JP4111888B2 - 摩擦試験装置 - Google Patents

Description

この発明は、摩擦試験装置に関するものである。

物質表面の摩擦磨耗特性の測定方法では、被測定物質を回転、または、往復移動させ、その上方からピン，ボール，ディスクなどの摩擦印加治具を当接し、これらの摩擦印加治具を介して、被測定物質に特定の荷重をかけて、被測定物質と摩擦印加治具との間に摩擦磨耗領域を形成し、摩擦反力や摩擦トルクを求め、印加荷重と摩擦反力，摩擦トルクから摩擦係数を演算する方式が、広く用いられている。

摩擦反力や摩擦トルクを検出するこの種の摩擦試験装置においては、公知文献の確認は行っていないが、印加荷重を可能な限り小さくして摩擦係数を求める場合、荷重値を正確に設定する目的から、荷重印加治具をバランス型で構成し、支点の両側に荷重とバランス荷重とをかけていた。

図６には、従来のバランス型荷重印加機構を採用した摩擦試験装置の概念図を示している。同図に示した試験装置は、一端側に摩擦印加治具１が設けられ、他端側にバランサー２が設けられたビーム３を備えている。ビーム３は、その長手方向の中心において、支点４により、揺動自在に支持されている。

摩擦印加治具１の先端は、被摩擦試験材料５に当接している。被摩擦試験材料５は、摩擦印加治具１に当接した状態で摺動移動され、被摩擦試験材料５には、ビーム３に載置されている荷重６により、所定の摩擦荷重が加えられている。

被摩擦試験材料５を摩擦荷重が印加された状態で摺動移動させると、摩擦印加治具１と被摩擦試験材料５との間に発生する摩擦力により、ビーム３に変位が起こり、この変位を摩擦計測部７で検出することで、摩擦係数を求める。

この場合、ビーム３の支持形態は、通常、面接触形態のピン構造により、支点４で揺動移動自在に支持しているが、このような構成の従来の摩擦試験装置には、以下に説明する技術的な課題があった。

すなわち、近時、この種の試験装置で摩擦を試験する材料は、例えば、ＬＢ膜と呼ばれる単分子形態の薄膜など、摩擦係数が非常に小さいものも測定の対象となっているが、このような膜材料の摩擦試験では、微小な摩擦荷重を被摩擦試験材料５に印加して、その際のビーム３の変位を摩擦計測部７で検出することになる。

ところが、ビーム３を支持する支点４の構造が、面接触形態であると、この部分に比較的大きな摩擦力が発生して、摩擦印加治具１と被摩擦試験材料５との間の摩擦力を正確に測定することができなかった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、非常に小さい摩擦力の測定が高精度に行える摩擦試験装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、左右に配置された一対のピボット軸受けで支持されたビームと、前記ビームの一端側に設けられ、被摩擦試験材料に当接する接触片と、前記ビームの他端側に設けられたバランス錘と、前記接触片を介して、前記被摩擦試験材料に設定された摩擦荷重を印加するライダーと、前記ピボット軸受けが設けられた環状体と、前記環状体の支持部と、前記被摩擦試験材料が固定載置され、前記被摩擦試験材料を回転ないしは前後移動させる試験台と、前記被摩擦試験材料に前記摩擦荷重を印加して、前記試験台を移動させた際に、前記環状体の捻り量を検出する計測センサーとを備えた摩擦試験装置であって、前記支持部は、前記環状体の中心軸上端に設けられたトーションワイヤーおよび上ピボット軸受けと、前記環状体の中心軸下端に設けられた下ピボット軸受けとを備え、前記上，下ピボット軸受けを点接触とするようにした。

このように構成した摩擦試験装置によれば、ビームを支持する一対のピボット軸受けを点接触とするので、被摩擦試験材料に接触片を介して、微小な摩擦荷重を加えて、環状体の捻り量を計測センサーで検出する際に、ビーム支持部の摩擦力が非常に小さくなって、計測センサーの測定値に影響を及ぼさない。

前記ピボット軸受けは、先端角度が３０〜４５°の鋭角で構成されるピンと、交差角度が９０°以上の鈍角で構成される前記ピンの受承凹部とから構成することができる。

前記ライダーは、前記ビームに載置する摩擦荷重錘と、前記摩擦荷重錘の搬送部とを備え、前記摩擦荷重錘の前記ビームへの搭載位置を変更することにより、前記被摩擦試験材料に設定された摩擦荷重を印加することができる。

前記上および下ピボット軸受けの各受承部には、前記摩擦荷重の大きさを調整する荷重調整部を設けることができる。

前記環状体は、弾性変形可能な円環から構成することができる。

本発明にかかる摩擦試験装置によれば、非常に小さい摩擦力の測定が高精度に行える。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１から図５は、本発明にかかる摩擦試験装置の一実施例を示している。同図に示した摩擦試験装置は、ビーム１０と、接触片１２と、バランス錘１４と、ライダー１６と、環状体１８と、支持部２０と、試験台２２と、計測センサー２４とを備えている。

ビーム１０は、枠状の中央部１０ａと、この中央部１０ａの前後に延設された前ビーム１０ｂと後ビーム１０ｃとを備え、概略細長い平板状に形成されており、中央部１０ａの左右方向に配置された一対の左，右ピボット軸受け２６，２８によりほぼ水平状態に支持されていて、ピボット軸受け２６，２８を支点として、前後方向に移動自在に構成されている。

ビーム１０の一端側に位置する前ビーム１０ｂの先端側には、接触片１２が下面側に垂設支持されている。接触片１２は、後述する摩擦試験材料Ａに当接するものであって、その先端には、回動自在なボール３０が装着されている。

ビームの他端側に位置する後ビーム１０ｃの後端には、バランス錘１４が装着されている。このバランス錘１４は、ビーム１０の全体の平衡を取るために設けられており、バランス錘１４を装着すると、ビーム１０は、概略水平方向を指向する状態に維持される。

ライダー１６は、被摩擦試験材料Ａに設定された摩擦荷重Ｂを印加するものであって、１０の側方に配置されていて、摩擦荷重錘１６ａと、搬送部１６ｂとを備えている。

摩擦荷重錘１６ａは、ビーム１０の前ビーム１０ｂ上に載置されるものであって、その自重の大きさと載置位置とを変更することにより、例えば、１０ｍｇから１０００ｍｇ程度の範囲内の微小摩擦荷重Ｗが、印加できるようになっており、この摩擦荷重Ｗは、被摩擦試験材料Ａによって任意に設定される。

搬送部１６ｂは、摩擦荷重錘１６ｂの係止アーム１６０ｂと、係止アーム１６０ｂの移動機構部１６１ｂとを有していて、係止アーム１６０ｂの先端に係止保持した摩擦荷重錘１６ａを、前ビーム１０ｂの軸方向に沿って移動させ、任意の位置で、摩擦荷重錘１６ａを係止アーム１６０ｂから離脱させて、前ビーム１０ｂ上に載置するように構成されている。

環状体１８は、ビーム１０が、その中心軸上を水平に貫通するように挿通され、中心軸の水平方向の両側内面に左，右ピボット軸受け２６，２８が取付けられていて、このピボット軸受け２６，２８によりビーム１０が左右から支持されている。

環状体１８は、本実施例の場合、図２にその正面を示すように、中心軸上の上下，左右方向に肉厚部１８ａが設けられていて、左右方向の肉厚部１８ａに左および右ピボット軸受け２６，２８が配置されているとともに、上下方向の肉厚部１８ａには、支持部２０が配置されている。

左，右ピボット軸受け２６，２８の詳細を図２に示している。ピボット軸受け２６，２８は、本実施例の場合には、実質的に同一構成のものであって、ピン２６ａ，２８ａと、受承凹部２６ｂ，２８ｂとを備えている。

本実施例の場合、ピン２６ａ，２８ａが、ビーム１０の中央部１０ａの側面に固設されている。ピン２６ａ，２８ａは、先端角度が３０〜４５°の鋭角になっている。

受承凹部２６ｂ，２８ｂは、ネジロッド２６ｃ，２８ｃの先端に埋設されている。ネジロッド２６ｃ，２８ｃは、環状体１８を貫通して、固着されたフランジ２６ｄ，２８ｄに螺着されている。

各ネジロッド２６ｃ，２８ｃは、ナット２６ｅ，２８ｅを螺着することで、これらの中心軸が、環状体１８の中心を通る水平線上に位置するようにして、肉厚部１８ａに固定されている。

なお、ネジロッド２６ｃ，２８ｃは、フランジ２６ｄ，２８ｄとの螺着位置を変更することにより、ピン２６ａ，２８ａ側への突出量が調整できるようになっていて、この調整により左，右ピボット軸受け２６，２８の点接触状態の押圧力が可変になっている。

受承凹部２６ｂ，２８ｂの内面側の交差角度は、９０°以上の鈍角、例えば、１２０°となっていて、凹部２６ｂ，２８ｂの中心にピン２６ａ，２８ａの先端が当接している。

本実施例の場合には、ピボット軸受け２６，２８は、先端角度が３０〜４５°の鋭角で構成されるピン２６ａ，２８ａと、交差角度が９０°以上の鈍角で構成される受承凹部２６ｂ，２８ｂとから構成される点接触状態になっている。

環状体１８の支持部２０は、環状体１８の中心軸の上端に設けられたトーションワイヤー３２および上ピボット軸受け３４と、環状体１８の中心軸の下端に設けられた下ピボット軸受け３６とを備えている。

トーションワイヤー３２の一端は、環状体１８の上端側の肉厚部１８ａに固定された取付ブラケット３８の上端に係止され、他端は、基台３９に固着されていて、本実施例の場合、環状体１８は、トーションワイヤー３２により吊下げ状態で支持されている。

下ピボット軸受け３６は、環状体１８の下端側に配置され、ピン３６ａと受承凹部３６ｂとを備えている。ピン３６ａは、その軸線がトーションワイヤー３２と同軸上にあって、環状体１８の下端側に肉厚部１８ａに固設されている。

受承凹部３６ｂは、ピン３６ａの先端が当接し、環状体１８の自重を下方から支持する。また、この受承凹部３６ｂは、これに当接するピン３６ａとの間の接触圧を、例えば、その厚みを替えることなどにより、調節するためのものである。本実施例の場合、ピン３６ａの先端角度と、受承凹部３６ｂの交差角度は、上述した左ないしは右ピボット軸受け２６，２８と同様な角度に設定され、点接触状態になっている。

上ピボット軸受け３４は、下ピボット軸受け３６と同様に、点接触状態となるピン３４ａと受承凹部３４ｂとを備えている。ピン３４ａは、軸線が下ピボット軸受け３６のピン３６ａと同軸上になるようにして、取付ブラケット３８に固定されている。

支持部２０の上および下ピボット軸受け３４，３６の受承凹部３４ｂ，３６ｂには、図３に示すように、摩擦荷重Ｗの大きさを調整する上および下荷重調整部４０，４２がそれぞれ設けられている。

上および下荷重調整部４０は、同一構成のものであって、上，下アーム４０ａ，４２ａと、各アーム４０ａ，４２ａの端部に設けられた荷重調整ネジ４０ｂ，４２ｂとを備えている。

各アーム４０ａ，４２ａの先端には、上および下ピボット軸受け３４，３６の受承凹部３４ｂ，３６ｂがそれぞれ取付けられており、各アーム４０ａ，４２ａには、荷重検出用のロードセル４０ｃ，４２ｃが貼着されている。なお、各アーム４０ａ，４２ａには、ロードセル４０ｃ，４２ｃの貼着位置に対応させて薄肉部が設けられている。

荷重調整ネジ４０ｂ，４２ｂは、基台３９の側面に上下端側が支持され、中間位置に各アーム４０ａ，４２ａ螺着されている。このように構成した荷重調整部４０，４２によれば、各調整ネジ４０ｂ，４２ｂを上方ないしは下方移動させると、各アーム４０ａ，４２ａがこれに伴って同じ方向に移動する。

アーム４０ａ，４２ａが上下方向に移動すると、その先端に配置されている上，下ピボット軸受け３４，３６の受承凹部３４ｂ，３６ｂが、これに伴って移動し、この際に、各受承凹部３４ｂ，３６ｂには、ピン３４ａ，３６ａがそれぞれ当接しているので、ピン３４ａ，３６ａには、受承凹部３４ｂ，３６ｂの上下移動による押圧力が加えられる。

この場合、各ピン３４ａ，３６ａは、環状体１８の上下端に固設されているので、環状体１８には、これを上下方向から押圧する作用力が加わることになり、上下の荷重調整ネジ４０ｂ，４２ｂを調整すると、環状体１８を下方に押圧する力を作用させることができる。

このような押圧力を環状体１８に作用させると、環状体１８は、左，右ピボット軸受け２６，２８を介して、ビーム１０を水平状態で支持しているので、結果的には、ビーム１０を下方に押圧することになり、このような作用力は、接触片１２を介して、被摩擦試験材料Ａに印加する摩擦荷重Ｗとなる。この場合の押圧力は、ロードセル４０ｃ，４２ｃにより数値を確認しながら調整操作を行うことができる。

なお、本実施例の場合、環状体１８に上下方向の押圧力を作用させると、環状体１８は、薄肉部が設けられた弾性材で構成されているので、この押圧力により環状体１８が弾性変形して、左，右ピボット軸受け２６，２８の接触圧にも影響を及ぼすことになるが、この影響力を利用して、左，右ピボット軸受け２６，２８の圧力調整を行うことができ、これを最適化することが可能になる。

また、摩擦荷重Ｗの較正については、以下の手順で行う。摩擦荷重Ｗの較正をする際には、まず、接触片１２の当接位置に電子天秤を設置して、正確な印加荷重が測定できるようにする。

そして、ライダー１６により摩擦荷重錘１６ａをビーム１０の所定の位置に載置して、例えば、１０ｍｇの摩擦荷重が印加するようにする。この際に、電子天秤の測定値が１０ｍｇと異なっている場合は、上下の荷重調整ネジ４０ｂ，４２ｂを調節して、測定値が１０ｍｇになるようにして、摩擦荷重Ｗの較正を行い、このような較正を２以上の荷重量で行うと、より正確な較正が行える。

一方、試験台２２は、本実施例の場合、回転板２２ａと、回転駆動部２２ｂとを備えている。回転板２２ａは、円板状に形成されて基台３９に回転自在に支持されており、接触片１２の下方に配置され、その上面側に被摩擦試験材料Ａが載置固定される。

回転駆動部２２ｂは、基台３９内に設置され、モータや減速機などを備えていて、回転板２２ａを所定の回転数、例えば、０．０１〜２００ｒｐｍで回転駆動する。なお、本実施例の場合、被摩擦試験材料Ａに回転力を加えて、摩擦特性を測定する場合を例示しているが、回転力に替えて、前後方向に移動させる構成であっても良い。

また、計測センサー２４は、本実施例の場合には、光学式のセンサーであって、投光部２４ａと、受光部２４ｂと、反射ミラー２４ｃとを備えている。投光部２４ａと受光部２４ｂとは、一体化されて、基台３９側に設置されている。

反射ミラー２４ｃは、環状体１８の上端側に設けられた取付ブラケット３８に固定されている。本実施例の計測センサー２４では、投光部２４ａから出射した光が、反射ミラー２４ｃで反射して、この反射光が受光部２４ｂで受光される。この際に、受光部２４ｂにおける反射光の受光位置が識別可能になっていて、受光位置が異なるのその量が検出される。

反射ミラー２４ｃが固定された環状体１８に捩れが発生すると、反射ミラー２４ｃがこれに伴って回動するので、受光部２４ｂで受光されて位置が移動することになり、計測センサー２４では、この移動量を検出することになる。

以上のように構成した摩擦試験装置においては、被摩擦試験材料Ａの摩擦特性を測定する際には、被摩擦試験材料Ａを試験台２２の回転板２２ａ上に固定し、その上部に接触片１２を当接させて、ライダー１６により摩擦荷重錘１６ａをビーム１０上に載置して、所定の摩擦荷重Ｗを被摩擦試験材料Ａに印加する。

この状態で、試験台２２の回転駆動部２２ｂを所定の回転数で駆動させる。接触片１２と被摩擦試験材料Ａの表面との間に作用する摩擦トルクは、接触片１２を介して、ビーム１０に伝達され、環状体１８の捻りとして現れ、環状体１８の捻り量が計測センサー２４により検出され、この捻り量に基づいて、被摩擦試験材料Ａの摩擦係数が求められることになる。

さて、以上のように構成した摩擦試験装置によれば、ビーム１０を支持する一対のピボット軸受け２６，２８を点接触とするので、被摩擦試験材料Ａに接触片１２を介して、微小な摩擦荷重Ｗを加えて、環状体１８の捻り量を計測センサー２４で検出する際に、ビーム１０の支持部の摩擦力が非常に小さくなって、計測センサー２４の測定値に影響を及ぼさない。

このようにして計測センサー２４の検出精度が高くなると、例えば、単分子形態の薄膜など、摩擦係数が非常に小さいものの測定が高精度に行える。

本発明にかかる磨耗試験装置は、ＬＢ膜と呼ばれる単分子形態の薄膜など、摩擦係数が非常に小さいものの摩擦磨耗測定に有効に活用することができる。

本発明にかかる摩擦試験装置の一実施例を示す全体構成図である。 図１の要部拡大図である。 図２の側面図である。 図２の要部拡大図である。 図２の要部拡大図である。 従来の摩擦試験装置の原理説明図である。

符号の説明

１０ ビーム
１２ 接触片
１４ バランス錘
１６ ライダー
１８ 環状体
２０ 支持部
２２ 試験台
２４ 計測センサー
２６ 左ピボット軸受け
２８ 右ピボット軸受け
３２ トーションワイヤー
３４ 上ピボット軸受け
３６ 下ピボット軸受け
４０ 上荷重調整部
４２ 下荷重調整部

Claims (5)

1. 左右に配置された一対のピボット軸受けで支持されたビームと、
   前記ビームの一端側に設けられ、被摩擦試験材料に当接する接触片と、
   前記ビームの他端側に設けられたバランス錘と、
   前記接触片を介して、前記被摩擦試験材料に設定された摩擦荷重を印加するライダーと、
   前記ピボット軸受けが設けられた環状体と、
   前記環状体の支持部と、
   前記被摩擦試験材料が固定載置され、前記被摩擦試験材料を回転ないしは前後移動させる試験台と、
   前記被摩擦試験材料に前記摩擦荷重を印加して、前記試験台を移動させた際に、前記環状体の捻り量を検出する計測センサーとを備えた摩擦試験装置であって、
   前記支持部は、前記環状体の中心軸上端に設けられたトーションワイヤーおよび上ピボット軸受けと、前記環状体の中心軸下端に設けられた下ピボット軸受けとを備え、
   前記上，下ピボット軸受けを点接触とすることを特徴とする摩擦試験装置。
2. 前記ピボット軸受けは、先端角度が３０〜４５°の鋭角で構成されるピンと、交差角度が９０°以上の鈍角で構成される前記ピンの受承凹部とからなることを特徴とする請求項１記載の摩擦試験装置。
3. 前記ライダーは、前記ビームに載置する摩擦荷重錘と、前記摩擦荷重錘の搬送部とを備え、前記摩擦荷重錘の前記ビームへの搭載位置を変更することにより、前記被摩擦試験材料に設定された摩擦荷重を印加することを特徴とする請求項１または２項記載の摩擦試験装置。
4. 前記上および下ピボット軸受けの各受承部には、前記摩擦荷重の大きさを調整する荷重調整部が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の摩擦試験装置。
5. 前記環状体は、弾性変形可能な円環から構成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の摩擦試験装置。

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