(57)【要約】【課題】摺動面の内部の応力を評価することができる応力測定装置を提供する。【解決手段】試験片１０の摺動面１３に相手試験片２０を接触させて往復摺動させ、試験片１０の内部応力を解析する応力測定装置であって、試験片１０に、摺動面１３側から試験片の深さ方向に向けて銅薄膜１２を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片の摺動面に相手試験片を接触させて往復摺動させ、前記試験片の内部応力を解析する応力測定装置において、
前記試験片に、前記摺動面側から前記試験片の深さ方向に向けて金属薄膜を設けたことを特徴とする応力測定装置。
【請求項２】
前記金属薄膜は銅薄膜であることを特徴とする請求項１に記載の応力測定装置。
【請求項３】
前記金属薄膜は非晶質であることを特徴とする請求項１または２に記載の応力測定装置。
【請求項４】
前記金属薄膜は前記摺動面に露出し、前記相手試験片は、前記金属薄膜の位置に凹部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の応力測定装置。
【請求項５】
前記金属薄膜は前記摺動面から内側に没していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の応力測定装置。
【請求項６】
前記試験片は、前記摺動面に開口する凹部を備え、前記凹部の側面の一方または両方に前記金属薄膜を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の応力測定装置。
【請求項７】
試験片の摺動面に相手試験片を接触させて往復摺動させ、前記試験片の内部応力を解析する応力測定手法において、
前記試験片に、前記摺動面側から前記試験片の深さ方向に向けて金属薄膜を設け、前記金属薄膜を解析することを特徴とする応力測定手法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相手部材と摺動する部材の摺動面の内部の応力を評価する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、金属ベルト式ＣＶＴ変速機構においては、ベルトエレメントに対するプーリの接触部の摩耗防止が重要な課題である。非特許文献１によれば、プーリに対するベルトエレメントの摺動により、プーリの表層部には表面から数μｍの深さまで微細化組織層が生じており、基地のマルテンサイト組織と微細化組織の境界付近に表面起点のクラックが観察されている。また、表面から１５μｍ程度の深さに内部起点のクラックが発生していることが観察されている。そして、摩耗は、発生したクラックが進展し、表面がはく離して発生することが推察される。したがって、クラックの原因となるプーリの摺動面の内部歪ないし内部応力を把握することは、プーリの摩耗抑制手段を講ずる上で重要である。
【０００３】
金属内部の歪の測定方法としては、中性子応力測定法や音弾性法が知られているが、これらは一般工業的には使用が困難である。摩耗に影響する内部歪は、摺動面から数１００μｍ程度の深さまでに存在するものであり、そのような歪は歪ゲージのような直接測定する手段で測定することは不可能であるため、有限要素法等の計算法によって算出する他なかった。
【０００４】
非特許文献２には、電着銅薄膜を用いて金属部材の応力を測定する方法が紹介されている。この測定方法では、金属部材に電着銅の薄膜をメッキして薄膜の平面方向へ向けて金属部材に繰返し荷重を与える。これにより、薄膜にも繰返し荷重が作用し、薄膜に結晶が発生し成長する。そして、最大せん断応力が結晶の成長を支配するので、結晶の発生密度から最大せん断応力が計測され、結晶の方位から主応力の計測ができると報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】本田テクニカルレビュー  Ｖｏｌ２６−Ｎｏ．１
【非特許文献２】銅薄膜を利用した応力測定法の新提案（はりま産学交流会  ２０１２  鳥取大学大学院  工学研究科  機械宇宙工学専攻  小野  勇一）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献２に記載の技術にあっては、金属部材の表面のせん断応力やせん断歪は求めることはできるが、金属部材内部の応力を求めることができず、摺動面の内部の応力の評価を行うことはできなかった。したがって、本発明は、摺動面の内部の応力を評価することができる応力測定装置および応力測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、試験片の摺動面に相手試験片を接触させて往復摺動させ、試験片の内部応力を解析する応力測定装置において、試験片に、摺動面側から試験片の深さ方向に向けて金属薄膜を設けたことを特徴とする。
【０００８】
試験片の摺動面に相手試験片を接触させて往復摺動させると、試験片が繰り返し負荷を受け、金属薄膜に粒子が発生する。この粒子の成長は、試験片に生じる最大せん断応力に支配されるため、金属薄膜に生成された結晶の密度は最大せん断を示す指標となる。本発明においては、金属薄膜が摺動面側から内側に向けて延在するから、結晶の密度と方位を計測することによって、試験片の内部の最大せん断応力と主応力を計測することができる。
【０００９】
ここで、金属薄膜としては銅、ニッケル、クロム、金、白金など種々の金属を用いることができるが、銅が好適である。金属薄膜は、電解メッキや無電解メッキ、あるいはスパッタリングなど凝固を経ない薄膜形成法で形成することによって非晶質とすることができる。金属薄膜の厚さは、１０〜３０μｍであることが望ましい。また、金属薄膜は非晶質であることが望ましい。これにより、結晶の発生と成長が捉え易くなり、応力解析の精度が向上する。
【００１０】
金属薄膜は、摺動面に対して直交してもよく、傾斜していてもよい。金属薄膜に相手試験片が接触すると計測結果に影響を受けるので、金属薄膜は摺動面から内側に没しているか、摺動面に露出している場合には、相手試験片の金属薄膜の位置に凹部を設けることが望ましい。
【００１１】
試験片は、摺動面に開口する凹部を備え、凹部の側面の一方または両方に金属薄膜を設けることができる。凹部の側面の一方のみに金属薄膜を設けることにより、金属薄膜の前に空間ができ、試験片からの金属薄膜への影響を軽減することができ、計測精度を高めることができる。また、凹部の側面の両方に金属薄膜を設けると、そのような効果に加えて計測のばらつきを把握することができるという効果が得られる。
【００１２】
本発明は、上記の特徴を備えた応力測定用試験片である。また、本発明は、上記の応力測定装置を用いた応力評価方法であって、往復摺動を行った試験片の金属薄膜の表面をＥＢＳＤ（Electron Backscatter Diffraction）で解析し、金属薄膜の結晶の発生密度から最大せん断応力を求め、結晶の方位から主応力を求めることを特徴とする応力評価方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、摺動面の内部の応力を評価することができる応力測定装置および応力測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態における応力測定用試験片を示す側断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の応力測定用試験片の変形例を示す側断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態における応力測定用試験片を示す側断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態における応力測定用試験片を示す側断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態における応力測定用試験片の変形例を示す側断面図である。
【図６】往復摺動試験の方法を説明する斜視図である。
【図７】本発明を金属ベルト式ＣＶＴ変速機構のプーリに適用した例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．第１実施形態
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１において符号１０は試験片である。試験片１０は、金属ベルト式ＣＶＴ変速機構のプーリを模したもので、一方の側面または両側面に銅薄膜（金属薄膜）１２を電着メッキした金属ブロックを、銅薄膜１２どうしを対向させて組み合わせ、溶接などの適宜な方法で金属ブロックどうしを接合して構成されている。この試験片１０の摺動面１３には、相手試験片２０が押圧されている。
【００１６】
相手試験片２０は、金属ベルト式ＣＶＴ変速機構のベルトエレメントであり、その側面には潤滑油の流路となる複数の溝２１が形成されている。溝２１は銅薄膜１２に対向し、そのため銅薄膜１２は相手試験片２０と接触していない。
【００１７】
上記構成の応力測定装置では、試験片１０の摺動面１３に潤滑油を供給し、相手試験片２０に試験片１０に向かう垂直荷重を与え、その状態で試験片１０を図１において紙面と直交する方向へ往復移動させる。そして、所定の繰返し数に達したら、試験片１０を分解し、銅薄膜１２の表面をＥＢＳＤにより解析する。ＥＢＳＤ解析により、金属薄膜の結晶の発生密度（成長粒子発生面積／測定領域面積）と結晶方位を求め、非特許文献２に記載された数式を用いて最大せん断応力と主応力を求める。
【００１８】
上記構成の応力測定装置においては、摺動面１３の内部の所望の部分における最大せん断応力と主応力を計測することができる。特に、上記実施形態においては、銅薄膜１２が相手試験片２０と接触していないので、相手試験片２０からの影響がなく正確な計測が可能である。
【００１９】
図２は上記第１実施形態の変形例を示す図である。この変形例では、銅薄膜１２の間隔は一定ではなく、また、銅薄膜１２の端部は試験片１０の内部に没している。このような変形例においても銅薄膜１２が相手試験片２０と接触していないので、相手試験片２０からの影響がなく正確な計測が可能である。
【００２０】
２．第２実施形態  
図３は本発明の第２実施形態を示す図である。図３（Ａ）に示すように、試験片３０は、第１試験片３０ａと第２試験片３０ｂとが互いに結合されたものである。第１試験片３０ａの側面には、その上下方向の全長（全面またはその一部）に亘って銅薄膜（金属薄膜）３２が電着メッキによって形成されている。また、第２試験片３０ｂの角部には、傾斜面３４が形成され、銅薄膜３２の前方に空間を形成している。このような試験片３０は、第１試験片３０ａに銅薄膜３２を形成した後に、第１、第２試験片３０ａ，３０ｂどうしを溶接等で接合して得ることができる。なお、第１、第２試験片３０ａ，３０ｂどうしをボルト等で締結してもよい。このような試験片３０においては、銅薄膜３２の前方に空間を形成しているので、試験片３０からの銅薄膜３２への影響が軽減され、正確な計測を行うことができる。
【００２１】
図３（Ｂ）は図３（Ａ）の変形例であって、試験片３０ｃの角部に矩形の切欠３５を設けたもので、図３（Ａ）に示す試験片３０と同様の効果を得ることができる。なお、切欠３５の形状は任意であり、例えば弧状に形成することもできる。
【００２２】
図３（Ｃ）に示す実施形態は、第１試験片３０ｄと第２試験片３０ｅの角部に傾斜面３４を形成し、それぞれの傾斜面３４に銅薄膜３２を形成したものである。このような試験片３０においては、上記図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す試験片３０の効果に加えて、２つの銅薄膜３２を有するから計測のばらつきを把握することができるという効果が得られる。
【００２３】
図３（Ｄ）に示す実施形態は、第１試験片３０ｆと第２試験片３０ｇの角部に、矩形の切欠３５を設け、それぞれの切欠３５の側面に銅薄膜３２を設けたもので、図３（Ｃ）に示す試験片３０と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
図４（Ａ）は図３（Ｄ）に示す試験片３０に相手試験片４０を接触させた状態を示すものである。相手試験片４０には、溝４１が形成されており、溝４１の幅は銅薄膜３２どうしの間隔よりも広く設定されている。これにより、銅薄膜３２と相手試験片４０との接触が回避され、相手試験片４０からの銅薄膜３２への影響がなく、しかも、銅薄膜３２の前方に空間を形成しているので、試験片３０からの銅薄膜３２への影響が軽減され、計測の精度が高められる。図４（Ｂ）に示すように、溝４１と銅薄膜３２の距離を変えることで接触部の位置と内部応力の関係を求めることができる。
【００２５】
図４（Ｂ）は、切欠３５の側面の全長（全面またはその一部）に亘って銅薄膜３２を設けたものであるが、応力を計測することができる摺動面からの深さには限界があるため、図５（Ａ）に示すように、計測できる範囲まで銅薄膜３２を設けてもよい。あるいは、図５（Ａ）に示す試験片３０とは逆に、図５（Ｂ）に示すように、摺動面から離れた部分にのみ銅薄膜３２を設けることができる。また、応力の計測可能な範囲が不明の場合には、図５（Ｃ）に示すように、銅薄膜３２を深さ方向に分割して設けることにより、計測可能な範囲を見付けることができる。
【００２６】
図６は往復摺動試験の手順を示す図である。先ず、片面に電解メッキにより銅薄膜を形成した金属ブロックを、銅薄膜どうしを合わせて組み合わせて試験片５０とする。次いで、この試験片５０を枠６０に挿入する。この場合において、枠６０と試験片５０に隙間が生じた場合は、シムを使って隙間がゼロになるように調整するか、枠６０に外力を加えて変形させ、隙間がゼロになるように調整してもよい。
【００２７】
次いで、枠６０を往復摺動試験装置に装着する。この場合において、摺動ストロークの全域で相手試験片に設けた溝が試験片５０の銅薄膜と一致するように摺動方向を調整する。次いで、相手試験片に荷重を負荷して往復摺動試験を開始する。そして、規定の繰返し数を完了したら、往復摺動試験を終了する。
【００２８】
次いで、試験片５０を枠６０から取り出し、銅薄膜の表面をＥＢＳＤで解析する。銅薄膜に繰返し負荷が作用すると銅薄膜に結晶が発生し成長する。銅薄膜に作用する最大せん断応力が結晶の成長を支配するため、結晶の発生密度から最大せん断応力を計測し、結晶の方位から主応力を計測する。
【００２９】
図６は本発明の試験片を金属ベルト式ＣＶＴ変速機構のプーリ７０に適用した例を示す図である。プーリ７０は、プーリ本体７１の外周にリング状の外周部材７３を嵌合し、ボルト７４で固定して構成されている。プーリ本体７１の外周には、電解メッキによって銅薄膜７２が形成されている。この銅薄膜７２は、プーリ７０の応力を評価したい場所に設けられている。銅薄膜７２は、プーリ本体７１の全周または周方向の一部に設けられている。そして、ベルトエレメント（相手試験片）８０をプーリ７０に押圧した状態で適宜な方法で固定し、プーリを往復回転させることで往復摺動試験を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、金属ベルト式ＣＶＴ変速機構のプーリなどの相手部品と摺動する部品の応力の計測に利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…試験片、１２…銅薄膜（金属薄膜）、１３…摺動面、２０…相手試験片、
２１…溝、３０…試験片、３２…銅薄膜（金属薄膜）、３５…切欠、４０…相手試験片、４１…溝、５０…試験片、６０…枠、７０…プーリ、
８０…ベルトエレメント（相手試験片）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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