技術 ロードセルの破損防止機構を備えた摩擦試験機

0001

本発明は摺動部品の摩擦力を測定するために使用されるロードセルを具備した摩擦試験機において、該ロードセルの破損を防止する機構を備えた摩擦試験機に関する。

0002

摺動部品に対して摺動性を評価する摺動摩擦試験機に関して、例えば、ボール・オン・ディスク型試験機が用いられる。

0003

この試験機はディスクにボールを接触させ、ボールに垂直荷重を負荷し、その状態でディスク上を回転させて、ボールとディスクとの摩擦力を測定するものである。摩擦力を測定するにはロードセル（歪ゲージ式）が使用されている。

0004

以上のような試験機は、例えば特開２００７−２７１４５５号公報に開示されている。本公報によると、この試験機によれば、摩擦力測定値のばらつきを低く抑え、また、試験時間を短縮できるようになることが記載されている。

0005

特開２００７−２７１４５５号公報

0006

上記したように、摩擦係数が安定したものに対しての測定のばらつきを抑える技術はあるが、本発明は上記した観点ではなく、試験片がボールに限らず、特に平面接触で往復動する場合に問題となるロードセルに着目している。

0007

例えば、低摩擦物質の摩擦力を測定する際には測定誤差を低下させるために定格容量の小さいロードセル（測定誤差は定格容量の〜0.1％R.O.である。）が使用される。定格容量１００N ,５００Nの場合でそれぞれの誤差は０．１N,０．５Nとなる。
試験荷重を１００N ,５００Nの場合において、摩擦係数μ０．０５(硬質炭素膜物品と金属の摺動)の条件で、摩擦力はそれぞれ５N,２５N 、摩擦係数μが０．４(金属同士の摺動）条件で摩擦力はそれぞれ４０N,２００Nとなる。

0008

試験荷重１００N、定格容量５００Nのロードセルを使用した場合の誤差は０．５N／５N×１００＝１０％に及ぶ。定格容量１００Nを使用した場合には、誤差は２％となる。したがって、定格容量の低いロードセルを使用する方が誤差は小さい。

0009

しかし、試験荷重を１００Nの条件において、摩擦係数μ０．４の材質になると摩擦力は４０N、試験荷重５００N条件では２００Nとなり、試験荷重を増加させて摩擦試験をする場合には凝着や低摩擦膜の剥離により、摩擦係数μが０．０５から０．４以上に増加する場合があり、摩擦力が急激に増大してロードセル許容負荷を超えてロードセルが破損する場合がある。このため、ロードセルの定格容量により測定誤差や試験荷重などの範囲が限定され、幅広い条件での摩擦試験ができない。

0010

また、その対策として、電気回路的に摩擦力が設定値以上になった場合に摺動を停止する機構がある。しかし、摩擦力増大が急激また瞬時に発生する際には停止せずにロードセルは破損する不具合がある。あるいはまた、測定サンプル毎に定格容量の合ったロードセルに交換することも可能であるが、摩擦試験機は往復動するためにロードセルが幾重にもねじ等で強固に固定されており、交換・調整に手間を要する。

0011

以上の問題点に鑑み、本発明は測定誤差を抑えつつ、試験荷重の範囲を広く増加させることができるロードセル破損の防止機構を提供することを課題とする。

0012

摩擦試験中に往復動する部材と固定試験部材が凝着し、往復動する部材と固定試験部材の凝着等による摩擦力増大によって、ロードセルに許容負荷以上の過負荷がかかり、破損することを防止するためにまず試験部材の形状に着目し、本発明に至った。さらに、前記凝着等により固定部材が切断した後の異常事態でもロードセルが破損することがあるのでそれを防止する機構の発明にも至った。

0013

その結果、本発明は、固定の試験部材と往復動する部材間の摩擦力を測定するロードセルを具備する往復摺動摩擦試験機において、摩擦力の増加により前記ロードセルが破損しない手段を有することを特徴としている。
また、前記手段は前記固定試験部材が柱状であり、その軸方向に垂直な断面全体又は一部のせん断強さを前記ロードセルの許容負荷以下にするようにしたことを特徴としている。

0014

また、前記固定試験部材を支持する部材と前記固定試験部材を連結する柱状の連結部材を設け、該柱状の連結部材の軸方向に垂直な断面全体または一部のせん断強さを前記ロードセルの許容負荷以下にするようにしたことを特徴としている。

0015

以上により、ロードセルが許容負荷（許容負荷=定格容量×１２０％）を超え破損する前に、固定試験部材または連結部材が先にせん断強さを超えて切断されるので、除荷されてロードセルが破損することを防止できる。

0016

さらに、固定試験部材または連結部材がせん断されても、せん断された部材が往復動する部材（摺動部材）と接触して、摩擦力が増大する可能性があるため、固定試験部材の下部近傍にボールベアリングを具備した冶具を設けて、せん断された固定試験部材または支持部材が落下しても転がり摩擦により、摩擦力の増大を防ぎ、ロードセルの破損を防止することも特徴としている。
あるいは、固定試験部材の支持部材の下方に支持部材の落下を防止する荷重支持体を設けてもよい。

0017

以上説明した本発明によると、摩擦試験中に往復動する部材と固定試験部材が種々の原因により凝着等を起こし、それによる摩擦力増大によって、ロードセルに許容負荷（許容負荷=定格容量×１２０％）以上の過負荷がかかるのを防ぎ、ロードセルの破損を防止することができる。

0018

また、前記凝着等により固定試験部材または連結部材が切断した後の異常事態にもロードセルの破損することがあるのでそれを防止することもできる。

0019

以上により、測定誤差を抑えつつ、試験荷重の範囲を広く増加させることができるロードセル破損の防止機構を備えた摩擦試験機を提供することができる。

0020

本発明に係る往復動摩擦試験機の概要を表す図である。
本発明に係る一つの実施形態を表す図である。
本発明にかかる他の実施形態を表す図である。
本発明にかかるさらに他の実施形態を表す図である。
本発明にかかるさらに他の実施形態を表す図である。

0021

本発明の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は本発明のロードセルを具備する摩擦試験機の概要を示す。
摩擦試験は、通常、潤滑状態で往復動する部材１に支持部材４に固定された固定試験部材２を荷重負荷機３により所定の荷重で押し付けて、所定の往復回数または試験時間で行われる。このときの摩擦力はロードセルコネクター６により連結されたロードセル７を介する摩擦力算出部１１によって算出測定される。なお、往復動方向は紙面に垂直の方向である。

0022

この場合、通常、往復動する場合の往復動する部材１と固定試験部材２との摩擦力ではこれを許容する容量のロードセルが選ばれるので問題はないが、例えば、低摩擦試験部材の摩擦力を測定する際には、測定誤差を極力小さくしたいので、ロードセルの許容値を下げなければならない時があり、前記両部材が摩擦試験中に凝着を起こす場合では、摩擦力が瞬時に増大し、ロードセル７の許容負荷（許容負荷=定格容量×１２０％）を超え、ロードセル７が破損する場合がある。このような場合にロードセルの破損を防止するため、ロードセルが破損する前に往復動する部材１と固定試験部材２との摩擦を無くすあるいは軽減することが本発明の趣旨である。

0023

そこで、ロードセルの破損摩擦力と固定試験部材２のせん断力との関係を以下のように考える。
固定試験部材２の形状を円柱として、断面積(ｍｍ2 )をS、軸方向に垂直な面のせん断強さ(N/ｍｍ2)をτ、摺動試験時の荷重(N)をL、試験片と基材との摩擦係数μ、ロードセル７の耐力(許容負荷(N)=定格容量(N)×１２０%とする)をηとすると,
ロードセルの破損しない摩擦力は次の（１）式の条件のときである。

μL ≦ η ・・・・（１）

一方、固定試験部材２の軸方向に垂直面がせん断される摩擦力は次の（２）式の条件を満たす時である。

μL / S ≧ τ・・・・（２）

したがって、ロードセル７が破損しないで、固定試験部材２の軸方向に垂直な面で破損させるための条件は次の（３）式のようになる。

S ≦ η/ τ・・・・（３）

0024

次に、ロードセル耐力と等しくなる固定試験部材のせん断強さと断面積・直径を、ロードセル耐力ηが５００×１．２(１２０％)＝１２０N、１０００×１．２（１２０％）＝１２００Nの場合について、一例として、種々の材質について算出すると表１のようになる。

0025

0026

したがって、円柱の固定試験部材２の直径すなわち断面積Sを材質により表1に示す値以下にすると、摩擦力が増大したときにロードセルの破損を防止することができる。

0027

また、他の実施形態としては、図２に示すように固定試験部材２の軸方向の一部に小径（小断面積）部２aを設けて、その直径・断面積を表1に示す直径・断面積以下の値としてもよい。
さらに、他の実施形態としては、固定試験部材２の直径・断面積が大きくしなければならない場合などでは、図３に示すように固定試験部材２を固定する支持部材４に連結する連結部材５を取り付け，その連結部材５の直径・断面積あるいは軸方向の一部の直径・断面積を表1に示す値以下にしてもよい。
なお、なお、固定試験部材２及び連結部材５の材質は表１に限らず、それらの直径・断面積を（３）式を満たす値にすればよいことは勿論のことである。

0028

次に、以上のような構成にして、ロードセル７以外の固定試験部材２あるいは上記連結部材５でせん断されても、せん断された固定試験部材が落下などして往復動する部材１と接触して、摩擦力が増大しロードセルを破損する恐れがある。このような場合を想定して、図４に示すように、固定試験部材２の下部近傍にボールベアリング８を具備した冶具９を設けるとよい。この構成によると、固定部材２がせん断して落下しても、往復動する部材１との間で転がり摩擦が生じ、これにより摩擦力を低減させることでロードセルに高負荷がかかり破損に至ることを防止することができる。

0029

あるいは、図５に示すように、固定試験部材２の支持部下方に、せん断された固定試験部材の落下を防止する荷重支持体１０を設けてもよい。

0030

なお、以上の実施形態では、固定試験部材として、円柱の場合について記載したが、これに限らず例えば角柱などでもよい。また、摩擦試験として往復動摩擦試験について記載したが、これに限らず往復動する部材を回転する部材に代えた摺動機構の摩擦試験機にも適用できることは勿論である。

0031

本発明は摺動する部品の摩擦・摩耗特性を検討する試験機として利用できる。
特に、薄膜を被覆した部品等低摩擦の摺動部材の摩擦力の測定に有効に利用できる。

0032

１往復動する部材
２固定試験部材
２a 固定試験部材の小径（小断面積）部
３荷重負荷機
４支持部材
５連結部材
６ロードセルコネクター
７ ロードセル
８ボールベアリング
９ ボールベアリングを具備した治具
１０荷重支持体
１１摩擦力算出部