JP4377805B2

JP4377805B2 - 摩擦評価量測定装置及び方法

Info

Publication number: JP4377805B2
Application number: JP2004343369A
Authority: JP
Inventors: 浩平飯田; 幸夫西山; 栄一前橋
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP2006153610A

Description

本発明は、鉄道車輪の踏面等の摩擦評価量（クリープ力、クリープ係数）を測定する装置及び方法に関する。

鉄道車輪やレールの動摩擦係数を測定する装置としては、例えば鉄道総合技術研究所製の『μテスター』が知られている。このμテスターは、車輪又はレールの表面に接してすべりながら回転するスリップローラーを備えており、このスリップローラーと車輪又はレールとの間に働く摩擦力の特性（動摩擦係数）を測定する装置である。μテスターは、現場において、車輪又はレールの様々な位置に様々な姿勢で取り付けて用いることができ、現在広く普及している。

ところで、このμテスターは、車輪又はレールの動摩擦係数の測定は可能であるが、クリープ係数等の摩擦評価量までは測定することができない。これに対し、本出願人は、特許文献１（特願２００３−３９９１２２号）において、すべり率とクリープ力との関係（クリープ飽和特性）を測定することが可能な『クリープ力測定装置』を提案した。このクリープ力測定装置によれば、レール上に測定ローラー（スリップローラー）を押し付けた状態で転動させることにより、実際のレール上でのクリープ力飽和特性を簡易に測定することが可能である。

特願２００３−３９９１２２号

しかし、実際の車輪とレールとの間は、微小すべり（すべり率−１０％〜＋１０％程度）を伴う転動が生じている。この微小すべり状態における摩擦評価量を測定可能な装置が求められている。

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、鉄道車両の踏面等について、微小すべり状態における摩擦評価量を測定可能な装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の摩擦評価量測定装置は、被測定物の表面に押し当てられるスリップローラーと、該スリップローラーを被測定物の表面上において所望の回転周速（Ｖｒ）で回転させる回転手段と、前記スリップローラーを被測定物の表面に沿って所望の移動速度（Ｖｆ）で移動させる移動手段と、被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定する押圧力設定手段と、前記押圧力を検出する押圧力検出手段と、前記スリップローラーが回転しつつ移動する際に該ローラーにかかる接線力を検出する接線力検出手段と、前記スリップローラーの周囲３箇所において各々が被測定物の表面に当たって転動する回転自在の補助ローラーと、を備え、装置使用時に、前記補助ローラーが被測定物の表面に当たり、次いで、押圧力設定機構を操作して、スリップローラーを被測定面に押し付けが可能であり、前記スリップローラーの回転周速（Ｖｒ）と移動速度（Ｖｆ）を異ならせ、前記スリップローラーを被測定物の表面でスリップさせながら、被測定物の表面の摩擦評価量を測定可能なことを特徴とする。

この装置によれば、被測定物の表面上において、押圧力設定手段によりスリップローラーを所望の押圧力で押し当てた状態で、スリップローラーを所望のすべり率で転走させながら摩擦係数等を測定することができる。この際、スリップローラーは、回転手段により回転周速Ｖｒで回転しつつ移動手段により移動速度Ｖｆで移動し、これらＶｒ、Ｖｆ（Ｖｒ≠Ｖｆ）を適切に設定することで、すべり率Ｓ＝（Ｖｒ−Ｖｆ）／｛（Ｖｒ＋Ｖｆ）／２｝を任意の微小な状態とすることができる。そのため、従来の装置でも測定可能なＶｒ＝０（Ｓ＝−２００％）の完全滑走すべり状態、及び、Ｖｆ＝０（Ｓ＝２００％）の完全空転すべり状態に加えて、微小すべり（すべり率−１０％〜＋１０％程度）状態における摩擦評価量（摩擦係数等）を測定することが可能となる。また、微小すべり状態における摩擦力が測定可能になることで、例えば被測定物の表面に付着した塵埃等が摩擦力に与える影響を解析できるようになる。
なお、測定時には、回転周速Ｖｒ及び移動速度Ｖｆを一定（したがってすべり率Ｓを一定）としてスリップローラーを転走させる以外に、すべり率Ｓを滑走領域から空転領域で変えつつスリップローラーを転走させることもできる。

本発明の他の摩擦評価量測定装置は、被測定物に固定される固定フレームと、該固定フレームの長手方向に延びるガイド、及び、該ガイドに沿ってスライド可能に設けられたスライダーを有するスライド機構と、該スライド機構のスライダーに揺動可能に設けられた測定フレームと、該測定フレーム及び前記スライダーを前記ガイドに沿って移動させる移動手段と、該測定フレームに回転可能に取り付けられたスリップローラーと、該スリップローラーを被測定物の表面上で回転させる回転手段と、前記測定フレームに設けられた、被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定する押圧力設定機構と、前記スリップローラーの押圧力を検出する押圧力検出手段と、前記スリップローラーの周囲３箇所において前記測定フレームに回転自在に取り付けられ、各々が被測定物の表面に当たって転動する補助ローラーと、前記回転手段によって前記スリップローラーを回転させつつ、前記移動手段で前記測定フレームを移動させる際に、前記スリップローラーにかかる接線力を検出する接線力検出手段と、を具備することを特徴とする。

この装置を使用する際には、まず、装置全体を被測定物上に載置して固定フレームを固定する。このとき、３箇所の補助ローラーが被測定物の表面に当たる。次いで、押圧力設定機構を操作して、スリップローラーを被測定面に押し付ける。この際の押圧力は、押圧力検出手段で検出される。そして、回転手段と移動手段とを同時に駆動し、スリップローラーの回転周速Ｖｒと、スリップローラーを支持する測定フレームの移動速度Ｖｆを制御して、所望のすべり状態でスリップローラーを転走させる。この際のスリップローラーにかかる接線力は、接線力検出手段で検出される。この装置においても、被測定面上において、スリップローラーを所望の押圧力で押し当てた状態で、スリップローラーを所望の微小すべり率で転走させることができるので、従来の装置でも測定可能な片方の接触面が静止（ＶｒもしくはＶｆが０）している完全すべり状態に加えて、微小すべり状態における摩擦評価量を測定することが可能となる。

本発明の摩擦評価量測定装置においては、前記測定フレームが、前記スライド機構のスライダーに揺動可能に設けられた、前記各補助ローラーを回転自在に支持する外フレームと、該外フレームに揺動可能に設けられた、前記スリップローラーを回転可能に支持する内フレームと、を備えるものとすることができる。
この場合、スライド機構に対して外フレームが揺動し、外フレームに対して内フレームが揺動する二重の揺動構造が実現され、測定時のスリップローラーの姿勢は３つの補助ローラーで維持される。そのため、被測定物の表面が曲面状であっても、スリップローラーを望ましい姿勢に保ちつつ曲面に沿って転動させることができる。

本発明の摩擦評価量測定装置においては、前記接線力検出手段が、前記内フレームと前記外フレーム間に配置されているものとすることができる。
この場合、押圧力検出手段及び接線力検出手段がスリップローラーに近接して配置されているので、測定誤差を少なくすることができる。
なお、各検出手段としては、ロードセル等を用いることができる。

本発明の摩擦評価量測定装置においては、前記移動手段が、被測定物の表面に着脱可能に配置されるフレキシブルラックと、前記測定フレームに設けられた駆動用モーターと、該駆動用モーターの出力軸に設けられた、前記フレキシブルラックに噛み合うピニオンと、を備えるものとすることができる。
例えば被測定物が鉄道車輪の踏面の場合、車輪のフランジ頂部にフレキシブルラックを配置し、これにピニオンを噛み合わせて測定フレームを駆動させることができる。フレキシブルラックは、測定対象となる回転対称曲面と同心円周上に配置することができるので、測定フレームの駆動（ピニオンの噛み合い移動）とスリップローラーの移動速度Ｖｆを一定に保ちつつ測定を行い易い。

本発明の摩擦評価量測定装置においては、前記回転手段が、前記測定フレームに設けられた駆動用モーターと、該駆動用モーターの出力軸と前記スリップローラーの支持軸との間に架け渡されたタイミングベルトと、を備えるものとすることができる。
このタイミングベルトと前記移動手段のフレキシブルラックを用いるとともに、スリップローラーの移動方向を一定とすると、測定フレームやスリップローラーの駆動系のすべりやバックラッシ等の悪影響を低減できる。さらに、フレキシブルラックに噛み合う前記ピニオンをノーバックラッシギアに代えると、滑走すべりから空転すべりあるいはその逆のような、すべりの向きを反転させたときのバックラッシの悪影響も低減できる。

本発明の摩擦評価量測定装置においては、前記固定フレームに、該固定フレームを被測定物に着脱自在に固定する固定手段が設けられているものとすることができる。
この固定機構を用いることで、装置の被測定物への固定及び固定解除を容易に行うことができる。そのため、装置を別の測定部位に移すのに手間がかからず、多くの測定部位を短時間で測定することができるようになる。

本発明の摩擦評価量測定方法は、スリップローラーの周囲３箇所に配置した回転自在の補助ローラーを被測定物の表面に当て、次いで、被測定物の表面にスリップローラーを押し当てて、被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定し、前記スリップローラーを被測定物の表面上において所望の回転周速（Ｖｒ）で回転させつつ、被測定物の表面に沿って所望の移動速度（Ｖｆ）で移動させ、これら回転周速（Ｖｒ）と移動速度（Ｖｆ）を異ならせ、前記スリップローラーを被測定物の表面でスリップさせながら、被測定物の表面の摩擦評価量を測定することを特徴とする。

本発明によれば、微小すべり状態における摩擦係数等の摩擦評価量を測定可能な摩擦評価量測定装置及び方法を提供できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、被測定物が鉄道車両の車輪の場合である。
図１は、本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の全体図（正面図）である。
図２は、同摩擦評価量測定装置の側面断面図である。
図３は、同摩擦評価量測定装置の平面断面図（図１のＸ−Ｘ線断面図）である。
図４は、同摩擦評価量測定装置の測定部の上面図である。
図５は、同摩擦評価量測定装置の測定部の外フレーム部及びその連結構造の分解斜視図である。
図６は、同摩擦評価量測定装置の測定部の内フレーム部及び測定ヘッド部の斜視図である。
なお、以下の説明において、上下・左右・前後とは、特に断らない限り各図における矢印方向を指すものとする。

図１〜図６に示す摩擦評価量測定装置１は、大きく分けて、以下の各部（Ａ）〜（Ｆ）を備えている。
（Ａ）被測定物である車輪Ｃに固定される固定フレーム部１０。この固定フレーム部１０は、固定用マグネット１５（固定機構）、ガイド２１及びスライダー２２を有するリニアガイド２０（スライド機構）を含む。
（Ｂ）固定フレーム部１０の内側でリニアガイド２０のスライダー２２に取り付けられた測定部３０。この測定部３０は、スライダー２２に揺動可能に取り付けられた外フレーム部４０（図５参照）、外フレーム部４０に揺動可能に取り付けられた内フレーム部５０（図６参照）、内フレーム部５０の内側に配置された測定ヘッド部６２（図６参照）を有する。

（Ｃ）測定部３０の測定ヘッド部６２に設けられたスリップローラー６０及びその回転機構６１（図２、図６参照）。
（Ｄ）測定部３０の測定ヘッド部６２に設けられたスリップローラー６０の押圧力設定機構７１。この押圧力設定機構７１は、スリップローラー６０の押圧力検出用ロードセル７９（検出手段）を含む。
（Ｅ）測定部３０の外フレーム部５０に組み付けられた接線力検出部８０。この接線力検出部８０は、接線力検出用ロードセル８１（検出手段）を含む。
（Ｆ）測定部３０を移動させる移動機構９１（図２参照）。

以下、各部の詳細について説明する。
（Ａ）固定フレーム部１０
図１及び図２に示すように、固定フレーム部１０は、上プレート１１及び縦フレーム１２を備えている。縦フレーム１２は、上プレート１１の左端から垂下している（図２参照）。縦フレーム１２の下側両隅部には、左右方向に延びる位置決め棒１３が設けられている（図１参照）。各位置決め棒１３は、装置１の設置時に車輪Ｃのフランジ部Ｃｆに当たり、装置１全体を位置決めする。なお、固定フレーム部１０の上プレート１１に開けられた孔１１ａ（図２参照）は、後に詳述する押圧力設定機構７１を操作するための工具（図示されず）を通すためのものである。

縦フレーム１２の前後下端それぞれには、固定用マグネット（永久磁石又は電磁石）１５が設けられている。各固定用マグネット１５は、装置１の設置時に車輪Ｃのフランジ部Ｃｆの側面に吸着し、装置１全体を定位置に固定する。この固定用マグネット１５には、レバー１６が取り付けられており、このレバー１６の切り換えに応じて磁力が生じるようになっている。このような固定用マグネット１５を用いることで、装置１の車輪Ｃへの固定及び別場所への設置時の固定解除を容易に行うことができる。

図１、図２（及び図５）に示すように、固定フレーム部１０の上プレート１１の下面には、リニアガイド２０が設けられている。このリニアガイド２０は、上プレート１１の長手方向（前後方向）に延びるガイド２１と、このガイド２１に沿ってスライド可能に設けられたスライダー２２とからなる。ガイド２１は、上プレート１１の下面に固定されており、このガイド２１にスライダー２２がスライド可能に設けられている。

（Ｂ）測定部３０
測定部３０は、前述の通り、外フレーム部４０、内フレーム部５０、測定ヘッド部６２を備えている。
図５に最もわかり易く示すように、外フレーム部４０の上部は、バネ受けプレート３１、支持プレート３２、連結コイルバネ３５を介して、リニアガイド２０のスライダー２２に揺動可能に連結されている。バネ受けプレート３１は、スライダー２２の下面に固定されている（図２参照）。このバネ受けプレート３１の下面には、支持プレート３２がビス３９で固定されている。この支持プレート３２の対向する左右の側面には、一対の支持ピン３３が突設されている。

支持プレート３２の各支持ピン３３には、外フレーム部４０の係合突片４１がそれぞれ係合している。係合突片４１は、左右の支持ピン３３のそれぞれに対応して、外フレーム部４０上面の左右端に二本ずつ形成されており、二本の係合突片４１間のスペースに支持ピン３３が嵌り込んでいる（図１参照）。さらに、バネ受けプレート３１の下面四隅と、外フレーム部４０の上面四隅とは、連結コイルバネ３５で連結されている。各連結コイルバネ３５には、それぞれ補強ピン３７が内挿されている。各補強ピン３７は黄銅材等からなり、外フレーム部４０の上面四隅に取り付けられている。これら補強ピン３７は、連結コイルバネ３５の座屈防止の役割を果たす。

外フレーム部４０全体は、係合突片４１が両支持ピン３３に当たることで前後水平方向の変位は規制されるが、両支持ピン３３を支点として前後方向に揺動可能であり、且つ、上下方向に若干摺動可能である。各連結コイルバネ３５は、バネ受けプレート３１に対して外フレーム部４０を連結支持しつつ、外フレーム部４０全体を下方向に付勢している。外フレーム部４０の前後方向の揺動時において、各連結コイルバネ３５は伸縮・屈曲変形する（後述する図８、図９参照）。

外フレーム部４０は、三つの脚部（左側の前後二つの脚部４３、及び、右側のＶ字状の脚部４４）を備えている。各脚部４３、４４の下端それぞれには、補助ローラー４５が回転自在に取り付けられている。これら補助ローラー４５は、測定ヘッド部６２に取り付けられたスリップローラー６０の周囲３箇所に位置し、装置１の車輪Ｃへの設置時において、各々が車輪Ｃの踏面Ｃｓに当たって転動する。

外フレーム部４０の内側には、内フレーム部５０が揺動可能に設けられている。図２及び図６にわかり易く示すように、内フレーム部５０はＬ字状をしている。この内フレーム部５０上端の左右側面には、それぞれ支持ピン５３が突設されている。各支持ピン５３は、外フレーム部４０の左右側面に埋め込まれたベアリング４７（図１、図２参照）にそれぞれ嵌め込まれている。内フレーム部５０は、支持ピン５３を支点として前後方向に揺動可能である。本実施の形態では、固定フレーム１０・リニアガイド２０に対して外フレーム部４０が揺動し、この外フレーム部４０に対して内フレーム部５０が揺動する二重の揺動構造が実現されており、測定時のスリップローラー６０の姿勢は３つの補助ローラー４５で維持されるようになっている。そのため、曲面状の踏面Ｃｓであっても、スリップローラー６０を望ましい姿勢に保ちつつ、踏面Ｃｓに沿って転動させることができる。

内フレーム部５０の内側には、測定ヘッド部６２が配置されている。この測定ヘッド部６２と内フレーム部５０との間には、ガイド５６及びスライダー５７からなるリニアガイド５５が介装されている。このリニアガイド５５は、内フレーム部５０と一体に揺動するが、後に詳述する押圧力設定機構７１の押し付けネジ７５を捩じ込んだ際に、内フレーム部５０側のガイド５６に対して、スライダー５７が測定ヘッド部６２とともに若干下方向にスライドする。測定ヘッド部６２には、後述するスリップローラー６０、回転機構６１、押圧力設定機構７１が設けられている。

（Ｃ）スリップローラー６０及びその回転機構６１
スリップローラー６０は、車輪Ｃの踏面Ｃｓに接した状態で、回転機構６１の駆動により回転する。図２及び図６にわかり易く示すように、スリップローラー６０は、測定ヘッド部６２の二股状の下端に、支持軸６０ａを介して回転可能に設けられている。測定ヘッド部６２の右側面からは、ステージ６４（図２参照）が外側に張り出しており、このステージ６４上には回転機構６１のパルスモーター６３が配置されている。

このパルスモーター６３の出力軸６３ａには、歯車６３ｇが設けられている。一方、スリップローラー６０の支持軸６０ａは、測定ヘッド部６２の側面から突き出ており、ここにも歯車６０ｇが設けられている。そして、これら両歯車６０ｇ、６３ｇには、ループ状のタイミングベルト６５が掛け渡されている。回転機構６１のパルスモーター６３が駆動して出力軸６３ａ・歯車６３ｇが回転すると、タイミングベルト６５を介して歯車６０ｇ・支持軸６０ａが回転し、スリップローラー６０が回転する。

（Ｄ）押圧力設定機構７１
押圧力設定機構７１は、車輪Ｃの踏面Ｃｓを測定する際に、スリップローラー６０の押し付け荷重を手動で設定する機構である。この押圧力設定機構７１を操作することにより、クリープ係数の算出に必要なスリップローラー６０の押し付け荷重を調整することができる。図２及び図６にわかり易く示すように、押圧力設定機構７１は、測定ヘッド部６２の穴６２ａ内部に配置された押し付けバネ７３を備えている。この押し付けバネ７３の上端は、押し付けネジ７５の下端のピストン７６に係合している。

押し付けネジ７５の上端は、下側から順に、外フレーム部４０上面の孔４０ａ、支持プレート３２の孔３２ａ、バネ受けプレート３１の孔３１ａを通って、固定フレーム１０の上プレート１１近くまで延びている。押し付けネジ７５は、上プレート１１の孔１１ａ（図２参照）からＬ型六角レンチ（図示されず）等を差し込んで回転させることができる。押し付けネジ７５のネジ部は、内プレート部５０上面のネジ孔に噛み合っている。押し付けネジ７５は、内プレート部５０のネジ孔に噛み合った状態で、上下方向に進退可能である。押し付けネジ７５が進退する際には、ピストン７６が測定ヘッド部６２内部の穴６２ａにガイドされて上下する。

押し付けバネ７３の下端は、押圧部材７８に係合している。この押圧部材７８の下側において、測定ヘッド部６２の穴６２ａ底部には、押圧力検出用ロードセル７９が配置されている。このロードセル７９は、スリップローラー６０の直上に位置している。押圧力設定機構７１による押し付け力の設定値（押し付けネジ７５の捩じ込み量）は、ピストン７６→押し付けバネ７３→押圧部材７８を介して、ロードセル７９で検出される。ロードセル７９の検出値は、モニタ（図示されず）に表示される。

（Ｅ）接線力検出部８０
図１、図３、図６に示すように、接線力検出部８０は、接線力検出用ロードセル８１を備えている。このロードセル８１は、測定ヘッド部６２の後端面に接するように、前述した押圧力検出用ロードセル７９の近くに配置されている。前述の通り、ロードセル７９はスリップローラー６０の直上に位置しており、ロードセル８１もスリップローラー６０に近接して配置されているので、測定誤差を少なくすることができる。

接線力検出用ロードセル８１は、固定ブロック８３の前端面に固定されている。この固定ブロック８３は、固定プレート８５で測定部３０の外フレーム部４０に固定されている。図１に示すように、外フレーム部４０と測定ヘッド部６２との間には、コイルバネ８９が設けられている。このコイルバネ８９により、外フレーム部４０側に測定ヘッド部６２が引き寄せられ、測定ヘッド部６２とロードセル８１との接触状態が常に確保される。ロードセル８１の検出値は、制御部（図示されず）に送出され、この制御部においてクリープ力、クリープ係数に換算されて表示される。
なお、詳しい測定原理については、図７を参照しつつ後述する。

（Ｆ）移動機構９１
移動機構９１は、スリップローラー６０を含む測定部３０全体をリニアガイド２０に沿って移動させる機構であって、前述の回転機構６１とは独立の駆動系である。図１〜図３に示すように、移動機構９１は、フレキシブルラック９３を備えている。このフレキシブルラック９３は、装置１本体とは別体であって、測定時に車輪Ｃのフランジ部Ｃｆ頂部に着脱可能に配置される。フレキシブルラック９３は、車輪Ｃの踏面Ｃｓと同心円周上に配置することができるので、測定部３０の駆動とスリップローラー６０の移動速度を一定に保ちつつ測定を行い易い。

図２及び図３に示すように、測定部３０の外フレーム部４０の左側面からは、ステージ４９が図の左側に張り出している。このステージ４９の下面には、コイルバネ９８を介してパルスモーター９２が設けられている。このパルスモーター９２の出力軸９２ａには、フレキシブルラック９３に噛み合うピニオン９４が設けられている。ステージ４９の前端には、下方に垂下する側壁４９ａが形成されている。この側壁４９ａとパルスモーター９２との間には、ガイド９６及びスライダー９７からなるリニアガイド９５（図３参照）が介装されている。このリニアガイド９５は、ピニオン９４がフレキシブルラック９３に噛み合って回転する際に、側壁４９ａ側のガイド９６に対して、スライダー９７がパルスモーター９２とともに若干下方向にスライドする。

ここで、図７を参照しつつ、前述の構成を有する摩擦評価量測定装置１を用いた摩擦評価量（摩擦係数）の測定原理について説明する。
図７は、本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定原理を説明するための概念図である。
図７には、測定部３０、補助ローラー４５、スリップローラー６０、押圧力設定機構７１が概念的に示されている。この図において、Ｒ１は車輪Ｃの踏面Ｃｓを示し、Ｒ２は移動機構９１のフレキシブルラック９３とピニオン９４との噛み合い線を示す。Ｐ１は接線力検出用ロードセル８１の検出作用点を示し、Ｐ２は押圧力検出用ロードセル７９の検出作用点を示し、Ｐ３は測定部３０の内フレーム部５０に設けられた支持ピン５３の揺動支点を示す。さらに、揺動支点Ｐ３から検出作用点Ｐ１までの上下方向の長さをＬ１で示し、揺動支点Ｐ３からスリップローラー６０の踏面Ｃｓとの接点までの上下方向の長さをＬ２で示す。スリップローラー６０の半径はｒとする。Ｌ１、Ｌ２、ｒは、装置１の仕様に基づき決まる値である。

スリップローラー６０は、回転機構６１の駆動により角速度ωで図中時計回りに回転し、測定部３０は移動機構９１の駆動により速度Ｖで図中左側から右側へと軌跡Ｒ２に沿って移動するものとする。さらに、押圧力設定機構７１による押圧力設定力（すなわち、検出作用点Ｐ２における押圧力検出用ロードセル７９の検出値に対して重力の影響等を補正した値）をＷとし、測定ヘッド部６２の押圧力（すなわち、検出作用点Ｐ１における接線力検出用ロードセル８１の検出値に対してコイルバネ８９の影響等を補正した値）をＦとする。

車輪Ｃの踏面Ｃｓ上において、押圧力設定機構７１によりスリップローラー６０を所望の押圧力Ｗで押し当てた状態で、スリップローラー６０を所望のすべり率Ｓで転走させる。この際、スリップローラー６０の回転周速（接触面におけるスリップローラー６０表面の物質速度）Ｖｒは、
Ｖｒ＝ｒ・ω
となり、スリップローラー６０の移動速度（接触面における車輪Ｃの踏面Ｃｓの物質速度）Ｖｆは、
Ｖｆ＝（Ｒ１／Ｒ２）・Ｖ
となる。そして、スリップローラー６０の転走時のすべり率Ｓは、
Ｓ＝（Ｖｒ−Ｖｆ）／｛（Ｖｒ＋Ｖｆ）／２｝
で与えられる。

このスリップローラー６０の転走の際、回転周速Ｖｒと移動速度Ｖｆとが異なるようにし（もし回転周速Ｖｒと移動速度Ｖｆとを等しくするとすべり率Ｓ＝０となるため、回転周速Ｖｒ≠移動速度Ｖｆの条件が必要になるのである）、角速度ωと速度Ｖとを適切に制御すると、スリップローラー６０を所望の微小なすべり率（−１０％〜＋１０％程度）で転動させることができる。そして、このような微小すべり状態における摩擦評価量（摩擦係数）を測定することができる。なお、測定時には、回転周速Ｖｒ及び移動速度Ｖｆを一定（したがってすべり率Ｓを一定）としてスリップローラー６０を転走させる以外に、すべり率Ｓを変えつつスリップローラー６０を転走させることもできる。

このようにしてスリップローラー６０を所望のすべり率Ｓで転走させつつ、接線力検出用ロードセル８１で測定ヘッド部６２の押圧力Ｆを検出する。この押圧力Ｆを用いて、車輪Ｃの踏面Ｃｓのクリープ力（接線力）Ｆｃが
Ｆｃ＝（Ｌ１／Ｌ２）・Ｆ
で算出される。さらに、クリープ係数Ｒｃが
Ｒｃ＝Ｆｃ／Ｗ
で算出される。

次いで、主に図１、図８及び図９を参照しつつ、前述の摩擦評価量測定装置１の総合的な作用について説明する。
図８は、本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定開始時の状態を示す全体図である。
図９は、本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定終了時時の状態を示す全体図である。

本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置１は、以下（１）〜（３）の手順で使用する。
（１）まず、準備段階として、固定フレーム１０の内側において、測定部３０を前端部移動原点に移動させておく（図８参照）。そして、固定フレーム１０の位置決め棒１３が車輪Ｃのフランジ部Ｃｆ頂部に当たるようにして装置１全体を載置した後、固定用マグネット１５を用いて装置１を車輪Ｃに固定する。この時点で、スリップローラー６０の周囲３箇所の補助ローラー４５が車輪Ｃの踏面Ｃｓに当たる。これとほぼ同時に、車輪Ｃのフランジ部Ｃｆ頂部に移動機構９１のフレキシブルラック９３を取り付け、ピニオン９４（図２、図３参照）を噛み合せる。

（２）押圧力設定機構７１を操作して、スリップローラー６０の踏面Ｃｓに対する押し付け荷重Ｗを調整する（図２参照）。押圧力設定機構７１の操作は、上プレート１１の孔１１ａからＬ型六角レンチ（図示されず）等を挿入し、押し付けネジ７５の上端に係合して回転させる。すると、押し付けネジ７５は、内プレート部５０のネジ孔に噛み合った状態で捩じ込まれ、この捩じ込み量がピストン７６→押し付けバネ７３→押圧部材７８を介してロードセル７９で負荷Ｗとして検出される。前述の通り、このロードセル７９の検出値Ｗは、モニタ（図示されず）で識別できる。

（３）回転機構６１のパルスモーター６３と、移動機構９１のパルスモーター９２を同時に駆動する。すると、スリップローラー６０は、車輪Ｃの踏面Ｃｓに押し付けられた状態で、回転周速Ｖｒで回転しつつ、測定部３０とともに移動速度Ｖｆで移動する（図８→図１→図９）。測定部３０の移動範囲の規制は、パルスモーター９２の制御、又は、始点・終点に取り付けた光センサ（図示されず）等で行うことができる。この際、前述の通り、回転周速Ｖｒと移動速度Ｖｆを適切に制御することで、スリップローラー６０を微小なすべり状態で転走させることができる。

測定部３０においては、固定フレーム１０・リニアガイド２０に対しては外フレーム部４０が支持プレート３２の支持ピン３３を支点として揺動し、各連結コイルバネ３５が伸縮・屈曲変形しつつ測定部３０全体を踏面Ｃｓに向けて付勢する。また、外フレーム部４０に対しては内フレーム部５０が支持ピン５３を支点として揺動し、コイルバネ８９で外フレーム４０側に付勢される。スリップローラー６０の姿勢は、３つの補助ローラー４５で維持され、測定ヘッド部６２、ピニオン９４の曲面追従性はそれぞれリニアガイド５５、９５で補償される。これにより、スリップローラー６０は望ましい姿勢に保たれつつ、踏面Ｃｓに沿って転動する。

そして、この転動の際に、スリップローラー６０にかかる接線力に応じた測定ヘッド部３０の押圧力Ｆが、接線力検出ロードセル８１で検出される。測定ヘッド部６２は、コイルバネ８９で外フレーム部４０側（ロードセル８１側）に引き寄せられているので、測定ヘッド部６２とロードセル８１との接触状態が常に良好に確保される。このロードセル８１の検出値Ｆは、制御部（図示されず）に送出され、この制御部においてクリープ力Ｆｃ、クリープ係数Ｒｃに換算されて表示される。測定の際には、前述の通り、ロードセル７９がスリップローラー６０の直上に位置し、ロードセル８１がスリップローラー６０に近接しているので、測定誤差がより少ない。

この（３）の一連の動作において、回転機構６１の回転伝達手段としてタイミングベルト６５を用いるとともに、移動機構９１の駆動手段としてフレキシブルラック９３を用い、スリップローラー６０の転走方向を一定としているため、測定部３０やスリップローラー６０の駆動系のすべりやバックラッシ等の悪影響が低減されている。なお、ピニオン９４の代わりにフレキシブルラック９３に噛み合うノーバックラッシギアを用いると、空転すべりから滑走すべりに移行するような測定の際にも、バックラッシの悪影響を低減することが可能となる。

本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の全体図（正面図）である。同摩擦評価量測定装置の側面断面図である。同摩擦評価量測定装置の平面断面図（図１のＸ−Ｘ線断面図）である。同摩擦評価量測定装置の測定部の上面図である。同摩擦評価量測定装置の測定部の外フレーム部及びその連結構造の分解斜視図である。同摩擦評価量測定装置の測定部の内フレーム部及び測定ヘッド部の斜視図である。本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定原理を説明するための概念図である。本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定開始時の状態を示す全体図である。本実施の形態に係る摩擦評価量測定装置の測定終了時時の状態を示す全体図である。

符号の説明

１摩擦評価量測定装置
１０固定フレーム部
１１上プレート１２縦フレーム
１３位置決め棒
１５固定用マグネット１６レバー
２０リニアガイド
２１ガイド２２スライダー
３０測定部
３１バネ受けプレート３２支持プレート
３３支持ピン３５連結コイルバネ
３７補強ピン４０外フレーム部
４１係合突片４３、４４脚部
４５補助ローラー４７ベアリング
５０内フレーム部５３支持ピン
５５リニアガイド
６０スリップローラー６０ａ支持軸
６０ｇ、６３ｇ歯車６１回転機構
６２測定ヘッド部６２ａ穴
６３パルスモーター６３ａ出力軸
６５タイミングベルト
７１押圧力設定機構
７３押し付けバネ７５押し付けネジ
７６ピストン７８押圧部材
７９押圧力検出用ロードセル８０接線力検出部
８１接線力検出用ロードセル８３固定ブロック
８５固定プレート８９コイルバネ
９１移動機構
９２パルスモーター９２ａ出力軸
９３フレキシブルラック９４ピニオン
９５リニアガイド９８コイルバネ

Claims

被測定物の表面に押し当てられるスリップローラーと、
該スリップローラーを被測定物の表面上において所望の回転周速（Ｖｒ）で回転させる回転手段と、
前記スリップローラーを被測定物の表面に沿って所望の移動速度（Ｖｆ）で移動させる移動手段と、
被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定する押圧力設定手段と、
前記押圧力を検出する押圧力検出手段と、
前記スリップローラーが回転しつつ移動する際に該ローラーにかかる接線力を検出する接線力検出手段と、
前記スリップローラーの周囲３箇所において各々が被測定物の表面に当たって転動する回転自在の補助ローラーと、を備え、
装置使用時に、前記補助ローラーが被測定物の表面に当たり、次いで、押圧力設定機構を操作して、スリップローラーを被測定面に押し付けが可能であり、
前記スリップローラーの回転周速（Ｖｒ）と移動速度（Ｖｆ）を異ならせ、前記スリップローラーを被測定物の表面でスリップさせながら、被測定物の表面の摩擦評価量を測定可能なことを特徴とする摩擦評価量測定装置。
被測定物に固定される固定フレームと、
該固定フレームの長手方向に延びるガイド、及び、該ガイドに沿ってスライド可能に設けられたスライダーを有するスライド機構と、
該スライド機構のスライダーに揺動可能に設けられた測定フレームと、
該測定フレーム及び前記スライダーを前記ガイドに沿って移動させる移動手段と、
該測定フレームに回転可能に取り付けられたスリップローラーと、
該スリップローラーを被測定物の表面上で回転させる回転手段と、
前記測定フレームに設けられた、被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定する押圧力設定機構と、
前記スリップローラーの押圧力を検出する押圧力検出手段と、
前記スリップローラーの周囲３箇所において前記測定フレームに回転自在に取り付けられ、各々が被測定物の表面に当たって転動する補助ローラーと、
前記回転手段によって前記スリップローラーを回転させつつ、前記移動手段で前記測定フレームを移動させる際に、前記スリップローラーにかかる接線力を検出する接線力検出手段と、
を具備することを特徴とする摩擦評価量測定装置。
前記測定フレームが、
前記スライド機構のスライダーに揺動可能に設けられた、前記各補助ローラーを回転自在に支持する外フレームと、
該外フレームに揺動可能に設けられた、前記スリップローラーを回転可能に支持する内フレームと、
を備えることを特徴とする請求項２記載の摩擦評価量測定装置。
前記接線力検出手段が、前記内フレームと前記外フレーム間に配置されていることを特徴とする請求項３記載の摩擦評価量測定装置。
前記移動手段が、
被測定物の表面に着脱可能に配置されるフレキシブルラックと、
前記測定フレームに設けられた駆動用モーターと、
該駆動用モーターの出力軸に設けられた、前記フレキシブルラックに噛み合うピニオンと、
を備えることを特徴とする請求項２、３又は４記載の摩擦評価量測定装置。
前記回転手段が、
前記測定フレームに設けられた駆動用モーターと、
該駆動用モーターの出力軸と前記スリップローラーの支持軸との間に架け渡されたタイミングベルトと、
を備えることを特徴とする請求項２〜５いずれか１項記載の摩擦評価量測定装置。
前記固定フレームに、該固定フレームを被測定物に着脱自在に固定する固定手段が設けられていることを特徴とする請求項２〜６いずれか１項記載の摩擦評価量測定装置。
スリップローラーの周囲３箇所に配置した回転自在の補助ローラーを被測定物の表面に当て、次いで、被測定物の表面にスリップローラーを押し当てて、被測定物の表面に対する前記スリップローラーの法線方向の押圧力を設定し、
前記スリップローラーを被測定物の表面上において所望の回転周速（Ｖｒ）で回転させつつ、被測定物の表面に沿って所望の移動速度（Ｖｆ）で移動させ、
これら回転周速（Ｖｒ）と移動速度（Ｖｆ）を異ならせ、前記スリップローラーを被測定物の表面でスリップさせながら、被測定物の表面の摩擦評価量を測定することを特徴とする摩擦評価量測定方法。