■2005.1

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.219TODAY

エリマキトカゲとコイルばね
結局衛星は静止軌道にはのらず、800億円がパーになったのです。
その調査のお手伝いをしたのですが、推定された原因は次のようなものでした。ロケットを打ち上げると、大気圏を突き抜ける時に先頭の部分に空気のうずができ、香川大学

学 長

衛星は激しく揺さぶられる。その振動によって、ヒドラ

木 村 好 次ジンという燃料と酸化剤をアポジエンジンに送る二液推薬弁という弁に不具合が起きたのです。

皆さんはエリマキトカゲを覚えておられるでしょう

この弁は、ロッドで円盤を串刺しにしたような形をしか。ウーパールーパーというのもありました。一世を風ていて、円盤の片側に燃料を加圧注入してその円盤をロ靡した、と言っては大げさでしょうが、動物園や水族館ッドの軸方向に動かし、両端の流路を開け閉めして燃料をにぎわせたスターでしたが、今では覚えている人も少と酸化剤の流量を制御しようという仕組みです。その圧ないでしょう。熱しやすく冷めやすい、わが民族の特徴

力とバランスするように、ロッドの周りにはコイルばねの一つとしてそういうところがある。

が巻いてあるのですが、打ち上げの時の振動で、ばねがそれが良いとか悪いとかは誰にも言えないでしょうけ

ロッドと直角の方向にずれたのです。
間の悪いことに、ずれど、技術の話になると困ったことになる……ことがあれたばねの端っこが円盤とハウジングの間に噛みこまれ、るのです。

燃料の圧力で押された円盤がロッドを曲げてしまった。

1994年のことですから、もう10年も前の話ですが、種コイルばねというのは、小田原提灯の竹ひごみたいな子島の宇宙センターから技術試験衛星ETS- が打ち上げ形のばねで、考えてみれば軸対称にはなっていない。だられました。
「きく6号」という愛称でご記憶の方があるから振動を受けると、横方向にずれる場合がある。あとかもしれません。重さ3.8t、静止軌道にのせて10年間ほで測定してみると、ちょうど打ち上げの時の振動レベル

ど、実用衛星としての技術基盤の確立を目指した実験のでだけ、ずれるばねがいくつか見つかりました。
こういう原因がわかるまでに、ずいぶん時間がかかり予定が組まれていました。

ました。ばねのこんな性質を知っている専門家をなかな

こういう衛星は、まず地球を一つの焦点とする楕円軌か探し出せなかったのです。

道に打ち上げ、地球から一番離れた遠地点、英語ではアポジと言いますが、そこでアポジエンジンという小さな話が飛びますが、そもそも機械要素全体に、そういうロケットを吹かして軌道を変更し、高度3万6千kmの静ことが言えるような気がします。いまどき売れ筋の技術

止軌道に投入するという方式をとります。といえば情報でありナノである。ばねだとかベアリングだとか、おまえらまだそんなカッタルイことやってんの打ち上げから2日後の早朝、アポジエンジンを吹け、か、と言われかねない。というコマンドが送られました。ところがエンジンがいうことをきかない。燃焼室の圧力が設計値の1/10ほどにむろん先端的な技術は大事だし、それを伸ばそうといしかならないのです。スタッフは焦ったでしょう。手をうのはわかります。それはわかるけれど、基本的な要素変え品を変え、いろいろなコマンドを出してもらちがあ技術をどこかでしっかり守っていないと、先端技術だっかず、最後には全然応答がなくなってしまいました。てうまくいかない、これはそういう例だと思うのです。

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JRCM REPORT「低摩擦損失高効率駆動機器のための材料表面制御技術の開発」中間報告
中間報告「低摩擦損失高効率駆動機器のための材料表面制御技術の開発」
非鉄材料研究部

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はじめに

本プロジェクトは地球温暖化防止新技術プログラムの開発事業として、平成14厚により、境界潤滑膜構造の制御による駆添加剤との組み合わせにおいて境界潤滑動機器の省エネルギー化実現の可能性を膜の構造及び特性を摺動面圧、添加剤成確認した。

分により制御可能なことを検証。摩擦摩各テーマごとの成果について以下に述

年度に経済産業省の直轄事業としてスタべる。

ートし、平成15年度に新エネルギー・産3

業技術総合開発機構（NEDO技術開発機武村1）構）に移管され現在に至っている 。
本年度（平成16年度）は中間目標の達耗と境界潤滑膜特性との関連性についても確認した。またエレメント、プーリ間研究開発項目①
潤滑膜の構造・特性及び生成機構の解明のための評価・解析技術に関する研究の非定常弾性流体潤滑を考慮した混合潤滑解析（スリップ率、摩擦係数、接触部形態等）を実施し、接触部の表面形状の指針を提示した。さらに境界潤滑膜の生成が問われる時期でもあり、本稿では現トライボロジー特性と境界潤滑膜の関在までに得られた主な成果を紹介する。

係を把握するうえで不可欠な境界潤滑膜きる見込みである。の諸性質を評価する方法を確立し、環境・水圧機器

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成果の概要

成過程のデータを加えてモデルを構築で（潤滑媒体等）、材料（表面材質、形態等）、CrSiN皮膜摺動面の非晶質酸化物から摩擦条件と摩擦摩耗特性との関係を解析

なる境界潤滑膜の存在及びその膜厚を究の進展により明らかになりつつある摺した。

確認した。DLC皮膜及び相手材の摺動動部のナノレベルの境界潤滑膜の構造と（a）
摺動部の状態の評価解析方法の開発

部をラマン、XPS分析やSEM観察し、マクロなトライボロジー特性との関連性

・境界潤滑膜の構造

皮膜表面には薄い変質層、あるいは相本開発では、最近のトライボロジー研の知見に基づき、駆動機器の高面圧摺動

TOF-SIMS分析による摺動面の厚さ数

手摩擦面にはDLC膜とは構造の異なる部の状態を制御することで、駆動機器のnmの層の成分の同定と構造解析、高分移着物の存在を確認した。接触状態の省エネルギー化を図ることを目標として解能TEMによる断面構造観察、ナノイ解析にGreenwood-Trippの粗さの接触モンデンター及びTEMによる膜厚測定及デルを適用し、水膜厚さと粗さの接触圧びエリプソメーターによる広域の膜厚の力を推定した。

ベルトCVT、水圧機器、タービン軸受測定技術等を確立した。

・発電用タービン軸受の省エネルギー化の実現方法を検証する

・境界潤滑膜の変形特性

1,2 ）

いる。

3種類の駆動機器システム、自動車用ため、摺動部の接触状態、境界潤滑膜のナノインデンターによる変形抵抗の測摺動部のTOF-SIMS分析により、PEEK系複合材の摺動面は、移着により生成し構造と性質に着目し検討した結果、各機定技術を確立した。

たPTFEの薄膜で覆われ、相手材S35Cは器に特有の境界潤滑膜あるいは変質層等・境界潤滑膜の形成過程PEEKとPTFEとのトライボロジー反応が摺動部に形成されていることが確認さ多成分系の境界潤滑膜における競争によって生成したと推定される生成物等れ、それらの膜構造への表面状態、潤滑反応と膜構造生成過程の解析技術を確により覆われていることを把握した。耐剤、環境条件の影響を把握し、最適化へ立した。

高面圧性を耐焼付性とみなして、軽摩耗の指針を提示した。これらに基づき、各・摺動部接触状態モードから重摩耗モードへの遷移臨界圧

機器システムの目標トライボロジー特性

トライボロジー挙動と相関性の高い表実現のための指針を見いだし、各機器シ面形状パラメータによる接触状態の評価

PEEK系複合材料とホワイトメタルの表ステムの摺動部の基礎的なモデル案を構技術及び摺動面接触機構の解析法とし面層の変形挙動について、スクラッチ試築できる見通しである。て、表面付近の塑性変形領域計測による験を実施、PEEK系複合材料はホワイトマイルドからシビア摩耗への遷移臨界圧

メタルに比べ、表面層における弾性限界ては、摺動部材質、環境、接触状態等の力の判定技術を確立した。

が高く塑性変形し難いことを確認した。

各条件をスクリーニングし、表面状態、（b）
境界潤滑膜構造の影響因子と機器の潤滑剤、環境の候補を絞り込んだ。トラ

トライボロジー特性との関連の調査

イボロジー特性改善効果の検証のため、・自動車用ベルトCVT次に各機器システムの研究開発におい力の挙動として把握した。

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研究開発項目②
CVT動力伝達システムの最適効率化に関する研究

各駆動機器の要素及びシステムを高精度鋼、Ni-P膜等の皮膜とZnDTP、Caス

実機におけるCVTベルトの摺動環境で模擬する試験装置を開発した。これら

ルホネート、コハク酸イミド等の潤滑油について、3次元動的応力シミュレーシ

JRCM NEWS No.219

2ョンにより、エレメント摩擦面平均面圧、エレメント／プーリ間の相対摺動速度を求めた。実機と模擬試験のエレメントの5

研究開発項目③
高効率高耐久性水圧機器システムに関する研究

10−7mm3／Nmの比摩耗量が得られた。

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研究開発項目④
耐高面圧複合軸受システムに関する研究

摺動面摩耗を比較し、試験の荷重条件、水圧機器の弁・ポンプ摺動部構造につ摺動速度及びならし条件を決定した。摩いては、バルブ／プレート間及びピスト擦特性は±5%以内でシミュレートでき、ン／シリンダ間の摺動部構造の模擬試験実機と同等（軸受径φ330mm）の低回転摩耗量も実機を再現できた。モデル構築装置を製作した。シリンダ・バルブ摺動

ターニング運転の模擬試験機、及びターに必要な境界潤滑膜の厚さ、変形抵抗、部構造については、接触状態を模擬可能

ビン回転上昇時の昇速モードと回転低下表面皮膜硬さと摩擦係数のデータを実機な摺動試験装置を製作したほか、実機相時の降速モードの模擬試験機を設計・製及び模擬試験で実測し蓄積した。

当の運転状況下で耐久性を評価する単要作し、摺動条件を決定した。

発電用タービン軸受と大きさ、材質がプーリの表面粗さの制御、及び今回開素模擬試験装置を製作した。さらに潤滑PEEKを母材とし、固体潤滑剤として発したCa系添加剤等を配合した潤滑油解析と実験により実機が再現できること

PTFEを、強化繊維として炭素繊維を加の適用により、摩擦係数向上効果が認めを確認した。DLC及びCrSiN系皮膜の小えたPEEK系複合材料は、表面層が塑性られ、両者の併用で中間目標の摩擦係数型サンプル試験において、比摩耗量の中変形し難いことと境界潤滑膜の形成によ0.12（現状0.11に対し約10％向上）が得ら−7

間目標を超える10 mm ／Nmを達成す

る許容面圧の向上効果が明らかになっれた。さらにプーリ表面へのコーティンる成膜条件を把握した。さらにDLC系た。
PEEK系複合材料は、中間目標を上回グ膜の効果も加えることで、さらに高い皮膜は、シリンダー及びバルブの単要素2の負荷に対し、る29kgf／cm（2.9MPa）

摩擦係数が得られると期待される。

模擬試験において、中間目標を超えるターニング摩耗試験及び昇速降速試験に

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図 プロジェクトのスキーム：トライボロジー基盤技術開発と駆動機器への応用技術開発

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JRCM NEWS No.219

おいて良好な耐焼付性を示した。

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今後の進め方考慮しつつ、平成18年度の最終目標達成システムの研究開発に反映できる関係をに向けて推進する。

強化する。

・評価解析研究の促進

・成果の関連分野への波及

本プロジェクトはほぼ所期の成果を上「境界摩擦モデル」の構築をプロジェ

各機器システムの実用化の前倒しを図げ、中間目標を達成できる見通しである

クト全体として推進し、それに基づく摩るほか、応用範囲を広げるため他分野とが、汎用性のある摩擦モデル及びデ−タ擦面の設計指針を具体化する。の連携の可能性についても検討する。

により他の駆動機器への適用による省エ・個別テ−マ間の有機的な連携

ネルギー、温暖化ガス削減の波及効果も

評価解析研究に関して大学と企業との期待されており、今後は特に以下の点を連携を密にし、基本コンセプトが各機器（参考資料）
1. 武村 厚、JRCM NEWS 196（2003）
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2. H. Spikes, Tribol Int 34（2001）
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●お知らせ

「環境調和型超微細粒鋼創製基盤技術の開発（PROTEUS）」
第2回シンポジウム
JRCMは、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO技術開発機構）との共催で「環境調和型超微細粒鋼創製基盤技術の開発（PROTEUS）」第2回シンポジウムを開催します。
日 時：1月27日（木）9：00〜17：10
場 所：東京電機大学 7号館丹羽ホール
参加費：無料
問い合わせ先：JRCM鉄鋼材料研究部
城田
詳しくは、JRCMホームページ（http://www.jrcm.or.jp/）をご覧ください。

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第219号

発 行 2005年 1 月 1 日
発行人 小島 彰
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本誌は地球環境保全を考慮し再生紙を使用しています。
本書の内容を無断で複写複製転載することを禁じます。

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T E L （03）3592-1282（代）／F A X（03）3592-1285
ホームページURL http://www.jrcm.or.jp/
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