(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の試料に所定の回転運動を付与する駆動手段と、前記第１の試料に、前記回転運動の回転軸に直交する方向から、第２の試料を所定の押圧力で圧接させる圧接手段と、前記第１の試料に第２の試料を圧接させた状態で第１の試料を回転運動させて第１の試料と第２の試料との間の摩擦力或いは第１または第２の試料の摩擦量を測定する測定手段とを備え、前記圧接手段は、前記第１の試料の、前記回転軸に直交する方向の両側に配置され、それぞれ押圧手段を備え、両側の押圧手段は同一の駆動源に接続され同一の圧力を加えることを特徴とする摩擦磨耗試験機。
【請求項２】
請求項１記載の摩擦磨耗試験機において、  前記測定手段は、前記駆動手段に備えられたトルク計測手段と、前記圧接手段に備えられた圧力検出手段とを備え、前記トルク計測手段が計測したトルクと前記圧力検出手段が検出した押圧力から摩擦力および摩擦係数を算出することを特徴とする摩擦磨耗試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属やセラミック等の表面の摩擦力や摩耗量を評価するための摩擦摩耗試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平板状の部材（第１の試料）に同一または他の部材（第２の試料）を圧接させた状態で平板状の部材を摺動させて、これら部材間の摩擦力や摩耗量の変化を評価する摩擦摩耗試験機が各種知られている。
【０００３】
例えば図５（ａ）に示すように、平板状の部材１１の上側からチップ状の部材１２を圧接させた状態で平板状の部材１１を回転させて、平板状の部材の回転軸に発生するトルクを検出することにより摩擦力を検出する摩擦試験機や、同図（ｂ）に示すように平板状の部材１１の上側からチップ状の部材１２を圧接させた状態で平板状の部材１１を水平往復動させて、チップ状の部材１２に働く横方向の力を、チップ状の部材１２に接触させた引張り圧縮型のセンサ（図示せず）で検出することにより摩擦力を検出する摩擦試験機などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の摩擦試験機は、チップ状の部材１２を平板状の部材１１の片側（図示するものでは上側）から押しつけるようにしているため、図５（ａ）に示すものでは受け側である回転軸に押し付けによるトルクロスが発生するという問題や、押し付け力の方向が回転軸の中心とずれると平板状の部材１１の安定した回転を確保することができず、結果として安定した摩擦力の測定ができないという問題があった。また図５（ｂ）に示すものでは、平板状の部材１１が摩耗したり押し付け力によって歪んだりすると、部材１１に偏荷重がかかりトルクロスが発生し正確な測定ができないという問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、トルクロスがなく安定した測定が可能な摩擦摩耗試験機を提供することを目的とする。また本発明は、荷重や摩耗による接触位置の変化があった場合でも対応でき正確な計測が可能な摩擦摩耗試験機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、平板状の部材に対しその両側から等しい荷重をかけた状態で摩擦試験を行なうことにより、安定且つ正確な測定を可能にした。即ち、本発明の摩擦摩耗試験機は、第１の試料に所定の運動を付与する駆動手段と、前記第１の試料に第２の試料を所定の押圧力で圧接させる圧接手段とを備え、前記第１の試料に第２の試料を圧接させた状態で第１の試料を運動させて第１の試料と第２の試料との間の摩擦力或いは第１または第２の試料の摩耗量を測定する摩擦摩耗試験機において、第１の試料の、第２の試料が圧接される側と反対の側から第２の試料の押圧力と同じ押圧力を加える押圧手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の摩擦摩耗試験機は、好適には第２の試料に、第１の試料と第２の試料との間の摩擦力を測定する手段を備えている。これにより第１の試料と押圧手段との間に生じる摩擦力による影響を排除することができる。
【０００８】
本発明の摩擦摩耗試験機は、好適には第２の試料と圧接手段との間に第２の試料と圧接手段との間の摩擦を最小にする摩擦低減手段を備えている。
【０００９】
本発明の摩擦摩耗試験機の一態様として、駆動手段は、第１の試料を、第２の試料と押圧手段との間で往復動するよう駆動する。
【００１０】
本発明の摩擦摩耗試験機の別の態様として、駆動手段は、第１の試料を、第２の試料と押圧手段との間で回転するよう駆動する。この場合、第１の試料の回転は、第２の試料の押圧力の方向と平行な軸を回転軸とする回転でも、第２の試料の押圧力の方向に垂直な軸を回転軸とする回転でもよい。
【００１１】
このような本発明の摩擦摩耗試験機によれば、第１の試料に対し上下或いは左右から均等な押し付け力が働くので、第１の試料に歪みや摩耗が生じても偏荷重がかかることなく、偏荷重に起因するトルクロスをなくすことができる。また第１の試料を回転する場合に、回転が不安定になったりすることことなく安定した測定が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る摩擦摩耗試験機の一実施例を示す図で、この摩擦摩耗試験機は、主として第１の試料である試料ディスク１１を駆動する機構と、試料ディスク１１に対し第２の試料である試料チップ１２を上から押し付ける機構と、試料ディスク１１の下側から試料ディスク１１を押圧する機構と、試料チップ１２に取り付けられ、試料ディスク１１と試料チップ１２との間の摩擦力を検出する機構と、摩擦力や摩耗量を計算する制御・計測部とからなり、試料ディスク１１及び試料チップ１２は、筐体１０内に納められている。筐体１０には必要に応じてオイル、ガス等が充填される。また筐体１０は、図示しない加熱手段により或いは供給するオイルやガスの温度を制御することにより常温のみならず高温下での計測が可能になっている。
【００１４】
試料ディスク１１を駆動する機構は、モーターの回転を水平往復運動に変えるカム機構部（図示せず）と、カム機構部に連結された連結シャフト２１と、デイスクホルダー２２とからなり、連結シャフト２１は筐体１０の側壁に摺動自在に支持されている。試料ディスク１１はディスクホルダー２２にネジ等によって固定され、連結シャフト２１と一体的に矢印Ａ方向に往復動する。
【００１５】
試料チップ１２を押圧する機構は、試料チップ１２を固定したチップホルダ３１と、チップホルダ３１とクロスローラ３２で連結された保持具３３と、保持具３３に垂直方向の押圧力を付与する第１のシリンダ３４と、保持具３３と第１のシリンダ３４との間に介在し、保持具３３の昇降を案内する昇降ガイド３５とからなる。
【００１６】
クロスローラ３２とは、精密ローラを交互に直交させて組込んだケージと、Ｖ溝を設けたレールとを、ローラとＶ溝とが対向するように組合せたもので、レールの長手方向に低摩擦運動を可能にする。ここではチップホルダ３１と保持具３３とをクロスローラ３３で連結することにより、試料チップ押圧時に保持具３３とチップホルダ３１間に働く摩擦力を最小にし、チップホルダ３１とそれに固定された試料チップ１２が水平方向に自由に動くことを可能にしている。
【００１７】
昇降ガイド３５は下端に保持具３３が固定されるとともに上端で第１のシリンダ３４の押圧力を受ける。また昇降ガイド３５のガイド部３５aは、筐体１０の上部に固定された固定部材３６に摺動自在に支持され垂直方向にのみ移動可能になっている。これにより下端に固定された保持具３３に確実に垂直方向の押圧力が付与されるようにする。
【００１８】
第１のシリンダ３４は、図１（ｂ）に示すように筐体１０に対し開閉可能な上扉１０ａに固定され、測定時には上扉１０ａを固定金具によって筐体１０に固定するとにより図示する昇降ガイド３５上方の位置にあるが、試料のセットや保守のときには上扉１０ａを開くことによって邪魔にならない位置に退避できる。
【００１９】
試料ディスク１１を下側から押圧する機構は、筐体１０の底部に設置された第２のシリンダ４１と、第２のシリンダ４１の押圧力を受ける昇降ガイド４２と、昇降ガイド４２の上端に固定された押圧部材４３とからなり、第２のシリンダ４１と昇降ガイド４２との間には押圧力を測定するための圧力センサ、例えばロードセル４４が設置されている。
【００２０】
押圧部材４３は、試料ディスク１１を駆動する機構にかかる負荷を最小にするために、ディスクホルダ２２との接触面が、摩擦抵抗が少なく摩耗しにく材料から構成される。このような材料として例えば含有軸受合金（オイルレスメタル）を用いることができる。また接触面にベアリングを設けてもよい。
【００２１】
昇降ガイド４２は、上側の昇降ガイド３５と同様に、筐体１０の底部に固定された固定部材４５に摺動自在に支持され垂直方向にのみ移動可能になっている。これにより上端に固定された押圧部材４３に確実に垂直方向の押圧力が付与されるようにする。
【００２２】
第１のシリンダ３４および第２のシリンダ４１は図示しない同一の駆動源に接続され、同一の押圧力を発生できるようになっている。駆動源としては油圧シリンダ、エアシリンダ等公知のものが使用できる。第１のシリンダ３４および第２のシリンダ４１を介して試料ディスク１１の上下からかかる荷重は、圧力センサ４４で検出され、図示ない制御部に送られ、ここで摩擦力の計算に使用される。
【００２３】
またチップホルダ３１には図２（a）に示すように、試料ディスク１１と試料チップ１２との間の摩擦力を検出する機構として、トルク伝達レバー５１を介してトルク検出用ロードセル５２が連結されている。このトルク検出用ロードセル５２は、筐体１０の側壁の外側に固定されており、チップホルダ３１に働く圧縮、引っ張り力（トルク）を検出する。ロードセル５２で検出されたトルクは制御部に送られ、摩擦力の計算に使用される。
【００２４】
上述したようにチップホルダ３１と保持具３３はクロスローラ３２で連結されており、チップホルダ３１は水平方向の移動が自由になっているので、試料ディスク１１の水平方向の移動によって試料ディスク１１と試料チップ１２の間に生じる摩擦力をチップホルダ３１からロードセル５２に伝達し検出することができる。
【００２５】
次に以上のような構成における摩擦摩耗試験機の動作を説明する。
【００２６】
まず上扉１０ａを開けた状態で、試料ディスク１１及び試料チップ１２をそれぞれディスクホルダ２２、チップホルダ３１にセットし、上扉１０ａを筐体１０に固定する。次いで第１及び第２のシリンダ３４、４１を駆動し、試料ディスク１１の上面に試料チップ１２を押し付けるとともに下面に押圧部材４３を押し付ける。これにより試料ディスク１１は両面から等しい押圧力を受ける。この押圧力はロードセル４４に検出され、ロードセル４４は押圧力に対応する信号を制御部に送る。
【００２７】
この状態でカム機構部を駆動し、連結シャフト２１によりディスクホルダ２２及び試料ディスク１１を水平往復動させる。ここで試料チップ１２は保持具３３によって上からの押圧力を受けているのみで、保持具３３との間では水平運動が自由になっているので、試料ディスク１１の運動によって試料ディスク１１と試料チップ１２との間に生じた摩擦力を、試料チップ１２に連結されたロードセル５２に伝達することができる。ロードセル５２は検出した圧縮、引張力に対応する信号を制御部に送る。
【００２８】
制御部は、二つのロードセルからの信号（押圧力Ｗ、摩擦Ｆ）を用いて次式により、摩擦係数μを計算する。
【００２９】
μ＝Ｆ／Ｗ        （１）
【００３０】
以上説明したように、この摩擦摩耗試験機は試料ディスク１１の両側から等しい荷重をかけた状態で試料ディスク１１と試料チップ１２との摩擦力を測定するので、試料ディスク１１が歪んだり、偏荷重によるトルクロス等がなく正確な測定が可能となる。
【００３１】
尚、以上の実施例では試料ディスク１１を往復運動させる場合を説明したが、本発明の摩擦摩耗試験機は、図３に示すように試料ディスク１１を回転運動させるものであってもよい。この場合、試料ディスク１１を回転させる機構は、ディスクホルダを図示しないモータによって回転する回転軸に固定することによって構成することができる。
【００３２】
また以上の説明では第１の試料として平板状のディスクを用い、第２の試料としてチップを用いた場合を説明したが、試料の形状はこれらの組合せに限らず種々の形状とすることができる。例えばいわゆるピン／Ｖブロック式試験機として知られるピンとＶ字状部材とを組合せた摩擦摩耗試験機にも本発明の摩擦摩耗試験機を適用することができる。
【００３３】
図４は本発明によるピン／Ｖブロック式摩擦摩耗試験機の一実施例を示すで、この摩擦摩耗試験機は、第１の試料である円筒状のピン６１と、このピン６１に対し両側から圧接されるＶ状の溝を有する第２の試料である試験片６２、６２’との摩擦力、摩耗を測定する試験機である。
【００３４】
ピン６１は図示しないモータによって回転する回転軸６３に固定され、回転軸６３とモータとの間には摩擦力を測定するためのセンサ、例えばトルクメータ６４が取付けられている。
【００３５】
一方、試験片６２、６２’はそれぞれユニバーサルジョイント６５、６５’を介して押し付け軸６６、６６’に固定されている。押し付け軸６６、６６’は筐体６０の側壁に固定されたガイド６７、６７’に摺動自在に支持されており、その後端に押し付け軸６６、６６’を水平に駆動するためのシリンダ６８、６８’が接続されている。これらシリンダ６８、６８’は同一の駆動源に接続され、同一の押圧力を発生できるようになっている。この場合にも駆動源としては油圧シリンダ、エアシリンダ等公知のものが使用できる。一方の押し付け軸６６とシリンダ６８との間には、シリンダによって試験片６２にかかる荷重を検出する圧力センサ、例えばロードセル６９が取付けられている。
【００３６】
また筐体６０には、図１の実施例と同様にオイルやガス等を充填することができ、オイルやガスの存在下での測定や、所望の温度での測定を行うことができるようになっている。
【００３７】
このような構成において、オイル中にピン６１及び試験片６２、６２’をセットしてピン６１の両側に試験片６２、６２’を配し、シリンダ６８、６８’を駆動して試験片６２、６２’をピン６１に等しい押圧力で押し付ける。このとき試験片６２、６２’はユニバーサルジョイント６５、６５’を介して押し付け軸６６、６６’に固定されているので、そのＶ字状の溝が円筒状のピン６１の外周面に沿って確実に接触することができる。この状態で回転軸６３が連結されたモータを駆動し、ピン６１を回転させる。このピン６１の回転によってピン６１と試験片６２、６２’との間に生じた摩擦力は回転軸６３に設けられたトルクメータ６４によって検出される。
【００３８】
制御・計測部は、このトルクメータ６４によって検出されたトルクＴＱとロードセル６９が検知したピンへの押付力Ｗgから、次式に基づき摩擦力Ｆおよび摩擦係数μを算出する。
【００３９】
Ｆ＝ＴＱ／ｒ            （２）
μ＝Ｆ／４Ｗ            （３）
Ｗ＝Ｗg／cos(90-θ/2)   （４）
【００４０】
式（２）〜（４）中、ｒはピンの半径、Ｗは一つの試験片からピンに加えられる半径方向（面に対し垂直方向）の押付力、試験片のＶ溝がなす角度を表す。
【００４１】
この実施例では、ピン６１の両側から等しい押し付け力を作用させることができるので、回転軸６３が二つの試験片の何れかに若干ずれているような場合でも左右の荷重のバランスがくずれることなく確実な測定を行うことができる。
【００４２】
また従来のように一対のＶブロックを回動させてピンに当接させる方式の摩擦摩耗試験機と異なり、両側から水平な押圧力を付与しているので、押付力が大きくても、シリンダのＯリング抵抗に抗する力（押圧力より十分に小さい）のみで試験片を左右方向に動かすことができ、偏荷重がかからずトルクロスをなくすことができる。
【００４３】
以上、本発明を図面に示す実施例に基づき説明したが、本発明はこれら実施例に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば上記実施例の各部で採用した機構やセンサは、公知の種々の機構やセンサで置換することが可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の摩擦摩耗試験機および方法は、二つの試料を圧接させてその間に生じる摩擦力や摩耗を試験する際に、一つの試料に対し両側から等しい押し付け力を付与しながら測定することにより、試料の歪みや偏荷重によるトルクロスをなくし正確で安定した測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の摩擦摩耗試験機の一実施例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図
【図２】図１の摩擦摩耗試験機の要部を示す図
【図３】本発明の摩擦摩耗試験機の他の実施例を示す概略図
【図４】本発明の摩擦摩耗試験機の他の実施例を示す全体構成図
【図５】従来の摩擦摩耗試験機を示す図
【符号の説明】
１１・・・・・・試料ディスク（第１の試料）
１２・・・・・・試料チップ（第２の試料）
２１・・・・・・連結シャフト（駆動手段）
３４・・・・・・第１のシリンダ（圧接手段）
４１・・・・・・第２のシリンダ（押圧手段）
４３・・・・・・押圧部材（押圧手段）
５２・・・・・・ロードセル（測定手段）
【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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