JP4538007B2

JP4538007B2 - 摩擦計

Info

Publication number: JP4538007B2
Application number: JP2006550266A
Authority: JP
Inventors: デニスマズア，; アンドレラーゲ，
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Centrale de Lyon
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Centrale de Lyon
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: FR2865808A1; FR2865808B1; WO2005075956A1; DK1721142T3; ES2286803T3; DE602005001204T2; ATE363065T1; US7752883B2; JP2007520705A; PL1721142T3; EP1721142B1; EP1721142A1; US20080034837A1; DE602005001204D1; PT1721142E

Description

本発明は摩擦計に関し、具体的には、非常に高い接触圧力及び／又は滑り摩擦速度を発生するように動作する摩擦計に関する。

金属を成形するような特定の生産分野では、生産性を向上させ、かつ、メインテナンスコストを下げるには、選択的に潤滑される摩擦面間の接触を、ますます厳しくなる動作条件に従わせることを必要とする。例として、ラジアルタイヤ・カーカスの製造で、潤滑に関して、加工が依然として最も複雑なもののひとつである真ちゅうメッキ鋼線の引き抜き加工に言及することができる。増え続ける弾性限界の鋼はますます早い速度で変形される。極めて高い速度で硬鋼線をうまく引き抜くことができ、また、他の金属にも機能することができるために、新しい高性能潤滑剤を形成することを考え出す必要がある。

さらに、機械系（モーター、トランスミッション、軸受）の寿命を予測するために、表面が受ける摩耗条件の厳しさを増して、具体的には、表面の摩耗率を増加させて、摩擦面の老化の進行を加速する必要がある。これは、工業用試験台での激しくかつ費用がかかる試験を減少させることを可能とする。

高圧力及び高速度での摩耗現象及び潤滑の機構を理解するために、３個のパラメータが特に重要である。

・接触温度、これは、５００℃より高くなる可能性があり、かつ、潤滑剤の実際の性能を制限する可能性がある。
・接触時間、これは、滑り速度が非常に高い（毎秒１ｍ（ｍ／ｓ）を超える）ならば、非常に短くなる可能性がある（ほぼ数マイクロ秒（μｓ）程度）。そして、
・圧力勾配、これは、潤滑剤が摩擦面間の接触に入るときに受ける。

従来の方法で、面及び潤滑剤の摩擦的性質は、最初に、比較的に低い圧力及び速度で評価するが、これら圧力及び速度はファレックス社、プリント・アンド・パートナー社（ＦａｌｅｘａｎｄＰｌｉｎｔ＆Ｐａｒｔｎｅｒｓ）などの供給業者によって販売されているような従来の摩擦計で読取ることができ、そして、その得られた結果は、産業用試験台での多数の検証試験に基づく相関関係を用いて、かなりより高い速度及び圧力に対して外挿される。

これらの従来の摩擦計はいくつかの欠点を呈する。
・使用される試験片は、形状が複雑で、あるものはくさび付きの円筒形状であるために高価である。
・試験をするのに費用がかかる。
・セラミックスまたはある種の鋼のように高い耐摩耗性を有する試験材料に対しては動作条件が不十分である。
・速度が通常約０．１ｍ／ｓに制限され、かつ、最大接触圧力がギガ・パスカル（ＧＰａ）程度のとき、高速度及び高圧力を同時に加えることが難しいか、不可能でさえある。そして、
・接触部の接触の動態及び負荷率を同時に制御するのが難しいか、不可能でさえある。
本発明は、上記欠点を全部あるいは部分的に改善しようとするものである。

本発明の摩擦計は、
・円筒形状の中心試験片を受け、かつ、それをその軸の周りに回転駆動するように構成され第一支持集成体、
・複数の、好ましくは３個の周辺試験片を受け、かつ、回転駆動されている間、中心試験片が周辺試験片に摩擦できるように、均衡した形態で中心試験片が３個の周辺試験片と同時に摩擦するように構成された第二支持集成体、
を有する。

本発明によれば、形状が簡単で、したがって、製造が安価である試験片で試験をすることができる。

好ましくは、３個の周辺試験片の少なくとも１つは、特に、それら３個の全部は、中心試験片と線形に、具体的には、直線線分に沿って接触できるように選択された形状を有ししている。これは、特に、材料の更なる損失を発生させ、かつ、比較的大きな面積の摩耗表面を有することができるようにし、これは、摩擦応力が掛かる結果として、これらの表面の化学的な変化を特徴づけるのに用いることができる。

３個の周辺試験片の少なくとも１つは、特に、それら３個の全部は、平面を有するようにし、これにより、その面が中心試験片と摩擦するようにでき、また、たとえば、それぞれ、板の形状にすることができる。

したがって試験片は形状が特に簡単であり、これにより、それらの製造コストをかなり減少することができる。このことは、特に、炭化タングステン又はアルミナのようなセラミック材料に対して有利である。

好ましくは、第二支持集成体は、周辺試験片と中心試験片間の接触が、中心試験片の周囲に等角度で、互いに略１２０度の間隔で分布するように形成され、中心試験片と３個の周辺試験片の群との間の接触は均衡している。

中心試験片を高い回転速度で駆動し及び／又は中心試験片の直径を増加することによって、本発明は非常に高い滑り摩擦速度、特に、１ｍ／ｓを超え、場合により１５ｍ／ｓの速さを達成することができる。前記した均衡接触は、非常に高い接触圧力、特に、１ＧＰaを超えて３ＧＰａまでの圧力に達することも可能とする。

接触は、実際の動作状態と同様な、非常に高い摩擦応力を受けるので、試験台での試験を減らすことができ、したがって、開発コストを抑えることができる。

本発明は、また、潤滑流体（液体、固体、多相、エマルジョン、分散、水性潤滑剤、固体潤滑剤、油、グリース）を処方するのを容易にし、かつ、圧力、滑り速度、及び接触温度の非常に厳しい条件下でストレスを受ける機械装置の材料の作成を容易にする。

本発明は特に、試験用金属及び炭化タングステンのような非常に高い耐摩耗性を有するセラミックスによく適合していて、これらのものは、エネルギー閾値が、ほぼ１立方マイクロメータ当たり１キロジュール（ｋＪ／μｍ^３）の大きさを超える場合に摩耗が生じる。

本発明は、また、
・所定の材料と潤滑剤の組合せに対して、摩擦、圧力、及び速度係数に対するマップを作成することができ、したがって、最適潤滑条件を改良することができ、
・平均接触温度の連続測定に関連して高速度を用いて、非常に高い速度及び圧力での潤滑剤に対する温度の影響を検討することができ、
・極端な速度及び圧力条件での摩耗過程及び潤滑メカニズムに関して基本的な検討を追行することができる。これらの速度及び圧力範囲で、潤滑剤及びそれらが保護する表面の摩擦学的作用は十分に知られていないのは、そのような条件を工業用試験台から離れてシミュレートするのが現在では難しいからである。

第二支持集成体は、３つの支持部分を含むようにすることができ、各部分はそれぞれ試験片を支持し、これら３つの支持部分の少なくとも１つは、場合により他の２つの部分に対して可動である。

これら３つの支持部分は、流体、特に潤滑剤を含むのに適した空洞を形成するように構成することができ、中心及び周辺試験片はその空洞に少なくとも部分的に延在することもあり、これにより中心試験片と周辺試験片間の接触が、必要に応じて、流体に少なくとも部分的に浸かることができる。

本発明の摩擦計は、このようにして、乾いたあるいは潤滑された接触を試験することができる。

摩擦計は、空洞内で、流体、特に潤滑剤の循環を達成するように構成された巡回路を含むことができる。

そのような循環は、空洞内の温度の制御を可能にする。

摩擦計は、支持部分の少なくとも１つ、特に、それらの全部に力を加えるように構成された負荷印加装置を有することができる。

負荷印加装置は３個のプッシャーを含むことができ、それぞれのプッシャーは支持部分のそれぞれに力を印加するように構成され、その力は中心試験片の回転軸にほぼ垂直である。

各プッシャーは作動装置によって駆動することができ、作動装置はその一端が摩擦計の静止部分に固定され、他端が軸方向に可動な駆動部材に固定された蝶番式アームを有している。

有利なのは、摩擦計が、特に、負荷印加装置の複数の駆動部材の移動を制御することによって、負荷印加装置を制御するように構成された負荷分配装置を有することである。

各駆動部材は駆動プーリーに固定するのが好都合であり、負荷分配装置は駆動部材のプーリー上に設定されたベルトを含むことができ、負荷分配装置もベルトに可変張力を掛けるように構成されている。

本発明の摩擦計は実時間で作動して、試験片に印加する負荷を調整する。

負荷分配装置は、それぞれが２個の駆動プーリー間に配置された、ベルトを案内する２個のプーリーを含むことができる。

負荷分配装置は、また、それぞれベルトの両端に固定された２個の負荷プーリーを含むことができる。

少なくとも１個の負荷プーリーは、負荷プーリーに一端が固定され、他端が可動台車に固定された細片によって回転するように駆動される。

負荷分配装置は、第一薄膜内の圧力の関数として可動台車を移動するように構成されている柔軟な第一薄膜を含んでいる。

本発明の実施例で、摩擦計は第一薄膜の圧力を制御するように構成された圧力調整装置を有し、圧力調整装置は、たとえば、モーターによって動かされるのに適した第一端と、第一薄膜と連通する柔軟な第二薄膜に作用するように構成されたアームに固定された第二端を有するスプリングを含む。

本発明の摩擦計は、したがって、負荷率と接触の動態とを同時に制御するように動作することができる。

摩擦計は約毎秒７０００バールの最大圧力勾配を与えながら、プッシャー当たり４ｓで、最大２×１０^４ニュートン（Ｎ）の最大負荷まで達することができるように構成することができる。

負荷印加装置及び負荷分配装置及び圧力調整装置は、前記した空洞の外部にあり、潤滑剤と直接接触する必要はない。

摩擦計は、中心試験片と周辺試験片のうちの１個との間の接触が移動した場合に、支持部分の少なくとも１つの位置に作用するように構成することができる。

負荷装置は、中心試験片と周辺試験片のうちの１個との間の１つの接触点での接線分力を測定するのに適した接線分力センサーと関連させることができる。

中心試験片を回転駆動する駆動トルクを連続測定することで、接線分力センサーと関連していない他の２つの接触にかかる摩擦力を精確に求めることができる。

摩擦計は、中心試験片と周辺試験片間の各接触に作用する法線力を測定するように構成された法線力センサーを有することができる。

本発明は、限定するものではない本発明の実施例の次の詳細な説明を読み、かつ、添付の図面を検討することで、より良く理解することができる。

図１は、本発明による摩擦計１を構成する各種の構成要素を示す。摩擦計１は、第一支持集成体２、第二支持集成体４、負荷印加装置５、及び負荷分配装置６を含んでいる。

第一支持集成体２は、円筒形状の中心試験片３を支持している。

中心試験片３は、記載の実施例では、直径が８ｍｍから３２ｍｍの範囲にある中心試験片を取り付けることができるように構成されたスピンドル８によって、駆動モーター７の軸Ｘのシャフトに固定される。

モーター７は、毎分９０００回転（ｒｐｍ）ほどの高さの速度で中心試験片３を回転駆動するように構成され、したがって、約３．８ｍ／ｓから１５ｍ／ｓの範囲の線形速度に到達できるようにする。

第二支持集成体４は、図２及び図３で分かるように、３個の支持部分１０を有している。

それぞれの支持部分１０は、たとえば、ステンレス鋼で作られた板の形状の周辺試験片９を支持し、記載の実施例では、その板は、支持部分１０の窪みに挿入され、そこにスナップ締めによって保持される。

各支持部分１０は、図３に示すように３個の支持部分１０の全部が合体されると、他の２つの支持部分１０の２つの凹み１１と協同して空洞１２を形成するのに適した凹み１１があり、空洞１２に３個の周辺試験片９が受け入れられ、かつ摩擦計が動作している間、その空洞内で中心試験片３を係合させることができる。

シール用ガスケット１３を、図３に見られるように、空洞１２をシールするために、支持部分１０のそれぞれの一対間に置くことができる。

空洞１２は、潤滑剤、特に液体潤滑剤の容器として使用することができ、中心試験片３と周辺試験片９との間の接触はその中に漬けられる。

空洞１２は、流体、特に潤滑剤を、２つの支持部分１０に形成されたそれぞれ入口及び出口の２つのオリフィス１５を介して空洞１２内に循環するように構成された巡回路と連通するようにすることができる。

負荷印加装置５は、３個のプッシャー２０を含み、それぞれのプッシャーは、図２に示すように、支持部分１０のそれぞれに法線力Ｆを掛けるのに適している。

非常に大きな力（約２×１０^４Ｎ迄）を印加することによって、非常に高い接触圧力（３ＧＰa迄）を達成することができる。

それぞれのプッシャー２０は、図２及び図６に見られるように、レール２１の上に滑動可能に装着される。

明確にするため、３個のプッシャー２０のうちの１個だけが図６に示されている。

各プッシャー２０は、図４に示すように、それぞれの作動装置２２によって移動が制御される。

作動装置２２は枢動アーム２３を含み、枢動アームは、共に蝶番接続された底部２３aと頭部２３ｂがある。

アーム２３の底部２３aは、図５に具体的に見られるように、摩擦計１のフレーム４０に滑動可能に装着された駆動部材２７に蝶番結合されている。

アーム２３の頭部２３ｂは、摩擦計の静止部分２５に蝶番結合されている。

作動装置２２は、枢動アーム２３を停止位置に向けて戻すように働く弾性復帰素子、具体的には、スプリング（図示せず）を有する。そのスプリングは荷重の寄生変動をフィルターするようにも働く。

負荷印加装置５は、摩擦接触の１つに作用する接線分力を測定するように作用する別のセンサー（図示せず）と共にプッシャー２０に近接して配置されて、印加される法線力を測定するように働く３個の法線力センサー３０を有している。

法線力センサー３０は、前記弾性復帰素子の後に配置するのが便利である。

図６から分かるように、負荷印加装置５は、軸Ｙの周りを旋回するように装着され、支持部分１０に法線力を加えるプッシャー２０（図示せず）を支持する集成体１７を有する。

集成体１７は、法線力センサーによって構成することができる前記別のセンサーと関連させて、集成体１７が軸Ｙの周りを旋回するとき、その別のセンサーに押し付けられるようになる。

法線力の測定によって、そのセンサーは、したがって、摩擦接触の１つにかかる接線分力を決定するように作用する。

さらに、動作中に集成体１７を軸Ｙの周り旋回することで、摩擦接触間の差異を補償することができる。

各駆動部材２７は、図５に見られるように、駆動プーリー２８を支持している。

フレーム４０は、まず、２個の駆動プーリー２８間にそれぞれ構成された２個の案内プーリー２９を支持し、ついで、２個の負荷プーリー３２を支持している。

記載した実施例では、駆動プーリー２８は直径１５０ｍｍであるが、案内プーリー２９は直径２５０ｍｍである。

負荷プーリー３２は、それぞれ直径が１７５ｍｍの頂部と、直径が２００ｍｍの下部とを有している。

記載の実施例で、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ：登録商標）で作られたベルト３５は、駆動プーリー２８に対して外側から係合され、案内プーリー２９に対して内側から係合され、その両端は負荷プーリー３２に固定される。

それぞれの負荷プーリー３２は、一端が負荷プーリー３２の下部に接続され、他端が支持体３９上を滑動するように装着された台車３８に接続されるた細片３７、具体的には金属細片によって回転される。

それぞれの台車３８は、図７に示すように、支持体３９上を滑動するのに適した車輪４０を有する。

図８の略図から分かるように、ベルト３５が台車３８の移動によって張力がかかると、ベルトは駆動プーリー２８を内側に駆動して、支持部分１０に所定の力がかかるようにするために作動装置２２が対応するプッシャー２０を駆動する。

台車３８の移動は、２つの台車３８間で支持体３９の上に配置された柔軟な第一薄膜４２を変形することによって駆動される。

第一薄膜４２は、第一薄膜４２の圧力を制御する圧力調整装置５０と関連している。

図９から分かるように、装置５０はモーター（図示せず）によって回転されるプーリー５２に一端が接続されたスプリング５１を有する。

スプリング５１は他端がアーム５５に固定されて、柔軟な第二薄膜５６（図１０に示す）の圧力を変えるように作用し、当該薄膜はチューブを介して柔軟な第一薄膜４２と連通している。

次の測定は、摩擦計の動作中になされたものである。

・接線分力を０から５０００Ｎの範囲で測定し、０．０８Ｎ以内の精度で測定し、１接触当たり０．５Ｎで調整した、
・各接触あたりの法線力の測定は０から２０，０００Ｎの範囲にわたり、２Ｎ以内の精度で測定し、１Ｎで調整した、
・駆動トルクの測定、
・接触温度の測定は０．１℃以内の精度で、そして、
・接触が０．１℃以内の精度で潤滑された場合に、潤滑剤温度の調節と測定。

摩擦計１は、高速度での接触の動態を習得しながら、制御された動的負荷を接触に２×１０^４Ｎまで掛けることができるようにして、負荷を印加し調整することができる。

本発明による摩擦計の部分的斜視略図。試験片間の接触の部分略図。図１の摩擦計の第二支持集成体の部分略図。摩擦計の負荷印加装置部分略図。摩擦計の負荷分配装置の部分的斜視略図。摩擦計の負荷印加装置の部分的斜視略図。分離した負荷装置の可動台車を示す部分的略図。摩擦計の負荷分配装置の構成要素の略図。摩擦計の圧力調整装置の部分的略図。摩擦計の圧力調整装置の略図。

Claims

円筒形状の中心試験片（３）を受け、その試験片をその軸（Ｘ）の周りに回転駆動するように構成された第一支持集成体（２）と、３個の周辺試験片（９）を受け、回転駆動されている間に、前記中心試験片が前記周辺試験片に摩擦できるように、均衡した形態で前記中心試験片（３）が前記３個の周辺試験片（９）と同時に接触するように構成された第二支持集成体（４）を含む摩擦計であって、前記第二支持集成体（４）は、各々がそれぞれの周辺試験片（９）を支持する３つの支持部分（１０）を含み、前記３つの支持部分（１０）の各々が他の２つの支持部分に対して移動可能である、摩擦計。
前記３個の周辺試験片（９）のうちの少なくとも１つは、特に、それら３個の全部は、前記中心試験片と線形に、具体的には、直線線分に沿って接触できるように選択された形状であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦計。
前記３個の周辺試験片（９）の少なくとも１つは、特に、それら３個の全部は、平面を有し、これにより、その平面が前記中心試験片と摩擦することを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦計。
前記３個の周辺試験片（９）の少なくとも１つは、特に、それら３個の全部は、板の形状であることを特徴とする請求項３に記載の摩擦計。
前記第二支持集成体（４）は、前記周辺試験片と前記中心試験片間の接触が、前記中心試験片の周囲に等しい角度で分布するように構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の摩擦計。
前記３つの支持部分（１０）は、流体、特に潤滑剤を含むのに適した空洞（１２）を形成するように構成され、前記中心及び周辺試験片は前記空洞に少なくとも部分的に延在して、前記中心試験片と前記周辺試験片間の接触が前記流体に少なくとも部分的に浸かることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の摩擦計。
前記空洞内で、流体の循環を達成するように構成された巡回路を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の摩擦計。
前記支持部分の少なくとも１つ、特に、それら３個全部に力を加えるように構成された負荷印加装置（５）を含むことを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の摩擦計。
前記負荷印加装置（５）は３個のプッシャー（２０）を含み、前記プッシャーはそれぞれの前記支持部分の各々に力をかけるように構成され、その力は前記中心試験片の回転軸にほぼ垂直であり、各プッシャーは作動装置（２２）によって駆動され、前記作動装置は、一端が前記摩擦計の静止部分（２５）に固定され、他端が可動な駆動部材（２７）に固定されている蝶番式アーム（２３）を含んでいることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の摩擦計。
前記駆動部材の移動を制御する負荷分配装置（６）を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の摩擦計。
各駆動部材は駆動プーリー（１８）に固定され、前記負荷分配装置は３個の駆動プーリーに係合されたベルト（３５）を含み、前記負荷分配装置は前記ベルトに可変張力を掛けるように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の摩擦計。
前記負荷分配装置は、それぞれが２個の駆動プーリー間に配置された、前記ベルトを案内する２個の案内プーリー（２９）を含むことを特徴とする請求項１１に記載の摩擦計。
前記負荷分配装置は、前記ベルトの両端がそれぞれ固定された２個の負荷プーリー（３２）を含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の摩擦計。
前記負荷プーリー（３２）の少なくとも１個は、一端が負荷プーリー（３２）に接続され、他端が移動台車（３８）に固定された細片３７よって回転駆動されることを特徴とする請求項１３に記載の摩擦計。
前記負荷分配装置は、前記移動台車（３８）を移動するように構成された第一薄膜（４２）を含むことを特徴とする請求項１４に記載の摩擦計。
前記第一薄膜の圧力を制御するように構成された圧力調整装置を含み、前記圧力調整装置は、モーターによって動くようにされた第一端及び前記第一薄膜に連通する柔軟な第二薄膜に作用するように構成されたアームに固定された第二端を有する、たとえば、スプリングを有することを特徴とする請求項１５に記載の摩擦計。