JP3980225B2

JP3980225B2 - 摩擦試験機および摩擦試験方法

Info

Publication number: JP3980225B2
Application number: JP26827799A
Authority: JP
Inventors: 一郎南; 純夫飯野; 康之野村
Original assignee: 高千穂精機株式会社
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001091436A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属やセラミック等の表面の摩擦力や摩耗量を評価するための摩擦試験機に関し、特にＶブロック／ピン方式の摩擦試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属やセラミック等の他の部材との接触面に、表面処理を行った場合や潤滑油等の媒体を用いた場合の摩擦力や摩耗量の変化を評価する摩擦試験機として、従来、Ｖブロック／ピン方式の摩擦試験機が知られている。
【０００３】
この摩擦試験機は、図４に示すように試験片101として円柱状の素材の端面に９０度のＶ字状切れ込みを入れたものを２個用い、これを回転するピン102の周面に両側から所定の圧力で当接し、ピン102の摩擦トルクを計測することによって試験片表面の摩擦力や摩耗量を計測する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のＶブロック／ピン方式の摩擦試験機は、次のような問題があった。１）柱状の素材にさらにＶ字状切れ込みを加工しなければならないため、試験片の作製に手間がかかる。２）試験の精度を挙げるために、複数回の試験を行う必要があるが、一度試験に使用された面は、線接触部に摩耗痕ができ、再加工しないと使用できない。３）Ｖ字状切れ込みは機械加工されているため表面状態にばらつきがあり、再現性がよくない。４）試験後、摩耗状態を顕微鏡観察するときにＶ字状であるために観察がしにくい。
【０００５】
そこで本発明は、Ｖ字状切れ込み加工を必要としない試験片を利用することができ、これにより試験片の作製が容易で、再現性のよい計測が可能な摩擦試験機および方法を提供することを目的とする。また本発明は、一つの試験片を繰り返し使用でき、ランニングコストの低減を図ることが可能な摩擦試験機および方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、従来のＶブロック／ピン方式の摩擦試験機を大幅に変更することなく利用可能な摩擦試験機および方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する本発明は、回転ピンと、前記回転ピンをその軸を中心として回転駆動する手段と、前記ピンの周面を挟むように対称的に配置された一対の試験片固定手段と、各試験片固定手段を保持し且つ試験片固定部材に固定された試験片が前記ピンの周面に所定の圧力で接触するように前記一対の試験片固定手段を移動する保持手段と、前記ピンの回転時のトルクおよび／又は前記一対の試験片固定手段間の距離の変化を計測する手段とを備え、前記一対の試験片固定手段の各々は、２つの正四角柱状の試験片を各正四角柱の一側面が互いに直角をなすように固定する手段を備えたことを特徴とする摩擦試験機を提供する。
【０００７】
また本発明は、前記試験片固定部材が、試験片を固定する手段として、前記正四角柱状の試験片の隣接する二側面が係合する溝を複数併設した溝部材と、前記溝部材の溝方向上下に着脱自在に固定され、各溝に係合した試験片を挟持する一対の補強板とを備えたことを特徴とするの摩擦試験機を提供する。
【０００８】
さらに本発明は、前記試験片固定部材が、ユニバーサルジョイントを介して前記保持手段に固定されていることを特徴とする摩擦試験機を提供する。
【０００９】
また本発明は、一対の試験片固定手段にそれぞれ固定された試験片を、回転可能なピンの周面に対称的に圧接し、ピン回転時における摩擦トルクおよび／又は前記一対の試験片固定手段間の距離の変化を計測し、前記試験片の摩擦力や摩耗量を計測する摩擦試験方法であって、前記試験片として４つ正四角柱状の試験片を用意し、４つの試験片の２つを一組として、一組の正四角柱状の試験片をそれらの一側面が互いに直角をなすように固定し、二組の試験片をそれぞれ、直角をなす二側面が前記ピンに所定の圧力で接触するように保持したことを特徴とする摩擦試験方法を提供する。
【００１０】
また本発明は、前記４つの正四角柱状の試験片の、ピンに接触する側面を順次変えて、４側面について繰り返し計測を行うことを特徴とする摩擦試験方法を提供する。
【００１１】
このような本発明の摩擦試験機および摩擦試験方法によれば、試験片として正四角柱状の試験片を用いるので、平面加工の精度があればよく、試験片作製が容易でしかも表面状態のバラツキがきわめて少ない。また正四角柱状の４つの面を順次試験に供することができるので、一つの試験片で４回の試験を行うことができ、コストを低減できる。また試験片表面の観察が容易で、特にＶ字状の切れ込みと異なり、顕微鏡を正面から当てて見ることができ、表面観察が容易である。さらに正四角柱状の試験片を二つ組合せてＶ字状に構成し、回転ピンに圧接させる構成なので、試験片を保持する機構以外の機構は、従来のＶブロック／ピン方式の摩擦試験機をそのまま利用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る摩擦試験機の一実施例を示す図で、この摩擦試験機は、主として金属製のピン１５を所定の回転速度で回転するための機構と、ピン１５の周面に対し試験片５０を所定の圧力で圧接させる保持機構と、測定部の温度を調節する温度調節機構３０と、これらピンの回転機構、保持機構および温度調節機構３０を制御するとともに、ピン回転時の摩擦トルクや試験片間距離の変化を入力し、摩擦力や摩耗量を計算する制御・計測部４０とからなる。
【００１４】
ピン回転機構は、モータ１１と、このモータ１１の回転軸に一対のプーリ１２およびベルト１３で連結され、モータ１１によって回転される回転軸１４と、回転軸１４の一端に固定されたピン１５とからなり、モータ１１には制御・計測部４０からの指令によって制御される速度コントローラ１６およびピン１５の回転速度を表示する表示部１７が設けられている。
【００１５】
またピン１５が固定された回転軸１４にはストレンアンプ１８を備えたトルクメータ（図示せず）が接続され、ピン回転時の摩擦トルクを計測する。ストレンアンプ１８からの摩擦トルクに対応する信号は制御・計測部４０に入力され、ここで所定の演算が行われ摩擦力が求められる。
【００１６】
保持機構は、ピン１５に対してほぼ対称的に配置された一対の保持部材２１、２１’と、これら保持部材２１、２１’の一端に固定され、試験片をピン１５に対向するように固定する固定部材２２、２２’と、固定部材２２、２２’に固定された試験片５０をピン１５に対し押付けるように保持部材２１、２１’を駆動する駆動手段２３とを備えている。
【００１７】
駆動手段２３としてはエアシリンダ或いは油圧シリンダを用いることができ、試験片に加える荷重が比較的小さく、例えば500kg重程度の場合には、エアシリンダを用い、１ton以上の場合には油圧シリンダを用いる。以下、エアシリンダとして説明するが、これに限定されない。
【００１８】
保持部材２１、２１’は、上述したように一端に固定部材２２、２２’が固定された長寸の部材で、その長手方向ほぼ中央が装置本体に回動自在に固定されている。このような保持部材２１、２１’は、エアシリンダ２３によって、その一端に固定された固定部材２２、２２’が互いに近接する方向、即ちその中央に存在するピン１５に試験片を圧接する方向に駆動される。エアシリンダ２３は、精密減圧弁２６を介して図示しない空気源に接続されており、この精密減圧弁２６を調節することにより、ピン１５に対する試験片押付力を調節することができる。
【００１９】
保持部材２１、２１’の、固定部材２２、２２’が固定された端部と反対側の端部には、一方に近接センサ２４、他方に圧力センサ２５が取付けられている。近接センサ２４は、保持部材２１、２１’の端部間の距離（変位量）を検出することにより固定部材２２、２２’間の変位（試験片の摩耗量）を検出するセンサで、差動トランスを利用した変位センサや静電容量式変位センサなど公知の変位センサを用いることができる。近接センサ２４からの信号は制御・計測部４０に入力され、ここで保持部材２１、２１’の端部間の変位量をもとに試験片５０の摩耗量が計算される。
【００２０】
圧力センサ２５は、圧電結晶を用いたロードセル、半導体圧力センサ等の公知の圧力センサから構成され、試験片５０を介して保持部材２１’にかかる押圧力を検知する。圧力センサ２５からの信号は指示アンプを介して制御・計測部４０に入力され、制御・計測部４０はこの信号およびトルクメータからの信号をもとに摩擦力を計算する。
【００２１】
温度調節機構３０は、オイル等の熱媒を入れた恒温槽３１、恒温槽３１を一定温度に加熱するヒータ３２、恒温槽３１の温度を監視するための熱電対等の温度センサ３３およびヒータ３２の温度を調節する調節器３４を備え、温度センサ３３からの信号を制御・計測部４０に入力し、これに基づき調節器３４を制御することにより、恒温槽３１の温度はフィードバック制御され、一定に保たれている。この試験機による計測は、試験片５０を固定した保持部材２１、２１’の端部をこのような恒温槽３１に浸けた状態で行う。
【００２２】
次に試験片５０および固定部材２２の詳細について図２及び図３を参照して説明する。尚、他方の固定部材２２’も全く同様であるので、ここでは固定部材２２についてのみ説明する。
【００２３】
試験片５０は、図２に示すように、側面が高精度で平面加工された正四角柱状で、例えば断面5mm×5mm、長さ約12mmの大きさの試験片である。このような試験片５０は、例えば断面5mm×5mm、長さ約48mmの柱状の素材を長手方向に４分割することにより製造できる。本発明の摩擦試験機では、このような試験片５０の２片を一組とし、固定部材２２に固定する。
【００２４】
固定部材２２は、図２に示すようにこれら２片の試験片５０の各二側面が係合する断面Ｖ字状溝が２つ形成されたブロック２２１と、このブロック２２１を溝方向の上下から挟むようにブロック２２１に固定される補強板２２２、２２３と、ブロック２２１の背面（溝が形成された面の裏面）に固定される背面板２２４とからなる。
【００２５】
図３（ａ）に示すようにＶ字状溝の内面がなす角は９０度で、二つの溝にそれぞれ試験片５０を係合させたときに、二つの試験片５０の互いに隣接する側面５０ａ、５０ａが９０度をなし、この二つの側面がピン１５に当接するように構成される。Ｖ字状溝の内面の幅ｄは、ほぼ試験片５０の側面の幅に等しいが、これより大きくても小さくてもよい。要するに２つの試験片５０の隣接する角が互いに干渉せずに且つ二つの試験片５０の側面５０ａ、５０ａにピン１５の周面を当接させたときに、ブロック２２１の外側に突出する２つの試験片の角を結ぶ線が、ピンの中心を超えない位置に試験片に対し配置されるものであればよい。
【００２６】
ブロック２２１の高さｈ（Ｖ字状溝の溝方向の長さ）は、同図（ｂ）に示すように試験片５０の高さと同じで、試験片５０を係合した状態で補強板２２２、２２３で上下から締めつけたときに試験片５０は補強板間で確実に固定される。尚、補強板２２２、２２３はネジ等でブロック２２１に固定され、補強板を外すことにより、試験片５０は固定部材２２に着脱される。
【００２７】
ブロック２２１は、保持部材２１の一端にユニバーサルジョイント２７によって連結される。このためブロック２２１の背面側には、ユニバーサルジョイント２７の球部を受ける半球状の球座が形成されている。背面板２４４は、ユニバーサルジョイント２７をブロック２２１に固定するものであり、ユニバーサルジョイント２７の球部の一部が係合する開口が板中央に形成されている。
【００２８】
固定部材２２を固定した保持部材２１の端部は保持部材２１が回動することによって円弧状に移動するが、固定部材２２と支持部材２１とをユニバーサルジョイント２７によって連結することにより、固定部材端部の移動軌跡が円弧状であるにも拘わらず、試験片５０の側面を垂直なピン１５の周面に密着した状態で圧接させることができる。また一対の固定部材２２、２２’がピン中心に対し１８０度の位置（対称位置）から若干ずれていても、即ち図３（ａ）で示す固定部材の位置が図中、上下いずれかにずれていた場合でも、ユニバーサルジョイントによって固定部材が回転することにより、常に４つの試験片５０をピン１５に圧接させることができる。
【００２９】
次に以上のような構成の摩擦試験機を用いた摩擦試験方法について説明する。本発明の摩擦試験は、試験片自体を試料としてその表面の摩耗量や摩擦力を計測する場合にも、またピンと試験片との間に潤滑油等の媒体を介在させて、その媒体が摩擦や摩耗に与える効果を評価する場合にも適用できる。ここでは試験片自体の摩耗量や摩擦力を計測する場合を説明する。
【００３０】
まず同一形状、同一サイズの正四角柱状試験片５０を４片用意し、２片を１組として固定部材２２、２２’に固定する。次いでエアシリンダ２３を駆動し、所定の押付力で保持部材２１、２１’に固定された固定部材２２、２２’をピン１５に押しつける。この押付力は圧力センサ２５によって検知され制御・計測部４０に入力される。
【００３１】
この状態で固定部材２２、２２’が固定された保持部材２１、２１’およびピン１５を恒温槽３１に浸け、試験片の温度が一定の温度となるまで待った後、モータ１０を駆動しピン１５を回転させる。回転速度は、所定の値となるように制御・計測部４０からの指令を受ける速度コントローラ１６によって制御される。試験時間、即ち回転を持続する時間は、試料や計測の対象（摩擦力か摩耗量か）によっても異なるが、通常数分〜４８時間程度である。この回転時に回転軸１４にかかるトルクをトルクメータ１８で計測し、制御・計測部４０に送る。制御・計測部４０は、このトルクＴＱと圧力センサ２５が検知したピンへの押付力Ｗgから、次式に基づき摩擦力Ｆおよび摩擦係数μを算出する。
【００３２】
【数１】
Ｆ＝ＴＱ／ｒ（１）
μ＝Ｆ／４Ｗ（２）
Ｗ＝（１／２）×｛Ｗg／cos(90-θ/2)｝（３）
【００３３】
尚、式（１）〜（３）中、ｒはピンの半径、Ｗは一つの試験片５０の面からピンに加えられる半径方向（面に対し垂直方向）の押付力、θは隣接する試験片５０の二側面がなす角度（ここでは９０゜）を表す。
【００３４】
また比較的長時間回転が持続することにより、試験片５０が摩耗することにより２対の試験片間の距離が変化する。この試験片間の距離の変化を、近接センサ２４が保持部材２１、２１’間の距離の変化として検知し、制御・計測部４０に送る。制御・計測部４０はこの変位量から摩耗量を算出する。
【００３５】
測定の精度を高めるために、上述した計測を複数回繰り返すことが望ましい。その場合、試験片５０としては同じものを用い、但し固定部材２２（２２’）への固定位置を変更する。即ち、上述の計測では柱状の試験片５０の一側面５０ａのみが使用されたので、これ以外の側面がピン１５に接触する位置となるように全ての試験片５０を固定し直し、同様の計測を行う。これにより同じ試験片を用いて最高４回の計測が可能となる。この４回の計測で使用される試験片の側面は、いずれも平面加工によって形成されたものであるので、加工精度がよく、その結果、再現性のよい測定結果を得ることができる。
【００３６】
このように測定された摩擦力および摩耗量は、制御・計測部４０に接続された図示しない表示装置や印刷装置によって表示、印刷される。４回の計測に使用された試験片は、その側面を平面研磨することにより再度利用することができる。
【００３７】
尚、以上の実施例では、試験片を固定する保持部材をエアシリンダ等の駆動機構によって回動させることにより、試験片をピンに当接する摩擦試験機について説明したが、保持部材をエアシリンダ等の駆動機構により水平方向に移動させる方式とすることも可能である。また上記実施例の各部で採用した機構やセンサは、公知の種々の機構やセンサで置換することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の摩擦試験機および方法は、試験片として正四角柱状の試験片を４つ組合せて利用したことにより、簡便且つ低コストで高い精度の摩擦／摩耗試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦試験機の一実施例を示す全体構成図
【図２】本発明の摩擦試験に用いる試験片および固定部材を示す分解図
【図３】本発明の摩擦試験機の試験片固定部材の一実施例を示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図
【図４】従来のＶブロック／ピン方式の摩擦試験機を示す図
【符号の説明】
１１・・・・・・モータ（回転駆動手段）
１５・・・・・・回転ピン
２１、２１’・・・・・・保持部材
２２、２２’・・・・・・固定部材
４０・・・・・・制御・計測部
５０・・・・・・試験片

Claims

回転ピンと、前記回転ピンをその軸を中心として回転駆動する手段と、前記ピンの周面を挟むように対称的に配置された一対の試験片固定手段と、各試験片固定手段を保持し且つ試験片固定部材に固定された試験片が前記ピンの周面に所定の圧力で接触するように前記一対の試験片固定手段を移動する保持手段と、前記ピンの回転時のトルクおよび／又は前記一対の試験片固定手段間の距離の変化を計測する手段とを備えた摩擦試験機において、
前記一対の試験片固定手段の各々は、２つの正四角柱状の試験片を各正四角柱の一側面が互いに直角をなすように固定する手段を備えたことを特徴とする摩擦試験機。
前記試験片固定手段は、試験片を固定する手段として、前記正四角柱状の試験片の隣接する二側面が係合する溝を複数併設した溝部材と、前記溝部材の溝方向上下に着脱自在に固定され、各溝に係合した試験片を挟持する一対の補強板とを備えたことを特徴とする請求項１記載の摩擦試験機。
前記試験片固定部材は、ユニバーサルジョイントを介して前記保持手段に固定されていることを特徴とする請求項１または２記載の摩擦試験機。
一対の試験片固定手段にそれぞれ固定された試験片を、回転可能なピンの周面に対称的に圧接し、ピン回転時における摩擦トルクおよび／又は前記一対の試験片固定手段間の距離の変化を計測し、前記試験片の摩擦力や摩耗量を計測する摩擦試験方法であって、
前記試験片として４つ正四角柱状の試験片を用意し、
４つの試験片の２つを一組として、一組の正四角柱状の試験片をそれらの一側面が互いに直角をなすように固定し、
二組の試験片をそれぞれ、直角をなす二側面が前記ピンに所定の圧力で接触するように保持したことを特徴とする摩擦試験方法。
前記４つの試験片の、ピンに接触する側面を順次変えて、４側面について繰り返し計測を行うことを特徴とする請求項４記載の摩擦試験方法。