JP5949175B2 - 剛性測定方法および装置 - Google Patents

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。

本実施形態の剛性測定装置の概略構成を示す図である。 本実施形態の剛性測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本実施形態の剛性測定装置の測定準備が完了した状態を示す図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態の剛性測定装置で測定した応力−変位曲線を示す図である。 本実施形態の剛性測定装置の加圧装置でサイン波を用いて測定した鳴き周波数帯における剛性と従来の動剛性測定装置で測定した動剛性との関係を示す図である。 本実施形態の剛性測定装置の加圧装置で三角波を用いて測定した鳴き周波数帯における剛性と従来の動剛性測定装置で測定した動剛性との関係を示す図である。 本実施形態の剛性測定装置の加圧装置で周波数を変化させて測定した応力−変位曲線を示す図である。 従来の動剛性測定装置で測定した動剛性に対する、本実施形態の剛性測定装置の加圧装置で周波数を変化させて測定した鳴き周波数帯における剛性の比を示す図である。 従来の動剛性測定装置で測定した動剛性に対する、本実施形態の剛性測定装置の加圧装置で周波数を変化させて測定した静剛性の比を示す図である。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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