(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ同形同大の２枚のリーフスプリング（１６，１７）を同一方向に互いに平行に配置して構成され、自由端である前記２枚のリーフスプリング（１６，１７）の各先端が固定ブロック（１８）により固着され、前記２枚のリーフスプリング（１６，１７）の各基端が固定端となり、前記２枚のリーフスプリング（１６，１７）のいずれか一方又は双方に荷重検出用の歪みゲージ（１９）が貼付され、前記自由端のリーフ面の法線方向に荷重（Ｆ）が作用したときに前記歪みゲージ（１９）の検出する歪みにより前記荷重（Ｆ）を検出する荷重センサの検出値予測方法であって、
前記歪みゲージ（１９）の貼付位置での応力と歪みを前記２枚のリーフスプリング（１６，１７）の中立位置に相当するリーフスプリング（１５）の長さを２倍にした両端固定はりと見なして予測することを特徴とする荷重センサの検出値予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平行な２枚のリーフスプリングを用いた荷重センサの検出値を予測する方法に関する。更に詳しくは摩擦試験機の摩擦力測定用に適する荷重センサの検出値予測方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に摺動を伴う機器の摩擦力を測定し、その平均値や変動量等を解析することにより、機器の稼働中に、その摺動面の損傷の程度や潤滑状態、摩耗機構などを推定することができる。このための摩擦試験機として例えばピンオンプレート型の摩擦試験機が知られている。この試験機では摩擦力を測定するためのセンサとして歪みゲージを用いた荷重センサが用いられている。
この荷重センサとして、リーフ面に荷重検出用の歪みゲージが貼付された１枚のリーフスプリングの先端である自由端に摩擦用の試料をリーフ面に同一方向に取付け、このリーフスプリングの基端を固定端とし、被試験体上の上記試料をリーフ面の法線方向に摺動させたときの荷重を摩擦力として上記歪みゲージで検出するものが知られている（例えば、特公平２−１５８１２）。
この１枚のリーフスプリングからなる荷重センサでは、リーフスプリングの中心軸と摩擦力の作用点のずれから生じる捩りモーメントによって荷重センサの感度が低下する欠点がある。このため、近年、２枚のリーフスプリングからなる荷重センサが用いられてきている（例えば、特開平１−３３７２５）。この荷重センサは、それぞれ同形同大の２枚のリーフスプリングを同一方向に互いに平行に配置して構成され、自由端である両リーフスプリングの各先端が固定ブロックにより固着され、両リーフスプリングの各基端が固定端となり、両リーフスプリングのいずれかに荷重検出用の歪みゲージが取付けられ、自由端のリーフ面の法線方向に荷重が作用したときに歪みゲージの検出する歪みにより荷重を検出するようになっている。
従来、上記荷重センサの歪みゲージを貼付した部分の応力評価には有限要素法が用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この有限要素法で荷重センサの検出値を解析するためには、高度で高価ななハードウエアと複雑なソフトウエアの双方を必要とし、しかもその解析には長時間を要していた。
本発明の目的は、平行な２枚のリーフスプリングを用いた荷重センサの検出値を簡単に予測する方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１（ａ）に示すようにそれぞれ同形同大の２枚のリーフスプリング１６，１７を同一方向に互いに平行に配置して構成され、自由端であるこれらのリーフスプリング１６，１７の各先端が固定ブロック１８により固着され、これらのリーフスプリング１６，１７の各基端が固定端となり、これらのリーフスプリング１６，１７のいずれか一方又は双方に荷重検出用の歪みゲージ１９が取付けられ、自由端のリーフ面の法線方向に荷重Ｆが作用したときに歪みゲージ１９の検出する歪みにより荷重Ｆを検出する荷重センサの検出値予測方法であって、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように歪みゲージ１９の貼付位置での応力と歪みをこれらのリーフスプリング１６，１７の中立位置に相当するリーフスプリング１５の長さを２倍にした両端固定はりと見なして予測することを特徴とする。
図１（ａ）に示す２枚のリーフスプリング１６，１７の先端である自由端に荷重Ｆが作用した場合、リーフスプリング１６，１７は図１（ｂ）に示す形状に変形する。このとき図１（ｂ）に示すａ点とｂ点における接線は弾性変形の範囲内で互いに平行である関係が保たれる。このときリーフスプリング１６とリーフスプリング１７は固定端及び固定ブロック１８により、これらの両端は剛体的に保持されている。変形時のリーフスプリング１６及びリーフスプリング１７のａ点及びｂ点の境界条件は、２枚のリーフスプリング１６及び１７の中立位置に相当するリーフスプリング１５を荷重Ｆの作用点ｃに関して対称移動させた図１（ｃ）に示す両端固定はりで近似したモデルの境界条件と等しくなる。即ち、図１（ａ）に示す位置に歪みゲージ１９をリーフスプリング１６（若しくは１７又は１６と１７）に貼り付ける場合、歪みゲージ１９の貼付位置での応力と歪みは図１（ｃ）の解析像で予測することができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２及び図３に示すように、ピンオンプレート型摩擦試験機は、矢印Ａ方向又はＢ方向に先端が球面をなすピン型の試料１２が所定の荷重ｆを受けて被試験体１１上を摺動するときのその摩擦力を測定するものである。そのために摩擦試験機には試料１２の摺動時の摩擦力を検出するための第１荷重センサ１３と試料１２の被試験体１１に与える荷重を検出する第２荷重センサ１４が用いられる。
試料１２には第１荷重センサ１３及び第２荷重センサ１４がこの順序で設けられる。第１荷重センサ１３はそれぞれ同形同大の２枚のリーフスプリング１６，１７を同一方向に互いに平行に配置して構成される。試料１２は試料ホルダである固定ブロック１８を介してこれらのリーフスプリング１６，１７の自由端である各先端に固着される。リーフスプリング１７には荷重検出用の歪みゲージ１９が取付けられる。これらのリーフスプリング１６，１７の各基端には第２荷重センサ１４の１枚のリーフスプリング２１の先端が連結される。
【０００６】
このリーフスプリング２１はリーフスプリング１６，１７と同一方向ではあるが、リーフ面が互いに直交するように延びて設けられる。このリーフスプリング２１には試料１２の被試験体１１に与える荷重ｆを検出する歪みゲージ２２が取付けられ、このリーフスプリング２１の基端にはネジ２３により負荷レバー２４の先端が連結される。この実施の形態では、負荷レバー２４を介して試料１２に所定の荷重ｆが加えられる。この負荷レバー２４は図示しないステッピングモータにより所定の速度で往復移動し、試料１２を図１のＡ方向又はＢ方向に摺動させるようになっている。
一方、被試験体１１は被試験体ホルダ２６で保持され、ホルダ２６は図示しないステージに固定される。また歪みゲージ１９及び２２には図示しない電気的配線がなされ、これらの検出出力に基づいて試料１２の被試験体１１に対する摩擦係数及び押し当て荷重が算出されるようになっている。
【０００７】
従来、２枚のリーフスプリング１６，１７を用いた摩擦力を測定するための荷重センサ１３の応力評価には有限要素法を用いた解析例が導入されていたが、本発明では、摩擦力による横方向荷重を解析することにより、その歪み量を予測した。次にそれぞれの解析について述べる。
（ａ）  摩擦力による横方向荷重の解析
第一に、摩擦力測定用のリーフスプリングとして重要な横方向からの摩擦力に対する応力及び歪みについて解析する。
先ず２枚のリーフスプリング１６，１７の先端にリーフ平面の法線方向の荷重（摩擦力）Ｆが作用した場合のリーフスプリング１５の付け根からｘ位置での曲げモーメントＭｈを計算する。この場合の変形は図１（ｂ）に示すようになる。力の作用点でのリーフ平面の接線方向とリーフスプリングの付け根の接線方向とは平行が保たれる。ここで、力の作用点をｃとし、ｃ点に対してリーフスプリング１６，１７を反転させ、双方のリーフスプリングの中間の中立位置に相当するリーフスプリング１５の両端固定はりの中央に集中荷重Ｆが作用したものとしたのが図１（ｃ）に示すモデルである。モデルの対称性から、支持反力ＲａとＲａ´及び支持モーメントＭａとＭａ´の関係は次の式（１）及び（２）となる。
【０００８】
Ｒａ  ＝  Ｒａ´＝  −Ｆ／２                                    ……    （１）
−Ｍａ  ＝  Ｍａ´                                                      ……    （２）
従って、区間ａｃの間で検討すれば良いから、区間ａｃの間の点ｘでの曲げモーメントＭｈは図中時計方向を正として次の式（３）となる。
Ｍｈ  ＝  −Ｍａ＋Ｒａｘ  ＝  −Ｍａ＋（Ｆ／２）ｘ          ……    （３）
この式をたわみの基礎式に代入すると次の式（４）となる。
0003628186.tif 000002
但し、Ｉは断面二次モーメントである。
たわみ角をｉとして積分すると、次の式（５）となる。
0003628186.tif 000003
但し、Ｃ１は積分定数である。
【０００９】
境界条件であるｘ＝０及びｘ＝Ｌｈのときがｉ＝０であることより、Ｍａが次の式（６）から式（７）のように求められる。
Ｃ  ＝  ０                                                  ……    （６）
Ｍａ  ＝  ＦＬｈ／４                                                  ……    （７）
従って、摩擦力Ｆが作用した場合のリーフスプリング１５の付け根からｘ位置での曲げモーメントＭｈは次の式（８）で表され、
Ｍｈ  ＝  （Ｆ／２）｛ｘ−（Ｌｈ／２）｝                ……    （８）
この曲げモーメントによるリーフスプリングＩの外側の曲げ応力σｈＭ及び歪みεｈＭは次式（９）及び（１０）で表され、荷重Ｆに対して線形になる。
σｈＭ  ＝Ｍｈ／Ｚｈ＝１．５Ｆ（２ｘ−Ｌｈ）／（ｂｈｈｈ２）          ……（９）
εｈＭ  ＝σｈＭ／ＥＳＵＳ＝１．５Ｆ（２ｘ−Ｌｈ）／（ｂｈｈｈ２ＥＳＵＳ）……（１０）
但し、Ｍｈは水平方向の曲げモーメント、
Ｚｈはリーフスプリング１枚についての断面係数、
Ｌｈは横方向リーフスプリングの根元から力の作用点までの距離、
ｂｈは横方向リーフスプリングの幅、及び
ｈｈは横方向リーフスプリングの厚さである。
この荷重センサの詳細を表１に、また荷重に対するゲージ貼付部の応力及び歪みの設計値を図４にそれぞれ示す。
【００１０】
【表１】
0003628186.tif 000004
【００１１】
（ｂ）  摩擦試験機の性能評価
以上のような解析を行って決定した荷重センサの性能についての評価を行った。荷重センサの較正には島津製作所製のＤＥ−５００型電子天秤を使用した。
横方向荷重に対するペンレコーダ出力の較正図を図５に示す。荷重センサの実測感度は０．３５５（Ｎ／Ｖ）となった。この荷重センサの理論値の平均誤差は＋２１．８％であった。この誤差の大きかった理由はその解析モデルの理想化された荷重作用と摺動ピン取付け部分の実際形状とのずれのために生じたものと考えられる。しかし、実際の較正図に示されたように１２５ｍＮ以下の荷重における回帰線に対するデータの標準偏差が０．２５ｍＮ／ｍＶであることから、荷重と出力との関係に非常に良い直線性があり、この解析モデルは図４に示される荷重と歪みの直線性において妥当なものと判った。
【００１２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、従来の煩雑な有限要素法を用いることなく、簡単にかつ短時間で平行な２枚のリーフスプリングを用いた荷重センサの検出値を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）  本発明の荷重センサの斜視図。
（ｂ）  荷重Ｆが作用して変形したときの荷重センサの平面図。
（ｃ）  ２枚のリーフスプリングの中立位置に相当するリーフスプリングの長さを２倍にした両端固定はりの平面図。
【図２】本発明の荷重センサを用いたピンオンプレート型摩擦試験機の要部平面図。
【図３】その側面図。
【図４】本発明の荷重センサの歪みゲージ貼付位置の応力と歪みの設計値を示す特性図。
【図５】本発明の荷重センサの較正図。
【符号の説明】
１１  被試験体
１２  試料
１３  荷重センサ
１６，１７  リーフスプリング
１８  固定ブロック
１９  歪みゲージ
【図１】
0003628186.tif 000005
【図２】
0003628186.tif 000006
【図３】
0003628186.tif 000007
【図４】
0003628186.tif 000008
【図５】
0003628186.tif 000009