JP5949175B2 - 剛性測定方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被測定物の剛性を測定する方法および装置に関し、特に、ディスクブレーキにおけるパッド摩擦材の鳴き周波数帯における剛性(相当値)を測定する方法および装置に関する。
車両等に用いられているディスクブレーキは、制動時に所謂鳴きを発生することがある。この鳴きは、ディスクおよびパッド摩擦材の連成振動により発生すると考えられ、力の伝達が行われるディスクとパッド摩擦材との摩擦接触部に着目した研究が行われている(非特許文献1参照)。当初は、摩擦接触部において同位相・同振幅で振動する接触点のモデルの解析を行い、定性的な鳴きの傾向を表すことができたが、接触点回りの復元モーメントを考慮することができなかったため、定量的には一致しなかった。この課題を解決するためには、接触面の動剛性を測定して接触面のモデルの解析を行う必要がある。
非特許文献1には、接触面の動剛性を測定する装置として、パッド摩擦材を与圧して加振する加振装置と、パッド摩擦材に加わる荷重を測定する荷重測定装置と、加振によって生じるパッド摩擦材の加速度を測定する加速度測定装置とを備えた装置が記載されている。この動剛性測定装置は、パッド摩擦材を鳴き振動の周波数(1kHz〜5kHz)のランダム波で加振し、加振によって生じるパッド摩擦材の加速度を測定することで、力から加速度までの伝達関数(アクセレランス)を求め、結果を動剛性に変換する。また、バネ定数を測定する装置ではあるが、上述の装置と同様の構成の装置が特許文献1に記載されている。
「ディスクブレーキの鳴きに及ぼす摩擦接触部の動剛性の影響」、日本機械学会(No.04−5)、Dynamics and Design Conference 2004、CD−ROM論文集、論文NO.614
特許4059836号公報
上述の動剛性測定装置では、力から加速度までの伝達関数(アクセレランス)を求め、結果を動剛性に変換する必要があるため、測定方法が複雑となる傾向にある。また、パッド摩擦材を比較的高い周波数で加振する必要があるため、動剛性測定装置の筺体の剛性を高めなければならず、動剛性測定装置が大型化する傾向にある。また、パッド摩擦材の加速度を測定する必要があるため、加速度測定装置が必須であり、動剛性測定装置がコスト高となる傾向にある。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、被測定物の鳴き周波数帯における剛性(相当値)を簡易に測定することができる剛性測定方法および小型で低コストな剛性測定装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、被測定物の鳴き周波数帯における剛性を測定する剛性測定方法であって、前記被測定物を支持する工程と、前記支持された被測定物に対し加圧を行う工程と、前記加圧が所定圧力に達した後に除圧を徐変させて行う工程と、前記被測定物に対し加圧・除圧されるときの圧力および前記被測定物の変位を測定する工程と、前記除圧を徐変させて行う際に得られる応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を演算する工程と、を備えたことである。
請求項2に係る発明は、被測定物の鳴き周波数帯における剛性を測定する剛性測定装置であって、前記被測定物を支持する支持装置と、前記支持装置に支持された前記被測定物に対し加圧・除圧可能な加圧装置と、前記加圧装置で前記被測定物に対し加圧・除圧するときの圧力を測定する圧力測定装置と、前記加圧装置で前記被測定物に対し加圧・除圧するときの前記被測定物の変位を測定する変位測定装置と、前記被測定物に対し所定圧力まで加圧を行い、その後に除圧を行う際の応力−変位曲線を求め、前記応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求める演算装置と、を備えたことである。
請求項3に係る発明は、請求項2において、前記加圧装置は、前記被測定物に対する除圧を徐変させて行い、前記変位測定装置は、前記徐変する除圧における前記被測定物の変位を測定することである。
請求項4に係る発明は、請求項2又は3において、前記被測定物は、ディスクブレーキにおけるパッド摩擦材であり、前記演算装置は、前記被測定物の変位が前記パッド摩擦材の鳴き振動の振幅に達したときの前記傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求めることである。
請求項1に記載の発明によれば、被測定物に対し所定圧力まで加圧を行った後に除圧を徐変させて行い、そのときの応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求めている。これにより、従来のように力から加速度までの伝達関数(アクセレランス)を求め、結果を動剛性に変換する必要はなく、被測定物の鳴き周波数帯における剛性を簡易に測定することができる。
請求項2に記載の発明によれば、演算装置は、被測定物に対し所定圧力まで加圧を行い、その後に除圧を行う際の応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求めている。これにより、従来のように被測定物を高い周波数で加振する必要はなく、装置の筺体の剛性を高める必要はないので、装置の小型化を図ることができる。また、従来のように被測定物の加速度を測定する必要はなく、加速度測定装置は不要となるので、装置の低コスト化を図ることができる。
請求項3に記載の発明によれば、被測定物に対する除圧を徐変させたときの被測定物の変位を測定しているので、低い周波数での変位の測定が可能な変位測定装置を用いることができる。
請求項4に記載の発明によれば、ディスクとパッド摩擦材との接触面の鳴き周波数帯における剛性を求めることができるので、当該接触面のモデルの解析を行ってディスクおよびパッド摩擦材の連成振動により発生する鳴きを定量的に表すことが可能となる。
本発明の実施形態の剛性測定装置の概略構成について図を参照して説明する。図1に示すように、この剛性測定装置1は、被測定物(例えば、ディスクブレーキのパッド摩擦材から切り出したテストピース)Pを支持する支持装置10と、支持装置10に支持された被測定物Pに対し加圧・除圧可能な加圧装置20と、加圧装置20で被測定物Pに対し加圧・除圧するときの圧力を測定する圧力測定装置30と、加圧装置20で被測定物Pに対し加圧・除圧するときの被測定物Pの変位を測定する変位測定装置40と、加圧装置20の加圧・除圧を制御し、圧力測定装置30および変位測定装置40から測定データを入力する制御装置50等とを備えて構成される。
支持装置10は、筺体11と、被測定物Pを載置する載置台12と、被測定物Pを載置台12に固定する固定ネジ13等とを備えている。筺体11は、上部11aおよび底部11b、側部11c,11d、背部11eを備えた箱状に形成されている。載置台12は、後述する圧力測定装置30とともに筺体11の底部11bに固定されている。固定ネジ13は、ハンドル部13aと、ハンドル部13aに突設されたオネジ部13bとを備え、ハンドル部13aが上板11aの上方に位置するように、オネジ部13bが上板11aに貫通して穿設されているメネジ部11fに螺合されている。
加圧装置20は、4つの柱状のアクチュエータ21,22,25,26と、アクチュエータ21,22,25,26を挟持して固定する2枚の固定板23,24等とを備えている。なお、アクチュエータ25,26は、それぞれアクチュエータ21,22の背後に位置している(図3参照)。アクチュエータ21,22,25,26は、サイン波や三角波等の電力により伸縮可能な例えば積層圧電アクチュエータである。アクチュエータ21,22,25,26は、固定板23,24の四隅に平行に配置され、アクチュエータ21,22,25,26の上面および下面が、固定板23および固定板24にそれぞれ固定されている。
圧力測定装置30は、例えば水晶圧電式力センサであり、筺体11の底部11bの上面に固定配置されている。圧力測定装置30は、上部に図略のセンサ部が設けられており、このセンサ部に載置台12が載置される。
変位測定装置40は、センサ部41と、このセンサ部41を一端部で固定支持する支持アーム42と、この支持アーム42の他端部を昇降可能に支持する支持軸43と、この支持軸43が立設された台座44等とを備えている。センサ部41は、低周波数のサイン波や三角波の電力により伸縮するアクチュエータ21,22,25,26で加圧・除圧される被測定物Pの変位の測定が可能な例えば渦電流式変位センサである。支持アーム42は、支持軸43に沿って摺動可能で任意の高さ位置にて図略のネジ等により位置決め固定可能に構成されている。
制御装置50は、圧力測定装置30から測定データを入力し、加圧装置20の加圧・除圧を制御する圧力制御装置51と、圧力測定装置30および変位測定装置40から測定データを入力して被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性を求める演算装置52と、上述の圧力を制御するプログラム等が記憶されている記憶装置53等とを備えている。
次に、剛性測定装置1の測定動作について図2のフローチャートを参照して説明する。先ず、準備作業として、パッド摩擦材から被測定物Pとしてテストピースを切り出し、加圧装置20の固定板24の下方の載置台12上に載置する。そして、固定ネジ13のハンドル部13aを回転させてオネジ部13bの下端部を加圧装置20の固定板23の上面に当接し、被測定物Pを固定板24と載置台12とで挟み込んで固定する。そして、変位測定装置40のセンサ部41を加圧装置20のアクチュエータ21,22,25,26の間に差し込み、センサ部41の下端部が加圧装置20の固定板24の上面と所定距離(センシング可能な距離)だけ離間させた高さ位置となるように、支持アーム42を支持軸43に沿って摺動させて位置決め固定する。これにより、センサ部41と固定板24との距離の変化が、被測定物Pの変位として測定される。以上により、図3に示すように、被測定物Pの支持工程が完了する(ステップS1)。
制御装置50の圧力制御装置51は、加圧装置20を制御してパッド摩擦材Pを加圧する(ステップS2)。具体的には、圧力制御装置51は、記憶装置53から圧力制御プログラムを読み出し、例えば0.1Hzの周波数の振幅が大きくなる方向のサイン波の電力をアクチュエータ21,22,25,26に供給してアクチュエータ21,22,25,26を伸長させ、固定板24で被測定物Pを押圧して加圧する。
圧力制御装置51は、被測定物Pの加圧力が所定圧力に達したか否かを判断し(ステップS3)、被測定物Pの加圧力が所定圧力に達した場合には、加圧装置20を制御して被測定物Pを除圧する(ステップS4)。具体的には、圧力制御装置51は、例えば制動時の圧力である1MPaに達した場合には、0.1Hzの周波数の振幅が小さくなる方向のサイン波の電力をアクチュエータ21,22,25,26に供給してアクチュエータ21,22,25,26を収縮させ、固定板24での被測定物Pへの押圧を徐変させて除圧する。
演算装置52は、被測定物Pを加圧および除圧するときの圧力および被測定物Pの変位を圧力測定装置30および変位測定装置40から入力し、応力−変位曲線を求める(ステップS5)。そして、応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性を求めて記憶装置53に記憶する(ステップS6)。具体的には、演算装置52は、図4に示すように、被測定物Pを加圧および除圧するときの応力p−変位x曲線を求める。なお、上述の除圧を徐変させて行うことにより、図4に示すように、除圧時の応力p−変位x曲線は、加圧時の応力p−変位x曲線よりも緩やかな曲線となる。そして、応力p−変位x曲線における所定圧力peから除圧を開始した直後の被測定物Pの変位の変化量Δxが、予め求められているパッド摩擦材の鳴き振動の振幅、例えば0.1μm、1.0μm、10μm等に達したときの応力の変化量Δpにより傾き(Δx/Δp)を求め、その逆数(Δp/Δx)を鳴き周波数帯における剛性として求めて記憶装置53に記憶する。以上により、剛性測定装置1の測定動作が完了する。
本実施形態の剛性測定装置1および従来の動剛性測定装置で求めた4つの被測定物Pの動剛性の比較結果を図5に示す。図5から明らかなように、本実施形態の剛性測定装置1で求めた被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性と従来の動剛性測定装置で求めた被測定物Pの動剛性とは、略一対一で相関があり、本実施形態の剛性測定装置1で求めた被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性により、ディスクとパッド摩擦材との接触面のモデルの解析を行うことができる。
また、0.1Hzの周波数のサイン波の電力の代わりに、0.1Hzの周波数の三角波の電力をアクチュエータ21,22,25,26に供給して求めた4つの被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性および従来の動剛性測定装置で求めた4つの被測定物Pの動剛性の比較結果を図6に示す。図6から明らかなように、0.1Hzの周波数の三角波の電力を用いて求めた被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性も、従来の動剛性測定装置で求めた被測定物Pの動剛性と略一対一で相関があり、三角波の電力を用いて求めた被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性によっても、ディスクとパッド摩擦材との接触面のモデルの解析を行うことができる。
また、0.1Hzの周波数のサイン波の電力の他に、0.002Hzおよび10Hzの周波数のサイン波の電力をアクチュエータ21,22,25,26にそれぞれ供給したときの応力p−変位x曲線を図7に示し、そのときの被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性および従来の動剛性測定装置で求めた被測定物Pの動剛性の比較結果を図8に示す。なお、このときの本実施形態による剛性は、応力p−変位x曲線における所定圧力から除圧を開始した直後の被測定物Pの変位の変化量Δxが0.2μmとなったときの傾きから求めた値である。図7から明らかなように、0.002Hz、0.1Hzおよび10Hzの周波数のサイン波の電力をアクチュエータ21,22,25,26にそれぞれ供給したときの応力p−変位曲線xは、何れも略同一の傾向を示している。そして、図8から明らかなように、そのときの被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性は、従来の動剛性測定装置で求めた被測定物Pの動剛性と略同一であり、0.002Hz、0.1Hzおよび10Hzの周波数のサイン波の電力を用いて求めた被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性によっても、ディスクとパッド摩擦材との接触面のモデルの解析を行うことができる。
なお、0.002Hz、0.1Hzおよび10Hzの周波数の振幅が大きくなる方向のサイン波の電力をアクチュエータ21,22,25,26に供給したとき(加圧時)の応力pと変位xとから求めた静剛性(p/x)および従来の静剛性測定装置(例えば、インストロン製、5582型、材料試験機)で求めた被測定物Pの静剛性の比較結果を図9に示す。図9から明らかなように、被測定物Pの各静剛性は、従来の静剛性測定装置で求めた被測定物Pの静剛性と略同一となっている。よって、本実施形態の剛性測定装置1によれば、被測定物Pの鳴き周波数帯における剛性および静剛性を同時に求めることができる。
また、上述の実施形態では、加圧装置20は、簡易な装置構成となるサイン波や三角波等の電力を供給してアクチュエータ21,22,25,26を作動させ、加圧および除圧を行う構成としたが、除圧を徐変させることが可能であれば、加圧は除圧と同様に行う必要はなく、例えば急速に加圧を行う構成としてもよい。また、アクチュエータ21,22,25,26として、積層圧電アクチュエータを用いたが、油圧アクチュエータを用いてもよい。また、変位測定装置40として、渦電流式変位センサを用いたが、レーザ変位測定装置や静電容量式変位センサを用いてもよい。
また、本実施形態の剛性測定装置1の構成によれば、専用の動剛性測定装置を作成しなくても、既存の静的圧縮試験機を用いて鳴き周波数帯における剛性を測定することが可能となる。被測定物の鳴き周波数帯における剛性を簡易に測定することができる。従来のように被測定物を高い周波数で加振する必要はなく、装置の筺体の剛性を高める必要はないので、装置の小型化を図ることができる。また、従来のように被測定物を高い周波数で加振する場合、より大きな被測定物に対応するためには加振装置の出力も高める必要があり、被測定物の大型化には制限があった。本実施形態の剛性測定装置1の構成によれば、高い周波数で加振する必要はないため、より大きな被測定物にも容易に対応することができ、例えばフルサイズのパッド摩擦材にも応用可能である。
1:剛性測定装置、P:被測定物
10:支持装置、11:筺体、12:載置台、13:固定ネジ
20:加圧装置、21,22,25,26:アクチュエータ、23,24:固定板
30:圧力測定装置、40:変位測定装置、41:センサ部、42:支持アーム、43:支持軸、44:台座
50:制御装置、51:圧力制御装置、52:演算装置、53:記憶装置
10:支持装置、11:筺体、12:載置台、13:固定ネジ
20:加圧装置、21,22,25,26:アクチュエータ、23,24:固定板
30:圧力測定装置、40:変位測定装置、41:センサ部、42:支持アーム、43:支持軸、44:台座
50:制御装置、51:圧力制御装置、52:演算装置、53:記憶装置
Claims (4)
- 被測定物の鳴き周波数帯における剛性を測定する剛性測定方法であって、
前記被測定物を支持する工程と、
前記支持された被測定物に対し加圧を行う工程と、
前記加圧が所定圧力に達した後に除圧を徐変させて行う工程と、
前記被測定物に対し加圧・除圧されるときの圧力および前記被測定物の変位を測定する工程と、
前記除圧を徐変させて行う際に得られる応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を演算する工程と、を備えた剛性測定方法。 - 被測定物(P)の鳴き周波数帯における剛性を測定する剛性測定装置(1)であって、
前記被測定物を支持する支持装置(10)と、
前記支持装置に支持された前記被測定物に対し加圧・除圧可能な加圧装置(20)と、
前記加圧装置で前記被測定物に対し加圧・除圧するときの圧力を測定する圧力測定装置(30)と、
前記加圧装置で前記被測定物に対し加圧・除圧するときの前記被測定物の変位を測定する変位測定装置(40)と、
前記被測定物に対し所定圧力まで加圧を行い、その後に除圧を行う際の応力−変位曲線を求め、前記応力−変位曲線における除圧開始直後の傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求める演算装置(52)と、を備えた剛性測定装置。 - 前記加圧装置は、前記被測定物に対する除圧を徐変させて行い、前記変位測定装置は、前記徐変する除圧における前記被測定物の変位を測定する請求項2の剛性測定装置。
- 前記被測定物は、ディスクブレーキにおけるパッド摩擦材であり、前記演算装置は、前記被測定物の変位が前記パッド摩擦材の鳴き振動の振幅に達したときの前記傾きに基づいて前記被測定物の鳴き周波数帯における剛性を求める請求項2又は3の剛性測定装置。
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