JP2725682B2 - 摩擦計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ゴム等の高分子材料がアスファルト路面等
に滑り接触した際の摩擦特性を計測する摩擦計測装置に
関する。

［従来の技術］ 従来、この種の摩擦計測装置としては、例えば第５図
に示すようなものがある。

第５図において、支点１を中心として回転できる重錐
２の底面にゴムパッド３をバネ材４で保持し、重錐２が
降り下げられた時にゴムパッド３が路面５と適当な区間
６で接触するようにセットする。

このセット状態で重錐２をある角度θ１で離し、路面
５上を通過後、角度θ２まで上昇したとすると、この角
度θ１とθ２との関係により路面５とゴムパッド３との
摩擦係数μを求めるようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の摩擦計測装置にあっ
ては、 温度補正式を用いた計測後の摩擦係数値の修正計算を
必要とする、 実際的な滑り摩擦速度における摩擦係数値が得られな
い、 実際的な単位面積当りの荷重を加えた状態での摩擦係
数値が得られない、 任意の温度、湿度、滑り速度における摩擦係数値が得
られない、 路面の凹凸の程度によってはゴムパッドが路面上を摺
動中に跳躍することにより計測値に大きなバラツキを発
生する、等の問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
もので、試料の滑り速度、荷重、温度等の任意の計測条
件のもとに実情に合った摩擦係数値の計測及び推定がで
きる摩擦計測装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明の請求項１にあって
は、円環状の試料を計測面に任意の設定荷重により押圧
した状態で所望の速度で定速回転、即ち角加速度ゼロで
回転させる機構部と；該機構部による試料の角速度を計
測する回転計測部と；前記機構部により試料を定速回転
した時のトルクを計測するトルク計測部と；試料及び摩
擦計測面の温度を同一と見做していずれかの一方の温度
を計測する温度計測部と；前記トルクの計測値と試料を
含む回転部の重量及び試料平均半径に基づいてその時の
滑り速度における摩擦係数を演算する摩擦係数演算手段
と；計測温度及び試料のガラス転移点に基づき、温度異
存性をもたない速度と摩擦係数の関係を示すマスターカ
ーブ上の変換速度を演算する速度変換部と；該速度変換
部による変換速度を指示パラメータ（アドレス）として
算出された摩擦係数値を記憶する記憶手段と；を設け
る。

また本発明の請求項２にあっては、請求項１記載のト
ルク計測手段を除いた次の構成とする。

即ち、円環状の試料を計測面に任意の設定荷重により
押圧した状態で所望の速度で回転させる機構部と；該機
構部による試料の角速度及び又は角加速度を計測する回
転計測部と；試料及び摩擦計測面の温度を同一と見做し
ていずれかの一方の温度を計測する温度計測部と；角速
度及び又は角加速度、予め設定された前記試料を含む回
転部の慣性モーメント、重量及び試料平均半径に基づい
てその時の回転速度における摩擦係数を演算する摩擦係
数演算手段と；計測温度及び試料のガラス転移点に基づ
き、温度依存性をもたない速度と摩擦係数の関係を示す
マスターカーブ上の変換速度を演算する速度変換部と；
該速度変換部による変換速度を指示パラメータ（アドレ
ス）として算出された摩擦係数値を記憶する記憶手段
と；を設ける。

更に、請求項３にあっては、前述の請求項１、２の各
々に、計測温度と計測速度を設定する設定手段を設け、
設定速度及び設定温度から前記速度変換手段によりマス
タカーブ上の変換速度を求めて記憶手段から対応する摩
擦係数値を読出し、変換速度に対応する摩擦係数値が記
憶されていない時には、該変換速度の前後の変換速度に
対応する摩擦係数値を読出して推定値を算出する推定値
算出手段を設ける。

更に要約するならば、 請求項1;角加速度＝０の場合（定速回転） 請求項2;トルク＝０の場合 請求項3;請求項1,2に機能を追加した場合 となる。

［作用］ このような構成を備えた本発明の摩擦計測装置によれ
ば、温度異存性をもたないマスタカーブによる変換速度
を指示パラメータ（アドレス）として実際に計測された
摩擦係数値をメモリに記憶することができ、更に、滑り
速度、荷重、を任意に設定変更することで必要とする条
件での摩擦係数データを広範に収集することができる。

更に、マスタカーブを与える記憶データが得られた場
合には、実際に計測しなくとも速度及び温度を任意に設
定するデータ処理により記憶された摩擦係数値は勿論の
こと、設定値に基づく変換速度に対応する摩擦係数値が
存在しなくとも、例えば前後の値に基づく補間演算によ
り正確に推定値を得ることができる。

［実施例］ 第1A図は本発明の一実施例を示した実施例構成図であ
る。

第1A図において、10は機構部であり、荷重設定部12に
よる荷重設定を機械的に受けている。この機構部10及び
荷重設定部12の構成は第２図に示される。

第２図において、36は駆動モータであり、装置を計測
対象とする路面上に設置するための枠38の上部に設けら
れる。駆動モータ36の駆動軸40はトルク計測部18を介し
て駆動入力軸42に連結され、駆動入力軸42の先端には駆
動力伝達部44を介して駆動伝達ピン46が装着されてい
る。駆動伝達ピン46は円環状の試料取付部48に嵌め入れ
られ、試料取付部48は駆動伝達ピン46に対し軸方向に移
動自在に支持されている。試料取付部48は下側にゴム等
の高分子材料で成る円環状の試料50を取り付けている。
また試料取付部48の上部には重錘52が乗せられており、
重錘52を選ぶことで試料50の路面に対する単位面積当り
の荷重を適宜に調整できるようにしている。

更に駆動入力軸42の左側に対向した枠38内には回転計
測部16が装着され、駆動伝達部44の角速度、即ち試料50
の角速度を検出できるようにしている。

再び第1A図を参照するに、第２図に示した構造の機構
部10には重錘52により荷重を設定する荷重設定部12、試
料の角速度を検出する回転計測部16、更にトルクを計測
するトルク計測部18が設けられており、更に試料50と路
面の温度を同一と見なして、いずれか一方の温度を計測
する温度計測部14が設けられている。

ここで回転計測部16のセンサにより試料の角速度Ω
（ｔ）を検出し、更に角速度Ω（ｔ）の時間微分により
角加速度Ａ（ｔ）を算出して出力する。

温度計測部14による計測温度Ｔ、回転計測部16による
角速度Ω（ｔ）及び角加速度Ａ（ｔ）、更にトルク計測
部18による計測トルクτ（ｔ）はそれぞれ演算部20に与
えられる。

演算部20には、計測時の試料滑り速度Ｖを後の説明で
明らかにするマスターカーブにおける変換速度a_TVに変
換する速度変換演算部20−１、計測時の滑り速度Ｖに対
応する摩擦係数μ（Ｖ）を演算する摩擦係数演算部20−
２、更に角速度Ω（ｔ）を滑り速度Ｖ（ｔ）に変換する
速度演算部20−３に３つの演算機能が設けられている。

そこで演算部20に設けた３つの演算部による演算機能
を説明すると次のようになる。

まず、摩擦係数演算部20−２による摩擦係数μ（Ｖ）
の演算は、第２図に示した試料50の平均半径をｒ、試料
取付部48、試料50及び重錘52で成る回転部の全慣性モー
メントをＩ、更に回転部の重量をMg（但しｇは重力加速
度）とし、更に任意の時刻ｔにおける角加速度をＡ
（ｔ）、トルクをτ（ｔ）とすると、次式でその時の滑
り速度Ｖ（ｔ）における摩擦係数μ（Ｖ）を算出するこ
とができる。

μ（Ｖ）＝｛τ（ｔ）−Ａ（ｔ）・Ｉ｝／（ｒ・Ｍ・
ｇ） …（１） 次に速度演算部20−３による角速度Ω（ｔ）から滑り
速度Ｖ（ｔ）の演算は、任意の時刻ｔにおける角速度を
Ω（ｔ）とすると、 Ｖ（ｔ）＝ｒ・Ω（ｔ） ……（２） として算出することができる。

次に速度変換演算部20−１による変換速度a_TVの演算
機能を説明する。まず、ゴム等の高分子材料の滑り速度
Ｖと摩擦係数μとの間には、例えば第３図に示すように
広範囲の摩擦速度において摩擦係数の各温度での値が変
化し、高温になる程μ−Ｖ曲線は高速度側に移動するよ
うになる。

このような第３図に示す温度依存性をもつ滑り速度と
摩擦係数の特性カーブにつきWilliams−Landel−Ferry
の変換理論式による変換速度log（a_TV）を求めること
で、温度に無関係なμ−Ｖ特性カーブ、即ちマスタカー
フを得ることができる。このマスタカーブへの変換式は
次式で与えられる。

log（a_TV）＝［−8.86｛Ｔ＝T_G＋50）｝／｛101.5＋（T
_G＋50）｝］＋logV ……（３） この第（３）式において、Ｔが環境温度、即ち計測温
度であり、T_Gはゴム材料のガラス転移点であり、ゴムの
場合T_G＝−50〜−60℃程度であり、計測で用いる試料50
の材質に応じて第１図の材質データ設定部22により設定
される。またこの第（３）式に基づくマスタカーブへの
変換理論は、 Ｔ＜T_G＋100 ……（４） を限界としている。

第４図は第３図の温度をパラメータとしたμ−Ｖ特性
カーブにつき、前記第（３）式を適用して変換速度log
（a_TV）を求めて統一したマスタカーブを示す。

従って、第1A図の演算部20に設けられた速度変換演算
部20−１は、速度演算部20−３により得られた滑り速度
Ｖ及び計測温度Ｔに基づき、前記第（３）式を使用して
マスタカーブの変換速度log（a_TV）又は（a_TV）を材質
データ設定部22からのガラス転移点T_Gを用いて求める。

演算部20で演算された摩擦係数μ（Ｖ）とマタタカー
ブ上の変換速度log（a_TV）又は（a_TV）はメモリ24に与
えられ、テーブル情報として記憶される。即ち、実際の
計測時には試料の滑り速度を設定変更して逐次摩擦係数
を求めていくことから、メモリ24には第1B図に示すよう
に、例えば変換速度（a_TV）ｉをアドレス（指示パラメ
ータ）として角速度に対応する摩擦係数値μｉ（但し、
ｉは1,2,3,…の整数）が記憶されるようになる。

制御部26は前述した機構部10からメモリ24までの摩擦
計測に必要な全体的な制御処理を行なう。例えば、荷重
設定部12により適宜の荷重を設定した状態で予め定めた
速度範囲の所定の速度ステップとなるように機構部10に
設けた駆動モータ36を順次速度制御し、駆動モータによ
り試料50を定速回転する状態で得られる各計測部14,16,
18の出力に基づき演算部20で変換速度（a_TV）ｉと摩擦
係数μｉを求めてメモリ24に逐次格納するようになる。
更に、ある設定荷重における一連の第1B図に示すような
メモリデータが得られたならば、次に設定荷重を変更し
て同様なメモリデータを得るようにしてもよい。

更に第1A図の実施例には、温度設定部28、速度設定部
30、推定値算出部32及び出力部34を備えたデータ読出部
60が設けられている。

データ読出部60は、メモリ24に第1B図に示すデータが
格納できた後に、設定温度及び設定速度に対応した摩擦
係数値を得るために使用される。

即ち、温度設定部28により任意の設定温度Tsを設定す
ると共に、速度設定部30により任意の滑り速度Vsを設定
すると、これら設定温度Ts及び設定速度Vsは推定値算出
部32を介して演算部20に与えられ、演算部20の速度変換
演算部20−１により前記第（３）式に従ってマスタカー
ブ上の変換速度log（a_TV）又は（a_TV）がアドレスデー
タとして求められる。従って、推定値算出部34は演算部
20で算出された設定温度及び設定速度に基づくアドレス
データlog（a_TV）又は（a_TV）によりメモリ24をリード
アクセスし、対応する摩擦係数データμを読み出して出
力部34に出力する。

この時、設定温度及び設定速度に基づいて算出された
マスタカーブ上の変換速度に対応する摩擦係数データが
必ずしもメモリ24に格納されていないことから、アクセ
スアドレスの両側に位置する変換速度に対応する摩擦係
数データ、例えば第1B図の（a_TV）１と（a_TV）２との間
のアクセスアドレスについては、摩擦係数データμ１と
μ２を読み出して補間演算により推定値を求めて出力部
34に出力する。例えば、第４図の×印に示すようなマス
タカーブに従ったデータがメモ24に記憶されていたとす
ると、×印以外のlog（a_TV）については両側の×印を結
ぶ直線から対応する推定値（近似値）を算出する。

ここで、第1A図の温度計測部14には計測開始時の試料
50の温度Ｔを計測して演算部20の演算に使用している
が、試料50を定速回転した時の摩擦熱による影響を補正
しなくても特に問題はない。即ち、試料50を定速回転し
た場合には、摩擦熱により温度が上昇する。例えば、試
料50をゴム材料とした時の温度分布は一次元の熱伝導式
を流用して次式で与えられる。

∂T/∂ｔ＝（k/ρｃ）・（∂²T／∂X²） ……（５） 但し、k:熱伝導度 ρ：密度 c:比熱 また、試料50の半無限の端面（ｘ＝０）に発熱Ｑがあ
る場合の前記第（５）式の温度分布解は、 で与えられる。

ここで、短時間での急加速、ゴムの熱特性、路面の熱
特性を考慮すると、ゴムの内部温度上昇は微小であり、
摩擦係数に関連する弾性率は初期に計測した温度におけ
るものと同等として扱いうる。従って、第1A図における
温度計測部14による温度計測は、計測開始時の材料50の
温度を計測して、演算部20に設定すればよい。即ち、試
料50を定速回転した際の摩擦熱による温度上昇分を考慮
した温度計測は特に必要ではない。

更に第1B図のメモリ24にあっては、アドレスとして前
記第（３）式の（a_TV）を格納しているが、log（a_TV）
を使用してもよいことは勿論である。

次に上記の実施例による計測動作を説明する。

まず、第２図に示すように第1A図の構成を備えた本発
明の計測装置を計測対象となる、例えばアスファルト舗
装された適宜の現場に運び、試料50を取り付けた試料取
付部48を駆動伝達ピン46に嵌め入れ、更に重錘52により
適宜の荷重設定を行なう。この時、駆動モータ１による
回転軸は路面と垂直となるように枠38を調整する。

次に試料50及び路面はほぼ同一温度と見做してその時
の周囲の温度Ｔを温度計測部14で計測して演算部20にセ
ットする。また試料50のガラス転移点T_Gを材質データ設
定部22により設定する。

続いて制御部26に計測試験を行なう滑り速度を多段階
に設定して、各滑り速度毎に測定開始を指示する。この
測定開始により制御部26は機構部10に設けた駆動モータ
36を設定速度となるように短時間に加速して定速回転、
即ち角加速度Ａ（ｔ）＝０とし、定速回転状態で演算部
20に演算指令を出し、その時、回転計測部16から得られ
ている角速度Ω（ｔ）及びトルク計測部18からのトルク
τ（ｔ）を取り込み、前記第（１）式のＡ（ｔ）＝０と
おいた式に従って摩擦係数μ（Ｖ）を演算すると共に滑
り速度Ｖ（ｔ）を求め、更に滑り速度Ｖ（ｔ）を前記第
（３）式を用いて、マスタカーブ上の変換速度（a_TV）
またはlog（a_TV）に変換し、第1B図に示すようにメモリ
24に変換速度をアドレスとして摩擦係数データを書き込
む。このような計測処理を制御部26に対し多段階に設定
された滑り速度の各々について行なうことで、メモリ24
には第1B図に示すようなマスタカーブに対応したμ−Ｖ
カーブのテーブルデータが得られる。

このようにメモリ24にμ−Ｖのマスタカーブデータが
格納できたならば、例えば本発明の摩擦計測装置を試験
研究設備に持ち帰り、データ読出部60を使用して、例え
ば自動車のブレーキ制御の判定等に使用する滑り速度と
摩擦係数の関係を得るために、適宜の温度及び速度を設
定してメモリ24のマスタカーブデータに基づく摩擦係数
データを取り出し、この場合に推定値算出部32による推
定演算を行なって実際に計測されていない摩擦係数デー
タについても推定値として求めることができる。

以上が角加速度Ａ（ｔ）＝０と定速回転した時の実施
例であるが、他の実施例として試料を回転させた時、例
えば定速回転に至までの間に計測される角速度加速度Ａ
（ｔ）及びトルクτ（ｔ）を各々を取込んで前記第
（１）式に従って摩擦係数μ（Ｖ）を演算してもよいこ
とは勿論である。

次に第1A図に設けられたトルク計測部18を必要としな
いトルクτ（ｔ）＝０の場合の本発明の他の実施例を説
明する。

前記の実施例にあっては、第２図に示すように、駆動
モータ36により試料50を所望の速度に定速回転した状態
で摩擦係数μ（Ｖ）を前記第（２）式に従って演算する
ようにしているが、本発明の他の実施例としては、駆動
モータ36により試料50を所望の計測速度に回転した後の
駆動モータ36による駆動を停止して回転部をフリー回転
状態とし、試料50の慣性回転による回転停止までの間の
角加速度Ａ（ｔ）から摩擦係数μ（Ｖ）を計測する。即
ち、慣性回転により回転部がトルクτ（ｔ）＝０となる
ため、前記第（１）式は、 μ（Ｖ）＝Ａ（ｔ）・I/（ｒ・Ｍ・ｇ） ……（７） で与えられることとなり、全慣性モーメントＩ及び重量
Mg及び試料50の平均半径ｒは定数として与えられること
から、回転計測部16による角加速度Ａ（ｔ）の計測値の
みをもって摩擦計係数μ（Ｖ）を演算することができ
る。従って、トルク計測部18は不要とできる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、任意の温度
及び速度における摩擦係数を求めることができ、円環状
の試料を計測面に滑り接触させていることから、路面凹
凸による計測値のバラつきが少なく、信頼性の高い計測
値を安定して得ることができる。

更に、試料に適宜の面荷重を設定した状態で滑り速度
を与えて、摩擦係数を計測しているため、未確認の因子
による影響が少なく、例えば車両制御状態等の実状にあ
った摩擦係数データを収集することができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明の実施例構成図； 第1B図は本発明によるメモリデータ説明図； 第２図は第１図の機構部の構成図； 第３図は温度をパラメータとしたμ−Ｖ特性図； 第４図は第３図から得られた温度依存性をもたないマス
タカーブのμ−Ｖ特性図； 第５図は従来装置の説明図である。 10:機構部 12:荷重設定部 14:温度計測 16:回転計測部 18:トルク計測部 20:演算部 20−1:速度変換演算部 20−2:摩擦係数演算部 20−3:速度演算部 22:材質データ設定部 24:メモリ 26:制御部 28:温度設定部 30:速度設定部 32:推定値算出部 34:出力部 36:駆動モータ 38:枠 40:駆動軸 42:駆動入力軸 44:駆動力伝達部 46:駆動伝達ピン 48:試料取付部 50:試料 52:重錘

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円環状の試料を計測面に任意の設定荷重に
   より押圧した状態で所望の速度で定速回転させる機構部
   と； 該機構部による試料の角速度を計測する回転計測部と； 前記機構部により試料を定速回転した時のトルクを計測
   するトルク計測手段と； 前記試料及び摩擦計測面の温度を同一と見做していずれ
   か一方の温度を計測する温度計測部と； 前記トルクの各計測値と前記試料を含む回転部の重量及
   び試料平均半径に基づいてその時の回転速度における摩
   擦係数を演算する摩擦係数演算手段と； 前記計測温度及び前記試料のガラス転移点に基づき、温
   度依存性をもたない速度と摩擦係数の関係を示すマスタ
   カーブ上の変換速度を演算する速度変換部と； 該速度変換部による変換速度を指示パラメータとして前
   記摩擦係数演算手段で算出された摩擦係数の値を記憶す
   る記憶手段と； を備えたことを特徴とする摩擦計測装置。
2. 【請求項２】円環状の試料を計測面に任意の設定荷重に
   より押圧した状態で所望の速度で回転させる機構部と； 該機構部により試料を所望の計測速度に回転した後に駆
   動トルクの伝達を断って駆動トルクを零として慣性回転
   させ、該慣性回転による試料が停止するまでの角加速度
   を計測する回転計測部と； 前記試料及び摩擦計測面の温度を同一と見做していずれ
   か一方の温度を計測する温度計測部と； 前記角加速度、予め設定された前記試料を含む回転部の
   全慣性モーメント、重量及び試料平均半径に基づいてそ
   の時の回転速度における摩擦係数を演算する摩擦係数演
   算手段と； 前記計測温度及び前記試料のガラス転移点に基づき、温
   度依存性をもたない速度と摩擦係数の関係を示すマスタ
   ーカーブ上の変換速度を演算する速度変換部と； 該速度変換部による変換速度を指示パラメータとして前
   記摩擦係数演算手段で算出された摩擦係数の値を記憶す
   る記憶手段と； を備えたことを特徴とする摩擦係数計測装置。
3. 【請求項３】請求項１乃至２記載の摩擦計測装置に於い
   て、 更に、 計測温度を設定する温度設定手段と； 試料の計測速度を設定する速度設定手段と； 該設定温度及び設定速度に基づいて前記変換速度演算手
   段で得られた変換速度を指示パラメータとして前記記憶
   手段の摩擦係数値を読出し、該変換速度に対応する摩擦
   係数値が記憶されていない場合には、該変換速度の前後
   の変換速度に対応する記憶摩擦係数値を読出して推定値
   を算出する推定演算部と； を設けたことを特徴とする摩擦計測装置