JP4352585B2 - 摩擦力計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、摺動部を有する供試体の摺動時の摩擦力の測定、特にコロやレール式の扉などの小さな摩擦力の計測、加速度が大きな場合の摩擦力の計測あるいは摩擦力に対する加速度や速度の依存性を調べるための性能を備えた摩擦力計測装置及び摩擦力計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、上記のような摩擦力の計測には、下位物体又上位物体へ2軸荷重検出器を取り付けて水平・垂直荷重を検出して摩擦力を計測したり、荷重を付加するために用いられるベアリングの摩擦力の補正や上位物体が下位物体に対して相対的に移動する場合の加速度の補正を行わずに摩擦力を計測する摩擦力計測装置や摩擦力計測方法が用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の摩擦力の計測のように2軸荷重検出器を用いた場合には、水平方向から垂直方向に対して約1%、垂直方向から水平方向に対して約2%の荷重移動、すなわちクロストークが発生し、これにより計測誤差を生じるという問題がある。
また、ベアリングによる摩擦力が荷重検出器により検出される荷重に対して無視できないような大きさである場合、あるいは加速度に比例した慣性力によって荷重検出器に現れる出力成分が荷重検出器により検出される荷重に対して無視できない大きさである場合、いずれも正確な摩擦力が検出できないという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、上記のような計測分野に対しても、正確な摩擦力を計測できる摩擦力計測装置及び摩擦力計測方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の摩擦力計測装置は、下位物体、上位物体及び両物体を摺動する摺動部Aからなる供試体に垂直荷重を付加する垂直荷重付加手段と、下位物体と上位物体を相対的に滑らせるための水平荷重を付加する水平荷重付加手段とを備えて摺動部Aの摩擦力を計測する摩擦力計測装置において、前記下位物体下に設けた摺動部Bと、前記上位物体上に設けた摺動部Cと、前記下位物体の2倍の質量を有し前記摺動部C上に設けた質量体と、該質量体上に設けた摺動部Dと、該摺動部D上に設けた受圧板とを備えると共に、前記摺動部Bと前記摺動部Cと前記摺動部Dは同一の形状及び大きさとし、前記下位物体及び前記質量体に対して同時に前記水平荷重付加手段による水平方向の荷重を付加するための連結機構と、前記上位物体の水平方向の移動を拘束する拘束手段と、前記連結機構と前記下位物体の間に介装され前記下位物体に付加される水平方向の荷重を計測する荷重検出器K1と、前記連結機構と前記質量体の間に介装され前記質量体に付加される水平方向の荷重を計測する荷重検出器K2と、前記垂直荷重付加手段と前記受圧板の間に介装され前記受圧板に付加される垂直方向の荷重を計測する荷重検出器K3とを備え、前記垂直荷重付加手段により前記受圧板と前記摺動部Dと前記質量体と前記摺動部Cを介して供試体に垂直荷重を付加すると共に、前記水平荷重付加手段により前記下位物体及び前記質量体に水平荷重を付加して得られる前記荷重検出器K1の出力X1及び前記荷重検出器K2の出力X2から摺動部Aの摩擦力Yを
Y=X1−X2/2
なる演算から求めるようにしたことを特徴とする。
本発明の摩擦力計測装置及び摩擦力計測方法は上記のように構成されており、荷重付加により発生するクロストークや速度及び加速度による影響を除去し、正確な摩擦力を計測することができる。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は摺動部1a、下位物体1b及び上位物体1cからなる供試体1の摺動部1aの摩擦力を計測する場合の概略構成図を示したものである。この場合、摺動部1aは下位物体1bあるいは上位物体1cのいずれに付属されていてもよい。
本摩擦力計測装置は、摩擦力の小さいベアリング等を用いた供試体1を搭載するための摺動部2と、供試体1上に設けた摺動部3を有し、下位物体1bの2倍の質量をもつ質量体4と、前記下位物体1b及び質量体4に水平方向の荷重を付加するための連結機構5及び水平荷重付加機構としての油圧を用いたアクチュエータ6と、受圧板13を介して供試体1に鉛直方向の荷重を付加するための垂直荷重付加機構としての油圧を用いたアクチュエータ7を基本要素として構成されている。
【0006】
前記連結機構5は、垂直ヨーク5aによって水平方向の移動を拘束されると共に、垂直方向に昇降自在のスライドガイド5b、5cに水平ヨーク5d、5eを固着してなるものである。
前記水平ヨーク5dと下位物体1bとの間には下位物体1bに付加される水平方向の荷重を検出するための荷重検出器8が、水平ヨーク5eと質量体4との間には、質量体4に付加される水平方向の荷重を検出するための荷重検出器9がそれぞれ連結され、垂直ヨーク5aは、フレーム11に固定したアクチュエータ6に結合されている。
【0007】
また、上位物体1cは水平ヨーク12bを介してフレーム11に沿って昇降自在のスライダガイド12aよって水平方向の移動を拘束されると共に、アクチュエータ7に連結された垂直荷重を測定するための荷重検出器10及び摩擦力の小さいベアリング等を用いた摺動部14を介して垂直方向の荷重が付加される。
【0008】
上記構成の摩擦力計測装置において、アクチュエータ7を駆動して荷重検出器10を介して受圧板13に垂直荷重を加えると、この垂直荷重は荷重検出器10で検出されると共に、それぞれスライドガイド5c、スライドガイド12a及びスライドガイド5bにより水平方向での移動を制限された質量体4、上位物体1c及び下位物体1bに垂直荷重として伝達される。
【0009】
上記垂直荷重を加えた状態でアクチュエータ6を駆動して垂直ヨーク5aを水平方向に移動させると、前記下位物体1bはスライドガイド5b、水平ヨーク5d及び荷重検出器8を介し、また前記質量体4はスライドガイド5c、水平ヨーク5e及び荷重検出器9を介してそれぞれ水平方向の荷重が加えられて水平方向に移動すると共に、摺動部1a及び摺動部2で摩擦力を発生する。
前記荷重検出器8、9、10はいずれも一軸荷重検出器であり、荷重検出器8、9は水平方向の荷重、荷重検出器10は垂直方向の荷重のみを検出する。
【0010】
前記供試体1の運動方程式より荷重検出器8の出力は、供試体1の摺動部1aでの摩擦力と、摺動部2での摩擦力及び下位物体1bの運動による慣性力の和とバランスする。ここで、荷重検出器8の出力をF8、摺動部1aでの摩擦力をF1a、摺動部2での摩擦力をF2とすると、荷重検出器の出力F8は(1)式で表すことができる。
F8=F1a+F2+(下位物体1bの質量)×(加速度) (1)
また、質量体4の運動方程式より荷重検出器9の出力は、摺動部3での摩擦力と、摺動部14での摩擦力及び質量体4の運動による慣性力の和とバランスする。ここで、前記荷重検出器9の出力をF9、摺動部3での摩擦力をF3、摺動部14での摩擦力をF14とすると、荷重検出器9の出力F9は(2)式で表すことができる。
F9=F3+F14+(質量体4の質量)×(加速度) (2)
【0011】
さらに、本発明においては、上記の構成と共に前記摺動部2、3、14の材質、形状及び大きさを同一のものとし、質量体4の質量を下位物体1bの2倍にしたものを使用することを特徴点としており、次式の関係が成り立つ。
F2=F3=F14
質量体4の質量=2×(下位物体1bの質量)
以上の関係と下位物体と質量体4が連結されていて同じ加速度で運動することから、供試体1の摺動部1aの摩擦力F1aは(3)式で表すことができる。
F1a=F8−F9/2 (3)
すなわち、供試体1の摺動部1aでの摩擦力は荷重検出器8、9の出力のみから求めることが可能となる。
【0012】
上記アクチュエータ6、7の制御及び(3)式の計測、演算は図2に示すような荷重検出器8、9、10、演算制御部15、油圧サーボ制御装置16、17及び変位検出器18を用いて行われる。
前記アクチュエータ7は、荷重検出器10の出力が内部設定値と一致するようにフィードバック制御を行う油圧サーボ制御装置17により駆動される。また、前記アクチュエータ6は、その出力軸に取り付けられた変位検出器18の出力が内部波形設定値と一致するようにフィードバック制御を行う油圧サーボ制御装置16により駆動される。
【0013】
前記演算制御部15は、荷重検出器8、9、10及び変位検出器18からの出力信号を順次切り換えて計測するためのマルチプレクサ15aと、そのアナログ出力信号をディジタル入力信号に変換するためのA/D変換器15bと、摩擦力計測のための制御プログラムや(3)式等の演算プログラムを記憶しておくメモリ15dと、前記ディジタル入力信号を用いて(3)式の演算を行うCPU15cと、その演算結果をディスプレイ又は記録計等の出力装置15fに出力するためのインターフェース15eから構成されている。
【0014】
本装置による摩擦力の計測は、次の動作手順により行われる。
1)油圧サーボ制御装置17によりアクチュエータ7を駆動して、所定の垂直荷重を供試体1に加える。
2)油圧サーボ制御装置16によりアクチュエータ6を駆動して、所定の変位波形で垂直ヨーク5aを水平移動させる。
3)荷重検出器8、9、10及び変位検出器18の出力信号を、マルチプレクサ15a、A/D変換器15bを介してCPU15cに取り込む。
4)メモリ15dから(3)式を読み出し、CPU15cにおいて摩擦力F1aの演算を行う。
5)前記変位検出器18の出力、摩擦力F1a及び荷重検出器10の出力等を時系列的に数値データまたは変化曲線としてインターフェース15eを介してCRTやプリンタ等の出力装置15fに出力する。
以上の動作は連続して行われ、試験状態により変化する時事刻々の摩擦力が計測され表示される。上記変位波形を実際の使用状態に合わせることにより、実用状態で発生する摩擦力を計測することができる。
なお、油圧サーボ制御装置16、17の内部設定値を前記演算制御器15で発生させて与えるようにして、摩擦力計測動作をすべて演算制御部の指令によって行うこともできる。また、上記摩擦力を荷重検出器10の検出信号で除算することにより摩擦係数を求めることも可能である。
【0015】
【発明の効果】
本発明の摩擦力計測装置及び摩擦力計測方法は上記のように構成されており、供試体を構成する下位物体の2倍の質量を有する質量体を前記下位物体と連結して供試体の上位物体に対して摺動させると共に、前記質量体及び下位物体に発生する摩擦力が等しくなるように構成して、上位物体の慣性力及び供試体周辺の摩擦力を演算によりキャンセルすることにより、供試体に掛かる荷重からのみの摩擦力を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による摩擦力計測装置の構成図である。
【図2】本発明による演算制御部の構成図である。
【符号の説明】
1…供試体
1a、2、3、14…摺動部
1b…下位物体
1c…上位物体
4…質量体
5…連結機構
5a…垂直ヨーク
5b、5c、12b…スライドガイド
5d、5e…水平ヨーク
6、7…アクチュエータ
8、9、10…荷重検出器
11…フレーム
13…受圧板
15…演算制御部
15a…マルチプレクサ
15b…A/D変換器
15c…CPU
15d…メモリ
15e…インターフェース
15f…出力装置
16、17…油圧サーボ制御装置
18…変位検出器
Claims (1)
- 下位物体、上位物体及び両物体を摺動する摺動部Aからなる供試体に垂直荷重を付加する垂直荷重付加手段と、下位物体と上位物体を相対的に滑らせるための水平荷重を付加する水平荷重付加手段とを備えて摺動部Aの摩擦力を計測する摩擦力計測装置において、
前記下位物体下に設けた摺動部Bと、前記上位物体上に設けた摺動部Cと、前記下位物体の2倍の質量を有し前記摺動部C上に設けた質量体と、該質量体上に設けた摺動部Dと、該摺動部D上に設けた受圧板とを備えると共に、前記摺動部Bと前記摺動部Cと前記摺動部Dは同一の形状及び大きさとし、前記下位物体及び前記質量体に対して同時に前記水平荷重付加手段による水平方向の荷重を付加するための連結機構と、前記上位物体の水平方向の移動を拘束する拘束手段と、前記連結機構と前記下位物体の間に介装され前記下位物体に付加される水平方向の荷重を計測する荷重検出器K1と、前記連結機構と前記質量体の間に介装され前記質量体に付加される水平方向の荷重を計測する荷重検出器K2と、前記垂直荷重付加手段と前記受圧板の間に介装され前記受圧板に付加される垂直方向の荷重を計測する荷重検出器K3とを備え、前記垂直荷重付加手段により前記受圧板と前記摺動部Dと前記質量体と前記摺動部Cを介して供試体に垂直荷重を付加すると共に、前記水平荷重付加手段により前記下位物体及び前記質量体に水平荷重を付加して得られる前記荷重検出器K1の出力X1及び前記荷重検出器K2の出力X2から摺動部Aの摩擦力Yを
Y=X1−X2/2
なる演算から求めるようにしたことを特徴とする摩擦力計測装置。
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