JP4220917B2

JP4220917B2 - フレッチング摩耗評価装置

Info

Publication number: JP4220917B2
Application number: JP2004057395A
Authority: JP
Inventors: 浩二斉藤; 聖一寺田; 仁高井; 公一松村; 聡戸田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-03-02
Also published as: JP2005249462A

Description

本発明はフレッチング摩耗評価装置、特に一対の試験体の一方に荷重を印加しつつ他方の試験体を水平面内で微小変位させてフレッチング摩耗を評価する技術に関する。

機械部品の摩擦面における摩耗の一態様としてフレッチング摩耗がある。このフレッチング摩耗は、機械の嵌めあい部のように微小振動や変動応力を受ける部分に接触面が存在する場合で当該接触面に何らかの相対運動が生じるときに起こる摩耗であり、例えばスプライン軸などに生じ得る。機械部品の耐フレッチング摩耗特性を向上させるためには、その前提として２つの部品間のフレッチング摩耗量を正確に評価する必要があり、特に潤滑油が存在する状況下において正確に評価できる技術が求められている。

従来より、一方の試験体を他方の試験体に当接させ、一方の試験体を水平面内で微小変動させることによりフレッチング摩耗を評価する装置が知られているが、水平方向のみに試験体を往復変動させるのみでは当接面への潤滑油の浸入がないため潤滑油のフレッチング摩耗特性を評価することができない問題がある。この問題を解決するためには、潤滑油を接触面に浸入させるべく、一対の試験体を互いに分離させる必要がある。

特開平６−３０８００６号公報

一方、水平方向に試験体を微小変動させる、あるいはこれに加えて鉛直方向に試験体を微小変動させる場合にも、従来においては水平方向あるいは鉛直方向に微小変動するための専用のガイド（軸受）を用いており、ガイド（軸受）および駆動源自体にフレッチング摩耗が発生してしまい本来評価すべき一対の試験体のフレッチング摩耗量を正確に評価できない問題があった。

本発明の目的は、一対の試験体のフレッチング摩耗を正確に評価すること、および潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗を正確に評価し、これにより耐フレッチング摩耗特性に優れた部材や潤滑油、グリースなどの開発に供することのできる評価装置を提供することにある。

本発明のフレッチング摩耗評価装置は、第１の部材および第２の部材を接触させつつ、鉛直方向に配置し、前記第１の部材を水平面内の一方向に微小振動させる水平方向駆動手段と、前記第２の部材を鉛直面内の一方向に微小変位させることで前記第１の部材に対する前記第２の部材の荷重を変動させる鉛直方向駆動手段とを有し、前記水平方向駆動手段は、水平方向に変位する第１のピエゾ素子と、その一端が前記第１のピエゾ素子に連結されるとともに他端が前記第１の部材に連結され、前記第１のピエゾ素子の変位を増減して前記第１の部材に伝達する第１の可撓ステージと、を有し、前記鉛直方向駆動手段は、鉛直方向に変位する第２のピエゾ素子と、その一端が前記第２のピエゾ素子に連結されるとともに他端が前記第２の部材に連結され、前記第２のピエゾ素子の変位を増減して前記第２の部材に伝達する第２の可撓ステージと、を有し、前記鉛直方向駆動手段は、前記第２の部材に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間と、前記荷重の印加が解除されることにより前記第１の部材および第２の部材の間への潤滑油の侵入が許容される期間と、が周期的に繰り返されるようなタイミングで微小変位し、前記水平方向駆動手段は、前記鉛直方向駆動手段の微小変位タイミングに同期して前記第１の部材を微小振動させるものであって、前記鉛直方向駆動手段が前記第２の部材に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間に前記第１の部材を１周期分微小振動させる。

本発明においては、第１の部材を水平面内で微小変位させつつ、第２の部材を鉛直面内で微小変位させることで荷重を変動させ、これにより実機に生じるフレッチング摩耗現象を正確に再現するとともに、潤滑油を一対の試験体間に浸入させ、潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗を評価する。

本発明では、一対の試験体をそれぞれ水平面内及び鉛直面内で微小変位させ、フレッチング摩耗を評価することができる。また、本発明では、試験体の間に潤滑油等を容易に浸入させることができるので、潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗評価、あるいはフレッチング摩耗に対する潤滑油の性能評価を行うことができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１には、本実施形態に係るフレッチング摩耗評価装置の概念図が示されている。鉛直方向に変位するＺ方向ピエゾ（ＰＺＴ）アクチュエータ１０が設けられ、このＺ方向ピエゾアクチュエータ１０には可撓（フレクシャー）のＺ方向ステージ１２が連結される。Ｚ方向ステージ１２の一端には、一対の試験体１８の一方の試験体であるボール１８ａが支持固定される。

また、水平面内のＸ方向（図中、紙面に対して垂直方向）に変位するＸ方向ピエゾ（ＰＺＴ）アクチュエータ１４が設けられる。Ｘ方向ピエゾアクチュエータ１４には可撓のＸ方向ステージ１６が連結される。Ｘ方向ステージ１６の一端には一対の試験体１８の他方の試験体であるプレート１８ｂが支持固定される。一対の試験体であるボール１８ａおよびプレート１８ｂは、図示のごとく互いに当接するように配置される。

Ｚ方向ピエゾアクチュエータ１０の鉛直方向の微小振動はＺ方向ステージ１２を介してボール１８ａに伝達され、ボール１８ａは鉛直方向に微小振動する。この鉛直方向の振動により、ボール１８ａの荷重が変動する。また、Ｘ方向ピエゾアクチュエータ１４のＸ方向の微小振動はＸ方向ステージ１６を介してプレート１８ｂに伝達され、プレート１８ｂは水平面内で微小振動する。ボール１８ａおよびプレート１８ｂは、当接状態で互いに直交する２軸方向に相対的に微小振動することとなり、例えばスラスト力を受けつつ回転するスプライン軸の摩擦面に生じるフレッチング摩耗現象を再現あるいはシュミレートできる。特に、ボール１８ａをＺ方向に微小振動させることで、ボール１８ａとプレート１８ｂとの間のクリアランスが確保され、潤滑油の浸入を許すこととなるため、潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗を評価することができる。

なお、図ではＺ方向ピエゾアクチュエータ１０及びＺ方向ステージ１２はともにＺ方向に変位しているが、Ｚ方向ピエゾアクチュエータ１０は必ずしもＺ方向に変位する必要はなく、Ｚ方向ステージ１２の形状を工夫することで、結果的にＺ方向ピエゾアクチュエータの変位方向をＺ方向の変位方向に変換すればよい。Ｘ方向ピエゾアクチュエータ１４についても同様であり、Ｘ方向ピエゾアクチュエータ１４自体は水平面内のＹ方向に変位し、Ｘ方向ステージ１６により試験体の変位方向をＸ方向に変換すればよい。

図２には、図１に示されたフレッチング摩耗評価装置の制御ブロック図が示されている。信号発生器５０からアナログ信号はコントローラ５２に供給される。コントローラ５２は、アナログ信号に基づきピエゾ（ＰＺＴ）ドライバ５４にアナログ制御信号を供給する。ピエゾドライバ５４は、このアナログ制御信号に基づきＺ方向ステージ１２、Ｘ方向ステージ１６及び試験体１８を含むステージユニット５６を駆動する。ステージユニット５６にはＸ方向の変位（ストローク）やＺ方向の変位（荷重）を検出するセンサが設けられており、これらセンサからの検出信号はコントローラ５２に帰還される。コントローラ５２は、センサからの検出信号に基づきピエゾドライバ５４を帰還制御し、ボール１８ａおよびプレート１８ｂが所望の変位となるように駆動する。具体的には、ボール１８ａが鉛直方向に１周期振動する間に、プレート１８ｂを水平方向に１周期振動させる等である。振動の振幅は、フレッチング摩耗が生じる数ミクロン程度とする。

図３には、コントローラ５２で制御するステージユニット５６のＺ方向変位（荷重）およびＸ方向変位（ストローク）の時間変化を示すタイミングチャートが示されている。コントローラ５２は、周期的に荷重が増減するようにＺ方向ピエゾアクチュエータ１０を駆動する。具体的には、荷重０の状態からリニアにＬ₀まで増大し、その後所定期間だけ荷重Ｌ₀を維持し、その後荷重Ｌ₀から荷重０までリニアに減少する変動パターンを周期的に繰り返す。時間軸上では荷重変化は台形状のパターンとなる。

また、コントローラ５２は、荷重がＬ₀で一定となる所定期間においてプレート１８ｂがＸ方向に１周期分だけ微小振動するようにＸ方向ピエゾアクチュエータ１４を駆動する。図において、荷重Ｌ₀となる期間ｔ１〜ｔ２においてＸ方向に１周期分だけ微小振動させる様子が示されている。このような制御を実行することで、荷重印加状態におけるフレッチング摩耗を評価できるとともに、荷重０の期間において潤滑油がボール１８ａとプレート１８ｂ間に浸入し、次の荷重印加期間における微小振動により潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗を評価できる。

なお、Ｚ方向ステージ１２およびＸ方向ステージ１６は、それぞれピエゾアクチュエータと試験体１８ａ、１８ｂとの間に連結され、ピエゾアクチュエータの変位をその内部構造により適当な比率に増減させて試験体１８ａ、１８ｂに伝達する機能を有する。すなわち、一般にピエゾ素子（圧電素子）は出力荷重は比較的大きいものの、出力変位は小さく、単体ではフレッチング摩耗を評価するために必要な振動振幅（ミクロンオーダの振幅）を得ることが困難であり、可撓ステージを介在させることでピエゾ素子の変位を所望量の変位まで増減させて試験体１８ａ、１８ｂを微小振動させている。

図４および図５には、ステージ１２，１６の構造が例示されている。図４において、ステージ１２，１６は幅が不均一な長尺形状をなし、幅広部分の一端Ｏで基台に片持ち支持され、長さ方向にａ：ｂの比率点となる点Ｐにてピエゾアクチュエータ１０，１４に連結される。また、ステージ１２、１６の点Ｏとは反対側で幅狭部分の他端Ｑにおいて試験体１８ａ，１８ｂが連結される。長さの比率であるａ：ｂに応じて力点Ｐに生じるピエゾ素子の変位ｘ１が増減されて作用点Ｑにｘ３として出現する。作用点Ｑの下方にボール１８ａを連結する場合、変位ｘ３に応じてボールの荷重Ｆ３が増減する。ステージ１２，１６の厚さ（紙面の垂直方向）を適切に確保することで、その方向の剛性を確保できる。図４の構成では、ガイド軸受は不要となる。

また、図５においては、ステージ１２，１６は屈曲形状をなし、互いに所定距離だけ離間した３つのヒンジ部を有する。３つのヒンジ部の２つは同一直線上にあり、残りの一つはこれらと距離ｈだけずれて配置される。残り一つのヒンジ部でステージ１２，１６を基台に支持される。屈曲形状のステージ１２，１６の一端はＸ方向に延在し、他端はＹ方向に延在しており、Ｘ方向に延在する部位の一端をピエゾアクチュエータ１０，１４に連結し、Ｙ方向に延在する部位の一端に試験体を連結する。ピエゾアクチュエータ１０、１４の変位によりＸ方向に延在する部位がＹ方向にｘ１だけ変位し、これにより基台に支持されたヒンジ部が撓み、Ｙ方向に延在する部位がＸ方向にｘ３だけ変位する。Ｙ方向に延在する部位の長さを調整することで、ｘ３を増減調整できる。

もちろん、これらの構成は例示に過ぎず、当業者であれば他の形状を採用することができる。

図６には、本実施形態におけるフレッチング摩耗評価装置の詳細構成図が示されている。Ｚ方向ピエゾアクチュエータ１０にはＺ方向ステージ１２が設けられ、Ｚ方向ステージ１２にはダイヤフラムを介して荷重を検出するロードセル２０が連結されている。ロードセル２０には治具を介して一対の試験体１８のうちのボール１８ａが設けられる。

一方、試験体１８を構成する他方のプレート１８ｂはベース２２に支持される。ベース２２はその内部に加熱用ヒータが組み込まれており、熱負荷状態において試験体１８を微小振動できるように構成されている。すなわち、熱負荷を種々に変化させて試験体１８の温度や潤滑油の温度（粘度）を変化させた状態での評価が可能である。ベース２２はステージ１６に連結され、ステージ１６は一対の板バネ２４により挟持されつつＸ方向ピエゾアクチュエータ１４に連結される。一方の板バネ２４は、ステージ１６のＸ方向振動を可能とするとともに、鉛直方向の剛性を確保する機能を有する。図６のステージ１２，１６は、図４に示された基本構造、すなわちピエゾアクチュエータの変位方向とステージの変位方向が同一となる構造を採用しているが、図５に示された構造、すなわちピエゾアクチュエータの変位方向とステージの変位方向が９０度異なる構造を用いてもよい。

図７には、図６に示されたフレッチング摩耗評価装置の制御ブロック図が示されている。図２に対応するものである。ＡＣ１００Ｖで動作する信号発生器５０からＸ方向のアナログ信号およびＺ方向のアナログ信号がコントローラ５２に供給される。コントローラ５２は、Ｚステージ１２用のロードセルアンプおよびＸステージ１６用のセンサアンプを備える。コントローラ５２は、ピエゾドライバ５４に対してＺステージ１２用アナログ制御信号およびＸステージ１６用アナログ制御信号を出力する。ピエゾドライバ５４は、これらの信号に基づきＺステージ１２およびＸステージ１６を駆動し、試験体１８ａ、１８ｂをそれぞれＺ方向およびＸ方向に微小変動させる。Ｚステージの微小変動は荷重の変化となり、Ｚステージ１２の荷重変化はロードセル２２で検出される。ロードセル２２にて検出された荷重検出信号はコントローラ５２のロードセルアンプに帰還される。一方、Ｘステージ１６にもその変位を検出するセンサ１６ａが設けられており、検出された変位信号はコントローラ５２のＸステージセンサアンプに帰還される。コントローラ５２は、これらの検出信号に基づきピエゾドライバ５４の動作を帰還制御する。Ｚ方向変位制御とＸ方向変位制御は同期制御され、図３に示されるように所定の荷重Ｌ₀印加時にＸ方向ステージ１６及びプレート１８ｂがＸ方向に１周期だけ振動するように同期制御する。

また、Ｘステージ１６の下部にはＸステージ１６のＺ方向の力、すなわち試験体１８に作用するスラスト力を検出するセンサ１６ｂが設けられ、検出信号はセンサアンプ１９に供給される。センサ１６ｂは、例えば水晶圧電型荷重変換器を用いることができる。センサアンプ１９は、ＤＣ電源１７からの電圧で作動し、検出スラスト力を出力する。この信号を用いてスラスト力をモニタすることができる。なお、上述したように、ベース２２には試験体１８を加熱するためのヒータが組み込まれており、このヒータからの熱的影響を排除するために、水晶圧電型荷重変換器の上下に別のヒータを組み込んで温度制御することも好適である。

このように、本実施形態においてはＸ方向のみならずＺ方向についても試験体を微小変動させ、これにより種々の荷重印加状況下における微小変動を実現できる。また、一対の試験体間に生じるクリアランスに潤滑油あるいはグリースを侵入させ、潤滑油存在下におけるフレッチング摩耗量を正確に評価することができる。これにより、耐フレッチング摩耗特性に優れた材料の開発や、耐フレッチング摩耗特性に優れた潤滑油の開発に必要な基礎的データを得ることができる。

フレッチング摩耗評価装置の概念構成図である。図１に示されたフレッチング摩耗評価装置の制御ブロック図である。Ｚ方向変位とＸ方向変位の駆動タイミングチャートである。可撓ステージの構成図である。可撓ステージの他の構成図である。実施形態に係るフレッチング摩耗評価装置の斜視図である。図６に示されたフレッチング摩耗評価装置の制御ブロック図である。

符号の説明

１０Ｚ方向ピエゾアクチュエータ、１２Ｚ方向ステージ、１４Ｘ方向ピエゾアクチュエータ、１６Ｘ方向ステージ、１８試験体、１８ａボール、１８ｂプレート。

Claims

第１の部材及び第２の部材間の相対的微小運動により生じるフレッチング摩耗を評価する装置であって、
前記第１の部材及び前記第２の部材を接触させつつ鉛直方向に配置し、
前記第１の部材を水平面内の一方向に微小振動させる水平方向駆動手段と、
前記第２の部材を鉛直面内の一方向に微小変位させることで前記第１の部材に対する前記第２の部材の荷重を変動させる鉛直方向駆動手段と、
を有し、
前記水平方向駆動手段は、
水平方向に変位する第１のピエゾ素子と、
その一端が前記第１のピエゾ素子に連結されるとともに他端が前記第１の部材に連結され、前記第１のピエゾ素子の変位を増減して前記第１の部材に伝達する第１の可撓ステージと、
を有し、
前記鉛直方向駆動手段は、
鉛直方向に変位する第２のピエゾ素子と、
その一端が前記第２のピエゾ素子に連結されるとともに他端が前記第２の部材に連結され、前記第２のピエゾ素子の変位を増減して前記第２の部材に伝達する第２の可撓ステージと、
を有し、
前記鉛直方向駆動手段は、前記第２の部材に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間と、前記荷重の印加が解除されることにより前記第１の部材および第２の部材の間への潤滑油の侵入が許容される期間と、が周期的に繰り返されるようなタイミングで微小変位し、
前記水平方向駆動手段は、前記鉛直方向駆動手段の微小変位タイミングに同期して前記第１の部材を微小振動させるものであって、前記鉛直方向駆動手段が前記第２の部材に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間に前記第１の部材を１周期分微小振動させる、
ことを特徴とするフレッチング摩耗評価装置。
請求項１に記載の装置において、さらに、
前記第１の部材及び第２の部材を加熱するためのヒータ手段
を有することを特徴とするフレッチング摩耗評価装置。
第１の試験体と第２の試験体との間の相対的微小運動により生じるフレッチング摩耗を評価する装置であって、
前記第１の試験体を水平面内のＸ方向に微小振動させるＸ方向ステージと、
前記Ｘ方向ステージを駆動するＸ方向ピエゾ素子と、
前記Ｘ方向ステージの変位量を検出する変位センサと、
前記第２の試験体を前記第１の試験体に対して鉛直上方に支持するとともに前記第２の試験体を鉛直面内のＺ方向に微小変位させて荷重を変化させるＺ方向ステージと、
前記Ｚ方向ステージを駆動するＺ方向ピエゾ素子と、
前記Ｚ方向ステージの荷重量を検出するロードセルと、
前記第１の試験体及び前記第２の試験体を加熱するヒータと、
前記Ｘ方向ピエゾ素子及び前記Ｚ方向ピエゾ素子を同期駆動制御するコントローラであって、前記変位センサ及び前記ロードセルからの検出信号に基づき変位量及び荷重印加量をフィードバック制御するコントローラと、
を有し、
前記コントローラは、前記第２の試験体に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間と前記荷重の印加が解除されることにより前記第１の試験体および第２の試験体の間への潤滑油の侵入が許容される期間とが周期的に繰り返されるようにＺ方向ピエゾ素子の駆動を制御するとともに、前記第２の試験体に対して所定の荷重を印加した状態が維持される期間に前記第１の試験体を１周期分微小振動させるようにＸ方向ピエゾ素子の駆動を制御する、
ことを特徴とするフレッチング摩耗評価装置。