JP4059836B2 - バネ定数測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バネ定数測定装置に関し、特に、ディスクブレーキにおいて鳴き音発生防止のためにキャリパと摩擦パッドとの間に配設される鳴き防止シムのバネ定数の測定に用いて好適なバネ定数測定装置に関するものである。

自動車等において広く使用されているディスクブレーキは、車輪と一体となって回転するディスクに対し両側から一対の摩擦パッドを油圧シリンダにより押圧して制動する構造である。
このディスクブレーキにおいて、摩擦パッドは、ディスクに垂直な方向のみならずディスクに平行な面内においても若干移動できるようにキャリパに支持されている。そして、油圧シリンダにより摩擦パッドがディスクに強圧されると、これと同時に一方の摩擦パッドがキャリパに押圧されるが、このとき摩擦パッドがディスクと平行な面内において若干動くのに伴って摩擦パッドとキャリパとの間で摩擦が生じ、この摩擦が起振力となって、ディスクや摩擦パッドが共振することで、鳴き音が発生する。
このため、従前より、このような鳴き音の発生を防止するために、摩擦パッドとキャリパとの間に鳴き防止シムが介装されている。

そして、この鳴き防止シムとしては、耐熱性非金属繊維に合成ゴム材料（エラストマー）や充填材を混合させたコンパウンド材を薄い金属板の両面に薄い層状にコーティングし、更に、コンパウンド層の外表面の摩擦係数を小さくするために、各コンパウンド層の外表面にグラファイトを主成分とする層をコーティングした構造のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

鳴き防止シムは、所定の圧縮状態で摩擦パッドとキャリパとの間に挟持された状態に装着されるもので、シムの圧縮方向の弾性力によって摩擦パッドとキャリパとの間の相対挙動を低減させることによって、更には、摩擦パッド及びキャリパの共振を該シムの振動減衰特性によって抑止することによって、鳴き音の発生を防止する。

従って、ディスクブレーキの鳴き防止を徹底するには、予め摩擦パッドやキャリパの振動特性を把握しておくだけでなく、摩擦パッドやキャリパの共振防止に適したバネ定数（弾性特性）及び振動減衰特性を有した鳴き防止シムを用意することが必要となる。
また、鳴き防止効果の高い高品質の鳴き防止シムを安定生産するためには、製造された鳴き防止シムの圧縮方向のバネ定数や振動減衰率（損失係数）を、高精度で測定することが必要不可欠になる。

これまで、鳴き防止シムの圧縮方向のバネ定数を測定するバネ定数測定装置として、図１０に示す構造のものがある。
このバネ定数測定装置５０は、試料載置ベッド５１に載置された鳴き防止シム５３の上に重り付き圧子５５を載せて、鳴き防止シム５３を試料載置ベッド５１と重り付き圧子５５とで挟持した状態に保持すると共に、この挟持状態で加振器５７により試料載置ベッド５１に所定の振動を加えて得られる試料載置ベッド５１及び重り付き圧子５５の振動加速度を分析することによって、鳴き防止シム５３のバネ定数を算出するもので、試料載置ベッド５１及び重り付き圧子５５の鳴き防止シム５３に接触する各接触面５１ａ，５５ａは、いずれも、鳴き防止シム５３の表面を押さえ易い平坦面に形成されている。

特公平７−７２５７２号公報

ところが、試料載置ベッド５１及び重り付き圧子５５の鳴き防止シム５３との接触面５１ａ，５５ａが平坦面の場合、例えば、図１１に示すように、鳴き防止シム５３に反りやうねり等による凹凸５３ａが存在していると、この凹凸５３ａが試料載置ベッド５１と重り付き圧子５５との加圧によって弾性変形し、鳴き防止シム５３に内部応力が発生した状態で振動試験が実施されることになる。このため、重り付き圧子５５による加圧力や加圧位置の僅かな変化によって測定結果に大きなばらつきが生じることがあり、鳴き防止シム５３の圧縮方向のバネ定数を高精度に測定することが難しいという問題があった。

本発明は上記課題を解消することにあり、その目的は、薄板状に形成された被測定物の圧縮方向のバネ定数を高精度に測定することができるバネ定数測定装置を提供することにあり、とりわけ、ディスクブレーキ用鳴き防止シムのバネ定数を、鳴き防止シムの反りやうねり等の影響を受けずに、高精度に安定測定できることにある。

上記目的は下記構成により達成される。
（１） 試料載置ベッドに載置された薄板状の被測定物の上に圧子を押し当てると共に、前記試料載置ベッドに所定の振動を加えて得られる振動加速度を分析して前記被測定物のバネ定数を算出するバネ定数測定装置であって、
前記試料載置ベッド及び圧子の前記被測定物に接触する各接触面の内、少なくとも一方の接触面を、被測定物側に凸の球面状にしたことを特徴とするバネ定数測定装置。
（２） 前記試料載置ベッド及び圧子の前記被測定物に接触する各接触面のそれぞれを、被測定物側に凸の球面状にしたことを特徴とするバネ定数測定装置。
（３） 前記被測定物がディスクブレーキのブレーキパッドに用いる鳴き防止シムであることを特徴とするバネ定数測定装置。

上記（１）に記載のバネ定数測定装置では、測定対象の薄板状の被測定物に接触する試料載置ベッド及び圧子の各接触面の内、少なくとも一方の接触面が被測定物に対して凸の球面状になっていて、被測定物表面に対し点接触となるため、被測定物の表面に反りやうねり等による凹凸が存在していても、試料載置ベッド及び圧子の各接触面が平坦であった従来と比較すると、試料載置ベッドと圧子とで被測定物を挟持した際に、被測定物を加圧変形する虞が低減される。
従って、被測定物を加圧変形によって内部応力が発生した状態で測定することが回避でき、例えば、ディスクブレーキ用の鳴き防止シム等の薄板に対し、その板厚方向の圧縮時のバネ定数を、当該薄板の反りやうねり等の影響を受けずに、高精度に安定測定することができる。

なお、試料載置ベッドに載置した薄板状の被測定物に圧子を押し当てた際に、測定対象の被測定物が加圧変形することを防止する点では、上記の（２）に記載のように、被測定物表面に接触する試料載置ベッド及び圧子の各接触面を、凸の球面状にすると良い。
このようにすると、一対の接触面が共に被測定物表面に対して点接触となるため、一方の接触面のみを凸の球面状にした場合よりも、被測定物表面等の反りやうねりによる影響を低減させて、測定精度を高めることができる。

また、上記の（３）に記載のように、バネ定数を測定する測定対象をブレーキパッドの鳴き防止シムとすれば、当該鳴き防止シムの反りやうねり等の影響を受けずに、バネ定数を高精度に安定測定することができて、高品質の鳴き防止シムを安定生産することができる。

以下、本発明に係るバネ定数測定装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るバネ定数測定装置の第１の実施の形態の概略構成図である。なお、以下の各実施の形態では、測定対象となる被測定物は、車両用のディスクブレーキにおいて鳴き音発生防止のため用いられる鳴き防止シムとして説明する。

この第１の実施の形態のバネ定数測定装置１は、車両用のディスクブレーキにおいてキャリパと摩擦パッドとの間に介装される鳴き防止シムのバネ定数測定に使用されるもので、鳴き防止シムとなる薄板３を載置するための試料載置ベッド５と、試料載置ベッド５に載置された薄板３上に載せることで薄板３を試料載置ベッド５に押さえ付ける重り付き圧子７と、試料載置ベッド５と重り付き圧子７による薄板３の挟持方向（図１の矢印（イ）方向）に試料載置ベッド５を振動させる加振器９と、薄板３に振動を印加している時に試料載置ベッド５及び重り付き圧子７の振動加速度を検出する加速度センサ１１，１２と、これらの加速度センサ１１，１２の出力信号に所定の分析処理を実施して薄板３における振動伝達特性を算出する周波数分析器１５とを備えた構成である。

重り付き圧子７は、先端が薄板３の上面に接触する圧子本体７ａと、この圧子本体７ａを試料載置ベッド５側に押圧する所定重量の重り７ｂとから構成されている。

加振器９は、発振器２１からパワーアンプ２３を介して入力される振動波信号（例えば、スェプトサイン信号又はランダム信号）に基づいた加振動作を行う。
各加速度センサ１１，１２は、検出信号を、チャージアンプ２５，２６を介して周波数分析器１５に送る。

周波数分析器１５は、加速度センサ１１，１２から入力された各振動加速度信号に対して所定の周波数分析処理を実施することによって、薄板３における振動伝達関数として、図２（ａ）に示す振幅−周波数相関関数と、図２（ｂ）に示す位相−周波数相関関数とを算出する。
図２（ａ），（ｂ）から判るように、振幅のピーク周波数で、位相の９０°反転が起こる。

そして、周波数分析器１５は、図２（ａ）に示す振幅−周波数相関関数から、振幅のピーク周波数を読み取って、下記（１）、（２）式により薄板３の圧縮方向（試料載置ベッド５と重り付き圧子７による挟持方向）のバネ定数ｋを求める。
但し、下記（１），（２）式において、ｍは薄板３の質量、ｆは共振点である。
ｆ＝［１／（２π）］×（ｋ／ｍ）^1/2 ……（１）
ｋ＝（２πｆ）²×ｍ ……（２）

また、本実施の形態の周波数分析器１５は、図２（ａ）に示した振幅波形のピークに対して、半値幅法による処理を実施することで、薄板３における振動の減衰率（損失係数）を算出する。

本実施の形態の場合、図３に示すように、試料載置ベッド５及び重り付き圧子７の薄板３に接触する各接触面５ａ，７ｃは、何れも、薄板３側に凸の球面状に整形されている。

以上に説明した第１の実施の形態のバネ定数測定装置１では、測定対象の薄板３に接触する試料載置ベッド５及び重り付き圧子７の各接触面５ａ，７ｃは、何れも薄板３に対して凸の球面状になっていて、図３に示すように薄板３に対して点接触となるため、測定対象の薄板３に反りやうねり等による凹凸３ａが存在していても、試料載置ベッド５及び重り付き圧子７の各接触面５ａ，７ｃが平坦であった従来と比較すると、試料載置ベッド５と重り付き圧子７とで薄板３を挟持した際に、図４に示すように、薄板３の反りやうねり等による凹凸３ａを各接触面５ａ，７ｃで加圧変形させる虞がなくなる。
従って、薄板３が凹凸３ａの加圧変形によって内部応力を発生した状態で測定されることを回避でき、鳴き防止シムとしての薄板３に対して、その板厚方向の圧縮時のバネ定数ｋを、高精度に安定測定することができる。

図５は、本発明に係るバネ定数測定装置の第２の実施の形態を示したもので、ここに示したバネ定数測定装置１Ａは、薄板３に接触する各接触面５ａ，７ｃの内、一方の接触面７ｃのみを薄板３側に凸の球面状にした場合である。
また、図６は、本発明に係るバネ定数測定装置の第３の実施の形態を示したもので、ここに示したバネ定数測定装置１Ｂは、薄板３に接触する各接触面５ａ，７ｃの内、他方の接触面５ａのみを薄板３側に凸の球面状にした場合である。

薄板３の反りやうねり等による凹凸３ａの状況にもよるが、図５又は図６に示すように、薄板３に接触する各接触面５ａ，７ｃの内、一方の接触面のみを、薄板３側に凸の球面状にした装置１Ａ，１Ｂの場合でも、試料載置ベッド５と重り付き圧子７とで薄板３を挟持した際に、薄板３の反りやうねり等による凹凸３ａが加圧変形されることを防止できる。
従って、薄板３に接触する各接触面５ａ，７ｃは、少なくとも、その一方を薄板３側に凸の球面状にした構成とすることも可能である。

以上の作用効果を確認するべく、図７に示す薄板３１について、それぞれの接触面５ａ，７ｃを何れも薄板３側に凸の球面状にした図３に示す形態のバネ定数測定装置１、何れかの接触面のみを薄板３側に凸の球面状にした図５又は図６に示したバネ定数測定装置１Ａ，１Ｂ、図１０に示した各接触面が平坦になされた従来のバネ定数測定装置５０について、バネ定数の測定試験を実施した。

薄板３１は、ディスクブレーキに鳴き防止シムとして使用されるもので、金属板３３の両面にコンパウンド層３４を装備すると共に、各コンパウンド層３４の外表面に、摩擦係数を小さくするために、グラファイトを主成分とする層をコーティングした構造のものとした。
コンパウンド層３４は、耐熱性非金属繊維に合成ゴム材料（エラストマー）や充填材を混合させたコンパウンド材を金属板３３の表面にコーティングすることによって形成されていて、表面の弾性を調整している。

上記の各バネ定数測定装置１，１Ａ，１Ｂ，５０について、それぞれ、１０個のサンプル薄板３１について、バネ定数の測定試験を行い、バネ定数の平均値と、その標準偏差とを測定した。
図８は、その測定結果である。図中の左端の棒グラフ４１ａ，４１ｂはそれぞれの接触面が共に平坦であるバネ定数測定装置５０におけるバネ定数の平均値と標準偏差値、図中の右端の棒グラフ４２ａ，４２ｂはそれぞれの接触面が共に凸の球面状であるバネ定数測定装置１におけるバネ定数の平均値と標準偏差値、図中の中間の棒グラフ４３ａ，４３ｂはそれぞれの接触面の何れか一方のみが凸の球面状であるバネ定数測定装置１Ａ，１Ｂにおけるバネ定数の平均値と標準偏差値である。

図８から、薄板３１に対する一対の接触面を共に凸の球面状としたバネ定数測定装置１の場合が、測定したバネ定数のばらつきが一番少なく、且つ標準偏差値も一番小さく、安定して高精度な測定が実施されることを確認できた。しかし、薄板３１に対する一対の接触面の一方のみを凸の球面状としたバネ定数測定装置１Ａ，１Ｂの場合でも、各接触面の双方が平坦とされたバネ定数測定装置５０の場合と比較すると、測定精度に顕著な差異を確認することができた。
従って、先に説明したように、薄板を挟む一対の接触面の内、少なくともその一方の接触面を凸の球面状にすれば、測定精度の向上、測定の安定性を得られることが確認できた。

図９は、図８に示した測定結果について、更に、バネ定数の平均値に対する標準偏差の割合を算出したもので、図中の左端の棒グラフ４５はそれぞれの接触面が共に平坦であるバネ定数測定装置５０における標準偏差値の割合、図中の右端の棒グラフ４６はそれぞれの接触面が共に凸の球面状であるバネ定数測定装置１における標準偏差値の割合、図中の中間の棒グラフ４７はそれぞれの接触面の何れかが凸の球面状であるバネ定数測定装置１Ａ，１Ｂにおける標準偏差値の割合である。
このように、バネ定数の平均値に対する標準偏差の割合を求めると、本発明による作用効果の有無が、より明確に具現される。

なお、上記の各実施の形態では、圧子は重り付き圧子７として形成して薄板３の上に載せるようにしたが、本発明は、圧子自体の自重によったり、重り以外の押圧手段によって圧子を被測定物表面に押し当てるように構成することもできる。
また、上記の各実施の形態では、被測定物に鳴き防止シムを適用したが、本発明は、このような鳴き防止シムの測定に限らず、種々の薄板状製品のバネ定数の測定に使用することができる。

本発明に係るバネ定数測定装置の第１の実施の形態の概略構成図である。 図１のバネ定数測定装置によって測定する振動伝達関数の説明図である。 図１のバネ定数測定装置の要部の拡大側面図である。 図１のバネ定数測定装置における薄板の挟持状態の説明図である。 本発明に係るバネ定数測定装置の第２の実施の形態の要部拡大側面図である。 本発明に係るバネ定数測定装置の第３の実施の形態の要部拡大側面図である。 測定対象となる鳴き防止シムの概略構成を示す側断面図である。 本発明の各実施の形態と従来のバネ定数測定装置との、測定結果のばらつきを比較表示したグラフである。 図８に示したグラフを標準偏差の比率によって比較表示したグラフである。 従来のバネ定数測定装置の要部の拡大側面図である。 従来のバネ定数測定装置における問題点を示す説明図である。

符号の説明

１ バネ定数測定装置
１Ａ，１Ｂ バネ定数測定装置
３ 薄板（鳴き防止シム）
５ 試料載置ベッド
５ａ 接触面
７ 重り付き圧子
７ａ 圧子本体
７ｃ 接触面
９ 加振器
３１ 薄板（鳴き防止シム）

Claims (3)

1. 試料載置ベッドに載置された薄板状の被測定物の上に圧子を押し当てると共に、前記試料載置ベッドに所定の振動を加えて得られる振動加速度を分析して前記被測定物のバネ定数を算出するバネ定数測定装置であって、
   前記試料載置ベッド及び圧子の前記被測定物に接触する各接触面の内、少なくとも一方の接触面を、被測定物側に凸の球面状にしたことを特徴とするバネ定数測定装置。
2. 前記試料載置ベッド及び圧子の前記被測定物に接触する各接触面のそれぞれを、被測定物側に凸の球面状にしたことを特徴とする請求項１に記載のバネ定数測定装置。
3. 前記被測定物がディスクブレーキのブレーキパッドに用いる鳴き防止シムであることを特徴とする請求項１又は２に記載のバネ定数測定装置。

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