凹部）に収容された湿式潤滑剤３３の温度に応じた信号を生成する。加熱部材７２は、収容槽２５に収容された湿式潤滑剤３３に熱を供給する。第１実施形態において、加熱部材７２は、収容槽２５に設けた孔に挿入されて、収容槽２５を加熱する。その結果、湿式潤滑剤３３に熱が供給される。潤滑剤温度センサー７１は、例えば熱電対又はサーミスターである。また加熱部材７２は、例えばセラミックヒーターである。

続いて、制御装置４について説明する。制御装置４は、例えばコンピューターを含み得る。換言すると、制御装置４は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のようなプロセッサーを含み得る。なお、制御装置４は、ノイマン型の動作モデルを採用したコンピューターを含んでもよいし、ステートマシンを動作モデルとするコンピューター（所謂プログラマブルコントローラー）を含んでもよい。あるいは、制御装置４は、ノイマン型の動作モデルを採用したコンピューター、及びステートマシンを動作モデルとするコンピューターの両方を含み得る。

制御装置４は、第１駆動装置２１の駆動回路、及び第２駆動装置２８の駆動回路を含む。制御装置４は、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２８の動作を制御する。詳しくは、制御装置４は、第１試料片３１が所定の回転速度で回転するように第１駆動装置２１の動作を制御する。また、連続的又は段階的に押し付け荷重が増加するように第２駆動装置２８の動作を制御する。なお、押し付け荷重の増加率は一定であることが好ましい。押し付け荷重の増加率が一定であることにより、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重の測定精度を高めることができる。

制御装置４は、トルクセンサー２３が生成する信号に基づき、第１試料片３１に作用するトルクの測定値を取得する。また制御装置４は、荷重センサー２６が生成する信号に基づき、押し付け荷重の測定値を取得する。例えば、制御装置４は、押し付け荷重に対応する圧力の値を取得し得る。制御装置４は更に、試料片温度センサー２９が生成する信号に基づき、第２試料片３２の温度の測定値を取得する。例えば制御装置４は、Ａ／Ｄ変換回路を含み得る。制御装置４がＡ／Ｄ変換回路を含む場合、制御装置４は、トルクセンサー２３が生成する信号（アナログ信号）をデジタル化して、第１試料片３１に作用するトルクの測定値を取得する。同様に、荷重センサー２６が生成する信号（アナログ信号）をデジタル化して、押し付け荷重の測定値を取得する。また、試料片温度センサー２９が生成する信号（アナログ信号）をデジタル化して、第２試料片３２の温度の測定値を取得する。

制御装置４が取得したトルクの測定値（トルクデータ）、押し付け荷重の測定値（荷重データ）、及び第２試料片３２の温度の測定値（温度データ）は、演算装置５に入力される。制御装置４は、トルクデータ、荷重データ、及び温度データをＣＳＶ（Ｃｏｍｍａ−Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｖａｌｕｅｓ）出力してもよい。例えば、制御装置４は、トルクの測定値、押し付け荷重の測定値、及び温度の測定値を取得するための制御盤と、ＣＳＶ出力を実行するためのノート型パーソナルコンピューターとを含み得る。なお、ＣＳＶ出力を実行するためのプログラムは、例えばＶｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）を用いて作成し得る。

トルクデータ、荷重データ、及び温度データを演算装置５に入力するための媒体は、特に限定されない。例えば、トルクデータ、荷重データ、及び温度データを演算装置５に入力するための媒体として、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤのような記録媒体、ＵＳＢメモリのような記憶装置、及びケーブルを使用し得る。同様に、制御盤からノート型パーソナルコンピューターへ各測定値を入力するための媒体として、ＣＤやＤＶＤのような記録媒体、ＵＳＢメモリのような記憶装置、及びケーブルを使用し得る。

続いて、演算装置５、及び出力装置６について説明する。演算装置５は、トルクデータと、荷重データとに基づき、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重を検出（測定）する。演算装置５は、例えばコンピューターを含み得る。換言すると、演算装置５は、ＣＰＵ又はＭＰＵのようなプロセッサーを含み得る。例えば、演算装置５は、パーソナルコンピューターである。

第１実施形態において、演算装置５は、第１試料片３１に作用するトルクの測定値（トルクデータ）から、トルクの変化の勾配（変化率）を算出する。換言すると、トルクの微分値を算出する。更に、演算装置５は、トルクの微分値が閾値以上となるときの押し付け荷重の測定値を、湿式潤滑剤３３の焼き付き荷重として検出する。閾値は演算装置５に予め設定されている。具体的には、閾値は、使用する第１試料片３１及び第２試料片３２の材質や、支持軸２２の回転速度等に応じて予め設定する。また、演算装置５は、第２試料片３２の温度データに基づいて、焼き付き発生時の第２試料片３２の温度を検出する。

焼き付きは、温度上昇に伴う油膜破断などに起因して摩擦面が良好な潤滑状態を維持できなくなり、摩擦係数が急速に増大することによって発生する。したがって、焼き付きが発生するとき、第１試料片３１に作用するトルクが急激に上昇する。よって、トルクの微分値に基づいて、焼き付きの発生を検知することができる。また、トルクの測定値と、押し付け荷重の測定値との対応関係から、焼き付き発生時の押し付け荷重（焼き付き荷重）を検出（測定）することができる。

演算装置５は、焼き付き荷重を示す画像、及び焼き付き発生時の第２試料片３２の温度を示す画像を出力装置６から出力させる。出力装置６は、例えばディスプレイ又はプリンターを含む。出力装置６がディスプレイを含む場合、演算装置５は、ディスプレイに画像を表示させるための画像データを生成する。出力装置６がプリンターを含む場合、演算装置５は、記録紙のような被記録媒体に画像を印字させるための画像データを生成する。

続いて、温度コントローラー７について説明する。温度コントローラー７は、潤滑剤温度センサー７１が生成する信号に基づき、湿式潤滑剤３３の温度が所定の温度で保持されるように、加熱部材７２による加熱を制御する。例えば温度コントローラー７は、加熱部材７２へ供給する電力を調整して、加熱部材７２による加熱を制御する。湿式潤滑剤３３の温度を一定の温度に維持することにより、恒温状態での摩擦試験が可能になる。また、湿式潤滑剤３３の温度を調節することにより、様々な温度環境下で摩擦試験を行うことが可能となる。よって、湿式潤滑剤３３の温度と焼き付き荷重との関係を示すことが可能となる。

続いて、摩擦試験機１を用いた摩擦試験について説明する。摩擦試験機１を用いて摩擦試験を行う場合、まず、実際の摩擦条件に合わせて、第１試料片３１及び第２試料片３２の材質を選定する。第１試料片３１の材質には、セラミックス、真鍮、及びステンレス等を使用し得る。したがって、第１試料片３１として、セラミックボール、真鍮ボール、及び高炭素クロム鋼球（例えばＪＩＳで規格化されているＳＵＪ２製の鋼球）等を使用し得る。また、第２試料片３２の材質は、純銅、真鍮、ステンレス、及び鉄等のうちから選定し得る。更に、第１試料片３１及び第２試料片３２の材質や押し付け荷重等の条件から、第１試料片３１の直径や第２試料片３２の厚み等を選定する。

次に、第１試料片３１を試料片ホルダー２２ｃに保持させる。また、実際に使用する湿式潤滑剤３３を収容槽２５に注入した後、第２試料片３２を試料台２４の載置面に載置する。

なお、実際の運動面の少なくとも一方が固体潤滑剤（例えば、ダイヤモンドライクカーボン膜）で覆われている場合には、固体潤滑剤を使用する。具体的には、実際の条件に合わせて、第１試料片３１のうちの第２試料片３２と接触する部分、及び、第２試料片３２のうちの第１試料片３１と接触する部分のうちの少なくとも一方を、固体潤滑剤によって覆うことが好ましい。

次に、ユーザーが制御装置４に、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２８の動作開始（摩擦試験の開始）を指示する。その指示に応じて、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２８が駆動を開始する。その結果、第１試料片３１が所定の回転速度で回転する一方で、収容槽２５及び試料台２４（載置面）が上昇して、回転する第１試料片３１に湿式潤滑剤３３を介して第２試料片３２が接触する。制御装置４は、荷重センサー２６の出力から、第１試料片３１と第２試料片３２との接触を検知すると、第２駆動装置２８の動作を一旦停止させる。例えば、制御装置４は、荷重センサー２６の出力から、数ｇの押し付け荷重を取得すると、第２駆動装置２８の動作を一旦停止させる。

その後、制御装置４は、第２駆動装置２８の動作を再開させる。これにより、摩擦試験が行われる。具体的には、回転する第１試料片３１に第２試料片３２が押し付けられる。詳しくは、第１試料片３１と第２試料片３２とが接触した時の押し付け荷重（以下、押し付け荷重の初期値と記載する。）を基準に、徐々に押し付け荷重（負荷荷重）が増加する。その結果、回転接触する第１試料片３１と第２試料片３２との間の押し付け荷重及びトルクが連続的に測定される。例えば、制御装置４は、押し付け荷重の初期値から５ｋｇステップで段階的に押し付け荷重が増加するように第２駆動装置２８の動作を制御する。なお、湿式潤滑剤３３の温度を恒温状態にして摩擦試験を行う場合には、温度コントローラー７によって湿式潤滑剤３３の温度を所定の温度に調節した後に、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２８の動作を開始させる。

その後、ユーザーが制御装置４に、第１駆動装置２１及び第２駆動装置２８の動作を停止させる指令（摩擦試験の終了の指令）を与えて、摩擦試験が終了する。摩擦試験に要する時間は、第１試料片３１及び第２試料片３２の材質や、湿式潤滑剤３３の種類等によるが、典型的には５分以内である。

摩擦試験によって得られた各種の測定データは、演算装置５に入力される。演算装置５は、ユーザーからの指示により、焼き付き荷重を検出（測定）するとともに、焼き付き発生時の第２試料片３２の温度を検出（測定）する。また、演算装置５は、ユーザーからの指示により、焼き付き荷重を示す画像、及び焼き付き発生時の第２試料片３２の温度を示す画像を出力装置６に出力させる。

図２は、第１試料片３１に作用するトルクと押し付け荷重との典型的な関係を示す線図（グラフ）である。詳しくは、図２は、第１試料片３１に作用するトルクの変化と、押し付け荷重の変化との関係を示す。図２において、縦軸はトルクの測定値［Ｎ・ｍ］を示し、横軸は押し付け荷重の測定値［Ｎ／ｍｍ²］を示す。図２に示すように、焼き付きが発生すると、第１試料片３１に作用するトルクが急激に変化する。詳しくは、トルクの微分値（トルクの上昇傾き）が大きくなる。第１実施形態では、トルクの微分値が予め設定した閾値以上となったときの押し付け荷重が、焼き付き荷重として検出される。

以上説明した第１実施形態によれば、第２試料片３２を塑性変形させて、第１試料片３１と第２試料片３２とを面接触させることができる。よって、第１試料片３１と第２試料片３２とを容易に面接触（密着）させることができる。

また、第１試料片３１と第２試料片３２とを面接触させることにより、押し付け荷重に増加に応じて、第１試料片３１に作用するトルクが増加する。換言すると、第１試料片３１と第２試料片３２とを面接触させることにより、第１試料片３１に作用するトルクと焼き付き荷重との関係を得ることができる。よって、第１試料片３１に作用するトルクから、焼き付き荷重を測定することが可能となる。

更に、第１実施形態によれば、第２試料片３２の温度を測定することにより、焼き付き発生時の摺動部の温度を検出することができる。したがって、焼き付き荷重と、焼き付き発生時の摺動部の温度との関係を得ることができる。

また、第１実施形態に係る摩擦試験機１は、第１駆動装置２１の動作を制御することにより、第１試料片３１の回転速度を調節することができる。よって、摩擦面の相対速度の条件を様々に変更して、耐焼き付き性の評価を行うことができる。

また、第１実施形態に係る摩擦試験機１は、加熱部材７２による加熱を制御することにより、湿式潤滑剤３３の温度を調節することができる。よって、幅広い温度範囲（例えば６００℃以下の範囲）で耐焼き付き性の評価を行うことができる。

また、第１実施形態に係る摩擦試験機１は、第２駆動装置２８の動作を制御することにより、押し付け荷重（負荷圧力）を調節することができる。よって、負荷圧力（負荷荷重）を高めることにより、短時間（例えば、５分）での耐焼き付き性の評価が可能となる。

更に、第１実施形態に係る摩擦試験機１は、収容槽２５に湿式潤滑剤３３を収容していない状態で摩擦試験を行うこともできる。したがって、様々な環境下（油中、大気中、高温、高負荷荷重）で耐焼き付き性の評価を行うことができる。

なお、第１実施形態では、試料台２４が収容槽２５に収容される構成について説明したが、試料台２４と収容槽２５とは一体であり得る。この場合、収容槽２５の収容凹部の底面が載置面となる。また、収容槽２５の収容凹部の底面に凹部２４ａが形成される。

また、第１実施形態では、第１試料片３１が球体である場合を例に説明したが、第１試料片３１は、球体に限定されるものではない。例えば、第１試料片３１は、球体の一部の形状を有し得る。換言すると、第１試料片３１の下端部の外面のみが、球面の一部を切り取った形状であり得る。具体的には、第１試料片３１は、半球又は１／３球であり得る。

［第２実施形態］
続いて図３〜図６を参照して、第２実施形態について説明する。但し、第１実施形態と異なる事項を主に説明し、第１実施形態と重複する説明は適宜割愛する。第２実施形態は、収容槽２５の構成が第１実施形態と異なる。

図３は、第２実施形態に係る収容槽２５を示す側面図である。図３に示すように、収容槽２５は、収容部２５１と、土台２５２と、ネジ２５３とを含む。収容部２５１は、ネジ２５３によって土台２５２に固定される。

図４（ａ）は、第２実施形態に係る試料台２４を示す平面図であり、図４（ｂ）は、第２実施形態に係る試料台２４を示す断面図である。詳しくは、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った断面を示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、試料台２４は直方体状である。よって、試料台２４の載置面２４ｂは矩形状である。また、凹部２４ａは、球面の一部を切り取った形状である。

図５（ａ）は、第２実施形態に係る収容槽２５の収容部２５１を示す平面図であり、図５（ｂ）は、第２実施形態に係る収容槽２５の収容部２５１を示す断面図である。詳しくは、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面を示している。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、収容部２５１は、収容凹部２５１ａと、ネジ孔２５１ｂとを有する。

収容凹部２５１ａは、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照して説明した試料台２４を収容する。試料台２４が直方体状である場合、収容凹部２５１ａは、試料台２４の厚みよりも深さが深い直方体状である。収容凹部２５１ａを平面視したときの形状及びサイズは、試料台２４の載置面２４ｂの形状及びサイズと略一致するか、又は一致する。ネジ孔２５１ｂには、図３を参照して説明したネジ２５３が挿通される。

第２実施形態では、図３を参照して説明した土台２５２に収容部２５１を固定する際に、試料台２４の凹部２４ａの中心が支持軸２２の軸心上に位置するように収容部２５１の位置を調整する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、収容部２５１の位置調整を実行する際の摩擦試験機１を示す図である。

収容部２５１の位置調整を行う際には、まず、ネジ２５３によって、収容部２５１を土台２５２に仮止めする。即ち、収容部２５１が土台２５２上である程度動くことが可能な程度に、ネジ２５３を弱く締め付ける。

その後、第１試料片３１を回転させつつ、収容槽２５を押し上げて、例えば１ｋｇ程度の荷重で試料台２４の凹部２４ａに第１試料片３１を接触させる。その結果、試料台２４の凹部２４ａの中心が支持軸２２の軸心上に位置するようになる。

試料台２４の凹部２４ａに第１試料片３１を接触させた後、第１試料片３１の回転、及び収容槽２５の上昇を停止させる。次いで、ネジ２５３によって、収容部２５１を土台２５２に固定する。即ち、ネジ２５３を固く締め付ける。

以上説明した第２実施形態によれば、容易に試料台２４の凹部２４ａの中心を支持軸２２の軸心上に位置させることができる。

［第３実施形態］
続いて図７を参照して、第３実施形態について説明する。但し、第１実施形態及び第２実施形態と異なる事項を主に説明し、第１実施形態及び第２実施形態と重複する説明は適宜割愛する。第３実施形態は、第１試料片３１が第１実施形態及び第２実施形態と異なる。

図７は、第３実施形態に係る第１試料片３１を示す図である。図７に示すように、第３実施形態では、第１試料片３１は軸状部材（棒状部材）である。第１試料片３１は、図１を参照して説明した第２軸２２ｂと同様にトルクセンサー２３と接続している。また、第１試料片３１の先端面３１１は曲面である。例えば、第１試料片３１の先端面３１１は、球面の一部を切り取った形状であり得る。

以上説明した第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、第１試料片３１に作用するトルクから、焼き付き荷重を測定することが可能となる。

以上、本発明による実施形態について図面を参照しながら説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。

例えば、本発明による実施形態では、第１試料片３１の曲面が球面の一部を切り取った形状である場合を例に説明したが、第１試料片３１の曲面は、球面の一部を切り取った形状に限定されるものではない。例えば、第１試料片３１は、円柱状又は円盤状であり得る。この場合、第１試料片３１の側面（外周面）が曲面となる。したがって、試料台２４（第２試料片３２）を移動させる方向は、支持軸２２の軸心に垂直な方向となる。

図８は、第１試料片３１の他例を示す図である。図８に示すように、第１試料片３１が円盤状である場合、円盤の側面（外周面）が、第１試料片３１の曲面である。この場合、支持軸２２の軸心方向は、試料台２４（第２試料片３２）を移動させる方向（矢印Ｄで示す方向）に直交させる。

また、本発明による実施形態では、湿式潤滑剤３３の耐焼き付き性を評価する場合を例に説明したが、摩擦試験機１は、湿式潤滑剤３３の耐焼き付き性の評価にのみ使用されるものではない。例えば摩擦試験機１は、固体潤滑剤の焼き付き性の評価にも使用し得る。固体潤滑剤の焼き付き性を評価する際には、実際の条件に合わせて、第１試料片３１のうちの第２試料片３２と接触する部分、及び、第２試料片３２のうちの第１試料片３１と接触する部分のうちの少なくとも一方を固体潤滑剤によって覆う。また、収容槽２５を空にして摩擦試験を行う。なお、摩擦試験機１を固体潤滑剤の焼き付き性の評価にのみ使用する場合は、収容槽２５は省略され得る。

また、本発明による実施形態では、演算装置５が焼き付き荷重を検出（測定）し、出力装置６が、焼き付き荷重を示す画像を出力する場合を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。演算装置５は、第１試料片３１に作用するトルクの測定値と、押し付け荷重の測定値と、第２試料片３２の温度の測定値とを示す画像を出力装置６に出力させてもよい。例えば、演算装置５は、トルクの測定値と、押し付け荷重の測定値と、第２試料片３２の温度の測定値との関係を示すグラフの画像を、出力装置６に出力させ得る。

また、本発明による実施形態では、湿式潤滑剤３３の温度を一定の温度に維持可能な構成を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。湿式潤滑剤３３の温度を一定の温度に維持する必要がない場合は、温度コントローラー７、潤滑剤温度センサー７１、及び加熱部材７２は省略され得る。

また、本発明による実施形態では、第２試料片３２の温度を測定可能な構成を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。第２試料片３２の温度の測定を必要としない場合、試料片温度センサー２９は省略され得る。また、制御装置４における第２試料片３２の温度の測定値を取得する機能や、演算装置５における第２試料片３２の温度を示す画像を生成する機能を省略し得る。

また、本発明による実施形態では、収容槽２５に湿式潤滑剤３３を収容する構成を例に説明したが、第１試料片３１と第２試料片３２との摺動部に、例えばポンプにより湿式潤滑剤を供給してもよい。

本発明は、潤滑剤の耐焼き付き性の評価に有用である。

１ 摩擦試験機
２ 本体部
４ 制御装置
５ 演算装置
２１ 第１駆動装置
２２ 支持軸
２３ トルクセンサー
２４ 試料台
２４ａ 凹部
２５ 収容槽
２６ 荷重センサー
２８ 第２駆動装置
３１ 第１試料片
３２ 第２試料片
３３ 湿式潤滑剤

Claims (12)

1. 第１試料片を回転させる第１駆動装置と、
   前記第１試料片に対向する凹部を有する載置面と、
   前記第１試料片へ向けて前記載置面を移動させて、前記凹部を覆うように前記載置面に載置された薄板状の第２試料片を、回転する前記第１試料片によって塑性変形させる第２駆動装置と、
   前記第２試料片を前記第１試料片に押し付ける荷重が増加するように前記第２駆動装置の動作を制御する制御装置と、
   前記荷重に応じた信号を生成する荷重センサーと、
   前記第１試料片に作用するトルクの大きさに応じた信号を生成するトルクセンサーと
   を備える、摩擦試験機。
2. 湿式潤滑剤を収容可能な収容槽を更に備え、
   前記載置面は前記収容槽内に配置され、
   前記第２駆動装置は、前記収容槽を移動させることにより、前記載置面を移動させて、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤を介して前記第１試料片と前記第２試料片とを接触させる、請求項１に記載の摩擦試験機。
3. 前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤の温度に応じた信号を生成する第１温度センサーと、
   前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤に熱を供給する加熱部材と、
   前記第１温度センサーが生成する信号に基づき、前記収容槽に収容されている前記湿式潤滑剤の温度が所定の温度で保持されるように、前記加熱部材による加熱を制御する温度コントローラーと
   を更に備える、請求項２に記載の摩擦試験機。
4. 前記第１試料片のうちの前記第２試料片と接触する部分、及び、前記第２試料片のうちの前記第１試料片と接触する部分のうちの少なくとも一方が、固体潤滑剤によって覆われている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摩擦試験機。
5. 前記制御装置は、
   前記トルクセンサーが生成する信号に基づき、前記トルクの測定値を取得し、
   前記荷重センサーが生成する信号に基づき、前記荷重の測定値を取得する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の摩擦試験機。
6. 前記トルクの測定値と、前記荷重の測定値とに基づき、焼き付き荷重を検出する演算装置を更に備える、請求項５に記載の摩擦試験機。
7. 前記演算装置は、
   前記トルクの測定値から、前記トルクの微分値を算出し、
   前記トルクの微分値が閾値以上となる前記荷重の測定値を前記焼き付き荷重として検出する、請求項６に記載の摩擦試験機。
8. 前記第２試料片の温度に応じた信号を生成する第２温度センサーを更に備え、
   前記制御装置は、前記第２温度センサーが生成する信号に基づき、前記第２試料片の温度の測定値を取得する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の摩擦試験機。
9. 前記第２温度センサーは、前記凹部の近傍に配置される、請求項８に記載の摩擦試験機。
10. 前記第１試料片は曲面を含み、
    前記凹部は前記曲面に対向し、
    前記第２試料片は、回転する前記曲面によって塑性変形する、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の摩擦試験機。
11. 前記曲面は球面の一部を切り取った形状であり、前記第１試料片の下端部の外面に形成されており、
    前記第１駆動装置は、前記曲面の中心まわりに前記第１試料片を回転させる、請求項１０に記載の摩擦試験機。
12. 前記第１試料片は、球体である、請求項１１に記載の摩擦試験機。

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