JP3940244B2 - 摩擦試験機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピン、リング、チップ、ボール等試料とディスクとの組合せにより発生する摩擦力を試験するための摩擦試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピン、リング、チップ、ボール等の試料片（第１の試料）を特定の平板状材料（第２の試料）に対し、摺動させた場合の摩擦力や表面状態を観察し、また試料片と平板状材料間に潤滑油等の媒体を用いた場合の摩擦力等を評価する摩擦試験機として、図４に示すような摩擦試験機が知られている。
【０００３】
この摩擦試験機は、モータによって回転する回転軸102に固定された回転板101（回転系）と、回転板101に固定されたディスク（平板状試料）103に試料片を押し付ける機構（押圧系）と、試料片201が従動して回転しようとするときの摩擦トルクを測定する機構301とから成る。
【０００４】
ディスク103に対し試料片を押し付ける機構は、試料片を固定した固定部材201と、支軸202と、固定部材201および支軸202を固定するホルダー203と、ベース板205を介して支軸202、ホルダー203および固定部材201を押圧するエアシリンダ204とを備えている。支軸202は、軸芯が回転軸102の軸芯と一致するように配置されており、ホルダー203を回転可能に支持している。従って、試料片がエアシリンダ204の押圧力によってディスク103に押し付けられると、試料片とディスク103との摩擦力によってホルダー203に回転トルクが発生する。
【０００５】
摩擦トルクを測定する機構は、ホルダー203に固定されたロードセル301からなり、試料片およびホルダー203がディスク103の回転に伴って回転しようとするときホルダー203に発生するトルクを測定する。尚、図中206はホルダー203の回転を阻止するストッパであり、ロードセル301は直接的にはこのストッパ206によって生じる圧力を検出するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の摩擦試験機では、ディスクと試料片のみが接触するようにするため回転系と押圧系が完全に切り離されている。押圧系の保持機構としては図５（ｂ）および（ｃ）に示すように門型保持方式と片持保持方式があるが、いずれの場合にも同様である。
【０００７】
このように回転系と押圧系が完全に切り離されていることは、ディスクと試料片との間の摩擦力を取り出すことができるという点で優れているが、次のような問題があった。１）ディスク103と試料片との摩擦により発生するトルクは、固定部材201およびホルダー（トルク伝達手段）203を介してロードセル301に伝わるので、これらの部材に歪みや変形があった場合、振動や回転軸102と支軸202との芯ズレを生じ、その結果、ロードセル301は正しく摩擦トルクを測定できない。２）特に部材の歪み、変形や荷重（押圧）の偏りなどによって芯ズレが生じた場合、それによって試料の押圧力も変動し、摩擦力も変動し、正確な計測ができない。３）芯ズレにより摩耗痕のズレが生じ、回転時に摩耗痕の段差で引掛かり、これによりいわゆるびびり振動を引起こし、その結果、騒音が発生する。
【０００８】
このような部材の歪みや変形に伴う振動や芯ズレをなくすためには、各部材の肉厚を大きくして剛性を上げる必要があるが、そうすると従動部分の質量が大きくなり、回転速度を大きくできない、押し付け荷重もあまり大きくできないなどの制約を生じる。
【０００９】
そこで本発明は、振動や芯ズレの問題がなく、正確且つ安定して摩擦力を測定することができる摩擦試験機を提供することを目的とする。また本発明は、所望の回転速度や押し付け荷重で測定が可能な摩擦試験機を提供することを目的とする。さらに本発明は、装置全体が小型且つ軽量な摩擦試験機を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明の摩擦試験機は、回転軸と、前記回転軸に固定され、平板状の第１の試料を載置した回転板と、前記回転板に載置された第１の試料の表面に第２の試料が当接するように試料を保持するとともに支軸に軸支された試料保持手段と、前記試料保持手段を前記回転板に対し所定の押圧力で押付ける押付手段と、前記第２の試料を前記第１の試料に押し付けた状態で前記回転板を回転させたときに前記試料保持手段に発生するトルクを計測するトルク計測手段とを備えた摩擦試験機であって、前記回転軸は、その軸芯に前記支軸が係合する軸受けを有し、前記試料保持手段は、前記支軸を介して、前記回転軸に対し軸方向に摺動自在であって且つ回転可能に支持されていることを特徴とする。
【００１１】
試料保持手段の支軸が、回転軸の軸芯に設けられた軸受けに支持されているので、回転軸と支軸との芯ズレの問題がなく、振動のない安定した計測が可能となる。また試料を回転板に押し付ける押付手段の押圧力が、軸を介することなく直接試料保持手段に付与されるので、安定した押し付け力が得られ、また部材の撓みや変形によって生じる振動を生じにくい。
【００１２】
本発明の摩擦試験機は、上述の摩擦試験機において、トルク計測手段が、前記第２の試料と前記第１の試料との接触面と同じレベルに固定されていることを特徴とする。
【００１３】
これにより試験片にかかる力と同一方向の力を同一線上で検出することになるので、摩擦力を直接計測することができる。
【００１４】
また本発明の摩擦試験機は、上述の摩擦試験機において、試料保持手段が、支軸に直交する平板状の部材とこの平板状の部材の周囲に延設された筒状の部材とから成り、筒状部材に切り欠け部を有し、この切り欠け部にトルク計測手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
このような構造において、試料保持手段は試料片の保持部材とトルク伝達手段とを兼ね、しかも直接押圧力を直接受ける手段でもあるので、材料の歪みや変形による計測誤差を最小にできる。またこの構造により、トルク計測手段を試料片と回転板との接触面と同一レベルに固定することができる。これにより試料片と回転板との摩擦トルクを直接計測することができる。
【００１６】
また本発明の摩擦試験機は、上述した摩擦試験機において、試料保持手段は回転板と試料片との間に液体を供給する手段を備える。これにより液体、具体的には潤滑油等の存在下における摩擦力の計測を容易に行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る摩擦試験機の全体一実施例を示す図で、この摩擦試験機は、所定の材料からなるリング、ピン、ボール、チップ等の試料片（第２の試料）とディスク状の試料（第１の試料）とを加圧荷重下で接触させるとともにディスクを回転させて、両者間の摩擦係数の測定、摩耗の測定、焼き付け試験等を行なうものであり、主として２つの試料の設置、接触、トルク計測を行なう計測部１０、計測に必要なモーター等を駆動する駆動部２０および計測に必要な各種条件を設定すると共に計測されたデータを演算処理し、表示する制御・表示部３０からなる。
【００１９】
計測部１０は、試料片４１を保持する試料片保持手段であるドラム１１と、ドラム１１と相対して設置され、ディスクを固定する回転板（図示せず）と、回転板の駆動軸である回転軸１２と、ドラム１１をディスク側、即ち図中下側に押圧する手段であるエアシリンダ１３とを備えている。回転軸１２は、駆動部２０のモータの軸とプーリ２１によって連結され、モータの回転をプーリ２１で伝達することによって駆動される。
【００２０】
この摩擦試験機は、図５（ａ）に模式的に示すように、ドラム１１の支軸１８が、回転軸１２の軸芯内に設けられた軸受けによって支持されるいる点、ドラム１１の一端にトルク計測手段３２が設置されている点、トルク計測手段による計測位置と、試料片とディスクとの接触位置とが同一レベルにある点を主な特徴としており、これによってドラム１１と回転軸の芯ズレをなくすことができ、またドラム１１は軸を介することなく直接エアシリンダの押圧力を受けることができる。しかもドラム１１はそれ自体剛性のある単一の材料が試料片の保持手段とトルク伝達手段とを兼ねることになるので、トルク伝達における材料の歪みや変形の影響を排除することができる。このような構成において、軸受けと支軸１８との間の抵抗は無視できる構造に設計されているが、この抵抗によって生じるトルクが無視できない場合には、予め計算によって除くことができる。
【００２１】
以下、図２および図３を参照して計測部１０の詳細を更に説明する。
【００２２】
回転軸１２の一端には、第１の試料であるディスク４０を固定するための回転板１４が固定されている。ディスク４０は、回転板１４の上面に載置され、押え具１４ａによって固定される。また回転軸１２には、その軸芯に軸方向に沿った円柱状の中空部が形成されており、この中空部に面する内部に軸受け部１２ａが設けられている。この軸受け部１２ａは、後述するドラム１１の支軸１８の軸受けとなるもので、支軸１８をその軸方向に摺動自在であって回転可能に支持する。このような軸受けとしては、軸受けと支軸との間に摩擦力を発生しない機構であることが好ましく、例えばニードルベアリングを採用することができる。
【００２３】
回転板１４およびディスク４０は、その中央に支軸１８が貫通するための孔が設けられている。また回転軸１２の上端には、回転板１４およびディスク４０を取囲むように油槽１５が固定されている。
【００２４】
油槽１５は、図示しない加熱手段（ヒーター）が備えられており、中に充填されたオイルの温度をヒーターによって一定の温度（例えば高温）に保つことができ、所望の温度における試験を可能にする。また試料片とディスクとの間に潤滑油等を介在させた試験を行なう場合の油受けとしても機能する。
【００２５】
ドラム１１は、円盤状の部材１１ａの周囲に円筒状の部分１１ｂを延設した形状を有し、円盤状の部材の一方の面にエアシリンダからの押付荷重を受ける受け部材１６が固定され、その反対側の面に試料片４１を固定するための固定部材１７が固定されている。図示する例ではリング状の試料片４１が示されているが、試験すべき材料の形状（ピン、リング、ボール）に応じた形状の治具１７ａが固定部材１７に対し、着脱可能に支持されており、所定の形状の試料片は対応する治具１７ａによって固定される。
【００２６】
このようなドラム１１は、受け部材１６の上面にエアシリンダ１３（図１）からの押付荷重が付与されることにより、受け部材１６、ドラム１１および固定部材１７は一体として移動し、受け部材１６の反対側に固定された試料片４１をデイスク４０側に押し付けることができる。エアシリンダ１３による押付荷重は制御部３０によって制御されるとともに、実際にドラム１１にかかった押付荷重はエアシリンダ１３と受け部材１６との間に設置された圧力センサ、例えば圧縮型ロードセル３１によって検出され、この検出された押付荷重は制御・表示部３０において摩擦力の計算に使用される。
【００２７】
また受け部材１６には、ドラム１１の回転中心である支軸１８が固定されている。支軸１８は、ドラム１１および固定部材１７の中央に穿設された孔を貫通して、回転軸１２の軸受け１２ａによって支持されている。既に述べたように、軸受け１２ａは、支軸１８の摺動および回転を可能に支持しているので、ドラム１１に固定された試料片４１をディスクに当接或いは離反することが可能であり、また試料片４１をディスク４０に押しつけた状態で回転板１４の高速回転を可能にする。
【００２８】
またドラム１１は、図３に示すように円筒状の部分１１ｂには切り欠け部１１ｃが形成されており、この切り欠け部１１ｃにトルク計測手段である圧力センサ３２が設置されている。試料片４１がディスク４０に押し付けられた状態で、ディスク４０が回転すると、それに伴ってドラム１１も従動回転しようとする。圧力センサ３２は、このときのドラム１１の回転トルクを検出する。このような圧力センサ３２としては、圧電結晶を用いたロードセル、半導体圧力センサ等の公知の圧力センサを採用することができる。圧力センサ３２からの信号は指示アンプを介して制御・表示部３０に入力され、制御・表示部３０はこの信号およびエアシリンダ１３の押付荷重をもとに二つの試料間の摩擦力を計算する。
【００２９】
この場合、切り欠け部１１ｃは、圧力センサ３２が当接する切り欠け面が支軸１８の中心C1と試料片４１の中心C2を結ぶ線L1および支軸の軸芯を含む面と平行であって、試料片４１の中心C2を通り、線L1に垂直な線L2と直交するように設けられる。圧力センサ３２は、その先端がこのような切り欠け部１１ｃの切り欠け面と線L2との交点であって、試料片４１の下端（即ち、ディスクとの接触面）と同一レベルに位置するように設置される。
【００３０】
試料片４１とディスク４０との摩擦によって発生するトルクは、線L2の方向に働くが、上述のように切り欠け部１１ｃを設け圧力センサ３２を配置することにより、トルク発生面と同じレベルで同じ方向の力を圧力センサ３２で検出することができる。
【００３１】
さらにこの摩擦試験機は、試料片４１とディスク４０との間に潤滑油等を介在させた条件での試験（ウェット試験）を可能にするために油供給機構を備えている。このような油供給機構は、ドラム１１の円盤状部分端部に設けられた油供給口１９と、油供給口１９からドラム内部に穿設された油供給路１９ａと、支軸１８の周囲に設けられた油溝１８ａとから構成される。
【００３２】
油供給口１９から供給された油は、油供給路１９ａから油溝１８ａを経て、試料固定部１７とディスク４０との間の油道を通り、試料片４１とディスク４０との間に供給される。余分な油は、油槽１５に排出される。
【００３３】
次に以上のような構成の摩擦試験機を用いた摩擦試験方法について説明する。まずエアシリンダ１３による押し付けを解除した状態でドラム１１の固定部材１７に試料片４１を固定するとともに、回転板１４に所望の材料のディスク４０を固定する。この状態で、必要に応じて油槽１５に油を満たすとともにヒーターにより加熱して一定の試験雰囲気温度にする。さらに必要な場合には、油供給口１９より加熱油を所定の流量で供給する。
【００３４】
次いでエアシリンダ１３を駆動し、受け部材１６を介してドラム１１を下降させて試料片４１をディスク４０に当接させた後、さらにエアシリンダのエアの圧力を調節して一定の荷重で押し付ける。この押付荷重は、センサ３１によって検出され制御・表示部３０に送られる。
【００３５】
このように一定の荷重で試料片４１とディスク４０とを接触させた状態で回転軸１２を駆動し、ディスク４０を所定の回転数で回転させる。回転速度は、所定の値となるように制御・表示部３０からの指令で制御される。このとき試料片−ディスク間に摩擦力が働くことによって、ディスク４０の回転は試料片４１に図３で矢印で示す回転トルクを発生させる。この回転トルクは、切り欠け部１１ｃの切り欠け面を介して圧力センサ３２に加えられる力と同一である。従って圧力センサ３２が検出した回転トルクＴＱから、次式（１）および（２）により摩擦力を求めることができる。
【００３６】
Ｆ＝ＴＱ／ｒ （１）
μ＝Ｆ／Ｗ （２）
式中、ｒは試料片４１と支軸中心からの距離（半径）、Ｗは試料片４１に加えられる押付荷重、μは摩擦係数を表す。
【００３７】
尚、上記式は、回転軸１２の軸受け１２ａと支軸１８との間の摩擦力は０であることを前提としているが、実際には軸受け１２ａと支軸１８との間にも摩擦が存在するので、回転板１４が回転するとき軸受け１２ａを介して支軸１８にも回転が伝達され、それによるトルクが発生する。しかし、この軸受け１２ａと支軸１８の間の摩擦力は一定であり、試料片４１とディスク４０とを接触させない状態で回転板１４を回転させることにより、予め測定することができる。従って制御部における演算において、予め求められた軸受け１２ａと支軸１８の間の摩擦力をオフセット分として差引く演算を行なうことにより、軸受け１２ａと支軸１８の間の摩擦力の影響を排除することができる。
【００３８】
こうして計測される摩擦力は、制御・表示部３０に表示される。
【００３９】
以上、本発明の摩擦試験機の一実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば図１には、試料片をディスクに対し上から圧接させる縦型の摩擦試験機を示したが、本発明は側方から圧接させる横型の摩擦試験機にも適用できる。また試料片を押圧する機構やディスクを回転させる機構も公知の油圧シリンダー等の押圧機構や回転機構を採用することができる。さらに試料保持部材であるドラムの形状も本発明の効果を奏するものであれば、任意に変更することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の摩擦試験機は、第１の試料を回転するための回転軸に、第２の試料を保持する部材の支軸を受ける軸受けを設けたことにより、回転軸と支軸との芯ズレが全くない状態で保持部材に発生する回転トルクを計測することができるので、押付荷重などの試験条件が変ってもその影響をうけることなく再現性がよい結果を得ることができる。またトルク計測手段を、第２の試料を保持する部材に設けるとともに、トルク発生する位置（試料片とディスクとの接触面）と同じレベルに設けたことにより、部材の剛性歪みや偏荷重によるトルク損失が殆どなく極めて正確な計測ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦試験機の一実施形態示す全体構成図
【図２】図１の摩擦試験機の計測部を示す断面図（ａ）および支軸の断面図（ｂ）。
【図３】図２の計測部の要部を示す上面図
【図４】従来の摩擦試験機を示す斜視図
【図５】本発明および従来の摩擦試験機の構造の相違を説明する図
【符号の説明】
１１・・・・・・ドラム（試料保持手段）
１２・・・・・・回転軸
１２ａ・・・・軸受け
１３・・・・・・エアシリンダ（押付手段）
１４・・・・・・回転板
１７・・・・・・固定部材
１８・・・・・・支軸
３２・・・・・・圧力センサ（トルク計測手段）
４０・・・・・・ディスク（第１の試料）
４１・・・・・・試料片（第２の試料）

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸に固定され、平板状の第１の試料を載置した回転板と、前記回転板に載置された第１の試料の表面に第２の試料が当接するように試料を保持するとともに支軸に固定された試料保持手段と、前記試料保持手段を前記回転板に対し所定の押圧力で押付ける押付手段と、前記第２の試料を前記第１の試料に押し付けた状態で前記回転板を回転させたときに前記試料保持手段に発生するトルクを計測するトルク計測手段とを備え、
   前記回転軸は、その軸芯に軸方向に沿った中空部が形成され、当該中空部に前記支軸が係合する軸受けを有し、前記試料保持手段及び前記支軸は、前記回転軸に対し軸方向に摺動自在であって且つ回転可能に支持されていることを特徴とする摩擦試験機。
2. 前記トルク計測手段は、前記第２の試料と前記第１の試料との接触面と同じレベルに固定されていることを特徴とする請求項１記載の摩擦試験機。
3. 前記試料保持手段は、前記支軸に直交する平板状の部材とこの平板状の部材の周囲に延設された筒状の部材とから成り、前記筒状部材に切り欠け部を有し、この切り欠け部に前記トルク計測手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦試験機。
4. 前記試料保持手段は前記第１の試料と前記第２の試料との間に液体を供給する手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の摩擦試験機。

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