JP6453816B2 - 簡易型動摩擦試験機及び動摩擦力の簡易試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、簡易型動摩擦試験機及び動摩擦力の簡易試験方法に関する。

摩擦試験機は、試料と相手材とをしゅう動摩擦し、その際の摩擦係数を測定する装置であり、回転しゅう動させるタイプや往復しゅう動させるタイプ等、様々な試験方法がある。

例えば非特許文献１には、境界摩擦係数を求める振り子試験機が記載されている。当該試験機は、振り子の支点を摩擦面を利用して振り子を振動させ、その減衰の度合いから境界摩擦係数を求める。

社団法人日本トライボロジー学会編 トライボロジーハンドブック 株式会社養賢堂 ２００１年３月３０日 ｐ．６３７

非特許文献１に記載の振り子試験機により摩擦係数を求めることはできるが、単に潤滑剤の摩擦力の大小を簡易的に評価したい場合には、当該試験機のような構成まで必要とされない。
また、非特許文献１に記載の振り子試験機は、その試験機幅が比較的大きいため、試験機のコンパクト化が難しい。また、持ち運び用には適したものではない。さらに、振り子試験機は点接触を利用するものであり、例えば、エンジン内の摩擦を評価するような線接触が対象の場合は必ずしも適切ではない。

一方で、潤滑油のような液状試料の動摩擦力の大小を簡易的に評価できるものとして、実用的なものはこれまでにない。また、簡易的に評価できると同時に持ち運び可能であれば、場所を選ぶことなく、潤滑油の動摩擦力の大小を比較し、用途に応じた適切な潤滑油の選定をより迅速に行うことができる。

以上から、本発明は上記に鑑みてなされたものであり、動摩擦力を簡易的に評価できる簡易型動摩擦試験機を提供することを目的とする。また、簡易的に評価可能な動摩擦力の簡易試験方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、下記本発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

本発明の簡易型動摩擦試験機に係る第１の形態は、上部に開口部を有し液状試料を収容する試料槽と、開口部の内周側に接触して設けられ周方向に回転する回転体と、回転体に回転力を付与するトルク発生手段と、を有し、開口部の内周側と回転体との接触領域に液状試料を存在させた状態で回転体を回転させる簡易型動摩擦試験機である。

第１の形態では、まず、開口部と回転体との接触領域に液状試料を存在させた状態でトルク発生手段により回転体を駆動回転させる。一定時間の駆動回転させた後、トルク発生手段からの動力を遮断すると、回転体はその回転力が減衰されながら慣性で回転（慣性回転）し、自然に停止（静止）する。トルク発生手段からの動力を遮断後、回転体の慣性回転が停止するまでの時間（慣性回転時間）、若しくは慣性回転数は、液状試料の動摩擦力によって異なる。すなわち、慣性回転時間若しくは慣性回転数が高いものほど動摩擦力が低いことになる。したがって、この慣性回転時間若しくは慣性回転数を液状試料ごとに測定することで、各液状試料の動摩擦力の大小を簡易的に比較評価することができる。
また、すべての構成要素は小型化することができるため、全体としてコンパクトな試験装置することが可能で、持ち運びが容易になるといった利点もある。

本発明の簡易型動摩擦試験機に係る第２の形態は、上部に開口部を有し液状試料を収容する第１の試料槽と、開口部の内周側に接触して設けられ周方向に回転する第１の回転体とを有し、開口部の内周側と第１の回転体との接触領域に液状試料を存在させた状態で第１の回転体を回転させる第１の動摩擦試験機構と、上部に開口部を有し液状試料を収容する第２の試料槽と、開口部の内周側に接触して設けられ周方向に回転する第２の回転体とを有し、開口部の内周側と第２の回転体との接触領域に液状試料を存在させた状態で第２の回転体を回転させる第２の動摩擦試験機構と、第１の回転体と第２の回転体とに回転力を付与するトルク発生手段と、を有する簡易型動摩擦試験機である。

第２の形態は、第１の形態に係る簡易型動摩擦試験機２つをそれぞれ第１の動摩擦試験機構及び第２の動摩擦試験機構とし、トルク発生手段により、第１の回転機構の第１の回転体と第２の回転機構の第２の回転体とを同時に一定時間駆動回転をさせる。そして、トルク発生手段からの動力を遮断させ、第１の回転体及び第２の回転体を慣性回転させる。ここで、トルク発生手段からの動力を遮断後、第１の回転体及び前記第２の回転体の慣性回転が停止するまでの時間、若しくは慣性回転数を測定又は比較することで、両者の動摩擦力の大小を同時に、かつ簡易的に比較評価することができる。
なお、第２の形態では回転機構が２つあるが、全体としてコンパクトな試験機とすることは第１の形態と同様容易であり、本形態も持ち運びが容易になるといった利点もある。

第１の形態における回転体とトルク発生手段との間には、フライホイールが設けられてなることが好ましい。また、第２の形態において、第１の動摩擦試験機構における第１の回転体とトルク発生手段との間、及び第２の動摩擦試験機構における第２の回転体とトルク発生手段との間には、フライホイールが設けられてなることが好ましい。
フライホイールにより回転系の慣性モーメントを増やすことで慣性回転の変化を緩やかにすることができる。

第１の形態及び第２の形態のいずれにおいても、上記接触領域へ荷重を付与する荷重付与手段が設けられてなることが好ましい。荷重付与手段を設けることで、開口部に回転体を押し付ける力を所定の力とすることができる。

また、第１の形態及び第２の形態のいずれにおいても、回転体が上記接触領域において球形面を有することが好ましい。回転体が接触領域において球形面を有することで、回転体の軸が多少ずれても良好な接触状態、特に線接触状態を保つことができる。

本発明によれば、動摩擦力を簡易的に評価できる簡易型動摩擦試験機を提供することができる。また、簡易的に評価可能な動摩擦力の簡易試験方法を提供することができる。

本発明の簡易型動摩擦試験機の一態様の概略を示す概略構成図である。 本発明の簡易型動摩擦試験機の他の一態様の概略を示す概略構成図である。 トルク発生手段と第１の動摩擦試験機構に設けられる円盤及び第２の動摩擦試験機構に設けられる円盤との配置関係の例を示す概略図である。 回転体の例を示す概略構成図である。 試料槽の例を示す概略断面図である。 試料槽の他の例で、回転体との接触状態を示す概略断面図である。

［動摩擦簡易試験方法］
本発明の一態様に係る動摩擦簡易試験方法は、試料槽の開口部の内周側に回転体を接触させ、その接触領域に液状試料を存在させた状態で、回転体をトルク発生手段により一定時間駆動回転させ後、トルク発生手段からの動力を遮断させ、回転体を慣性回転させる工程を含み、トルク発生手段からの動力を遮断後、回転体の慣性回転が停止するまでの時間、若しくは慣性回転数を測定する方法である。

試料槽の開口部まで液状試料が収容された状態で、開口部の内周側に回転体を接触させる。この状態で回転体をトルク発生手段により一定時間駆動回転させると、その接触領域に液状試料が存在した潤滑状態で回転が行われる。駆動回転中は一定の潤滑状態が維持されるが、トルク発生手段からの動力を遮断すると回転体は慣性回転に切り替わる。すると、液状試料の動摩擦力が大きい場合は、動力を遮断した後の回転体の慣性回転が停止するまでの時間（慣性回転時間）、若しくは慣性回転数は少なくなり、動摩擦力が小さい場合は、慣性回転時間若しくは慣性回転数は多くなる。このような慣性回転時間若しくは慣性回転数の差に基づいて、各液状試料の動摩擦力の大小を比較評価することができる。
なお、ここでいう「慣性回転数」とは、単純に回転体が回った回数を意味する。

液状試料としては、種々の潤滑油組成物とすることが好ましい。潤滑油組成物としては、自動車用潤滑油、船舶用潤滑油、工業用潤滑油（金属加工油、設備用潤滑油等）等の種々の用途に係る潤滑油組成物が挙げられる。なかでも、エンジン用の潤滑油組成物が好ましい。
なお、接触領域に塗布することが可能であれば、液状試料として、グリースを使用することもできる。

当該方法の応用例としては、例えば、１の試料槽の開口部の内周側に第１の回転体を接触させ、かつ、他の１の試料槽の開口部の内周側に第２の回転体を接触させ、これらそれぞれの接触領域に液状試料を存在させた状態で、第１の回転体及び第２の回転体をトルク発生手段により同時に一定時間駆動回転させ後、トルク発生手段からの動力を遮断させ、第１の回転体及び第２の回転体を慣性回転させる工程を含み、トルク発生手段からの動力を遮断後、第１の回転体及び第２の回転体の慣性回転が停止するまでの時間、若しくは慣性回転数を測定又は比較してもよい。

当該応用例は、一度に２つの液状試料について動摩擦力の大小を同時に比較できる点で優れている。また、上記応用例をさらに変形して３つ以上の動摩擦力の大小を比較できる構成としてもよい。さらに、回転時に液状試料に熱を加えるといった処理を施してもよい。

既述のような動摩擦力の簡易試験方法を実施する装置としては、液状試料に、回転体による一定速度の回転力（駆動回転）を付与できて、慣性回転に切り替え可能な機構を備える装置であれば特に限定されないが、例えば、後述する本発明の一態様に係る簡易型動摩擦試験機を適用することが好ましい。

［簡易型動摩擦試験機］
まず、本発明の簡易型動摩擦試験機に係る第１の形態について図１を参照しながら説明する。簡易型動摩擦試験機１０は、上部に開口部を有し液状試料１２を収容する試料槽１４と、開口部の内周側に接触して設けられ周方向（矢印方向）に回転する回転体１６と、回転体１６に回転力を付与するトルク発生手段１８とを有している。そして、当該試験機１０は、開口部の内周側と回転体１６との接触領域に液状試料１２を存在させた状態で回転体１６をトルク発生手段１８により駆動回転させる機構を有する。

回転体１６は、その上部にある例えばサーボモータのようなトルク発生手段１８から下方へ伸びるシャフト１９の下端に適宜アタッチメント等を介して設けられている。また、回転体１６は、開口部と接触するようにトルク発生手段８の出力軸と同軸的に取り付けられている。そして、このトルク発生手段１８により回転体１６が回転する。回転体１６の先端部は例えば球形（露出部分は半球形）となっており、その球形面の一部と試料槽１４の開口部とで接触領域が形成されている（図１の場合、当該接触領域はリング状の線接触となっている）。したがって、球形面とすることで、回転体の軸が多少ずれても良好な線接触状態を保つことができる。また、先端部を球形とする場合、その径は、５〜１５ｍｍとすることが好ましい。この範囲とすることで、装置の構成をコンパクトとすることができる。
なお、回転体１６は、取り外し可能であることが好ましい。また、トルク発生手段１８の例としてのモータは、回転数が正確にコントロールできる各種交流モータ、直流モータ及び電池式モータ等を適用することができる。

回転体１６の材質としては、球形等の所望の形状に成型できるものであれば特に限定されず、ベアリング鋼、鋳鉄、軸受け鋼、ニッケルモリブデン鋼、要求に応じて、銅合金、アルミニウム合金、リン青銅等が挙げられる。また、適宜、モリブデン等により表面処理したものも使用できる。

回転体１６には任意の荷重付与手段２０が設けられている。例えばおもり、分銅等を必要に応じて加工した荷重付与手段２０を設けることで、接触領域に回転体１６を押し付ける力を所定の力とすることができる。荷重付与手段２０は、モータ１８のシャフト部分に設けられる構造であればよい。また、材質は付与したい荷重により鉄製、アルミニウム製、各種合金製等に適宜変更すればよい。荷重付与手段２０による荷重は、２０〜２００ｇ程度であることが好ましい。

なお、荷重付与手段２０の代わりに、フライホイールを設けてもよい。フライホイールによって回転系の慣性モーメントを増やすことで慣性回転の変化を緩やかにすることができる。また、荷重付与手段２０がフライホイールの機能をも備えた構成としてもよい。さらに、荷重付与手段としては、バネ等により接触領域に回転体１６を押し付ける手段を採用してもよく、この場合は、上記フライホイールを設けることが好ましい。

試料槽１４には、その凹部１４Ａに液状試料１２を収容する。なお、凹部１４Ａに液状試料１２をそのまま収容してもよいが、繰り返し利用することを考慮すると、当該凹部に例えば金属製の容器（安定性を考慮してなるべく厚みの大きい容器）を収納し、そこに液状試料１２を収容する構成としてもよい。試料槽１４において、特にその開口部が回転体と同材質であることが好ましい。

上記のような構成により、開口部と回転体１６との接触領域に液状試料１２を存在させた状態で回転体１６を駆動回転させる。一定時間駆動回転した後、トルク発生手段１８からの動力を遮断させる。動力の遮断するには、例えば、トルク発生手段１８と回転体１６との間にクラッチ機構を設けて、クラッチを切ればよい。動力が遮断されることで、回転体は慣性回転になり、液状試料１２との摩擦によりその回転が停止する。このとき、停止するまでの慣性回転時間若しくは慣性回転数を測定する。
なお、回転体１６を駆動回転させる回転速度は、液状試料にもよるが、２００〜８００ｒｐｍ程度とすることが好ましく、駆動回転の時間は１０〜３００秒程度であることが好ましい。

次に、別の液状試料を上記同様に測定し、当該液状試料の慣性回転時間若しくは慣性回転数を測定し記録しておく。このような測定を行っていくことで、各液状試料の動摩擦力を慣性回転時間若しくは慣性回転数により比較評価することができる。例えば、測定した試料中、慣性回転時間若しくは慣性回転数が一番多いものが動摩擦力が一番小さいと評価することができる。

ここで、実際的には、図１に示すように試料槽１４の下に、回転体１６の慣性回転の回転数を計測する計器（回転数カウンター）２２やサーボモータのようなトルク発生手段１８を制御するコントローラー２４を有する制御台２６を設けてもよい。また、試料槽１４と制御台２６との間にヒーター２８を設けることで高温下での測定ができる。その場合は、ヒータコントローラー３０を制御台２６に設ければよい。

次に、本発明の簡易型動摩擦試験機に係る第２の形態について図２及び図３を参照しながら説明する。簡易型動摩擦試験機５０は、上部に開口部を有し液状試料５４Ａを収容する凹部５２Ａ１を有する第１の試料槽５２Ａと、開口部の内周側に接触して設けられ周方向に回転する第１の回転体５６Ａとを有し、開口部と第１の回転体５６Ａとの接触領域に液状試料５４Ａを存在させた状態で第１の回転体５６Ａを回転させる第１の動摩擦試験機構を有する。また、第１の動摩擦試験機構と同一の構成で、液状試料５４Ｂを収容する凹部５２Ｂ１を有する第２の試料槽５２Ｂと、開口部の内周側に接触して設けられ周方向に回転する第２の回転体５６Ｂとを有し、開口部と第２の回転体５６Ｂとの接触領域に液状試料５４Ｂを存在させた状態で第２の回転体５６Ｂを回転させる第２の動摩擦試験機構を有する。そしてトルク発生手段７０により、第１の回転体５６Ａと第２の回転体５６Ｂとに回転力が付与される構成を有する。

トルク発生手段７０は、第１の動摩擦試験機構と第２の動摩擦試験機構との間で、これら動摩擦試験機構より後方に設けられている。図２及び図２のトルク発生手段７０部分を上方から見た図３に示すように、トルク発生手段７０の下方へ伸びるシャフト７１には、トルク発生手段７０からの回転力が伝達される円盤７２（例えば、モータ駆動力オン／オフ切替用円盤）が設けれている。円盤７２は、第１の動摩擦試験機構の回転軸となるシャフト５５Ａに設けられた円盤円盤７４Ａ（例えば、モータ駆動力オン／オフ切替用円盤）、及び、第２の動摩擦試験機構の回転軸となるシャフト５５Ｂに設けられた円盤７４Ｂ（例えば、モータ駆動力オン／オフ切替用円盤）のそれぞれの周面と接触可能なように構成されている。当該円盤としては、例えば、ウレタンローラ等を使用することができる。トルク発生手段７０の回転力が伝達される円盤７２により、円盤７４Ａ及び円盤７４Ｂが回転して第１の回転体５６Ａ及び第２の回転体５６Ｂが同時にそれぞれ同一の速度で駆動回転する。

なお、トルク発生手段１８からの動力を遮断させるには、円盤７２（又はトルク発生手段７０）を後退させて、円盤７４Ａ、７４Ｂと非接触状態とすればよい。したがって、円盤７２（又はトルク発生手段７０）は、前後に移動（図３の矢印Ｘで示す方向）できる構成とすることが好ましい。

円盤７２の径は、３０〜１００ｍｍ程度であることが好ましい。円盤７４Ａ及び円盤７４Ｂは同一径とし、５０〜１００ｍｍ程度であることが好ましい。

上記のような構成により、開口部と第１の回転体５６Ａとの接触領域、及び開口部と第２の回転体５６Ｂとの接触領域のそれぞれに液状試料５４Ａ、５４Ｂを存在させた状態でそれぞれの回転体を同時に回転させる。一定時間の駆動回転をした後、トルク発生手段１８からの動力を遮断し、回転体の慣性回転が停止するのがどちらか早いかを比較することで、それぞれの動摩擦力の大小を比較評価することができる。

なお、回転体５６Ａ、５６Ｂを駆動回転させる回転速度や回転を駆動回転時間は、第１の形態と同様とすることができる。また、図２に示すように、適宜、荷重付与手段５８Ａ、５８Ｂを設けてもよい。また、荷重付与手段の代わりに、フライホイールを設けてもよい。さらに、荷重付与手段がフライホイールの機能をも備えた構成としてもよい。

ここで、実際的には、第１の態様と同様に、図２に示すように試料槽５２Ａ、５２Ｂの下に計器６２Ａ、６２Ｂやトルクコントローラー６４を有する制御台６６を設けてもよい。また、試料槽５２Ａ、５２Ｂと制御台６６との間にヒーター６８Ａ、６８Ｂを設けることで高温下での測定ができる。その場合は、ヒータコントローラー６５を制御台６６に設ければよい。

第１の形態及び第２の形態はいずれも、慣性回転時間若しくは慣性回転数を測定するという簡易な構成であるため、非常に簡易的に液状試料の動摩擦力を比較評価することができる。また、ポータブル化にも適しており、時間や場所を選ばずに評価を実施することができる。

第１の形態及び第２の形態は、簡易な構成であれば種々の変更が可能である。例えば、図１の例において、図４に示すように、回転体１６の胴部を円柱状としその先端部１６Ａを球面状としてもよい。また、図５に示すように、試料槽１４の凹部１４Ａの開口部に上方に拡径するテーパ面１４Ｂを設けてもよい。

また図６に示すように、試料槽１４の上部に余剰の液状試料を溜める貯留部１４Ｄを設け、さらに、凹部１４Ａの側面をテーパ面１４Ｂとして、回転体１６の球形面が接触する領域を開口端部でなく、凹部１４Ａのテーパ面１４Ｂとしてもよい。
貯留部１４Ｄを設けることで、余剰の液状試料があふれ出すことを防ぐことができる。また、回転体１６の球形面が接触する領域をテーパ面１４Ｂとすることで、開口端部の摩耗を防ぎ、装置の寿命を延ばすことができる。
さらに、円筒ころ軸受の外輪や円すいころ軸受の外輪のようなものを回転体との接触部（接触領域）に設けてもよい。

以上の説明では、動摩擦試験機構が１つである形態（第１の形態）、及び、動摩擦試験機構が２つである形態（第２の形態）について説明したが、動摩擦試験機構を３つ以上とした形態に応用してもよい。
当該実施形態に係る動摩擦試験機構を有し、簡易な構成という観点を逸脱しない限り、種々の変更を行うことができる。具体的には、３００ｍｍ×３００ｍｍで高さ３００ｍｍの箱に収納できる程度の大きさであることが好ましい。

１０ 簡易型動摩擦試験機
１２ 液状試料
１４ 試料槽
１６ 回転体
１８ モータ
１９ シャフト
２０ 荷重付与手段
２２ 計器
２４ トルクコントローラー
２６ 制御台
２８ ヒーター
３０ ヒータコントローラー

Claims (8)

1. 上部に開口部を有し液状試料を収容する試料槽と、
   前記開口部の開口端部又は該開口端部より内側に線接触して設けられ周方向に回転する回転体と、
   前記回転体に回転力を付与するトルク発生手段と、を有し、
   前記線接触する接触領域に前記液状試料を存在させた状態で前記回転体を回転させる簡易型動摩擦試験機。
2. 上部に開口部を有し液状試料を収容する第１の試料槽と、前記開口部の開口端部又は該開口端部より内側に線接触して設けられ周方向に回転する第１の回転体とを有し、前記線接触する接触領域に前記液状試料を存在させた状態で前記第１の回転体を回転させる第１の動摩擦試験機構と、
   上部に開口部を有し液状試料を収容する第２の試料槽と、前記開口部の開口端部又は該開口端部より内側に線接触して設けられ周方向に回転する第２の回転体とを有し、前記線接触する接触領域に前記液状試料を存在させた状態で前記第２の回転体を回転させる第２の動摩擦試験機構と、
   前記第１の回転体と前記第２の回転体とに回転力を付与するトルク発生手段と、を有する簡易型動摩擦試験機。
3. 前記回転体と前記トルク発生手段との間に、フライホイールが設けられてなる請求項１に記載の簡易型動摩擦試験機。
4. 前記第１の動摩擦試験機構における前記第１の回転体と前記トルク発生手段との間、及び前記第２の動摩擦試験機構における前記第２の回転体と前記トルク発生手段との間に、フライホイールが設けられてなる請求項２に記載の簡易型動摩擦試験機。
5. 前記接触領域へ荷重を付与する荷重付与手段が設けられてなる請求項１又は２に記載の簡易型動摩擦試験機。
6. 前記回転体が前記接触領域において球形面を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の簡易型動摩擦試験機。
7. 試料槽の開口部の開口端部又は該開口端部より内側に線接触させ、その接触領域に液状試料を存在させた状態で、前記回転体をトルク発生手段により一定時間駆動回転させ後、前記トルク発生手段からの動力を遮断させ、前記回転体を慣性回転させる工程を含み、
   前記トルク発生手段からの動力を遮断後、前記回転体の慣性回転が停止するまでの時間、若しくは慣性回転数を測定する動摩擦力の簡易試験方法。
8. １の試料槽の開口部の開口端部又は該開口端部より内側に第１の回転体を線接触させ、かつ、他の１の試料槽の開口部の開口端部又は該開口端部より内側に第２の回転体を線接触させ、これらそれぞれの接触領域に液状試料を存在させた状態で、前記第１の回転体及び前記第２の回転体をトルク発生手段により同時に一定時間駆動回転させ後、前記トルク発生手段からの動力を遮断させ、前記第１の回転体及び前記第２の回転体を慣性回転させる工程を含み、
   前記トルク発生手段からの動力を遮断後、前記第１の回転体及び前記第２の回転体の慣性回転が停止するまでの時間、若しくは慣性回転数を測定若しくは比較する動摩擦力の簡易試験方法。
   

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