JP3827271B2 - トラクション試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油膜を介してのころがり滑りを伴う２面間のトルク伝達特性を測定するためのトラクション試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトラクション試験装置には、円筒試験片と円筒試験片とをころがり滑りさせるローラ＆ローラ方式と、円板試験片と円筒試験片とをころがり滑りさせるディスク＆ローラ方式とがある。ローラ＆ローラ方式には、特開平６−３０８０１６号公報に開示されているように、２円筒型や４円筒型の試験装置が使用されている。
２円筒型トラクション試験では、図１１に示すように、２つの円筒試験片１、２を荷重Ｎで圧接してころがり滑りさせ、油膜３が固化する高面圧下（１ＧＰａ以上）条件で剪断力（トラクション）Ｆにより動力を伝達する。この動力伝達力はベース油で決まり、油の伝達力はトラクション係数（μ）として次式で表す。
μ＝Ｆ／Ｎ
そして、トラクション特性を測定するために、圧接荷重Ｎを測定するとともに、トルクを測定してトルクから剪断力Ｆを演算し、ＮとＦからトラクション係数を演算している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
精度の高いトラクション測定を行うためには、圧接力、トルクを精度よく測定しなければならないが、従来の装置では、つぎの問題があった。
▲１▼ 圧接力の測定において、試験片にかかる圧接力を負荷荷重検出器で測定する場合、圧接力の一部が試験片を回転支持するスピンドル装置と架台とのフリクションロスに消費されて、負荷荷重検出器は真の圧接力を検出できず、精度の高い圧接力検出ができなかった。
▲２▼ トルク検出において、高負荷条件（高速）下で精度よい測定ができなかった。従来の装置では、Φ１００以下の試験片で１０ｍ／ｓ以下の周速の試験能力が試験精度上限界であった。それ以上の高負荷条件下での試験を行うために、試験片の径を大にすると、試験機の大型化を招き、また、回転数を上げると、回転部でのフリクションロスの増大、試験機自体の共振が生じ、測定精度低下を伴っていた。
本発明の目的は、精度の高いトラクション特性測定を行うことができるトラクション試験装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、つぎの通りである。
（１） 第１の円筒試験片を支持して回転させる第１の駆動軸ユニットと第２の円筒試験片を支持して回転させる第２の駆動軸ユニットを有し、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片とをオイル供給下で圧接させつつ回転摺動させるトラクション試験装置であって、
前記第１の駆動軸ユニットが、駆動モータ、スピンドルユニット、駆動モータとスピンドルユニットをつなぐフレキシブルッカップリングを有し、スピンドルユニットとトルク計を共通の架台に載せ、該架台をエアベアリングにてベースから浮き上がらせて支持した、トラクション試験装置。
（２） 前記トルク計に高剛性化トルク計を選定し、前記スピンドルユニットに高速回転対応の軸受ユニットを使用し、前記駆動モータの試験時使用最高回転速度を約１２０００ｒｐｍに上げた（１）記載のトラクション試験装置。
（３） 第１の駆動軸ユニットと第２の駆動軸ユニット間に電圧を印加し第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との接触の有無を電圧の変化で検出可能とした（１）記載のトラクション試験装置。
【０００５】
上記（１）のトラクション試験装置では、スピンドルユニットとトルク計を共通の架台に載せ、該架台をエアベアリングにて浮き上がらせて支持したので、架台とベースとの摩擦を受けることなく、第１の円筒試験片にかかる荷重を高精度に測定することができる。また、トルク計に入る振動のうち試験機のベースからの成分がエアベアリングで遮断されるので、トルク測定のノイズが低減し、測定トルクとそれから演算されるオイル剪断力を高精度に測定、演算することができる。これらによって、トラクション特性を高精度に測定できる。
上記（２）のトラクション試験装置では、トルク計に高剛性化トルク計を選定したので、トルク計の、試験機との共振を抑制でき、したがってノイズを低減でき、オイル剪断力を高精度に求めることができ、トラクション特性を高精度に測定できる。
上記（３）のトラクション試験装置では、第１の駆動軸ユニットと第２の駆動軸ユニット間に電圧を印加したので、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との接触の有無を電圧の変化で検出でき（完全接触した場合は導通して電圧が０となる）、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との直接接触がない状態下での試験であることを確認することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明実施例のトラクション試験装置を、図１〜図１０を参照して、説明する。
本発明実施例のトラクション試験装置は、図１、図２、図６に示すように、第１の円筒試験片１を支持して回転させる第１の駆動軸ユニット１０と、第２の円筒試験片２を支持して回転させる第２の駆動軸ユニット２０と、第１の駆動軸ユニット１０と第２の駆動軸ユニット２０との間のスペースに配置された試験油槽３０と、油温調整ユニット４０と、第１の駆動軸ユニット１０と第２の駆動軸ユニット２０と試験油槽３０を支持するベース５０を有する。
【０００７】
第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２とは、回転軸芯を平行にして試験油槽３０内に配置され、オイル供給下で、円筒側面で圧接されつつ回転摺動され、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２間にころがり滑りが生じる。図１１で説明したように、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２との間には油膜３が存在し、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２とは直接には接触しない。圧接力をＮとし、オイルの剪断力をＦとすると、トラクション係数μは、
μ＝Ｆ／Ｎ
である。Ｆは第１の円筒試験片１にかかるトルクＴから演算できる（第１の円筒試験片１の半径をｒとすると、Ｆ＝Ｔ／ｒ）。
【０００８】
図１、図２に示すように、本発明実施例のトラクション試験装置は、トラクション特性を求めるために、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２間の圧接荷重Ｎと第１の円筒試験片１にかかるトルクＴを計測する装置である。圧接荷重は負荷荷重検出器６０（たとえば、ロードセル）にて測定され、トルクはトルク計７０により検出される。負荷荷重検出器６０はベース５０上に支持、固定され、トルク計７０は第１の駆動軸ユニット１０側に設けられる。
【０００９】
図１〜図４に示すように、第１の駆動軸ユニット１０は、駆動モータ１１、スピンドルユニット１２、駆動モータ１１の回転軸とスピンドルユニット１２の回転軸を軸芯ずれを吸収可能に連結するフレキシブルッカップリング１３を有する。トルク計７０は、スピンドルユニット１２のフレキシブルカップリング１３側に設けられる。トルク計７０のスピンドルユニット１２側には回転検出器８０（たとえば、エンコーダ）が設けられる。第１の円筒試験片１はスピンドルユニット１２の回転軸に取り付けられて回転される。
【００１０】
スピンドルユニット１２とトルク計６０は共通の１つの架台１４に載せられ、架台１４に固定されている。駆動モータ１１も架台１４に載せられ、架台１４に固定されている。架台１４はエアベアリング１５にて、架台１４とは別部材のベース５０から浮き上がらせて支持されている。エアベアリング１５の圧縮エアは架台１４をベース５０からエア圧で浮き上がらせ、ベース５０からトルク計７０およびスピンドルユニット１２への振動やノイズ等の伝達を遮断している。図１に斜線を施した部分がエアベアリング１５の部分である。
【００１１】
スピンドルユニット１２から負荷荷重検出器６０までアーム１６が延びている。負荷荷重検出器６０はベース５０に載せられ、ベース５０に固定されている。アーム１６はスピンドルユニット１２に支持されておりスピンドルユニット１２に固定されている。スピンドルユニット１２に、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２との圧接力である負荷荷重Ｎがかかった時、アーム１６が負荷荷重検出器６０を押し、負荷荷重検出器６０が負荷荷重Ｎを検出、測定する。
【００１２】
スピンドルユニット１２は高負荷（高速回転、大荷重）対応のもので、高速回転時のフリクションロスが小なように高潤滑されていると共に、試験時の、高速回転域（モータ回転で１２０００ｒｐｍ域）を含む使用回転数範囲で共振を生じないように、回転軸およびそれを軸受を介して支持するケーシングの剛性が選定、設定されている（高剛性化）。スピンドルユニット１２を使用回転数範囲で共振を生じないだけの高剛性とする理由は、共振を生じると、負荷荷重検出器６０で測定される荷重およびトルク計７０で測定されるトルクにおけるばらつきが大きくなって、測定精度が低下するので、それを防止するためである。図８はスピンドルユニット１２の回転軸に、静的に重錘を付加して荷重を実測し荷重の静的検定を行った結果を示しているが、重錘の荷重と実測荷重がほぼ一致しており、かつ荷重を徐々に増していく時と荷重を徐々に除去していく時とがヒステリシスをえがかかないことを示しており、スピンドルユニット１２が高剛性を有していることを意味している。
【００１３】
トルク計７０には、試験時の、高速回転域（モータ回転で１２０００ｒｐｍ域）を含む使用回転数範囲で共振を生じないだけの、高剛性のものが選定される。高剛性とするために、トルク計７０には、軸と一体となって回転するタイプのものではなく、架台１４に取り付けられ固定されるタイプのトルク計が選定、使用される。トルク計７０を高剛性とする理由は、回転軸の回転との共振を生じると、トルク計７０で測定されるトルクのばらつきが大きくなって、測定精度が低下するので、それを防止するためである。
【００１４】
スピンドルユニット１２およびトルク計７０を高剛性化したので、従来精度維持上から最大回転数を上げることを抑えられていた（従来は最大回転数は約６０００ｒｐｍ）駆動モータ１１の最大回転数を上げることが許容され、駆動モータ１１の試験時使用最高回転速度が約１２０００ｒｐｍに上げられる。したがって、駆動モータ１１には超高速回転（１２０００ｒｐｍ）モータが用いられる。
高速回転により、円筒試験片の周速が上がり、高負荷域でのトラクション試験が、円筒試験片の径を増大することなく試験機を大型化することなく、可能である。本発明実施例の場合は、円筒試験片の径を小型化（Φ６０ｍｍ）さえ可能であり、これによって、試験機の小型化が可能である。
【００１５】
第２の駆動軸ユニット２０は、図１、図２、図５に示すように、超高速回転（１２０００ｒｐｍ）モータからなる駆動モータ２１と、高負荷対応のスピンドルユニット２２と、駆動モータ２１とスピンドルユニット２２とを連結するフレキシブルカップリング２３とを、有する。スピンドルユニット２２のフレキシブルカップリング２３側には、回転検出機８１（たとえば、エンコーダ）が設けられる。
駆動モータ２１とフレキシブルカップリング２３と回転検出機８１とスピンドルユニット２２は１つの架台２４上に支持されている。架台２４はベース５０に対して、スピンドルユニット２２の軸芯の延びる方向と直交する方向に移動可能とされている。架台２４の下部にはＬＭ（リニアモーション）ガイドベアリング２５および軸間距離調整部微小（０．２５×１０^-6ｍピッチ）送り機構（減速機とボールねじ）２６があり、軸間距離および負荷荷重を正確に調整することが可能になっている。
【００１６】
試験油槽３０はΦ６０の円筒試験片を一対槽３０内に入れて試験が可能である。図１０に示すように、テストオイルは油温調整ユニット４０から循環ポンプ４１、ホース４２を介して試験油槽３０に供給しており、高速回転時にも十分オイルが供給されるように、２個の円筒試験片の中心の真上からジェット状に供給している。オイルはホース４３を介して油温調整ユニット４０に戻される。試験油槽３０で加熱により蒸発したオイルは、吸引されてホース４４を介してリザーバタンク４５に戻されて液化された後、ホース４６を介して油温調整ユニット４０に戻される。
【００１７】
油温調整ユニット４０は、２重構造となっており、内側にテストオイルが入れられ、外側に熱媒体であるシリコンオイルが入れられる。テストオイルはシリコンオイルによって加熱され、温度調節される。加熱により蒸発したオイルは吸引され、ホース４７を介してリザーバタンク４５に吸引され、液化した後ホース４６を介して油温調整ユニット４０に戻される。
【００１８】
第１の駆動軸ユニット１０のスピンドルユニット１２と第２の駆動軸ユニット２０のスピンドルユニット２２間に電圧が印加されている。これによって、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２との接触の有無を電圧の変化で検出でき（接触した場合は導通して電圧が０となる）、第１の円筒試験片１と第２の円筒試験片２との直接接触がない状態下で試験が行われていることを容易に確認することができる。
【００１９】
つぎに、本発明実施例のトラクション試験装置の作用を説明する。
第１の駆動軸ユニット１０で、スピンドルユニット１２とトルク計７０を共通の架台１４に載せ、架台１４をエアベアリング１５にてベース５０から浮き上がらせて支持したので、架台１４とベース５０間の摩擦の影響を受けることなく、第２の円筒試験片２から第１の円筒試験片１にかかる負荷荷重Ｎを高精度に負荷荷重検出機６０で測定することができる。架台１４とベース５０間の摩擦の影響を受けると、負荷荷重検出機６０で測定する荷重は負荷荷重Ｎから摩擦を引いた荷重となり、負荷荷重Ｎを高精度に測定できなくなり、かつ（スティックスリップにより摩擦力自体も変動するため）測定荷重も変動するが、エアベアリング１５による架台支持により、摩擦の影響を０とすることができる。これによって、トラクション特性を求めるために必要な負荷荷重Ｎを高精度に測定できる。
【００２０】
また、スピンドルユニット１２とトルク計７０を共通の架台１４に載せ、架台１４をエアベアリング１５にてベース５０から浮き上がらせて支持したので、トルク計７０に入る振動のうち試験機のベース５０からの成分がエアベアリング１５で遮断され、トルク測定のノイズが低減し、測定トルクとそれから演算されるオイル剪断力を高精度に測定、演算することができる。これらによって、トラクション特性を求めるために必要な剪断力Ｆを高精度に測定できる。
【００２１】
また、トルク計７０に高剛性化トルク計を選定したので、トルク計７０の、試験機との共振（エアベアリング１５を通しては振動は伝わらないが、回転軸を介してトルク計に伝わる振動により試験機と共振する）を抑制でき、したがってノイズを低減でき、トルク、したがってオイル剪断力Ｆをばらつき少なく高精度に求めることができ、トラクション特性を求めるために必要な剪断力Ｆを高精度に測定できる。また、スピンドルユニット１２を高負荷対応としかつ高剛性化したので、スピンドルユニット１２の回転軸の共振を抑制でき、トルク、したがってオイル剪断力Ｆをばらつき少なく高精度に求めることができ、トラクション特性を求めるために必要な剪断力Ｆを高精度に測定できる。
これらによって、測定精度が、荷重およびトルクで、ばらつきを最大で０．１３％に抑えることができ、回転数で、ばらつきを最大で０．０４％に抑えることができた。
【００２２】
測定精度の低下を抑制できたので、従来精度上から上げることができなかった駆動モータの回転数を上げることが許され、本発明実施例では、駆動モータ１１の回転数を１２０００ｒｐｍに上げても、測定精度が従来と同程度かそれより高精度とすることができることが判明した。これによって、駆動モータ１１、２１の回転数を上げ、超高速回転域（最大１２０００ｒｐｍ、円筒試験片の周速で約３０ｍ／ｓ）までのトラクション特性試験が可能となった。
【００２３】
トルク計７０の高剛性化、スピンドルユニット１２の高剛性化により、トルク計７０の試験機の共振を抑制でき、また、エアベアリング１５によりノイズの低減できたので、高負荷条件下においても、振動レベルの低い高精度の測定を行うことができるようになった。図９は、トルク計７０位置での、回転数が６０００ｒｐｍにおける、本発明実施例の振動レベルと従来技術の振動レベルを実測値で比較したものであるが、本発明実施例の振動レベルが従来技術の振動レベルの約１／５になっていることがわかる。また、図９は本発明実施例で回転数が１２０００ｒｐｍに上げた場合の振動レベルの実測値も示しており、本発明実施例で回転数が１２０００ｒｐｍに上げた場合ても、その振動レベルは従来技術の６０００ｒｐｍにおける振動レベルよりもなお小さく、本発明実施例では１２０００ｒｐｍの超高回転域でも従来の６０００ｒｐｍでの試験より高精度のトラクション試験を行うことができることを示している。
【００２４】
第２の駆動軸ユニット２０の架台２４の下側に軸間距離調整部微小送り機構２６を設けたので、円筒試験片１、２の軸間距離および荷重Ｎを正確に調整、計測することが可能になった。最小軸間距離送り単位は、０．２５×１０^-6ｍであった。
また、回転軸はいずれも絶縁されており、円筒試験片１、２の直接接触を接触電圧の変化で検出可能としたので、接触電圧を監視しながら、油膜切れのない安定したトラクション試験を行うことができる。
また、加熱により蒸発したオイルを吸引しリターンさせる循環型潤滑経路としたので、オイルの減量を最小限にでき、長時間の連続運転が可能になった。
【００２５】
【実施例】
本発明実施例装置を用いて、実際のトラクション測定を行った。結果を図７に示す。
試験条件は、トラクションオイルが油種：Ａ、すべり率が２．２％、潤滑油油温が４０℃、２円筒試験片間の最大面圧が１．９８ＧＰａ、周速が１０ｍ／ｓと３０ｍ／ｓの２種類で行った。
この測定では、試験における負荷荷重Ｎと発生トルクの関係からトラクション係数μを算出する。ここでは、試験における荷重と発生トルクのばらつきに注目する。
図７の結果から、本発明実施例のトラクション試験装置では、高周速域にもかかわらず、トルクのばらつきが非常に小さく良好であることがわかる。このばらつきが小さいほど、このデータから算出するトラクション係数の実験値は精度が高くなるといえる。
また、円筒試験片１、２の接触状態を判断する接触電圧（約１３．５Ｖ）の変化も、荷重付加時には僅かな変化も検出でき、トラクションドライブ面での油膜生成状態の判断指標に利用可能であった。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１のトラクション試験装置によれば、スピンドルユニットとトルク計を共通の架台に載せ、該架台を、エアベアリングにてベースから浮き上がらせて、支持したので、架台とベースとの摩擦を受けることなく、第１の円筒試験片にかかる荷重を高精度に測定することができる。また、トルク計に入る振動のうち試験機のベースからの成分がエアベアリングで遮断されるので、トルク測定のノイズが低減し、測定トルクとそれから演算されるオイル剪断力を高精度に測定、演算することができる。これらによって、トラクション特性を高精度に測定できる。
請求項２のトラクション試験装置によれば、トルク計に高剛性化トルク計を選定したので、トルク計の、試験機との共振を抑制でき、したがってノイズを低減でき、オイル剪断力を高精度に求めることができ、トラクション特性を高精度に測定できる。
請求項３のトラクション試験装置によれば、第１の駆動軸ユニットと第２の駆動軸ユニット間に電圧を印加したので、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との接触の有無を電圧の変化で検出でき（完全接触した場合は導通して電圧が０となる）、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との直接接触がない状態下での試験であることを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のトラクション試験装置の平面図である。
【図２】図１のトラクション試験装置の正面図である。
【図３】図１のトラクション試験装置の第１の駆動軸ユニットの断面図である。
【図４】図３の第１の駆動軸ユニットの正面図である。
【図５】図１のトラクション試験装置の第２の駆動軸ユニット側から見た側面図である。
【図６】図１のトラクション試験装置の試験油槽の内部における第１の円筒試験片および第２の円筒試験片の平面図である。
【図７】図１のトラクション試験装置を用いて行ったトラクション試験の結果を示す表図である。
【図８】図１のトラクション試験装置の第１の駆動軸ユニットのスピンドルユニットの荷重測定検定図である。
【図９】図１のトラクション試験装置を用いて行ったトラクション試験における振動データを示すグラフである。
【図１０】図１のトラクション試験装置におけるオイル循環経路を示す平面図である。
【図１１】トラクション試験における負荷荷重Ｎと剪断力Ｆの関係を示す２つの試験片円筒の一部分の正面図である。
【符号の説明】
１ 第１の円筒試験片
２ 第２の円筒試験片
３ 油膜
１０ 第１の駆動軸ユニット
１１ 駆動モータ
１２ スピンドルユニット
１３ フレキシブルカップリング
１４ 架台
１５ エアベアリング
１６ アーム
２０ 第２の駆動軸ユニット
２１ 駆動モータ
２２ スピンドルユニット
２３ フレキシブルカップリング
２４ 架台
２５ ガイドベアリング
２６ 軸間距離調整部微小送り機構
３０ 試験油槽
４０ 油温調整ユニット
４１ 循環ポンプ
４５ リザーバタンク
４２、４３、４４、４６、４７ ホース
５０ ベース
６０ （負荷）荷重検出器
７０ トルク計
８０ 回転検出器
８１ 回転検出器

Claims (3)

1. 第１の円筒試験片を支持して回転させる第１の駆動軸ユニットと第２の円筒試験片を支持して回転させる第２の駆動軸ユニットを有し、第１の円筒試験片と第２の円筒試験片とをオイル供給下で圧接させつつ回転摺動させるトラクション試験装置であって、
   前記第１の駆動軸ユニットが、駆動モータ、スピンドルユニット、駆動モータとスピンドルユニットをつなぐフレキシブルッカップリングを有し、スピンドルユニットとトルク計を共通の架台に載せ、該架台をエアベアリングにてベースから浮き上がらせて支持した、トラクション試験装置。
2. 前記トルク計に高剛性化トルク計を選定し、前記スピンドルユニットに高速回転対応の軸受ユニットを使用し、前記駆動モータの試験時使用最高回転速度を約１２０００ｒｐｍに上げた請求項１記載のトラクション試験装置。
3. 第１の駆動軸ユニットと第２の駆動軸ユニット間に電圧を印加し第１の円筒試験片と第２の円筒試験片との接触の有無を電圧の変化で検出可能とした請求項１記載のトラクション試験装置。

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