JP5154189B2 - 片側間欠摺動における摺動特性値推算方法 - Google Patents

Description

本発明は樹脂摺動部品の限界すべり速度及び限界PV値の推算方法及び推算値を指標とする樹脂摺動部材の材料選定方法、摺動部品の機構部設計方法に関する。

樹脂の機構部品への応用は金属代替から始まり，ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド等が採用されてきた。現在では金属の代替というだけではなく、独自の発展を見せ、数十種類のプラスチックが、おのおのの特長をいかした用途に使用されている。

金属からの代替の大きな理由の一つは、摺動部位に無給油で使用できることであったが、現在では用途拡大及び要求性能の高度化に伴い、より広範囲な条件・環境下での”無給油”に対応できるよう、材料自体が進歩している。樹脂摺動部品としては、歯車、軸受、カム、クラッチ、ワッシャー、コロなどあらゆる種類が挙げられ枚挙にいとまがない。

摺動部品に樹脂を使用するに当たり、部品形状や使用材質に対応した限界すべり速度、限界PV値、摩耗などを事前に予測することは必須条件である。とりわけ限界すべり速度、限界PV値は、その値を超えた条件で部品を使用すると、摺動面温度が樹脂の融点を超え、摺動面から樹脂が短期的に溶融流出し、部品が使用できなくなる使用可能上限条件を示す指標となり、部品形状や使用材質に対応した限界すべり速度、限界PV値を設計時に把握することは極めて有用である。

限界PV値は株式会社養賢堂発行「社団法人日本トライボロジー学会／トライボロジーハンドブック」P23（非特許文献１）に以下のように定義されている。すなわち、「温度上昇によって材料が軟化し、重摩耗状態になるPV値とされている。Pは面圧を示し、Vはすべり速度を示す。ポリアセタールやポリフェニレンサルファイド、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂に代表される結晶性樹脂に関しては、限界PV値は巨視的な摺動面温度が樹脂の融点に達する条件に一致する。つまり、限界PV値に達すると、摺動面の樹脂が極めて短期的に摺動面から溶融流出する重摩耗状態となる。限界すべり速度は、荷重及び面圧条件が一定としたときに、重摩耗となるすべり速度を示す。限界すべり速度、限界PV値を設計時に把握することは極めて有効である。」
一方で、プラスチックの限界すべり速度、限界PV値は、単一形状の試験片で測定が行われることが殆どであり、異なる形状を有する市場の部品には適用できない。特に単一の摺動形態における摺動特性値から他の摺動形態の摺動特性の限界すべり速度、限界PV値を簡便に予測する手法は従来なかった。本発明において摺動形態は以下の３つに分類される（図１）。
(1)両連続摺動形態
(2)片側間欠摺動形態
(3)両間欠摺動形態
(1)の両連続摺動形態とは、JIS K7218／A法にて指定されている試験形態が代表例であるが、摺動接触面が面と面であり、摺動する互いの部品の全摺動面が見掛け上、常に摺動接触している形態のことを指す。平板摩擦クラッチ、フューエルインペラーなどがこれに該当する。(2)の片側間欠摺動形態はJIS K7218／B法に指定されている試験形態が代表例であるが、組み合わされる片方の部品の全摺動面は常に相手部品と摺動接触しているがもう一方の部品は、全摺動面のうち、摺動する部位が時間と共に変化し、全摺動面は相手部品と同時に摺動接触しない。カム機構などがこれに該当する。(3)の両間欠摺動形態は、組み合わされるそれぞれの部品の摺動する部位が互いに時間とともに変化し、双方の全摺動面が同時には摺動接触しない。ギヤなどがこれに該当する。

社団法人トライボロジー学会学会誌「トライボロジスト/VOL.52/No.3/2007」p223-228（非特許文献２）には形状によって、限界PV値が異なることが示されている。しかし、本検討においては、両連続摺動の限界PVから、形状は異なるものの同じ両連続摺動の限界PV値を見積もる検討であり、両連続摺動から片側間欠摺動の限界PV値を見積もる手法については検討が行われていない。

また、樹脂の限界PV値は、試験方法が容易であることを理由に、ほとんどの場合両連続摺動形態で測定が行われることが殆どである。一方で、市場で実際に使用される摺動部品は、片側間欠摺動形態である場合が多い。

このような状況から、片側間欠摺動の限界PV値や限界すべり速度を得ようとする場合、実際使用する部品に限りなく形状が近い試験片を作製し測定を行うしかない。そのため、多くの手間と時間を必要とし、樹脂摺動部品を短期に開発するために簡便な限界PV値推算方法が求められている。
株式会社養賢堂発行「社団法人日本トライボロジー学会／トライボロジーハンドブック」P23 社団法人トライボロジー学会学会誌「トライボロジスト/VOL.52/No.3/2007」p223-228

本発明は上記従来技術の課題を解決し、中空円筒試験片同士の組合せで測定された両連続摺動の限界PV値から片側間欠摺動の限界すべり速度および限界PV値を簡便に推算する方法、及び推算値を指標として摩擦による不具合発生の危険性が低い、樹脂摺動部材の材料を選定する方法、ならびに摺動部品の機構部を設計する方法を提供することにある。

本発明者は、両連続摺動形態で測定された限界PV値から片側間欠摺動の限界すべり速度及び限界PV値を推算する方法を見出し、本発明を完成させるに至った。

即ち本発明は、摺動の１形態である片側間欠摺動において、荷重W_iが負荷され接触面積S_iである、面圧P_iにおける片側間欠摺動の限界すべり速度V_iおよび限界PV値Pv_iからなる、摺動特性値を推算するにあたり、摺動の他の１形態である両連続摺動における、
両連続摺動の限界PV値Pv_tから式１を用いて算出される、荷重W_iが負荷される場合の、接触面積S_tである両連続摺動の限界すべり速度V_tと、
面圧がP_iとなる荷重Wが負荷される場合の、両連続摺動の限界PV値Pv_wから、式２を用いて片側間欠摺動限界すべり速度V_iを算出し、
さらに必要に応じ、式３を用いて、片側間欠摺動の限界PV値Pv_iを算出する摺動特性値推算方法である。

本発明によれば、設計構想が具体的に図面化された段階で、単一の試験片形状組合せで測定された限界PV値から、他の試験片形状組合せの限界すべり速度もしくは限界PV値を算出し、危険箇所を抽出し、異常摩耗が起こりにくいような形状への変更、或いは適切な材料の選択を可能にする。また、多大な時間と実物による実験実施コストを要する試験を省いて、樹脂摺動部品の開発期間を大幅に短縮することができる。

以下に詳細な推計プロセスを、例を示しながら説明する。

結晶性樹脂の限界すべり速度および、限界PV値は、巨視的な摺動面温度が樹脂の融点に達する値である。巨視的な摺動面温度は、発熱と放熱のバランスによって決まる。しかし、摺動による総発熱量が同じであっても、単位面積あたりの発熱量が異なれば、摺動面温度は異なってくると考えられる。図２のような両連続摺動形態である中空円筒試験片同士の場合、片側の摺動面面積は約200mm²である。よって、摺動による総発熱量が組合せ上下試験片で計400mm²の面積に流入することになる。一方、図２の中空円筒試験片と図３の小型円筒試験片を図４のように組み合わせた片側間欠摺動形態の場合、摺動熱は中空円筒試験片の約200mm²とヘルツ接触している小型円筒試験片の曲面微小接触面積に流れ込むが、トータルで概ね200mm²と見なせる。すなわち、摺動発熱が同じとすれば、中空円筒試験片同士に比較し、中空円筒試験片と小型円筒試験片の組合せは温度上昇量が概ね倍となると概算できると考えられる。発熱は仕事率と等価であるから、以下の関係式で表すことが出来る。

発熱(J/s)＝摩擦係数×摺動面への負荷荷重(N)×すべり速度(m/s) 式４
したがって、摩擦係数と摺動面への荷重が同じとすれば、中空円筒試験片と小型円筒試験片の組合せの限界すべり速度は、中空円筒試験片同士の半分程度となると見積もることが出来る。

ただし、通常幅広い荷重条件／速度条件における摩擦係数がデータとして存在していることは皆無に近い。一方、両連続摺動形態である中空円筒試験片同士の組合せで測定を行った限界PV値のデータは材料メーカーのカタログやホームページに記載されていることが多い。そこで、両連続摺動形態である中空円筒試験片同士の組合せで測定した限界PV値のデータから片側間欠摺動形態の限界すべり速度及び限界PV値を推算する方法を提供する。

特にプラスチック製造会社では、カタログやホームページに両連続摺動形態である中空円筒試験片同士の組合せで測定を行った限界PV値のデータを掲載していることが多い。直接メーカーに問い合わせれば、各種駆動条件における限界PV値が入手できる場合がある。図５にポリアセタール同士の限界PV値面圧依存性の測定結果を示した。限界PV値は結晶性樹脂の場合、巨視的な摺動面温度が融点に達する条件である。したがって、試験片が同じ場合限界PV値は（式４）より限界PV条件における摩擦係数の影響がある。また、面圧が同じであれば同等な摺動面温度下では摩擦係数が同等である。そこで、本発明では限界すべり速度、限界PV値の見積もりプロセスを以下の如く考案した。

両連続摺動の限界PV値Pv_tから式１を用いて算出される、荷重W_iが負荷される場合の、接触面積S_tである両連続摺動の限界すべり速度V_tと、
面圧がP_iとなる荷重Wが負荷される場合の、両連続摺動の限界PV値Pv_wから、式２を用いて片側間欠摺動限界すべり速度V_iを算出し、
さらに限界PV値を求める場合、式３のように、本方法で求められた限界すべり速度Viに面圧Piを乗じれば良い。

当然、式１と式２を組み合わせ、

という式に簡素化してもよい。

以上が本発明の限界すべり速度および限界PV値の推算プロセスであるが、単一の試験方法で計測された限界PV値からあらゆる形状、摺動形態の限界すべり速度、限界PV値の見積もりが可能となるため、摺動部品を短期で開発することが可能となり産業に与える影響は絶大である。

以下、実施例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

JIS K7218／A法指定の中空円筒試験片（図２）を回転側摺動試験片とした。相手材（固定側）として、回転側と同じ中空円筒試験片、本中空円筒試験片の摺動部を半周除去し、半周分だけ接触するよう加工したもの（図６）や、種々形状のプレート試験片（図７）、小型円筒試験片（図３）を図８に示すように組合せた。回転側試験片も固定側試験片も材質は非強化ポリアセタールとした。ポリアセタールはポリプラスチックス株式会社製ジュラコンM90である。

限界すべり速度および限界PV値は次の方法で測定した。いずれの組合せにおいても荷重19.6N一定として摺動させ、30分の間に摺動部から樹脂が溶融流出しない最大のすべり速度を、限界すべり速度と定義した。面圧は各試験片の接触面積を考慮して別途算出し、本面圧と実験で得られた限界すべり速度の積が限界PV値と定義される。30分の試験中に摺動部から樹脂が溶融流出しない場合、試験片を交換し、すべり速度を1cm/s増した条件で試験を行った。試験時の雰囲気は23℃50%RHとした。

結果を、表１に示す。試験片形状により限界PV値が大きく異なることが分かる。

（実施例1）
本発明にしたがって、連続摺動形態である中空円筒試験片同士の限界PV値面圧依存性（図５）から限界すべり速度の見積もりを行った。結果を表２に示した。図５の最大面圧値を超える面圧の場合、図５の最大面圧値を代用し計算を行った。表２に示すように実測と見積もりの限界すべり速度が極めて良い一致を示した。

（比較例1）
試験片形状が変わっても限界PVは同じとして図５の限界PV値面圧依存性から限界すべり速度の見積もりを行った。実施例１と同様に図５の最大面圧値を超える面圧の場合、図５の最大面圧値を代用し計算を行った。限界すべり速度は以下の計算式で算出した。
限界すべり速度＝限界PV値（MPa・cm/s）÷面圧(MPa)
＝限界PV値（MPa・cm/s）÷荷重（19.6N）×接触面積(mm²)
表２に結果を示した。実測と見積もりの限界すべり速度が大きく乖離する結果となった。

３つの摺動形態（両連続摺動形態、片側間欠摺動形態、両間欠摺動形態）を示す図である。 両連続摺動形態である中空円筒試験片を示す図である。 小型円筒型固定側試験片を示す図である。 小型円筒型固定側試験片と中空円筒試験片を組み合わせた状態を示す図である。 ポリアセタール同士の限界PV値面圧依存性の測定結果を示すグラフである。 中空円筒試験片の摺動部を半周分除去した試験片を示す図である。 プレート試験片を示す図である。 試験片の組合せ方の例を示す図である。

Claims (4)

1. 摺動の１形態である片側間欠摺動において、荷重W_iが負荷され接触面積S_iである、面圧P_iにおける片側間欠摺動の限界すべり速度V_iおよび限界PV値Pv_iからなる、摺動特性値を推算するにあたり、摺動の他の１形態である両連続摺動における、
   両連続摺動の限界PV値Pv_tから式１を用いて算出される、荷重W_iが負荷される場合の、接触面積S_tである両連続摺動の限界すべり速度V_tと、
   面圧がP_iとなる荷重Wが負荷される場合の、両連続摺動の限界PV値Pv_ｗから、式２を用いて片側間欠摺動限界すべり速度V_iを算出し、
   さらに必要に応じ、式３を用いて、片側間欠摺動の限界PV値Pv_iを算出する摺動特性値推算方法。
   

   
2. 両連続摺動の限界PV値Pv_tおよび／またはPv_wを、予め測定されてある面圧−限界PV値の図表もしくは式から求めることを特徴とする、請求項１記載の摺動特性値推算方法。
3. 請求項1または２記載の摺動特性推算方法により得られた摺動特性値を指標とする、磨耗の少ない樹脂摺動部材の材料選定方法。
4. 請求項1または２記載の摺動特性推算方法により得られた摺動特性値を指標とする、磨耗の少ない摺動部品の機構部設計方法。

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