JP5824439B2 - Method and apparatus for measuring coefficient of friction - Google Patents
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Description
本発明は、摩擦係数の測定方法および装置に関し、より詳しくは、すべり速度や傾斜角度が変化する摩擦系において摩擦係数を正確に測定できる方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a friction coefficient measuring method and apparatus, and more particularly to a method and apparatus capable of accurately measuring a friction coefficient in a friction system in which a sliding speed and an inclination angle change.
近年、交通事故による死亡者数は年々減少の傾向であるのに対して、屋内外における転倒事故による死亡者の数は年々増加する傾向にあり、これが社会的に大きな問題になっている。このような転倒事故の原因としては、靴やその他の履き物（スリッパなど）（以下、靴で総称する）と、床面や地面（アスファルトやコンクリート面などを含む）（以下、床面で総称する）との間のすべりが、大きな割合を占めている。そして、すべりによる転倒を防止するためには、靴の底面と床面との間の静摩擦係数や動摩擦係数を高くすることが重要であり、これら２つの摩擦係数を正しく測定することで両者の間のすべりを評価する装置が必要である。 In recent years, the number of deaths due to traffic accidents has been decreasing year by year, while the number of deaths due to accidents falling indoors and outdoors has been increasing year by year, which has become a major social problem. Causes of such a fall accident include shoes and other footwear (such as slippers) (hereinafter collectively referred to as shoes), floor and ground (including asphalt and concrete surfaces) (hereinafter collectively referred to as floor) ) Slips in between. In order to prevent falls due to slipping, it is important to increase the static friction coefficient and the dynamic friction coefficient between the bottom and the floor of the shoe, and by correctly measuring these two friction coefficients, There is a need for a device that evaluates sliding.
摩擦係数を測定する装置として、従来は、携帯式の小型のものと、研究室などで使用される大型のものとがあるが、動摩擦係数だけを測定するものが大部分であり、静摩擦係数と動摩擦係数の両方を測定することができる装置は少なかった。また、携帯式の装置の場合、持ち運びが可能であるから屋内外での使用が可能であるという長所を有しているが、靴を装置に取り付けることができないので、靴と床面との間の摩擦係数を測定することができない、また、すべり速度や荷重を種々変えた測定を行うことができないなどの欠点があった。 Conventionally, there are two types of devices that measure the coefficient of friction: small portable devices and large ones used in laboratories, etc., but most of them measure only the dynamic friction coefficient. Few devices were able to measure both dynamic friction coefficients. In addition, portable devices have the advantage that they can be used indoors and outdoors because they are portable, but shoes cannot be attached to the device. In other words, the friction coefficient cannot be measured, and measurements with various sliding speeds and loads cannot be performed.
一方、大型の装置の場合には、装置に靴を取り付けることができ、また、すべり速度や荷重を変化させた測定ができる反面、持ち運びが難しいので、場所を種々変えて測定することが困難であり、必要とする場所での実際の測定には不向きであるなどの欠点を有していた。 On the other hand, in the case of a large device, shoes can be attached to the device, and measurement can be performed by changing the sliding speed and load, but it is difficult to carry, so it is difficult to measure in various places. However, it has a drawback that it is not suitable for actual measurement at a required place.
さらに、従来の装置は、２つの物体、例えば靴の靴底と床面とを所定の荷重で接触させて、すべり速度一定の条件下で摩擦係数を測定する方式が一般的に採用されている。しかしながら、この方式は、例えば靴の底面と床面との摩擦係数を屋内の限られた空間内で測定する場合、測定時のすべり速度を一定にすることが困難となり、靴の底面と床面との間のすべり速度が変動するため、摩擦係数を正確に測定することができないという課題を有していた。 Furthermore, a conventional apparatus generally employs a method in which a friction coefficient is measured under a condition in which a sliding speed is constant by bringing two objects, for example, a shoe sole and a floor surface into contact with each other with a predetermined load. . However, in this method, for example, when measuring the coefficient of friction between the bottom surface of the shoe and the floor surface in a limited indoor space, it becomes difficult to keep the sliding speed constant at the time of measurement. Because the sliding speed fluctuates between the two, the friction coefficient cannot be measured accurately.
本発明に係わる摩擦係数の測定方法は、被測定物をその測定面と床面とを接触させた状態で所定の方向に牽引することで前記床面に対して摺動させ、前記摺動の際に前記被測定物に働く外力を牽引力検出器により測定すると共に前記被測定物に働く加速度を検出し、これら外力と加速度とから次式により摩擦係数を求める、方法である。 The friction coefficient measuring method according to the present invention is such that the object to be measured is slid with respect to the floor surface by pulling in a predetermined direction in a state where the measurement surface and the floor surface are in contact with each other. In this case, the external force acting on the object to be measured is measured by a traction force detector, the acceleration acting on the object to be measured is detected, and the friction coefficient is obtained from the external force and acceleration by the following equation.
（数１）
μ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
但し、μは床面と被測定物との間の摩擦係数、Ｆは牽引力検出器により検出された床面に対して水平方向に被測定物に働く外力（Ｎ）、ｍは被測定物の質量（ｇ）、ｇは重力加速度、ａｈは床面に水平な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、ａｎは床面に垂直な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、θは床面の傾斜角度（°）である。
(Equation 1)
μ = (F + m (g sin θ−a h )) / m (a n + g cos θ)
Where μ is the coefficient of friction between the floor surface and the object to be measured, F is the external force (N) acting on the object to be measured in the horizontal direction with respect to the floor surface detected by the traction force detector, and m is the object to be measured. weight (g), g is the gravitational acceleration, a h is the acceleration of the object to be measured in the horizontal direction to the floor surface (m / s 2), a n is the measured object in a direction perpendicular to the floor acceleration (m / s 2 ) and θ are the inclination angles (°) of the floor surface.
前記摺動は、直線摺動（被測定物を床面に対して直線的に牽引して摺動させる）、回転摺動（例えば被測定物を床面に対して円周線上に牽引して摺動させる）などの適宜な形態で行うことができる。さらに、前記直線摺動の一例として、被測定物と台車とを牽引力検出器を介して接続し、被測定物の測定面と床面とを接触させた状態で前記台車を床面に対して移動させる際の前記牽引力検出器により被測定物に働く外力、被測定物に働く加速度を求め、これら求めた値から上式により摩擦係数を求める方法を用いることができる。 The sliding may be linear sliding (the object to be measured is pulled linearly with respect to the floor surface) or rotational sliding (for example, the object to be measured is pulled with respect to the floor surface on the circumference). For example). Furthermore, as an example of the linear sliding, the object to be measured and the cart are connected via a traction force detector, and the cart is brought into contact with the floor surface with the measurement surface of the object to be measured and the floor surface in contact with each other. An external force acting on the object to be measured and an acceleration acting on the object to be measured can be obtained by the traction force detector when moving, and a method of obtaining a friction coefficient by the above equation from these obtained values can be used.
本発明に係わる摩擦係数の測定装置は、被測定物と牽引力検出器を介して接続された本体と、被測定物に働く加速度を検出する加速度検出手段と、被測定物の測定面と床面とを接触させた状態で前記本体を床面に対して移動させる際の前記牽引力検出器により被測定物に働く外力、前記加速度検出手段により検出された加速度から次式により摩擦係数を算出する演算手段とを有してなる、ことを特徴とする測定装置である。 A friction coefficient measuring apparatus according to the present invention includes a main body connected to a measurement object via a traction force detector, acceleration detection means for detecting acceleration acting on the measurement object, and a measurement surface and a floor surface of the measurement object. The friction coefficient is calculated by the following equation from the external force acting on the object to be measured by the traction force detector when the main body is moved with respect to the floor surface in contact with the acceleration, and the acceleration detected by the acceleration detecting means. And a measuring device.
（数２）
μ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
但し、μは床面と被測定物との間の摩擦係数、Ｆは牽引力検出器により検出された床面に対して水平方向に被測定物に働く外力（Ｎ）、ｍは被測定物の質量（ｇ）、ｇは重力加速度、ａｈは床面に水平な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、ａｎは床面に垂直な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、θは床面の傾斜角度（°）である。
(Equation 2)
μ = (F + m (g sin θ−a h )) / m (a n + g cos θ)
Where μ is the coefficient of friction between the floor surface and the object to be measured, F is the external force (N) acting on the object to be measured in the horizontal direction with respect to the floor surface detected by the traction force detector, and m is the object to be measured. weight (g), g is the gravitational acceleration, a h is the acceleration of the object to be measured in the horizontal direction to the floor surface (m / s 2), a n is the measured object in a direction perpendicular to the floor acceleration (m / s 2 ) and θ are the inclination angles (°) of the floor surface.
上記の測定装置において、本体として、例えば台車を用いることができる。この場合、台車に牽引力検出器を一体に組み合わせると共に、被測定物を保持するための保持部を設け、この保持手段と牽引力検出器とを着脱自在に連結する構成としても良いものである。これにより、保持手段を容易に取り替えることができる。そして、予め複数の被測定物をそれぞれ別の保持手段に固定保持させておくことで、保持部を差し替えるだけで複数の被測定物の摩擦係数の測定を行うことができ、測定処理の迅速化が図ることができる。 In the above measuring apparatus, for example, a carriage can be used as the main body. In this case, the traction force detector may be integrally combined with the carriage, a holding portion for holding the object to be measured may be provided, and the holding means and the traction force detector may be detachably connected. Thereby, a holding means can be replaced easily. In addition, by holding a plurality of objects to be measured in advance on different holding means, it is possible to measure the friction coefficient of the objects to be measured by simply replacing the holding part, thereby speeding up the measurement process. Can be planned.
また、必要に応じて、台車に手押し部や牽引フックなどを設けることで、台車を手押ししたり、あるいは車などで牽引して移動させながら測定を行うことができる。 In addition, if necessary, by providing a hand pressing unit, a towing hook, or the like on the cart, measurement can be performed while manually pushing the cart or moving it by towing the vehicle.
その他、上記の本体として小型の筐体などを用いることで携帯型或いは卓上型の摩擦測定装置を構成することもできる。 In addition, a portable or table-type friction measuring device can be configured by using a small casing or the like as the main body.
また、本発明の方法および装置において得られた摩擦係数は静摩擦係数と動摩擦係数とに容易に判別ないし分別することができる。即ち、加速度ａｈを積分（定積分）して被測定物の速度ｖｈ（すべり速度）を算出し、この速度がゼロの状態から正になる直前までのタイミングで得られる摩擦係数が静摩擦係数（実際には、速度ｖｈ＞０となる最初の時刻において上記式により算出される摩擦係数が静摩擦係数）であり、それ以後の速度が正である状態の摩擦係数が動摩擦係数として判別される。 Further, the friction coefficient obtained in the method and apparatus of the present invention can be easily discriminated or classified into a static friction coefficient and a dynamic friction coefficient. That is, the acceleration a h is integrated (constant integration) to calculate the velocity v h (sliding velocity) of the object to be measured, and the friction coefficient obtained at the timing from when the velocity is zero to just before the velocity becomes positive is the static friction coefficient. (In actuality, the friction coefficient calculated by the above equation at the first time when the speed v h > 0 is the static friction coefficient), and the friction coefficient in a state where the speed thereafter is positive is determined as the dynamic friction coefficient. .
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
まず、図１を参照して、本発明に係わる摩擦測定方法の原理を説明する。
図１（Ａ）から（Ｃ）は質量ｍの物体である被測定物１が床面２に対して水平な方向に牽引力としての外力Ｆを受け，すべり運動をしている力学系を例示したものである。この力学系において、床面２の傾斜角度、具体的には被測定物１の牽引方向Ｄにおいて水平面３（水平線）に対する床面２の角度をθとして、図１（Ａ）は被測定物１が斜面である床面２に対して下る場合（つまり０＜θ＜π/2 ）を、図１（Ｂ）は被測定物１が水平な面である床面２を滑り運動する場合（つまりθ＝０）を、図１（ｃ）は被測定物１が斜面である床面２を上る場合（つまり−π/2＜θ＜０）を、それぞれ表している。
First, the principle of the friction measurement method according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIGS. 1A to 1C exemplify a dynamic system in which an object 1 to be measured, which is an object of mass m, receives an external force F as a traction force in a direction horizontal to the
ここで、上記の力学系における被測定物１の床面２に水平な方向と垂直な方向の運動方程式は，それぞれ以下の式となる。なお、ａｈ、ａｎはそれぞれ床面２に水平な方向、垂直な方向に生じる被測定物１の加速度、Ｆは被測定物１を床面２に対して水平に牽引する力、ｆｈとｆｎはそれぞれ床面２から被測定物１に作用する反力、ｇは重力加速度である
ｍａｈ＝Ｆ＋ｍｇｓｉｎθ−ｆｈ
ｍａｎ＝ｆｎ−ｍｇｃｏｓθ
また、上記２つの 式から、物体（被測定物）と床面との間の摩擦係数μは以下の式となる。
μ＝ｆｈ／ｆｎ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
Here, the equations of motion in the direction horizontal to the
ma n = f n −mg cos θ
Further, from the above two equations, the friction coefficient μ between the object (object to be measured) and the floor surface is as follows.
μ = fh / fn = (F + m (g sin θ−a h )) / m (a n + g cos θ)
ここで、上記の得られた摩擦係数が静摩擦係数であるか、あるいは動摩擦係数であるかは、加速度ａｈを積分（定積分）して被測定物１の速度ｖｈ（すべり速度）を算出し、この速度がゼロから正になるタイミング、つまり速度ｖｈ＞０となる最初の時刻において上記式により算出される摩擦係数が静摩擦係数とし、それ以後の速度ｖｈ＞０である状態の摩擦係数が動摩擦係数として判別される。
Here, whether the obtained friction coefficient is a static friction coefficient or a dynamic friction coefficient is calculated by integrating the acceleration a h (constant integration) and calculating the speed v h (sliding speed) of the DUT 1. and, positive going timing the speed from zero, i.e. the friction coefficient calculated by the above equation is the coefficient of static friction at the first time that the
このように、本発明によれば、被測定物１に働く外力つまり牽引力Ｆ、上記の加速度ａｈ、ａｎおよび床面の傾斜角度θを測定することで、静摩擦係数および加速度による慣性力を補正した動摩擦係数を測定することができる。 Thus, according to the present invention, the external force, i.e. traction force F acting on the measurement object 1, the above acceleration a h, by measuring the inclination angle θ of a n and the floor, the inertial force due to static friction coefficient and the acceleration The corrected dynamic friction coefficient can be measured.
次に、上記の原理に基づく本願発明の測定方法の実施例を説明する。
（実施例１）
図２に、本願発明の原理を利用して被測定物の摩擦係数を測定するための、実施例に係わる測定装置を例示した。この測定装置は、被測定物を固定保持すると共に所定の方向に移動させる機能を有する台車部１０、この移動に伴う被測定物と床面との間に働く力を検出するための牽引力検出部２０、被測定物を保持するための保持手段
３０、制御部４０などから構成される。
Next, an embodiment of the measurement method of the present invention based on the above principle will be described.
Example 1
FIG. 2 illustrates a measuring apparatus according to an embodiment for measuring the friction coefficient of the object to be measured using the principle of the present invention. The measuring apparatus includes a
台車１０は、荷台１１、該荷台１１の前後左右に合計４個設けられ回転自在に軸支された車輪１２、荷台１１の図２において右側に固着された手押し部材１３などから構成される。これら荷台１１、車輪１２および手押し部材１３などは、アルミやＳＵＳなどの金属材、ＡＢＳ樹脂などの合成樹脂材などの適宜な材料（車輪１２の場合はその他、ゴムなどの弾性材）で構成すれば良い。また、荷台１１の図２において左側には、図中上下方向に延在する取付部材１４、１５が設けられている。これら取付部材１４、１５には、後述するように牽引力検出部２０が取り付けられている。
The
牽引力検出部２０は、図３をさらに参照して、牽引力検出器（例えば、力を信号（データ）に変換するセンサであるロードセル）２１、牽引力検出器２１の両側に連結されたリンクボール２２、２３、リンクボール２２に上記取付部材１４を介して連結された牽引フック２５、リンクボール２３に連結されたボールスプライン２６、ボールスプライン２６に連結された牽引棒取付部材２７、および牽引棒取付部材２７に固定され図３において上方に延在する円筒状の牽引棒２８などから構成されている。そして、リンクボール２２の左端部と牽引フック２５の右側部は上記の取付部材１４に固着されており、またボールスプライン２６は取付部材１５に固着されており、これにより牽引力検出部２０は取付部材１４、１５を介して台車１０に一体的に取り付けられている。
The traction
台車部１０を構成する荷台１１の後部両側にそれぞれ車輪１２，１２を軸承して、両車輪１２，１２の間には図２の後部がわに開口部１７を設けてある。そのため、図４に示した靴４、図７に示した平板状の測定片６、図８に示したタイヤ７などを装着した保持部３０を床面２上に置いた状態でこの台車１０を後退させれば、被測定物を持ち上げたりすることなく前記開口部１７内に位置する牽引棒２８に取り付けて、摩擦係数の測定作業の準備を比較的容易に行うことができる。この場合、台車１０を後退させないで、床面２上に置いてある被測定物を前進させて取り付けることも可能である。
ここで、ボールスプライン２６を上記のようにリンクボール２３と牽引棒取付部材２７との間に設けることで、牽引棒取付部材２７からリンクボール２３に伝わる力の内の図３において右方向つまりＤ方向の力である牽引力以外の力を抑制でき、牽引力を精度良くリンクボール２３を介して牽引力検出器２１に伝達することができる。また、上記の例ではリンクボール２２と牽引フック２５とを取付部材１４を介して間接的に連結したが、リンクボール２２と牽引フック２５とを直接連結する構造としても良い。また、牽引棒２８は円筒状、つまり断面円形としたが、断面を多角形、例えば四角形や三角形とすることもできる。さらに、牽引棒２８は剛性を考慮して中実が好ましいが、必要な剛性が確保できれば中空でも良い。
Here, by providing the
保持手段３０は、図４をさらに参照して、上記の牽引棒２８との連結用孔３１ａが中央部に形成された連結片３１、該連結片３１の両端部に一端がそれぞれ固着された一対のレバー３２、３２、これらレバー３２、３２の他端の間に回動自在に連結された取付棒３３、取付棒３３の略中央部に固着された図４（Ｂ）において上下方向に延在するロッド３４などから構成されている。
Referring to FIG. 4 further, the holding means 30 is a pair of
ロッド３４は、図４（Ｂ）に示したように、上側が小径部３４ａで下側が大径部３４ｂとなっており、これら小径部３４ａと大径部３４ｂとの間に形成される段部３４ｃには、円形の支持板３５が載置され係止されている。この支持板３５上には中央に孔が開いた円形の錘３６が１つないし複数個載置される。錘３６はその中央孔をロッド３４の小径部３４ａに通すことでロッド３４に固定される。錘３６の重量、あるいは載置する個数は、後述する被測定物に加えるべき荷重に応じて適宜調整される。
As shown in FIG. 4B, the
ロッド３４の下端、つまりロッド３４の大径部３４ｂの下側には被測定物が設けられる。図２から図４に例示した実施例では、被測定物として靴４が用いられ、この靴４の底部、つまり靴底と床面２との間の摩擦係数が測定される。
図４（Ｂ）を特に参照して、ロッド３４の大径部３４ｂが靴４の内側（図示した例では靴４の踵部分の内側に上部から挿入され、大径部３４ｂの底面が踵部分の内側に当接した状態となっている。このとき、ロッド３４に取り付けられた錘３６を含む荷重（錘３６や支持板３５およびロッド３４の重さの合計）が大径部３４ｂの底面を介して靴４の踵部分の内側に加わり、上記荷重（垂直荷重）により靴４の踵部分の外側下面が下方向に押圧された状態となる。
An object to be measured is provided at the lower end of the
With particular reference to FIG. 4B, the large-diameter portion 34b of the
さらに、靴４の内部には加速度検出手段、即ち、加速度センサ５が設けられている。この加速度センサ５は、これが取り付けられた部材に加わる所定方向の加速度を検出し、この検出信号をデータ出力するものである。本願発明では、加速度センサ５は、床面に対して少なくとも上下方向（Ｙ軸方向）と左右方向（Ｘ軸方向）の２方向の加速度を検出するものが使用される。本実施例では、さらにＺ軸方向の３方向の加速度を検出する加速度センサが使用される。加速度センサ５はさらに、これが取り付けられた物体の平面に対する傾き（傾斜角度）を検知し、この検知信号をデータ出力する。
Furthermore, acceleration detecting means, that is, an
この種の加速度センサとしては、例えばＦｒｅｅｓｃａｌｅ社製の３軸加速度センサモジュールが使用される。この加速度センサ５は、例えば図４（Ｂ）に例示したように靴４の内部の底面に固着することで、靴４と一体的に移動する。
なお、図示した例では加速度センサ５を靴４の踵部内側に設けたが、これに限定されず、例えば靴４の踵部の外側、靴４のつま先部の内側あるいは外側上面などの適宜な場所に設けることもできる。あるいは、靴４の加速度検出精度は幾分低くなるが、靴４を押圧するロッド３４の上部に一体的に固着したり、ロッド３４の内部に形成した凹部内に収容して一体的に固定する構成でも良い。
As this type of acceleration sensor, for example, a 3-axis acceleration sensor module manufactured by Freescale is used. The
In the illustrated example, the
なお、上記の加速度センサに代えて、加速度検出手段として、公知の画像処理を用いた手法を用いることができる。この画像処理による加速度検出手段としては、例えば、靴４に赤外線反射材を固着すると共にこの赤外線反射材からの反射光（赤外線）を検出する赤外線カメラを用い、赤外線カメラにより検出された赤外線反射材の移動つまり位置の時間変化に基づいて赤外線反射材が固着された靴４に加わる加速度を演算し算出する構成とすれば良い（例えば、靴４の位置データを２回微分することで加速度を算出する）。この種の加速度検出手段としては、例えば、Ｏｘｆｏｒｄ Ｍａｔｒｉｘ社のＶｉｃｏｎ３６０として市販された３次元動作解析装置を用いることができる。
In place of the acceleration sensor described above, a method using known image processing can be used as the acceleration detection means. As the acceleration detecting means by this image processing, for example, an infrared reflecting material detected by an infrared camera using an infrared camera that fixes an infrared reflecting material to the
制御部４０には、図５をさらに参照して、すべり速度検出部４１、摩擦係数演算部４２、摩擦係数判別部４３などを構成する、例えばコンピュータおよびその周辺機器からなる機器が収納されている。すべり速度検出部４１には加速度センサ５からの所要の加速度データ（床面に平行な方向の加速度：加速度ａｈ）が入力される。すべり速度検出部４１はこの加速度データを定積分し、被測定物（この実施例の場合は靴４）のすべり速度（床面に平行な方向の速度：速度ｖｈ）を算出する。このすべり速度データは摩擦係数判別部４３に入力される。
With further reference to FIG. 5, the
摩擦係数演算部４２には、加速度センサ５からの加速度データ（加速度ａｈ、ａｎ）および傾きデータＳ、および牽引力データ（牽引力Ｆ）が逐次的に入力される。摩擦係数演算部４２は、これら入力されたデータから、以下の式によって摩擦係数を算出してデータ出力する。但し、μは床面と被測定物（靴４）との間の摩擦係数、Ｆは牽引力検出器により検出された床面に対して水平方向に被測定物（靴）に働く外力（Ｎ）、ｍは被測定物（靴）の質量（ｇ）、ｇは重力加速度、ａｈは床面に水平な方向における被測定物（靴）の加速度（ｍ／ｓ２）、ａｎは床面に垂直な方向における被測定物（靴）の加速度（ｍ／ｓ２）である。また、θは床面の傾斜角度（°）であり、−π/2＜θ＜π/2である。
The friction
（数３）
μ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
(Equation 3)
μ = (F + m (g sin θ−a h )) / m (a n + g cos θ)
また、摩擦係数判定部４３には、摩擦係数演算部４２から出力される摩擦係数データと、すべり速度検出部４１から出力されるすべり速度データが入力される。そして、摩擦係数判定部４３は、このすべり速度が正になる（つまり、すべり速度ｖｈ＞０）タイミングを検出すると共に、このタイミング以前に入力される摩擦係数を静摩擦係数と判定し、またこのタイミング以降に入力される摩擦係数を動摩擦係数と判定し、それぞれ静摩摩擦係数μｓ、動摩擦係数μｋとして逐次的にデータ出力する。
Further, the friction
上記の各データ、つまり加速度データ、すべり速度データ、傾きデータ、摩擦係数データ（静摩擦係数データ、動摩擦係数データ）などは、図示しない記憶装置（例えば、ハードディスク、データロガーなど）に逐次的または所要の間隔で記憶される。 Each of the above data, that is, acceleration data, sliding speed data, inclination data, friction coefficient data (static friction coefficient data, dynamic friction coefficient data), etc. are stored in a storage device (not shown) such as a hard disk or a data logger sequentially or as required. Stored at intervals.
なお、制御部４０には上記の他、必要に応じて、各種データを表示するためのＣＲＴやＬＣＤなどの表示部、これらデータを印刷するための印刷部などを設けることができる。また、上記の構成を有する制御部を記録装置部分（牽引力検出器２１からの外力、加速度センサ５からの加速度データや傾きデータ、および任意的にこれらデータから算出した摩擦係数を経時的に記録するデータロガーなどの記憶装置）と、その他の装置部分（表示部や印刷部など）に分割する構成としても良い。この場合、その他の装置部分と記録装置部分とは、ケーブルや赤外線通信などで接続される。
In addition to the above, the
以上の構成を有する測定装置は、例えば次のように使用される。即ち、上記のように靴４の靴底と床面との摩擦係数を測定する場合、まず、図２のように保持部３０の連結片
３１の連結用孔３１ａを牽引力検出部２０の連結棒２８に挿入して両者を連結すると共に保持部３０のロッド３４により靴４の靴底が床面２に接地して押圧された状態とする。そして、この状態において、図６（Ａ）のように人間Ｍにより手押し部材１３を前方に押し進ませて、測定装置に図において左方向の力を加える。
The measuring apparatus having the above configuration is used as follows, for example. That is, when measuring the friction coefficient between the shoe sole and the floor surface of the
ここで、靴４の靴底と床面２との間の摩擦力が測定装置に上記のように左方向の力を加えた際に牽引力検出部２０の牽引力検出器２１を介して靴底に加わる外力以上である場合には靴４は床面２を滑ることはない。このとき、牽引力検出器２１に加わる外力が入力されることから、摩擦係数演算部４２において上記の式に基づいて摩擦係数μが判別部４３に出力される。
Here, when the frictional force between the shoe sole of the
一方、測定装置に加わる力が増大して上記外力が上記摩擦力を越えたタイミングで、測定装置はゆっくりと移動を開始し、また靴底が床面２上をすべって摩擦しながら移動するようになる。即ち、靴４は所定のすべり速度で、靴底と床面２との間で動摩擦力を生じつつ移動する。そして、上記の越えたタイミングで、すべり速度検出部４１の出力であるＶｈはゼロから正に変化し、この変化したタイミングで摩擦係数判別部４３は静摩擦係数μｓを出力する。また、このタイミング以後、つまりＶｈ＞０の状態では、摩擦係数判別部４３は摩擦係数演算部４２からの出力を動摩擦係数μｋとして出力する。以上の手順により、靴底と床面２との間の摩擦係数（静摩擦係数、動摩擦係数）を測定し、各種データを収集する。
On the other hand, at the timing when the force applied to the measuring device increases and the external force exceeds the friction force, the measuring device starts to move slowly, and the shoe sole slides on the
図６（Ｂ）は、測定装置を人間ではなく車で移動させる場合の一例である。この例では、牽引フック２５を鎖で車Ｃと連結し、靴４の靴底と床面２とを接触させた状態で車Ｃを図において左方向に移動させる。
FIG. 6B is an example in which the measuring apparatus is moved by a vehicle instead of a human. In this example, the
なお、以上の例では靴４の底面と床面２との間の摩擦係数を計測する場合を例示したが、靴以外の物体と床面２との間の摩擦係数を計測する場合にも、本願の測定装置を適用することができる。
In the above example, the case of measuring the friction coefficient between the bottom surface of the
即ち、図７は、図４の靴４に代えて所要の測定片６を固着した例を示したものである。この測定片６は、所要の厚さを有する長方形状のものであり、材質はゴム、例えば靴底部分（ソール）に使用される合成樹脂である。つまり、図４の例は実際の靴の摩擦係数を測定するものであるのに対して、図７の例は靴底の材料自体の摩擦係数を測定するものである。その他、測定片６の材質としては、例えばカーペット材（床面とカーペットとの間の摩擦係数測定の場合）などを適宜用いることもできる。
That is, FIG. 7 shows an example in which a required
また、図８は、図４の靴４に代えて車両用のタイヤ７を用いた場合の例である。この場合、取付棒３３をタイヤ７の中心軸に通しタイヤ７を固定して取り付けてある。そして、ホイール、例えばその内側に加速度センサを設置し、この状態で測定装置を上記のように移動させることで、タイヤ７の表面のゴム材と床面との間の摩擦係数を測定することができる。
FIG. 8 shows an example in which a
（実施例２）
実施例１で示される摩擦係数測定装置を用いて、以下の手順で、靴４の靴底と床面２との間の摩擦係数を測定する実験を行った。即ち、実験に用いた床面２は水平（θ＝０）であり、また床反力計測装置（フォースプレート）を埋設した。そして、このフォースプレート上に表面が滑らかなステンレス板を固定し、その上に食用油を塗布した。さらに、その上に靴４の底面を接地させた状態で測定装置を所定の速度で移動させた。このとき、靴４の底面と床面２との間の摩擦係数μａは、靴４とこの靴に加わる荷重（錘３６、ロッド３４および支持板３５）の合計質量をｍ、牽引力検出部２０（ロードセル）により検出される外力（牽引力）をＦ、靴４に取り付けられた加速度センサ５によって測定される床面２に水平な方向、垂直な方向に生じる加速度をそれぞれａｈ、ａｎとすると、次式Ａで表すことができる。
μａ＝（Ｆ−ｍａｈ）／ｍ（ａｎ＋ｇ） Ａ
(Example 2)
Using the friction coefficient measuring apparatus shown in Example 1, an experiment for measuring the friction coefficient between the shoe sole of the
μ a = (F-ma h ) / m (a n + g) A
一方、靴４に働く加速度を考慮せずに、牽引力検出部２０（ロードセル）から得られる外力Ｆと靴４およびその荷重ｍのみを用いて計算された摩擦係数μｂは、次式Ｂで求められる。
μｂ＝ｆ／ｍｇ Ｂ
On the other hand, the friction coefficient μb calculated using only the external force F obtained from the traction force detector 20 (load cell), the
μb = f / mg B
さらに、フォースプレートによって計測された床反力の水平成分ｆｈ、垂直成分
ｆｎから求められる摩擦係数μｃは、次式Ｃの通りである。
μｃ＝ｆｈ／ｆｎ Ｃ
Further, the friction coefficient μc obtained from the horizontal component fh and the vertical component fn of the floor reaction force measured by the force plate is expressed by the following equation C.
μc = fh / fn C
ここで、フォースプレートは靴４の靴底と床面２との間に作用する摩擦力と垂直荷重をそれぞれｆｈ、ｆｎとして直接測定することができる。よって、式Ｃで計算される摩擦係数と、式Ａで計算される加速度の影響を補正した摩擦係数を比較することによって、本測定システムの妥当性を検証することができる。なお、本発明における摩擦係数測定装置ではフォースプレートは不要である。
Here, the force plate can directly measure the frictional force and the vertical load acting between the shoe sole of the
図９に，加速度計によって計測された靴４の水平方向の加速度（図９（Ａ））、この水平方向の加速度を定積分することで算出された靴の水平方向の移動速度（すべり速度）（図９（Ｂ）、式ＡからＣを用いて計算された各摩擦係数μａ、μｂ、μｃ（図９（Ｃ））を示した。
FIG. 9 shows the horizontal acceleration of the
図９（Ｂ）から、床面２に対する靴４の靴底のすべり速度は増加した後に減少していることが判る。なお、図９（Ｂ）において、すべり速度が０ｍ／ｓを越えたタイミングにおける摩擦係数が静摩擦係数となる。
From FIG. 9B, it can be seen that the sliding speed of the sole of the
一方、図９（Ｃ）より、式Ｂを用いて計算された加速度補正のない摩擦係数は、フォースプレートから得られた摩擦係数に対して、すべり出し後は、加速域において高い値を示すが、減速域では低い値を示すことが判る。また、靴４にかかる加速度の影響を補正した式Ａで計算される摩擦係数は、すべり出しから停止までの区間において、フォースプレートから得られた摩擦係数（静摩擦係数，動摩擦係数）と非常によく一致していることが判る。
以上のことから，本発明における摩擦係数測定方法および測定装置の妥当性が実証された．
On the other hand, from FIG. 9C, the friction coefficient without acceleration correction calculated using Expression B shows a high value in the acceleration region after sliding relative to the friction coefficient obtained from the force plate. It can be seen that the deceleration range shows a low value. In addition, the friction coefficient calculated by the equation A that corrects the influence of acceleration on the
From the above, the validity of the friction coefficient measuring method and measuring device in the present invention was proved.
Claims (10)
（数４）
μ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
但し、μは床面と被測定物との間の摩擦係数、Ｆは牽引力検出器により検出された床面に対して水平方向に被測定物に働く外力（Ｎ）、ｍは被測定物の質量（ｇ）、ｇは重力加速度、ａｈは床面に水平な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、ａｎは床面に垂直な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、θは床面の傾斜角度（°）である。 The object to be measured is slid with respect to the floor surface by pulling in a predetermined direction in a state where the measurement surface and the floor surface are in contact with each other, and an external force acting on the object to be measured during the sliding is a traction force. A method for measuring a friction coefficient, which is measured by a detector, detects an acceleration acting on the object to be measured and an inclination angle of the floor surface, and obtains a friction coefficient from the external force, the acceleration, and the inclination angle by the following expression.
(Equation 4)
μ = (F + m (g sin θ−ah)) / m (an + g cos θ)
Where μ is the coefficient of friction between the floor surface and the object to be measured, F is the external force (N) acting on the object to be measured in the horizontal direction with respect to the floor surface detected by the traction force detector, and m is the object to be measured. weight (g), g is acceleration (m / s 2) of the gravitational acceleration, ah is the measured object in the horizontal direction to the floor surface, an, the acceleration of the object to be measured in a direction perpendicular to the floor surface (m / s 2 ), Θ is the inclination angle (°) of the floor surface.
前記被測定物の測定面と床面とを接触させた状態で前記台車を床面に対して移動させる際に前記被測定物に働く外力を前記牽引力検出器により測定する、請求項１記載の測定方法。 Connecting the object to be measured and the cart via the traction force detector;
The external force acting on the object to be measured when the carriage is moved with respect to the floor surface in a state where the measurement surface of the object to be measured is in contact with the floor surface is measured by the traction force detector. Measuring method.
前記被測定物に設けられた加速度検出手段および傾斜角度検出手段と、
前記被測定物の測定面と床面とを接触させた状態で前記本体を床面に対して移動させる際の前記牽引力検出器により検出された被測定物に働く外力と、前記加速度検出手段により検出された前記被測定物に働く加速度と、前記傾斜角度検出手段により検出された前記床面の傾斜角度とから次式により摩擦係数を算出する演算手段とを有してなる、ことを特徴とする摩擦係数の測定装置。
（数５）
μ＝（Ｆ＋ｍ（ｇｓｉｎθ−ａｈ））／ｍ（ａｎ＋ｇｃｏｓθ）
但し、μは床面と被測定物との間の摩擦係数、Ｆは牽引力検出器により検出された床面に対して水平方向に被測定物に働く外力（Ｎ）、ｍは被測定物の質量（ｇ）、ｇは重力加速度、ａｈは床面に水平な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、ａｎは床面に垂直な方向における被測定物の加速度（ｍ／ｓ２）、θは床面の傾斜角度（°）である。 A main body connected to the object to be measured via a traction force detector;
Acceleration detection means and inclination angle detection means provided on the object to be measured;
An external force acting on the measurement object detected by the traction force detector when the main body is moved relative to the floor surface in a state where the measurement surface of the measurement object is in contact with the floor surface, and the acceleration detection means And a calculating means for calculating a friction coefficient by the following equation from the detected acceleration acting on the object to be measured and the inclination angle of the floor surface detected by the inclination angle detecting means. A friction coefficient measuring device.
(Equation 5)
μ = (F + m (g sin θ−ah)) / m (an + g cos θ)
Where μ is the coefficient of friction between the floor surface and the object to be measured, F is the external force (N) acting on the object to be measured in the horizontal direction with respect to the floor surface detected by the traction force detector, and m is the object to be measured. weight (g), g is acceleration (m / s 2) of the gravitational acceleration, ah is the measured object in the horizontal direction to the floor surface, an, the acceleration of the object to be measured in a direction perpendicular to the floor surface (m / s 2 ), Θ is the inclination angle (°) of the floor surface.
以上 The measuring apparatus according to claim 9, wherein the carriage and the traction force detector are integrally combined, and the holding means is detachably connected to the traction force detector.
that's all
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